壓電編碼器的制造方法
【專利摘要】壓電編碼器中，第一工作件（10）沿其一個(gè)面排布有復(fù)數(shù)個(gè)施力磁對（12），且每個(gè)磁對設(shè)有一個(gè)極性為N的第一磁塊（122）和一個(gè)極性為S的第二磁塊（124）。第二工作件（20）可相對于第一工件運(yùn)動，在其朝向第一工作件的端面上依次設(shè)有一個(gè)壓電換能片（22）和一個(gè)受力磁片（24）。壓電換能片安裝于第一工作件。受力磁片疊合于壓電換能片且極性為N或S，施力磁對可作用于受力磁片，使得受力磁片擠壓或拉伸壓電換能片，且壓電換能片可輸出一個(gè)指示其受力大小及方向的編碼電壓信號。
【專利說明】壓電編碼器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種編碼器，尤其涉及一種基于壓電效應(yīng)的編碼器。

【背景技術(shù)】
[0002] 編碼器用于將角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號?，F(xiàn)有的編碼器多采用光學(xué)編碼 器。光學(xué)編碼器能夠提供極高的精度而被廣泛采用，但復(fù)雜而精密的光學(xué)系統(tǒng)也導(dǎo)致光學(xué) 編碼器成本較高，同時(shí)在沖擊或高溫下較易損壞。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0003] 本實(shí)用新型的目的是提供一種基于壓電效應(yīng)的壓電編碼器。
[0004] 本實(shí)用新型提供了一種壓電編碼器，它包括一個(gè)第一工作件和一個(gè)第二工作件。 第一工作件沿其一個(gè)面上排布有復(fù)數(shù)個(gè)施力磁對，且每個(gè)磁對設(shè)有一個(gè)極性為N的第一磁 塊和一個(gè)極性為S的第二磁塊。第二工作件能夠相對于第一工作件運(yùn)動，在其朝向第一工 作件的面上依次設(shè)有一個(gè)壓電換能片和一個(gè)受力磁片。壓電換能片的兩側(cè)分別設(shè)有一個(gè)第 一電極和一個(gè)第二電極。受力磁片疊合于壓電換能片且極性為N或S，施力磁對能夠?qū)κ芰?磁片施加磁力，使得受力磁片在磁力的作用下擠壓或拉伸壓電換能片，以及壓電換能片能 夠通過第一電極和第二電極輸出一個(gè)代表其受力大小及方向的編碼電壓信號。
[0005] 壓電編碼器中，通過使用低成本的壓電材料和磁性材料，可以極大的降低整個(gè)編 碼器的材料成本。另外，壓電編碼器的整體結(jié)構(gòu)簡單，便于集成入電機(jī)結(jié)構(gòu)中，且壓電器件 和磁性器件都具有良好的抗機(jī)械沖擊能力和熱穩(wěn)定性，即便使用在機(jī)械沖擊劇烈的場合和 /或高溫環(huán)境中，壓電編碼器的測量精度和可靠性受到的影響很小。
[0006] 壓電器件具有良好的電磁兼容性，使得壓電編碼器可以使用在電磁干擾嚴(yán)重的環(huán) 境中。另外，壓電器件不需要供電，從而可以極大地降低壓電編碼器的功耗。
[0007] 在壓電編碼器的再一種示意性的實(shí)施方式中，第二工作件能夠相對于第一工作件 做平移運(yùn)動。
[0008] 在壓電編碼器的再一種示意性的實(shí)施方式中，第二工作件能夠相對于第一工作件 做轉(zhuǎn)動。
[0009] 在壓電編碼器的再一種示意性的實(shí)施方式中，壓電換能片的極化方向指向第一工 件，且第一電極和第二電極設(shè)置于壓電換能片垂直于極化方向的兩個(gè)端面。
[0010] 在壓電編碼器的另一種示意性的實(shí)施方式中，壓電換能片為壓電陶瓷片。
[0011] 在壓電編碼器的又一種不意性的實(shí)施方式中，第一工作件為一個(gè)圓柱體，且第二 工作件為一個(gè)可環(huán)套于第一工作件的圓環(huán)，其中復(fù)數(shù)個(gè)施力磁對布置在第一工作件朝向第 二工作件的外周面上，以及壓電換能片和受力磁片設(shè)置在第二工作件的朝向第一工作件的 內(nèi)周面上。
[0012] 在壓電編碼器的又一種示意性的實(shí)施方式中，第二工作件靜止，且第一工作件相 對于第二工作件轉(zhuǎn)動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 以下附圖僅對本實(shí)用新型做示意性說明和解釋，并不限定本實(shí)用新型的范圍。
[0014] 圖1用于說明壓電編碼器一種示意性實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖2顯示了圖1中壓電變壓器的組裝后的結(jié)構(gòu)。
[0016] 圖3至圖8用于說明壓電編碼器的工作原理。
[0017] 圖9用于說明壓電編碼器另一種示意性實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 標(biāo)號說明
[0019] 10第一工件
[0020] 12施力磁對
[0021] 122 第一磁塊
[0022] 124 第二磁塊
[0023] 20第二工作件
[0024] 22壓電換能片
[0025] 222 第一電極
[0026] 224 第二電極
[0027] 24受力磁片。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 為了對實(shí)用新型的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【專利附圖】

【附圖說明】本 實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】，在各圖中相同的標(biāo)號表示相同的部分或者具有相同或相似功能 的部分。
[0029] 在本文中，"示意性"表示"充當(dāng)實(shí)例、例子或說明"，不應(yīng)將在本文中被描述為"示 意性"的任何圖示、實(shí)施方式解釋為一種更優(yōu)選的或更具優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)方案。
[0030] 為使圖面簡潔，各圖中的只示意性地表示出了與本實(shí)用新型相關(guān)的部分，它們并 不代表其作為產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)。另外，以使圖面簡潔便于理解，在有些圖中具有相同結(jié)構(gòu)或 功能的部件，僅示意性地繪示了其中的一個(gè)，或僅標(biāo)出了其中的一個(gè)。
[0031] 在本文中，"一個(gè)"不僅表示"僅此一個(gè)"，也可以表示"多于一個(gè)"的情形。
[0032] 在本文中，"第一"、"第二"等僅用于彼此的區(qū)分，而非表示它們的重要程度及順序 等。
[0033] 在本文中，"相等"、"相同"等并非嚴(yán)格的數(shù)學(xué)和/或幾何學(xué)意義上的限制，還包含 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的且制造或使用等允許的誤差。
[0034] 圖1用于說明壓電編碼器一種示意性實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示了圖1中 壓電變壓器的組裝后的結(jié)構(gòu)。參見圖1和圖2,壓電編碼器包括一個(gè)第一工作件10和一個(gè) 第二工作件20。其中第一工作件10可相對于第二工作件20轉(zhuǎn)動。
[0035] 其中，沿第一工作件10的一個(gè)面上排布有4個(gè)施力磁對12,且每個(gè)施力磁對12設(shè) 有一個(gè)極性為N的第一磁塊122和一個(gè)極性為S的第二磁塊124。磁塊根據(jù)實(shí)際情況可以 為永磁體，也可以為電磁鐵。壓電編碼器中，可以通過增加第一工作件10周向上排布的施 力磁對的數(shù)量、磁對之間排布的間距、以及第一磁塊和第二磁塊之間的排布間距，調(diào)整壓電 編碼器的分辨率。在圖中所示壓電編碼器一種示意性實(shí)施方式中，第一工作件10為一個(gè)圓 柱體。
[0036] 沿第二工作件20的徑向，第二工作件20在其朝向第一工作件10的面上依次設(shè)有 一個(gè)壓電換能片22和一個(gè)受力磁片24。壓電換能片22安裝于第一工作件10,且受力磁片 24疊合與壓電換能片22。
[0037] 壓電換能片22的兩側(cè)分別設(shè)有一個(gè)第一電極222和一個(gè)第二電極224,當(dāng)壓電換 能片22受力變形產(chǎn)生電荷時(shí)，第一電極222和第二電極224可收集這些電荷，并將這些電 荷產(chǎn)生的電壓作為編碼器的輸出信號。在壓電編碼器一種不意性實(shí)施方式中，壓電換能片 22為極化后的壓電陶瓷片。
[0038] 受力磁片24的極性可為N極或S極。在圖中所示壓電編碼器一種示意性實(shí)施方 式中，第二工作件20為一個(gè)可環(huán)套于第一工作件10的圓環(huán)。第二工作件20靜止不動，且 第一工作件10相對于第二工作件20轉(zhuǎn)動。當(dāng)然，也可以設(shè)置為第二工作件20轉(zhuǎn)動，且第 一工作件10相對于第二工作件20靜止不動。壓電換能片22的極化方向指向第一工件，即 極化方向指向第一工作件10的旋轉(zhuǎn)中心，且第一電極222和第二電極224設(shè)置于壓電換能 片22中垂直于極化方向的兩個(gè)端面。
[0039] 在壓電編碼器另一種實(shí)施方式中，還可以是第二工作件靜止不同，而第一工作件 相對于第二工作件平移運(yùn)動。當(dāng)?shù)谝还ぷ骷鄬τ诘诙ぷ骷揭七\(yùn)動時(shí)，第一磁塊122 和第二磁塊124交替與受力磁片24相互作用，使得受力磁片24擠壓或拉伸壓電換能片22， 從而使得第一電極222與第二電極224輸出編碼電壓信號。
[0040] 圖3至圖8用于說明壓電編碼器的工作原理，圖中未標(biāo)識出第一電極222和第二 電極224,且圖中的虛線代表變形后的壓電換能片。當(dāng)壓電換能片22未受到受力磁片24擠 壓或拉升時(shí)，壓電換能片22不會感生出電荷，從而第一電極和第二電極無電壓輸出。
[0041] 當(dāng)?shù)谝还ぷ骷?0開始相對于第二工作件20轉(zhuǎn)動時(shí)，如圖3所示，在圖3所示的示 意性實(shí)施方式中，受力磁片24的極性為S極。磁對12的第一磁塊122開始朝向受力磁片 24運(yùn)動，由于第一磁塊122和受力磁片24的極性相反，使得他們之間產(chǎn)生相互吸引的磁性 力。受到吸引力的受力磁片24使得壓電換能片22拉伸，使得第一電極222收集到正電荷， 且第二電極224收集到負(fù)電荷，第一電極222與第二電極224之間的電壓為正值，且該電壓 為編碼電壓信號。
[0042] 第一工作件10繼續(xù)相對于第二工作件20轉(zhuǎn)動，如圖4所示，當(dāng)?shù)谝淮艍K122與受 力磁片24的距離最小時(shí)，它們之間的磁性吸引力最大，此時(shí)壓電換能片22受力產(chǎn)生最大拉 伸形變，且編碼電壓信號的數(shù)值達(dá)到正向最大值。
[0043] 當(dāng)?shù)谝还ぷ骷?0繼續(xù)相對于第二工作件20轉(zhuǎn)動，如圖5所示，第一磁塊122開始 遠(yuǎn)離受力磁片24,使得它們之間的磁性吸引力減小，且壓電換能片22受力產(chǎn)生拉伸形變逐 漸減小，編碼電壓信號的正向數(shù)值逐漸減小。
[0044] 如圖6所示，當(dāng)?shù)谝还ぷ骷?0繼續(xù)相對于第二工作件20轉(zhuǎn)動，使得第二磁塊124 開始靠近受力磁片24時(shí)，由于第二磁塊124和受力磁片24的極性相同，使得他們之間產(chǎn)生 相互排斥的磁性力。受到排斥力的受力磁片24使得壓電換能片22壓縮，使得第一電極222 收集到負(fù)電荷，且第二電極224收集到正電荷，第一電極222與第二電極224之間的電壓為 負(fù)值，且該電壓為編碼電壓信號。
[0045] 第一工作件10繼續(xù)相對于第二工作件20轉(zhuǎn)動，如圖7所示，當(dāng)?shù)诙艍K124與受 力磁片24的距離最小時(shí)，它們之間的磁性排斥力最大，此時(shí)壓電換能片22受力產(chǎn)生最大壓 縮形變，且編碼電壓信號的數(shù)值達(dá)到負(fù)向最大值。
[0046] 當(dāng)?shù)谝还ぷ骷?0繼續(xù)相對于第二工作件20轉(zhuǎn)動，如圖8所示，第二磁塊124開始 遠(yuǎn)離受力磁片24,使得它們之間的磁性排斥力減小，且壓電換能片22受力產(chǎn)生壓縮形變逐 漸減小，編碼電壓信號的負(fù)向數(shù)值逐漸減小。
[0047] 圖9用于說明壓電編碼器另一種示意性實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，在壓 電編碼器另一種實(shí)施方式中，還可以是第二工作件靜止不同，而第一工作件10相對于第二 工作件20平移運(yùn)動，且受力磁片24和壓電華能片22裝設(shè)在滑軌上。當(dāng)?shù)谝还ぷ骷鄬τ?第二工作件平移運(yùn)動時(shí)，第一磁塊122和第二磁塊124交替與受力磁片24相互作用，使得 受力磁片24擠壓或拉伸壓電換能片22,從而第一電極222與第二電極224輸出編碼電壓信 號。
[0048] 通過壓電編碼器輸出的變壓電壓信號的交替變化，可以得到第一工作件相對于第 二工作件的轉(zhuǎn)動的角度、角速度、以及角加速度，且具體的計(jì)算方法與現(xiàn)有編碼器的原理相 同，在此不再贅述。
[0049] 壓電編碼器中，通過使用低成本的壓電材料和磁性材料，可以極大的降低整個(gè)編 碼器的材料成本。另外，壓電編碼器的整體結(jié)構(gòu)簡單，便于集成入電機(jī)結(jié)構(gòu)中，且壓電器件 和磁性器件都具有良好的抗機(jī)械沖擊能力和熱穩(wěn)定性，即便使用在機(jī)械沖擊劇烈的場合和 /或高溫環(huán)境中，壓電編碼器的測量精度和可靠性受到的影響很小。
[0050] 壓電器件具有良好的電磁兼容性，使得壓電編碼器可以使用在電磁干擾嚴(yán)重的環(huán) 境中。另外，壓電器件不需要供電，從而可以極大地降低壓電編碼器的功耗。
[0051] 應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書是按照各個(gè)實(shí)施例描述的，但并非每個(gè)實(shí)施例僅包含一 個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說 明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以 理解的其他實(shí)施方式。
[0052] 上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本實(shí)用新型的可行性實(shí)施例的具體 說明，它們并非用以限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡未脫離本實(shí)用新型技藝精神所作的等 效實(shí)施方案或變更，如特征的組合、分割或重復(fù)，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 壓電編碼器，其特征在于，所述壓電編碼器包括： 一個(gè)第一工作件（10)，沿其一個(gè)面上排布有復(fù)數(shù)個(gè)施力磁對（12)，且每個(gè)所述磁對 (12)設(shè)有一個(gè)極性為N的第一磁塊（122)和一個(gè)極性為S的第二磁塊（124);和 一個(gè)能夠相對于所述第一工作件（10)運(yùn)動的第二工作件（20)，在其朝向所述第一工 作件（10)的面上依次設(shè)有： 一個(gè)壓電換能片（22)，它的兩側(cè)分別設(shè)有一個(gè)第一電極（222)和一個(gè)第二電極（224)， 一個(gè)疊合于所述壓電換能片（22)且極性為N或S的受力磁片（24)，所述施力磁對（12) 能夠?qū)λ鍪芰Υ牌?4)施加磁力，使得所述受力磁片（24)在磁力的作用下擠壓或拉伸 所述壓電換能片（22)，以及所述壓電換能片（22)能夠通過所述第一電極（222)和所述第二 電極（224)輸出一個(gè)指不其受力大小及方向的編碼電壓信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的壓電編碼器，所述第二工作件（20)能夠相對于所述第一工作件 (10)做平移運(yùn)動。
3. 如權(quán)利要求1所述的壓電編碼器，所述第二工作件（20)能夠相對于所述第一工作件 (10)轉(zhuǎn)動。
4. 如權(quán)利要求1所述的壓電編碼器，其中所述壓電換能片（22)的極化方向指向所述 第一工件（10)，且所述第一電極（222)和所述第二電極（224)設(shè)置于所述壓電換能片（22) 垂直于所述極化方向的兩個(gè)側(cè)面。
5. 如權(quán)利要求1所述的壓電編碼器，其中所述壓電換能片（22)為壓電陶瓷片。
6. 如權(quán)利要求3所述的壓電編碼器，其中所述第一工作件（10)為一個(gè)圓柱體，且所述 第二工作件（20)為一個(gè)能夠環(huán)套于所述第一工作件（10)的圓環(huán)，其中復(fù)數(shù)個(gè)所述施力磁 對（12)布置在所述第一工作件（10)的朝向所述第二工作件（20)的外周面上，以及所述壓 電換能片（22)和所述受力磁片（24)設(shè)置在所述第二工作件（20)的朝向所述第一工作件 (10)的內(nèi)周面上。
7. 如權(quán)利要求1所述的壓電編碼器，其中所述第二工作件（20)靜止，且所述第一工作 件（10)相對于第二工作件（20)轉(zhuǎn)動。
【文檔編號】G01D5/14GK203848849SQ201420053234
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)明者】尹若成, 于子硯 申請人:西門子公司