CN113899389A - 扫描单元和装备有该扫描单元的旋转编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及扫描单元和装备有该扫描单元的旋转编码器，其中，该扫描单元用于扫描相对于扫描单元围绕着轴线能旋转的刻度元件。该扫描单元包括电路板，电路板具有基板，基板具有第一表面、与第一表面相对置的第二表面以及环绕的第三表面。在第一表面处布置有接收装置并且在第二表面处安装有电子构件。第三表面具有多个凹形的凹槽。扫描单元还包括金属框，金属框具有贯通的第一空隙，第一空隙径向地金属框的内侧限制，其中，内侧具有多个向内突出的元件。该向内突出的元件接合进凹形的凹槽中，使得基板在机械压力下固定在金属框中。

Description

扫描单元和装备有该扫描单元的旋转编码器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的用于扫描相对于扫描单元能旋转的刻度元件的扫描单元以及配备有这种扫描单元的旋转编码器。
背景技术
旋转编码器例如被使用作为角度测量设备以确定两个相对彼此能旋转的机器部分的角度位置。
在感应式旋转编码器中，激励导体电路和接收线路通常以导体电路的形式施加在共同的大多数为多层的电路板上，该电路板例如与旋转编码器的定子固定连接。在该电路板对面是刻度元件，在该刻度元件上施加有分度结构，并且该分度结构与旋转编码器的转子旋转固定连接。当激励线圈接通有随时间交替的激励电流时，在转子与定子相对旋转期间在接收线圈中产生关于角度位置的信号。然后，在测量电子设备中继续处理该信号。
在根据光学原理工作的旋转编码器中，光束常常被反射到能旋转的盘处，该盘具有分度结构，之后，反射的和调制的光由光检测器接收。接收到的光强度包括关于相对角度位置的信息。
这种旋转编码器通常被用作为电驱动器的测量仪器，用于确定相应机器部分的相对移动或者相对位置。在这种情况下，产生的角度位置值被输送至后续电子设备，用于经由相应接口装置来驱控驱动器。
在申请人的DE 10 2018 202 239 A1中描述了角度测量装置，该角度测量装置包括用于扫描角度刻度的环形电路板。该电路板固定在角度测量装置的壳体的凸肩处。
发明内容
本发明的目的是提供一种扫描单元，该扫描单元经济上能够被制造并且具有坚固的构造形式并且仍然能够实现高测量准确度。
根据本发明的目的通过权利要求1的特征来实现。
因此，扫描单元适用于扫描相对于扫描单元围绕轴线能旋转的刻度元件，其中，扫描单元包括金属框和电路板。电路板具有基板，基板具有第一表面、与第一表面相对置的第二表面以及环绕的第三表面。在第一表面处布置有接收装置或传感器装置。在第二表面处或者其上安装有电子构件。第三表面具有多个凹形的凹槽。该金属框具有贯通的第一空隙，第一空隙径向地被金属框的内侧限制，其中，该内侧具有多个向内突出的元件。该金属框的内侧围绕基板的环绕的第三表面的凹槽。该向内突出的元件接合在凹形的凹槽中，使得基板在机械压力下固定在金属框中。
特别的，在贯通的第一空隙中的空隙被理解为，该空隙不具有任何凸肩，使得沿着在空隙的内侧上相对于轴线平行的每条线，对于一个或同样的线到轴线的径向距离始终是相等的。
在该上下文中，尤其产生了来自径向定向的力、即来自沿自轴线方向的夹紧力的机械压力。
附加于由于产生的机械压力导致的所述夹紧力，经常还通过冗余的粘合连接来固定或者锁定基板。
特别地，扫描单元能够具有四个向内突出的元件，这四个元件接合到凹形的凹槽中，使得电路板或者基板在机械压力下固定在金属框中。
有利的是，向内突出的元件分别具有平行于轴线延伸的边缘或是刀刃。
根据本发明另一个设计方案，金属框具有片状或是首先近似环状的形状。因此，金属框具有特别是近似于空心圆柱的形状，该金属框的直径是它的厚度的四倍高。特别地，金属框从平坦的平板加工出，使得金属框的环形的遮盖面或者端面不具有悬臂的区域。确切地说，金属框的端面为平坦的且相互平行地定向。金属框优选的被设计为是环绕闭合的。但是，如有必要的话，金属框也能够不设计为封闭形式，即金属框具有缝隙，该缝隙宽度在圆周方向上延伸。
此外，金属框的端面(环形遮盖面)正交于轴线布置。
金属框的内侧和金属框的环绕的外侧或者外轮廓，关于一个或者同样的优选位于轴线上的点相互点对称地布置。
有利地，金属框在垂直于轴线的方向上具有第一延展，第一延展能够被看作为直径或者最大直径。此外，金属框在轴线方向上具有第二延展，该第二延展还能够表示为厚度。第一延展比第二延展大至少五倍，有利地大至少十倍，特别是大至少十二倍。
有利的是，金属框具有尽可能的圆形的外轮廓。
有利的是，电路板布置在金属框中，该金属框关于基板的第一表面具有第一轴向突起。
在本发明的另一个设计方案中，电路板布置在金属框中，使得金属框关于基板的第二表面具有第二轴向突起。然而，电子构造元件能够在轴线方向上突出超过金属框的轮廓。
有利地，金属框具有第二空隙，第二空隙尤其能够被设计为钻孔，用于固定在机器部分处。此外，扫描单元能够包括固定元件，固定元件穿过第二空隙，其中，固定元件分别具有在基板上方向内悬臂的部段。因此，通过固定元件不只能够固定金属框，而且还能够同时实现电路板的轴向固定。
有利的是，金属框在轴线方向上具有第二延展(金属框的厚度)并且基板在轴线方向上具有第三延展(基板的厚度)，其中，第二延展要比第三延展更大。
根据另一个方面，本发明还包括具有扫描单元以及刻度元件的旋转编码器，其中，基板的第一表面与刻度元件以沿轴线的方向延伸的间距相对地布置。
原则上，将具有自身轴承的旋转编码器和不具有自身轴承的旋转编码器(之后表示为无轴承旋转编码器)区分开。具有自身轴承的旋转编码器通常具有相对小的滚动轴承，使得相对彼此能旋转的构件组在相关旋转编码器内在限定的轴向和径向位置上相对彼此布置。相反地，在无轴承的旋转编码器中，在将其安装到机器上时必须注意，相互能旋转的构件组在正确的位置上特别是以准确的轴向间距彼此固定。
有利的是，旋转编码器被设计作为无轴承的旋转编码器。
有利的设计方案从从属权利要求中得出。
附图说明
此外，根据本发明的旋转编码器的其他细节和优点从下面根据附图的实施例的描述来得出。
图1示出了扫描单元的金属框的俯视图，
图2示出了扫描单元的金属框的侧视图，
图3示出了扫描单元的电路板的俯视图，
图4示出了扫描单元的关于图3的电路板的相对置的侧面上的电路板的俯视图，
图5示出了扫描单元的俯视图，
图6示出了刻度元件的俯视图，
图7示出了在装配状态下的旋转编码器的截面图，
图8示出了在装配状态下的旋转编码器的截面图的详细视图。
具体实施方式
根据旋转编码器(图7)描述本发明，该旋转编码器被确定用于检测在根据本发明的扫描单元1与相对围绕轴线A能旋转的刻度元件2或者刻度之间的角度位置。扫描单元1具有金属框1.1，该金属框在示出的实施例中由铝合金制成。
特别地，根据图1和图2能够阐明金属框1.1的设计方案。该金属框1.1具有近似圆形的外轮廓并且正交于轴线具有第一延展D11，该第一延展对应金属框1.1的最大外直径。金属框1.1由具有对应金属框1.1的第二延展T11的厚度的平坦的平板切割出来。轴线A正交于金属框1.1或者正交于金属框1.1的端面定向。此外，金属框1.1具有轴向的贯通的第一空隙1.11，使得金属框1.1包围贯通的第一空隙1.11。第一空隙1.11自然被金属框1.1的内侧I限界。金属框1.1的内侧I平行于轴线A定向并且围绕着轴线A。该内侧I具有四个径向地朝轴线A定向的、向内侧悬臂的元件1.12，这些元件分别具有平行于轴线A延伸的边缘1.121。内侧I不具有凸肩或者突出部，凸肩或者突出部不会在全部的第二延展T11或者在金属框1.1的全部的厚度上延伸。因此，贯通的第一空隙1.11例如能够通过冲压过程或者激光光束切割过程或者水射流束切割过程来制造。
此外，为了在机器部分处固定，金属框1.1具有第二空隙1.13，该第二空隙在介绍的实施例中被设计作为固定钻孔。
因此，金属框1.1具有盘形或者环形的形状。在此，在示出的实施例中，第一延展D11比第二延展T11大17.5倍。在金属框1.1的内侧I上或者在第一空隙1.11处能够虚拟地布置与轴线平行的线。每个线越过第二延展T11至轴线A都具有相同的间距。
此外，扫描单元1包括电路板1.2。该电路板1.2尤其的在图3和图4中示出。因此，电路板1.2具有基板1.21，该基板在介绍的实施例中具有多个层。该基板1.21具有第一表面1.211和第二表面1.212以及环绕的第三表面1.213，其中，第二表面1.212与第一表面1.211相对置，第三表面1.213还能够表示为外罩表面。
根据图3，在第一表面1.211处布置有接收装置1.23。在示出的实施例中，旋转编码器基于感应扫描原理，使得接收装置1.23具有两个接收线路1.231、1.232，其中，每个接收线路1.231、1.232包括两个接收导体电路1.2311、1.2312、1.2321、1.2322。接收导体电路1.2311、1.2312、1.2321、1.2322在具有镀通孔的不同的平面上延伸，使得避免了在交叉点处不期望的短路。在介绍的实施例中，在电路板结构或者基板结构中设置了至少两个层。接收导体电路1.2311、1.2312、1.2321、1.2322具有空间上周期性的变化，该变化基本上被设计成正弦形或者正弦类型。
属于相同的接收线路1.231、1.232的接收导体电路1.2311、1.2312、1.2321、1.2322相对彼此沿着圆周方向交错布置。在介绍的实施例中，相邻的接收导体电路1.2311、1.2312、1.2321、1.2322彼此相差整个正弦周期的1/4(π/2或者沿着第一方向x90°)交错布置。接收导体电路1.2311、1.2312、1.2321、1.2322电连接为，使得该接收导体电路最终能够关于位置确定在圆周方向上提供相位偏移90°的信号。
此外，扫描单元1包括激励导体电路1.24，该激励导体电路同样地布置在第一表面1.211处并且包围接收导体电路1.2311、1.2312、1.2321、1.2322。
为了运行激励导体电路1.24并且为了处理由接收导体电路1.2311、1.2312、1.2321、1.2322接收到的信号，电子电路是必不可少的。在电路板1.2的第二表面1.212上安装有电子构件1.22(在图中例如只有少数一些电子构件设有附图标记)，该第二表面与第一表面1.211相对置地布置。这些电子构件1.22用于提供激励导体电路1.24并且用于处理接收到的信号。此外，在第二表面1.212上安装有用于与电线的配合插头建立插座连接的电耦合件。
此外，电路板1.2在外罩表面侧、即环绕着它的外罩侧处具有四个凹形的凹槽1.214。
在扫描单元1的安装的过程中，电路板1.2或者基板1.21被挤压在金属框1.1中，使得悬臂的元件1.12的边缘1.121接合在凹槽1.214的范围中的基板1.21中(图5)。因此，该基板1.21在与金属框1.1的接触部位处尺寸过大。与相应地，悬臂的元件1.12接合到凹形的凹槽1.214中，使得基板1.21在机械压力下固定在金属框1.1中。以这种方式，电路板1.2与接收装置1.23精确地相对于金属框1.1或者相对于第二空隙1.13在所有空间方向上固定，这关于旋转编码器的测量准确度是重要的。
在图6中示出了刻度元件2的俯视视角。该刻度元件2由基板2.3组成，该基板在介绍的实施例中由环氧树脂制成，并且在该基板上布置有两个分度轨道2.1、2.2。分度轨道2.1、2.2被设计成环形并且关于轴线A同心地以不同的直径布置在基板上。两个分度轨道2.1、2.2分别由交替布置的导电的分度区域2.11、2.21和不导电的分度区域2.12、2.22的周期性的序列构成。在示出的例子中，铜作为导电的分度区域2.11、2.21的材料被施加在基板2.3上。相反地，在不导电的分度区域2.12、2.22中基板2.3没有被镀层。
在图7中示出了旋转编码器，该旋转编码器包括扫描单元1和刻度元件2。该扫描单元1借助于在介绍的实施例中被设计作为螺栓的固定元件1.3固定在第一机器部分4(在此为法兰)处。为此目的，固定元件1.3插入通过第二空隙1.13，使得该固定元件穿过该第二空隙1.13。此外，固定元件1.3分别具有在基板1.21上方向内悬臂的部段1.31，该部段1.31在介绍的实施例中为螺栓的头部。
根据图8，悬臂的部段1.31超出基板1.21的长度为x1。固定元件1.3相对于法兰4挤压金属框1.1并且同时在轴向方向上固定电路板1.2。
电路板1.2或者基板1.21在扫描单元1的安装的过程中刚好在轴线A的方向上被挤压进了金属框1.1中，使得金属框1.1关于基板1.21的第一表面1.211具有第一轴向突起H1。基板1.21的第一表面1.211为电路板1.2的侧面，接收装置1.23和激励导体电路1.24布置在该侧面处。第一轴向突起H1关于金属框的端面和基板1.21的第一表面1.211。
此外，在图8中能够看出，电路板1.2布置在金属框1.1中，使得金属框1.1关于基板1.21的第二表面1.212具有第二轴向的突起H2。
因此，金属框1.1在轴线A的方向上具有比基板1.21更大的第二延展T11，基板在轴线A的方向上具有第三延展T121。基板1.21完全被金属框1.1或者被金属框1.1的内侧I包围，并且没有从金属框1.1的外轮廓的轴向的任何位置上突出来。
根据图7，在组合装配的状态下，扫描单元1与刻度元件2以轴向间距C或者以轴向气隙相对置。能够在安装时通过具有挡块的适合的安装装置简单又十分精确地调节轴向的突起H1，使得还能够简单地设置具有高度准确度的期望的间距C。这提高了旋转编码器的测量准确度。
在刻度元件2与扫描单元1相对旋转的时候，在接收装置1.23中、特别是在接收导体电路1.2311、1.2312、1.2321、1.2322中通过感应作用产生了与相应的角度位置相关的信号。形成相应信号的前提是，激励导体电路1.24在扫描的分度结构的范围中产生了在时间上变化的电磁激励场。在介绍的实施例中，激励导体电路1.24被设计作为多个平面平行的电流流过的单个导体电路。具有电子构件1.22的扫描单元1的电子电路不仅作为评估元件来工作，而是还作为激励控制元件来工作，在该激励控制元件的控制下产生激励电流，然后该激励电流流过激励导体电路1.24。
如果激励导体电路1.24通电，则围绕相应的激励导体电路1.24构造成管形或者圆柱形定向的电磁场。产生的电磁场的磁场线以同心圆的形式围绕激励导体电路1.24延伸，其中，磁场线的方向以已知的方式和方法与激励导体电路1.24中的电流方向有关。在导电的分度区域2.11、2.21的范围中，感应引起涡流，使得实现磁场的关于角度位置的调制。相应地，能够通过接收线路1.231、1.232分别测量关于作为旋转轴的轴线A的相对角度位置。成对的接收导体电路1.2311、1.2312、1.2321、1.2322布置在他们的接收线路1.231、1.232中，使得接收导体电路分别提供相位偏移90°的信号，从而能够执行旋转方向的确定。

Claims (11)

1.一种扫描单元(1)，用于扫描相对于所述扫描单元(1)围绕轴线(A)能旋转的刻度元件(2)，其中，所述扫描单元(1)包括金属框(1.1)和电路板(1.2)，其中，
所述电路板(1.2)具有基板(1.21)，所述基板(1.21)具有
第一表面(1.211)、
与所述第一表面(1.211)相对置的第二表面(1.212)，以及
环绕的第三表面(1.213)，其中，
在所述第一表面(1.211)处布置有接收装置(1.23)，在所述第二表面(1.212)处安装有电子构件(1.22)，并且所述第三表面(1.213)具有多个凹形的凹槽(1.214)，其中
所述金属框(1.1)具有贯通的第一空隙(1.11)，所述第一空隙(1.11)径向被所述金属框(1.1)的内侧(I)限界，其中，所述内侧(I)具有多个向内突出的元件(1.12)，其中
所述金属框(1.1)的所述内侧(I)包围所述基板(1.21)的所述凹槽(1.214)并且
所述向内突出的元件(1.21)接合到凹形的所述凹槽(1.214)中，使得所述基板(1.21)在机械应力下固定在所述金属框(1.1)中。
2.根据权利要求1所述的扫描单元(1)，其中，所述向内突出的元件(1.12)分别具有平行于所述轴线(A)延伸的边缘(1.121)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的扫描单元(1)，其中，所述金属框(1.1)具有盘状的形状。
4.根据前述权利要求中任一项所述的扫描单元(1)，其中，所述金属框(1.1)在垂直于所述轴线(A)的方向上具有第一延展(D11)并且在所述轴线(A)的方向上具有第二延展(T11)，其中，所述第一延展(D11)比所述第二延展(T11)大至少五倍。
5.根据前述权利要求中任一项所述的扫描单元(1)，其中，所述电路板(1.2)布置在所述金属框(1.1)中，使得所述金属框(1.1)相关于所述基板(1.21)的所述第一表面(1.211)具有第一轴向突起(H1)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的扫描单元(1)，其中，所述电路板(1.2)布置在所述金属框(1.1)中，使得所述金属框(1.1)相关于所述基板(1.21)的所述第二表面(1.212)具有第二轴向突起(H2)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的扫描单元(1)，其中，所述金属框(1.1)具有用于固定在机器部分(4)处的第二空隙(1.13)。
8.根据权利要求7所述的扫描单元(1)，其中，所述扫描单元(1)还包括固定元件(1.3)，所述固定元件穿过所述第二空隙(1.13)，其中，所述固定元件(1.3)分别具有在所述基板(1.21)上方向内悬臂的部段(1.31)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的扫描单元(1)，其中，所述金属框(1.1)在所述轴线(A)的方向上具有所述第二延展(T11)，并且所述基板(1.21)在所述轴线(A)的方向上具有第三延展(T121)，其中，所述第二延展(T11)比所述第三延展(T121)更大。
10.一种旋转编码器，包括根据前述权利要求中任一项所述的扫描单元(1)以及刻度元件(2)，其中，第一表面(1.211)与所述刻度元件(2)以在轴线(A)的方向上延伸的间距(C)彼此相对地布置。
11.根据权利要求10所述的旋转编码器，其中，所述旋转编码器设计为无轴承的旋转编码器。
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