CN102998478A - 允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及编码器技术领域，特别是一种允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器；包括静栅、动栅、同轴的内圆筒和外圆筒，内圆筒固定在传动轴上并与传动轴同轴转动，外圆筒固定设置；动栅设置在内圆筒的外表面，静栅设置在外圆筒的内表面，静栅和动栅之间具有一定气隙，静栅上激励电极条长度大于动栅上感应电极条正弦波形的峰峰高度，当内圆筒和外圆筒发生轴向移动时，静栅上的激励电极条完全覆盖动栅上的感应电极条，这样信号保持不受轴向窜动的影响，同时本发明采用电荷二次反射方法，将动栅上的激励电极条感应的调制信号再反射回静栅的接收电极条上，这样避免了在动栅上引入电源，简化了结构，提高了产品的稳定性和寿命。

Description

允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器

技术领域

本发明涉及编码器技术领域，特别是一种允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器。

背景技术

旋转编码器是用来测量转速的装置，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲或数字量的编码器。

目前传统的旋转编码器一般都是固定安装在电机的电机轴上。由于电机运动过程中电机轴不仅产生径向跳动，也会产生轴向窜动，另外热胀冷缩也会导致电机轴轴向长度的变化。而电机轴轴向的窜动会导致编码器测量精度的下降，甚至会影响编码器的使用寿命。以光电式旋转编码器为例，光电式旋转编码器一般由光电码盘与光敏探测器组成；实际应用中，光电码盘与光敏探测器的距离很小，通常在毫米以下的数量级。光电码盘与电机轴固定连接，光敏探测器与机壳固定，由于电机轴的轴向窜动会造成光电码盘与光电探测器之间距离的变化，所以要求轴向窜动只能浮动在规定值范围内，超出规定值的变化不仅会使编码器的信号质量和精度下降，而且由于摩擦会缩短编码器的使用寿命，严重时会造成编码器轴系和光电码盘的损坏。

为解决上述的电机轴窜动对编码器造成的影响，专利号为CN201020619546.2的中国实用新型专利提出了一种编码器缓冲结构，其结构和原理如下：编码器安装在电机的加长轴上，编码器的端面通过螺钉连接在连接板上，在所述连接板的连接螺钉孔内设置有弹簧，螺钉穿过弹簧与连接板连接，保证编码器与连接板的连接具有弹性。所述连接板通过螺钉固定在电机端面上，所述螺钉与连接板上的固定螺钉孔直接固定。通过上述设计的缓冲结构，可以保证电机的加长轴轴向窜动的时候，编码器随着加长轴一起进行轴向窜动，起到弹性连接的作用。但是采用上述的软连接或弹簧连接的方式会导致编码器测量不准确，在电机开始旋转的瞬间有滞后的误差，在电机停止的瞬间有超前的误差。

利用测量电容的原理来获取位移的方法几十年前就被提出来了。专利号为U.S.3，938，113的美国专利公开了一种采用测量电容感知位移的编码器，其结构和原理如下：标尺上制作了发射信号的电极，读头上测量经由电容耦合的信号，或者读头上的电极发射信号，标尺上的电极测量经由电容耦合的信号，通过一定方式的解读，读头就能给出相对位移量。增量位移测量需在标尺上制作均匀的刻度，这些刻度总是用均匀排列的导电的条状电极来实现。因为刻度同一性的要求，这些条状电极必须是同样的尺寸，同样的形状和同样的导电性能，只有这样，读头获取的信息才不受电极非均一性的影响从而准确地计算出相对位移量。这种电容式技术既可用于线性位移的测量，也可用于旋转角度的测量。

电容式旋转编码器分动栅和静栅二部分，都为精密加工的印刷电路板。如图1所示，动栅上有发射电极61和接收电极62，在发射电极61和接收电极62之间有屏蔽极63，避免发射电极61到接收电极62之间的直接电容耦合。如图2所示，静栅上有反射极71和屏蔽极72，反射极71与屏蔽极72的宽度一致，屏蔽极72需可靠接地。如图1和图2所示的电容式旋转编码器的结构图中，动栅上共有48个发射电极

61，发射电极61的极距按实际要求可变，每4个发射电极61对应于一个反射电极。动栅上每8个发射电极61为一组，共6组。对每组发射电极61进行编号A到H同编号的发射电极61电路上相连。运行时，两块印刷电路板的栅面平行同轴相对，间距在0.1mm左右。

但上述这种电容式旋转编码器，运行时要求两块印刷电路板的栅面平行，圆形图案的圆心要求为同心圆，且与电机轴或其他驱动轴同轴。两个平行电路板之间的气隙要求严格，原因是当气隙过大时，信号强度减弱，信噪比下降，直接影响编码器的输出精度；当气隙过小时，信号强度过大，超过量程，使编码器无法获取正确信号，严重时这两块电路板还会发生摩擦，导致失效或破坏。因此电容式旋转编码器依旧没有解决电机轴轴向窜动造成编码器性能下降、失效甚至破坏的问题。

发明内容

本发明为了解决目前现有的旋转编码器安装在电机轴上，由于电机轴的轴向窜动而导致的旋转编码器性能下降、失效甚至被破坏的问题，而提供的一种允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器。

为达到上述功能，本发明提供的技术方案是：

一种允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器，包括静栅和动栅，所述电容式旋转编码器还包括同轴的内圆筒和外圆筒，所述内圆筒固定在传动轴上并与所述传动轴同轴转动，所述外圆筒固定设置；所述动栅设置在所述内圆筒的外表面，所述静栅设置在所述外圆筒的内表面，所述静栅和所述动栅之间具有一定气隙。

优选地，所述静栅包括若干条形状相同的激励电极条，所述动栅包括一个以上的感应电极条，所述感应电极条的长度大于所述激励电极条的长度，以保证当所述传动轴发生窜动时，所述感应电极条完全覆盖所述激励电极条。

优选地，所述静栅还包括一条以上的接收电极条。

优选地，所述接收电极条的数量为两条，所述的两条接收电极条互相平行并与所述激励电极条垂直，且分别位于激励电极条的上端和下端。

优选地，所述感应电极条包含反对称形状的第一感应电极条和第二感应电极条，所述第一感应电极条和所述第二感应电极条分别与所述两条接收电极条对应构成两个电容。

优选地，所述第一感应电极条和所述第二感应电极条相配合处的形状为正弦波形状，所述激励电极条长度大于所述正弦波的峰峰高度。

本发明所述的传动轴是指电机轴或其它驱动轴，或者与电机轴或其它驱动轴连接的加长轴。

本发明的有益效果在于：（1）、解决了由于传动轴窜动造成的动栅和静栅接触摩擦甚至破损的问题，通过设置同轴的内圆筒和外圆筒，并把所述动栅设置在所述内圆筒的外表面，所述静栅设置在所述外圆筒的内表面，所述静栅和所述动栅之间具有一定气隙，采用这种结构，在传动轴径向窜动允差范围内，所述动栅和所述静栅没有相互接触的可能；

（2）、测量准确，所述静栅上激励电极条长度大于所述动栅上感应电极条的正弦波形的峰峰高度，当所述内圆筒和外圆筒发生轴向移动时，所述静栅上的激励电极条完全覆盖所述动栅上感应电极条的正弦波形状，这样信号保持不受轴向窜动的影响；

（3）、简化了产品的结构，提高了产品的使用寿命，通过在所述静栅上设置接收电极条，所述动栅上的感应电极条感应的电荷会感应到所述接收电极条上，从而避免了在动栅上引入信号传输线。

附图说明

图1为现有动栅的结构示意图；

图2为现有静栅的结构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明的静栅展开后的结构示意图；

图5为本发明的动栅与静栅配合展开后的结构示意图；

图6为调制信号接受/处理器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1至附图6对本发明作进一步阐述：

如图3所示的一种允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器，包括静栅2和动栅3，还包括同轴的内圆筒4和外圆筒5，内圆筒4固定在传动轴1上并与传动轴1同轴转动，传动轴1是电机轴或其它驱动轴，或者是电机轴或其它驱动轴的加长轴，外圆筒5固定设置，静止不动；动栅3设置在内圆筒4的外表面，静栅2设置在外圆筒5的内表面，静栅2和动栅3保持同轴并且两者之间具有一定气隙。采用这种结构由于静栅2与动栅3同轴，这样即使传动轴1发生轴向窜动，静栅2和动栅3也不会发生摩擦或碰撞，从而保证编码器的寿命。

静栅2包括若干条形状相同的激励电极条21，激励电极条21与调制信号接受/处理器电连接，这些激励电极条21以偶数个构成一组或一个周期，如两个、四个、六个、八个等。根据一个周期内激励电极条21的数目，激励信号整个周期360度也对应地平均分成几个相位偏移，由于本发明动栅3和静栅2分别设置在内圆筒4和外圆筒5上，为了表达方便，如图4所示，将外圆筒5结构展开，变成线性结构，但其原理、工作方式和功能不变。在本实施例，由四个激励电极条21构成一组或一个周期，为描述方便我们把一组激励电极条21中的四个激励电极条21依次按A、B、C、D编号，编号相同的激励电极条21通过传输线路8连接在一起组成一个激励相，由调制信号接受/处理器给每组相同编号的激励电极条21上加一个幅值、频率和相位相同的激励信号，相邻编号的激励电极条21上激励信号的相位差是90°，即是把360°按一组激励电极条21所含激励电极条21的数量均分。假设第一组编号为A的激励电极条21上加一个相位为0°的激励信号，则编号为B的激励电极条21上加的激励信号相位则为90°，以次类推，则编号为D的激励电极条21上的激励信号相位就为270°；而第二组编号为A的激励电极条21的激励信号相位与第一组编号为A的激励电极条21的相位相同，为0°，依次类推至所有组。如果是八个激励电极条21构成一个周期，那么每个激励电极条21上激励信号的相位差为45°。

如图3所示，动栅3包括一个以上的感应电极条31，如图5所示，为表述方便，我们也把圆筒状的动栅3与静栅2配合展开成线性状进行说明，调制信号接受/处理器产生的激励信号传递给静栅2上的激励电极条21后，激励电极条21把该信号发射给动栅3上的感应电极条31，再由感应电极条31把信号传输给调理电路进行解调。由于动栅3随着内圆筒4做旋转，是一个运动件，在运动件上引入信号传输线会导致结构复杂化且信号传输线容易出故障。为解决这个问题，本发明在静栅2上设置有接收电极条22，接收电极条22与感应电极条31有对应面积，这样就接收电极条22与感应电极条31就构成了电容的两极，感应电极条31上的调制信号便可反射回接收电极条22，再由接收电极条22传送给调制信号接受/处理器进行处理。

为尽量减少背景噪声或共模噪声干扰，本实施例中，调制信号优先设计成两路差分信号以实现共模噪声抑制，为达到这个目的，如图4所示，接收电极条22的数量采用两条，两条接收电极条22互相平行并与激励电极条21垂直，并分别位于激励电极条21的上端和下端；如图5所示，感应电极条31包含反对称形状的第一感应电极条311和第二感应电极条312，第一感应电极条311和第二感应电极条312分别与上、下两条接收电极条22对应构成两个电容，两路差分的调制信号由第一感应电极条311和第二感应电极条312产生，并分别由上、下两条接收电极条22传送到调制信号接收/处理器进行处理。

如图5所示，第一感应电极条311和第二感应电极条312相配合处的形状为正弦波形状，激励电极条21长度大于所述正弦波的峰峰高度。当内圆筒4和外圆筒5因为传动轴1发生轴向窜动而发生轴向的相对移动时，静栅2上的激励电极条21完全覆盖动栅3上第一感应电极条311和第二感应电极条312的正弦波形状的部分，从而使调制信号保持不受传动轴1轴向窜动的影响。

如图5所示，每个动栅3上的感应电极条31可以通过与静栅2上激励电极条21的对应面积感应电荷。第一感应电极条311和第二感应电极条312相配合处的形状为正弦波形状，并且正弦的周期与静栅2上每组激励电极条21的周期对应，即长度相等。当动栅3与静栅2有相对旋转，不失一般性，可以将这个位移转换成在一个周期的相位角

则第一感应电极条311上可以感应的电荷V_A：

其中K为系数，与许多因素有关，如激励信号幅度、感应电极条31面积、动栅3与静栅2之间气隙、气隙介电常数等，一般在特定设计和工作环境下，K近似为常数。

第二感应电极条312上感应的电荷V_A*与第一感应电极条311上感应的符号相反：

第一感应电极条311上感应的电荷反射回静栅2上的上接收电极条22，第二感应电极条312上感应的电荷反射回静栅2上的下接收电极条22，再分别通过这两条接收电极条22传输给调制信号接收/处理器。

在本实施例中，调制信号接收/处理器中的信号的采集与解调电路直接与静栅2相连，在这个电路中，集成了激励信号的产生电路，这是因为解调需要这个同频的信号。激励信号发生与调制信号解调由同一电路处理。激励信号发生可以有多种实现方式，即有模拟电路也有数字电路的实现方法，目的就是产生均分相位差的多路周期信号，在本实施例中采用正弦信号，因为四个激励电极条21为一个周期，所以激励信号为四路相差为90度的正弦波；为保证信号强度，优先采用频率大于10KHz,峰峰值为3到15V的正弦波。一方面，这四路激励信号通过静栅2上的信号传输线路8传送给相应的激励电极条21，另一方面，0度和90度相位的正弦信号即正弦与余弦信号同时传送给信号解调模块13。

如图6所示，两路差分调制信号从静栅2上的接收电极条22传递到信号采集与放大模块11，由于其信号幅值微弱，需要进行差分放大，抑制共模噪声，将信号幅值提高到数百毫伏至数千毫伏。信号解调模块13接收这个放大过的调制信号，与激励信号发生模块12产生的激励信号相乘可以分离激励信号和位移信号。与正弦激励信号相乘，信号结果包括激励信号两倍频率的三角函数和位移

的余弦函数即

与激励信号两倍频率的信号相比，是直流量，通过低通滤波模块14滤掉高频分量，就得到

与此类似，放大过的调制信号与余弦激励信号相乘，信号结果包括激励信号两倍频率的三角函数和位移的正弦函数即

与激励信号两倍频率的信号相比，

是直流量，通过低通滤波模块14滤掉高频分量，就得到

通过上述方法获得位移

的正余弦信号后，就可以通过各种方法解算出位移量。市面上有些产品可以直接接受这种正余弦信号作为编码器的输出，该技术已相当成熟，所以本发明不再赘述如何用正余弦信号转换成位移信号。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (6)

1.一种允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器，包括静栅（2）和动栅（3），其特征在于：所述电容式旋转编码器还包括同轴的内圆筒（4）和外圆筒（5），所述内圆筒（4）固定在传动轴（1）上并与所述传动轴（1）同轴转动，所述外圆筒（5）固定设置；所述动栅（3）设置在所述内圆筒（4）的外表面，所述静栅（2）设置在所述外圆筒（5）的内表面，所述静栅（2）和所述动栅（3）之间具有一定气隙。

2.如权利要求1所述的允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器，其特征在于：所述静栅（2）包括若干条形状相同的激励电极条（21），所述动栅（3）包括一个以上的感应电极条（31），所述感应电极条（31）的长度大于所述激励电极条（21）的长度，以保证当所述传动轴（1）发生窜动时，所述感应电极条（31）完全覆盖所述激励电极条（21）。

3.如权利要求1或2所述的允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器，其特征在于：所述静栅（2）还包括一条以上的接收电极条（22）。

4.如权利要求3所述的允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器，其特征在于：所述接收电极条（22）的数量为2条，所述的2条接收电极条（22）互相平行并与所述激励电极条（21）垂直，且分别位于激励电极条（21）的上端和下端。

5.如权利要求4所述的允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器，其特征在于：所述感应电极条（31）包含反对称形状的第一感应电极条（311）和第二感应电极条（312），所述第一感应电极条（311）和所述第二感应电极条（312）分别与所述两条接收电极条（22）对应构成两个电容。

6.如权利要求5所述的允许传动轴轴向窜动的电容式旋转编码器，其特征在于：所述第一感应电极条（311）和所述第二感应电极条（312）相配合处的形状为正弦波形状，所述激励电极条（21）长度大于所述正弦波的峰峰高度。

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