CN203811188U - 磁旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种磁旋转编码器，其包括由磁感应磁圈和承载主体构成的环状的磁圈主体和内置有霍尔元件的作为采集头的磁传感器，通过将磁圈主体固定套装于测量对象的主轴来测量测量对象的参数。磁圈主体的磁感应磁圈沿着轴向的侧面被均匀地配置成：在该侧面上交替设置有多对N、S磁极，使磁传感器内置的霍尔元件与固定套装在测量对象的主轴上的磁圈主体上的磁感应磁圈的侧面相对置，并且不与磁圈主体接触。采用上述磁旋转编码器，即使在机床主轴本身的使用年限过长或者老化时，磁感应范围也不会受到影响，从而，不会产生磁旋转编码器不能感应或者产生误动作等的问题，更不会导致旋转中的磁圈主体与采集头接触而受损。

Description

磁旋转编码器

技术领域

本实用新型涉及一种磁旋转编码器，特别是涉及一种应用于机床、电机控制等工业自动化领域的磁旋转编码器。 

背景技术

工业生产越来越向高精度、高附加值的方向发展，促使以数控技术等的工业自动化不断向前发展，在这一进程中，高精度、高可靠性、小型集成化、低成本的控制用传感器是自动控制技术不可缺少的器件之一。旋转编码器作为检测传感器，是将旋转物体运动状态转换为便于显示、传输、放大和比较的电信号，以供观察、测控和计算机处理的控制用传感器，它可作为敏感检测元件以组成闭环或者半闭环的自动调节控制系统，可以进行长度、角度、速度以及相位等方面的测控，目前，旋转编码器广泛应用于自动控制技术的各个领域中。 

目前所使用的旋转编码器主要由光旋转编码器、磁旋转编码器两种类型，其中，磁旋转编码器具有结构简单、抗恶劣环境、响应频率宽、易于实现绝对位置输出以及低成本等优点。 

作为这种磁传感器，已知在专利文献1（CN201917349）中，公开了一种非接触圆环性磁电旋转编码器，如图9所示，该磁电旋转编码器包括环形磁圈主体31和与该环形磁圈主体31之间带有间隙地与环形磁圈主体沿着径向的外周弧面相对设置的采集头32两部分。根据不同脉冲要求，对环形磁圈主体31的外周弧面进行充磁，来在外周弧面上交替设置有多对N、S磁极。如图10所示，在采集头32内设置有具有一个或者多个磁场传感器元件321的磁感应芯片，来检测上述多对N、S磁极的磁场。将环形磁圈主体31直接固定在测量物体（例如，机床）的主轴上，以图9示出的方式将采集头32配置成与环形磁圈主体31的外周弧面相对置，采集头32与环形磁圈主体31不接触。在环形磁圈主体31伴随机床的主轴转动的情况下，从磁感应磁圈N、S磁极发出相应的角度位置的磁感信号，采集头32内设置的磁感应芯片感应、 接收该磁感信号，并进行磁电转换。经过采集头内设置的外围电路对磁电转换之后的电信号进行处理，来完成对长度、角度、速度或相位等方面的测量。 

在将上述这种非接触圆环性磁电旋转编码器套装在例如机床等测量对象的主轴上，来测量器角度或速度等时，由于磁圈主体与采集头之间是非接触性的传感感应，所以不会造成使用时的振动及磨损损耗，因此，具有更长的使用寿命。 

在此，磁圈主体与采集头内置的磁感应芯片之间的磁感应范围非常小，在通常情况下，需将两者之间的距离设置在0.3mm与0.5mm之间，如果超出该磁感应范围，则会导致不能感应或者产生误动作等。 

然而，因机床主轴本身的使用年限过长或者老化等原因，导致机床的主轴在转动时会沿着径向发生跳动，这种径向的跳动会影响到磁旋转编码器的磁圈主体与采集头内置的磁感应芯片之间的距离，从而出现上述的磁旋转编码器不能感应或者产生误动作等的问题。在更严重的情况下，会导致旋转中的磁圈主体与采集头接触而损坏。另外，由于存在机床主轴在径向上的跳动，所以测量者在安装采集头时必须在考虑机床主轴跳动的问题的基础上进行安装，因此，安装难度很大，为保证上述磁感应范围，需进行多次安装及调试，耗费时间。 

另外，采集头内置的如图10所示的安装有磁感应芯片的电路板33以与磁圈主体的外周弧面相向的方式配置，用于进行处理以及输出的外围电路设置在与安装有磁感应芯片的电路板垂直连接的另一款电路板34上。由此，需要两块电路板，产品的结构及电路比较复杂，并且，增大了采集头的体积。 

实用新型内容

本实用新型是鉴于上述问题而提出的，本实用新型的目的在于，提供一种对磁圈主体沿着轴向的侧面进行充磁并将作为采集头的磁传感器在轴向上配置成与磁圈主体的侧面相对应的非接触的磁旋转编码器。 

本实用新型提供一种磁旋转编码器，其包括由磁感应磁圈和承载主体构成的环状的磁圈主体和内置有霍尔元件的作为采集头的磁传感器。所述磁圈主体的所述磁感应磁圈沿着轴向的侧面被均匀地配置成：在该侧面上交替设置有多对N、S磁极，使所述磁传感器内置的霍尔元件与固定套装在测量对 象的主轴上的所述磁圈主体上的所述磁感应磁圈的所述侧面相对置，并且不与所述磁圈主体接触。 

优选地，所述磁传感器具有：壳体，其在所述磁传感器配置成与所述磁感应磁圈的所述侧面相对置并且不与所述磁圈主体接触时的与所述磁感应磁圈的所述侧面相向的部分形成有阶梯部；电路板组件，其配置在所述壳体内。所述阶梯部具有第一面，所述第一面是指，以比所述壳体的前表面更靠近与所述前表面相反一侧的后表面的方式配置的与所述前表面平行的平面。所述电路板组件包括：一个电路板，其与所述壳体的所述第一面平行地设置；所述霍尔元件，其以与阶梯部的第一面接触或者贴近所述第一面的方式安装在所述电路板的与所述第一面相向的位置。 

优选地，所述电路板组件还包括所述霍尔元件的外围电路，所述霍尔元件的外围电路安装在所述电路板的不与所述第一面相向的位置，所述霍尔元件与所述霍尔元件的外围电路安装在所述一个电路板上。 

优选地，所述磁圈主体的所述侧面与所述霍尔元件之间的距离在0.3～0.5mm。 

优选地，所述霍尔元件相对于所述磁圈主体的所述侧面在径向上的偏移量设置在距离所述侧面的中心规定距离以内的范围内，所述规定距离是指，所述霍尔元件的接受磁通量的有效面积的沿着径向的宽度的1/4。 

优选地，在所述磁圈主体的所述侧面的外周部设置有主体阶梯部，所述主体阶梯部具有在轴向上的高度低于所述磁圈主体整体的高度且朝向轴向的第一主体面，所述磁感应磁圈设置在所述第一主体面的外周侧。 

采用上述的对磁圈主体的磁感应磁圈的侧面进行充磁并将作为采集头的磁传感器沿着轴向配置成与磁圈主体的侧面相对应的非接触的磁旋转编码器，即使在机床主轴本身的使用年限过长或者老化时，磁旋转编码器的磁感应范围也不受到影响，从而，不会产生磁旋转编码器不能感应或者产生误动作等的问题，更不会导致旋转中的磁圈主体与采集头接触而受损。 

附图说明

图1是示意性地表示本实用新型的磁旋转编码器的结构图。 

图2是示意性地表示本实用新型的磁旋转编码器的磁圈主体的分解图。 

图3是示意性地表示本实用新型的磁旋转编码器的磁圈主体的充磁方式的图。 

图4是示意性地表示本实用新型的磁旋转编码器的磁传感器的分解图。 

图5是示意性地表示本实用新型的磁旋转编码器的径向剖视图。 

图6是示意性地表示本实用新型的磁旋转编码器的磁感应元件配置的局部结构图。 

图7A、图7B是表示将现有技术中的磁旋转编码器的磁场感应与本实用新型的磁旋转编码器的磁场感应进行比较的图。 

图8是示意性地表示本实用新型的磁旋转编码器的变形例的径向剖视图。 

图9是示意性地表示现有技术中的磁旋转编码器的结构图。 

图10是示意性地表示将现有技术中的磁旋转编码器的磁传感器的分解图。 

具体实施方式

参照附图，对本实用新型的磁旋转编码器的实施方式进行详细的说明。其中，为了便于说明，对相同的元件标注相同的附图标记。 

图1是示意性地表示本实用新型的磁旋转编码器1的结构图。磁旋转编码器1包括环形的磁圈主体11和作为采集头的磁传感器12。 

如图2所示，磁圈主体11具有侧面被充磁的磁感应磁圈111、用于承载到测量对象的主轴上的承载主体112以及用于计量磁圈主体11的旋转次数或者确认正转/反转的作为原点的磁极113，其中，承载主体112设置有与磁极113对应的安装孔，但磁极113并非必要的构件，可以省略不用。另外，磁圈主体11还可以包括用于将磁感应磁圈111固定于承载主体112的固定构件，例如，为盖板。在本实施方式中，没有使用盖板，而是利用粘接剂将磁感应磁圈111组装在承载主体112的侧面上并将磁极113组装在承载主体112的上述安装孔内，磁感应磁圈111与磁极113位于承载主体112的同一侧。 

就磁感应磁圈111上设置的磁极而言，与现有方式中的对磁感应磁圈的外周弧面进行充磁的方式相比，在本实施方式中，对磁感应磁圈111的沿着轴向的侧面进行均匀的充磁。如图3所示，在磁感应磁圈111的朝向轴向的 侧面上，无间隙地交替设置有多对N、S磁极，例如，在磁感应磁圈111的直径为130mm的情况下，能够设置1024对磁极，但并不限于无间隙地设置多对N、S磁极的方式，也可以根据实际要求间距一定间隔来设置多对N、S磁极。相比于以往的在外周弧面上的充磁方式，采用本实用新型的在平面上的充磁方式可以降低了加工难度。 

如图4所示，就磁传感器12的结构而言，磁传感器12包括：大致呈扁平状的后方侧开口的前壳体121，在该前壳体121的与后方侧开口相反一侧的主面的下方（图4示出的方向）具有阶梯部，在该前壳体121上还连接有电线；电路板组件，其从前壳体121的后方侧开口安装于前壳体121的内部；后盖122，其与前壳体121配合来封装电路板组件。在本实施方式中，电路板组件为与磁传感器12的上述主面平行地设置的一块电路板13，在该电路板13的与前壳体121的阶梯部相向的位置安装有作为磁感应元件的霍尔元件（或者霍尔IC）131，该霍尔元件131可以为一个或多个，用于检测设置于磁感应磁圈111的多对N、S磁极的磁场及其变化，并进行磁电转换。在此，前壳体121的阶梯部的与霍尔元件131相向的部分与霍尔元件131接触，或者可以设置成两者之间的间隙非常小。在比霍尔元件131更靠近上面的电路板13上设置有外围电路133，该外围电路133用于处理以及输出通过霍尔元件131感应并接收的来自磁感应磁圈111的磁感应信号。在电路板13的与电线对应的位置，设置有用于与该电线连接的接口134。采用这种前壳体121形成有阶梯部的结构能够有效地节省空间，使磁传感器12小型化。 

另外，由于在磁圈主体11上还设置有磁极113，所以在磁传感器12内的电路板13上还设置有与用于检测该磁极113的霍尔元件132，在没有在磁圈主体11上设置磁极113的情况下，也可以不设置与磁极113对应的霍尔元件132。 

与图10示出的现有技术的采集头的配置方式相比，在本实施方式中，由于霍尔元件131和外围电路设置在同一块电路板13上，所以降低了产品结构的复杂度，并且能够实现磁传感器12的小型化，达到成本节约。 

另外，虽然图中未示出，但可以在前壳体121的阶梯部的与霍尔元件131相向的面的两端，设置在使用时用于与磁圈主体11接触来及时清理磁圈主体的刷头，以防止灰尘对信号产生影响。 

此外，在本实施方式中，就磁圈主体11的材料而言，可以采用钕铁硼来作为磁感应磁圈111的材料，采用铝合金来作为承载主体112的材料，但不限于此。作为采集头12的材料，可以采用不锈钢来作为前壳体121和后盖122的材料，但不限于此。 

在利用磁旋转编码器1测量作为测量对象的机床的角度、速度或相位时，将磁圈主体11套装固定在作为测量对象的机床的主轴上，以图5示出的方式将磁传感器12配置成其前壳体121所具有的阶梯部的作为磁感面的第一面（比前壳体121的主面更靠近后盖122并与主面平行的面）1211与磁圈主体11的组装有磁感应磁圈111一侧的面相向，并且非接触，由此，使安装在磁传感器12内部的电路板13上的霍尔元件131对准磁感应磁圈111的N、S磁极。上述阶梯部的与第一面1211垂直的第二面1212朝向磁圈主体11的外周弧面，在此，保证磁圈主体11的外周弧面与磁传感器12的第二面1212之间的间隙足够大，以确保即使机床在转动时产生径向的跳动，磁圈主体11也不会与磁传感器12接触。 

在相对于磁圈主体11安装磁传感器12时，因组装精度上的原因不能够保证两者完全平行，由于根据磁感应精度的要求，磁圈主体11的磁感应磁圈111与磁传感器12内置的霍尔元件131之间的距离需要设置在0.3mm～0.5mm的磁感应范围内，所以磁传感器12相对于磁圈主体11的安装角度也需要满足上述磁感应范围。 

在此，如上所述，在图9示出的现有的磁圈主体的沿着径向的外周弧面上设置有多对磁极（磁极并未示出），为了通过此类磁圈主体来进行测定，需要将采集头设置成其内置的磁感应芯片与磁圈主体的外周弧面相向，由此，当机床主轴本身的使用年限过长或者老化时，主轴在转动时会产生径向的跳动，进而导致磁圈主体与采集头内置的磁感应芯片之间的距离超出上述0.3mm～0.5mm的磁感应范围内。而相对于此，在本实施方式中，虽然磁圈主体11的磁感应磁圈111与磁传感器12内置的霍尔元件131之间的距离仍旧需要设置在0.3mm～0.5mm的范围内，但磁感应磁圈111的多对N、S磁极设置在朝向轴向的侧面上，已知作为测量对象的机床的主轴在旋转的过程中，沿着轴向是几乎不产生跳动的，或者说，沿着轴向产生的跳动远小于径向跳动。因此，即使机床主轴本身的使用年限过长或者老化，也不会对磁旋 转编码器1的磁感应范围造成影响，从而，也不会产生上述的磁旋转编码器不能感应或者产生误动作等的问题，更不会导致旋转中的磁圈主体与采集头接触而受损。 

另外，为了保证磁感应强度的效果，除了选择高精度的霍尔元件以外，需要对磁感应磁圈111的朝向轴向的侧面的宽度（以下，简称为磁感应磁圈111的宽度）进行适当的选择。通常情况下，将磁圈主体的宽度设计成与霍尔元件131的宽度相匹配，以确保磁感面与磁发生面的区域吻合，获得更好的磁感信号。其中，霍尔元件131的宽度是指其接受磁通量的有效面积沿着径向的宽度，磁圈主体的宽度是指磁圈主体上的磁感面的宽度。在本实施方式中，磁圈主体的宽度与霍尔元件131的宽度都设置为4mm，但不限于此。 

此外，为了保证霍尔元件131处于有效的磁感应范围中，优选将霍尔元件131相对于磁感应磁圈111的侧面在径向上的偏移量设置在距离磁圈主体11的侧面111的中心规定距离以内的范围内，在此，规定距离为霍尔元件131的宽度的1/4，在本实施方式中，为1mm。 

以下，针对磁旋转编码器1的磁圈主体11与磁传感器12之间的磁场感应进行说明。 

如图6所示，在本实施方式中，假设在磁传感器12内的电路板13上以位于同一平面的方式安装有三个霍尔元件131。图7A是示出了从现有的磁圈主体的轴向观察磁圈主体与霍尔元件之间的磁场感应的图，图7B是示出了从本实用新型的磁圈主体的径向观察磁圈主体与霍尔元件之间的磁场感应的图。若在图10示出的现有的采集头内也设置有安装在同一个电路板上的三个霍尔元件（图中仅示出一个），则如图7A所示，由于在现有技术中，采用在磁圈主体的外周弧面设置有N、S磁极的方式，安装有三个霍尔元件的电路板的版面与外周弧面相对置，所以三个霍尔元件感应并接收到的磁圈主体的磁场强度不一致，越靠近边缘的霍尔元件接收到的磁场强度越弱。若为了提高磁感应精度而设置更多的霍尔元件，则这种磁感应强度不均的现象会更加明显。相对于此，在本实施方式中，由于采用了磁圈主体11的磁感应磁圈111的侧面被充磁的结构，安装有三个霍尔元件131的电路板13配置成与磁感应磁圈111的被充磁的侧面平行，所以如图7B所示，所安装的霍尔元件131感应到的磁感应强度相同，因此，采用本实用新型的结构能够获得更高 的磁感应稳定性，并且，在设置有更多个霍尔元件131的情况下，也不会产生磁感应强度不一致的问题，可以提高检测精度。与将多个（在本实施方式中为三个）霍尔元件131设置在一条直线上相比，优选以图6的方式将该多个霍尔元件131设置成与磁感应磁圈111的环形的侧面的弧度相对应。 

以上，针对基于本实用新型的磁旋转编码器1的结构以及磁感应原理进行了说明，磁旋转编码器1的结构不限于此，只要对磁圈主体的磁感应磁圈的朝向轴向侧面进行充磁并相应地安装作为采集头的磁传感器，能够达到相同的功效即可，例如，作为采集头的磁传感器不限于上述的结构，可以采用与现有技术中的采集头相同的结构，还可以采用与本实施方式的磁传感器基本相同，但壳体并没有形成阶梯部的结构。 

另外，本实施方式中的磁传感器12的前壳体121和后盖122可以分开形成，也可以一体形成，将两者作为一个整体的壳体，在该情况下，上述前壳体121的主面为前表面，上述后盖122的朝向外侧的面为后表面。阶梯部不限于设置在前壳体121的下方，只要在将磁传感器12配置成与磁感应磁圈111的侧面相对置并且不与磁圈主体11接触时的与磁感应磁圈111的侧面相向的部分形成有阶梯部即可。 

下面，针对作为上述磁旋转编码器1的变形例的磁旋转编码器2进行说明。磁旋转编码器2与磁旋转编码器1的区别在于磁圈主体的结构不同，其它部分都相同，在此，就结构相同的部分不再赘述。 

图8是示意性地表示本实用新型的磁旋转编码器的变形例的径向剖视图。在磁圈主体11a的侧面的外周部即承载主体112a的侧面的外周部设置有磁圈主体阶梯部，磁圈主体阶梯部具有在轴向上的高度低于承载主体112a整体的高度的、朝向轴向的第一主体面1111，磁感应磁圈111安装在第一主体面1111的外周侧。 

在利用磁旋转编码器2测量作为测量对象的机床的角度、速度或相位时，将磁圈主体11a套装固定在作为测量对象的机床的主轴上，将磁传感器12的上述第一磁感面1211与磁圈主体11a的上述第一主体面1111相向配置，使安装在磁传感器12内部的霍尔元件131对准设置于第一主体面1111的磁感应磁圈111的多对N、S磁极，并且保证第一磁感面1211与第一主体面1111之间的距离满足0.3mm～0.5mm的磁感应范围。此外，保证磁圈主体11a的 第二主体面1112（磁圈主体阶梯部中的与第一主体面1111垂直的面）与磁传感器12的下端的端面1213之间的间隙足够大，以确保即使机床在转动时产生径向的跳动，也不会与磁传感器12接触。另外，如上所述，还需保证磁圈主体11a的外周弧面与磁传感器12的第二面1212之间的间隙足够大，以确保即使机床在转动时产生径向的跳动，磁圈主体11a也不会与磁传感器12接触。 

采用磁旋转编码器2，当机床主轴本身的使用年限过长或者老化时，该磁旋转编码器2的磁感应范围也不受到影响，从而，不会产生磁旋转编码器不能感应或者产生误动作等的问题，更不会导致旋转中的磁圈主体与采集头接触而受损。并且，采用磁旋转编码器2的结构，能够仅增加磁圈主体的安装于作为测量对象的机床的主轴的部分的宽度，以进一步确保与主轴之间的固定。 

应该理解的是，本实用新型在不脱离本实用新型的广义的思想和范围的前提下能够进行各种各样的实施方式及变形。另外，上述的实施方式用于说明本实用新型，但不限定本实用新型的范围。 

Claims (8)

1.一种磁旋转编码器，其包括由磁感应磁圈和承载主体构成的环状的磁圈主体和内置有霍尔元件的作为采集头的磁传感器，其特征在于， 

所述磁圈主体的所述磁感应磁圈沿着轴向的侧面被均匀地配置成：在该侧面上交替设置有多对N、S磁极， 

使所述磁传感器内置的霍尔元件与固定套装在测量对象的主轴上的所述磁圈主体上的所述磁感应磁圈的所述侧面相对置，并且不与所述磁圈主体接触。 

2.如权利要求1所述的磁旋转编码器，其特征在于， 

所述磁传感器具有： 

壳体，其在所述磁传感器配置成与所述磁感应磁圈的所述侧面相对置并且不与所述磁圈主体接触时的与所述磁感应磁圈的所述侧面相向的部分形成有阶梯部， 

电路板组件，其配置在所述壳体内； 

所述阶梯部具有第一面，所述第一面是指，以比所述壳体的前表面更靠近与所述前表面相反一侧的后表面的方式配置的与所述前表面平行的平面； 

所述电路板组件包括： 

一个电路板，其与所述壳体的所述第一面平行地设置， 

所述霍尔元件，其以与阶梯部的第一面接触或者贴近所述第一面的方式安装在所述电路板的与所述第一面相向的位置。 

3.如权利要求2所述的磁旋转编码器，其特征在于， 

所述电路板组件还包括所述霍尔元件的外围电路，所述霍尔元件的外围电路安装在所述电路板的不与所述第一面相向的位置， 

所述霍尔元件与所述霍尔元件的外围电路安装在所述一个电路板上。 

4.如权利要求1～3中任一项所述的磁旋转编码器，其特征在于， 

所述磁圈主体的所述侧面与所述霍尔元件之间的距离在0.3～0.5mm。 

5.如权利要求1～3中任一项所述的磁旋转编码器，其特征在于， 

所述霍尔元件相对于所述磁圈主体的所述侧面在径向上的偏移量设置在距离所述侧面的中心规定距离以内的范围内，所述规定距离是指，所述霍尔元件的接受磁通量的有效面积的沿着径向的宽度的1/4。 

6.如权利要求1～3中任一项所述的磁旋转编码器，其特征在于， 

在所述磁圈主体的所述侧面的外周部设置有主体阶梯部，所述主体阶梯部具有在轴向上的高度低于所述磁圈主体整体的高度且朝向轴向的第一主体面，所述磁感应磁圈设置在所述第一主体面的外周侧。 

7.如权利要求6所述的磁旋转编码器，其特征在于， 

所述磁圈主体的所述侧面与所述霍尔元件之间的距离在0.3～0.5mm。 

8.如权利要求6所述的磁旋转编码器，其特征在于， 

所述霍尔元件相对于所述磁圈主体的所述侧面在径向上的偏移量设置在距离所述侧面的中心规定距离以内的范围内，所述规定距离是指，所述霍尔元件的接受磁通量的有效面积的沿着径向的宽度的1/4。