CN203848849U - 压电编码器 - Google Patents
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Abstract
压电编码器中，第一工作件（10）沿其一个面排布有复数个施力磁对（12），且每个磁对设有一个极性为N的第一磁块（122）和一个极性为S的第二磁块（124）。第二工作件（20）可相对于第一工件运动，在其朝向第一工作件的端面上依次设有一个压电换能片（22）和一个受力磁片（24）。压电换能片安装于第一工作件。受力磁片叠合于压电换能片且极性为N或S，施力磁对可作用于受力磁片，使得受力磁片挤压或拉伸压电换能片，且压电换能片可输出一个指示其受力大小及方向的编码电压信号。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种编码器，尤其涉及一种基于压电效应的编码器。
背景技术
编码器用于将角位移或直线位移转换成电信号。现有的编码器多采用光学编码器。光学编码器能够提供极高的精度而被广泛采用，但复杂而精密的光学系统也导致光学编码器成本较高，同时在冲击或高温下较易损坏。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于压电效应的压电编码器。
本实用新型提供了一种压电编码器，它包括一个第一工作件和一个第二工作件。第一工作件沿其一个面上排布有复数个施力磁对，且每个磁对设有一个极性为N的第一磁块和一个极性为S的第二磁块。第二工作件能够相对于第一工作件运动，在其朝向第一工作件的面上依次设有一个压电换能片和一个受力磁片。压电换能片的两侧分别设有一个第一电极和一个第二电极。受力磁片叠合于压电换能片且极性为N或S，施力磁对能够对受力磁片施加磁力，使得受力磁片在磁力的作用下挤压或拉伸压电换能片，以及压电换能片能够通过第一电极和第二电极输出一个代表其受力大小及方向的编码电压信号。
压电编码器中，通过使用低成本的压电材料和磁性材料，可以极大的降低整个编码器的材料成本。另外，压电编码器的整体结构简单，便于集成入电机结构中，且压电器件和磁性器件都具有良好的抗机械冲击能力和热稳定性，即便使用在机械冲击剧烈的场合和/或高温环境中，压电编码器的测量精度和可靠性受到的影响很小。
压电器件具有良好的电磁兼容性，使得压电编码器可以使用在电磁干扰严重的环境中。另外，压电器件不需要供电，从而可以极大地降低压电编码器的功耗。
在压电编码器的再一种示意性的实施方式中，第二工作件能够相对于第一工作件做平移运动。
在压电编码器的再一种示意性的实施方式中，第二工作件能够相对于第一工作件做转动。
在压电编码器的再一种示意性的实施方式中，压电换能片的极化方向指向第一工件，且第一电极和第二电极设置于压电换能片垂直于极化方向的两个端面。
在压电编码器的另一种示意性的实施方式中，压电换能片为压电陶瓷片。
在压电编码器的又一种示意性的实施方式中，第一工作件为一个圆柱体，且第二工作件为一个可环套于第一工作件的圆环，其中复数个施力磁对布置在第一工作件朝向第二工作件的外周面上，以及压电换能片和受力磁片设置在第二工作件的朝向第一工作件的内周面上。
在压电编码器的又一种示意性的实施方式中，第二工作件静止，且第一工作件相对于第二工作件转动。
附图说明
以下附图仅对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。
图1用于说明压电编码器一种示意性实施方式的结构示意图。
图2显示了图1中压电变压器的组装后的结构。
图3至图8用于说明压电编码器的工作原理。
图9用于说明压电编码器另一种示意性实施方式的结构示意图。
标号说明
10 第一工件
12 施力磁对
122 第一磁块
124 第二磁块
20 第二工作件
22 压电换能片
222 第一电极
224 第二电极
24 受力磁片。
具体实施方式
为了对实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分或者具有相同或相似功能的部分。
在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示 意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。
在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序等。
在本文中，“相等”、“相同”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。
图1用于说明压电编码器一种示意性实施方式的结构示意图。图2显示了图1中压电变压器的组装后的结构。参见图1和图2，压电编码器包括一个第一工作件10和一个第二工作件20。其中第一工作件10可相对于第二工作件20转动。
其中，沿第一工作件10的一个面上排布有4个施力磁对12，且每个施力磁对12设有一个极性为N的第一磁块122和一个极性为S的第二磁块124。磁块根据实际情况可以为永磁体，也可以为电磁铁。压电编码器中，可以通过增加第一工作件10周向上排布的施力磁对的数量、磁对之间排布的间距、以及第一磁块和第二磁块之间的排布间距，调整压电编码器的分辨率。在图中所示压电编码器一种示意性实施方式中，第一工作件10为一个圆柱体。
沿第二工作件20的径向，第二工作件20在其朝向第一工作件10的面上依次设有一个压电换能片22和一个受力磁片24。压电换能片22安装于第一工作件10，且受力磁片24叠合与压电换能片22。
压电换能片22的两侧分别设有一个第一电极222和一个第二电极224，当压电换能片22受力变形产生电荷时，第一电极222和第二电极224可收集这些电荷，并将这些电荷产生的电压作为编码器的输出信号。在压电编码器一种示意性实施方式中，压电换能片22为极化后的压电陶瓷片。
受力磁片24的极性可为N极或S极。在图中所示压电编码器一种示意性实施方式中，第二工作件20为一个可环套于第一工作件10的圆环。第二工作件20静止不动，且第一工作件10相对于第二工作件20转动。当然，也可以设置为第二工作件20转动，且第一工作件10相对于第二工作件20静止不动。压电换能片22的极化方向指向第一工件，即极化方向指向第一工作件10的旋转中心，且第一电极222和第二电极224设置于压电换 能片22中垂直于极化方向的两个端面。
在压电编码器另一种实施方式中，还可以是第二工作件静止不同，而第一工作件相对于第二工作件平移运动。当第一工作件相对于第二工作件平移运动时，第一磁块122和第二磁块124交替与受力磁片24相互作用，使得受力磁片24挤压或拉伸压电换能片22，从而使得第一电极222与第二电极224输出编码电压信号。
图3至图8用于说明压电编码器的工作原理，图中未标识出第一电极222和第二电极224，且图中的虚线代表变形后的压电换能片。当压电换能片22未受到受力磁片24挤压或拉升时，压电换能片22不会感生出电荷，从而第一电极和第二电极无电压输出。
当第一工作件10开始相对于第二工作件20转动时，如图3所示，在图3所示的示意性实施方式中，受力磁片24的极性为S极。磁对12的第一磁块122开始朝向受力磁片24运动，由于第一磁块122和受力磁片24的极性相反，使得他们之间产生相互吸引的磁性力。受到吸引力的受力磁片24使得压电换能片22拉伸，使得第一电极222收集到正电荷，且第二电极224收集到负电荷，第一电极222与第二电极224之间的电压为正值，且该电压为编码电压信号。
第一工作件10继续相对于第二工作件20转动，如图4所示，当第一磁块122与受力磁片24的距离最小时，它们之间的磁性吸引力最大，此时压电换能片22受力产生最大拉伸形变，且编码电压信号的数值达到正向最大值。
当第一工作件10继续相对于第二工作件20转动，如图5所示，第一磁块122开始远离受力磁片24，使得它们之间的磁性吸引力减小，且压电换能片22受力产生拉伸形变逐渐减小，编码电压信号的正向数值逐渐减小。
如图6所示，当第一工作件10继续相对于第二工作件20转动，使得第二磁块124开始靠近受力磁片24时，由于第二磁块124和受力磁片24的极性相同，使得他们之间产生相互排斥的磁性力。受到排斥力的受力磁片24使得压电换能片22压缩，使得第一电极222收集到负电荷，且第二电极224收集到正电荷，第一电极222与第二电极224之间的电压为负值，且该电压为编码电压信号。
第一工作件10继续相对于第二工作件20转动，如图7所示，当第二磁块124与受力磁片24的距离最小时，它们之间的磁性排斥力最大，此时压电换能片22受力产生最大压缩形变，且编码电压信号的数值达到负向最大值。
当第一工作件10继续相对于第二工作件20转动，如图8所示，第二磁块124开始远离受力磁片24，使得它们之间的磁性排斥力减小，且压电换能片22受力产生压缩形变逐 渐减小，编码电压信号的负向数值逐渐减小。
图9用于说明压电编码器另一种示意性实施方式的结构示意图。如图所示，在压电编码器另一种实施方式中，还可以是第二工作件静止不同，而第一工作件10相对于第二工作件20平移运动，且受力磁片24和压电华能片22装设在滑轨上。当第一工作件相对于第二工作件平移运动时，第一磁块122和第二磁块124交替与受力磁片24相互作用，使得受力磁片24挤压或拉伸压电换能片22，从而第一电极222与第二电极224输出编码电压信号。
通过压电编码器输出的变压电压信号的交替变化，可以得到第一工作件相对于第二工作件的转动的角度、角速度、以及角加速度，且具体的计算方法与现有编码器的原理相同，在此不再赘述。
压电编码器中，通过使用低成本的压电材料和磁性材料，可以极大的降低整个编码器的材料成本。另外，压电编码器的整体结构简单，便于集成入电机结构中，且压电器件和磁性器件都具有良好的抗机械冲击能力和热稳定性，即便使用在机械冲击剧烈的场合和/或高温环境中，压电编码器的测量精度和可靠性受到的影响很小。
压电器件具有良好的电磁兼容性，使得压电编码器可以使用在电磁干扰严重的环境中。另外，压电器件不需要供电，从而可以极大地降低压电编码器的功耗。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.压电编码器，其特征在于，所述压电编码器包括：
一个第一工作件(10)，沿其一个面上排布有复数个施力磁对(12)，且每个所述磁对(12)设有一个极性为N的第一磁块(122)和一个极性为S的第二磁块(124)；和
一个能够相对于所述第一工作件(10)运动的第二工作件(20)，在其朝向所述第一工作件(10)的面上依次设有：
一个压电换能片(22)，它的两侧分别设有一个第一电极(222)和一个第二电极(224)，
一个叠合于所述压电换能片(22)且极性为N或S的受力磁片(24)，所述施力磁对(12)能够对所述受力磁片(24)施加磁力，使得所述受力磁片(24)在磁力的作用下挤压或拉伸所述压电换能片(22)，以及所述压电换能片(22)能够通过所述第一电极(222)和所述第二电极(224)输出一个指示其受力大小及方向的编码电压信号。
2.如权利要求1所述的压电编码器，所述第二工作件(20)能够相对于所述第一工作件(10)做平移运动。
3.如权利要求1所述的压电编码器，所述第二工作件(20)能够相对于所述第一工作件(10)转动。
4.如权利要求1所述的压电编码器，其中所述压电换能片(22)的极化方向指向所述第一工件(10)，且所述第一电极(222)和所述第二电极(224)设置于所述压电换能片(22)垂直于所述极化方向的两个侧面。
5.如权利要求1所述的压电编码器，其中所述压电换能片(22)为压电陶瓷片。
6.如权利要求3所述的压电编码器，其中所述第一工作件(10)为一个圆柱体，且所述第二工作件(20)为一个能够环套于所述第一工作件(10)的圆环，其中复数个所述施力磁对(12)布置在所述第一工作件(10)的朝向所述第二工作件(20)的外周面上，以及所述压电换能片(22)和所述受力磁片(24)设置在所述第二工作件(20)的朝向所述第一工作件(10)的内周面上。
7.如权利要求1所述的压电编码器，其中所述第二工作件(20)静止，且所述第一工作件(10)相对于第二工作件(20)转动。
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| TWI649540B (zh) * | 2017-10-26 | 2019-02-01 | 財團法人工業技術研究院 | 無電池旋轉編碼器 |
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2014
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| CN109708671A (zh) * | 2017-10-26 | 2019-05-03 | 财团法人工业技术研究院 | 无电池旋转编码器 |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140924 Termination date: 20220127 |
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