CN108489378A - 一种磁敏角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁敏角度传感器，包括：壳体，具有相对设置的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁上设置有第一通孔；连接轴，其第一端配置有位于壳体内的盘形部；盘形部的第一端面与第一侧壁相对，盘形部的第二端面上开设有磁性环容纳槽；连接轴的第二端设置有安装孔；磁性环，安装在磁性环容纳槽中并与磁性环容纳槽止转配合，磁性环的中心孔的轴线与安装孔的轴线相重合；位于壳体内并电连接在一起的电路板和磁敏元件，电路板位于磁性环与磁敏元件之间，磁敏元件与第二侧壁相对；信号引出线缆，其第一端与电路板的接线端子连通，第二端从壳体穿出。该磁敏角度传感器的使用寿命长，信号稳定，能够获得完整的360度的反馈信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种关节位置传感器，尤其涉及一种磁敏角度传感器。
背景技术
机器人的发展是一个必然的趋势，机器人运动控制技术也越来越受到重视。机器人运动控制的基本体现就是机器人制动器，俗称机器人关节，机器人关节是机器人的基础部件，其好坏直接影响机器人的性能。随着数字伺服技术等电子技术的发展，机器人关节也在不断发展。目前的机器人关节多利用现有的无人机或航空模型的伺服系统，也就是俗称舵机的一种伺服系统改装而来。
舵机是一种伺服系统，其可以使用伺服电机、步进电机、电磁铁等作为动力源，并与传动机构、电路系统构成完整的系统。以使用伺服电机作为动力源的舵机为例，它造价便宜构造简单，伺服电机转动的角度可以通过舵机控制电路反馈，工作时控制电路不断的修正电机转动角度的误差，直到电机转动到预期位置。也就是说，舵机接收到控制信号后可以转过相对准确的位置，因而在机器人设计，航模，船模等有着广泛的应用，比如用来控制机器人的转动方向等。
更具体地，传统的舵机是一种闭环反馈系统，内部有一个控制电路、一个电机、一个齿轮箱和一个电位器组成；其中，电位器的作用是检测电机的输出轴是否已经转到期望位置，电位器与电机的输出轴相连接，这样分压计能够非常准确的反映出电机输出轴的当前位置。当电机的输出轴的位置变换时，电位器输出为一个电压信号至控制电路中。舵机中的控制电路将电位器输出的电压信号和控制脉冲信号定时比较，如果电压信号不正确就会产生误差信号，该误差信号与电位计的位置和可能告知脉冲的差值成正比，当存在误差信号时，电机就会保持转动，直到电位器输出的电压信号和控制脉冲信号相匹配时，误差信号被移除，电机停转。
但是，传统的舵机一般采用碳膜电位器，碳膜电位器是一种接触式的角度传感器，其工作时由一个金属材质的电刷在碳片上移动，在不同的位置产生不同的电阻，从而提供位置信号给伺服系统。对机器人关节而言，这种碳膜电位器的缺点是电刷摩擦寿命短，因金属刷子与碳膜接触而导致信号不稳定，这两个缺点对机器人关节而言都影响了性能；另一个缺点是反馈信号的角度问题，电位器受到碳膜印刷的工艺及物理现象的制约，无法达到360度的工作角度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种磁敏角度传感器，该磁敏角度传感器的使用寿命长，信号稳定，能够获得完整的360度的反馈信号。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种磁敏角度传感器，包括：
壳体，具有相对设置的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁上设置有第一通孔；
连接轴，其第一端配置有位于所述壳体内的盘形部，第二端沿所述第一通孔伸出；所述盘形部的第一端面与所述第一侧壁相对，所述盘形部的第二端面上开设有磁性环容纳槽；所述连接轴的第二端设置有用于与电机的输出轴配合的安装孔；
磁性环，安装在所述磁性环容纳槽中并与所述磁性环容纳槽止转配合，所述磁性环的中心孔的轴线与所述安装孔的轴线相重合；
位于所述壳体内并电连接在一起的电路板和磁敏元件，所述电路板位于所述磁性环与所述磁敏元件之间，所述磁敏元件与所述第二侧壁相对；
信号引出线缆，其第一端与所述电路板的接线端子连通，第二端从所述壳体穿出。
进一步地，所述电路板上设置有适于与所述磁性环接触的铜片；或者，所述电路板与所述磁性环之间设置有自润滑垫片。
进一步地，所述电路板与所述磁性环接触的位置处涂覆有润滑油。
进一步地，所述安装孔为通孔，且所述安装孔的孔壁配置至少一个第一切面部。
进一步地，所述盘形部的外周壁上配置有第二切面部，所述第一切面部中的至少一个与所述第二切面部相平行；或者，所述盘形部的外周壁上设置有标记缺口。
进一步地，所述磁性环为由磁性钢制成的径向充磁圆环结构。
进一步地，所述电路板和所述磁敏元件粘接在一起或者焊接在一起。
进一步地，所述第一侧壁上开设有用于接纳所述盘形部的第一定位槽，并且/或者，所述第二侧壁上开设有用于接纳所述磁敏元件的第二定位槽。
进一步地，所述壳体包括：扣合在一起的上盖体和底座，以及将所述上盖体和所述底座连接在一起的多个紧固件；所述第一侧壁形成于所述上盖体上，所述第二侧壁形成于所述底座上；所述紧固件为铆钉或者螺栓，所述底座内部设置有与所述底座内壁相接以围成安装所述紧固件的孔的凸出部，所述电路板的周边设置有与各所述凸出部配合的豁口。
进一步地，所述底座上设置有供所述信号引出线缆穿出的导线孔，并且/或者，所述底座上设置有烧录窗。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过在连接轴上设置有用于与电机的输出轴或其他转动轴配合的安装孔，故连接轴能够以较小的摩擦与电机的输出轴或其他转动轴同步旋转，实现完整的360度旋转运动，同时，由于摩擦较小，使得本磁敏角度传感器的寿命得以延长；通过将磁性环安装在磁性环容纳槽中并与磁性环容纳槽止转配合，并且电机的输出轴的外端伸进磁性环的中心孔内，故磁性环跟随电机的输出轴做360度的旋转运动，使得本磁敏角度传感器能够获得完整的360度的反馈信号，并且磁性环无须与电机的输出轴接触便能够跟随电机的输出轴旋转而获得磁信号，信号稳定。
附图说明
图1为本发明的一种磁敏角度传感器的结构示意图；
图2为图1所示的磁敏角度传感器的分解图。
图中：1、上盖体；11、第一通孔；12、第一定位槽；13、第二通孔；2、连接轴；21、安装孔；22、第一切面部；23、第二切面部；3、磁性环；31、中心孔；4、电路板；41、接线端子；42、铜片；43、豁口；5、磁敏元件；6、底座；61、第二定位槽；62、导线孔；63、烧录窗；7、信号引出线缆；8、紧固件。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
参见图1-图2，示出了本发明实施例提供的磁敏角度传感器的结构示意图；该磁敏角度传感器以用于测量电机的输出轴的旋转角度为例，可以理解，该磁敏角度传感器还可以应用于任何需要测量旋转轴的旋转角度的情况。如图所示，该磁敏角度传感器包括壳体、连接轴2、磁性环3、电路板4、磁敏元件5和信号引出线缆7。
参见图1-图2可以看出，壳体具有相对设置的第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁上设置有第一通孔11；连接轴2的第一端配置有位于壳体内的盘形部，连接轴2的第二端沿第一通孔11伸出，并且连接轴2的第二端设置有用于与电机的输出轴配合的安装孔21。盘形部的第一端面与第一侧壁相对，盘形部的第二端面上开设有磁性环容纳槽(图中未示出)，磁性环3安装在磁性环容纳槽中并与磁性环容纳槽止转配合，以使得磁性环3能够跟随连接轴2转动，磁性环3的中心孔31的轴线与安装孔21的轴线相重合。优选地，磁性环3与磁性环容纳槽过盈配合。电路板4和磁敏元件5通过电连接在一起并置于壳体内，电路板4位于磁性环3与磁敏元件5之间，磁敏元件5与第二侧壁相对。可以理解，磁敏元件5在壳体内位置相对固定，不可相对连接轴2的轴线发生转动地安装在壳体内。信号引出线缆7的第一端与电路板4的接线端子41连通，其第二端从壳体穿出。
本发明实施例的磁敏角度传感器的工作原理如下，连接轴2可以随电机的输出轴做360度的同步转动，在连接轴2的转动下，磁性环3转动，使得其磁场方向发生变化，磁敏元件5接收到磁性环3的反映电机的输出轴的角度变化的磁信号，由于电路板4与磁敏元件5电连接，磁敏元件5将磁信号传递至电路板4内，电路板4将磁信号转化为数字信号或者模拟信号并经信号引出线缆7输送出去。
本发明实施例的磁敏角度传感器，通过在连接轴2上设置有用于与电机的输出轴配合的安装孔21，故连接轴2能够以较小的摩擦与电机的输出轴同步旋转，实现完整的360度旋转运动，同时，由于摩擦较小，使得本磁敏角度传感器的寿命得以延长；通过将磁性环3安装在磁性环容纳槽中并与磁性环容纳槽止转配合，并且电机的输出轴的外端伸进磁性环3的中心孔31内，故磁性环3跟随电机的输出轴做360度的旋转运动，使得本磁敏角度传感器能够获得完整的360度的反馈信号，并且磁性环3无须与电机的输出轴接触便能够跟随电机的输出轴旋转而获得磁信号，信号稳定。
需要说明的是，在本实施例中，由于磁敏元件5与磁性环3表面通常会有一定的空气间隙，为了尽可能降低本磁敏传感器的高度，本发明利用介于磁性环3和磁敏元件5之间，可通过电路板4取代空气间隙，磁性环3挨着磁敏元件5的一侧面，磁敏元件5可以安装于电路板4的另一侧面；优选地，电路板4为印刷电路板。
其中，信号引出线缆7可以是以金属材料制成的硬质固态端子，也可以是软质的柔性电路板或简单的电线，前述的固态端子可以是直线的，也可以适当的弯折角度以满足各种安装方式的需求。
由于安装在连接轴2内部的磁性环3或多或少会与电路板4有所接触，故而在电路板4上设置有适于与磁性环3接触的铜片42；或者，电路板4与磁性环3之间设置有自润滑垫片；或者，在电路板4与磁性环3接触的位置处涂覆润滑油。这样，一方面可避免由于磁性环3与电路板4接触的情况下，磁性环3转动造成的摩擦使得电路板4发生电气短路的现象，另一方面能够进一步延长本磁敏角度传感器的寿命。需要说明的是，自润滑垫片的材料例如可以为铁弗龙以达到减少摩擦的目的，此处不对自润滑垫片的材料做出任何的限定，只要能够达到减少摩擦的目的即可。
具体地，为使得电机的输出轴能够充分伸进磁性环3的中心孔31内，上述安装孔21为通孔，且安装孔21的孔壁配置至少一个第一切面部22，电机的输出轴上具有与第一切面部22配合的切面部，以实现二者的不可相对转动的连接；盘形部的外周壁上配置有具有标记作用的第二切面部23，第一切面部22中的至少一个与第二切面部23相平行；或者，盘形部的外周壁上可以设置有标记缺口；需要说明的是，连接轴2上的第一切面部22、第二切面部23不限于平切面，第一切面部22只要能够与电机输出轴相配合即可；第二切面部23可以为标记点或者是任何形式的标记符号，只要能够达到标记的目的即可。
具体地，磁性环3为由磁性钢制成的径向充磁圆环结构，径向充磁的磁性环3上有N磁极和S磁极，两磁极之间有一条看不见的界线，此处的界线在磁场强度理论上为零磁场。安装时，将磁性环3的零磁场对正连接轴2的第二切面部23的轴向延伸中间线，安装好后，通过设置专门检测磁性环3的零磁场是否与连接轴2的第二切面部23的轴向延伸中间线对正的软件进行零磁校正，直到磁性环3的零磁场与连接轴2的第二切面部23的轴向延伸中间线对正为止，校正完毕后，连接轴2的第一切面部22的位置可以反映磁性环3的零磁场位置。这样，能够方便区分电机的输出轴的旋转起始点，使得测得的信号更精确。
优选地，电路板4和磁敏元件5粘接在一起或者焊接在一起，用于将电路板4固定在磁敏元件5上；为进一步降低本磁敏角度传感器的整体高度，使得本磁敏角度传感器更加小巧，在第一侧壁上开设有用于接纳盘形部的第一定位槽12，在第二侧壁上开设有用于接纳磁敏元件5的第二定位槽61，以将连接轴2的盘形部、磁敏元件5分别收容于第一定位槽12、第二定位槽61中，节省空间；其中，为避免连接轴2转动时与第一定位槽12产生摩擦，在第一定位槽12的表面涂覆润滑油，或者，将连接轴2的盘形部与第一定位槽12间隔预定距离，使连接轴2在轴向上可以有一定的上下浮动空间，以进一步延长本磁敏角度传感器的寿命，并且能够自动校正连接轴2的中心轴线与电机输出轴的中心轴线重合。
另外，作为最佳实施例，前述壳体包括：扣合在一起的上盖体1和底座6，以及将上盖体1和底座6连接在一起的多个紧固件8；其中，第一侧壁形成于上盖体1上，第二侧壁形成于底座6上；紧固件8为铆钉或者螺栓，或者，该紧固件8为固定柱；相对应地，上盖体1上设置有供紧固件8穿设的第二通孔13；底座6内部设置有与底座6内壁相接以围成安装紧固件8的孔的凸出部，相对应地，电路板4的周边设置有与各凸出部配合的豁口43，可以避免电路板4在壳体内转动，进而避免磁敏元件5的转动。
其次，底座6上设置有供信号引出线缆7穿出的导线孔62；需要说明的是，信号引出线缆7可以从本磁敏角度传感器壳体的底部、侧部或其他部位延伸而出。
优选地，底座6上设置有烧录窗63，当磁敏角度传感器需要后续烧录程序时，便可经此烧录窗63接触到内置的磁敏元件5，从而将程序下载到控制器的存储单元中，该烧录窗63呈方形或环形，需要说明的是，此处不对烧录窗63的形状做任何的限定，只要能够方便烧录磁敏元件5上的程序即可。
本磁敏角度传感器的使用寿命长，信号稳定，能够获得完整的360度的反馈信号。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种磁敏角度传感器，其特征在于，包括：
壳体，具有相对设置的第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁上设置有第一通孔；
连接轴，其第一端配置有位于所述壳体内的盘形部，第二端沿所述第一通孔伸出；所述盘形部的第一端面与所述第一侧壁相对，所述盘形部的第二端面上开设有磁性环容纳槽；所述连接轴的第二端设置有安装孔；
磁性环，安装在所述磁性环容纳槽中并与所述磁性环容纳槽止转配合，所述磁性环的中心孔的轴线与所述安装孔的轴线相重合；
位于所述壳体内并电连接在一起的电路板和磁敏元件，所述电路板位于所述磁性环与所述磁敏元件之间，所述磁敏元件与所述第二侧壁相对；
信号引出线缆，其第一端与所述电路板的接线端子连通，第二端从所述壳体穿出。
2.如权利要求1所述的磁敏传感器，其特征在于，所述电路板上设置有适于与所述磁性环接触的铜片；或者，所述电路板与所述磁性环之间设置有自润滑垫片。
3.如权利要求1所述的磁敏传感器，其特征在于，所述电路板与所述磁性环接触的位置处涂覆有润滑油。
4.如权利要求1所述的磁敏传感器，其特征在于，所述安装孔为通孔，且所述安装孔的孔壁配置至少一个第一切面部。
5.如权利要求4所述的磁敏传感器，其特征在于，所述盘形部的外周壁上配置有第二切面部，所述第一切面部中的至少一个与所述第二切面部相平行；或者，所述盘形部的外周壁上设置有标记缺口。
6.如权利要求1所述的磁敏传感器，其特征在于，所述磁性环为由磁性钢制成的径向充磁圆环结构。
7.如权利要求1所述的磁敏传感器，其特征在于，所述电路板和所述磁敏元件粘接在一起或者焊接在一起。
8.如权利要求1所述的磁敏传感器，其特征在于，所述第一侧壁上开设有用于接纳所述盘形部的第一定位槽，并且/或者，所述第二侧壁上开设有用于接纳所述磁敏元件的第二定位槽。
9.如权利要求1至8中任一项所述的磁敏传感器，其特征在于，所述壳体包括：扣合在一起的上盖体和底座，以及将所述上盖体和所述底座连接在一起的多个紧固件；所述第一侧壁形成于所述上盖体上，所述第二侧壁形成于所述底座上；所述紧固件为铆钉或者螺栓，所述底座内部设置有与所述底座内壁相接以围成安装所述紧固件的孔的凸出部，所述电路板的周边设置有与各所述凸出部配合的豁口。
10.如权利要求9所述的磁敏传感器，其特征在于，所述底座上设置有供所述信号引出线缆穿出的导线孔，并且/或者，所述底座上设置有烧录窗。
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