絕對式磁旋轉編碼器的制造方法

絕對式磁旋轉編碼器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種絕對式磁旋轉編碼器，包括旋轉軸，多個可隨所述旋轉軸旋轉的轉輪，與所述多個轉輪一一對應的多個編碼單元，和為所述多個編碼單元提供磁場偏置的一個或多個永磁體組件。每個編碼單元包括其上的結構設置可使其磁導率隨相對于所述旋轉軸的位置的不同而不同的導磁性編碼器圓盤，和包括多個磁傳感器的傳感器單元。傳感器單元用于感應導磁性編碼器圓盤的導磁率，輸出表征所述導磁性編碼器圓盤相對位置的感應信號。根據所述傳感器單元的感應信號，每個編碼單元輸出表征所對應轉輪選定的旋轉位置的數值。根據本發明，可以得到成本更低，更簡單，具有更精確的磁編碼器圓盤的絕對式磁旋轉編碼器。
【專利說明】絕對式磁旋轉編碼器
【技術領域】
[0001]本發明涉及旋轉編碼器。更具體地，本發明涉及一種改進的絕對式磁旋轉編碼器。【背景技術】
[0002]現有的編碼器可用于水電表抄表以及其他需要長時間遠程監測總流量任何地方。它們包括在其中的氣體或液體流動時在旋轉的轉輪。監測的轉輪的旋轉圈數，可以給出在任何時間通過轉輪的總流量的直接測量。常見的編碼器類型例如有光學、電學接觸、和電感編碼器。絕對編碼器是所有編碼器的一個子集，它們提供任何時間每個轉輪的旋轉位置信息，而不需要監測由轉輪的運動導致的脈沖。編碼器通常包括典型的轉輪并提供相應的輸出。雖然有其他可能計數方式，每個轉輪通常具有10個不同的數字，例如編碼器轉輪編號可以從O到9。除了有電子數值輸出外，還可能提供可視化的讀數。一種常見的編碼器配置有至少一個轉輪，如果記錄時間是幾十年或更長，則需要更多的轉輪。至少一個轉輪安裝在一起，第一個轉輪轉一整圈，就會使第二個轉輪轉0.1圈，也可以是其他的旋轉比例。同樣，除了最后的轉輪，第N轉輪的完整的旋轉，使第N+1轉輪旋轉0.1圈。這種多輪組裝就可以記錄幾十年的讀數。
[0003]現有的編碼技術還包括光傳輸編碼，光反射編碼和電接觸編碼。光學方法受到來自污垢和光污染的問題，由于光源和光探測器所需的電子元件導致費用較高。電接觸編碼器隨著時間的推移老化遭受可靠性低的問題。其他在現有領域的編碼技術還有交替磁化的磁性目標和磁電感的探測器。磁性目標是更昂貴的，他們的本身的精密度受限于材料的永久磁化的能力。
[0004]因此，需要一種成本更低，更簡單，可能更精確的磁編碼器圓盤將對流量計和電表行業有益。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于克服現有技術存在的以上問題，提供一種改進的電子絕對磁旋轉編碼器技術。具體的技術改進包括以下內容:I)使用可磁化的“軟磁”性材料在磁編碼器圓盤上比在永磁體上更容易形成結構變化2)帶有可以在磁轉變附近降低輸出噪聲的磁性開關電路，3)包括可選的磁通量閉合裝置，用于降低相鄰轉輪的磁“串聲”，4)根據在敏感軸平面內的圓盤附近模擬和測量所得到的磁場值來調整圓盤結構的幾何設計，5)設計既能編碼又能解碼10個不同旋轉位置的4-傳感器和5-傳感器。
[0006]為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現:
[0007]一種磁旋轉編碼器，包括
[0008]旋轉軸，
[0009]多個可隨所述旋轉軸旋轉的轉輪，
[0010]與所述多個轉輪一一對應的多個編碼單元，和
[0011]為所述多個編碼單元提供磁場偏置的一個或多個永磁體組件，[0012]其特征在于，
[0013]每個編碼單元包括:
[0014]導磁性編碼器圓盤，其上的結構設置可使其磁導率隨相對于所述旋轉軸的位置的不同而不同，和
[0015]包括設置在同一感應平面內的多個磁傳感器的傳感器單元，用于感應導磁性編碼器圓盤的導磁率，輸出表征所述導磁性編碼器圓盤相對位置的感應信號，所述感應平面大致垂直于所述旋轉軸，
[0016]對于所述導磁性編碼器圓盤和所述傳感器單元，兩者當中一個隨所述轉輪一同旋轉，另一個保持不動。
[0017]根據所述傳感器單元的感應信號，每個編碼單元輸出表征所對應轉輪選定的旋轉位置的數值。
[0018]優選地，所述一個或多個永磁體組件的磁化強度方向和所述導磁性編碼器圓盤的磁化強度方向分別與所述旋轉軸的軸向大致平行，并且每一傳感器的感應軸與所述旋轉軸的徑向大致平行。
[0019]優選地，每個傳感器單元包括4個或5個磁阻傳感器，每個轉輪選定10個旋轉位置。
[0020]優選地，該磁旋轉編碼器包括與所述多個編碼單元一一對應設置的多個永磁體組件。
[0021]優選地，該磁旋轉編碼器包括分別為兩個編碼單元提供偏置的多個永磁體組件。
[0022]優選地，每一永磁體組件包括至少一個環形永磁體或環形布置的多個永磁體。
[0023]優選地，每一編碼單元進一步包括由軟磁材料制成的磁通閉合裝置。
[0024]優選地，所述導磁性編碼器圓盤的結構包括形成在所述導磁性編碼器圓盤中的至少一個槽。
[0025]優選地，所述導磁性編碼器圓盤的結構包括形成在所述導磁性編碼器圓盤中的至少一個凸起和/或調整片。
[0026]優選地，所述永磁體組件的制成材料為選自鋇鐵氧體、鈷鐵氧體、釹鐵硼、鐵氧體中的一種。
[0027]優選地，所述導磁性編碼器圓盤的制成材料為選自鎳鐵導磁合金、軟鐵、高導磁合金、軟鋼、軟磁鐵氧體中的一種。
[0028]優選地，每個編碼單元中，導磁性編碼器圓盤和所述磁傳感器單元之間間隙的最小距離為0.l-4mm。
[0029]根據本發明，可以得到成本更低，更簡單，具有更精確的磁編碼器圓盤的磁旋轉編碼器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1A-1D示出根據本發明實施例1的磁旋轉編碼器組裝示意圖。
[0031]圖2A-2E示出根據本發明實施例2的磁旋轉編碼器組裝示意圖。
[0032]圖3A-3B是實施例3的磁旋轉編碼器中一個編碼單元的示意圖。
[0033]圖4A-4B是實施例4的磁旋轉編碼器中一個編碼單元的示意圖。[0034]圖5A-5B是實施例5的磁旋轉編碼器中一個編碼單元的示意圖。
[0035]圖6A-6B是實施例7的磁旋轉編碼器中一個編碼單元的結構示意圖。
[0036]圖7A-7C是實施例7的磁旋轉編碼器中一個編碼單元的編碼原理。
[0037] 圖8A-8B是實施例7的磁旋轉編碼器中一個編碼單元中的一個傳感器的響應曲線。
[0038]圖9A-9B是實施例8的磁旋轉編碼器中一個編碼單元的結構示意圖。
[0039]圖10A-10C是實施例8的磁旋轉編碼器中一個編碼單元的編碼原理。
[0040]圖1IA-1IB是實施例8的磁旋轉編碼器中一個編碼單元中的一個傳感器的響應曲線。
[0041]圖12是有孔、調整片和凸起區域的編碼器圓盤。
【具體實施方式】
[0042]下面參照附圖并結合優選實施例來對本發明進行詳細說明。各圖中，相同或相似的附圖標記標識相同或相似的部件。
[0043]圖1A-1D示出根據本發明的一種多輪旋轉編碼器組裝示意圖，分別示出具有5-轉輪的絕對式磁旋轉編碼器的不同的視角圖。圖1中的旋轉編碼器包括旋轉軸107，5個可隨旋轉軸107 —起旋轉的轉輪101，102，…，105，與轉輪——對應的5個編碼單元，和為一個或多個編碼單元提供磁場偏置的永磁體114。旋轉編碼器包括旋轉部分和固定部分，旋轉部分能剛性支持編碼器圓盤，在外力矩作用下與轉輪一起隨所述旋轉軸旋轉，固定部分不能隨旋轉軸旋轉，可安裝在固定支架上。每個編碼單元包括導磁性編碼器圓盤110和傳感器組件117。導磁性編碼器圓盤110具有一定的幾何結構，并設置為相對于傳感器組件的感應表面旋轉。在為導磁性編碼器圓盤110提供磁偏置的同時，永磁體114中的設置能使傳感器組件中的各傳感器不處于飽和操作方式。形成在PCB112上帶有磁滯性質的磁性開關輸出電路，將來自傳感器的感應信號生成簡單的兩狀態輸出信號，并可減少傳感器在磁場轉換時發生旋轉的電子輸出噪聲。導磁性編碼器圓盤110上的結構設置使得其磁導率隨其相對于旋轉軸107的位置的不同而不同。編碼器圓盤110具有與轉輪的多個選定旋轉位置相對應的多個選定位置。在隨角度旋轉的多個選定位置中的每一位置，該具有幾何結構的導磁性編碼器圓盤為傳感器組件中的多個傳感器提供唯一的一組磁場。傳感器組件117包括設置在同一感應平面內的多個磁傳感器116，該感應平面垂直于旋轉軸。當傳感器組件117相對于對應圓盤旋轉時，傳感器組件感應對應的導磁性編碼器圓盤的導磁率，輸出表征該導磁性編碼器圓盤選定位置的感應信號。編碼器圓盤的角度位置與傳感器組件相關，可以產生數字代碼，由此給傳感器組件提供磁空間編碼。根據所述傳感器組件的感應信號，每個編碼單元輸出表征對應轉輪選定旋轉位置的數值。
[0044]例如，該旋轉編碼器提供了記錄最右邊的轉輪101轉過的輪換的總數可視化方式和電子方式。可視化記錄是從每個轉輪上的例如最頂端開始。因此，當目前的讀數為00019圈時，這意味著最右邊的計數轉輪101已經轉了一個整圈即將完成第二圈。我們將它命名為“10°”，因為這代表以10為基數的量級。從右倒數第二個計數轉輪102，被命名為“101”，從右倒數第三個轉輪103，被命名為“102”。從右倒數第四個計數轉輪104，被命名為“103”。從右倒數第三個計數轉輪105，被命名為“ IO4”。[0045]轉輪102的轉動與轉輪101的轉動以10:1的關系聯系在一塊兒。這意味著10°轉輪101每轉10圈使IO1轉輪102轉I圈。以同樣的方式，IO1轉輪102每轉10圈使IO2轉輪103轉I圈。更普遍的是，IOn轉輪每轉10圈使相鄰的10N+1轉輪轉I圈，N為自然數。雖然此圖顯示了 5-轉輪編碼器，同樣的描述可以很容易地應用到具有任意數量計數轉輪的編碼器上。
[0046]實施例1
[0047]在根據本發明優選實施例1的旋轉編碼器中，永磁鐵與編碼單元一一對應。
[0048]如圖1所示,每一個計數轉輪都有一個永磁鐵與其對應,也即每個編碼單元與永磁鐵一一對應。圖1A是轉輪組件5的右視圖，圖1B是旋轉編碼器100的主視剖面圖。為了更容易看清楚轉輪的主要兩個部分，將轉輪的右視圖分為圖1C和ID兩部分。在該例中，圖1C所示的是固定部分，圖1D是所示的旋轉部分。所有轉輪101，102，…，105繞桿106旋轉，桿106與旋轉軸107同軸。為了能讓導磁性編碼器圓盤110和轉輪101 —起繞軸107旋轉，可將導磁性編碼器圓盤110安裝在轉輪101上。磁鐵114不以旋轉的方式安裝，而是固定在一外部支架上，印刷電路板(PCB) 112也是固定的。五個磁傳感器116.1、116.2、116.3、116.4、116.5被物理連接到PCB112上，PCB112也為傳感器116提供電學連接。該例中，PCBl 12和傳感器116結合在一起被稱為傳感器組件117，傳感器組件117和固定磁鐵114可形成固定裝置122。
[0049]圓盤110具有一結構變化113。這種結構變化是在導磁性編碼器圓盤110里形成的不同的幾何結構。這種幾何結構可以使磁場發生變化，該磁場可由附近相對于圓盤繞軸107旋轉的傳感器測得。這種結構變化必須是精確的，以便實現本發明的技術方案。上述結構變化被構造為，在角度旋轉的10個位置中的每一位置，具有結構變化的導磁性編碼器圓盤為5個傳感器提供唯一的一組磁場。這種磁性編碼器設計的更多細節將會在后面的圖中進行詳細說明。圓盤110和轉輪101 —起形成了旋轉組件121，該旋轉組件按轉輪旋轉方向118繞軸107旋轉。
[0050]實施例2
[0051]在根據本發明優選實施例2的旋轉編碼器中，兩個計數轉輪可以共享一個磁鐵。
[0052]如圖2所示，實施例2中固定磁鐵114的布置不同于實施I中的永磁鐵布置。圖2A是編碼單元的右視圖，圖2B是旋轉編碼器200的主視剖面圖。為了能更容易看清楚轉輪，編碼單元以及磁鐵等各個部分的位置關系，將圖2A進一步分為2C-2E三個圖示出。圖2C和圖2E分別是兩個固定部分，圖2D是轉輪的旋轉部分。在圖2中，一個磁鐵114可為兩個傳感器組件提供偏置，每個磁鐵114產生的磁場可由其兩側的兩個傳感器組件117所測得。在這種安排下，例如磁鐵114形成了一個單獨的固定裝置123。旋轉裝置121可與圖1中一樣構造，傳感器組件117也形成為固定裝置122’。
[0053]在一個多轉輪旋轉編碼器中，該實施例的方案節約了空間和成本。
[0054]該實施例可與其他實施例結合使用。
[0055]實施例3
[0056]在根據本發明優選實施例3的編碼單元中，磁鐵位于轉輪上，可和編碼器圓盤一起隨轉輪繞旋轉軸旋轉 而包括5個傳感器的傳感器組件由固定裝置保持位置，如圖3所
/Jn ο[0057]圖3A是一個編碼單元的右視圖，圖3B是沿圖3A中A方向的剖面圖。為了能更能看清楚其他元件，PCBl 12僅在圖3A中有一輪廓圖。在這種布置安排下，磁鐵114設置在轉輪101上，和圓盤110極為貼近甚至相接觸，這些元件一起繞軸107旋轉。在圖3中，PCBl 12例如是矩形的。可以理解，PCBl 12不僅能為傳感器116.1-116.5提供電連接，還可為轉輪裝置提供結構支撐。
[0058]傳感器116中的有源元件靠近導磁性編碼器圓盤設置，它們在垂直于旋轉軸的方向具有靈敏性。通過感應元件并且平行于每一個傳感器感應軸的平面稱之為感應平面124。在本圖中，每一個傳感器的感應軸都設計成與旋轉軸的徑向平行，感應軸與每個傳感器的短邊方向相對應。如非特殊說明，在下文中都將采用這種方案。
[0059]該實施例中磁鐵114的布置與圖1和圖2中所示的環形磁鐵形狀類似。磁鐵114的磁化強度184方向與旋轉軸107大致平行，并且與在磁鐵114內部的分布一致。磁鐵114的雜散磁場的磁場線也與旋轉軸107大致平行。導磁性編碼器圓盤110隨轉輪旋轉，旋轉得到的旋轉表面在圓盤平面125處，與感應平面124平行。這兩個平面彼此相隔開來，平面124和125之間具有間隙，在圖中以G126所示。該間隙被設置為既方便兩個感應平面和圓盤之間的相對旋轉，又使傳感器對圓盤的導磁率有敏感和精確的感應。采用單一的整體環形磁鐵設計，5個傳感器中的每一個傳感器盡管角度位置不同，但磁鐵在每個傳感器位置處的磁場效應是相同的。通過觀察環形磁鐵114和傳感器116的角對稱便可以理解這個情形。隨著圓盤110的旋轉，傳感器里磁場的任何變化都僅是由于圓盤的幾何結構113所造成的。
[0060]一些可能用于永磁鐵114的材料包括鋇鐵氧體、鈷鐵氧體、釹鐵硼、鐵氧體以及任何一種其他常見的永磁性材料。在一個飽和磁場移除后，這些常見的永磁性材料仍然有很強的磁場強度，并且需要一個相對大的磁場來使其磁場強度達到飽和。一些可能用于導磁性編碼器圓盤110的材料有鎳鐵導磁合金、軟鐵、高導磁合金、軟鋼、軟磁鐵氧體。這里，“軟磁”是指滯留的凈磁場強度相對于飽和磁場強度很小，并且一個相對較小的磁場就能使磁場強度達到飽和。
[0061]實施例4
[0062]在根據本發明優選實施例4的編碼單元中，包括5個小的永磁鐵的磁鐵組件形成在固定裝置上，傳感器組件包括5個傳感器，如圖4所示。圖4A是實施例4中編碼單元的右視圖，圖4B是沿圖4A中A方向的剖面圖。為了能更清楚看清其他元件，機械支架131僅在圖4A中有一輪廓圖，5個小的永磁鐵114.1、114.2、114.3、114.4、114.5以及PCB112也只有一輪廓圖。在這種布置安排下，小的永磁鐵114.1-114.5放在機械支架131上,使其對稱軸與旋轉軸107平行，并且對稱軸能通過相應的傳感器116.1-116.5。磁鐵114和傳感器116均位于機械固定裝置上。在本圖中，PCB112是圓形的。它能為傳感器116.1-116.5提供電連接，在結構上，PCBl 12依附于機械支架131并且由其支撐。
[0063]在本實施例中，傳感器組件的設置和前面實施例3相同。傳感器116.1-116.5中的有源元件靠近導磁性編碼器圓盤設置，這些元件在垂直于旋轉軸的平面有靈敏性。通過傳感器元件并且大致平行于每一個傳感器感應軸的平面稱之為感應平面124。在本圖中，每一個傳感器的感應軸都設計成與徑向平行，這與每個傳感器的短邊方向相對應。編碼器圓盤距傳感器感應平面最近的旋轉表面位于平面125處，平面124和125之間的空間稱之為間隙Gl26。[0064]在本實施例中，永磁鐵關于旋轉軸環形布置的偏置設計與圖1和圖2中所示的環形磁鐵形狀有些差異。每個永磁鐵組件包括多個永磁鐵，每個永磁鐵與一個傳感器對應。磁鐵 114.1、114.2、114.3、114.4、114.5 各自的磁化強度方向 184.1、184.2、184.3、184.4、184.5均與旋轉軸107的方向平行，并且與磁鐵114.1-114.5內部方向相一致。雖然磁鐵114.1-114.5的雜散磁場中有一些磁場線彎曲不可避免，但也與旋轉軸107大致平行。導磁性編碼器圓盤110旋轉以使其旋轉表面在圓盤平面125處，與感應平面124平行。這兩個平面以設定的間隙G126彼此相隔開來，該間隙優選為0.l-4mm。由于磁鐵114.1-114.5牢牢地安裝在固定傳感器組件117上，所以傳感器的角度位置雖有所不同，但有了這5個小的磁鐵偏置設計，5個傳感器中的每一個傳感器上永磁鐵的磁場效應都是相同的。隨著圓盤110的旋轉，任何傳感器里磁場的變化都僅是由于圓盤110中結構變化113所造成。
[0065]這個磁偏置設計有在間隙126之外的偏置磁鐵114.1-114.5,也就是磁鐵114.1-114.5位于傳感器116.1-116.5遠離圓盤110的一側,而不是像實施例3中那樣在圓盤110遠離傳感器的那一側。
[0066]本實施例4中可選擇的磁鐵材料和圓盤材料和實施例3相同。在本實施例中，介紹了一傳感器對應一小永磁體的情形，精確來說是5個傳感器-5個永磁體。原則上來說，這種情形適用于任何數量的傳感器和永磁體，后面的一個實施例將會描述4個傳感器-4個永磁體的情形。
[0067]實施例5
[0068]在根據本發明優選實施例5的編碼單元中，包括形成在旋轉裝置上的I個大環形磁鐵，和在固定裝置上的4個傳感器，如圖5所示。圖5A是實施例5中編碼單元的右視圖，圖5B是沿圖5A中A方向的剖面圖。在這個實施例中，增加了可選的磁性閉通量板133，并且僅僅使用4個傳感器116.6-116.9 ;與實施例3相比，環形磁鐵114和圓盤110之間的間隙增大。在本圖中，PCB112是圓形的，它為傳感器116.6-116.9提供電連接。
[0069]本實施例中的感應裝置設計和前面的實施例4相類似，但與實施例4明顯不同之處在于只有4個傳感器而不是5個。傳感器116.6-116.9中的有源元件靠近導磁性編碼器圓盤設置，這些元件在平行于PCB的表面具有靈敏性。通過感應元件并且平行于每一個傳感器感應軸的平面稱之為感應平面124。在本圖中，每一個傳感器的感應軸都設計成與徑向平行，這與每個傳感器的短邊方向相對應。離傳感器最近的圓盤表面是在圓盤平面125處，平面124和125之間的空間稱之為間隙，設定的距離如G126所示。
[0070]在本實施例中，磁鐵114的形狀與圖1和圖2中環形磁鐵的形狀相類似，磁鐵偏置設計與實施例3類似。磁鐵114的磁化強度矢量184的方向與旋轉軸107的方向平行，并且與在磁鐵114內部的分布一致。雖然磁鐵114的雜散磁場中有一些磁場線彎曲不可避免，但磁場線也與旋轉軸107大致平行。導磁性編碼器圓盤110旋轉以使其旋轉表面在圓盤平面125處，與感應平面124平行。這兩個平面以設定的間隙G126彼此相隔開來，該間隙優選為0.l-4mm。由于磁鐵116.6-116.9牢牢地安裝在固定傳感器組件117上，所以傳感器的角度位置雖有所不同，但有了這個大的環形磁鐵設計，4個傳感器中的每一個傳感器上磁鐵的磁場效應都是相同的。通過觀察對應于傳感器116.6-116.9的環形磁鐵114的角對稱情況便可以理解此情形。隨著圓盤110的旋轉，任何傳感器里磁場的變化都僅是由于圓盤110中結構變化113所造成。[0071]在本實例中，加了磁性閉通量板133。這個板是由軟磁材料制成，這與那些用于圓盤110的材料有些類似，但不一定完全相同。磁性閉通量板133是用來減少偏置磁鐵114在遠離間隙G126的背側的磁通量的磁阻路徑。這一閉通量板可以降低組件例如組件102及其他的組件中在其它轉輪處的雜散磁場；可以降低包括外部磁場的其它場源的磁場干擾；以及提高磁通量從磁鐵114到指定區域之間傳遞的效率。
[0072]實施例5中所選擇的磁鐵和圓盤材料與實施例3中相同,磁性閉通量板133所選擇材料與軟導磁性編碼器圓盤HO的材料類似。
[0073]該實施例可結合其他實施例使用。
[0074]實施例6
[0075]在本實施例6中，在固定裝置上有4個傳感器和4個小永磁體。本實施例沒有用一個附圖來精確表示，它結合了圖4和圖5中的設計。傳感器116.6-116.9的位置和圖5A中相同，這4個傳感器相對于旋轉軸107有相同的角度位置。4個小永磁體的位置借鑒了圖4A和圖4B中所示的小永磁體位置的設計。從圖4中可以看出，小永磁體114.1-114.5安裝在支架131的背面，它們的中心直接在傳感器116.1-116.5的中心。為了使這種設計適用于本實施例，4個小永磁體的位置中心與4個傳感器116.6-116.9的中心相同。在本實施例中，沒有大的環形磁鐵114。
[0076]在接下來的實施例7和實施例8中，對磁場偏置設計和磁性編碼器設計進行進一步說明。在圖6、圖7和圖8中顯示的為實施例7的5-傳感器設計。在圖9、圖10和圖11中顯示的為實施例8的4-傳感器設計。
[0077]實施例7
[0078]圖6A和圖6B顯示的是圓盤110、磁鐵114和傳感器116.1-116.5的右視圖和剖面圖，以便清楚說明磁場偏置設計和磁性編碼器設計以及磁場傳感器的位置和方向與這些設計的關系。從圖6A得到剖面圖D，如圖6B所示。下面標有R的水平軸是由經過圖6A中Θ =0°和Θ =180°兩位置的直線所得到。圖6B中的垂直軸Z軸方向和旋轉軸107方向相同，都指向圖6A的平面外。
[0079]圖6A標注了幾個半徑值。圓盤110的內半徑是166RDI，外半徑是167RD()。環形磁鐵114的內半徑是164RMI，外半徑是165Rmq。結構變化113.1和113.2的內外半徑分別是162RVI和163Rvq。稱之為190軌跡的虛線圓的內半徑是Rftac;k161。軌跡190是顯示環形磁鐵114和圓盤110徑向對稱的非物理標記。RTMdt161正好是166Rdi和167RDQ的平均值，也是162RVI和163R?的平均值。應當理解，通常情況下并不需要這種對稱性，本發明在此以這種結構為例進行說明，以簡化對那些物體附近磁場的描述以及理解。
[0080]圖6B是磁場偏置的實例。磁鐵114是一永磁鐵，它的磁化強度184的方向平行于Z軸和旋轉軸107，這一方向用磁鐵114上的實心箭頭表示。導磁性圓盤110是軟磁性材料圓盤，這意味著如果加上一外磁場，它僅僅只有顯著的內部磁化強度。圓盤磁化強度182表不圓盤110的內部磁化強度，它用白色空心箭頭表不。再參考圖6A的圖形，就能看出在θ=0°位置處，有一傳感器116.1并且在圓盤110中有結構變化113.1，而在Θ =180°位置處，既沒有傳感器，也沒有結構變化，這些區別在圖形底部中就能看出來。
[0081]在大振幅磁場可由附近的平行板永磁鐵產生的情況下，這種磁場里存在的可磁化的軟磁鐵磁板的特性在文獻里很常見。圓盤Iio的磁化強度182平行于磁鐵114的磁化強度184，在這兩個磁化平行板里的磁場181’也平行于磁化強度184。對于與板的半徑尺寸相比兩板很靠近的情形，上面的說法便可成立。在靠近磁鐵114的邊緣，磁場181’并非分布均勻，并且是從磁鐵里傳播出去。在半徑Rftadt處，磁鐵114的中心磁場是勻強磁場。磁場181’的這種現象顯示在圖6B右側中。
[0082]與之相反，在圖6B左側，磁鐵114和圓盤110之間的磁場181在半徑Rftaek處是非勻強磁場，這是由于結構變化113.1存在的原因。結構變化113.1導致不能像圖右側那樣有一平行板。相反，磁感應線傾向于沿著低磁阻方向傳播，也就是說，沿著有最大磁導率的材料所在路徑傳播。這個路徑有點像圖左側中所顯示的磁感應線181。說明一下，在圖中沒有明顯顯示的地方是有磁感應線的，磁感應線是從圓盤110的頂部流出，從磁鐵114的底部流入，省略的磁感應線構成了完整的由永磁鐵114產生的磁通量環。
[0083]傳感器116.1-116.5這樣布置是為了在它們所在位置的具體角度處，它們的軸向靈敏度能與徑向R平行。它們在Z軸方向和Θ方向沒有靈敏度。圖6A顯示了每一個傳感器所在位置的角度和它們的靈敏度方向，以[傳感器:靈敏度角度(度)]表示，[116.1，O], [116.2,72], [116.3,144], [116.4,216], [116.5，288]。他們所在位置的半徑也要比161RTMek稍微大一些。根據圖6B，可以看見在Rftaek外的磁場在比半徑R大的左半邊θ=0°向外彎曲，在右半邊Θ =180°根本不彎曲。磁場在徑向的正方向彎曲意味著平行于徑向正方向θ=0°有一小部分磁場。在傳感器位置的徑向分量Btodial的磁性模擬結果便是下圖8中所描繪的曲線191。傳感器116.1設計成對分量BKadial有靈敏度，但對分量Bz沒有。如果圖6B右側Θ =180°處的一個傳感器在大于半徑Rftadt處，將不能測到任何磁場，這是由于在Θ =180°處，Bliadial=O0總之，隨著圓盤110相對于固定傳感器116.1-116.5旋轉，由傳感器測得的磁場振幅很小，但當一個特定傳感器在結構變化附近的時候，磁場振幅值大于零，傳感器離結構變化越遠，振幅值越接近于零。
[0084]因此，當圓盤繞著傳感器旋轉的時候，磁傳感器能探測軟導磁性圓盤上是不是有結構變化。這種效應被用來設計磁性編碼器。按預定角度位置設置的每一個傳感器都能提供電信號，圓盤位置不同，所對應的電信號也不相同。電子電路能將磁傳感器的模擬信號轉化為數字信號，例如，I代表有結構變化，O代表沒有結構變化。并且如果制作一組結構變化，例如結構變化113，I和113.2，那么當編碼器轉輪101和圓盤110 —同相對于固定傳感器旋轉時，在編碼器轉輪101的10個位置中，每一個位置從傳感器116.1-116.5得到的一系列信號都是不同的。
[0085]這樣一個編碼方案的總圖，如圖7所不。圖7A顯不了圓盤110相對于傳感器116.1-116.5的10個不同角度位置。在圖7B的表中，“數字”一欄中的數字對應于10個位置中每一位置在轉輪上顯示的的編號。“角度” 一欄顯示出從θ=0°開始的旋轉角度Θ的數值。“傳感器編號” 一欄顯示了對于給定角度位置的固定電路板上傳感器的編號。“傳感器輸出值” 一欄顯不5個傳感器中每一傳感器的信號輸出。這5個值組合在一起形成了每一個角度處的代碼值“I”和“O”的組合。這些5位數字代碼便是圖7Α中每一個圓環上面的標記。例如數字4上排，右側從Θ =O0開始沿著順時針轉:傳感器116.1和116.4不對應結構變化，傳感器116.2、116.3和116.5對應結構變化。當旋轉角度值為Θ =144°時就會出現這種情況，并且輸出代碼為10010。
[0086]圖8示出5-開關傳感器的輸出和磁場之間的關系曲線。當圓盤旋轉角度從θ=0°到θ =360°整個一圈，在θ=0°處的傳感器116.1所測得的以及預期存在的磁場如圖8Α所示。圖中軸的下方是圓盤110的旋轉角度，左邊軸是從磁場模型得到的磁感應強度分量BKadial。磁場(高斯)-角度(度)關系曲線是圖中標有菱形標志的粗實線，即曲線191。右邊軸是磁開關傳感器的傳感器輸出電壓，在說明里已經對該傳感器進行描述了。傳感器輸出電壓(伏特)一角度(度)的關系曲線用圖中的細曲線192表示。
[0087]在圖8B中包含了一個商業數字磁開關對施加的磁場的典型響應。這個開關將磁場的模擬信號 轉換為數字2-狀態電子信號輸出。水平軸是磁場(高斯)，縱軸是開關傳感器輸出電壓(伏特)。數字磁開關的輸出電壓和施加的磁場之間的關系曲線在圖中便是曲線193。需要說明的是曲線上存在磁滯現象。當施加的磁感應強度為負值時，輸出電壓為低值\。隨著磁感應強度的增大，變為正值，并且增大到超過定義的磁場工作點，傳感器輸出值會從低值轉變為高值VH。然后，隨著磁感應強度從大的正值逐漸減小,輸出值又變回到磁場重置點Bkp時的低值\。磁場的兩個轉換閾值和Bkp便是上半圖中的虛線194和195所示。因此，當傳感器的外磁場曲線191穿過虛線Bra^P Bkp時，傳感器輸出值如圖中的曲線193所示。
[0088]本發明的使用方法有很多種，包括本實施例中涉及的基本概念的變形。例如，可以用“I”和“O”表示不同的數字代碼；可以用逆時針取代順時針旋轉；傳感器可以繞輪子旋轉，而圓盤保持固定。雖然所有這種類型的裝置在這沒有進行明確詳細的描述，但這些裝置仍在本發明的精神和保護范圍之內。
[0089]實施例8
[0090]與實施例7相比，實施例8有以下兩個不同之處:使用了 4個傳感器而不是5個，并且在編碼器的圓盤設計里有3個結構變化。這些概念將會在圖9、圖10和圖11里進行描述。
[0091]圖9A和圖9B顯示的是圓盤110’、磁鐵114和傳感器116.6-116.9的右視圖和剖面圖。這是為了解釋磁場偏置設計和磁性編碼器設計，以及與這些設計相關的磁場傳感器的位置和方向。從圖9A得到剖面圖E，如圖9B所示。下面標有R的水平軸是由經過圖9A中θ=0°和θ=180°兩位置的直線所得到。圖9Β中的垂直軸Z軸方向和旋轉軸107方向相同，都指向圖9Α的平面外。
[0092]圖9Α中標注了幾個半徑值。圓盤110’的內半徑是166RDI，外半徑是167RDQ。環形磁鐵114的內半徑是164RMI，外半徑是165Rm。結構變化113.5、113.6和113.7的內外半徑分別是162RVI和163Rvq。稱之為190軌跡的虛線圓的內半徑是RTradt161。軌跡190是顯示環形磁鐵114和圓盤110徑向對稱的非物理標記。RTradt161正好是166Rdi和167RM的平均值，也是162RVI和163Rto的平均值。應當理解，通常情況下并不需要這種對稱性，本發明在此以這種結構為例進行說明，以簡化對那些物體附近磁場的描述以及理解。
[0093]圖9B是磁場偏置的實例。磁鐵114是一永磁鐵，它的磁化強度184的方向平行于Z軸和旋轉軸107，這一方向用磁鐵114上的實心箭頭表示。導磁性圓盤110’是軟磁性材料圓盤，這意味著如果加上一外磁場，它僅僅只有顯著的內部磁化強度。圓盤磁化強度182’表示圓盤110’的內部磁化強度，它用白色空心箭頭表示。再參考圖9A的圖形，就能看出在θ=0°位置處，有一傳感器116.6并且在圓盤110’中有結構變化113.5，而在Θ =180°位置處，有傳感器116.8，但沒有結構變化，這些區別在圖形底部中就能看出來。[0094]在大振幅磁場可由附近的平行板永磁體產生的情況下，這種磁場里存在的可磁化的軟磁鐵磁板的特性在文獻里很常見。圓盤110’的磁化強度182’平行于磁鐵114的磁化強度184，在這兩個磁化平行板里的磁場181’也平行于磁化強度184。對于與板的半徑尺寸相比，兩板很靠近的情形，上面的說法便可成立。在靠近磁鐵114的邊緣，磁場181’并非均勻分布，并且是從磁鐵里傳播出去。在半徑Rftadt*，磁鐵114的中心磁場是勻強磁場。磁場181’的這種現象顯示在圖9B右側中。
[0095]與之相反，在圖9B左側，磁鐵114和圓盤110’之間的磁場181在半徑Rftaek處是非勻強磁場，這是由于結構變化113.5存在的原因。結構變化113.5導致不能像圖右側那樣有一平行板。相反，磁感應線傾向于沿著低磁阻方向傳播(也就是說，沿著有最大磁導率的材料所在路徑傳播)。這個路徑有點像圖左側中所顯示的磁感應線181。說明一下，在圖中沒有明顯顯示的地方是有磁感應線的，磁感應線是從圓盤110’的頂部流出，從磁鐵114的底部流入,省略的磁感應線構成了完整的由永磁鐵114產生的磁通量環。
[0096]傳感器116.6-116.9布置為使得它們的軸向靈敏度能夠以與它們所在位置的具體角度與徑向R平行。它們在Z軸方向和Θ方向沒有靈敏度。圖9A顯示了每一個傳感器所在位置的角度和它們的靈敏度方向。以[傳感器:靈敏度角度(度)]=[116.6,0], [116.7,72]，[116.8，180]，[116.9，288]。他們所在位置的半徑也要比16IRftack稍微大一些。根據圖9B，就能看見在Rftadt外的磁場在比半徑R大的左半邊Θ =0°向外彎曲，在右半邊θ=180°根本不彎曲。磁場在徑向的正方向彎曲意味著平行于徑向正方向Θ =0°有一小部分磁場。在傳感器位置的徑向分量BKadial的磁性模擬結果便是圖11中所描繪的曲線191’。傳感器116.6和116.8設計成對分量Btodial有靈敏性，但對分量Bz沒有。如果圖9B右側Θ =180°處的傳感器116.8在大于半徑Rftadt處，將不能測到任何磁場，這是由于在Θ =180°處，BRadial=0。總之，隨著圓盤110’相對于固定傳感器116.6-116.9旋轉，傳感器測得的磁場振幅很小，但當一個特定傳感器在結構變化附近的時候，磁場振幅值大于零，傳感器離結構變化越遠，振幅值越接近于零。
[0097]因此，當圓盤繞著傳感器旋轉的時候，磁傳感器能探測軟導磁性圓盤上是不是有結構變化。這種效應被用來設計磁性編碼器。按預定角度位置設置的每一個傳感器都能提供電信號，圓盤所對應的電信號也不相同。電子電路能將磁傳感器的模擬信號轉化為數字信號，例如，I代表有結構變化，O代表沒有結構變化。并且如果制作一系列結構變化例如結構變化113，5、113.6和113.7，那么當編碼器轉輪101和圓盤110’ 一同相對于固定傳感器旋轉時，在編碼器轉輪101的10個位置中，每一個位置從傳感器116.6-116.9得到的一系列信號都是不同的。
[0098]這樣一個編碼方案的總圖，如圖10所不。圖1OA顯不了圓盤110’相對于傳感器116.6-116.9的10個不同角度位置。在圖1OB的表中，“數字”那欄中的數字顯示出10個位置處的轉輪序號。“角度”那欄顯示出從θ=0°開始的旋轉角度Θ的數值。“傳感器編號”那欄顯示了對于給定角度位置的固定電路板上傳感器的編號。“傳感器輸出值”那欄顯示4個傳感器中每一傳感器的信號輸出值。這4個值組合在一起形成了每一個角度處的代碼值“I”和“O”的組合。這4位數字代碼便是附圖1OA中每一個圓環上面的標記。例如數位4(上排，右側)從Θ =O0開始沿著順時針:傳感器116.6和116.7沒有結構變化，傳感器116.8和116.9有結構變化。當旋轉角度值為θ=144°時就會出現這種情況，并且輸出代碼值為0011。
[0099]圖11示出4-開關傳感器的輸出和磁場之間的關系曲線。當圓盤旋轉角度從Θ =O0到θ=360°整個一圈，在θ=0°處的傳感器116.6所測得的以及預期存在的磁場，如附圖1lA所示。圖中軸的下方是圓盤110’的旋轉角度，左邊軸是從磁場模型得到的磁感應強度分量BKadial。磁場(高斯)一角度(度)關系曲線是圖中標有菱形標志的粗實線，即曲線191’，右邊軸是磁開關傳感器的傳感器輸出電壓，在技術里已經對該傳感器進行描述了。傳感器輸出電壓(伏特)一角度(度)的關系曲線用圖中的細曲線192’表示。
[0100]在圖1lB中包含了一個商業數字磁開關對施加的磁場之間的典型響應。這個開關將磁場的模擬信號轉換為數字2-狀態電子信號輸出。水平軸是磁場(高斯)，縱軸是開關傳感器輸出電壓(伏特)。數字磁開關的輸出電壓和施加的磁場之間的關系曲線在圖中便是曲線193。需要說明的是曲線上存在磁滯現象。當施加的磁感應強度為負值時，輸出電壓為低值\。隨著磁感應強度的增大，變為正值，并且增大到超過定義的磁場工作點Btff,傳感器輸出值會從低值轉變為高值Vh。然后，隨著磁感應強度從大的正值逐漸減小，輸出值又變回到磁場重置點Bkp時的低值\。磁場的兩個轉換閾值和Bkp便是上半圖中的虛線194和195所示。因此，當傳感器的外磁場曲線191穿過虛線和BkpW，傳感器輸出值如圖中的曲線193所示。
[0101]為了能創造磁性編碼器所需要的信號，彎曲永磁鐵中的磁通量的方法有多種，如圖12所示。在頂部那一行的圖所表達的概念和圖9中相同，都是使用有溝槽的圓盤。在中間那一行的圖顯示的是另一種可能的調整方法，就是使永磁性圓盤在外邊緣彎曲而形成調整片，當調整片慢慢靠近傳感器，在傳感器周圍就能產生彎曲磁通量。在底部那一行的圖顯示的又是另外一種調整方法，就是對永磁性圓盤進行沖壓從而形成凸起的區域，當凸起的區域慢慢靠近傳感器，在傳感器周圍就能產生彎曲磁通量。
[0102]本發明的使用方法有很多種，包括本實施例中涉及的基本概念的變形。例如，傳感器的數量可以是任一數目，不僅僅是本發明中提到的4個和5個傳感器實施例；在永磁性圓盤里的結構變化的數量和形狀也可以不同。雖然所有這些類型的裝置在本發明中沒有進行明確詳細的描述，但這些裝置仍在本發明的精神和保護范圍之內。
[0103]本發明對用最簡單的坐標軸和幾何對稱盡可能作了解釋，這使得對磁場偏置和磁感應的解釋更容易理解。但是，本發明所敘述的對稱和正交性的程度不能限制在任何本發明所適用的范圍之內。尤其是像圓盤Iio上的磁鐵182、磁鐵114的磁化強度184、感應平面124、編碼器圓盤平面125以及間隙126這樣的設計元件不需要恰好平行或者垂直于指定的幾何體。在實際的傳感系統里，校準程序和軟件為許多機械和磁性缺陷作了修整。一般地，本發明中包括像“大致平行”或者“大致垂直”這樣的說法應該是可以理解的，用這樣的敘述是為了允許有+/-30度的對準公差。簡單地說，就像間隙126的尺寸能允許有它指定距離的+/-30%的變化。
[0104]以上借助優選實施例對本發明進行了詳細說明，但是本發明不限于此。本【技術領域】技術人員可以根據本發明的原理進行各種修改。因此，凡按照本發明原理所作的修改，都應當理解為落入本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種絕對式磁旋轉編碼器，包括 旋轉軸， 多個可隨所述旋轉軸旋轉的轉輪， 與所述多個轉輪一一對應的多個編碼單元，和 為所述多個編碼單元提供磁場偏置的一個或多個永磁體組件， 其特征在于， 每個編碼單元包括: 導磁性編碼器圓盤，其上的結構設置可使其磁導率隨相對于所述旋轉軸的位置的不同而不同，和 包括設置在同一感應平面內的多個磁傳感器的傳感器單元，用于感應導磁性編碼器圓盤的導磁率，輸出表征所述導磁性編碼器圓盤相對位置的感應信號，所述感應平面大致垂直于所述旋轉軸， 對于所述導磁性編碼器圓盤和所述傳感器單元，兩者當中一個隨所述轉輪一同旋轉，另一個保持不動， 根據所述傳感器單元的感應信號，每個編碼單元輸出表征所對應轉輪選定的旋轉位置的數值。
2.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，所述一個或多個永磁體組件的磁化強度方向和所述導磁性編碼器圓盤的磁化強度方向分別與所述旋轉軸的軸向大致平行，并且每一傳感器的感應軸與所述旋轉軸的徑向大致平行。
3.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，每個傳感器單元包括4個或5個磁阻傳感器，每個轉輪選定10個旋轉位置。
4.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，該磁旋轉編碼器包括與所述多個編碼單元一一對應設置的多個永磁體組件。
5.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，該磁旋轉編碼器包括分別為兩個編碼單元提供偏置的多個永磁體組件。
6.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，每一永磁體組件包括至少一個環形永磁體或環形布置的多個永磁體。
7.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，每一編碼單元進一步包括由軟磁材料制成的磁通閉合裝置。
8.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，所述導磁性編碼器圓盤的結構包括形成在所述導磁性編碼器圓盤中的至少一個槽。
9.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，所述導磁性編碼器圓盤的結構包括形成在所述導磁性編碼器圓盤上的至少一個凸起和/或調整片。
10.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，所述永磁體組件的制成材料為選自鋇鐵氧體、鈷鐵氧體、釹鐵硼、鐵氧體中的一種。
11.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，所述導磁性編碼器圓盤的制成材料為選自鎳鐵導磁合金、軟鐵、高導磁合金、軟鋼、軟磁鐵氧體中的一種。
12.如權利要求1所述的絕對式磁旋轉編碼器，其特征在于，每個編碼單元中，導磁性編碼器圓盤和所述磁傳感器單元之間間隙的最小距離為0.1-4_。
【文檔編號】G01D5/12GK103968860SQ201310040970
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年2月1日 優先權日:2013年2月1日
【發明者】詹姆斯·G·迪克, 魏繼烈, 劉勁峰 申請人:江蘇多維科技有限公司