自動化技術升級，國產光電編碼器要怎樣才能跟上節奏
大家應該對「特斯拉超級工廠」並不陌生，有一組超炫的產線工作圖曾震撼全網。只看那些機械手臂們在那兒「咔咔咔」地快速運轉著，各司其職，有條不紊。科技感爆棚。
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別看這些工具機、機械臂個個高大威猛，做的可都是嚴苛的細緻活兒。特別是對於像汽車這樣對安全性要求極高的產品，一釘一鉚、一退一進都得分文不差。
雖然背後有嚴密的電腦中樞發號施令，但最終要將指令傳達，實現各個部件運動時間和位置精確控制，一個小小的部件必不可少：編碼器。
了不起的編碼器
編碼器是一種將信號或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。多用於實現角位移、線位移信息的測量和傳遞。
編碼器：讓我康康你橫豎左右是咋移動的
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其實，我們每天都在享受著編碼器應用所帶來的便捷。一涉及到運動控制，它大多就會出現。比如你乘坐的電梯、汽車，使用的自動販賣機、印表機等等。Emmm…甚至有時候還能解決你無聊的問題，比如說：
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一個德國的工程學學生用壞掉的佳能 850i 印表機改造的「蠢萌」小裝置，總讓人不禁沉醉於和它的玩耍。其中使用光電編碼器的普通直流電機驅動列印頭，伺服控制的操作臂精度可達 0.1mm。
(圖片來自於網絡)
除了民用外，編碼器還有更多工業級和科研級的應用，這也是它最為重要的應用方向。比如生產製造中的數控工具機、機器人，又或是航空航天、大型光電經緯儀、雷達、地面指揮儀等各種高精度、閉環調速系統，以及伺服系統的轉速測量等，都可以看到它的身影。
大口徑射電望遠鏡：讓我們一起搖擺
能準確對準衛星，它們也需要編碼器的加持
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光電式和電磁式是兩種比較常見的編碼器類型(按原理分)。而前者對於後者來講，可以實現更加精密的測量、更高解析度，且更緊湊。因此，在剛剛提到的智能製造等高端應用中，光電式受到了更多的青睞。
而隨著製造升級，以及更高級別運動控制需求的出現，光電編碼器也成為了自動化系統中需要進一步成長的一員。如何邁向更高性能，跟上時代的步伐，是當下許多編碼器供應商的重要課題。
高解析度，小型化，高穩定
光電編碼器
要如何滿足新的技術升級需求？
光電編碼器，顧名思義，是基於光電轉換技術的。傳統的光電編碼器主要有以下幾個部分組成：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裝置組成，是決定整體模塊性能的關鍵。
光電編碼器基本結構
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電機和碼盤同軸，電機旋轉時，碼盤和電機同速旋轉，經發光二極體、探測器等組成光電、檢測裝置輸出信號。
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在自動化技術升級中，應用對光電編碼器的精度、解析度、尺寸大小、可靠性要求進一步增強。然而，關鍵部件的內在關係，卻讓同時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解析度，增加碼道的數量是最直接的辦法。這對應了兩種方式：
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(尺寸會限制光電編碼器的使用範圍)，而且檢測器也相應的增多，隨之會增大內部的機械和光學系統的設計難度。同時，信號的增加也意味著對應處理電路設計的複雜化。無論從開發難度、成本還是設備的可靠性上來說，都不太友好。
另一種則是通過縮小碼道的寬度，來實現有限面積中數量的增加。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，解析度和精度亦會受到影響。
這樣不可調和的矛盾擺在這裡，想要傳統光電編碼器同時實現各種理想的性能，真的只能說一句：
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跳出既有技術，採用新式編碼理論，並研製出新型光電編碼器，是唯一的道路。為此，對於它的內部器件，新的、更高標準的定製需求便出現了。
而光電檢測裝置作為核心部分，成為了關鍵所在。編碼器對於光電器件(光電探測器、光源)的速率、靈敏度、抗串擾能力、功耗、一致性、工作溫度等方面的要求變得更為嚴苛。
器件提供方如不具備強的自主研發、生產能力，豐富的定製經驗，是無法幫助編碼器製造商跟上「時代的召喚」的。
編碼器「高定」光電器件背後的那些寶藏技術
濱松可以為透射式及反射式光電編碼器(含光柵尺)，提供涵蓋探測器(PD、光IC、CMOS)、光源、電子學的整體光電探測解決方案。基於全線自有的優秀半導體設計、加工、封裝技術，可滿足客戶高度定製化的需求，提供高靈敏、低噪聲、高可靠性的量產產品。
在近10年間，已經完成100餘宗編碼器用光電器件的定製方案及量產供貨，目前產能已達到800k pcs/月(PD+LED總量)的水平，在日本佔有極高的市場份額。
濱松各種類型，各種封裝的探測器
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濱松各種類型，各種封裝的LED
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濱松光半導體的研發史可以追溯到1958年，而從那時起一直秉承的全產線In house的理念。因此通過長足的發展，以及光電半導體越加廣泛的應用，逐漸拓展了類型豐富的產品，並磨練出了許多自有的獨特半導體技術。
濱松半導體加工車間一隅
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# 通孔加工技術
使用MEMS工藝，在PD晶片(光電二極體)上形成通孔，可將特種LED置於其中，實現了LED與PD晶片級的合二為一。還可以調節PD晶片的厚度，以使LED的高度與PD感光區域的高度保持一致。
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# 低反射率遮光膜
通過在PD晶片表面塗覆遮光膜，降低金屬布線和感光區域以外組件的反射率，信噪比也由此得到了改善。
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# 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、低失真傳送光線和圖像的透鏡。
濱松FOP
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FOP角度特性
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將FOP與探測器光敏區域耦合，可以縮短空間自由光路，有助於提高編碼器解析度，降低串擾。而此也為濱松獨有的專利技術。
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# 可進行光譜靈敏度優化
從可見光到近紅外，濱松可生產出幾乎全波段的探測器。通過將最合適靈敏度的探測器去匹配客戶選用的LED，實現整個系統的高信噪比。
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# 改善晶體結構以提高穩定性：電流限制型LED
濱鬆通過改進晶片的晶體結構，實現了電流限制型LED更高的可靠性。此外，發光直徑也可以根據實際的需求進行設計。
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# 具備自有IC設計能力：實現器件的小型化及模塊化
除了上面我們提到的PD+LED從晶片級別上的二合一以外，濱松還通過實現PD與外圍電路的一體化設計、設計特殊的降低噪聲的電路結構等方式，讓器件更加易於使用，並發揮出更好的性能。此外濱松還可以提供包括探測器、光源和讀出電路的一體化的模塊產品。
通過此電路結構實現了1/f 噪聲和熱噪聲的降低
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集成化的編碼器模塊
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編碼器雖小，但是卻是人類生產、生活智能化中必不可少的「螺絲釘」。我們國家於近年也提出了「中國製造2025」的發展戰略，五大方針其一則是「創新驅動」，明確了製造數位化、智能化的方向。
濱松亦希望，通過更好傳遞編碼器研發者的需求，打造出更適合、更優質的核心光電器件，為達成這一宏願，增添一份力所能及的力量。
（文章來源：OFweek）