CN114689098B - 超声旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声旋转编码器，其包括传感器部分、旋转传输部分、信号处理部分，传感器部分包括定子、转子、超声波传感器、以及多个格栅条，其中格栅条形成的回波信号与定子侧壁所形成的回波信号之间存在强弱差异。本发明通过多个栅格和超声波传感器的对应设置，能够获取到更多的信息，从而使得超声旋转编码器能够精确的算出定子的转动角度和转动速度，并结合编码器的角分辨精度大幅度降低格栅对超声回波检测造成误差，同时在单个格栅条的作用下，很容易看出每个运动周期，进而方便超声旋转编码器做出准确的判定。

Description

超声旋转编码器

本申请是申请日为2020年6月18日、申请号为2020105620646、名称为超声旋转编码器的格栅成型工艺的分案申请。

技术领域

本发明属于超声编码器领域，具体涉及一种超声旋转编码器。

背景技术

目前，旋转编码器也称为轴编码器，主要是将旋转位置或旋转量转换成电子信号的设备，可以应用在工业控制、机器人技术、专用镜头等。

旋转编码器主要分为绝对型编码器和增量型编码器两种，增量型编码器利用检测脉冲的方式计算转速和相对位置，可输出有关旋转运动的信息；绝对型编码器会输出旋转轴的绝对位置，可视为角度传感器。

而且，编码器的运行模式一般分为机械式、光学式、电磁式、感应式和电容式等，这类传感器将检测元件和处理电路结合在一起，结构都比较大，一般直径都在15mm以上，在一些结构狭小的领域不能很好的应用。

同时，在超声编码器中，其主要是通过超声的回波强弱进行获取旋转轴的运动信息，那么决定回波的强弱主要在于格栅，而目前的栅格一般由大量等宽间距的平行狭缝构成，通常为光学器件，称之为光栅，分为反射光栅、透射光栅等。栅格一般为平面结构，通常是通过光刻、激光切割、刻蚀等技术形成，是在玻璃或者金属等一种特定的材料表面刻出许多平行刻痕，形成一条透光栅，一条反光栅的交错排列的结构。

但是，由于光栅对精度要求很高且尺寸狭小，在圆柱表面制作光栅难度很大，通常用平面光栅卷曲的方法制作，这样容易在卷曲接缝处引入误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种全新的超声旋转编码器。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种超声旋转编码器，其包括传感器部分、旋转传输部分、信号处理部分，所述传感器部分包括截面呈圆形且呈直管状的定子、绕着定子的中心线方向自由转动地设置在定子内部的转子、固定设置在转子伸入定子端部的超声波传感器、以及绕着定子的周向均匀分布的多个格栅条，其中格栅条形成的回波信号与定子侧壁所形成的回波信号之间存在强弱差异，且每相邻两个格栅条之间形成栅格，依次设置的栅格组成格栅，格栅有多组，每组格栅沿着定子的长度方向并排分布，每相邻两组栅格之间依次形成有180°/N的角度偏差，N为格栅条的个数，超声波传感器有多个且对应分布在格栅形成的超声回波检测区内，其中一组格栅与一个超声波传感器构成一组信息获取单元，多组所述信息获取单元中具有单个格栅条的信息获取单元，且假设横向分辨率为λ，则编码器的角分辨精度最高为360°/λ。

优选地，单个格栅条与相邻的格栅的栅格之间也形成有180°/N的角度偏差，N为格栅条的个数。在单个格栅条的作用下，很容易看出每个运动周期，进而方便超声旋转编码器做出准确的判定。

优选地，格栅条形成的回波信号强于定子侧壁所形成的回波信号。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，定子的材质为塑料或橡胶，所述格栅条由金属涂层形成或为金属件。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，定子上形成有多个长形槽，每个长形槽均以定子的中心为圆心的圆弧段，且每个长形槽沿着定子在长度方向延伸，其中格栅条与长形槽一一对应，且格栅条设置在长形槽内。

优选地，长形槽位于定子的外壁面上，每个长形槽的槽深相等，且槽底面与对应处定子内壁之间的距离为定子壁厚的1/6~1/2。

优选地，格栅条为通过喷涂、蒸镀或溅射形成在长形槽内的金属涂层，且形成厚度与对应的长形槽的槽深相等。

优选地，转子为被检测轴，且直径大于或等于0.3mm；所述定子的内径大于等于0.4mm，所述定子的外径大于或等于0.5mm。

优选地，在所述转子端部形成有沿着自身长度方向延伸的安装槽，多个所述超声波传感器并排设置在所述安装槽中。

此外，上述格栅成型工艺包括如下步骤：

1）、在定子的内壁或外周且对应超声波传感器所在位置的表面均匀的涂覆一层易于自定子表面剥离的材料层；

2）、自材料层的表面向内凹陷加工并形成在定子壁面上的多个长形槽，其中每个长形槽的截面相同，均以定子的中心为圆心的圆弧段，多个长形槽绕着定子的周向均匀分布，且每个长形槽沿着所述定在长度方向延伸；

3）、在长形槽的槽面和材料层未形成长形槽的表面形成厚度一致的涂层，其中涂层形成的回波信号与所述定子侧壁所形成的回波信号之间存在强弱差异；

4）、自定子表面剥离掉表面形成有涂层的材料层，同时，形成在每个长形槽内的涂层为格栅条，每相邻两个格栅条之间形成一个栅格，依次设置的多个栅格形成所述的格栅。

优选地，格栅位于定子的外周，在涂覆形成材料层之前，定子外周套设有分隔套，其中分隔套将定子划分成格栅区和非格栅区，材料层涂覆在所述格栅区，且在步骤4）中，剥离材料层之前或者之后，将分隔套自定子外周拆除。分隔套的设置，其主要目的就是：1、实现格栅区的分隔；2、防止加工时候，对非格栅区造成干扰。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，步骤1）中材料层为能够溶于水的胶层、不溶于水的胶层或者薄膜层。

优选地，剥离的手段与材料层一一对应设置，当材料层为能够溶于水的胶层时，剥离的手段为溶解；当材料层为不溶于水的胶层时，剥离的手段为加热或者光照；当材料层为薄膜层（例如：parylene薄膜）时，剥离的手段为外力剥离。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，定子的材质为塑料或橡胶，格栅条由金属涂层形成或为金属件，这样一来，格栅条形成的回波信号强于定子侧壁所形成的回波信号。

优选地，格栅条设置在定子的外周，在进行步骤2）之前，采用内撑部件定型支撑在定子的内壁，长形槽利用激光切割或机械切割而成，且在完成步骤4）之后，内撑部件自定子内部抽出。内撑部件的设置很简单，就是防止定子的变形。

进一步的，每个长形槽的槽深相等，且槽底面与对应处定子内壁之间的距离为定子壁厚的1/6~1/2。

优选地，在步骤3）中，涂层通过喷涂、蒸镀或溅射形成在定子的外周。这样一来，确保所形成每一个格栅条厚度相等，故每一个格栅条所提供的回波强度相等。

此外，在转子端部形成有沿着自身长度方向延伸的安装槽，超声波传感器有多个且并排设置在安装槽中，格栅有多组，且与超声波传感器一一对应，其中每组格栅沿着定子的长度方向并排分布，且每相邻两组栅格之间依次形成有180°/N的角度偏差，N为格栅条的个数。通过多个栅格和超声波传感器的对应设置，从而能够获取到更多的信息，从而使得超声旋转编码器能够精确的算出定子的转动角度和转动速度。

优选地，每一个格栅与一个超声波传感器构成一组信息获取单元，超声旋转编码器还包括具有单个格栅条的信息获取单元，其中单个格栅条与相邻的格栅的栅格之间也形成有180°/N的角度偏差，N为格栅条的个数。在单个格栅条的作用下，很容易看出每个运动周期，进而方便超声旋转编码器做出准确的判定。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明通过多个栅格和超声波传感器的对应设置，能够获取到更多的信息，从而使得超声旋转编码器能够精确的算出定子的转动角度和转动速度，大幅度降低格栅对超声回波检测造成误差，同时在单个格栅条的作用下，很容易看出每个运动周期，进而方便超声旋转编码器做出准确的判定。

附图说明

图1为本发明的超声旋转编码器的结构示意图（局部剖视）；

图2a、图2b、图2c和图2d为步骤1）中对应的状态示意图；

图3a和图3b为步骤2）中对应的状态示意图；

图4a和图4b为步骤3）中对应的状态示意图；

图5a和图5b为步骤4）中对应的状态示意图；

图6为本发明的超声旋转编码器的结构示意图（绝对型编码器）；

其中：1、传感器部分；10、定子；11、转子；110、安装槽；12、超声波传感器；13、格栅条； 2、旋转传输部分；20、旋转部；21、信息传输部；3、信号处理部分；4、内撑部件；5、分隔套；6、材料层；7、涂层；s、格栅区；f、非格栅区；c、长形槽；q、信息获取单元。

实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，本实施例所公开的超声旋转编码器，其包括传感器部分1、旋转传输部分2（可以是滑环、旋转变压器、旋转电容、旋转光纤耦合器等）、信号处理部分3，其中旋转传输部分2包括驱动被检测轴绕自身轴线方向转动的旋转部20、与传感器部分1和信号处理部分3连通的信息传输部21，传感器部分1获得的检测信息由信息传输部21传递至信号处理部分3，信号处理部分3进行信号分析以获取测量信息。

传感器部分1包括截面呈圆形且呈直管状的定子10、绕着定子10的中心线方向自由转动地设置在定子10内部的转子11、固定设置在转子11伸入定子10端部的超声波传感器12、以及绕着定子10的周向均匀分布的多个格栅条13，其中格栅条13形成的回波信号强于定子侧壁所形成的回波信号，且相邻两个格栅条13之间形成栅格，依次设置的栅格组成格栅，超声波传感器13位于格栅形成的超声回波检测区内。

本例中，定子10为塑料件，格栅条13为金属件。

具体的，转子为被检测轴，且直径大于或等于0.3mm；定子的内径大于等于0.4mm，定子的外径大于或等于0.5mm。

本例子，定子10的外径为1.0mm，定子的内径为0.8-0.9mm，转子11的外径0.6mm。

具体的，格栅成型工艺如下：

参见图2a至图2d（其中图2a为主视图，图2b为右视图；图2c为主视图，图2d为右视图），1）、采用内撑部件4定型支撑在定子10的内壁，然后在定子10外周套设有将定子10划分成格栅区s和非格栅区f的分隔套5，接着在格栅区s的定子10外周涂覆一层易于自定子表面剥离的材料层6；

2）、自材料层6的表面向内凹陷加工并形成在定子10壁面上的多个长形槽c（结合图3a所示，其为主视图），其中每个长形槽c的截面相同，均以定子的中心为圆心的圆弧段（结合图3b所示，其为自长形槽中部处的右视图），多个长形槽绕着定子的周向均匀分布，且每个长形槽沿着所述定在长度方向延伸；

3）、在长形槽c的槽面和材料层6未形成长形槽的表面形成厚度一致的涂层7（参见图4a和图4b，其中图4a为主视图，图4b为自长形槽中部处的右视图），其中涂层7形成的回波信号强于定子10侧壁所形成的回波信号；

4）、自定子10表面剥离掉表面形成有涂层7的材料层6（结合图5a和图5b所示，其中图5a为主视图，图5b为自长形槽中部处的右视图），并将内撑部件4自定子10内部抽出，此时，形成在每个长形槽c内的涂层为格栅条13，每相邻两个格栅条13之间形成一个栅格，依次设置的多个栅格形成所述的格栅。

为了进一步便于上述的格栅成型，本例中还采用了如下手段。

在步骤1）中，材料层为能够溶于水的胶层，这样一来，一旦格栅成型后，将整个定子至于水中，由材料层的溶解，从而将定子表面的材料层快速脱去。

当然，也可以采用不溶于水的胶层和加热（或者光照，使其脱胶即可）、parylene薄膜层和外力剥离的对应手段，方便实施材料层的剥离。

在步骤2）中，所谓的加工是指机械加工或者激光加工，但是值得提醒的是，每个长形槽的槽深相等，且槽底面与对应处定子内壁之间的距离为定子壁厚的3/5。

优选地，在步骤3）中，保持定子自转下，涂层通过喷涂、蒸镀或溅射形成在定子的外周。这样一来，确保所形成每一个格栅条厚度相等，故每一个格栅条所提供的回波强度相等。

本例中，金属材料为声反射材料，如不锈钢、金、铝等材料中的一种，并通过蒸镀方式形成在定子外周的长形槽内。

结合图6所示，在转子11端部形成有沿着自身长度方向延伸的安装槽110，超声波传感器12有多个且并排设置在安装槽110中，格栅与超声波传感器12一一对应，且形成的超声回波检测区沿着定子10的长度方向并排分布，每相邻两组栅格之间形成有180°/N的角度偏差，N为格栅条的个数。通过多个栅格和超声波传感器的对应设置，从而能够获取到更多的信息，从而使得超声旋转编码器能够精确的算出定子的转动角度和转动速度。

每一个格栅与一个超声波传感器13构成一组信息获取单元q，超声旋转编码器还包括具有单个格栅条的信息获取单元q，其中单个格栅条13与相邻的格栅的栅格之间也形成有180°/N的角度偏差，N为格栅条的个数。在单个格栅条的作用下，很容易看出每个运动周期，进而方便超声旋转编码器做出准确的判定。

因此，本例中，信息获取单元q有三组，即为3位格雷编码，也就是绝对型编码器。

同样，可以通过增加刻度尺排数和超声传感器的数量，来提高格雷编码的位数，从而提高编码器的分辨率。

此外，以中心频率50MHz的超声探头为例，其横向分辨率在200um左右，这个分辨率的大小决定了定子上的格栅条的最小刻度间距不能小于超声探头的横向分辨率，这样才能够获取需要的强弱信号。

假设横向分辨率为λ，则编码器的角分辨精度最高为360°/λ。但是我们可以通过增加传感器的数量来提高编码器的精度。

综上，本实施例中，利用超声波遇到不同反射物反射回波的强弱设计传感器，利用旋转编码的原理，对旋转物体进行转速和位置的测量。

同时，用超高频微型超声传感器，可以将编码器结构设计用于被检测轴直径在0.3mm以上且对该被检测轴的转速和位置进行测量，故，可应用在高精密检测领域，如体内介入医疗影像设备，对因旋转畸变造成的图像失真（NURD）等进行有效地修正，确保图像的准确性，有着非常好的优势。

本实施例的检测过程如下：

（1）、采用被检测轴替换转子，并在转子的端部形成有安装槽，超声波传感器对应分布在安装槽内，且对应位于多个格栅条形成的超声回波检测区内；

（2）、启动旋转传输部分和超声波传感器，在被检测轴和超声波传感器的同步转动下进行超声回波的信号采集，其中超声波传感器的发射面与每一个格栅条切线平行时，反射回波强度最大Amax，超声波传感器的发射面正对相邻两个格栅条正中间位置时，反射回波强度最弱Amin，至于超声波传感器的发射面在其他位置的时候，反射回波强度在Amax和Amin之间；

（3）、超声波传感器将所采集的反射回波强度向信号处理部分传达，由信号处理部分进行数据分析并成像，其中根据成像信息可计算出被检测轴的转速和转动角度。

同时，为了进一步提高编码器的分辨率，在上述步骤（1）中，还可以采用三组信息获取单元并排设置，构成的三位格雷编码，当然，也可以采用多组并排的多位格雷编码进行检测，这样一来，能够更准确的获知被检测轴的运动数据。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声旋转编码器，其特征在于：所述超声旋转编码器包括传感器部分、旋转传输部分、信号处理部分，所述传感器部分包括截面呈圆形且呈直管状的定子、绕着定子的中心线方向自由转动地设置在定子内部的转子、固定设置在转子伸入定子端部的超声波传感器、以及绕着定子的周向均匀分布的多个格栅条，其中所述格栅条形成的回波信号与所述定子侧壁所形成的回波信号之间存在强弱差异，且每相邻两个格栅条之间形成栅格，依次设置的所述栅格组成格栅，所述格栅有多组，每组所述格栅沿着所述定子的长度方向并排分布，每相邻两组栅格之间依次形成有180°/N的角度偏差，N为格栅条的个数，所述超声波传感器有多个且对应分布在所述格栅形成的超声回波检测区内，其中一组所述格栅与一个所述超声波传感器构成一组信息获取单元，多组所述信息获取单元中具有单个所述格栅条的信息获取单元，且假设横向分辨率为λ，则编码器的角分辨精度最高为360°/λ。

2.根据权利要求1所述的超声旋转编码器，其特征在于：单个所述格栅条与相邻的所述格栅的栅格之间也形成有180°/N的角度偏差，N为格栅条的个数。

3.根据权利要求1所述的超声旋转编码器，其特征在于：所述格栅条形成的回波信号强于所述定子侧壁所形成的回波信号。

4.根据权利要求3所述的超声旋转编码器，其特征在于：所述定子的材质为塑料或橡胶，所述格栅条由金属涂层形成或为金属件。

5.根据权利要求1所述的超声旋转编码器，其特征在于：所述定子上形成有多个长形槽，每个所述长形槽均以所述定子的中心为圆心的圆弧段，且每个长形槽沿着所述定子在长度方向延伸，其中所述格栅条与所述长形槽一一对应，且所述格栅条设置在所述长形槽内。

6.根据权利要求5所述的超声旋转编码器，其特征在于：所述长形槽位于所述定子的外壁面上，每个所述长形槽的槽深相等，且槽底面与对应处所述定子内壁之间的距离为所述定子壁厚的1/6~1/2。

7.根据权利要求6所述的超声旋转编码器，其特征在于：所述格栅条为通过喷涂、蒸镀或溅射形成在所述长形槽内的金属涂层，且形成厚度与对应的所述长形槽的槽深相等。

8.根据权利要求1所述的超声旋转编码器，其特征在于：所述转子为被检测轴，且直径大于或等于0.3mm；所述定子的内径大于等于0.4mm，所述定子的外径大于或等于0.5mm。

9.根据权利要求1所述的超声旋转编码器，其特征在于：在所述转子端部形成有沿着自身长度方向延伸的安装槽，多个所述超声波传感器并排设置在所述安装槽中。

10.根据权利要求1所述的超声旋转编码器，其特征在于：所述格栅成型工艺包括如下步骤：

1）、在所述定子的内壁或外周且对应超声波传感器所在位置的表面均匀的涂覆一层易于自所述定子表面剥离的材料层，所述的材料层为能够溶于水的胶层、不溶于水的胶层或者薄膜层；

2)、自材料层的表面向内凹陷加工并形成在定子壁面上的多个长形槽，其中每个长形槽的截面相同，均以定子的中心为圆心的圆弧段，多个长形槽绕着定子的周向均匀分布，且每个长形槽沿着所述定子在长度方向延伸；

3)、在长形槽的槽面和材料层未形成长形槽的表面形成厚度一致的涂层，其中所述涂层形成的回波信号与所述定子侧壁所形成的回波信号之间存在强弱差异；

4）、自所述定子表面剥离掉表面形成有涂层的材料层，剥离的手段为溶解或者加热或者光照或者外力剥离，同时，形成在每个长形槽内的涂层为格栅条，每相邻两个格栅条之间形成一个栅格，依次设置的多个栅格形成所述的格栅。