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技术革新驱动下的光电编码器升级

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2021-09-14 12:33:35

在工业生产的数控机床,机器人,或是航空航天,雷达等各种高精度、闭环调速系统,以及伺服系统的转速测量里,都可以看到编码器的身影。光电式和电磁式是两种比较常见的编码器类型。而光电式对比电磁式,可以实现更加精密的测量,拥有更高分辨率而且结构更紧凑。随着智能制造升级,以及各种高精运控需求的出现,光电编码器如何同时做到提高分辨率、减小尺寸、提高稳定性是当下许多编码器供应商正在攻克的难关。

提高光电编码器的精度和分辨率最简单的办法就是增加码道的数量。一是加大码盘尺寸,二是缩小码道宽度。加大码盘尺寸无疑会让编码器尺寸增加,机械和光学系统的设计难度也随之增加。加大码盘尺寸显然不可取。而通过缩小码道的宽度来实现有限面积中数量的增加会极大增加均匀刻画码道的难度,分辨率和精度会受到影响。

跳出既有技术,采用新技术理论成为了新的道路。在这条路上,编码器内部核心器件的升级成了重中之重,尤其是光电检测装置,在各方面性能上都需要再上一个台阶。

通孔加工技术

使用MEMS工艺,在PD芯片上形成通孔,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。使用通孔加工技术的光电检测装置极大提高了分辨率。

编码器供应商里海德汉旗下的钢光栅/鼓光栅编码器ECA 4000、ERA 4000就使用了类似技术。目前我国非常多高精设备上都采用的是海德汉编码器,如望远镜,高精雷达上。ECA 4000系统精度达到了±3''至±1.5'',信号周期数覆盖8195至44000。ERA 4000在系统精度为±5''至±2''。虽然看似精度下降了,但其实这是因为该系列在信号周期数上覆盖更广,3000至13000、6000至44000和12000至52000都可以覆盖。在每圈信号周期系列下,它的精度都处于业内极高水准线上。

(图源:海德汉官网)

电路处理与专业光栅制造

海德汉之所以处于绝对垄断地位,当然不止一项领先的技术。优秀电路处理、专业光栅制造能力是很多光电编码器厂商没有的核心技术。说到栅刻划制作技术,长春禹衡在国内还是首屈一指的,线条均匀性、线条准直性、光栅精度在中端市场受到广泛认可。

(图源:禹衡官网)

这里是禹衡的JZN-1系列编码器,这个系列绝对位数可以做到23~29 bit。同时在高分辨率下,准确度也很高,在20℃下误差仅为±0.5''。这个参数是很夸张的。十年前禹衡还只能做到8~25 bit,而现在最高已经可以做到29 bit。这里有不少功劳应该归于核心的电路处理和栅刻划制作技术。

FOP安装

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。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,这是滨松独有的专利技术。

严格来说滨松不做编码器,是上游编码器配件提供商。但它所推出的核心光电器件极大推动了编码器厂商的发展。

(图源:滨松官网)

滨松用于编码器的6像素阵列Si PIN 光电二极管,就是应用了FOP耦合技术的模块。模块表面封装型6像素Si PIN光电二极管阵列,六个像素中的每个像素都是分开的,布置十分适合于编码器。将FOP和Si光电二极管结合使用可使透镜聚焦在比正常光敏表面高FOP厚度的位置处,会更容易将滑板或其他组件安装在感光表面附近。此外还能通过使用具有低NA的FOP来调节光敏方向性。

小结

还有不少技术推动着光电编码器的发展,比如不少厂商开始通过实现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;或者改进芯片晶体结构,实现电流限制型LED更高的可靠性;抑或是重新设计发光直径等等,核心技术核心工艺的不断革新推动着光电编码器产业继续发展。


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