“人形机器人的Optimus时刻”编码器：机巧的测量，精度的艺术

报告出品方：华创证券

以下为报告原文节选

------

一、编码器：高精度的位置/角度测量传感器

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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）。

（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。

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。

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。

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 kbv research 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。

我国编码器市场持续增长，2025 年有望达到 33 亿元。我国制造业的升级换代以及科技的创新，加速了编码器市场的增长。从传统的工业应用到现代的机器人、新能源等高新技术领域，编码器的应用范围不断拓展，为市场的扩大提供了坚实的基础。据 MIR 睿工业，2022 年我国编码器市场规模呈现小幅度增长，为 25.75 亿元，核心原因是疫情的影响和整体 OEM 行业低迷；预计到 2025 年，整体市场规模将达到 33 亿元，期间 CAGR为 8.62%。国内编码器制造商聚焦提升产品质量和技术水平，不断推出适应市场需求的编码器产品，可以预见，我国编码器市场有望继续保持快速增长，为整个产业链的发展贡献更多动力。（注：此市场规模仅考虑对外销售，不包含自产自销）

伺服行业为编码器下游最大市场，机床市场增速最高。据 MIR 睿工业，2022 年伺服行业为编码器第一大下游市场，占比达到 30%，主要系伺服行业下游多为新能源等景气行业，进一步加大对编码器的需求；受益于机床需求结构升级，叠加对精度的要求的提升，逐渐扩大对编码器和光栅尺的需求，2022 年编码器在机床行业应用的同比增速最快，高达26%。从整体行业角度，2022 年项目型市场增长 23.8%，OEM 行业市场下滑 4%，OEM行业端如电梯、起重、工程机械、印刷包装等均出现负增长情况，下游行业需求乏力对工业自动化市场的负面影响贯穿整年。但随着国内经济复苏，居民消费能力提升，且受国家对于房地产政策影响，预计 2023 年国内 OEM 市场将逐步复苏。

日欧编码器厂商占据主导地位，国产厂商面临挑战。海外编码器厂商以日系的多摩川（27.6%）和欧系的海德汉（14.3%）为代表，凭借几十年的技术实力、研发能力以及长期积累的经验，海外龙头厂商在全球范围内享有广泛的声誉和市场份额，持续为市场提供高质量和创新性的产品。据 MIR 睿工业，2022 年我国编码器市场中多摩川、海德汉、西克和堡盟占据了 50%以上的市场份额，行业集中度较高，而国内厂商则受疫情和电梯需求下滑影响，同比增速低于海外龙头的成长速度。

（二）磁编码器以汽车应用为核心，海外龙头先发优势明显

磁编码器行业蓬勃发展，市场规模快速增长。随着现代电磁学技术的飞速发展和自动化需求的不断增加，磁编码器作为一种高精度、高可靠性的测量设备，在工业自动化、汽车制造、半导体等众多智造领域得到了广泛应用；特别是在制造业、工程机械和汽车领域，磁编码器能够实现精准控制和定位，已成为不可或缺的重要组成部分。据 Yole 的预测数据，全球磁编码器（磁位置/速度传感器）的市场规模将从 2021 年的 14.88 亿美元增长至 2027 年的 23.19 亿美元，期间 CAGR 为 7.68%。磁编码器在新行业、新技术的推动下，持续不断地创新和发展，应用前景愈发广阔，市场空间有望进一步扩大。

磁编码器在汽车场景应用多元，占比较高。从下游应用来看，磁编码器在汽车领域发挥着重要的作用，主要应用于车辆的位置检测、转向控制、车速测量以及电动驱动系统等领域。据 Yole 对于整体磁传感器下游行业的统计和预测，汽车应用的占比已经超过了整体市场的 50%。无论是传统燃油车还是新能源汽车，精度高、可靠性和耐用性强的磁编码器都在为车辆的安全性和性能提升做出贡献。随着汽车工业的不断发展和智能化水平的提高，磁编码器在未来汽车应用中的地位有望进一步增强。

整体磁传感器的价值量伴随系统复杂程度不断增加。随着工业 4.0 和物联网技术的发展，制造过程正变得更加智能、高效和自动化，同时系统复杂性的增加通常意味着更丰富、更精细的功能和性能。在这一趋势下，磁编码器作为关键的运动控制和位置反馈装置，将在机器人、自动化生产线、无人驾驶车辆等领域扮演着至关重要的角色。其高精度、稳定性和快速响应特性，将成为实现精密控制和智能化运行的关键驱动力。据 Yole，目前整体磁传感器在工业自动化和汽车应用中价值量较高，伴随未来制造系统的智能化发展，磁传感器的价值量将不断提升。

海外厂商占据主要市场份额，国产替代加速进行。从整体磁传感器行业来看，目前全球磁传感器市场主要由海外大厂主导，包括 Allegro、AKM 和 TDK 等等，国外龙头厂商布局磁传感器产品多年，在产品端、渠道端和客户端优势明显，占据大量市场份额，形成了坚实壁垒。据 Yole，2021 年头部三大海外厂商已经占据 40%以上的市场份额，行业集中度比较高。然而，在国家战略和政策的双重支持下，依托潜力巨大的国内市场，国内磁编码器厂商正不断追赶海外龙头、加速创新，为行业的发展注入了新的活力，打开了更加广阔的国产替代空间。

（三）光编码器市场增速放缓，光栅尺国产替代需求迫切磁编或代替光编，光编码器市场增速趋缓。光编码器相比于磁编码器成本较高，随着磁编码器分辨率提升和工业场景应用落地，磁编逐渐开始替代光编，导致光编码器市场增速的放缓。根据睿略市场调研的数据，预计 2022 年至 2028 年，全球光编码器市场规模将由 124.9 亿元提升至 143.4 亿元，期间 CAGR 为 2.33%；其中，我国市场占比 23.8%，规模达到 29.7 亿元，在假定占比不变的前提下，到 2028 年，我国光编码器市场规模有望超过 34.1 亿元。我国光编码器市场的主要参与者主要包括以海德汉、博通、雷尼绍、堡盟和欧姆龙为代表的海外厂商，以及国产厂商禹衡光学和汇川技术。

--- 报告摘录结束 更多内容请阅读报告原文 ---

报告合集专题一览 X 由【报告派】定期整理更新

（特别说明：本文来源于公开资料，摘录内容仅供参考，不构成任何投资建议，如需使用请参阅报告原文。）

精选报告来源：报告派

新能源 / 汽车 / 储能

新能源汽车 | 储能 | 锂电池 | 燃料电池 | 动力电池 | 动力电池回收 | 氢能源 | 充电桩 | 互联网汽车 | 智能驾驶 | 自动驾驶 | 汽车后市场 | 石油石化 | 煤化工 | 化工产业 | 磷化工 | 基础化工 | 加油站 | 新材料 | 石墨烯 | 高分子 | 耐火材料 | PVC | 聚氯乙烯 | 绿色能源 | 清洁能源 | 光伏 | 风力发电 | 海上发电