CN101836086A - 磁性编码器和参考标记施加器 - Google Patents

Abstract

一种磁性编码器标尺(30)，包括一系列周期性间隔开的磁性标记。使用施加器或模板(32)将参考标记(34)施加至标尺，所述施加器或模板(32)具有用于定位所述参考标记的结构(33)。所述施加器或模板(32)包括一个或多个与所述周期性标尺标记相对应的磁性标记，藉此所述施加器或模板在被放置在标尺上时自动地相对于所述周期性标尺标记呈现限定的相位关系。所述参考标记可以自粘连地附接至所述标尺。或者它可以在施加器或模板的引导下通过从标尺移除材料而形成。或者所述施加器可以包括强的永磁体，所述永磁体向标尺的一个区域施加进一步的磁化。

Description

磁性编码器和参考标记施加器

技术领域

本发明涉及磁性编码器。这种编码器在被安装到旋转从动件(诸如伺服电机等)或者线性从动件(诸如线性致动器等)的驱动轴上时可以被用来产生位置信息。

背景技术

编码器用作这样的装置，该装置用于检测机器的两个相对可移动零件的相对旋转或线性位置。这就允许精确地定位这些机器并且确定诸如速度和加速度等量。为此目的可以获得多种不同种类的编码器。

增量型磁性编码器包括安装在其中一个机器零件上的旋转或线性标尺，所述标尺具有一系列间隔开的磁性标记。读取头被安装至另一机器零件以便沿着标尺通过，从而读出所述标记并且产生周期的或脉冲的信号。计数器计算所述周期或者脉冲以便给出位置输出。这可以例如被用作位置反馈以便定位控制所述运动的伺服机构。

然而，每当从所述装置去除动力时，增量型编码器就需要初始化。初始化所述编码器需要感测“原点”或参考点的位置，然后所述“原点”或参考点的位置被用作进行后续位置测量的参考(或者原点，或零点)。如果所述初始化过程包括误差，则所有后续测量将包括所述误差。因此已知给所述标尺设置用于此目的的参考标记。

期望的是当标尺被安装在机器上时，用户能够选择沿着标尺的参考标记的位置。因此某些已知的编码器提供了多个参考标记并且允许用户例如借助外部开关选择要用哪一个标记。然而，设置所述开关(以及相关电子器件)是昂贵的并且不方便的。

另一种方法是提供分离的参考标记，所述分离的参考标记可被用户在需要时放置在标尺旁边。然而，这需要附加的空间，所述空间可能不能获得。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种具有一系列间隔开的周期性磁性标记的磁性编码器标尺，以及用于沿着所述标尺定位参考标记的施加器或模板，所述施加器或模板具有：

与所述周期性标尺标记相对应的一个或多个磁性标记，藉此当所述施加器或模板位于标尺上时其自动地相对于所述周期性标尺标记呈限定的相位关系；以及

用于定位或者形成所述参考标记的结构。

本发明的第二方面提供了一种施加器或者模板，其与如上述第一方面限定的磁性编码器标尺一起使用。

本发明的第三方面提供了一种方法，其应用这种施加器或模板将参考标示件施加至磁性编码器标尺。

附图说明

下面将参照附图并借助例子描述本发明的优选实施例，其中：

图1显示了包括标尺和读取头的编码器；

图2是图1的标尺和读取头的端部视图；

图3是用于读取头的电子线路的简化示意图；

图4显示了由所述读取头产生的信号；

图5显示了施加器模板的第一实施例；

图6A-6C显示了施加器模板及其使用方法的第二实施例；

图7A-7B显示了用在第二实施例中的参考标示件的构造；

图8A-8B显示了用在第二实施例中的施加器模板的构造；

图9、10和11显示了根据本发明的方法以及用在所述方法中的施加器模板的第三实施例。

具体实施方式

图1显示了磁性增量编码器，其包括细长的标尺组件10和读取头组件12。正如本领域公知的，所述标尺组件10包括周期性磁化图案，诸如一系列相对地细密间隔开的交替磁极，所述磁极垂直于所述标尺组件的纵向边缘延伸。沿纵向方向每个磁极的长度在图1中被标示为D，并且可以例如为2毫米。所述标尺10适当地为磁带的形式。所述磁带可以具有钢制基片(未示出)，所述基片上覆盖有涂胶磁性层，所述磁性层具有带交替磁极的磁性图案。所述基片在其下侧可以具有粘连层用于附接至机器零件。所述粘连层可以由背衬层保护，所述背衬层在使用时被剥落。这种磁带在市场上能买到。

所述标尺组件10被安装至或紧固至机器的其中一个可相对移动零件上，并且所述读取头组件12被安装或紧固至另一个零件上，使得它们相对于彼此沿长度方向可相对移动。所述读取头具有线路，所述线路响应于周期性磁性图案来提供相对运动的标志。同样图1显示了由诸如软铁等磁性材料制成的参考标示件儿。如下所述，它仅仅被附接在标尺宽度的一部分上。

图2显示了标尺上方读取头组件12的简化端部视图。在图示实施例中，读取头包括两组分离的磁性检测器16-1和16-2以及用于信号调节和插入的电子线路18。其中一组磁性检测器16(例如16-1)结合标尺组件10上的标尺图案操作以便以相对高的精度检测增量相对运动。另一组磁性检测器(例如16-2)检测标示件11，所述标示件11用来建立绝对位置指示的参照物或指针。磁性检测器可以用不同的技术实现，诸如磁阻梯度仪或霍尔传感器。下面描述了应用磁阻梯度仪的一个例子。

图3显示了读取头的一个简化电子线路。所述磁阻传感器16-1和16-2感测标尺组件10上的磁场梯度。信号调节和插入电子器件18放大来自磁阻传感器16-1的正交正弦输入信号，并且通过已知的插入过程增加测量分辨率。图4显示了所产生的正弦信号和参考信号的信号图表。检测器16-1产生正弦形状的增量信号S1、S2，它们彼此漂移其周期的1/4。这些被用于后续插入及计数式测量。

检测器16-2还产生正弦形状的增量信号S3。信号S3在越过标示件11行进时其相位和幅度被干扰。线路18通过检测该干扰而产生参考脉冲。如下所述，所述干扰具有相对于信号S1、S2的固定相位关系。而且所述线路18借助于来自正弦信号的数字正交输出来闸门选通所述参考脉冲，使得它仅仅在由传感器产生的正弦信号的一个周期内在一个严格限定的相位位置(在某些情况下该位置是可编程的)被允许。

由于参考标示件11仅仅延伸穿过标尺宽度的一部分，所以电子线路18可以将信号S3与信号S1、S2的其中一个进行比较以便确定存在最大相位干扰的位置。这被用来限定参考脉冲的位置。

图5显示了用于以固定相位关系定位标尺组件上的标示件11的简单施加器模板装置。所述施加器装置包括磁条20，磁条20与标尺组件10以相同方式磁化，并具有相同的磁极长度D。在磁条20中机械加工凹槽或其它凹部22。

标示件11的安装过程如下所述：

·用户将磁条20放在标尺组件10上，从而所述凹槽22位于用于参考标记的合适位置处。

·用户将参考标示件11放在磁条的凹槽22中。

·用户移除磁条20，将标示件11留下。标示件通过胶水或双面胶带被固定在标尺组件的表面上。

因为磁条20和标尺10的相反磁极，所以磁条自动地相对于标尺占据确定地限定的相位位置。这确保了凹槽22以及因此标示件11具有相对于周期性磁性标尺图案的合适的预定相位位置。因此信号S3和参考脉冲输出中产生的干扰具有相对于信号S1和S2的期望的固定相位关系。所述参考脉冲是双向的(即，它对于读取头在标尺上的正向和反向运动具有相同的相位位置)。

图6、7和8显示了标尺和参考标示件的第二实施例。所述标尺30为磁带的形式，磁带具有带交替磁极的周期性图案。它可以具有与图1一样的市场可获得的构造。施加器模板32具有类似的周期性磁性图案，并具有相同的间距。施加器模板32具有L型的形状，并且可以从与标尺30相同的磁带上切下。施加器模板的足部33延伸穿过标尺30的宽度，而模板的其余部分具有大约标尺宽度的一半。

图6A显示了在使用期间施加器模板32覆盖在标尺30上，并且与图5的方式一样自动地相对于标尺占据确定地限定的相位位置。接着，如图6A和6B所示，应用施加器模板32作为引导件，自粘连磁性参考标示件34被铺设在合适的位置并且被附接至磁带30。特别地，所述标示件34与足部33毗连以便限定其与标尺图案的相位关系。最后，如图6C所示，所述施加器模板被移除，留下标示件。

图7A显示了参考标示件标签34的构造。它包括两个非磁性(例如塑料)板36，在所述两个板之间设置由例如软铁制造的磁性板38。它们被支撑在双面胶带40上，并且标签42被粘连在合成组件的顶部上。图7B显示了最终的标示件34。当然，其它构造也是可能的。例如，为组装方便，可以只有在标示件34的整个长度上延伸的一块塑料板36，并且它可以具有中心孔，更小的软铁板38被压配在所述中心孔中。

图8A和8B显示了L型磁性施加器模板32的可能构造。它包括由压花磁性材料(例如涂胶)制成的L型本体44。它被支撑在塑料带46的顶部上，所述塑料带46例如由特氟龙(聚四氟乙烯，PTFE)制造。

在至此描述的实施例中，标示件11、34被附接至标尺的表面。如果要求读取头在标尺上方具有低的骑跨高度以便例如允许低的子区分误差和/或如果标尺具有高的分辨率，这就会产生问题，原因是必然会存在大于标示件厚度的间隙。因此图9、10和11描述了替换例子。

如图9所示，参考标示件不是从单独的铁板形成。相反，它通过从标尺50宽度的一部分移除材料而形成。如果标尺由前述带形成，并且在钢制基带上设置涂胶磁性材料，则凹部仅切割到涂胶材料中，从而保留凹部52中钢带完好无缺。然后将凹部52填充合适的非磁性材料54，诸如树脂，如图10所示。

如图11所示，使用模板56切割凹部。模板具有磁性图案，该图案使它与前面实施例一样以确定的相位关系位于标尺50上。该模板具有切口58，切口58用于引导铣刀60以便切削凹部52。

如果由标尺制造者形成参考标示件，则铣刀60的使用是合适的。然而，如果在标尺被安装在机器上时由用户定位参考标示件，则应用冲孔形成凹部52更容易。这就移除了凹部中的涂胶磁性材料，但留下了钢制基片。再次，模板56被用作引导件以便确保标示件相对于周期性标尺图案的相位关系。

图12-15显示了另一实施例，其同样使用了与图1一样的标尺10。

代替在标尺上粘连地设置参考标示件11，或者从标尺中切割出参考标示件11，该实施例中的参考标记如图12所示被提供，其提供方式为进一步磁化现有磁极间距的其中一个的区域60中的标尺。如前面一样，这产生了具有干扰相位的信号S3，以便限定参考标记的位置。附加的磁性仅仅延伸穿过标尺的部分宽度，覆盖不到宽度的一半，从而如前面一样，增量信号S1和S2可以被不受干扰地读取。

通过将强磁体(优选地为永磁体)挤压成与区域60中的标尺成磁化关系(例如它接触标尺)，提供所述进一步的磁化。图13-15显示了用于这样做的一个施加器。

所述施加器包括壳体62，磁体64安装在壳体62中。磁体通过弹簧66在壳体中被偏压。在壳体的下侧，设置较短的一组磁极，它具有和标尺10同样的间距。和前面一样，磁条68由与标尺相同的材料制造是便利的。

如图13所示，施加器抵靠标尺10放置，并且通过磁条68的相对磁极与标尺的磁极自对准而与其呈预定相位关系。

接着，如图14所示，抵抗弹簧66的偏压，用户向下推动磁体64。这使得磁体接触区域60中的标尺，从而形成进一步的磁化。如图所示，磁体的方位使得其与区域60的现有磁化强度具有相反极性，从而所述进一步的磁化加强了现有的磁化强度。然而，替换地，也可以具有相同的极性，并且减小或逆转现有磁化强度。

最后，如图15所示，用户释放磁体64，并且它在弹簧66的作用下后退。然后从标尺移除所述施加器。

虽然已经描述了线性标尺，但是本发明同样适用于旋转标尺。

Claims (14)

1.一种磁性编码器标尺，其具有一系列间隔开的周期性磁性标记，连同用于沿着所述标尺定位参考标记的施加器或模板，所述施加器或模板包括：

与所述周期性标尺标记相对应的一个或多个磁性标记，藉此当所述施加器或模板位于标尺上时其自动地相对于所述周期性标尺标记呈现限定的相位关系；以及

用于定位或者形成所述参考标记的结构。

2.根据权利要求1所述的磁性编码器标尺，其中所述结构包括所述施加器或模板中的凹部。

3.根据权利要求1或2所述的磁性编码器标尺，其中所述施加器或模板是L型的。

4.根据前面权利要求中任意一项所述的磁性编码器标尺，具有限定所述参考标记的参考标示件，所述标示件被附接至所述标尺的表面。

5.根据前面权利要求1-3中任意一项所述的磁性编码器标尺，其中所述参考标记通过从所述标尺移除材料而形成。

6.根据前面权利要求中任意一项所述的磁性编码器标尺，其中所述施加器包括磁体，所述磁体可以移动成与所述标尺成磁化关系，以便在所述标尺的一个区域中提供进一步的磁化。

7.根据前面权利要求中任意一项所述的磁性编码器标尺，其中所述参考标记仅延伸穿过所述标尺的宽度的一部分。

8.一种与磁性编码器标尺一起使用的施加器或者模板，所述磁性编码器标尺具有一系列间隔开的周期性磁性标记，所述施加器或模板用于沿着所述标尺定位参考标记，所述施加器或模板具有：

与所述周期性标尺标记相对应的一个或多个磁性标记，藉此当所述施加器或模板位于标尺上时其自动地相对于所述周期性标尺标记呈现限定的相位关系；以及

用于定位或者形成所述参考标记的结构。

9.根据权利要求8所述的施加器或模板，其中所述特征包括所述施加器或模板中的凹部。

10.根据权利要求8或9所述的施加器或模板，其中所述施加器或模板是L型的。

11.根据前面权利要求8-10中任意一项所述的施加器或模板，具有限定所述参考标记的参考标示件，所述标示件被附接至所述标尺的表面。

12.根据前面权利要求8-10中任意一项所述的施加器或模板，用于通过从所述标尺移除材料而引导所述参考标记的形成。

13.根据前面权利要求8-12中任意一项所述的施加器或模板，其中所述施加器包括磁体，所述磁体可以移动成与所述标尺成磁化关系，以便在所述标尺的一个区域中提供进一步的磁化。

14.一种将参考标记施加至磁性编码器标尺的方法，所述磁性编码器标尺具有一系列间隔开的周期性磁性标记，所述方法包括：

提供施加器或模板，所述施加器或模板具有与所述周期性标尺标记相对应的一个或多个磁性标记；

将所述施加器或模板放置在所述标尺上，其中所述施加器或模板的一个或多个磁性标记相对于所述周期性标尺标记成限定的相位关系；以及

使用所述施加器或模板的一结构来定位或形成所述参考标记。

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