專利名稱：允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及編碼器技術領域，特別是一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器。
背景技術：
旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖或數(shù)字量的編碼器。目前傳統(tǒng)的旋轉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生徑向跳動，也會產生軸向竄動，另外熱脹冷縮也會導致電機軸軸向長度的變化。而電機軸軸向的竄動會導致編碼器測量精度的下降，甚至會影響編碼器的使用壽命。以光電式旋轉編碼器為例，光電式旋轉編碼器一般由光電碼盤與光敏探測器組成；實際應用中，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，超出規(guī)定值的變化不僅會使編碼器的信號質量和精度下降，而且由于摩擦會縮短編碼器的使用壽命，嚴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構，其結構和原理如下: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設置有彈簧，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。通過上述設計的緩沖結構，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致編碼器測量不準確，在電機開始旋轉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，其結構和原理如下:標尺上制作了發(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尺上制作均勻的刻度，這些刻度總是用均勻排列的導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確地計算出相對位移量。這種電容式技術既可用于線性位移的測量，也可用于旋轉角度的測量。電容式旋轉編碼器分動柵和靜柵二部分，都為精密加工的印刷電路板。如圖1所示，動柵上有發(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所示的電容式旋轉編碼器的結構圖中，動柵上共有48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對應于一個反射電極。動柵上每8個發(fā)射電極61為一組，共6組。對每組發(fā)射電極61進行編號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0.1mm左右。但上述這種電容式旋轉編碼器，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動軸同軸。兩個平行電路板之間的氣隙要求嚴格，原因是當氣隙過大時，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，嚴重時這兩塊電路板還會發(fā)生摩擦，導致失效或破壞。因此電容式旋轉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。
實用新型內容本實用新型為了解決目前現(xiàn)有的旋轉編碼器安裝在電機軸上，由于電機軸的軸向竄動而導致的旋轉編碼器性能下降、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編碼器。為達到上述功能，本實用新型提供的技術方案是:一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器，包括靜柵和動柵，所述電容式旋轉編碼器還包括同軸的內圓筒和外圓筒，所述內圓筒固定在傳動軸上并與所述傳動軸同軸轉動，所述外圓筒固定設置；所述動柵設置在所述內圓筒的外表面，所述靜柵設置在所述外圓筒的內表面，所述靜柵和所述動柵之間具有一定氣隙。優(yōu)選地，所述靜柵包括若干條形狀相同的激勵電極條，所述動柵包括一個以上的感應電極條，所述感應電極條的長度大于所述激勵電極條的長度，以保證當所述傳動軸發(fā)生竄動時，所述感應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，所述感應電極條包含反對稱形狀的第一感應電極條和第二感應電極條，所述第一感應電極條和所述第二感應電極條分別與所述兩條接收電極條對應構成兩個電容。優(yōu)選地，所述第一感應電極條和所述第二感應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。本實用新型所述的傳動軸是指電機軸或其它驅動軸，或者與電機軸或其它驅動軸連接的加長軸。本實用新型的有益效果在于:(I)、解決了由于傳動軸竄動造成的動柵和靜柵接觸摩擦甚至破損的問題，通過設置同軸的內圓筒和外圓筒，并把所述動柵設置在所述內圓筒的外表面，所述靜柵設置在所述外圓筒的內表面，所述靜柵和所述動柵之間具有一定氣隙，采用這種結構，在傳動軸徑向竄動允差范圍內，所述動柵和所述靜柵沒有相互接觸的可倉泛;(2)、測量準確，所述靜柵上激勵電極條長度大于所述動柵上感應電極條的正弦波形的峰峰高度，當所述內圓筒和外圓筒發(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柵上感應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)、簡化了產品的結構，提高了產品的使用壽命，通過在所述靜柵上設置接收電極條，所述動柵上的感應電極條感應的電荷會感應到所述接收電極條上，從而避免了在動柵上引入信號傳輸線。
圖1為現(xiàn)有動柵的結構示意圖；圖2為現(xiàn)有靜柵的結構示意圖；圖3為本實用新型的結構示意圖；圖4為本實用新型的靜柵展開后的結構示意圖；圖5為本實用新型的動柵與靜柵配合展開后的結構示意圖；圖6為調制信號接受/處理器結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖1至附圖6對本實用新型作進一步闡述:如圖3所示的一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器，包括靜柵2和動柵3，還包括同軸的內圓筒4和外圓筒5，內圓筒4固定在傳動軸I上并與傳動軸I同軸轉動，傳動軸I是電機軸或其它驅動軸，或者是電機軸或其它驅動軸的加長軸，外圓筒5固定設置，靜止不動；動柵3設置在內圓筒4的外表面，靜柵2設置在外圓筒5的內表面，靜柵2和動柵3保持同軸并且兩者之間具有一定氣隙。采用這種結構由于靜柵2與動柵3同軸，這樣即使傳動軸I發(fā)生軸向竄動，靜柵2和動柵3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)一個周期內激勵電極條21的數(shù)目，激勵信號整個周期360度也對應地平均分成幾個相位偏移，由于本實用新型動柵3和靜柵2分別設置在內圓筒4和外圓筒5上，為了表達方便，如圖4所示，將外圓筒5結構展開，變成線性結構，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,動柵3包括一個以上的感應電極條31,如圖5所示,為表述方便,我們也把圓筒狀的動柵3與靜柵2配合展開成線性狀進行說明，調制信號接受/處理器產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)射給動柵3上的感應電極條31，再由感應電極條31把信號傳輸給調理電路進行解調。由于動柵3隨著內圓筒4做旋轉，是一個運動件，在運動件上引入信號傳輸線會導致結構復雜化且信號傳輸線容易出故障。為解決這個問題，本實用新型在靜柵2上設置有接收電極條22，接收電極條22與感應電極條31有對應面積，這樣就接收電極條22與感應電極條31就構成了電容的兩極，感應電極條31上的調制信號便可反射回接收電極條22，再由接收電極條22傳送給調制信號接受/處理器進行處理。[0030]為盡量減少背景噪聲或共模噪聲干擾，本實施例中，調制信號優(yōu)先設計成兩路差分信號以實現(xiàn)共模噪聲抑制，為達到這個目的，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，感應電極條31包含反對稱形狀的第一感應電極條311和第二感應電極條312，第一感應電極條311和第二感應電極條312分別與上、下兩條接收電極條22對應構成兩個電容，兩路差分的調制信號由第一感應電極條311和第二感應電極條312產生，并分別由上、下兩條接收電極條22傳送到調制信號接收/處理器進行處理。如圖5所示，第一感應電極條311和第二感應電極條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。當內圓筒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完全覆蓋動柵3上第一感應電極條311和第二感應電極條312的正弦波形狀的部分，從而使調制信號保持不受傳動軸I軸向竄動的影響。如圖5所示，每個動柵3上的感應電極條31可以通過與靜柵2上激勵電極條21的對應面積感應電荷。第一感應電極條311和第二感應電極條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，即長度相等。當動柵3與靜柵2有相對旋轉，不失一般性，可以將這個位移轉換成在一個周期的相位角口，則第一感應電極條311上可以感應的電荷Va::
權利要求1.一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器，包括靜柵(2)和動柵(3)，其特征在于:所述電容式旋轉編碼器還包括同軸的內圓筒(4)和外圓筒(5)，所述內圓筒(4)固定在傳動軸(I)上并與所述傳動軸(I)同軸轉動，所述外圓筒(5)固定設置；所述動柵(3)設置在所述內圓筒(4)的外表面，所述靜柵(2)設置在所述外圓筒(5)的內表面，所述靜柵(2)和所述動柵(3 )之間具有一定氣隙。
2.如權利要求1所述的允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器，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)，所述動柵(3)包括一個以上的感應電極條(31)，所述感應電極條(31)的長度大于所述激勵電極條(21)的長度，以保證當所述傳動軸(I)發(fā)生竄動時，所述感應電極條(31)完全覆蓋所述激勵電極條(21)。
3.如權利要求1或2所述的允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器，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.如權利要求3所述的允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器，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.如權利要求4所述的允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器，其特征在于:所述感應電極條(31)包含反對稱形狀的第一感應電極條(311)和第二感應電極條(312)，所述第一感應電極條(311)和所述第二感應電極條(312)分別與所述兩條接收電極條(22 )對應構成兩個電容。
6.如權利要求5所述的允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器，其特征在于:所述第一感應電極條(311)和所述第二感應電極條(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。
專利摘要本實用新型涉及編碼器技術領域，特別是一種允許傳動軸軸向竄動的電容式旋轉編碼器；包括靜柵、動柵、同軸的內圓筒和外圓筒，內圓筒固定在傳動軸上并與傳動軸同軸轉動，外圓筒固定設置；動柵設置在內圓筒的外表面，靜柵設置在外圓筒的內表面，靜柵和動柵之間具有一定氣隙，靜柵上激勵電極條長度大于動柵上感應電極條正弦波形的峰峰高度，當內圓筒和外圓筒發(fā)生軸向移動時，靜柵上的激勵電極條完全覆蓋動柵上的感應電極條，這樣信號保持不受軸向竄動的影響，同時本實用新型采用電荷二次反射方法，將動柵上的激勵電極條感應的調制信號再反射回靜柵的接收電極條上，避免了在動柵上引入電源，簡化了結構，提高產品的穩(wěn)定性和壽命。
文檔編號G01P3/483GK202994819SQ20122072611
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權日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