CN101281043B - 具有倾斜传感器的位置检测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有倾斜传感器的位置检测器，其包括由磁性材料制成的刻度部。在所述刻度部的表面上以等节距记录有重复的图形。传感器部独立于所述刻度部而设置。所述传感器部的靠近所述刻度部表面的表面上具有读取所述图形的磁性位置传感器。此外，所述传感器部具有检测所述刻度部的表面和所述传感器部的设置有位置传感器的表面之间的斜度的磁性倾斜传感器。使用所述倾斜传感器，能够在所述刻度部和所述传感器部相互分离的情况下，将所述磁性的位置检测器有效地固定至检测目标上。

Description

具有倾斜传感器的位置检测器

相关申请的交叉引用 

于2007年3月20日提交的申请号为2007-73248的日本专利申请包括说明书、权利要求书、附图和摘要在内的全部公开内容通过参考合并于此。 

技术领域

本发明涉及一种磁性的位置检测器，其包括由磁性材料制成的刻度部和独立于此刻度部设置的传感器部。 

背景技术

通常，刻度部与传感器部分离的位置检测器被用于例如对机床主轴的位置检测。在这种位置检测器中，刻度部由磁性材料制成，而传感器部在其靠近刻度部的圆周表面的表面上具有磁性的位置传感器。由于这种位置检测器使用磁场进行位置检测，其具有优异的对水和油等的环境抗性。另外，能够毫无困难地通过机械加工来制造不同尺寸的刻度部。还具有能够将通用的传感器部用于不同尺寸的刻度部的优点。 

图4示出了上述现有的位置检测器的俯视图。刻度部2由例如圆柱形的软磁材料组成并被固定于检测目标侧的旋转轴1上。刻度部2在圆周表面上还具有齿距(gear pitch)为λ的凹凸。通过使用装配螺钉7和8，传感器部4被固定在检测目标非旋转侧上的安装表面9上，而磁性的位置传感器5位于靠近刻度部2侧的圆周表面的表面6上。 当旋转轴1转动时，磁性的位置传感器5检测由于刻度部2的圆周表面上的凸凹引起的磁变化。传感器部4基于由位置传感器5检测到的磁变化，使用内置的信号处理电路来检测旋转轴1的旋转位置。传感器4进一步使用串行通信将检测到的旋转位置信息经由电缆11传递至外部设备。 

对于图4中所示的位置检测器，存在如下问题：当刻度部2的接触圆周表面3和设有位置传感器5的表面6没有以足够精度相互平行定位，也就是当这两个表面之间的间距不统一时，位置检测器的检测精度会下降。由于这个原因，在图4的现有实例中，在检测目标的非旋转侧的安装表面9上设置有导向表面10。导向表面10用于将刻度部2固定至安装表面9，从而使接触圆周表面3和传感器部4的表面6以等间距相互平行。另外，如在公开号为平成1-239412的日本专利申请中的作为固定传感器部的方法，即一种将固定夹具临时性地插入刻度部与传感器部之间以固定该传感器部的方法已经广为人知。在例如公开号为平成1-239412、昭和63-205514和平成5-87512的日本专利申请中都对位置检测器进行了描述。 

对于图4中所示的现有的位置检测器，有必要在测量目标侧和传感器部侧都精确地加工出用作固定用途的导向表面。假设这种精确的导向表面难以机械加工和装配，则会导致成本增加。此外，在使用固定夹具的方法中，当制造不同尺寸的刻度部时，有必要制造各个尺寸的专用固定夹具。从而有必要提供各种各样的固定夹具用于故障等情况下的替换。即使使用固定夹具，在传感器部侧与固定夹具接触的位置处，精确的导向表面仍是必要的。 

发明内容

在本发明中，传感器部设置有倾斜传感器，其检测刻度部的表面和传感器部的设置有位置传感器的表面之间的斜度。因此，在将传感器部固定至检测目标物后，能够识别由该倾斜传感器检测到的斜度信息。例如，在传感器部固定的过程中，在对安装在传感器部上的NC(数控)屏幕、专用显示装置和LED(发光二极管)显示器等进行监测时，能够对安装执行调节。利用这种结构，需要提供用作固定用途的导向表面或专用固定夹具以在传感器部的固定过程中获得等斜度，从而降低成本。还能够比使用导向表面的方法更精确地将传感器部固定至检测目标，从而提高位置检测器的检测精度。此外，还能够由倾斜传感器的适当的检查信息来检测传感器部和刻度部在设置状态中的故障。 

这样，根据本发明，对于刻度部和传感器部分离的磁性的位置检测器，能够以低成本和高精度的方式将传感器部精确地固定至检测目标上。 

附图说明

图1为说明根据本发明实施例的具有倾斜传感器的位置检测器的俯视图； 

图2为说明图1的传感器部24的内部结构的俯视立体图； 

图3示出了图2的印刷电路板14的结构；及 

图4为说明现有的位置检测器的俯视图。 

具体实施方式

以下，将基于附图来描述本发明的实施例。图1为说明根据实施例的具有倾斜传感器的位置检测器的俯视图。图2为图1的传感器部24的内部结构的俯视立体图。图3示出了图1的印刷电路板14的结构。 

在图1中，传感器部24的壳体25由铝材料制成，而印刷电路板14粘着固定于传感器部24的靠近刻度部2的圆周表面的表面上。印刷电路板14与由铁氧体制成的E字形磁芯12接触并埋入壳体25中。在图2中，E字形磁芯12具有在上表面包括有两个槽的结构。线圈13卷绕在E字形磁芯的槽部以便通过来自信号处理电路21的励磁电流EI将AC(交流)磁通量施加于E字形磁芯12上。利用这种方式，E字形磁芯12的与印刷电路板14接触的三个表面部分产生了由穿过刻度部2一侧的点划线26和27所示的由中心部分向两端部分环绕的AC磁通量。关于E字形磁芯12一侧上的与印刷电路板14接触的三个表面部分的宽度，中心部分的宽度为2λ而两端部分的宽度为λ。通过以这种方式将宽度设为λ的整数倍，使经过每个表面部分的磁通量的平均值很少因刻度部2的圆周表面上的凹凸的影响而发生变化。 

在印刷电路板14的中心部分靠近E字形磁芯12的区域中，各自由两层具有间距λ的波长的正弦波形导电图形组成的两个线圈被设置为所述线圈处于相差λ/4(也就是所述线圈在刻度部的运动方向上以λ/4相互交替)的相位关系中，以此构成位置检测传感器15。在位置检测传感器15中，当刻度部2旋转时，产生于E字形磁芯12的中心部分的AC磁通量随着由刻度部12上的凹凸引起的磁阻变化而变化。然后，构成位置传感器15的所述两个线圈输出分别与旋转量的正弦值和余弦值的振幅成比例进行变化的感应AC电压AS和AC。信号处理电路21将感应AC电压AS和AC的振幅数字化为两个幅值，然后对 

这两个幅值进行反正切计算以将其转换为表示旋转轴1的旋转位置的值PO。信号处理电路21进一步计算感应AC电压AS和AC的幅值的平方和的平方根并将结果转换为表示刻度部2和印刷电路板14之间的距离的值GAP。 

由正方形导电图形组成的距离传感器元件16和17位于印刷电路板14上的两个靠近E字形磁芯12的区域中，所述两个区域沿刻度部2的正向运动方向(图3中的右侧)和相反方向(图3中的左侧)离印刷电路板14的中心部分距离相等。距离传感器元件16和17二者都是具有大约λ宽度的线圈，并被定位为环绕靠近E字形磁芯12的区域。当至刻度部2的圆周表面的距离发生变化时，由E字形磁芯12的两端产生的AC磁通量也发生变化，并且由线圈组成的距离传感器元件16和17根据其各自至圆周表面的距离的变化产生感应AC电压。此外，当距离传感器元件16和17与刻度部2的圆周表面之间的距离彼此相等时，AC电压在印刷电路板14上相互串联以便相互进行抵消，然后将结果输出作为AC电压AY。利用这种结构，AC电压AY的振幅变化几乎与刻度部2的接触圆周表面3和印刷电路板14的表面之间的斜度成比例。信号处理电路21将AC电压AY数字化并将结果转换为表示刻度部的接触圆周表面3和印刷电路板14的表面之间的斜度的值YAW。利用这种方式，在此实施例中，距离传感器16和17构成了倾斜传感器。 

信号处理电路21基于表示距离的值GAP和表示斜度的值YAW来控制LED 22和23的发光。具体来说，当表示距离的值GAP与理想值相比较大时，LED 22和LED 23关闭。当表示距离的值GAP与理想值 相比较小时，LED 22与LED 23闪烁。此外，当表示斜度的值YAW不是理想值时，即使表示距离的值GAP是理想值，距离较短的一侧上的LED闪烁而距离较长的一侧上的另一个LED关闭。当表示距离的值GAP和表示斜度的值YAW二者都是理想值时，LED 22和LED 23开启。利用这种方式，参照LED的指示将传感器部24固定至检测目标上。因此能够固定传感器部24从而使传感器部24的设置有位置传感器15的表面和刻度部2的接触圆周表面3以等间距相互平行。 

信号处理电路21还使用串行通信将检测到的旋转位置信息经由电缆11传递至外部设备。信号处理电路21能够进一步使用串行通信响应于来自外部的需求而输出值GAP和值YAW。图1示出了在传感器部24的固定过程中执行调节的实例，电缆11临时性地连接至信号转换器18上。信号转换器18将来自传感器部24的串行信号转换为用于USB(通用串行总线)接口的信号并将传感器部24和个人电脑20经由USB接口连接。个人电脑20基于由USB接口获得的传感器部24的值GAP和值YAW，将传感器部24的定位状态显示为图形。利用这种方式，参照个人电脑的屏幕将传感器部24固定至检测目标。因此能够精确地固定传感器部24，从而使传感器部24的设置有位置传感器15的表面和刻度部2的接触圆周表面以等间距相互平行。 

除了用于安装而被调节外，传感器部24通常连接至例如控制驱动旋转轴1的发动机的发动机控制器上。 

另外，还能够由距离传感器16和17的适当的检查信息来检测传感器部和刻度部在定位状态中的故障。例如，可以在起动后持续地或以一定时间间隔检查距离传感器16和17的信息。 

尽管在本实施例中是基于距离传感器元件16和17的信号通过获取至记录有图形的圆周表面上的位置的距离来检测斜度的，但是自然也能够使用距离传感器元件16和17通过检测至没有记录图形的刻度部2的圆周表面上的位置的距离来执行斜度检测。然而，这种结构存在的问题是，刻度部2在轴向上的厚度会增加。 

此外，尽管在本实施例中描述了如JP 1-239412A中描述的将被来自于传感器部侧的AC磁通量所磁化的线圈用作距离传感器元件的实例，但是还能够使用诸如磁阻元件或霍尔元件的被例如来自于传感器部侧的永久磁铁的DC磁场所激励的磁性传感器元件来实现距离传感器元件。 

更进一步地说，尽管本实施例描述了在圆周表面上具有统一节距的凹凸的刻度部，本发明还能够使用如JP 63-205514A中描述的位置检测器来实现，在该位置检测器中，N级和S级以等节距在刻度部的圆周表面上被交替磁化。在这种情况下，不需要来自传感器部的励磁单元，而能够将诸如磁阻元件或霍尔元件的磁性传感器元件用作距离传感器元件。 

此外，尽管在本实施例中描述了位置传感器和倾斜传感器分离设置的实例，众所周知能够如JP 5-87512A所公开的那样，从磁性位置传感器的信号来检测至刻度部的距离，并且可以将多个位置传感器一起用来作为距离传感器元件。 

另外，尽管在本实施例中描述了使用位置传感器来检测刻度部与位置传感器之间的距离的实例，还能够使用如倾斜传感器的距离传感器元件来检测刻度部和位置传感器之间的距离。 

此外，尽管在本实施例中描述了旋转位置检测器，本实施例还能够使用线性位置检测器来实现。 

Claims (6)

1.一种位置检测器，包括：

刻度部，其由磁性材料制成并在表面上记录有以等节距λ重复的凹凸图形；及

传感器部，其独立于所述刻度部而设置，

其中所述传感器部包括：

磁性位置传感器，其设置于所述传感器部的靠近所述刻度部表面的表面上以读取所述图形；及

磁性倾斜传感器，其检测所述刻度部的具有凹凸的表面和所述传感器部的设置有所述位置传感器的表面之间的斜度，

其中：

所述倾斜传感器包括多个磁性距离传感器元件，所述多个磁性距离传感器元件检测至所述刻度部的具有凹凸的表面的距离，其中每个磁性距离传感器元件具有磁通量经过其中的表面部分，并且所述表面部分具有节距λ的整数倍的宽度，所述磁性距离传感器元件位于离所述磁性位置传感器距离相等的两个区域中；及

所述多个距离传感器元件在设置有所述位置传感器的所述表面上排布，所述位置传感器在所述表面上的位置关于所述刻度部沿相对运动方向彼此分开，以基于所述多个距离传感器元件的距离信息来检测所述斜度。

2.如权利要求1所述的位置检测器，其中：

所述传感器部具有励磁单元，所述励磁单元包括具有三个表面的E字形磁芯并且向所述刻度部的所述表面产生交流磁通量，所述三个表面中的每个具有节距λ的整数倍的宽度；及

所述多个距离传感器元件包括线圈。

3.如权利要求2所述的位置检测器，其中所述多个距离传感器元件的所述线圈相互串联连接。

4.如权利要求2所述的位置检测器，其中所述位置传感器和所述倾斜传感器由同一个印刷电路板上的导电图形组成。

5.如权利要求1所述的位置检测器，其中所述刻度部为圆形盘并且在其圆周表面上记录有重复的图形。

6.如权利要求1所述的位置检测器，其中使用串行通信将由所述倾斜传感器检测到的斜度信息输出至外部设备。

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