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日清紡微電子（Nisshinbo Micro Devices Inc.）擁有小而薄的數(shù)字和模擬輸出的光學位置傳感器，這些傳感器是該公司將電路設計技術與器件封裝技術相結合而開發(fā)的。目前，該公司正致力于擴大其增量式光學反射位置傳感器的產品線。

模擬和數(shù)字光電傳感器將LED和光電集成電路集成在一個緊湊的封裝中，使光學編碼器能夠在各種工業(yè)應用中提供絕對或增量位置檢測。

位置檢測是從協(xié)作機器人到半導體制造設備等各種工業(yè)應用的一項關鍵技術。從視頻圖像分析到磁檢測等各種方法都可以提供位置傳感，但光學方法具有關鍵優(yōu)勢。它們不受雜散磁場的影響，而且由于結構緊湊，可以放置在靠近電機或其他設備組件的位置。

位置傳感

光電傳感器可以采用兩種位置感測方法：透射式和反射式。如圖 1左圖所示，透射式感測是指 LED發(fā)出的光線穿過刻度盤上的一系列狹縫，到達另一側的光電傳感器。反射式感測是指（如圖 1右圖所示）LED和傳感器位于刻度盤的同一側，LED發(fā)出的光線經過刻度盤的反射狹縫（反射狹縫與非反射狹縫交替出現(xiàn)）反射后到達傳感器。

光電傳感器有兩種位置報告方法。增量式位置報告是指傳感器可以指示旋轉量或線性運動量，但如果沒有某種方法確定啟動時的初始位置，則無法報告絕對位置信息。相比之下，絕對值式位置編碼器只要接通電源，就能始終報告精確的位置信息。

圖 1.?光學位置傳感器可采用透射式（左）或反射式（右）方法

光電傳感器的模擬和數(shù)字輸出

光電傳感器可提供數(shù)字或模擬輸出。數(shù)字輸出時，相對位置由脈沖計數(shù)確定，脈沖寬度決定分辨率。數(shù)字輸出可用于無反光鏡相機和遙控相機的手動對焦，以及無刷電機、高分辨率步進電機及相關應用。

模擬輸出可產生正弦波和余弦波輸出，并通過反正切計算從輸出信號中提取位置信息。分辨率取決于模擬輸出的失真度。高精度模擬傳感器的分辨率可達1μm或更低。模擬輸出通常用于線性（直線）檢測，可提供μm級的分辨率。應用包括相機鏡頭位置檢測、協(xié)作機器人和線性執(zhí)行器。

緊湊型傳感器系列

日清紡微電子的數(shù)字輸出傳感器包括該 NJL5820/21/22R系列產品，每個系列都集成了一個近紅外 LED和一個光電集成電路 (OEIC)。OEIC可以處理光信號和電信號。它包含將光轉換為電信號的光電二極管，以及信號處理電路。LED和OEIC之間的遮光墻提供了光隔離（圖 2）。

圖 2.?遮光墻將 LED?與 OEIC?隔離

在操作過程中，當一個帶有交替反射和非反射圖案的刻度尺固定在一個運動部件上，并經過 OEIC時，OEIC接收到的圖像會發(fā)生變化。響應這些變化，OEIC會產生一個兩相（A和 B）脈沖信號，其相位差為 90度，與交替圖案周期相匹配（圖 3）。微控制器單元 (MCU)可以檢測這些脈沖，并得出運動部件的位置、距離、方向和速度。NJL5820/21/22R系列產品的位置檢測分辨率分別為 50.8LPI、150LPI和 180LPI (Line Per Inch)。

圖 3.?響應不斷變化的光模式，數(shù)字輸出 OEIC?產生雙相脈沖信號

日清紡微電子的模擬輸出光電位置傳感器有 NS5611，是一款可用于反射式增量式光學編碼器的產品。NS5611封裝包含一個近紅外 LED和一個 OEIC。當反射式刻度尺經過傳感器時（圖 4左），該器件會除了可以產生A，B兩相，相位角為 90度，每周期 140μm的模擬輸出（紅色和藍色波形，圖 4右），還帶有可用于原點檢測的Z相輸出（Reset輸出），用戶可自選ADC，以將這些信號數(shù)字化后，用自選MCU來計算移動的距離。

圖 4.?當標尺經過 NS5611（左）時，傳感器產生雙相模擬輸出（右）

編碼器設計考慮因素

將光電式位置傳感器用于光學編碼器時，必須考慮多個設計方面。通常，高分辨率位置傳感器不適用于柔性印刷電路材料，因為任何彎曲都會改變柵尺與傳感器之間的位置關系，從而影響分辨率。然而，NS5611的堅固設計使其能夠承受柵尺相對于設備的位置變化。圖 5顯示了柵尺與傳感器之間的間隙Gap、柵尺位移Shift以及柵尺翻滾Roll、俯仰pitch和偏向Yaw的允許范圍。