光學編碼器及位置檢測方法

專利名稱：光學編碼器及位置檢測方法
技術領域：
本發明涉及在機械裝置上決定位置時使用的光學編碼器及其位置檢測方法。(已有技術第一例)光學編碼器通常按其位置檢測方法的不同大致可分為種類型增量型及絕對型(絕對位置檢測型)，現就已有的增量型光學編碼器的結構及動作作一說明，如圖49所示，已有的增量型光學編碼器由以下部件構成光源501、用來將光源射出的光變為平行光的準直透鏡502、以軸512為中心旋轉的移動板503、與移動板503作對向配置的固定板506、以及設有二個光接收部510及511的光接收器509等。
移動板503的圓周上配置有以等間距分布的狹縫或衍射光柵504的A/B相信號域及圓周上只有一個狹縫505的Z相信號域，同樣，固定板506也設有與移動板相等間距分布的狹縫或同樣的衍射光柵507的A/B相信號域及圓周上只有一個狹縫508的Z相信號域，光接收器509的光接收部510檢測透過移動板503衍射光柵504及固定板506中衍射光柵507的光線，而光接收器509的光接收部511則檢測透過移動板503的狹縫505及固定板506的狹縫508的光線。
通過對透過移動板503及固定板506的A/B相信號域(分別為衍射光柵504及507)的光進行檢測，可以測得相應于移動板503旋轉角度的信號(A/B相信號)；通過對透過Z相信號域(各狹縫505及508)的光進行檢測可以測知表示移動板503原點的信號(Z相信號)，通常是將光接收器509的輸出信號二值化，轉變成為脈沖信號，進行位置檢測信號的處理。為了便于信號處理，希望Z相的信號要與A/B相的信號同步，因此，必須使Z相信號的脈沖只與A/B相信號脈沖中一個脈沖同步。
其次，關于狹縫等的遮光模式(Pattern)的制作方法，參照圖50加以說明，如圖50所示，在透明的襯底521上涂以光刻膠(Photo resist)的薄層522(A)然后在該光刻膠層522上緊密貼合一掩模層，該層預先用電子束曝光方法制成規定模式(B)，然后用能令光刻膠反應的一定波長的光進行照射，使光刻膠的露出部分成為可溶性或不可溶性，然后卸去掩模層523，將基板521浸入光刻膠溶劑內，依靠光刻膠層的變化，使掩模層上的模式522′被復印到基板521上去(C)。然后將被復印了模式的基板521裝入蒸涂裝置(未予圖示)，蒸鍍以鉻等金屬524(D)，接著將基板521從蒸鍍裝置中取出，用丙酮等有機溶劑洗凈殘留在基板521上的光刻膠522′(E)。通過這樣一系列的作業，結果在基板521上形成有狹縫等的遮光模式525。
如上所述，在基板521上制成狹縫等的遮光模式525需要經歷多道工序，加之也不容易做好掩模層523與基板521的位置的相互貼合，因此，眾所周知，為了要在移動板503及固定板506上形成狹縫等的模式必須化費高昂的代價，對于增量型光學編碼器來講，現正研究通過在移動板503及固定板506的A/B相信號域(衍射光柵504及507)內采用相位型光學元件的方式來謀求成本降低。
相位型光學元件能通過將基板表面形成凹凸狀的方法制成，該制造工序表示在圖51上將被加熱而保持流動性的丙烯類、聚碳酸酯等透明樹脂注入預定形狀的金屬模531內并使之固化。即可獲得被復印有金屬模模式的相位型光學元件。本發明與在基板表面制作狹縫等的遮光模式的方法相比。免除了基板與模式位置吻合的必要性。另外，光刻膠層的涂布、紫外線照射、顯象、以及金屬膜的蒸涂和洗凈等工序也都不要了。
將A/B相信號區域作為相位光學元件之一的相位型衍射光柵，通過JPA6-042981中所示的已有的增量型光學編碼器為例可知，其構成表示在圖52中，該圖中光源501為半導體激光器或干涉性較高的發光二極管，自光源501射出的光經準直透鏡502變成平行光并照射到移動板503上。平行板503上具有發生主要為±1級衍射光的相位型衍射光柵534。且配置得對于上述平行光的光軸大致垂直并可繞與光軸平行的旋轉中心512的四周旋轉，固定板506也設有相位型衍射光柵537，該光柵的柵距P與移動板503上的相位型衍射光柵柵距相等，且也相對于光軸呈大致垂直地配置，光接收部510接收由衍射光柵534及537的相對位置而形成的光。自光源501射出的光經準直透鏡502變成平行光后大致垂直地對移動板入射，射到移動板503的光由于移動板503上的相位衍射光柵534而衍射形成+1級衍射光及-1級衍射光，這些光向著固定板506上的相位型衍射光柵537入射，分別衍射成為+1級衍射光和-1級衍射光，由于相位型衍射光柵534和537的光柵柵距都等于P，故相位型衍射光柵534和537的衍射角相等，因此在相位型衍射光柵534作-1級衍射并在相位型衍射光柵537作+1級衍射的光[(-1、+1)級衍射光]及在相位型衍射光柵534作+1級衍射并在相位型衍射光柵537作-1級衍射的光[(+1、-1)級衍射光]相互的光路相等并干涉，發生光的強弱。由于干涉圖像依從于移動板503的移動量δ，故光的強弱變化取決于移動板503的移動量δ，即光接收部510光接收量依從于移動板503的移動量δ，因此移動板503的位移量可被檢測出來。
另一方面，與上述A/B相信號域相同，Z相信號域也模索著用表面制成凹凸狀的方法取代狹縫。例如，圖53所示，在移動板503上設一聚光鏡541，其聚光斑落在光接收部511上以此測出移動板503的移動基準點，這時，Z相的檢測精度大致決定于光斑的大小和光接收部511面積的大小，光斑愈小，光接收面積愈小，檢測精度愈高。(已有技術第二例)圖49所示的增量型光學編碼器以Z相信號為基準僅移動A/B相信號部分來檢測移動板503的位置，因此電源投入時的位置不能測得，而且基準位置的檢測成為不可缺少，與這些情況相比，絕對型光學編碼器則不論何時、不論任何位置都能根據狹縫模式的不同測知當時的位置。
絕對型光學編碼器的結構及動作如下，見圖55所示，現有的絕對型光學編碼器由以下各項部件組成光源601、將光源601射出的光變成平行光的準直透鏡602、以軸線612為中心旋轉的有著多軌道以大致相等的柵距作圓周狀分布的狹縫604的移動板603、與移動板603對向配置的具有與旋轉板603上的多道狹縫軌道604對應的多個狹縫607的固定板606、具有與多軌道狹縫607相對應的多個光接收部610的光接收器609等。
旋轉板603的各狹縫帶上的狹縫604的間距互相不同地配置著、各光接收部610檢測透過移動板603的狹縫604及固定板606的狹縫607的光、根據光接收部610檢測的檢測信號模式可測出旋轉板603的絕對位置。(已有技術第三例)歷來都以光照射到物體上，將其成像投影到電視攝像機上，并將線性陣列傳感器的輸出信號二值化處理來檢測位置，或對移動物體(以下稱移動體)上設置狹縫，將自光源射出的并通過該狹縫的光射到光接收部、再把光接收部輸出信號二值化處理來檢測移動體的移動基準點，藉此，物體位置的非接觸測量獲得了廣泛應用，以下參照圖56加以說明。
圖56所示為位置檢測裝置的已有技術第三例，圖中701為光源、702為移動體、該移動體702上設置有狹縫703、705為通過狹縫703的光束、704為光接收部。移動體702處于光源701與光接收部704之間，在光源701與光接收部704的聯結線的垂直方向上移動，隨著移動體702的位移、光束705也進行移動，AA為光源701離移動體702的距離、B是移動體702到光接收部704的距離，另外，Δ為移動體702的位移量、δδ為光束705的移動量，這時，光束705的移動量δδ可用下式(1)表示
δδ＝(B/AA)·Δ(1)上述增量型光電編碼器中的第一以往應用例，Z相信號域以表面凹凸狀取代狹縫時，有難以提高Z相檢測精度的問題，聚光斑直徑的大小在幾何學上是取決于光源501的大小以及準直透鏡502的焦距，如圖54所示，設光源501的大小為φS1，準直透鏡502的焦距為fs1、設于Z相信號域內的聚光鏡541的焦距為fs2，聚光斑551的直徑φS2根據幾何光學高斯公式可用以下式(2)表示φS2=fs2fs1·φs1----(2)]]>由此可知，要縮小聚光斑551的直徑φS2，可以考慮以下三個方法(1)縮小光源501的大小φS1、(2)增大準直透鏡502的焦距fs1(3)縮小Z相信號域的聚光鏡541的焦距fs2。然而要縮小第1光源501的大小當然可以在光源501近傍設置針形孔遮光板來實現，但存在能利用的光量變小的問題，其次，要根據A/B相信號域和Z相信號域的大小來決定所需平行光的直徑即準直透鏡502的直徑，故(2)放大準直透鏡502焦距fs1時，存在著降低光源501的發光利用率的問題。另外由于A/B相信號域的信號發生方法，例如為了要隔離來自固定板506的不希望有的衍射光，必須加大固定板506與光接收部511的間距，所以不太可能縮小Z相信號域的聚光鏡541的焦距fs2，或是將A/B相信號用的光接收部510與Z相信號用的光接收部511隔離，雖可考慮把A/B相信號用的光接收部510設置在離開固定板506必要的距離上，Z相信號用光接收部511設置在比它靠近的地方，但構造變得復雜、組裝精度要求高、造價上升。
通常，光學編碼器的光源501采用發光二極管，其發光直徑φS1較小，估計為100μm。另外準直透鏡502的焦距根據制品大小和規格在5mm以上，而且移動板503與光接收部511的間距必須在20mm以上。結果，由移動板503上設置的聚光鏡541形成的光斑直徑由上式(2)算出約為400μm，與A/B相信號的柵距(周期)10μm相比較，Z相信號的幅寬相當寬，為了提高Z相信號的檢測精度，也可考慮使光接收部511的大小小于光斑直徑，并把檢出的信號二值化處理時的限閾設高，但這樣做法，易受電氣噪聲的影響及光源501發光強度變動的影響，不能穩定地進行Z相的檢測。
并且，采用這個方法，移動板503的移動量檢測信號A/B相信號與Z相信號保持同步很困難，用圖53中所示的方法，A/B相信號為由移動板503與固定板506的相對位置所決定的波形信號。而Z相信號按其發生過程與固定板506無關、為決定于移動板503及光接收部511的相對位置的波形，因此為了使A/B相信號與Z相信號同步必須高精度決定移動板503、固定板506及光接收部511等各個元件的位置，這些元件的位置如有微小偏差，A/B相信號與Z相信號的同步就要破壞。
另外，第二種以往應用例的絕對型光學編碼器中在移動板603及固定板606上分別設有多道狹縫軌道，在各狹縫軌道中狹縫604柵距不同，因此不能采用第一種以往應用例中增量型光學編碼器那樣用在基板表面設置等距離的凹凸形的相位型光學元件的方法，如圖50所示為了形成狹縫，必須采用在透明基板上蒸鍍金屬薄層的方法，因此降低成本的圖謀是困難的。
在第3種以往應用例的位置檢測方法中，為了提高對移動體702的移動基準點檢測精度，最好增大隨移動體702的移動量Δ而變化的光束705的移動量δδ，具體地說，更使距離B增大、距離AA減小，然而在增大距離B的同時減少距離AA的話，在光接收部704上的光束705直徑將變大，結果造成移動體702的移動基準點的檢測精度下降，另一方面，為了減小光束705的直徑而將狹縫703過分縮小時產生光的衍射，反而使光接收部704上的光束705的直徑變大，另外縮小狹縫703，使光接收部704上的光量減少，易于受到噪聲信號的影響，導致移動基準點的檢出精度下降，加上為了防止衍射的影響，也考慮縮小狹縫703與光接收部704的距離B，但此距離的縮短有使移動體702與光接收部704接觸，相互損傷危險。
本發明鑒于上述種種問題，旨在光學編碼器中做到既使A/B相信號與Z相信號同步又能高精度地檢出移動基準點即高精度檢測Z相信號。其目的在于提供一種能確保移動體與光接收部之間足夠距離并能以移動板和固定板的凹凸形狀產生信號的光學編碼器及位置檢測方法。其目的還在于提供一種用移動板與固定板的凹凸狀產生的信號來檢測移動板的絕對位置的光學編碼器及位置檢測方法。
為了達到上述目的，本發明的第一種光學編碼器，其特征在于，具有光源；將來自光源的光變為大致平行的光的透鏡；對從該光源射出光的光軸大致垂直并相互大致平行設置的具有有透鏡作用的第1光學元件的移動板及具有有透鏡作用的第二光學元件的固定板；接收這些第1光學元件和第2光學元件生成的光斑的光檢測器，根據此光檢測器的檢測信號檢測作為上述移動板的移動基準點的Z相信號。
采用本發明可獲得能高精度檢測移動基準點的光學編碼器。
本發明的權利請求項1中所述的光學編碼器，其特征在于，具有光源；使該光源射出的光變為大致平行的光的透鏡；對從該光源射出的光的光軸大致垂直并相互大致平行地設置的具有有透鏡作用的第1光學元件的移動板及具有有透鏡作用的第2光學元件的固定板；接收由上述第1光學元件及第2光學元件生成的光斑的光檢測器，根據所述光檢測器的檢測信號檢測上述移動板的移動基準點。其具有的功能如下由透鏡將來自光源的光變成大致平行的光，由與光源射出光的光軸大致垂直并相互大致平行設置的移動板上具有透鏡作用的第1光學元件和固定板上具有透鏡作用的第2光學元件生成光斑，由光檢測器接收此光斑，并根據此光檢測器的檢測信號檢測上述移動板的移動基準點。
權利要求2所述的光學編碼器是上述權利要求1所述的光學編碼器，其特征在于由反射型光學元件形成固定板上的第2光學元件，通過移動板上的第1光學元件、將經上述固定板上的第2光學元件調制的光反射，使之再次通過上述移動板2的第1光學元件。它具有以下功能自光源來的光經透鏡變成大致平行的光，然后使之通過移動板2的第1光學元件、由固定板上的第2光學元件使受調制的光反射，使再次通過該移動板上的第一光學元件并生成光斑，由光檢測器接收該光斑，根據此光檢測器檢測的信號檢出上述移動板的移動基準點。
權利要求3所述的位置檢測方法如下將自光源射出的光變成大致平行的光，用相對于此自光源射出光的光軸大致垂直地且相互大致平行設置的移動體上具有透鏡作用的第1光學元件及固定體上具有透鏡作用的第2光學元件，生成光斑，通過接收此光斑確定上述移動體的位置。
權利要求4所述的位置檢測方法是權利要求3所述的位置檢測方法、移動體上裝有旋轉軸，檢測此移動體的旋轉角度。
權利要求5所述的光學編碼器，其特征在于有光源；將從此光源射出的光變為大致平行光的透鏡；相對于上述光源射出光的光軸大致垂直且相互大致平行地設置、具有光散射源的移動板及具有透鏡作用光學元件的固定板；以及接收用上述固定板上的光學元件對上述光散射源形成的散射光進行聚光生成的光斑的光檢測器，根據此光檢測器的檢測信號測出上述移動板的移動基準點。其功能在于將來自光源的光用透鏡變成大致平行的光、使之射向移動板的散射源、由散射源對光散射并發射，用設置在固定板上的光學元件對該散射光聚光、生成光斑、并用光檢測器接收該光斑、根據此光檢測器的檢出信號測出上述移動板的移動基準點。
權利要求6所記載的光學編碼器，其特征在于，具有光源；使該光源射出的光形成大致平行光的透鏡；相對于所述光源射出光的光軸大致垂直且相互平行設置的、具有反射面的移動板及具有透鏡作用光學元件的固定板；接收由所述固定板上光學元件對來自所述移動板反射面的反射光進行聚光生成的光斑的光檢測器，根據該光檢測器的檢測信號檢測所述移動板的移動基準點。其作用在于，經透鏡將光源來的光形成大致平行光，入射到移動板的反射面，通過設置在固定板上的光學元件將所述反射面來的反射光聚光并生成光斑，用光檢測器接收該光斑，由該光檢測器的檢測信號檢測所述移動板的移動基準點。
另外，本發明的第2種位置檢測方法、其特征在于，令移動物體和固定物體相對運動，使產生周期各各不同的多個周期信號及表示上述移動物體處于移動基準點近傍的基準位置信號，取上述基準位置信號及上述多個周期信號的邏輯積，測出上述移動物體的移動基準點。
具體地講，

圖15中所示的脈沖信號A、Z1～Zn相當于多個周期信號、Zd相當于基準位置信號，又，脈沖信號Z相當于基準位置信號與多個周期信號的邏輯積，通過取基準位置信號和多個周期信號的邏輯積，可使移動物體在1周期(旋轉一周)內只發生一個脈沖信號Z、并且使之與周期最短的脈沖信號A也能同步。
在上述第2種方法中，上述多個周期信號最好是根據分別在上述移動物體上設置是第1相位型衍射光柵及上述固定物體上設的第2相位型衍射光柵所調制的光發生的信號。
通過采用作為發生多個周期信號的手段的相位型衍射光柵，例如用第1相位型衍射光柵發生+1級衍射、用第2相位型衍射光柵發生-1級衍射的光及用第1相位型衍射光柵發生-1級衍射、用第2相位型衍射光柵發生+1級衍射光，由于光路相等產生干涉使光發生強弱變化。因干涉條件取決于移動物體的移動量，所以通過檢測光的強弱變化就能測出移動體的移動量。
另外在上述第2種方法中，上述多個周期信號及上述基準信號最好是2值化的脈沖信號。
通過將周期信號及基準信號2值化及脈沖信號化，可使各信號的上升邊及下降邊變得很清楚，便于進行周期的測定。
另外，在上述第2種方法中，上述多個周期信號分別設定為So、Si(i＝1～n，n是2以上的整數)，各周期VSo、VSi滿足下式的條件，在上述移動基準點的近傍，Si脈沖最好只含一個Si-1的脈沖。
VSo≤…≤VSi-1≤VSi……(3)用這樣的構成、在Si的脈沖周期內不會含有2個以上Si-1的脈沖，因此將各信號2值化并分別以“H”及“L”表示，在多個周期信號的邏輯積中，所有信號為“H”情況的發生取決于Sn的周期，根據此邏輯積信號及其準位置信號，移動體的移動基準點的確定變得方便易行。
另外，在上述第二種方法中上述移動體位于移動基準點近傍時Sn脈沖最好只產生1個。
由這樣的構成，將各信號2值化、并以“H”及“L”表示，在基準位置信號與多個周期信號的邏輯積中，所有信號均為“H”情況只發生1次，即使不用基準位置信號也能確定移動物的移動基準點。
另外，本發明的第三種位置檢測方法，其特征在于，在移動體上設有由多個環狀軌道構成的且各軌道上的光柵柵距相互不同的第l相位型衍射光柵；在固定體上設有與上述移動體上的相位型衍射光射的各軌道相對應、且具有與各軌道上的光柵柵距相等柵距的第2相位型衍射光柵，使上述移動體與固定體相對運動，借助受到由上述第1及第2相位型衍射光柵調制的光，產生多個周期各異的周期信號，根據上述多個周期信號的模式就可檢測上述移動物體的絕對位置。
在第1及第2相位型衍射光柵中由于有光柵柵距各異的多個軌道，故各個軌道上發生的周期信號具有相應不同的模式，將每個瞬間的模式與事先存儲著的特性比較就能對移動體處于離當前移動基準位置的什么位置作出絕對位置的判斷。
在上述第3種方法中上述第l及第2相位型衍射光柵最好生成主要是±1級的衍射光。
通過用第1及第2相位型衍射光柵生成±1級衍射光，如上所述能產生光干涉引起的明暗模式，此種干涉條紋由光接收元件進行檢測，藉此即能容易地檢出各個周期信號的模式。
還有，在上述第3種方法中上述多個周期信號最好是2值化后的脈沖信號。
通過將周期信號脈沖化，容易對模式進行比較，檢測精度也能提高。
還有，在上述第3種方法中將上述多個周期信號分別設定為So、Si(i＝1～n，n為2以上的整數)，各周期VSo、VSi最好滿足下式VSo×2=VS1………(4)VSn-1×2=VSn由于各信號的周期依序增大二倍，所以為最短周期信號的整數倍、由于各周期信號的模式變化，故能夠將移動體絕對位置誤差限在最短周期信號的脈沖寬度以下。
還有，本發明的第4種位置檢測方法，在移動體的多個環狀軌道上，各軌道以不同周期反復形成具有相位型衍射光柵部分與無相位型衍射光柵部分；在固定體上與上述移動體上的各軌導相對應地設有透光部和遮光部，上述移動體無相位型衍射光柵的部分通過上述固定體的透光部時上述每個軌道發生周期各異的多個周期信號，根據上述多個周期信號的模式來檢測上述移動體的絕對位置。
舉例說，在移動體上大致垂直的入射光在移動體的無相位型衍射光柵的部分通過固定體的透光部時按原樣透過移動體及固定體，因此通過檢測此透過光即可得到周期信號，由于每個軌道中形成相位型衍射光柵的部分和不形成相位型衍射光柵的部分重復周期不同，各個軌道發生的周期信號其模式也各各不同，將每個瞬間的模式與事先存儲著的模式相比就能對移動體處在離現在的移動基準位置多遠的位置上作出絕對的判斷。
與第3種方法相同，在上述第4種方法中，上述相位型衍射光柵最好產生主要為±1級衍射光。
還有，上述多個周期信號最好是2值化脈沖信號。
還有設上述多個周期信號分別為So、Si(i＝1～n，n為2以上的整數)，各周期VSo、VSi最好能滿足上述式(4)的條件。
還有，本發明的第5種位置檢測方法是在移動體的多個環狀軌道上，以各不相同的一定間隔設有多個聚光元件，檢測上述各聚光元件生成的光斑、根據上述光斑形成的信號模式檢出上述移動物體的位置。
通過在移動體上設置多個聚光元件、形成多個光斑，隨著移動體的移動，各光斑也移動，當各光斑通過配置在預定位置上的光接收元件時光接收元件的入射光量增加，獲得各軌道周期各異的周期信號。各軌道發生的周期信號其模式各各不同，將各個瞬間的模式與事先存儲的模式比較，就可以對移動體現在處在離基準位置多遠的位置作出絕對的判斷。
與上述第3、第4方法一樣，在上述第5種方法中，上述多個周期信號最好是2值化脈沖狀信號。
還有，設上述多個周期信號分別為So，Si(i＝1～n，n為2以上的整數)，各周期VSo、VSi最好能滿足上述公式(4)的條件。
另一方面，本發明的第2種光學編碼器，其特征在于，具有光源；將從此光源射出的光變為大致平行光的透鏡；具有由多個軌道組成且各軌道上的光柵柵距互不相同的第1相位型衍射光柵和聚光元件的移動板；具有由多個與上述第1相位型衍射光柵相對應的軌道組成且各軌道上的光柵柵距與相應的上述第1相位型衍射光柵的各軌道上的光柵柵距相等的第2相位型衍射光柵的固定板；檢測由上述移動板的第1相位型衍射光柵和上述固定板的第2相位型衍射光柵所生成的光模式及上述移動板的聚光元件生成的光模式的光檢測器，根據上述光檢測器檢出的信號測出上述移動板的移動基準點。
也就是說，本發明的第2光學編碼器實施上述本發明的第2種位置檢測方法，由移動板上的第1相位衍射光柵和固定板2的第2相位型衍射光柵使各軌道上發生多個周期信號，根據此多個周期信號與由聚光元件生成的信號的邏輯積可以確定移動板的基準位置。
上述第2種光學編碼器中上述第1及第2相位型衍射光柵最好生成主要是±1級的衍射光。
還有，上述光檢測器檢出的信號最好是各個2值化脈沖信號。
還有，設在上述第1及第3相位型衍射光柵的各信號所產生的周期信號分別為So、Si(i＝1～n，n是2以上的整數)，各周期VSo、VSi要滿足上述公式(3)的條件，且在上述移動基準點的近傍Si脈沖最好只含1個Si-1的脈沖。
還有，在上述移動基準點近傍，通過接收上述移動板上聚光元件形成的聚光光斑而產生的信號脈沖最好只含1個Sn的脈沖。
還有，本發明的第3種光學編碼器，其特征在于，具有光源；將從上述光源射出的光變為大致平行光的透鏡；具有由多個軌道組成的且各軌道上的光柵柵距互不相同的第1相位型衍射光柵的移動板；具有由與上述移動板上的第一相位型衍射光柵對應的多個軌道構成且各軌道中光柵柵距與對應的第一相位型衍射光柵的光柵柵距相等的固定板；檢測通過上述移動板中第一相位型衍射光柵與上述固定板中第二相位型衍射光柵產生的光模式的光檢測器，根據上述光檢測器檢測信號檢出移動板的絕對位置。
也就是說，本發明第三光學編碼器用于實施上述本發明第三位置檢測方法，第一及第二相位型衍射光柵，由于具有各光柵柵距不同的多個軌道，故各軌道產生的周期信號具有各不相同的模式。通過將各時刻模式與預先存儲的模式進行比較，就能絕對判斷移動板處于離當前移動基準位置的任何位置上。
在上述第三光學編碼器中，所述第一及第二相位型衍射光柵最好生成以±1級為主的衍射光。
所述光檢測器的檢測信號最好是2值化脈沖信號。
設所述光檢測器的多個周期信號分別為So、Si(i＝1～n，n為2以上的整數)，各周期VSo、VSi最好滿足上述式(4)的條件。
本發明第四光學編碼器，其特征在于，具有光源；使所述光源射出的光成為大致平行光的透鏡；具有由多個軌道構成且各軌道上形成光柵模式區域與未形成光柵模式區域的周期各不相同的相位型衍射光柵的移動板；具有與所述移動板上各軌道對應的光透過部的固定板；和檢測通過所述移動板和所述固定板的光模式的光檢測器，根據所述光檢測器的檢測信號檢測所述移動板的絕對位置。
也就是說，本發明的第4種光學編碼器用于實施上述本發明的第4種位置檢測方法。例如，向移動板大致垂直地入射的光，在移動板上不形成相位型衍射光柵的部分通過固定板的透光部時光線一如原樣地透過移動板及固定板。因此，檢測此透過光就可得到周期信號。由于每個軌道中形成相位型衍射光柵的部分與不形成相位型衍射的部分重復的周期不同，各個軌道發生的周期信號其模式也各各不同，將每個時刻的模式與事先存儲著的模式相比就能對移動體處在離現在的移動基準位置多遠的位置上作出絕對的判斷。
在上述第4種光學編碼器中上述相位型衍射光柵最好產生主要為±1級的衍射光。
還有，上述光檢測器檢測的信號最好取2值化脈沖信號。
還有，設上述光檢測器的多個周期信號分別為So、Si(i＝1～n，n為2以上的整數)，各周期VSo、VSi最好滿足上述公式(4)的條件。
還有，本發明的第5種光學編碼器，其特征在于，具備光源；將從上述光源射出的光變為大致平行光的透鏡；與該光源射出光的光軸大致垂直設置且具有在多個軌道上以各各不同的一定間隔配置的聚光元件的移動板；檢測由上述移動板的聚光元件生成的光模式的檢測器，根據上述光檢測器檢測信號可測出上述移動板的絕對位置。
也就是說，本發明的第5種光學編器用于實施上述本發明的第5種位置檢測方法，通過在移動板上設置多個聚光元件、形成多個光斑，各光斑隨著移動板的移動而移動，各光斑通過在規定位置上配置的光檢測器的光接收元件時，光接收元件的入射光量增加，從而可得到多個軌道上不同周期的多個周期信號。由于各軌道上發生的周期信號其模式各各不同，因此將各瞬間的模式和預先存儲著的模式比較，可以對移動板處于離開現在移動基準位置多遠的位置作出絕對的判斷。
在上述第5種光學編碼器中上述光檢測器檢出的信號最好取為2值化脈沖信號。
還有，設上述光檢測器的多個周期信號分別為So、Si(i＝1～n，n為2以上的整數)各周期VSo、VSi最好滿足上述公式(4)的條件。
為了實現上述發明目的，本發明的第6種位置檢測方法，其特征在于，使移動體與固定體作相對移動，用設置在移動體上的光透過部的位置控制在該固定體上設置2組沿該移動體的移動方向相鄰接的至少2個聚光元件所產生的光斑光強度，檢測該移動件的移動基準點的位置。
上述第6種方法中設上述固定體上多組中2組相鄰的2個聚光元件二端間的距離rA1、rB1，設上述移動體上的透光部寬度為d1，最好保持以下關系
d1≤rA1………(5)d1≤rB1由于2個聚光元件2端間距離和透光部寬度間保持著式(5)的關系，故隨著移動體的移動，光斑的發光強度信號的變化變大，從而能以較高精度測出移動體的移動基準點。
還有，在上述第6種方法中取上述固定體上2組相鄰2個聚光元件所形成的光斑的發光強度的差動信號，并最好以與各差動輸出的閾值電平相交的點作為起點和終點產生脈沖信號。
藉助于用閾值使差動輸出轉為脈沖信號，使其上升邊及下降邊變得明確，從而使移動基準點的檢測方便易行。
還有，上述第6種方法中最好是具有由上述移動體和上述固定體的相對位置而生成的周期信號的脈沖，并根據上述固定體上聚光元件所提供的差動信號取與脈沖信號的邏輯積。
藉助于所取得的脈沖狀周期信號與基準信號的邏輯積可使確定移動體的移動基準點變得容易，并能提高檢測精度。
還有，上述第6種方法中，希望上述的周期信號是根據設置在上述移動物體上的第1相位型衍射光柵和設置在上述固定體上的第二相位型衍射光柵所產生的調制光而發生的。
藉助于采用作為周期信號發生手段的相位型衍射光柵，例如用第一相位型衍射光柵得到+1級衍射、用第2相位型衍射光柵得到-1級衍射的光以及用第1相位衍射光柵得到-1級衍射、用第2相位型衍射光柵得到+1級衍射的光，光路相等產生干涉，引起光發生強弱變化，因為干涉條件取決于移動體的移動量，所以通過檢測光的強弱變化就能檢測移動體的移動量。
還有，在上述第6種方法中，上述第1及第2相位型衍射光柵最好產生主要是±1級的衍射光。
通過使第1及第2相位型衍射光柵產生±1級衍射光，如前所述，就能產生相干的明暗的光模式。藉助用光接收元件檢測這種干涉條紋就能容易地檢測各周期信號的模式。
還有，本發明的第7種位置檢測方法，其特征在于，使移動體與固定體作相對移動，用設置在移動物體的各軌道上的光透過部的位置，控制由固定物體的多個軌道各軌道上至少設置兩組并沿移動物體移動方向相鄰接的至少2個聚光元件生成的光斑的光強度，根據按該移動物體各軌道上光透過部配置所生成的光斑強度模式，檢測該移動物體的絕對位置。
上述第7方法中，所述固定體上的多個軌道上相鄰的2個聚光元件的兩端間距rA1、rB1……rAn、rBN(n是2以上的整數)及對應的上述移動體上的光透過部d1……dn(n為2以上的整數)間最好有如下關系d1≤rA1d1≤rB1 ………(6)dn≤rAndn≤rBN藉助于在2個聚光元件的二端間距與透光部寬度間保持(6)式的關系，隨著移動體的移動，光斑的光強信號的變化變大，能在較高精度下檢測移動基準點。
還有，在上述第7種方法中最好根據所述固定體各軌道上的2組相鄰2個聚光元件所形成的光斑光強的差動信號，生成以各差動輸出的閾值的交點作為起點和終點的脈沖信號。
藉助于閾值使差動信號轉為脈沖信號，因此其上升沿及下降沿變得很清楚，從而使移動基準點的檢測方便易行。
還有，上述第7種方法中上述移動板在某一位置時各軌道的2值化信號模式最好與該移動板處于其它任何位置時的2值化信號模式都不同。
將各瞬間的模式與事先存儲著的模式比較，藉此對移動體離開現在移動基準點有多遠能絕對地作出判斷。
還有，本發明的第6種光學編碼器，其特征在于，具有光源；將光源射出的光變成大致平行光的透鏡；帶有透光部的移動板；至少2組在沿該移動板移動方向上相鄰至少有2個聚光元件的固定板；檢測由移動板的透光部與所述固定板的聚光元件生成的光模式的光檢測器，根據上述光檢測器檢測信號可測定上述移動板的移動基準點。
也就是說，本發明的第6種光學編碼器用于實施上述發明的第6種位置檢測方法，藉助于用設置于該移動板上的透光部的位置來控制裝置于固定板上的聚光元件所生成的光斑的光強度來檢測該移動體的移動基準點。
在上述第6光學編碼器中，所述固定板上2組鄰接2個聚光元件的兩端間距rA1、rB1與所述移動板上光透過部寬度d1之間最好有上述式(5)的關系。
還有，上述第6種光學編碼器，最好根據上述固定板上兩組鄰接2個聚光元件所形成的光斑光強度的差動信號生成以各差動信號輸出中閾值交點為起點、終點的脈沖信號。
還有，上述的第6種光學編碼器中，具有根據上述移動板與上述固定板的相對位置而生成的周期信號的脈沖，最好根據上述固定板聚光元件產生的差動信號取得與脈沖信號的邏輯積。
還有，上述的第6種光學編碼器中上述的周期信號最好是根據設置在上述移動板上的第1相位型衍射光柵和上述固定板上設置的第2相位型衍射光柵所調制的光產生的。
還有，上述第6種光學編碼器中上述第1及第2相位型衍射光柵最好主要生成±1級的衍射光。
還有，本發明的第7種光學編碼器，其特征在于，具備光源；將該光源射出的光變成大致平行光的透鏡；具有設置在多個軌道上的透光部的移動板；具有對該移動板上各個軌道至少二組、并沿該移動體移動方向相鄰設置至少2個聚光元件的固定板；檢測由該移動板上的透光部與該固定板上的聚光元件形成的光模式的光檢測器，根據光檢測器檢測的信號測定上述移動板的絕對位置。
即是說，本發明的第7種光學編碼器用于實施上述發明的第7種位置檢測方法，用該移動板上的透光部位置來控制該固定板上的聚光元件形成的發光強度模式，根據光斑強度的模式可以檢知該移動體的絕對位置。
還有，上述第7種光學編碼器中，所述固定板上的多個軌道的2組相鄰2個聚光元件2端間距離rA1、rB1、rA2、rB2……rAn、rBn(n為2以上的整數)與對應的上述移動板上透光部寬度d1·d2……dn間最好有上述式(6)的數學關系。
還有，上述第7種光學編碼器中，最好根據上述固定板上各軌道上2組相鄰2聚光元件形成的光斑強度的差動信號、生成以各差動輸出的閾值交點為起點、終點的脈沖信號。
在上述第7光學編碼器中，所述移動板處于旋轉一圈中某個位置時各軌道2值化信號模式最好與該移動板處于其它任何位置時的2值化信號模式都不一樣。
附圖簡單說明圖1為本發明實施例1中光學編碼器的結構概圖；圖2上述實施例1效果說明用的表示菲涅爾區作用的光路圖；圖3說明上述實施例1效果的光路表示圖；圖4本發明實施例2的光學編器結構概圖；圖5說明上述實施例2效果的光路表示圖；圖6本發明實施例3中光學編碼器結構概圖；圖7說明上述實施例3效果的光路表示圖；圖8本發明實施例4中光學編碼器結構概圖；圖9說明上述實施例4效果的光路表示圖；圖10本發明實施例5中光學編碼器結構概圖；圖11說明上述實施例5效果的光路表示圖；圖12本發明實施例6中光學編碼器結構立體圖；圖13實施例6的相位光學元件的各軌道的斷面形狀圖；圖14為圖13所示的相位光學元件的剖面形狀局部放大視圖；圖15實施例6中光接收部輸出信號示圖；圖16為圖15所示的輸出信號局部放大示圖；圖17本發明實施例7中光學編碼器結構立體圖；圖18實施例7中相位光學元件的剖面形狀圖；圖19實施例7中光接收部輸出的信號圖；圖20本發明的實施例8中光學編碼器結構立體圖；圖21實施例8中光學編碼器光路圖；圖22實施例8中相位光學元件剖面形狀圖；圖23實施例8中光接收部輸出信號圖；圖24本發明實施例9中光學編碼器結構立體圖；圖25實施例9中光學編碼器的光路圖；圖26實施例9中相位光學元件的剖面形狀圖；圖27實施例9中光接收部輸出信號圖；圖28本發明實施例10中光學編碼器結構立體圖；圖29實施例10中表示光調整樣態的光路圖；圖30實施例10中調制元件位置表示圖；圖31實施例10中輸出信號生成過程表示圖；圖32本發明實施例11中光學編碼器結構立體圖；圖33實施例11的輸出信號圖；圖34實施例10中的其他調制元件位置表示圖；圖35實施例10中光學編碼器其他結構立體圖；圖36實施例10中光學編碼器其他結構立體圖；圖37實施例10中光學編碼器其他結構立體圖；圖38實施例10中光學編碼器其他結構立體圖；圖39實施例10中光學編碼器其他結構立體圖；圖40實施例10中光學編碼器其他結構立體圖；圖41實施例10中光學編碼器其他結構立體圖；圖42實施例11中光學編碼器其他結構立體圖；圖43實施例11中光學編碼器其他結構立體圖；圖44實施例11中光學編碼器其他結構立體圖；圖45實施例11中光學編碼器其他結構立體圖；圖46實施例10中光學編碼器其他結構立體圖；圖47實施例11中光學編碼器其他結構立體圖；圖48實施例11中光學編碼器其他結構立體圖；圖49第一已有技術例中光學編碼器結構立體圖；圖50已有技術制作遮光模式的工序圖；圖51已有技術壓印(stamp)法制造相位型衍射光柵的工序圖；圖52第一已有技術例中光學編碼器其他結構方案及光路圖；圖53第一已有技術例中光學編碼器再一其他結構方案及光路圖；圖54說明光源大小、透鏡常數與光斑關系的光路圖；圖55為第2已有技術例中光學編碼器的結構立體圖；圖56為第3已有技術例中位置檢測裝置結構概圖。
實施例的說明以下就本發明的實施形態以附圖為基礎說明實施例1圖1為本發明實施例1中光學編碼器的基本結構圖，圖1中，1是由半導體激光器或干涉性較高的發光二極管構成的光源，由該光源1射出的光用準直透鏡2變成平行光并使射向移動板4。
該移動板4上設有相位衍射光柵7及菲涅爾區8，對經準直透鏡2形成的上述平行光的光軸大致垂直配置，直接連接于具有平行于該光軸的旋轉中心的旋轉軸3，以該旋轉軸3為中心作旋轉移動通過此移動板4的衍射光柵7和菲涅爾區8的透過光投向固定板5，固定板5上有與移動板4的相位型衍射光柵7相等柵距的相位型衍射光柵9及菲涅爾區10，配置得與光軸大致垂直。由上述菲涅爾區8、10形成的光斑，被光接收器6上的光接收部11接收。
這里，將菲涅爾區8(10)的作用用圖2作一說明，圖2示出了菲涅爾區的剖面圖及經菲涅爾區光被調制成的樣態。
菲涅爾區8是柵距不同的相位型衍射光柵的集合體，其上的柵距愈靠外周愈小，射到菲涅爾區8的平行光在光軸上距離為f處聚成光斑S。角度θ是形成光斑的光的聚光角，衍射光柵上柵距愈小處其衍射角愈大，這是眾所周知的。
在菲涅爾區8上愈近外周柵距愈小，藉以將衍射光聚合在光軸上的一點，另外，眾所周知，衍射光柵上+1級衍射光以外還發生-1級衍射光，因此，把從各衍射光柵衍射回來以形成光斑S的衍射光稱為+1級衍射光的話，還產生著各自的-1級衍射光，因此菲涅爾區8在以角度θ形成聚光斑S的同時又以θ角擴散射出。
現把由上述結構的作用參閱圖3加以說明，圖3是透過圖1的菲涅爾區8、10的光的路徑圖。
首先，經光源1發射的光，用準直透鏡2變成平行光后大致垂直地對移動板投射，射向菲涅爾區8的平行光在距離fb1的位置處聚合形成光斑S1的同時以其聚光角θ相等的角度將擴散光進行放射，從菲涅爾區8擴散放射的光向固定板5上的菲涅爾區10投射，并在光接收部1l形成聚光斑S2，聚光斑S2生成在菲涅爾區8，10中心聯結線上這是幾何光學所周的事，菲涅爾區8、1焦距分別設為fb1、fb2，令移動板4與固定板5的距離為g，又設固定板5至光斑S2的距離為fc，根據簡單的幾何光學中的高斯公式可得到式(7)。fc=(fb1+g)fb2fb1+g-fb2----(7)]]>在這個位置上設置光接收部11，再使移動板4的移動量為δb1，則聚光斑S2移動量δc用簡單的幾何光學計算，可得到式(8)δc=fcfb1·δb1----(8)]]>進一步，我們將光源1的大小設定為中φa、將準直透鏡2的焦距設定為fa，則聚光斑S2的直徑φc可從式(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(直徑φc)如式(10)所示成為光源1大小φa的A倍，聚光斑S2的移動量δc為移動板4移動量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，藉助于調整菲涅爾區8的焦距fb1、菲涅爾區10的焦距fb2、準直透鏡2的焦距fa、移動板4與固定板5的距離g的值，可以調整聚光斑S2大小(直徑φc)及聚光斑S2的移動量Sc，令聚光斑S2的大小(直徑φc)更小、聚光斑S2的移動量δc更大可以把移動板4的移動基準點的檢測精度提得更高。
進一步看，根據本實施例1，Z相信號是由移動板4與固定板5的相對位置關系而決定的波形信號，同樣地，由移動板4與固定板5的相對位置關系所決定的A/B相信號，很容易與之同步。
舉一例如下用fa＝4.5mm的準直透鏡2，并設fb1＝0.6mm、fb2＝0.7mm、g＝0.3mm則fc＝3.15mm、聚光斑S2的大小縮小到光源1大小的0.7倍、聚光斑S2的移動量擴大到移動板移動量的5.2倍，這樣，用調整fb1、fb2、fa、g各值能提高Z相的檢測精度。
還有，通過調整光接收部11的寬度w與聚光斑S2的大小的關系，能調整在移動板4的原點附近的裕度，而且菲涅爾區8、10能以表面凹凸狀實現，故可采用聚碳酸酯和丙烯類等透明樹脂作基板材料，和用壓印(stamp)法來制作。
再者，本實施例1中，將移動板4上的Z相信號域的菲涅爾區8取擴散元件、固定板5上的Z相信號域的菲涅爾區10取聚光元件加以應用，但是即使將移動板4上的Z相信號域的菲涅爾區8取聚光元件、固定板5上的Z相信號域的菲涅爾區10取擴散元件加以應用，也能得到同樣的效果。
再者，用作光源1的發光二極管等其發光部分的直徑為波長的數倍以上那樣的采用有比較大的發光部分時能得到更有效的作用。
再者，作為本實施例1的一例；采用了fa＝4.5mm，fb1＝0.6mm，fb2＝0.7mm，g＝0.3mm那樣的尺寸結構，但即使采用其它尺寸結構也能獲得有效的作用。實施例2圖4是本發明的實施例2所示的光學編碼器的基本結構圖，另外，對與實施例1的圖1的結構一樣的結構，采用同一符號并省略其說明。
在圖4中，21是代替菲涅爾區8而設置在移動板4上的凹透鏡，22為代替菲涅爾區10設置在固定板5上的凸透鏡，光接收部11是由這些透鏡21、22形成的光斑的光接收件。
由以上結構的作用可參照圖5予以說明。首先，從光源1發射的光經準直透鏡2變為平行光后，對移動板4大致垂直地投射，投射到此移動板4的凹透鏡21上的平行光以在距離fb13的位置上聚成光斑S3那樣的聚光角進行擴散，自凹透鏡21擴散放射的光投向固定板5上的凸透鏡22，并在光接收部11上形成光斑S4，光斑S4落在透鏡21、22中心聯結線上，這在幾何光學上是周知的。
設透鏡21、22的焦距分別為fb13、fb23，并設移動板4與固定板5間距離為g3，則從固定板5到光斑S4的距離fc3根據簡單的幾何光學中的高斯公式可導出式(11)fc3=(fb13+g3)·fb23fb13+g3-fb23----(11)]]>在這個位置上設置光接收部11，另外，設移動板4的移動量為δb13，則聚光斑S4的移動量δc3可由式(12)經簡單的幾何光學計算得到。δc3=fc3fb13·δb13----(12)]]>進而，令光源1的大小為φa3、令準直透鏡2的焦距為fa3，則聚光斑S4的直徑φc3可由式(13)得出φc3=fc3fa3·φa3]]>………(13)=(fb13+g3)·fb23fb13+g3-fb23×1fa3×φa3]]>據此，聚光斑S4的大小(直徑φc3)如式(14)所示為光源1大小φa3的c倍，聚光斑S4的移動量δc3是移動板4移動量δb13的D倍。C=(fb13+g3)·fb23fb13+g3-fb23×1fa3]]>………(14)D=(fb13+g3)·fb23fb13+g3-fb23×1fb13]]>據此可知藉助調整透鏡21的焦距fb13、透鏡22的焦距fb23、準直透鏡2的焦距fa3、移動板4與固定板5的距離g3值，就能調整聚光斑S4的大小(直徑)φc3、及聚光斑S4的移動量δc3、通過縮小聚光點S4的大小(直徑)φc3、放大聚光斑S4的移動量5c3就可以提高移動板4的移動基準點的檢測精度。
進而，根據本實施例2，Z相信號是由移動板4與固定板5的相對位置關系決定的波形信號，同樣地，由移動板4與固定板5的相對位置關系決定的A/B相信號，很容易與之同步。
舉例如下使用fa3＝4.5mm的準直透鏡2，設fb13＝0.6mm、fb23＝0.7mm、g3＝0.3mm，則fc3＝3.15mm，聚光斑S4的大小縮小到為光源1大小的0.7倍、聚光斑S4的移動量擴大到為移動板4移動量的5.25倍，這樣、用調整fb13、fb23、fa3、g3各值，就能提高Z相檢測精度。
另外，通過調整光接收部11的寬度W3與聚光斑S4大小的關系，就能調整移動板4的原點附近的裕度，并且因能用表面凹凸形狀實現透鏡21、22，故可采用聚碳酸酯和丙烯類等透明樹脂來作基板材料、用壓印法來制作。
再者，在本實施例2中用凹透鏡21作為移動板4上的Z相信號域的光學元件、利用凸透鏡22作為固定板5上的Z相信號域的光學元件，但用凸透鏡來作移動板4上的Z相信號域的光學元件、用凹透鏡來作固定板5上的Z相信號域的光學元件也可以獲得同樣的效果。
再者，作為光源的發光二極管與發光部分的直徑采用具有波長數倍以上那樣的比較大的發光部分的尺寸時能獲得更為有效的作用。
再者，作為本實施例的一例使用了fa3＝4.5mm、fb13＝0.6mm、fb23＝0.7mm、g3＝0.3mm的尺寸，但即便為其他尺寸也能得到有效的作用。實施例3圖6為表示本發明實施例3的光學編碼器的基本構造圖，其與實施例1的圖1的結構相同部分采用同一符號并省略其說明。
圖6中31為半反射鏡，沿經準直透鏡2成為平行光的光軸、在準直透鏡2與移動板4間配置著，把經光源1發出的光經菲涅爾區8.10而形成的光導向設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，而菲涅爾區10采用的是反射型。
參照圖7說明上述結構的作用。
首先，從光源1發出的光經準直透鏡2變成平行光后，大致垂直地投向移動板4，入射到移動板4的菲涅爾區8的平行光在焦距fb12處聚成光斑S5的同時以與其聚光角度相等的角度擴散放射，從菲涅爾區8擴散放射的光投向固定板5上的反射型菲涅爾區10，邊聚光邊反射，由于該光再度投向移動板4上的菲涅爾區8而產生光斑S6，該光斑S6借助半反射鏡31向著自光源來的光的光軸外彎曲，投入光接收部32。
令菲涅爾區8、10的焦距分別為fb12、fb22、令移動板4與固定板5的距離為g2，用菲涅爾區8擴散并被菲涅爾區10反射聚光時的、經菲涅爾區10到聚光斑的距離fc2，根據幾何光學高斯公式由式(15)給出。fc2=fb22(fb12+g2)fb12+g2-fb12----(15)]]>還有，由菲涅爾區10反射聚光的光投向菲涅爾區8通過半反射鏡31形成光斑S6時，半反射鏡沒有的場合設自生成的聚光斑S6至移動板4的距離為fd2，則該距離fd2按照幾何光學高斯公式由式(16)給出fd2=fb12(fc2+g2)fc2+g2-fb12----(16)]]>聚光斑S6的移動量δd2根據移動板4的移動量δb12由式(17)可知。δd2=fd2fb12·δb12----(17)]]>還有，聚光斑S6的大小(直徑)φd2根據光源的大小φa2及準直透鏡2的焦距fa2用公式(18)可得φd2=fd2fa2·φa2----(18)]]>據此，通過調整菲涅爾區8的焦距fb12、菲涅爾區10的焦距fb22、準直透鏡2的焦距fa2、移動板4與固定板5的距離g2的值，就能調整聚光斑S6的大小(直徑)φd2及光斑6的移動量δd2、借助于縮小聚光斑S6的大小φd2、放大光斑S6的移動量δd2就能提高移動板4的移動基準點的檢測精度。
還有，利用本實施例3，Z相信號是由移動的板4與固定板5的相對位置關系確定的波形信號，同樣，由移動板4與固定板5的相對位置關系確定的A/B相信號，很容易與之同步。另外，因為能用表面凹凸形狀實現菲涅爾區8、10，故可用聚碳酸酯、丙烯類等透明樹脂材料作為基板材料并以壓印法制作。
作為一個例子使用fa2＝4.5mm準直透鏡2、并設fb12＝1mm、fb22＝5mm、g2＝0.3mm，則fd2＝2.23mm、聚光斑S6的大小縮小到光源1的大小的0.5倍、聚光斑S6的移動量擴大到移動板4的移動量的2.23倍，這樣用調整fb12、fb22、fa2、g2諸值可提高Z相檢測精度。
還有，通過調整光接收部32的寬度W2與光斑S6的大小的關系就可調整移動板4在原點附近的裕度。
再者、在本實施例3中，將移動板4上的Z相信號域的菲涅爾區8在來自光源1的光入射時為擴散元件、來自固定板5的光再度入射時作為聚光元件，另外，將固定板上的Z相信號域的菲涅爾區10用作聚光元件，但將移動板4上的Z相信號域的菲涅爾區8與固定板5上的Z相信號域的菲涅爾區10用作擴散元件或用作聚光元件的組合也可以是其它組合，另外，如將菲涅爾區8、10代以凹透鏡或凸透鏡，也可得到本實施例3相同的效果。
再有，作為光源1，采用發光二極管等其發光部分直徑為波長的數倍那樣的有著較大發光部分的尺寸時能得到更為有效的作用。
再者，作為本實施例3的一例雖使用了fa2＝4.5mm、fb12＝1mm、fb2-2＝5mm、g2＝0.3mm的尺寸結構，但用其他的尺寸結構也能獲得有效的作用。實施例4圖8為表示本實施例4的光學編碼器的基本結構圖。對與實施例1的圖1結構相同的結構采用了相同的符號、而省略了說明。
在圖8中，41是取代菲涅爾區8配置在移動板4上的表面有微細凹凸狀的光散射源，42是取代菲涅爾區10設置于固定板5上的凸透鏡，光接收部11對自光源1發射的光經入射到光散射源41而發生散射光由凸透鏡42聚成光斑加以接收。
以上結構的作用參照圖9說明如下首先，自光源1發射的光經準直鏡透2變為平行光后大致垂直地向移動板4入射。向移動板4的光散射源41入射的平行光變成散射光而出射，自光散射源41出射的散射光向固定板5上的凸透鏡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與凸透鏡42的中心連線上這是幾何光學的眾知的。
設凸透鏡42的焦距為fb24、設移動板4與固定板5的距離為g4，自固定板5到光斑S7的距離fc4，用簡單的幾何光學及光學中的高斯公式可由式(19)求得fc4=g4·fb24g4-fb24----(19)]]>將光接收元件11設置在此位置上，再令移動板4的移動量為δb14、則光斑S7的移動量δc4通過簡單幾何光學的計算可由式(20)求得。δc4=fc4g4·δb14----(20)]]>另外，設光散射源41的大小為φb4則光斑S7的直徑φc4由式(21)可得φc4=fc4g4·φb4----(21)]]>據此，光斑S7的大小(直徑)φc4如式(22)所示，成為光源1的大小的φa4的E倍，光斑S7的移動量δc4成為移動板4移動量δb14的F倍。E=fc4g4·φb4·1φa4]]>………(22)F=fc4g]]>據此，通過調整光散射源41的大小φb4、凸透鏡42的焦距fb24、移動板4與固定板5的距離g4，就能夠調整光斑S7的大小(直徑)φc4及光斑S7的移動量δc4。縮小光斑S7的大小φc4，擴大光斑S7的移動量δc4，能提高移動板4的移動基準點的檢測精度。
再有，采用本實施例4，z相信號是按照移動板4與固定板5的相對位置關系確定波形信號，同樣根據移動板4和固定板5的相對位置確定的A/B相信號，能很容易與之同步，還有，將光散射源41及凸透鏡42、光接收部11從準直透鏡2形成的平行光的光軸上挪離，在來自光散射源41的光不在光接收部11上形成光斑S7時，使來自光源的光不射入光接收部11，能提高Z相檢測的靈敏度。
舉例如下使用φa4＝200μm光源1，令fb24＝0.2mm，g4＝0.3mm，φb4＝50μm，則E＝0.5、F＝25，光斑S7的大小縮小至光源1大小的0.5倍、光斑S7的移動量擴大到移動板4移動量的2倍，這樣，通過調整光散射源41的大小φb4、凸透鏡42的焦距fb24、移動板4與固定板5的距離g4等諸值，就可以提高Z相的檢測精度。
還有，因為能用表面凹凸狀實現凸透鏡42、用表面微細凹凸實現光散射源41，所以可用聚碳酸酯、丙烯類等透明樹脂作為基板材料，并采用壓印法制作。
再者，本實施例4中，固定板5上的聚光元件使用凸透鏡42、但用菲涅爾區也可以，用反射型的聚光元件也可以。
再者，本實施例的一例使用了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。實施例5圖10所示為本發明實施例5的光學編碼器的基本結構圖。對與實施例1的圖1結構相同的結構使用相同的符號，說明省略。
在圖10中51為取代菲涅爾區8的設置在移動板4上，其表面呈切口狀的反射面，52是設置在固定板5上的代替菲涅爾區10的凸透鏡，自光源1射出的光向反射面51投射而發生的、沿自準直透鏡2射出光的光軸外面進入的光，經凸透鏡52聚成的光斑S8，此光斑S8的光由光接收部11光接收。
上述結構的作用參照圖11加以說明。
首先，自光源1射出的光經準直透鏡2變成平行光后，大致垂直地向移動板4投射，射入移動板4的光由反射面51向平行光光軸的外側反射，該反射光投向設置在固定板5上的凸透鏡52，在光接收部11上形成光斑S8，此光斑S8落在反射面51與凸透鏡52的中心連線上在幾何光學方面是眾知的。
令凸透鏡52的焦距為fb25、并設移動板4與固定板5的距離為g5，則從固定板5到光斑S8的距離fc15，用簡單的幾何光學及光學上的高斯公式可由式(23)求得。fc5=g5·fb25g5-fb25----(23)]]>
將光接收部11設置在此位置上，再設移動板4的移動量為δb15，于是光斑S8的移動量δc5，用簡單的幾何光學的計算可由式(24)求得。δc5=fc5g5·δb15----(24)]]>還令反射面51的大小為φb5，于是光斑S8的直徑φc5由式(25)可得φc5=fc5g5·φb5----(25)]]>據此，光斑S8的大小(直徑)φc5為式(26)所示，為光源1大小φ5的G倍、光斑S8的移動量δc5為移動板4移動量δb15的H倍。G=fc5g5·φb5·1φa5]]>………(26)H=fc5g5]]>據此，我們可通過調整反射面51的大小φb5，凸透鏡52的焦距fb25、移動板4與固定板5的距離g5的值來調節光斑S8的大小(直徑)φc5及光斑S8的移動量δc5，并通過縮小光斑S8的大小φc5、擴大光斑S8的移動量δc5，可以提高移動板4的移動基準點的檢測精度。
還有，通過縮小反射面51的大小和光接收部11的大小能提高Z相的檢測精度。另外如果讓反射面51的角度調得使入射的平行光全反射，可以提高光的利用效率。還有基板采用折射率為1.5的材料時，固定板5的周圍的氣體是空氣時，全反射角為44.4度，因此要用比此大的角度向反射面投射平行光，將該全反射的光用凸透鏡52聚光并在光接收部11加以接收即可。
還有用本實施例5，z相信號是由移動板4與固定板5的相對位置關系確定的波形信號，同樣，由移動板4與固定板5的相對位置關系確定的A/B相信號，能很容易與之同步。
作為一個例子用φa5=200μm的光源1，設fb25=0.2mm，g5=0.3mm、φb5＝50μm，于是通過G＝0.5、H＝2，光斑S8的大小縮小到光源1大小的0.5倍，光斑S8的移動量擴大成移動板移動量的2倍。這樣，通過調整反射面51的大小φb5、凸透鏡焦距fb25，移動板4與固定板5的距離g5諸值，就可以提高Z相的檢測精度。
還有，由于能用表面凹凸形狀實現凸透鏡52和反射面51，所以可采用聚碳酸酯、丙烯類等的透明樹脂作為基板材料并采用壓印法制作。
還有，本實施例5中用凸透鏡52作為聚光元件，但用菲涅爾區也可以，可獲得與用反射型聚光元件一樣的效果。
還有，作為本實施例5之一例，使用了fb25＝0.2mm，g5＝0.3mm、φb5＝50μm尺寸結構，但用此外別的尺寸也能得到有效的作用。實施例6參照圖12-圖16，對本發明的光學編碼器及位置檢測方法的實施例6進行說明。圖12是表示本發明光學編碼器實施例6基本構成的立體圖。示于圖12的光學編碼器由半導體激光器或相干性較高的發光二極管等的光源101，把由光源101射出的光變成平行光的準直透鏡102，相對于平行光的光軸大致垂直配置，可以與光軸平行的旋轉軸114為中心旋轉的移動板103，相對于光軸大致垂直配置的固定板107，具有多個光接收部的光接收器110等構成。
圓盤狀的移動板103具有整個圓周上環狀配置的相位型衍射光柵104，同心圓狀配置的多個圓弧狀的相位型衍射光柵105-i、105-2、……105-n(n為大于2的整數)(下文概括成105-i(i＝1～n)。類似情況依此類推)，菲涅爾區106。大致呈扇的固定板107具有分別與移動板103的各相位型衍射光柵104、105-i(i＝1～n)對應的、等柵距的形成呈大致圓弧狀的相位型衍射光柵108及109-i(i＝1～n)。光接收器110的光接收部111接收由移動板103的菲涅爾區106形成的光斑。又，光接收部112接收由移動板103的相位型衍射光柵104和固定板107的相位型衍射光柵108形成的光。光接收部113-i(i＝1～n)分別接收移動板103的相位型衍射光柵105-i和固定板107的相位型衍射光柵109-i形成的光。
上述各相位型衍射光柵的剖面形狀示于圖13。圖13中，圖13A是相位型衍射光柵104及108的剖面形狀，它們具有光柵柵距P0。圖13B是相位型衍射光柵105-1及109-1的剖面形狀，具有光柵柵距P1。圖13C是相位型衍射光柵105-2及109-2的剖面形狀，具有光柵柵距P2。同樣，圖13D相位型衍射光柵105-n及109-n的剖面形狀，具有光柵柵距Pn。顯然，光柵柵距P0、P1……Pn依次其柵距越來越寬。
相位型衍射光柵104及108是用于移動板103的移動量檢測(A/B相)信號的，相位型衍射光柵104設置在以移動板103的旋轉軸114為中心的整個圓周上。與示于圖52的已有技術例同樣，通過移動板103上的相位型衍射光柵104及對應的固定板107上的相位型衍射光柵108，光的強弱產生變化。入射至移動板103的光由移動板103上的相位型衍射光柵104衍射成+1級衍射光和-1級衍射光。這些衍射光入射至固定板107上的相位型衍射光柵108，分別衍射成+1級衍射光和-1級衍射光。移動板103上的相位型衍射光柵104和對應的固定板107上的相位型衍射光柵108的光柵柵距均為P0，具有相等的衍射角度。由此，由移動板103上的相位型衍射光柵104在成-1級、再由固定板107上的相位型衍射光柵108衍射成+1級的衍射光((-1、+1)級衍射光)與由移動板103上的相位型衍射光柵104作的+1級、然后再由固定板107上的相位型衍射光柵108作的-1級衍射光((+1、-1)級衍射光)，相互光路相等而產生干涉，發生光的強弱變化。由于干涉條件取決于移動板103的移動量δ，因而由移動板103的移動量δ而使光接收部112的光接收量變化，移動板103的移動量可以檢測。可用數學式把上述情況表示如下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)為(-1、+1)級衍射光的振幅，U+1-1(δ)為(+1、-1)級衍射光振幅，I(δ)為干涉光強度，P0為光柵柵距，δ為移動板的移動量。
這樣，干涉光強度I(δ)以取決于相位型衍射光柵104及108的光柵柵距P0的周期，呈現正弦波形的重復強弱變化。該強弱變化的周期由上式可知為光柵柵距P0的1/2。由此，示于圖13A具有光柵柵距P0的相位型衍射光柵104與108產生的干涉信號的變化周期為P0/2，而具有光柵柵距P1的相位型衍射光柵105-1與109-1產生的干涉光信號的變化周期為P1/2。可概括出，由相位型衍射光柵105-i與109-i產生的干涉光信號的變化周期為Pi/2(i＝1～n)。通過把各相位型衍射光柵104、105-i(i＝1～n)的光柵柵距Pi(i＝1～n)設定得互不相同，可使干涉光強度的強弱變化周期不同。
其中，圖12及圖13中的0°線是想產生Z相信號的位置，是在移動板103及固定板107上分別設定的。如圖13所示，0°線的形成使通過各相位型衍射光柵104、105-i(i＝1～n)、108、109-i(i＝1～n)的凸部。相位型衍射光柵104及108的0°線附近的放大圖示于圖14A，而相位型衍射光柵105-1及109-1的0°線附近的放大圖示于圖14B。在圖14A和圖14B中，分別以紙面右側為正方向。左側為負方向。
在示于圖14A的相位型衍射光柵104及108中，“a”表示自0°線至0°線通過的光柵凸部141正方向端部141a的距離(角度)。又，自0°線至與光柵凸部141的正方向相鄰的光柵凸部142的端部142a的距離(角度)以a+P0/2表示。自0°線至光柵凸部141負方向的端部141b的距離(角度)表示為“P0/2-a”，自0°線至與光柵凸部141負方向相鄰的光柵凸部143的端部143a的距離(角度)表示為”P0-a”。
在圖14B中，“b”表示自0°線至相位型衍射光柵105-1及109-1的光柵凸部151正方向端部151a的距離(角度)。在相位型衍射光柵105-1及109-1中，自0°線至光柵凸部151負方向端部151b的距離(角度)表示為“P1/2-b”。對于相位型衍射光柵104及108-5與105-1及109-1的位置關系，滿足相位型衍射光柵105-1及109-1的0°線通過的光柵凸部151僅包括一個相位型衍射光柵104及108的0°線通過的光柵凸部141這一條件，即下述(30)和(31)式成立。
|a|≤|b|≤|a+P0/2|…(30)|P0/2-a|≤|P1/2-b|≤|P0-a| …(31)同樣，對于光柵105-1及109-1與105-2及109-2的位置關系，相位型衍射光柵105-2及109-2的0°線通過的光柵凸部僅包含一個相位型衍射光柵105-1及109-1的0°線通過的光柵凸部這一條件也成。即，設自0°線通過的光柵105-2及109-2的光柵凸部的正方向端部的距離(角度)為“c”(未圖示)，自0°線至0°線通過的光柵凸部的負方向端部的距離(角度)為“P2/2-c”，自相位型衍射光柵105-1及109-1中的0°線至與0°線通過的光柵凸部正方向鄰接的光柵凸部的起始端的距離(角度)為“b+P1/2”，自0°線至0°線通過的光柵凸部的負方向端部的距離(角度)為“P1-b”；則下述(32)式及(33)式成立。
|b|≤|c|≤|b+P1/2|…(32)|P1/2-b|≤|P2/2-c|≤|P1-b| …(33)相位型衍射光柵105-2及109-2與105-3及109-3的關系……相位型衍射光柵105-(n-1)及109-(n-1)與105-n及109-n的關系也滿足同樣條件。
示于圖12的移動板103的菲涅爾區106聚集于光接收器110上，形成光斑。隨著移動板103的旋轉，光接收器110上的光斑也移動，用光接收部111接收光斑，由此，旋轉一周產生一個脈沖信號。通過這些相位型衍射光柵104、105-i(i＝1～n)及菲涅爾區106，隨著移動板103的旋轉而產生的各光接收部111、112、113-i(i＝1～n)的二值化輸出信號示于圖15、圖15中，A是光接收部112的二值化光接收信號，其周期是P0/2。Z1、Z2……Zn分別為光接收部113-1、113-2、……113-n的二值化光接收信號，它們的周期分別為P1/2、P2/2……Pn/2。
如圖13及圖14所示，各相位型衍射光柵的配置關系為相位型衍射光柵105-1及109-1的0°線通過的光柵凸部僅含一個相位型衍射光柵104及108的0°線通過的光柵凸部，相位型衍射光柵105-2及109-2的0°線通過的光柵凸部僅含一個相位型衍射光柵105-1及109-1的0°線通過的光柵凸部……。由此，同樣地，輸出信號也存在下述關系Z1的0°線通過的脈沖僅含一個A的0°線通過的脈沖，Z2的0°線通過的脈沖僅含一個Z1的0°線通過的脈沖……Zn的0°線通過的脈沖僅含一個Zn-1的0°線通過的脈沖。Zd是光接收部111的二值化接收信號，其寬度為Wzd，其中僅含一個Zn的0°線通過的脈沖。
圖16是示于圖15的各信號0點附近的放大圖，表示各信號之間的關系。0點意味著移動板103的0°線到達固定板107的0°線的瞬間。圖中，設紙面右側為正方向，左側為負方向。“α”表示自信號A的0點至含0點的脈沖161的正方向終端161a的距離(角度)。“β1”表示自信號Z1的0點至含0點的脈沖171的正方向終端171a的距離(角度)。這時，在信號A中，自0點至與脈沖161的正方向鄰接的脈沖162的起始端162a的距離(角度)表示為“α+P0/4”，自0點至脈沖161負方向的終端161b的距離(角度)表示為“P0/4-α”，自0點至與脈沖161負方向鄰接的脈沖163的起始端163a的距離(角度)表示為“P0/2-α”。又，在信號Z1中，自0點至脈沖171的負方向的終端171b的距離(角度)表示為“P1/4-β1”。
信號A與Z1的關系滿足含Z1的0點的脈沖171僅含一個含A的0點脈沖161這一條件，即下式(34)及(35)成立。
|α|≤|β1|≤|α+P0/4| …(34)|P0/4-α|≤|P1/4-β1|≤|P0/2-α| …(35)同樣，信號Z1與Z2的關系，也滿足含信號Z20點的脈沖181僅包含一個含信號Z10點的脈沖171這一條件。即，在信號Z2中，設自0點至脈沖181正方向的終端181a的距離(角度)為“β2”，自0點至脈沖181負方向的終端181b的距離(角度)為“P2/4-β2”，在信號Z1中設自0點至與脈沖181正方向鄰接的脈沖172起始端172a的距離(角度)為“β1+P1/4”，自0點至與脈沖171負方向鄰接的脈沖173起始端173a的距離(角度)為“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)同樣，信號Z2與Z3的關系……Zn-1與Zn的關系也滿足含信號Zn0點的脈沖僅包含一個含信號Zn-10點的脈沖這一條件。即，設自信號Zn的0點至含0點的脈沖的正方向端部的距離(角度)為“β2”，自0點至含0點的脈沖負方向端部的距離(角度)為“Pn/4-βn”，自信號Zn-1的0點至與含0點的脈沖正方向鄰接的脈沖的起始端的距離(角度)為“βn-1+Pn-1/4”，自0點至含0點的脈沖負方向端部的距離(角度)為“Pn-1/2-βn-1”；則下式(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)取信號A、Z1、Z2……Zn與Zd的邏輯積，把它作為Z相信號，由此能產生與A/相1脈沖同步的Z相信號。
如已有技術例子的說明中已敘述的，使A、Z1……等的等柵距相位型衍射光柵作相對變化，能使產生的信號的周期變小。與此相反，由檢測設置在移動板103上的菲涅爾區106等聚光元件形成的光斑所產生的Zd那樣的信號寬度不會變狹。由此，若只產生A/B相信號(即，信號A)和用于產生Z相信號的信號(即，信號Zd)，僅它們的邏輯和，不能產生與A/B相/脈沖同步的Z相信號。但，如本發明那樣，取A、Z1、Z2……Zn與Zd的邏輯積，把它作為Z相信號，能產生與A/B相/脈沖同步的Z相信號。
又，只產生A/B相信號(即，信號A)和用于產生Z相信號的信號(即，信號Zd)，自Zd脈沖產生瞬間用電路選通A/B相信號脈沖的一部分，把它作為Z相信號，這種方法也可以。但，Zd脈沖由于電氣噪聲、機械振動或其它種種原因，未必以固定的定時產生。Zd產生的定時偏移的允許值是信號A凹部的一部分，即P0/4。與此相對，若取A、Z1、Z2…Zn與Zd的邏輯積并作為Z相信號，則Zd允許產生的定時偏移為信號Zn的凹部的一部分，即為Pn/4。由上述(30)～(33)式所示條件，Pn/4≥P0/4成立。即，若按照本發明，Zd產生的定時偏移的允許值能取得較大，因而能得到抗電氣噪聲、機械振動等性能好的光學編碼器。又，由于可用基板表面的凹凸形狀制作相位型衍射光柵104、105-i(i＝1～n)、108、190-i(i＝1～n)及菲涅爾區106，因而可采用具有透過性的樹脂用壓印(スタンパ)法制作。
上述，各相位型衍射光柵104、105-i(i＝1～n)、108、109-i(i＝1～n)均是使0°線通過光柵凸部，但即使構成使0°線通過光柵凹部，也能取得同樣的效果。或者，也可以0°線不同時通過相位型衍射光柵104、105-i(i＝1～n)、108、109-i(i＝1～n)的光柵凸部或凹部，而是在0°線下混合配置凸部和凹部，使對于一部分相位型衍射光柵，0°線通過光柵凸部，而其它相位型衍射光柵，0°線通過光柵凹部，這樣也能取得相同的效果。
又，對于移動板103與固定板107，也可以0°線不同時通過各相位型衍射光柵的凸部或凹部，例如，在移動板103中，0°線通過各相位型衍射光柵104、105-1……105-n的凸部，而在固定板107中，0°線通過各相位型衍射光柵108、109-1……109-n的凹部這種構成或其相反的構成也可以。又，信號Z1的0°線通過的脈沖171僅包含一個信號A的0°線通過的脈沖161、信號Z2的0°線通過的脈沖181僅包含一個信號Z1的脈沖171……。信號Zn的0°線通過的脈沖僅包含一個信號Zn-1的0°線通過的脈沖，只要得到包含上述關系的輸出信號。即滿足(34)～(39)式條件的輸出信號的相位型衍射光柵的配列，即使不是如上所示的光柵配置，也能得到相同的效果。又，雖然在上述實施例中采用菲涅爾區106作為設置在移動板103上的集光元件，但使用透鏡也能取得同樣的效果。實施例7然后，參照圖17-圖19對本發明的光學編碼器及其位置檢測方法的實施例7進行說明。圖17是表示本發明的光學編碼器實施例7的基本構成的立體圖。示于圖17的光學編碼器由半導體激光器或較高相干性的發光二極管之類的光源101，把自光源101射出的光變成平行光的準直透鏡102，相對于平行光的光軸大致垂直配置、可以與光軸平行的旋轉軸114為中心旋轉的移動板103，相對于光軸大致垂直配置的固定板107，具有多個光接收部的光接收器110等構成。
圓盤狀的移動板103具有在整個圓周上環狀設定的多個軌道上形成的、主要產生±1級衍射光的多個相位型衍射光柵103-0、130-1、130-2……130-(n-1)、130-n(n為大于2的整數)。在各軌道上的相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)中，其光柵柵距各不相同，但一個軌道上，光柵柵距是不變的。大致扇形的固定板107具有與移動板103上的相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)相應、其光柵柵距與上述各對應光柵柵距相等的相位型衍射光柵131-i(i＝0～n)。光接收器110的各光接收部132-i(i＝0～n)分別接收由移動板103的相位型衍射光柵130-i與131-i(i＝0～n)的相對位置關系形成的光。
與上述本發明的實施例6相同，入射至移動板103的光，由移動板103上的相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)衍射成+1級衍射光與-1級衍射光，這些光分別入射至固定板107上的相位型衍射光柵131-i(i＝0～n)，衍射成+1級衍射光與-1級衍射光。移動板103上的相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)與對應的固定板107上的相位型衍射光柵131-i(i＝0～n)的光柵柵距均分別相等，具有相等的衍射角度。由此，由移動板103上的相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)所作的-1級衍射再由固定板107上的相位型衍射光柵131-i(i＝0～n)作+1級衍射的衍射光((-1、+1)級衍射光)與由移動板103上的相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)作+1級衍射、再由固定板107上的相位型衍射光柵131-i(i＝0～n)作-1級衍射的衍射光((+1、-1)級衍射光)相互光路相等發生干涉，產生光的強弱。由于干涉條件取決于移動板103的移動量δ，因而由于移動板103的移動量δ引起的光接收部132-i(i＝0～n)的接收光的光量變化，能檢測移動板103的移動量。
這時，各光接收部132-i(i＝0～n)的檢測信號為具有相位型衍射光柵的光柵柵距1/2周期的正弦狀信號。如圖17所示，在移動板103的相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)及固定板107的相位型衍射光柵131-i(i＝0～n)中，設定成各不同軌道的光柵的柵距各不相同，因而由這些相位型衍射光柵形成的干涉光強度變化的周期也是各軌道上各不相同。即，各光接收部132-i(i＝0～n)的接收光信號的周期各不相同。
圖18表示移動板103與固定板107上的0°線附近相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)及131-i(i＝0～n)的截面形狀。各軌道的相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)及131-i(i＝0～n)具有各自光柵柵距P3-0、P3-1……P3-(n-1)、P3-n，光柵凸部的端部位于分別示于圖17的移動板103及固定板107的0°線上。各光柵柵距P3-0、P3-1……P3-(n-1)、P3-n具有式(40)及式(41)所示的關系。
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)這時，來自各光接收部132-i(i＝0～n)的接收光信號是周期為各自光柵柵距1/2的正弦波。二值化的該信號的一例子示于圖19。圖19中，0點意指移動板103的0°線到達固定板107的0°線的瞬間。δ1、δ2……δn-1、δn分別表示移動板103，到達某一位置的瞬間。例如，δ1時，若以H及L記述二值化信號，各接收部132-0、132-1……132-(n-1)、132-n的光接收信號，分別為H、H……H、H。δ2時，上述信號分別為L、H……H、H；在δn-1時，分別為L、H……L、H；δn時，則分別為H、L……L、H。
由上所述，各光接收部132-i(i＝0～n)的H、L信號的組合取決于移動板103的位置。移動板103設定成位于某個位置時的各軌道的二值化信號模式與移動板位于其它位置時的二值化信號模式不同，由此可由接收光信號的模式，檢測移動板的絕對旋轉位置。由于取得移動板103位置上特有的信號模式，因而構成無論移動板103的旋轉位置在何處，均能檢測位置的絕對位置檢測型光學編碼器。
相位型衍射光柵能通過基板表面的凹凸形狀而實現，能采用聚碳酸酯或丙烯酸類等的透明樹脂，通過壓印法廉價制作。又，在上述實施例7中，移動板103及固定板107上的相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)如圖18所示，其凸部配置在0°線的紙面右側，但若把凹部配置在紙面右側，也能取得同樣的效果。又，上述實施例中使相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)在0°線上全為凸部，但即使是凸部與凹部混合，也能得到同樣的效果。又，上述實施例中，移動板103上的相位型衍射光柵130-i(i＝0～n)與固定板107上的相位型衍射光柵131-i(i＝0～n)的凹凸位置配置是相同的，但即使這些凹凸位置配列不相同也能得到同樣的效果。再者，雖然上述相位型衍射光柵130-i及131-i(i＝0～n)同時配置在0°線上，但若光柵配置使二值化光接收信號，如圖19所示，能產生由多個相位型衍射光柵中最小光柵柵距的相位型衍射光柵得到的信號周期的整數倍的周期信號，能得到同樣的效果。實施例8下面參照圖20…圖23說明本發明光學編碼器及位置檢測方法的實施例8。圖20為表示本發明光學編碼器實施例8基本結構的立體圖。圖20所示光學編碼器包括半導體激光器或發射可干涉性相對高的光的發光二極管等的光源101，使光源101射出的光成為平行光的準直透鏡102，基本上垂直于平行光光軸配置并以平行于光軸的旋轉軸114為中心可旋轉的移動板103，基本上垂直于光軸配置的固定板107，和具有多個光接收部的光接收器110等。
圓盤狀移動板103由繞圓周配置成環狀的多條軌道構成，具有產生±1級衍射光為主的多個相位型衍射光柵140-0，140-1，140-2……140-(n-1)，140-n(n為大于2的整數)。各軌道上相位型衍射光柵140-i(i＝0～n)對于設有光柵的區域和不設光柵的區域各有不同的圖形，且各軌道上光柵柵距也不同。大致扇形的固定板107具有光透過部141及設置在其兩側的菲涅爾區143，光透過部141有選擇地讓移動板103上各軌道所調制的光通過。光接收器110中各個光接收部142-i(i＝0～n)接收分別通過移動板3的相位型衍射光柵140-i和固定板107的光透過部141的光。
圖21表示上述本發明光學編碼器第8實施例的光路圖。在圖21中，圖21A和圖21B表示移動板103處于不同位置的情況，光源101發出的光經準直透鏡102后成為平行光，入射于移動板103。移動板103處于圖21A所示位置時，光不受移動板103調制，保持原樣通過，再通過固定板107的光透過部141，入射到光接收部142-i(i＝0～n)。當移動板103移動，成為圖21B所示位置時，光通過移動板103上相位型衍射光柵140-i(i＝0～n)被分離成±1級衍射光，0級衍射光(即直線傳播的光)的強度幾乎為零。經移動板103上相位型衍射光柵140-i(i＝0～n)衍射成±1級光，經過固定板107上菲涅爾區143改變了傳播路徑，不會入射至光接收部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)接收的光量隨移動板103的位置而變。
圖22表示移動板103上相位型衍射光柵140-0、140-1……140-(n-1)、140-n在0°線附近的剖面形狀。各相位型衍射光柵140-i(i＝0～n)具有各自的光柵柵距P4-0、P4-1……P4(n-1)、P4-n。并取各相位型衍射光柵140-i(i＝0～n)中設有光柵的區域和不設光柵的區域的周期為相應的L4-0、L4-1、……L4-(n-1)、L4-n。各相位型衍射光柵140-i(i＝0～n)中設有光柵區域的端部設定在圖20移動板103中所示的0°線上。各相位型衍射光柵140-i(i＝0～n)中設有光柵的區域與不設光柵的區域的周期滿足下面式(42)和式(43)所示關系。
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)
此時，光接收器142-i(i＝0～n)的光接收信號對應于有光柵區域和不設光柵區的周期L4-i(i＝0～n)信號。圖23示出該信號二值化的例子。圖23中，0點代表移動板103中0°線到達固定板107的0°線的時刻。δ1、δ2……δn-1、δn分別表示移動板103移動到達某個位置的時刻。光用H及L表示二值化信號時，各光接收部142-0、142-1、……142-(n-1)、142-n的光接收信號在δ1分別為H、H……H、H，在δ2為L、H……H、H。在δn-1為L、H……L、H，在δn為H、L……L、H。
這樣，各光接收部142-i(i＝0～n)的H、L信號的組合與上述實施例7情況一樣，取決于移動板103的位置。由于將移動板103設定得處于某個位置時各軌道二值化信號模式(圖形)與移動板處于其它任意位置時的二值化信號模式都不一樣，故可根據光接收信號的模式檢測移動板絕對旋轉位置。由于能獲得移動板3位置的特定信號模式，故構成絕對位置檢測型光學編碼器，不管移動板103處于什么位置，都可檢測其位置。
相位型衍射光柵可用基板表面凹凸形狀來實現，可由聚碳酸酯或丙烯類等透明樹脂經壓印(stamp)工藝低價制作。在上述實施例8中，如圖22所示，雖可將移動板103上相位型衍射光柵140-i(i＝0～n)配置在0°線紙面右側設有光柵的區域，但配置在紙面左側不設光柵的區域也能獲得同樣的效果。雖可將以0°線為準全部設有光柵的區域作為相位型衍射光柵140-i(i＝0～n)，但將設有光柵的區域與不設光柵的區域混合配置也能獲得同樣的效果。再有，雖可以0°線為準配置相位型衍射光柵140-i(i＝0～n)中設有光柵的區域，但若配置光柵使得二值化光接收信號所產生的周期信號能夠如圖23所示，為多個相位型衍射光柵中由設有光柵區和不設光柵區的最小周期軌道所獲得信號周期的整數倍，也能獲得同樣效果。實施例9下面參照圖24-圖27說明本發明光學編碼器及位置檢測方法的實施例9。圖24為本發明光學編碼器實施例9基本結構的立體圖。圖24所示光學編碼器由半導體激光器或可干涉性較高的發光二極管等的光源101、使光源101射出的光成為平行光的準直透鏡102、基本上垂直于平行光光軸配置并以平行于光軸的旋轉軸114為中心可旋轉的移動板103、和具有多個光接收部的光接收器110等構成。
圓盤狀移動板103在旋轉軸114旋轉中心的四周設定為同心圓的多個軌道上，具有以彼此不同的固定間隔(角度)配置的如菲涅爾區(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)對相應的聚光元件150-i(i＝0～n)產生的光斑進行采光。
圖25表示本發明光學編碼器上述實施例9的光路圖。圖25A和圖25B表示移動板103處于不同位置的狀態。光源101射出的光經準直透鏡102成為平行光入射移動板103。在移動板103為圖25A所示位置狀態，入射光經移動板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)。在移動板103移動為圖25B所示位置時，入射光透過移動板103，也入射至光接收部152-i(i＝0～n)。很顯然，對于入射光接收部152-i(i＝0～n)的光強度，圖25A所示經聚光元件150-i(i＝0～n)聚光的情形比圖25B所示平行光原封不動透過移動板103的情形要大。因此，光接收部152-i(i＝0～n)的光接收量隨移動板103位置而變。
圖26表示移動板103上0°線附近聚光元件150-i(i＝0～n)的剖面圖。各軌道中聚光元件150-i(i＝0～n)的間隔分別設定為L5-0、L5-1……L5-(n-1)、L5-n，具有下面式(44)及式(45)的關系。
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)此時，光接收部152-i(i＝0～n)的光接收信號分別對應于聚光元件150-i(i＝0～n)的周期L5-i(i＝0～n)的信號。圖27表示對其二值化的一例。圖27中，0點指移動板103中0°線到達光接收器110的0°線的時刻。δ1、δ2……δn-1、δn分別表示移動板103移動到達某個位置的時刻。當用H及L記述二值化信號時，各光接收部152-0、152-1、……152-(n-1)、152-n的光接收信號在δ1分別為H、H……H、H，在δ2為L、L……L、L。在δn-1為L、L……L、L，在δn為H、L……L、L。
這樣，各光接收部152-i(i＝0～n)的H、L信號的組合與上述實施例8情況相同，取決于移動板103的位置。通過設定使得移動板103處于某個位置時各軌道二值化信號模式與移動板處于其它任意位置時的二值化信號模式不同，就能根據光接收信號的模式檢測移動板的絕對旋轉位置。由于能獲得移動板103位置的特定信號模式，故可構成絕對位置檢測型光學編碼器，不管移動板103旋轉在什么位置都可檢測其位置。
由于可取基板表面凹凸形狀實現菲涅爾區等聚光元件，故可用聚碳酸酯或丙烯類等透明樹脂通過壓印(stamp)工藝低價制作。在上述實施例9中，雖可以移動板103中0°線為準配置聚光元件，但如圖27所示，若配置聚光元件使得二值化后的光接收信號產生的周期信號能夠為多個軌道中最小周期軌道信號周期的整數倍，也能獲得同樣的效果。再有，用聚光透鏡取代菲涅爾區作為移動板上聚光元件，也能獲得同樣的效果。實施例10參照圖28-圖31說明本發明光學編碼器及位置檢測方法實施例10。圖28為表示本發明光學編碼器實施例10基本結構的立體圖。圖28所示光學編碼器由半導體激光器或可干涉性較高的發光二極管等的光源201、使光源101射出的光成為平行光的準直透鏡202、基本上垂直于平行光配置并可以平行于光軸的旋轉軸213為中心可旋轉的移動板103、基本上垂直于光軸配置的固定板107、和具有多個光接收部的光接收器210等構成。
圓盤狀移動板203具有圍繞圓周配置成環狀的相位型衍射光柵204和與相位型衍射光柵204配置成同心圓的相位型衍射光柵206中刪除部分圖形作成的光透過部205。固定板207具有與移動板203中相位型衍射光柵204對應并有等柵距大致圓弧形形成的相位型衍射光柵208，和菲涅爾區209-1～209-4。光接收器210的光接收部211接收由移動板203的相位型衍射光柵204與固定板207的相位型衍射光柵208形成的光。光接收部212-1～212-4分別接收經移動板203光透過部205和固定板207菲涅爾區209-1～209-4后所形成的光。
用圖29說明光接收器210中光接收部212-1～212-4的光接收量隨圖28結構中旋轉板203的光透過部205、相位型衍射光柵206和固定板中菲涅爾區209-1～209-4光調制而變。這里，光接收部212-1～212-4配置在與相應的菲涅爾區209-1～209-4各圖形(模式)中心相對應的位置上。設固定板207至光接收器210的距離為L；相位型衍射光柵206的衍射角度為θ1；從光接收部中對應于菲涅爾區光學中心的點至光接收部端部的距離為δ；光接收部中對應于菲涅爾區光學中心的點至聚光斑位置的距離為Δ(記載于圖29B中)。
在固定板中與菲涅爾區209-1～209-4對應的位置上，隨移動板203位置旋轉會出現有光透過部205和有相位型衍射光柵206的情形。當對應于菲涅爾區209-1～209-4的位置上有光透過部205時(圖29A的情形)，入射移動板大致平行光通過光透過部205入射菲涅爾區209-1～209-4。各光接收部212-1～212-4接收對應的菲涅爾區209-1～2-0-4形成的光斑213-1～213-4。當對應于菲涅爾區209-1～209-4的位置上出現相位型衍射光柵206時(圖29B的情形)，入射移動板大致平行的光經相位型衍射光柵206衍射。由此，經菲涅爾區209-1～209-4形成的光斑213-1～213-4發生位置偏移，使光接收部212-1～212-4不能接收。也即滿足下式關系時，Δ＝L×tanθ1＞δ (46)光接收部不能接收菲涅爾區的聚光斑。
已知相位型衍射光柵206的光柵柵距P與衍射角度θ1隨使用的光波波長λ有下式關系。
sinθ1＝λ/P…(47)因此，按照滿足式(46)、(47)確定相位型衍射光柵206的光柵柵距和光接收部的寬度等的關系。
圖30、31說明根據上述光接收器213-1～213-4接收的光信號形成Z相信號的方法。圖30表示旋轉板中光透過部、固定板中菲涅爾區與光接收部的位置。圖31表示光接收部212-1～212-4的光接收量與圖30中光透過部205位置的關系。
信號①、②、③、④表示對應光接收部212-1、212-2、212-3、212-4接收的光量。設光透過部寬度為d，菲涅爾區209-1和209-4的寬度為rA，菲涅爾區209-3和209-4的寬度為rB，菲涅爾區209-1與209-2的分界位置為a，菲涅爾區209-3與209-4的分界位置為b。為簡單起見，設菲涅爾區209-1與209-2寬度相等為rA/2。同樣，菲涅爾區209-3與209-4寬度也相等為rB/2。
光透過部的A部(描述于圖30中)位置與信號①、②、③、④的關系如圖所示。對于信號①，A部位置θ(A)處于a-rA/2位置時，也即，θ(A)＝a-rA/2 …(48)時，接收光量開始增加，θ(A)＝a …(49)時，接收光量不變，θ(A)＝a+d-rA/2 …(50)時，接收光量開始減少，θ(A)＝a+d…(51)時，接收光量不變。
信號②也一樣，θ(A)＝a …(52)時，接收光量開始增加，θ(A)＝a+rA/2 …(53)時，接收光量不變，θ(A)＝a+d…(54)時，接收光量開始減少。
θ(A)＝a+d+rA/2 …(55)時，接收光量不變。信號③、④也相同。
圖31表示根據信號①-④生成Z相信號的處理方法。信號①與②的差形成信號⑤，③與④的差產生信號⑥。信號⑤、⑥分別以零電平二值化生成信號⑦、⑧，信號⑦、⑧通過異邏輯積生成信號⑨。
又，信號②與③的和生成信號(10)，用適當的閾值對信號(10)二值化使形成的脈沖信號包含信號⑨的一個脈沖(單脈沖)，從而產生信號(11)。
將這些信號⑨與信號(11)進行邏輯積，獲得信號(12)(作為Zd信號)。
取Zd信號與A/B相信號(13)的邏輯積，并將其作為Z相信號，從而生成可與A/B相信號單脈沖(一個脈沖)同步的Z相信號。
此時，Zd信號脈沖寬度Tzd與A/B相信號脈沖寬度TAB取下式關系，TAB＜Tzd＜TAB×2…(56)使得Zd信號只能包含A/B相信號的一個脈沖，故當取邏輯積時，可獲得與A/B相信號的一個脈沖同步的Z相信號。
光透過部205的中心出現在菲涅爾區209-1～209-2的分界線上時，光接收部212-1與212-2的差動輸出成為零，該點就是Zd信號上升邊的點。同樣，光透過部205中心出現在菲涅爾區209-3與209-4的分界線上時，光接收部212-3與212-4的差動輸出為零，該點為Zd信號下降邊的點。也就是說，Zd信號脈沖寬度對應于菲涅爾區209-1與209-2分界處位置a和209-3與209-4分界處位置b之間的距離(角度)。距離|a-b|不受限制，什么值都可以。也即，Zd信號脈寬不受限制，能夠取很小值。能產生脈寬與上述已有技術例一例所示10μm左右周期的A/B相信號同等程度脈寬的Z相信號。
這里，光透過部寬度d小于菲涅爾區寬度rA、rB，也即滿足下式關系。
d≤rA…(57)d≤rB…(58)這樣設定的原因是，若光透過部寬度d大于菲涅爾區寬度rA、rB，則即使2菲涅爾區分界附近光透過部位置發生變化，2光接收部差動輸出也不變化，也就是說，差動輸出與零電平的交叉不是一個點，因此，噪聲等影響會使Zd信號的上升點不穩定。
相位型衍射光柵和菲涅爾區可用基板表面凹凸形狀實現，故可用聚碳酸酯或丙烯類等透明樹脂經壓印工藝低價制作。
雖可用以移動板203旋轉中心為中心的輻射狀光柵作為相位型衍射光柵206，但作為相位型衍射光柵206與菲涅爾區209-1～4所形成的光斑不被光接收部212-1～4所接收的結構，如圖35所示同心圓狀光柵261、圖26所示既不是輻射狀又不是同心圓狀的光柵262、圖37所示菲涅爾區263、圖38所示光散射面264、圖39所示棱鏡265或圖40所示透鏡266等，都可獲得同樣效果。雖然可采用菲涅爾區作為固定板207的聚光性相位調制元件，但圖41所示一般折射透鏡291-1～291-4也能獲得同樣效果。
本實施例中，將固定板上并排兩聚光元件的兩組沿移動板移動方向設置在相互錯開的位置上，使2個差動輸出中零交叉時刻錯開，產生二值化信號的上升邊和下降邊，如圖34所示，也可將固定板上并排兩聚光元件的兩組沿移動板移動方向設置在同樣位置上，而將對應的移動板上光透過部的位置設置得相互錯開，由于2個差動輸出信號中零交叉時刻錯開，故也能獲得同樣的效果。
雖然菲涅爾區209-1與209-2及209-3與209-4寬度相等，但不等也能有同樣的效果。實施例11參照圖32-圖33說明本發明光學編碼器及位置檢測方法的實施例11。圖32為本發明光學編碼器實施例11的基本結構的立體圖。圖32所示光學編碼器由半導體激光器或可干涉性較高的發光二極管等光源201，使光源201射出的光成為平行光的準直透鏡202，基本垂直于平行光光軸配置且可以平行于光軸的旋轉軸為中心旋轉的移動板203，基本垂直于光軸配置的固定板207，和具有多個光接收部的光接收器210等構成。
圓盤狀移動板203具有在同心圓配置的相位型衍射光柵206-1、206-2、……206-n(其中，n為2以上的整數)(下面，概括為206-i(i＝1～n)，別的相同)中刪除部分圖形作成的光透過部205-i-1、……205-i-mn(其中，mn為1以上的整數)(下面，概括為205-i-j(j＝1～mn))。
固定板207在與移動板相位型衍射光柵206-i對應的位置上設有菲涅爾區209-i-1～209-i-4。光接收器210中光接收部212-i-1～212-i-4接收對應的移動板203光透過部205-i-j與固定板207菲涅爾區209-i-1～209-i-4形成的光。
本實施例是按照實施例10中圖29的說明，即在圖32結構中，光接收器210中光接收部212-i-1～212-i-4的光接收量隨旋轉板203光透過部205-i-j、相位型衍射光柵206-i，和固定板207菲涅爾區209-i-1～209-i-4的光調制而變，并以圖30、31所說明的方法，產生各軌道二值化信號Zd1、Zd2、……Zdn(n為2以上整數)。按照各光透過部205-i-j的相對位置確定各軌道生成二值化信號Zdi的產生時刻。
若用H及L代表二值化信號，則移動板旋轉一周各軌道二值化信號H、L的組合取決于移動板203的位置。通過在多個各軌道信號間設定脈沖寬度(即菲涅爾區209-i-1與209-i-2的分界和209-i-3與209-i-4分界之間的距離(角度))和發生的時刻(即光透過部205-i-j的位置)，使得移動板203處于某個位置時各軌道二值化信號模式與移動板處于其它任何位置時的二值化信號模式不同，這樣就能根據光接收信號模式檢測移動板的絕對旋轉位置。由于能獲得移動板203位置的特定信號模式，故能獲得絕對型光學編碼器，不管移動板203旋轉位置如何，都能檢測其位置。
相位型衍射光柵或菲涅爾區可用基板表面凹凸形狀實現，故可用聚碳酸酯或丙烯類等透明樹脂經壓印工藝低價制作。
雖可用移動板203中以旋轉中心為中心輻射狀光柵作為相位型衍射光柵206，但作為光接收部212-1-4不接收相位型衍射光柵206和菲涅爾區209-1-4形成的光斑的結構，如圖42所示同心圓狀光柵261-1～261-n、圖43所示既不是輻射狀又不是同心圓狀的光柵262-1～262-n、圖44所示菲涅爾區263-1～263-n、圖45所示光散射面264-1～264-n、圖46所示棱鏡265-1～265-n、圖47所示透鏡266-1～266-n等，也能獲得同樣效果。
在本實施例中，將固定板上并排兩聚光元件的兩組沿移動板移動方向設置在相互錯開的位置上，使2個差動輸出的交零時刻錯開，生成二值化信號的上升邊和下降邊，但也可如圖34所示，將固定板上并排兩聚光元件的兩組沿移動板移動方向設置在相同位置上，而將對應的移動板上光透過部的位置設置得相互錯開，這樣由于2個差動輸出信號的交零時刻錯開，也能獲得同樣的效果。
權利要求
1.一種光學編碼器，其特征在于，具有光源；將來自光源的光變為大致平行的光的透鏡；對從該光源射出光的光軸大致垂直并相互大致平行設置的具有有透鏡作用的第1光學元件的移動板及具有有透鏡作用的第二光學元件的固定板；接收第1光學元件和第2光學元件生成的光斑的光檢測器，根據此光檢測器的檢測信號檢測上述移動板的移動基準點。
2.如權利要求1所述的光學編碼器，其特征在于由反射型光學元件形成固定板上的第2光學元件，通過移動板上的第1光學元件、將經上述固定板上的第二光學元件調制的光反射，使之再次通過上述移動板2的第1光學元件。
3.一種位置檢測方法，其特征在于，將自光源射出的光變成大致平行的光，用相對于此光源射出光的光軸大致垂直地且相互大致平行設置的移動體上具有透鏡作用的第1光學元件及固定體上具有透鏡作用的第2光學元件，生成光斑，通過接收此光斑確定上述移動體的位置。
4.如權利要求3所述的位置檢測方法，其特征在于，移動體上裝有旋轉軸，檢測此移動體的旋轉角度。
5.一種光學編碼器，其特征在于，具有光源；將從此光源射出的光變為大致平行光的透鏡；相對于上述光源射出光的光軸大致垂直且相互大致平行地設置、具有光散射源的移動板及具有透鏡作用光學元件的固定板；以及接收用上述固定板上的光學元件對上述光散射源形成的散射光進行聚光生成的光斑的光檢測器，根據該光檢測器的檢測信號檢測所述移動板的移動基準點。
6.一種光學編碼器，其特征在于，具有光源；使該光源射出的光形成大致平行光的透鏡；相對于所述光源射出光的光軸大致垂直且相互平行設置的、具有反射面的移動板及具有透鏡作用光學元件的固定板；接收由所述固定板上光學元件對來自所述移動板反射面的反射光進行聚光生成的光斑的光檢測器，根據該光檢測器的檢測信號檢測所述移動板的移動基準點。
7.一種位置檢測方法、其特征在于，令移動物體和固定物體相對運動，使產生周期各各不同的多個周期信號及表示上述移動物體處于移動基準點近傍的基準位置信號，取上述基準位置信號及上述多個周期信號的邏輯積，測出上述移動物體的移動基準點。
8.如權利要求7所述方法，其特征在于，上述多個周期信號最好是根據分別在上述移動物體上設置是第1相位型衍射光柵及上述固定物體上設置的第2相位型衍射光柵所調制的光發生的信號。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特征在于，上述多個周期信號及上述基準信號是2值化的脈沖信號。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，上述多個周期信號分別設定為So、Si其中i＝1～n，n是2以上的整數，各周期VSo、VSi滿足下式的條件，在上述移動基準點的近傍，Si脈沖只含一個Si-1的脈沖。VSo≤…≤VSi-1≤VSi……(3)
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，上述移動體位于所述移動基準點近傍時Sn脈沖只產生1個。
12.一種位置檢測方法，其特征在于，在移動體上設有由多個環狀軌道構成的且各軌道上的光柵柵距相互不同的第1相位型衍射光柵；在固定體上設有與上述移動體上的相位型衍射光柵的各軌道相對應、且具有與各軌道上的光柵柵距相等柵距的第2相位型衍射光柵，使上述移動體與固定體相對運動，借助受到由上述第1及第2相位型衍射光柵調制的光，產生多個周期各異的周期信號，根據上述多個周期信號的模式檢測上述移動物體的絕對位置。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，上述第1及第2相位型衍射光柵生成主要是±1級的衍射光。
14.如權利要求12或13所述的方法，其特征在于，上述多個周期信號是2值化后的脈沖信號。
15，如權利要求14所述的方法，其特征在于，將上述多個周期信號分別設定為So、Si其中i＝1～n，n為2以上的整數，各周期VSo、VSi滿足下式VSo×2＝VS1………(4)VSn-1×2＝VSn
16.一種位置檢測方法，其特征在于，在移動體的多個環狀軌道上，各軌道以不同周期反復形成具有相位型衍射光柵部分與無相位型衍射光柵部分；在固定體上與上述移動體上的各軌導相對應地設有透光部和遮光部，上述移動體無相位型衍射光柵的部分通過上述固定體的透光部時上述每個軌道發生周期各異的多個周期信號，根據上述多個周期信號的模式來檢測上述移動體的絕對位置。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，上述相位型衍射光柵產生主要為±1級衍射光。
18.如權利要求16或17所述的方法，其特征在于，上述多個周期信號是2值化脈沖信號。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，設上述多個周期信號分別為So、Si其中i＝1～n，n為2以上的整數，各周期VSo、VSi能滿足上述式(4)的條件。
20.一種位置檢測方法，其特征在于，在移動體的多個環狀軌道上，以各不相同的一定間隔設有多個聚光元件，檢測上述各聚光元件生成的光斑、根據上述光斑形成的信號模式檢測上述移動物體的位置。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，上述多個周期信號是2值化脈沖狀信號。
22.如權利要求21所述的方法，其特征在于，設上述多個周期信號分別為So，Si，其中i＝1～n，n為2以上的整數，各周期VSo、VSi能滿足上述公式(4)的條件。
23.一種光學編碼器，其特征在于，具有光源；將從此光源射出的光變為大致平行光的透鏡；具有由多個軌道組成且各軌道上的光柵柵距互不相同的第1相位型衍射光柵和聚光元件的移動板；具有由多個與上述第1相位型衍射光柵相對應的軌道組成且各軌道上的光柵柵距與相應的上述第1相位型衍射光柵的各軌道上的光柵柵距相等的第2相位型衍射光柵的固定板；檢測由上述移動板的第1相位型衍射光柵和上述固定板的第2相位型衍射光柵所生成的光模式及上述移動板的聚光元件生成的光模式的光檢測器，根據上述光檢測器檢測的信號測出上述移動板的移動基準點。
24.如權利要求23所述的光學編碼器，其特征在于，上述第1及第2相位型衍射光柵生成主要是±1級的衍射光。
25.如權利要求23或24所述的光學編碼器，其特征在于，上述光檢測器檢測的信號是各個2值化脈沖信號。
26.如權利要求25所述的光學編碼器，其特征在于，設在上述第1及第2相位型衍射光柵的各軌道所產生的周期信號分別為So、Si，其中i＝1～n，n是2以上的整數，各周期VSo、VSi要滿足上述公式(3)的條件，且在上述移動基準點的近傍Si脈沖只含1個Si-1的脈沖。
27.如權利要求26所述的光學編碼器，其特征在于，在上述移動基準點近傍，通過接收上述移動板上聚光元件形成的聚光光斑而產生的信號脈沖只含1個Sn的脈沖。
28.一種光學編碼器，其特征在于，具有光源；將從上述光源射出的光變為大致平行光的透鏡；具有由多個軌道組成的且各軌道上的光柵柵距互不相同的第1相位型衍射光柵的移動板；具有由與上述移動板上的第一相位型衍射光柵對應的多個軌道構成且各軌道中光柵柵距與對應的第一相位型衍射光柵的光柵柵距相等的固定板；檢測通過上述移動板中第一相位型衍射光柵與上述固定板中第二相位型衍射光柵產生的光模式的光檢測器，根據上述光檢測器檢測信號檢測出移動板的絕對位置。
29.如權利要求28所述的在光學編碼器，其特征在于，所述第一及第二相位型衍射光柵最好生成以±1級為主的衍射光。
30.如權利要求28或29所述的光學編碼器，其特征在于，所述光檢測器的檢測信號最好是2值化脈沖信號。
31.如權利要求30所述的光學編碼器，其特征在于，設所述光檢測器的多個周期信號分別為So、Si，其中，i＝1～n，n為2以上的整數，各周期VSo、VSi滿足上述式(4)的條件。
32.一種光學編碼器，其特征在于，具有光源；使所述光源射出的光成為大致平行光的透鏡；具有由多個軌道構成且各軌道上形成光柵模式區域與未形成光柵模式區域的周期各不相同的相位型衍射光柵的移動板；具有與所述移動板上各軌道對應的光透過部的固定板；和檢測通過所述移動板和所述固定板的光模式的光檢測器，根據所述光檢測器的檢測信號檢測所述移動板的絕對位置。
33.如權利要求32所述的光學編碼器，其特征在于，上述相位型衍射光柵產生主要為±1級的衍射光。
34.如權利要求32或33所述的光學編碼器，其特征在于，上述光檢測器檢測的信號取2值化脈沖信號。
35.如權利要求34所述的光學編碼器，其特征在于，設上述光檢測器的多個周期信號分別為So、Si，其中，i＝1～n，n為2以上的整數，各周期VSo、VSi滿足上述公式(4)的條件。
36.一種光學編碼器，其特征在于，具備光源；將從上述光源射出的光變為大致平行光的透鏡；與該光源射出光的光軸大致垂直設置且具有在多個軌道上以各各不同的一定間隔配置的聚光元件的移動板；檢測由上述移動板的聚光元件生成的光模式的檢測器，根據上述光檢測器檢測信號可測出上述移動板的絕對位置。
37.如權利要求36所述的光學編碼器，其特征在于，上述光檢測器檢測的信號取為2值化脈沖信號。
38.如權利要求37所述的光學編碼器，其特征在于，設上述光檢測器的多個周期信號分別為So、Si，其中，i＝1～n，n為2以上的整數，各周期VSo、VSi滿足上述公式(4)的條件。
39.一種位置檢測方法，其特征在于，使移動體與固定體作相對移動，用設置在移動體上的光透過部的位置控制在該固定體上設置至少2組沿該移動體的移動方向相鄰接的至少2個聚光元件所產生的光斑光強度，檢測該移動件的移動基準點的位置。
40.如權利要求39所述的方法，其特征在于，設上述固定體上2組相鄰的2個聚光元件二端間的距離為rA1、rB1，設上述移動體上的透光部寬度為d1，保持以下關系d1≤rA1……(5)d1≤rB1
41.如權利要求40所述的方法，其特征在于，根據上述固定體上2組相鄰2個聚光元件所形成的光斑的發光強度的差動信號，生成以各差動輸出的閾值電平相交的點作為起點和終點產生脈沖信號。
42.如權利要求41所述的方法，其特征在于，具有由上述移動體和上述固定體的相對位置而生成的周期信號的脈沖，并根據上述固定體上聚光元件所提供的差動信號取與脈沖信號的邏輯積。
43.如權利要求42所述的方法，其特征在于，上述的周期信號是根據設置在上述移動物體上的第1相位型衍射光柵和設置在上述固定體上的第二相位型衍射光柵所產生的調制光而發生的。
44.如權利要求43所述的方法，其特征在于，上述第1及第2相位型衍射光柵產生主要是±1級的衍射光。
45.一種位置檢測方法，其特征在于，使移動體與固定體作相對移動，用設置在移動物體的各軌道上的光透過部的位置，控制由固定物體的多個軌道各軌道上至少設置兩組并沿移動物體移動方向相鄰接的至少2個聚光元件生成的光斑的光強度，根據按該移動物體各軌道上光透過部配置所生成的光斑強度模式，檢測該移動物體的絕對位置。
46.如權利要求45所述的方法，其特征在于，所述固定體上的多個軌道上相鄰的2個聚光元件的兩端間距rA1、rB1……rAn、rBN，其中，n是2以上的整數，及對應的上述移動體上的光透過部d1……dn，其中，n為2以上的整數，間最好有如下關系d1≤rA1d1≤rB1dn≤rAndn≤rBN
47.如權利要求46所述的方法，其特征在于，根據所述固定體各軌道上的2組相鄰2個聚光元件所形成的光斑光強的差動信號，生成以各差動輸出的閾值的交點作為起點和終點的脈沖信號。
48.如權利要求47所述的方法，其特征在于，上述移動板在某一位置時各軌道的2值化信號模式與該移動板處于其它任何位置時的2值化信號模式都不同。
49.一種光學編碼器，其特征在于，具有光源；將光源射出的光變成大致平行光的透鏡；帶有透光部的移動板；至少有2組在沿該移動板移動方向上相鄰至少2個聚光元件的固定板；檢測由移動板的透光部與所述固定板的聚光元件生成的光模式的光檢測器，根據上述光檢測器檢測信號可測定上述移動板的移動基準點。
50.如權利要求49所述的光學編碼器，其特征在于，所述固定板上2組鄰接2個聚光元件的兩端間距rA1、rB1與所述移動板上光透過部寬度d1之間有d1≤rA1，d1≤rB1的關系。
51.如權利要求50所述的光學編碼器，其特征在于，根據上述固定板上兩組鄰接2個聚光元件所形成的光斑光強度的差動信號生成以各差動信號輸出中閾值交點為起點、終點的脈沖信號。
52.如權利要求51所述的光學編碼器，其特征在于，具有根據上述移動板與上述固定板的相對位置而生成的周期信號的脈沖，根據上述固定板聚光元件產生的差動信號取得與脈沖信號的邏輯積。
53.如權利要求52所述的光學編碼器，其特征在于，上述的周期信號是根據設置在上述移動板上的第1相位型衍射光柵和上述固定板上設置的第2相位型衍射光柵所調制的光產生的。
54.如權利要求53所述光學編碼器，其特征在于，上述第1及第2相位型衍射光柵主要生成±1級的衍射光。
55.一種光學編碼器，其特征在于，具備光源；將該光源射出的光變成大致平行光的透鏡；具有設置在多個軌道上的透光部的移動板；具有就該移動板上各個軌道而言至少設置二組、并沿該移動體移動方向相鄰至少2個聚光元件的固定板；檢測由該移動板上的透光部與該固定板上的聚光元件形成的光模式的光檢測器，根據光檢測器檢測的信號測定上述移動板的絕對位置。
56.如權利要求55所述的光學編碼器，所述固定板上的多個軌道的2組相鄰2個聚光元件2端間距離rA1、rB1、rA2、rB2……rAn、rBn，其中n為2以上的整數，與對應的上述移動板上透光部寬度d1·d2……dn間有d1≤rA1，d1≤rB1，d2≤rA2，d2≤rB2，……dn≤rAn，dn≤rBn的關系。
57.如權利要求56所述的光學編碼器，其特征在于，根據上述固定板上各軌道上2組相鄰2聚光元件形成的光斑強度的差動信號、生成以各差動輸出中閾值交點為起點、終點的脈沖信號。
58.如權利要求57所述的光學編碼器，其特征在于，所述移動板處于旋轉一圈中某個位置時各軌道2值化信號模式與該移動板處于其它任何位置時的2值化信號模式都不一樣。
全文摘要
一種光學編碼器。它借助移動板及固定板上多個軌道中各光柵柵距不同的相位型衍射光柵產生干涉光,用光接收部檢測光的強弱獲得不同同步的多個同步信號。另用光接收部檢測移動板上聚光元件產生的光斑,每轉一圈產生一個脈沖的基準位置。取多個同步信號中同步最短的信號作為對應于移動板移動量的A/B相信號并取基準位置信號與多個同步信號的邏輯積作為表示移動板原點的Z相信號,以獲得與A/B相信號中一個脈沖同步的Z相信號。
文檔編號G01D5/26GK1171560SQ9710551
公開日1998年1月28日 申請日期1997年5月20日 優先權日1996年5月20日
發明者高田和政, 西井完治, 高本健治, 伊藤正彌, 福井厚司, 來住知久 申請人:松下電器產業株式會社