“人形机器人的Optimus时刻”系列（二）：编码器：机巧的测量，精度的艺术

编码器：高精度的位置/角度测量传感器。编码器是测量角度、速度和位置的传感器。按照技术原理，可分为磁编码器、光编码器及电感编码器等等，其中光编码器适用于高精度、高分辨率的应用，磁编码器适用于追求环境耐受性强、小型轻量、高可靠性的应用。在编码器降本和磁编码器性能提高的背景下，磁编码器渗透率逐渐提升。按照测量类型，可分为直线编码器和旋转编码器，光栅尺是直线编码器的代表。按照输出信号，可分为绝对式编码器和增量式编码器。编码器具有高精度、高分辨率、快速响应等特点，适用于工业自动化、汽车制造、机床等众多需要精确位置测量的应用场景。 编码器市场高速增长，下游应用分布广泛。受益于我国制造业的升级换代以及科技的创新，据MIR睿工业预测，2025年我国编码器市场将超过33亿元。 海外编码器厂商以日系的多摩川和欧系的海德汉为代表，凭借几十年的技术实力、研发能力以及积累的经验，在全球范围内享有广泛的声誉，2022年我国编码器市场中多摩川和海德汉占据40%以上的市场份额，龙头地位显著。 磁编码器以汽车为核心，光栅尺国产替代需求迫切。磁编码器在新行业、新技术的推动下，应用前景愈发广阔，据Yole，全球磁编码器的市场规模将增长至2027年的23.19亿美元，汽车为最核心应用场景。据Global Info Research预测，2029年全球光栅尺市场规模将达到8.42亿美元，机床是光栅尺最大的下游应用领域。我国光栅尺市场主要生产商有海德汉和雷尼绍，二者市场份额超过80%，国产厂商包括长春禹衡光学等研发实力逐渐增强，中高端光栅尺生产能力稳步提升，打开了更加广阔的国产替代空间。 拆解编码器增量市场：人形机器人、工业母机和新能源汽车。1、人形机器人：编码器主要应用在人形机器人的旋转、直线执行模组和灵巧手，单特斯拉Optimus编码器需求量50+，价值量约为7500元，若在2025年实现100万台目标交付量，有望为编码器带来70亿级别的增量市场。2、工业母机：在自主可控、更新周期及产业转型三因素共振的推动下，机床行业正向中高端迈进，光栅编码器作为机床的核心零部件，应用前景非常广阔。我们以五轴数控机床为例，测算单台机床光栅编码器价值量约为5000元。3、新能源汽车:根据我们对新能源汽车解决方案的拆解，磁编码器主要应用在逆变系统、电机冷却系统和启动发电机系统，相比传统燃油车，单车价值量提升至少500元；叠加国内新能源汽车渗透率的快速增长，带动了磁编码器新增市场空间的充分释放。 奥普光电：背靠中科院光机所，国产光栅编码器龙头企业。奥普光电背靠中国科学院长春光机所，产研能力突出。公司控股子公司禹衡光学是国内编码器领域的龙头企业，光栅编码器产品已顺利导入华中数控、广数、科德数控等机床企业并与沈阳新松机器人展开合作，代表性的JFT系列绝对式光栅尺产品已到达国际同类产品领先水平，最高分辨力高达 2.5nm 。 行业投资评级与投资策略。编码器细分种类多元，应用空间广泛。人形机器人产业方兴未艾、工业母机迈向中高端、新能源汽车量价齐升，赋予编码器广阔的市场增量。在以特斯拉Bot为代表的人形机器人产业化和降本化双重驱动下，国内厂商经过长期技术积累，有望借助成本优势快速切入制造环节，核心零部件迎来国产替代的最佳机遇。给予编码器行业“推荐”评级。建议重点关注：奥普光电、汇川技术、禾川科技等。 风险提示：人形机器人进展不及预期；国内厂商产品开发进度、核心客户导入不及预期；原材料价格上涨增加成本风险；市场竞争加剧等。 重点公司盈利预测、估值及投资评级 投资主题 报告亮点 本报告1）根据技术原理、测量类型和输出信号对编码器进行分类，详细对比各种编码器的工作特性和性能优势，我们认为在编码器降本和磁编码器性能提高的背景下，磁编码器渗透率有望逐渐提升。2）从整体编码器行业和细分磁编码器、光栅尺产品层出发，对市场规模、竞争格局和行业趋势进行充分分析，认为光栅尺行业为编码器中国产化率最低的细分领域，国产替代需求迫切。3）拆解人形机器人、工业母机和新能源汽车三大应用场景，随着人形机器人产业化加速（单个特斯拉Optimus编码器价值量7500元）、工业母机迈向中高端（单台五轴数控机床编码器价值量5000元）、新能源汽车量价齐升（新能源汽车编码器单车价值量相比传统燃油车提升500元），赋能编码器全新增量空间。4）复盘奥普光电发展历史，公司控股子公司禹衡光学作为国内编码器领域的龙头企业，有望充分受益于市场扩容和国产替代。 投资逻辑 编码器细分种类多元，应用空间广泛。人形机器人产业方兴未艾、工业母机迈向中高端、新能源汽车量价齐升，赋予编码器广阔的市场增量。在以特斯拉Bot为代表的人形机器人产业化和降本化双重驱动下，国内厂商经过长期技术积累，有望借助成本优势快速切入制造环节，核心零部件迎来国产替代的最佳机遇。给予编码器行业“推荐”评级。建议重点关注：奥普光电、汇川技术、禾川科技等。 一、编码器：高精度的位置/角度测量传感器 图表1编码器分类 （一）技术原理：磁编码器、光编码器以及电感编码器 磁编码器，利用电磁感应原理，将物理信号转换为数字信号，以实现位置和角度的测量。 磁编码器由磁性传感器、磁环和信号处理器组成。磁环是由多个磁极组成，并被固定在旋转轴上；磁性传感器通常采用霍尔元件或磁电阻元件，能够检测磁环旋转时磁场的变化，将其转换为电信号输出；信号处理器将电信号转换为数字信号，用于表示旋转轴的位置和方向。磁编码器具有高分辨率、高精度、高可靠性、长寿命等优点，适用于工程机械等灰尘多、油多、水多等严苛环境下的应用场景。 图表2磁编码器结构图 根据工作原理的不同分类，磁编码器可分为霍尔编码器和磁阻编码器。霍尔效应是指当电流垂直于外磁场通过半导体时，垂直于电流和磁场的方向会产生附加电场，从而在半导体的两端产生电势差；磁阻效应是指给通以电流的半导体材料加以与电流垂直或平行的外磁场，其电阻值会有所增加。磁阻编码器伴随着新型半导体材料的发展不断演变，目前已衍生AMR、GMR、TMR三代产品。 图表3磁编码器按原理分类 光编码器，将旋转位置信息转化为光脉冲信号以对其进行检测。光编码器由发光元件、光敏元件及码盘（即一个刻有规则的透光和不透光线条的圆盘）组成。当安装在电机转轴上的码盘旋转时，固定住的发光元件发出的光经过码盘，产生透光和不透光的光脉冲。 光敏元件检测到这些光脉冲后，转换成数字信号输出。光学编码器从结构上分两种。一种是码盘夹在发光元件和光敏元件之间的“透射型”，一种是发光元件和光敏元件在同一平面，通过码盘反射光源的“反射型”。与磁编码器相比，光编码器更容易实现高精度和高分辨率，可用于大直径电机设备等有强磁场干扰的环境。 图表4光编码器结构图 电感编码器，通过高频电磁感应信号的幅值或相位测量转子位置信息。激励线圈的高频电磁场耦合到接收线圈，当编码器旋转时，编码器转子因电涡流效应产生电磁场，从而影响接收线圈的电磁场强度，使差分接收线圈的信号幅值或相位发生改变，解码电路通过放大、采集、解算、补正等程序，最终实现角度的精准测量。 图表5电感编码器工作原理 磁编码器性价比更优，光编码器适用于精度要求更高场景。根据应用场景不同，要求高精度、高分辨率的应用，使用光学编码器；追求环境耐受性强、小型轻量、高可靠性的应用，使用磁编码器。据MIR睿工业，光电编码器分辨率已经发展到25位，23位已经商用，17位已经普遍应用，而磁编码器分辨率已经发展至19位，能满足绝大部分工业应用场景。在编码器降本和磁编码器精度、分辨率提高的背景下，磁编码器渗透率有望快速提升。 图表6编码器性能对比 （二）测量类型：直线编码器（光栅尺）和旋转编码器 直线编码器测量物体的直线位移，旋转编码器测量物体的旋转角度。直线编码器是一种用于测量物体直线运动的装置，通常由传感器和标尺组成；其中标尺被固定在物体上，传感器则测量标尺上的位置信息，主要用于机械加工、数控机床、3D打印、半导体制造等领域。旋转编码器则是一种用于测量物体旋转角度、速度和方向的装置，可以直接安装在物体上，以测量物体的旋转运动，在机器人、航空航天、工业自动化和医疗设备等领域中得到广泛应用。 图表7磁性直线编码器 图表8磁性旋转编码器 光栅尺是直线编码器的代表。光栅尺是一种利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，可用作直线位移的检测，常用于数控系统的全闭环控制。光栅尺由标尺光栅和最关键的光栅读数头两部分组成，光栅读数头由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构组成。光栅尺精度高、稳定性强、分辨率高，广泛应用于数控机床、半导体设备、精密测量仪器、激光切割等领域，以实现对物体位置的高精度测量和控制。 图表9光栅尺结构图 光栅尺分为成像扫描和干涉扫描。光栅尺的光电扫描在工作中无接触、无磨损，可以检测到非常细小的光栅，栅线宽度可仅数微米，并能输出非常细小的周期信号。光栅尺往往采用两种扫描原理，成像扫描是用两个栅距相同或相近的光栅与扫描掩膜彼此相对运动，可用于20 μm至大约40 μm的栅距；干涉扫描是利用精细光栅的光衍射和光干涉生成位移测量的信号，可用于更小栅距的光栅（8 μm）。 图表10成像扫描原理 图表11干涉扫描原理 （三）输出信号：绝对式编码器和增量式编码器 绝对式编码器用于准确测量物体的绝对位置，即物体相对于一个已知的参考点的精确位置。绝对式测量是指编码器在通电时立即提供位置值并随时供后续电子电路读取，无需移动轴执行参考点回零操作，即在不需要回到初始位置的情况下，可以立即提供物体的精确位置信息绝对位置信息。绝对式编码器的工作原理是基于特定的编码规则，每个位置都对应一个唯一的编码值，常常由一系列绝对码编排的光栅读取，单独的增量刻轨信号通过细分生成位置值，同时用于生成可选的增量信号。绝对式编码器通常具有高精度和高分辨率，但通常比较复杂和昂贵。 图表12绝对式旋转编码器 增量式编码器用于测量物体相对于初始位置的相对位移，即它们提供的是位置变化的相对值。增量式光栅由周期性的栅线组成，位置信息通过计算自某点开始的增量数获得。 由于确定位置值需要绝对参考点，在光栅尺或尺带上还有一条参考点刻轨。栅尺的绝对位置由参考点确定，可精确到一个信号周期。增量式编码器生成两个信号，分别称为A相和B相信号，这些信号的相位差可以用来确定方向和位移的变化。增量式编码器的输出信号是周期性的，通常称为脉冲，它们的数量用来表示位移的大小。增量式编码器相对较简单，成本较低，但需要初始位置作为基准。 图表13增量式旋转编码器 绝对式和增量式编码器的差别主要在于：1、测量方式：绝对式编码器直接测量物体的绝对位置，而增量式编码器测量的是位置的变化，需要初始位置作为参考。2、起始位置：绝对式编码器可以立即提供绝对位置信息，无需回到初始位置，而增量式编码器的位置信息是相对于初始位置的。3、精度和分辨率：由于绝对式编码器直接测量绝对位置，通常具有更高的精度和分辨率。增量式编码器的精度和分辨率取决于脉冲数量。4、复杂度和成本：绝对式编码器通常较为复杂和昂贵，而增量式编码器相对简单且成本较低。 图表14绝对式光栅尺以及增量式光栅尺 二、多领域推动市场扩容，编码器国产替代正当时 （一）编码器市场高速增长，下游应用分布广泛 全球编码器市场由磁性和旋转主导，规模迅速扩大。随着工业自动化、智能制造和物联网技术的快速发展，编码器作为关键的运动控制装置，在实现精准定位、测量和反馈等方面发挥着不可替代的作用。据kbvresearch预测，全球编码器市场规模将由2018年的24亿美元增长至2028年的48亿美元，期间CAGR为9.1%；从技术原理来看，磁编码器仍然在市场上占据着主导地位；从产品类型来看，旋转编码器的市场需求要高于直线编码器。全球编码器市场的成长源于众多下游领域的需求推动和技术进步，整体规模有望继续保持增长势头。 图表15全球编码器市场规模（亿美元） 图表16 2021年不同技术原理编码器市场占比 我国编码器市场持续增长，2025年有望达到33亿