电容式编码器和电机组件的制作方法

本实用新型涉及适用于电机的电容式编码器，尤其涉及一种用于旋转角测量或线性位置测量的电容式编码器以及采用该电容式编码器的电机组件。

背景技术：

旋转角测量装置(也称作编码器)是一种测量角度和旋转速度的装置，其可用于许多领域，诸如用于测量电机速度或角度控制等等。根据技术原理的不同，编码器可以分成光学编码器、磁性编码器、电容式编码器等等。其中，电容式编码器比光学编码器更耐用，且比磁性编码器更精确。此外，电容式编码器还具有结构简单、对灰尘、油液以及电磁干扰不敏感、成本较低等优点。

现有技术的电容式编码器都需要采用轴承。如果没有轴承，那么在外力沿转轴的轴向施加于电机转轴时动盘和静盘之间的距离会发生变化，进而导致电容式编码器的性能劣化，甚至在轴向位移较大时还会无法工作。例如，图1示出了现有技术的一种电容式编码器1，其主要包括一个静盘2、一个动盘3和一个转轴4。基于这种结构，为减小转轴4在受到轴向作用力时静盘2和动盘3之间的距离d的变化，必须在转轴4外侧设置轴承。此外，现有技术的电容式编码器1的信号发生和检测电路5设置于静盘2的一侧，并覆盖静盘2的该一侧的大部分表面。

但，为了进一步降低成本以及延长电容式编码器的使用寿命，还是期待一种无轴承的电容式编码器。

技术实现要素：

本实用新型的诸实施例旨在提供一种新型电容式编码器，该电容式编码器通过结构上的设计降低了对动盘轴向位移变化的灵敏度，从而可以免去轴承的设置。因此，本实用新型的电容式编码器可以在不降低性能的前提下降低电容式编码器的成本和延长使用寿命。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种电容式编码器，包括：静盘、第一动盘、第二动盘和转轴，所述第一动盘和第二动盘装配在所述转轴上以随所述转轴相对于所述静盘旋转，所述静盘设置于所述第一动盘和所述第二动盘之间，所述静盘具有中心通孔，所述转轴穿过所述中心通孔。

根据本实用新型的一个实施例，在上述的电容式编码器中，所述静盘、第一动盘和第二动盘彼此平行设置，其中，所述静盘和所述第一动盘之间具有第一间隙，所述静盘和所述第二动盘之间具有第二间隙，且所述第一间隙同所述第二间隙大小相同。相同的间隙有助于抵消转轴的轴向位移变化对电容式编码器的工作性能影响。

根据本实用新型的一个实施例，在上述的电容式编码器中，所述静盘的两侧盘面上均设置有第一电极。

根据本实用新型的一个实施例，在上述的电容式编码器中，所述第一动盘和第二动盘的与所述静盘相对的盘面上均设置有第二电极。

根据本实用新型的一个实施例，在上述的电容式编码器中，所述第一电极是激励和接收电极，且所述第二电极是反射电极。

根据本实用新型的一个实施例，在上述的电容式编码器中，所述第一动盘上的电活性图案与所述第二动盘上的电活性图案相同，且所述静盘的两个盘面上的电活性图案彼此相同。电活性图案保持相同是可以降低成本的简化方案。

根据本实用新型的一个实施例，在上述的电容式编码器中，所述第一电极是反射电极，且所述第二电极是激励和接收电极。

根据本实用新型的一个实施例，在上述的电容式编码器中，所述第一动盘和所述第二动盘随所述转轴同步旋转。

根据本实用新型的一个实施例，在上述的电容式编码器中，所述电容式编码器不设置用于稳定所述第一动盘和第二动盘的轴承。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种电机组件，包括：驱动电机、电机轴和如以上所讨论的电容式编码器，其中，所述电机轴从所述驱动电机延伸出，所述电机轴与所述转轴接合，以使所述转轴在所述驱动电机的驱动下旋转。

应当理解，本实用新型以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本实用新型提供进一步的解释。

附图说明

包括附图是为提供对本实用新型进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本实用新型的实施例，并与本说明书一起起到解释本实用新型原理的作用。附图中：

图1示出了现有技术的电容式编码器的结构示意图。

图2是根据本实用新型的一个优选实施例的电容式编码器的结构示意图。

图3示出了图2所示的电容式编码器的实施例的电路模型。

图4示出了现有技术和本实用新型的对动盘轴向位移变化灵敏度曲线的比较。

附图标记说明：

1 电容式编码器

2 静盘

3 静盘

4 转轴

5 信号发生和检测电路

10 电容式编码器

11 静盘

12 第一动盘

13 第二动盘

14 转轴

15 中心通孔

16 第一电极

17 第二电极

18 信号发生和检测电路

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本实用新型的实施例。现在将详细参考本实用新型的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本实用新型中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本实用新型说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本实用新型。

参考附图来更详细地讨论本实用新型的基本原理和优选实施例。如图2所示，根据本实用新型的一种电容式编码器10主要包括：静盘11、第一动盘12、第二动盘13和转轴14。其中，第一动盘12和第二动盘13装配在转轴14上以随转轴14相对于静盘11旋转。静盘11设置于第一动盘12和第二动盘13之间，静盘11具有中心通孔15。转轴14穿过中心通孔15。第一动盘12和第二动盘13可以随转轴14同步旋转。如以下将进一步讨论的，这种结构上的设计可以减少转轴14的轴向位移对电容式编码器10的性能的影响。

在图2所示的实施例中，静盘11、第一动盘12和第二动盘13彼此平行设置，使得静盘11和第一动盘12之间具有第一间隙d1，且静盘11和第二动盘13之间具有第二间隙d2。第一间隙d1可以同第二间隙d2大小相同。

根据第一实施例，静盘11的两侧盘面上均设置有第一电极16，例如激励和接收电极。这两个激励和接收电极并联至同一激励源，例如信号发生和检测电路18。如图2所示，该信号发生和检测电路18可以呈环状并布置于静盘11的外圈。此外，第一动盘12和第二动盘13的与静盘11相对的盘面上均设置有第二电极17，例如反射电极。这两个反射电极彼此并联。第一电极16和第二电极17都由电活性图案构成。作为一种最简便的方案，第一动盘12上的电活性图案与第二动盘13上的电活性图案彼此相同，且静盘11的两个盘面上的电活性图案也彼此相同。例如，图3示出了该实施例的电容式编码器10的电路模型。

根据第二实施例，静盘11的两侧盘面上均设置有第一电极16，例如反射电极。第一动盘12和第二动盘13的与静盘11相对的盘面上均设置有第二电极17，例如激励和接收电极。

根据以下的计算分析中所体现的原理，上述结构的电容式编码器10可以不用设置用于稳定第一动盘12和第二动盘13的轴承。

根据以上的第一实施例，基于电路的基本原理，图3中的电压V₁可以表示为：

假定且C_L＞＞C_EG，这可以通过电活性图案设计来保证。这样，V₁可以表示为：

其中，ε是空气的介电常数。

类似的，图3中的电压V₂可以表示为：

因此，检测到的电压V_O(t)就是两个接收电极之间的电压，具有放大器增益G_a,，该V_O(t)可以表示为：

本实用新型的优点在于：在动盘的轴向位移发生(由于转轴热膨胀等因素)时，电容式编码器10对动盘的轴向位移的灵敏度被大幅降低，从而可以免于采用轴承。

例如，根据以上等式，假定动盘的轴向位移变化为Δd：

对于图1所示的现有技术的电容式编码器1来说，动盘和静盘之间的距离从增加至d+Δd。

因此，在动盘和静盘之间的距离从d增加至d+Δd时，检测到的信号V_O(t)的幅度的变化量为：

相对的，对于本实用新型的电容式编码器10来说，动盘的轴向位移变化Δd将使得第一动盘12和静盘11之间的距离从d₁增加至d₁+Δd，且第二动盘13和静盘11之间的举例从d₂减少至d₂-Δd。因此，检测到的信号V_O(t)的幅度变化量为：

对于本实用新型的电容式编码器10，假定d₁＝d₂＝2d，则

综上，现有技术和本实用新型的相对于Δd/d的灵敏度a₁(Δd)和a₂(Δd)如图4所示。可见，本实用新型的电容式编码器10对动盘轴向位移的灵敏度表现明显优于现有技术的电容式编码器1。因此，根据本实用新型，可以省去轴承的使用，从而降低电容式编码器10的整体成本。

以上所讨论的编码器10适用于电机组件(未图示)，该电机组件可以进一步包括驱动电机和电机轴，其中电机轴从驱动电机延伸出，电机轴与转轴14接合，以使转轴14在驱动电机的驱动下旋转。

综上，本实用新型设计的全新结构的电容式编码器通过结构上的设计降低了动盘轴向位移变化的灵敏度，从而可以省去轴承。在不降低性能的前提下降低了电容式编码器的成本和延长使用寿命。

本领域技术人员可显见，可对本实用新型的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本实用新型的精神和范围。因此，旨在使本实用新型覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本实用新型的修改和变型。