技術(shù)革新驅(qū)動下的光電編碼器升級

在工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)控機床，機器人，或是航空航天，雷達等各種高精度、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，以及伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量里，都可以看到編碼器的身影。光電式和電磁式是兩種比較常見的編碼器類型。而光電式對比電磁式，可以實現(xiàn)更加精密的測量，擁有更高分辨率而且結(jié)構(gòu)更緊湊。隨著智能制造升級，以及各種高精運控需求的出現(xiàn)，光電編碼器如何同時做到提高分辨率、減小尺寸、提高穩(wěn)定性是當(dāng)下許多編碼器供應(yīng)商正在攻克的難關(guān)。

提高光電編碼器的精度和分辨率最簡單的辦法就是增加碼道的數(shù)量。一是加大碼盤尺寸，二是縮小碼道寬度。加大碼盤尺寸無疑會讓編碼器尺寸增加，機械和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計難度也隨之增加。加大碼盤尺寸顯然不可取。而通過縮小碼道的寬度來實現(xiàn)有限面積中數(shù)量的增加會極大增加均勻刻畫碼道的難度，分辨率和精度會受到影響。

跳出既有技術(shù)，采用新技術(shù)理論成為了新的道路。在這條路上，編碼器內(nèi)部核心器件的升級成了重中之重，尤其是光電檢測裝置，在各方面性能上都需要再上一個臺階。

使用MEMS工藝，在PD芯片上形成通孔，可將特種LED置于其中，實現(xiàn)了LED與PD芯片級的合二為一。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。使用通孔加工技術(shù)的光電檢測裝置極大提高了分辨率。

編碼器供應(yīng)商里海德漢旗下的鋼光柵/鼓光柵編碼器ECA 4000、ERA 4000就使用了類似技術(shù)。目前我國非常多高精設(shè)備上都采用的是海德漢編碼器，如望遠鏡，高精雷達上。ECA 4000系統(tǒng)精度達到了±3''至±1.5''，信號周期數(shù)覆蓋8195至44000。ERA 4000在系統(tǒng)精度為±5''至±2''。雖然看似精度下降了，但其實這是因為該系列在信號周期數(shù)上覆蓋更廣，3000至13000、6000至44000和12000至52000都可以覆蓋。在每圈信號周期系列下，它的精度都處于業(yè)內(nèi)極高水準(zhǔn)線上。

（圖源：海德漢官網(wǎng)）

海德漢之所以處于絕對壟斷地位，當(dāng)然不止一項領(lǐng)先的技術(shù)。優(yōu)秀電路處理、專業(yè)光柵制造能力是很多光電編碼器廠商沒有的核心技術(shù)。說到柵刻劃制作技術(shù)，長春禹衡在國內(nèi)還是首屈一指的，線條均勻性、線條準(zhǔn)直性、光柵精度在中端市場受到廣泛認可。

（圖源：禹衡官網(wǎng)）

這里是禹衡的JZN-1系列編碼器，這個系列絕對位數(shù)可以做到23~29 bit。同時在高分辨率下，準(zhǔn)確度也很高，在20℃下誤差僅為±0.5''。這個參數(shù)是很夸張的。十年前禹衡還只能做到8～25 bit，而現(xiàn)在最高已經(jīng)可以做到29 bit。這里有不少功勞應(yīng)該歸于核心的電路處理和柵刻劃制作技術(shù)。

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。將FOP與探測器光敏區(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)_，這是濱松獨有的專利技術(shù)。

嚴格來說濱松不做編碼器，是上游編碼器配件提供商。但它所推出的核心光電器件極大推動了編碼器廠商的發(fā)展。

（圖源：濱松官網(wǎng)）

濱松用于編碼器的6像素陣列Si PIN 光電二極管，就是應(yīng)用了FOP耦合技術(shù)的模塊。模塊表面封裝型6像素Si PIN光電二極管陣列，六個像素中的每個像素都是分開的，布置十分適合于編碼器。將FOP和Si光電二極管結(jié)合使用可使透鏡聚焦在比正常光敏表面高FOP厚度的位置處，會更容易將滑板或其他組件安裝在感光表面附近。此外還能通過使用具有低NA的FOP來調(diào)節(jié)光敏方向性。

還有不少技術(shù)推動著光電編碼器的發(fā)展，比如不少廠商開始通過實現(xiàn)PD與外圍電路的一體化設(shè)計、設(shè)計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；或者改進芯片晶體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電流限制型LED更高的可靠性；抑或是重新設(shè)計發(fā)光直徑等等，核心技術(shù)核心工藝的不斷革新推動著光電編碼器產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展。