TWM545245U - 編碼器 - Google Patents

Description

編碼器

本創作主要關於一種編碼器，尤指一種無電池式編碼器。

當進行電腦數值控制(CNC)工具機以及機械手臂等操作時，需要精確地控制及偵測馬達之轉軸的旋轉圈數以及該圈內旋轉角度來實施精密的控制。

一般而言，會利用編碼器來偵測馬達之轉軸的旋轉圈數以及該圈內旋轉角度。當工具機當機或關機時，編碼器藉由電力將馬達之轉軸的旋轉圈數等參數保存於記憶體內。等到工具機啟動或恢復工作時，工具機之控制電腦再讀取編碼器記憶體內的數據。

然而，這類編碼器的圈數記憶必須依靠例如電池提供的電力，當電池沒電或損壞時，控制電腦將無法取得正確之數據，因此無法正確地繼續製作產品。此外，編碼器再次啟動時，亦需限制馬達之轉速，始可知道馬達軸心是否被轉動。

因此，目前之電子式編碼器尚未滿足許多其他方面的要求，需要提供改進之方案。

本創作提供了一種編碼器，不需要利用電池來保存馬達之工作參數，且當編碼器工作中斷後再度運轉時可不需限制馬達之轉速。

本創作提供了一種編碼器，包括一主體、一主轉軸、一驅動機構、一第一磁性元件、一第二磁性元件、一第一感應元件、以及一第二感應元件。主轉軸設置於主體內。驅動機構連接於主轉軸。第一磁性元件連接於驅動機構，並產生第一磁場。第二磁性元件連接於驅動機構，並產生第二磁場。第一感應元件對應於第一磁性元件，並用以感測第一磁場與驅動機構對應位置關係。第二感應元件對應於第二磁性元件，並用以感測第二磁場與驅動機構對應位置關係。其中藉由主轉軸驅動驅動機構，使得驅動機構旋轉第一磁性元件以及第二磁性元件。其中第一磁性元件相對於第一感應元件旋轉，第二磁性元件相對於第二感應元件旋轉。

於一些實施例中，驅動機構包括一主齒輪、一第一副齒輪、以及一第一副轉軸。主齒輪設置於主轉軸上，第一副齒輪，與主齒輪齧合。第一副轉軸設置於第一副齒輪之中心。第一磁性元件設置於第一副轉軸。當主轉軸轉動時帶動主齒輪、第一副齒輪、一第一副轉軸、以及第一磁性元件旋轉。

於一些實施例中，更包括複數個第一副軸承，分別環設於第一副轉軸。

於一些實施例中，驅動機構更包括一第二副齒輪、以及一第二副轉軸。第二副齒輪與主齒輪齧合。第二副轉軸設置於第二副齒輪之中心。第二磁性元件設置於第二副轉 軸。當主轉軸轉動時帶動第二副齒輪、第二副轉軸、以及第二磁性元件旋轉。第二副齒輪之直徑大於第一副齒輪之直徑。

於一些實施例中，更包括複數個第二副軸承，分別環設於第二副轉軸。

於一些實施例中，第一副轉軸以及第二副轉軸平行於主轉軸。

於一些實施例中，更包括一限位環，位於第一副齒輪、第二副齒輪、以及主體之間。

於一些實施例中，其中限位環經由鎖固元件固定於主體。

於一些實施例中，其中限位環由金屬板製成。

於一些實施例中，更包括複數個主軸承，分別環設於主轉軸。

於一些實施例中，主轉軸包括一連接孔，用以連接一驅動軸。

於一些實施例中，更包括一編碼盤、一光源、以及一光學偵測器。編碼盤設置於主轉軸。光源設置於主體用以發射一光束至編碼盤。光學偵測器用以偵測光束。

於一些實施例中，更包括一電路板，其中編碼盤位於主體以及電路板之間。

於一些實施例中，更包括一扣具，設置於主體之側壁，扣具扣合於電路板之底面。

於一些實施例中，主轉軸之主軸心為錐度軸結構。

於一些實施例中，更包括一承載板，設置於主體，其中第一感應元件以及第二感應元件設置於承載板上。

綜上所述，本創作之編碼器利用感測不同轉速之磁性元件之磁性信號，來紀錄主轉軸之旋轉圈數以及該圈內旋轉角度，因此不需要額外利用電池來保存馬達工作之參數，且當編碼器工作中斷後再度運轉時可不需限制編碼器所連接之馬達的轉速，進而減少產品之製作時間。

1‧‧‧編碼器

10‧‧‧主體

11‧‧‧主軸孔

12‧‧‧副軸孔

20‧‧‧主轉軸

21‧‧‧連接孔

22‧‧‧扣合槽

30‧‧‧主軸承

40‧‧‧驅動機構

41‧‧‧主齒輪

411‧‧‧扣合塊

42、42a、42b、42c、42d‧‧‧副齒輪(第一副齒輪、第二副齒輪)

43‧‧‧副轉軸(第一副轉軸、第二副轉軸)

44‧‧‧副軸承(第一副軸承、第二副軸承)

50、50a、50b、50c、50d‧‧‧磁性元件(第一磁性元件、第二磁性元件)

60‧‧‧承載板

70‧‧‧感應元件

80‧‧‧扣具

90‧‧‧限位環

A1‧‧‧馬達

A11‧‧‧驅動軸

AX1‧‧‧主軸心

AX2‧‧‧副軸心

B10‧‧‧編碼盤

B20‧‧‧光源

B30‧‧‧電路板

B40‧‧‧光學偵測器

D1‧‧‧延伸方向

T1、T2、T3、T4‧‧‧鎖固元件

第1圖為本創作之編碼器的立體圖。

第2A圖以及第2B圖為本創作之編碼器的立體圖。

第3圖為本創作之編碼器的剖視圖。

以下之說明提供了許多不同的實施例、或是例子，用來實施本創作之不同特徵。以下特定例子所描述的元件和排列方式，僅用來精簡的表達本創作，其僅作為例子，而並非用以限制本創作。例如，第一特徵在一第二特徵上或上方的結構之描述包括了第一和第二特徵之間直接接觸，或是以另一特徵設置於第一和第二特徵之間，以致於第一和第二特徵並不是直接接觸。

於此使用之空間上相關的詞彙，例如上方或下方等，僅用以簡易描述圖式上之一元件或一特徵相對於另一元件或特徵之關係。除了圖式上描述的方位外，包括於不同之方位使用或是操作之裝置。

圖式中之形狀、尺寸、厚度、以及傾斜之角度可能為了清楚說明之目的而未依照比例繪製或是被簡化，僅提供說明之用。

第1圖為本創作之編碼器1的立體圖。第2A圖以及第2B圖為本創作之編碼器1的立體圖。第3圖為本創作之編碼器1的剖視圖。編碼器1用以連接一馬達A1(繪製於第3圖)，用以紀錄馬達A1之驅動軸A11的旋轉圈數以及該圈內旋轉角度。編碼器1包括一主體10、一主轉軸(main shaft)20、多個主軸承30、一驅動機構40、多個磁性元件50、一承載板60、以及多個感應元件70。

主體10可由金屬材質所製成。主體10可包括一主軸孔11以及多個副軸孔12。一主軸心(main axis)AX1穿過主軸孔11之中心。於一些實施例中，主軸心AX1可穿過主體10之中心。換句話說，主軸孔11沿主軸心AX1延伸，且可位於主體10之中心。於本實施例中，多個副軸孔12環繞主軸心AX1排列。副軸孔12沿平行於主軸孔11之一延伸方向D1延伸。

主轉軸20設置於主體10之主軸孔11內。主轉軸20可沿主軸心AX1延伸，且主軸心AX1可位於主轉軸20之中心。主轉軸20可包括一連接孔21以及一扣合槽22。連接孔21可沿主軸心AX1延伸，並可貫穿於主轉軸20。於一些實施例中，主轉軸20之主軸心AX1可為錐度軸結構，如第3圖所示，主轉軸20之主軸心AX1與馬達A1之驅動軸A11於互相接合處均具有斜度以配合，此設置可使編碼器1本身具有更薄型化設計，利於元件小型化設計趨勢。

連接孔21用以連接馬達A1之驅動軸A11。換句話說，馬達A1之驅動軸A11可插置於連接孔21以使編碼器1與馬達A1連接。當馬達A1驅動時，驅動軸A11帶動主轉軸20旋轉。如第3圖所示，馬達A1之驅動軸A11可經由一鎖固元件T1鎖固於主轉軸20。扣合槽22位於主轉軸20之側壁，並連接於連接孔21。扣合槽22形狀具定位效果，可輔助快速安裝驅動軸A11。於一些實施例中，連接孔可與不同馬達之驅動器連接，亦即，編碼器以及馬達均可自由拆裝。

主軸承30位於主軸孔11內，且連接於主體10以及主轉軸20。主軸承30沿延伸方向D1排列，並環設於主轉軸20。於本實施例中，具有兩個主軸承30。於一些實施例中，亦可藉由更多個主軸承30環設來提高主轉軸20之穩定度。

驅動機構40連接於主轉軸20，用以驅動磁性元件50旋轉。於本實施例中，多個磁性元件50分別連接於驅動機構40，並分別產生磁場。於本實施例中，磁性元件50可為永久磁鐵。

承載板60設置於主體10上。承載板60可為一環狀、或是C型結構、或中央開孔周圍不特定形狀的結構。於本實施例中，承載板60為C型結構，環繞主轉軸20，並可垂直於延伸方向D1。承載板60可經由鎖固元件T2固定於本體10之底部。

感應元件70固定於承載板60上，並分別對應於磁性元件50配置。感應元件70用以感測其對應磁性元件50所產生 之磁場變化。於本實施例中，感應元件70用以感測磁場之方位或相位變化。

於本實施例中，當馬達A1驅動時，驅動軸A11帶動主轉軸20旋轉。此時，藉由旋轉主轉軸20來驅動驅動機構40，並使得驅動機構40旋轉磁性元件50。當磁性元件50旋轉時，磁性元件50會相對於感應元件70旋轉。藉由感應元件70感測每一磁性元件50所產生之磁場的方位或相位變化，可計算出主轉軸20以及驅動軸A11旋轉圈數以及該圈內旋轉角度。於本實施例中，主轉軸20藉由連接孔21固定接合驅動軸A11，故兩者旋轉圈數以及該圈內旋轉角度理論上是一致，亦即，可以前述機制得到驅動軸A11旋轉圈數以及該圈內旋轉角度。

於本實施例中，驅動機構40更包括一主齒輪41、多個副齒輪42(圖繪示四個並以標號42a、42b、42c、42d區別)、多個副轉軸43、以及多個副軸承44。主齒輪41設置於主轉軸20上。主齒輪41可以主軸心AX1為中心旋轉。於本實施例中，主齒輪41可為一環狀結構，環設於主轉軸20。主齒輪41可包括一扣合塊411，卡合於主轉軸20之扣合槽22。藉由上述扣合塊411，可使得主齒輪41能快速地安裝或固定於主轉軸20。

副齒輪42分別與主齒輪41齧合。副齒輪42環繞排列於主齒輪41周緣，且副齒輪42彼此相互分離設置。副齒輪42以各自之副軸心AX2為中心旋轉。上述副軸心AX2可平行於主軸心AX1。於本實施例中，副齒輪42之旋轉方向相反於主齒輪41之旋轉方向。副齒輪42之數目可為兩個以上。舉例而言，副齒輪42之數目可為3個、4個、5個、或6個、或更多。於本實施 例中，具有四個副齒輪42a、42b、42c、42d。需說明的是，副齒輪的設置個數與主體體積、需求的精度、製作成本等相關，製作時可依產品需求適度調整。

副轉軸43設置於副齒輪42之中心，且可位於副軸孔12內。於本實施例中，副轉軸43固定於副齒輪42之中心，且可環繞排列於主轉軸20。副轉軸43可沿副軸心AX2延伸，且副軸心AX2可位於副轉軸43之中心。副轉軸43可以副軸心AX2為中心旋轉。磁性元件50固定於對應之副轉軸43之一端。換句話說，當副齒輪42帶動副轉軸43旋轉時，磁性元件50即以副軸心AX2為中心旋轉。

副軸承44位於副軸孔12內，且連接於主體10以及副轉軸43。副軸承44於延伸方向D1上排列，並環設於副轉軸43。於本實施例中，每一副轉軸43設置兩個副軸承44，藉以提高副轉軸43之穩定度。

於一些實施例中，主齒輪41以及副齒輪42的材質除常用的金屬，亦可為相對質輕之塑膠，藉以降低主齒輸41以及副齒輪42旋轉時所產生之噪音。

於一些實施例中，主齒輪41之齒數或直徑可大於副齒輪42之齒數或直徑。而每一副齒輪42彼此之齒數或直徑並不相同。於本實施例中，副齒輪42a之齒數或直徑小於副齒輪42b之齒數或直徑，副齒輪42b之齒數或直徑小於副齒輪42c之齒數或直徑，副齒輪42c之齒數或直徑小於副齒輪42d之齒數或直徑，副齒輪42d之齒數或直徑小於主齒輪41之齒數或直徑。

當主轉軸20轉動時直接或間接帶動主齒輪41、副齒輪42、以及磁性元件50旋轉。前述副齒輪42彼此齒數或直徑均不相同，因此當主齒輪41旋轉時，帶動個別副齒輪42以及其對應之磁性元件50之旋轉速度均不相同。

於本實施例中，副齒輪42a之旋轉速度大於副齒輪42b之旋轉速度，副齒輪42b之旋轉速度大於副齒輪42c之旋轉速度，副齒輪42c之旋轉速度大於副齒輪42d之旋轉速度。同理，磁性元件50a之旋轉速度大於磁性元件50b之旋轉速度，磁性元件50b之旋轉速度大於磁性元件50c之旋轉速度，磁性元件50c之旋轉速度大於磁性元件50d之旋轉速度。

因此，藉由不同齒數或直徑之副齒輪42配置，能使得主轉軸20於旋轉一預定圈數(例如10萬轉)之內，對於主轉軸20每一不同旋轉圈數以及該圈內不同之旋轉角度，感應元件70可記錄到不同磁場方位組合，可用以編碼。舉例而言，當主轉軸20旋轉至第N圈又10度時，所有感應元件70所記錄之所有磁性元件50之磁場方位將不同於主轉軸20，如旋轉至第N圈又20度或是第N+1圈又10度時之磁場方向。需說明的是，上述第N+1圈為舉例，且需小於預定圈數。

換句話說，可依據所有感應元件70所感測之所有磁性元件50的磁場方位，來計算出於預計圈數內主轉軸20所旋轉之旋轉圈數以及該圈內旋轉角度。此外，由於本實施例之編碼器1並不需要電力來維持記憶磁性元件50之方位，因此即使當工具機當機或關機造成工作中斷時，並不會影響判別當機或關機當時依據當時個別磁性元件50之方位及其所對應之主轉 軸20所旋轉之圈數。而當電力恢復時，可於不限制馬達A1之轉速下即可工作，亦可取得停電前主轉軸20所旋轉之圈數之數據。再者，本實施例之編碼器1採用無電池式之設計，可縮減體積，並可降低損壞率。

於本實施例中，編碼器1可更包括一編碼盤B10、一光源B20、一電路板B30、以及一光學偵測器B40。編碼盤B10固定於主轉軸20，且鄰近於主體10之底部。編碼盤B10經由主轉軸20驅動旋轉。光源B20可固定於主體10側壁，用以發射一光束至編碼盤B10。於本實施例中，編碼盤B10可具有不同的編碼圖案，其中至少一部份圖案是光可穿過或反射。於本實施例中，上述光束穿過編碼盤B10至光學偵測器B40而被偵測。

電路板B30可經由鎖固元件T3固定於主體10之底部。編碼盤B10可位於主體10以及電路板B30之間。光學偵測器B40用以偵測光束，並設置於電路板B30上。

於本實施例中，光束與光學偵測器B40之間的相對位置不變。當主轉軸20旋轉時，編碼盤B10相對於光束以及光學偵測器B40旋轉。由於編碼盤B10之旋轉角度對應於主轉軸20之旋轉角度，因此當主轉軸20旋轉時光束照射至編碼盤B10上之不同之位置。光學偵測器B40可依據通過編碼盤B10之光束穿過或未穿過之連續訊號組合計算出主轉軸20之旋轉角度。藉由上述之編碼盤B10可計算出主轉軸20於每一旋轉圈數中更為精確之旋轉角度。

於本實施例中，編碼器1可更包括一扣具80，設置於主體10之側壁，扣具80扣合於電路板B30之底面，藉以將電路板B30更穩固地設置於主體10上。

於本實施例中，編碼器1可更包括一限位環90，經由鎖固元件T4固定主體10。限位環90位於副齒輪42以及主體10之間，用以限制副齒輪42之位置。上述限位環90可由一金屬板所製成，故亦可作為乘載副齒輪42時的緩衝結構，減少多個副齒輪42旋轉速度不一造成的震動並提高穩定度。

綜上所述，本創作之編碼器利用感測不同轉速之磁性元件之磁性信號，來紀錄主轉軸之旋轉圈數，因此不需要額外利用電池來保存馬達工作之參數，且當編碼器工作中斷後再度運轉時可不需限制編碼器所連接之馬達的轉速，就可知道馬達軸心是否被轉動。

本創作雖以各種實施例揭露如上，然而其僅為範例參考而非用以限定本創作的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾。因此上述實施例並非用以限定本創作之範圍，本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧編碼器

10‧‧‧主體

20‧‧‧主轉軸

40‧‧‧驅動機構

41‧‧‧主齒輪

42、42a、42b、42c、42d‧‧‧副齒輪

80‧‧‧扣具

90‧‧‧限位環

AX1‧‧‧主軸心

AX2‧‧‧副軸心

B30‧‧‧電路板

Claims (16)

1. 一種編碼器，包括：一主體；一主轉軸，設置於該主體內；一驅動機構，連接於該主轉軸；一第一磁性元件，連接於該驅動機構，並產生第一磁場；一第二磁性元件，連接於該驅動機構，並產生第二磁場；一第一感應元件，對應於該第一磁性元件，並用以感測該第一磁場與該驅動機構之對應位置關係；以及一第二感應元件，對應於該第二磁性元件，並用以感測該第二磁場與該驅動機構之對應位置關係；其中藉由該主轉軸驅動該驅動機構，使得該驅動機構旋轉該第一磁性元件以及該第二磁性元件，其中該第一磁性元件相對於該第一感應元件旋轉，該第二磁性元件相對於該第二感應元件旋轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中該驅動機構包括：一主齒輪，設置於該主轉軸上；一第一副齒輪，與該主齒輪齧合；以及一第一副轉軸，設置於該第一副齒輪之中心；其中該第一磁性元件設置於該第一副轉軸，當該主轉軸轉動時帶動該主齒輪、該第一副齒輪、該第一副轉軸、 以及該第一磁性元件旋轉。
3. 如申請專利範圍第2項所述之編碼器，更包括：複數個第一副軸承，分別環設於該第一副轉軸。
4. 如申請專利範圍第3項所述之編碼器，其中該驅動機構更包括：一第二副齒輪，與該主齒輪齧合；以及一第二副轉軸，設置於該第二副齒輪之中心；其中該第二磁性元件設置於該第二副轉軸，當該主轉軸轉動時帶動該第二副齒輪、該第二副轉軸、以及該第二磁性元件旋轉，其中該第二副齒輪之直徑大於該第一副齒輪之直徑。
5. 如申請專利範圍第4項所述之編碼器，更包括：複數個第二副軸承，分別環設於該第二副轉軸。
6. 如申請專利範圍第4項所述之編碼器，其中該第一副轉軸以及該第二副轉軸平行於該主轉軸。
7. 如申請專利範圍第4項所述之編碼器，更包括一限位環，位於該第一副齒輪、該第二副齒輪、以及該主體之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之編碼器，其中該限位環經由鎖固元件固定於該主體。
9. 如申請專利範圍第7項所述之編碼器，其中該限位環由金屬板製成。
10. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器，更包括：複數個主軸承，分別環設於該主轉軸。
11. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中該主轉軸包括一連接孔，用以連接一驅動軸。
12. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器，更包括：一編碼盤，設置於該主轉軸；一光源，設置於該主體，用以發射一光束至該編碼盤；以及一光學偵測器，用以偵測該光束。
13. 如申請專利範圍第12項所述之編碼器，更包括一電路板，其中該編碼盤位於該主體以及該電路板之間。
14. 如申請專利範圍第13項所述之編碼器，更包括一扣具，設置於該主體之側壁，該扣具扣合於該電路板之底面。
15. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中該主轉軸之主軸心為錐度軸結構。
16. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器，更包括：一承載板，設置於該主體，其中該第一感應元件以及該第二感應元件設置於該承載板上。