CN101487689B - 用于位移测量传感器的印制电路布线方法 - Google Patents

Abstract

一种用于位移(角位移和直线位移)测量传感器的印制电路布线方法，该方法将位移测量传感器的激励线圈的各相线圈分置于不同的印制电路基体上，或分置于同一印制电路基体不同排的位置，或分置于同一印制电路基体的不同层上，每一相线圈均采用几字形绕法或8字形绕法布线；将位移测量传感器的感应线圈置于另一印制电路基体上，采用几字形绕法布线或采用8字形绕法布线，使极对数和测头数均能达到最大限度的

，以低等分精度的激励线圈和感应线圈，实现高精度的测量。该方法可产生行波信号，适用于动静态和变速度的位移跟踪测量，从而实现高精度、小体积、低成本、高可靠、通用万能性测量的传感器。

Description

用于位移测量传感器的印制电路布线方法

技术领域

本发明涉及位移测量传感器，包括角位移和直线位移测量传感器，尤其涉及以感应同步器和时栅为代表的调制式位移测量传感器中采用印刷电路工艺的布线方法。

背景技术

当今所有位移(角度和长度)传感器包括刻线式、光栅、磁栅、感应同步器、旋转变压器、球栅、齿栅、多齿分度盘，……等等，要想提高精度，无一不是紧抓两点：一是增加栅线数(或称极对数、激励线圈数)，二是增加读数头数(或称测头数，感应线圈数)。前者可增加灵敏度、细分度、精确度，后者则可通过均布感应以部份消除某些谐波误差，大大提高测量精度。

但是，上述大部分的位移传感器，都不能理想地、最大限度地满足栅线数(极对数)和测头数均达到最大值。如：光栅、磁栅、齿栅等等的测头数都不可能太多，2～4个为常见，所以必须要求栅线数有特别高的等分精度。唯有多齿分度盘可以做到极对数与测头数相等，例如，转子、定子齿数都是1440齿，其精度可达到0.1角秒，但不能产生行波，不能连续测量为其最大缺点。感应同步器可以用行波信号，通用性高，但目前市场常见的最高精度约在3″～5″左右，再提高精度，再缩小体积也有很大的困难。其最大的难点、缺点是：

1.目前所见的感应同步器均是两个基体的平面印制电路，线圈呈几字形矩形波状即一个平面上可以刻上n根线或称n极而构成多对极线圈，但另一个平面上则要分别刻上正弦和余弦线圈，它们的机械相位及电气相位差为90°。因此，感应线圈极对数可以很多，如720线/周或360对极；但激励线圈极对数不可能太多(市场上可见有八个正弦线圈和八个余弦线圈组成的线圈，参见图1)。或者反过来，激励线圈极对数很多，但感应线圈极对数很少(本专利内容说明，激励线圈和感应线圈均处于可以互换的对等地位。)

2.由于采用单根线矩形波印制电路，信号很弱，对两平面机械位置要求很高，对两平面的平面度、平行度、间隙、跳动等要求很严格，增加了制造成本。

3.同样由于采用矩形波

印制电路，电路中的垂直部份是有用部份而水平部份仅仅是连线，但它给信号带来较大的杂波噪声信号干扰，从而影响稳定度、精确度。

发明内容

为了克服现有技术中所述的位移测量传感器的印制电路布线方法所存在的问题，本发明提出一种用于位移测量传感器的印制电路布线方法，以最大限度地增加传感器的极对数和测头数，加强信号，降低机械加工和安装的要求，提高精度。

本发明将位移测量传感器的激励线圈的各相线圈分置于不同的印制电路基体，或分置于同一基体不同排的位置，或分置于同一基体的不同层上，以此方式获得更多的极对数。同时由于采用了多层印刷电路技术，既可把原有的单层单股布线变成多层多股布线，又可把原有的几字形布线方法变成8字形布线方法，从而达到增加信号，削减杂波信号，提高精度的目的。

所述分置于同一印制电路基体的不同层上是指印制电路布线是在基体的单面，或是双面，或是内部的某一层面；

所述分置于同一印制电路基体不同排的位置是指印制电路布线是将几相集中在某一层的一排，还是按不同的相分成不同的排。

本发明采用以下技术方案实现：

一种用于位移测量传感器的印制电路布线方法，其是将所述传感器的感应线圈和激励线圈分别印制布线于不同的基体上；采用多层印制电路工艺，将各相激励线圈采用8字形绕法分置于一个基体的不同层上布线；将感应线圈采用几字形绕法布线于另一个基体的一层上，或采用8字形绕法布线于两层上，使极对数和测头数均能达到最大限度的

个，其中，n表示极数。

在采用所述几字形绕法时，激励线圈每一相占用基体的一个层面，即2相激励线圈共2层、3相激励线圈共3层，每层都是相同的几字形绕法。

在采用所述8字形绕法时，是将每相激励线圈印制在基体的两个层面上，感应线圈也布线在对应基体的两层上，每层按照“几”字形布线，上一层面的线圈尾端和下一层面线圈的首端相连，两层之间对称布线，两层线圈一起构成连续的“8”字形。若多利用几个层面，多布线几个来回，就可以达到多股线8字形绕制的效果。

在以上分层布线的基础上，还可将各相激励线圈分别印制布线在同一基体的不同排上，感应线圈则仍采用单排布线；当激励线圈为两相时，该两相线圈分别绕制在两排上，两相绕线错开W/4；当激励线圈为三相时，该三相线圈分别绕制在三排上，三相绕线错开W/3；其中W表示线圈节距。

当用于两相激励时，把两相激励线圈分置于两个不同的基体上，感应线圈印制布线在另一基体的正反两个表面的两层上，两相激励线圈所在的两基体分置于感应线圈所在基体的正反两面相对应位置。

本方法最大限度地增加传感器的极对数和测头数，以低等分精度的激励线圈和感应线圈，实现高精度的测量。同时可产生行波信号，适用于动静态和变速度的位移跟踪测量，从而实现高精度、小体积、低成本、高可靠、通用万能性测量的传感器。

附图说明

图1为现有技术中感应同步器布线方式示意图；

图1a-1是两相激励直线式感应同步器布线方式的平面图；

图1a-2是直线式感应同步器布线方式的剖面图；

图1a-3是三相激励直线式感应同步器布线方式的平面图；

图1b-1是两相激励圆式感应同步器布线方式的三维图；

图1b-2是圆式感应同步器布线方式的剖面图；

图1b-3是三相激励圆式感应同步器布线方式的三维图；

图2为本发明的单排双层单股8字布线平面图；

图3为本发明的分排双层单股8字布线平面图；

图3a-1是两相激励线圈平面图；

图3a-2是两相感应线圈平面图；

图3b-1是三相激励线圈平面图；

图3b-2是三相感应线圈平面图；

图4为本发明的分排双层单股8字布线剖面图；

图4a是分排双层单股8字布线的两相激励直线式传感器的剖面图；

图4b是分排双层8字布线的三相激励直线式传感器的剖面图；

图4c是直线式传感器的俯视图。

图5为本发明的平面多层布线剖面图；

图5a是平面多层布线的两相激励直线式传感器的剖面图和俯视图；

图5b是平面多层布线的三相激励直线式传感器的剖面图和俯视图；

图5c是平面多层布线的二相激励圆式传感器的剖面图；

图5d是平面多层布线的三相激励圆式传感器的剖面图；

图6为本发明的分体布线剖面图；

图6a是分体单层几字布线的两相激励圆式传感器的剖面图；

图6b是分体双层8字布线的两相激励直线式传感器的剖面图和俯视图；

图7是体的表示图；

图8是层的表示图；

图9是排的表示图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的技术方案进行详细描述。

为便于后面描述清楚，先定义“体、层、排、段”四名词含义与图形表示。

“体”是指印制电路布线的基体，表示如图7。

“层”(或称“面”)是指印制电路布线是在基体的单面，或是双面，或是内部的某一层面，如现有的感应同步器都是表面单层印制，表示如图8。

“排”是指印制布线是将几相(常用2相或3相)集中在某一面的一排，还是按不同的相分成不同的排，如感应同步器有的分成2排，表示如图9。

现有常见的感应同步器线圈用三维图形和上述示意图形分别表示如图1a-2(双体、单层)和图1b-2所示。可以看出，传统布线法各种激励线圈都是分“段”线圈，即2相为2段交替，3相为3段交替。而感应线圈都是只有一段连续的线圈。本发明的目的有两个：一是变单极几字形绕法为多股或单股8字形绕法以提高信号强度和质量；二是变分段线圈为连续线圈，而把不同的相(A、B两相或A、B、C三相)分置于不同的层，或不同排，或不同的体，以求提高极对数。

1、多层多股8字布线法

发明人通过理论推导和实验证明，采用8字形绕法可避免高次杂波影响，可显著提高传感器精度。电机若采用8字绕法，容易实现。而传统感应同步器布线一旦封闭就会短路，故都是采用单层几字形绕法，也就是单股线几字形绕法。而本发明提出的多层布线法，借助现代印刷电路中的“多层印制电路”工艺，在一块基体的表面和内部紧贴表面的层面上，双层几字形对称布线，实现8字形绕法如图2所示，图中实线几字形为上一层布线，虚线几字形为下一层布线，上一层线圈的尾端和下一层线圈的首端相连，两层线圈一起构成连续且封闭的8字形线圈。用同样的方法若再多利用几层，多布线几个来回，还可以达到“多股线8字布线”的效果。

2、分层布线法

本方法采用多层线圈，即将各相激励线圈分置于所在印制电路基体的不同层面上，在制作时均尽量贴近基体表面。若不采用8字形绕法，仍采用几字形，则如图5所示，2相激励共2层，3相激励共3层。这样每一相占一层，就不用分段了，和感应线圈同样的连续布线方式，使极对数和测头数均达到最大限度的

个。若同时又采用8字形绕法，则每相又要占两层，即2相激励共4层，3相激励共6层，这里不再画出。

3、分排布线法

对于图1a用于直线测量的各种结构，都采用上述8字形绕法，每一个基体都是双层布线(形成封闭的8字)。在此前提下，激励线圈再采用根据相数进行上下多排布线的方法，即2相为2排，互错W/4，3相为3排，互错W/3。表示如图3a-1，图3b-1，即将各相激励分置于不同排，也不用再分段了。感应线圈则仍是单排，表示如图3a-1，图3b-2。另外图3也可表示为图4所示。

同样道理，只要把图3的平直图围成圆筒状，即构成用于角度测量的结构，这里不再画出。

4、分体布线法

现有的感应同步器，都是双体结构。测圆时为转子和定子，测直线时为动尺和定尺。激励线圈分段分布于其中一个基体上，感应线圈分布于另一个基体，如图1所示。本方法将2相激励线圈分别布线于两个不同的基体，再加上感应线圈所在的基体，一共由三块基体构成，如图6所示。这时中间感应线圈的两层分别在基体的正反两个表面，而两边基体可以采用传统的单面(或层)几字布线结构如图6(a)，也可以采用上述多层印制电路工艺，采用两层构成8字封闭如图6(b)。采用将2相激励分置于2个基体的目的，仍然是使激励线圈不分段而在有限空间内实现极对数的最大化。

若使用3相激励，则基体太多，这里不提出要求。

5、激励线圈和感应线圈的一致性。

本发明将激励线圈和感应线圈设计成尽可能一致，包括节距、极数(线数)、极对数……，对圆式传感器而言，要求极数n一致，极对数一致(均为

)，各排极距也一致。唯有内外圆因半径不同，所以极距不可能一致。对直线式传感器而言，要求极距一致，但因为动、定尺基体不一样长，所以极对数和极数不可能一致。通过这种一致性要求，可最大限度提高精度，同时简化加工工艺。

可见，上述各种方法的意图，

1、就是要把各相激励线圈不分段，而是按不同相分置于不同的体、层或排上，而最终目的是使激励或感应线圈数达到最大限度，以实现高精度。

2、利用多层印制电路工艺，达到多股布线加强信号的目的。

3、通过8字形绕法，消除几字形绕法带来的误差。

除附图中列出的情形外，根据实际情况还可以设计出多种派生结构形式，如激励、感应互换；动尺、定尺互换；定子、转子互换，……，以及几种特征点的相互组合等。

本发明按照上述优选实施例进行了说明，以便理解。但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用激励线圈、感应线圈互换，定子和转子互换，定尺滑尺互换，以及具体实施例所公开的几种技术特征的重新组合和简单变化所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于位移测量传感器的印制电路布线方法，其特征在于：将位移测量传感器的激励线圈的各相线圈分置于不同的印制电路基体上，或分置于同一印制电路基体不同排的位置，或分置于同一印制电路基体的不同层上，每一相线圈均采用几字形绕法或8字形绕法布线；将位移测量传感器的感应线圈置于另一印制电路基体上，采用几字形绕法布线或采用8字形绕法布线，使极对数和测头数均能达到最大限度的

个，其中，n表示极数；

所述分置于同一印制电路基体的不同层上是指印制电路布线是在基体的单面，或是双面，或是内部的某一层面；

所述分置于同一印制电路基体不同排的位置是指印制电路布线是将几相分置于某一层的不同排，还是按照不同的相分成不同的排；

采用所述8字形绕法时，是将感应线圈或每相激励线圈印制在各自基体的两个层面上，每层按照几字形布线，上一层面的线圈尾端和下一层面线圈的首端相连，两层之间对称布线，两层线圈一起构成连续的8字形。

2.根据权利要求1所述的用于位移测量传感器的印制电路布线方法，其特征在于：采用所述几字形绕法时，感应线圈按几字形布线于其基体的一层上，激励线圈每一相占用其所在基体的一个层面，即2相激励线圈共2层、3相激励线圈共3层，每层都是相同的几字形绕法。

3.根据权利要求1所述的用于位移测量传感器的印制电路布线方法，其特征在于：所述的8字形绕法在多个层面上多布线几个来回，达到多股线8字形绕制。

4.根据权利要求1或3所述的用于位移测量传感器的印制电路布线方法，其特征在于：当各相激励线圈分别印制布线在同一印制电路基体的不同排上时，对于两相激励，所述两相激励线圈分别绕制在两排上，两相激励线圈错开W/4；对于三相激励，所述三相激励线圈分别绕制在三排上，三相绕线错开W/3；其中W表示线圈节距。

5.根据权利要求1或3所述的一种用于位移测量传感器印制电路布线方法，其特征在于，当用于两相激励时，把两相激励线圈分置于两个不同的基体上，感应线圈印制布线在另一基体的正反两个表面的两层上，两相激励线圈所在的两基体分置于感应线圈所在基体的正反两面相对应位置。

6.根据权利要求1、2或3所述的用于位移测量传感器的印制电路布线方法，其特征在于：用于直线测量时，各线圈极距相同；用于圆分度测量时，各线圈极对数相同。

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