CN1571916A - 多转型编码器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小型的多转型编码器，该多转型编码器除轴承外无机械接触部分，具有高度可靠性和长使用寿命，并且免除了电池的更换。本发明的多转型编码器包括：第一编码器(20)，其连接在旋转机械(10)的旋转轴(11)上，用于检测一周范围内的绝对值转角；以及第二编码器，其利用由磁耦合实现的减速机构(30)来对旋转轴(11)的多转旋转量进行计数，第二编码器(40)由直接连接在旋转轴上并且多极磁化的第一磁力齿轮(31)以及非接触地与其相对的至少一个第二磁力齿轮(32)构成，第二磁力齿轮(32)多极磁化，其磁极数大于第一磁力齿轮(31)的磁极数，该多转型编码器构造为通过第二编码器检测第二磁力齿轮的转角来对多转旋转量进行计数。

Description

多转型编码器

技术领域

本发明涉及一种无电池的多转型编码器，用于利用绝对值角度来检测用于机器人、机床等的伺服电机的多转旋转量。

背景技术

存在如图12所示的现有技术的多转型编码器。图12是显示现有技术的多转型编码器的透视图。在该附图中，标号10表示旋转机械，标号20表示第一编码器而标号40表示第二编码器。第一编码器20的旋转轴12与主动齿轮34a连接，而主动齿轮34a与从动齿轮34b相啮合。齿轮34b通过旋转轴13与第二编码器40连接。

根据以此方式构造的多转型编码器，当旋转机械10转动时，根据由齿轮34a和齿轮34b的齿数比所确定的减速比而降低的转数传输到第二编码器40。即，利用第一编码器20来检测旋转机械10的转角，并利用第二编码器40来检测旋转机械10的多转旋转量。

然而，由于现有技术具有机械多转传动机构，为增大减速比，需要相对于主动齿轮的直径显著增大从动齿轮的直径，这将造成设备尺寸过大的问题，并且即使以多级方式来构建具有小减速比的齿轮组，也会出现机构复杂并且设备尺寸过大的问题。另外，在使齿轮彼此啮合时会出现的问题是，由于啮合面的齿隙或磨损会在旋转检测器中产生误差，或者出现可靠性降低的问题。此外，由于转角是通过对各级齿轮的齿数进行计数而检测的，因此出现的问题是，需要电子部件和电池来存储计数值，并且定期地更换电池需要花费成本和时间。并且，为精确地确定从转动一周到达转动两周的边界，需要在旋转轴上单独地提供一周范围内的绝对值编码器。

发明内容

因此，鉴于现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种多转型编码器，即使在多转传动部分具有高减速比的情况下也能保持小尺寸，除轴承外，该多转型编码器不具有机械接触部分，其具有高度可靠性和长使用寿命，并且无需更换电池。

为解决上述问题，本发明由以下结构构成。

(1)多转型编码器，包括：第一编码器，与旋转机械的旋转轴相连，用于检测一周范围内的绝对值转角；以及第二编码器，其利用通过磁耦合实现的减速机构来对旋转轴的多转旋转量进行计数，该第二编码器包括：第一磁力齿轮，直接与旋转轴相连并且被多极磁化；至少一个第二磁力齿轮，设置为与第一磁力齿轮非接触地相对，并且被多极磁化，其磁极数大于第一磁力齿轮的磁极数；以及第一磁场检测装置，用于检测第二磁力齿轮的转角。

根据此结构，通过转动该旋转机械，即使当第一磁力齿轮的磁极节距不同于第二磁力齿轮的磁极节距时，也会通过磁耦合，根据第二磁力齿轮的磁极数目而降低第一磁力齿轮的转动速度，并且将第一磁力齿轮的转动精确地转换为第二磁力齿轮的转动。这样，可以通过增大第二磁力齿轮的磁极数来增大减速比，因此不必增大第二磁力齿轮的直径，即使增大了减速比，也能够防止设备的尺寸过大。此外，因为没有机械接触部分并且可以以非接触方式来传输转动，所以可以实现具有高可靠性和长使用寿命的多转型编码器，并且能够免除电池。

(2)第二磁力齿轮隔着之间的气隙在径向上与第一磁力齿轮相对。

根据此结构，检测到第二磁力齿轮的绝对值角度，因此实现了高精确度并且能够免除用于保持角度信息存储的电池。

(3)第二磁力齿轮在第一磁力齿轮的轴向方向上与第一磁力齿轮重叠。

根据此结构，将多个磁力齿轮设置为沿轴向方向重叠，因此可以沿轴向方向构成小型的结构。

(4)第二编码器包括：第三磁力齿轮，设置在第二旋转轴上，用于支持第二磁力齿轮，并且被多极磁化；以及第二磁场检测装置，对于一个第三磁力齿轮设置有至少两个第二磁场检测装置，在第三磁力齿轮和第二磁场检测装置之间存在气隙。

根据此结构，由于设置了第三磁力齿轮和第二磁场检测装置，所以可以构建小型的第二编码器并且可以以高的精确度来检测第二磁力齿轮的角度。

(5)第二编码器包括：环形的磁轭，设置在第二磁力齿轮的内周；圆筒形的磁体，设置在该磁轭的内周并且两极磁化；以及第三磁场检测装置，在该圆筒形磁体的内部设置有至少两个第三磁场检测装置。

根据该结构，可以沿轴向建立小型的结构，利用该磁轭可以将减速机构与角度检测机构部分的磁路彼此分离，因此不会出现彼此的磁干涉，可以实现平稳的减速并可以提高转角的检测精度。

(6)第一编码器包括：第一磁力齿轮和对于第一磁力齿轮隔着气隙设置的至少两个第四磁场检测装置。

根据该结构，第一磁力齿轮用作减速机构并作为磁力型编码器的用于产生磁场的构成部件，从而可以实现小型的结构。

(7)第一磁力齿轮形成为圆筒形并且被磁化，以沿垂直于其中心轴线的方向在一个方向上均匀地产生磁场。

根据此结构，通过将第四磁场检测装置设置在第一磁力齿轮的内部来构成磁力型编码器，因此能够实现更小型的结构。

(8)包含磁体的磁阻尼器隔着气隙设置在第二磁力齿轮的外周部分。

根据此结构，可以吸收外边的转动振动，因此可以提供抵抗外部振动的高可靠性的多转型编码器。

(9)将该磁阻尼器设置在连接第一磁力齿轮中心和第二磁力齿轮中心的延长线上。

根据此结构，将该磁阻尼器设置这样一个位置，在该位置处磁阻尼器在与第一磁力齿轮和第二磁力齿轮之间产生的磁引力相反的方向上工作，因此，可以减轻第一磁力齿轮和第二磁力齿轮之间所产生的磁引力所造成的轴承尺寸增大，可以实现小型的结构并且可以实现长使用寿命的结构。

(10)磁阻尼器设置在基本呈圆筒形状的用于支持所述旋转轴和磁力齿轮轴的框架的内圆周部分，形成为一体结构。

根据此结构，各个磁力齿轮被磁屏蔽，因此可以提供具有外部强磁场的多转型编码器。

附图说明

图1是显示本发明的第一实施例的多转型编码器的透视图。

图2是显示如图1所示的磁力齿轮的磁化方向的示意图。

图3是显示根据第一实施例的多转型编码器的测量结果的波形图。

图4是显示本发明的第二实施例的磁力齿轮的透视图。

图5是显示本发明的第三实施例的多转型编码器的透视图。

图6是显示本发明的第四实施例的多转型编码器的透视图。

图7是显示本发明的第四实施例的第二磁力齿轮的结构的示意图。

图8是显示本发明的第五实施例的多转型编码器的透视图。

图9是显示本发明的第六实施例的多转型编码器的透视图。

图10是显示本发明的第七实施例的多转型编码器的磁力齿轮部分的平面视图。

图11是显示本发明的第八实施例的多转型编码器的磁力齿轮部分的剖面视图。

图12是现有技术的多转型编码器的透视图。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明的实施例进行说明。

(第一实施例)

图1显示本发明的第一实施例。图1是显示本发明第一实施例的多转型编码器的透视图。在附图中，标号20表示用于检测绝对值角度的第一编码器，标号30表示减速机构，该减速机构30包括第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮32，标号40表示第二编码器，而标号41表示第一磁场检测装置。图2示出了减速机构30的磁力齿轮。图2(a)和图2(b)分别示出了图1中的第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮32。附图中的箭头标记表示磁化方向。同时，第二磁力齿轮32沿圆周方向在其多个部位被磁化。

直径为5mm的第一磁力齿轮31在与旋转轴正交的方向上磁化为2极。将第二磁力齿轮32的直径设为5mm，其磁极的数目设为16个磁极，并且磁力齿轮之间的间隙设为0.3mm。此外，在径向上在第一磁力齿轮31的周围隔着气隙设置有第二磁力齿轮32。因此，当第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮32的具有不同磁性的部分彼此相对时，其间有引力作用，从而形成了传动力，将第一磁力齿轮31的转动传输到第二磁力齿轮32。

第二编码器40包括第二磁力齿轮32和第一磁场检测装置41，并且通过检测第二磁力齿轮32的转角来检测旋转轴11的多转旋转量。

下面将对具有此结构的编码器的操作进行说明。当第一磁力齿轮31转动时，第一磁力齿轮31的转动被减速并传输到第二磁力齿轮32。在此情况中，减速比由第一磁力齿轮31的磁极数和第二磁力齿轮32的磁极数之比来确定。这里，第二磁力齿轮32a、32b和32c相对于第一磁力齿轮31的磁极数之比分别用符号L、M、N来表示。当利用第二编码器40a、40b和40c检测到第二磁力齿轮32a的1/L周单位的转角、第二磁力齿轮32b的1/M周单位的转角，以及第二磁力齿轮32c的1/N周单位的转角时，可以由各个检测器提供来自齿轮32a、32b和32c的三种类型的信号。因此，L、M和N的最小公倍数构成了它们的组合数，并且可以计算出对应于该最小公倍数的多转旋转量。例如，当将L、M、N设为L＝21，M＝22、N＝23时，可以检测出10626次的多转旋转量。

此外，尽管根据本实施例，将第二磁力齿轮32的个数设为3，但当个数等于或大于1时，也可以检测出多转旋转量。

实际上，在此结构中第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮32a是由轴承(未示出)以可转动的方式支持的，第一磁力齿轮31从外部转动，并对第二磁力齿轮32是否被减速进行测量。第一磁力齿轮以6000rpm的速度进行转动，并对第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮32的转动行为进行比较。

图3显示了测量结果。图3显示了对第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮32在固定时间内的转数进行比较的波形。可以确定的是，在减速比为1∶8的条件下，当第一磁力齿轮31转动8周时，第二磁力齿轮32转动1周。即，已知尽管第一磁力齿轮31的磁极节距为7.85mm，而第二磁力齿轮32的磁极节距为0.98mm，而且二者相差一个8的倍数，还是实现了精确的减速和传动。

(第二实施例)

图4显示了本发明的第二实施例。图4是显示本发明的第二实施例的包括磁力齿轮的磁耦合部分的透视图。

在轴向上相对于第一磁力齿轮31隔着气隙设置第二磁力齿轮32，使其彼此重叠。将第一磁力齿轮31沿旋转轴的纵向方向进行磁化，并且其磁极数为2。将第二磁力齿轮32也沿旋转轴的纵向方向进行磁化，并且沿其圆周方向磁化了多个磁极。因此，当第一磁力齿轮31与第二磁力齿轮32具有不同极性的部分彼此相对时，其间会有引力作用，因此形成传动力，并且第一磁力齿轮31的转动被传输到第二磁力齿轮32。由于第一和第二磁力齿轮彼此重叠，所以尽管其操作和效果与第一实施例相同，对于径向方向也可以实现小型的结构。

(第三实施例)

图5显示本发明的第三实施例。图5是显示本发明的第三实施例的多转型编码器的透视图。在图中，符号33、33a、33b、33c表示第三磁力齿轮，符号42、42a、42b、42c表示第二磁场检测装置，而符号50、50a、50b、50c表示用于连接第二磁力齿轮32和第三磁力齿轮33的第二旋转轴。通过第二旋转轴50，由未示出的轴承可旋转地支持所有的磁力齿轮。第三磁力齿轮33在垂直于旋转轴50的一个方向上磁化。此外，将两个或者更多个的第二磁场检测装置42设置在第三磁力齿轮33的周围。

下面，将对检测第二磁力齿轮32的转角的方法进行说明。当第三磁力齿轮33与第二磁力齿轮32同时进行转动时，可从设置在第三磁力齿轮33周围的第二磁场检测装置42提供每转动1周一个周期的正弦波。可从第二磁场检测装置42提供具有正弦波和余弦波形状的输出，作为电压值。当用符号Va、Vb来表示某一时刻的相应输出电压时，第二磁力齿轮32的转角θ可以由以下公式来计算。

θ＝arctan(Va/Vb)

其操作和效果与第一实施例相似。此外，利用磁力型编码器，本实施例实现了以下的效果：免除了在光学型编码器等中用于保持绝对值的备份设备所需的电池等，并且减少了零件数量和维护内容。

(第四实施例)

图6示出了本发明的第四实施例，而图7示出了第二磁力齿轮32的细节。在图中，标号35表示磁轭，标号36表示圆筒形磁体，而标号43表示第三磁场检测装置。

尽管本实施例与第三实施例基本上相同，但是本实施例的一个不同之处在于，第二编码器40由设置在第二磁力齿轮32的内周的磁轭35、设置在其内部的圆筒形磁体36以及设置在其内部的第三磁场检测装置43构成。与第三实施例类似，减速机构部分是由磁化成2极的第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮32构成的。此外，第二磁力齿轮的转角检测机构部分由磁轭35、设置在其里面并在垂直于旋转轴的方向上磁化成2极的圆筒形磁体36旋转轴、以及设置在其内部空间的第二磁场检测装置42构成。磁轭35对由第二磁力齿轮32的多极磁化磁体构成的磁力减速机构的磁路与圆筒形磁体36的磁路进行隔离，从而防止这两个磁路之间产生磁干涉。

尽管本实施例的操作和效果与第三实施例相同，但是可以构成同时具有减速功能和转角检测功能的薄型减速机构，可以实现轴向上的小型结构，并且可以实现超小型的多转型编码器。此外，由于不存在磁干涉，因此可以实现磁力齿轮的平稳减速，并且可以进一步提高转角的检测精度。

(第五实施例)

图8示出了本发明的第五实施例。在该图中，标号44、44a、44b表示第四磁场检测装置。尽管本实施例基本上与第一实施例相同，但是本实施例的一个不同之处在于，通过在第一磁力齿轮31的周围隔着气隙设置第一磁力齿轮31和第四磁场检测装置44a、44b来构成第一编码器20。由于可以从第四磁场检测装置44检测到正弦波和余弦波，所以与第三实施例相同，可以通过计算反正切来求得第一磁力齿轮的转角。尽管本实施例的操作和效果与第一实施例相同，但是可以针对轴线方向实现更加小型的结构。

(第六实施例)

图9所示是本发明的第六实施例。本实施例基本上与第五实施例相同。本实施例的一个不同之处在于，将第三磁力齿轮31形成为圆筒形状，在一个与其中心轴线垂直的方向上产生均匀的磁场，并且在第一磁力齿轮31的空气内部按照预定的相位差布置第四磁场检测装置44、44c、44d。可以从第四磁场检测装置44检测到正弦波和余弦波，与第三实施例类似，通过计算反正切可以获得第一磁力齿轮的转角。其操作和效果与第五实施例相同。

(第七实施例)

图10所示是本发明的第七实施例的磁力齿轮部分。在此图中，标号60表示磁阻尼器，标号70表示框架。

根据本实施例，由磁体构成的磁阻尼器60隔着气隙布置在第二磁力齿轮32的外周部分，该磁阻尼器设置在第一磁力齿轮31的中心和第二磁力齿轮32的中心的连线的延长线上。

当第二磁力齿轮32转动时，在由磁体构成的磁阻尼器60处产生涡流，振荡能量转化成了磁体内的热能。即，通过对第二磁力齿轮32施加粘滞制动而使其不转动。从而第二磁力齿轮32和磁阻尼器60之间的磁引力方向变成与第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮32之间的磁引力相反，因此，减小了施加到第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮的轴承(未示出)上的的径向载荷。

通过设置磁阻尼器60，吸收了通过旋转轴11从外部加到第二磁力齿轮32上的旋转振动，因此，振动不会传到这里。即，可以提供抵抗外部振动的高可靠性的多转型编码器。

另外，尽管由于第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮32隔着小的间隙(0.1mm或更小)彼此相对，通过第一磁力齿轮31和第二磁力齿轮32之间的磁引力在支持各个磁力齿轮的轴承上施加了径向负荷，但是由于提供了磁阻尼器60，所以不必根据径向负荷量来增大轴承，并且减缓了径向负荷。因此，利用这种结构，可以保证编码器的小尺寸，并且可以实现长寿命的轴承。

(第八实施例)

图11示出了本发明的第八实施例的磁力齿轮部分。图11示出了与第七实施例的图10中的A-O-A截面相同位置的剖视图。在此图中，标号80表示框架，该框架还起磁阻尼器80的作用，而标号90表示轴承。

根据本实施例，框架还用作磁阻尼器80，其通过将第七实施例的框架70和磁阻尼器60进行集成而构成。

通过设置还起到磁阻尼器80作用的框架，可以减少所采用的部件数目，此外，可以形成磁屏蔽，因此也可以防止外部磁力的影响。

(工业适用性)

根据本发明，第一磁力齿轮直接与旋转轴连接，并多极磁化，至少一个第二磁力齿轮以非连接的方式与第一磁力齿轮相对设置，并且以大于第一磁力齿轮的磁极数进行了多极磁化，通过检测第二磁力齿轮的转角来计算多转旋转量，因此实现了以下效果，即使当多转传动部分构造成高减速比时也可以提供小型的多转型编码器，并且除轴承外无机械接触部分，具有高可靠性以及长使用寿命，以及免除了电池的更换。

此外，通过设置磁阻尼器可以提供抵抗外部振动的可靠的多转型编码器，并且可以实现小型的结构和长使用寿命的结构。

Claims (10)

1.一种多转型编码器，包括：

第一编码器，其与旋转机械的旋转轴相连，用于检测一周范围内的绝对转角；以及

第二编码器，其利用采用磁耦合的减速机构来对旋转轴的多转旋转量进行计数，

其中，第二编码器包括：

第一磁力齿轮，其直接与旋转轴相连，并且被多极磁化；

至少一个第二磁力齿轮，以非接触的方式与第一磁力齿轮相对设置，并且其磁极数大于第一磁力齿轮的磁极数；和

第一磁场检测装置，用于检测第二磁力齿轮的转角。

2.根据权利要求1所述的多转型编码器，其中第二磁力齿轮在其径向上隔着气隙与第一磁力齿轮相对设置。

3.根据权利要求1所述的多转型编码器，其中第二磁力齿轮沿第一磁力齿轮的轴向设置，与第一磁力齿轮重叠。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多转型编码器，其中第二编码器还包括：

第三磁力齿轮，设置在支持第二磁力齿轮的第二旋转轴上，并且被多极磁化；以及

第二磁场检测装置，对于一个第三磁力齿轮隔着该第三磁力齿轮和所述第二磁场检测装置之间的气隙设置有至少两个第二磁场检测装置。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的多转型编码器，其中第二编码器还包括：

环形的磁轭，设置在第二磁力齿轮的内周；

圆筒形磁体，设置在所述磁轭的内周，并且磁化成两极；以及

第三磁场检测装置，在圆筒形磁体的内部设置有至少两个第三磁场检测装置。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的多转型编码器，其中第一编码器包括：

第一磁力齿轮；以及

第四磁场检测装置，隔着所述第一磁力齿轮和所述第四磁场检测装置之间的气隙设置有至少两个第四磁场检测装置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的多转型编码器，其中所述第一磁力齿轮形成为圆筒形状，并且被磁化，以在与其中心轴线正交的方向上沿一个方向均匀地产生磁场。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的多转型编码器，其中包含磁体的所述磁阻尼器隔着气隙设置在第二磁力齿轮的外周部分。

9.根据权利要求8所述的多转型编码器，其中所述磁阻尼器设置在第一磁力齿轮的中心与第二磁力齿轮的中心的连线的延长线上。

10.根据权利要求8或9所述的多转型编码器，其中所述磁阻尼器设置在基本呈圆筒形的框架的内周部分，所述框架通过与所述磁阻尼器集成的结构而支持所述旋转轴和磁力齿轮的轴。

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