齿轮式编码器的制作方法

本实用新型涉及编码器技术领域，特别涉及一种齿轮式编码器。

背景技术：

齿轮式编码器由导磁材料制成的齿轮和读数头组成，读数头包括与齿轮模数对应的磁传感器和磁块。为得到强度均匀、方向统一的空间磁场，磁传感器需要最大限度地安装于磁块的表面中心位置，磁传感器接收磁块产生的磁场，磁传感器中心正对与齿轮径向侧方的某处，根据磁阻效应，在齿轮转动时会改变磁传感器所处位置的磁场方向，使磁传感器输出规律变化的电信号，齿轮作为信号的调制盘，在转动时改变了磁块的空间磁场的磁力线走向，磁传感器接收到的磁场方向发生变化，输出信号发生变化，产生与齿轮的齿顶和齿底形成对应关系的电信号。

齿轮式编码器的结构如图1所示，齿轮分为ab区域和z区域，通过两个磁传感器分别对应ab区域和z区域，两个磁传感器均输出两路差分信号，与ab区域对应的磁传感器输出的两路差分信号分别为a信号和b信号，与z区域对应的磁传感器输出的两路差分信号，只取一路作为z信号。

磁传感器的内部结构如图2所示，磁传感器的内部排列有八个磁感元件r1-r8，r1-r8分成上下两排对齐排列，上下两个磁感元件为一组，四组磁感元件以齿间距p/4的距离等距排列，r1-r8的阻值随着外界磁场的变化而变化。纵向两个磁感元件为一组，即r1和r3、r2和r4、r5和r7、r6和r8在相同的位置，感受相同的磁场。3、4引脚分别接电源和地线，1、2、5、6分别输出v1+、v2+、v1-、v2-信号，v1+与v1-差分形成一路差分信号，v2+与v2-差分形成另一路差分信号。

r1-r4及r5-r8分别以惠斯通电桥排列，如图3所示，r1和r3在同一位置感受相同的磁场，r1和r4组成半桥，当r1增大δr时，r4减小δr，当r2增大δr时，r3减小δr。r5-r8同理可得。δr满足在一个齿周期内呈正弦变化，则有：

δr＝rksinα；

v+-v-＝ksinαvcc。

z信号如图4所示，由于z信号中杂波过多，导致背景噪声过大，信噪比很低，很难提取到有用信号。因此，有必要提供一种能够提高z信号信噪比的齿轮式编码器。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种齿轮式编码器，通过去除z相信号的背景噪声，以提高信噪比，更有利于有用信号的提取。

为实现上述目的，本实用新型采用以下具体技术方案：

本实用新型提供一种齿轮式编码器，包括读数头和齿轮，读数头包括对应于齿轮的z区域的第一磁传感器，第一磁传感器的内部包括以两排上下对齐排布的四组磁感元件，每两个磁感元件组成一个半桥，第一磁传感器的模数为齿轮的模数的1.5～2.5倍，第一磁传感器内部的四组磁感元件以p/2的距离等间距排列，使组成半桥的两个磁感元件的相位相差180°，p为齿轮的齿距。

优选地，读数头还包括对应于齿轮的ab区域的第二磁传感器，第二磁传感器的模数与所述齿轮的模数相同。

优选地，第一磁传感器和第二磁传感器的感应区域中心线分别正对齿轮的半径延长线，且第一磁传感器在水平方向上与第二磁传感器偏移mπ/4距离，m为齿轮的模数。

优选地，以齿轮沿齿宽方向的一条线作为分界线，将齿轮分成两部分，一部分为全齿直齿轮，另一部分在全齿直齿轮的一个直齿上从齿顶到齿根去料形成一个单缺齿。

优选地，第二磁传感器到分界线的距离≥2.5mm，第一磁传感器到分界线的距离≥2mm。

优选地，第一磁传感器与第二磁传感器的的侧面和正面分别与齿轮的安装面相垂直。

优选地，齿轮的齿顶圆直径≥20mm。

优选地，齿轮的齿顶粗糙度优于1.6、齿面粗糙度优于3.2、齿根表面粗糙度优于3.2。

本实用新型能够取得以下技术效果：

1、在单缺齿在加工过程中，通常采用滚齿加工出直齿后，铣掉一部分齿形成单缺齿。此种单缺齿的加工成本低于目前普遍采用的单凸齿和单凹齿齿轮，相对单凸齿齿轮加工更加容易，相对单凹齿齿轮能够节约装配成本。

2、对应于ab区域的第二磁传感器的模数与齿轮的模数相同，对应于z区域的第一磁传感器的模数为齿轮的模数的1.5～2.5倍，第一磁传感器在遇到全齿部分时，齿距为p，产生直流信号，当遇到单缺齿时，齿距为2p，产生正弦波信号，以此来滤除背景噪声，提高信噪比，便于有用信号的提取。

3、将第一磁传感器在水平方向上与第二磁传感器偏移mπ/4距离，能够使a、b信号的等幅点与z信号的幅值最高点重合，满足a、b信号和z信号的相位关系。

附图说明

图1是传统的齿轮式编码器的结构示意图；

图2是传统的磁传感器的结构示意图；

图3是传统的磁传感器与齿轮的位置关系示意图；

图4是传统的z信号示意图；

图5是传统的单凸齿齿轮的结构示意图；

图6是传统的单凹齿齿轮的结构示意图；

图7是根据本实用新型一个实施例的齿轮式编码器的主视图；

图8是根据本实用新型一个实施例的齿轮式编码器的俯视图；

图9是根据本实用新型一个实施例的齿轮式编码器的内部结构排布示意图；

图10是根据本实用新型一个实施例的第一磁传感器与齿轮的位置关系示意图；

图11是根据本实用新型一个实施例的第一磁传感器的内部结构排布示意图；

图12是根据本实用新型一个实施例的z信号示意图；

图13是根据本实用新型一个实施例的a、b信号与z信号的相位关系示意图。

其中的附图标记包括：读数头1、第一磁传感器11、第二磁传感器12、磁感元件r1-r8、感应区域中心线13、齿轮2、全齿直齿轮21、单缺齿22、分界线23、半径延长线24。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，而不构成对本实用新型的限制。

下面将对本实用新型实施例提供的齿轮式编码器进行详细说明。

如图7-图9所示，本实用新型实施例提供的齿轮式编码器，包括：读数头1和齿轮2，齿轮2沿厚度方向分成两个区域，分别为ab区域和z区域，读数头1包括第一磁传感器11和第二磁传感器12，第一磁传感器11对应于z区域，用于产生z信号，第二磁传感器12对应于ab区域，用于产生a信号和b信号。

以齿轮2齿宽方向上的某一条线作为分界线23，将齿轮2分成全齿部分和缺齿部分，全齿部分为全齿直齿轮21，即ab区域为全齿直齿轮21，对应于第二磁传感器12，ab区域的全齿由第二磁传感器12解调出a和b信号，缺齿部分在全齿直齿轮21的一个直齿上从齿顶到齿根去料形成一个单缺齿22，即z区域为具有一个单缺齿22的全齿直齿轮21，对应于第一磁传感器11，z区域的单缺齿22由第一磁传感器11解调出z信号。全齿部分和缺齿部分的模数相同，均为m。

在加工齿轮2时，先采用滚齿加工出全齿直齿轮21后，在一个直齿上从齿顶到齿根铣掉一部分齿，从而形成单缺齿22。

传统的齿轮，其z区域通常采用单凸齿和单凹齿，分别如图5和图6所示。下面分别对单凸齿和单凹齿的结构进行说明，以阐明本实用新型采用单缺齿22而未采用单凸齿和单凹齿的理由。

1、单凸齿

单凸齿为一个凸出的齿，与ab区域的标准齿上某个齿相同。由于齿轮式编码器对齿轮的精度要求较高，不能采用铸塑加工。通常先加工出标准齿轮，再在标准齿轮上数控铣去多余的齿，只剩下一个单度的凸齿，这种加工方式导致单凸齿的制造成本高，齿轮式编码器的成本也随之增加。

2、单凹齿

单凹齿为具有单个凹槽的圆柱面，圆柱面的直径等于齿顶圆的直径，凹槽对应于ab区域的标准齿轮上的某一齿谷。具有单凹齿的齿轮通常为组合件，由两个以上的零件装配组成。这样的齿轮加工成本高，导致齿轮式编码器的成本也随之增加。

基于单凸齿与单凹齿加工成本高的问题，本实用新型另辟蹊径，在采用滚齿加工出全齿直齿轮后，在全齿直齿轮的一个直齿上铣掉一部分齿，以形成单缺齿22。与单凸齿相比，只需铣掉半个齿，加工起来更加容易，加工成本更低。与单凹齿相比，整体为一个零件，可以装配成本。因此，本实用新型采用的单缺齿22能够降低齿轮式编码器的成本。

在本实用新型的一个示例中，齿轮2的齿顶圆直径≥20mm，第二磁传感器12到齿轮2的分界线的距离≥2.5mm，第一磁传感器11到齿轮2的分界线的距离≥2mm。

若第二磁传感器12到齿轮2的分界线的距离＜2.5mm，单缺齿22会对a、b信号产生影响，使信号质量变差，若第一磁传感器11到齿轮2的分界线的距离＜2mm，则全齿会对z信号产生影响，使信号幅值降低。

在本实用新型的一个具体示例中，第一磁传感器11的侧面(图9中为l面)和第二磁传感器12的侧面(图9中为m面)分别与齿轮2的安装面垂直。第一磁传感器11和第二磁传感器12的正面(图9中为n面，即正对齿轮的表面)也齿轮2的安装面(图9中为o面)垂直。

这样布置的目的是，为了保证齿轮的模数与第一磁传感器11和第二磁传感器12的模数相对应，产生的信号的正余弦性好，反之变差。如第一磁传感器11和第二磁传感器12的位置存在偏差，表征出来的模数会变小，影响信号质量。

磁传感器的模数表征为内部磁感元件之间的间距。当磁传感器的模数与齿轮的模数相同时，四组磁感元件以齿距p/4距离等距排列，p为齿轮的齿距。当磁传感器的模数为齿轮的模数的2倍时，四组磁感元件以齿距p/2距离等距排列。

在本实用新型的一个具体实施例中，齿轮的齿顶表面粗糙度优于1.6、齿面粗糙度优于3.2、齿根表面粗糙度优于3.2。

第一磁传感器11和第二磁传感器12的内部分别包括八个磁感元件，八个以两排且上下对齐的方式排布，上下两个对齐的磁感元件为一组，则两组磁感元件以惠斯通电桥排列，对角的两个磁感元件组成半桥，四组磁感元件以齿间距p/4的距离等距排列。

在本实用新型中，第二磁传感器12的模数与齿轮2的模数相同，即未对第二磁传感器12做出改变，第二磁传感器12与传统的对应于ab区域的磁传感器的工作原理相同，组成板桥的两个磁感元件的相位相差90°，输出的差分信号为正弦信号。

本实用新型的创新点在于在不改变第二磁传感器12内部结构的基础上，将第二磁传感器12的模数设置为齿轮2模数的1.5～2.5倍，使第二磁传感器12遇到全齿时输出的差分信号是直流信号，当遇到单缺齿22时，输出的差分信号是正弦信号，以此来提高z信号的信噪比。

图10示出了根据本实用新型一个实施例的第一磁传感器与齿轮的位置关系。

如图10所示，第一磁传感器11包括八个磁感元件r1-r8，r1-r4、r5-r8分别排列成一排，且r1与r3、r2与r4、r5与r7、r4与r8分别上下对齐，r1-r4、r5-r8分别以惠斯通电桥排列，r1与r3、r2与r4、r5与r7、r4与r8分别感受相同的磁场。

当第二磁传感器12的模数设置为齿轮2模数的1.5～2.5倍时，r1与r2之间、r2与r5之间、r5与r6之间、r3与r4之间、r4与r7之间、r7与r8之间以p/2的距离等距排列，p为齿轮2的齿距。

图11示出了根据本实用新型一个实施例的第一磁传感器的内部结构排布情况。

由于只取第一磁传感器11的一路差分信号作为输出信号，因此图11中只示出了四个磁感元件r1-r4，r1与r4组成半桥，r2与r3组成半桥，v+与v-形成差分信号。

r1和r4组成半桥，r1和r4的相位差由90°变为180°。当r1增大δr时，r4同样增大δr。同理，当r2增大δr时，r3同样增大δr。δr满足在一个齿周期内的正弦变化，通过下式计算v+和v-：

则v+-v-＝0。

当第一磁传感器11遇到全齿时，相邻的两个直齿的齿距为p，则r1和r4的相位差为180°，v+-v-＝0，输出差分信号为直流信号。

当第一磁传感器11遇到单缺齿22时，由于缺少一个直齿，相邻的两个直齿的齿距变为2p，则r1和r4的相位差为90°，v+-v-＝ksinαvcc，输出的差分信号为正弦信号。

第一磁传感器11输出的差分信号如图12所示，在第一磁传感器11选用2倍齿轮的模数后，z信号的背景噪声减少，信噪比很大，有利于信号的提取。

r5-r8输出的差分信号与r1-r4同理可得，在此不再赘述。

本实用新型通过在齿轮2的z区域的全齿中设置一个单缺齿22及设置第二磁传感器12的模数为齿轮2模数的1.5～2.5倍，将这两种设计相结合，使第一磁传感器11遇到全齿时，相邻的两个直齿的齿距为p，第一磁传感器11内的四组磁感元件的间距为p/2，r1和r4的相位差为180°，v+-v-＝0，输出直流信号；而当第一磁传感器11遇到单缺齿22时，相邻的两个直齿的齿距为2p，第一磁传感器11内的四组磁感元件的间距为p/4，r1和r4的相位差为90°，v+-v-＝ksinαvcc，输出正弦信号，以此来滤除背景噪声，提高信噪比，便于有用信号的提取。

如果z区域的全齿中未设置单缺齿22，则无法改变全齿中某一处的齿距，也就无法改变r1和r4的相位关系；如果未将第一磁传感器11的模数设置为齿轮2的模数的2倍，则无法使磁感元件的间距为p/4。因此实现背景噪声的滤除，单缺齿22的设置及第一磁传感器11模数的改变缺一不可。

为了满足编码器a、b信号和z信号的相位关系，目前通用的方法是通过延迟z信号来实现z信号相位的调整。本实用新型是采用物理方法，将第一磁传感器11相对第二磁传感器12在水平方向偏移一定距离来满足相位关系。当第一磁传感器11和第二磁传感器12的感应区域中心线13均位于齿轮2的半径延长线24上时，相位关系如图13所示，相位差为t/4。对应齿轮2齿顶的圆弧长为mp/4，将第一磁传感器11移动mp/4的距离，a、b信号等幅点与z信号的幅值最高点重合，满足a、b信号和z信号的相位关系。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。