CN110715675A - 中空带屏蔽磁编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明中空带屏蔽磁编码器，使用屏蔽罩、电路板、磁环组成的小间隙封闭内腔来为磁环磁场提供更稳定的磁场空间，并且磁敏感元件位于该小间隙封闭内腔中，用来感知该空间中的磁场，拥有抗干扰能力强，磁场完整的优点，保证了编码器角度的高稳定性；该结构提供的双重同心安装方式，减小了安装误差，提高了编码器的最终使用精度。

Description

中空带屏蔽磁编码器
技术领域
本发明专利涉及位置测量的一种装置，特别是涉及旋转位置测量的编码器装置。
背景技术
在物体旋转运动时，为了测量运动物体的位置、运动状态，一般会使用编码器来测量。编码器返回当前物体的旋转规律和数据，提供给系统进行分析及后续控制。
编码器从原理上来讲，拥有如下类别：光电编码器、磁编码器、电容编码器、电感编码器、旋转变压器等；从结构上来讲，可分为轴端与中空编码器两种。
磁编码器作为新兴技术在市场上应用的越来越多，其优秀的抗干扰能力和稳定性越来越得到更多产品的青睐。而且随着全世界半导体技术方案的不断成长，诞生出了一系列磁编码器芯片，用来直接安装在轴端检测轴的旋转位置变化。轴端磁编码器之所以能标准化生产的主要原因是其仅需安装在轴端，而对于轴端来说，没有尺寸的要求，所以轴端磁芯片可以使用于多个应用而不需要过多的成本支出。
对于中空磁编码器来说，需要把轴穿过磁编码器，所以轴的尺寸严格地限制了中空磁编码器的标准化，所以在磁编码器方面，中空方案很难与批量化的半导体结合起来应用。
对于专利201910047346.X提出了一种分离式磁编码器的方案，使得中空磁编码器的技术在原理上成为可能，方便为各种尺寸的应用场景提供中空旋转测量方案。
而对于该分离式磁编码器起来说，其方案既要在满足了中空的结构外，还要提供高精度与高分辨率的旋转位置信息输出，而磁编码器检测的是磁场，所以需要提供更为可靠与完整的磁场环境，来配合输出稳定的数据。
发明内容
本发明设计了一种中空带屏蔽磁编码器，该设计将特殊磁屏蔽材料制成的屏蔽罩安装于编码器一侧，并在屏蔽罩内安装磁敏感元器件，且磁环、电路板、屏蔽罩将磁场与磁敏感元件封闭在一个空腔内，提供高分辨率与高精度的旋转位置输出。
中空带屏蔽磁编码器主要分为两个部分，一个为动件即磁环，另一个为静件即编码器本体，动件将会被安装到被测量元件上，而静件被安装到壳体之类的相对静态装置上。
编码器本体中包含了电路板、屏蔽罩、磁敏感元件、处理电路及芯片，该结构中，屏蔽罩安装在电路板的一侧，且与电路板同心，其与电路板在单边局部组合成了一个U形的内腔，而在这个内腔中分布了磁敏感元件，该元件均焊接在电路板上与后续的处理电路与芯片相连。
编码器本体与磁环在空间上是径向分布的，即在安装后，磁环会在U形内腔的开口处，与屏蔽罩、电路板共同组合成一个极小间隙的封装空内腔，而磁敏感元件则位于该内腔中。
磁环会被磁化成编码器位置计算所需的特殊磁场载体，其会使周围的空间磁场发生变化，而在安装好后，即会使得这个内腔内部空间的磁场发生变化，同时当被一系列同样位于该内腔中的磁敏感元件探测到磁声场变化后，传递至处理芯片及电路并经过算术处理计算得到当前的旋转位置。
屏蔽罩的材料需为磁屏蔽专用的材料，用以去除不同频率的磁干扰，而且该屏蔽罩可以为多层，即多个不同尺寸、不同材料的屏蔽罩互相嵌套，以使用不同材料的特性滤去不同频率的磁干扰。
该空腔则为磁场的完整性提供了强劲的保障，则编码器才能根据磁场的数据计算并输出高分辨率、高精度的旋转位置数据。
同时屏蔽罩又可以在安装时与壳体配合，将编码器本体的生产同心度尽可能的在应用场景中还原，达到编码器的最佳输出精度。
附图说明
图1为磁环在内的中空带屏蔽磁编码器结构。
图2为磁环在外的中空带屏蔽磁编码器结构。
具体实施方式
参照附图对本发明专利的实施方式进行描述。
参见图1，图1中的磁环103与磁环托架104组合成了磁编码器的动件，该部分将会被安装在被测量装置上。
处理电路芯片101、电路板102、屏蔽罩105、磁敏感元件106共同组合成了磁编码器本体。处理电路芯片101焊接在电路板102上，且屏蔽罩105也是同时焊接或粘接在电路板102上，而屏蔽罩105的单边截面为L形，当其固定在电路板102上后，两者之间形成了一个单边为U形的内腔，而磁敏感元件106则是安装于该内腔内，且根据算法需要分布于内腔中的圆周各处。
磁环104粘接在磁环底座103上，使用磁环底座固定安装在被测物体上，且磁环底座103是可选件，磁环104也可以直接粘接在被测物体上。
当编码器本体与磁环104都安装好后，磁环104则位该内腔的U形口出口处，与组成内腔的电路板102、屏蔽罩105共同组成了一个小间隙的封闭内腔，且磁敏感元件106则是位于该内腔中。
磁环104在加工时被磁化上特殊的磁场，安装好后磁环104会改变该小间隙封闭内腔中的磁场分布，并使该内腔中的磁场与磁环上的磁化磁场一致。被测件在旋转的过程中，会带动磁环104的旋转，这时内腔中的磁场则会发生变化，从其中的磁敏感元件106则会测量到变化的磁场，并将信息传递给处理电路芯片101及电路等进行后续处理，计算出角度并进行反馈。
在这个过程中，屏蔽罩105、电路板102、磁环104组成的封闭内腔完整的使磁场分布在腔内。当外界有磁干扰时，该内腔壁均可以屏蔽干扰，使得外界环境无法干扰旋转位置的测量。
由于屏蔽罩105比电路板102拥有更佳的磁屏蔽效果，一般将屏蔽罩105一侧安装向存在干扰或干扰比较大的源方向，比如在电机应用场景中，该屏蔽罩105相比电路板102则应更贴近于电机线圈或电机的磁钢。
当编码器两侧都需要强的磁干扰屏蔽时，也可以将屏蔽罩105从图中的L形设计成U形，从而仅留开口于磁环104方向，形成更为强大的封闭内腔。
参见图2，该设计与图1中的设计类似，不同的地方为：图1中的设计为磁环104与磁环底座103组成的动件在编码器本体的径向内侧；而图2中的设计为磁环204与磁环底座203组成的动件在编码器本体的径向外侧。
图1中的应用场景为磁环安装在轴上，而图2的应用场景为磁环安装在轴内，以上均是中空应用场景。
图2中，电路板202与屏蔽罩205组成了径向向外的U形内腔，在磁环204安装好后，共同组合成一个小间隙的封装内腔，而磁敏感元件206则是安装在这个内腔中，并在圆周上根据算法需要分布于内腔中的圆周各处。
上述使用的磁敏感元件106、磁敏感元件206被分别被焊接在电路板102、电路板202上，而磁敏感元件可以使用插件或贴片形式的，均可以被安装在该封闭内腔中。
同时为了保证生产与应用时的精度一致性，减小安装误差带来的精度损失，编码器动件在安装时可以将磁环底座103、磁环底座203进行过盈或者小间隙装配，减小动件的安装误差，提高编码器动件的安装同心度；编码器本体可以在安装时将屏蔽罩105、屏蔽罩205的另一侧与壳体进行配合安装，减小静件的同心偏差。两种安装上的误差减小方案，可以极大程度地还原编码器在生产时的精度，减小了实际应用的偏差，获取最大限度的精度数据。
本发明通过对中空带屏蔽磁编码器进行设计，提出了带磁屏蔽罩的内腔式传感原理，提高了磁编码器的抗干扰能力，以及旋转位置测量、数据输出的稳定性；且该结构可以更大程度减小安装产生误差带来的精度损失，提高批量安装的一致性，且拥有更佳的精度输出。

Claims (5)

1.中空带屏蔽磁编码器，其特征在于具备：磁环、屏蔽罩、处理电路芯片、电路板和磁敏感元件。
2.根据权利要求1所述的中空带屏蔽磁编码器，其特征在于屏蔽罩安装在电路板上，且屏蔽罩可以为多层。
3.根据权利要求1所述的中空带屏蔽磁编码器，其特征在于编码器本体上，电路板与屏蔽罩组成的U形内腔。
4.根据权利要求1所述的中空带屏蔽磁编码器，其特征在于磁敏感元件位于该U形内腔中。
5.根据权利要求1所述的中空带屏蔽磁编码器，其特征在于磁环安装后位于该U形内腔的开口处，组成一个小间隙的封闭内腔空间。
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