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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。

自动化技术升级,国产光电编码器要怎样才能跟上节奏

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。

自动化技术升级,国产光电编码器要怎样才能跟上节奏

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。

自动化技术升级,国产光电编码器要怎样才能跟上节奏

滨松各种类型,各种封装的探测器

图片来源:滨松

自动化技术升级,国产光电编码器要怎样才能跟上节奏

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。


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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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图片来源:滨松

# 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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图片来源:滨松

# 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。

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滨松FOP

图片来源:滨松

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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。

自动化技术升级,国产光电编码器要怎样才能跟上节奏

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。

自动化技术升级,国产光电编码器要怎样才能跟上节奏

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。

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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。

自动化技术升级,国产光电编码器要怎样才能跟上节奏

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

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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。

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