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專利名稱：允許傳動(dòng)軸軸向竄動(dòng)的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及編碼器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種允許傳動(dòng)軸軸向竄動(dòng)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(jī)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(jī)的電機(jī)軸上。由于電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中電機(jī)軸不僅產(chǎn)生徑向跳動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，另外熱脹冷縮也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸軸向長度的變化。而電機(jī)軸軸向的竄動(dòng)會(huì)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(shí)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(jī)軸固定連接，光敏探測器與機(jī)殼固定，由于電機(jī)軸的軸向竄動(dòng)會(huì)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(dòng)只能浮動(dòng)在規(guī)定值范圍內(nèi)，超出規(guī)定值的變化不僅會(huì)使編碼器的信號(hào)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(shí)會(huì)造成編碼器軸系和光電碼盤的損壞。為解決上述的電機(jī)軸竄動(dòng)對編碼器造成的影響，專利號(hào)為CN201020619546.2的中國實(shí)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(jī)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(jī)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(jì)的緩沖結(jié)構(gòu)，可以保證電機(jī)的加長軸軸向竄動(dòng)的時(shí)候，編碼器隨著加長軸一起進(jìn)行軸向竄動(dòng)，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(huì)導(dǎo)致編碼器測量不準(zhǔn)確，在電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)的瞬間有滯后的誤差，在電機(jī)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(hào)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(hào)的電極，讀頭上測量經(jīng)由電容耦合的信號(hào)，或者讀頭上的電極發(fā)射信號(hào)，標(biāo)尺上的電極測量經(jīng)由電容耦合的信號(hào)，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(shí)現(xiàn)。因?yàn)榭潭韧恍缘囊螅@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(jì)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(dòng)?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(dòng)?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(dòng)?xùn)派瞎灿?8個(gè)發(fā)射電極61，發(fā)射電極61的極距按實(shí)際要求可變，每4個(gè)發(fā)射電極61對應(yīng)于一個(gè)反射電極。動(dòng)?xùn)派厦?個(gè)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(hào)A到H同編號(hào)的發(fā)射電極61電路上相連。運(yùn)行時(shí)，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(zhuǎn)編碼器，運(yùn)行時(shí)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(jī)軸或其他驅(qū)動(dòng)軸同軸。兩個(gè)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(shí)，信號(hào)強(qiáng)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(shí)，信號(hào)強(qiáng)度過大，超過量程，使編碼器無法獲取正確信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)這兩塊電路板還會(huì)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(jī)軸軸向竄動(dòng)造成編碼器性能下降、失效甚至破壞的問題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決目前現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在電機(jī)軸上，由于電機(jī)軸的軸向竄動(dòng)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(dòng)軸軸向竄動(dòng)的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器。為達(dá)到上述功能，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是:一種允許傳動(dòng)軸軸向竄動(dòng)的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，包括靜柵和動(dòng)?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(dòng)軸上并與所述傳動(dòng)軸同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所述外圓筒固定設(shè)置；所述動(dòng)?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(dòng)?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(lì)電極條，所述動(dòng)?xùn)虐ㄒ粋€(gè)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(lì)電極條的長度，以保證當(dāng)所述傳動(dòng)軸發(fā)生竄動(dòng)時(shí)，所述感應(yīng)電極條完全覆蓋所述激勵(lì)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(lì)電極條垂直，且分別位于激勵(lì)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(gè)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(lì)電極條長度大于所述正弦波的峰峰高度。本實(shí)用新型所述的傳動(dòng)軸是指電機(jī)軸或其它驅(qū)動(dòng)軸，或者與電機(jī)軸或其它驅(qū)動(dòng)軸連接的加長軸。本實(shí)用新型的有益效果在于:(I)、解決了由于傳動(dòng)軸竄動(dòng)造成的動(dòng)?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(dòng)?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(dòng)?xùn)胖g具有一定氣隙，采用這種結(jié)構(gòu)，在傳動(dòng)軸徑向竄動(dòng)允差范圍內(nèi)，所述動(dòng)?xùn)藕退鲮o柵沒有相互接觸的可倉泛;(2)、測量準(zhǔn)確，所述靜柵上激勵(lì)電極條長度大于所述動(dòng)?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(dòng)時(shí)，所述靜柵上的激勵(lì)電極條完全覆蓋所述動(dòng)?xùn)派细袘?yīng)電極條的正弦波形狀，這樣信號(hào)保持不受軸向竄動(dòng)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(dòng)?xùn)派系母袘?yīng)電極條感應(yīng)的電荷會(huì)感應(yīng)到所述接收電極條上，從而避免了在動(dòng)?xùn)派弦胄盘?hào)傳輸線。

圖1為現(xiàn)有動(dòng)?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為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型的靜柵展開后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實(shí)用新型的動(dòng)?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(hào)接受/處理器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖1至附圖6對本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述:如圖3所示的一種允許傳動(dòng)軸軸向竄動(dòng)的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，包括靜柵2和動(dòng)?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(dòng)軸I上并與傳動(dòng)軸I同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸I是電機(jī)軸或其它驅(qū)動(dòng)軸，或者是電機(jī)軸或其它驅(qū)動(dòng)軸的加長軸，外圓筒5固定設(shè)置，靜止不動(dòng)；動(dòng)?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(dòng)?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(dòng)?xùn)?同軸，這樣即使傳動(dòng)軸I發(fā)生軸向竄動(dòng)，靜柵2和動(dòng)?xùn)?也不會(huì)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(lì)電極條21，激勵(lì)電極條21與調(diào)制信號(hào)接受/處理器電連接，這些激勵(lì)電極條21以偶數(shù)個(gè)構(gòu)成一組或一個(gè)周期，如兩個(gè)、四個(gè)、六個(gè)、八個(gè)等。根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)激勵(lì)電極條21的數(shù)目，激勵(lì)信號(hào)整個(gè)周期360度也對應(yīng)地平均分成幾個(gè)相位偏移，由于本實(shí)用新型動(dòng)?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(shí)施例，由四個(gè)激勵(lì)電極條21構(gòu)成一組或一個(gè)周期,為描述方便我們把一組激勵(lì)電極條21中的四個(gè)激勵(lì)電極條21依次按A、B、C、D編號(hào)，編號(hào)相同的激勵(lì)電極條21通過傳輸線路8連接在一起組成一個(gè)激勵(lì)相，由調(diào)制信號(hào)接受/處理器給每組相同編號(hào)的激勵(lì)電極條21上加一個(gè)幅值、頻率和相位相同的激勵(lì)信號(hào)，相鄰編號(hào)的激勵(lì)電極條21上激勵(lì)信號(hào)的相位差是90°，即是把360°按一組激勵(lì)電極條21所含激勵(lì)電極條21的數(shù)量均分。假設(shè)第一組編號(hào)為A的激勵(lì)電極條21上加一個(gè)相位為0°的激勵(lì)信號(hào)，則編號(hào)為B的激勵(lì)電極條21上加的激勵(lì)信號(hào)相位則為90°，以次類推，則編號(hào)為D的激勵(lì)電極條21上的激勵(lì)信號(hào)相位就為270° ;而第二組編號(hào)為A的激勵(lì)電極條21的激勵(lì)信號(hào)相位與第一組編號(hào)為A的激勵(lì)電極條21的相位相同，為0°，依次類推至所有組。如果是八個(gè)激勵(lì)電極條21構(gòu)成一個(gè)周期，那么每個(gè)激勵(lì)電極條21上激勵(lì)信號(hào)的相位差為45°。如圖3所示,動(dòng)?xùn)?包括一個(gè)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(dòng)?xùn)?與靜柵2配合展開成線性狀進(jìn)行說明，調(diào)制信號(hào)接受/處理器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)傳遞給靜柵2上的激勵(lì)電極條21后，激勵(lì)電極條21把該信號(hào)發(fā)射給動(dòng)?xùn)?上的感應(yīng)電極條31，再由感應(yīng)電極條31把信號(hào)傳輸給調(diào)理電路進(jìn)行解調(diào)。由于動(dòng)?xùn)?隨著內(nèi)圓筒4做旋轉(zhuǎn)，是一個(gè)運(yùn)動(dòng)件，在運(yùn)動(dòng)件上引入信號(hào)傳輸線會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜化且信號(hào)傳輸線容易出故障。為解決這個(gè)問題，本實(shí)用新型在靜柵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(hào)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(hào)接受/處理器進(jìn)行處理。[0030]為盡量減少背景噪聲或共模噪聲干擾，本實(shí)施例中，調(diào)制信號(hào)優(yōu)先設(shè)計(jì)成兩路差分信號(hào)以實(shí)現(xiàn)共模噪聲抑制，為達(dá)到這個(gè)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(lì)電極條21垂直，并分別位于激勵(lì)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(gè)電容，兩路差分的調(diào)制信號(hào)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(hào)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(lì)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?yàn)閭鲃?dòng)軸I發(fā)生軸向竄動(dòng)而發(fā)生軸向的相對移動(dòng)時(shí)，靜柵2上的激勵(lì)電極條21完全覆蓋動(dòng)?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(hào)保持不受傳動(dòng)軸I軸向竄動(dòng)的影響。如圖5所示，每個(gè)動(dòng)?xùn)?上的感應(yīng)電極條31可以通過與靜柵2上激勵(lì)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(lì)電極條21的周期對應(yīng)，即長度相等。當(dāng)動(dòng)?xùn)?與靜柵2有相對旋轉(zhuǎn)，不失一般性，可以將這個(gè)位移轉(zhuǎn)換成在一個(gè)周期的相位角口，則第一感應(yīng)電極條311上可以感應(yīng)的電荷Va::
權(quán)利要求1.一種允許傳動(dòng)軸軸向竄動(dòng)的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，包括靜柵(2)和動(dòng)?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(dòng)軸(I)上并與所述傳動(dòng)軸(I)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所述外圓筒(5)固定設(shè)置；所述動(dòng)?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(dòng)?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(dòng)軸軸向竄動(dòng)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(lì)電極條(21)，所述動(dòng)?xùn)?3)包括一個(gè)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(lì)電極條(21)的長度，以保證當(dāng)所述傳動(dòng)軸(I)發(fā)生竄動(dòng)時(shí)，所述感應(yīng)電極條(31)完全覆蓋所述激勵(lì)電極條(21)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的允許傳動(dòng)軸軸向竄動(dòng)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(dòng)軸軸向竄動(dòng)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(lì)電極條(21)垂直，且分別位于激勵(lì)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(dòng)軸軸向竄動(dòng)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(gè)電容。
6.如權(quán)利要求5所述的允許傳動(dòng)軸軸向竄動(dòng)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(lì)電極條(21)長度大于所述正弦波的峰峰高度。
專利摘要本實(shí)用新型涉及編碼器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種允許傳動(dòng)軸軸向竄動(dòng)的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器；包括靜柵、動(dòng)?xùn)拧⑼S的內(nèi)圓筒和外圓筒，內(nèi)圓筒固定在傳動(dòng)軸上并與傳動(dòng)軸同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，外圓筒固定設(shè)置；動(dòng)?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(dòng)?xùn)胖g具有一定氣隙，靜柵上激勵(lì)電極條長度大于動(dòng)?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(dòng)時(shí)，靜柵上的激勵(lì)電極條完全覆蓋動(dòng)?xùn)派系母袘?yīng)電極條，這樣信號(hào)保持不受軸向竄動(dòng)的影響，同時(shí)本實(shí)用新型采用電荷二次反射方法，將動(dòng)?xùn)派系募?lì)電極條感應(yīng)的調(diào)制信號(hào)再反射回靜柵的接收電極條上，避免了在動(dòng)?xùn)派弦腚娫矗喕私Y(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和壽命。
文檔編號(hào)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(quán)日2012年12月25日
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