允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的制作方法

專利名稱：允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及編碼器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(zhuǎn)速的裝置，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量的編碼器。目前傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)編碼器一般都是固定安裝在電機的電機軸上。由于電機運動過程中電機軸不僅產(chǎn)生徑向跳動，也會產(chǎn)生軸向竄動，另外熱脹冷縮也會導(dǎo)致電機軸軸向長度的變化。而電機軸軸向的竄動會導(dǎo)致編碼器測量精度的下降，甚至?xí)绊懢幋a器的使用壽命。以光電式旋轉(zhuǎn)編碼器為例，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器一般由光電碼盤與光敏探測器組成；實際應(yīng)用中，光電碼盤與光敏探測器的距離很小，通常在毫米以下的數(shù)量級。光電碼盤與電機軸固定連接，光敏探測器與機殼固定，由于電機軸的軸向竄動會造成光電碼盤與光電探測器之間距離的變化，所以要求軸向竄動只能浮動在規(guī)定值范圍內(nèi)，超出規(guī)定值的變化不僅會使編碼器的信號質(zhì)量和精度下降，而且由于摩擦?xí)s短編碼器的使用壽命，嚴(yán)重時會造成編碼器軸系和光電碼盤的損壞。為解決上述的電機軸竄動對編碼器造成的影響，專利號為CN201020619546. 2的中國實用新型專利提出了一種編碼器緩沖結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)和原理如下編碼器安裝在電機的加長軸上，編碼器的端面通過螺釘連接在連接板上，在所述連接板的連接螺釘孔內(nèi)設(shè)置有彈簧，螺釘穿過彈簧與連接板連接，保證編碼器與連接板的連接具有彈性。所述連接板通過螺釘固定在電機端面上，所述螺釘與連接板上的固定螺釘孔直接固定。通過上述設(shè)計的緩沖結(jié)構(gòu)，可以保證電機的加長軸軸向竄動的時候，編碼器隨著加長軸一起進(jìn)行軸向竄動，起到彈性連接的作用。但是采用上述的軟連接或彈簧連接的方式會導(dǎo)致編碼器測量不準(zhǔn)確，在電機開始旋轉(zhuǎn)的瞬間有滯后的誤差，在電機停止的瞬間有超前的誤差。利用測量電容的原理來獲取位移的方法幾十年前就被提出來了。專利號為U. S. 3，938，113的美國專利公開了一種采用測量電容感知位移的編碼器，其結(jié)構(gòu)和原理如下標(biāo)尺上制作了發(fā)射信號的電極，讀頭上測量經(jīng)由電容耦合的信號，或者讀頭上的電極發(fā)射信號，標(biāo)尺上的電極測量經(jīng)由電容耦合的信號，通過一定方式的解讀，讀頭就能給出相對位移量。增量位移測量需在標(biāo)尺上制作均勻的刻度，這些刻度總是用均勻排列的導(dǎo)電的條狀電極來實現(xiàn)。因為刻度同一性的要求，這些條狀電極必須是同樣的尺寸，同樣的形狀和同樣的導(dǎo)電性能，只有這樣，讀頭獲取的信息才不受電極非均一性的影響從而準(zhǔn)確地計算出相對位移量。這種電容式技術(shù)既可用于線性位移的測量，也可用于旋轉(zhuǎn)角度的測量。電容式旋轉(zhuǎn)編碼器分動?xùn)藕挽o柵二部分，都為精密加工的印刷電路板。如圖1所示，動?xùn)派嫌邪l(fā)射電極61和接收電極62，在發(fā)射電極61和接收電極62之間有屏蔽極63，避免發(fā)射電極61到接收電極62之間的直接電容耦合。如圖2所示，靜柵上有反射極71和屏蔽極72，反射極71與屏蔽極72的寬度一致，屏蔽極72需可靠接地。如圖1和圖2所示的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)圖中，動?xùn)派瞎灿?8個發(fā)射電極61,發(fā)射電極61的極距按實際要求可變,每4個發(fā)射電極61對應(yīng)于一個反射電極。動?xùn)派厦?個發(fā)射電極61為一組，共6組。對每組發(fā)射電極61進(jìn)行編號A到H同編號的發(fā)射電極61電路上相連。運行時，兩塊印刷電路板的柵面平行同軸相對，間距在O.1mm左右。但上述這種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，運行時要求兩塊印刷電路板的柵面平行，圓形圖案的圓心要求為同心圓，且與電機軸或其他驅(qū)動軸同軸。兩個平行電路板之間的氣隙要求嚴(yán)格，原因是當(dāng)氣隙過大時，信號強度減弱，信噪比下降，直接影響編碼器的輸出精度；當(dāng)氣隙過小時，信號強度過大，超過量程，使編碼器無法獲取正確信號，嚴(yán)重時這兩塊電路板還會發(fā)生摩擦，導(dǎo)致失效或破壞。因此電容式旋轉(zhuǎn)編碼器依舊沒有解決電機軸軸向竄動造成編碼器性能下降、失效甚至破壞的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決目前現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機軸上，由于電機軸的軸向竄動而導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)編碼器性能下降、失效甚至被破壞的問題，而提供的一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器。為達(dá)到上述功能，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是 一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，包括靜柵和動?xùn)牛鲭娙菔叫D(zhuǎn)編碼器還包括同軸的內(nèi)圓筒和外圓筒，所述內(nèi)圓筒固定在傳動軸上并與所述傳動軸同軸轉(zhuǎn)動，所述外圓筒固定設(shè)置；所述動?xùn)旁O(shè)置在所述內(nèi)圓筒的外表面，所述靜柵設(shè)置在所述外圓筒的內(nèi)表面，所述靜柵和所述動?xùn)胖g具有一定氣隙。優(yōu)選地，所述靜柵包括若干條形狀相同的激勵電極條，所述動?xùn)虐ㄒ粋€以上的感應(yīng)電極條，所述感應(yīng)電極條的長度大于所述激勵電極條的長度，以保證當(dāng)所述傳動軸發(fā)生竄動時，所述感應(yīng)電極條完全覆蓋所述激勵電極條。優(yōu)選地，所述靜柵還包括一條以上的接收電極條。優(yōu)選地，所述接收電極條的數(shù)量為兩條，所述的兩條接收電極條互相平行并與所述激勵電極條垂直，且分別位于激勵電極條的上端和下端。優(yōu)選地，所述感應(yīng)電極條包含反對稱形狀的第一感應(yīng)電極條和第二感應(yīng)電極條，所述第一感應(yīng)電極條和所述第二感應(yīng)電極條分別與所述兩條接收電極條對應(yīng)構(gòu)成兩個電容。優(yōu)選地，所述第一感應(yīng)電極條和所述第二感應(yīng)電極條相配合處的形狀為正弦波形狀，所述激勵電極條長度大于所述正弦波的峰峰高度。本發(fā)明所述的傳動軸是指電機軸或其它驅(qū)動軸,或者與電機軸或其它驅(qū)動軸連接的加長軸。本發(fā)明的有益效果在于(I)、解決了由于傳動軸竄動造成的動?xùn)藕挽o柵接觸摩擦甚至破損的問題，通過設(shè)置同軸的內(nèi)圓筒和外圓筒，并把所述動?xùn)旁O(shè)置在所述內(nèi)圓筒的外表面，所述靜柵設(shè)置在所述外圓筒的內(nèi)表面，所述靜柵和所述動?xùn)胖g具有一定氣隙，采用這種結(jié)構(gòu)，在傳動軸徑向竄動允差范圍內(nèi)，所述動?xùn)藕退鲮o柵沒有相互接觸的可能；(2)、測量準(zhǔn)確，所述靜柵上激勵電極條長度大于所述動?xùn)派细袘?yīng)電極條的正弦波形的峰峰高度，當(dāng)所述內(nèi)圓筒和外圓筒發(fā)生軸向移動時，所述靜柵上的激勵電極條完全覆蓋所述動?xùn)派细袘?yīng)電極條的正弦波形狀，這樣信號保持不受軸向竄動的影響；(3)、簡化了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的使用壽命，通過在所述靜柵上設(shè)置接收電極條，所述動?xùn)派系母袘?yīng)電極條感應(yīng)的電荷會感應(yīng)到所述接收電極條上，從而避免了在動?xùn)派弦胄盘杺鬏斁€。


圖1為現(xiàn)有動?xùn)诺慕Y(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有靜柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的靜柵展開后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的動?xùn)排c靜柵配合展開后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為調(diào)制信號接受/處理器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖1至附圖6對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述如圖3所示的一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，包括靜柵2和動?xùn)?，還包括同軸的內(nèi)圓筒4和外圓筒5，內(nèi)圓筒4固定在傳動軸I上并與傳動軸I同軸轉(zhuǎn)動，傳動軸I是電機軸或其它驅(qū)動軸，或者是電機軸或其它驅(qū)動軸的加長軸，外圓筒5固定設(shè)置，靜止不動；動?xùn)?設(shè)置在內(nèi)圓筒4的外表面，靜柵2設(shè)置在外圓筒5的內(nèi)表面，靜柵2和動?xùn)?保持同軸并且兩者之間具有一定氣隙。采用這種結(jié)構(gòu)由于靜柵2與動?xùn)?同軸，這樣即使傳動軸I發(fā)生軸向竄動，靜柵2和動?xùn)?也不會發(fā)生摩擦或碰撞，從而保證編碼器的壽命。靜柵2包括若干條形狀相同的激勵電極條21，激勵電極條21與調(diào)制信號接受/處理器電連接，這些激勵電極條21以偶數(shù)個構(gòu)成一組或一個周期，如兩個、四個、六個、八個等。根據(jù)一個周期內(nèi)激勵電極條21的數(shù)目，激勵信號整個周期360度也對應(yīng)地平均分成幾個相位偏移，由于本發(fā)明動?xùn)?和靜柵2分別設(shè)置在內(nèi)圓筒4和外圓筒5上，為了表達(dá)方便，如圖4所示，將外圓筒5結(jié)構(gòu)展開，變成線性結(jié)構(gòu)，但其原理、工作方式和功能不變。在本實施例，由四個激勵電極條21構(gòu)成一組或一個周期,為描述方便我們把一組激勵電極條21中的四個激勵電極條21依次按A、B、C、D編號，編號相同的激勵電極條21通過傳輸線路8連接在一起組成一個激勵相，由調(diào)制信號接受/處理器給每組相同編號的激勵電極條21上加一個幅值、頻率和相位相同的激勵信號，相鄰編號的激勵電極條21上激勵信號的相位差是90°，即是把360°按一組激勵電極條21所含激勵電極條21的數(shù)量均分。假設(shè)第一組編號為A的激勵電極條21上加一個相位為0°的激勵信號，則編號為B的激勵電極條21上加的激勵信號相位則為90°，以次類推，則編號為D的激勵電極條21上的激勵信號相位就為270° ;而第二組編號為A的激勵電極條21的激勵信號相位與第一組編號為A的激勵電極條21的相位相同，為0°，依次類推至所有組。如果是八個激勵電極條21構(gòu)成一個周期，那么每個激勵電極條21上激勵信號的相位差為45°。如圖3所示,動?xùn)?包括一個以上的感應(yīng)電極條31,如圖5所示,為表述方便,我們也把圓筒狀的動?xùn)?與靜柵2配合展開成線性狀進(jìn)行說明，調(diào)制信號接受/處理器產(chǎn)生的激勵信號傳遞給靜柵2上的激勵電極條21后，激勵電極條21把該信號發(fā)射給動?xùn)?上的感應(yīng)電極條31，再由感應(yīng)電極條31把信號傳輸給調(diào)理電路進(jìn)行解調(diào)。由于動?xùn)?隨著內(nèi)圓筒4做旋轉(zhuǎn)，是一個運動件，在運動件上引入信號傳輸線會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜化且信號傳輸線容易出故障。為解決這個問題，本發(fā)明在靜柵2上設(shè)置有接收電極條22，接收電極條22與感應(yīng)電極條31有對應(yīng)面積，這樣就接收電極條22與感應(yīng)電極條31就構(gòu)成了電容的兩極，感應(yīng)電極條31上的調(diào)制信號便可反射回接收電極條22，再由接收電極條22傳送給調(diào)制信號接受/處理器進(jìn)行處理。為盡量減少背景噪聲或共模噪聲干擾，本實施例中，調(diào)制信號優(yōu)先設(shè)計成兩路差分信號以實現(xiàn)共模噪聲抑制，為達(dá)到這個目的，如圖4所示，接收電極條22的數(shù)量采用兩條，兩條接收電極條22互相平行并與激勵電極條21垂直，并分別位于激勵電極條21的上端和下端；如圖5所示，感應(yīng)電極條31包含反對稱形狀的第一感應(yīng)電極條311和第二感應(yīng)電極條312，第一感應(yīng)電極條311和第二感應(yīng)電極條312分別與上、下兩條接收電極條22對應(yīng)構(gòu)成兩個電容，兩路差分的調(diào)制信號由第一感應(yīng)電極條311和第二感應(yīng)電極條312產(chǎn)生，并分別由上、下兩條接收電極條22傳送到調(diào)制信號接收/處理器進(jìn)行處理。如圖5所示，第一感應(yīng)電極條311和第二感應(yīng)電極條312相配合處的形狀為正弦波形狀，激勵電極條21長度大于所述正弦波的峰峰高度。當(dāng)內(nèi)圓筒4和外圓筒5因為傳動軸I發(fā)生軸向竄動而發(fā)生軸向的相對移動時，靜柵2上的激勵電極條21完全覆蓋動?xùn)?上第一感應(yīng)電極條311和第二感應(yīng)電極條312的正弦波形狀的部分，從而使調(diào)制信號保持不受傳動軸I軸向竄動的影響。如圖5所示，每個動?xùn)?上的感應(yīng)電極條31可以通過與靜柵2上激勵電極條21的對應(yīng)面積感應(yīng)電荷。第一感應(yīng)電極條311和第二感應(yīng)電極條312相配合處的形狀為正弦波形狀，并且正弦的周期與靜柵2上每組激勵電極條21的周期對應(yīng)，即長度相等。當(dāng)動?xùn)?與靜柵2有相對旋轉(zhuǎn)，不失一般性，可以將這個位移轉(zhuǎn)換成在一個周期的相位角P ,則第一感應(yīng)電極條311上可以感應(yīng)的電荷Va
Va = K(Cos{p)Sinajt - Sin((p、Cosajt)其中K為系數(shù)，與許多因素有關(guān)，如激勵信號幅度、感應(yīng)電極條31面積、動?xùn)?與靜柵2之間氣隙、氣隙介電常數(shù)等，一般在特定設(shè)計和工作環(huán)境下，K近似為常數(shù)。第二感應(yīng)電極條312上感應(yīng)的電荷Va*與第一感應(yīng)電極條311上感應(yīng)的符號相反
V, 二 -K(pos、(p、Sincot - Sin、(p)Coso)t]第一感應(yīng)電極條311上感應(yīng)的電荷反射回靜柵2上的上接收電極條22，第二感應(yīng)電極條312上感應(yīng)的電荷反射回靜柵2上的下接收電極條22，再分別通過這兩條接收電極條22傳輸給調(diào)制信號接收/處理器。在本實施例中，調(diào)制信號接收/處理器中的信號的采集與解調(diào)電路直接與靜柵2相連，在這個電路中，集成了激勵信號的產(chǎn)生電路，這是因為解調(diào)需要這個同頻的信號。激勵信號發(fā)生與調(diào)制信號解調(diào)由同一電路處理。激勵信號發(fā)生可以有多種實現(xiàn)方式，即有模擬電路也有數(shù)字電路的實現(xiàn)方法，目的就是產(chǎn)生均分相位差的多路周期信號，在本實施例中采用正弦信號，因為四個激勵電極條21為一個周期，所以激勵信號為四路相差為90度的正弦波；為保證信號強度，優(yōu)先采用頻率大于ΙΟΚΗζ，峰峰值為3到15V的正弦波。一方面，這四路激勵信號通過靜柵2上的信號傳輸線路8傳送給相應(yīng)的激勵電極條21，另一方面，O度和90度相位的正弦信號即正弦與余弦信號同時傳送給信號解調(diào)模塊13。如圖6所示，兩路差分調(diào)制信號從靜柵2上的接收電極條22傳遞到信號采集與放大模塊11，由于其信號幅值微弱，需要進(jìn)行差分放大，抑制共模噪聲，將信號幅值提高到數(shù)百毫伏至數(shù)千毫伏。信號解調(diào)模塊13接收這個放大過的調(diào)制信號，與激勵信號發(fā)生模塊12產(chǎn)生的激勵信號相乘可以分離激勵信號和位移信號。與正弦激勵信號相乘，信號結(jié)果包括激勵信號兩倍頻率的三角函數(shù)和位移P的余弦函數(shù)即cosP,與激勵信號兩倍頻率的信號相比，cos P是直流量，通過低通濾波模塊14濾掉高頻分量，就得到cos Ψ。與此類似，放大過的調(diào)制信號與余弦激勵信號相乘，信號結(jié)果包括激勵信號兩倍頻率的三角函數(shù)和位移爐的正弦函數(shù)即sin@,與激勵信號兩倍頻率的信號相比，sinP是直流量，通過低通濾波模塊14濾掉高頻分量，就得到SinP。
通過上述方法獲得位移爐的正余弦信號后，就可以通過各種方法解算出位移量。市面上有些產(chǎn)品可以直接接受這種正余弦信號作為編碼器的輸出，該技術(shù)已相當(dāng)成熟，所以本發(fā)明不再贅述如何用正余弦信號轉(zhuǎn)換成位移信號。以上所述實施例，只是本發(fā)明的較佳實例，并非來限制本發(fā)明的實施范圍，故凡依本發(fā)明申請專利范圍所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均應(yīng)包括于本發(fā)明專利申請范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，包括靜柵(2)和動?xùn)?3)，其特征在于所述電容式旋轉(zhuǎn)編碼器還包括同軸的內(nèi)圓筒(4)和外圓筒(5)，所述內(nèi)圓筒(4)固定在傳動軸(I)上并與所述傳動軸(I)同軸轉(zhuǎn)動，所述外圓筒(5)固定設(shè)置；所述動?xùn)?3)設(shè)置在所述內(nèi)圓筒(4)的外表面，所述靜柵(2)設(shè)置在所述外圓筒(5)的內(nèi)表面，所述靜柵(2)和所述動?xùn)?3 )之間具有一定氣隙。
2.如權(quán)利要求1所述的允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于所述靜柵(2)包括若干條形狀相同的激勵電極條(21)，所述動?xùn)?3)包括一個以上的感應(yīng)電極條(31)，所述感應(yīng)電極條(31)的長度大于所述激勵電極條(21)的長度，以保證當(dāng)所述傳動軸(I)發(fā)生竄動時，所述感應(yīng)電極條(31)完全覆蓋所述激勵電極條(21)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于所述靜柵(2 )還包括一條以上的接收電極條(22 )。
4.如權(quán)利要求3所述的允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于所述接收電極條(22)的數(shù)量為2條，所述的2條接收電極條(22)互相平行并與所述激勵電極條(21)垂直，且分別位于激勵電極條(21)的上端和下端。
5.如權(quán)利要求4所述的允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于所述感應(yīng)電極條(31)包含反對稱形狀的第一感應(yīng)電極條(311)和第二感應(yīng)電極條(312)，所述第一感應(yīng)電極條(311)和所述第二感應(yīng)電極條(312)分別與所述兩條接收電極條(22 )對應(yīng)構(gòu)成兩個電容。
6.如權(quán)利要求5所述的允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于所述第一感應(yīng)電極條(311)和所述第二感應(yīng)電極條(312)相配合處的形狀為正弦波形狀，所述激勵電極條(21)長度大于所述正弦波的峰峰高度。
全文摘要
本發(fā)明涉及編碼器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器；包括靜柵、動?xùn)?、同軸的內(nèi)圓筒和外圓筒，內(nèi)圓筒固定在傳動軸上并與傳動軸同軸轉(zhuǎn)動，外圓筒固定設(shè)置；動?xùn)旁O(shè)置在內(nèi)圓筒的外表面，靜柵設(shè)置在外圓筒的內(nèi)表面，靜柵和動?xùn)胖g具有一定氣隙，靜柵上激勵電極條長度大于動?xùn)派细袘?yīng)電極條正弦波形的峰峰高度，當(dāng)內(nèi)圓筒和外圓筒發(fā)生軸向移動時，靜柵上的激勵電極條完全覆蓋動?xùn)派系母袘?yīng)電極條，這樣信號保持不受軸向竄動的影響，同時本發(fā)明采用電荷二次反射方法，將動?xùn)派系募铍姌O條感應(yīng)的調(diào)制信號再反射回靜柵的接收電極條上，這樣避免了在動?xùn)派弦腚娫?，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和壽命。
文檔編號G01P3/483GK102998478SQ20121057064
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者莊德津 申請人:廣東盈動高科自動化有限公司