CN113124910A - 旋转编码器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种旋转编码器，其能够在实现小型化的同时确保足够的合成容限。旋转编码器(1)包括转子(3)、定子(4)和用于计算旋转角度的计算单元(5)。转子(3)具有第一转子图案(31)和第二转子图案(32)，第一转子图案具有沿着围绕旋转轴(2)的测量方向布置的多个单位图案(310)，第二转子图案具有比沿着测量方向布置的第一转子图案(310)中的多个单位图案(310)更少的单位图案(320)。第一转子图案(31)的多个单位图案(310)的数量和第二转子图案(32)的多个单位图案(320)的数量被设置成使得它们之间的最大公约数是两个或更多。计算单元基于来自第一转子图案(31)和第二转子图案(32)的检测信号来计算转子(3)的旋转角度。

Description

旋转编码器
技术领域
本发明涉及一种旋转编码器。
背景技术
传统上，旋转编码器是已知的，该旋转编码器包括绕预定旋转轴在测量方向上旋转的转子、从转子接收检测信号的定子、以及用于基于定子接收的检测信号计算旋转角度的计算单元。旋转编码器用于千分尺、千分尺头、高度规、霍尔特斯特(内径测量工具)等。作为这种旋转编码器中的检测方法，有光学型、电磁感应型、磁性型等。
例如，在日本专利2006-322927A中描述的绝对旋转编码器包括具有轨道组的转子和具有发送绕组群和接收绕组群的定子，轨道组中的轨道同心布置，发送绕组群和接收绕组群布置成与轨道组磁通耦合。轨道组中的每个轨道包括设置在转子上的第一和第二半径的弧形部分，并且是以轴线为中心的磁通量耦合绕组的一个连续环。轨道组中至少两个轨道的弧形部分的数量彼此不同。具体地，绝对旋转编码器通过使用具有36度周期的轨道和具有40度周期的轨道，基于从两条轨道获得的接收信号来计算绝对角度。这允许绝对编码器仅在必要时通过计算绝对角度来间歇操作，从而降低角度检测的频率并降低功耗。
发明内容
本发明要解决的问题
这里，即使旋转编码器的物理尺寸可以减小，零件的加工和装配精度也不能容易地提高。此外，轨道间误差(其作为从两条轨道检测到的检测信号的差异的误差)可能随着小型化而恶化。轨道间误差是由转子和定子之间的未对准等引起的。因此，旋转编码器具有合成容限，这是轨道间误差的允许范围，使得即使存在一定量的轨道间误差，也可以执行绝对角度的计算，假设转子和定子之间未对准等。如果轨道间误差超过合成容限，旋转编码器无法计算绝对角度。
随着旋转编码器尺寸的减小，合成容限变小，轨道间误差可能恶化。结果，难以实现绝对角度计算，因为由于小型化，轨道间误差很容易超过合成容限。
本发明的目的是提供一种旋转编码器，其能够在实现小型化的同时确保足够的合成容限。
解决问题的方法
本发明的旋转编码器包括绕预定旋转轴在测量方向上旋转的转子、从转子接收检测信号的定子、以及用于基于由定子接收的检测信号来计算旋转角度的计算单元。转子包括:第一转子图案，其具有绕作为中心的旋转轴沿着测量方向布置的多个单位图案；和第二转子图案，具有单位图案，单位图案在数量上小于第一转子图案中的多个单位图案，且围绕作为中心的旋转轴沿着测量方向布置。第一转子图案的多个单位图案的数量和第二转子图案的多个单位图案的数量被设置成使得它们之间的最大公约数是2或更大。计算单元基于由定子从第一和第二转子模式中的每一个检测到的检测信号来计算转子的旋转角度。
根据本发明，转子中的第一转子图案的单位图案的数量和第二转子图案的单位图案的数量被设置成使得彼此的最大公约数是2或更大。因此，检测到用于计算的检测信号的第一转子图案和第二转子图案的周期是最大公约数为1的情况的一半或更少。此外，与最大公约数为1的情况相比，合成容限是在旋转编码器1小型化而不改变转子图案时的合成容限的两倍以上。因此，合成容限可以保持接近小型化之前的值。因此，旋转编码器可以小型化，同时保持足够的合成容限。
第一转子图案的多个单位图案的数量和第二转子图案的多个单位图案的数量被设置为偶数。
这里，如果第一转子图案的多个单位图案的数量和第二转子图案的多个单位图案的数量被设置为奇数，则作为计算单元基于来自第一和第二转子图案的检测信号的计算结果的旋转角中容易出现误差，并且难以保持精度。
然而，根据这种配置，第一转子图案的多个单位图案的数量和第二转子图案的多个单位图案的数量被设置为偶数。因此，可以防止基于来自第一转子图案和第二转子图案的检测信号的计算单元的计算结果的精度恶化并保持精度。
第一转子图案和第二转子图案优选分别是以旋转轴2为中心的连续磁通量耦合绕组。定子优选为电磁感应型，具有被布置成与第一转子图案和第二转子图案磁通耦合的发送绕组群，以及被布置成与第一转子图案和第二转子图案磁通耦合的接收绕组群。
根据这样的配置，由于旋转编码器是电磁感应型的，所以可以基于传统技术容易地进行第一转子图案的多个单位图案的数量和第二转子图案的多个单位图案的数量的设计以及对应于第一转子图案和第二转子图案的定子的设计。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的旋转编码器中的转子的平面图。
图2是旋转编码器中定子的平面图。
图3A是示出旋转编码器1中的转子3的平面图。
图3B是显示旋转编码器1中轨道间误差和合成容限之间关系的曲线图。
图4A是平面图，示出了传统小型化旋转编码器1A中的转子3A。
图4B是示出了在传统的小型化旋转编码器1A中轨道间误差和合成容限之间的关系曲线图。
图5A是平面图，示出了传统的预小型化旋转编码器1B中的转子3B。
图5B是示出在传统的预小型化旋转编码器1B中轨道间误差和合成容限之间的关系的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图中分配给各个元件的附图标记来说明和描述本发明的实施例。
图1是示出根据本发明实施例的旋转编码器1中的转子3的平面图。图2是示出旋转编码器1中的定子4的平面图。
如图1和2所示，旋转编码器1包括绕预定旋转轴(旋转轴线)2在测量方向上旋转的转子3和用于从转子3接收用于检测旋转角度的检测信号的定子4。旋转编码器1用在测微计中，测微计是测量装置(未示出)。旋转编码器1设置在千分尺内部。在千分尺中，转子3相对于定子4在测量方向上旋转。千分尺检测转子3相对于定子4的旋转角度，并将检测结果输出到显示装置(未示出)等。
旋转轴2是支撑转子3和定子4的圆柱形构件。旋转轴2可以由金属、玻璃、树脂或其他材料制成。旋转轴2的端部设置有接触测量目标(未示出)的测量头。
如图1所示，转子3包括绝缘基板30、第一转子图案31、第二转子图案32和让转轴2穿过的轴孔20。绝缘基板30可以由诸如玻璃环氧树脂、玻璃或硅这样的材料制成。轴孔20设置在绝缘基板30的中心，以允许旋转轴2在垂直于表面S1的方向上插入。绝缘基板30具有面向定子4并垂直于旋转轴2的表面S1。绝缘基板30形成为大致圆形。绝缘基板30形成为使得表面S1的外径为13.5毫米，让旋转轴2穿过的轴孔20的内径为8毫米。
第一转子图案31和第二转子图案32分别是以旋转轴2为中心的连续磁通量耦合绕组。第一转子图案31和第二转子图案32沿着作为测量方向的圆周方向设置在绝缘基板30的表面S1上，以面向定子4。在第一转子图案31中，多个单位图案310围绕作为中心的旋转轴2沿着测量方向布置。在第一转子图案32中，围绕作为中心的旋转轴2沿着测量方向布置比第一转子图案31中的多个单位图案310更少的单位图案320。具体地，第一转子图案31和第二转子图案32由通过电磁感应产生电动势电流的导体形成。第一转子图案31和第二转子图案32中的每一个都具有形成为单回路形状的导线，并且形成为大致波浪形状或大致齿轮形状。对于第一转子图案31和第二转子图案32，使用具有低电阻的材料，例如铜合金。
第一转子图案31的多个单位图案310被设置成使得沿着测量方向以预定间距P1产生磁场。具体地，第一转子图案31的多个单位图案310被设置成使得磁场以具有22.5度周期的间距(pitch)P1产生。
提供第二转子图案32的多个单位图案320，使得以预定间距P2产生磁场。具体地，第二转子图案32的多个单位图案320被设置成使得磁场以具有大约25.71度的周期的间距P2产生。
第一转子图案31的多个单位图案310的数量和第二转子图案32的多个单位图案320的数量被设置成使得它们之间的最大公约数是2或更大。
具体地，第一转子图案31的多个单位图案310的数量和第二转子图案32的多个单位图案320的数量被设置为偶数。在本实施例中，第一转子图案31的多个单位图案310的数量是16，第二转子图案32的多个单位图案320的数量是14。因此，第一转子图案31的多个单位图案310的数量和第二转子图案32的多个单位图案320的数量被设置成使得它们之间的最大公约数是2。
如图2所示，定子4包括绝缘基板40、发送绕组群41、接收绕组群42和让旋转轴2穿过的轴孔21。因此，旋转编码器1是电磁感应型的。
轴孔21设置在绝缘基板40的中心，以允许旋转轴2在垂直于表面S2的方向上插入。绝缘基板40具有面向转子3并垂直于旋转轴2的表面S2。绝缘基板40形成为大致圆形。绝缘基板40可以由诸如玻璃环氧树脂、玻璃或硅这样的材料制成。
发送绕组群41被布置成与第一转子图案31和第二转子图案32磁通耦合。接收绕组群42被布置成与第一转子图案31和第二转子图案32磁通耦合。发送绕组群41和接收绕组群42被设计成对应于第一转子图案31的多个单位图案310和第二转子图案32的多个单位图案320中的每一个。对于发送绕组群41和接收绕组群42，使用诸如铜合金这样的低电阻材料。
首先，旋转编码器1使用定子4的发送绕组群41在转子3的第一转子图案31和第二转子图案32中产生电动势电流。接下来，定子4的接收器绕组群42接收从转子3的第一转子图案31和第二转子图案32施加的磁场的变化。旋转编码器1基于磁场的变化测量旋转角度，旋转角度是转子3和定子4之间的相对运动量。
旋转编码器1还设置有计算单元(未示出)，该计算单元基于定子4接收的检测信号来计算旋转角度。计算单元基于定子4从第一转子图案31和第二转子图案32检测到的检测信号来计算转子3的旋转角度。
这里，检测转子3相对于定子4的旋转角度的两种方法是已知的:增量法(INC法)和绝对法(ABS法)。
INC法连续检测转子中固定间距处的增量图案(INC图案)，并对检测到的INC图案的数量进行递增或递减计数，以检测旋转角度。
ABS法是一种计算绝对位置的方法。作为ABS法，存在一种合成多个增量信号(INC信号)的方法，所述多个增量信号是从多个轨道检测，所述多个轨道每一个包括具有不同间距的INC图案，存在一种检测随机提供的绝对图案(ABS信号)并分析ABS图案的方法，等等。
在本实施例中，以间距P1提供的第一转子图案31和以间距P2提供的第二转子图案32分别对应于INC图案。计算单元可以通过合成INC信号来计算绝对角度，INC信号是从第一转子图案31和第二转子图案32检测到的检测信号。旋转编码器1通过检测绝对角度并仅在必要时计算绝对角度来实现间歇操作，而不总是检测角度。这允许旋转编码器1降低角度检测的频率并降低功耗。
图3A至5B显示了轨道间误差(inter-track error)和合成容限(synthesistolerance)之间的关系。具体地，图3A是旋转编码器1的转子3的平面图。图3B是显示旋转编码器1中轨道间误差和合成容限之间的关系曲线图。图4A是平面图，示出了传统小型化旋转编码器1A中的转子3A。图4B是示出在传统小型化旋转编码器1A中的轨道间误差和合成容限之间的关系曲线图。图5A是平面图，示出了传统预小型化旋转编码器1B中的转子3B。图5B是示出在传统的预小型化旋转编码器1B中的轨道间误差和合成容限之间的关系曲线图。图3B、4B和5B中的曲线图显示了轨道间误差曲线，纵轴是轨道间误差，横轴是角度。用虚线表示的上限和下限的范围表示合成容限。
如图3A所示，转子3中的第一转子图案31的多个单位图案310的数量和第二转子图案32的多个单位图案320的数量被设置成使得它们之间的最大公约数是2。因此，当使用上述ABS方法计算绝对角度时，相同的绝对角度将在一次旋转中出现在两个位置。因此，旋转编码器1使用例如图3A中虚线范围R内的第一转子图案31和第二转子图案32来执行旋转角度的检测。
当第一转子图案的周期为λ1并且第二转子图案的周期为λ2时，旋转编码器处的合成容限δABS可以通过公式(1)获得。
δABS＝│λ1-λ2│……(1)
在本实施例中，第一转子图案31的多个单位图案310的数量是16，并且λ1是22.5度。第二转子图案32的多个单位图案320的数量为14，λ2约为25.71度。因此，旋转编码器1处的合成容限δABS约为3.2142度。
如图4A所示，在传统的小型化旋转编码器1A中，第一转子图案31A的多个单位图案310A的数量是16，λ1是22.5度。第二转子图案32A的多个单位图案320A的数量是15，并且λ2是24度。第一转子图案31A的多个单位图案310A的数量和第二转子图案32A的多个单位图案320A的数量以它们之间的最大公约数为1的方式设置。当旋转编码器1A中的合成容限δABS由公式(1)获得时，合成容限δABS为1.5度。绝缘基板30A以这样的方式形成，即在表面S1A处，让旋转轴2穿过的轴孔20的外径为13.5毫米，内径为8毫米。
并且，如图5A所示，在传统预小型化旋转编码器1B中，第一转子图案31B的多个单位图案310B的数量是10，并且λ1是36度。第二转子图案32B的多个单位图案320B的数量是9，并且λ2是40度。第一转子图案31B的多个单位图案310B的数量和第二转子图案32B的多个单位图案320B的数量以它们之间的最大公约数为1的方式设置。当旋转编码器1B中的合成容限δABS由公式(1)获得时，合成容限δABS为4度。绝缘基板30B形成为使得在表面S1B处，让旋转轴2穿过的轴孔20的外径为18.2毫米，内径为8毫米。
本发明的旋转编码器1、常规小型化旋转编码器1A和常规预小型化旋转编码器1B中的每一个的合成容限δABS随着第一转子图案31、31A、31B的多个单位图案310、310A、310B的数量和第二转子图案32、32A、32B的多个单位图案320、320A、320B的数量而变化。
具体地，在旋转编码器1A中，传统旋转编码器1B被小型化，并且被设置为使得第一转子图案31A的多个单位图案310A的数量和第二转子图案32A的多个单位图案320A的数量之间的最大公约数为1，如图4B和5B所示，合成容限δABS＝1.5度，小于传统旋转编码器1B的合成容限δABS(其＝4度)的一半。
相反，如图3B所示，在本发明的旋转编码器1中，其中第一转子图案31的多个单位图案310的数量和第二转子图案32的多个单位图案320的数量被设置成使得它们之间的最大公约数为2，合成容限δABS＝约3.2142度。换句话说，旋转编码器1的合成容限δABS约为传统小型化旋转编码器1A的合成容限δABS(其为＝1.5度)的两倍。
因此，旋转编码器1可以确保足够的合成容限δABS，类似于传统的预小型化旋转编码器1B，同时保持小尺寸。
根据本实施例，可以实现以下功能和效果。
(1)转子3中的第一转子图案31的多个单位图案310的数量和第二转子图案32的多个单位图案320的数量被设置成使得它们之间的最大公约数是两个或更多。利用这种配置，检测到用于计算的检测信号的第一转子图案31和第二转子图案32的周期是最大公约数为1的情况的一半或更少。与最大公约数为1的情况相比，当旋转编码器1在不改变转子图案的情况下小型化时，合成容限是合成容限的两倍以上。结果，合成容限可以保持接近小型化之前的值。因此，旋转编码器1可以小型化，同时保持足够的合成容限。
(2)第一转子图案31的多个单位图案310的数量和第二转子图案32的多个单位图案320的数量被设置为偶数。利用这种配置，可以防止基于来自第一转子图案31和第二转子图案32的检测信号的计算单元的计算结果的精度降低，并保持精度。
(3)由于旋转编码器1是电磁感应型的，所以可以基于传统技术容易地进行第一转子图案31的多个单位图案310的数量和第二转子图案32的多个单位图案320的数量的设计以及对应于第一转子图案31和第二转子图案32的定子4的设计。
[实施例的修改]
注意，本发明不限于上述实施例，并且包括在本发明的精神和范围内的修改、改进等。
例如，在上述实施例中，旋转编码器1用在千分尺中作为测量装置，旋转编码器可以用在其他测量装置中，例如千分尺头、高度计或霍尔特斯特(内径测量工具)。旋转编码器可以用在诸如传感器的测量设备之外的设备中。
在前述实施例中，旋转编码器1是电磁感应型的，但是定子可以不配备发送绕组群，并且转子中的第一和第二转子图案可以是磁性型的，其中磁体以这样的方式布置，使得转子中的第一和第二转子图案沿着测量方向随S极和N极交替。此外，转子中的第一和第二转子图案可以是具有狭缝和其他必要光学器件的光学类型。
简而言之，对于所使用的实现形式或检测方法来说旋转编码器不受特别限制。该旋转编码器可用于其他测量装置等。实施本发明的旋转编码器的设备没有特别限制。
在上述实施例中，第一转子图案31的多个单位图案310的数量是16，第二转子图案32的多个单位图案320的数量是14，这两者都被设置为偶数。然而，任何一个或两个都可以被设置为奇数。
在上述实施例中，第一转子图案31的多个单位图案310的数量和第二转子图案32的多个单位图案320的数量被设置成使得它们之间的最大公约数是2，但是它们之间的最大公约数可以是3或4。简而言之，第一转子图案的多个单位图案的数量和第二转子图案的多个单位图案的数量仅需要被设置为使得它们之间的最大公约数是2或更大。
在上述实施例中，计算单元通过合成INC信号来计算绝对角度，INC信号是从第一转子图案31和第二转子图案32中的每一个检测到的检测信号，但是旋转角度可以通过其他方法来计算。简而言之，计算单元只需要能够基于由定子从第一和第二转子图案中的每一个检测到的检测信号来计算转子的旋转角度。
在前述实施例中，转子3具有两个转子图案，第一转子图案31和第二转子图案32，但是转子可以具有两个或更多个转子图案。在这种情况下，在两个或更多个转子图案中，任何转子图案可以被视为第一和第二转子图案，只要第一转子图案沿着围绕旋转轴的测量方向具有多个单位图案，并且第二转子图案具有的单位图案比沿着围绕旋转轴的测量方向的第一转子图案中的多个单位图案更少。
在上述实施例中，转子3中的绝缘基板30以这样的方式形成，即让旋转轴2穿过的轴孔20的外径为13.5毫米，并且在面S1处的内径为8毫米，但是转子中的绝缘基板可以形成为任何尺寸、形状等。此外，在上述实施例中，第一转子图案31和第二转子图案32设置在绝缘基板30的表面S1上，即平面表面上，从而与定子4相对。然而，第一转子图案和第二转子图案可以设置在曲面上，只要它们与定子相对。例如，第一转子图案和第二转子图案可以设置在圆柱形转子的圆周表面上。此外，在前述实施例中，转子3的表面S1和定子4的表面S2彼此相对，并且定子4检测转子3的表面S1相对于表面S2的旋转角度，但是转子可以具有圆柱形构件，并且定子可以是环形构件，其能够在中心插入并旋转该转子的圆柱形构件。简而言之，转子和定子的形式和形状可以以任何方式形成。
工业适用性
如上所述，本发明可以适用于旋转编码器。

Claims (4)

1.一种旋转编码器，其包括绕预定旋转轴在测量方向上旋转的转子、从转子接收检测信号的定子、以及用于基于由定子接收的检测信号来计算旋转角度的计算单元，
其中转子包括:
第一转子图案，其具有绕作为中心的旋转轴沿着测量方向布置的多个单位图案；和
第二转子图案，具有单位图案，所述单位图案在数量上小于第一转子图案中的多个单位图案，且围绕作为中心的旋转轴沿着测量方向布置，
其中所述第一转子图案的所述多个单位图案的数量和所述第二转子图案的所述多个单位图案的数量被设置成使得它们之间的最大公约数是2或更大，并且
计算单元基于由定子从第一和第二转子模式中的每一个检测到的检测信号来计算转子的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的旋转编码器，其中所述第一转子图案的多个单位图案的数量和所述第二转子图案的多个单位图案的数量被设置为偶数。
3.根据权利要求1所述的旋转编码器，其中所述第一转子图案和所述第二转子图案分别是以所述旋转轴为中心的连续磁通量耦合绕组，并且
定子包括:
发送绕组群，布置成与第一转子图案和第二转子图案磁通耦合；和
接收绕组群，布置成与第一转子图案和第二转子图案磁通耦合。
4.根据权利要求2所述的旋转编码器，其中所述第一转子图案和所述第二转子图案分别是以所述旋转轴为中心的连续磁通量耦合绕组，并且
定子包括:
发送绕组群，布置成与第一转子图案和第二转子图案磁通耦合；和
接收绕组群，布置成与第一转子图案和第二转子图案磁通耦合。
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