TWI675185B - 量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器及其裝置 - Google Patents

Abstract

一種量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器，包含一環形基體、一磁性編碼單元，及一位置編碼單元。環形基體是由導磁材料構成，並包括兩相反的第一表面及第二表面。磁性編碼單元設置於環形基體的第一表面或第二表面，並包括多個以環形基體的中心軸線為同心圓且呈圓環狀交錯排列的第一磁極與第二磁極。位置編碼單元與磁性編碼單元設置於相同表面，且與磁性編碼單元相鄰排列。本發明還提供一種磁性編碼裝置適用於安裝在旋轉軸上，包含前述的編碼器及感測器。感測器與磁性編碼器間隔設置，並包括能感磁場強度的磁性類比感測元件。

Description

量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器及其裝置

本發明是有關於一種編碼器，特別是指一種量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器及其裝置。

現有技術通常是使用一編碼器來量測一轉動裝置的位置，例如中華民國第I241063公告專利(下稱前案)提出一種薄型絕對位置磁性編碼器，主要是將多個軸向充磁的軸向磁環與徑向充磁的徑向磁環彼此交錯排列成扁平圓盤狀，且相鄰的磁環中，其磁環極數是由內向外增加(也就是外環的磁極數會多於內環磁極數)，從而構成一絕對編碼器。

雖然前案透過讓軸向磁環與徑向磁環彼此交錯排列避免兩磁環之間相互干擾，而減少使用中性隔離環來做隔離，然而，當量測所需而將充磁方向相同的磁環的相鄰排列時，也還是需在兩磁環之間設置中性隔離環作為間隔。

此外，前案的結構是屬於絕對編碼器，而僅用來量測轉動裝置的轉角角度偵測或轉速偵測，而無法量測轉動裝置中的一旋 轉軸的軸向偏擺量或徑向偏擺量，換句話說，當要量測旋轉軸的軸向偏擺量或徑向偏擺量時，會額外加裝其他位移感測元件，如渦電流、雷射位移計等方式進行量測。因此，改良現有磁性編碼器的結構並研發能同時量測旋轉軸的偏擺量與角度位置的磁性編碼器，是本領域技術人員所待解決的課題。

因此，本發明的目的，即在提供一種能量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器。

於是，本發明量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器包含一環形基體、一磁性編碼單元，及一位置編碼單元。

該環形基體由導磁材料構成，包括一第一表面，及一相反該第一表面的第二表面。

該磁性編碼單元設置於該環形基體的該第一表面與該第二表面的其中一者，並包括多個以該環形基體的一中心軸線為同心圓且呈圓環狀交錯排列的第一磁極與第二磁極。

該位置編碼單元與該磁性編碼單元設置於相同表面，且以該中心軸線為同心圓地與該磁性編碼單元相鄰排列。

此外，本發明還提供一種磁性編碼裝置，適用於安裝在一旋轉軸上，以進行該旋轉軸的偏擺與角度位置量測，該磁性編碼 裝置包含前述的磁性編碼器及一感測器。

該編碼器圍繞該旋轉軸設置。該感測器對應該磁性編碼單元及該位置編碼單元設置，且與該磁性編碼器相間隔，並包括一能感測該環形基體的磁場強度的磁性類比感測元件。

本發明的功效在於，環形基體上的磁性編碼單元的第一磁極與第二磁極以同心圓且呈圓環狀分佈而交錯排列，無須在相鄰的磁極間設置中性隔離環來阻隔相鄰的磁極的干擾，且還同時在磁性編碼單元旁形成位置編碼單元，不僅可透過磁性編碼單元來量測旋轉軸的偏擺量之外，還能透過位置編碼單元來量測旋轉軸的角度位置。

2‧‧‧磁性編碼器

S‧‧‧第二磁極

200‧‧‧中心軸線

21‧‧‧環形基體

211‧‧‧第一表面

212‧‧‧第二表面

213‧‧‧內周緣

214‧‧‧外周緣

22‧‧‧磁性編碼單元

N‧‧‧第一磁極

220‧‧‧交界線

23‧‧‧位置編碼單元

24‧‧‧固定件

3‧‧‧感測器

4‧‧‧旋轉軸

41‧‧‧表面

n‧‧‧法線

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一立體示意圖，說明本發明量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器的一第一實施例；圖2是一局部放大示意圖，說明本發明該第一實施例的一磁性編碼單元與一增量式編碼；圖3是一立體示意圖，說明本發明量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器的一第二實施例； 圖4是一局部放大示意圖，說明本發明該第二實施例的該磁性編碼單元與一絕對式編碼；圖5是一立體示意圖，說明本發明量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器的一第三實施例；圖6是一局部放大示意圖，說明本發明該第三實施例的該磁性編碼單元與該增量式編碼；圖7是一立體示意圖，說明本發明量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器的一第四實施例；圖8是一局部放大示意圖，說明本發明該第四實施例的該磁性編碼單元與該絕對式編碼；圖9是一立體示意圖，說明本發明該第一實施例或該第二實施例與一感測器安裝於一旋轉軸上的態樣；圖10是一立體示意圖，說明本發明該第三實施例或該第四實施例與該感測器安裝於該旋轉軸上的一態樣；圖11是一立體示意圖，說明本發明該第三實施例或該第四實施例與該感測器安裝於該旋轉軸上的另一態樣；圖12是一流程圖，說明以本發明磁性編碼裝置量測旋轉軸偏擺與角度位置的流程；及圖13是一磁場強度與間距的關係圖，說明本發明該磁性編碼器與該感測器的間距與磁場強度的關係。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器2的一第一實施例包含一環形基體21、一形成於該環形基體21上的磁性編碼單元22、一形成於該環形基體21上的位置編碼單元23，及一設置於該環形基體21的固定件24，其中，圖2是圖1該磁性編碼單元22與該位置編碼單元23的局部放大圖。

具體地說，該環形基體21是由導磁材料構成，並包括一中心軸線200、一第一表面211、一相反該第一表面211的第二表面212，及一鄰近該中心軸線200的內周緣213。該磁性編碼單元22形成於該環形基體21的該第一表面211，並包括多個以該環形基體21的該中心軸線200為同心圓且呈圓環狀交錯排列的第一磁極N與第二磁極S。該位置編碼單元23與該磁性編碼單元22設置於相同的該第一表面211上，且也是以該中心軸線200為同心圓地與該磁性編碼22相鄰排列。

詳細地說，於該第一實施例中，該環形基體21是呈扁平狀，也就是說，該第一表面211與該第二表面212的一法線n是與該中心軸線200平行，使得該第一磁極N與該第二磁極S的交界線220 是沿該環形基體21的一徑向排列，且該位置編碼單元23位於該環形基體21的一內周緣213與該磁性編碼單元22之間。要說明的是，該第一磁極N與該第二磁極S的數量並沒有特別限制，可視應用需求來減少或增設該第一磁極N與該第二磁極S數量；而該位置編碼單元23也可依需求而設置於該環形基體21的一外周緣214與該磁性編碼單元22之間。

更詳細地說，該位置編碼單元23也包括多個第一磁極N與第二磁極S，而在該第一實施例中，該位置編碼單元23是以增量式編碼為例做說明，用以量測增量位置，也就是量測旋轉軸所旋轉的角度為遞增或遞減。因此，該第一磁極N與該第二磁極S的排列方式不同於該磁性編碼單元22，具體地說，該位置編碼單元23的該第一磁極N與該第二磁極S沿該內周緣213方向彼此交錯排列而為環繞該內周緣213。

該固定件24是設置於該內周緣213上，用以讓該環形基體21於後續能更方便地安裝在其他裝置上。要說明的是，該固定件24的態樣並沒有特別限制，且也可視情況而不設置該固定件24，只要能將該環形基體21安裝在要應用的裝置上即可。

參閱圖3與圖4，本發明量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器2的一第二實施例大致與該第一實施例相同，不同處在於，該位置編碼單元23的態樣，其中，圖4是圖3該磁性編碼單元 22與該位置編碼單元23的局部放大圖。具體地說，於該第二實施例中，該位置編碼單元23是以絕對式編碼為例做說明，用以量測絕對位置，也就是不須進行歸原點即可量測旋轉軸當前所處的位置。因此，該第二實施例中，該位置編碼單元23中的該第一磁極N與該第二磁極S的排列方式也不同於該第一實施例中的該位置編碼單元23。具體地說，該位置編碼單元23的該第一磁極N與該第二磁極S也是環繞該內周緣213，但其排列方式並沒有一定，主要是視應用情況來編排該第一磁極N與該第二磁極S，於本實施例中，其位置編碼單元23的內圈與外圈是以第一磁極N與第二磁極S交互排列分布，且內圈與外圈的磁極數量不同，但不以此為限，由於本案主要特徵在於將磁性編碼單元22與位置編碼單元23兩者彼此相結合在同一個環形基體21上，而有關絕對式編碼的編列方式有很多種作法，可使用者視需求自行調整排列來實施絕對式判讀。

參閱圖5與圖6，本發明量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器2的一第三實施例大致與該第一實施例相同，不同處在於，該第三實施例的該環形基體21的態樣，其中，圖6是圖5該磁性編碼單元22與該位置編碼單元23的局部放大圖。具體地說，於該第三實施例中，該環形基體21是呈立體環形，也就是說，該第一表面211與該第二表面212的法線n是與該中心軸線200垂直，且該第二表面212是鄰近該中心軸線200，使得該磁性編碼單元22與該 位置編碼單元23是設置於外圍的該第一表面211上，且該第一磁極N與該第二磁極S的交界線220是沿該環形基體21的一軸向(也就是沿該中心軸線200的方向)交錯排列，而該位置編碼單元23的該第一磁極N與該第二磁極S的排列方式則與該第一實施例相當，彼此交錯排列且環繞該中心軸線200的形成於該第一表面211上。當該第二實施例的磁性編碼器2要安裝該固定件24時，則是安裝在該第二表面212上。

參閱圖7與圖8，本發明量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器2的一第四實施例大致與該第三實施例相同，不同處在於，該位置編碼單元23的態樣，其中，圖8是圖7該磁性編碼單元22與該位置編碼單元23的局部放大圖。具體地說，該第四實施例中，該位置編碼單元23是以絕對式編碼為例做說明，用以量測絕對位置。有關絕對式編碼相關說明與該第二實施例的說明相同，於此不加以贅述。

此處值得說明的是，前述該第一實施例至該第四實施例的磁性編碼器2主要是透過在該環形基體21上同時設置該磁性編碼單元22及該位置編碼單元23，除了能透過該磁性編碼單元22量測旋轉軸的偏擺量之外，還能同時透過該位置編碼單元23量測旋轉軸的角度位置，此外，該磁性編碼器2透過讓該第一磁極N與該第二磁極S以同心圓且呈圓環狀分佈而交錯排列，可改變磁極寫入的方 向，進而量測旋轉軸的於軸向與徑向的偏擺量。詳細地說，該第一實施例的該磁性編碼器2的磁極寫入方向是以該第一磁極N的法線n穿出(也就是平行該中心軸線200的方向)再進入該第二磁極S；而該第二實施例的該磁性編碼器2的磁極寫入方向是以該第一磁極N的法線n穿出(也就是垂直該中心軸線200的方向)再進入該第二磁極S。

為了更清楚說明如何以該第一實施例至該第四實施例的該磁性編碼器2進行旋轉軸的軸向及徑向的偏擺量及角度位置的量測，以下提出一包含前述磁性編碼器2的磁性編碼裝置進行說明。

參閱圖9，該磁性編碼裝置適用於安裝在一旋轉軸4上，以進行該旋轉軸4的偏擺與角度位置的量測，於圖9中，該磁性編碼裝置是以包含該第一實施例的該磁性編碼器2及一感測器3為例做說明(該第二實施例的該磁性編碼器2的安裝方式也與該第一實施例的該磁性編碼器2相同)。具體地說，該磁性編碼器2是圍繞該旋轉軸4設置，且該感測器3是對應該磁性編碼單元22與該位置編碼單元23地與該磁性編碼器2間隔設置，且該感測器3內包括一能感測該磁性編碼單元22的磁場強度的磁性類比感測元件(圖未示)。

詳細地說，由於該第一實施例的該磁性編碼器2的該第一表面211與該第二表面212的法線n是與該中心軸線200(見圖1)平行，因此，該磁性編碼器2安裝到該旋轉軸4上時，是讓該環形基體 21的該內周緣213(見圖2)朝向該旋轉軸4並透過該固定件24安裝固定在該旋轉軸4上。該感測器3則是以不接觸的方式安裝在固定側，用以感測該磁性編碼單元22與該位置編碼單元23。適用於作為本發明的該感測器3可選自磁阻感測器，但不以此為限；而適用於本發明的該磁性類比感測元件則可選自霍爾感測器，但不以此為限。

參閱圖10與圖11，當該磁性編碼裝置是以該第三實施例的該磁性編碼器2安裝在該旋轉軸4上時，則是以該環形基體21的該第二表面212(見圖5)朝向該旋轉軸4設置，且也透過該固定件24安裝固定在該旋轉軸4上，使得該磁性編碼單元22與該位置編碼單元23是背向該旋轉軸4的一表面41(該第四實施例的該磁性編碼器2的安裝方式也與該第三實施例的該磁性編碼器2相同)。此處要特別說明的是，由於該第三實施例的該磁性編碼器2的該第一表面211與該第二表面212的法線n是垂直於該中心軸線200(見圖5)，因此，也可不需要設置該固定件24，直接如圖11以該磁性編碼器2的該第二表面212附著地安裝在該旋轉軸4的該表面41上。

參閱圖12，此處進一步說明以圖9或圖10、11的該磁性編碼裝置進行量測該旋轉軸4的軸向偏擺、徑向偏擺、旋轉角度、角速度，及角加速度的計算流程。

首先，由於偏心量對旋轉運動的影響甚大，因此，先校 正該磁性編碼器2與該旋轉軸4的同心度。

首先，以圖12最左邊的實施流程說明，當該旋轉軸4進行旋轉運動時，以該第一實施例及該第二實施例的該磁性編碼器2(見圖1與圖3)進行量測時(如圖9)，能透過該磁性類比感測元件先感測該磁性編碼單元22的磁場強度，其中，其磁場強度能透過磁通量(flux)的大小來得知，如圖13所示，該磁性類比感測元件與該磁性編碼器的間距改變時，確實能感測到不同的磁通量大小，且將此關係式預先建立在一微控制器(micro-controller unit，MCU)(圖未示)中。因此，透過磁通量的變化得知磁場強度後，進一步與內建的尋找表(look up table，LUT)進行比對，再經由微控制器(MCU)進行運算解析而得到位置資訊，進而得知該旋轉軸4於軸向偏擺或軸向振動量。由此可知，以該第一實施例及該第二實施例的該磁性編碼器2搭配該磁性類比感測元件量測環形基體21磁場強度與內建的尋找表(LUT)比對運算後，即可直接得知軸向偏擺與軸向振動量。反之，當要以圖12最左邊的實施流程量測徑向偏擺與徑向振動量時，則以該第三實施例與該第四實施例的該磁性編碼器2(見圖5與圖7)進行量測(如圖10與圖11)，直接量測該第三實施例與該第四實施例的該磁性編碼器2的磁性編碼單元22的磁場強度，來得知徑向偏擺與徑向振動量，其相關量測方式與前述量測軸向偏擺與軸向振動量相同，於此不加以贅述。

接著，以圖12中間的實施流程說明，當要量測以該第一實施例及該第二實施例的該磁性編碼器2(見圖1與圖3)量測時，則可透過該感測器3直接感測磁性編碼單元22產生的磁場分布變化而輸出電壓訊號，而由該感測器3輸出給微控制器(MCU)進行運算解析而得到位置資訊，即可得知該旋轉軸4於徑向偏擺(即圖9的x方向)或徑向振動量。反之，當要以圖12中間的實施流程量測軸向偏擺與軸向振動量時，則以該第三實施例與該第四實施例的該磁性編碼器2(見圖5與圖7)進行量測(如圖10與圖11)，直接量測該第三實施例與該第四實施例的該磁性編碼器2的磁性編碼單元22產生的磁場分布變化而輸出電壓訊號，來得知軸向偏擺(即圖10與圖11的y方向)與軸向振動量，其相關量測方式與前述量測徑向偏擺與徑向振動量相同，於此不加以贅述。

由於本發明磁性編碼器2是同時整合該磁性編碼單元22與該位置編碼單元23，因此，除了前述量測該旋轉軸4的偏擺之外，還能透過該感測器3感測該位置編碼單元23產生的磁場，並視編碼型態搭配解析演算法得到增量式或絕對式位置資訊與增量式或絕對式轉角資訊，也就是量得該旋轉軸4的旋轉角度、角速度、角加速度，及該旋轉軸4的增量位置或絕對位置。

詳細地來說，繼續參閱圖12，以圖12最右邊的實施流程說明，當該旋轉軸4進行旋轉運動時，以該第一至四實施例的該磁 性編碼器2進行量測時(如圖9至圖11)，其量測方式是與圖12中間的實施流程相似，不同之處在於，其感測器是感測該位置編碼單元23以得知該旋轉軸4的旋轉位置資訊。

綜上所述，本發明量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器及其磁性編碼裝置，讓環形基體21呈扁平狀或呈立體環形，並在環形基體21上同時形成磁性編碼單元22與位置編碼單元23，並讓磁性編碼單元22的第一磁極N與第二磁極S以同心圓且呈圓環狀分佈而交錯排列，而無須在第一磁極N與第二磁極S之間設置中性隔離環來阻隔相鄰的磁極的干擾，除了能透過磁性編碼單元22量測旋轉軸4的軸向偏擺量與徑向偏擺量之外，還能同時透過位置編碼單元23的增量式編碼或絕對式編碼的訊號，量測旋轉軸4的旋轉角度、角速度，及角加速度，以得知旋轉軸4的增量位置與絕對位置，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

Claims (10)

1. 一種量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器，包含：一環形基體，由導磁材料構成，包括一第一表面，及一相反該第一表面的第二表面；一磁性編碼單元，設置於該環形基體的該第一表面與該第二表面的其中一者，並包括多個以該環形基體的一中心軸線為同心圓且呈圓環狀交錯排列的第一磁極與第二磁極；及一位置編碼單元，與該磁性編碼單元設置於相同表面，且以該中心軸線為同心圓地與該磁性編碼單元相鄰排列。
2. 如請求項1所述的量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器，其中，該第一表面與該第二表面的一法線與該中心軸線平行，該磁性編碼單元設置於該第一表面，且該第一磁極與該第二磁極的交界線沿該環形基體的一徑向排列，該位置編碼單元設置於該第一表面，且位於該環形基體的一內周緣與該磁性編碼單元之間，或位於該環形基體的一外周緣與該磁性編碼單元之間。
3. 如請求項2所述的量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器，還包含一設置於該環形基體的該內周緣的固定件。
4. 如請求項1所述的量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器，其中，該第一表面與該第二表面的一法線與該中心軸線垂直，且該第二表面鄰近該中心軸線，而該磁性編碼單元設置於該第一表面，且該第一磁極與該第二磁極的交界 線沿該環形基體的一軸向排列。
5. 如請求項4所述的量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器，還包含一設置於該環形基體的該第二表面的固定件。
6. 如請求項1所述的量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器，其中，該位置編碼單元為增量式編碼與絕對式編碼其中一者。
7. 一種磁性編碼裝置，適用於安裝在一旋轉軸上，以進行該旋轉軸的偏擺與角度位置量測，該磁性編碼裝置包含：一如請求項1至6所述的量測旋轉軸偏擺與角度位置的磁性編碼器，圍繞該旋轉軸設置；及一感測器，對應該磁性編碼單元及該位置編碼單元設置，且與該磁性編碼器相間隔，並包括一能感測該環形基體的磁場強度的磁性類比感測元件。
8. 如請求項7所述的磁性編碼裝置，其中，當該磁性編碼器的該第一表面與該第二表面的法線是與該中心軸線平行時，該環形基體的內周緣朝向該旋轉軸。
9. 如請求項7所述的磁性編碼裝置，其中，當該第一表面與該第二表面的一法線與該中心軸線垂直時，該環形基體的該第二表面朝向該旋轉軸。
10. 如請求項7所述的磁性編碼裝置，其中，該磁性編碼器以該第二表面附著於該旋轉軸的一表面上。