光学编码器及位置检测方法

专利名称：光学编码器及位置检测方法
技术领域：
本发明涉及在机械装置上决定位置时使用的光学编码器及其位置检测方法。(已有技术第一例)光学编码器通常按其位置检测方法的不同大致可分为种类型增量型及绝对型(绝对位置检测型)，现就已有的增量型光学编码器的结构及动作作一说明，如图49所示，已有的增量型光学编码器由以下部件构成光源501、用来将光源射出的光变为平行光的准直透镜502、以轴512为中心旋转的移动板503、与移动板503作对向配置的固定板506、以及设有二个光接收部510及511的光接收器509等。
移动板503的圆周上配置有以等间距分布的狭缝或衍射光栅504的A/B相信号域及圆周上只有一个狭缝505的Z相信号域，同样，固定板506也设有与移动板相等间距分布的狭缝或同样的衍射光栅507的A/B相信号域及圆周上只有一个狭缝508的Z相信号域，光接收器509的光接收部510检测透过移动板503衍射光栅504及固定板506中衍射光栅507的光线，而光接收器509的光接收部511则检测透过移动板503的狭缝505及固定板506的狭缝508的光线。
通过对透过移动板503及固定板506的A/B相信号域(分别为衍射光栅504及507)的光进行检测，可以测得相应于移动板503旋转角度的信号(A/B相信号)；通过对透过Z相信号域(各狭缝505及508)的光进行检测可以测知表示移动板503原点的信号(Z相信号)，通常是将光接收器509的输出信号二值化，转变成为脉冲信号，进行位置检测信号的处理。为了便于信号处理，希望Z相的信号要与A/B相的信号同步，因此，必须使Z相信号的脉冲只与A/B相信号脉冲中一个脉冲同步。
其次，关于狭缝等的遮光模式(Pattern)的制作方法，参照图50加以说明，如图50所示，在透明的衬底521上涂以光刻胶(Photo resist)的薄层522(A)然后在该光刻胶层522上紧密贴合一掩模层，该层预先用电子束曝光方法制成规定模式(B)，然后用能令光刻胶反应的一定波长的光进行照射，使光刻胶的露出部分成为可溶性或不可溶性，然后卸去掩模层523，将基板521浸入光刻胶溶剂内，依靠光刻胶层的变化，使掩模层上的模式522′被复印到基板521上去(C)。然后将被复印了模式的基板521装入蒸涂装置(未予图示)，蒸镀以铬等金属524(D)，接着将基板521从蒸镀装置中取出，用丙酮等有机溶剂洗净残留在基板521上的光刻胶522′(E)。通过这样一系列的作业，结果在基板521上形成有狭缝等的遮光模式525。
如上所述，在基板521上制成狭缝等的遮光模式525需要经历多道工序，加之也不容易做好掩模层523与基板521的位置的相互贴合，因此，众所周知，为了要在移动板503及固定板506上形成狭缝等的模式必须化费高昂的代价，对于增量型光学编码器来讲，现正研究通过在移动板503及固定板506的A/B相信号域(衍射光栅504及507)内采用相位型光学元件的方式来谋求成本降低。
相位型光学元件能通过将基板表面形成凹凸状的方法制成，该制造工序表示在图51上将被加热而保持流动性的丙烯类、聚碳酸酯等透明树脂注入预定形状的金属模531内并使之固化。即可获得被复印有金属模模式的相位型光学元件。本发明与在基板表面制作狭缝等的遮光模式的方法相比。免除了基板与模式位置吻合的必要性。另外，光刻胶层的涂布、紫外线照射、显象、以及金属膜的蒸涂和洗净等工序也都不要了。
将A/B相信号区域作为相位光学元件之一的相位型衍射光栅，通过JPA6-042981中所示的已有的增量型光学编码器为例可知，其构成表示在图52中，该图中光源501为半导体激光器或干涉性较高的发光二极管，自光源501射出的光经准直透镜502变成平行光并照射到移动板503上。平行板503上具有发生主要为±1级衍射光的相位型衍射光栅534。且配置得对于上述平行光的光轴大致垂直并可绕与光轴平行的旋转中心512的四周旋转，固定板506也设有相位型衍射光栅537，该光栅的栅距P与移动板503上的相位型衍射光栅栅距相等，且也相对于光轴呈大致垂直地配置，光接收部510接收由衍射光栅534及537的相对位置而形成的光。自光源501射出的光经准直透镜502变成平行光后大致垂直地对移动板入射，射到移动板503的光由于移动板503上的相位衍射光栅534而衍射形成+1级衍射光及-1级衍射光，这些光向着固定板506上的相位型衍射光栅537入射，分别衍射成为+1级衍射光和-1级衍射光，由于相位型衍射光栅534和537的光栅栅距都等于P，故相位型衍射光栅534和537的衍射角相等，因此在相位型衍射光栅534作-1级衍射并在相位型衍射光栅537作+1级衍射的光[(-1、+1)级衍射光]及在相位型衍射光栅534作+1级衍射并在相位型衍射光栅537作-1级衍射的光[(+1、-1)级衍射光]相互的光路相等并干涉，发生光的强弱。由于干涉图像依从于移动板503的移动量δ，故光的强弱变化取决于移动板503的移动量δ，即光接收部510光接收量依从于移动板503的移动量δ，因此移动板503的位移量可被检测出来。
另一方面，与上述A/B相信号域相同，Z相信号域也模索着用表面制成凹凸状的方法取代狭缝。例如，图53所示，在移动板503上设一聚光镜541，其聚光斑落在光接收部511上以此测出移动板503的移动基准点，这时，Z相的检测精度大致决定于光斑的大小和光接收部511面积的大小，光斑愈小，光接收面积愈小，检测精度愈高。(已有技术第二例)图49所示的增量型光学编码器以Z相信号为基准仅移动A/B相信号部分来检测移动板503的位置，因此电源投入时的位置不能测得，而且基准位置的检测成为不可缺少，与这些情况相比，绝对型光学编码器则不论何时、不论任何位置都能根据狭缝模式的不同测知当时的位置。
绝对型光学编码器的结构及动作如下，见图55所示，现有的绝对型光学编码器由以下各项部件组成光源601、将光源601射出的光变成平行光的准直透镜602、以轴线612为中心旋转的有着多轨道以大致相等的栅距作圆周状分布的狭缝604的移动板603、与移动板603对向配置的具有与旋转板603上的多道狭缝轨道604对应的多个狭缝607的固定板606、具有与多轨道狭缝607相对应的多个光接收部610的光接收器609等。
旋转板603的各狭缝带上的狭缝604的间距互相不同地配置着、各光接收部610检测透过移动板603的狭缝604及固定板606的狭缝607的光、根据光接收部610检测的检测信号模式可测出旋转板603的绝对位置。(已有技术第三例)历来都以光照射到物体上，将其成像投影到电视摄像机上，并将线性阵列传感器的输出信号二值化处理来检测位置，或对移动物体(以下称移动体)上设置狭缝，将自光源射出的并通过该狭缝的光射到光接收部、再把光接收部输出信号二值化处理来检测移动体的移动基准点，藉此，物体位置的非接触测量获得了广泛应用，以下参照图56加以说明。
图56所示为位置检测装置的已有技术第三例，图中701为光源、702为移动体、该移动体702上设置有狭缝703、705为通过狭缝703的光束、704为光接收部。移动体702处于光源701与光接收部704之间，在光源701与光接收部704的联结线的垂直方向上移动，随着移动体702的位移、光束705也进行移动，AA为光源701离移动体702的距离、B是移动体702到光接收部704的距离，另外，Δ为移动体702的位移量、δδ为光束705的移动量，这时，光束705的移动量δδ可用下式(1)表示
δδ＝(B/AA)·Δ(1)上述增量型光电编码器中的第一以往应用例，Z相信号域以表面凹凸状取代狭缝时，有难以提高Z相检测精度的问题，聚光斑直径的大小在几何学上是取决于光源501的大小以及准直透镜502的焦距，如图54所示，设光源501的大小为φS1，准直透镜502的焦距为fs1、设于Z相信号域内的聚光镜541的焦距为fs2，聚光斑551的直径φS2根据几何光学高斯公式可用以下式(2)表示φS2=fs2fs1·φs1----(2)]]>由此可知，要缩小聚光斑551的直径φS2，可以考虑以下三个方法(1)缩小光源501的大小φS1、(2)增大准直透镜502的焦距fs1(3)缩小Z相信号域的聚光镜541的焦距fs2。然而要缩小第1光源501的大小当然可以在光源501近傍设置针形孔遮光板来实现，但存在能利用的光量变小的问题，其次，要根据A/B相信号域和Z相信号域的大小来决定所需平行光的直径即准直透镜502的直径，故(2)放大准直透镜502焦距fs1时，存在着降低光源501的发光利用率的问题。另外由于A/B相信号域的信号发生方法，例如为了要隔离来自固定板506的不希望有的衍射光，必须加大固定板506与光接收部511的间距，所以不太可能缩小Z相信号域的聚光镜541的焦距fs2，或是将A/B相信号用的光接收部510与Z相信号用的光接收部511隔离，虽可考虑把A/B相信号用的光接收部510设置在离开固定板506必要的距离上，Z相信号用光接收部511设置在比它靠近的地方，但构造变得复杂、组装精度要求高、造价上升。
通常，光学编码器的光源501采用发光二极管，其发光直径φS1较小，估计为100μm。另外准直透镜502的焦距根据制品大小和规格在5mm以上，而且移动板503与光接收部511的间距必须在20mm以上。结果，由移动板503上设置的聚光镜541形成的光斑直径由上式(2)算出约为400μm，与A/B相信号的栅距(周期)10μm相比较，Z相信号的幅宽相当宽，为了提高Z相信号的检测精度，也可考虑使光接收部511的大小小于光斑直径，并把检出的信号二值化处理时的限阈设高，但这样做法，易受电气噪声的影响及光源501发光强度变动的影响，不能稳定地进行Z相的检测。
并且，采用这个方法，移动板503的移动量检测信号A/B相信号与Z相信号保持同步很困难，用图53中所示的方法，A/B相信号为由移动板503与固定板506的相对位置所决定的波形信号。而Z相信号按其发生过程与固定板506无关、为决定于移动板503及光接收部511的相对位置的波形，因此为了使A/B相信号与Z相信号同步必须高精度决定移动板503、固定板506及光接收部511等各个元件的位置，这些元件的位置如有微小偏差，A/B相信号与Z相信号的同步就要破坏。
另外，第二种以往应用例的绝对型光学编码器中在移动板603及固定板606上分别设有多道狭缝轨道，在各狭缝轨道中狭缝604栅距不同，因此不能采用第一种以往应用例中增量型光学编码器那样用在基板表面设置等距离的凹凸形的相位型光学元件的方法，如图50所示为了形成狭缝，必须采用在透明基板上蒸镀金属薄层的方法，因此降低成本的图谋是困难的。
在第3种以往应用例的位置检测方法中，为了提高对移动体702的移动基准点检测精度，最好增大随移动体702的移动量Δ而变化的光束705的移动量δδ，具体地说，更使距离B增大、距离AA减小，然而在增大距离B的同时减少距离AA的话，在光接收部704上的光束705直径将变大，结果造成移动体702的移动基准点的检测精度下降，另一方面，为了减小光束705的直径而将狭缝703过分缩小时产生光的衍射，反而使光接收部704上的光束705的直径变大，另外缩小狭缝703，使光接收部704上的光量减少，易于受到噪声信号的影响，导致移动基准点的检出精度下降，加上为了防止衍射的影响，也考虑缩小狭缝703与光接收部704的距离B，但此距离的缩短有使移动体702与光接收部704接触，相互损伤危险。
本发明鉴于上述种种问题，旨在光学编码器中做到既使A/B相信号与Z相信号同步又能高精度地检出移动基准点即高精度检测Z相信号。其目的在于提供一种能确保移动体与光接收部之间足够距离并能以移动板和固定板的凹凸形状产生信号的光学编码器及位置检测方法。其目的还在于提供一种用移动板与固定板的凹凸状产生的信号来检测移动板的绝对位置的光学编码器及位置检测方法。
为了达到上述目的，本发明的第一种光学编码器，其特征在于，具有光源；将来自光源的光变为大致平行的光的透镜；对从该光源射出光的光轴大致垂直并相互大致平行设置的具有有透镜作用的第1光学元件的移动板及具有有透镜作用的第二光学元件的固定板；接收这些第1光学元件和第2光学元件生成的光斑的光检测器，根据此光检测器的检测信号检测作为上述移动板的移动基准点的Z相信号。
采用本发明可获得能高精度检测移动基准点的光学编码器。
本发明的权利请求项1中所述的光学编码器，其特征在于，具有光源；使该光源射出的光变为大致平行的光的透镜；对从该光源射出的光的光轴大致垂直并相互大致平行地设置的具有有透镜作用的第1光学元件的移动板及具有有透镜作用的第2光学元件的固定板；接收由上述第1光学元件及第2光学元件生成的光斑的光检测器，根据所述光检测器的检测信号检测上述移动板的移动基准点。其具有的功能如下由透镜将来自光源的光变成大致平行的光，由与光源射出光的光轴大致垂直并相互大致平行设置的移动板上具有透镜作用的第1光学元件和固定板上具有透镜作用的第2光学元件生成光斑，由光检测器接收此光斑，并根据此光检测器的检测信号检测上述移动板的移动基准点。
权利要求2所述的光学编码器是上述权利要求1所述的光学编码器，其特征在于由反射型光学元件形成固定板上的第2光学元件，通过移动板上的第1光学元件、将经上述固定板上的第2光学元件调制的光反射，使之再次通过上述移动板2的第1光学元件。它具有以下功能自光源来的光经透镜变成大致平行的光，然后使之通过移动板2的第1光学元件、由固定板上的第2光学元件使受调制的光反射，使再次通过该移动板上的第一光学元件并生成光斑，由光检测器接收该光斑，根据此光检测器检测的信号检出上述移动板的移动基准点。
权利要求3所述的位置检测方法如下将自光源射出的光变成大致平行的光，用相对于此自光源射出光的光轴大致垂直地且相互大致平行设置的移动体上具有透镜作用的第1光学元件及固定体上具有透镜作用的第2光学元件，生成光斑，通过接收此光斑确定上述移动体的位置。
权利要求4所述的位置检测方法是权利要求3所述的位置检测方法、移动体上装有旋转轴，检测此移动体的旋转角度。
权利要求5所述的光学编码器，其特征在于有光源；将从此光源射出的光变为大致平行光的透镜；相对于上述光源射出光的光轴大致垂直且相互大致平行地设置、具有光散射源的移动板及具有透镜作用光学元件的固定板；以及接收用上述固定板上的光学元件对上述光散射源形成的散射光进行聚光生成的光斑的光检测器，根据此光检测器的检测信号测出上述移动板的移动基准点。其功能在于将来自光源的光用透镜变成大致平行的光、使之射向移动板的散射源、由散射源对光散射并发射，用设置在固定板上的光学元件对该散射光聚光、生成光斑、并用光检测器接收该光斑、根据此光检测器的检出信号测出上述移动板的移动基准点。
权利要求6所记载的光学编码器，其特征在于，具有光源；使该光源射出的光形成大致平行光的透镜；相对于所述光源射出光的光轴大致垂直且相互平行设置的、具有反射面的移动板及具有透镜作用光学元件的固定板；接收由所述固定板上光学元件对来自所述移动板反射面的反射光进行聚光生成的光斑的光检测器，根据该光检测器的检测信号检测所述移动板的移动基准点。其作用在于，经透镜将光源来的光形成大致平行光，入射到移动板的反射面，通过设置在固定板上的光学元件将所述反射面来的反射光聚光并生成光斑，用光检测器接收该光斑，由该光检测器的检测信号检测所述移动板的移动基准点。
另外，本发明的第2种位置检测方法、其特征在于，令移动物体和固定物体相对运动，使产生周期各各不同的多个周期信号及表示上述移动物体处于移动基准点近傍的基准位置信号，取上述基准位置信号及上述多个周期信号的逻辑积，测出上述移动物体的移动基准点。
具体地讲，

图15中所示的脉冲信号A、Z1～Zn相当于多个周期信号、Zd相当于基准位置信号，又，脉冲信号Z相当于基准位置信号与多个周期信号的逻辑积，通过取基准位置信号和多个周期信号的逻辑积，可使移动物体在1周期(旋转一周)内只发生一个脉冲信号Z、并且使之与周期最短的脉冲信号A也能同步。
在上述第2种方法中，上述多个周期信号最好是根据分别在上述移动物体上设置是第1相位型衍射光栅及上述固定物体上设的第2相位型衍射光栅所调制的光发生的信号。
通过采用作为发生多个周期信号的手段的相位型衍射光栅，例如用第1相位型衍射光栅发生+1级衍射、用第2相位型衍射光栅发生-1级衍射的光及用第1相位型衍射光栅发生-1级衍射、用第2相位型衍射光栅发生+1级衍射光，由于光路相等产生干涉使光发生强弱变化。因干涉条件取决于移动物体的移动量，所以通过检测光的强弱变化就能测出移动体的移动量。
另外在上述第2种方法中，上述多个周期信号及上述基准信号最好是2值化的脉冲信号。
通过将周期信号及基准信号2值化及脉冲信号化，可使各信号的上升边及下降边变得很清楚，便于进行周期的测定。
另外，在上述第2种方法中，上述多个周期信号分别设定为So、Si(i＝1～n，n是2以上的整数)，各周期VSo、VSi满足下式的条件，在上述移动基准点的近傍，Si脉冲最好只含一个Si-1的脉冲。
VSo≤…≤VSi-1≤VSi……(3)用这样的构成、在Si的脉冲周期内不会含有2个以上Si-1的脉冲，因此将各信号2值化并分别以“H”及“L”表示，在多个周期信号的逻辑积中，所有信号为“H”情况的发生取决于Sn的周期，根据此逻辑积信号及其准位置信号，移动体的移动基准点的确定变得方便易行。
另外，在上述第二种方法中上述移动体位于移动基准点近傍时Sn脉冲最好只产生1个。
由这样的构成，将各信号2值化、并以“H”及“L”表示，在基准位置信号与多个周期信号的逻辑积中，所有信号均为“H”情况只发生1次，即使不用基准位置信号也能确定移动物的移动基准点。
另外，本发明的第三种位置检测方法，其特征在于，在移动体上设有由多个环状轨道构成的且各轨道上的光栅栅距相互不同的第l相位型衍射光栅；在固定体上设有与上述移动体上的相位型衍射光射的各轨道相对应、且具有与各轨道上的光栅栅距相等栅距的第2相位型衍射光栅，使上述移动体与固定体相对运动，借助受到由上述第1及第2相位型衍射光栅调制的光，产生多个周期各异的周期信号，根据上述多个周期信号的模式就可检测上述移动物体的绝对位置。
在第1及第2相位型衍射光栅中由于有光栅栅距各异的多个轨道，故各个轨道上发生的周期信号具有相应不同的模式，将每个瞬间的模式与事先存储着的特性比较就能对移动体处于离当前移动基准位置的什么位置作出绝对位置的判断。
在上述第3种方法中上述第l及第2相位型衍射光栅最好生成主要是±1级的衍射光。
通过用第1及第2相位型衍射光栅生成±1级衍射光，如上所述能产生光干涉引起的明暗模式，此种干涉条纹由光接收元件进行检测，藉此即能容易地检出各个周期信号的模式。
还有，在上述第3种方法中上述多个周期信号最好是2值化后的脉冲信号。
通过将周期信号脉冲化，容易对模式进行比较，检测精度也能提高。
还有，在上述第3种方法中将上述多个周期信号分别设定为So、Si(i＝1～n，n为2以上的整数)，各周期VSo、VSi最好满足下式VSo×2=VS1………(4)VSn-1×2=VSn由于各信号的周期依序增大二倍，所以为最短周期信号的整数倍、由于各周期信号的模式变化，故能够将移动体绝对位置误差限在最短周期信号的脉冲宽度以下。
还有，本发明的第4种位置检测方法，在移动体的多个环状轨道上，各轨道以不同周期反复形成具有相位型衍射光栅部分与无相位型衍射光栅部分；在固定体上与上述移动体上的各轨导相对应地设有透光部和遮光部，上述移动体无相位型衍射光栅的部分通过上述固定体的透光部时上述每个轨道发生周期各异的多个周期信号，根据上述多个周期信号的模式来检测上述移动体的绝对位置。
举例说，在移动体上大致垂直的入射光在移动体的无相位型衍射光栅的部分通过固定体的透光部时按原样透过移动体及固定体，因此通过检测此透过光即可得到周期信号，由于每个轨道中形成相位型衍射光栅的部分和不形成相位型衍射光栅的部分重复周期不同，各个轨道发生的周期信号其模式也各各不同，将每个瞬间的模式与事先存储着的模式相比就能对移动体处在离现在的移动基准位置多远的位置上作出绝对的判断。
与第3种方法相同，在上述第4种方法中，上述相位型衍射光栅最好产生主要为±1级衍射光。
还有，上述多个周期信号最好是2值化脉冲信号。
还有设上述多个周期信号分别为So、Si(i＝1～n，n为2以上的整数)，各周期VSo、VSi最好能满足上述式(4)的条件。
还有，本发明的第5种位置检测方法是在移动体的多个环状轨道上，以各不相同的一定间隔设有多个聚光元件，检测上述各聚光元件生成的光斑、根据上述光斑形成的信号模式检出上述移动物体的位置。
通过在移动体上设置多个聚光元件、形成多个光斑，随着移动体的移动，各光斑也移动，当各光斑通过配置在预定位置上的光接收元件时光接收元件的入射光量增加，获得各轨道周期各异的周期信号。各轨道发生的周期信号其模式各各不同，将各个瞬间的模式与事先存储的模式比较，就可以对移动体现在处在离基准位置多远的位置作出绝对的判断。
与上述第3、第4方法一样，在上述第5种方法中，上述多个周期信号最好是2值化脉冲状信号。
还有，设上述多个周期信号分别为So，Si(i＝1～n，n为2以上的整数)，各周期VSo、VSi最好能满足上述公式(4)的条件。
另一方面，本发明的第2种光学编码器，其特征在于，具有光源；将从此光源射出的光变为大致平行光的透镜；具有由多个轨道组成且各轨道上的光栅栅距互不相同的第1相位型衍射光栅和聚光元件的移动板；具有由多个与上述第1相位型衍射光栅相对应的轨道组成且各轨道上的光栅栅距与相应的上述第1相位型衍射光栅的各轨道上的光栅栅距相等的第2相位型衍射光栅的固定板；检测由上述移动板的第1相位型衍射光栅和上述固定板的第2相位型衍射光栅所生成的光模式及上述移动板的聚光元件生成的光模式的光检测器，根据上述光检测器检出的信号测出上述移动板的移动基准点。
也就是说，本发明的第2光学编码器实施上述本发明的第2种位置检测方法，由移动板上的第1相位衍射光栅和固定板2的第2相位型衍射光栅使各轨道上发生多个周期信号，根据此多个周期信号与由聚光元件生成的信号的逻辑积可以确定移动板的基准位置。
上述第2种光学编码器中上述第1及第2相位型衍射光栅最好生成主要是±1级的衍射光。
还有，上述光检测器检出的信号最好是各个2值化脉冲信号。
还有，设在上述第1及第3相位型衍射光栅的各信号所产生的周期信号分别为So、Si(i＝1～n，n是2以上的整数)，各周期VSo、VSi要满足上述公式(3)的条件，且在上述移动基准点的近傍Si脉冲最好只含1个Si-1的脉冲。
还有，在上述移动基准点近傍，通过接收上述移动板上聚光元件形成的聚光光斑而产生的信号脉冲最好只含1个Sn的脉冲。
还有，本发明的第3种光学编码器，其特征在于，具有光源；将从上述光源射出的光变为大致平行光的透镜；具有由多个轨道组成的且各轨道上的光栅栅距互不相同的第1相位型衍射光栅的移动板；具有由与上述移动板上的第一相位型衍射光栅对应的多个轨道构成且各轨道中光栅栅距与对应的第一相位型衍射光栅的光栅栅距相等的固定板；检测通过上述移动板中第一相位型衍射光栅与上述固定板中第二相位型衍射光栅产生的光模式的光检测器，根据上述光检测器检测信号检出移动板的绝对位置。
也就是说，本发明第三光学编码器用于实施上述本发明第三位置检测方法，第一及第二相位型衍射光栅，由于具有各光栅栅距不同的多个轨道，故各轨道产生的周期信号具有各不相同的模式。通过将各时刻模式与预先存储的模式进行比较，就能绝对判断移动板处于离当前移动基准位置的任何位置上。
在上述第三光学编码器中，所述第一及第二相位型衍射光栅最好生成以±1级为主的衍射光。
所述光检测器的检测信号最好是2值化脉冲信号。
设所述光检测器的多个周期信号分别为So、Si(i＝1～n，n为2以上的整数)，各周期VSo、VSi最好满足上述式(4)的条件。
本发明第四光学编码器，其特征在于，具有光源；使所述光源射出的光成为大致平行光的透镜；具有由多个轨道构成且各轨道上形成光栅模式区域与未形成光栅模式区域的周期各不相同的相位型衍射光栅的移动板；具有与所述移动板上各轨道对应的光透过部的固定板；和检测通过所述移动板和所述固定板的光模式的光检测器，根据所述光检测器的检测信号检测所述移动板的绝对位置。
也就是说，本发明的第4种光学编码器用于实施上述本发明的第4种位置检测方法。例如，向移动板大致垂直地入射的光，在移动板上不形成相位型衍射光栅的部分通过固定板的透光部时光线一如原样地透过移动板及固定板。因此，检测此透过光就可得到周期信号。由于每个轨道中形成相位型衍射光栅的部分与不形成相位型衍射的部分重复的周期不同，各个轨道发生的周期信号其模式也各各不同，将每个时刻的模式与事先存储着的模式相比就能对移动体处在离现在的移动基准位置多远的位置上作出绝对的判断。
在上述第4种光学编码器中上述相位型衍射光栅最好产生主要为±1级的衍射光。
还有，上述光检测器检测的信号最好取2值化脉冲信号。
还有，设上述光检测器的多个周期信号分别为So、Si(i＝1～n，n为2以上的整数)，各周期VSo、VSi最好满足上述公式(4)的条件。
还有，本发明的第5种光学编码器，其特征在于，具备光源；将从上述光源射出的光变为大致平行光的透镜；与该光源射出光的光轴大致垂直设置且具有在多个轨道上以各各不同的一定间隔配置的聚光元件的移动板；检测由上述移动板的聚光元件生成的光模式的检测器，根据上述光检测器检测信号可测出上述移动板的绝对位置。
也就是说，本发明的第5种光学编器用于实施上述本发明的第5种位置检测方法，通过在移动板上设置多个聚光元件、形成多个光斑，各光斑随着移动板的移动而移动，各光斑通过在规定位置上配置的光检测器的光接收元件时，光接收元件的入射光量增加，从而可得到多个轨道上不同周期的多个周期信号。由于各轨道上发生的周期信号其模式各各不同，因此将各瞬间的模式和预先存储着的模式比较，可以对移动板处于离开现在移动基准位置多远的位置作出绝对的判断。
在上述第5种光学编码器中上述光检测器检出的信号最好取为2值化脉冲信号。
还有，设上述光检测器的多个周期信号分别为So、Si(i＝1～n，n为2以上的整数)各周期VSo、VSi最好满足上述公式(4)的条件。
为了实现上述发明目的，本发明的第6种位置检测方法，其特征在于，使移动体与固定体作相对移动，用设置在移动体上的光透过部的位置控制在该固定体上设置2组沿该移动体的移动方向相邻接的至少2个聚光元件所产生的光斑光强度，检测该移动件的移动基准点的位置。
上述第6种方法中设上述固定体上多组中2组相邻的2个聚光元件二端间的距离rA1、rB1，设上述移动体上的透光部宽度为d1，最好保持以下关系
d1≤rA1………(5)d1≤rB1由于2个聚光元件2端间距离和透光部宽度间保持着式(5)的关系，故随着移动体的移动，光斑的发光强度信号的变化变大，从而能以较高精度测出移动体的移动基准点。
还有，在上述第6种方法中取上述固定体上2组相邻2个聚光元件所形成的光斑的发光强度的差动信号，并最好以与各差动输出的阈值电平相交的点作为起点和终点产生脉冲信号。
藉助于用阈值使差动输出转为脉冲信号，使其上升边及下降边变得明确，从而使移动基准点的检测方便易行。
还有，上述第6种方法中最好是具有由上述移动体和上述固定体的相对位置而生成的周期信号的脉冲，并根据上述固定体上聚光元件所提供的差动信号取与脉冲信号的逻辑积。
藉助于所取得的脉冲状周期信号与基准信号的逻辑积可使确定移动体的移动基准点变得容易，并能提高检测精度。
还有，上述第6种方法中，希望上述的周期信号是根据设置在上述移动物体上的第1相位型衍射光栅和设置在上述固定体上的第二相位型衍射光栅所产生的调制光而发生的。
藉助于采用作为周期信号发生手段的相位型衍射光栅，例如用第一相位型衍射光栅得到+1级衍射、用第2相位型衍射光栅得到-1级衍射的光以及用第1相位衍射光栅得到-1级衍射、用第2相位型衍射光栅得到+1级衍射的光，光路相等产生干涉，引起光发生强弱变化，因为干涉条件取决于移动体的移动量，所以通过检测光的强弱变化就能检测移动体的移动量。
还有，在上述第6种方法中，上述第1及第2相位型衍射光栅最好产生主要是±1级的衍射光。
通过使第1及第2相位型衍射光栅产生±1级衍射光，如前所述，就能产生相干的明暗的光模式。藉助用光接收元件检测这种干涉条纹就能容易地检测各周期信号的模式。
还有，本发明的第7种位置检测方法，其特征在于，使移动体与固定体作相对移动，用设置在移动物体的各轨道上的光透过部的位置，控制由固定物体的多个轨道各轨道上至少设置两组并沿移动物体移动方向相邻接的至少2个聚光元件生成的光斑的光强度，根据按该移动物体各轨道上光透过部配置所生成的光斑强度模式，检测该移动物体的绝对位置。
上述第7方法中，所述固定体上的多个轨道上相邻的2个聚光元件的两端间距rA1、rB1……rAn、rBN(n是2以上的整数)及对应的上述移动体上的光透过部d1……dn(n为2以上的整数)间最好有如下关系d1≤rA1d1≤rB1 ………(6)dn≤rAndn≤rBN藉助于在2个聚光元件的二端间距与透光部宽度间保持(6)式的关系，随着移动体的移动，光斑的光强信号的变化变大，能在较高精度下检测移动基准点。
还有，在上述第7种方法中最好根据所述固定体各轨道上的2组相邻2个聚光元件所形成的光斑光强的差动信号，生成以各差动输出的阈值的交点作为起点和终点的脉冲信号。
藉助于阈值使差动信号转为脉冲信号，因此其上升沿及下降沿变得很清楚，从而使移动基准点的检测方便易行。
还有，上述第7种方法中上述移动板在某一位置时各轨道的2值化信号模式最好与该移动板处于其它任何位置时的2值化信号模式都不同。
将各瞬间的模式与事先存储着的模式比较，藉此对移动体离开现在移动基准点有多远能绝对地作出判断。
还有，本发明的第6种光学编码器，其特征在于，具有光源；将光源射出的光变成大致平行光的透镜；带有透光部的移动板；至少2组在沿该移动板移动方向上相邻至少有2个聚光元件的固定板；检测由移动板的透光部与所述固定板的聚光元件生成的光模式的光检测器，根据上述光检测器检测信号可测定上述移动板的移动基准点。
也就是说，本发明的第6种光学编码器用于实施上述发明的第6种位置检测方法，藉助于用设置于该移动板上的透光部的位置来控制装置于固定板上的聚光元件所生成的光斑的光强度来检测该移动体的移动基准点。
在上述第6光学编码器中，所述固定板上2组邻接2个聚光元件的两端间距rA1、rB1与所述移动板上光透过部宽度d1之间最好有上述式(5)的关系。
还有，上述第6种光学编码器，最好根据上述固定板上两组邻接2个聚光元件所形成的光斑光强度的差动信号生成以各差动信号输出中阈值交点为起点、终点的脉冲信号。
还有，上述的第6种光学编码器中，具有根据上述移动板与上述固定板的相对位置而生成的周期信号的脉冲，最好根据上述固定板聚光元件产生的差动信号取得与脉冲信号的逻辑积。
还有，上述的第6种光学编码器中上述的周期信号最好是根据设置在上述移动板上的第1相位型衍射光栅和上述固定板上设置的第2相位型衍射光栅所调制的光产生的。
还有，上述第6种光学编码器中上述第1及第2相位型衍射光栅最好主要生成±1级的衍射光。
还有，本发明的第7种光学编码器，其特征在于，具备光源；将该光源射出的光变成大致平行光的透镜；具有设置在多个轨道上的透光部的移动板；具有对该移动板上各个轨道至少二组、并沿该移动体移动方向相邻设置至少2个聚光元件的固定板；检测由该移动板上的透光部与该固定板上的聚光元件形成的光模式的光检测器，根据光检测器检测的信号测定上述移动板的绝对位置。
即是说，本发明的第7种光学编码器用于实施上述发明的第7种位置检测方法，用该移动板上的透光部位置来控制该固定板上的聚光元件形成的发光强度模式，根据光斑强度的模式可以检知该移动体的绝对位置。
还有，上述第7种光学编码器中，所述固定板上的多个轨道的2组相邻2个聚光元件2端间距离rA1、rB1、rA2、rB2……rAn、rBn(n为2以上的整数)与对应的上述移动板上透光部宽度d1·d2……dn间最好有上述式(6)的数学关系。
还有，上述第7种光学编码器中，最好根据上述固定板上各轨道上2组相邻2聚光元件形成的光斑强度的差动信号、生成以各差动输出的阈值交点为起点、终点的脉冲信号。
在上述第7光学编码器中，所述移动板处于旋转一圈中某个位置时各轨道2值化信号模式最好与该移动板处于其它任何位置时的2值化信号模式都不一样。
附图简单说明图1为本发明实施例1中光学编码器的结构概图；图2上述实施例1效果说明用的表示菲涅尔区作用的光路图；图3说明上述实施例1效果的光路表示图；图4本发明实施例2的光学编器结构概图；图5说明上述实施例2效果的光路表示图；图6本发明实施例3中光学编码器结构概图；图7说明上述实施例3效果的光路表示图；图8本发明实施例4中光学编码器结构概图；图9说明上述实施例4效果的光路表示图；图10本发明实施例5中光学编码器结构概图；图11说明上述实施例5效果的光路表示图；图12本发明实施例6中光学编码器结构立体图；图13实施例6的相位光学元件的各轨道的断面形状图；图14为图13所示的相位光学元件的剖面形状局部放大视图；图15实施例6中光接收部输出信号示图；图16为图15所示的输出信号局部放大示图；图17本发明实施例7中光学编码器结构立体图；图18实施例7中相位光学元件的剖面形状图；图19实施例7中光接收部输出的信号图；图20本发明的实施例8中光学编码器结构立体图；图21实施例8中光学编码器光路图；图22实施例8中相位光学元件剖面形状图；图23实施例8中光接收部输出信号图；图24本发明实施例9中光学编码器结构立体图；图25实施例9中光学编码器的光路图；图26实施例9中相位光学元件的剖面形状图；图27实施例9中光接收部输出信号图；图28本发明实施例10中光学编码器结构立体图；图29实施例10中表示光调整样态的光路图；图30实施例10中调制元件位置表示图；图31实施例10中输出信号生成过程表示图；图32本发明实施例11中光学编码器结构立体图；图33实施例11的输出信号图；图34实施例10中的其他调制元件位置表示图；图35实施例10中光学编码器其他结构立体图；图36实施例10中光学编码器其他结构立体图；图37实施例10中光学编码器其他结构立体图；图38实施例10中光学编码器其他结构立体图；图39实施例10中光学编码器其他结构立体图；图40实施例10中光学编码器其他结构立体图；图41实施例10中光学编码器其他结构立体图；图42实施例11中光学编码器其他结构立体图；图43实施例11中光学编码器其他结构立体图；图44实施例11中光学编码器其他结构立体图；图45实施例11中光学编码器其他结构立体图；图46实施例10中光学编码器其他结构立体图；图47实施例11中光学编码器其他结构立体图；图48实施例11中光学编码器其他结构立体图；图49第一已有技术例中光学编码器结构立体图；图50已有技术制作遮光模式的工序图；图51已有技术压印(stamp)法制造相位型衍射光栅的工序图；图52第一已有技术例中光学编码器其他结构方案及光路图；图53第一已有技术例中光学编码器再一其他结构方案及光路图；图54说明光源大小、透镜常数与光斑关系的光路图；图55为第2已有技术例中光学编码器的结构立体图；图56为第3已有技术例中位置检测装置结构概图。
实施例的说明以下就本发明的实施形态以附图为基础说明实施例1图1为本发明实施例1中光学编码器的基本结构图，图1中，1是由半导体激光器或干涉性较高的发光二极管构成的光源，由该光源1射出的光用准直透镜2变成平行光并使射向移动板4。
该移动板4上设有相位衍射光栅7及菲涅尔区8，对经准直透镜2形成的上述平行光的光轴大致垂直配置，直接连接于具有平行于该光轴的旋转中心的旋转轴3，以该旋转轴3为中心作旋转移动通过此移动板4的衍射光栅7和菲涅尔区8的透过光投向固定板5，固定板5上有与移动板4的相位型衍射光栅7相等栅距的相位型衍射光栅9及菲涅尔区10，配置得与光轴大致垂直。由上述菲涅尔区8、10形成的光斑，被光接收器6上的光接收部11接收。
这里，将菲涅尔区8(10)的作用用图2作一说明，图2示出了菲涅尔区的剖面图及经菲涅尔区光被调制成的样态。
菲涅尔区8是栅距不同的相位型衍射光栅的集合体，其上的栅距愈靠外周愈小，射到菲涅尔区8的平行光在光轴上距离为f处聚成光斑S。角度θ是形成光斑的光的聚光角，衍射光栅上栅距愈小处其衍射角愈大，这是众所周知的。
在菲涅尔区8上愈近外周栅距愈小，藉以将衍射光聚合在光轴上的一点，另外，众所周知，衍射光栅上+1级衍射光以外还发生-1级衍射光，因此，把从各衍射光栅衍射回来以形成光斑S的衍射光称为+1级衍射光的话，还产生着各自的-1级衍射光，因此菲涅尔区8在以角度θ形成聚光斑S的同时又以θ角扩散射出。
现把由上述结构的作用参阅图3加以说明，图3是透过图1的菲涅尔区8、10的光的路径图。
首先，经光源1发射的光，用准直透镜2变成平行光后大致垂直地对移动板投射，射向菲涅尔区8的平行光在距离fb1的位置处聚合形成光斑S1的同时以其聚光角θ相等的角度将扩散光进行放射，从菲涅尔区8扩散放射的光向固定板5上的菲涅尔区10投射，并在光接收部1l形成聚光斑S2，聚光斑S2生成在菲涅尔区8，10中心联结线上这是几何光学所周的事，菲涅尔区8、1焦距分别设为fb1、fb2，令移动板4与固定板5的距离为g，又设固定板5至光斑S2的距离为fc，根据简单的几何光学中的高斯公式可得到式(7)。fc=(fb1+g)fb2fb1+g-fb2----(7)]]>在这个位置上设置光接收部11，再使移动板4的移动量为δb1，则聚光斑S2移动量δc用简单的几何光学计算，可得到式(8)δc=fcfb1·δb1----(8)]]>进一步，我们将光源1的大小设定为中φa、将准直透镜2的焦距设定为fa，则聚光斑S2的直径φc可从式(9)求得φc=fcfa·φa]]>………(9)=(fb1+g)fb2fb1+g-fb2×1fa×φa]]>由此可知，聚光斑S2的大小(直径φc)如式(10)所示成为光源1大小φa的A倍，聚光斑S2的移动量δc为移动板4移动量δb1的B倍。A=φcφa=fcfa=(fb1+g)·fb2fb1+g+fb2×1fa]]>………(10)B=δcδb1=fcfb1=(fb1+g)·fb2fb1+g-fb2×1fb1]]>因此，藉助于调整菲涅尔区8的焦距fb1、菲涅尔区10的焦距fb2、准直透镜2的焦距fa、移动板4与固定板5的距离g的值，可以调整聚光斑S2大小(直径φc)及聚光斑S2的移动量Sc，令聚光斑S2的大小(直径φc)更小、聚光斑S2的移动量δc更大可以把移动板4的移动基准点的检测精度提得更高。
进一步看，根据本实施例1，Z相信号是由移动板4与固定板5的相对位置关系而决定的波形信号，同样地，由移动板4与固定板5的相对位置关系所决定的A/B相信号，很容易与之同步。
举一例如下用fa＝4.5mm的准直透镜2，并设fb1＝0.6mm、fb2＝0.7mm、g＝0.3mm则fc＝3.15mm、聚光斑S2的大小缩小到光源1大小的0.7倍、聚光斑S2的移动量扩大到移动板移动量的5.2倍，这样，用调整fb1、fb2、fa、g各值能提高Z相的检测精度。
还有，通过调整光接收部11的宽度w与聚光斑S2的大小的关系，能调整在移动板4的原点附近的裕度，而且菲涅尔区8、10能以表面凹凸状实现，故可采用聚碳酸酯和丙烯类等透明树脂作基板材料，和用压印(stamp)法来制作。
再者，本实施例1中，将移动板4上的Z相信号域的菲涅尔区8取扩散元件、固定板5上的Z相信号域的菲涅尔区10取聚光元件加以应用，但是即使将移动板4上的Z相信号域的菲涅尔区8取聚光元件、固定板5上的Z相信号域的菲涅尔区10取扩散元件加以应用，也能得到同样的效果。
再者，用作光源1的发光二极管等其发光部分的直径为波长的数倍以上那样的采用有比较大的发光部分时能得到更有效的作用。
再者，作为本实施例1的一例；采用了fa＝4.5mm，fb1＝0.6mm，fb2＝0.7mm，g＝0.3mm那样的尺寸结构，但即使采用其它尺寸结构也能获得有效的作用。实施例2图4是本发明的实施例2所示的光学编码器的基本结构图，另外，对与实施例1的图1的结构一样的结构，采用同一符号并省略其说明。
在图4中，21是代替菲涅尔区8而设置在移动板4上的凹透镜，22为代替菲涅尔区10设置在固定板5上的凸透镜，光接收部11是由这些透镜21、22形成的光斑的光接收件。
由以上结构的作用可参照图5予以说明。首先，从光源1发射的光经准直透镜2变为平行光后，对移动板4大致垂直地投射，投射到此移动板4的凹透镜21上的平行光以在距离fb13的位置上聚成光斑S3那样的聚光角进行扩散，自凹透镜21扩散放射的光投向固定板5上的凸透镜22，并在光接收部11上形成光斑S4，光斑S4落在透镜21、22中心联结线上，这在几何光学上是周知的。
设透镜21、22的焦距分别为fb13、fb23，并设移动板4与固定板5间距离为g3，则从固定板5到光斑S4的距离fc3根据简单的几何光学中的高斯公式可导出式(11)fc3=(fb13+g3)·fb23fb13+g3-fb23----(11)]]>在这个位置上设置光接收部11，另外，设移动板4的移动量为δb13，则聚光斑S4的移动量δc3可由式(12)经简单的几何光学计算得到。δc3=fc3fb13·δb13----(12)]]>进而，令光源1的大小为φa3、令准直透镜2的焦距为fa3，则聚光斑S4的直径φc3可由式(13)得出φc3=fc3fa3·φa3]]>………(13)=(fb13+g3)·fb23fb13+g3-fb23×1fa3×φa3]]>据此，聚光斑S4的大小(直径φc3)如式(14)所示为光源1大小φa3的c倍，聚光斑S4的移动量δc3是移动板4移动量δb13的D倍。C=(fb13+g3)·fb23fb13+g3-fb23×1fa3]]>………(14)D=(fb13+g3)·fb23fb13+g3-fb23×1fb13]]>据此可知藉助调整透镜21的焦距fb13、透镜22的焦距fb23、准直透镜2的焦距fa3、移动板4与固定板5的距离g3值，就能调整聚光斑S4的大小(直径)φc3、及聚光斑S4的移动量δc3、通过缩小聚光点S4的大小(直径)φc3、放大聚光斑S4的移动量5c3就可以提高移动板4的移动基准点的检测精度。
进而，根据本实施例2，Z相信号是由移动板4与固定板5的相对位置关系决定的波形信号，同样地，由移动板4与固定板5的相对位置关系决定的A/B相信号，很容易与之同步。
举例如下使用fa3＝4.5mm的准直透镜2，设fb13＝0.6mm、fb23＝0.7mm、g3＝0.3mm，则fc3＝3.15mm，聚光斑S4的大小缩小到为光源1大小的0.7倍、聚光斑S4的移动量扩大到为移动板4移动量的5.25倍，这样、用调整fb13、fb23、fa3、g3各值，就能提高Z相检测精度。
另外，通过调整光接收部11的宽度W3与聚光斑S4大小的关系，就能调整移动板4的原点附近的裕度，并且因能用表面凹凸形状实现透镜21、22，故可采用聚碳酸酯和丙烯类等透明树脂来作基板材料、用压印法来制作。
再者，在本实施例2中用凹透镜21作为移动板4上的Z相信号域的光学元件、利用凸透镜22作为固定板5上的Z相信号域的光学元件，但用凸透镜来作移动板4上的Z相信号域的光学元件、用凹透镜来作固定板5上的Z相信号域的光学元件也可以获得同样的效果。
再者，作为光源的发光二极管与发光部分的直径采用具有波长数倍以上那样的比较大的发光部分的尺寸时能获得更为有效的作用。
再者，作为本实施例的一例使用了fa3＝4.5mm、fb13＝0.6mm、fb23＝0.7mm、g3＝0.3mm的尺寸，但即便为其他尺寸也能得到有效的作用。实施例3图6为表示本发明实施例3的光学编码器的基本构造图，其与实施例1的图1的结构相同部分采用同一符号并省略其说明。
图6中31为半反射镜，沿经准直透镜2成为平行光的光轴、在准直透镜2与移动板4间配置着，把经光源1发出的光经菲涅尔区8.10而形成的光导向设于其上方的光接收器6的光接收部32，光接收部32接收光斑，而菲涅尔区10采用的是反射型。
参照图7说明上述结构的作用。
首先，从光源1发出的光经准直透镜2变成平行光后，大致垂直地投向移动板4，入射到移动板4的菲涅尔区8的平行光在焦距fb12处聚成光斑S5的同时以与其聚光角度相等的角度扩散放射，从菲涅尔区8扩散放射的光投向固定板5上的反射型菲涅尔区10，边聚光边反射，由于该光再度投向移动板4上的菲涅尔区8而产生光斑S6，该光斑S6借助半反射镜31向着自光源来的光的光轴外弯曲，投入光接收部32。
令菲涅尔区8、10的焦距分别为fb12、fb22、令移动板4与固定板5的距离为g2，用菲涅尔区8扩散并被菲涅尔区10反射聚光时的、经菲涅尔区10到聚光斑的距离fc2，根据几何光学高斯公式由式(15)给出。fc2=fb22(fb12+g2)fb12+g2-fb12----(15)]]>还有，由菲涅尔区10反射聚光的光投向菲涅尔区8通过半反射镜31形成光斑S6时，半反射镜没有的场合设自生成的聚光斑S6至移动板4的距离为fd2，则该距离fd2按照几何光学高斯公式由式(16)给出fd2=fb12(fc2+g2)fc2+g2-fb12----(16)]]>聚光斑S6的移动量δd2根据移动板4的移动量δb12由式(17)可知。δd2=fd2fb12·δb12----(17)]]>还有，聚光斑S6的大小(直径)φd2根据光源的大小φa2及准直透镜2的焦距fa2用公式(18)可得φd2=fd2fa2·φa2----(18)]]>据此，通过调整菲涅尔区8的焦距fb12、菲涅尔区10的焦距fb22、准直透镜2的焦距fa2、移动板4与固定板5的距离g2的值，就能调整聚光斑S6的大小(直径)φd2及光斑6的移动量δd2、借助于缩小聚光斑S6的大小φd2、放大光斑S6的移动量δd2就能提高移动板4的移动基准点的检测精度。
还有，利用本实施例3，Z相信号是由移动的板4与固定板5的相对位置关系确定的波形信号，同样，由移动板4与固定板5的相对位置关系确定的A/B相信号，很容易与之同步。另外，因为能用表面凹凸形状实现菲涅尔区8、10，故可用聚碳酸酯、丙烯类等透明树脂材料作为基板材料并以压印法制作。
作为一个例子使用fa2＝4.5mm准直透镜2、并设fb12＝1mm、fb22＝5mm、g2＝0.3mm，则fd2＝2.23mm、聚光斑S6的大小缩小到光源1的大小的0.5倍、聚光斑S6的移动量扩大到移动板4的移动量的2.23倍，这样用调整fb12、fb22、fa2、g2诸值可提高Z相检测精度。
还有，通过调整光接收部32的宽度W2与光斑S6的大小的关系就可调整移动板4在原点附近的裕度。
再者、在本实施例3中，将移动板4上的Z相信号域的菲涅尔区8在来自光源1的光入射时为扩散元件、来自固定板5的光再度入射时作为聚光元件，另外，将固定板上的Z相信号域的菲涅尔区10用作聚光元件，但将移动板4上的Z相信号域的菲涅尔区8与固定板5上的Z相信号域的菲涅尔区10用作扩散元件或用作聚光元件的组合也可以是其它组合，另外，如将菲涅尔区8、10代以凹透镜或凸透镜，也可得到本实施例3相同的效果。
再有，作为光源1，采用发光二极管等其发光部分直径为波长的数倍那样的有着较大发光部分的尺寸时能得到更为有效的作用。
再者，作为本实施例3的一例虽使用了fa2＝4.5mm、fb12＝1mm、fb2-2＝5mm、g2＝0.3mm的尺寸结构，但用其他的尺寸结构也能获得有效的作用。实施例4图8为表示本实施例4的光学编码器的基本结构图。对与实施例1的图1结构相同的结构采用了相同的符号、而省略了说明。
在图8中，41是取代菲涅尔区8配置在移动板4上的表面有微细凹凸状的光散射源，42是取代菲涅尔区10设置于固定板5上的凸透镜，光接收部11对自光源1发射的光经入射到光散射源41而发生散射光由凸透镜42聚成光斑加以接收。
以上结构的作用参照图9说明如下首先，自光源1发射的光经准直镜透2变为平行光后大致垂直地向移动板4入射。向移动板4的光散射源41入射的平行光变成散射光而出射，自光散射源41出射的散射光向固定板5上的凸透镜42入射、并在光接收部11上形成光斑S7，此光斑S7落在光散射源41与凸透镜42的中心连线上这是几何光学的众知的。
设凸透镜42的焦距为fb24、设移动板4与固定板5的距离为g4，自固定板5到光斑S7的距离fc4，用简单的几何光学及光学中的高斯公式可由式(19)求得fc4=g4·fb24g4-fb24----(19)]]>将光接收元件11设置在此位置上，再令移动板4的移动量为δb14、则光斑S7的移动量δc4通过简单几何光学的计算可由式(20)求得。δc4=fc4g4·δb14----(20)]]>另外，设光散射源41的大小为φb4则光斑S7的直径φc4由式(21)可得φc4=fc4g4·φb4----(21)]]>据此，光斑S7的大小(直径)φc4如式(22)所示，成为光源1的大小的φa4的E倍，光斑S7的移动量δc4成为移动板4移动量δb14的F倍。E=fc4g4·φb4·1φa4]]>………(22)F=fc4g]]>据此，通过调整光散射源41的大小φb4、凸透镜42的焦距fb24、移动板4与固定板5的距离g4，就能够调整光斑S7的大小(直径)φc4及光斑S7的移动量δc4。缩小光斑S7的大小φc4，扩大光斑S7的移动量δc4，能提高移动板4的移动基准点的检测精度。
再有，采用本实施例4，z相信号是按照移动板4与固定板5的相对位置关系确定波形信号，同样根据移动板4和固定板5的相对位置确定的A/B相信号，能很容易与之同步，还有，将光散射源41及凸透镜42、光接收部11从准直透镜2形成的平行光的光轴上挪离，在来自光散射源41的光不在光接收部11上形成光斑S7时，使来自光源的光不射入光接收部11，能提高Z相检测的灵敏度。
举例如下使用φa4＝200μm光源1，令fb24＝0.2mm，g4＝0.3mm，φb4＝50μm，则E＝0.5、F＝25，光斑S7的大小缩小至光源1大小的0.5倍、光斑S7的移动量扩大到移动板4移动量的2倍，这样，通过调整光散射源41的大小φb4、凸透镜42的焦距fb24、移动板4与固定板5的距离g4等诸值，就可以提高Z相的检测精度。
还有，因为能用表面凹凸状实现凸透镜42、用表面微细凹凸实现光散射源41，所以可用聚碳酸酯、丙烯类等透明树脂作为基板材料，并采用压印法制作。
再者，本实施例4中，固定板5上的聚光元件使用凸透镜42、但用菲涅尔区也可以，用反射型的聚光元件也可以。
再者，本实施例的一例使用了fb24＝0.2mm、g4＝0.3mm、φb4＝50μm，但使用其他尺寸也可得到到有效的作用。实施例5图10所示为本发明实施例5的光学编码器的基本结构图。对与实施例1的图1结构相同的结构使用相同的符号，说明省略。
在图10中51为取代菲涅尔区8的设置在移动板4上，其表面呈切口状的反射面，52是设置在固定板5上的代替菲涅尔区10的凸透镜，自光源1射出的光向反射面51投射而发生的、沿自准直透镜2射出光的光轴外面进入的光，经凸透镜52聚成的光斑S8，此光斑S8的光由光接收部11光接收。
上述结构的作用参照图11加以说明。
首先，自光源1射出的光经准直透镜2变成平行光后，大致垂直地向移动板4投射，射入移动板4的光由反射面51向平行光光轴的外侧反射，该反射光投向设置在固定板5上的凸透镜52，在光接收部11上形成光斑S8，此光斑S8落在反射面51与凸透镜52的中心连线上在几何光学方面是众知的。
令凸透镜52的焦距为fb25、并设移动板4与固定板5的距离为g5，则从固定板5到光斑S8的距离fc15，用简单的几何光学及光学上的高斯公式可由式(23)求得。fc5=g5·fb25g5-fb25----(23)]]>
将光接收部11设置在此位置上，再设移动板4的移动量为δb15，于是光斑S8的移动量δc5，用简单的几何光学的计算可由式(24)求得。δc5=fc5g5·δb15----(24)]]>还令反射面51的大小为φb5，于是光斑S8的直径φc5由式(25)可得φc5=fc5g5·φb5----(25)]]>据此，光斑S8的大小(直径)φc5为式(26)所示，为光源1大小φ5的G倍、光斑S8的移动量δc5为移动板4移动量δb15的H倍。G=fc5g5·φb5·1φa5]]>………(26)H=fc5g5]]>据此，我们可通过调整反射面51的大小φb5，凸透镜52的焦距fb25、移动板4与固定板5的距离g5的值来调节光斑S8的大小(直径)φc5及光斑S8的移动量δc5，并通过缩小光斑S8的大小φc5、扩大光斑S8的移动量δc5，可以提高移动板4的移动基准点的检测精度。
还有，通过缩小反射面51的大小和光接收部11的大小能提高Z相的检测精度。另外如果让反射面51的角度调得使入射的平行光全反射，可以提高光的利用效率。还有基板采用折射率为1.5的材料时，固定板5的周围的气体是空气时，全反射角为44.4度，因此要用比此大的角度向反射面投射平行光，将该全反射的光用凸透镜52聚光并在光接收部11加以接收即可。
还有用本实施例5，z相信号是由移动板4与固定板5的相对位置关系确定的波形信号，同样，由移动板4与固定板5的相对位置关系确定的A/B相信号，能很容易与之同步。
作为一个例子用φa5=200μm的光源1，设fb25=0.2mm，g5=0.3mm、φb5＝50μm，于是通过G＝0.5、H＝2，光斑S8的大小缩小到光源1大小的0.5倍，光斑S8的移动量扩大成移动板移动量的2倍。这样，通过调整反射面51的大小φb5、凸透镜焦距fb25，移动板4与固定板5的距离g5诸值，就可以提高Z相的检测精度。
还有，由于能用表面凹凸形状实现凸透镜52和反射面51，所以可采用聚碳酸酯、丙烯类等的透明树脂作为基板材料并采用压印法制作。
还有，本实施例5中用凸透镜52作为聚光元件，但用菲涅尔区也可以，可获得与用反射型聚光元件一样的效果。
还有，作为本实施例5之一例，使用了fb25＝0.2mm，g5＝0.3mm、φb5＝50μm尺寸结构，但用此外别的尺寸也能得到有效的作用。实施例6参照图12-图16，对本发明的光学编码器及位置检测方法的实施例6进行说明。图12是表示本发明光学编码器实施例6基本构成的立体图。示于图12的光学编码器由半导体激光器或相干性较高的发光二极管等的光源101，把由光源101射出的光变成平行光的准直透镜102，相对于平行光的光轴大致垂直配置，可以与光轴平行的旋转轴114为中心旋转的移动板103，相对于光轴大致垂直配置的固定板107，具有多个光接收部的光接收器110等构成。
圆盘状的移动板103具有整个圆周上环状配置的相位型衍射光栅104，同心圆状配置的多个圆弧状的相位型衍射光栅105-i、105-2、……105-n(n为大于2的整数)(下文概括成105-i(i＝1～n)。类似情况依此类推)，菲涅尔区106。大致呈扇的固定板107具有分别与移动板103的各相位型衍射光栅104、105-i(i＝1～n)对应的、等栅距的形成呈大致圆弧状的相位型衍射光栅108及109-i(i＝1～n)。光接收器110的光接收部111接收由移动板103的菲涅尔区106形成的光斑。又，光接收部112接收由移动板103的相位型衍射光栅104和固定板107的相位型衍射光栅108形成的光。光接收部113-i(i＝1～n)分别接收移动板103的相位型衍射光栅105-i和固定板107的相位型衍射光栅109-i形成的光。
上述各相位型衍射光栅的剖面形状示于图13。图13中，图13A是相位型衍射光栅104及108的剖面形状，它们具有光栅栅距P0。图13B是相位型衍射光栅105-1及109-1的剖面形状，具有光栅栅距P1。图13C是相位型衍射光栅105-2及109-2的剖面形状，具有光栅栅距P2。同样，图13D相位型衍射光栅105-n及109-n的剖面形状，具有光栅栅距Pn。显然，光栅栅距P0、P1……Pn依次其栅距越来越宽。
相位型衍射光栅104及108是用于移动板103的移动量检测(A/B相)信号的，相位型衍射光栅104设置在以移动板103的旋转轴114为中心的整个圆周上。与示于图52的已有技术例同样，通过移动板103上的相位型衍射光栅104及对应的固定板107上的相位型衍射光栅108，光的强弱产生变化。入射至移动板103的光由移动板103上的相位型衍射光栅104衍射成+1级衍射光和-1级衍射光。这些衍射光入射至固定板107上的相位型衍射光栅108，分别衍射成+1级衍射光和-1级衍射光。移动板103上的相位型衍射光栅104和对应的固定板107上的相位型衍射光栅108的光栅栅距均为P0，具有相等的衍射角度。由此，由移动板103上的相位型衍射光栅104在成-1级、再由固定板107上的相位型衍射光栅108衍射成+1级的衍射光((-1、+1)级衍射光)与由移动板103上的相位型衍射光栅104作的+1级、然后再由固定板107上的相位型衍射光栅108作的-1级衍射光((+1、-1)级衍射光)，相互光路相等而产生干涉，发生光的强弱变化。由于干涉条件取决于移动板103的移动量δ，因而由移动板103的移动量δ而使光接收部112的光接收量变化，移动板103的移动量可以检测。可用数学式把上述情况表示如下U-1+1(δ)＝exp(-2π·δ/P0) …(27)U+1-1(δ)＝exp(2π·δ/P0) …(28)I(δ)＝|U-1+1(δ)+U+1-1(δ)|2＝2(1+cos(4π·δ/P0)) …(29)式中U-1+1(δ)为(-1、+1)级衍射光的振幅，U+1-1(δ)为(+1、-1)级衍射光振幅，I(δ)为干涉光强度，P0为光栅栅距，δ为移动板的移动量。
这样，干涉光强度I(δ)以取决于相位型衍射光栅104及108的光栅栅距P0的周期，呈现正弦波形的重复强弱变化。该强弱变化的周期由上式可知为光栅栅距P0的1/2。由此，示于图13A具有光栅栅距P0的相位型衍射光栅104与108产生的干涉信号的变化周期为P0/2，而具有光栅栅距P1的相位型衍射光栅105-1与109-1产生的干涉光信号的变化周期为P1/2。可概括出，由相位型衍射光栅105-i与109-i产生的干涉光信号的变化周期为Pi/2(i＝1～n)。通过把各相位型衍射光栅104、105-i(i＝1～n)的光栅栅距Pi(i＝1～n)设定得互不相同，可使干涉光强度的强弱变化周期不同。
其中，图12及图13中的0°线是想产生Z相信号的位置，是在移动板103及固定板107上分别设定的。如图13所示，0°线的形成使通过各相位型衍射光栅104、105-i(i＝1～n)、108、109-i(i＝1～n)的凸部。相位型衍射光栅104及108的0°线附近的放大图示于图14A，而相位型衍射光栅105-1及109-1的0°线附近的放大图示于图14B。在图14A和图14B中，分别以纸面右侧为正方向。左侧为负方向。
在示于图14A的相位型衍射光栅104及108中，“a”表示自0°线至0°线通过的光栅凸部141正方向端部141a的距离(角度)。又，自0°线至与光栅凸部141的正方向相邻的光栅凸部142的端部142a的距离(角度)以a+P0/2表示。自0°线至光栅凸部141负方向的端部141b的距离(角度)表示为“P0/2-a”，自0°线至与光栅凸部141负方向相邻的光栅凸部143的端部143a的距离(角度)表示为”P0-a”。
在图14B中，“b”表示自0°线至相位型衍射光栅105-1及109-1的光栅凸部151正方向端部151a的距离(角度)。在相位型衍射光栅105-1及109-1中，自0°线至光栅凸部151负方向端部151b的距离(角度)表示为“P1/2-b”。对于相位型衍射光栅104及108-5与105-1及109-1的位置关系，满足相位型衍射光栅105-1及109-1的0°线通过的光栅凸部151仅包括一个相位型衍射光栅104及108的0°线通过的光栅凸部141这一条件，即下述(30)和(31)式成立。
|a|≤|b|≤|a+P0/2|…(30)|P0/2-a|≤|P1/2-b|≤|P0-a| …(31)同样，对于光栅105-1及109-1与105-2及109-2的位置关系，相位型衍射光栅105-2及109-2的0°线通过的光栅凸部仅包含一个相位型衍射光栅105-1及109-1的0°线通过的光栅凸部这一条件也成。即，设自0°线通过的光栅105-2及109-2的光栅凸部的正方向端部的距离(角度)为“c”(未图示)，自0°线至0°线通过的光栅凸部的负方向端部的距离(角度)为“P2/2-c”，自相位型衍射光栅105-1及109-1中的0°线至与0°线通过的光栅凸部正方向邻接的光栅凸部的起始端的距离(角度)为“b+P1/2”，自0°线至0°线通过的光栅凸部的负方向端部的距离(角度)为“P1-b”；则下述(32)式及(33)式成立。
|b|≤|c|≤|b+P1/2|…(32)|P1/2-b|≤|P2/2-c|≤|P1-b| …(33)相位型衍射光栅105-2及109-2与105-3及109-3的关系……相位型衍射光栅105-(n-1)及109-(n-1)与105-n及109-n的关系也满足同样条件。
示于图12的移动板103的菲涅尔区106聚集于光接收器110上，形成光斑。随着移动板103的旋转，光接收器110上的光斑也移动，用光接收部111接收光斑，由此，旋转一周产生一个脉冲信号。通过这些相位型衍射光栅104、105-i(i＝1～n)及菲涅尔区106，随着移动板103的旋转而产生的各光接收部111、112、113-i(i＝1～n)的二值化输出信号示于图15、图15中，A是光接收部112的二值化光接收信号，其周期是P0/2。Z1、Z2……Zn分别为光接收部113-1、113-2、……113-n的二值化光接收信号，它们的周期分别为P1/2、P2/2……Pn/2。
如图13及图14所示，各相位型衍射光栅的配置关系为相位型衍射光栅105-1及109-1的0°线通过的光栅凸部仅含一个相位型衍射光栅104及108的0°线通过的光栅凸部，相位型衍射光栅105-2及109-2的0°线通过的光栅凸部仅含一个相位型衍射光栅105-1及109-1的0°线通过的光栅凸部……。由此，同样地，输出信号也存在下述关系Z1的0°线通过的脉冲仅含一个A的0°线通过的脉冲，Z2的0°线通过的脉冲仅含一个Z1的0°线通过的脉冲……Zn的0°线通过的脉冲仅含一个Zn-1的0°线通过的脉冲。Zd是光接收部111的二值化接收信号，其宽度为Wzd，其中仅含一个Zn的0°线通过的脉冲。
图16是示于图15的各信号0点附近的放大图，表示各信号之间的关系。0点意味着移动板103的0°线到达固定板107的0°线的瞬间。图中，设纸面右侧为正方向，左侧为负方向。“α”表示自信号A的0点至含0点的脉冲161的正方向终端161a的距离(角度)。“β1”表示自信号Z1的0点至含0点的脉冲171的正方向终端171a的距离(角度)。这时，在信号A中，自0点至与脉冲161的正方向邻接的脉冲162的起始端162a的距离(角度)表示为“α+P0/4”，自0点至脉冲161负方向的终端161b的距离(角度)表示为“P0/4-α”，自0点至与脉冲161负方向邻接的脉冲163的起始端163a的距离(角度)表示为“P0/2-α”。又，在信号Z1中，自0点至脉冲171的负方向的终端171b的距离(角度)表示为“P1/4-β1”。
信号A与Z1的关系满足含Z1的0点的脉冲171仅含一个含A的0点脉冲161这一条件，即下式(34)及(35)成立。
|α|≤|β1|≤|α+P0/4| …(34)|P0/4-α|≤|P1/4-β1|≤|P0/2-α| …(35)同样，信号Z1与Z2的关系，也满足含信号Z20点的脉冲181仅包含一个含信号Z10点的脉冲171这一条件。即，在信号Z2中，设自0点至脉冲181正方向的终端181a的距离(角度)为“β2”，自0点至脉冲181负方向的终端181b的距离(角度)为“P2/4-β2”，在信号Z1中设自0点至与脉冲181正方向邻接的脉冲172起始端172a的距离(角度)为“β1+P1/4”，自0点至与脉冲171负方向邻接的脉冲173起始端173a的距离(角度)为“P1/2-β1”，下述(36)及式(37)|β1|≤|β2|≤|β1+P1/4| …(36)|P1/4-β1|≤|P2/4-β2|≤|P1/2-β1| …(37)同样，信号Z2与Z3的关系……Zn-1与Zn的关系也满足含信号Zn0点的脉冲仅包含一个含信号Zn-10点的脉冲这一条件。即，设自信号Zn的0点至含0点的脉冲的正方向端部的距离(角度)为“β2”，自0点至含0点的脉冲负方向端部的距离(角度)为“Pn/4-βn”，自信号Zn-1的0点至与含0点的脉冲正方向邻接的脉冲的起始端的距离(角度)为“βn-1+Pn-1/4”，自0点至含0点的脉冲负方向端部的距离(角度)为“Pn-1/2-βn-1”；则下式(38)及式(39)成立。
|βn-1|≤|βn|≤|βn-1+Pn-1/4| …(38)|Pn-1/4-βn-1|≤|Pn/4-βn|≤|Pn-1/2-βn-1|…(39)取信号A、Z1、Z2……Zn与Zd的逻辑积，把它作为Z相信号，由此能产生与A/相1脉冲同步的Z相信号。
如已有技术例子的说明中已叙述的，使A、Z1……等的等栅距相位型衍射光栅作相对变化，能使产生的信号的周期变小。与此相反，由检测设置在移动板103上的菲涅尔区106等聚光元件形成的光斑所产生的Zd那样的信号宽度不会变狭。由此，若只产生A/B相信号(即，信号A)和用于产生Z相信号的信号(即，信号Zd)，仅它们的逻辑和，不能产生与A/B相/脉冲同步的Z相信号。但，如本发明那样，取A、Z1、Z2……Zn与Zd的逻辑积，把它作为Z相信号，能产生与A/B相/脉冲同步的Z相信号。
又，只产生A/B相信号(即，信号A)和用于产生Z相信号的信号(即，信号Zd)，自Zd脉冲产生瞬间用电路选通A/B相信号脉冲的一部分，把它作为Z相信号，这种方法也可以。但，Zd脉冲由于电气噪声、机械振动或其它种种原因，未必以固定的定时产生。Zd产生的定时偏移的允许值是信号A凹部的一部分，即P0/4。与此相对，若取A、Z1、Z2…Zn与Zd的逻辑积并作为Z相信号，则Zd允许产生的定时偏移为信号Zn的凹部的一部分，即为Pn/4。由上述(30)～(33)式所示条件，Pn/4≥P0/4成立。即，若按照本发明，Zd产生的定时偏移的允许值能取得较大，因而能得到抗电气噪声、机械振动等性能好的光学编码器。又，由于可用基板表面的凹凸形状制作相位型衍射光栅104、105-i(i＝1～n)、108、190-i(i＝1～n)及菲涅尔区106，因而可采用具有透过性的树脂用压印(スタンパ)法制作。
上述，各相位型衍射光栅104、105-i(i＝1～n)、108、109-i(i＝1～n)均是使0°线通过光栅凸部，但即使构成使0°线通过光栅凹部，也能取得同样的效果。或者，也可以0°线不同时通过相位型衍射光栅104、105-i(i＝1～n)、108、109-i(i＝1～n)的光栅凸部或凹部，而是在0°线下混合配置凸部和凹部，使对于一部分相位型衍射光栅，0°线通过光栅凸部，而其它相位型衍射光栅，0°线通过光栅凹部，这样也能取得相同的效果。
又，对于移动板103与固定板107，也可以0°线不同时通过各相位型衍射光栅的凸部或凹部，例如，在移动板103中，0°线通过各相位型衍射光栅104、105-1……105-n的凸部，而在固定板107中，0°线通过各相位型衍射光栅108、109-1……109-n的凹部这种构成或其相反的构成也可以。又，信号Z1的0°线通过的脉冲171仅包含一个信号A的0°线通过的脉冲161、信号Z2的0°线通过的脉冲181仅包含一个信号Z1的脉冲171……。信号Zn的0°线通过的脉冲仅包含一个信号Zn-1的0°线通过的脉冲，只要得到包含上述关系的输出信号。即满足(34)～(39)式条件的输出信号的相位型衍射光栅的配列，即使不是如上所示的光栅配置，也能得到相同的效果。又，虽然在上述实施例中采用菲涅尔区106作为设置在移动板103上的集光元件，但使用透镜也能取得同样的效果。实施例7然后，参照图17-图19对本发明的光学编码器及其位置检测方法的实施例7进行说明。图17是表示本发明的光学编码器实施例7的基本构成的立体图。示于图17的光学编码器由半导体激光器或较高相干性的发光二极管之类的光源101，把自光源101射出的光变成平行光的准直透镜102，相对于平行光的光轴大致垂直配置、可以与光轴平行的旋转轴114为中心旋转的移动板103，相对于光轴大致垂直配置的固定板107，具有多个光接收部的光接收器110等构成。
圆盘状的移动板103具有在整个圆周上环状设定的多个轨道上形成的、主要产生±1级衍射光的多个相位型衍射光栅103-0、130-1、130-2……130-(n-1)、130-n(n为大于2的整数)。在各轨道上的相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)中，其光栅栅距各不相同，但一个轨道上，光栅栅距是不变的。大致扇形的固定板107具有与移动板103上的相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)相应、其光栅栅距与上述各对应光栅栅距相等的相位型衍射光栅131-i(i＝0～n)。光接收器110的各光接收部132-i(i＝0～n)分别接收由移动板103的相位型衍射光栅130-i与131-i(i＝0～n)的相对位置关系形成的光。
与上述本发明的实施例6相同，入射至移动板103的光，由移动板103上的相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)衍射成+1级衍射光与-1级衍射光，这些光分别入射至固定板107上的相位型衍射光栅131-i(i＝0～n)，衍射成+1级衍射光与-1级衍射光。移动板103上的相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)与对应的固定板107上的相位型衍射光栅131-i(i＝0～n)的光栅栅距均分别相等，具有相等的衍射角度。由此，由移动板103上的相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)所作的-1级衍射再由固定板107上的相位型衍射光栅131-i(i＝0～n)作+1级衍射的衍射光((-1、+1)级衍射光)与由移动板103上的相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)作+1级衍射、再由固定板107上的相位型衍射光栅131-i(i＝0～n)作-1级衍射的衍射光((+1、-1)级衍射光)相互光路相等发生干涉，产生光的强弱。由于干涉条件取决于移动板103的移动量δ，因而由于移动板103的移动量δ引起的光接收部132-i(i＝0～n)的接收光的光量变化，能检测移动板103的移动量。
这时，各光接收部132-i(i＝0～n)的检测信号为具有相位型衍射光栅的光栅栅距1/2周期的正弦状信号。如图17所示，在移动板103的相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)及固定板107的相位型衍射光栅131-i(i＝0～n)中，设定成各不同轨道的光栅的栅距各不相同，因而由这些相位型衍射光栅形成的干涉光强度变化的周期也是各轨道上各不相同。即，各光接收部132-i(i＝0～n)的接收光信号的周期各不相同。
图18表示移动板103与固定板107上的0°线附近相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)及131-i(i＝0～n)的截面形状。各轨道的相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)及131-i(i＝0～n)具有各自光栅栅距P3-0、P3-1……P3-(n-1)、P3-n，光栅凸部的端部位于分别示于图17的移动板103及固定板107的0°线上。各光栅栅距P3-0、P3-1……P3-(n-1)、P3-n具有式(40)及式(41)所示的关系。
P3-0＜P3-1＜…P3-n(n-1)＜P3-n…(40)P3-0×2＝P3-1P3-1×2＝P3-2
P3-n(n-1)×2＝P3-n…(41)这时，来自各光接收部132-i(i＝0～n)的接收光信号是周期为各自光栅栅距1/2的正弦波。二值化的该信号的一例子示于图19。图19中，0点意指移动板103的0°线到达固定板107的0°线的瞬间。δ1、δ2……δn-1、δn分别表示移动板103，到达某一位置的瞬间。例如，δ1时，若以H及L记述二值化信号，各接收部132-0、132-1……132-(n-1)、132-n的光接收信号，分别为H、H……H、H。δ2时，上述信号分别为L、H……H、H；在δn-1时，分别为L、H……L、H；δn时，则分别为H、L……L、H。
由上所述，各光接收部132-i(i＝0～n)的H、L信号的组合取决于移动板103的位置。移动板103设定成位于某个位置时的各轨道的二值化信号模式与移动板位于其它位置时的二值化信号模式不同，由此可由接收光信号的模式，检测移动板的绝对旋转位置。由于取得移动板103位置上特有的信号模式，因而构成无论移动板103的旋转位置在何处，均能检测位置的绝对位置检测型光学编码器。
相位型衍射光栅能通过基板表面的凹凸形状而实现，能采用聚碳酸酯或丙烯酸类等的透明树脂，通过压印法廉价制作。又，在上述实施例7中，移动板103及固定板107上的相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)如图18所示，其凸部配置在0°线的纸面右侧，但若把凹部配置在纸面右侧，也能取得同样的效果。又，上述实施例中使相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)在0°线上全为凸部，但即使是凸部与凹部混合，也能得到同样的效果。又，上述实施例中，移动板103上的相位型衍射光栅130-i(i＝0～n)与固定板107上的相位型衍射光栅131-i(i＝0～n)的凹凸位置配置是相同的，但即使这些凹凸位置配列不相同也能得到同样的效果。再者，虽然上述相位型衍射光栅130-i及131-i(i＝0～n)同时配置在0°线上，但若光栅配置使二值化光接收信号，如图19所示，能产生由多个相位型衍射光栅中最小光栅栅距的相位型衍射光栅得到的信号周期的整数倍的周期信号，能得到同样的效果。实施例8下面参照图20…图23说明本发明光学编码器及位置检测方法的实施例8。图20为表示本发明光学编码器实施例8基本结构的立体图。图20所示光学编码器包括半导体激光器或发射可干涉性相对高的光的发光二极管等的光源101，使光源101射出的光成为平行光的准直透镜102，基本上垂直于平行光光轴配置并以平行于光轴的旋转轴114为中心可旋转的移动板103，基本上垂直于光轴配置的固定板107，和具有多个光接收部的光接收器110等。
圆盘状移动板103由绕圆周配置成环状的多条轨道构成，具有产生±1级衍射光为主的多个相位型衍射光栅140-0，140-1，140-2……140-(n-1)，140-n(n为大于2的整数)。各轨道上相位型衍射光栅140-i(i＝0～n)对于设有光栅的区域和不设光栅的区域各有不同的图形，且各轨道上光栅栅距也不同。大致扇形的固定板107具有光透过部141及设置在其两侧的菲涅尔区143，光透过部141有选择地让移动板103上各轨道所调制的光通过。光接收器110中各个光接收部142-i(i＝0～n)接收分别通过移动板3的相位型衍射光栅140-i和固定板107的光透过部141的光。
图21表示上述本发明光学编码器第8实施例的光路图。在图21中，图21A和图21B表示移动板103处于不同位置的情况，光源101发出的光经准直透镜102后成为平行光，入射于移动板103。移动板103处于图21A所示位置时，光不受移动板103调制，保持原样通过，再通过固定板107的光透过部141，入射到光接收部142-i(i＝0～n)。当移动板103移动，成为图21B所示位置时，光通过移动板103上相位型衍射光栅140-i(i＝0～n)被分离成±1级衍射光，0级衍射光(即直线传播的光)的强度几乎为零。经移动板103上相位型衍射光栅140-i(i＝0～n)衍射成±1级光，经过固定板107上菲涅尔区143改变了传播路径，不会入射至光接收部142-i(i＝0～n)，即使有入射，其光量也小。也即光接收部142-i(i＝0～n)接收的光量随移动板103的位置而变。
图22表示移动板103上相位型衍射光栅140-0、140-1……140-(n-1)、140-n在0°线附近的剖面形状。各相位型衍射光栅140-i(i＝0～n)具有各自的光栅栅距P4-0、P4-1……P4(n-1)、P4-n。并取各相位型衍射光栅140-i(i＝0～n)中设有光栅的区域和不设光栅的区域的周期为相应的L4-0、L4-1、……L4-(n-1)、L4-n。各相位型衍射光栅140-i(i＝0～n)中设有光栅区域的端部设定在图20移动板103中所示的0°线上。各相位型衍射光栅140-i(i＝0～n)中设有光栅的区域与不设光栅的区域的周期满足下面式(42)和式(43)所示关系。
L4-0＜L4-1＜…＜L4-(n-1)＜L4-n…(42)L4-0×2＝L4-1L4-1×2＝L4-2L4-(n-1)×2＝L4-n…(43)
此时，光接收器142-i(i＝0～n)的光接收信号对应于有光栅区域和不设光栅区的周期L4-i(i＝0～n)信号。图23示出该信号二值化的例子。图23中，0点代表移动板103中0°线到达固定板107的0°线的时刻。δ1、δ2……δn-1、δn分别表示移动板103移动到达某个位置的时刻。光用H及L表示二值化信号时，各光接收部142-0、142-1、……142-(n-1)、142-n的光接收信号在δ1分别为H、H……H、H，在δ2为L、H……H、H。在δn-1为L、H……L、H，在δn为H、L……L、H。
这样，各光接收部142-i(i＝0～n)的H、L信号的组合与上述实施例7情况一样，取决于移动板103的位置。由于将移动板103设定得处于某个位置时各轨道二值化信号模式(图形)与移动板处于其它任意位置时的二值化信号模式都不一样，故可根据光接收信号的模式检测移动板绝对旋转位置。由于能获得移动板3位置的特定信号模式，故构成绝对位置检测型光学编码器，不管移动板103处于什么位置，都可检测其位置。
相位型衍射光栅可用基板表面凹凸形状来实现，可由聚碳酸酯或丙烯类等透明树脂经压印(stamp)工艺低价制作。在上述实施例8中，如图22所示，虽可将移动板103上相位型衍射光栅140-i(i＝0～n)配置在0°线纸面右侧设有光栅的区域，但配置在纸面左侧不设光栅的区域也能获得同样的效果。虽可将以0°线为准全部设有光栅的区域作为相位型衍射光栅140-i(i＝0～n)，但将设有光栅的区域与不设光栅的区域混合配置也能获得同样的效果。再有，虽可以0°线为准配置相位型衍射光栅140-i(i＝0～n)中设有光栅的区域，但若配置光栅使得二值化光接收信号所产生的周期信号能够如图23所示，为多个相位型衍射光栅中由设有光栅区和不设光栅区的最小周期轨道所获得信号周期的整数倍，也能获得同样效果。实施例9下面参照图24-图27说明本发明光学编码器及位置检测方法的实施例9。图24为本发明光学编码器实施例9基本结构的立体图。图24所示光学编码器由半导体激光器或可干涉性较高的发光二极管等的光源101、使光源101射出的光成为平行光的准直透镜102、基本上垂直于平行光光轴配置并以平行于光轴的旋转轴114为中心可旋转的移动板103、和具有多个光接收部的光接收器110等构成。
圆盘状移动板103在旋转轴114旋转中心的四周设定为同心圆的多个轨道上，具有以彼此不同的固定间隔(角度)配置的如菲涅尔区(zonc plate)等聚光元件150-0、150-1、150-2……150-(n-1)、150-n。光接收器110的各光接收部152-i(i＝0～n)对相应的聚光元件150-i(i＝0～n)产生的光斑进行采光。
图25表示本发明光学编码器上述实施例9的光路图。图25A和图25B表示移动板103处于不同位置的状态。光源101射出的光经准直透镜102成为平行光入射移动板103。在移动板103为图25A所示位置状态，入射光经移动板103上聚光元件150-i(i＝0～n)聚光，入射至光接收部152-i(i＝0～n)。在移动板103移动为图25B所示位置时，入射光透过移动板103，也入射至光接收部152-i(i＝0～n)。很显然，对于入射光接收部152-i(i＝0～n)的光强度，图25A所示经聚光元件150-i(i＝0～n)聚光的情形比图25B所示平行光原封不动透过移动板103的情形要大。因此，光接收部152-i(i＝0～n)的光接收量随移动板103位置而变。
图26表示移动板103上0°线附近聚光元件150-i(i＝0～n)的剖面图。各轨道中聚光元件150-i(i＝0～n)的间隔分别设定为L5-0、L5-1……L5-(n-1)、L5-n，具有下面式(44)及式(45)的关系。
L5-0＜L5-1＜…＜L5-(n-1)＜L5-n…(44)L5-0×2＝L5-1L5-1×2＝L5-2L5-(n-1)×2＝L5-n…(43)此时，光接收部152-i(i＝0～n)的光接收信号分别对应于聚光元件150-i(i＝0～n)的周期L5-i(i＝0～n)的信号。图27表示对其二值化的一例。图27中，0点指移动板103中0°线到达光接收器110的0°线的时刻。δ1、δ2……δn-1、δn分别表示移动板103移动到达某个位置的时刻。当用H及L记述二值化信号时，各光接收部152-0、152-1、……152-(n-1)、152-n的光接收信号在δ1分别为H、H……H、H，在δ2为L、L……L、L。在δn-1为L、L……L、L，在δn为H、L……L、L。
这样，各光接收部152-i(i＝0～n)的H、L信号的组合与上述实施例8情况相同，取决于移动板103的位置。通过设定使得移动板103处于某个位置时各轨道二值化信号模式与移动板处于其它任意位置时的二值化信号模式不同，就能根据光接收信号的模式检测移动板的绝对旋转位置。由于能获得移动板103位置的特定信号模式，故可构成绝对位置检测型光学编码器，不管移动板103旋转在什么位置都可检测其位置。
由于可取基板表面凹凸形状实现菲涅尔区等聚光元件，故可用聚碳酸酯或丙烯类等透明树脂通过压印(stamp)工艺低价制作。在上述实施例9中，虽可以移动板103中0°线为准配置聚光元件，但如图27所示，若配置聚光元件使得二值化后的光接收信号产生的周期信号能够为多个轨道中最小周期轨道信号周期的整数倍，也能获得同样的效果。再有，用聚光透镜取代菲涅尔区作为移动板上聚光元件，也能获得同样的效果。实施例10参照图28-图31说明本发明光学编码器及位置检测方法实施例10。图28为表示本发明光学编码器实施例10基本结构的立体图。图28所示光学编码器由半导体激光器或可干涉性较高的发光二极管等的光源201、使光源101射出的光成为平行光的准直透镜202、基本上垂直于平行光配置并可以平行于光轴的旋转轴213为中心可旋转的移动板103、基本上垂直于光轴配置的固定板107、和具有多个光接收部的光接收器210等构成。
圆盘状移动板203具有围绕圆周配置成环状的相位型衍射光栅204和与相位型衍射光栅204配置成同心圆的相位型衍射光栅206中删除部分图形作成的光透过部205。固定板207具有与移动板203中相位型衍射光栅204对应并有等栅距大致圆弧形形成的相位型衍射光栅208，和菲涅尔区209-1～209-4。光接收器210的光接收部211接收由移动板203的相位型衍射光栅204与固定板207的相位型衍射光栅208形成的光。光接收部212-1～212-4分别接收经移动板203光透过部205和固定板207菲涅尔区209-1～209-4后所形成的光。
用图29说明光接收器210中光接收部212-1～212-4的光接收量随图28结构中旋转板203的光透过部205、相位型衍射光栅206和固定板中菲涅尔区209-1～209-4光调制而变。这里，光接收部212-1～212-4配置在与相应的菲涅尔区209-1～209-4各图形(模式)中心相对应的位置上。设固定板207至光接收器210的距离为L；相位型衍射光栅206的衍射角度为θ1；从光接收部中对应于菲涅尔区光学中心的点至光接收部端部的距离为δ；光接收部中对应于菲涅尔区光学中心的点至聚光斑位置的距离为Δ(记载于图29B中)。
在固定板中与菲涅尔区209-1～209-4对应的位置上，随移动板203位置旋转会出现有光透过部205和有相位型衍射光栅206的情形。当对应于菲涅尔区209-1～209-4的位置上有光透过部205时(图29A的情形)，入射移动板大致平行光通过光透过部205入射菲涅尔区209-1～209-4。各光接收部212-1～212-4接收对应的菲涅尔区209-1～2-0-4形成的光斑213-1～213-4。当对应于菲涅尔区209-1～209-4的位置上出现相位型衍射光栅206时(图29B的情形)，入射移动板大致平行的光经相位型衍射光栅206衍射。由此，经菲涅尔区209-1～209-4形成的光斑213-1～213-4发生位置偏移，使光接收部212-1～212-4不能接收。也即满足下式关系时，Δ＝L×tanθ1＞δ (46)光接收部不能接收菲涅尔区的聚光斑。
已知相位型衍射光栅206的光栅栅距P与衍射角度θ1随使用的光波波长λ有下式关系。
sinθ1＝λ/P…(47)因此，按照满足式(46)、(47)确定相位型衍射光栅206的光栅栅距和光接收部的宽度等的关系。
图30、31说明根据上述光接收器213-1～213-4接收的光信号形成Z相信号的方法。图30表示旋转板中光透过部、固定板中菲涅尔区与光接收部的位置。图31表示光接收部212-1～212-4的光接收量与图30中光透过部205位置的关系。
信号①、②、③、④表示对应光接收部212-1、212-2、212-3、212-4接收的光量。设光透过部宽度为d，菲涅尔区209-1和209-4的宽度为rA，菲涅尔区209-3和209-4的宽度为rB，菲涅尔区209-1与209-2的分界位置为a，菲涅尔区209-3与209-4的分界位置为b。为简单起见，设菲涅尔区209-1与209-2宽度相等为rA/2。同样，菲涅尔区209-3与209-4宽度也相等为rB/2。
光透过部的A部(描述于图30中)位置与信号①、②、③、④的关系如图所示。对于信号①，A部位置θ(A)处于a-rA/2位置时，也即，θ(A)＝a-rA/2 …(48)时，接收光量开始增加，θ(A)＝a …(49)时，接收光量不变，θ(A)＝a+d-rA/2 …(50)时，接收光量开始减少，θ(A)＝a+d…(51)时，接收光量不变。
信号②也一样，θ(A)＝a …(52)时，接收光量开始增加，θ(A)＝a+rA/2 …(53)时，接收光量不变，θ(A)＝a+d…(54)时，接收光量开始减少。
θ(A)＝a+d+rA/2 …(55)时，接收光量不变。信号③、④也相同。
图31表示根据信号①-④生成Z相信号的处理方法。信号①与②的差形成信号⑤，③与④的差产生信号⑥。信号⑤、⑥分别以零电平二值化生成信号⑦、⑧，信号⑦、⑧通过异逻辑积生成信号⑨。
又，信号②与③的和生成信号(10)，用适当的阈值对信号(10)二值化使形成的脉冲信号包含信号⑨的一个脉冲(单脉冲)，从而产生信号(11)。
将这些信号⑨与信号(11)进行逻辑积，获得信号(12)(作为Zd信号)。
取Zd信号与A/B相信号(13)的逻辑积，并将其作为Z相信号，从而生成可与A/B相信号单脉冲(一个脉冲)同步的Z相信号。
此时，Zd信号脉冲宽度Tzd与A/B相信号脉冲宽度TAB取下式关系，TAB＜Tzd＜TAB×2…(56)使得Zd信号只能包含A/B相信号的一个脉冲，故当取逻辑积时，可获得与A/B相信号的一个脉冲同步的Z相信号。
光透过部205的中心出现在菲涅尔区209-1～209-2的分界线上时，光接收部212-1与212-2的差动输出成为零，该点就是Zd信号上升边的点。同样，光透过部205中心出现在菲涅尔区209-3与209-4的分界线上时，光接收部212-3与212-4的差动输出为零，该点为Zd信号下降边的点。也就是说，Zd信号脉冲宽度对应于菲涅尔区209-1与209-2分界处位置a和209-3与209-4分界处位置b之间的距离(角度)。距离|a-b|不受限制，什么值都可以。也即，Zd信号脉宽不受限制，能够取很小值。能产生脉宽与上述已有技术例一例所示10μm左右周期的A/B相信号同等程度脉宽的Z相信号。
这里，光透过部宽度d小于菲涅尔区宽度rA、rB，也即满足下式关系。
d≤rA…(57)d≤rB…(58)这样设定的原因是，若光透过部宽度d大于菲涅尔区宽度rA、rB，则即使2菲涅尔区分界附近光透过部位置发生变化，2光接收部差动输出也不变化，也就是说，差动输出与零电平的交叉不是一个点，因此，噪声等影响会使Zd信号的上升点不稳定。
相位型衍射光栅和菲涅尔区可用基板表面凹凸形状实现，故可用聚碳酸酯或丙烯类等透明树脂经压印工艺低价制作。
虽可用以移动板203旋转中心为中心的辐射状光栅作为相位型衍射光栅206，但作为相位型衍射光栅206与菲涅尔区209-1～4所形成的光斑不被光接收部212-1～4所接收的结构，如图35所示同心圆状光栅261、图26所示既不是辐射状又不是同心圆状的光栅262、图37所示菲涅尔区263、图38所示光散射面264、图39所示棱镜265或图40所示透镜266等，都可获得同样效果。虽然可采用菲涅尔区作为固定板207的聚光性相位调制元件，但图41所示一般折射透镜291-1～291-4也能获得同样效果。
本实施例中，将固定板上并排两聚光元件的两组沿移动板移动方向设置在相互错开的位置上，使2个差动输出中零交叉时刻错开，产生二值化信号的上升边和下降边，如图34所示，也可将固定板上并排两聚光元件的两组沿移动板移动方向设置在同样位置上，而将对应的移动板上光透过部的位置设置得相互错开，由于2个差动输出信号中零交叉时刻错开，故也能获得同样的效果。
虽然菲涅尔区209-1与209-2及209-3与209-4宽度相等，但不等也能有同样的效果。实施例11参照图32-图33说明本发明光学编码器及位置检测方法的实施例11。图32为本发明光学编码器实施例11的基本结构的立体图。图32所示光学编码器由半导体激光器或可干涉性较高的发光二极管等光源201，使光源201射出的光成为平行光的准直透镜202，基本垂直于平行光光轴配置且可以平行于光轴的旋转轴为中心旋转的移动板203，基本垂直于光轴配置的固定板207，和具有多个光接收部的光接收器210等构成。
圆盘状移动板203具有在同心圆配置的相位型衍射光栅206-1、206-2、……206-n(其中，n为2以上的整数)(下面，概括为206-i(i＝1～n)，别的相同)中删除部分图形作成的光透过部205-i-1、……205-i-mn(其中，mn为1以上的整数)(下面，概括为205-i-j(j＝1～mn))。
固定板207在与移动板相位型衍射光栅206-i对应的位置上设有菲涅尔区209-i-1～209-i-4。光接收器210中光接收部212-i-1～212-i-4接收对应的移动板203光透过部205-i-j与固定板207菲涅尔区209-i-1～209-i-4形成的光。
本实施例是按照实施例10中图29的说明，即在图32结构中，光接收器210中光接收部212-i-1～212-i-4的光接收量随旋转板203光透过部205-i-j、相位型衍射光栅206-i，和固定板207菲涅尔区209-i-1～209-i-4的光调制而变，并以图30、31所说明的方法，产生各轨道二值化信号Zd1、Zd2、……Zdn(n为2以上整数)。按照各光透过部205-i-j的相对位置确定各轨道生成二值化信号Zdi的产生时刻。
若用H及L代表二值化信号，则移动板旋转一周各轨道二值化信号H、L的组合取决于移动板203的位置。通过在多个各轨道信号间设定脉冲宽度(即菲涅尔区209-i-1与209-i-2的分界和209-i-3与209-i-4分界之间的距离(角度))和发生的时刻(即光透过部205-i-j的位置)，使得移动板203处于某个位置时各轨道二值化信号模式与移动板处于其它任何位置时的二值化信号模式不同，这样就能根据光接收信号模式检测移动板的绝对旋转位置。由于能获得移动板203位置的特定信号模式，故能获得绝对型光学编码器，不管移动板203旋转位置如何，都能检测其位置。
相位型衍射光栅或菲涅尔区可用基板表面凹凸形状实现，故可用聚碳酸酯或丙烯类等透明树脂经压印工艺低价制作。
虽可用移动板203中以旋转中心为中心辐射状光栅作为相位型衍射光栅206，但作为光接收部212-1-4不接收相位型衍射光栅206和菲涅尔区209-1-4形成的光斑的结构，如图42所示同心圆状光栅261-1～261-n、图43所示既不是辐射状又不是同心圆状的光栅262-1～262-n、图44所示菲涅尔区263-1～263-n、图45所示光散射面264-1～264-n、图46所示棱镜265-1～265-n、图47所示透镜266-1～266-n等，也能获得同样效果。
在本实施例中，将固定板上并排两聚光元件的两组沿移动板移动方向设置在相互错开的位置上，使2个差动输出的交零时刻错开，生成二值化信号的上升边和下降边，但也可如图34所示，将固定板上并排两聚光元件的两组沿移动板移动方向设置在相同位置上，而将对应的移动板上光透过部的位置设置得相互错开，这样由于2个差动输出信号的交零时刻错开，也能获得同样的效果。
权利要求
1.一种光学编码器，其特征在于，具有光源；将来自光源的光变为大致平行的光的透镜；对从该光源射出光的光轴大致垂直并相互大致平行设置的具有有透镜作用的第1光学元件的移动板及具有有透镜作用的第二光学元件的固定板；接收第1光学元件和第2光学元件生成的光斑的光检测器，根据此光检测器的检测信号检测上述移动板的移动基准点。
2.如权利要求1所述的光学编码器，其特征在于由反射型光学元件形成固定板上的第2光学元件，通过移动板上的第1光学元件、将经上述固定板上的第二光学元件调制的光反射，使之再次通过上述移动板2的第1光学元件。
3.一种位置检测方法，其特征在于，将自光源射出的光变成大致平行的光，用相对于此光源射出光的光轴大致垂直地且相互大致平行设置的移动体上具有透镜作用的第1光学元件及固定体上具有透镜作用的第2光学元件，生成光斑，通过接收此光斑确定上述移动体的位置。
4.如权利要求3所述的位置检测方法，其特征在于，移动体上装有旋转轴，检测此移动体的旋转角度。
5.一种光学编码器，其特征在于，具有光源；将从此光源射出的光变为大致平行光的透镜；相对于上述光源射出光的光轴大致垂直且相互大致平行地设置、具有光散射源的移动板及具有透镜作用光学元件的固定板；以及接收用上述固定板上的光学元件对上述光散射源形成的散射光进行聚光生成的光斑的光检测器，根据该光检测器的检测信号检测所述移动板的移动基准点。
6.一种光学编码器，其特征在于，具有光源；使该光源射出的光形成大致平行光的透镜；相对于所述光源射出光的光轴大致垂直且相互平行设置的、具有反射面的移动板及具有透镜作用光学元件的固定板；接收由所述固定板上光学元件对来自所述移动板反射面的反射光进行聚光生成的光斑的光检测器，根据该光检测器的检测信号检测所述移动板的移动基准点。
7.一种位置检测方法、其特征在于，令移动物体和固定物体相对运动，使产生周期各各不同的多个周期信号及表示上述移动物体处于移动基准点近傍的基准位置信号，取上述基准位置信号及上述多个周期信号的逻辑积，测出上述移动物体的移动基准点。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于，上述多个周期信号最好是根据分别在上述移动物体上设置是第1相位型衍射光栅及上述固定物体上设置的第2相位型衍射光栅所调制的光发生的信号。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，上述多个周期信号及上述基准信号是2值化的脉冲信号。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，上述多个周期信号分别设定为So、Si其中i＝1～n，n是2以上的整数，各周期VSo、VSi满足下式的条件，在上述移动基准点的近傍，Si脉冲只含一个Si-1的脉冲。VSo≤…≤VSi-1≤VSi……(3)
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，上述移动体位于所述移动基准点近傍时Sn脉冲只产生1个。
12.一种位置检测方法，其特征在于，在移动体上设有由多个环状轨道构成的且各轨道上的光栅栅距相互不同的第1相位型衍射光栅；在固定体上设有与上述移动体上的相位型衍射光栅的各轨道相对应、且具有与各轨道上的光栅栅距相等栅距的第2相位型衍射光栅，使上述移动体与固定体相对运动，借助受到由上述第1及第2相位型衍射光栅调制的光，产生多个周期各异的周期信号，根据上述多个周期信号的模式检测上述移动物体的绝对位置。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，上述第1及第2相位型衍射光栅生成主要是±1级的衍射光。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，上述多个周期信号是2值化后的脉冲信号。
15，如权利要求14所述的方法，其特征在于，将上述多个周期信号分别设定为So、Si其中i＝1～n，n为2以上的整数，各周期VSo、VSi满足下式VSo×2＝VS1………(4)VSn-1×2＝VSn
16.一种位置检测方法，其特征在于，在移动体的多个环状轨道上，各轨道以不同周期反复形成具有相位型衍射光栅部分与无相位型衍射光栅部分；在固定体上与上述移动体上的各轨导相对应地设有透光部和遮光部，上述移动体无相位型衍射光栅的部分通过上述固定体的透光部时上述每个轨道发生周期各异的多个周期信号，根据上述多个周期信号的模式来检测上述移动体的绝对位置。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，上述相位型衍射光栅产生主要为±1级衍射光。
18.如权利要求16或17所述的方法，其特征在于，上述多个周期信号是2值化脉冲信号。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，设上述多个周期信号分别为So、Si其中i＝1～n，n为2以上的整数，各周期VSo、VSi能满足上述式(4)的条件。
20.一种位置检测方法，其特征在于，在移动体的多个环状轨道上，以各不相同的一定间隔设有多个聚光元件，检测上述各聚光元件生成的光斑、根据上述光斑形成的信号模式检测上述移动物体的位置。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，上述多个周期信号是2值化脉冲状信号。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，设上述多个周期信号分别为So，Si，其中i＝1～n，n为2以上的整数，各周期VSo、VSi能满足上述公式(4)的条件。
23.一种光学编码器，其特征在于，具有光源；将从此光源射出的光变为大致平行光的透镜；具有由多个轨道组成且各轨道上的光栅栅距互不相同的第1相位型衍射光栅和聚光元件的移动板；具有由多个与上述第1相位型衍射光栅相对应的轨道组成且各轨道上的光栅栅距与相应的上述第1相位型衍射光栅的各轨道上的光栅栅距相等的第2相位型衍射光栅的固定板；检测由上述移动板的第1相位型衍射光栅和上述固定板的第2相位型衍射光栅所生成的光模式及上述移动板的聚光元件生成的光模式的光检测器，根据上述光检测器检测的信号测出上述移动板的移动基准点。
24.如权利要求23所述的光学编码器，其特征在于，上述第1及第2相位型衍射光栅生成主要是±1级的衍射光。
25.如权利要求23或24所述的光学编码器，其特征在于，上述光检测器检测的信号是各个2值化脉冲信号。
26.如权利要求25所述的光学编码器，其特征在于，设在上述第1及第2相位型衍射光栅的各轨道所产生的周期信号分别为So、Si，其中i＝1～n，n是2以上的整数，各周期VSo、VSi要满足上述公式(3)的条件，且在上述移动基准点的近傍Si脉冲只含1个Si-1的脉冲。
27.如权利要求26所述的光学编码器，其特征在于，在上述移动基准点近傍，通过接收上述移动板上聚光元件形成的聚光光斑而产生的信号脉冲只含1个Sn的脉冲。
28.一种光学编码器，其特征在于，具有光源；将从上述光源射出的光变为大致平行光的透镜；具有由多个轨道组成的且各轨道上的光栅栅距互不相同的第1相位型衍射光栅的移动板；具有由与上述移动板上的第一相位型衍射光栅对应的多个轨道构成且各轨道中光栅栅距与对应的第一相位型衍射光栅的光栅栅距相等的固定板；检测通过上述移动板中第一相位型衍射光栅与上述固定板中第二相位型衍射光栅产生的光模式的光检测器，根据上述光检测器检测信号检测出移动板的绝对位置。
29.如权利要求28所述的在光学编码器，其特征在于，所述第一及第二相位型衍射光栅最好生成以±1级为主的衍射光。
30.如权利要求28或29所述的光学编码器，其特征在于，所述光检测器的检测信号最好是2值化脉冲信号。
31.如权利要求30所述的光学编码器，其特征在于，设所述光检测器的多个周期信号分别为So、Si，其中，i＝1～n，n为2以上的整数，各周期VSo、VSi满足上述式(4)的条件。
32.一种光学编码器，其特征在于，具有光源；使所述光源射出的光成为大致平行光的透镜；具有由多个轨道构成且各轨道上形成光栅模式区域与未形成光栅模式区域的周期各不相同的相位型衍射光栅的移动板；具有与所述移动板上各轨道对应的光透过部的固定板；和检测通过所述移动板和所述固定板的光模式的光检测器，根据所述光检测器的检测信号检测所述移动板的绝对位置。
33.如权利要求32所述的光学编码器，其特征在于，上述相位型衍射光栅产生主要为±1级的衍射光。
34.如权利要求32或33所述的光学编码器，其特征在于，上述光检测器检测的信号取2值化脉冲信号。
35.如权利要求34所述的光学编码器，其特征在于，设上述光检测器的多个周期信号分别为So、Si，其中，i＝1～n，n为2以上的整数，各周期VSo、VSi满足上述公式(4)的条件。
36.一种光学编码器，其特征在于，具备光源；将从上述光源射出的光变为大致平行光的透镜；与该光源射出光的光轴大致垂直设置且具有在多个轨道上以各各不同的一定间隔配置的聚光元件的移动板；检测由上述移动板的聚光元件生成的光模式的检测器，根据上述光检测器检测信号可测出上述移动板的绝对位置。
37.如权利要求36所述的光学编码器，其特征在于，上述光检测器检测的信号取为2值化脉冲信号。
38.如权利要求37所述的光学编码器，其特征在于，设上述光检测器的多个周期信号分别为So、Si，其中，i＝1～n，n为2以上的整数，各周期VSo、VSi满足上述公式(4)的条件。
39.一种位置检测方法，其特征在于，使移动体与固定体作相对移动，用设置在移动体上的光透过部的位置控制在该固定体上设置至少2组沿该移动体的移动方向相邻接的至少2个聚光元件所产生的光斑光强度，检测该移动件的移动基准点的位置。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，设上述固定体上2组相邻的2个聚光元件二端间的距离为rA1、rB1，设上述移动体上的透光部宽度为d1，保持以下关系d1≤rA1……(5)d1≤rB1
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，根据上述固定体上2组相邻2个聚光元件所形成的光斑的发光强度的差动信号，生成以各差动输出的阈值电平相交的点作为起点和终点产生脉冲信号。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，具有由上述移动体和上述固定体的相对位置而生成的周期信号的脉冲，并根据上述固定体上聚光元件所提供的差动信号取与脉冲信号的逻辑积。
43.如权利要求42所述的方法，其特征在于，上述的周期信号是根据设置在上述移动物体上的第1相位型衍射光栅和设置在上述固定体上的第二相位型衍射光栅所产生的调制光而发生的。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于，上述第1及第2相位型衍射光栅产生主要是±1级的衍射光。
45.一种位置检测方法，其特征在于，使移动体与固定体作相对移动，用设置在移动物体的各轨道上的光透过部的位置，控制由固定物体的多个轨道各轨道上至少设置两组并沿移动物体移动方向相邻接的至少2个聚光元件生成的光斑的光强度，根据按该移动物体各轨道上光透过部配置所生成的光斑强度模式，检测该移动物体的绝对位置。
46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述固定体上的多个轨道上相邻的2个聚光元件的两端间距rA1、rB1……rAn、rBN，其中，n是2以上的整数，及对应的上述移动体上的光透过部d1……dn，其中，n为2以上的整数，间最好有如下关系d1≤rA1d1≤rB1dn≤rAndn≤rBN
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于，根据所述固定体各轨道上的2组相邻2个聚光元件所形成的光斑光强的差动信号，生成以各差动输出的阈值的交点作为起点和终点的脉冲信号。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，上述移动板在某一位置时各轨道的2值化信号模式与该移动板处于其它任何位置时的2值化信号模式都不同。
49.一种光学编码器，其特征在于，具有光源；将光源射出的光变成大致平行光的透镜；带有透光部的移动板；至少有2组在沿该移动板移动方向上相邻至少2个聚光元件的固定板；检测由移动板的透光部与所述固定板的聚光元件生成的光模式的光检测器，根据上述光检测器检测信号可测定上述移动板的移动基准点。
50.如权利要求49所述的光学编码器，其特征在于，所述固定板上2组邻接2个聚光元件的两端间距rA1、rB1与所述移动板上光透过部宽度d1之间有d1≤rA1，d1≤rB1的关系。
51.如权利要求50所述的光学编码器，其特征在于，根据上述固定板上两组邻接2个聚光元件所形成的光斑光强度的差动信号生成以各差动信号输出中阈值交点为起点、终点的脉冲信号。
52.如权利要求51所述的光学编码器，其特征在于，具有根据上述移动板与上述固定板的相对位置而生成的周期信号的脉冲，根据上述固定板聚光元件产生的差动信号取得与脉冲信号的逻辑积。
53.如权利要求52所述的光学编码器，其特征在于，上述的周期信号是根据设置在上述移动板上的第1相位型衍射光栅和上述固定板上设置的第2相位型衍射光栅所调制的光产生的。
54.如权利要求53所述光学编码器，其特征在于，上述第1及第2相位型衍射光栅主要生成±1级的衍射光。
55.一种光学编码器，其特征在于，具备光源；将该光源射出的光变成大致平行光的透镜；具有设置在多个轨道上的透光部的移动板；具有就该移动板上各个轨道而言至少设置二组、并沿该移动体移动方向相邻至少2个聚光元件的固定板；检测由该移动板上的透光部与该固定板上的聚光元件形成的光模式的光检测器，根据光检测器检测的信号测定上述移动板的绝对位置。
56.如权利要求55所述的光学编码器，所述固定板上的多个轨道的2组相邻2个聚光元件2端间距离rA1、rB1、rA2、rB2……rAn、rBn，其中n为2以上的整数，与对应的上述移动板上透光部宽度d1·d2……dn间有d1≤rA1，d1≤rB1，d2≤rA2，d2≤rB2，……dn≤rAn，dn≤rBn的关系。
57.如权利要求56所述的光学编码器，其特征在于，根据上述固定板上各轨道上2组相邻2聚光元件形成的光斑强度的差动信号、生成以各差动输出中阈值交点为起点、终点的脉冲信号。
58.如权利要求57所述的光学编码器，其特征在于，所述移动板处于旋转一圈中某个位置时各轨道2值化信号模式与该移动板处于其它任何位置时的2值化信号模式都不一样。
全文摘要
一种光学编码器。它借助移动板及固定板上多个轨道中各光栅栅距不同的相位型衍射光栅产生干涉光,用光接收部检测光的强弱获得不同同步的多个同步信号。另用光接收部检测移动板上聚光元件产生的光斑,每转一圈产生一个脉冲的基准位置。取多个同步信号中同步最短的信号作为对应于移动板移动量的A/B相信号并取基准位置信号与多个同步信号的逻辑积作为表示移动板原点的Z相信号,以获得与A/B相信号中一个脉冲同步的Z相信号。
文档编号G01D5/26GK1171560SQ9710551
公开日1998年1月28日 申请日期1997年5月20日 优先权日1996年5月20日
发明者高田和政, 西井完治, 高本健治, 伊藤正弥, 福井厚司, 来住知久 申请人:松下电器产业株式会社