接触式超滑编码器

技术领域

本发明属于编码器的技术领域，更具体地说，是涉及一种接触式超滑编码器。

背景技术

旋转角测量装置（也称编码器）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。根据接触方式的不同，编码器可以分为接触式编码器和非接触式编码器，非接触式编码器根据工作原理可以分成光学编码器、磁性编码器或电容式编码器等等，但是上述多种非接触式编码器存在精度较低，且容易受到电磁干扰或强光灯等干扰等各种问题，可靠性较差。

接触式编码器由码盘和电刷组成，电刷是一种活动触头结构，在外界力的作用下旋转码盘，电刷和码盘接触时，可以实现电流的导通，并产生某种码制的某一数字编码输出，但是现有技术中，电刷负责在旋转部件和静止部件之间传导电流，但是由于电刷需要始终与码盘接触并滑动，因此其由于长期的摩擦和磨损，导致使用寿命较低。

因此如何制造可靠性高且寿命长的编码器是本领域的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种接触式超滑编码器，以解决现有技术中存在的接触式编码器的可靠性低或者寿命低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种接触式超滑编码器，包括：码盘组件以及与所述码盘组件相对转动的读取组件，所述码盘组件包括超滑码盘，所述超滑码盘具有至少一个编码码道，所述编码码道具有原子级平整表面；

所述读取组件包括至少一个转动盘，所述转动盘与所述超滑码盘相对，所述转动盘上设有至少一个接触部件，所述接触部件沿着所述编码码道滑动，所述接触部件包括至少一个超滑片，所述超滑与所述原子级平整表面超滑接触并输出编码信号。

进一步地，所述编码码道具有导电区和绝缘区，所述接触部件与所述导电区接触导通，所述接触部件与所述绝缘区接触不导通。

进一步地，还包括输入电路和接收电路，所述输入电路与所述接触部件电连接，所述接收电路与所述导电区电连接；或者，所述输入电路与所述导电区电连接，所述接收电路与所述接触部件电连接。

进一步地，所述超滑码盘的垂直于转动中心的相对两侧表面均具有所述编码码道，所述转动盘的数量为两个，两个所述转动盘分别位于所述超滑码盘的相对两侧，两侧的所述接触部件分别与两侧的所述编码码道相接触。

进一步地，还包括外加电路，所述外加电路的两端分别与位于所述超滑码盘两侧的所述接触部件电连接，两侧的两个所述接触部件经所述导电区接触导通，经所述绝缘区接触断开。

进一步地，所述编码码道上具有发电区和非发电区，所述接触部件与所述发电区形成超滑接触和肖特基接触并发出电流，所述接触部件与所述非发电区仅超滑接触。

进一步地，所述发电区为具有原子级平整表面的半导体材料或金属材料，所述超滑片为具有单晶二维界面的半导体材料。

进一步地，还包括感应电路，所述感应电路分别与所述超滑片的两侧面电连接。

进一步地，所述超滑码盘还包括监测码道，所述监测码道与所述接触部件始终接触导通。

进一步地，同一所述转动盘的一侧设有至少两个所述接触部件，且所述接触部件分别与所述编码码道和所述监测码道的相对，且同一所述编码码道和所述接触部件供一个或多个所述接触部件滑动。

进一步地，还包括壳体，所述壳体设于所述码盘组件和所述读取组件的外侧；所述壳体和所述码盘组件或所述读取组件固定连接，所述壳体和所述码盘组件或所述读取组件之间设有缓冲层。

进一步地，还包括调节限位件，所述调节限位件位于所述壳体和所述读取组件或所述码盘组件之间，且所述调节限位件对所述壳体的作用力与所述缓冲层对所述壳体的作用力相反。

进一步地，所述调节限位件包括至少两个相对设置的第一磁性件，所述第一磁性件分别设置在所述壳体内侧和所述读取组件或所述码盘组件的外侧，两个所述第一磁性件的极性相同或相反。

进一步地，所述接触部件还包括固定头和弹性件，所述固定头通过所述弹性件与所述转动盘固定连接。

进一步地，所述固定头朝向所述超滑码盘的一侧具有弧形面，所述超滑片固定于所述弧形面最靠近所述超滑码盘的一侧。

进一步地，所述固定头和所述超滑码盘内均设有第二磁性件，所述固定头磁性吸附于所述超滑码盘上。

本发明提供的接触式超滑编码器的有益效果在于：

1、采用接触式的编码器，具有体积小、精度高、分辨率高和可靠性高的优点，且超滑片的尺寸一般较小，即整个接触部件的尺寸也可以设置为微米级或毫米级，能够在一个小尺度的超滑码盘内部设置较多层的编码码道，实现更高精度和高分辨率的编码器。

2、 采用超滑片和原子级平整的编码码道相配合，使得转动盘相对于超滑码盘转动时，接触部件能够和超滑码盘之间超滑接触，并输出信号，能够达到极低摩擦力无磨损滑动的效果，且不会因电极上的电荷积累而发生粘附失效，也不会发生“静电吸合”现象，能够实现超长寿命。

3、在超滑码盘的两侧分别设置有编码码道，两侧的接触部件均与超滑码盘相连接，并通过外界电路施加电压，不需要额外设置导电滑环等导电装置，直接通过两个接触部件既可以实现导通，且电流的判断也可以更加准确。若转动至导电区，则能够实现连通，可以输出导通信号；若转动至绝缘区，则不能够实现连通，不能够实现导通信号；通过超滑码盘的布局，能够实现信号输出。

4、通过缓冲层和调节限位件相配合实现码盘组件和读取组件之间的轴向定位，使得码盘组件和读取组件的位置能够被限制，避免码盘组件和读取组件之间脱离，且能够适应颠簸起伏的工况，也不会产生额外的摩擦。

5、在固定头和超滑码盘内均设置第二磁性件，能够保证固定头始终与超滑码盘相接触，且通过弹性件适应固定头的活动，并通过监测码道实时的监测超滑片和编码码道的监测状态，保证数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1和实施例3提供的接触式超滑编码器的剖视结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的接触式超滑编码器的电路示意图一；

图3为本发明实施例1提供的接触式超滑编码器的电路示意图二；

图4为本发明实施例2提供的接触式超滑编码器的剖视结构示意图；

图5为本发明实施例2提供的接触式超滑编码器的电路示意图；

图6为本发明实施例所采用的接触部件的结构示意图；

图7为本发明实施例所采用的超滑码盘的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1-码盘组件；2-读取组件；3-壳体；4-缓冲层；5-调节限位件；6-外加电路；7-外部转轴；11-超滑码盘；12-输入电路；111-编码码道；112-监测码道；1111-导电区；1112-绝缘区；1113-发电区；1114-非发电区；21-转动盘；22-接触部件；23-接收电路；221-固定头；222-弹性件；223-超滑片；224-第二磁性件。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

由于长期未能实现大尺度的超滑，近十多年来文献上常常将摩擦系数为千分之一量级或更低的现象，称作为“超滑”；而将最初的由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象，改称为“结构润滑” ，本发明所指“超滑” 特指由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象。

实施例1

请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的接触式超滑编码器进行说明。所述接触式超滑编码器，包括码盘组件1、读取组件2和壳体3，码盘组件1与外部的固定部件相连接，读取组件2与外部转轴7相连接，所述壳体3罩设于所述码盘组件1和所述读取组件2的外侧，通过壳体3对整个编码器进行保护，且壳体3不会与码盘组件1和读取组件2产生摩擦。

所述壳体3和所述码盘组件1固定连接，所述壳体3和所述码盘组件1之间垫设有缓冲层4，缓冲层4的一侧与所述壳体3固定连接，另一侧与码盘组件1固定连接；缓冲层4能够对码盘组件1进行支撑，码盘组件1和读取组件2之间接触配合，使得码盘组件1和读取组件2在壳体3内部的位置可以相对固定，避免码盘组件1在颠簸时发生分离。

进一步地，还包括调节限位件5，所述调节限位件5位于所述壳体3和所述读取组件2之间，能够对读取组件2的位置进行限定，所述调节限位件5对所述壳体3的作用力与所述缓冲层4对所述壳体3的作用力相反，可以达到共同对码盘组件1和读取组件2位置进行限定的效果，能够平衡码盘组件1和读取组件2之间的颠簸，避免接触部件22和超滑码盘11分离，从而影响计数。

优选的，调节限位件5包括至少两个相对设置的第一磁性件，所述第一磁性件分别设置在所述壳体3内侧和读取组件2的外侧，两个所述第一磁性件的极性相同或相反。采用两个第一磁性件会产生相斥的力或相吸引的力，不会直接的接触，也不会产生额外的摩擦力。

更进一步地，码盘组件1包括超滑码盘11，所述超滑码盘11具有至少一个编码码道111和监测码道112，编码码道111和监测码道112为若干个同心圆，且同心圆的圆心与超滑码盘11的转动中心同心，所述编码码道111的表面为原子级平整表面。

读取组件2包括至少一个转动盘21，转动盘21的旋转中心与超滑码盘11的旋转中心相同，其中转动盘21能够在外部转轴7的带动下相对于超滑码盘11转动。所述转动盘21上设有至少一个接触部件22，接触部件22的上侧固定于转动盘21上，下侧与超滑码盘11相贴合；所述接触部件22可以沿着所述编码码道111滑动，所述接触部件22包括至少一个超滑片223，超滑片223朝向超滑码盘11的一侧面为超滑面，所述超滑片223与所述超滑码盘11超滑接触，通过外加电压或自发电等方式，能够在超滑片223和超滑码盘11接触时输出转动信号。

本发明提供的接触式超滑编码器，通过超滑码盘11的设计能够直接输出某种码制的信号。采用超滑片223和具有原子级平整表面的编码码道111相配合，转动盘21相对于超滑码盘11转动时，能够实现超滑接触，达到极低摩擦力无磨损滑动的效果，且不会因电极上的电荷积累而发生粘附失效，也不会发生“静电吸合”现象，能够实现超长寿命。

超滑片223的尺寸一般较小，整个接触部件22的尺寸可以为微米级或毫米级，可以在一个小尺度的超滑码盘11内部设置较多层的编码码道111，实现更高精度和高分辨率的绝对式编码器或增量式编码器。

其中，超滑面是具有自回复功能的原子级光滑的二维材料，超滑片223的材料优选为石墨片或者其他具有超滑面的材料，优选为下表面附着有石墨、单层/少层石墨烯等具有超滑性质的材料。超滑码盘11上具有码道区域和非码道的区域，码道区域内是原子级平整表面，非码道区域可以是原子级平整表面，也可以不是原子级平整表面，此处不作唯一具体限定。

进一步地，请一并参阅图6及图7，作为本发明提供的接触式超滑编码器的一种具体实施方式，所述编码码道111上具有导电区1111和绝缘区1112，当外部施加电压时，所述接触部件22与所述导电区1111可接触导通，接触部件22与绝缘区1112接触实现非导通，此时能够通过接触部件22在导电区1111和绝缘区1112接触转动时输出编码信号，若转动至导电区1111，则能够实现连通，并输出导通信号，例如输出“1”；若转动至绝缘区1112，则不能够实现连通，并输出不能够实现导通的信号，例如输出“0”；通过超滑码盘11的布局，和多个编码码道111的设置，能够实现某种码制的数字编码的输出，不仅可以实现转动圈数的计数，以及转动角度的计算，还可以具有掉电记忆功能。

在接触式超滑编码器中，超滑片223不仅能够降低接触部件22和编码码道111内的摩擦力，还可以起到导电的作用，实现接触部件22和导电区1111之间的导通，并能够在接触部件22和超滑码盘11之间传输电流，从而实现数字编码的输出。

目前，普通石墨材料为六方晶体结构，结构上位若干石墨烯层叠加，且石墨烯片层之间没有化学键，仅依靠微弱的范德华力结合在一起，因此在垂直于石墨烯面的方向上极难导电，即其导电性能较差。现有技术中的电刷是直接采用石墨材料作为导电连接件，因此其导电性能较大，导致连接处具有较大电阻，需要较大的外界电压，以满足检测电流的需要。

采用超滑片223实现导电连接，其一般厚度较薄且尺寸较小，且超滑片223能够和导电区1111超滑接触，其能够大大的提高整个接触部件22的导电性能，避免电阻过大，仅需要较小的电压既可以形成电流，并被接收电路23接收到导通信息。

编码码道111的导电区1111和绝缘区1112间隔设置，并通过超滑码盘11的设计使得其可以对应唯一的位置；所述监测码道112全部是导电区1111，即接触部件22始终能够与导电区1111相接触并输出数字编码，当中断输出时，则测量结果可能会出现不准确的情况，可以发出报警或与正确的计数进行区分，进一步的增强其测量的准确性。

进一步地，请参阅图2，超滑码盘11仅一侧表面具有编码码道111，转动盘21与编码码道111相正对，转动盘21的接触部件22上由输入电路12始终外接电压，当接触部件22与编码码道111上的导电区1111相接触时，则电流可以经导电区1111传输至超滑码盘11内部，在超滑码盘11的内部或码盘组件1的内部设置接收电路23，可以接收超滑码盘11内部的电流，并输出某种码制的信号，此时不需要在码盘组件1和读取组件2之间设置额外的连接线，不会造成连接线的缠绕，且不需要设置导电滑环，既可以实现导电连接。

进一步地，参阅图7，作为本发明提供的接触式超滑编码器的一种具体实施方式，为了增强整个编码器的精度和分辨率，可以设置多编码码道111，每个编码码道111需要至少对应一个接触部件22；同一所述转动盘21上设有若干个所述接触部件22，且所述接触部件22的位置与所述编码码道111的位置相对应，同一所述编码码道111供一个或多个所述接触部件22滑动。

进一步地，请参阅图6，作为本发明提供的接触式超滑编码器的一种具体实施方式，所述接触部件22还包括固定头221和弹性件222，所述固定头221通过所述弹性件222与所述转动盘21固定连接，固定头221朝向所述超滑码盘11的一侧具有弧形面，所述超滑片223固定于所述弧形面最靠近所述超滑码盘11的一侧，即超滑片223位于整个固定头221的最底端，且固定头221的最底端可以仅固定一个超滑片223，还可以固定一个超滑片组，即多个超滑片223拼装后形成的更大尺寸的超滑片组。

超滑片223的两侧面均为弧形面，此时能够避免整个超滑码盘11颠簸时，侧面的凸起会对超滑片223造成损伤，通过弧形面来形成过渡面，避免直接对超滑码盘11进行碰撞。

更进一步地，所述固定头221和所述超滑码盘11内均设有第二磁性件224，所述固定头221磁性吸附于所述超滑码盘11上，第二磁性件224和弹性件222相配合，能够保证超滑片223始终贴合于超滑码盘11上，避免其分离，影响编码和检测结果。

作为本实施例的一种替换实施例，码盘组件1还可以与固定部件相连接，读取组件2与外部转轴7相连接，从而测量外部转轴7的转动速度；或者，码盘组件1和读取组件2分别与两个转动的外部转轴相连接，能够测量两个外部转轴的差速。

作为本实施例的另一种替换实施例，壳体3还可以与读取组件2固定连接，所述壳体3和读取组件2之间垫设有缓冲层4，缓冲层4的一侧与所述壳体3固定连接，另一侧与读取组件2固定连接；此时调节限位件5可以设置在码盘组件1和壳体3之间，能够对码盘组件1的位置进行限定。

作为本实施例的另一种替换实施例，还可以不设置调节限位件5，通过在装配时进行预紧，使得缓冲层4能够被压缩至最低，再从外部将壳体3和外部转轴分别固定，既可以对码盘组件1和读取组件2的位置进行固定。

作为本实施例的另一种替换实施例，调节限位件5还可以不采用第一磁性件，还可以采用弹性缓冲垫或弹簧等其他能够实现读取组件2和壳体1连接的连接件进行替代。

作为本实施例的另一种替换实施例，对于接触式编码器内部的电流信号的监测，还可以采用如下方式，请参阅图3，在超滑码盘11的导电区1111上由输入电路12始终外接电压，当接触部件22与编码码道111上的导电区1111相接触时，则电流可以经导电区1111传输至接触部件22，在接触部件22的内部或读取组件2的内部设置接收电路23，可以接收接触部件22内部的电流，并输出某种码制的信号。

作为本实施例的另一种替换实施例，接触部件22还可以不设置弹性件222，固定头221直接和转动盘21固定连接，此时固定头221的缓冲仅通过缓冲层4和调节限位件5进行调节；固定头221的底面也可以直接为平直面或其他形状的平面，且固定头221的底面不直接与转动盘21相抵接，避免影响超滑接触。

实施例2

参阅图4及图5，作为本发明提供的接触式超滑编码器的另一种具体实施方式，本实施例与实施例1的区别在于：所述壳体3和所述读取组件2固定连接，所述壳体3和所述读取组件2之间垫设有缓冲层4，缓冲层4的一侧与所述壳体3固定连接，另一侧与读取组件2固定连接；缓冲层4能够对读取组件2进行支撑，码盘组件1和读取组件2之间接触配合，使得码盘组件1和读取组件2在壳体3内部的位置可以相对固定，避免码盘组件1在颠簸时发生分离。

所述超滑码盘11的两侧表面均具有所述编码码道111，所述转动盘21的数量为两个，两个所述转动盘21分别位于所述超滑码盘11的相对两侧，两侧的两个转动盘21固定连接，两个转动盘21能够同步的相对于超滑码盘11转动，两侧的所述接触部件22均能够同时与所述超滑码盘11两侧的所述编码码道111相接触，两侧的接触部件22共同对超滑码盘11的位置进行限定。

两侧的接触部件22可以同时与超滑码盘11相接触，可以同时与超滑码盘11接触配合实现数据的编码，其能够增加整个超滑码盘11的可靠性，保证接触部件22和超滑码盘11的接触稳定性，具有更大的提高数据精度的空间。

可以参照实施例1中的电路连接方式，在所述接触部件22内部设置输入电路12，导电区1111内设置接收电路23，两侧的接触部件22均可以与导电区1111相导通并形成通路，并输出编码，能够保证接触的稳定性，提高整个编码器的可靠性，保证始终存在接触部件22能够与导电区1111相导通。

进一步地，超滑码盘11的两侧均有转动盘21，此时码盘组件1和读取组件2之间的位置可以通过两侧的接触部件22进行限制，则可以取消调节限位件5。当然，根据实际情况和具体需求，在本发明的其他实施例中，还可以继续设置调节限位件5，此处不作唯一具体限定。

作为本实施例的另一种替换实施例，对于接触式编码器内部的电流信号的监测，当位于两侧的接触部件22的位置一一相正对时，还可以采用如下方式，对于请参阅图5，还包括外加电路6，所述外加电路6分别与位于所述超滑码盘11两侧的两个所述接触部件22相连接，且两侧的两个所述接触部件22经所述导电区1111相导通，当两个接触部件22均与导电区1111相接触并导通时，则可以输出导通信号；当两个接触部件22转动至绝缘区1112时，则无法实现导通，并输出非导通的信号。两侧的接触部件22均与超滑码盘11相连接，并通过外加电路6施加电压，且施加的电压可以较大，提高整个编码器的可靠性，且不需要额外设置导电滑环等导电装置，直接通过两个接触部件22既可以实现导通，其电路结构更加简单，且监测结果也更加准确。

实施例3

作为本发明提供的接触式超滑编码器的一种具体实施方式，本实施例与实施例1和实施例2的区别在于：所述编码码道111上具有发电区1113和非发电区1114，所述接触部件22与所述发电区1113形成超滑接触和肖特基接触。接触部件22在发电区1113内滑动时，利用超滑微发电机的原理可以产生电流，利用了金属/半导体相对滑动过程中非平衡电子漂移过程导致发电，其可以达到极高的电流密度(～210 Am

通过超滑微发电机的原理，不需要施加外部的电压，由接触部件22和发电区1113滑动接触既可以实现发电，其电路结构更加简单，直接通过感应电路，接收发电机发出的电流即可，若位于发电区1113内滑动，则可以接收到电流信号，并输出特定的编码；若位于非发电区1114内滑动，则接收不到电流信号，也输出特定的编码，既可以实现编码传输。

进一步地，所述超滑片223为具有单晶二维界面的半导体材料，例如石墨、石墨烯、二硫化钼、二硒化钨、二硫化钨或者黑磷等，发电区1113为具有原子级平整表面的半导体材料或金属材料，例如硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、氮化镓或者磷化铟中的任一种，非发电区1114为原子级平整的绝缘材料，例如氧化硅等非导电的材料。

此时，码道包括编码码道111和监测码道112，编码码道111即包括发电区1113和非发电区1114，发电区1113和非发电区1114间隔设置，并通过特殊的设计使得其可以对应唯一的位置；所述监测码道112则全部有发电区1113组成，即接触部件22始终能够与发电区1113相接触并输出数字编码，当中断输出时，则测量结果可能会出现不准确的情况，可以发出报警或与正确的计数进行区分，从而进一步的增强其测量的准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。