國(guó)產(chǎn)光電編碼器如何才能跟上自動(dòng)化技術(shù)升級(jí)節(jié)奏

大家應(yīng)該對(duì)“特斯拉超級(jí)工廠”并不陌生，有一組超炫的產(chǎn)線工作圖曾震撼全網(wǎng)。只看那些機(jī)械手臂們?cè)谀莾骸斑沁沁恰钡乜焖龠\(yùn)轉(zhuǎn)著，各司其職，有條不紊?？萍几斜?。

別看這些機(jī)床、機(jī)械臂個(gè)個(gè)高大威猛，做的可都是嚴(yán)苛的細(xì)致活兒。特別是對(duì)于像汽車這樣對(duì)安全性要求極高的產(chǎn)品，一釘一鉚、一退一進(jìn)都得分文不差。

雖然背后有嚴(yán)密的電腦中樞發(fā)號(hào)施令，但最終要將指令傳達(dá)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)間和位置精確控制，一個(gè)小小的部件必不可少：編碼器。

編碼器是一種將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。多用于實(shí)現(xiàn)角位移、線位移信息的測(cè)量和傳遞。

其實(shí)，我們每天都在享受著編碼器應(yīng)用所帶來的便捷。一涉及到運(yùn)動(dòng)控制，它大多就會(huì)出現(xiàn)。比如你乘坐的電梯、汽車，使用的自動(dòng)販賣機(jī)、打印機(jī)等等。Emmm…甚至有時(shí)候還能解決你無聊的問題，比如說：

一個(gè)德國(guó)的工程學(xué)學(xué)生用壞掉的佳能 850i 打印機(jī)改造的“蠢萌”小裝置，總讓人不禁沉醉于和它的玩耍。其中使用光電編碼器的普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)打印頭，伺服控制的操作臂精度可達(dá) 0.1mm。

除了民用外，編碼器還有更多工業(yè)級(jí)和科研級(jí)的應(yīng)用，這也是它最為重要的應(yīng)用方向。比如生產(chǎn)制造中的數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人，又或是航空航天、大型光電經(jīng)緯儀、雷達(dá)、地面指揮儀等各種高精度、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，以及伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量等，都可以看到它的身影。

光電式和電磁式是兩種比較常見的編碼器類型（按原理分）。而前者對(duì)于后者來講，可以實(shí)現(xiàn)更加精密的測(cè)量、更高分辨率，且更緊湊。因此，在剛剛提到的智能制造等高端應(yīng)用中，光電式受到了更多的青睞。

而隨著制造升級(jí)，以及更高級(jí)別運(yùn)動(dòng)控制需求的出現(xiàn)，光電編碼器也成為了自動(dòng)化系統(tǒng)中需要進(jìn)一步成長(zhǎng)的一員。如何邁向更高性能，跟上時(shí)代的步伐，是當(dāng)下許多編碼器供應(yīng)商的重要課題。

光電編碼器，顧名思義，是基于光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的。傳統(tǒng)的光電編碼器主要有以下幾個(gè)部分組成：光源、碼盤、狹縫、光電接收元件、軸系、處理電路和輸出。主體由碼盤和光電檢測(cè)裝置組成，是決定整體模塊性能的關(guān)鍵。

光電編碼器基本結(jié)構(gòu)

圖源：電子發(fā)燒友

電機(jī)和碼盤同軸，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤和電機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管、探測(cè)器等組成光電、檢測(cè)裝置輸出信號(hào)。

除了透射式，還有反射式的光電編碼器

圖片來源：濱松

在自動(dòng)化技術(shù)升級(jí)中，應(yīng)用對(duì)光電編碼器的精度、分辨率、尺寸大小、可靠性要求進(jìn)一步增強(qiáng)。然而，關(guān)鍵部件的內(nèi)在關(guān)系，卻讓同時(shí)滿足這些性能變得十分困難。

眾所周知，希望提高光電編碼器的精度和分辨率，增加碼道的數(shù)量是最直接的辦法。這對(duì)應(yīng)了兩種方式：

一種是加大碼盤的尺寸。顯然這是不可取的，且不說不符合我們希望減小尺寸的初衷（尺寸會(huì)限制光電編碼器的使用范圍），而且檢測(cè)器也相應(yīng)的增多，隨之會(huì)增大內(nèi)部的機(jī)械和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。同時(shí)，信號(hào)的增加也意味著對(duì)應(yīng)處理電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜化。無論從開發(fā)難度、成本還是設(shè)備的可靠性上來說，都不太友好。

另一種則是通過縮小碼道的寬度，來實(shí)現(xiàn)有限面積中數(shù)量的增加。但是在這樣的情況下均勻刻畫碼道的難度就非常大，如無法滿足均勻性，分辨率和精度亦會(huì)受到影響。

這樣不可調(diào)和的矛盾擺在這里，想要傳統(tǒng)光電編碼器同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種理想的性能，真的只能說一句：太難了！

跳出既有技術(shù)，采用新式編碼理論，并研制出新型光電編碼器，是唯一的道路。為此，對(duì)于它的內(nèi)部器件，新的、更高標(biāo)準(zhǔn)的定制需求便出現(xiàn)了。

濱松可以為透射式及反射式光電編碼器（含光柵尺），提供涵蓋探測(cè)器（PD、光IC、CMOS）、光源、電子學(xué)的整體光電探測(cè)解決方案。基于全線自有的優(yōu)秀半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、加工、封裝技術(shù)，可滿足客戶高度定制化的需求，提供高靈敏、低噪聲、高可靠性的量產(chǎn)產(chǎn)品。

在近10年間，已經(jīng)完成100余宗編碼器用光電器件的定制方案及量產(chǎn)供貨，目前產(chǎn)能已達(dá)到800k pcs/月（PD+LED總量）的水平，在日本占有極高的市場(chǎng)份額。

濱松各種類型，各種封裝的探測(cè)器

圖片來源：濱松

濱松各種類型，各種封裝的LED

 圖片來源：濱松

濱松光半導(dǎo)體的研發(fā)史可以追溯到1958年，而從那時(shí)起一直秉承的全產(chǎn)線In house的理念。因此通過長(zhǎng)足的發(fā)展，以及光電半導(dǎo)體越加廣泛的應(yīng)用，逐漸拓展了類型豐富的產(chǎn)品，并磨練出了許多自有的獨(dú)特半導(dǎo)體技術(shù)。

濱松半導(dǎo)體加工車間一隅

 圖片來源：濱松

# 通孔加工技術(shù)

使用MEMS工藝，在PD芯片（光電二極管）上形成通孔，可將特種LED置于其中，實(shí)現(xiàn)了LED與PD芯片級(jí)的合二為一。還可以調(diào)節(jié)PD芯片的厚度，以使LED的高度與PD感光區(qū)域的高度保持一致。

圖片來源：濱松

# 低反射率遮光膜

通過在PD芯片表面涂覆遮光膜，降低金屬布線和感光區(qū)域以外組件的反射率，信噪比也由此得到了改善。

圖片來源：濱松

# FOP耦合

濱松微光纖板（FOP）由微尺寸光纖集合而成，是一種可高率、低失真?zhèn)魉凸饩€和圖像的透鏡。

濱松FOP

 圖片來源：濱松

FOP角度特性

  圖片來源：濱松

將FOP與探測(cè)器光敏區(qū)域耦合，可以縮短空間自由光路，有助于提高編碼器分辨率，降低串?dāng)_。而此也為濱松獨(dú)有的專利技術(shù)。

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# 可進(jìn)行光譜靈敏度優(yōu)化

從可見光到近紅外，濱松可生產(chǎn)出幾乎全波段的探測(cè)器。通過將最合適靈敏度的探測(cè)器去匹配客戶選用的LED，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高信噪比。

圖片來源：濱松

# 改善晶體結(jié)構(gòu)以提高穩(wěn)定性：電流限制型LED

濱松通過改進(jìn)芯片的晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電流限制型LED更高的可靠性。此外，發(fā)光直徑也可以根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖片來源：濱松

# 具備自有IC設(shè)計(jì)能力：實(shí)現(xiàn)器件的小型化及模塊化

除了上面我們提到的PD+LED從芯片級(jí)別上的二合一以外，濱松還通過實(shí)現(xiàn)PD與外圍電路的一體化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)特殊的降低噪聲的電路結(jié)構(gòu)等方式，讓器件更加易于使用，并發(fā)揮出更好的性能。此外濱松還可以提供包括探測(cè)器、光源和讀出電路的一體化的模塊產(chǎn)品。

通過此電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了1/f 噪聲和熱噪聲的降低

 圖片來源：濱松

 集成化的編碼器模塊

 圖片來源：濱松