CN113237494A - 码盘组件及其制作方法、编码器和伺服电机 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种码盘组件及其制作方法和编码器。该码盘组件用于能发生磁电传感和光电传感的编码器，包括：码盘基体，采用磁性材料制成，用作所述编码器发生磁传感的部件；光栅部，所述光栅部设在所述码盘基体上，用作所述编码器发生光传感的部件。码盘基体以磁性材料来代替传统材质，直接利用码盘基体作为磁传感部件，避免了在传统码盘上增设额外的磁传感部件，简化了码盘组件的整体结构，具有集成度高、小型化等优点。在码盘基体上设置光栅部，使得码盘组件能实现光传感功能，将光传感部件和磁传感部件进行一体化设计，使整体构造得到简化。
Description
技术领域
本申请属于编码器技术领域，具体涉及一种码盘组件及其制作方法、编码器和伺服电机。
背景技术
编码器是一种位置检测传感器，它可实现角位移、速度、位置等多种物理量的测量，主要应用于以伺服系统为核心的工业自动化设备的位置检测中，其安装于运动设备上，能够将运动设备的机械位移量由光信号等物理量转换为电信号，经内部电路运算处理，测出运动设备的旋转角位移、位置、速度等参数，并将这些参数反馈至伺服控制系统中，从而达到对伺服系统运动设备的精确控制。
编码器按信号的来源，可分为光电编码器与磁电编码器。光电编码器主要由光源系统发出光，经光栅码盘调制处理得到光栅信号，再将光栅信号转换为电信号，经处理实现位置检测；而磁电编码器由磁场产生磁信号，磁信号经转换产生电信号，也经处理后实现位置检测。磁电编码器具有抗干扰、抗油污等特点，但因磁技术限制，其精度、分辨率较低，而光电编码器因码盘刻线较多、技术成熟，经细分能实现较高的分辨率和精度，所以应用广泛。
码盘一般用玻璃、树脂等材质制作，与金属轮毂粘合后安装于运动设备(如伺服电机)的检测部位，容易受冲击、振动的影响，并且为正常计数，编码器一般含有磁传感部件，带有金属轮毂的码盘作为光传感部件，与磁传感部件相互分立，使得编码器整体结构增大，不利于小型化。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种码盘组件及其制作方法、编码器和伺服电机，能够简化码盘和编码器的结构。
为了解决上述问题，本申请提供一种码盘组件，设在能发生磁电传感和光电传感的编码器上，包括：
码盘基体，采用磁性材料制成，用作所述编码器发生磁传感的部件；
光栅部，所述光栅部设在所述码盘基体上，用作所述编码器发生光传感的部件。
可选地，所述光栅部为反射光栅层，所述反射光栅层设在所述码盘基体上。
可选地，所述反射光栅层为镀膜结构。
可选地，所述码盘组件还包括有吸光层，所述吸光层设在所述码盘基体和所述反射光栅层之间。
可选地，所述磁性材料包括磁钢。
可选地，所述码盘组件还包括有固定部，所述固定部设在所述码盘基体上，用于所述码盘组件的安装固定。
可选地，所述固定部设在所述码盘基体的第一侧，所述反射光栅层设在所述码盘基体的第二侧，所述第一侧和所述第二侧相对设置。
根据本申请的另一方面，提供了一种如上所述码盘组件的制作方法，包括：
采用磁性材料制成码盘基体；
在所述码盘基体上设置光栅部。
可选地，当所述光栅部为反射光栅层时，在所述码盘基体上镀上反射膜；在所述反射膜上刻蚀出光栅阵列，使得所述反射膜成为反射光栅层。
可选地，在所述码盘基体上镀上反射膜的步骤包括：
在所述码盘基体上镀上吸光层；
在所述吸光层上镀上所述反射膜。
可选地，镀上所述反射膜采用的是真空蒸镀或电镀方法。
可选地，所述反射膜中含有增亮剂。
可选地，在所述反射膜上刻蚀出光栅阵列的步骤包括：
按所述反射光栅层的编码排列，在所述反射膜上铺设与编码排列对应图案的抗蚀剂膜；
用刻蚀液对所述反射膜的裸露部分进行刻蚀；
清除所述反射膜上抗蚀剂膜。
根据本申请的再一方面，提供了一种编码器，包括如上所述码盘组件或如上所述制作方法得到的码盘组件。
可选地，所述编码器还包括有电路板，所述电路板上设有光源、感光部和磁感应器，所述光源发出的光经所述反射光栅层反射至所述感光部产生光信号；所述磁感应器感应所述码盘基体的磁场变化，产生磁信号。
可选地，所述编码器还包括有电路板支架，所述电路板支架和所述电路板围成容纳所述码盘组件的空腔；所述电路板支架为中空圆柱状，所述电路板支架与所述码盘组件的固定部为同轴设置。
根据本申请的第三方面，提供了一种伺服电机，包括如上述码盘组件或如上所述制作方法得到的码盘组件或如上所述的编码器。
本申请提供的一种码盘组件，设在能发生磁电传感和光电传感的编码器上，包括：码盘基体，采用磁性材料制成，用作所述编码器发生磁传感的部件；光栅部，所述光栅部设在所述码盘基体上，用作所述编码器发生光传感的部件。
码盘基体以磁性材料来代替传统材质，直接利用码盘基体作为磁传感部件，避免了在传统码盘上增设额外的磁传感部件，简化了码盘组件的整体结构，具有集成度高、小型化等优点。
同时在码盘基体上设置光栅部，使得码盘组件能实现光传感功能，将光传感部件和磁传感部件进行一体化设计，使整体构造得到简化，在满足磁场需求的同时使码盘及编码器结构整体尺寸变小，且磁性材料的码盘基体具有较强的抗冲击和抗振动性能，提高了设备的稳定可靠性。
附图说明
图1为本申请实施例的码盘组件结构示意图；
图2为本申请实施例的码盘组件的截面结构示意图；
图3为本申请实施例的编码器的爆炸结构示意图；
图4为本申请实施例的码盘组件的制作方法流程示意图。
附图标记表示为：
1、码盘组件；11、码盘基体；12、反射光栅层；13、吸光层；14、固定部；2、电路板；21、光源；22、感光部；3、电路板支架；4、安装检测部。
具体实施方式
结合参见图1至图4所示，根据本申请的实施例，一种码盘组件1，设在能发生磁电传感和光电传感的编码器上，包括：
码盘基体11，采用磁性材质制成，用作所述编码器发生磁传感的部件；
光栅部，所述光栅部设在所述码盘基体11上，用作所述编码器发生光传感的部件。
码盘基体11采用磁性材料制作，而磁性材料本身能激发磁场或感应磁场变化，可以为编码器提供稳定的磁场。磁性材料包括铁磁性物质和亚铁磁性物质，硬度较大，因此不易发生破碎损坏现象，能提升码盘组件1的可靠性和稳定性。由于码盘基体11带有磁性，因此具有光磁传感特性的编码器上无需额外再增设磁性件来实现磁传感，能简化编码器的结构。
再在码盘基体11上设置光栅部，使得整个码盘组件1还能实现光传感功能，从而实现光传感和磁传感两个功能部件一体化设置，简化编码器结构，利于产品的小型化。
在一些实施例中，光栅部为反射光栅层12，所述反射光栅层12设在所述码盘基体11上。
采用反射光栅层12来作为光栅部，避免对码盘基体11要求以光透射的方式形成光栅，同时简化光源和光感应器在码盘两侧设置方式，调整为在码盘基体11一侧设置，使整体结构更加集中。更为优选的实施例中，反射光栅层12为镀膜结构。
在一些实施例中，码盘组件还包括有吸光层13，所述吸光层13设在所述码盘基体11和所述反射光栅层12之间。
为提高反射光栅信号质量，增加光栅对比度，在反射光栅层12与码盘基体11之间设置吸光层13，作为反射光栅层12中的非反射面，可吸收来自光源的光，要求其反射率较低。其中吸光层13可采用黑色镍、铜等金属液涂镀，表面呈深黑色，可称为黑色层。
在一些实施例中，磁性材料包括磁钢。
磁性材料选用磁钢材质，提高码盘基体11的强度，不易出现玻璃材质码盘容易破碎损坏的问题，从而提高编码器码盘的可靠性和使用寿命。
在一些实施例中，码盘组件还包括有固定部14，所述固定部14设在所述码盘基体11上，用于所述码盘组件的安装固定。
为方便码盘组件1的固定，在码盘组件1上设有便于固定连接的固定部14，提高安装的便捷性。
在一些实施例中，固定部14设在所述码盘基体11的第一侧，所述反射光栅层12设在所述码盘基体11的第二侧，所述第一侧和所述第二侧相对设置。
固定部14具体设在码盘基体11上，位于反射光栅层12相对侧位置上，方便码盘组件1的装配，而又不影响反射光栅层12的使用；整体结构简单，便于操作。固定部14具体结构可设为圆环状结构，一端与码盘基体11固定连接。
根据本申请的另一方面，提供了一种如上所述码盘组件的制作方法，包括：
采用磁性材料制成码盘基体11；
在码盘基体11上设置光栅部。
采用磁性材料直接制作成码盘基体11，可将码盘基体11作为编码器的磁传感的部件；再在码盘基体11上设置光栅部，能使得码盘基体11实现光传感部件的作用。
在一些实施例中，当光栅部为反射光栅层12时，在码盘基体11上镀上反射膜；在反射膜上刻蚀出光栅阵列，使得所述反射膜成为反射光栅层12。
利用码盘基体11为磁性材料，能在磁性材料上进行镀膜操作，因此直接镀上反射膜，能对光线进行反射；接着对反射膜进行刻蚀操作，形成光栅阵列，使反射膜成为反射光栅层12。
在磁性码盘基体11上直接进行镀膜以及刻蚀光栅操作，工序简单，操作方便，制得产品结构稳定。
在一些实施例中，在码盘基体11上镀上反射膜的步骤包括：在所述码盘基体11上镀上吸光层13；在所述吸光层13上镀上反射膜。
在码盘基体11上先镀上吸光层13，再在吸光层13上镀上反射膜，通过在码盘基体11依次经过两次涂镀方式，形成吸光层13和反射膜，操作便利。
在一些实施例中，镀上反射膜采用的是真空蒸镀或电镀方法；以及，所述反射膜中含有增亮剂。
优选采用真空蒸镀或电镀方式涂镀铬或铝金属而形成反射膜，工艺本身成熟，操作方便；而为提高反射光栅层12的反射效果，在反射膜中增添增亮剂。
在一些实施例中，在反射膜上刻蚀出光栅阵列的步骤包括：
按所述反射光栅层12的编码排列，在反射膜上铺设与编码排列对应图案的抗蚀剂膜；
用刻蚀液对反射膜的裸露部分进行刻蚀；
清除反射膜上抗蚀剂膜，得到光栅阵列，形成反射光栅层12。
在反射膜上形成光栅的操作，可通过在反射膜上直接贴覆上述带对应图案抗蚀剂膜，此处图案为镂空结构，这样可以用刻蚀液来刻蚀裸露的反射膜，最后清理掉反射膜上抗蚀剂膜；整个操作简便易行，效率高。
下面对具有光传感和磁传感功能的码盘进行详细描述。
如图1和2所示的光磁式码盘组件1，由反射光栅层12、黑色层、码盘基体11、固定部14等部分由上至下依次叠加组成，实现光、磁传感部件一体化。该光磁式码盘组件1，就其作用而言，既能当作光电编码器的反射光栅，又能当作产生特定磁场的永磁体磁钢。
码盘基体11采用磁钢材质，作为光磁式码盘的基材，直接在其上蒸镀或电镀黑色层；另外，其能激发含有N极与S极的磁场，结构为磁环状，具有稳定的磁特性，可给磁感应器提供足够可靠的磁场，满足编码器计数等功能对磁场的需求。
黑色层，在磁钢的上表面，可采用黑色镍、铜等金属液涂镀，该黑色可吸收来自光源21的光，其反射率极低，作为光栅的非反射面；另外，作为反射光栅层12的电镀表面，可提升反射光栅的粘接力和平面度。
反射光栅层12，是在黑色层上将金属薄膜蒸镀或电镀形成，光栅可以设计如间距相等的512线以及绝对M序列码等(不限于此)，可由该码道经光电转换产生增量信号、绝对信号。
关于所述光磁式码盘光栅的制作，如图4所示，制作方法如下：
第一步：磁钢粗糙处理并涂镀黑色层
需对制作光栅的磁钢表面做打磨处理使其粗糙，其目的是为了在涂镀黑色层时有较大的接触面积，加强与磁钢间的密合粘接力，然后涂镀无电解镍镀液，形成黑色层；
第二步：蒸镀反射膜
采用真空蒸镀的工艺或电镀法，将加有增亮剂的铬或铝金属蒸镀或电镀于黑色层，形成反射膜，其厚度需均匀一致，表面平滑，可做光栅反射面；
第三步：形成抗蚀剂
按照所需的反射光栅编码排列，抗蚀剂膜经光掩膜进行曝光、显影处理，在圆周方向上形成图案化的抗蚀剂；
第四步：蚀刻反射膜
以图案化的抗蚀剂作掩膜，用硝酸液蚀刻反射膜，抗蚀剂以外的部分被蚀刻，黑色层露出；
第五步，清洗残留物
将残留在黑色层的金属等残液用碱性氢氧化钠等清洗，黑色层作非反射区，形成光栅阵列；
第六步：去除清理抗蚀剂
使图案式的反射膜露出，作反射区，生成所需反射光栅层12。
固定部14，与磁钢的内径与下表面相嵌合，可采用不导磁、硬度较大的金属制作，起支撑固定磁钢码盘的作用，通过小型螺钉固定于被测运动设备的末端部位。
根据本申请的再一方面，提供了一种编码器，包括如上所述码盘组件或如上所述制作方法得到的码盘组件。
使用上述码盘组件的编码器，构成光传感和磁传感组合为一体的组合式编码器，减小编码器整体尺寸，实现小型化。码盘基体11以磁性材料为基材，结合码盘上的光栅部，解决了传统玻璃等材质的码盘容易破碎的问题，提高光栅码盘的抗冲击、抗振动能力，提升了可靠性。
在一些实施例中，编码器还包括有电路板2，所述电路板2上设有光源21、感光部22和磁感应器，所述光源21发出的光经所述反射光栅层12反射至所述感光部22产生光信号；所述磁感应器感应所述码盘基体11的磁场变化，产生磁信号。其中，磁感应器包括霍尔式芯片。
优选的，编码器的具体结构中，编码器还包括有电路板支架3，所述电路板支架3和所述电路板2围成容纳所述码盘组件1的空腔；所述电路板支架3为中空圆柱状，所述电路板支架3与所述码盘组件的固定部为同轴设置。
将码盘组件1设在电路板2和电路板支架3之间空腔内，形成封闭空间，减少外界光线干扰，从而提高光电信号的质量。
电路板支架3起支撑固定电路板2的作用，将电路板2安装固定于电路板支架3的上表面上，然后将整体安装于安装检测部4，为避免对光源21发出的光照射至电路板支架3上发生反射造成影响，电路板支架3选用黑色等深色的具有吸光特性的硬质树脂制成，此外，为保证良好的光栅条纹，要求该电路板支架3的安装面平滑整齐。
其中，光源21是具有发出稳定光线特性的点光源，如宽度较小、发散角较小的LED灯，为编码器提供稳定可靠的信号光源。
感光部22的位置与码盘组件1上的光栅部按相互作用关系相对安装，感光部包含狭缝码道和光电转换元件；狭缝码道与码盘组件1的反射光栅相互作用形成光栅莫尔条纹，光电转换元件为暗电流较小、灵敏度较高、响应速度快的光电器件，如光电二极管、光电三极管、硅光电池，且光源21发出的光经过码盘组件1光栅反射后进入狭缝，最终照射至光电转换元件上，由光电转换作用产生所需的电信号，如正余弦SIN、COS信号。
电路板2包括运算放大器、AD转换器、磁感应器、中央处理器(DSP)等部分。感光部22经焊接安装于电路板2的下表面，且使感光部22与反射光栅位置相对；所述运算放大器将所述感光部22产生的正余弦SIN、COS信号差分放大，得到放大的正余弦信号，AD转换器将该放大后的正余弦信号模数转换，得到数字信号；中央处理器将数字信号经电子细分、角度计算等运算处理，得到精确的位置信息。磁感应器，感应码盘组件1运动后磁场的变化量，产生电脉冲信号，该信号可记录多圈数据，实现编码器多圈计数等功能。
本申请编码器采用上述码盘组件1，因此编码器为具有磁场特性的光电反射式编码器，如图3所示，由电路板2、码盘组件1、电路板支架3、安装检测部4等部分依次由上至下叠加设置组成。本申请编码器以光传感、磁传感部件的一体化设计，使整体构造得到简化，在满足磁场需求的同时使编码器结构整体尺寸变小，且具有较强的抗冲击性能。
根据本申请的第三方面，提供了一种伺服电机，包括如上述码盘组件或如上所述制作方法得到的码盘组件或如上所述的编码器。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各实施方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。
Claims (17)
1.一种码盘组件，其特征在于，设在能发生磁电传感和光电传感的编码器上，包括：
码盘基体(11)，采用磁性材料制成，用作所述编码器发生磁传感的部件；
光栅部，所述光栅部设在所述码盘基体(11)上，用作所述编码器发生光传感的部件。
2.根据权利要求1所述的码盘组件，其特征在于，所述光栅部为反射光栅层(12)，所述反射光栅层(12)设在所述码盘基体(11)上。
3.根据权利要求2所述的码盘组件，其特征在于，所述反射光栅层(12)为镀膜结构。
4.根据权利要求2或3所述的码盘组件，其特征在于，所述码盘组件还包括有吸光层(13)，所述吸光层(13)设在所述码盘基体(11)和所述反射光栅层(12)之间。
5.根据权利要求1所述的码盘组件，其特征在于，所述磁性材料包括磁钢。
6.根据权利要求1所述的码盘组件，其特征在于，所述码盘组件还包括有固定部(14)，所述固定部(14)设在所述码盘基体(11)上，用于所述码盘组件的安装固定。
7.根据权利要求6所述的码盘组件，其特征在于，所述固定部(14)设在所述码盘基体(11)的第一侧，所述反射光栅层(12)设在所述码盘基体(11)的第二侧，所述第一侧和所述第二侧相对设置。
8.一种如权利要求1-7任一项所述码盘组件的制作方法，其特征在于，包括：
采用磁性材料制成码盘基体(11)；
在所述码盘基体(11)上设置光栅部。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，当所述光栅部为反射光栅层(12)时，在所述码盘基体(11)上镀上反射膜；在所述反射膜上刻蚀出光栅阵列，使得所述反射膜成为反射光栅层(12)。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，在所述码盘基体(11)上镀上反射膜的步骤包括：
在所述码盘基体(11)上镀上吸光层(13)；
在所述吸光层(13)上镀上所述反射膜。
11.根据权利要求9或10所述的制作方法，其特征在于，镀上所述反射膜采用的是真空蒸镀或电镀方法。
12.根据权利要求9或10所述的制作方法，其特征在于，所述反射膜中含有增亮剂。
13.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，在所述反射膜上刻蚀出光栅阵列的步骤包括：
按所述反射光栅层(12)的编码排列，在所述反射膜上铺设与编码排列对应图案的抗蚀剂膜；
用刻蚀液对所述反射膜的裸露部分进行刻蚀；
清除所述反射膜上抗蚀剂膜。
14.一种编码器，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述码盘组件或如权利要求8-13任一项所述制作方法得到的码盘组件。
15.根据权利要求14所述的编码器，其特征在于，所述编码器还包括有电路板(2)，所述电路板(2)上设有光源(21)、感光部(22)和磁感应器，所述光源(21)发出的光经所述反射光栅层(12)反射至所述感光部(22)产生光信号；所述磁感应器感应所述码盘基体(11)的磁场变化，产生磁信号。
16.根据权利要求15所述的编码器，其特征在于，所述编码器还包括有电路板支架(3)，所述电路板支架(3)和所述电路板(2)围成容纳所述码盘组件的空腔；所述电路板支架(3)为中空圆柱状，所述电路板支架(3)与所述码盘组件的固定部(14)为同轴设置。
17.一种伺服电机，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述码盘组件或如权利要求8-13任一项所述制作方法得到的码盘组件或如权利要求14-16任一项所述的编码器。
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