CN104121933A - 旋转编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种旋转编码器，包括外壳、旋转编码器转轴、固定于旋转编码器转轴上的磁体、用于感测磁体磁场分布的磁敏元件、用于搭载磁敏元件和信号处理电路的电路板、用于为电路板提供能量的能量渠道和用于传递电路板上的信号处理电路产生的信号的信号渠道，该旋转编码器还包括导电屏蔽腔室，电路板及磁敏元件内置于导电屏蔽腔室中，磁体及编码器转轴设置于导电屏蔽腔室之外，导电屏蔽腔室的壁由导体材料制成，且导电屏蔽腔室的壁中，至少将磁敏元件和磁体隔开的壁由无铁磁性的导体材料制成，导电屏蔽腔室的壁上留有用于能量渠道和信号渠道的开口。本发明的旋转编码器在遭受强电磁脉冲的情况下仍可以正常工作而不受损坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转编码器。
背景技术
编码器(encoder)是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为旋转编码器或者码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照编码原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。按照感测原理可以分为磁电式和光电式等。
旋转编码器是工业界常用的一种用于测量轴角位置的设备，其通常包括旋转轴、转动测量感测系统、电气电路接口等。由于旋转编码器常常处于自动化设备中运动部分轴端，通常难以受到良好的电磁保护。而旋转编码器又是闭环反馈中最为重要的一环，其抗电磁干扰能力，直接关系到整个自动化系统的稳定性能。
如图1所示，旋转编码器1通常采用连轴器4将编码器转轴3与用户转轴5相连接，大多数情况下，这三者均为金属导体。而旋转编码器1通常被安装在金属材质的基座6之上，通常情况下还配有如图中虚线表示的非全导体封闭外壳(以下也称为非封闭外壳)2。旋转编码器1工作所需的电源电压和测量得到的电信号分别经过金属材质的电源线7和信号线8而引入旋转编码器1。
当旋转编码器应用于例如楼顶或野外设备上时，由于易受闪电等强电磁脉冲的影响，有时可能会有超过几百千伏的电势差通过环境电磁场、导线对旋转编码器电器部件进行冲击。由于现有的旋转编码器采用的是非封闭外壳，因此会使大量环境电磁辐射泄露进入壳体内部，此外，旋转编码器的电源线和信号线也可能将环境中的电磁冲击引入到编码器的控制和驱动电路中，从而导致旋转编码器无法正常工作，甚至被烧毁。
例如在光电式旋转编码器的情况下，如图2所示，光电式旋转编码器主要包括与编码器转轴3联动的码盘10、与非封闭外壳2保持固定的光接收器11和位于电路板9上的光发射器12，其中编码器转轴3通过轴承14与非封闭外壳2实现配合。当码盘10精度较高、体积受限时，码盘10上的明暗间隔尺寸很小，使得光发射器12、码盘10和光接收器11间的尺寸距离很小。考虑到旋转编码器的使用场合，为了保证机械强度，往往必须使用金属转轴。由金属转轴或编码器外壳的泄露处引入的强环境电磁脉冲会将空气击穿，烧毁光发射器12或光接收器11。通常空气的击穿电动势约为2.5kV/mm，而上述三者中的最大距离往往不超过5mm，即15kV电动势就足以击穿。而雷电等强电磁脉冲场合发生的电磁场耦合情况，其电动势可高达数百千伏。而且，光电式码盘也由于所需功耗较大，不适用光线输送能量的方式，电源和信号线也可能耦合环境中的强电磁脉冲，引起几十至几百千伏的电势差，足以击穿旋转编码器内部的保护元器件，使旋转编码器失效。
再比如在磁电式旋转编码器的情况下，如图3所示，磁电式编码器主要包括位于与非封闭外壳2保持固定的电路板9上的磁敏元件13构成的转动感测部件，和与编码器转轴3联动的磁体15，其中编码器转轴3通过轴承14与非封闭外壳2实现配合。虽然磁电式旋转编码器中，其磁体15和敏感元件13间可以实现较大的距离，但仍不能满足抵抗几百千伏环境电磁耦合的需要。另外，其电源和信号线也同样可能引入耦合冲击电动势。
发明内容
针对上述问题，本发明的一个目的在于提供一种旋转编码器，该旋转编码器在强电磁脉冲环境下可持续的正常工作，并不被外界强电磁脉冲损坏。
本发明的一个实施例提供了一种磁电式旋转编码器，包括外壳、旋转编码器转轴、固定于所述旋转编码器转轴上的磁体、用于感测磁体磁场分布的磁敏元件、用于搭载所述磁敏元件和信号处理电路的电路板、用于为电路板提供能量的能量渠道和用于传递所述电路板上的信号处理电路产生的信号的信号渠道，其特征在于，所述旋转编码器还包括导电屏蔽腔室，所述电路板及所述磁敏元件内置于所述导电屏蔽腔室中，所述磁体及编码器转轴设置于所述导电屏蔽腔室之外，所述导电屏蔽腔室的壁由导体材料制成，且所述导电屏蔽腔室的壁中，至少将所述磁敏元件和所述磁体隔开的壁由无铁磁性的导体材料制成，所述导电屏蔽腔室的壁上留有用于所述能量渠道和所述信号渠道的开口。
根据本发明的实施例的旋转编码器，由于电路板及磁敏元件内置于所述导电屏蔽腔室中，使电路板及磁敏元件与外界环境充分地电隔离，从而避免电路板上的各种元器件遭受电磁脉冲的破坏。而且至少将所述磁敏元件和所述磁体隔开的壁由无铁磁性的导体材料制成，磁场可以不受影响地透过，从而不会影响磁敏元件感测磁场的变化，即不会影响磁电式旋转编码器的正常工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。所述附图中：
图1为现有技术中旋转编码器的工作状态示意图；
图2为现有技术中光电式旋转编码器的构造示意图；
图3为现有技术中磁电式旋转编码器的构造示意图；
图4为根据本发明的一个实施例的磁电式旋转编码器的构造示意图；
图5为根据本发明的另一个实施例的磁电式旋转编码器的构造示意图；以及
图6为根据本发明的又一个实施例的磁电式旋转编码器的构造示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的各个实施例，旋转编码器采用磁电式旋转编码器。所述磁电式旋转编码器包括外壳、旋转编码器转轴、固定于所述旋转编码器转轴上的磁体、用于感测磁体磁场分布的磁敏元件、用于搭载所述磁敏元件和信号处理电路的电路板、用于为电路板提供能量的能量渠道和用于传递所述电路板上的信号处理电路产生的信号的信号渠道，其特征在于，所述旋转编码器还包括导电屏蔽腔室，所述电路板及所述磁敏元件内置于所述导电屏蔽腔室中，所述磁体及编码器转轴设置于所述导电屏蔽腔室之外，所述导电屏蔽腔室的壁由导体材料制成，且所述导电屏蔽腔室的壁中，至少将所述磁敏元件和所述磁体隔开的壁由无铁磁性的导体材料制成，所述导电屏蔽腔室的壁上留有用于所述能量渠道和所述信号渠道的开口。
可选地，所述导电屏蔽腔室由无铁磁性的导体材料制成为独立于所述外壳的全导体封闭壳体。
可选地，所述导电屏蔽腔室由所述外壳的一部分和至少一个导电屏蔽壁共同构成，所述外壳由导体材料制成，所述导电屏蔽壁由无铁磁性的导体材料制成，用于将所述磁敏元件和所述磁体隔开。
优选地，所述导电屏蔽壁与所述外壳之间通过螺纹连接。
可选地，所述能量渠道和/或所述信号渠道为带有电屏蔽外套的金属线。
可选地，所述能量渠道和/或所述信号渠道为光纤，所述电路板上设置有光电池元件和光信号发射器。
优选地，所述能量渠道和所述信号渠道为同一条光纤，在所述导电屏蔽腔室内设有分光镜，使得用于提供驱动能量的光经由所述分光镜而照射到所述光电池元件上，且由所述光信号发射器发出的光经由所述光分镜而射入所述光纤。
优选地，所述导电屏蔽腔室内设有反射镜，用于与分光镜一起形成光通路。
优选地，所述用于提供驱动能量的光和所述光信号发射器发出的光具有不同的波长。
优选地，所述导电屏蔽腔室的壁上设置的开口为由导电玻璃填充的透光窗口。
根据本发明的第一实施例，如图4所示，旋转编码器101包括非全导体封闭外壳(壳体)102、全导体封闭壳体103、旋转编码器转轴104、轴承114、固定于旋转编码器转轴104上的磁体115、带有电屏蔽外套的电源线107(能量渠道)和信号线108(信号渠道)、用于感测磁体磁场分布的磁敏元件113以及用于搭载磁敏元件113及相关处理电路的电路板109。其中，非全导体封闭外壳102的作用相当于一个固定支架，主要用于提供用于安置轴承114并进而将旋转编码器转轴104限制于一定位置，其可以由普通硬质材料制备，但优选地由导体材料制备，这样可以更好地减少外部环境对旋转编码器的影响。全导体封闭壳体103由例如铝合金、不锈钢等具有良好导电性能但无铁磁性的材料制成，并且设置为至少包围电路板109及设置于电路板109上的磁敏元件113，仅为电源线107和信号线108留出必要的开口。电源线107和信号线108带有的电屏蔽外套可以与全导体封闭壳体103电连接。全导体封闭壳体103的厚度可以根据预计的环境电磁脉冲的强度而适当变更，例如可以为2mm以上，且优选地，为4mm以上。磁体115优选地由永磁体制成。由于磁敏元件113的高敏感性和永磁体可达到的高磁通密度，而且全导体封闭壳体103的构成材料使得其可以屏蔽电脉冲，但不会阻挡磁场的透过，从而使得安装在编码器转轴顶端的磁体115可以设置为距磁敏元件113的距离达20mm以上。这一距离完全可以确保在设有全导体封闭壳体103之后，仍有足够的空间。本领域的技术人员还可以根据设计需求而自行调整封闭外壳的开孔尺寸、开孔位置和开孔到电路板的距离。
根据第一实施例的磁电式旋转编码器，由于使用了全导体封闭壳体103将电路板109与外界环境电隔离，从而避免电路板109上的各种元器件遭受电磁脉冲的破坏。而且全导体封闭壳体103的制备材料为具有良好导电性能但无铁磁性的材料，磁场可以不受影响地透过，从而不会影响磁敏元件113感测磁场的变化，即不会影响磁电式旋转编码器的正常工作。
根据本发明的第二实施例，如图5所示，旋转编码器201包括导体外壳202、与导体外壳202电连接且保持良好密封并固定的导体屏蔽壁203和导体屏蔽壁205、旋转编码器转轴204、轴承214、磁体215、能量光纤207和信号光纤208、电路板209、设置于电路板209上的磁敏元件223、设置于电路板209上的光电池元件212和光信号发射器213。所述导体屏蔽壁203由具有良好导电性能但无铁磁性的壳体材料制成，例如由铝合金、不锈钢等制成。所述导体外壳202由具有良好导电性的材料制成，例如由金属制成，优选地，所述导体外壳202也由无铁磁性的导体材料制成，使得整个磁电式旋转编码器的外壳及导电屏蔽腔室的壁中均无铁磁性材料，从而对磁体产生的磁场的干扰降到最小。所述导体屏蔽壁205的主体由具有良好导电性的材料制成，并且所述导体屏蔽壁205上还设有供光线通过的开口。所述开口可以为简单的镂空开口，但优选地，所述开口为由导电玻璃填充的透光窗口210和211。导电玻璃例如可以为在普通玻璃基材上制备透明导体材料(例如铟锡氧化物、石墨烯等)层的玻璃。由用户端设备提供的、经由能量光纤207和光纤耦合接头216传来的、用作驱动能量的光透过窗口210而照射到光电池元件212上，光电池元件212将所接收到的光能量转化为电能，而给电路板209上的各种元器件供电，这里，由用户端提供的用作驱动能量的光优选地为激光，以确保足够的能量功率。由磁敏元件223感应得到的电信号经电路板209上的一系列的电路处理后，由光信号发射器213以光信号的形式发射出去，该光信号经由窗口211和光纤耦合接头217而耦合到信号光纤208中，进而传输出去。在用户设备端，通过另一光纤耦合接头(未图示)接收光信号，并由光敏元件(未图示)将光信号转化为电信号，再用于后续的用户设备端的各种数据处理。所述导体屏蔽壁203和导体屏蔽壁205例如可以通过螺纹206(其中导体屏蔽壁203上的螺纹未图示，可以参考导体屏蔽壁205上的螺纹206来设计)现与导体外壳202的固定。螺纹206的存在可以使导体屏蔽壁203和导体屏蔽壁205与导体外壳202之间的缝隙所造成的电磁泄露降到极低，并且便于装配和拆卸。与第一实施例类似，导体外壳202、导体屏蔽壁203和导体屏蔽壁205的厚度可以根据预计的环境电磁脉冲的强度而适当变更，例如可以为2mm以上，且优选地，为4mm以上。磁体115优选地由永磁体制成。
根据第二实施例的磁电式旋转编码器，除了具备第一实施例中的优点之外，由于采用了光纤作为能量和信号的载体，而光纤对于在其中传播的光的波长、入射角度等都有相对严格的要求，使得外界环境中的电磁脉冲很难耦合进来，无法干扰信号，更无法对电路板209等造成破坏，从而有更高的可靠性。而且使用螺纹装配结构，既可以实现良好的电磁屏蔽，又便于组装，相比于第一实施例效果更加优异。
根据本发明的第三实施例，如图6所示，旋转编码器201’包括导体外壳202、与导体外壳202电连接且保持良好密封并固定的导体屏蔽壁203和导体屏蔽壁205、旋转编码器转轴204、轴承214、磁体215、光纤207、电路板209、设置于电路板209上的磁敏元件223、设置于电路板209上的光电池元件212和光信号发射器213。与第二实施例类似，所述导体屏蔽壁203由具有良好导电性能但无铁磁性的壳体材料制成，例如由铝合金、不锈钢等制成。所述导体外壳202由具有良好导电性的材料制成，例如由金属制成。所述导体屏蔽壁205的主体由具有良好导电性的材料制成，例如由金属制成，并且所述导体屏蔽壁205上还设有供光线通过的开口。而且，所述开口可以为简单的镂空开口，但优选地，所述开口为由导电玻璃填充的窗口210。由用户端设备提供的、经由能量光纤207和光纤耦合接头216传来的、用作驱动能量的光透过窗口210、分光镜218而照射到光电池元件212上，光电池元件212将所接收到的光能量转化为电能，而给电路板209上的各种元器件供电，这里，由用户端提供的用作驱动能量的光优选地为激光，以确保足够的能量功率。由磁敏元件223感应得到的电信号经电路板209上的一系列的电路处理后，由光信号发射器213以光信号的形式发射出来，该光信号经由反射镜219、分光镜218、窗口210和光纤耦合接头216而耦合到信号光纤208中，进而传输出去。这里，如果光信号发射器的布置位置使得其能够直接将光信号照射到分光镜上，那么也可以省略反射镜219，但这种情况对光信号发射器的位置要求比较高。此外，也可以根据需要而为用作驱动能量的光设置反射镜。这里的反射镜与分光镜一起形成灵活的光通路，使得光电池元件和光信号发射器的布置位置更加灵活。在用户设备端，通过另一光纤耦合接头(未图示)接收光信号，并由分光镜区分开能量光线和信号光线的传输路径，且由光敏元件(未图示)将光信号(信号光线)转化为电信号，再用于后续的用户设备端的各种数据处理。此外，能量光线和信号光线优选地具有不同的波长，例如能量光线使用较低频率，而且信号光线使用较高频率，并使得用于感测信号光线的光敏元件选取为仅对较高频率的光敏感，从而可以避免能量光线对信号光线造成干扰。所述导体屏蔽壁203和导体屏蔽壁205例如可以通过螺纹206(其中导体屏蔽壁203上的螺纹未图示)而实现与导体外壳202的固定。螺纹206的存在可以使导体屏蔽壁203和导体屏蔽壁205与导体外壳202之间的缝隙所造成的电磁泄露降到极低，并且便于装配和拆卸。与第一实施例类似，导体外壳202、导体屏蔽壁203和导体屏蔽壁205的厚度可以根据预计的环境电磁脉冲的强度而适当变更，例如可以为2mm以上，且优选地，为4mm以上。磁体115优选地由永磁体制成。
相比于第二实施例，根据本发明的第三实施例的磁电式旋转编码器通过设置分光镜和反射镜而将光纤进行了复用，使光纤既用于传输能量光线，又用于传输信号光线。除了具备第二实施例中的优点之外，这样做的另一个好处在于减少了导体屏蔽壁205上的导电玻璃的窗口大小，由于导电玻璃的导电效果不如金属，因此这样做可以将导电玻璃造成的导电性能的下降影响减至最低。
优选地，本发明采用由光伏电池供电的低功耗霍尔阵列传感器，测量旋转轴端带动的径向充磁磁体。霍尔阵列传感器由多个独立的霍尔元件组成，编码器内部的采集电路能够在同一时间采集阵列上所有霍尔元件的电压数值，并由内部的微计算单元(MCU)计算出当前磁体的旋转角度。
此外，能量光源也可采用自然环境光源或其他专用照射光源。光源传输介质也可以使用空气和光导等其他传输介质。
通常高透光纤的传输率高于每米99.7％，当采用近红外至可见光波段的激光发生器提供光源，经过不太长的(如小于数百米)光纤路径使激光能量到达编码器内部的光伏电池。由于光伏电池的转换效率可达15％，即，对于板内功耗约为1W的电路而言，功率在6W左右的发射激光源即可满足要求，此能量级别低于激光打标机所需的能量。
根据本发明的一个优选实施例，旋转编码器通过光纤与用户设备进行信息交互。通信所需的激光发射能量很低，对于选装编码器这样的低速率、小数据量的应用而言，其器件所需的发射功率不到1W。
需要说明的是，尽管以上以磁电式旋转编码器为例进行了说明，然而本领域的技术人员可以在本发明的基础上进行各种变化。例如，本发明也可以应用于其他的利用磁场但又易被电磁脉冲破坏的其他磁电装置或元器件的应用场合中，例如所述磁电装置或元器件可以为地磁场传感器、热磁传感器等，只要其将易受电磁脉冲损坏的部件置于导电但无铁磁性的屏蔽腔室内即可，这些磁电装置或元器件将构成本发明的磁电式旋转编码器的等同实施例。
综上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种旋转编码器，包括外壳、旋转编码器转轴、固定于所述旋转编码器转轴上的磁体、用于感测磁体磁场分布的磁敏元件、用于搭载所述磁敏元件和信号处理电路的电路板、用于为电路板提供能量的能量渠道和用于传递所述电路板上的信号处理电路产生的信号的信号渠道，其特征在于，
所述旋转编码器还包括导电屏蔽腔室，所述电路板及所述磁敏元件内置于所述导电屏蔽腔室中，所述磁体及编码器转轴设置于所述导电屏蔽腔室之外；
所述导电屏蔽腔室的壁由导体材料制成，且所述导电屏蔽腔室的壁中，至少将所述磁敏元件和所述磁体隔开的壁由无铁磁性的导体材料制成；并且
所述导电屏蔽腔室的壁上留有用于所述能量渠道和所述信号渠道的开口。
2.如权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述导电屏蔽腔室由无铁磁性的导体材料制成为独立于所述外壳的全导体封闭壳体。
3.如权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述导电屏蔽腔室由所述外壳的一部分和至少一个导电屏蔽壁共同构成，所述外壳由导体材料制成，所述导电屏蔽壁由无铁磁性的导体材料制成，用于将所述磁敏元件和所述磁体隔开。
4.如权利要求3所述的旋转编码器，其特征在于，所述导电屏蔽壁与所述外壳之间通过螺纹连接。
5.如权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述能量渠道和/或所述信号渠道为带有电屏蔽外套的金属线。
6.如权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述能量渠道和/或所述信号渠道为光纤，所述电路板上设置有光电池元件和光信号发射器。
7.如权利要求6所述的旋转编码器，其特征在于，所述能量渠道和所述信号渠道为同一光纤，在所述导电屏蔽腔室内设有分光镜，使得用于提供驱动能量的光经由所述分光镜而照射到所述光电池元件上，且由所述光信号发射器发出的光经由所述光分镜而射入所述光纤。
8.如权利要求7所述的旋转编码器，其特征在于，所述导电屏蔽腔室内设有反射镜，用于与分光镜一起形成光通路。
9.如权利要求8所述的旋转编码器，其特征在于，所述用于提供驱动能量的光和所述光信号发射器发出的光具有不同的波长。
10.如权利要求6到9之任一项所述的旋转编码器，其特征在于，所述导电屏蔽腔室的壁上设置的开口为由导电玻璃填充的透光窗口。
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