磁旋转编码器的发展及其应用

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图 3 磁旋 转编码器磁阻元件与磁鼓空间尺寸示意图 图 4 磁旋转编码器磁阻元件电路连接图
信息记录材料 2003 年 第 4 卷 第 1 期
记录与介质
5 磁旋转编码器的应用及发展前景
尽管在目前市场上的编码器中 , 光电编码器占 有很大的份额 , 但由于磁旋转编码器的一些独特优 点 , 加上其成本低廉 , 近年来在高精度测量和控制 领域的应用不断 增加 。 特别是 对机器人 、 数 控机 床 、 测量仪 、 直接驱动电机和高密度侍服盘读写机 来说 , 已经是必不可少的组件 , 因此磁旋转编码器 已经成为发展高技术产品的关键技术之一 。 美国 、 日本等发达国家都将磁旋转编码器作为高技术加以 研究 。我国的长春光机所 、 华中科技大学 、 北京科 技大学等单位在这一研究领域也做了大量的工作 。 以日本为例[ 7] , 日本共有 50 多家企业涉足磁旋转 编码器行业 , 包括日立 、 松下等国际知名公司 。 它 们面向交 、 直流侍服电动机 、 工业机器人 、 机床 、 钢材 、 木材 、 橡胶 、 半导体等精密 、 超精密加工市 场 。1989 年日 本的编 码器销 售额 达 250 亿日元 。 其中磁旋转编码器占 15 %。 日本日测机舍 株式会 社和日本侍服公司的磁旋转编码器的年销售额均超 过了 1 亿日元 。 也有近 10 家公司在从事磁编码器 的研究生产 。它们的主要服务对象是军事领域 。 有 关专家指出[ 8] , 随着小型化 、 高分辨率 、 高可靠性 产品的不断推出 , 磁性编码器的应用领域将更加广 阔 , 市场份额将会进一步扩大 。图 5 是磁旋转编码 器的一种最常见的应用示意图 。从图中可见 , 磁编 码器除了可以给出每旋转一周 的增量脉冲个 数之 外, 还可以实现记录累计旋转圈数、 标准位置定 位 、 参考零位确定等功能 。表 2 给出了磁性编码器 的主要应用领域和使用功能 。
图 1 磁旋转编码器的结构示备是实现编码器旋转增量编 码的关键技术 。 目前 , 通用的磁鼓有 2 种 。 一种是 塑料磁性体 , 是将磁性材料用适当的粘合剂混合后 注射成型的 ;另一种是对铝等非磁性材料涂敷某种 磁性材料而成的[ 3] 。 在磁性传感器中 , 由于电机轴
气压条件下 , 在基片上可以制备出磁电阻薄膜 。它 们的磁电阻变化率 (ΔR R) 一般可达 2 %～ 5 %。 材料的磁电阻性能不仅取决于成分和制备工艺 , 膜 厚 、 膜宽等几何尺寸也可通过退磁场的作用影响材 料的性能[ 6] 。 为了提高信号采样的灵敏度 , 同时考 虑到差动结构对敏感元件温度特性的补偿效应 , 一 般在充磁间距 λ内 , 刻蚀 2 个位相差为 π 2 的条 纹 , 构成 半桥串联网络 。 为了提高编 码器的分辨 率 , 可以在磁头上并列 10 个用于检测增量信号的 磁阻元件和 4 个用于检测零道信号的磁阻元件 。增 量信号元件之间的间距为 5 λ8 。10 个磁阻元件分 成 5 组 , 在外加电压下 , 产生 4 组增量输出信号 。 图 3 和图 4 示出了磁编码器增量磁头的空间分布和 连接方式 。 对图 4 中 4 路电压信号 V 1 ～ V 4 进行 放大 、 整形 , 变换成方波数字信号 , 再将 V 1 与 V 3 , V 2 与 V 4 进行异或 (以提高 编码器的精 度), 便可以得到 2 路相位相差 π 2 的增量输出数 字方波信号。 这一信号就是编码器最终需要的 信号 。
的旋转振动 , 容易引起磁记录介质与磁性传感器的 接触 , 从而导致传感器和磁记录介质的损坏 。 为了 防止这种情况 , 磁传感器和磁鼓记录材料之间通常 留有几十微米的间隙 。 为了使磁鼓磁化后的漏磁信 号可以透过这一间隙到达传感器 , 磁鼓上的记录磁 性层通常的厚度要达到数十微米以上 。
表 1 给出了迄今为止用于磁性编码器上的磁记 录材料的种类 。就磁性薄膜和塑料磁铁来讲 , 由于 使用了作为磁性粒子的粘合剂 ———树脂 , 当使用在 温度超过 125 ℃, 真空度超过 10-7 T orr 的真空机 器人时 , 编码器磁鼓在耐热性和气体放出特性等方 面就不能胜任要求 。 压延磁铁 (Fe-Co-Cr) 和氧化 铝磁铁膜可以胜任真空机 器人的使用要 求 , 只是 Fe-Co-Cr 磁性材料成本较高 , 且受到形状的限制 , 录入的磁化信号在圆周上难以达到均匀 。 氧化铝薄 膜则存在制造工艺复杂 、 技术难度大 、 磁性体的充 填率底 、 从磁化体中穿出的磁通量少等问题 。 为了 解决在高温和高真空度环境下磁记录体的耐热性能
(Electronic Science & Technology Department of HUS T , Wuhan 430074 , china)
Abstract :We analyse the structure of mag netic ro tary encoder (M RE), its work principle , the recording media on the mag netic drum and the mag netic senso r , and introduce the application of M RE, the dev elo pment prospect and Point out tha t M RE is v ery impor tant for the development of high-technology industry in the future .
Keywords:magnetic rotary encoder ;magnetic drum ;magnetic sensor
1 引 言
编码器是数字式传感器中最重要 、 最基础的结 构形式之一 。它是将机械运动中转速 、 位移 、 转度 等物理量转变为数字脉冲化电 信号的一类传 感器 件[ 1 , 2] 。它与数字处 理技术和计算 机技术相结合 , 可实现快速 、 及时 、 准确的检测与控制 。随着工厂 自动化和办公自动化水平的提高 , 编码器工业有了 突飞猛进的发展 。编码器的代表性用途是用作侍服 电机系统的转角 、 转速的测量 。常用的数字式编码 器有光学编码器 、 磁旋转编码器 、 脉冲发生器 、 霍 尔元件等 。 光学编码器是目前应用最广的编码器 , 但它受环境的影响较大 , 对潮湿气体和污染敏感 ,
Informatio n Recording Materials 2003 Vol .4 No .1
磁鼓充磁的目的是使磁鼓上的一个个小磁极被 磁化 , 这样在磁鼓随着电动机旋转时 , 磁鼓能产生 周期变化的空间漏磁 , 作用于磁电阻之上 , 实现编 码功能 。充磁磁极的个数决定着编码器的分辨率 , 充磁磁极的均匀性和剩磁强弱是决定编码器结构和 输出信号质量的重要参数 。通常采用如图 2 所示的 旋转多极充磁方法[ 4] 。充磁磁头用高导磁率的材料 制成 , 其顶端有一狭缝 。 当磁头施加充磁电压时 , 其尖端产生漏磁 , 对磁极实施单极充磁 。磁鼓的连 续转动位置和充磁时间完全由计算机严格控制 。 一 般来讲 , 充磁时的同心度小于 0.01 mm 时 , 多极 磁鼓的实测磁极数和预充磁磁极数可以达到一致 。
收稿日期 :2002 -03 -18 作者简介 :廖红伟 (1978 -), 华中科 技大学电 子科学与 技术系
硕士研究生 , 主要从事磁编码器和磁阻研究 。
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可靠性差 。 磁旋转编码器是近年来常报道的一种新 型电磁器件 。它是随光学编码器发展起来的 。 在实 际应用中 , 磁旋转编码器制成封闭式结构 , 因此不 易受外界污染的影响 。 与其它的编码器相比 , 磁旋 转编码器结构简单紧凑 , 高速下仍能够稳定工作 , 响应速度快 , 体积比光电编码器小 , 成本较光电编 码器低 , 而且可以容易地将多个元件排列组合 , 构 成新功能和多功能器件 。基于上述优点 , 近年来在 高精度测量和控制领域中 , 磁旋转编码器的应用不 断增加 , 从数控机床 、 机器人 、 工厂自动化相关设 备的位置检测 、 传输速度控制 , 到磁盘 、 打印机一 类的办公自动化设备 、 通讯机 、 测量仪表等各个领 域的旋转量的测量和控制 , 磁编码器都已成为不可 缺少的组成部分 。
关键词 :磁旋转编码器 ;磁鼓 ;磁阻传感器 中图分类号 :T N762 文献标识码 :A 文章编号 :1009 -5624 (2003) 01-0040-05
The Development and Application of M agnetic Rotary Encoder
L IAO Hong-w ei YANG Xiao-fei
图 2 旋转多极充磁示意图
4 磁旋转编码器用磁阻传感器
磁电阻效应是磁旋转编码器工作的基本物理机 理 。 磁电阻效应广泛存在于金属和半导体中 。来源 于通电导体或半导体内部载流子 , 因受到外部洛仑 兹力的作用 , 使其运动轨迹发生偏转或产生螺旋运 动 , 从而导致物质内部的电位差发生变化 。 宏观表 现为随着外磁场的变化 , 磁阻的阻值也发生相应的 变化 。磁电阻器件可以分为半导体磁阻器件和强磁 性磁阻器件 。前者是用 InSb 、 GaAs 等半导体材料 制成 , 价格比较昂贵 , 对使用环境要求较高 。目前 用于磁编码器的磁传感器探头主要是 GM R (巨磁 电阻效应)和 AM R (各向异性磁电阻效应)磁头 。 近年来 , AM R 磁头逐渐成为主流应用 。 这是因为 AM R 薄膜磁头具有很好的频率特性和较高的灵敏 度 。 常见的 A M R 磁头材料有 N iFe 、 NiCo 薄膜[ 5] 。 用磁控溅射的方法 , 在适当的温度 、 本底真空度和
表 1 磁编码器磁鼓记 录介质的比较
记录介质种类 磁性薄膜
塑料薄膜 压延磁铁 (Fe-Co-C r) 氧化铝磁化膜
Co-P
记录介质的耐热性 ～ 120 ℃ ～ 100 ℃ ～ 500 ℃ 不明 ～ 150 ℃
在真空中的使用 不适 不适 可以 可以 可以
记录介质的形状 圆筒形平板 圆筒形 平板圆筒形 没有限制 没有限制