藍光編碼器走向反射式

簡介

隨著在一些應用中不斷增加採用自動化機器，定位設備正成為許多系統的重要組成部分。為了精確控制電機，編碼器正成為最受歡迎的解決方案。編碼器可以基於不同的原理操作，例如：光電、磁性、機械等，提供增量或絕對位置資料。編碼器還可以在需要時攜帶多圈資訊，所有這些可能性都促成了一個靈活的產品，提供不同尺寸，適用於各種環境。由於編碼器的這種高度靈活的性質，以及自動化機器的擴展使用，越來越多的應用開始利用位置編碼器。

為了更好適應不同的應用和它們的特定要求，新的編碼器技術需要不斷地開發和實施。具有藍光的反射式光電編碼器是這種新技術的一個示例，運用該技術 iC-Haus 的 iC-PR 和 iC-PX 系列積體電路已經發佈。本文詳細介紹了這種新技術的特點和優勢。

目錄

一、光電編碼器的基本原理和新的挑戰

二、透射式和反射式光電編碼器之間的比較

三、反射式解決方案

四、iC-PR 的特性和組裝公差

五、iC-PX 的特性和組裝公差

六、優勢

七、應用

八、總結

九、文獻

一、光電編碼器的基本原理和新的挑戰

從工業生產線到家用電器，自動化正在參與大多數新產品的設計。在這種情況下，線性和旋轉編碼器是電機精確定位的最終解決方案，替代老舊器件，如電位器、同步器、旋轉變壓器等。

編碼器可以根據不同的原理來操作，例如：光電、磁性、機械和其他。根據感測器類型，編碼器提供增量或絕對位置資料。第一個僅輸出關於增量變化的資訊，通常以 AB 正交脈衝的形式。利用計數處理器對其前向或後向步幅計數。增量式編碼器通常使用一個零位元信號來參考啟動或重定計數值。另一方面，絕對式編碼器傳送完整的位置值，該位置值可以隨時確定 (絕對位置是已知的，而不需要通過零位元標記)。絕對編碼器還可以在需要時攜帶多圈資訊，從而通知編碼器的完整旋轉次數。

所有這些不同的操作模式促成了多樣化的產品，提供不同的尺寸和適合各種環境。由於編碼器的這種高度靈活的性質，以及自動化機器的擴展使用，越來越多的應用開始利用位置編碼器的功能，用於運動控制。

當比較編碼器背後的不同原理時，光電編碼器被認為是最精確的。每一種方法都有其自身的優點，而光電編碼器通常提供最高的解析度和精度。然而，光電編碼器也有它的缺點。由於其光學性質，感測器元件對灰塵、油和其他可能干擾光路的障礙物敏感。這通常可通過用於編碼器的緊密密封的外殼來解決。高精度光電編碼器面臨的另一困難是位置誤差的影響，這意味著組裝公差通常非常小，導致編碼器的製造過程中複雜性增加，需要高精度組裝技術來達到適當的信號。單獨這個問題就阻礙了許多公司製造編碼器，因為它們的製造過程無法達到所需的精度水準。

關於光電編碼器在一些應用所面臨的另一個困難是編碼器所需的空間。一個光電編碼器必須具有保護殼，並且傳統 (透射) 光電編碼器所需的內部結構導致相當高的高度 (Z尺寸)。這是因為光源 (LED)、碼盤和光學感測器必須垂直對準，並且它們之間具有適當的距離。編碼器的這種最低高度限制妨礙了其被諸如小型化機器人技術的一些緊湊應用所採用。甚至消費產品也進入了精密定位控制的領域，引入了家用吸塵機器人，飛行無人機和家庭自動化 (窗簾、通風等自動調節)。這些產品的製造在大規模地進行，為了具有高生產效率，必須接受組裝變化誤差。此外，一些設備的緊湊尺寸也導致了無法採用大尺寸編碼器，而這通常是工業機器可接受的。

滿足這些要求的第一種解決方案是使用磁編碼器。簡單的同軸磁編碼器可以很容易製造並且只需要非常小的空間，因此是一個符合邏輯的選擇。然而，隨著這些應用的解析度和精度要求也在演變，磁編碼器面臨技術限制。目前的同軸磁編碼器無法達到非常高的解析度，也不能提供相當高的精度，除非使用更先進的技術 (例如: 使用外部插補細分器來提高系統的解析度和精度)，但會導致更高的成本。此外，磁編碼器需要更嚴格的遮罩抗磁干擾，這在一些工作環境中可能是非常具有挑戰性的。

市場推動的這些新需求激勵了行業尋找適應光電編碼器特性的方法，使其在這些新條件下也可實現。

二、透射式和反射式光電編碼器之間的比較

傳統的光電編碼器依賴於透射光學，這是用於編碼器的一種成熟的且共所周知的技術。 然而，它也有自身固有的缺點，限制了它在某些情況下的應用。另一方面，反射式光學是光電編碼器的另一可選技術，它試圖改進透射編碼器不足的方面。

雖然透射式和反射式編碼器具有相同的基本原理，光學感測器接收由碼盤移動調製的光 ，但它們的物理結構明顯不同。下圖是一個傳統的透射式光電編碼器的基本結構:

如圖1所示，透射式解決方案基本上是通過使用碼盤 (光柵) 在某些限定區域製造光路的障礙物，而使光穿過其他區域。碼盤的主要要求是精確劃分透明和非透明區域。這通常通過光刻工藝來實現，其中塗層材料 (例如鉻) 沉積在透明基板 (例如玻璃) 的頂部。光刻工藝的精度以及透明和非透明區域之間的對比度來決定碼盤的品質。

該技術的優點是光刻工藝成熟且可以達到非常高的精度，允許在碼盤上做非常精細的代碼標記。這為高解析度編碼器帶來更好的信號密度。

另一方面，這種結構也帶來了缺點: 為了獲得良好的效果，照明必須盡可能均勻。這需要一個僅通過將准直透鏡添加到系統來實現的平行光束。這種光學結構大大增加了編碼器的垂直尺寸，這對於許多應用是一個不理想的效果。

另一個缺點是對感測器定位精度的要求與碼盤上的標記的密度直接相關。如果使用非常精確的光刻，則感測器相對於碼盤的位置也必須非常精確，否則信號的品質將受到相當大的影響。這包括感測器的 XY 位移，以及感測器和碼盤之間的距離。如果碼盤上的縫隙非常窄，則在穿過縫隙之後的光衍射將對信號具有更大的影響，因此在感測器和碼盤之間需要非常緊密的氣隙以便接收良好的信號。對於高端編碼器，組裝精度要求低於 0.1 mm，這對於許多製造商來說是不可行的。即使對於能達到這種精度要求的最終產品的製造商，元件仍然需要仔細的對齊校準，通常逐個對編碼器使用光學或電子方式進行對齊和檢查，然後對產生的信號進行精細校正。這個過程是非常耗時的，限制了製造過程的效率。

上述問題可以通過使用反射式光電編碼器來解決。下圖描述了這種解決方案的結構:

對比透射式解決方案，圖2中看到的最明顯的區別是沒有與感測器相對的准直透鏡的光源。反射式編碼器通過從與感測器相同的一側 (相對於碼盤) 發射光，並選擇性地將光的一部分反射到感測器。在這種情況下，碼盤的基本特性是反射區域和非反射區域間的分割 (相比透射盤的透明/非透明特性)。和透射盤一樣，信號的品質取決於碼盤標記工藝 (光刻) 和分割區域之間的對比度 (在這種案例，反射/非反射)。

該解決方案在物理尺寸方面的明顯優勢是顯而易見的。無需准直光學器件，而且 LED 光源與感測器在同一側，總體積可以大大減小。與透射式解決方案相比，單獨這個因素已經使得編碼器能夠適應更廣泛的應用。緊湊尺寸光電編碼器是可行的，它們也有傳統光電編碼器的許多優點。

反射式編碼器解決方案可以用不同的方法實現，典型的示例是在感測器和 LED 的頂部添加塑膠透鏡，以便將光束成形為所期望的形狀。然而，使用無透鏡設計可實現更好的解決方案。完全消除外部透鏡是可以實現的，且具有更大的靈活性和穩健性：透鏡需要針對不同的應用而特別設計，這明顯限制了 LED / 感測器和碼盤之間的操作距離的範圍，同時也增加了操作條件的限制，例如允許的溫度範圍。即使沒有額外的透鏡，通過仔細控制光源光斑尺寸也可以實現非常高的解析度。通過這種方法，使用一個標準的LED照明尺寸就已經可以實現中高解析度了。

我們看到最有利的是在這種情況下: 只要解析度保持在合理的範圍內，就能獲得非常小的尺寸，無外部透鏡需求，良好的解析度和精度 (很容易通過插補細分技術進一步提高)，以及非常低的組裝要求的光電編碼器。

我們可以比較透射式和反射式編碼器的主要特性:

• 透射式光電編碼器:

• 成熟的技術

• 高解析度和高精度

• 相當的高度 (Z尺寸)

• 組裝困難: 小公差, 操作期間的機械穩定性

• 碼盤到感測器的操作距離小

反射式光電編碼器:

• 良好的解析度和精度

• 易於組裝

• 大機械公差

• 平面設計: 高度降低

• 碼盤到感測器的操作距離大

三、反射式解決方案

反射式光電編碼器的原理已經公佈了一段時間。然而，獲得一個有著良好性能的，方便的，且易於使用的集成晶片的難度將其局限於能實現的少數製造商的少數產品線上。

最近推出的 Encoder Blue® 產品 (帶有藍光 LED 作為光源的光電編碼器) 也被證明可用於反射式編碼器。Encoder Blue® 技術提供了許多優點，例如:

• 更高的效率 (在相同的光功率，更低的操作電流),

• 更高的信號清晰度和對比度,

• 較小的輸出信號抖動.

Encoder Blue® 藍光技術已經用於 iC-Haus 透射式光電編碼器 (例如 iC-PT H系列和 iC-PNH 系列)，但這些特性也可以顯著改善反射式編碼器的信號。因此，iC-Haus 結合了 Encoder Blue® 技術和反射式編碼器解決方案的優點，發佈了全新的增量式光電編碼器晶片 iC-PR 系列和 iC-PX 系列。

四、iC-PR 的特性和組裝公差

第一個攜帶藍光反射式編碼器技術的產品就是 iC-PR 系列。這是一個無透鏡反射光學設計的增量式編碼器。

ABZ 正交數位輸出是可行的，利用插補細分可獲得高達16倍碼盤上原始代碼物理標記的解析度。這種插補細分是通過引腳配置在晶片上實現的。在輸出端提供類比信號的可選功能。類比正弦/余弦信號可以連接到外部插補細分器，用於增強細分。

正如預期的 Encoder Blue® 解決方案，iC-PR 也集成了一個藍光 LED 用作照明源。該藍光 LED 技術具有所有前面提到的優點，並且由一個閉環控制電路驅動，該閉環控制電路根據由感測器產生的信號的幅度來自動適配 LED 電流。這樣可以確保編碼器的穩定運行，補償諸如由於溫度或老化效應引起的 LED 效率偏差的變化，或者甚至補償 iC-PR 和碼盤之間氣隙的機械變化。

iC-PR 系列由不同的型號 (iC-PRxxxx) 組成，每個都具有針對特定碼盤直徑和解析度優化的高密度相位陣光電感測器。所有可選功能都由引腳配置，因此不需要耗時的編程過程。

iC-PR 系列的主要特點如下:

• ABZ 正交輸出，帶零位元信號

• 無透鏡設計

• 針對 Ø4 mm, Ø14 mm, Ø26 mm 和 Ø43 mm 的反射式碼盤進行了優化

• 單片設計: 集成了高密度相位陣，信號調節，類比/數位轉換和 LED 功率控制

• 集成藍光 LED 與自動功率控制: Encoder Blue®

• 數位 (1倍至16倍細分) 或模擬 (正弦/余弦) 操作

• 最小信號沿距控制 (80 ns, 1 μs, 10 μs)

• 可選的 Z 脈衝 (零位) 寬度

• 工作溫度: - 40 °C 至 + 105 °C

• 引腳配置

• optoQFN 封裝 4 x 4 x 0.9 mm

• 低功耗: 典型值 20 mA (包括 LED)

使用反射式編碼器解決方案最重要的好處之一是寬鬆的組裝公差。對於 iC-PR 系列，典型的組裝精度要求如圖3所示。

該圖顯示，公差比透射式編碼器的標準值大幾倍。這裏的一個重要值是可接受的操作距離，範圍從 1 mm 到 3 mm，只要它保持在這個範圍內，允許變化。這種寬容差可以通過感測器的精密設計以及自動控制的 LED 功率來獲得。

五、iC-PX 的特性和組裝公差

對於不需要 iC-PR 中包含的各種功能，但仍然想利用緊湊的尺寸和寬鬆的組裝要求的相對簡單的系統，iC-Haus 提供 iC-PX 系列。

iC-PX 適用于 AB 增量系統 (正交信號，無零位元標記)，並且不提供類比輸出模式。這促成了更小的晶片尺寸，適用 3 x 3 mm optoDFN 封裝。

iC-PX 系列的主要特點如下:

• AB 正交輸出

• 無透鏡設計

• 針對 Ø26 mm 和 Ø32 mm 的反射式碼盤進行了優化

• 單片設計: 集成了高密度相位陣，信號調節，類比/數位轉換和 LED 功率控制

• 集成藍光 LED 與自動功率控制: Encoder Blue®

• 數位輸出 (引腳可選擇1倍至16倍細分)

• 工作溫度: - 40 °C 至 + 105 °C

• optoDFN 封裝 3 x 3 x 0.9 mm

• 低功耗: 典型值 13 mA (包括 LED)

由於不帶零位元標記，感測器相對於碼盤的位置甚至更加靈活。

六、優勢

標準封裝: 該全集成解決方案採用用於 iC-PR (QFN尺寸，帶光電感測器的玻璃窗) 的 optoQFN 封裝，以及用於 iC-PX 的 optoDFN 封裝，大大簡化了 PCB 設計。封裝以及晶片高度與其他 QFN / DFN 標準晶片相同。這消除了市場上其他反射產品所需要的創建特定PCB元件占位的麻煩。

圖5：iC-PR , iC-PX的標準QFN/DFN 元件占位和尺寸

更高的溫度範圍: iC-Haus 的所有反射式編碼器晶片都實現了無透鏡設計。這降低了模組的高度，並提供了前一章提到的其他優點。其他解決方案需要在系統的頂部放置一個塑膠透鏡，然而 iC-Haus 的技術是不需要的。塑膠透鏡不僅增加了系統的高度，而且還限制了最高工作溫度，通常為 + 85 °C。使用 iC-Haus 的無透鏡反射技術，最大工作溫度為工業通常要求的 + 105 °C。

更寬的操作距離: 帶透鏡的反射式解決方案的另一個限制是感測器和碼盤的操作距離範圍。由於透鏡的焦距，距離容許範圍窄，通常為 ± 0.25 mm。iC-Haus 的反射技術結合了無透鏡設計與自動 LED 功率控制，將允許的操作距離範圍增加到 1 至 3  mm，始終具有穩定的輸出。

更高品質的信號: iC-Haus 的反射解決方案還集成了藍光 LED 和高密度相位陣光電二極體，針對不同的碼盤尺寸進行了優化。藍光 LED 和藍光增強型高密度相位陣光電二極體產生了具有更高對比度的更清晰的信號。這促使降低輸出抖動，即使在細分之後。光電二極體針對覆蓋多種直徑範圍的不同碼盤尺寸進行了優化，甚至超緊湊的 4 mm 直徑的碼盤也在內。當使用模擬輸出進行外部插補細分時，這種優化尤為重要，因為正弦/余弦信號的品質保持卓越，允許高精度和高解析度插補細分。

图6：反射式编码器传感器基本光学设计和光线追迹模型

易於使用: iC-PR 和 iC-PX 系列完全可由引腳配置，避免了編程和校準的複雜性，從而減少了編碼器的製造時間。以及寬鬆的組裝公差，可以顯著提高編碼器生產線的總體效率。

七、应用

反射式编码器可用于不同的应用，有时可用于替代其他类型的编码器，在某些情况下可用于当前编码器技术尚未达到的新应用中。

大多数具有增量定位检测的运动控制装置可以利用 iC-PR 或 iC-PX 系列，但反射式编码器的主要焦点在紧凑型编码器应用，例如:

•     小型电机和执行器

•     工业自动化机器人

•     消费机器人

•     增量式编码器

•     单轴或多轴定位平台

八、总结

从工业机械到家用电器，所有领域的自动化水平正在迅速提高。这对编码器提出了新的要求，编码器是运动控制的基本设备。在这方面，反射式光电编码器是一种新技术，它结合了高性能和紧凑的尺寸。

特别是采用蓝光编码器技术的 iC-Haus 反射式光电编码器不仅提供小尺寸，而且提供稳健性和优越的组装公差，同时还提供卓越的输出信号。

iC-PR 和 iC-PX 系列易于使用，适用于各种增量式编码器，不会给制造过程带来复杂性。这使得更广泛的产品能获得精确运动控制的好处。

九、文献

[1] Wikipedia: Rotary Encoder, https://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_encoder

[2] Absolute Encoder Design: Magnetic or Optical?, Whitepaper iC-Haus, http://www.ichaus.de/wp6_magnetic_vs_optical

[3] iC-PR Series – Reflective Opto Encoders, Datasheet iC-Haus GmbH www.ichaus.de/PR_Series_datasheet_en

[4] Basics of Rotary Encoders: Overview and New Technologies, http://machinedesign.com/sensors/basics-rotary-encoders-overview-and-new-technologies-0

[5] Basler S. (2016) Encoder und Motor-Feedback-Systeme, Springer Vieweg

文章（资料来源于iC-HAUS官方网站）