具有用于检测控制器或手柄的位置的磁性三轴传感器的电子龙头芯以及包含其的电子龙头的制作方法

1.本发明涉及一种电子龙头芯，其包括位于三个笛卡尔轴上的磁性传感器以检测控制器或手柄的位置，以及涉及包含具有磁性传感器的所述芯的龙头，该龙头用于以电子方式确定由龙头用户进行的流动和混合，并将其发送至相应的设备，该设备执行混合并调节供应流动。


背景技术：

2.在具有电子功能的龙头种类中，允许对流经它的液体的供应参数进行电子调节的龙头是已知的。
3.这些电子控制设备通常基于为此目的专门设计的控制器，该控制器具有特定的按钮或旋钮，所述电子控制设备通常位于液体供应龙头自身的外部，并且将由用户提供的设定点信息发送至与液体混合物调节和流动调节相关的设备，使得它们作用于要混合的每种液体的电动阀上，这些液体的混合物将供应到龙头。
4.众所周知，传统的具有单个控制器或手柄的龙头运动机构作用于混合芯，直接或借助于运动链将控制器或手柄的运动传递给内部混合芯，所述单个控制器或手柄用于机械调节待供应液体的混合和流动。这种运动传递通常通过凸轮直接和/或间接移动混合和流动调节芯的移动盘来完成。通过这种配置，根据由用户设定的设定点，获得了芯本身中液体的机械调节和混合。
5.借助于控制器或手柄在具有传统调节配置的龙头中使用电子调节，其中该控制器或手柄将其运动传递至龙头的内部，使得必须在每个时刻确定手柄的位置，以便知道用户给出的设定点。这些位置中的每个位置都与液体混合和/或供应流动值相关联，其中该信息被传送到负责混合和流动调节的设备，所述信息对应于由用户通过手柄的操作设置的条件。
6.为了确定手柄在任何给定时刻的位置，芯配置是已知的，因此构成现有技术的一部分，其中，为了检测手柄的提升运动，将磁体结合到其移动盘的旋转驱动元件中，移动盘在移动时又连接至手柄，该磁体的磁场由其移动圆盘中的磁场传感器检测。类似地，为了检测手柄的回转运动，必须在不同的静止位置中结合第二磁体，通过移动盘上的第二磁场传感器检测该第二磁体的磁场。因此，芯的机构允许并需要两个磁体之间的相对运动，并且需要存在相对于彼此具有不同位置的两个传感器。
7.如上所述，该已知配置需要使用两个磁体/传感器组以建立手柄位置。除了这多个磁体和传感器外，两个磁体生成利用它们之间的相对运动而彼此靠近的磁场，两个磁体的存在会导致每个传感器除了检测与其相关联的磁体的磁场之外，还受到与另一传感器相关联的另一磁体的另一可变磁场的影响。
8.同时，已知配置的检测传感器和/或电子设备的一部分必须位于移动部件中，使磁体和传感器承载部件的侧隙对这些元件之间的相对定位精度产生负面影响，并且使得必须
将这些电子设备的电气连接布线到芯的固定端子，这种布线由于其支撑件的移动而受到摩擦和机械疲劳，从而导致电子系统发生故障的可能性更大。这些传感器中的一些必须位于靠近芯的壁并因此靠近龙头的壁的区域中，容易受到来自外部磁场的干扰，因此与芯中的这些磁体无关。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种电子龙头芯，其在三个笛卡尔轴上具有磁性三轴传感器，以检测和确定控制器或手柄的位置。本发明的目的也是包含所述电子龙头芯的电子龙头，其设法配置新的和有利的产品，展示了下面将描述的现有技术的优点和不便之处。
10.在本说明书中，当引用磁场检测传感器时，其包括三个单轴磁场传感器的配置，所述三个单轴磁场传感器在单个外壳内沿法线方向定向，允许它们彼此靠近放置，以及将单轴或双轴磁性传感器组合在单独的外壳中的任何等效解决方案，允许将它们一起成组在非常小的空间中，以使它们基本上靠近在一起，并在法线方向上定向，使得磁场强度实际上可以在空间中的一个点上测量。磁性传感器或磁场检测传感器的名称，以及磁性三轴传感器或三个笛卡尔轴上的磁性传感器的名称应作为异物同名互换使用，具有相同含义。
11.类似地，当在本说明书中引用术语“磁场生成元件”或“磁体”时，其包括存在一个或更多个能够生成磁场的元件，其通常由一个或更多个磁体组成，磁体之间没有相对运动，目的是获得应用所需的磁场。
12.根据本发明的目的，根据第一方面，本发明提供了一种具有用于检测控制器或手柄的位置的磁性三轴传感器的电子龙头芯，该电子龙头芯安装在电子龙头上，控制器或手柄以具有至少转动和倾斜运动的方式附接至电子龙头芯，以安装有该芯的龙头的液体输出参数的手动调节。
13.该芯的特征在于它包括：
14.‑
至少一个三轴磁场检测传感器，该传感器在三个笛卡尔轴(x、y、z)中的每个轴上具有磁场强度测量元件；
15.‑
磁场生成元件，其附着于控制器或手柄的运动，所述控制器或手柄联
16.接至芯；
17.‑
处理由传感器接收到的信息并且将与控制器或手柄的位置有关的信息发送到用于调节液体的混合和调节流量的设备的装置；
18.在该配置中，磁性三轴传感器的特征还在于它位于芯的静止基部上，其中三个笛卡尔检测轴之一与芯的控制器或手柄的旋转轴基本上同轴或平行。
19.同样，该配置的特征还在于，当控制器或手柄的倾斜移动大约是沿其路径的一半时，生成磁场的元件的位置基本上以芯的控制器或手柄的旋转轴为中心，并因此也基本上以相应的笛卡尔检测轴为中心，笛卡尔检测轴与芯的控制器或手柄的旋转轴基本上共轴或平行。应当理解，控制器或手柄的旋转轴与龙头的控制器或手柄旋转运动中凸轮的旋转轴同轴。
20.利用该解决方案，有利于具有由磁性三轴传感器形成的测量装置，该测量装置是静止的，不允许因包含磁性三轴传感器的基部的意外齿隙或位移而导致测量变化，允许更精确地计算磁体的位置。
21.上述解决方案确保了从磁性三轴传感器到芯的固定部分没有移动的电连接元件，因此不会由于机械疲劳或由于摩擦和磨损导致的劣化而损坏电缆，也不会因在非常有限的可用空间内驱动而增加空间消耗、影响移动电缆的导电材料对磁场的影响等。
22.有利地，当控制器或手柄大约在提升路径的中间时，磁场生成元件的位置基本上以相应的笛卡尔检测轴为中心、与旋转轴同轴或平行的配置允许在磁场生成元件相对于控制器或手柄的中心倾斜位置和磁性三轴传感器的位置的倾斜位移和旋转位移中测量的场强中获得相对于旋转轴的对称模式。
23.上述特征允许更好地利用磁性传感器的可用测量范围，有利地在正负强度上对称，在其所有的位置范围内，尤其是在极端位置，实现更高的分辨率和测量精度，并且简化了随后的计算，这些计算将由磁性三轴传感器进行的测量与控制器或手柄的倾斜和旋转位置联系起来。
24.另一方面，所描述的配置允许使用单个磁场生成元件和单个磁性三轴传感器测量控制器或手柄在该控制器或手柄执行的任何类型的运动中的位置。这样，由于只有一个磁场生成元件，因此不存在几个固定磁场的叠加，由于生成磁场的元件的相对运动，生成的可变的磁场使得必要的数学运算难以确定磁场生成元件的位置。
25.在本发明的可能实施方式中，磁场生成元件安装在由控制器或手柄拉动的板或类似物的基部上，并该磁场生成元件在与两个笛卡尔检测轴的平面基本上平行的平面内执行其运动，这两个笛卡尔检测轴基本上垂直于手柄的旋转轴，该磁场发生元件被放置在板上的位置，使得：当控制器或手柄的倾斜运动大约是在控制器或手柄的路径的一半时，从磁场生成元件到在其平面内的该旋动运动和旋转路径中的磁性三轴传感器的距离最小。
26.对于该配置，在磁场生成元件在平面内进行移动时，从控制器或手柄的平均倾斜点开始测量的场强的对称模式及其在该点到磁性三轴传感器的最小距离，允许以更高的分辨率确定控制器或手柄沿其整个路径的位置，并且显着地简化了确定控制器或手柄的仰角和旋转位置所需的数学仪器。
27.在本发明的另一个可能的实施方式中，磁场生成元件安装在凸轮的基部上，该凸轮用作与控制器或手柄的运动相关联的运动链，磁场生成元件被放置在一个位置来进行大致的球面运动，使得当控制器或手柄的倾斜运动大约是沿其路径的一半时，从磁场生成元件到在所述倾斜路径中的磁性三轴传感器的距离最小。
28.与先前的实施方式中描述的位置测量精度和数学运算简化相关的益处在该另一可能实施方式中以相同方式观察，由于对于磁场生成元件执行球面运动的配置，从控制器或手柄的平均倾斜点开始的测量场强中的对称模式及其在该点到磁性三轴传感器的最小距离，允许以相同的方式以更高的分辨率确定控制器或手柄沿其整个路径的位置，并且显着地简化了确定控制器或手柄的仰角和旋转位置所需的数学仪器。
29.优选地，磁性三轴传感器必须相对于芯的侧壁基本上居中。这将其放置距芯的任意壁的最大可能的距离处，这是测量由磁体生成的场强的最有利点，不会受到外部磁场的影响，诸如由龙头本体的金属导致的磁场，甚至龙头外部的磁场的影响。
30.根据本发明的实施方式，在磁场生成元件的磁极之间限定的轴随着控制器或手柄的移动而移动和旋转，磁场生成元件的轴在与控制器或手柄的所述旋转轴基本上垂直的平面上的投影的角取向是由磁场强度分量的组成/关系确定的，该磁场强度分量由磁性传感
器的两个笛卡尔检测轴中的每个轴来测量，这两个笛卡尔检测轴限定了基本上垂直于控制器或手柄旋转轴的平面。
31.除此之外，磁场生成元件在其倾斜路径中的位置是由在传感器的感测轴上测量的磁场强度分量确定的，该感测轴与控制器或手柄的旋转轴基本上同轴。
32.作为上述的替代方案，除了在形成垂直于手柄的旋转轴的平面的两个检测轴上测量的磁场强度分量外，处理介质必须与确定手柄在其旋转路径中的角取向相关，磁场生成元件在其倾斜路径中的位置是由在形成垂直于控制器或手柄的旋转轴的平面的这两个检测轴上测量的场强模量与在传感器的检测轴上测量的磁场强度分量符号一起确定的，所述传感器的检测轴基本上与控制器或手柄的旋转轴共轴。
33.除上述的替代形式外，还可选择地，将两个或三个测得的磁场强度分量与储存在二维参考矩阵中的成对或三对值进行比较，以识别和区分由影响磁性传感器的测量值的芯外侧的磁场源生成的磁场干扰。
34.在本发明的可能的实施方式中，芯具有串联叠置的两个或更多个磁体作为磁场生成的元件。所生成的磁场可能比由简单几何形状(圆柱、棱柱等)的磁体生成的磁场更适合于本发明中描述的应用。
35.在上述的替代实施方式中，该芯具有彼此分离的两个或更多个磁体作为磁场生成元件，两个或更多个磁体的南北轴对齐且它们之间没有相对运动，当手柄或控制器的提升路径约为其路径的一半时，两个或更多个磁体相对于磁性三轴传感器基本上对称分布。例如，当磁体在手柄或控制器的提升运动中生成的位移相当长时，所生成的磁场可能比简单几何形状的磁体(圆柱体、棱柱体等)生成的磁场更适合本发明中描述的应用。
36.同样根据本发明的目的，根据第二方面，本发明提供了一种电子龙头，其至少具有如前几段所述的芯，该芯具有用于检测控制器或手柄的位置的磁性三轴传感器，其还包括具有转动和/或倾斜运动的控制器或手柄，以及对芯的那些元件的辅助或同时处理装置，该辅助或同时处理装置向形成液体供应组件的相应设备发送关于待由龙头供应的混合物的配置的指令和/或与控制器或手柄的位置相关联的功能的指令。
37.这种电子龙头配置具有与有效、精确和可靠地确定手柄或控制器的位置相关联的优点，允许用户通过处理介质了解和管理他们希望利用手柄或控制器的移动的混合和流动调节。
38.作为选择，电子龙头可以配备有控制器或手柄，该控制器或手柄在旋转路径和/或倾斜路径中发现第一次停止之后具有附加增加的旋转路径和/或倾斜路径，其中控制器或手柄的磁性三轴位置传感器检测增加的旋转路径和/或倾斜路径的该位置，使常规机械混合和流动调节芯的基本功能得到极大扩展。
39.在具有增加路径的该先前配置中，处理介质优选地在路径上遇到的第一次停止之后在增加的路径内建立位置测量区域，其中混合物和液体流的配置未被改变，并且现有功能未被激活或去激活，所述现有功能诸如防止用户意外启动的安全性、运动链的齿隙和滞后以及电子设备的分辨率。
40.此外，任选地，尽管优选地，并且为了实现具有最能抵抗来自任何点对龙头的外部干扰的布置的效果，相对于芯的位置，龙头的壁位于距所有侧面的最大可能的距离处。
41.在由用户确定的流动和混合参数中对液体供给介质的测量和调节进行处理，液体
供给介质优选地位于芯中，尽管它们可以由芯外部的处理介质补充，但可以包括使传感器进行的测量正常化的功能，能够对这些测量进行缩放、变形、旋转、旋动、线性化等，以便在将其解释为管理混合的设备的流动、温度和特殊功能之前使其均匀化。
附图说明
42.为了更好地理解所进行的描述，提供了一组附图，其示意性地且仅作为非限制性示例表示实施方式的实际情况。
43.图1是具有磁性三轴传感器的芯的分解图。
44.图2是安装在电子龙头上的、具有磁性传感器的芯的剖视图。
45.图3是芯中磁性传感器的位置的详细立体图。
46.图4是表示在垂直于旋钮或手柄旋转轴的平面中，位于与单手柄龙头的手柄相关联的板上或凸轮上的磁体的位置可以相对于磁性三轴传感器的位置进行投影。
具体实施方式
47.在本发明的优选实施方式中，如图1、图2和图3所示，芯(10)安装在单手柄式家用龙头(100)中，该龙头具有手柄(101)，用户可以通过该手柄调节冷热水混合物的比例以及供应流量。
48.手柄(101)将其旋转和倾斜运动传递到凸轮(11)，该凸轮(11)通过手柄(101)的倾斜运动在旋转部(g)和旋动轴上执行随着手柄(10)旋转的旋转运动。
49.与该凸轮(11)相反，芯(10)具有静止基部(12)，磁性三轴传感器(13)位于该静止基部(12)。该传感器(13)的安装使得三个笛卡尔检测轴中的一个轴(z)相对于手柄(101)的旋转轴基本上共轴，手柄(101)的旋转轴与芯(10)的凸轮(11)的旋转轴(g)相同。磁性三轴传感器(13)相对于芯(10)的侧壁基本上居中。
50.在本实施方式中，磁体(14)安装在由手柄(101)拉动的板(15)或类似物的基部上，使磁体(14)在基本上平行于传感器(13)的两个笛卡尔轴(x，y)的平面进行磁体(14)的运动，两个笛卡尔轴(x，y)基本上垂直于手柄(101)的旋转轴(g)，当控制器或手柄(101)的倾斜移动大约是沿着其路径(m)的一半时，磁体(14)放置在板上的下述位置，所述位置使得磁体(14)与磁性三轴传感器(13)的距离最小。
51.在替代的实施方式中，磁体(14)用作磁场生成元件，位于凸轮基部，该磁体(14)与该凸轮的运动结合一起移动，形成具有使磁体(14)穿过的位置的球面，该球面的中心位于该凸轮的旋转轴和提升轴的交叉点处。当手柄(101)的倾斜运动大约是沿其路径(m)的一半时，该磁体基本上以手柄(101)的旋转轴(g)和芯(10)的凸轮(11)为中心，因此也基本上以相对应的笛卡尔检测轴(z)为中心，该笛卡尔检测轴(z)与龙头(100)的手柄(101)的旋转轴(g)基本上共轴或平行。
52.在这些实施方式中，如图4所示，定位磁体(14)的可能性由手柄(101)的旋转及其倾斜确定，使得磁体(14)在由其他两个测量轴(x，y)形成的平面上的这些位置的投影彼此垂直且与第一轴(z)垂直，在场强下创建对称图案，该场强是在磁体(14)相对于该轴(z)的倾斜和旋转位移中测量的。
53.磁体(14)随着手柄(101)的移动而移动和旋转。磁轴(14)在由传感器(13)的笛卡
尔测量轴(x，y)形成的平面上的投影的角取向(φ)由通过磁性三轴传感器(13)的这两个笛卡尔测量轴(x，y)中的每一个测量的磁场强度分量的组成/关系来确定。在磁性三轴传感器(13)的传感器笛卡尔轴(x，y)上测得的磁场强度(bx，bx)之间的关系由其切线(tanφ＝by/bx)给出，并提供磁体(14)的角度方向。
54.在本实施方式中，在传感器(13)的检测轴(z)(其与手柄的旋转轴(g)基本上共轴)上测量的磁场强度分量确定手柄(101)在其倾斜路径中的位置。
55.在替代实施方式中，在这两个检测轴(x，y)(形成垂直于手柄的旋转轴(g)的平面)上测量的场强的模量与在磁性三轴传感器(13)的检测轴(z)(其与手柄的旋转轴(g)基本上共轴)中测量的磁场强度分量的符号一起来确定手柄(101)在其倾斜路径中的位置。
56.该芯(10)配备有处理由磁性三轴传感器(13)测量的场强的装置，所述装置根据上述平面(x，y)中的电流比与先前的两种替代方式，即在这些轴(x，y)或与旋转轴(g)同轴的轴(z)上使用电流值模量来一起确定控制器或手柄的位置。
57.可替换地，处理介质也可以具有两个或三个测量的磁场强度分量，并将它们与储存在二维参考矩阵中的成对或三对值进行比较，以识别和区分来自影响磁性传感器的测量的芯外部的源的磁场干扰。
58.在这种情况下，在龙头(100)本身外部，处理介质将与手柄(101)的位置有关的信息发送到图中未示出的调节设备，用于混合液体以及调节流动。
59.在本实施方式中，仅具有一个磁体(14)，该磁体(14)具有单个磁性三轴传感器(13)，尽管在替代实施方式中，两个或更多个磁体可以串联叠置，或者，可替换地，两个或更多个磁体彼此对齐和分离，但是当手柄或控制器的提升路径约为其路径的一半时，两个或更多个磁体优选地相对于磁性三轴传感器对称分布。
60.可替换地，电子龙头具有手柄，该手柄在旋转路径和/或倾斜路径中发现第一次停止之后具有附加增加的旋转路径和倾斜路径，其中控制器或手柄的磁性三轴位置传感器在增加的旋转路径和/或倾斜路径中检测该位置，以扩展龙头的功能，从而允许流动和温度控制功能的附加功能。
61.在具有增加路径的该替代实施方式中，处理介质在路径上遇到第一次停止之后在增加的路径之内建立位置测量区域，其中水混合物的配置未改变，现有功能也未被激活或去激活，诸如防止用户意外启动的安全性、动力传动系的齿隙和滞后以及电子设备的分辨率。
62.尽管已经参考了本发明的具体实施方式，但本领域技术人员清楚地知道，电子龙头芯在三个笛卡尔轴上具有用于检测和确定控制器或手柄的位置的磁性三轴传感器，以及包含电子龙头芯的电子龙头，容易受到许多变化和修改的影响，并且所提及的所有细节可以由技术上等效的其他细节替换，而不偏离所附权利要求所限定的保护范围。