CN211317206U - 一种绝对式角度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种绝对式角度测量装置，包括：转动组件，转动组件包括具有转动轴，转动轴的外周具有导磁性的螺纹；磁检测组件，磁检测组件非接触地设置在转动组件沿转动轴轴向方向的外圆上，磁检测组件用于给转动组件的螺纹施加磁场并进行信号检测，磁检测组件的敏感方向垂直或平行于转动轴的轴向方向，转动轴的转动周期与磁检测组件的信号检测周期对应。本实用新型实施例中，通过使转动轴具有导磁性并在转动轴的外周设置螺纹，再利用磁检测组件对转动轴的旋转角度进行测量，实现了提高测量精度的目的。

Description

一种绝对式角度测量装置

技术领域

本实用新型实施例涉及运动控制编码器领域，尤其涉及一种绝对式角度测量装置。

背景技术

运动控制编码器主要包括角度编码器和直线位移编码器，在角度编码器中，磁性编码器因其具有抗震动、抗油污环境、耐腐蚀等特点，得到了越来越多的应用。

由于某些设备的轴心处无法放置任何部件，因此常采用离轴式的方式来设计编码器。离轴式角度编码器通常将角度传感器安装在转动轴的外侧，并在转动轴上安装一齿轮或者磁环，当齿轮或者磁环旋转时，角度传感器即可检测齿的位置或者磁环中磁极的位置，进而输出转动轴旋转的角度。

由于齿轮或者磁环是安装在转动轴上的一个零件，安装必然存在误差，从而导致角度输出可能存在偏差，最终影响角度编码器的精度。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提出一种绝对式角度测量装置，该角度测量装置具有较高的测量精度。

为达此目的，本实用新型实施例提供了一种绝对式角度测量装置，包括：

转动组件，转动组件包括具有转动轴，转动轴的外周具有导磁性的螺纹；

磁检测组件，磁检测组件非接触地设置在转动组件沿转动轴轴向方向的外圆上，磁检测组件用于给转动组件的螺纹施加磁场并进行信号检测，磁检测组件的敏感方向垂直或平行于转动轴的轴向方向，转动轴的转动周期与磁检测组件的信号检测周期对应。

进一步地，该装置还包括固定座；转动组件安装在固定座上。

进一步地，磁检测组件固定安装在固定座上。

进一步地，螺纹包括矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹中的任一种。

进一步地，磁检测组件包括磁铁和N个磁敏元件，其中N为正偶数；磁铁正对转动轴的螺纹，用于给转动轴的螺纹施加磁场；N个磁敏元件沿转动轴的轴线方向依次排布，N个磁敏元件的间距与螺纹匹配设置，磁敏元件的敏感方向相同且垂直或平行于转动轴的轴向方向，N个磁敏元件形成电桥电路。

进一步地，磁铁为永磁铁。

进一步地，电桥电路为全桥电路或半桥电路。

进一步地，该装置还包括：电源芯片和信号调理芯片；电源芯片的输出端分别与电桥电路的供电端和信号调理芯片的供电端电连接；电桥电路的输出端与信号调理芯片的输入端电连接；信号调理芯片的输出端输出磁感应电信号。

本实用新型实施例中，通过使转动轴具有导磁性并在转动轴的外周设置螺纹，将磁检测组件非接触地设置在转动组件沿转动轴轴向方向的外圆上，利用磁检测组件对转动轴的旋转角度进行检测，避免了现有技术中通过在转动轴上安装齿轮或磁环进行角度测量所带来的测量精度低的问题，实现了提高测量精度的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种绝对式角度测量装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的另一种绝对式角度测量装置的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种磁检测组件的部分内部结构及其与转动轴的位置关系示意图；

图4是本实用新型实施例提供的另一种磁检测组件的部分内部结构及其与转动轴的位置关系示意图；

图5-8是本实用新型实施例提供的绝对式角度测量装置的角度测量原理示意图；

图9是本实用新型实施例提供的绝对式角度测量装置中磁检测组件的内部电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1是本实用新型实施例提供的一种绝对式角度测量装置的结构示意图，参见图1，该绝对式角度测量装置包括：转动组件，转动组件包括具有转动轴101，转动轴101的外周具有导磁性的螺纹103；磁检测组件104，磁检测组件104非接触地设置在转动组件沿转动轴101轴向方向的外圆上，磁检测组件104用于给转动组件的螺纹施加磁场并进行信号检测，磁检测组件104的敏感方向垂直或平行于转动轴101的轴向方向，转动轴101的转动周期与磁检测组件104的信号检测周期对应。

本实用新型提供的绝对式角度测量装置，转动轴101有螺纹103，与现有技术相比，无需在转动轴上安装齿轮或磁环以使齿轮或磁环随着转动轴的转动而转动，也无需通过对齿轮或磁环旋转角度的检测实现对转动轴旋转角度的检测，而是通过在具有导磁性的转动轴101的外周上一体成型螺纹103，一体成型的螺纹103与转动轴101同步转动，通过磁检测组件104直接对转动轴101的旋转角度进行测量，从而避免了由安装误差带来的测量精度差的问题，提高了角度测量装置的测量精度。

示例性的，在实际应用中，转动轴101可以是电机的主轴，转动组件还包括驱动转动轴101转动的其他部件，在此不再赘述。需要说明的是，图1仅示出了转动轴101的结构，并未示出转动组件中其他结构，转动组件可以是任意包括可转动的轴的装置，对该装置中轴的旋转角度的测量即可利用本实用新型实施例提供的绝对式角度测量装置执行，本实用新型实施例对转动组件的具体产品不作限定。

本实施例中，利用磁检测组件104对转动轴101的旋转角度进行测量，因此需要转动轴101的螺纹具有导磁性。示例性的，转动轴101可以是金属材质，金属具有很好的导磁性，而且易于加工，通过在转动轴101上加工螺纹结构即可。

示例性的，磁检测组件104具有对磁场变化敏感的磁敏元件，当转动轴101由于转动导致轴上的磁场发生变化时，磁检测组件104可以根据检测到的磁场的变化确定转动轴101的旋转角度。为便于描述，图1示例性的示出了磁检测组件104与转动轴101在平行于转动轴101轴向方向上的俯视平面图，其中，磁检测组件104与转动轴101最近的一个面即为磁检测组件104的感应面108，可以感应转动轴101的磁场的变化。磁检测组件104可以向转动轴101的螺纹施加磁场，当转动轴101旋转时，与感应面108邻近的螺纹103沿着与图中箭头107所示方向相同或相反的方向移动，换句话说，转动轴101某一位置处的牙顶或牙底将相对于磁检测组件104做直线运动，利用磁检测组件104可以读出牙顶或牙底的运动距离，进而计算出转动轴101的旋转角度。可以理解的，由于牙顶或牙底做直线运动的距离与转动轴101的旋转角度之间呈线性关系，因此，牙顶或牙底与磁检测组件104之间的相对位置关系呈周期性变化，从而使磁检测组件104的输出信号成周期性变化，即磁检测组件104的信号检测周期与转动轴101的转动周期对应，转动轴101旋转一周，磁检测组件104则输出一个周期的信号，根据磁检测组件104的输出信号即可确定转动轴101的旋转角度。

需要说明的是，设置磁检测组件104的敏感方向垂直或平行于转动轴101的轴向方向的目的在于，使磁检测组件104可以检测到由于转动轴101的旋转造成的磁场的变化，从而可以将磁场的变化转换为电信号的变化输出，实现对转动轴101旋转角度的测量。

本实用新型实施例中，通过使转动轴具有导磁性并在转动轴的外周设置螺纹，将磁检测组件非接触地设置在转动组件沿转动轴轴向方向的外圆上，利用磁检测组件对转动轴的旋转角度进行检测，避免了现有技术中通过在转动轴上安装齿轮或磁环进行角度测量所带来的测量精度低的问题，实现了提高测量精度的效果。

图2是本实用新型实施例提供的另一种绝对式角度测量装置的结构示意图，示例性的示出了一种绝对式角度测量装置的三维结构示意图，参见图2，在上述实施例的基础上，可选的，该装置还包括固定座106，转动组件安装在固定座106上。

通过将转动组件安装在固定座106上，可以转动组件在转动轴101旋转时更加稳定，如图2所示，转动组件还可以包括手轮102，手轮102与转动轴101连接，通过摇动手轮102可以带动转动轴101旋转。

继续参见图2，进一步可选的，磁检测组件104固定安装在固定座106上。

通过将磁检测组件104和转动组件均安装在固定座106上，可以使角度测量装置更加稳定，提高角度测量装置的集成度。磁检测组件104的信号检测结果可通过电缆105向外部终端设备输出，使终端设备获取转动轴101的旋转角度。

可选的，螺纹103包括矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹中的任一种。

螺纹形状的设置可以根据实际需求自行设定，本实用新型实施例对此不作限定。在后续的说明中，示例性的以矩形螺纹为例进行介绍。

图3是本实用新型实施例提供的一种磁检测组件的部分内部结构及其与转动轴的位置关系示意图，图4是本实用新型实施例提供的另一种磁检测组件的部分内部结构及其与转动轴的位置关系示意图。参见图3或图4，可选的，磁检测组件104包括磁铁200和N个磁敏元件，其中N为正偶数；磁铁200正对转动轴101的螺纹，用于给转动轴101的螺纹施加磁场；N个磁敏元件沿转动轴101的轴线方向依次排布(示例性的N＝4，磁敏元件依次记为303～306)，N个磁敏元件的间距与螺纹匹配设置，磁敏元件的敏感方向相同且垂直或平行于转动轴101的轴向方向，N个磁敏元件形成电桥电路300(图中未示出电路连接方式)。

可选的，磁铁200为永磁铁。

选用永磁体为转动轴101的螺纹施加磁场，可以提高角度测量装置的使用寿命。可选的，电桥电路为全桥电路或半桥电路。

由磁敏元件形成电桥电路后，可根据电桥电路的输出信号确定各个磁敏元件的电性能的变化，从而可以确定转动轴101的磁场变化，进而确定转动轴101的旋转角度。示例性的，电桥电路可以为全桥电路或半桥电路，均可实现该功能。由于全桥电路的信号输出性能更优，因此后续以全桥电路为例，阐述磁检测组件104检测转动轴101旋转角度的原理。

示例性的，在图3中，螺纹沿着图中的X轴方向排列，且沿着X轴方向移动，磁铁200与螺纹正对，磁铁200为转动轴101的螺纹充磁的方向为图中Z轴方向。在磁铁200正对螺纹的表面，具有4个磁敏元件，分别记为303、304、305和306，4个磁敏元件的间距与螺距匹配，设相邻两个磁敏元件的间距为a，则螺纹的螺距为4a。4个磁敏元件的灵敏方向相同，均沿着图中的Z轴或者X轴方向，磁敏元件到螺纹的间距为L，可自行设定。磁敏元件303和磁敏元件305构成第一桥式电路，磁敏元件304和磁敏元件306构成第二桥式电路，可以理解的，第一和第二桥式电路的相位相差90°。

在图4中，螺纹沿着图中的X轴方向排列，且沿着X轴方向移动，磁铁200与螺纹正对，磁铁200为转动轴101的螺纹充磁的方向为图中Y轴方向。在磁铁200平行于XZ的表面，具有4个磁敏元件，分别记为303、304、305和306，4个磁敏元件的间距与螺距匹配，设相邻两个磁敏元件的间距为a，则螺纹的螺距为4a。四个磁敏元件的灵敏方向相同，均沿着图中的Z轴或者X轴方向，磁敏元件到螺纹的间距为L。磁敏元件303和磁敏元件305构成第一桥式电路，磁敏元件304和磁敏元件306构成第二桥式电路，第一和第二桥式电路的相位相差90°。

需要说明的是，为便于描述，图3和图4示例性的将磁敏元件设置在磁铁200的表面，在实际产品中，磁敏元件与磁铁200可以接触，也可以无接触，磁敏元件设置在电路板上以构成电桥电路，各个磁敏元件的敏感方向均垂直或平行于转动轴101的轴向方向，以感测对应位置处的牙顶或牙底的变化。磁铁则用于向转动轴的螺纹施加磁场，如图3和图4所示，磁铁放置的方式不同，对转动轴的螺纹施加磁场的方向则不同，本实用新型实施例对此不做限定。

图5-8是本实用新型实施例提供的绝对式角度测量装置的角度测量原理示意图，以磁敏元件构成全桥电路为例，分别示出了螺纹位于不同位置时，磁敏元件构成的电桥电路的输出信号的变化。参见图5-8，R1和R2分别对应磁敏元件303和磁敏元件305，以构成第一半桥电路，R3和R4分别对应磁敏元件304和磁敏元件306，以构成第二半桥电路，V1和V2分别是第一半桥电路和第二半桥电路的输出电压。为了便于阐述，4个磁敏元件的灵敏方向均为图中箭头602所示方向，对应图3和图4中的Z轴方向。

参见图5，假设当螺纹位于第一个位置时，R1正对牙顶，R2正对牙底，R3和R4正对牙顶牙底交界处，此时R1达到最大电阻值，R2达到最小电阻值，R3和R4均为中值电阻值。根据半桥电路结构，V1为最小电压值，V2为0，此时V1和V2在整个周期内的电压值如图中603和604所示，其中横坐标为运动位置，纵坐标为输出电压。

参见图6，当螺纹旋转90°后，R1和R2正对牙顶牙底交界处，R3正对牙顶，R4正对牙底，此时R1和R2均为中值电阻值，R3达到最大电阻值，R4达到最小电阻值。根据半桥电路结构，V1为0，V2为最小电压值，此时V1和V2在整个周期内的电压值如图中605和606所示，其中横坐标为运动位置，纵坐标为输出电压。

参见图7，当螺纹旋转180°后，R1正对牙底，R2正对牙顶，R3和R4正对牙顶牙底交界处，此时R1达到最小电阻值，R2达到最大电阻值，R3和R4均为中值电阻值。根据半桥电路结构，V1为最大电压值，V2为0，此时V1和V2在整个周期内的电压值如图中607和608所示，其中横坐标为运动位置，纵坐标为输出电压。

参见图8，当螺纹旋转270°后，R1和R2正对牙顶牙底交界处，R3正对牙底，R4正对牙顶，此时R1和R2均为中值电阻值，R3达到最小电阻值，R4达到最大电阻值。根据半桥电路结构，V1为0，V2为最大电压值，此时V1和V2在整个周期内的电压值如图中609和610所示，其中横坐标为运动位置，纵坐标为输出电压。

可以理解的，当螺纹旋转360°后，将回到第一个位置的状态，R1正对牙顶，R2正对牙底，R3和R4正对牙顶牙底交界处，此时V1和V2在整个周期内的电压值如图5中603和604所示。

从图5-8可以看出，当螺纹的位置移动一个周期，磁敏元件的输出电压也变化一个周期，且在一个周期内，信号具有唯一性。利用反三角函数计算公式，即可根据输出电压信号的变化，计算出螺纹移动的任意距离，进而推算出转动轴的任意旋转角度。

需要说明的是，图5-8中均以对磁场敏感的电阻元件表示磁敏元件，当磁场变化时，磁敏电阻的阻值发生变化，进而使输出信号发生变化。在实际产品中，磁敏元件可以是其他对磁场敏感的元件，电桥电路的每个桥臂上还可以是多个磁敏元件的组合，本实用新型实施例对此不做限定。

还需要说明的是，当磁敏元件的敏感方向为图3和图4中的X轴方向时，磁检测组件104的输出信号与图5-8类似，只是相位相差90度，同样也能达到测量转动轴101旋转角度的目的，在此不再赘述。

图9是本实用新型实施例提供的绝对式角度测量装置中磁检测组件的内部电路结构示意图，参见图9，可选的，该装置还包括：电源芯片400和信号调理芯片500，电源芯片400的输出端401分别与电桥电路300的供电端301和信号调理芯片500的供电端501电连接，电桥电路的输出端302与信号调理芯片500的输入端502电连接，信号调理芯片500的输出端503输出磁感应电信号。

其中，信号调理芯片500的输出信号的形式包括但不限于TTL/HTL信号、UVW信号、SIN/COS信号和数字编码信号，通过信号调理芯片500可以输出上述任意一种或多种形式的信号，本领域技术人员可以根据实际需求选择信号调理芯片500的类型，在此不做限定。

需要说明的是，图9示例性的将电源芯片400和信号调理芯片500与电桥电路300集成在同一电路板上，在其他具体实施方式中，电源芯片400和信号调理单元还可以单独设置，在此不做限定。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种绝对式角度测量装置，其特征在于，包括：

转动组件，所述转动组件包括具有转动轴，所述转动轴的外周具有导磁性的螺纹；

磁检测组件，所述磁检测组件非接触地设置在所述转动组件沿所述转动轴轴向方向的外圆上，所述磁检测组件用于给所述转动组件的螺纹施加磁场并进行信号检测，所述磁检测组件的敏感方向垂直或平行于所述转动轴的轴向方向，所述转动轴的转动周期与所述磁检测组件的信号检测周期对应。

2.根据权利要求1所述的绝对式角度测量装置，其特征在于，还包括固定座；

所述转动组件安装在所述固定座上。

3.根据权利要求2所述的绝对式角度测量装置，其特征在于，所述磁检测组件固定安装在所述固定座上。

4.根据权利要求1所述的绝对式角度测量装置，其特征在于，所述螺纹包括矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹中的任一种。

5.根据权利要求1所述的绝对式角度测量装置，其特征在于，所述磁检测组件包括磁铁和N个磁敏元件，其中N为正偶数；

所述磁铁正对所述转动轴的螺纹，用于给所述转动轴的螺纹施加磁场；

所述N个磁敏元件沿所述转动轴的轴线方向依次排布，所述N个磁敏元件的间距与所述螺纹匹配设置，所述磁敏元件的敏感方向相同且垂直或平行于所述转动轴的轴向方向，所述N个磁敏元件形成电桥电路。

6.根据权利要求5所述的绝对式角度测量装置，其特征在于，所述磁铁为永磁铁。

7.根据权利要求5所述的绝对式角度测量装置，其特征在于，所述电桥电路为全桥电路或半桥电路。

8.根据权利要求5所述的绝对式角度测量装置，其特征在于，还包括：电源芯片和信号调理芯片；

所述电源芯片的输出端分别与所述电桥电路的供电端和所述信号调理芯片的供电端电连接；

所述电桥电路的输出端与所述信号调理芯片的输入端电连接；

所述信号调理芯片的输出端输出磁感应电信号。

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