CN1871500A - 磁性编码器设备及致动器 - Google Patents
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Abstract
一种磁性编码器设备,能够检测具有中空结构的致动器的旋转角度。该磁性编码器设备包括环状旋转体11、环状永久磁体12、固定体13和磁场检测元件14,其中环状永久磁体12内接且固定到环状旋转体11的内周侧,且以垂直于旋转体11的中心轴的方向被磁化,固定体13通过空隙设置于永久磁体12的内周侧上,且具有圆形外周和中空部分,磁场检测元件14通过永久磁体12和空隙设置在固定体13的外周部分上。
Description
技术领域
本发明涉及用于检测旋转体的旋转位置的磁性编码器设备和装有磁性编码器的致动器,特别涉及具有中空部分的磁性编码器设备和致动器。
背景技术
先前,为了检测电动机轴等旋转体的旋转角度,提供了一种磁性编码器设备,其中双极磁化的圆板形状的永久磁体被固定到旋转体上,通过固定在旋转体上的磁场检测元件检测自该圆板形状的永久磁体发出的磁场,且检测出旋转体的绝对位置(见国际公开文献第WO99/013296号(第4-5页和图1))。
图17是现有的磁性编码器设备的透视图。
在图17中,参考数字11表示旋转体(传动轴),参考数字12表示永久磁体,该永久磁体为圆板形状,且以与旋转体为同一旋转轴的方式固定到旋转体11上。与垂直于旋转体11的轴的方向平行地磁化圆板形状的永久磁体12。参考数字13表示在永久磁体12的外周侧设置的环状固定体,参考数字14表示在周向上以90°间隔安装在固定体13上的四个磁场检测元件,其中设置了经由空隙与永久磁体12的外周表面相对、且以机械角度90°相位相互偏离的A1相检测元件141和B1相检测元件142,且设置了以机械角度180°相位与A1相检测元件141偏离的A2相检测元件143,以及设置了以机械角度180°相位与B1相检测元件142偏离的B2相检测元件144。
发明内容
发明要解决的问题
在机器人等中使用的致动器为了穿过电源线或信号线而需要中空结构,并因此使用外齿轮型致动器。为此,用于检测旋转体的旋转角度的磁性编码器设备也需要中空结构。然而,在常规磁性编码器设备中,由于固定到传动轴的永久磁体旋转,并且由经由空隙与永久磁体相对地固定到固定体的磁场检测元件来检测信号,因此无法将磁性编码器设备的中心部分形成为中空的。因此,难以将磁性编码器设备应用到具有中空结构的致动器。
此外,当将磁性编码器安装到其中包括内置电磁制动器的中空致动器中时,致动器在轴向上延长。因此,难以将致动器小型化。而且,零件的数量增加了,且由此增加了加工和组装的成本。
鉴于上述问题,本发明的目的是要提供可应用到具有中空结构的致动器中的磁性编码器设备,以及装有磁性编码器、小型、零件数目少、具有中空结构且包括电磁制动器的致动器。
解决问题的手段
为了解决上述问题,如下构造本发明。
根据本发明的第一方面,提供一种磁性编码器设备,包括:
磁性编码器,包括固定到旋转体的永久磁体,和经由空隙与永久磁体相对且固定到固定体上的磁场检测元件,以及
信号处理电路,处理来自磁场检测元件的信号,其特征在于:
旋转体为环状,
永久磁体为环状,其内接且固定到旋转体的内周侧,并与垂直于旋转体的中心轴的方向平行地被磁化,
固定体具有圆形外周和中空部分,且经由空隙设置于永久磁体的内周侧,以及
磁场检测元件经由永久磁体和空隙设置于固定体的外周部分上。
此外,根据本发明的第二方面,提供一种根据第一方面的磁性编码器设备,其中永久磁体具有平行的各向异性,且被磁化到两极。
此外,根据本发明的第三方面,提供一种根据第一或第二方面的磁性编码器设备,其中旋转体由磁性材料制成。
此外,根据本发明的第四方面,提供一种根据第一至第三方面中任一方面的磁性编码器设备,其中固定体由磁性材料制成。
此外,根据本发明的第五方面,提供一种根据第四方面的磁性编码器设备,其中磁性材料由软磁粉末材料烧结而成。
此外,根据本发明的第六方面,提供一种根据第四方面的磁性编码器设备,其中是通过将软磁材料叠层来形成磁性材料。
此外,根据本发明的第七方面,提供一种具有中空部分且包括电动机和电磁制动器的致动器,其中该致动器具有本发明的第一方面的磁性编码器。
此外,根据本发明的第八方面,提供一种根据第七方面的致动器,其中磁性编码器的固定体兼用作电磁制动器的磁轭的一部分。
此外,根据本发明的第九方面,提供一种根据第七方面的致动器,其中磁性编码器的固定体具有与电磁制动器的磁轭嵌合的结构。
此外,根据本发明的第十方面,提供一种根据第七方面的致动器,其中在电动机或电磁制动器与磁性编码器之间设置磁屏蔽。
此外,根据本发明的第十一方面,提供一种根据第七方面的致动器,其中在磁性编码器的固定体中设置供电磁制动器的电源引入线穿过的导线孔。
此外,根据本发明的第十二方面,提供一种根据第七方面的致动器,其中在磁性编码器固定体的内周侧中设置供电磁制动器的电源引入线穿过的槽口部分。
此外,根据本发明的第十三方面,提供一种根据第十一或第十二方面的致动器,其中导线孔和槽口部分被设置于将固定体的中心与安装于固定体上的磁场检测元件相连的线上。
此外,根据本发明的第十四方面,提供一种根据第十一方面的致动器,其中导线孔被设置在固定体的内周侧。
发明的效果
根据本发明的第一方面,由于旋转体为环状,永久磁体为环状,永久磁体被固定到旋转体的内周侧,且与垂直于旋转体的中心轴的方向平行地被磁化,固定体具有中空部分和圆形外周,磁场检测元件经由空隙设置于永久磁体的内周侧并被固定到固定体的外周侧,因此可以实现结构简单、低成本、小型、薄型、绝对值类型的高精确度这样的具有中空结构的磁性编码器设备,且可以检测具有中空结构的致动器的旋转角度。
而且,当使用具有平行各向异性的磁体时,可以使用简单的磁化设备容易且极其精确地在单个方向上磁化该磁体。
当将磁性材料用在旋转体中时,磁体的使用磁导(パ一ミァンス)大,且产生的磁场变得更强,并且从磁性检测元件可获得大的输出信号。而且,由于还实现了屏蔽外部磁场的效果,因此可降低外部磁噪声且可增加S/N比。
此外,当将磁性材料用在固定体中时,磁体的使用磁导大,且产生的磁场变得更强,并且从磁场检测元件可获得大的输出信号。
此外,当磁性材料由烧结的软磁性材料制成时,可抑制在固定体中产生的涡电流。由此,从低速旋转到高速旋转,均可以实现能以高精确度检测旋转角度的磁性编码器设备。而且,由于可以通过使用铸模的批量铸造工艺来制造烧结的材料,因此可以降低制造和组装成本,且可实现成本低廉的编码器设备。此外,由于容易粉碎,因此可以回收利用。从而可以实现环境负担很小的磁性编码器设备。
此外,当通过将由涂敷有绝缘体表面膜的软磁材料制成的薄板进行叠层来形成固定体时,可以实现无论旋转速度如何都能够以高精确度检测旋转角度而不会在固定体中产生涡电流的磁性编码器设备。
此外,根据本发明的第七方面,由于具有中空部分的磁性编码器适用于具有中空部分且包括电磁制动器的致动器,所以可以实现具有中空部分且包括电磁制动器的致动器。
此外,当磁性编码器的固定体兼用作电磁制动器的磁轭时,致动器的轴向上的长度变得较短,由此可将致动器小型化。此外,由于减少了零件数量,所以降低了制造和组装成本且提高了可靠性。
当磁性编码器的固定体具有与电磁制动器的磁轭嵌合的结构时,组装变得便利。此外,可以容易地以高精确度将磁场检测元件安装到固定体上。
而且,当电磁电动机及电磁制动器与磁性编码器之间设置有磁屏蔽时,可以阻挡来自于电动机、电磁制动器、外部等等的磁场噪声,提高磁性编码器的耐噪声性。
此外,当在固定体中设置供电磁制动器的电源引入线穿过的导线孔时,可以通过导线孔将电源引入线向致动器的外部拉出。为此,无需供引入线缠绕的空间,由此可在轴向上将致动器小型化,并且便于组装。而且,由于引入线没有弯曲,所以提高了引入线的可靠性。
而且,当在磁性编码器的固定体的内周侧中设置槽口部分时,可通过简单的工艺将电磁制动器引入线穿过槽口部分,而不会劣化磁性编码器的精确度。
此外,当在将固定体的中心与磁场检测元件相连的线上设置导线孔和槽口部分时,由于设置了导线孔或槽口部分,因此可以降低磁性编码器精确度的劣化。
而且,当在固定体的内周侧设置导线孔时,由于设置了导线孔,所以可以更进一步地降低磁性编码器的精确度劣化。
附图说明
图1是示出根据本发明的磁性编码器设备结构的截面图;
图2是信号处理电路的框图;
图3是说明磁场检测元件的输出的图;
图4是说明信号处理电路的输出的图;
图5是说明检测角度误差的图;
图6是说明涡电流产生的图;
图7是示出根据本发明第三实施例的磁性编码器设备的结构的截面图;
图8是示出根据本发明第四实施例的中空致动器的结构的截面图;
图9是示出根据本发明第五实施例的中空致动器的结构的截面图;
图10是示出根据本发明第六实施例的中空致动器的结构的截面图;
图11是沿着图10的线B-B’取得的截面图;
图12是示出根据本发明第七实施例的中空致动器的结构的截面图;
图13是沿着图12的线C-C’取得的截面图;
图14示出了用于说明导线孔的位置对磁通量分布的影响的磁通线图;
图15是示出导线孔的位置和角度误差之间关系的图表;
图16是根据本发明第八实施例的磁性编码器的截面图;和
图17是常规磁性编码器设备的透视图。
参考数字的说明
10:磁性编码器 211:定子磁轭
11:旋转体 212:电枢绕组
12:永久磁体 22:转子
13:固定体 221:电动机磁场永久磁体
131:导线孔 222:转子磁轭
132:槽口部分 30:电磁制动器
14:磁场检测元件 31:场
141:A1相检测元件 311:制动磁轭
142:B1相检测元件 312:制动线圈
143:A2相检测元件 313:电源引入线
144:B2相检测元件 32:电枢
15:信号处理电路 33:弹簧
151、152:差动放大器 34:制动摩擦板
153:角度计算电路 35:制动盘
16:磁屏蔽 50:致动器固定体
20:电动机 60:连接构件
21:定子
具体实施方式
以下,将参考附图描述本发明的具体实施例。
第一实施例
图1是示出本发明的磁性编码器设备的结构的截面图。
在图1中,参考数字11表示由磁性材料制成的环状旋转体,参考数字12表示与旋转体11的内周侧内接并固定于其上的环状永久磁体,该环状永久磁铁是与垂直于旋转体11的中心轴的方向平行地磁化的。参考数字13表示具有圆形外周且由具有中空部分的磁性材料制成的固定体。此外,参考数字14是磁场检测元件,其经由空隙与磁体12的内周侧相对,并被固定到固定体13的外周侧上。通过该结构,固定体13的中心部分,即磁性编码器设备的中心部分成为中空的。
磁性编码器设备的具体结构的一个实例如下。
旋转体11由外直径50mm和中空直径20mm的磁性材料(SS41)制成,且永久磁体12由外直径40mm的且具有平行各向异性的SmCo-基环状磁体制成。此外,固定体13由S45C制成,磁场检测元件14由霍尔元件制成。
接下来,将描述根据本发明的磁性编码器设备的操作。
当旋转体11旋转时,永久磁体12也旋转。依据永久磁体12的磁场的变化,相对于旋转体11的一次旋转,从磁场检测元件14输出一个周期的正弦波信号。
图2是信号处理电路的方框图,该处理电路对来自磁场检测元件14的信号进行处理,并将其转换为角度信号θ。在图2中,参考数字151和152表示差动放大器,参考数字153表示角度计算电路。分别来自于以180°相互相对设置的A1相检测元件141和A2相检测元件143的各检测信号Va1和Va2被输入到差动放大器151中,以获得A相信号Va,Va为两个信号之间的差动信号。相似地,分别来自于以180°相互相对设置的B1相检测元件142和B2相检测元件144的各检测信号Vb1和Vb2被输入到差动放大器152中,以获得B相信号Vb,Vb是两个信号之间的差动信号。
图3是说明磁场检测元件的输出的视图,且示出了A相信号Va和B相信号Vb的波形。由于各自对应的检测元件的设置,A相信号Va和B相信号Vb的相位相差90°。
A相信号Va和B相信号Vb被输入到角度计算电路153,通过arctan(Va/Vb)的计算处理来获得角度信号θ。
接下来,将对本发明的磁性编码器设备的特性进行描述。
根据本发明的磁性编码器设备和基准编码器设备(分辨率:1,050,000PPR)相互连接起来,且使之自外部开始旋转,测量并相互比较评价本发明的磁性编码器设备的检测角度和基准编码器设备的检测角度。
图4是说明本发明的信号处理电路的输出的视图,且示出了当旋转体11旋转时,信号处理电路15的角度输出。此外,图5是说明本发明的检测角度误差的视图,且示出了根据本发明的磁性编码器设备和基准编码器之间的角度误差。如从图5中可看出的那样,本发明的磁性编码器设备具有高性能,如0.08°的角度误差和12比特的精确度。
而且,尽管在本实施例中,描述了由SmCo-基磁体制成的永久磁体12,但是本发明不一定要用这种磁体材料,用NeFeB基磁体、连接磁体(Bond Magnet)或铁氧体永磁(Ferrite Magnet)也都具有相同的效果。此外,尽管旋转体11和固定体13的材料分别是磁性材料SS41和S45C,但是也可使用其它的磁性材料。而且,固定体13的中空部分的形状可以不是圆形的。尽管将霍尔元件用作磁场检测元件14,但是磁阻元件具有相同的效果。
第二实施例
在本实施例中,在固定体13中,用烧结的软磁材料代替磁性阻挡(Magnetic Block)材料,所述磁性阻挡材料例如是在第一实施例中使用的机械结构材料S45C。
通过用具有几百nm厚度的绝缘膜对具有几十μm直径的细微铁粉进行涂敷、并用胶合剂将其固化成形,来获得烧结的软磁材料。由此,粉末之间相互电绝缘。
在此,将描述产生涡电流的现象和涡电流对精确度的影响。
图6是说明涡电流产生的图。
如图6中所示,永久磁体12产生的旋转磁场穿过构成磁路的固定体13。当固定到旋转体11的永久磁体12旋转时,沿着消除固定体13中的磁通变化的方向,在固定体表面附近内侧产生涡电流。涡电流的大小与流入到固定体中的磁通量、固定体的半径、旋转速度、以及与固定体的电导率的乘积成比例。此外,无论永久磁体正向还是反向旋转,涡电流的相位都滞后于旋转磁场的相位,因此降低了流入固定体中的磁通量,使编码器的精确度变劣。
即,当将磁性阻挡材料如机械结构材料S45C用在固定体13中时,旋转磁场受到涡电流的影响。由此,改变了检测信号的相位,同时降低了输出电压。此外,可以看出,该影响随着旋转数目的增加而增加。
在本实施例中,由于将烧结的软磁材料用在固定体13中,且烧结的软磁材料的软磁粉末之间相互电绝缘,所以不会产生对编码器的精确度有影响的涡电流。
尽管在使用旋转速度作为参数时测得由于涡电流而导致的角度误差达到5000min-1,但仍小于或等于测量误差。
第三实施例
图7(a)是示出根据本发明第三实施例的磁性编码器设备的结构的截面图,而图7(b)是沿着图7(a)的线A-A’取得的截面图。
本实施例与第一实施例的不同之处在于,第一实施例中,固定体13由材料S45C制成,而本实施例中,通过将硅钢板叠层来构造固定体13,该硅钢板是由软磁材料制成且涂敷有绝缘材料的薄板。其他结构与第一实施例相同。
第四实施例
图8是示出根据本发明第四实施例的中空致动器的结构的截面图。
在图8中,参考数字10表示磁性编码器,参考数字20表示电动机,和参考数字30表示电磁制动器。电动机20包括定子21和转子22,定子21包括定子磁轭211和电枢绕组212,转子22包括电机磁场永久磁体221和转子磁轭222。此外,电磁制动器30包括场(field)31、电枢32、弹簧33、制动摩擦板34和制动盘35。场31包括制动磁轭311和制动线圈312。而且,电枢32可在轴向上移动。
此外,磁性编码器10的旋转体11经由非磁性连接构件60连接至电动机20的转子22,且检测转子22的旋转位置。而且,磁性编码器10的固定体13兼用作电磁制动30的制动磁轭311的一部分。除了电磁制动器30的制动磁轭311的一部分兼用作磁性编码器10的固定体13之外,磁性编码器10的结构与第一实施例中的相同。
在此,将描述电磁制动器的操作。
当未给电磁制动器30通电时,弹簧33向电枢32施压,并且致动器固定体50通过制动摩擦板34向制动盘35施压,其中制动盘35可通过栓槽(スポラィン)在轴向上移动。由此,转子22不能旋转。然而,当给电磁制动器30通电时,电磁力在场31和电枢32之间作用,且电枢32被吸引到制动磁轭311侧。因此,制动摩擦板34被释放,且由此电动机20的转子22可自由地转动。
如上所述,在本实施例中,电磁制动器的制动磁轭的一部分用作磁性编码器的固定体,且与磁性编码器的固定体一起整体形成。
第五实施例
图9是示出根据本发明第五实施例的中空致动器的结构的截面图。
在图中,参考数字13表示以与制动磁轭311嵌合的方式形成的固定体。
本实施例与第四实施例的不同之处在于,第四实施例中,磁性编码器的固定体13与制动磁轭311整体形成,而在本实施例中,固定体13以与制动磁轭311嵌合的形式形成。例如,固定体13可由软磁材料烧结而成,且磁轭311可由S10C制成。
第六实施例
图10是示出根据本发明第六实施例的中空致动器的结构的截面图,和图11是沿着图10的线B-B’取得的截面图。
在图中,参考数字16表示磁屏蔽。
本实施例与第四实施例的不同之处在于提供了磁屏蔽16。
磁屏蔽例如可以由SS材料制成。
当提供磁屏蔽时,可阻挡来自电枢绕组212和制动线圈312的磁场噪声,且可缩短磁性编码器与电动机及电磁制动器之间的距离。
第七实施例
图12是示出根据本发明第七实施例的中空致动器的结构的截面图,而图13是沿着图12的线C-C’取得的截面图。
在图中,参考数字131表示在磁性编码器的固定体13中设置的导线孔,参考数字313表示电磁制动器的电源引入线。电磁制动器的电源引入线313穿过导线孔131。导线孔是圆形的,并且在将固定体13的中心与磁场检测元件14相连接的线上、固定体13的内周侧设置所述导线孔131。
此外,导线孔的数量可以为一个。导线孔的数量也可以为多个,以使各自磁场检测元件的磁通量分布处于平衡状态。但是当提供多个导线孔时,优选的是将两根来回的电源引入线穿过一个导线孔。由于在导线孔中的两根电源引入线的电流方向彼此相反,因此可抑制磁场的产生,且由此可防止磁场检测元件受到制动线圈中的电流的影响。
本实施例与第四实施例的不同之处在于,在磁性编码器设备10的固定体13中提供了供电磁制动器30的电源引入线313穿过的导线孔131。
在此,将描述导线孔对角度检测信号的影响。
通过在固定体13中设置导线孔,导线孔附近的磁阻增高,且在固定体内部的磁阻变得不均匀。为此,由磁场检测元件14检测出的磁通量密度和磁场检测波形受到影响,且由此编码器的精确度变劣。尽管设置了导线孔,当在固定体的截面可以大到足以忽略磁阻的不均匀时,编码器的精确度不会变劣,但是固定体的中空部分需要尽可能地大。并且为了增加电磁制动器的电磁吸引力,线圈线直径也需要很大,为此也不得不增大导线孔。因此,实际上难以避免由于设置导线孔而引起的磁阻不均匀。所以,通过使用有限要素法的磁分析来检查不会使位置编码器的精确度变劣的导线孔设置位置。
图14示出了用于说明导线孔的位置对磁通量分布的影响的磁通线图。图14示出了当将把固定体13与磁场检测元件14相连的线的角度设置为0°时,在没有导线孔的情况下和导线孔的位置角度为0°和45°的情况下的磁通量分布。图15是示出导线孔的位置和角度误差之间关系的图表。当导线孔的位置角度为0°和45°时的角度误差分别是没有导线孔时的1.5倍和4.0倍。换句话说,可以看出,当将导线孔设置在将固定体13的中心与磁场检测元件相连的线上时,精确度的劣化将减少。此外,孔的直径越小,精确度的劣化就越少。而且,当导线孔设置于固定体的内周侧时,精确度的劣化进一步地减少。而且可以看出,如果导线孔的形状的横截面面积相同,则当在周向上延长导线孔时,更进一步减少了精确度的劣化。
第八实施例
图16是根据本发明第八实施例的磁性编码器的截面图。
在图16中,参考数字133表示在固定体13中提供的供电磁制动器的制动电源引入线313穿过的槽口部分。槽口部分设置于将固定体13的中心与磁场检测元件14相连的线上。槽口部分的形状为矩形。本实施例与第八实施例的不同之处在于,并未在固定体内设置导线孔,而是代之以在固定体13的内周侧中设置槽口部分132。
接下来,将描述导线孔对检测精确度的影响的测量结果。
根据本发明的磁性编码器设备和基准编码器设备(分辨率:1,050,000PPR)相互连接起来,且从外部开始旋转,且测量并相互比较本发明的磁性编码器设备的检测角度和基准编码器设备的检测角度。
由于提供导线孔而引起的精确度劣化在第七实施例中为0.12°,在第八实施例中为0.09°。可以看出,由于提供导线孔而引起的精确度劣化是很小的。
工业实用性
由于本发明的磁性编码器设备小型、薄型并且成本低,而且能够实现中空结构的编码器设备,因此适合用作检测在机器人等中使用的中空致动器的旋转角度的磁性编码器设备。此外,装备有本发明的磁性编码器设备的致动器适合用作在半导体制造设备中使用的致动器。
Claims (14)
1.一种磁性编码器设备,包括:
磁性编码器,包括固定到旋转体上的永久磁体,和经由空隙与永久磁体相对且固定到固定体上的磁场检测元件,以及
信号处理电路,处理来自磁场检测元件的信号,
其特征在于:
所述旋转体为环状,
所述永久磁体为环状,其内接并固定到所述旋转体的内周侧,并与垂直于所述旋转体的中心轴的方向平行地被磁化,
所述固定体具有圆形外周和中空部分,且经由空隙设置于所述永久磁体的内周侧,以及
所述磁场检测元件经由所述永久磁体和空隙设置于所述固定体的外周部分上。
2.根据权利要求1所述的磁性编码器设备,其特征在于:
所述永久磁体具有平行各向异性,且被磁化到两极。
3.根据权利要求1或2所述的磁性编码器设备,其特征在于:
所述旋转体由磁性材料制成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁性编码器设备,其特征在于:
所述固定体由磁性材料制成。
5.根据权利要求4所述的磁性编码器设备,其特征在于:
所述磁性材料由软磁粉末材料烧结而成。
6.根据权利要求4所述的磁性编码器设备,其特征在于:
通过将软磁材料叠层来形成所述磁性材料。
7.一种致动器,具有中空部分,且包括电磁电动机和电磁制动器,其特征在于:
该致动器具有权利要求1所述的磁性编码器。
8.根据权利要求7所述的致动器,其特征在于:
所述磁性编码器的固定体兼用作所述电磁制动器的磁轭的一部分。
9.根据权利要求7所述的致动器,其特征在于:
所述磁性编码器的固定体具有与所述电磁制动器的磁轭嵌合的结构。
10.根据权利要求7所述的致动器,其特征在于:
在所述电磁电动机及所述电磁制动器与所述磁性编码器之间设置磁屏蔽。
11.根据权利要求7所述的致动器,其特征在于:
在所述磁性编码器的固定体中设置供所述电磁制动器的电源引入线穿过的导线孔。
12.根据权利要求7所述的致动器,其特征在于:
在所述磁性编码器固定体的内周侧中设置供所述电磁制动器的电源引入线穿过的槽口部分。
13.根据权利要求11或12所述的致动器,其特征在于:
所述导线孔和所述槽口部分被设置于将所述固定体的中心与安装在所述固定体上的磁场检测元件相连的线上。
14.根据权利要求11所述的致动器,其特征在于:
所述导线孔被设置在所述固定体的内周侧。
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