一種基於印刷電路板製作工藝的圓感應同步器及製備方法
2023-05-28 09:37:36 1
專利名稱：一種基於印刷電路板製作工藝的圓感應同步器及製備方法
技術領域：
本發明涉及傳感器，尤其是涉及一種成品率和生產效率高、成本低、可大批量生產的基於印刷電路板製作工藝的圓感應同步器及製備方法。
背景技術：
圓感應同步器是一種電磁感應的角度傳感器，它具有耐惡劣環境、測量精度高、壽命長、成本低、安裝方便、運行速度快、穩定可靠等一系列優點，常用於轉臺、陀螺平臺、火炮控制、導航制導、雷達天線、經緯儀等設備中。圓感應同步器分為定子和轉子兩部分，通常定子安裝在固定體上，轉子安裝在轉軸上，如對轉子施加激勵信號，定子將感應出兩相的正、 餘弦信號。工作過程中，轉軸帶動轉子轉動，使得轉子與定子產生相對旋轉運動，定子感應出的兩相正、餘弦信號也會隨著轉子的轉動而發生有規律的變化，通過監測、解算這兩路信號來實現角度測量的目的。目前，圓感應同步器的生產工藝非常繁瑣，其生產工序包括機械加工、時效處理、 配方澆鑄、繞組刻線等多種工序，一套圓感應同步器的生產周期通常需要2個月左右的時間，同時由於工序過多使得廢品率較高，這種情況一方面限制了圓感應同步器生產效率，另一方面也使得圓感應同步器的製造成本居高不下，這進一步影響了圓感應同步器作為一種角度傳感器在市場拓展中的競爭力。
發明內容
本發明的第一個目的在於提供了一種成品率高、成本低、可大批量生產的基於印刷電路板製作工藝的圓感應同步器。本發明的第二個目的在於提供了一種可大幅提高生產效率、生產周期大幅縮短、 方法簡單的基於印刷電路板製作工藝的圓感應同步器的製備方法。本發明的第一個目的是這樣實現的
一種能大批量生產的圓感應同步器，包括安裝在固定體上的定子基板和安裝在轉軸上的轉子基板，定子基板和轉子基板均為絕緣材料，特徵是在定子基板的頂部固定有定子金屬繞組，在轉子基板的底部固定有與定子金屬繞組相對放置的轉子金屬繞組，定子金屬繞組和轉子金屬繞組均與轉軸垂直，在定子基板的定子金屬繞組上覆蓋有定子阻焊膜，在轉子基板的轉子金屬繞組上覆蓋有的轉子阻焊膜；
在轉子金屬繞組中設有若干根轉子有效導體，各根轉子有效導體通過轉子有效導體內端部與轉子有效導體外端部連接而成轉子金屬繞組，連續的轉子金屬繞組從轉子金屬繞組的兩個末端引出導線作為轉子的激勵輸入端；
定子金屬繞組由分段的I個導體組構成，I個導體組分別屬於A相和B相，每相各有K 個導體組，A相導體組和B相導體組相隔排列，即與每個A相導體組相鄰的導體組都為B相導體組，與每個B相導體組相鄰的導體組都為A相導體組；每個導體組中設有M根定子有效導體，每根定子有效導體通過定子有效導體內端部與定子有效導體外端部連接而成，其中K、M均為正整數；屬於同相的各組導體組從每個導體組中的兩個末端引出導線串聯聯接。轉子有效導體和定子有效導體均呈輻射狀放置。轉子有效導體的根數為圓感應同步器的極數。定子阻焊膜和轉子阻焊膜之間的安裝間隙為0. 1-0. 3mm。定子基板和轉子基板均由環氧樹脂製成。本發明的第二個目的是這樣實現的
一種基於印刷電路板製作工藝的圓感應同步器的製備方法，具體步驟如下
A、用protel電路設計軟體設計出定子和轉子的圖形，其中定子、轉子的設計圖主要包括三個部分的設計定子基板的設計(包括基板材料、基板厚度、內徑、外徑的機械尺寸、安裝孔直徑、安裝孔距)，轉子基板的設計(包括基板材料、基板厚度、內徑、外徑的機械尺寸、 安裝孔直徑、安裝孔距)，定子金屬繞組和轉子金屬繞組的設計，其中轉子有效導體和定子有效導體在直徑相同處的寬度一樣；
B、將定子、轉子的設計圖交由專業印刷電路板(PCB)廠家進行製作，製作條件中的一些工藝參數如下FR-4環氧樹脂、3. 2mm板厚，綠色阻焊層，35um厚的銅膜導線；製作完成後的轉子基板為FR-4環氧樹脂板，轉子金屬繞組為連續繞組，定子基板為FR-4環氧樹脂板， 定子金屬導組為A、B相的2相分段繞組；
C、PCB生產廠家根據設計圖以及工藝參數按照常規印刷電路板製作工藝進行加工
(1)下料廠家根據設計圖樣選擇合適的環氧樹脂板材；
(2)鑽孔通過CNC鑽孔機對環氧樹脂板進行鑽孔，鑽出轉子上的安裝孔以及轉子金屬繞組末端上作為激勵輸入端的引出導通孔；鑽出定子上的安裝孔以及定子金屬導體組上用於串聯同相各導體組的引出導通孔；
(3)鍍通孔在定子、轉子上的引出導通孔成型後在孔壁內布建金屬銅箔，以完成定子、 轉子的頂層與底層電路的導通；
(4)製作金屬繞組在環氧樹脂板上對定子金屬繞組與轉子金屬繞組圖形的內徑、外徑所包圍的圓環內覆銅，銅的厚度為35um，採用化學腐蝕或光腐蝕的方法將多餘的銅腐蝕掉， 最終留下設計圖樣中所需的含有定子有效導體的定子金屬繞組和含有轉子有效導體的轉子金屬繞組；
(5)塗覆阻焊膜採用網版印刷、簾塗或靜電噴塗的方式將液態感光綠漆塗覆於環氧樹脂板、定子金屬繞組和轉子金屬繞組的上面，然後烘乾，即在環氧樹脂板、定子金屬繞組和轉子金屬繞組上實現了阻焊膜的塗覆；
(6)成型切割將印刷電路板通過CNC成型機或模具衝床切割成設計圖樣需求的機械外形尺寸；
Dj^aPCB廠家製作完成的轉子包括轉子基板、轉子金屬繞組、轉子阻焊膜；定子包括定子基板、定子金屬繞組、定子阻焊膜；在轉子上的引出導通孔的末端引出導線作為轉子激勵輸入端；通過定子上的引出導通孔將A、B相金屬導體組首尾相連，A、B相各引出首尾兩輸出端，即得成品。本發明是在定子基板的定子金屬繞組上覆蓋有定子阻焊膜，在轉子基板的轉子金屬繞組上覆蓋有轉子阻焊膜，且定子金屬導組是分段的，轉子金屬繞組是連續的，它按照電磁感應原理對定子金屬導組和轉子金屬繞組進行設計、並採用PCB (印刷電路板)工藝具體實施製作兩個主要環節。本發明採用成熟的PCB (印刷電路板)工藝技術來替代傳統的以機械加工為主的圓感應同步器的工藝技術，使得原本需要2個月的生產周期縮減為48小時， 從而大大提高了生產效率，同時PCB (印刷電路板)工藝是一種通用的、成熟的流水線工藝， 因此基於該工藝製作的圓感應同步器的產品一致性較好，同時PCB工藝較機械加工工藝的成本也大幅較低，基於上述特點，圓感應同步器作為一種角度傳感器在業內的競爭力將得到極大的提高。本發明通過對轉子金屬繞組施加交流激勵信號，將在轉子金屬繞組附近產生交變的電磁場，定子金屬繞組就會感應出與當前旋轉角度成一定對應關係的交流電信號，對該交流電信號進行解算而得到角度值，從而起到角度測量的作用。因此，本發明具有成品率和生產效率高、生產周期大幅縮短、耐惡劣環境、測量精度高、壽命長、成本低、安裝方便、運行速度快、穩定可靠、可大批量生產、市場競爭力強、方法簡單的優點。
圖1為本發明的結構示意圖； 圖2為轉子金屬繞組的示意圖； 圖3為定子金屬繞組的示意圖4為轉子有效導體和定子有效導體的初始重合位置圖5為轉子有效導體相對定子有效導體轉過0. 5個極距的位置圖6為轉子有效導體相對定子有效導體轉過1個極距的位置圖7為轉子有效導體相對定子有效導體轉過1. 5個極距的位置圖8為轉子相對定子轉過一個機械周期，定子兩相輸出信號電壓幅值的變化示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例並對照附圖對本發明作進一步詳細說明。一種能大批量生產的圓感應同步器，包括安裝在固定體上的定子基板1和安裝在轉軸上的轉子基板2，定子基板1和轉子基板2均為絕緣材料，在定子基板1的頂部固定有定子金屬繞組3，在轉子基板2的底部固定有與定子金屬繞組3相對放置的轉子金屬繞組 5，定子金屬繞組3和轉子金屬繞組5均與轉軸垂直，在定子基板1的定子金屬繞組3上覆蓋有定子阻焊膜4，在轉子基板2的轉子金屬繞組5上覆蓋有轉子阻焊膜6 ；
在轉子金屬繞組5中設有若干根轉子有效導體7，各根轉子有效導體7通過轉子有效導體內端部8與轉子有效導體外端部9連接而成轉子金屬繞組，連續的轉子金屬繞組5從轉子金屬繞組5的兩個末端10、11引出導線作為轉子的激勵輸入端；
定子金屬繞組3由分段的I個導體組12構成，2K個導體組12分別屬於A相和B相， 每相各有K個導體組，A相導體組和B相導體組相隔排列，即與每個A相導體組相鄰的導體組都為B相導體組，與每個B相導體組相鄰的導體組都為A相導體組；每個導體組中設有M 根定子有效導體15，每根定子有效導體15通過定子有效導體內端部13與定子有效導體外端部14連接而成，其中K、M均為正整數；屬於同相的各組導體組從每個導體組中的兩個末端17、16引出導線串聯聯接。轉子有效導體7和定子有效導體15均呈輻射狀放置。
轉子有效導體7的根數為圓感應同步器的極數。定子阻焊膜4和轉子阻焊膜6之間的安裝間隙為0. 1-0. 3mm。定子基板1和轉子基板2均由環氧樹脂製成。一種基於印刷電路板製作工藝的圓感應同步器的製備方法，具體步驟如下
A、用protel電路設計軟體設計出定子和轉子的圖形，其中定子、轉子的設計圖主要包括三個部分的設計定子基板的設計(包括基板材料、基板厚度、內徑、外徑的機械尺寸、安裝孔直徑、安裝孔距)，轉子基板的設計(包括基板材料、基板厚度、內徑、外徑的機械尺寸、 安裝孔直徑、安裝孔距)，定子金屬繞組和轉子金屬繞組的設計，其中轉子有效導體和定子有效導體在直徑相同處的寬度一樣；
B、將定子、轉子的設計圖交由專業印刷電路板(PCB)廠家進行製作，製作條件中的一些工藝參數如下FR-4環氧樹脂、3. 2mm板厚，綠色阻焊層，35um厚的銅膜導線；製作完成後的轉子基板為FR-4環氧樹脂板，轉子金屬繞組為連續繞組，定子基板為FR-4環氧樹脂板， 定子金屬導組為2相(A、B相)分段繞組；
C、PCB生產廠家根據設計圖以及工藝參數按照常規印刷電路板製作工藝進行加工
(1)下料廠家根據設計圖樣選擇合適的環氧樹脂板材；
(2)鑽孔通過CNC鑽孔機對環氧樹脂板進行鑽孔，鑽出轉子上的安裝孔以及轉子金屬繞組末端上作為激勵輸入端的引出導通孔；鑽出定子上的安裝孔以及定子金屬導體組上用於串聯同相各導體組的引出導通孔；
(3)鍍通孔在定子、轉子上的引出導通孔成型後在孔壁內布建金屬銅箔，以完成定子、 轉子的頂層與底層電路的導通；
(4)製作金屬繞組在環氧樹脂板上對定子金屬繞組與轉子金屬繞組圖形的內徑、外徑所包圍的圓環內覆銅，銅的厚度為35um，採用化學腐蝕或光腐蝕的方法將多餘的銅腐蝕掉， 最終留下的銅箔構成設計圖樣中所需的含有定子有效導體的定子金屬繞組和含有轉子有效導體的轉子金屬繞組，定子有效導體和轉子有效導體的厚度均為35um ；
(5)塗覆阻焊膜採用網版印刷、簾塗或靜電噴塗的方式將液態感光綠漆塗覆於環氧樹脂板、定子金屬繞組和轉子金屬繞組的上面，然後烘乾，即在環氧樹脂板、定子金屬繞組和轉子金屬繞組上實現了阻焊膜的塗覆；
(6)成型切割將印刷電路板通過CNC成型機或模具衝床切割成設計圖樣需求的機械外形尺寸；
Dj^aPCB廠家製作完成的轉子包括轉子基板、轉子金屬繞組、轉子阻焊膜；定子包括定子基板、定子金屬繞組、定子阻焊膜；在轉子上的引出導通孔的末端引出導線作為轉子激勵輸入端；通過定子上的引出導通孔將A、B相金屬導體組首尾相連，A、B相各引出首尾兩輸出端，即得成品。工作原理
如圖4所示，當定子金屬繞組3的定子有效導體15和轉子金屬繞組5的轉子有效導體 7的位置相互重合時，記其為初始位置，此刻定子某相(記為A相)輸出電壓幅度有最大值； 當定子和轉子相對位置分別如圖5、6、7所示時，定子A相輸出電壓幅度分別為0、負向最大值、0 ；在圖7所示位置處，轉子再轉過0. 5個極距，定子A相輸出電壓幅度又再次達到最大值，在此過程中，定子另一相(記為B相)的輸出電壓幅度將與A相呈90°正交，也即A相幅度最大時，B相幅度最小。因此，由以上分析可知，定子輸出的感應電壓的幅值變化一個周期即表明轉子相對定子轉過了兩個極距。對極數為N的感應同步器，其每個極距對應的機械角度值為 360° /N,也即定子感應輸出電壓的幅值變化一個周期對應著的機械角度為720/N。在設計時，令定子A、B兩相繞組之間的距離相差了(n+1/2)個極距，η為整數。因此Α、Β兩相繞組的輸出電壓信號幅值變化也始終相差1/4個周期。按照圖8所示，介紹本發明所涉及的圓感應同步器的工作過程。對轉子均施加激磁信號，此時定子的A、B相均會感應出同頻率的電壓信號，記 Sa =Λ ^siiiC )，其中m為轉子激磁信號的頻率，/^、厶是々』相輸出電壓信號的幅度值。fA = EM*sm(9e) ^fM = EM*cos(&e),之為該通道當前的電角度，Em 為Λ、/3的最大值。根據前述分析可知，對一個N極(或Ν/2對極)的通道來說，機械上轉過一個周期，定子輸出電壓信號幅值將變化Ν/2個周期。因此當機械上轉過角度6，在電學上將轉過的角度約= (Ν/2)* β。圖8所示為轉子相對定子旋轉一個機械周期，Λ、/5變化示意圖。由圖8可知，當轉子轉過360度，定子輸出電壓信號幅度/Λ、/δ均變化多個周期。要獲得當前電角度力P 口、要測得當前A、B相輸出電壓&、Eb即可。
權利要求
1.一種基於印刷電路板製作工藝的圓感應同步器，包括安裝在固定體上的定子基板和安裝在轉軸上的轉子基板，定子基板和轉子基板均為絕緣材料，其特徵在於在定子基板的頂部固定有定子金屬繞組，在轉子基板的底部固定有與定子金屬繞組相對放置的轉子金屬繞組，定子金屬繞組和轉子金屬繞組均與轉軸垂直，在定子基板的定子金屬繞組上覆蓋有定子阻焊膜，在轉子基板的轉子金屬繞組上覆蓋有的轉子阻焊膜；在轉子金屬繞組中設有若干根轉子有效導體，各根轉子有效導體通過轉子有效導體內端部與轉子有效導體外端部連接而成轉子金屬繞組，連續的轉子金屬繞組從轉子金屬繞組的兩個末端引出導線作為轉子的激勵輸入端；定子金屬繞組由分段的I個導體組構成，I個導體組分別屬於A相和B相，每相各有K 個導體組，A相導體組和B相導體組相隔排列，即與每個A相導體組相鄰的導體組都為B相導體組，與每個B相導體組相鄰的導體組都為A相導體組；每個導體組中設有M根定子有效導體，每根定子有效導體通過定子有效導體內端部與定子有效導體外端部連接而成，其中 K、M均為正整數；屬於同相的各組導體組從每個導體組中的兩個末端引出導線串聯聯接。
2.根據權利要求1所述的圓感應同步器，其特徵在於轉子有效導體和定子有效導體均呈輻射狀放置。
3.根據權利要求1或2所述的圓感應同步器，其特徵在於轉子有效導體的根數為圓感應同步器的極數。
4.根據權利要求1所述的圓感應同步器，其特徵在於定子阻焊膜和轉子阻焊膜之間的安裝間隙為0. 1—0. 3mm。
5.根據權利要求1所述的圓感應同步器，其特徵在於定子基板和轉子基板均由環氧樹脂製成。
6.一種基於PCB製作工藝的角度傳感器的製備方法，其特徵在於A、用protel電路設計軟體設計出定子和轉子的圖形，其中定子、轉子的設計圖主要包括三個部分的設計定子基板的設計包括基板材料、基板厚度、內徑、外徑的機械尺寸、安裝孔直徑、安裝孔距，轉子基板的設計包括基板材料、基板厚度、內徑、外徑的機械尺寸、安裝孔直徑、安裝孔距，以及定子金屬繞組和轉子金屬繞組的設計，其中轉子有效導體和定子有效導體在直徑相同處的寬度一樣；B、將定子、轉子的設計圖交由專業印刷電路板廠家進行製作，製作條件中的一些工藝參數如下FR-4環氧樹脂、3. 2mm板厚，綠色阻焊層，35um厚的銅膜導線；製作完成後的轉子基板為FR-4環氧樹脂板，轉子金屬繞組為連續繞組，定子基板為FR-4環氧樹脂板，定子金屬導組為A、B相的2相分段繞組；C、PCB生產廠家根據設計圖以及工藝參數按照常規印刷電路板製作工藝進行加工(1)下料廠家根據設計圖樣選擇合適的環氧樹脂板材；(2)鑽孔通過CNC鑽孔機對環氧樹脂板進行鑽孔，鑽出轉子上的安裝孔以及轉子金屬繞組末端上作為激勵輸入端的引出導通孔；鑽出定子上的安裝孔以及定子金屬導體組上用於串聯同相各導體組的引出導通孔；(3)鍍通孔在定子、轉子上的引出導通孔成型後在孔壁內布建金屬銅箔，以完成定子、 轉子的頂層與底層電路的導通；(4)製作金屬繞組在環氧樹脂板上對定子金屬繞組與轉子金屬繞組圖形的內徑、外徑所包圍的圓環內覆銅，銅的厚度為35um，採用化學腐蝕或光腐蝕的方法將多餘的銅腐蝕掉， 最終留下設計圖樣中所需的含有定子有效導體的定子金屬繞組和含有轉子有效導體的轉子金屬繞組；(5)塗覆阻焊膜採用網版印刷、簾塗或靜電噴塗的方式將液態感光綠漆塗覆於環氧樹脂板、定子金屬繞組和轉子金屬繞組的上面，然後烘乾，即在環氧樹脂板、定子金屬繞組和轉子金屬繞組上實現了阻焊膜的塗覆；(6)成型切割將印刷電路板通過CNC成型機或模具衝床切割成設計圖樣需求的機械外形尺寸；Dj^aPCB廠家製作完成的轉子包括轉子基板、轉子金屬繞組、轉子阻焊膜；定子包括定子基板、定子金屬繞組、定子阻焊膜；在轉子上的引出導通孔的末端引出導線作為轉子激勵輸入端；通過定子上的引出導通孔將A、B相金屬導體組首尾相連，A、B相各引出首尾兩輸出端，即得成品。
全文摘要
本發明公開了一種基於印刷電路板製作工藝的圓感應同步器及製備方法，包括定子基板和的轉子基板，定子基板和轉子基板均為絕緣材料，特徵是在定子基板的頂部固定有定子金屬繞組，在轉子基板的底部固定有與定子金屬繞組相對放置的轉子金屬繞組，在定子金屬繞組上覆蓋有定子阻焊膜，在轉子金屬繞組上覆蓋有轉子阻焊膜；且定子金屬導組是分段的，轉子金屬繞組是連續的。它是在印刷電路板上製作包括定子基板、定子金屬繞組、定子阻焊膜的定子和包括轉子基板、轉子金屬繞組、轉子阻焊膜的轉子。本發明具有成品率和生產效率高、成本低、可大批量生產、可大幅提高生產效率、生產周期大幅縮短、方法簡單的特點。
文檔編號G01B7/30GK102252604SQ20111015712
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月13日 優先權日2011年6月13日
發明者婁敏, 李豐, 林興顏, 湯文軍, 王智勇, 鄭宇 申請人:九江精達檢測技術有限公司