CN101271004A - 绝对编码器 - Google Patents

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Abstract

一种绝对编码器。如图3中所示，印刷电路板，其上布置有检测绕组和由导线分布图形成的励磁磁通量检测绕组，设置所述印刷电路板以使其与可旋转地放置的二进制循环随机数序列编码盘间隔预定的间隙量。励磁绕组缠绕其上的U形励磁磁芯放置在印刷电路板的后表面一侧。随着从励磁绕组产生的励磁磁通量在此励磁绕组和二进制循环随机数序列编码盘的凹/凸部之间波动，检测绕组检测并且输出磁阻变化，作为电压值。因而防止由于检测绝对编码的励磁磁通量和其他励磁磁通量之间的干扰导致的精度的减小。

Description

绝对编码器
相关申请的引用
本申请要求于2007年3月20日提交的申请号为2007-073247的日本专利申请的优先权，其全文引用在此以做参考。
技术领域
本发明涉及一种具有刻度部(scale section)的绝对编码器，其中绝对编码蚀刻在磁性材料的表面上。
背景技术
下面将参照图7描述现有技术。图7示出了专利文献1(公开号为JP-A-5-118874的日本专利)中描述的绝对编码器。编码器盘7包括用于检测两相正弦信号的增量齿轮形状部件(incremental gear shapecomponent)，以及用于检测绝对图案(pattern)的符合二进制循环随机数序列的凹/凸部。另外，构造由磁阻元件制成并且检测两相正弦信号的磁性传感器5s和5c，以及检测绝对图案的磁性传感器1a-1d、2a-2d、3a-3d和4a-4d，以检测未示出的永久磁体和编码器盘7之间的磁阻变化。通常，在编码器盘7的相对侧，即从磁性传感器5s和5c以及1a-1d、2a-2d、3a-3d和4a-4d看时的背面侧(后侧)放置永久磁体(未示出)。这里，显然，附着于编码器盘7的外周部分的凸起和凹陷取决于编码器盘7的旋转位置而改变。关于此，在凸部的数目大的旋转位置处，从永久磁体到编码器盘7穿过磁性传感器5s和5c以及1a-1d、2a-2d、3a-3d和4a-4d的磁通量的总量变大，然而在凹部的数目大的旋转位置处，从永久磁体到编码器盘7穿过磁性传感器5s和5c以及1a-1d、2a-2d、3a-3d和4a-4d的磁通量的总量变小。特别地，关于与二进制循环随机数系列一致的编码器盘7的凹/凸部，凹部或凸部的比例取决于旋转位置而极大地变化，并且因此，来自永久磁体的总磁通量的变化也剧烈。关于用于检测两相正弦信号的编码器盘7的凹/凸部，由于增量齿轮形状，来自永久磁体的总磁通量的变化是微小的。然而，在齿轮的旋转方向上的永久磁体的尺寸不是增量齿轮形状的节距(pitch)的整数倍的情况下，来自永久磁体的总磁通量取决于在齿轮形状的一个节距内的旋转位置而变化。另外，因为用于二进制循环随机数序列的凹/凸部在三维方向上有影响，由于除了涉及增量齿轮形状的磁阻变化之外的其他因素，来自永久磁体的磁通量随着其穿过磁性传感器5s和5c取决于旋转位置而变化。
下面，考虑来自永久磁体穿过磁性传感器5s和5c以及1a-1d、2a-2d、3a-3d和4a-4d的总磁通量的变化，基本上，随着磁阻的变化，磁性传感器5s和5c以及1a-1d、2a-2d、3a-3d和4a-4d检测在它们和编码器盘7的凹/凸部之间的间隙量变化。因此，归因于任何其他因素的来自永久磁体的磁通量的变化成为检测误差。特别是在用于检测两相正弦信号的磁性传感器5s和5c中，经常发生检测精度的恶化。
下面，解释与专利文献1(JP-A-5-118874)不同的现有技术绝对编码器。图5为示出了现有技术绝对编码器的检测部的例子的立体图。转轴501由多个轴承(未示出)支撑以便可以旋转。用于检测两相正弦信号的齿轮502以及二进制循环随机数序列编码盘503固定到转轴501上。设置由磁阻元件制成的用于检测两相正弦信号的磁性传感器504a-504d，以使其与用于检测两相正弦信号的齿轮502的外周表面相对并且与那里间隔预定间隙。设置由磁阻元件制成的用于检测二进制循环随机数序列的磁性传感器504e-504n，以使其也与二进制循环随机数序列编码盘503的外周表面相对并且与那里间隔预定间隙。由诸如铁素体的磁性材料制成的用于励磁两相正弦信号的磁芯505a靠近用于检测两相正弦信号的磁性传感器504a-504d的后表面放置。相似地，用于励磁二进制循环随机数序列的磁芯505b靠近用于检测二进制循环随机数序列的磁性传感器504e-504n的后表面放置。
下面参照图6说明两个励磁磁芯505a和505b的励磁方法。图6为示出了一个实例中的励磁磁路的截面图，在此实例中励磁绕组缠绕在E形励磁磁芯上。绕组606缠绕在E形励磁磁芯605的中间凸部上，并且箭头表示的磁路在E形励磁磁芯605的外部形成。E形励磁磁芯505a和505b被分离开，用于两相正弦信号和用于二进制循环随机数序列，因而信号和序列被赋予各自的专用励磁磁路。因为当这样的励磁磁路形成时，形成回路的磁通量由E形励磁磁芯自身产生，此构造的益处在于磁通量损失的数量比基于条形磁体的励磁磁路小。
然而，由E形励磁磁芯505a和505b形成的磁路受到三维干扰。更具体地，出现从励磁磁芯505a的中间凸部产生的磁通量到达励磁磁芯505b的左右凸部的回路，以及从励磁磁芯505b的中间凸部产生的磁通量到达励磁磁芯505a的左右凸部的回路。励磁磁通量的干扰的影响，以及另一种影响，在此影响下来自励磁磁芯505b的励磁磁通量的总磁通量取决于二进制循环随机数序列编码盘503的凹/凸部的凸部或凹部的比例而变化，所述两种影响作用在一起来改变穿过用于检测两相正弦信号的磁性传感器504a-504d的励磁磁通量的总磁通量，并且形成用于妨碍检测精度的因素。另外，E形励磁磁芯505a和505b变得比设置在齿轮的切线方向上的磁性传感器504a-504n更大。特别地，在磁性传感器504a-504n中，用于二进制循环随机数序列的磁性传感器504e-504n在齿轮的切线方向上设置的更长，所以E形励磁磁芯505b变得更大。这导致了不得不增加用于容纳传感器部(未示出)的壳体的尺寸的缺点。
在专利文献1和图7中所述的绝对编码器中，从永久磁体产生的总磁通量取决于编码器盘7的凹/凸部的凸部或凹部的比例而变化，所以在通过磁性传感器1a-1d、2a-2d、3a-3d和4a-4d进行的二进制循环随机数序列的检测中，可能发生检测误差。同样在通过磁性传感器5s和5c进行的两相正弦信号的检测中，因为由于二进制循环随机数序列的凹/凸部的凸部或凹部的比例的影响，励磁磁通量的总磁通量变化，所以精度被消弱。即使在图5的例子中，其中用于检测两相正弦信号的励磁装置和用于检测二进制随机数序列的励磁装置被分开以抑制此影响，由E形励磁磁芯产生的励磁磁路在三维上干扰，所以在通过磁性传感器504a-504d进行的两相正弦信号的检测中精度被损害。同时，从尺寸的观点来看，当采用E形励磁磁芯时，励磁磁芯505a和505b需要的尺寸比设置磁性传感器504a-504d以及504e-504n所沿着的齿轮的切线方向上的尺寸大，并且传感器的尺寸增加。另一方面，因为永久磁体和绕组用于励磁装置，所以由于永久磁体的温度特性或者绕组阻抗的温度变化造成励磁磁通量很有可能变化。因此，问题在于，当温度改变时，用于检测二进制循环随机数序列编码的磁性传感器504e-504n的输出水平波动，这增加了在二进制循环随机数序列编码的检测中的误差可能性。
发明内容
在根据本发明的绝对编码器中，取决于绝对编码的凹/凸部的凸部或凹部的比例的励磁磁通量的总磁通量的变化，对其他磁性传感器的影响减小。
根据本发明的绝对编码器，在检测到绝对编码的一侧上的励磁磁通量通过由U形励磁磁芯形成的磁体形成环状。因此，因为具有当如同现有技术中的通量邻近时所获得的用于检测两相正弦信号的励磁磁通量的励磁磁通量的干扰没有发生，可以实现不削弱两相正弦信号的检测精度的绝对编码器。进一步，因为在用于检测绝对编码的一侧的励磁磁芯不是E形的，励磁磁芯的刻度部在其移动方向上不需要制造得比在刻度部的移动方向上放置的磁性传感器大很多。因此，可以减小包括传感器侧的壳体的绝对编码器的尺寸。
进一步，在增加了用于检测励磁磁通量的绕组的构造中，可以修正磁性传感器的温度特性等。因此，可以消除由温度变化导致的读取绝对编码中的错误，并且可以实现能够在更大的温度范围中操作的绝对编码器。
附图说明
图1为示出了根据本发明的绝对编码器的绝对编码检测部的例子的立体图；
图2为在图1中的传感器侧的截面图，示出了励磁磁通量的磁路；
图3为示出了与图1中的检测部不同的本发明的绝对编码器的检测部的例子的立体图；
图4为用于说明来自如图3中所示的绝对编码器的检测部的输出信号的处理的框图；
图5为示出了现有技术绝对编码器的检测部的例子的立体图；
图6为示出了在励磁绕组缠绕在E形励磁磁芯上的情况下的励磁磁路的截面图；及
图7为示出了现有技术绝对编码器的例子的图。
具体实施方式
实施方式1
下面，结合附图说明本发明的实施方式1。图1为示出了此实施方式中的绝对编码器的绝对编码检测部的例子的立体图。二进制循环随机数序列编码盘101具有固定其上的未示出的转轴，以便可转动。每一个由导线分布图(conductor pattern)制成的检测绕组103a-103j，以及由导线分布图制成的励磁绕组104，布置在印刷电路板102上，印刷电路板102通过预定的间隙量相对二进制循环随机数序列编码盘101的外周表面布置。由诸如铁氧体磁芯的磁性构件制成的U形励磁磁芯105布置在印刷电路板102的后表面上。即，当通过穿过编码盘101的转轴的平面来切割U形励磁磁芯105时，获得U形切割平面。跟随由U形励磁磁芯105形成的磁路的励磁磁通量从励磁绕组104产生。
图2为图1中的传感器侧的截面图，其中给与图1中相同的组件分配相同的数字和标记。图2中所示的磁路形成在U形励磁磁芯105的外部。这里，检测绕组103a-103j以与这些检测绕组103a-103j有关的磁通量变化被转换为感应电压的方式检测由二进制循环随机数序列编码盘101的凹/凸部产生的磁阻变化。尽管未示出，但用于检测两相正弦信号的检测部设置在图1和图2的下侧上。关于此，因为励磁磁路如图2中所示形成，所以两相正弦信号检测部对励磁磁路的干扰非常小。另外，在齿轮切线方向上的励磁磁芯105尺寸与形成有检测绕组103a-103j的印刷电路板102的尺寸基本相等。应注意，从图1中省略的转轴和用于检测两相正弦信号的部分可以如图5或图7中所示构造。
在此方式中，根据此实施方式的绝对编码器，在用于检测绝对编码的一侧上的励磁磁通量被由U形励磁磁芯105形成的磁路形成环状。如此，邻接用于检测两相正弦信号的励磁磁通量的励磁磁通量不会彼此干扰，并且可以实现未削弱两相正弦信号的检测精度的绝对编码器。另外，因为在用于检测绝对编码的一侧上的励磁磁芯呈横向设置的形状，励磁磁芯在二进制循环随机数序列编码盘101的切线方向上可以制造得相对小。因此，可以减小包括传感器侧的壳体的绝对编码器的总体尺寸。
实施方式2
图3为示出了与图1中的绝对编码器不同的实施方式2中的绝对编码器的检测部的例子的立体图。在图3中，与图1相同的组件分配相同的数字和标记。然而，作为与图1不同的一点，励磁绕组204直接缠绕在励磁磁芯105上，并且位于印刷电路板102上的上绕组为励磁磁通量检测绕组106。相应地，与图2中相同的磁通量由励磁绕组204形成。
以此方式，形成的励磁磁路基本与图1中的相同。因此，这里将解释励磁磁通量检测绕组106的作用。励磁绕组204和磁性材料制成的励磁磁芯105具有如下特性：当温度改变时，绕组阻抗、磁导率等波动。因此，从励磁绕组204产生的励磁磁通量不稳定。当由于温度改变使得励磁磁通量增加或减少时，检测印刷电路板102和二进制循环随机数序列编码盘101的凹/凸部之间的磁阻的检测绕组103a-103j的输出信号水平也变得不稳定。另外，励磁磁通量依照二进制循环随机数序列编码盘101的凹/凸部的凸部和凹部的比例波动。因此，励磁磁通量检测绕组106使得检测绕组103a-103j检测与封装有励磁磁通量检测绕组106的部分相关联的磁通量，作为电压值。
图4为用于说明来自图3中的绝对编码器的检测部的输出信号的处理的图。在图4中，与图3中相对应的组件被分配相同的标号。应注意，与图4中相同的构造应用于来自图1中的绝对编码器的检测部的输出信号，除了在这样的结构中，将不提供来自励磁磁通量检测绕组106的输出信号。
从检测绕组103a-103j输出的信号(具体地，电压值)被输入到模拟开关401。模拟开关401依从来自定时发生器403的命令来选择输出信号中的一个，并且将所选的信号作为信号STA输出。输出信号STA被放大器402a放大，并且被放大的信号随后在定时发生器403命令的时刻在模/数转换器404a中被数字化，并且作为信号STD输出。数字化的信号STD被具有存储装置和算术装置的CPU 405进行二进制化处理和二进制循环随机数序列处理，因而变成绝对位置数据。
另一方面，励磁磁通量检测绕组106的输出信号SEA被放大器402b放大。此后，定时发生器403在与模/数转换器404a的采样相同的时刻输出命令到模/数转换器404b，并且放大的信号SEA在给定的时刻被模/数转换器404b数字化，并且作为信号SED被输出。励磁磁通量检测绕组106的数字化的信号SED被输出到CPU 405。在CPU 405处，信号STD依照信号SED的值被修正。
下面描述基于信号SED的信号STD的修正。由于因温度变化等造成的励磁磁通量的波动，由检测绕组103a-103j输出的值与对应于原始的二进制循环随机数序列编码的输出信号值不匹配。在此实施例中，可以从来自励磁磁通量检测绕组106的输出信号得知励磁磁通量的当前状态。因此，可以预测量在由励磁磁通量检测绕组106检测的励磁磁通量水平和检测绕组103a-103j的输出水平之间的修正，并且相应的数据存储于包括在CPU 405中的存储装置中。例如，当励磁磁通量水平和检测绕组103a-103j的输出水平具有基本成比例的关系时，在CPU 405中，可以将信号STD乘以符合所述励磁磁通量水平的系数，之后进行二进制化处理和二进制循环随机数序列处理。可选地，可以根据励磁磁通量水平来优选地操作在执行二进制化处理的情况下的阈值水平，以防止发生检测误差。另外，尽管图4中未示出，但依据来自励磁磁通量检测绕组106的输出水平，以简单地将励磁磁通量水平变成常量的方式，可以优选地改变穿过励磁绕组204的电流量。以此方式，可以从来自励磁磁通量检测绕组的输出信号SED来确定励磁磁通量的变化，并且可以消除励磁磁通量的变化对信号STD的任何影响。
尽管如上所述利用图示的例子来说明实施方式1和2，但本发明不限于这些构造。例如，尽管在所述实例实施方式中，通过将绕组放在印刷电路板上来形成磁性传感器，也可以通过使用在专利文献1中所述的磁阻元件来构造磁性传感器。同样，尽管在这些实施方式中，设置在印刷电路板上的导线分布图被用作励磁磁通量检测绕组，但作为一种选择，此励磁磁通量检测绕组可以直接缠绕在U形励磁磁芯上。可选地，励磁绕组和励磁磁通量检测绕组也可以设置在印刷电路板上基本相同的位置。尽管所述的实例励磁绕组通过在印刷电路板上形成导线分布图或者通过直接缠绕在U形励磁磁芯上而制成，优选地，U形励磁磁芯本身也可以是没有任何绕组的永久磁体。关于励磁磁通量检测绕组和用于其输出信号的修正方法的使用，除了如上所述的各方法，还可以构造本发明的绝对编码器，只要关于励磁磁通量检测绕组的输出，防止磁性传感器的值导致检测误差。应注意的是，尽管利用旋转式绝对编码器的例子来说明本发明的实施方式，本发明同样可以应用于直线式编码器。

Claims (7)

1、一种绝对编码器，包括：
刻度部，在所述刻度部中通过凹陷来记录表示绝对位置的绝对编码；及
传感器部，其与所述刻度部间隔预定的间隙量，并且被布置使得其是相对可移动的，并且所述传感器部检测所述绝对编码；
所述传感器部包括：
多个磁性传感器；及
磁芯，其励磁所述多个磁性传感器；
其中所述磁芯具有用穿过所述刻度部的转轴的平面切割所述磁芯而获得的U形切面。
2、根据权利要求1所述的绝对编码器，其中所述刻度部为盘形，并且通过切断所述盘的外周部来记录所述绝对编码。
3、根据权利要求1所述的绝对编码器，其中励磁装置包括励磁绕组，并且所述多个磁性传感器由用于检测所述绝对编码的绕组制成。
4、根据权利要求3所述的绝对编码器，其中：
所述励磁绕组和所述用于检测所述绝对编码的绕组是通过在同一印刷电路板上的导线分布图而形成的；及
所述U形磁芯的两个分叉的远端部邻近所述印刷电路板，并且所述励磁绕组设置在所述印刷电路板上的与所述两个分叉的远端部相对的那两个区域中的一个内，而所述用于检测所述绝对编码的多个位置的绕组设置在另一个区域内。
5、根据权利要求4所述的绝对编码器，进一步包括励磁磁通量检测绕组，其检测穿过所述U形磁芯的励磁磁通量的量。
6、根据权利要求5所述的绝对编码器，其中通过利用导线分布图，所述励磁磁通量检测绕组设置在与所述印刷电路板上的所述励磁绕组基本相同的位置上。
7、根据权利要求5所述的绝对编码器，其中基于所述励磁磁通量检测绕组的输出信号的大小来修正所述多个磁性传感器的输出信号。
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