国产光电编码器如何跟上自动化技术节奏

大家应该对“特斯拉超级工厂”并不陌生，有一组超炫的产线工作图曾震撼全网。只看那些机械手臂们在那儿“咔咔咔”地快速运转着，各司其职，有条不紊。科技感爆棚。

别看这些机床、机械臂个个高大威猛，做的可都是严苛的细致活儿。特别是对于像汽车这样对安全性要求极高的产品，一钉一铆、一退一进都得分文不差。

虽然背后有严密的电脑中枢发号施令，但最终要将指令传达，实现各个部件运动时间和位置精确控制，一个小小的部件必不可少：编码器。

了不起的编码器

编码器是一种将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。多用于实现角位移、线位移信息的测量和传递。

其实，我们每天都在享受着编码器应用所带来的便捷。一涉及到运动控制，它大多就会出现。比如你乘坐的电梯、汽车，使用的自动贩卖机、打印机等等。Emmm…甚至有时候还能解决你无聊的问题，比如说：

一个德国的工程学学生用坏掉的佳能 850i 打印机改造的“蠢萌”小装置，总让人不禁沉醉于和它的玩耍。其中使用光电编码器的普通直流电机驱动打印头，伺服控制的操作臂精度可达 0．1mm。

除了民用外，编码器还有更多工业级和科研级的应用，这也是它最为重要的应用方向。比如生产制造中的数控机床、机器人，又或是航空航天、大型光电经纬仪、雷达、地面指挥仪等各种高精度、闭环调速系统，以及伺服系统的转速测量等，都可以看到它的身影。

光电式和电磁式是两种比较常见的编码器类型（按原理分）。而前者对于后者来讲，可以实现更加精密的测量、更高分辨率，且更紧凑。因此，在刚刚提到的智能制造等高端应用中，光电式受到了更多的青睐。

而随着制造升级，以及更高级别运动控制需求的出现，光电编码器也成为了自动化系统中需要进一步成长的一员。如何迈向更高性能，跟上时代的步伐，是当下许多编码器供应商的重要课题。

高分辨率，小型化，高稳定

光电编码器

要如何满足新的技术升级需求？

光电编码器，顾名思义，是基于光电转换技术的。传统的光电编码器主要有以下几个部分组成：光源、码盘、狭缝、光电接收元件、轴系、处理电路和输出。主体由码盘和光电检测装置组成，是决定整体模块性能的关键。

光电编码器基本结构

图源：电子发烧友

电机和码盘同轴，电机旋转时，码盘和电机同速旋转，经发光二极管、探测器等组成光电、检测装置输出信号。

图片来源：滨松

在自动化技术升级中，应用对光电编码器的精度、分辨率、尺寸大小、可靠性要求进一步增强。然而，关键部件的内在关系，却让同时满足这些性能变得十分困难。

众所周知，希望提高光电编码器的精度和分辨率，增加码道的数量是最直接的办法。这对应了两种方式：

一种是加大码盘的尺寸。显然这是不可取的，且不说不符合我们希望减小尺寸的初衷（尺寸会限制光电编码器的使用范围），而且检测器也相应的增多，随之会增大内部的机械和光学系统的设计难度。同时，信号的增加也意味着对应处理电路设计的复杂化。无论从开发难度、成本还是设备的可靠性上来说，都不太友好。

另一种则是通过缩小码道的宽度，来实现有限面积中数量的增加。但是在这样的情况下均匀刻画码道的难度就非常大，如无法满足均匀性，分辨率和精度亦会受到影响。

这样不可调和的矛盾摆在这里，想要传统光电编码器同时实现各种理想的性能，真的只能说一句：太难了！

跳出既有技术，采用新式编码理论，并研制出新型光电编码器，是唯一的道路。为此，对于它的内部器件，新的、更高标准的定制需求便出现了。

而光电检测装置作为核心部分，成为了关键所在。编码器对于光电器件（光电探测器、光源）的速率、灵敏度、抗串扰能力、功耗、一致性、工作温度等方面的要求变得更为严苛。

器件提供方如不具备强的自主研发、生产能力，丰富的定制经验，是无法帮助编码器制造商跟上“时代的召唤”的。

编码器“高定”光电器件背后的那些宝藏技术

滨松可以为透射式及反射式光电编码器（含光栅尺），提供涵盖探测器（PD、光IC、CMOS）、光源、电子学的整体光电探测解决方案。基于全线自有的优秀半导体设计、加工、封装技术，可满足客户高度定制化的需求，提供高灵敏、低噪声、高可靠性的量产产品。

在近10年间，已经完成100余宗编码器用光电器件的定制方案及量产供货，目前产能已达到800k pcs／月（PD＋LED总量）的水平，在日本占有极高的市场份额。

滨松各种类型，各种封装的探测器

图片来源：滨松

滨松各种类型，各种封装的LED

图片来源：滨松

滨松光半导体的研发史可以追溯到1958年，而从那时起一直秉承的全产线In house的理念。因此通过长足的发展，以及光电半导体越加广泛的应用，逐渐拓展了类型丰富的产品，并磨练出了许多自有的独特半导体技术。

滨松半导体加工车间一隅

图片来源：滨松

＃ 通孔加工技术

使用MEMS工艺，在PD芯片（光电二极管）上形成通孔，可将特种LED置于其中，实现了LED与PD芯片级的合二为一。还可以调节PD芯片的厚度，以使LED的高度与PD感光区域的高度保持一致。

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＃ 低反射率遮光膜

通过在PD芯片表面涂覆遮光膜，降低金属布线和感光区域以外组件的反射率，信噪比也由此得到了改善。

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＃ FOP耦合

滨松微光纤板（FOP）由微尺寸光纤集合而成，是一种可高率、低失真传送光线和图像的透镜。

滨松FOP

图片来源：滨松

FOP角度特性

图片来源：滨松

将FOP与探测器光敏区域耦合，可以缩短空间自由光路，有助于提高编码器分辨率，降低串扰。而此也为滨松独有的专利技术。

图片来源：滨松

＃ 可进行光谱灵敏度优化

从可见光到近红外，滨松可生产出几乎全波段的探测器。通过将最合适灵敏度的探测器去匹配客户选用的LED，实现整个系统的高信噪比。

图片来源：滨松

＃ 改善晶体结构以提高稳定性：电流限制型LED

滨松通过改进芯片的晶体结构，实现了电流限制型LED更高的可靠性。此外，发光直径也可以根据实际的需求进行设计。

图片来源：滨松

＃ 具备自有IC设计能力：实现器件的小型化及模块化

除了上面我们提到的PD＋LED从芯片级别上的二合一以外，滨松还通过实现PD与外围电路的一体化设计、设计特殊的降低噪声的电路结构等方式，让器件更加易于使用，并发挥出更好的性能。此外滨松还可以提供包括探测器、光源和读出电路的一体化的模块产品。

通过此电路结构实现了1／f 噪声和热噪声的降低

图片来源：滨松

集成化的编码器模块

图片来源：滨松

编码器虽小，但是却是人类生产、生活智能化中必不可少的“螺丝钉”。我们国家于近年也提出了“中国制造2025”的发展战略，五大方针其一则是“创新驱动”，明确了制造数字化、智能化的方向。

滨松亦希望，通过更好传递编码器研发者的需求，打造出更适合、更优质的核心光电器件，为达成这一宏愿，增添一份力所能及的力量。