CN100420914C - 绝对式旋转编码器和千分尺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝对式旋转编码器，该编码器包含转子，该转子具有穿过其中心以在其中接收轴的孔，并且其可以关于该轴旋转并相对于定子布置。磁道同心地布置在该转子上以形成磁道组。发射线圈组布置在该定子上能够与该磁道组磁通耦合。接收线圈组布置在该定子上能够与该磁道组磁通耦合。该磁道组中的每个磁道包含磁通耦合线圈，该磁通耦合线圈包括线性弧部分，该线性弧部分具有第一和第二半径并交替布置在该转子上，并且具有关于该轴连续的环的形状。该磁道组中的至少两个磁道具有在数量上彼此不同的线性弧部分。

Description

绝对式旋转编码器和千分尺

技术领域

本发明涉及一种用于通过使用磁通耦合来进行测量位移的绝对式旋转编码器，和一种包括安装于其上的该编码器的千分尺。

背景技术

旋转编码器包含具有布置于其上的发射线圈和接收线圈的定子，和具有布置于其上能够与这些线圈磁通耦合的磁道的转子。这种编码器包括如在JP-A 10-213407(图2和3)和美国专利3,812,481(第5栏第68行至第6栏第3行；第7栏第31-35行；图1和2)中公开的绝对式类型。特别地，后者公开了相对大的旋转编码器，其能够控制内燃机。定子和转子在外壳中的安装可以引起该定子或转子的位移。在这种情况下，与绝对式旋转编码器的大小无关，位移量的范围几乎是相同的。因此，减小绝对式旋转编码器的尺寸导致来自位移的影响增加，并导致测量精度降低。

本发明的目的在于提供即使在减小尺寸的情况下也能够获得精确测量的绝对式旋转编码器，和包括安装于其上的该编码器的千分尺。

发明内容

本发明提供一种绝对式旋转编码器，包含：轴；定子；转子，其具有通过其中心以在其中接收该轴的孔，并且其可以关于该轴旋转并相对于该定子布置；磁道组，其包括同心布置在该转子上的磁道；发射线圈组，其布置在该定子上能够与该磁道组磁通耦合；和接收线圈组，其布置在该定子上能够与该磁道组磁通耦合，其中该磁道组中的每条磁道包含磁通耦合线圈，该线圈包括线性弧部分，该线性弧部分具有第一和第二半径，并交替布置在该转子上，而且具有关于该轴呈连续的环形状，其中该磁道组包括至少两个具有在数量上彼此不同的线性弧部分的磁道。

在根据本发明的绝对式旋转编码器中，每个磁道包含磁通耦合线圈，该磁通耦合线圈包括线性弧部分，该线性弧部分具有第一和第二半径，并且交替布置在该转子上，而且具有关于该轴连续的环的形状。因此，即使减小该绝对式旋转编码器的尺寸，也有可能防止接收信号强度的降低，并且减小来自该定子或转子的位移的影响。

在本发明中，可以将发射线圈组定位得比包含在接收线圈组中的多个接收线圈中最里面的接收线圈更靠外。在这种情况下，省略发射线圈，其否则定位得比最向里定位的接收线圈更靠里。因此，可以减小该绝对式旋转编码器的尺寸。

在本发明中，发射线圈组可以包含以连续线状连接的发射线圈。在这种情况下，可以共用发射线圈驱动器来驱动每个发射线圈。因此，可以减小该绝对式旋转编码器的尺寸。该绝对式旋转编码器可以安装到千分尺上。

依据本发明，即使对于减小了尺寸的绝对式旋转编码器，也有可能防止在接收线圈接收的信号强度的降低，并且减小来自定子或转子位移的影响。因此，可以实现精确的、减小尺寸的绝对式旋转编码器。

附图说明

图1是定子的平面图，该定子是根据本实施例的绝对式旋转编码器的组件。

图2是转子的平面图，该转子是根据本实施例的绝对式旋转编码器的组件。

图3是布置在图1所示定子上的接收线圈的例子的平面图。

图4是布置在图1所示定子上的接收线圈另一个例子的平面图。

图5是图3所示接收线圈的接收折叠部分和附近的平面图。

图6是转子的平面图，该转子是根据比较例子的绝对式旋转编码器的组件。

图7是表示信号强度的测量结果的曲线图。

图8是表示尺寸的测量误差结果的曲线图。

图9表示转子相对于定子的位移。

图10表示当移动比较例子中的转子时在磁道中流动的电流。

图11表示当移动本实施例中的转子时在磁道中流动的电流。

图12是适用于本实施例的三相接收线圈的平面图。

图13是适用于本实施例的转子的另一个例子的平面图。

图14是装配有根据本实施例的绝对式旋转编码器的千分尺的正视图。

具体实施方式

现在将参考附图介绍根据本实施例的绝对式旋转编码器(在下文中“绝对式旋转编码器”也可以称为“编码器”)。在这些图中，对与那些在曾经介绍过的附图中的附图标记指示相同的部分给予相同的附图标记，并将其从下面的介绍中省略。

图1是定子1的平面图，该定子是根据本实施例的绝对式旋转编码器的组件，并且图2是转子3的平面图。该定子1具有穿过该中心形成的孔5，并且轴9穿过该孔5。该转子3也具有穿过中心以在其中接收轴9的孔11。设置该转子3，使其可以沿着箭头A的方向关于轴9旋转，插入未示出的转子套筒，其装配在两者之间的孔11中，并与该定子1相对。该定子1和转子3包括印刷电路板、玻璃衬底、硅衬底等。

示于图1中的该定子1包含隔离衬底15，呈环形状的接收线圈17、19关于该轴9同心地形成在其上。该接收线圈17靠外定位，接收线圈19靠里定位。接收线圈17具有端子T1、T2，接收线圈19具有端子T3、T4。该接收线圈17、19形成接收线圈组G1。将接收线圈17作为例子来介绍接收线圈的结构。

图3是接收线圈17的平面图。该接收线圈17包括上导体21和与该上导体三维交叉的下导体23形成的组U，并且将多个这样的组布置成环。未示出的绝缘体层定位在该上导体21和下导体23之间。这个绝缘体层具有穿过其形成的透孔或通孔以在其中接收埋地导体25，穿过该透孔或通孔将该上导体21的末端连接到该下导体23的末端。换句话说，该接收线圈17包括多个近似钻石的接收回路27，将这些接收回路布置成环。

该接收回路27可以以各种闭环的形状形成，诸如几乎正弦波的形状。图4是由具有几乎正弦波形状的接收回路27组成的接收线圈的平面图。这可以被用作为布置在图1所示的定子1上的接收线圈17、19。

图5是接收线圈17的接收折叠部分29附近的平面图。该接收折叠部分29形成在两个位置：该接收线圈17的前端31和后端33。更详细地，在前端31中该下导体23在该接收折叠部分29处折叠，在后端33中该上导体21在该接收折叠部分29处折叠。在前端31中的接收折叠部分29是下导体23，在后端33中的接收折叠部分是上导体21。因此，前端31中的接收折叠部分29没有连接到后端33中的接收折叠部分29。

除了对应于该接收线圈19的波长λ₂的旋转角被形成为短于对应于接收线圈17的波长λ₁的旋转角之外，图1的接收线圈19具有与接收线圈17一样的结构。

定子1包括如图1所示的发射线圈35、37，它们分别布置得比接收线圈17更加靠外，并且分别处于接收线圈17和接收线圈19之间。将发射线圈35、37如此配置，即具有常数曲率的线性导体以环的形状形成在绝缘体层15上。该发射线圈35和该发射线圈37以连续线状连接来构成发射线圈组G2。结果，就可以共用发射线圈驱动器来同时驱动发射线圈35、37。因此，可以减小该编码器的尺寸。T5、T6表示发射线圈组G2的端子。

将该发射线圈组G2定位得比接收线圈19更加靠外，即，比包含在接收线圈组G1中的接收线圈17、19中的最里面的接收线圈更加靠外。这样，否则定位得比接收线圈19更加靠里的发射线圈被省略，以减小该绝对式旋转编码器的尺寸。

接下来参考图2来介绍转子3的结构。该转子3包括具有圆盘形状的绝缘衬底39。磁道41、43同心地形成在该绝缘衬底39上。将磁道41靠外定位，并且使得其能够与接收线圈17和发射线圈组G2磁通耦合。相反地，将磁道43靠里定位，并且使其能够与接收线圈19和发射线圈组G2磁通耦合。磁道41、43构成磁道组G3。

以磁道41作为例子来介绍磁道组G3的结构。10个具有半径r₁(第一半径的例子)的线性弧部分45和10个具有较小半径r₂(第二半径的例子)的线性弧部分47交替布置。利用沿着该转子3的半径方向延伸的直线部分49将该线性弧部分45、47彼此相连，以将磁通耦合线圈51配置成关于该轴9连续的环的形状。这个磁通耦合线圈51用作磁道41。该磁通耦合线圈51具有波长λ₁，该波长与接收线圈17的波长λ₁相同。

用作磁道43的磁通耦合线圈53包含交替布置的9个具有比半径r₂小的半径r₃(第一半径的例子)的线性弧部分55，和9个具有更小半径r₄(第二半径的例子)的线性弧部分57。利用直线部分59将该线性弧部分55、57彼此连接。该磁通耦合线圈53具有波长λ₂，其等于接收线圈19的波长λ₂。这样，该磁通耦合线圈51、53具有齿轮形状的图案。

线性弧部分45和在其两侧的直线部分49构成区61，线性弧部分55和在其两侧的直线部分59构成区61。区61的数量在外磁道41中等于十，在内磁道43中等于九。

在根据本实施例的包含图1的定子1和图2的转子3的编码器中，外磁道41与内磁道43在区61的数量上不同。因此，基于从接收线圈17、19获得的信号之间的差异，可以在一次旋转中检测转子3的绝对位置。

接下来，与比较例子相比较，介绍本实施例的主要效果。图6是根据比较例子的转子71的平面图，其对应于图2。转子71与转子3的不同之处在于磁道的结构。在转子71中磁道41包括十个以一定间隔布置的磁通耦合线圈73，而磁道43包括九个以一定间隔布置的磁通耦合线圈73。磁通耦合线圈73的形状呈几乎矩形结构。

根据本实施例的装配有转子3的编码器和根据比较例子的装配有转子71的编码器被用于测量在下列条件下测量的某一物体的尺寸。磁道41和43具有各自的半径7.4mm和6.3mm，转子的旋转中心偏离定子大约100μm，在磁道41中倾斜偏离大约25μm。

在上述测量过程中，取得从接收线圈中获得的信号强度以及该尺寸的测量误差。图7是表示信号强度的测量结果的曲线图，并且图8是表示该尺寸的测量误差结果的曲线图。首先介绍信号强度。图7的曲线表示通过相对于比较例子的信号强度的比率来表示的本实施例的信号强度，比较例子的信号强度确定为具有值1。

在本实施例中，有可能获得比较例子的信号强度的大约1.2倍。如在本发明所要解决的主题栏中所介绍的，如果减小绝对式旋转编码器的尺寸，就使得通过与发射线圈磁通耦合在磁道中感应的电流变小，就不能从接收线圈中获得具有足够强度的接收信号。

本实施例具有包括磁通耦合线圈51、53的磁道41、43，每个磁通耦合线圈呈如图2所示的连续环(以齿轮的形式)的形状。因此，信号能够有效地从发射线圈组G2发射到磁道组G3。从而，可以增强接收信号的强度。这样，即使该编码器的尺寸减小，也有可能从接收线圈中获得具有足够强度的接收信号。

下面的介绍是针对尺寸的测量误差。图8通过相对于比较例子中的测量误差的比率示出本实施例中的测量误差，比较例子中的测量误差所具有的值确定为1。在本实施例中，有可能获得与比较例子相比较在测量精度方面大约50％的改进。

在本实施例中，有可能减小由转子或定子的位移引起的测量误差。其原因可以考虑如下。当转子的装配位置相对于定子移动，如图9所示，根据该磁道的位置，定子和转子之间的距离变得不同。在这种情况下，电流如下面所考虑的在磁道中流动。

如图10所示，在比较例子的转子71中，磁道包括多个彼此分开的磁通耦合线圈73，在其中具有不同强度的感应电流分别流动。例如，在磁通耦合线圈73a中流动的感应电流ia与在磁通耦合线圈73b中流动的感应电流ib在强度上有所不同。因此，感应电流根据磁道的位置而具有不同的强度，该不同强度可以导致测量精度的降低。例如，如果减小编码器的尺寸，即使同样是0.1mm的位移也能产生较大的影响。

相反地，在本实施例的转子3中，在一个磁道中的磁通耦合线圈51、53具有如图11所示的连续环的形状。因此，根据该磁道的位置，在磁道中流动的感应电流不会不同，并且能够使其一致。因此，在本实施例中，有可能减小由定子或转子的位移引起的测量误差。

如上所述，在本实施例中，即使减小该编码器的尺寸，也有可能防止接收信号强度的降低，和减小来自定子或转子位移的影响。因此，有可能实现能够获得精确测量的减小尺寸的绝对式旋转编码器。

在上述的例子中，对应于每个磁道(在一相接收线圈的情况下)提供一个接收线圈17、19，如图1中所示。与此相反，对应于每个磁道(在三相接收线圈的情况下)可以提供三个接收线圈，如图12所示。在后一种情况中，以彼此之间具有不同相位偏移所设置的三个接收线圈17a、17b、17c对应于一个磁道，以彼此之间具有不同相位偏移所设置的三个接收线圈19a、19b、19c对应于另一个磁道。而且，尽管没有显示，可以对应于每个磁道提供两个或四个接收线圈(在两相或四相接收线圈的情况下)。

转子3不限于图2中所示的结构，还可以具有图13中所示的结构。在这种情况下，转子81包括具有十六个区61的外磁道41和具有五个区61的内磁道43。

在所介绍的例子中，在该磁道组G3中包含两个磁道，但是可以包含三个或更多个磁道。在这种情况下，在磁道组G3中的至少两个磁道可以具有区61(即，线性弧部分)，其在数量上彼此不同。

图14是根据本实施例的装配有绝对式旋转编码器的千分尺91的正视图。图1的该定子1固定到框架93上，并且图2的该转子93固定到套筒95上。在本实施例中，即使减小千分尺91的尺寸，使得例如该转子3具有20mm或更低的直径，也有可能获得精确测量。

Claims (6)

1. 一种绝对式旋转编码器，包含：

轴；

定子；

转子，其具有穿过其中心以在其中接收该轴的孔，并且其可以关于该轴旋转并相对于该定子布置；

磁道组，其包括同心地布置在该转子上的磁道；

发射线圈组，其布置在该定子上能够与该磁道组磁通耦合；和

接收线圈组，其布置在该定子上能够与该磁道组磁通耦合，

其中该磁道组中的每个磁道包含磁通耦合线圈，该磁通耦合线圈包括线性弧部分，该线性弧部分具有第一和第二半径并交替布置在该转子上，并且具有关于该轴呈连续的环的形状，利用沿着该转子的半径方向延伸的直线部分将具有第一和第二半径的线性弧部分彼此相连，

其中该磁道组包括至少两个具有在数量上彼此不同的线性弧部分的磁道，以及将该发射线圈组定位得比包含在该接收线圈组中的多个接收线圈中最里面的接收线圈靠外。

2. 根据权利要求1的绝对式旋转编码器，其中该发射线圈组包含以连续线状连接的发射线圈。

3. 根据权利要求1的绝对式旋转编码器，其中包含在该接收线圈组中的每个接收线圈包括布置成环的具有闭环形式的多个接收回路。

4. 根据权利要求1的绝对式旋转编码器，其中包含在该接收线圈组中的接收线圈包括外接收线圈和内接收线圈，该外接收线圈具有的对应于其波长的旋转角大于内接收线圈具有的对应于其波长的旋转角。

5. 根据权利要求1的绝对式旋转编码器，其中以对应于相应磁道的不同相位布置该多个接收线圈。

6. 一种千分尺，包括安装于其上的根据权利要求1所述的绝对式旋转编码器。

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