JP3775892B2 - 光学式エンコーダ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械装置等において位置決めをする際に用いられる光学式のエンコ−ダ及びその位置検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（第１の従来例）
一般に、光学式エンコーダは、位置検出方式の違いにより、インクリメンタル型とアブソリュート型（絶対位置検出型）の２種類に大別される。従来のインクリメンタル型光学式エンコーダの構成及び動作を説明する。図４９に示すように、従来のインクリメンタル型光学式エンコーダは、光源５０１と、光源５０１から出射される光を平行光にするためのコリメータレンズ５０２と、軸５１２を中心として回転する移動板５０３と、移動板５０３に対向するように配置された固定板５０６と、２つの受光部５１０及び５１１が設けられた受光器５０９等で構成されている。
【０００３】
移動板５０３は、円周上に等ピッチのスリット又は回折格子５０４が配列されたＡ／Ｂ相信号領域と、円周上にただ１つのスリット５０５が配置されたＺ相信号領域を有する。同様に、固定板５０６は、移動板と同じピッチのスリット又は回折格子５０７が配置されたＡ／Ｂ相信号領域部分と、円周上にただ１つのスリット５０８が配置されたＺ相信号領域を有する。受光器５０９の受光部５１０は、移動板５０３の回折格子５０４と固定板５０６の回折格子５０７を透過した光を検出する。また、受光器５０９の受光部５１１は、移動板５０３のスリット５０５と固定板５０６のスリット５０８を透過した光を検出する。
【０００４】
移動板５０３と固定板５０６のＡ／Ｂ相信号領域（各回折格子５０４及び５０７）を透過する光を検出することにより、移動板５０３の回転角度に応じた信号（Ａ／Ｂ相信号）を検出し、Ｚ相信号領域（各スリット５０５及び５０８）を透過する光を検出することにより、移動板５０３の原点を示す信号（Ｚ相信号）を検出する。通常、受光器５０９の出力信号を２値化してパルス信号とし、位置検出の信号処理を行う。信号処理を容易にするために、Ｚ相信号は、Ａ／Ｂ信号と同期することが望まれる。そのため、Ｚ相信号のパルスはＡ／Ｂ相信号のパルス１つのみと同期する必要がある。
【０００５】
次に、スリット等の遮光パターンを作製する方法について図５０を参照しつつ説明する。図５０に示すように、透明な基板５２１上に、フォトレジスト５２２を塗布する（Ａ）。次に、フォトレジスト５２２上に、あらかじめ電子ビーム露光等で作製しておいた所定のパターンを有するマスク５２３を密着させ又は接近させる（Ｂ）。さらに、レジストが反応しうる波長域の光を照射することにより、露出したレジストのみを可溶又は不溶にした後、マスク５２３を外す。基板５２１をレジスト溶剤に浸すと、基板５２１上にレジストによるマスクパターン５２２’が転写される（Ｃ）。マスクパターン５２２’が転写された基板５２１を蒸着装置（図示せず）に装着し、クロム等の金属５２４を蒸着する（Ｄ）。その後、蒸着装置から基板５２１を取り出し、アセトン等の有機溶剤で、基板５２１上に残ったフォトレジスト５２２’を除去する（Ｅ）。これら一連の作業の結果、基板５２１上にスリット等の遮光パターン５２５が形成される。
【０００６】
以上のように、基板５２１上にスリット等の遮光パターン５２５を作製するには多くの工程が必要である。また、マスク５２３と基板５２１との位置合せも容易でない。そのため、周知のように、移動板５０３及び固定板５０６上にスリット等のパターンを形成するためのコストが高くなってしまう。そこで、インクリメンタル型光学式エンコーダにおいては、移動板５０３及び固定板５０６のＡ／Ｂ相信号領域（回折格子５０４及び５０７）に位相型光学素子を用いることによってコストを低減する方式が検討されている。
【０００７】
位相型光学素子は、基板表面に凹凸形状を設けることにより作成することができる。その製造工程を図５１に示す。所定の形状を有する金型５３１に、加熱等により流動性を持たせたアクリルやポリカーボネート等の透明樹脂５３２を流し込み、固化させる。得られた位相型光学素子には金型の形状が転写されている。この方法によれば、基板表面にスリット等の遮光パターンを作製する方法と比較して、基板とパターンとの位置合せの必要がなく、また、フォトレジストの塗布、紫外線照射、現象、金属膜の蒸着及び洗浄等の工程が不要である。
【０００８】
Ａ／Ｂ相信号領域を位相光学素子の一つである位相型回折格子とした一例として、例えばＪＰＡ６−０４２９８１に示された従来のインクリメンタル型エンコーダが知られている。その構成を図５２に示す。図５２において、光源５０１は半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオードである。光源５０１から出射された光は、コリメータレンズ５０２により平行光化され、移動板５０３に入射する。移動板５０３は、主として±１次回折光を発生する位相型回折格子５３４を有し、かつ、前記平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転中心５１２の周りに回転可能である。固定板５０６は、移動板５０３上の位相型回折格子５３４と等しい格子ピッチＰを有する位相型回折格子５３７を有し、光軸に対して略垂直に配置されている。受光部５１０は受光部であり、位相型回折格子５３４と５３７の相対位置関係により形成される光を受光する。 光源５０１から出射された光は、コリメータレンズ５０２によって平行光にされた後、移動板５０３に対して略垂直に入射される。移動板５０３に入射した光は、移動板５０３上の位相型回折格子５３４により＋１次回折光と−１次回折光に回折される。これらの光は固定板５０６上の位相型回折格子５３７に入射し、それぞれ＋１次回折光と−１次回折光に回折される。位相型回折格子５３４と５３７の格子ピッチはともにＰで等しいので、位相型回折格子５３４と５３７の回折角度は等しい。そのため、位相型回折格子５３４で−１次に回折し、位相型回折格子５３７で＋１次に回折した光（（−１、＋１）次回折光）と、位相型回折格子５３４で＋１次に回折し、位相型回折格子５３７で−１次に回折した光（（＋１、−１）次回折光）は、互いに光路が等しくなって干渉し、光の強弱が発生する。干渉条件は、移動板５０３の移動量δによるため、移動板５０３の移動量δによって光の強弱が変化する。すなわち、移動板５０３の移動量δにより、受光部５１０の受光光量が変化するので、移動板５０３の移動量が検出できる。
【０００９】
一方、上記Ａ／Ｂ相信号領域と同様に、Ｚ相信号領域についても、スリットに代えて表面の凹凸形状にする方法が模索されている。例えば、図５３に示すように、移動板５０３上に集光レンズ５４１を設け、その集光スポットを受光部５１１で受光することにより移動板５０３の移動基準点を検出する。この場合、Ｚ相検出精度は集光スポットの大きさと受光部５１１の大きさによりほぼ決定され、集光スポットと受光部が小さいほど、高い検出精度を実現することができる。
（第２の従来例）
図４９に示したインクリメンタル型光学式エンコーダは、Ｚ相信号を基準としてＡ／Ｂ相信号の分だけ移動したとして、移動板５０３の位置検出を行う。従って、電源投入時の位置検出は不可能であり、基準位置の検出が必要不可欠となる。これに対し、スリットのパターンの違いにより、いつでも、どこの位置でも現在位置が検出できる、アブソリュート型光学式エンコーダが知られている。
【００１０】
アブソリュート型光学式エンコーダの構成及び動作を説明する。図５５に示すように、従来のアブソリュート型光学式エンコーダは、光源６０１と、光源６０１から出射される光を平行光にするためのコリメータレンズ６０２と、軸６１２を中心として回転し、略等ピッチのスリット６０４を円周状に配置したスリットトラックを複数個有する移動板６０３と、移動板６０３に対向するように配置され、回転板６０３上の複数スリットトラック６０４に対応した複数のスリット６０７を有する固定板６０６と、複数のスリット６０７に対応した複数の受光部６１０を有する受光器６０９等で構成されている。回転板６０３の各スリットトラックでは、互いにスリット６０４のピッチが異なるよう設置されている。各受光部６１０は移動板６０３のスリット６０４及び固体板６０６のスリット６０７を通った透過光を検出する。受光部６１０による検出信号のパターンにより、回転板６０３の絶対位置を検出することができる。
（第３の従来例）
従来より、物体に光を照射し、その像をテレビカメラ上に投影し、リニアアレイセンサの出力信号を２値化して位置を検出したり、あるいは移動する物体（以下移動体と記す）にスリットを設け、このスリットを通して光源からの出射光を受光部に入射させ、受光部の出力信号を２値化して移動体の移動基準点を検出することにより、物体の位置を非接触で検出することが広く行われている。例えば、ＪＰＡ２−４４２０２に示された従来の位置検出方法ついて、図５６を参照しつつ説明する。
【００１１】
図５６は第３の従来例である位置検出装置の平面図を示す。図５６において、７０１は光源、７０２は移動体であり、この移動体７０２上にスリット７０３が設けられている。７０５はスリット７０３を通過した光ビームであり、７０４は受光部である。移動体７０２は、光源７０１と受光部７０４の間にあり、光源７０１と受光部７０４を結ぶ軸に対し垂直方向に移動する。移動体７０２の移動につれて、光ビーム７０５も移動する。ＡＡは光源７０１から移動体７０２までの距離であり、Ｂは移動体７０２から受光部７０４までの距離である。また、Δは移動体７０２の移動量、δδは光ビーム７０５の移動量である。このとき、光ビーム７０５の移動量δδは、次の（１）式で表される。
【００１２】
δδ＝Δ・Ｂ／ＡＡ ・・・（１）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１の従来例であるインクリメンタル型エンコーダにおいて、Ｚ相信号領域について、スリットに代えて表面の凹凸形状にした場合、Ｚ相検出精度を高めることが困難であるという問題を有する。集光スポット径の大きさは、幾何光学では光源５０１の大きさとコリメータレンズ５０２の焦点距離等により決定される。図５４に示すように、光源５０１の大きさをφｓ１、コリメータレンズ５０２の焦点距離をｆｓ１、Ｚ相信号領域に設けた集光レンズ５４１の焦点距離をｆｓ２とすると、集光スポット５５１の径φｓ２は幾何光学のガウスの公式より、以下の（２）式で表される。
【００１４】
φｓ２＝φｓ１・ｆｓ２／ｆｓ１…（２）
従って、集光スポット５５１の径φｓ２を小さくするには、第１に光源５０１の大きさφｓ１を小さくするか、第２にコリメータレンズ５０２の焦点距離ｆｓ１を大きくするか、第３にＺ相信号領域の集光レンズ５４１の焦点距離ｆｓ２を小さくする等の方法が考えられる。しかしながら、第１の光源５０１の大きさを小さくする場合、光源５０１の近傍にピンホール等の遮光部を設ければよいが、利用できる光量が小さくなるという問題がある。また、Ａ／Ｂ相信号領域とＺ相信号領域の大きさにより、必要な平行光の直径、すなわちコリメータレンズ５０２の径が決まるため、第２のコリメータレンズ５０２の焦点距離ｆｓ１を大きくする場合、光源５０１の光の利用効率が小さくなるという問題がある。さらに、Ａ／Ｂ相信号領域の信号発生方法によっては、例えば固定板５０６からの不要な回折光を分離するために、固定板５０６と受光部５１１との距離を大きくする必要があり、Ｚ相信号領域の集光レンズ５４１の焦点距離ｆｓ２をあまり小さくできない。あるいは、Ａ／Ｂ相信号用の受光部５１０とＺ相信号用の受光部５１１とを分離し、Ａ／Ｂ相信号用の受光部５１０を固定板５０６から必要な距離だけ離した位置に設け、Ｚ相信号用の受光部５１１をそれよりも近づけて設けることも考えられるが、構造が複雑になり、また組立ても精度を要求され、コストアップの要因となる。
【００１５】
通常、光学式エンコーダの光源５０１として発光ダイオードを用いるが、発光ダイオードの発光径φｓ１は小さく見積もって１００μｍである。また、コリメータレンズ５０２の焦点距離は、製品の大きさや仕様等から５ｍｍ程度以上、さらに、移動板５０３と受光部５１１との距離を２０ｍｍ程度以上にする必要がある。その結果、移動板５０３上に設けた集光レンズ５４１による光スポット径は、上記（２）式から、約４００μｍとなる。Ａ／Ｂ相信号のピッチ（又は周期）１０μｍと比較して、Ｚ相信号はかなり幅の広い信号となってしまう。Ｚ相検出精度を高めるために、受光部５１１の大きさを光スポット径よりも小さくし、検出信号を二値化する際のしきい値を高く設定することも考えられる。しかしながら、電気ノイズの影響や光源５０１の発光強度の変動による影響を受けやすく、安定してＺ相の検出を行うことができない。
【００１６】
さらに、この方法では、移動板５０３の移動量を検出する信号であるＡ／Ｂ相信号とＺ層信号との同期をとることが困難であるという問題がある。図５３に示した方法では、Ａ／Ｂ相信号は移動板５０３と固定板５０６との相対位置関係で決まる波形の信号となるが、Ｚ相信号はその発生過程で固定板５０６を必要とせず、移動板５０３と受光部５１１との相対位置関係で決まる波形となる。従って、Ａ／Ｂ相信号とＺ相信号を同期させるためには、移動板５０３、固定板５０６及び受光部５１１の各素子の位置決めを高い精度で行わなければならない。さらに、これらの各素子の微少な位置ずれにより、Ａ／Ｂ相信号とＺ相信号とが同期しなくなる。
【００１７】
また、第２の従来例であるアブソリュート型エンコーダでは、移動板６０３及び固定板６０６上にそれぞれ複数のスリットトラックが設けられ、各スリットトラックにおけるスリット６０４のピッチが異なる。そのため、第１の従来例であるインクリメンタル型エンコーダのように、基板表面に等ピッチの凹凸形状を設けた位相型光学素子を用いる方法をとるがことができず、図５０に示したように、スリットを形成するために、透明基板上に金属等の薄膜を蒸着する方法をとる必要がある。そのため、製造コストの低減を計ることは困難である。
【００１８】
第３の従来例である位置検出方法において、移動体７０２の移動基準点の検出精度を上げるためには、移動体７０２の移動量Δによる光ビーム７０５の移動量δδを大きくすればよい。具体的には、距離Ｂを大きくし、距離ＡＡを小さくすればよい。しかし、距離Ｂを大きくすると同時に距離ＡＡを小さくすると、受光部７０４上での光ビーム７０５の径が大きくなる。その結果、移動体７０２の移動基準点の検出精度を下げることになる。一方、光ビーム７０５の径を小さくするために、スリット７０３を小さくしすぎると、光の回折が生じ、受光部７０４上の光ビーム７０５の径は逆に大きくなってしまう。また、スリット７０３を小さくすると、受光部７０４上での光量が少なくなり、ノイズの影響を受けやすくなるので、移動基準点の検出精度を下げる結果となる。さらに、回折の影響を防ぐためにスリット７０３と受光部７０４の距離Ｂを小さくすることも考えられるが、この距離を短くすると、移動体７０２と受光部７０４が接触して、互いに損傷を受ける危険がある。
【００１９】
本発明は上記従来例の問題点に鑑み、光学式エンコーダにおいて、Ｚ相信号とＡ／Ｂ相信号とを同期させつつ、精度の高い移動基準点検出、すなわち精度の高いＺ相信号検出を可能とすることを目的とする。また、移動体と受光部間の距離を十分に確保し、移動板と固定板の凹凸形状で信号を発生させることができる光学式エンコーダ及び位置（角度）検出方法を提供することを目的とする。さらに、移動板の絶対位置を、移動板と固定板の凹凸形状で生じる信号により検出する光学式エンコーダ及び位置検出方法を提供することを目的とする。
【００４５】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明の第１の光学式エンコーダは、光源と、前記光源から出射された光を平行光にするレンズと、集光素子及び第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板と、第２のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第２の位相型回折格子を有する固定板と、前記第１の位相型回折格子と前記第２の位相型回折格子とにより生成される第１の光パターン及び前記集光素子により生成される第２の光パターンを検出する光検出器とを備え、前記集光素子の中心を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有することを特徴とする。
【００４６】
すなわち、本発明の第１の光学式エンコーダは、集光素子及び第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板の第１の位相型回折格子と固定板の第２の位相型回折格子とにより、各トラックごとに複数の周期信号を発生させ、複数の周期信号と集光素子による信号との論理積をとることにより、移動板の基準位置を特定する。
【００４８】
上記第１の光学式エンコーダにおいて、前記第１及び第３の位相型回折格子の各トラックにおける周期信号をそれぞれＳｏ、Ｓｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは２以上の整数）として、各周期ＶＳｏ、ＶＳｉが、前記（３）式の条件を満たし、前記移動基準点近傍において、ＳｉのパルスがＳｉ−１のパルスをただ１つだけ含むことが好ましい。
【００４９】
また、前記移動基準点近傍において、前記移動板上の集光素子が作る集光スポットを受光することによって生じる信号のパルスが、Ｓｎのパルスをただ１つだけ含むことが好ましい。
【００５０】
また、本発明の第２の光学式エンコーダは、光源と、前記光源から出射された光を平行光にするレンズと、第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板と、第２のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第２の位相型回折格子を有する固定板と、前記第１の位相型回折格子と前記第２の位相型回折格子とにより生成される光パターンを検出する光検出器とを備え、格子ピッチが最大となるトラックの凸形状端部を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有することを特徴とする。
【００５１】
すなわち、本発明の第２の光学式エンコーダは、第１及び第２の位相型回折格子は、それぞれ格子ピッチの異なる複数のトラックを有し、格子ピッチが最大となるトラックの凸形状端部を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有しているため、各トラックごとに発生される周期信号はそれぞれパターンが異なるように設定される。各瞬間ごとのパターンをあらかじめ記憶しておいたパターンと比較することにより、移動板が現在移動基準位置からどの位置にあるのかを絶対的に判断することができる。
【００５３】
上記第２の光学式エンコーダにおいて、前記光検出器の複数の周期信号をそれぞれＳｏ、Ｓｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは２以上の整数）とし、各周期ＶＳｏ、ＶＳｉが、前記（４）式の条件を満たすことが好ましい。
【００８６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を示す光学式エンコーダの基本構成図である。
【００８７】
図１において、１は半導体レーザもしくは比較的可干渉性の高い発光ダイオードよりなる光源であり、この光源１より出射された光は、コリメータレンズ２により平行光とされ、移動板４へ入射される。
【００８８】
この移動板４は、位相型回折格子７とフレネルゾーンプレート８を有し、コリメータレンズ２により形成された前記平行光の光軸に対して略垂直に配置され、この光軸と平行な回転中心を持つ回転軸３に直結され、この回転軸３を中心に回転移動する。この移動板４の回折格子７とフレネルゾーンプレート８を通過した透過光は固定板５へ入射される。
【００８９】
固定板５は、移動板４の位相型回折格子７と等ピッチの位相型回折格子９とフレネルゾーンプレート10を有し、光軸に対して略垂直に配置されている。前記フレネルゾーンプレート８，10により形成される光のスポットは、受光器６の受光部11において受光される。
【００９０】
ここで、フレネルゾーンプレート８（10）の作用を図２によって説明する。図２はフレネルゾーンプレートの断面図およびフレネルゾーンプレートによる光の変調の様子を示したものである。
【００９１】
フレネルゾーンプレート８は、ピッチの異なる位相型回折格子の集合体であり、そのピッチは外周ほど小さくなっており、フレネルゾーンプレート８へ入射した平行光は光軸上の距離ｆに光のスポットＳをつくる。角度θは、スポットＳを形成する光の集光角度である。回折格子のピッチが小さいほど回折角が大きいことは周知の通りである。
【００９２】
フレネルゾーンプレート８では、外周ほどピッチを小さくすることで、回折光を光軸上の１点に集光させている。また、周知の通り、回折格子では＋１次回折光の他に−１次回折光も生じるので、各回折格子からスポットＳをつくるように回折する回折光を＋１次回折光とすると、それぞれ−１次回折光も生じていることになる。そのため、フレネルゾーンプレート８では、角度θで集光スポットＳをつくるとともに、角度θで拡散していく光を放射している。
【００９３】
上記構成による作用を図３を参照しながら説明する。図３は図１のフレネルゾーンプレート８，10を透過する光の経路図である。
まず、光源１から出射された光は、コリメータレンズ２によって平行光にされた後、移動板４に対して略垂直に入射される。フレネルゾーンプレート８に入射した平行光は、距離ｆｂ１の位置に集光スポットＳ１を形成すると同時に、その集光角度と等しい角度で拡散する光を放射する。フレネルゾーンプレート８から拡散放射される光は、固定板５上のフレネルゾーンプレート10へ入射し、受光部11上で集光スポットＳ２を形成する。集光スポットＳ２が、フレネルゾーンプレート８，10の中心どうしを結んだ線上にできることは幾何光学で周知の通りである。フレネルゾーンプレート８，10の焦点距離をそれぞれｆｂ１、ｆｂ２とし、移動板４と固定板５との距離をｇとすると、固定板５から光スポットＳ２までの距離ｆｃは、簡単な幾何学と光学におけるガウスの公式により、式（７）により与えられる。
【００９４】
ｆｃ＝（ｆｂ１＋ｇ）ｆｂ２／（ｆｂ１＋ｇ−ｆｂ２） ・・・（７）
この位置に受光部11を設置する。また移動板４の移動量をδｂ１とすると、集光スポットＳ２の移動量δｃは、簡単な幾何光学の計算により、式（８）により与えられる。
【００９５】
δｃ＝δｂ１・ｆｃ／ｆｂ１ ・・・（８）
さらに、光源１の大きさをφａとし、コリメータレンズ２の焦点距離をｆａとすると、集光スポットＳ２の径φｃは、式（９）により与えられる。
【００９６】
これらより、集光スポットＳ２の大きさ（径φｃ）は、式（１０）に示すように、光源１の大きさφａのＡ倍になり、集光スポットＳ２の移動量δｃは移動板４の移動量δｂ１のＢ倍となる。
【００９７】
そのため、フレネルゾーンプレート８の焦点距離ｆｂ１、フレネルゾーンプレート10の焦点距離ｆｂ２、コリメータレンズ２の焦点距離ｆａ、移動板４と固定板５との距離ｇの値を調整することにより、集光スポットＳ２の大きさ（径φｃ）と、集光スポットＳ２の移動量δｃを調整することができ、集光スポットＳ２の大きさ（径φｃ）をより小さく、集光スポットＳ２の移動量δｃをより大きくすることによって、移動板４の移動基準点の検出精度をより高くすることができる。
【００９８】
さらに、本実施の形態１によれば、Ｚ相信号は移動板４と固定板５の相対位置関係によって決まる波形の信号となり、同じく移動板４と固定板５の相対位置関係で決まるＡ／Ｂ相信号と容易に同期をとることができる。
【００９９】
一例としてｆａ＝４．５ｍｍのコリメータレンズ２を使い、ｆｂ１＝０．６ｍｍ、ｆｂ２＝０．７ｍｍ、ｇ＝０．３ｍｍとすると、ｆｃ＝３．１５ｍｍとなり、集光スポットＳ２の大きさは光源１の大きさの０．７倍に縮小され、集光スポットＳ２の移動量は移動板の移動量の５．２５倍に拡大されることになる。このように、ｆｂ１、ｆｂ２、ｆａ、ｇの各値を調整することでＺ相検出精度を向上させることができる。
【０１００】
また、受光部11の幅ｗと集光スポットＳ２の大きさとの関係を調整することにより、移動板４の原点付近での裕度を調整できる。さらに、フレネルゾーンプレート８，10は表面の凹凸形状で実現できるので、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂を基板材料に用いてスタンパ工法で作製できる。
【０１０１】
なお、本実施の形態１では、移動板４上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート８を拡散素子として、固定板５上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート10を集光素子として利用したが、移動板４上のＺ相領域のフレネルゾーンプレート８を集光素子として、固定板５上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート10を拡散素子として利用しても同じ効果が得られる。
【０１０２】
なお、光源１として発光ダイオードなど発光部分の径が波長の数倍以上であるような、比較的大きい発光部分を有するものを用いる場合に、より有効な作用を得ることができる。
【０１０３】
なお、本実施の形態１の一例として、ｆａ＝４．５ｍｍ、ｆｂ１＝０．６ｍｍ、ｆｂ２＝０．７ｍｍ、ｇ＝０．３ｍｍのものを使用したが、これ以外のものでも有効な作用が得られる。
【０１０４】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２を示す光学式エンコーダの基本構成図である。なお、実施の形態１の図１の構成と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０５】
図４において、21はフレネルゾーンプレート８に代えて移動板４に設けられた凹レンズ、22はフレネルゾーンプレート10に代えて固定板５に設けられた凸レンズである。受光部11は、これらレンズ21，22により形成される光のスポットを受光する。
【０１０６】
上記構成による作用を図５を参照しながら説明する。
まず、光源１から出射された光は、コリメータレンズ２によって平行光にされた後、移動板４に対して略垂直に入射される。この移動板４の凹レンズ21に入射した平行光は、距離ｆｂ13の位置に集光スポットＳ３を形成するような集光角度で拡散する。凹レンズ21から拡散放射された光は、固定板５上の凸レンズ22へ入射し、受光部11上で光スポットＳ４を形成する。光スポットＳ４が、レンズ21，22の中心どうしを結んだ線上にできることは幾何光学で周知の通りである。
【０１０７】
レンズ21，22の焦点距離をそれぞれｆｂ13、ｆｂ23とし、移動板４と固定板５との距離をｇ３とすると、固定板５から光スポットＳ４までの距離ｆｃ３は、簡単な幾何学と光学におけるガウスの公式により、式（１１）により与えられる。
この位置に受光部11を設置する。また移動板４の移動量をδｂ１３とすると、集光スポットＳ４の移動量δｃ３は、簡単な幾何光学の計算により、式（１２）により与えられる。
【０１０８】
δｃ３＝δｂ１３・ｆｃ３／ｆｂ１３ ・・・（12）
さらに、光源１の大きさをφａ３とし、コリメータレンズ２の焦点距離をｆａ３とすると、集光スポットＳ４の径φｃ３は、式（１３）により与えられる。
【０１０９】
これらより、集光スポットＳ４の大きさ（径φｃ３）は、式（１４）に示すように、光源１の大きさφａ３のＣ倍になり、集光スポットＳ４の移動量δｃ３は移動板４の移動量δｂ１３のＤ倍となる。
【０１１０】
そのため、レンズ21の焦点距離ｆｂ13、レンズ22の焦点距離ｆｂ23、コリメータレンズ２の焦点距離ｆａ３、移動板４と固定板５との距離ｇ３の値を調整することにより、集光スポットＳ４の大きさ（径）φｃ３と、集光スポットＳ４の移動量δｃ３を調整することができ、集光スポットＳ４の大きさ（径）φｃ３を小さく、集光スポットＳ４の移動量δｃ３を大きくすることによって、移動板４の移動基準点の検出精度をより高くすることができる。
【０１１１】
さらに、本実施の形態２によれば、Ｚ相信号は移動板４と固定板５の相対位置関係によって決まる波形の信号となり、同じく移動板４と固定板５の相対位置関係で決まるＡ／Ｂ相信号と容易に同期をとることができる。
【０１１２】
一例としてｆａ３＝４．５ｍｍのコリメータレンズ２を使い、ｆｂ13＝０．６ｍｍ、ｆｂ23＝０．７ｍｍ、ｇ３＝０．３ｍｍとすると、ｆｃ３＝３．１５ｍｍとなり、集光スポットＳ４の大きさは光源１の大きさの０．７倍に縮小され、集光スポットＳ４の移動量は移動板４の移動量の５．２５倍に拡大されることになる。このように、ｆｂ13、ｆｂ23、ｆａ３、ｇ３の各値を調整することでＺ相検出精度を向上させることができる。
【０１１３】
また、受光部11の巾ｗ３と集光スポットＳ４の大きさとの関係を調整することにより、移動板４の原点付近での裕度を調整できる。さらに、レンズ21，22は表面の凹凸形状で実現できるので、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂を基板材料に用いてスタンパ工法で作製できる。
【０１１４】
なお、本実施の形態２では、移動板４上のＺ相信号領域の光学素子として凹レンズ21を、固定板５上のＺ相信号領域の光学素子として凸レンズ22を利用したが、移動板４上のＺ相領域の光学素子として凸レンズを、固定板５上のＺ相信号領域の光学素子として凹レンズを利用しても同じ効果が得られる。
【０１１５】
なお、光源として発光ダイオードなど発光部分の径が波長の数倍以上であるような、比較的大きい発光部分を有するものを用いる場合に、より有効な作用を得ることができる。
【０１１６】
なお、本実施の形態２の一例として、ｆａ３＝４．５ｍｍ、ｆｂ13＝０．６ｍｍ、ｆｂ23＝０．７ｍｍ、ｇ３＝０．３ｍｍのものを使用したが、これ以外のものでも有効な作用が得られる。
【０１１７】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３を示す光学式エンコーダの基本構成図である。なお、実施の形態１の図１の構成と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１８】
図６において、31は、ハーフミラーであり、コリメータレンズ２によって平行光とされた光の光軸に沿って、コリメータレンズ２と移動板４間に配置され、光源１から出射された光がフレネルゾーンプレート８，10によって形成される光のスポットを、上方に設けた受光器６の受光部32に導く。受光部32により、光のスポットが受光される。なお、フレネルゾーンプレート10は反射型としている。
【０１１９】
上記構成による作用を図７を参照しながら説明する。
まず、光源１から出射された光は、コリメータレンズ２によって平行光にされた後、移動板４に対して略垂直に入射される。移動板４のフレネルゾーンプレート８に入射した平行光は、焦点距離ｆｂ12の位置に集光スポットＳ５を形成すると同時に、その集光角度と等しい角度で拡散する。フレネルゾーンプレート８から拡散放射される光は、固定板５の反射型フレネルゾーンプレート10へ入射し、集光されながら反射する。この光が再び移動板４上のフレネルゾーンプレート８へ入射することにより、光のスポットＳ６を生じる。この光のスポットＳ６は、ハーフミラー31により光源１からの光の光軸外へ曲げられ、受光部32に入射する。
【０１２０】
フレネルゾーンプレート８，10の焦点距離をそれぞれｆｂ12、ｆｂ22とし、移動板４と固定板５の距離をｇ２とすると、フレネルゾーンプレート８によって拡散されフレネルゾーンプレート10で反射集光されるときの、フレネルゾーンプレート10から集光点までの距離ｆｃ２は、幾何光学のガウスの公式から、式（１５）により与えられる。
【０１２１】
また、フレネルゾーンプレート10で反射集光される光がフレネルゾーンプレート８へ入射し、ハーフミラー31を通して光スポットＳ６を形成するとき、ハーフミラー31がない場合にできる集光スポットＳ６から移動板４までの距離をｆｄ２とすると、この距離ｆｄ２は、幾何光学のガウスの公式より、式（１６）により与えられる。
【０１２２】
集光スポットＳ６の移動量δｄ２は移動板４の移動量δｂ12により、式（１７）により与えられる。
【０１２３】
δｄ２＝δｂ１２・ｆｄ２／ｆｂ１２ ・・・（17）
また集光スポットＳ６の大きさ（径）φｄ２は光源の大きさφａ２とコリメータレンズ２の焦点距離ｆａ２により、式（１８）により与えられる。
【０１２４】
φｄ２＝φａ２・ｆｄ２／ｆａ２ ・・・（18）
よって、フレネルゾーンプレート８の焦点距離ｆｂ12、フレネルゾーンプレート10の焦点距離ｆｂ22、コリメータレンズ２の焦点距離ｆａ２、移動板４と固定板５の距離ｇ２の値を調整することにより、集光スポットＳ６の大きさ（径）φｄ２と、光スポットＳ６の移動量δｄ２を調整することができ、集光スポットＳ６の大きさφｄ２を小さく、光スポットＳ６の移動量δｄ２を大きくすることによって、移動板４の移動基準点の検出精度を向上させることができる。
【０１２５】
さらに、本実施の形態３によれば、Ｚ相信号は移動板４と固定板５の相対位置関係によって決まる波形の信号となり、同じく移動板４と固定板５の相対位置関係で決まるＡ／Ｂ相信号と容易に同期をとることができる。また、フレネルゾーンプレート８，10は表面の凹凸形状で実現できるので、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂を基板材料に用いてスタンパ工法で作製できる。
一例としてｆａ２＝４．５ｍｍのコリメータレンズ２を使い、ｆｂ12＝１ｍｍ、ｆｂ22＝５ｍｍ、ｇ２＝０．３ｍｍとすると、ｆｄ２＝２．２３ｍｍとなり、集光スポットＳ６の大きさは光源１の大きさの０．５倍に縮小され、集光スポットＳ６の移動量は移動板４の移動量の２．２３倍に拡大されることになる。このように、ｆｂ12、ｆｂ22、ｆａ２、ｇ２の各値を調整することでＺ相検出精度を向上させることができる。
【０１２６】
また、受光部32の巾ｗ２と光スポットＳ６の大きさとの関係を調整することにより、移動板４の原点付近での裕度を調整できる。
なお、本実施の形態３では移動板４上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート８を、光源１からの光が入射するときに拡散素子として、固定板５から光が再入射するときに集光素子として、また固定板５上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート10を集光素子として利用したが、移動板４上のＺ相領域のフレネルゾーンプレート８と固定板５上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート10を、拡散素子として使うか集光素子として使うかの組み合わせはその他も可能であり、また、フレネルゾーンプレート８，10を凹レンズあるいは凸レンズに代えても、本実施の形態３と同じ効果が得られる。
【０１２７】
なお、光源１として発光ダイオードなど発光部分の径が波長の数倍以上であるような、比較的大きい発光部分を有するものを用いる場合に、より有効な作用を得ることができる。
【０１２８】
なお、本実施の形態３の一例として、ｆａ２＝４．５ｍｍ、ｆｂ12＝１ｍｍ、ｆｂ22＝５ｍｍ、ｇ２＝０．３ｍｍのものを使用したが、これ以外のものでも有効な作用が得られる。
【０１２９】
（実施の形態４）
図８は本発明の実施の形態４を示す光学式エンコーダの基本構成図である。なお、実施の形態１の図１の構成と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１３０】
図８において、41はフレネルゾーンプレート８に代えて移動板４に設けられた、表面の微細な凹凸形状からなる光散乱源、42はフレネルゾーンプレート10に代えて固定板５に設けられた凸レンズである。受光部11は、光源１から出射された光が光散乱源41に入射することにより発生する散乱光を凸レンズ42で集光して形成した光のスポットを受光する。
【０１３１】
上記構成による作用を図９を参照しながら説明する。
まず、光源１から出射された光は、コリメータレンズ２によって平行光にされた後、移動板４に対して略垂直に入射される。移動板４の光散乱源41へ入射した平行光は、そこから散乱光を出射する。光散乱源41から出射される散乱光は、固定板５上の凸レンズ42へ入射し、受光部11上で光スポットＳ７を形成する。この光スポットＳ７が、光散乱源41と凸レンズ42の中心を結んだ線上にできることは幾何光学で周知の通りである。
【０１３２】
凸レンズ42の焦点距離をｆｂ24とし、移動板４と固定板５との距離をｇ４とすると、固定板５から光スポットＳ７までの距離ｆｃ４は、簡単な幾何光学と、光学におけるガウスの公式により式（１９）により与えられる。
【０１３３】
ｆｃ４＝ｇ４・ｆｂ２４／（ｇ４−ｆｂ２４） ・・・（19）
この位置に受光部11を設置する。また移動板４の移動量をδｂ14とすると、光スポットＳ７の移動量δｃ４は、簡単な幾何光学の計算により式（２０）により与えられる。
【０１３４】
δｃ４＝δｂ１４・ｆｃ４／ｇ４ ・・・（20）
また光散乱源41の大きさをφｂ４とすると、光スポットＳ７の径φｃ４は式（２１）により与えられる。
【０１３５】
φｃ４＝φｂ４・ｆｃ４／ｇ４ ・・・（21）
これらにより、光スポットＳ７の大きさ（径）φｃ４は式（２２）に示すように、光源１の大きさφａ４のＥ倍になり、光スポットＳ７の移動量δｃ４は、移動板４の移動量δｂ14のＦ倍となる。
【０１３６】
Ｅ＝φｂ４・ｆｃ４／（ｇ４・φａ４）
Ｆ＝ｆｃ４／ｇ４ ・・・（22）
よって、光散乱源41の大きさφｂ４、凸レンズ42の焦点距離ｆｂ24、移動板４と固定板５との距離ｇ４の値を調整することにより、光スポットＳ７の大きさ（径）φｃ４と、光スポットＳ７の移動量δｃ４を調整することができ、光スポットＳ７の大きさφｃ４を小さく、光スポットＳ７の移動量δｃ４を大きくすることによって、移動板４の移動基準点の検出精度を向上させることができる。
【０１３７】
さらに、本実施の形態４によれば、Ｚ相信号は移動板４と固定板５の相対位置関係によって決まる波形の信号となり、同じく移動板４と固定板５の相対位置関係で決まるＡ／Ｂ相信号と容易に同期をとることができる。また、光散乱源41と凸レンズ42、受光部11を、コリメータレンズ２により形成される平行光の光軸上からはずして、光散乱源41からの光が受光部11上に光スポットＳ７を形成しないときに、光源１からの光が受光部11に入射しないようにすることで、Ｚ相検出感度を高めることができる。
【０１３８】
一例として、φａ４＝２００μｍの光源１を使い、ｆｂ24＝０．２ｍｍ、ｇ４＝０．３ｍｍ、φｂ４＝５０μｍとすると、Ｅ＝０．５、Ｆ＝２となり、光スポットＳ７の大きさは光源１の大きさの０．５倍に縮小され、光スポットＳ７の移動量は移動板４の移動量の２倍に拡大されることになる。このように光散乱源41の大きさφｂ４、凸レンズ42の焦点距離ｆｂ24、移動板４と固定板５との距離ｇ４の各値を調整することにより、Ｚ相検出精度を向上させることができる。
【０１３９】
また、凸レンズ42は表面の凹凸形状で、光散乱源41は表面の微細な凹凸形状で実現できるので、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂を基板材料に用いてスタンパ工法で作製できる。
【０１４０】
なお、本実施の形態４において固定板５上の集光素子として凸レンズ42を用いたが、フレネルゾーンプレートを用いてもよいし、反射型の集光素子を用いてもよい。
【０１４１】
なお、本実施の形態４の一例として、ｆｂ24＝０．２ｍｍ、ｇ４＝０．３ｍｍ、φｂ４＝５０μｍのものを使用したが、これ以外のものでも有効な作用が得られる。
【０１４２】
（実施の形態５）
図１０は本発明の実施の形態５を示す光学式エンコーダの基本構成図である。なお、実施の形態１の図１の構成と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１４３】
図１０において、51はフレネルゾーンプレート８に代えて移動板４に設けられた、表面切欠き形状からなる反射面、52はフレネルゾーンプレート10に代えて固定板５に設けられた凸レンズである。受光部11は、光源１から出射された光が反射面51に入射することにより発生する、コリメータレンズ２から出射される光の光軸外へ進む光を凸レンズ52で集光して形成した光のスポットＳ８を受光する。
【０１４４】
上記構成による作用を図１１を参照しながら説明する。
まず、光源１から出射された光は、コリメータレンズ２によって平行光にされた後、移動板４に対して略垂直に入射される。移動板４に入射した光は、反射面51で平行光の光軸外へ反射される。その反射光は、固定板５上に設置される凸レンズ52へ入射し、受光部11上で光スポットＳ８を形成する。この光スポットＳ８が、反射面51と凸レンズ52の中心を結んだ線上にできることは幾何光学で周知の通りである。
【０１４５】
凸レンズ52の焦点距離をｆｂ25とし、移動板４と固定板５との距離をｇ５とすると、固定板５から光スポットＳ８までの距離ｆｃ５は、簡単な幾何光学と、光学におけるガウスの公式により式（２３）により与えられる。
【０１４６】
ｆｃ５＝ｇ５・ｆｂ２５／（ｇ５−ｆｂ２５） ・・・（23）
この位置に受光部11を設置する。また移動板４の移動量をδｂ15とすると、光スポットＳ８の移動量δｃ５は、簡単な幾何光学の計算により式（２４）により与えられる。
【０１４７】
δｃ５＝δｂ１５・ｆｃ５／ｇ５ ・・・（24）
また反射面51の大きさをφｂ５とすると、光スポットＳ８の径φｃ５は式（２５）により与えられる。
【０１４８】
φｃ５＝φｂ５・ｆｃ５／ｇ５ ・・・（25）
これらにより、光スポットＳ８の大きさ（径）φｃ５は式（２６）に示すように、光源１の大きさφａ５のＧ倍になり、光スポットＳ８の移動量δｃ５は、移動板４の移動量δｂ15のＨ倍となる。
【０１４９】
Ｇ＝φｂ５・ｆｃ５／（ｇ５・φａ５）
Ｈ＝ｆｃ５／ｇ５ ・・・（26）
よって、反射面51の大きさφｂ５、凸レンズ52の焦点距離ｆｂ25、移動板４と固定板５との距離ｇ５の値を調整することにより、光スポットＳ８の大きさ（径）φｃ５と、光スポットＳ８の移動量δｃ５を調整することができ、光スポットＳ８の大きさφｃ５を小さく、光スポットＳ８の移動量δｃ５を大きくすることによって、移動板４の移動基準点の検出精度を向上させることができる。
【０１５０】
さらに反射面51の大きさを小さくし、受光部11の大きさを小さくすることによりＺ相検出精度を高めることができる。また反射面51の角度を、入射した平行光が全反射するようにしてやれば、光の利用効率を高めることができる。さらに基板に屈折率１．５の材料を使用する場合、固定板５の周りの雰囲気が空気であれば全反射角度は４４．４度となるため、これ以上の角度で平行光が反射面に入射するようにし、その全反射光を凸レンズ52で集光して受光部11で受光すればよい。
【０１５１】
さらに、本実施の形態５によれば、Ｚ相信号は移動板４と固定板５の相対位置関係によって決まる波形の信号となり、同じく移動板４と固定板５の相対位置関係で決まるＡ／Ｂ相信号と容易に同期をとることができる。
【０１５２】
一例として、φａ５＝２００μｍの光源１を使い、ｆｂ25＝０．２ｍｍ、ｇ５＝０．３ｍｍ、φｂ５＝５０μｍとすると、Ｇ＝０．５、Ｈ＝２となり、光スポットＳ８の大きさは光源１の大きさの０．５倍に縮小され、光スポットＳ８の移動量は移動板４の移動量の２倍に拡大されることになる。このように反射面51の大きさφｂ５、凸レンズ52の焦点距離ｆｂ25、移動板４と固定板５との距離ｇ５の各値を調整することにより、Ｚ相検出精度を向上させることができる。
【０１５３】
また、凸レンズ52および反射面51は表面の凹凸形状で実現できるので、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂を基板材料に用いてスタンパ工法で作製できる。
【０１５４】
なお、本実施の形態５において集光素子として凸レンズ52を用いたが、フレネルゾーンプレートを用いてもよいし、反射型の集光素子を用いて同じ効果が得られる。
【０１５５】
なお、本実施の形態５の一例として、ｆｂ25＝０．２ｍｍ、ｇ５＝０．３ｍｍ、φｂ５＝５０μｍのものを使用したが、これ以外のものでも有効な作用が得られる。
（実施の形態６）
本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態６について、図１２〜図１６を参照しつつ説明する。図１２は本発明の光学式エンコーダの実施の形態６の基本構成を示す斜視図である。図１２に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源１０１と、光源１０１より出射された光を平行光にするコリメータレンズ１０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸１１４を中心に回転可能な移動板１０３と、光軸に対して略垂直に配置された固定板１０７と、複数の受光部を有する受光器１１０等で構成されている。
【０１５６】
円盤状の移動板１０３は、全周にわたって環状に配置された位相型回折格子１０４と、同心円状に配置された複数の円弧状の位相型回折格子１０５−１、１０５−２、・・・１０５−ｎ（但し、ｎは２以上の整数）（以下、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と一般化する。他も同様。）と、フレネルゾーンプレート１０６を有する。略扇形の固定板１０７は、移動板１０３の各位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）にそれぞれ対応し、等しいピッチを有する略円弧状に形成された位相型回折格子１０８及び１０９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）を有する。受光器１１０の受光部１１１は、移動板１０３のフレネルゾーンプレート１０６により形成される光スポットを受光する。また、受光部１１２は、移動板１０３の位相型回折格子１０４と固定板１０７の位相型回折格子１０８により形成される光を受光する。受光部１１３−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、それぞれ移動板１０３の位相型回折格子１０５−ｉと固定板１０７の位相型回折格子１０９−ｉにより形成される光を受光する。
【０１５７】
上記各位相型回折格子の断面形状を図１３に示す。図１３において、図１３Ａは位相型回折格子１０４及び１０８の断面形状であり、格子ピッチＰ０ を有する。図１３Ｂは位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の断面形状であり、格子ピッチＰ１ を有する。図１３Ｃは位相型回折格子１０５−２及び１０９−２の断面形状であり、格子ピッチＰ２ を有する。同様にして、図１３Ｄは位相型回折格子１０５−ｎ及び１０９−ｎの断面形状であり、格子ピッチＰｎを有する。格子ピッチＰ０、Ｐ１・・・Ｐｎは順にピッチ間隔が広くなっていることがわかる。
【０１５８】
位相型回折格子１０４及び１０８は、移動板１０３の移動量検出（Ａ／Ｂ相）信号用であり、位相型回折格子１０４は、移動板１０３上の回転軸１１４を中心とする円の全周に設けられている。図５２に示す従来例と同様に、移動板１０３上の位相型回折格子１０４と、対応する固定板１０７上の位相型回折格子１０８により、光の強弱変化が生じる。移動板１０３に入射した光は、移動板１０３上の位相型回折格子１０４により＋１次回折光と−１次回折光に回折される。これらの回折光は固定板１０７上の位相型回折格子１０８に入射し、それぞれ＋１次回折光と−１次回折光に回折される。移動板１０３上の位相型回折格子１０４と、対応する固定板１０７上の位相型回折格子１０８の格子ピッチは共にＰＯであり、等しい回折角度を有する。そのため、移動板１０３上の位相型回折格子１０４により−１次に回折され、固定板１０７上の位相型回折格子１０８により＋１次に回折された光（（−１、＋１）次回折光）と、移動板１０３上の位相型回折格子１０４により＋１次に回折され、固定板１０７上の位相型回折格子１０８により−１次に回折された光（（＋１、−１）次回折光）は、互いに光路が等しくなって干渉し、光の強弱が発生する。干渉条件は、移動板１０３の移動量δによるので、移動板１０３の移動量δによって受光部１１２の受光量が変化し、移動板１０３の移動量が検出できる。以上を数式で表すと以下のようになる。
【０１５９】
このように、干渉光強度Ｉ（δ）は、位相型回折格子１０４及び１０８の格子ピッチＰ０に依存した周期で正弦波状に強弱を繰り返すことになる。その強弱の周期は上式より、格子ピッチＰ０の１／２となる。そのため、図１３Ａに示した格子ピッチＰ０を有する位相型回折格子１０４と１０８による干渉光信号の変化の周期はＰ０／２、格子ピッチＰ１を有する位相型回折格子１０５−１と１０９−１による干渉光信号の変化の周期はＰ１ ／２となる。一般化すると、位相型回折格子１０５−ｉと１０９−ｉによる干渉光信号の変化の周期はＰｉ／２（ｉ＝１〜ｎ）となる。各位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の格子ピッチＰｉ（ｉ＝１〜ｎ）を、互いに異なるように設定することにより、干渉光強度の強弱変化の周期を相違させることができる。
【０１６０】
ここで、図１２及び図１３中における０°線はＺ相信号を発生させたい位置であり、移動板１０３及び固定板１０７にそれぞれに想定されている。図１３に示すように、０°線が各位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、１０８、１０９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の凸部上を通るように形成されている。位相型回折格子１０４及び１０８の０°線近傍の拡大図を図１４Ａに示す。また、位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の０°線近傍の拡大図を図１４Ｂに示す。図１４Ａ及びＢにおいて、それぞれ紙面右側を正方向、左側を負方向とする。
【０１６１】
図１４Ａに示す位相型回折格子１０４及び１０８において、”ａ”は０°線から０°線が通る格子凸部１４１の正方向の端部１４１ａまでの距離（角度）を表す。また、０°線から格子凸部１４１の正方向に隣接する格子凸部１４２の端部１４２ａまでの距離（角度）は”ａ＋Ｐ０／２”で表される。さらに、０°線から格子凸部１４１の負方向の端部１４１ｂまでの距離（角度）は”Ｐ０／２−ａ”で表され、０°線から格子凸部１４１と負方向に隣接する格子凸部１４３の端部１４３ａまでの距離（角度）は”Ｐ０−ａ”で表される。
図１４Ｂにおいて、”ｂ”は０°線から位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の格子凸部１５１の正方向の端部１５１ａまでの距離（角度）を表す。位相型回折格子１０５−１及び１０９−１において、０°線から格子凸部１５１の負方向の端部１５１ｂまでの距離（角度）は”Ｐ１ ／２−ｂ”で表される。
【０１６２】
位相型回折格子１０４及び１０８と１０５−１及び１０９−１との位置関係について、位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の０°線が通る格子凸部１５１が、位相型回折格子１０４及び１０８の０°線が通る格子凸部１４１をただ１つだけ含む条件、すなわち、以下の（３０）式及び（３１）式が成り立つ。
【０１６３】
｜ａ｜≦｜ｂ｜≦｜ａ＋Ｐ０／２｜ ・・・（30）
｜Ｐ０／２−ａ｜≦｜Ｐ１／２−ｂ｜≦｜Ｐ０−ａ｜ ・・・（31）
同様に、格子１０５−１及び１０９−１と１０５−２及び１０９−２との関係についても、位相型回折格子１０５−２及び１０９−２の０°線が通る格子凸部が、位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の０°線が通る格子凸部をただ１つだけ含む条件が成り立つ。すなわち、０°線から０°線が通る格子１０５−２及び１０９−２の格子凸部の正方向の端部までの距離（角度）を”ｃ”（図示せず）とし、０°線から０°線が通る格子凸部の負方向の端部までの距離（角度）を”Ｐ２／２−ｃ”とし、位相型回折格子１０５−１及び１０９−１における０°線から０°線が通る格子凸部と正方向に隣接する格子凸部に始まる端部までの距離（角度）を”ｂ＋Ｐ１／２”とし、０°線から０°線が通る格子凸部の負方向の端部までの距離（角度）を”Ｐ１ −ｂ”として、以下の（３２）式及び（３３）式が成り立つ。
【０１６４】
｜ｂ｜≦｜ｃ｜≦｜ｂ＋Ｐ１／２｜ ・・・（32）
｜Ｐ１／２−ｂ｜≦Ｐ２／２−ｃ｜≦｜Ｐ１−ｂ｜ ・・・（33）
以下、位相型回折格子１０５−２及び１０９−２と１０５−３及び１０９−３との関係、・・・位相型回折格子１０５−（ｎ−１）及び１０９−（ｎ−１）と１０５−ｎ及び１０９−ｎとの関係についても同様である。
【０１６５】
図１２に示す移動板１０３のフレネルゾーンプレート１０６は受光器１１０上に焦点を結び、光スポットを作る。移動板１０３の回転に伴い、受光器１１０上の光スポットも移動するが、光スポットが受光部１１１で受光されることにより、１回転で１パルス分の信号が生成される。これらの位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）及びフレネルゾーンプレート１０６により、移動板１０３の回転移動にともない生成される各受光部１１１，１１２，１１３−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の出力信号を２値化したものを示したものを図１５に示す。図１５において、Ａは受光部１１２の受光信号を２値化したものであり、周期はＰ０ ／２である。Ｚ１、Ｚ２、・・・Ｚｎは、それぞれ受光部１１３−１、１１３−２、・・・１１３−ｎの受光信号を２値化したものであり、それぞれ周期はＰ１ ／２、Ｐ２ ／２・・・Ｐｎ／２である。
【０１６６】
図１３及び図１４に示したように、各位相型回折格子は、位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の０°線が通る格子凸部が位相型回折格子１０４及び１０８の０°線が通る格子凸部をただ１つだけ含み、位相型回折格子１０５−２及び１０９−２の０°線が通る格子凸部が位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の０°線が通る格子凸部をただ１つだけ含み、・・・という関係に配置されている。そのため、出力信号も同様に、Ｚ１の０°線が通るパルスがＡの０°線が通るパルスをただ１つだけ含み、Ｚ２の０°線が通るパルスがＺ１の０°線が通るパルスをただ１つだけ含み、・・・Ｚｎの０°線が通るパルスがＺｎ−１の０°線が通るパルスをただ１つだけ含むという関係になる。また、Ｚｄは、受光部１１１の受光信号を２値化したものであり、Ｗｚｄの幅を有し、Ｚｎの０°線が通るパルスをただ１つだけ含む。
【０１６７】
図１６は、図１５に示す各信号の０点近傍における拡大図であり、各信号間の関係を表す。０点は、移動板１０３の０°線が固定板１０７の０°線に到達した瞬間を意味する。図中、紙面右側を正方向、左側を負方向とする。”α”は、信号Ａにおける０点から０点を含むパルス１６１の正方向における終端１６１ａまでの距離（角度）を表す。”β１ ”は、信号Ｚ１ における０点から０点を含むパルス１７１の正方向における終端１７１ａまでの距離（角度）を表す。このとき、信号Ａにおいて、０点からパルス１６１と正方向に隣接するパルス１６２が始まる端部１６２ａまでの距離（角度）は”α＋Ｐ０／４”で表され、０点からパルス１６１負方向における終端１６１ｂまでの距離（角度）は”Ｐ０／４−α”で表され、０点からパルス１６１と負方向に隣接するパルス１６３が始まる端部１６３ａまでの距離（角度）は”Ｐ０／２−α”で表される。また、信号Ｚ１ において、０点からパルス１７１の負方向における終端１７１ｂまでの距離（角度）は”Ｐ１／４−β１”で表される。
【０１６８】
信号ＡとＺ１ との関係は、Ｚ１の０点を含むパルス１７１が、Ａの０点を含むパルス１６１をただ１つだけ含む条件、すなわち、以下の（３４）式及び（３５）式が成り立つ。
【０１６９】
｜α｜≦｜β１｜≦｜α＋Ｐ０／４｜ ・・・（34）
｜Ｐ０／４−α｜≦｜Ｐ１／４−β１｜≦｜Ｐ０／２−α｜・・・（35）
同様に、信号Ｚ１とＺ２の関係についても、信号Ｚ２の０点を含むパルス１８１が、信号Ｚ１の０点を含むパルス１７１をただ１つだけ含むような条件が成り立つ。すなわち、信号Ｚ２において、０点からパルス１８１の正方向における終端１８１ａまでの距離（角度）を”β２”とし、０点からパルス１８１の負方向における終端１８１ｂまでの距離（角度）を”Ｐ２／４−β２”とし、信号Ｚ１における、０点からパルス１７１と正方向に隣接するパルス１７２が始まる端部１７２ａまでの距離（角度）を”β１＋Ｐ１／４”とし、０点からパルス１７１と負方向に隣接するパルス１７３が始まる端部１７３ａまでの距離（角度）”Ｐ１／２−β１”として、以下の（３６）式及び（３７）式が成り立つ。
【０１７０】
同様に、信号Ｚ２とＺ３の関係・・・Ｚｎ−１とＺｎの関係についても、信号Ｚｎ のＯ点を含むパルスが、信号Ｚｎ−１の０点を含むパルスをただ一つ含む条件が成り立つ。すなわち、信号Ｚｎにおける０点から０点を含むパルスの正方向の端部までの距離（角度）を”βｎ ”とし、０点から０点を含むパルスの負方向の端部までの距離（角度）を”Ｐｎ／４−βｎ”とし、信号Ｚｎ−１における０点から０点を含むパルスと正方向に隣接するパルスが始まる端部までの距離（角度）を”βｎ−１＋Ｐｎ−１／４”とし、０点から０点を含むパルスの負方向の端部までの距離（角度）を”Ｐｎ−１／２−βｎ−１”として、以下の（３８）式及び（３９）式が成り立つ。
【０１７１】
これらの信号Ａ、Ｚ１、Ｚ２、・・・ＺｎとＺｄの論理積をとり、これをＺ相信号とすることにより、Ａ／相１パルスと同期したＺ相信号を生成することができる。
【０１７２】
従来例の説明において述べたように、Ａ、Ｚ１・・・等の等ピッチの位相型回折格子を相対変化させることにより、発生する信号の周期を小さくすることができる。これに対し、Ｚｄ のような移動板１０３上に設けたフレネルゾーンプレート１０６等の集光素子によるスポット光検出により発生される信号の幅は、狭くすることができない。そのため、単にＡ／Ｂ相信号である信号Ａと、Ｚ相信号発生用の信号である信号Ｚｄを発生させて、それらの理論和をとるだけでは、Ａ／Ｂ相１パルスと同期したＺ相信号は生成できない。しかしながら、本発明のように、Ａ、Ｚ１、Ｚ２・・・ＺｎとＺｄの論理積をとり、これをＺ相信号とすることにより、Ａ／Ｂ相１パルスと同期したＺ相信号を生成することができる。
【０１７３】
また、単にＡ／Ｂ相信号である信号Ａと、Ｚ相信号発生用の信号である信号Ｚｄを発生させ、Ｚｄのパルスが発生した瞬間から、Ａ／Ｂ相信号パルス１つ分を電気回路で抜き出し、これをＺ相信号とする方法も可能である。しかしながら、Ｚｄのパルスは、電気ノイズ、機械振動、その他の様々な要因のため、必ずしも一定のタイミングで発生するとは限らない。Ｚｄの発生タイミングずれの許容値は、信号Ａの凹部１つ分、すなわち、Ｐ０／４である。これに対し、Ａ、Ｚ１、Ｚ２、・・・ＺｎとＺｄの論理積をとり、これをＺ相信号とすれば、Ｚｄの発生タイミングずれの許容値は、信号Ｚｎの凹部１つ分、すなわち、Ｐｎ／４である。上記（３０）〜（３３）式に示す条件等から、Ｐｎ／４≧Ｐ０／４が成り立つ。すなわち、本発明によれば、Ｚｄ の発生のタイミングのずれ許容値が大きくとることができ、電気ノイズ、機械振動等に強い光学式エンコーダを実現することができる。また、位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、１０８、１０９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）及びフレネルゾーンプレート１０６を基板表面の凹凸形状で実現することができるため、透過性を有する樹脂を用いて、スタンパ工法により作製することができる。
【０１７４】
なお、各位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、１０８、１０９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の全てに関して０°線が格子凸部を通るようにしたが、０°線が格子凹部を通るように構成しても同様の効果が得られる。あるいは、各位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、１０８、１０９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の全てに共通して、０°線が格子凸部又は格子凹部を通らなくてもよく、一部の位相型回折格子に関しては、０°線が格子凸部を通り、他の位相型回折格子に関しては、０°線が格子凹部を通るように０°線下に凸部と凹部を混合した配置であっても同様の効果が得られる。
【０１７５】
また、移動板１０３と固定板１０７に関して、０°線がともに各位相型回折格子の凸部又は凹部を通らなくてもよく、例えば移動板１０３では０°線が各位相型回折格子１０４、１０５−１・・・１０５−ｎの凸部を通り、固定板１０７では０°線が各位相型回折格子１０８、１０９−１・・・１０９−ｎの凹部を通るような構成であっても又はその逆の構成であってもよい。また、信号Ｚ１の０°線が通るパルス１７１が、信号Ａの０°線が通るパルス１６１をただ１つだけ含み、信号Ｚ２の０°線が通るパルス１８１が信号Ｚ１ のパルス１７１をただ１つだけ含み、・・・信号Ｚｎ の０°線が通るパルスが信号Ｚｎ−１の０°線が通るパルスをただ１つだけ含むという関係の出力信号、すなわち、（３４）〜（３９）式の条件を満たす出力信号が得られる位相型回折格子の配列であれば、上に示した格子配列でなくとも、同じ効果が得られる。また、移動板１０３上に設置する集光素子としてフレネルゾーンプレート１０６を用いたが、レンズを用いても同じ効果が得られる。
（実施の形態７）
次に本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態７について、図１７〜図１９を参照しつつ説明する。図１７は本発明の光学式エンコーダの実施の形態７の基本構成を示す斜視図である。図１７に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源１０１と、光源１０１より出射された光を平行光にするコリメータレンズ１０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸１１４を中心に回転可能な移動板１０３と、光軸に対して略垂直に配置された固定板１０７と、複数の受光部を有する受光器１１０等で構成されている。
【０１７６】
円盤状の移動板１０３は、全周にわたって環状に想定された複数のトラック上に形成され、主として±１次回折光を発生する複数の位相型回折格子１３０−０、１３０−１、１３０−２、・・・１３０−（ｎ−１）、１３０−ｎ（ｎは２以上の整数）を有する。各トラック上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）では、それぞれ格子ピッチが異なるが、１つのトラック上では格子ピッチは一定である。略扇型の固定板１０７は、移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に対応し、各格子ピッチと等しい格子ピッチを有する位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を有する。受光器１１０の各受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）は、それぞれ移動板１０３の位相型回折格子１３０−ｉと１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の相対位置関係により形成される光を受光する。
【０１７７】
上記本発明の実施の形態６と同様に、移動板１０３に入射した光は、移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により、＋１次回折光と−１次回折光に回折され、それらの光は、それぞれ固定板１０７上の位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に入射し、＋１次回折光と−１次回折光に回折される。移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）と、対応する固定板１０７上の位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の格子ピッチはともに等しいので、等しい回折角度を有する。そのため、移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により−１次に回折され、固定板１０７上の位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により＋１次に回折された光（（−１、＋１）次回折光）と、移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により＋１次に回折され、固定板１０７上の位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により−１次に回折された光（（＋１、−１）次回折光）は、互いに光路が等しくなって干渉し、光の強弱が発生する。干渉条件は、移動板１０３の移動量δによるので、移動板１０３の移動量δによって受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の受光光量が変化し、移動板１０３の移動量が検出できる。
【０１７８】
このとき、各受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）による検出信号は位相型回折格子の格子ピッチの１／２の周期を有する正弦波状信号となる。図１７に示すように、移動板１０３の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）及び固定板１０７の位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）では、それぞれトラックが異なるごとに格子ピッチがそれぞれ違うように設定されているので、これらの位相型回折格子により形成される干渉光強度変化の周期は、各トラックごとにそれぞれ異なる。すなわち、各受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の受光信号の周期がそれぞれ異なる。
【０１７９】
図１８は、移動板１０３及び固定板１０７上の０°線近傍における位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）及び１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の断面形状を示したものである。各トラックにおける位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）及び１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）は、それぞれＰ３−０、Ｐ３−１、・・・Ｐ３−（ｎ−１）、Ｐ３−ｎの格子ピッチを有し、格子凸部の端部が、図１７の移動板１０３及び固定板１０７にそれぞれ示した０°線上にある。各格子ピッチＰ３−０、Ｐ３−１、・・・?Ｐ３−（ｎ−１）、Ｐ３−ｎは、以下に示す（４０）式及び（４１）式の関係にある。
【０１８０】
このとき、各受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）からの受光信号は、それぞれ各格子ピッチの１／２の周期の正弦波状となる。これを２値化した一例を図１９に示す。図１９中、０点は、移動板１０３の０°線が固定板１０７の０°線に到達した瞬間を意味する。δ１、δ２・・・δｎ−１、δｎは、それぞれ、移動板１０３が移動し、ある位置に到達した瞬間を表す。例えば、δ１のとき、各受光部１３２−０、１３２−１、・・・１３２−（ｎ−１）、１３２−ｎの受光信号は、２値化した信号をＨ及びＬで記述すると、それぞれＨ、Ｈ・・・Ｈ、Ｈである。δ２では、Ｌ、Ｈ・・・Ｈ、Ｈであり、δｎ−１ では、Ｌ、Ｈ・・・Ｌ、Ｈであり、δｎでは、Ｈ、Ｌ・・・Ｌ、Ｈである。
【０１８１】
このように、各受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）のＨ、Ｌ信号の組み合わせは、移動板１０３の位置に依存する。移動板１０３が、ある位置にあるときの各トラックの２値化信号パターンが、移動板が他のいずれの位置にあるときの２値化信号パターンとも異なるように設定することにより、受光信号パターンから移動板の絶対的回転位置を検出することができる。移動板１０３の位置に特有の信号パターンが得られるので、移動板１０３の回転位置がどこであっても位置検出が可能な絶対位置検出型光学式エンコーダとなる。
【０１８２】
位相型回折格子は基板表面の凹凸形状により実現することができ、ポリカーポネートやアクリル等の透明樹脂を用いて、スタンパ工法により安価に作製することができる。なお、上記実施の形態７では、移動板１０３及び固定板１０７上の位相型回折格子１３０−ｉ及び１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を、図１８に示すように、０°線の紙面右側に凸部を配置したが、紙面右側に凹部を配置しても同様の効果が得られる。また、位相型回折格子１３０−ｉ及び１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を、０°線にあわせて全て凸部としたが、凸部及び凹部の混合としても同様の効果が得られる。さらに、移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）と固定板１０７上の位置型回折１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の凹凸位置の配列を同じにしたが、これらの凹凸位置の配列が同じでなくても同様の効果が得られる。さらに、０°線上にあわせて位相型回折格子１３０−ｉ及び１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を配置したが、２値化した受光信号が、図１９に示すような、複数の位相型回折格子のうち、最も格子ピッチの小さい位相型回折格子により得られる信号周期の整数倍の周期信号が発生できるような格子配置であれば、同様の効果が得られる。
（実施の形態８）
次に本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態８について、図２０〜図２３を参照しつつ説明する。図２０は本発明の光学式エンコーダの実施の形態８の基本構成を示す斜視図である。図２０に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源１０１と、光源１０１より出射された光を平行光にするコリメータレンズ１０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸１１４を中心に回転可能な移動板１０３と、光軸に対して略垂直に配置された固定板１０７と、複数の受光部を有する受光器１１０等で構成されている。
【０１８３】
円盤状の移動板１０３は、全周にわたって環状に配置された複数のトラックからなり、主として±１次回折光を発生する複数の位相型回折格子１４０−０、１４０−１、１４０−２、・・・１４０−（ｎ−１）、１４０−ｎ（ｎは２以上の整数）を有する。各トラック上の位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）では、それぞれ格子が設けられている領域と格子が設けられていない領域のパターンが異なり、かつ各トラック上の格子ピッチも異なる。略扇型の固定板１０７は、移動板１０３上の各トラックで変調された光を選択的に透過させたための光透過部１４１及びその両側に設けられたフレネルゾーンプレート１４３を有する。受光器１１０の各受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）は、それぞれ移動板３の位相型回折格子１４０−ｉと固定板１０７の光透過部１４１を通過した光を受光する。
【０１８４】
上記本発明の光学式エンコーダの実施の形態８の光路図を図２１に示す。図２１において、ＡとＢとでは移動板１０３の位置が異なる。光源１０１から出射された光はコリメータレンズ１０２により平行光化され、移動板１０３に入射する。移動板１０３が図２１Ａに示す位置の場合、光は移動板１０３では変調されず、そのまま透過し、さらに固定板１０７の光透過部１４１を透過し、受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に入射する。移動板１０３が移動し、図２１Ｂに示す位置の場合、光は移動板１０３上の位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により＋１次回折光と−１次回折光に分離され、０次回折光、すなわち直進する光の強度はほぼ０となる。移動板１０３上の位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により±１次に回折された光は、固定板１０７上のフレネルゾーンプレート１４３により進路を曲げられ、受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）には入射しないか、入射してもその光量は少ない。すなわち、移動板１０３の位置により、受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）での受光量が変化する。
移動板１０３上の０°線近傍における、位相型回折格子１４０−０、１４０−１、・・・１４０−（ｎ−１）、１４０−ｎの断面形状を図２２に示す。各位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）は、それぞれＰ４−０、Ｐ４−１、・・・Ｐ４−（ｎ−１）、Ｐ４−ｎ の格子ピッチを有する。また、各位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の格子の設けられている領域と格子が設けられていない領域の周期を、それぞれＬ４−０、Ｌ４−１、・・・Ｌ４−（ｎ−１）、Ｌ４−ｎとする。また、各位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の格子が設けられている領域の端部は、図２０の移動板１０３に示した０°線上にあるものとする。各位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の格子が設けられている領域と格子が設けられていない領域の周期Ｌ４−０、Ｌ４−１ 、・・・Ｌ４−（ｎ−１）、Ｌ４−ｎ は、以下に示す（４２）式及び（４３）式に関係にある。
【０１８５】
このとき、受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）での受光信号は、それぞれ格子の設けられている領域と格子の設けられていない領域の周期Ｌ４−１（ｉ＝０〜ｎ）の信号となる。これを２値化した一例を図２３に示す。図２３中、０点は、移動板１０３の０°線が固定板１０７の０°線に到達した瞬間を意味する。δ１、δ２ ・・・δｎ−１、δｎは、それぞれ、移動板１０３が移動し、ある位置に到達した瞬間を表す。例えば、δ１のとき、各受光部１４２−０、１４２−１、・・・１４２−（ｎ−１）、１４２−ｎの受光信号は、２値化した信号をＨ及びＬで記述すると、それぞれＨ、Ｈ・・・Ｈ、Ｈである。δ２では、Ｌ、Ｈ・・・Ｈ、Ｈであり、δｎ−１では、Ｌ、Ｈ・・・Ｌ、Ｈであり、δｎでは、Ｈ、Ｌ・・・Ｌ、Ｈである。
【０１８６】
このように、各受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）のＨ、Ｌ信号の組み合わせは、上記実施の形態７の場合と同様に、移動板１０３の位置に依存する。移動板１０３が、ある位置にあるときの各トラックの２値化信号パターンが、移動板が他のいずれの位置にあるときの２値化信号パターンとも異なるように設定することにより、受光信号パターンから移動板の絶対的回転位置を検出することができる。移動板３の位置に特有の信号パターンが得られるので、移動板１０３の回転位置がどこであっても位置検出が可能な絶対位置検出型光学式エンコーダとなる。
【０１８７】
位相型回折格子は基板表面の凹凸形状により実現することができ、ポリカーボネートやアクリル等の透明樹脂を用いて、スタンパ工法により安価に作製することができる。なお、上記実施の形態８では、移動板１０３上の位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を、図２２に示すように、０°線の紙面右側に格子が設けられている領域を配置したが、紙面右側に格子が設けられていない領域を配置しても同様の効果が得られる。また、位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を、０°線にあわせて全て格子が設けられている領域としたが、格子が設けられている領域と格子が設けられていない領域とを混合して配置しても同様の効果が得られる。さらに、０°線上にあわせて位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の格子が設けられている領域を配置したが、２値化した受光信号が、図２３に示すような、複数の位相型回折格子のうち、最も格子が設けられている領域と格子が設けられていない領域の周期の小さいトラックにより得られる信号周期の整数倍の周期信号が発生できるような格子配置であれば、同様の効果が得られる。（実施の形態９）
次に本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態９について、図２４〜図２７を参照しつつ説明する。図２４は本発明の光学式エンコーダの実施の形態９の基本構成を示す斜視図である。図２４に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源１０１と、光源１０１より出射された光を平行光によるコリメータレンズ１０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸１１４を中心に回転可能な移動板１０３と、複数の受光部を有する受光器１１０等で構成されている。
【０１８８】
円盤状の移動板１０３は、回転軸１１４の回転中心の周りに同心円的に想定された複数のトラック上に、それぞれ異なった一定の間隔（角度）で配置された、例えばフレネルゾーンプレート等の集光素子１５０−０、１５０−１、１５０−２、・・・１５０−（ｎ−１）、１５０−ｎを有する。受光器１１０の各受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）は、それぞれ集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により形成されるスポット光を集光する。
【０１８９】
上記本発明の光学式エンコーダの実施の形態９の光路図を図２５に示す。図２５Ａと図２５Ｂとでは移動板１０３の位置が異なる。光源１０１から出射された光はコリメータレンズ１０２により平行光化され、移動板１０３に入射する。移動板１０３が（ａ）に示す位置の場合、入射光は移動板１０３上の集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により集光され、受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に入射する。移動板１０３が移動し、図２５Ｂに示す位置になった場合、入射光は移動板１０３を透過し、この場合も受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に入射する。しかし、受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に入射する光の強度は、図２５Ｂに示すように平行光がそのまま移動板１０３を透過する場合よりも、図２５Ａに示すように集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により集光される場合の方が大きいことは明らかである。従って、移動板１０３の位置により、受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の受光量が変化する。
【０１９０】
移動板１０３上の０°線近傍における集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の断面を図２６に示す。各トラックにおける集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の間隔を、それぞれ、Ｌ５−０、Ｌ５−１、・・・Ｌ５−（ｎ−１）、Ｌ５−ｎとして、以下の（４４）式及び（４５）式の関係にある。
【０１９１】
このとき、受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）での受光信号は、それぞれ集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の周期Ｌ５−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の信号となる。これを２値化した一例を図２７に示す。図２７中、０点は、移動板１０３の０°線が受光器１１０の０°線に到達した瞬間を意味する。δ１、δ２・・・δｎ−１、δｎは、それぞれ、移動板１０３が移動し、ある位置に到達した瞬間を表す。例えば、δ１のとき、各受光部１５２−０、１５２−１、・・・１５２−（ｎ−１）、１５２−ｎの受光信号は、２値化した信号をＨ及びＬで記述すると、それぞれＨ、Ｈ・・・Ｈ、Ｈである。δ２では、Ｌ、Ｌ・・・Ｌ、Ｌであり、δｎ−１では、Ｌ、Ｌ・・・Ｌ、Ｌであり、δｎでは、Ｈ、Ｌ・・・Ｌ、Ｌである。
【０１９２】
このように、各受光部５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）のＨ、Ｌ信号の組み合わせは、実施の形態８の場合と同様に、移動板１０３の位置に依存する。移動板１０３が、ある位置にあるときの各トラックの２値化信号パターンが、移動板が他のいずれの位置にあるときの２値化信号パターンとも異なるように設定することにより、受光信号パターンから移動板の絶対的回転位置を検出することができる。移動板１０３の位置に特有の信号パターンが得られるので、移動板１０３の回転位置がどこであっても位置検出が可能な絶対位置検出型光学式エンコーダとなる。
【０１９３】
フレネルゾーンプレート等の集光素子は、基板表面の凹凸形状として実現できるので、ポリカーボネートやアクリル等の透明樹脂を用いて、スタンパ工法により安価に作製することができる。なお、上記実施の形態９では、移動板１０３の０°線上にあわせて集光素子を配置したが、２値化した受光信号が、図２７に示すように、複数のトラック信号のうち、最も周期の小さいトラック信号の周期の整数倍の周期信号が発生できるような集光素子の配置であれば、同様の効果が得られる。また、移動板上の集光素子としてフレネルゾーンプレートの代わりに集光レンズを用いても同様の効果が得られる。
（実施の形態１０）
本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態１０について、図２８〜図３１を参照しつつ説明する。図２８は本発明の光学式エンコーダの実施の形態１０の基本構成を示す斜視図である。図２８に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源２０１と、光源２０１より出射された光を平行光にするコリメータレンズ２０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸２１３を中心に回転可能な移動板２０３と、光軸に対して略垂直に配置された固定板２０７と、複数の受光部を有する受光器２１０等で構成されている。
【０１９４】
円盤状の移動板２０３は、全周にわたって環状に配置された位相型回折格子２０４と、位相型回折格子２０４と同心円状に配置した位相型回折格子２０６の一部パターンを削除することで作製した光透過部２０５を有する。固定板２０７は、移動板２０３の位相型回折格子２０４に対応し、等しいピッチを有する略円弧状に形成された位相型回折格子２０８と、フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４を有する。受光器２１０の受光部２１１は、移動板２０３の位相型回折格子２０４と固定板２０７の位相型回折格子２０８により形成される光を受光する。受光部２１２−１〜２１２−４は、それぞれ移動板２０３の光透過部２０５と固定板２０７のフレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４により形成される光を受光する。
【０１９５】
図２８の構成において、回転板２０３の光透過部２０５、位相型回折格子２０６と、固定板２０７のフレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４で光変調することにより、受光器２１０の受光部２１２−１〜２１２−４での受光量が変化することを図２９により説明する。ここで、受光部２１２−１〜４は、それぞれフレネルゾーンプレート２０９−１〜４の各パターン中心に対応する位置に配置している。固定板２０７から受光器２１０までの距離をＬ、位相型回折格子２０６の回折角度をθ１、受光部の、フレネルゾーンプレート光学中心に対応する点から受光部の端部までの距離をδ、受光部の、フレネルゾーンプレート光学中心に対応する点から集光スポット位置までの距離をΔとする（図２９Ｂ中に記載）。
【０１９６】
移動板２０３の回転位置によって、固定板のフレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４に対応する位置に、光透過部２０５がある場合と位相型回折格子２０６がある場合とがある。フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４に対応する位置に光透過部５が存在する場合（図２９Ａの場合）、移動板に入射した略平行光は光透過部５を透過し、フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４に入射する。フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４によって形成される光スポット２１３−１〜２１３−４をそれぞれ受光部２１２−１〜２１２−４により受光する。また、フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４に対応する位置に位相型回折格子２０６が存在する場合（図２９Ｂの場合）、移動板に入射した略平行光は位相型回折格子２０６によって回折される。そのため、フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４により形成される光スポット２１３−１〜２１３−４の位置がずれ、受光部２１２−１〜２１２−４で受光されない。すなわち、
Δ＝Ｌ×ｔａｎθ１＞δ ・・・（４６）
の関係を満足させておくことで、フレネルゾーンプレートの集光スポットを受光部で受光しないようにすることができる。
【０１９７】
位相型回折格子２０６の格子ピッチＰと回折角度θ１は、使用する光の波長λにより、
ｓｉｎθ１＝λ／Ｐ ・・・（４７）
の関係があることはよく知られている。そのため、（４６）（４７）式を満たすよう、位相型回折格子２０６の格子ピッチや受光部の幅などの関係を規定する。
【０１９８】
上記の受光器２１３−１〜２１３−４の受光信号からＺ相信号を形成する方法を、図３０、３９を用いて説明する。図３０は回転板の光透過部、固定板のフレネルゾーンプレートと受光部位置を示すものである。図３１は、図３０における光透過部２０５の位置に対する、受光部１２−１〜１２−４の受光光量の関係を示すものである。
【０１９９】
信号（１）、（２）、（３）、（４）は、それぞれ受光部２１２−１、２１２−２、２１２−３、２１２−４の受光光量を示す。光透過部の幅をｄ、フレネルゾーンプレート２０９−１と２０９−２の幅をｒＡ 、フレネルゾーンプレート２０９−３と２０９−４の幅をｒＢ とし、フレネルゾーンプレート２０９−１と２０９−２の境界位置をａ、フレネルゾーンプレート２０９−３と２０９−４の境界位置をｂとする。簡単のため、フレネルゾーンプレート２０９−１と２０９−２の幅は等しくｒＡ／２とする。同じくフレネルゾーンプレート２０９−３と２０９−４の幅も等しくｒＢ／２とする。
【０２００】
光透過部のＡ部（図３０中に記載）位置と信号（１）、（２）、（３）、（４）は図に示すとおりとなる。信号（１）に関して、Ａ部の位置θ（Ａ）がａ−ｒＡ／２の位置のとき、つまり、
θ（Ａ）＝ａ−ｒＡ／２ ・・・（４８）
のとき、受光光量が増加し始め、
θ（Ａ）＝ａ ・・・（４９）
で受光光量が一定になり、
θ（Ａ）＝ａ＋ｄ−ｒＡ／２ ・・・（５０）
で受光光量が減少し始め、
θ（Ａ）＝ａ＋ｄ ・・・（５１）
のとき受光光量が一定となる。
【０２０１】
信号▲２▼に関しても同様に、
θ（Ａ）＝ａ ・・・（５２）
のとき受光光量が増加し始め、
θ（Ａ）＝ａ＋ｒＡ／２ ・・・（５３）
で受光光量が一定になり、
θ（Ａ）＝ａ＋ｄ ・・・（５４）
で受光光量が減少し始め、
θ（Ａ）＝ａ＋ｄ＋ｒＡ／２ ・・・（５５）
のとき受光光量が一定となる。信号（３）、（４）に関しても同様である。
図３１は、信号（１）〜（４）からＺ相信号を生成する処理方法を示したものである。信号（１）と（２）の差分信号として信号（５）を得、（３）と（４）の差分信号として信号（６）を得る。信号（５）、（６）をそれぞれゼロレベルで２値化して信号（７）、（８）を生成し、信号（７）、（８）の排他論理積から信号（９）を生成する。
【０２０２】
また、信号（２）と（３）の和から信号（１０）を生成し、信号（１０）を、信号（９）の１パルスを含むパルス信号になるような適当なしきい値で二値化して信号（１１）を生成する。
これら、信号（９）と信号（１１）の論理積によって、信号（１２）（Ｚｄ信号とする）を得る。
【０２０３】
Ｚｄ信号とＡ／Ｂ相信号（１３）との論理積をとり、これをＺ相信号（１４）とすることで、Ａ／Ｂ相信号１パルスと同期したＺ相信号を生成することができる。
このとき、Ｚｄ信号のパルス幅ＴＺｄと、Ａ／Ｂ相信号のパルス幅ＴＡＢを以下の関係にし、
ＴＡＢ＜ＴＺｄ＜ＴＡＢ×２ ・・・（５６）
Ｚｄ信号がＡ／Ｂ相信号１パルスのみを包括するようにすることで、論理積をとったときにＡ／Ｂ相信号１パルスと同期したＺ相信号を得られる。
【０２０４】
光透過部２０５の中心がフレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−２の境界にある時に受光部２１２−１と２１２−２の差動出力がゼロになり、この点がＺｄ信号の立ち上がり点となる。同じく、光透過部２０５がフレネルゾーンプレート２０９−３と２０９−４の境界にあるときに受光部２１２−３と２１２−４の差動出力がゼロになり、この点がＺｄ信号の立ち下がり点になる。つまり、Ｚｄ信号のパルス幅は、フレネルゾーンプレート２０９−１と２０９−２の境界である位置ａと、フレネルゾーンプレート２０９−３と２０９−４の境界である位置ｂのなす距離（角度）となる。距離｜ａ−ｂ｜に制約はなく、どんな値でもよい。すなわち、Ｚｄ信号のパルス幅を制約なく小さくできる。上記従来例の一例で示した、１０μｍ程度の周期であるＡ／Ｂ相信号と同じ程度のパルス幅のＺ相信号を生成することが可能となる。
【０２０５】
ここで、光透過部の幅ｄはフレネルゾーンプレートの幅ｒＡ、ｒＢ以下である、すなわち次の関係を満たす。
ｄ≦ｒＡ ・・・（５７）
ｄ≦ｒＢ ・・・（５８）
なぜならば、光透過部幅ｄがフレネルゾーンプレート幅ｒＡ、ｒＢより大きいと、２フレネルゾーンプレート境界付近において光透過部の位置が変化しても、２受光部の差動出力の変化が得られない、つまり差動出力とゼロレベルとの交叉が点でなくなってしまい、ノイズ等の影響によってＺｄ信号の立ち上がり点が安定しなくなるからである。
【０２０６】
位相型回折格子やフレネルゾーンプレートは基板表面の凹凸形状により実現でき、ポリカーボネートやアクリル等の透明樹脂を用いてスタンパ工法により安価に作製することができる。
【０２０７】
なお、位相型回折格子２０６として、移動板２０３の移動中心を中心とする放射状の格子を用いたが、位相型回折格子２０６とフレネルゾーンプレート２０９−１〜４により形成される光スポットを受光部２１２−１〜４で受光しないようなもの、例えば図３５に示すような同心円状の格子２６１、あるいは図３６に示すような放射状でも同心円状でもない格子２６２、あるいは図３７に示すようなフレネルゾーンプレート２６３、あるいは図３８に示すような光散乱面２６４、あるいは図３９に示すようなプリズム２６５、あるいは図４０に示すようなレンズ２６６であっても同様の効果が得られる。また、固定板２０７上の集光性位相変調素子としてフレネルゾーンプレートを用いたが、図４１に示すような通常の屈折レンズ２９１−１〜２９１−４であっても同様の効果が得られる。
【０２０８】
なお、本実施の形態では、固定板上の並列２集光素子２組を、移動板の移動方向に関して互いに異なる位置に設置することで、２つの差動出力のゼロクロスタイミングをずらせて２値化信号の立ち上がり部と立ち下がり部を生成したが、図３４に示すように、固定板上の並列２集光素子２組を、移動板の移動方向に関して同じ位置に設置し、対応する移動板上の光透過部の位置を互いに異なるように設置しても、２つの差動出力信号のゼロクロスタイミングがずれるので、同様の効果が得られる。
【０２０９】
また、フレネルゾーンプレート２０９−１と２０９−２、および２０９−３と２０９−４の幅を等しくしたが、等しくなくとも同様の効果が得られる。
（実施の形態１１）
本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態１１について、図３２〜図３３を参照しつつ説明する。図３２は本発明の光学式エンコーダの実施の形態１１の基本構成を示す斜視図である。図３２に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源２０１と、光源２０１より出射された光を平行光にするコリメータレンズ２０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸２１３を中心に回転可能な移動板２０３と、光軸に対して略垂直に配置された固定板２０７と、複数の受光部を有する受光器２１０等で構成されている。
【０２１０】
円盤状の移動板２０３は、同心円状に配置した位相型回折格子２０６−１、２０６−２、・・・２０６−ｎ（但し、ｎは２以上の整数）（以下、２０６−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と一般化する。他も同様。）の一部パターンを削除することで作製した光透過部２０５−ｉ−１、・・・２０５−ｉ−ｍｎ（但しｍｎは１以上の整数）（以下、２０５−ｉ−ｊ（ｊ＝１〜ｍｎ）と一般化する。）を有する。
【０２１１】
固定板２０７は、移動板の位相型回折格子２０６−ｉに対応した位置に、フレネルゾーンプレート２０９−ｉ−１〜２０９−ｉ−４を有する。受光器２１０の受光部２１２−ｉ−１〜２１２−ｉ−４は、それぞれ移動板２０３の光透過部２０５−ｉ−ｊと固定板２０７のフレネルゾーンプレート２０９−ｉ−１〜２０９−ｉ−４により形成される光を受光する。
【０２１２】
図２８の構成において、回転板２０３の光透過部２０５−ｉ−ｊ、位相型回折格子２０６−ｉと、固定板２０７のフレネルゾーンプレート２０９−ｉ−１〜２０９−ｉ−４で光変調することにより、受光器２１０の受光部２１２−ｉ−１〜２１２−ｉ−４での受光量が変化することは、実施の形態１０において図２９により説明した通りであり、図３０、３９で説明した方法で、各トラックの２値化信号Ｚｄ１、Ｚｄ２、・・・Ｚｄｎ（ｎは２以上の整数）を生成する。各トラックで生成される２値化信号Ｚｄｉの発生タイミングは、各光透過部２０５−ｉ−ｊの相対位置で決まる。
【０２１３】
２値化信号をＨ及びＬで記述すると、移動板の１回転中での各トラックの２値化信号Ｈ、Ｌの組み合わせは、移動板２０３の位置に依存する。移動板２０３がある位置のときの各トラックの２値化信号パターンが、移動板が他のいずれの位置ある時の２値化パターン信号とも異なるように、複数の各トラック信号間でパルス幅（すなわちフレネルゾーン２０９−ｉ−１と２０９−ｉ−２の境界と、２０９−ｉ−３と２０９−ｉ−４の境界の距離（角度））と発生タイミング（すなわち光透過部２０５−ｉ−ｊの位置）を設定することで、受光信号パターンから移動板の絶対回転位置を検出することができる。移動板２０３の位置に特有の信号パターンが得られるので、移動板２０３の回転位置がどこであっても位置検出が可能なアブソリュート型光学式エンコーダとなる。
【０２１４】
位相型回折格子やフレネルゾーンプレートは基板表面の凹凸形状により実現でき、ポリカーボネートやアクリル等の透明樹脂を用いてスタンパ工法により安価に作製することができる。
【０２１５】
なお、位相型回折格子２０６として、移動板２０３の移動中心を中心とする放射状の格子も用いたが、位相型回折格子２０６とフレネルゾーンプレート２０９−１〜４により形成される光スポットを受光部２１２−１〜４で受光しないようなもの、例えば図４２に示すような同心円状の格子２６１−１〜２６１−ｎ、あるいは図４３に示すような放射状でも同心円状でもない格子２６２−１〜２６２−ｎ、あるいは図４４に示すようなフレネルゾーンプレート２６３−１〜２６３−ｎ、あるいは図４５に示すような光散乱面２６４−１〜２６４−ｎ、あるいは図４６に示すようなプリズム２６５−１〜２６５−ｎ、あるいは図４７に示すようなレンズ２６６−１〜２６６−ｎであっても同様の効果が得られる。また、固定板２０７上の集光性位相変調素子としてフレネルゾーンプレートを用いたが、図４８にしめすような通常な屈折レンズ２９１−１−１〜２９１−ｎ−４であっても同様の効果が得られる。
【０２１６】
なお、本実施の形態では、固定板上の並列２集光素子２組を、移動板の移動方向に関して互いに異なる位置に設置することで、２つの差動出力のゼロクロスタイミングをずらせて２値化信号の立ち上がり部と立ち下がり部を生成したが、図３４に示すように、固定板上の並列２集光素子２組を、移動板の移動方向に関して同じ位置に設置し、対応する移動板上の光透過部の位置を互いに異なるように設置しても、２つの差動出力信号のゼロクロスタイミングがずれるので、同様の効果が得られる。
【０２３０】
【発明の効果】
本発明の第１の光学式エンコーダによれば、光源と、前記光源から出射された光を平行光にするレンズと、集光素子及び第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板と、第２のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第２の位相型回折格子を有する固定板と、前記第１の位相型回折格子と前記第２の位相型回折格子とにより生成される第１の光パターン及び前記集光素子により生成される第２の光パターンを検出する光検出器とを備え、前記集光素子の中心を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有することを特徴とする。すなわち、この第１の光学式エンコーダの構成によれば、集光素子及び第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板の第１の位相型回折格子と固定板の第２の位相型回折格子とにより、各トラックごとに複数の周期信号を発生させ、複数の周期信号と集光素子による信号との論理積をとることにより、移動板の基準位置を特定することができる。位相型回折格子やフレネルゾーンプレート等の集光素子は、透明基板の表面の凹凸形状で実現できるため、透過性のある樹脂を用いて、スタンパ工法により安価に作製することができる。
【０２３１】
また、本発明の第２の光学式エンコーダによれば、光源と、前記光源から出射された光を平行光にするレンズと、第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板と、第２のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第２の位相型回折格子を有する固定板と、前記第１の位相型回折格子と前記第２の位相型回折格子とにより生成される光パターンを検出する光検出器とを備え、格子ピッチが最大となるトラックの凸形状端部を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有することを特徴とする。すなわち、第２の光学式エンコーダの構成によれば、第１及び第２の位相型回折格子は、格子ピッチが最大となるトラックの凸形状端部を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有しているため、各トラックごとに発生される周期信号はそれぞれパターンが異なるように設定される。各瞬間ごとのパターンをあらかじめ記憶しておいたパターンと比較することにより、移動板が現在移動基準位置からどの位置にあるのかを絶対的に判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光学式エンコーダの概略構成図
【図２】上記実施の形態１における効果説明のための、フレネルゾーンプレートの作用を示す光路図
【図３】上記実施の形態１における効果説明のため、光の経路を示した光路図
【図４】本発明の実施の形態２に係る光学式エンコーダの概略構成図
【図５】上記実施の形態２における効果説明のため、光の経路を示した光路図
【図６】本発明の実施の形態３に係る光学式エンコーダの概略構成図
【図７】上記実施の形態３における効果説明のための、光の経路を示した光路図
【図８】本発明の実施の形態４に係る光学式エンコーダの概略構成図
【図９】上記実施の形態４における効果説明のための、光の経路を示した光路図
【図１０】本発明の実施の形態５に係る光学式エンコーダの概略構成図
【図１１】上記実施の形態５における効果説明のための、光の経路を示した光路図
【図１２】本発明の実施の形態６の光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図１３】実施の形態６の位相光学素子の各トラックの断面形状を示す図
【図１４】図１３に示す位相光学素子の断面形状の一部分拡大した図
【図１５】実施の形態６における受光部の出力信号を示す図
【図１６】図１５に示す出力信号の一部分を拡大した図
【図１７】本発明の実施の形態７における光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図１８】実施の形態７における位相光学素子の断面形状を示す図
【図１９】実施の形態７における受光部の出力信号を示す図
【図２０】本発明の実施の形態８における光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図２１】実施の形態８における光学式エンコーダの光路図
【図２２】実施の形態８における位相光学素子の断面形状を示す図
【図２３】実施の形態８における受光部の出力信号を示す図
【図２４】本発明の実施の形態９における光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図２５】実施の形態９における光学式エンコーダの光路図
【図２６】実施の形態９における位相光学素子の断面形状を示す図
【図２７】実施の形態９における受光部の出力信号を示す図
【図２８】本発明の実施の形態１０における光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図２９】実施の形態１０における光変調の様子を示す光路図
【図３０】実施の形態１０における変調素子位置を示す図
【図３１】実施の形態１０の出力信号生成過程を示す図
【図３２】本発明の実施の形態１１における光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図３３】実施の形態１１の出力信号例を示す図
【図３４】実施の形態１０における別の変調素子位置を示す図
【図３５】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図３６】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図３７】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図３８】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図３９】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４０】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４１】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４２】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４３】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４４】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４５】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４６】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４７】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４８】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４９】第１の従来例の光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図５０】従来の遮光パターンを作製するプロセス図
【図５１】従来のスタンバ工法による位相型回折格子の作成プロセス図
【図５２】第１の従来例の光学式エンコーダの別の構成例及び光路を示す図
【図５３】第１の従来例の光学式エンコーダのさらに別の構成例及び光路を示す図
【図５４】光源の大きさとレンズ定数と光スポットとの関係を説明するための光路図
【図５５】第２の従来例の光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図５６】第３の従来例の位置検出装置の概略構成を示す図
【符号の説明】
１，１０１，２０１ 光源
２，１０２，２０２ コリメータレンズ
３，１１４，２１３ 回転軸
４，１０３，２０３ 移動板
５，１０７，２０７ 固定板
６，１１０，２１０ 受光器
７，９，１０４，１０５，１０８，１０９，２０４，２０６，２０８ 回折格子
８，１０，１０６，１４３ フレネルゾーンプレート
１１，３２，１１１，１１２，１１３，２１１，２１２ 受光部
２１ 凹レンズ
２２，４２，５２ 凸レンズ
３１ ハーフミラー
４１ 光散乱源
５１ 反射面
１４１，２０５ 光透過部
２０９ 集光素子
φａ，φａ２，φａ３，φａ４，φａ５ 光源の大きさ
δｂ１，δｂ１２，δｂ１３，δｂ１４，δｂ１５ 移動板の移動量
δｃ，δｄ２，δｃ３，δｃ４，δｃ５ 光スポットの移動量
φｃ，φｄ２，φｃ３，φｃ４，φｃ５ 光スポットの大きさ
ｗ，ｗ２，ｗ３，ｗ４，ｗ５ 受光部の巾
ｇ，ｇ２，ｇ３，ｇ４，ｇ５ 移動板と固定板間の距離
ｆａ，ｆａ２，ｆａ３ コリメータレンズの焦点距離
ｆｂ１，ｆｂ１２ 移動板上のフレネルゾーンプレートの焦点距離
ｆｂ２，ｆｂ２２ 固定板上のフレネルゾーンプレートの焦点距離
ｆｂ１３ 移動板上のレンズの焦点距離
ｆｂ２３，ｆｂ２４，ｆｂ２５ 固定板上のレンズの焦点距離
ｆｃ，ｆｃ３，ｆｃ４，ｆｃ５ 固定板から光スポットまでの距離
ｆｃ２ 移動板上のフレネルゾーンプレートに入射した光が固定板上のフレネルゾ−ンプレートで集光される点から固定板間での距離
ｆｄ２ 移動板から光スポットまでの距離
φｂ４ 移動板上の光散乱源の大きさ
φｂ５ 移動板上の反射面の大きさ
Ｐｉ〜Ｐｎ 位相型回折格子のピッチ（但し、ｉ＝０〜ｎ、ｎは２以上の整数）
Ａ 受光部１２での受光信号を２値化した信号
Ｚｉ 受光部１３−ｉでの受光信号の２値化信号
Ｚｄ 受光部１１での受光信号を２値化した信号
Ｚ Ａ、Ｚ１、Ｚ２、Ｚｎ・・Ｚｄの論理積信号
ａ７ 光源の発光径
ｂ７ コリメータレンズの焦点距離
ｃ７ フレネルゾーンプレートの焦点距離
ｃ７ｄ フレネルゾーンプレートから受光部までの距離
ｄ７ 集光スポット径
【発明の属する技術分野】
本発明は、機械装置等において位置決めをする際に用いられる光学式のエンコ−ダ及びその位置検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（第１の従来例）
一般に、光学式エンコーダは、位置検出方式の違いにより、インクリメンタル型とアブソリュート型（絶対位置検出型）の２種類に大別される。従来のインクリメンタル型光学式エンコーダの構成及び動作を説明する。図４９に示すように、従来のインクリメンタル型光学式エンコーダは、光源５０１と、光源５０１から出射される光を平行光にするためのコリメータレンズ５０２と、軸５１２を中心として回転する移動板５０３と、移動板５０３に対向するように配置された固定板５０６と、２つの受光部５１０及び５１１が設けられた受光器５０９等で構成されている。
【０００３】
移動板５０３は、円周上に等ピッチのスリット又は回折格子５０４が配列されたＡ／Ｂ相信号領域と、円周上にただ１つのスリット５０５が配置されたＺ相信号領域を有する。同様に、固定板５０６は、移動板と同じピッチのスリット又は回折格子５０７が配置されたＡ／Ｂ相信号領域部分と、円周上にただ１つのスリット５０８が配置されたＺ相信号領域を有する。受光器５０９の受光部５１０は、移動板５０３の回折格子５０４と固定板５０６の回折格子５０７を透過した光を検出する。また、受光器５０９の受光部５１１は、移動板５０３のスリット５０５と固定板５０６のスリット５０８を透過した光を検出する。
【０００４】
移動板５０３と固定板５０６のＡ／Ｂ相信号領域（各回折格子５０４及び５０７）を透過する光を検出することにより、移動板５０３の回転角度に応じた信号（Ａ／Ｂ相信号）を検出し、Ｚ相信号領域（各スリット５０５及び５０８）を透過する光を検出することにより、移動板５０３の原点を示す信号（Ｚ相信号）を検出する。通常、受光器５０９の出力信号を２値化してパルス信号とし、位置検出の信号処理を行う。信号処理を容易にするために、Ｚ相信号は、Ａ／Ｂ信号と同期することが望まれる。そのため、Ｚ相信号のパルスはＡ／Ｂ相信号のパルス１つのみと同期する必要がある。
【０００５】
次に、スリット等の遮光パターンを作製する方法について図５０を参照しつつ説明する。図５０に示すように、透明な基板５２１上に、フォトレジスト５２２を塗布する（Ａ）。次に、フォトレジスト５２２上に、あらかじめ電子ビーム露光等で作製しておいた所定のパターンを有するマスク５２３を密着させ又は接近させる（Ｂ）。さらに、レジストが反応しうる波長域の光を照射することにより、露出したレジストのみを可溶又は不溶にした後、マスク５２３を外す。基板５２１をレジスト溶剤に浸すと、基板５２１上にレジストによるマスクパターン５２２’が転写される（Ｃ）。マスクパターン５２２’が転写された基板５２１を蒸着装置（図示せず）に装着し、クロム等の金属５２４を蒸着する（Ｄ）。その後、蒸着装置から基板５２１を取り出し、アセトン等の有機溶剤で、基板５２１上に残ったフォトレジスト５２２’を除去する（Ｅ）。これら一連の作業の結果、基板５２１上にスリット等の遮光パターン５２５が形成される。
【０００６】
以上のように、基板５２１上にスリット等の遮光パターン５２５を作製するには多くの工程が必要である。また、マスク５２３と基板５２１との位置合せも容易でない。そのため、周知のように、移動板５０３及び固定板５０６上にスリット等のパターンを形成するためのコストが高くなってしまう。そこで、インクリメンタル型光学式エンコーダにおいては、移動板５０３及び固定板５０６のＡ／Ｂ相信号領域（回折格子５０４及び５０７）に位相型光学素子を用いることによってコストを低減する方式が検討されている。
【０００７】
位相型光学素子は、基板表面に凹凸形状を設けることにより作成することができる。その製造工程を図５１に示す。所定の形状を有する金型５３１に、加熱等により流動性を持たせたアクリルやポリカーボネート等の透明樹脂５３２を流し込み、固化させる。得られた位相型光学素子には金型の形状が転写されている。この方法によれば、基板表面にスリット等の遮光パターンを作製する方法と比較して、基板とパターンとの位置合せの必要がなく、また、フォトレジストの塗布、紫外線照射、現象、金属膜の蒸着及び洗浄等の工程が不要である。
【０００８】
Ａ／Ｂ相信号領域を位相光学素子の一つである位相型回折格子とした一例として、例えばＪＰＡ６−０４２９８１に示された従来のインクリメンタル型エンコーダが知られている。その構成を図５２に示す。図５２において、光源５０１は半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオードである。光源５０１から出射された光は、コリメータレンズ５０２により平行光化され、移動板５０３に入射する。移動板５０３は、主として±１次回折光を発生する位相型回折格子５３４を有し、かつ、前記平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転中心５１２の周りに回転可能である。固定板５０６は、移動板５０３上の位相型回折格子５３４と等しい格子ピッチＰを有する位相型回折格子５３７を有し、光軸に対して略垂直に配置されている。受光部５１０は受光部であり、位相型回折格子５３４と５３７の相対位置関係により形成される光を受光する。 光源５０１から出射された光は、コリメータレンズ５０２によって平行光にされた後、移動板５０３に対して略垂直に入射される。移動板５０３に入射した光は、移動板５０３上の位相型回折格子５３４により＋１次回折光と−１次回折光に回折される。これらの光は固定板５０６上の位相型回折格子５３７に入射し、それぞれ＋１次回折光と−１次回折光に回折される。位相型回折格子５３４と５３７の格子ピッチはともにＰで等しいので、位相型回折格子５３４と５３７の回折角度は等しい。そのため、位相型回折格子５３４で−１次に回折し、位相型回折格子５３７で＋１次に回折した光（（−１、＋１）次回折光）と、位相型回折格子５３４で＋１次に回折し、位相型回折格子５３７で−１次に回折した光（（＋１、−１）次回折光）は、互いに光路が等しくなって干渉し、光の強弱が発生する。干渉条件は、移動板５０３の移動量δによるため、移動板５０３の移動量δによって光の強弱が変化する。すなわち、移動板５０３の移動量δにより、受光部５１０の受光光量が変化するので、移動板５０３の移動量が検出できる。
【０００９】
一方、上記Ａ／Ｂ相信号領域と同様に、Ｚ相信号領域についても、スリットに代えて表面の凹凸形状にする方法が模索されている。例えば、図５３に示すように、移動板５０３上に集光レンズ５４１を設け、その集光スポットを受光部５１１で受光することにより移動板５０３の移動基準点を検出する。この場合、Ｚ相検出精度は集光スポットの大きさと受光部５１１の大きさによりほぼ決定され、集光スポットと受光部が小さいほど、高い検出精度を実現することができる。
（第２の従来例）
図４９に示したインクリメンタル型光学式エンコーダは、Ｚ相信号を基準としてＡ／Ｂ相信号の分だけ移動したとして、移動板５０３の位置検出を行う。従って、電源投入時の位置検出は不可能であり、基準位置の検出が必要不可欠となる。これに対し、スリットのパターンの違いにより、いつでも、どこの位置でも現在位置が検出できる、アブソリュート型光学式エンコーダが知られている。
【００１０】
アブソリュート型光学式エンコーダの構成及び動作を説明する。図５５に示すように、従来のアブソリュート型光学式エンコーダは、光源６０１と、光源６０１から出射される光を平行光にするためのコリメータレンズ６０２と、軸６１２を中心として回転し、略等ピッチのスリット６０４を円周状に配置したスリットトラックを複数個有する移動板６０３と、移動板６０３に対向するように配置され、回転板６０３上の複数スリットトラック６０４に対応した複数のスリット６０７を有する固定板６０６と、複数のスリット６０７に対応した複数の受光部６１０を有する受光器６０９等で構成されている。回転板６０３の各スリットトラックでは、互いにスリット６０４のピッチが異なるよう設置されている。各受光部６１０は移動板６０３のスリット６０４及び固体板６０６のスリット６０７を通った透過光を検出する。受光部６１０による検出信号のパターンにより、回転板６０３の絶対位置を検出することができる。
（第３の従来例）
従来より、物体に光を照射し、その像をテレビカメラ上に投影し、リニアアレイセンサの出力信号を２値化して位置を検出したり、あるいは移動する物体（以下移動体と記す）にスリットを設け、このスリットを通して光源からの出射光を受光部に入射させ、受光部の出力信号を２値化して移動体の移動基準点を検出することにより、物体の位置を非接触で検出することが広く行われている。例えば、ＪＰＡ２−４４２０２に示された従来の位置検出方法ついて、図５６を参照しつつ説明する。
【００１１】
図５６は第３の従来例である位置検出装置の平面図を示す。図５６において、７０１は光源、７０２は移動体であり、この移動体７０２上にスリット７０３が設けられている。７０５はスリット７０３を通過した光ビームであり、７０４は受光部である。移動体７０２は、光源７０１と受光部７０４の間にあり、光源７０１と受光部７０４を結ぶ軸に対し垂直方向に移動する。移動体７０２の移動につれて、光ビーム７０５も移動する。ＡＡは光源７０１から移動体７０２までの距離であり、Ｂは移動体７０２から受光部７０４までの距離である。また、Δは移動体７０２の移動量、δδは光ビーム７０５の移動量である。このとき、光ビーム７０５の移動量δδは、次の（１）式で表される。
【００１２】
δδ＝Δ・Ｂ／ＡＡ ・・・（１）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記第１の従来例であるインクリメンタル型エンコーダにおいて、Ｚ相信号領域について、スリットに代えて表面の凹凸形状にした場合、Ｚ相検出精度を高めることが困難であるという問題を有する。集光スポット径の大きさは、幾何光学では光源５０１の大きさとコリメータレンズ５０２の焦点距離等により決定される。図５４に示すように、光源５０１の大きさをφｓ１、コリメータレンズ５０２の焦点距離をｆｓ１、Ｚ相信号領域に設けた集光レンズ５４１の焦点距離をｆｓ２とすると、集光スポット５５１の径φｓ２は幾何光学のガウスの公式より、以下の（２）式で表される。
【００１４】
φｓ２＝φｓ１・ｆｓ２／ｆｓ１…（２）
従って、集光スポット５５１の径φｓ２を小さくするには、第１に光源５０１の大きさφｓ１を小さくするか、第２にコリメータレンズ５０２の焦点距離ｆｓ１を大きくするか、第３にＺ相信号領域の集光レンズ５４１の焦点距離ｆｓ２を小さくする等の方法が考えられる。しかしながら、第１の光源５０１の大きさを小さくする場合、光源５０１の近傍にピンホール等の遮光部を設ければよいが、利用できる光量が小さくなるという問題がある。また、Ａ／Ｂ相信号領域とＺ相信号領域の大きさにより、必要な平行光の直径、すなわちコリメータレンズ５０２の径が決まるため、第２のコリメータレンズ５０２の焦点距離ｆｓ１を大きくする場合、光源５０１の光の利用効率が小さくなるという問題がある。さらに、Ａ／Ｂ相信号領域の信号発生方法によっては、例えば固定板５０６からの不要な回折光を分離するために、固定板５０６と受光部５１１との距離を大きくする必要があり、Ｚ相信号領域の集光レンズ５４１の焦点距離ｆｓ２をあまり小さくできない。あるいは、Ａ／Ｂ相信号用の受光部５１０とＺ相信号用の受光部５１１とを分離し、Ａ／Ｂ相信号用の受光部５１０を固定板５０６から必要な距離だけ離した位置に設け、Ｚ相信号用の受光部５１１をそれよりも近づけて設けることも考えられるが、構造が複雑になり、また組立ても精度を要求され、コストアップの要因となる。
【００１５】
通常、光学式エンコーダの光源５０１として発光ダイオードを用いるが、発光ダイオードの発光径φｓ１は小さく見積もって１００μｍである。また、コリメータレンズ５０２の焦点距離は、製品の大きさや仕様等から５ｍｍ程度以上、さらに、移動板５０３と受光部５１１との距離を２０ｍｍ程度以上にする必要がある。その結果、移動板５０３上に設けた集光レンズ５４１による光スポット径は、上記（２）式から、約４００μｍとなる。Ａ／Ｂ相信号のピッチ（又は周期）１０μｍと比較して、Ｚ相信号はかなり幅の広い信号となってしまう。Ｚ相検出精度を高めるために、受光部５１１の大きさを光スポット径よりも小さくし、検出信号を二値化する際のしきい値を高く設定することも考えられる。しかしながら、電気ノイズの影響や光源５０１の発光強度の変動による影響を受けやすく、安定してＺ相の検出を行うことができない。
【００１６】
さらに、この方法では、移動板５０３の移動量を検出する信号であるＡ／Ｂ相信号とＺ層信号との同期をとることが困難であるという問題がある。図５３に示した方法では、Ａ／Ｂ相信号は移動板５０３と固定板５０６との相対位置関係で決まる波形の信号となるが、Ｚ相信号はその発生過程で固定板５０６を必要とせず、移動板５０３と受光部５１１との相対位置関係で決まる波形となる。従って、Ａ／Ｂ相信号とＺ相信号を同期させるためには、移動板５０３、固定板５０６及び受光部５１１の各素子の位置決めを高い精度で行わなければならない。さらに、これらの各素子の微少な位置ずれにより、Ａ／Ｂ相信号とＺ相信号とが同期しなくなる。
【００１７】
また、第２の従来例であるアブソリュート型エンコーダでは、移動板６０３及び固定板６０６上にそれぞれ複数のスリットトラックが設けられ、各スリットトラックにおけるスリット６０４のピッチが異なる。そのため、第１の従来例であるインクリメンタル型エンコーダのように、基板表面に等ピッチの凹凸形状を設けた位相型光学素子を用いる方法をとるがことができず、図５０に示したように、スリットを形成するために、透明基板上に金属等の薄膜を蒸着する方法をとる必要がある。そのため、製造コストの低減を計ることは困難である。
【００１８】
第３の従来例である位置検出方法において、移動体７０２の移動基準点の検出精度を上げるためには、移動体７０２の移動量Δによる光ビーム７０５の移動量δδを大きくすればよい。具体的には、距離Ｂを大きくし、距離ＡＡを小さくすればよい。しかし、距離Ｂを大きくすると同時に距離ＡＡを小さくすると、受光部７０４上での光ビーム７０５の径が大きくなる。その結果、移動体７０２の移動基準点の検出精度を下げることになる。一方、光ビーム７０５の径を小さくするために、スリット７０３を小さくしすぎると、光の回折が生じ、受光部７０４上の光ビーム７０５の径は逆に大きくなってしまう。また、スリット７０３を小さくすると、受光部７０４上での光量が少なくなり、ノイズの影響を受けやすくなるので、移動基準点の検出精度を下げる結果となる。さらに、回折の影響を防ぐためにスリット７０３と受光部７０４の距離Ｂを小さくすることも考えられるが、この距離を短くすると、移動体７０２と受光部７０４が接触して、互いに損傷を受ける危険がある。
【００１９】
本発明は上記従来例の問題点に鑑み、光学式エンコーダにおいて、Ｚ相信号とＡ／Ｂ相信号とを同期させつつ、精度の高い移動基準点検出、すなわち精度の高いＺ相信号検出を可能とすることを目的とする。また、移動体と受光部間の距離を十分に確保し、移動板と固定板の凹凸形状で信号を発生させることができる光学式エンコーダ及び位置（角度）検出方法を提供することを目的とする。さらに、移動板の絶対位置を、移動板と固定板の凹凸形状で生じる信号により検出する光学式エンコーダ及び位置検出方法を提供することを目的とする。
【００４５】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明の第１の光学式エンコーダは、光源と、前記光源から出射された光を平行光にするレンズと、集光素子及び第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板と、第２のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第２の位相型回折格子を有する固定板と、前記第１の位相型回折格子と前記第２の位相型回折格子とにより生成される第１の光パターン及び前記集光素子により生成される第２の光パターンを検出する光検出器とを備え、前記集光素子の中心を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有することを特徴とする。
【００４６】
すなわち、本発明の第１の光学式エンコーダは、集光素子及び第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板の第１の位相型回折格子と固定板の第２の位相型回折格子とにより、各トラックごとに複数の周期信号を発生させ、複数の周期信号と集光素子による信号との論理積をとることにより、移動板の基準位置を特定する。
【００４８】
上記第１の光学式エンコーダにおいて、前記第１及び第３の位相型回折格子の各トラックにおける周期信号をそれぞれＳｏ、Ｓｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは２以上の整数）として、各周期ＶＳｏ、ＶＳｉが、前記（３）式の条件を満たし、前記移動基準点近傍において、ＳｉのパルスがＳｉ−１のパルスをただ１つだけ含むことが好ましい。
【００４９】
また、前記移動基準点近傍において、前記移動板上の集光素子が作る集光スポットを受光することによって生じる信号のパルスが、Ｓｎのパルスをただ１つだけ含むことが好ましい。
【００５０】
また、本発明の第２の光学式エンコーダは、光源と、前記光源から出射された光を平行光にするレンズと、第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板と、第２のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第２の位相型回折格子を有する固定板と、前記第１の位相型回折格子と前記第２の位相型回折格子とにより生成される光パターンを検出する光検出器とを備え、格子ピッチが最大となるトラックの凸形状端部を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有することを特徴とする。
【００５１】
すなわち、本発明の第２の光学式エンコーダは、第１及び第２の位相型回折格子は、それぞれ格子ピッチの異なる複数のトラックを有し、格子ピッチが最大となるトラックの凸形状端部を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有しているため、各トラックごとに発生される周期信号はそれぞれパターンが異なるように設定される。各瞬間ごとのパターンをあらかじめ記憶しておいたパターンと比較することにより、移動板が現在移動基準位置からどの位置にあるのかを絶対的に判断することができる。
【００５３】
上記第２の光学式エンコーダにおいて、前記光検出器の複数の周期信号をそれぞれＳｏ、Ｓｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは２以上の整数）とし、各周期ＶＳｏ、ＶＳｉが、前記（４）式の条件を満たすことが好ましい。
【００８６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を示す光学式エンコーダの基本構成図である。
【００８７】
図１において、１は半導体レーザもしくは比較的可干渉性の高い発光ダイオードよりなる光源であり、この光源１より出射された光は、コリメータレンズ２により平行光とされ、移動板４へ入射される。
【００８８】
この移動板４は、位相型回折格子７とフレネルゾーンプレート８を有し、コリメータレンズ２により形成された前記平行光の光軸に対して略垂直に配置され、この光軸と平行な回転中心を持つ回転軸３に直結され、この回転軸３を中心に回転移動する。この移動板４の回折格子７とフレネルゾーンプレート８を通過した透過光は固定板５へ入射される。
【００８９】
固定板５は、移動板４の位相型回折格子７と等ピッチの位相型回折格子９とフレネルゾーンプレート10を有し、光軸に対して略垂直に配置されている。前記フレネルゾーンプレート８，10により形成される光のスポットは、受光器６の受光部11において受光される。
【００９０】
ここで、フレネルゾーンプレート８（10）の作用を図２によって説明する。図２はフレネルゾーンプレートの断面図およびフレネルゾーンプレートによる光の変調の様子を示したものである。
【００９１】
フレネルゾーンプレート８は、ピッチの異なる位相型回折格子の集合体であり、そのピッチは外周ほど小さくなっており、フレネルゾーンプレート８へ入射した平行光は光軸上の距離ｆに光のスポットＳをつくる。角度θは、スポットＳを形成する光の集光角度である。回折格子のピッチが小さいほど回折角が大きいことは周知の通りである。
【００９２】
フレネルゾーンプレート８では、外周ほどピッチを小さくすることで、回折光を光軸上の１点に集光させている。また、周知の通り、回折格子では＋１次回折光の他に−１次回折光も生じるので、各回折格子からスポットＳをつくるように回折する回折光を＋１次回折光とすると、それぞれ−１次回折光も生じていることになる。そのため、フレネルゾーンプレート８では、角度θで集光スポットＳをつくるとともに、角度θで拡散していく光を放射している。
【００９３】
上記構成による作用を図３を参照しながら説明する。図３は図１のフレネルゾーンプレート８，10を透過する光の経路図である。
まず、光源１から出射された光は、コリメータレンズ２によって平行光にされた後、移動板４に対して略垂直に入射される。フレネルゾーンプレート８に入射した平行光は、距離ｆｂ１の位置に集光スポットＳ１を形成すると同時に、その集光角度と等しい角度で拡散する光を放射する。フレネルゾーンプレート８から拡散放射される光は、固定板５上のフレネルゾーンプレート10へ入射し、受光部11上で集光スポットＳ２を形成する。集光スポットＳ２が、フレネルゾーンプレート８，10の中心どうしを結んだ線上にできることは幾何光学で周知の通りである。フレネルゾーンプレート８，10の焦点距離をそれぞれｆｂ１、ｆｂ２とし、移動板４と固定板５との距離をｇとすると、固定板５から光スポットＳ２までの距離ｆｃは、簡単な幾何学と光学におけるガウスの公式により、式（７）により与えられる。
【００９４】
ｆｃ＝（ｆｂ１＋ｇ）ｆｂ２／（ｆｂ１＋ｇ−ｆｂ２） ・・・（７）
この位置に受光部11を設置する。また移動板４の移動量をδｂ１とすると、集光スポットＳ２の移動量δｃは、簡単な幾何光学の計算により、式（８）により与えられる。
【００９５】
δｃ＝δｂ１・ｆｃ／ｆｂ１ ・・・（８）
さらに、光源１の大きさをφａとし、コリメータレンズ２の焦点距離をｆａとすると、集光スポットＳ２の径φｃは、式（９）により与えられる。
【００９６】
【００９７】
【００９８】
さらに、本実施の形態１によれば、Ｚ相信号は移動板４と固定板５の相対位置関係によって決まる波形の信号となり、同じく移動板４と固定板５の相対位置関係で決まるＡ／Ｂ相信号と容易に同期をとることができる。
【００９９】
一例としてｆａ＝４．５ｍｍのコリメータレンズ２を使い、ｆｂ１＝０．６ｍｍ、ｆｂ２＝０．７ｍｍ、ｇ＝０．３ｍｍとすると、ｆｃ＝３．１５ｍｍとなり、集光スポットＳ２の大きさは光源１の大きさの０．７倍に縮小され、集光スポットＳ２の移動量は移動板の移動量の５．２５倍に拡大されることになる。このように、ｆｂ１、ｆｂ２、ｆａ、ｇの各値を調整することでＺ相検出精度を向上させることができる。
【０１００】
また、受光部11の幅ｗと集光スポットＳ２の大きさとの関係を調整することにより、移動板４の原点付近での裕度を調整できる。さらに、フレネルゾーンプレート８，10は表面の凹凸形状で実現できるので、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂を基板材料に用いてスタンパ工法で作製できる。
【０１０１】
なお、本実施の形態１では、移動板４上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート８を拡散素子として、固定板５上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート10を集光素子として利用したが、移動板４上のＺ相領域のフレネルゾーンプレート８を集光素子として、固定板５上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート10を拡散素子として利用しても同じ効果が得られる。
【０１０２】
なお、光源１として発光ダイオードなど発光部分の径が波長の数倍以上であるような、比較的大きい発光部分を有するものを用いる場合に、より有効な作用を得ることができる。
【０１０３】
なお、本実施の形態１の一例として、ｆａ＝４．５ｍｍ、ｆｂ１＝０．６ｍｍ、ｆｂ２＝０．７ｍｍ、ｇ＝０．３ｍｍのものを使用したが、これ以外のものでも有効な作用が得られる。
【０１０４】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２を示す光学式エンコーダの基本構成図である。なお、実施の形態１の図１の構成と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０５】
図４において、21はフレネルゾーンプレート８に代えて移動板４に設けられた凹レンズ、22はフレネルゾーンプレート10に代えて固定板５に設けられた凸レンズである。受光部11は、これらレンズ21，22により形成される光のスポットを受光する。
【０１０６】
上記構成による作用を図５を参照しながら説明する。
まず、光源１から出射された光は、コリメータレンズ２によって平行光にされた後、移動板４に対して略垂直に入射される。この移動板４の凹レンズ21に入射した平行光は、距離ｆｂ13の位置に集光スポットＳ３を形成するような集光角度で拡散する。凹レンズ21から拡散放射された光は、固定板５上の凸レンズ22へ入射し、受光部11上で光スポットＳ４を形成する。光スポットＳ４が、レンズ21，22の中心どうしを結んだ線上にできることは幾何光学で周知の通りである。
【０１０７】
レンズ21，22の焦点距離をそれぞれｆｂ13、ｆｂ23とし、移動板４と固定板５との距離をｇ３とすると、固定板５から光スポットＳ４までの距離ｆｃ３は、簡単な幾何学と光学におけるガウスの公式により、式（１１）により与えられる。
【０１０８】
δｃ３＝δｂ１３・ｆｃ３／ｆｂ１３ ・・・（12）
さらに、光源１の大きさをφａ３とし、コリメータレンズ２の焦点距離をｆａ３とすると、集光スポットＳ４の径φｃ３は、式（１３）により与えられる。
【０１０９】
【０１１０】
【０１１１】
さらに、本実施の形態２によれば、Ｚ相信号は移動板４と固定板５の相対位置関係によって決まる波形の信号となり、同じく移動板４と固定板５の相対位置関係で決まるＡ／Ｂ相信号と容易に同期をとることができる。
【０１１２】
一例としてｆａ３＝４．５ｍｍのコリメータレンズ２を使い、ｆｂ13＝０．６ｍｍ、ｆｂ23＝０．７ｍｍ、ｇ３＝０．３ｍｍとすると、ｆｃ３＝３．１５ｍｍとなり、集光スポットＳ４の大きさは光源１の大きさの０．７倍に縮小され、集光スポットＳ４の移動量は移動板４の移動量の５．２５倍に拡大されることになる。このように、ｆｂ13、ｆｂ23、ｆａ３、ｇ３の各値を調整することでＺ相検出精度を向上させることができる。
【０１１３】
また、受光部11の巾ｗ３と集光スポットＳ４の大きさとの関係を調整することにより、移動板４の原点付近での裕度を調整できる。さらに、レンズ21，22は表面の凹凸形状で実現できるので、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂を基板材料に用いてスタンパ工法で作製できる。
【０１１４】
なお、本実施の形態２では、移動板４上のＺ相信号領域の光学素子として凹レンズ21を、固定板５上のＺ相信号領域の光学素子として凸レンズ22を利用したが、移動板４上のＺ相領域の光学素子として凸レンズを、固定板５上のＺ相信号領域の光学素子として凹レンズを利用しても同じ効果が得られる。
【０１１５】
なお、光源として発光ダイオードなど発光部分の径が波長の数倍以上であるような、比較的大きい発光部分を有するものを用いる場合に、より有効な作用を得ることができる。
【０１１６】
なお、本実施の形態２の一例として、ｆａ３＝４．５ｍｍ、ｆｂ13＝０．６ｍｍ、ｆｂ23＝０．７ｍｍ、ｇ３＝０．３ｍｍのものを使用したが、これ以外のものでも有効な作用が得られる。
【０１１７】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３を示す光学式エンコーダの基本構成図である。なお、実施の形態１の図１の構成と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１１８】
図６において、31は、ハーフミラーであり、コリメータレンズ２によって平行光とされた光の光軸に沿って、コリメータレンズ２と移動板４間に配置され、光源１から出射された光がフレネルゾーンプレート８，10によって形成される光のスポットを、上方に設けた受光器６の受光部32に導く。受光部32により、光のスポットが受光される。なお、フレネルゾーンプレート10は反射型としている。
【０１１９】
上記構成による作用を図７を参照しながら説明する。
まず、光源１から出射された光は、コリメータレンズ２によって平行光にされた後、移動板４に対して略垂直に入射される。移動板４のフレネルゾーンプレート８に入射した平行光は、焦点距離ｆｂ12の位置に集光スポットＳ５を形成すると同時に、その集光角度と等しい角度で拡散する。フレネルゾーンプレート８から拡散放射される光は、固定板５の反射型フレネルゾーンプレート10へ入射し、集光されながら反射する。この光が再び移動板４上のフレネルゾーンプレート８へ入射することにより、光のスポットＳ６を生じる。この光のスポットＳ６は、ハーフミラー31により光源１からの光の光軸外へ曲げられ、受光部32に入射する。
【０１２０】
フレネルゾーンプレート８，10の焦点距離をそれぞれｆｂ12、ｆｂ22とし、移動板４と固定板５の距離をｇ２とすると、フレネルゾーンプレート８によって拡散されフレネルゾーンプレート10で反射集光されるときの、フレネルゾーンプレート10から集光点までの距離ｆｃ２は、幾何光学のガウスの公式から、式（１５）により与えられる。
【０１２１】
【０１２２】
【０１２３】
δｄ２＝δｂ１２・ｆｄ２／ｆｂ１２ ・・・（17）
また集光スポットＳ６の大きさ（径）φｄ２は光源の大きさφａ２とコリメータレンズ２の焦点距離ｆａ２により、式（１８）により与えられる。
【０１２４】
φｄ２＝φａ２・ｆｄ２／ｆａ２ ・・・（18）
よって、フレネルゾーンプレート８の焦点距離ｆｂ12、フレネルゾーンプレート10の焦点距離ｆｂ22、コリメータレンズ２の焦点距離ｆａ２、移動板４と固定板５の距離ｇ２の値を調整することにより、集光スポットＳ６の大きさ（径）φｄ２と、光スポットＳ６の移動量δｄ２を調整することができ、集光スポットＳ６の大きさφｄ２を小さく、光スポットＳ６の移動量δｄ２を大きくすることによって、移動板４の移動基準点の検出精度を向上させることができる。
【０１２５】
さらに、本実施の形態３によれば、Ｚ相信号は移動板４と固定板５の相対位置関係によって決まる波形の信号となり、同じく移動板４と固定板５の相対位置関係で決まるＡ／Ｂ相信号と容易に同期をとることができる。また、フレネルゾーンプレート８，10は表面の凹凸形状で実現できるので、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂を基板材料に用いてスタンパ工法で作製できる。
一例としてｆａ２＝４．５ｍｍのコリメータレンズ２を使い、ｆｂ12＝１ｍｍ、ｆｂ22＝５ｍｍ、ｇ２＝０．３ｍｍとすると、ｆｄ２＝２．２３ｍｍとなり、集光スポットＳ６の大きさは光源１の大きさの０．５倍に縮小され、集光スポットＳ６の移動量は移動板４の移動量の２．２３倍に拡大されることになる。このように、ｆｂ12、ｆｂ22、ｆａ２、ｇ２の各値を調整することでＺ相検出精度を向上させることができる。
【０１２６】
また、受光部32の巾ｗ２と光スポットＳ６の大きさとの関係を調整することにより、移動板４の原点付近での裕度を調整できる。
なお、本実施の形態３では移動板４上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート８を、光源１からの光が入射するときに拡散素子として、固定板５から光が再入射するときに集光素子として、また固定板５上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート10を集光素子として利用したが、移動板４上のＺ相領域のフレネルゾーンプレート８と固定板５上のＺ相信号領域のフレネルゾーンプレート10を、拡散素子として使うか集光素子として使うかの組み合わせはその他も可能であり、また、フレネルゾーンプレート８，10を凹レンズあるいは凸レンズに代えても、本実施の形態３と同じ効果が得られる。
【０１２７】
なお、光源１として発光ダイオードなど発光部分の径が波長の数倍以上であるような、比較的大きい発光部分を有するものを用いる場合に、より有効な作用を得ることができる。
【０１２８】
なお、本実施の形態３の一例として、ｆａ２＝４．５ｍｍ、ｆｂ12＝１ｍｍ、ｆｂ22＝５ｍｍ、ｇ２＝０．３ｍｍのものを使用したが、これ以外のものでも有効な作用が得られる。
【０１２９】
（実施の形態４）
図８は本発明の実施の形態４を示す光学式エンコーダの基本構成図である。なお、実施の形態１の図１の構成と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１３０】
図８において、41はフレネルゾーンプレート８に代えて移動板４に設けられた、表面の微細な凹凸形状からなる光散乱源、42はフレネルゾーンプレート10に代えて固定板５に設けられた凸レンズである。受光部11は、光源１から出射された光が光散乱源41に入射することにより発生する散乱光を凸レンズ42で集光して形成した光のスポットを受光する。
【０１３１】
上記構成による作用を図９を参照しながら説明する。
まず、光源１から出射された光は、コリメータレンズ２によって平行光にされた後、移動板４に対して略垂直に入射される。移動板４の光散乱源41へ入射した平行光は、そこから散乱光を出射する。光散乱源41から出射される散乱光は、固定板５上の凸レンズ42へ入射し、受光部11上で光スポットＳ７を形成する。この光スポットＳ７が、光散乱源41と凸レンズ42の中心を結んだ線上にできることは幾何光学で周知の通りである。
【０１３２】
凸レンズ42の焦点距離をｆｂ24とし、移動板４と固定板５との距離をｇ４とすると、固定板５から光スポットＳ７までの距離ｆｃ４は、簡単な幾何光学と、光学におけるガウスの公式により式（１９）により与えられる。
【０１３３】
ｆｃ４＝ｇ４・ｆｂ２４／（ｇ４−ｆｂ２４） ・・・（19）
この位置に受光部11を設置する。また移動板４の移動量をδｂ14とすると、光スポットＳ７の移動量δｃ４は、簡単な幾何光学の計算により式（２０）により与えられる。
【０１３４】
δｃ４＝δｂ１４・ｆｃ４／ｇ４ ・・・（20）
また光散乱源41の大きさをφｂ４とすると、光スポットＳ７の径φｃ４は式（２１）により与えられる。
【０１３５】
φｃ４＝φｂ４・ｆｃ４／ｇ４ ・・・（21）
これらにより、光スポットＳ７の大きさ（径）φｃ４は式（２２）に示すように、光源１の大きさφａ４のＥ倍になり、光スポットＳ７の移動量δｃ４は、移動板４の移動量δｂ14のＦ倍となる。
【０１３６】
Ｅ＝φｂ４・ｆｃ４／（ｇ４・φａ４）
Ｆ＝ｆｃ４／ｇ４ ・・・（22）
よって、光散乱源41の大きさφｂ４、凸レンズ42の焦点距離ｆｂ24、移動板４と固定板５との距離ｇ４の値を調整することにより、光スポットＳ７の大きさ（径）φｃ４と、光スポットＳ７の移動量δｃ４を調整することができ、光スポットＳ７の大きさφｃ４を小さく、光スポットＳ７の移動量δｃ４を大きくすることによって、移動板４の移動基準点の検出精度を向上させることができる。
【０１３７】
さらに、本実施の形態４によれば、Ｚ相信号は移動板４と固定板５の相対位置関係によって決まる波形の信号となり、同じく移動板４と固定板５の相対位置関係で決まるＡ／Ｂ相信号と容易に同期をとることができる。また、光散乱源41と凸レンズ42、受光部11を、コリメータレンズ２により形成される平行光の光軸上からはずして、光散乱源41からの光が受光部11上に光スポットＳ７を形成しないときに、光源１からの光が受光部11に入射しないようにすることで、Ｚ相検出感度を高めることができる。
【０１３８】
一例として、φａ４＝２００μｍの光源１を使い、ｆｂ24＝０．２ｍｍ、ｇ４＝０．３ｍｍ、φｂ４＝５０μｍとすると、Ｅ＝０．５、Ｆ＝２となり、光スポットＳ７の大きさは光源１の大きさの０．５倍に縮小され、光スポットＳ７の移動量は移動板４の移動量の２倍に拡大されることになる。このように光散乱源41の大きさφｂ４、凸レンズ42の焦点距離ｆｂ24、移動板４と固定板５との距離ｇ４の各値を調整することにより、Ｚ相検出精度を向上させることができる。
【０１３９】
また、凸レンズ42は表面の凹凸形状で、光散乱源41は表面の微細な凹凸形状で実現できるので、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂を基板材料に用いてスタンパ工法で作製できる。
【０１４０】
なお、本実施の形態４において固定板５上の集光素子として凸レンズ42を用いたが、フレネルゾーンプレートを用いてもよいし、反射型の集光素子を用いてもよい。
【０１４１】
なお、本実施の形態４の一例として、ｆｂ24＝０．２ｍｍ、ｇ４＝０．３ｍｍ、φｂ４＝５０μｍのものを使用したが、これ以外のものでも有効な作用が得られる。
【０１４２】
（実施の形態５）
図１０は本発明の実施の形態５を示す光学式エンコーダの基本構成図である。なお、実施の形態１の図１の構成と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１４３】
図１０において、51はフレネルゾーンプレート８に代えて移動板４に設けられた、表面切欠き形状からなる反射面、52はフレネルゾーンプレート10に代えて固定板５に設けられた凸レンズである。受光部11は、光源１から出射された光が反射面51に入射することにより発生する、コリメータレンズ２から出射される光の光軸外へ進む光を凸レンズ52で集光して形成した光のスポットＳ８を受光する。
【０１４４】
上記構成による作用を図１１を参照しながら説明する。
まず、光源１から出射された光は、コリメータレンズ２によって平行光にされた後、移動板４に対して略垂直に入射される。移動板４に入射した光は、反射面51で平行光の光軸外へ反射される。その反射光は、固定板５上に設置される凸レンズ52へ入射し、受光部11上で光スポットＳ８を形成する。この光スポットＳ８が、反射面51と凸レンズ52の中心を結んだ線上にできることは幾何光学で周知の通りである。
【０１４５】
凸レンズ52の焦点距離をｆｂ25とし、移動板４と固定板５との距離をｇ５とすると、固定板５から光スポットＳ８までの距離ｆｃ５は、簡単な幾何光学と、光学におけるガウスの公式により式（２３）により与えられる。
【０１４６】
ｆｃ５＝ｇ５・ｆｂ２５／（ｇ５−ｆｂ２５） ・・・（23）
この位置に受光部11を設置する。また移動板４の移動量をδｂ15とすると、光スポットＳ８の移動量δｃ５は、簡単な幾何光学の計算により式（２４）により与えられる。
【０１４７】
δｃ５＝δｂ１５・ｆｃ５／ｇ５ ・・・（24）
また反射面51の大きさをφｂ５とすると、光スポットＳ８の径φｃ５は式（２５）により与えられる。
【０１４８】
φｃ５＝φｂ５・ｆｃ５／ｇ５ ・・・（25）
これらにより、光スポットＳ８の大きさ（径）φｃ５は式（２６）に示すように、光源１の大きさφａ５のＧ倍になり、光スポットＳ８の移動量δｃ５は、移動板４の移動量δｂ15のＨ倍となる。
【０１４９】
Ｇ＝φｂ５・ｆｃ５／（ｇ５・φａ５）
Ｈ＝ｆｃ５／ｇ５ ・・・（26）
よって、反射面51の大きさφｂ５、凸レンズ52の焦点距離ｆｂ25、移動板４と固定板５との距離ｇ５の値を調整することにより、光スポットＳ８の大きさ（径）φｃ５と、光スポットＳ８の移動量δｃ５を調整することができ、光スポットＳ８の大きさφｃ５を小さく、光スポットＳ８の移動量δｃ５を大きくすることによって、移動板４の移動基準点の検出精度を向上させることができる。
【０１５０】
さらに反射面51の大きさを小さくし、受光部11の大きさを小さくすることによりＺ相検出精度を高めることができる。また反射面51の角度を、入射した平行光が全反射するようにしてやれば、光の利用効率を高めることができる。さらに基板に屈折率１．５の材料を使用する場合、固定板５の周りの雰囲気が空気であれば全反射角度は４４．４度となるため、これ以上の角度で平行光が反射面に入射するようにし、その全反射光を凸レンズ52で集光して受光部11で受光すればよい。
【０１５１】
さらに、本実施の形態５によれば、Ｚ相信号は移動板４と固定板５の相対位置関係によって決まる波形の信号となり、同じく移動板４と固定板５の相対位置関係で決まるＡ／Ｂ相信号と容易に同期をとることができる。
【０１５２】
一例として、φａ５＝２００μｍの光源１を使い、ｆｂ25＝０．２ｍｍ、ｇ５＝０．３ｍｍ、φｂ５＝５０μｍとすると、Ｇ＝０．５、Ｈ＝２となり、光スポットＳ８の大きさは光源１の大きさの０．５倍に縮小され、光スポットＳ８の移動量は移動板４の移動量の２倍に拡大されることになる。このように反射面51の大きさφｂ５、凸レンズ52の焦点距離ｆｂ25、移動板４と固定板５との距離ｇ５の各値を調整することにより、Ｚ相検出精度を向上させることができる。
【０１５３】
また、凸レンズ52および反射面51は表面の凹凸形状で実現できるので、ポリカーボネートやアクリルなどの透明樹脂を基板材料に用いてスタンパ工法で作製できる。
【０１５４】
なお、本実施の形態５において集光素子として凸レンズ52を用いたが、フレネルゾーンプレートを用いてもよいし、反射型の集光素子を用いて同じ効果が得られる。
【０１５５】
なお、本実施の形態５の一例として、ｆｂ25＝０．２ｍｍ、ｇ５＝０．３ｍｍ、φｂ５＝５０μｍのものを使用したが、これ以外のものでも有効な作用が得られる。
（実施の形態６）
本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態６について、図１２〜図１６を参照しつつ説明する。図１２は本発明の光学式エンコーダの実施の形態６の基本構成を示す斜視図である。図１２に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源１０１と、光源１０１より出射された光を平行光にするコリメータレンズ１０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸１１４を中心に回転可能な移動板１０３と、光軸に対して略垂直に配置された固定板１０７と、複数の受光部を有する受光器１１０等で構成されている。
【０１５６】
円盤状の移動板１０３は、全周にわたって環状に配置された位相型回折格子１０４と、同心円状に配置された複数の円弧状の位相型回折格子１０５−１、１０５−２、・・・１０５−ｎ（但し、ｎは２以上の整数）（以下、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と一般化する。他も同様。）と、フレネルゾーンプレート１０６を有する。略扇形の固定板１０７は、移動板１０３の各位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）にそれぞれ対応し、等しいピッチを有する略円弧状に形成された位相型回折格子１０８及び１０９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）を有する。受光器１１０の受光部１１１は、移動板１０３のフレネルゾーンプレート１０６により形成される光スポットを受光する。また、受光部１１２は、移動板１０３の位相型回折格子１０４と固定板１０７の位相型回折格子１０８により形成される光を受光する。受光部１１３−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、それぞれ移動板１０３の位相型回折格子１０５−ｉと固定板１０７の位相型回折格子１０９−ｉにより形成される光を受光する。
【０１５７】
上記各位相型回折格子の断面形状を図１３に示す。図１３において、図１３Ａは位相型回折格子１０４及び１０８の断面形状であり、格子ピッチＰ０ を有する。図１３Ｂは位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の断面形状であり、格子ピッチＰ１ を有する。図１３Ｃは位相型回折格子１０５−２及び１０９−２の断面形状であり、格子ピッチＰ２ を有する。同様にして、図１３Ｄは位相型回折格子１０５−ｎ及び１０９−ｎの断面形状であり、格子ピッチＰｎを有する。格子ピッチＰ０、Ｐ１・・・Ｐｎは順にピッチ間隔が広くなっていることがわかる。
【０１５８】
位相型回折格子１０４及び１０８は、移動板１０３の移動量検出（Ａ／Ｂ相）信号用であり、位相型回折格子１０４は、移動板１０３上の回転軸１１４を中心とする円の全周に設けられている。図５２に示す従来例と同様に、移動板１０３上の位相型回折格子１０４と、対応する固定板１０７上の位相型回折格子１０８により、光の強弱変化が生じる。移動板１０３に入射した光は、移動板１０３上の位相型回折格子１０４により＋１次回折光と−１次回折光に回折される。これらの回折光は固定板１０７上の位相型回折格子１０８に入射し、それぞれ＋１次回折光と−１次回折光に回折される。移動板１０３上の位相型回折格子１０４と、対応する固定板１０７上の位相型回折格子１０８の格子ピッチは共にＰＯであり、等しい回折角度を有する。そのため、移動板１０３上の位相型回折格子１０４により−１次に回折され、固定板１０７上の位相型回折格子１０８により＋１次に回折された光（（−１、＋１）次回折光）と、移動板１０３上の位相型回折格子１０４により＋１次に回折され、固定板１０７上の位相型回折格子１０８により−１次に回折された光（（＋１、−１）次回折光）は、互いに光路が等しくなって干渉し、光の強弱が発生する。干渉条件は、移動板１０３の移動量δによるので、移動板１０３の移動量δによって受光部１１２の受光量が変化し、移動板１０３の移動量が検出できる。以上を数式で表すと以下のようになる。
【０１５９】
【０１６０】
ここで、図１２及び図１３中における０°線はＺ相信号を発生させたい位置であり、移動板１０３及び固定板１０７にそれぞれに想定されている。図１３に示すように、０°線が各位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、１０８、１０９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の凸部上を通るように形成されている。位相型回折格子１０４及び１０８の０°線近傍の拡大図を図１４Ａに示す。また、位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の０°線近傍の拡大図を図１４Ｂに示す。図１４Ａ及びＢにおいて、それぞれ紙面右側を正方向、左側を負方向とする。
【０１６１】
図１４Ａに示す位相型回折格子１０４及び１０８において、”ａ”は０°線から０°線が通る格子凸部１４１の正方向の端部１４１ａまでの距離（角度）を表す。また、０°線から格子凸部１４１の正方向に隣接する格子凸部１４２の端部１４２ａまでの距離（角度）は”ａ＋Ｐ０／２”で表される。さらに、０°線から格子凸部１４１の負方向の端部１４１ｂまでの距離（角度）は”Ｐ０／２−ａ”で表され、０°線から格子凸部１４１と負方向に隣接する格子凸部１４３の端部１４３ａまでの距離（角度）は”Ｐ０−ａ”で表される。
図１４Ｂにおいて、”ｂ”は０°線から位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の格子凸部１５１の正方向の端部１５１ａまでの距離（角度）を表す。位相型回折格子１０５−１及び１０９−１において、０°線から格子凸部１５１の負方向の端部１５１ｂまでの距離（角度）は”Ｐ１ ／２−ｂ”で表される。
【０１６２】
位相型回折格子１０４及び１０８と１０５−１及び１０９−１との位置関係について、位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の０°線が通る格子凸部１５１が、位相型回折格子１０４及び１０８の０°線が通る格子凸部１４１をただ１つだけ含む条件、すなわち、以下の（３０）式及び（３１）式が成り立つ。
【０１６３】
｜ａ｜≦｜ｂ｜≦｜ａ＋Ｐ０／２｜ ・・・（30）
｜Ｐ０／２−ａ｜≦｜Ｐ１／２−ｂ｜≦｜Ｐ０−ａ｜ ・・・（31）
同様に、格子１０５−１及び１０９−１と１０５−２及び１０９−２との関係についても、位相型回折格子１０５−２及び１０９−２の０°線が通る格子凸部が、位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の０°線が通る格子凸部をただ１つだけ含む条件が成り立つ。すなわち、０°線から０°線が通る格子１０５−２及び１０９−２の格子凸部の正方向の端部までの距離（角度）を”ｃ”（図示せず）とし、０°線から０°線が通る格子凸部の負方向の端部までの距離（角度）を”Ｐ２／２−ｃ”とし、位相型回折格子１０５−１及び１０９−１における０°線から０°線が通る格子凸部と正方向に隣接する格子凸部に始まる端部までの距離（角度）を”ｂ＋Ｐ１／２”とし、０°線から０°線が通る格子凸部の負方向の端部までの距離（角度）を”Ｐ１ −ｂ”として、以下の（３２）式及び（３３）式が成り立つ。
【０１６４】
｜ｂ｜≦｜ｃ｜≦｜ｂ＋Ｐ１／２｜ ・・・（32）
｜Ｐ１／２−ｂ｜≦Ｐ２／２−ｃ｜≦｜Ｐ１−ｂ｜ ・・・（33）
以下、位相型回折格子１０５−２及び１０９−２と１０５−３及び１０９−３との関係、・・・位相型回折格子１０５−（ｎ−１）及び１０９−（ｎ−１）と１０５−ｎ及び１０９−ｎとの関係についても同様である。
【０１６５】
図１２に示す移動板１０３のフレネルゾーンプレート１０６は受光器１１０上に焦点を結び、光スポットを作る。移動板１０３の回転に伴い、受光器１１０上の光スポットも移動するが、光スポットが受光部１１１で受光されることにより、１回転で１パルス分の信号が生成される。これらの位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）及びフレネルゾーンプレート１０６により、移動板１０３の回転移動にともない生成される各受光部１１１，１１２，１１３−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の出力信号を２値化したものを示したものを図１５に示す。図１５において、Ａは受光部１１２の受光信号を２値化したものであり、周期はＰ０ ／２である。Ｚ１、Ｚ２、・・・Ｚｎは、それぞれ受光部１１３−１、１１３−２、・・・１１３−ｎの受光信号を２値化したものであり、それぞれ周期はＰ１ ／２、Ｐ２ ／２・・・Ｐｎ／２である。
【０１６６】
図１３及び図１４に示したように、各位相型回折格子は、位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の０°線が通る格子凸部が位相型回折格子１０４及び１０８の０°線が通る格子凸部をただ１つだけ含み、位相型回折格子１０５−２及び１０９−２の０°線が通る格子凸部が位相型回折格子１０５−１及び１０９−１の０°線が通る格子凸部をただ１つだけ含み、・・・という関係に配置されている。そのため、出力信号も同様に、Ｚ１の０°線が通るパルスがＡの０°線が通るパルスをただ１つだけ含み、Ｚ２の０°線が通るパルスがＺ１の０°線が通るパルスをただ１つだけ含み、・・・Ｚｎの０°線が通るパルスがＺｎ−１の０°線が通るパルスをただ１つだけ含むという関係になる。また、Ｚｄは、受光部１１１の受光信号を２値化したものであり、Ｗｚｄの幅を有し、Ｚｎの０°線が通るパルスをただ１つだけ含む。
【０１６７】
図１６は、図１５に示す各信号の０点近傍における拡大図であり、各信号間の関係を表す。０点は、移動板１０３の０°線が固定板１０７の０°線に到達した瞬間を意味する。図中、紙面右側を正方向、左側を負方向とする。”α”は、信号Ａにおける０点から０点を含むパルス１６１の正方向における終端１６１ａまでの距離（角度）を表す。”β１ ”は、信号Ｚ１ における０点から０点を含むパルス１７１の正方向における終端１７１ａまでの距離（角度）を表す。このとき、信号Ａにおいて、０点からパルス１６１と正方向に隣接するパルス１６２が始まる端部１６２ａまでの距離（角度）は”α＋Ｐ０／４”で表され、０点からパルス１６１負方向における終端１６１ｂまでの距離（角度）は”Ｐ０／４−α”で表され、０点からパルス１６１と負方向に隣接するパルス１６３が始まる端部１６３ａまでの距離（角度）は”Ｐ０／２−α”で表される。また、信号Ｚ１ において、０点からパルス１７１の負方向における終端１７１ｂまでの距離（角度）は”Ｐ１／４−β１”で表される。
【０１６８】
信号ＡとＺ１ との関係は、Ｚ１の０点を含むパルス１７１が、Ａの０点を含むパルス１６１をただ１つだけ含む条件、すなわち、以下の（３４）式及び（３５）式が成り立つ。
【０１６９】
｜α｜≦｜β１｜≦｜α＋Ｐ０／４｜ ・・・（34）
｜Ｐ０／４−α｜≦｜Ｐ１／４−β１｜≦｜Ｐ０／２−α｜・・・（35）
同様に、信号Ｚ１とＺ２の関係についても、信号Ｚ２の０点を含むパルス１８１が、信号Ｚ１の０点を含むパルス１７１をただ１つだけ含むような条件が成り立つ。すなわち、信号Ｚ２において、０点からパルス１８１の正方向における終端１８１ａまでの距離（角度）を”β２”とし、０点からパルス１８１の負方向における終端１８１ｂまでの距離（角度）を”Ｐ２／４−β２”とし、信号Ｚ１における、０点からパルス１７１と正方向に隣接するパルス１７２が始まる端部１７２ａまでの距離（角度）を”β１＋Ｐ１／４”とし、０点からパルス１７１と負方向に隣接するパルス１７３が始まる端部１７３ａまでの距離（角度）”Ｐ１／２−β１”として、以下の（３６）式及び（３７）式が成り立つ。
【０１７０】
【０１７１】
【０１７２】
従来例の説明において述べたように、Ａ、Ｚ１・・・等の等ピッチの位相型回折格子を相対変化させることにより、発生する信号の周期を小さくすることができる。これに対し、Ｚｄ のような移動板１０３上に設けたフレネルゾーンプレート１０６等の集光素子によるスポット光検出により発生される信号の幅は、狭くすることができない。そのため、単にＡ／Ｂ相信号である信号Ａと、Ｚ相信号発生用の信号である信号Ｚｄを発生させて、それらの理論和をとるだけでは、Ａ／Ｂ相１パルスと同期したＺ相信号は生成できない。しかしながら、本発明のように、Ａ、Ｚ１、Ｚ２・・・ＺｎとＺｄの論理積をとり、これをＺ相信号とすることにより、Ａ／Ｂ相１パルスと同期したＺ相信号を生成することができる。
【０１７３】
また、単にＡ／Ｂ相信号である信号Ａと、Ｚ相信号発生用の信号である信号Ｚｄを発生させ、Ｚｄのパルスが発生した瞬間から、Ａ／Ｂ相信号パルス１つ分を電気回路で抜き出し、これをＺ相信号とする方法も可能である。しかしながら、Ｚｄのパルスは、電気ノイズ、機械振動、その他の様々な要因のため、必ずしも一定のタイミングで発生するとは限らない。Ｚｄの発生タイミングずれの許容値は、信号Ａの凹部１つ分、すなわち、Ｐ０／４である。これに対し、Ａ、Ｚ１、Ｚ２、・・・ＺｎとＺｄの論理積をとり、これをＺ相信号とすれば、Ｚｄの発生タイミングずれの許容値は、信号Ｚｎの凹部１つ分、すなわち、Ｐｎ／４である。上記（３０）〜（３３）式に示す条件等から、Ｐｎ／４≧Ｐ０／４が成り立つ。すなわち、本発明によれば、Ｚｄ の発生のタイミングのずれ許容値が大きくとることができ、電気ノイズ、機械振動等に強い光学式エンコーダを実現することができる。また、位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、１０８、１０９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）及びフレネルゾーンプレート１０６を基板表面の凹凸形状で実現することができるため、透過性を有する樹脂を用いて、スタンパ工法により作製することができる。
【０１７４】
なお、各位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、１０８、１０９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の全てに関して０°線が格子凸部を通るようにしたが、０°線が格子凹部を通るように構成しても同様の効果が得られる。あるいは、各位相型回折格子１０４、１０５−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、１０８、１０９−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）の全てに共通して、０°線が格子凸部又は格子凹部を通らなくてもよく、一部の位相型回折格子に関しては、０°線が格子凸部を通り、他の位相型回折格子に関しては、０°線が格子凹部を通るように０°線下に凸部と凹部を混合した配置であっても同様の効果が得られる。
【０１７５】
また、移動板１０３と固定板１０７に関して、０°線がともに各位相型回折格子の凸部又は凹部を通らなくてもよく、例えば移動板１０３では０°線が各位相型回折格子１０４、１０５−１・・・１０５−ｎの凸部を通り、固定板１０７では０°線が各位相型回折格子１０８、１０９−１・・・１０９−ｎの凹部を通るような構成であっても又はその逆の構成であってもよい。また、信号Ｚ１の０°線が通るパルス１７１が、信号Ａの０°線が通るパルス１６１をただ１つだけ含み、信号Ｚ２の０°線が通るパルス１８１が信号Ｚ１ のパルス１７１をただ１つだけ含み、・・・信号Ｚｎ の０°線が通るパルスが信号Ｚｎ−１の０°線が通るパルスをただ１つだけ含むという関係の出力信号、すなわち、（３４）〜（３９）式の条件を満たす出力信号が得られる位相型回折格子の配列であれば、上に示した格子配列でなくとも、同じ効果が得られる。また、移動板１０３上に設置する集光素子としてフレネルゾーンプレート１０６を用いたが、レンズを用いても同じ効果が得られる。
（実施の形態７）
次に本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態７について、図１７〜図１９を参照しつつ説明する。図１７は本発明の光学式エンコーダの実施の形態７の基本構成を示す斜視図である。図１７に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源１０１と、光源１０１より出射された光を平行光にするコリメータレンズ１０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸１１４を中心に回転可能な移動板１０３と、光軸に対して略垂直に配置された固定板１０７と、複数の受光部を有する受光器１１０等で構成されている。
【０１７６】
円盤状の移動板１０３は、全周にわたって環状に想定された複数のトラック上に形成され、主として±１次回折光を発生する複数の位相型回折格子１３０−０、１３０−１、１３０−２、・・・１３０−（ｎ−１）、１３０−ｎ（ｎは２以上の整数）を有する。各トラック上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）では、それぞれ格子ピッチが異なるが、１つのトラック上では格子ピッチは一定である。略扇型の固定板１０７は、移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に対応し、各格子ピッチと等しい格子ピッチを有する位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を有する。受光器１１０の各受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）は、それぞれ移動板１０３の位相型回折格子１３０−ｉと１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の相対位置関係により形成される光を受光する。
【０１７７】
上記本発明の実施の形態６と同様に、移動板１０３に入射した光は、移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により、＋１次回折光と−１次回折光に回折され、それらの光は、それぞれ固定板１０７上の位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に入射し、＋１次回折光と−１次回折光に回折される。移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）と、対応する固定板１０７上の位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の格子ピッチはともに等しいので、等しい回折角度を有する。そのため、移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により−１次に回折され、固定板１０７上の位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により＋１次に回折された光（（−１、＋１）次回折光）と、移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により＋１次に回折され、固定板１０７上の位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により−１次に回折された光（（＋１、−１）次回折光）は、互いに光路が等しくなって干渉し、光の強弱が発生する。干渉条件は、移動板１０３の移動量δによるので、移動板１０３の移動量δによって受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の受光光量が変化し、移動板１０３の移動量が検出できる。
【０１７８】
このとき、各受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）による検出信号は位相型回折格子の格子ピッチの１／２の周期を有する正弦波状信号となる。図１７に示すように、移動板１０３の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）及び固定板１０７の位相型回折格子１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）では、それぞれトラックが異なるごとに格子ピッチがそれぞれ違うように設定されているので、これらの位相型回折格子により形成される干渉光強度変化の周期は、各トラックごとにそれぞれ異なる。すなわち、各受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の受光信号の周期がそれぞれ異なる。
【０１７９】
図１８は、移動板１０３及び固定板１０７上の０°線近傍における位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）及び１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の断面形状を示したものである。各トラックにおける位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）及び１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）は、それぞれＰ３−０、Ｐ３−１、・・・Ｐ３−（ｎ−１）、Ｐ３−ｎの格子ピッチを有し、格子凸部の端部が、図１７の移動板１０３及び固定板１０７にそれぞれ示した０°線上にある。各格子ピッチＰ３−０、Ｐ３−１、・・・?Ｐ３−（ｎ−１）、Ｐ３−ｎは、以下に示す（４０）式及び（４１）式の関係にある。
【０１８０】
【０１８１】
このように、各受光部１３２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）のＨ、Ｌ信号の組み合わせは、移動板１０３の位置に依存する。移動板１０３が、ある位置にあるときの各トラックの２値化信号パターンが、移動板が他のいずれの位置にあるときの２値化信号パターンとも異なるように設定することにより、受光信号パターンから移動板の絶対的回転位置を検出することができる。移動板１０３の位置に特有の信号パターンが得られるので、移動板１０３の回転位置がどこであっても位置検出が可能な絶対位置検出型光学式エンコーダとなる。
【０１８２】
位相型回折格子は基板表面の凹凸形状により実現することができ、ポリカーポネートやアクリル等の透明樹脂を用いて、スタンパ工法により安価に作製することができる。なお、上記実施の形態７では、移動板１０３及び固定板１０７上の位相型回折格子１３０−ｉ及び１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を、図１８に示すように、０°線の紙面右側に凸部を配置したが、紙面右側に凹部を配置しても同様の効果が得られる。また、位相型回折格子１３０−ｉ及び１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を、０°線にあわせて全て凸部としたが、凸部及び凹部の混合としても同様の効果が得られる。さらに、移動板１０３上の位相型回折格子１３０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）と固定板１０７上の位置型回折１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の凹凸位置の配列を同じにしたが、これらの凹凸位置の配列が同じでなくても同様の効果が得られる。さらに、０°線上にあわせて位相型回折格子１３０−ｉ及び１３１−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を配置したが、２値化した受光信号が、図１９に示すような、複数の位相型回折格子のうち、最も格子ピッチの小さい位相型回折格子により得られる信号周期の整数倍の周期信号が発生できるような格子配置であれば、同様の効果が得られる。
（実施の形態８）
次に本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態８について、図２０〜図２３を参照しつつ説明する。図２０は本発明の光学式エンコーダの実施の形態８の基本構成を示す斜視図である。図２０に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源１０１と、光源１０１より出射された光を平行光にするコリメータレンズ１０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸１１４を中心に回転可能な移動板１０３と、光軸に対して略垂直に配置された固定板１０７と、複数の受光部を有する受光器１１０等で構成されている。
【０１８３】
円盤状の移動板１０３は、全周にわたって環状に配置された複数のトラックからなり、主として±１次回折光を発生する複数の位相型回折格子１４０−０、１４０−１、１４０−２、・・・１４０−（ｎ−１）、１４０−ｎ（ｎは２以上の整数）を有する。各トラック上の位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）では、それぞれ格子が設けられている領域と格子が設けられていない領域のパターンが異なり、かつ各トラック上の格子ピッチも異なる。略扇型の固定板１０７は、移動板１０３上の各トラックで変調された光を選択的に透過させたための光透過部１４１及びその両側に設けられたフレネルゾーンプレート１４３を有する。受光器１１０の各受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）は、それぞれ移動板３の位相型回折格子１４０−ｉと固定板１０７の光透過部１４１を通過した光を受光する。
【０１８４】
上記本発明の光学式エンコーダの実施の形態８の光路図を図２１に示す。図２１において、ＡとＢとでは移動板１０３の位置が異なる。光源１０１から出射された光はコリメータレンズ１０２により平行光化され、移動板１０３に入射する。移動板１０３が図２１Ａに示す位置の場合、光は移動板１０３では変調されず、そのまま透過し、さらに固定板１０７の光透過部１４１を透過し、受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に入射する。移動板１０３が移動し、図２１Ｂに示す位置の場合、光は移動板１０３上の位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により＋１次回折光と−１次回折光に分離され、０次回折光、すなわち直進する光の強度はほぼ０となる。移動板１０３上の位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により±１次に回折された光は、固定板１０７上のフレネルゾーンプレート１４３により進路を曲げられ、受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）には入射しないか、入射してもその光量は少ない。すなわち、移動板１０３の位置により、受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）での受光量が変化する。
移動板１０３上の０°線近傍における、位相型回折格子１４０−０、１４０−１、・・・１４０−（ｎ−１）、１４０−ｎの断面形状を図２２に示す。各位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）は、それぞれＰ４−０、Ｐ４−１、・・・Ｐ４−（ｎ−１）、Ｐ４−ｎ の格子ピッチを有する。また、各位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の格子の設けられている領域と格子が設けられていない領域の周期を、それぞれＬ４−０、Ｌ４−１、・・・Ｌ４−（ｎ−１）、Ｌ４−ｎとする。また、各位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の格子が設けられている領域の端部は、図２０の移動板１０３に示した０°線上にあるものとする。各位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の格子が設けられている領域と格子が設けられていない領域の周期Ｌ４−０、Ｌ４−１ 、・・・Ｌ４−（ｎ−１）、Ｌ４−ｎ は、以下に示す（４２）式及び（４３）式に関係にある。
【０１８５】
【０１８６】
このように、各受光部１４２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）のＨ、Ｌ信号の組み合わせは、上記実施の形態７の場合と同様に、移動板１０３の位置に依存する。移動板１０３が、ある位置にあるときの各トラックの２値化信号パターンが、移動板が他のいずれの位置にあるときの２値化信号パターンとも異なるように設定することにより、受光信号パターンから移動板の絶対的回転位置を検出することができる。移動板３の位置に特有の信号パターンが得られるので、移動板１０３の回転位置がどこであっても位置検出が可能な絶対位置検出型光学式エンコーダとなる。
【０１８７】
位相型回折格子は基板表面の凹凸形状により実現することができ、ポリカーボネートやアクリル等の透明樹脂を用いて、スタンパ工法により安価に作製することができる。なお、上記実施の形態８では、移動板１０３上の位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を、図２２に示すように、０°線の紙面右側に格子が設けられている領域を配置したが、紙面右側に格子が設けられていない領域を配置しても同様の効果が得られる。また、位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）を、０°線にあわせて全て格子が設けられている領域としたが、格子が設けられている領域と格子が設けられていない領域とを混合して配置しても同様の効果が得られる。さらに、０°線上にあわせて位相型回折格子１４０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の格子が設けられている領域を配置したが、２値化した受光信号が、図２３に示すような、複数の位相型回折格子のうち、最も格子が設けられている領域と格子が設けられていない領域の周期の小さいトラックにより得られる信号周期の整数倍の周期信号が発生できるような格子配置であれば、同様の効果が得られる。（実施の形態９）
次に本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態９について、図２４〜図２７を参照しつつ説明する。図２４は本発明の光学式エンコーダの実施の形態９の基本構成を示す斜視図である。図２４に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源１０１と、光源１０１より出射された光を平行光によるコリメータレンズ１０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸１１４を中心に回転可能な移動板１０３と、複数の受光部を有する受光器１１０等で構成されている。
【０１８８】
円盤状の移動板１０３は、回転軸１１４の回転中心の周りに同心円的に想定された複数のトラック上に、それぞれ異なった一定の間隔（角度）で配置された、例えばフレネルゾーンプレート等の集光素子１５０−０、１５０−１、１５０−２、・・・１５０−（ｎ−１）、１５０−ｎを有する。受光器１１０の各受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）は、それぞれ集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により形成されるスポット光を集光する。
【０１８９】
上記本発明の光学式エンコーダの実施の形態９の光路図を図２５に示す。図２５Ａと図２５Ｂとでは移動板１０３の位置が異なる。光源１０１から出射された光はコリメータレンズ１０２により平行光化され、移動板１０３に入射する。移動板１０３が（ａ）に示す位置の場合、入射光は移動板１０３上の集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により集光され、受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に入射する。移動板１０３が移動し、図２５Ｂに示す位置になった場合、入射光は移動板１０３を透過し、この場合も受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に入射する。しかし、受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）に入射する光の強度は、図２５Ｂに示すように平行光がそのまま移動板１０３を透過する場合よりも、図２５Ａに示すように集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）により集光される場合の方が大きいことは明らかである。従って、移動板１０３の位置により、受光部１５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の受光量が変化する。
【０１９０】
移動板１０３上の０°線近傍における集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の断面を図２６に示す。各トラックにおける集光素子１５０−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）の間隔を、それぞれ、Ｌ５−０、Ｌ５−１、・・・Ｌ５−（ｎ−１）、Ｌ５−ｎとして、以下の（４４）式及び（４５）式の関係にある。
【０１９１】
【０１９２】
このように、各受光部５２−ｉ（ｉ＝０〜ｎ）のＨ、Ｌ信号の組み合わせは、実施の形態８の場合と同様に、移動板１０３の位置に依存する。移動板１０３が、ある位置にあるときの各トラックの２値化信号パターンが、移動板が他のいずれの位置にあるときの２値化信号パターンとも異なるように設定することにより、受光信号パターンから移動板の絶対的回転位置を検出することができる。移動板１０３の位置に特有の信号パターンが得られるので、移動板１０３の回転位置がどこであっても位置検出が可能な絶対位置検出型光学式エンコーダとなる。
【０１９３】
フレネルゾーンプレート等の集光素子は、基板表面の凹凸形状として実現できるので、ポリカーボネートやアクリル等の透明樹脂を用いて、スタンパ工法により安価に作製することができる。なお、上記実施の形態９では、移動板１０３の０°線上にあわせて集光素子を配置したが、２値化した受光信号が、図２７に示すように、複数のトラック信号のうち、最も周期の小さいトラック信号の周期の整数倍の周期信号が発生できるような集光素子の配置であれば、同様の効果が得られる。また、移動板上の集光素子としてフレネルゾーンプレートの代わりに集光レンズを用いても同様の効果が得られる。
（実施の形態１０）
本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態１０について、図２８〜図３１を参照しつつ説明する。図２８は本発明の光学式エンコーダの実施の形態１０の基本構成を示す斜視図である。図２８に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源２０１と、光源２０１より出射された光を平行光にするコリメータレンズ２０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸２１３を中心に回転可能な移動板２０３と、光軸に対して略垂直に配置された固定板２０７と、複数の受光部を有する受光器２１０等で構成されている。
【０１９４】
円盤状の移動板２０３は、全周にわたって環状に配置された位相型回折格子２０４と、位相型回折格子２０４と同心円状に配置した位相型回折格子２０６の一部パターンを削除することで作製した光透過部２０５を有する。固定板２０７は、移動板２０３の位相型回折格子２０４に対応し、等しいピッチを有する略円弧状に形成された位相型回折格子２０８と、フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４を有する。受光器２１０の受光部２１１は、移動板２０３の位相型回折格子２０４と固定板２０７の位相型回折格子２０８により形成される光を受光する。受光部２１２−１〜２１２−４は、それぞれ移動板２０３の光透過部２０５と固定板２０７のフレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４により形成される光を受光する。
【０１９５】
図２８の構成において、回転板２０３の光透過部２０５、位相型回折格子２０６と、固定板２０７のフレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４で光変調することにより、受光器２１０の受光部２１２−１〜２１２−４での受光量が変化することを図２９により説明する。ここで、受光部２１２−１〜４は、それぞれフレネルゾーンプレート２０９−１〜４の各パターン中心に対応する位置に配置している。固定板２０７から受光器２１０までの距離をＬ、位相型回折格子２０６の回折角度をθ１、受光部の、フレネルゾーンプレート光学中心に対応する点から受光部の端部までの距離をδ、受光部の、フレネルゾーンプレート光学中心に対応する点から集光スポット位置までの距離をΔとする（図２９Ｂ中に記載）。
【０１９６】
移動板２０３の回転位置によって、固定板のフレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４に対応する位置に、光透過部２０５がある場合と位相型回折格子２０６がある場合とがある。フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４に対応する位置に光透過部５が存在する場合（図２９Ａの場合）、移動板に入射した略平行光は光透過部５を透過し、フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４に入射する。フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４によって形成される光スポット２１３−１〜２１３−４をそれぞれ受光部２１２−１〜２１２−４により受光する。また、フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４に対応する位置に位相型回折格子２０６が存在する場合（図２９Ｂの場合）、移動板に入射した略平行光は位相型回折格子２０６によって回折される。そのため、フレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−４により形成される光スポット２１３−１〜２１３−４の位置がずれ、受光部２１２−１〜２１２−４で受光されない。すなわち、
Δ＝Ｌ×ｔａｎθ１＞δ ・・・（４６）
の関係を満足させておくことで、フレネルゾーンプレートの集光スポットを受光部で受光しないようにすることができる。
【０１９７】
位相型回折格子２０６の格子ピッチＰと回折角度θ１は、使用する光の波長λにより、
ｓｉｎθ１＝λ／Ｐ ・・・（４７）
の関係があることはよく知られている。そのため、（４６）（４７）式を満たすよう、位相型回折格子２０６の格子ピッチや受光部の幅などの関係を規定する。
【０１９８】
上記の受光器２１３−１〜２１３−４の受光信号からＺ相信号を形成する方法を、図３０、３９を用いて説明する。図３０は回転板の光透過部、固定板のフレネルゾーンプレートと受光部位置を示すものである。図３１は、図３０における光透過部２０５の位置に対する、受光部１２−１〜１２−４の受光光量の関係を示すものである。
【０１９９】
信号（１）、（２）、（３）、（４）は、それぞれ受光部２１２−１、２１２−２、２１２−３、２１２−４の受光光量を示す。光透過部の幅をｄ、フレネルゾーンプレート２０９−１と２０９−２の幅をｒＡ 、フレネルゾーンプレート２０９−３と２０９−４の幅をｒＢ とし、フレネルゾーンプレート２０９−１と２０９−２の境界位置をａ、フレネルゾーンプレート２０９−３と２０９−４の境界位置をｂとする。簡単のため、フレネルゾーンプレート２０９−１と２０９−２の幅は等しくｒＡ／２とする。同じくフレネルゾーンプレート２０９−３と２０９−４の幅も等しくｒＢ／２とする。
【０２００】
光透過部のＡ部（図３０中に記載）位置と信号（１）、（２）、（３）、（４）は図に示すとおりとなる。信号（１）に関して、Ａ部の位置θ（Ａ）がａ−ｒＡ／２の位置のとき、つまり、
θ（Ａ）＝ａ−ｒＡ／２ ・・・（４８）
のとき、受光光量が増加し始め、
θ（Ａ）＝ａ ・・・（４９）
で受光光量が一定になり、
θ（Ａ）＝ａ＋ｄ−ｒＡ／２ ・・・（５０）
で受光光量が減少し始め、
θ（Ａ）＝ａ＋ｄ ・・・（５１）
のとき受光光量が一定となる。
【０２０１】
信号▲２▼に関しても同様に、
θ（Ａ）＝ａ ・・・（５２）
のとき受光光量が増加し始め、
θ（Ａ）＝ａ＋ｒＡ／２ ・・・（５３）
で受光光量が一定になり、
θ（Ａ）＝ａ＋ｄ ・・・（５４）
で受光光量が減少し始め、
θ（Ａ）＝ａ＋ｄ＋ｒＡ／２ ・・・（５５）
のとき受光光量が一定となる。信号（３）、（４）に関しても同様である。
図３１は、信号（１）〜（４）からＺ相信号を生成する処理方法を示したものである。信号（１）と（２）の差分信号として信号（５）を得、（３）と（４）の差分信号として信号（６）を得る。信号（５）、（６）をそれぞれゼロレベルで２値化して信号（７）、（８）を生成し、信号（７）、（８）の排他論理積から信号（９）を生成する。
【０２０２】
また、信号（２）と（３）の和から信号（１０）を生成し、信号（１０）を、信号（９）の１パルスを含むパルス信号になるような適当なしきい値で二値化して信号（１１）を生成する。
これら、信号（９）と信号（１１）の論理積によって、信号（１２）（Ｚｄ信号とする）を得る。
【０２０３】
Ｚｄ信号とＡ／Ｂ相信号（１３）との論理積をとり、これをＺ相信号（１４）とすることで、Ａ／Ｂ相信号１パルスと同期したＺ相信号を生成することができる。
このとき、Ｚｄ信号のパルス幅ＴＺｄと、Ａ／Ｂ相信号のパルス幅ＴＡＢを以下の関係にし、
ＴＡＢ＜ＴＺｄ＜ＴＡＢ×２ ・・・（５６）
Ｚｄ信号がＡ／Ｂ相信号１パルスのみを包括するようにすることで、論理積をとったときにＡ／Ｂ相信号１パルスと同期したＺ相信号を得られる。
【０２０４】
光透過部２０５の中心がフレネルゾーンプレート２０９−１〜２０９−２の境界にある時に受光部２１２−１と２１２−２の差動出力がゼロになり、この点がＺｄ信号の立ち上がり点となる。同じく、光透過部２０５がフレネルゾーンプレート２０９−３と２０９−４の境界にあるときに受光部２１２−３と２１２−４の差動出力がゼロになり、この点がＺｄ信号の立ち下がり点になる。つまり、Ｚｄ信号のパルス幅は、フレネルゾーンプレート２０９−１と２０９−２の境界である位置ａと、フレネルゾーンプレート２０９−３と２０９−４の境界である位置ｂのなす距離（角度）となる。距離｜ａ−ｂ｜に制約はなく、どんな値でもよい。すなわち、Ｚｄ信号のパルス幅を制約なく小さくできる。上記従来例の一例で示した、１０μｍ程度の周期であるＡ／Ｂ相信号と同じ程度のパルス幅のＺ相信号を生成することが可能となる。
【０２０５】
ここで、光透過部の幅ｄはフレネルゾーンプレートの幅ｒＡ、ｒＢ以下である、すなわち次の関係を満たす。
ｄ≦ｒＡ ・・・（５７）
ｄ≦ｒＢ ・・・（５８）
なぜならば、光透過部幅ｄがフレネルゾーンプレート幅ｒＡ、ｒＢより大きいと、２フレネルゾーンプレート境界付近において光透過部の位置が変化しても、２受光部の差動出力の変化が得られない、つまり差動出力とゼロレベルとの交叉が点でなくなってしまい、ノイズ等の影響によってＺｄ信号の立ち上がり点が安定しなくなるからである。
【０２０６】
位相型回折格子やフレネルゾーンプレートは基板表面の凹凸形状により実現でき、ポリカーボネートやアクリル等の透明樹脂を用いてスタンパ工法により安価に作製することができる。
【０２０７】
なお、位相型回折格子２０６として、移動板２０３の移動中心を中心とする放射状の格子を用いたが、位相型回折格子２０６とフレネルゾーンプレート２０９−１〜４により形成される光スポットを受光部２１２−１〜４で受光しないようなもの、例えば図３５に示すような同心円状の格子２６１、あるいは図３６に示すような放射状でも同心円状でもない格子２６２、あるいは図３７に示すようなフレネルゾーンプレート２６３、あるいは図３８に示すような光散乱面２６４、あるいは図３９に示すようなプリズム２６５、あるいは図４０に示すようなレンズ２６６であっても同様の効果が得られる。また、固定板２０７上の集光性位相変調素子としてフレネルゾーンプレートを用いたが、図４１に示すような通常の屈折レンズ２９１−１〜２９１−４であっても同様の効果が得られる。
【０２０８】
なお、本実施の形態では、固定板上の並列２集光素子２組を、移動板の移動方向に関して互いに異なる位置に設置することで、２つの差動出力のゼロクロスタイミングをずらせて２値化信号の立ち上がり部と立ち下がり部を生成したが、図３４に示すように、固定板上の並列２集光素子２組を、移動板の移動方向に関して同じ位置に設置し、対応する移動板上の光透過部の位置を互いに異なるように設置しても、２つの差動出力信号のゼロクロスタイミングがずれるので、同様の効果が得られる。
【０２０９】
また、フレネルゾーンプレート２０９−１と２０９−２、および２０９−３と２０９−４の幅を等しくしたが、等しくなくとも同様の効果が得られる。
（実施の形態１１）
本発明の光学式エンコーダ及び位置検出方法に関する実施の形態１１について、図３２〜図３３を参照しつつ説明する。図３２は本発明の光学式エンコーダの実施の形態１１の基本構成を示す斜視図である。図３２に示す光学式エンコーダは、半導体レーザ又は比較的可干渉性の高い発光ダイオード等の光源２０１と、光源２０１より出射された光を平行光にするコリメータレンズ２０２と、平行光の光軸に対して略垂直に配置され、光軸と平行な回転軸２１３を中心に回転可能な移動板２０３と、光軸に対して略垂直に配置された固定板２０７と、複数の受光部を有する受光器２１０等で構成されている。
【０２１０】
円盤状の移動板２０３は、同心円状に配置した位相型回折格子２０６−１、２０６−２、・・・２０６−ｎ（但し、ｎは２以上の整数）（以下、２０６−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と一般化する。他も同様。）の一部パターンを削除することで作製した光透過部２０５−ｉ−１、・・・２０５−ｉ−ｍｎ（但しｍｎは１以上の整数）（以下、２０５−ｉ−ｊ（ｊ＝１〜ｍｎ）と一般化する。）を有する。
【０２１１】
固定板２０７は、移動板の位相型回折格子２０６−ｉに対応した位置に、フレネルゾーンプレート２０９−ｉ−１〜２０９−ｉ−４を有する。受光器２１０の受光部２１２−ｉ−１〜２１２−ｉ−４は、それぞれ移動板２０３の光透過部２０５−ｉ−ｊと固定板２０７のフレネルゾーンプレート２０９−ｉ−１〜２０９−ｉ−４により形成される光を受光する。
【０２１２】
図２８の構成において、回転板２０３の光透過部２０５−ｉ−ｊ、位相型回折格子２０６−ｉと、固定板２０７のフレネルゾーンプレート２０９−ｉ−１〜２０９−ｉ−４で光変調することにより、受光器２１０の受光部２１２−ｉ−１〜２１２−ｉ−４での受光量が変化することは、実施の形態１０において図２９により説明した通りであり、図３０、３９で説明した方法で、各トラックの２値化信号Ｚｄ１、Ｚｄ２、・・・Ｚｄｎ（ｎは２以上の整数）を生成する。各トラックで生成される２値化信号Ｚｄｉの発生タイミングは、各光透過部２０５−ｉ−ｊの相対位置で決まる。
【０２１３】
２値化信号をＨ及びＬで記述すると、移動板の１回転中での各トラックの２値化信号Ｈ、Ｌの組み合わせは、移動板２０３の位置に依存する。移動板２０３がある位置のときの各トラックの２値化信号パターンが、移動板が他のいずれの位置ある時の２値化パターン信号とも異なるように、複数の各トラック信号間でパルス幅（すなわちフレネルゾーン２０９−ｉ−１と２０９−ｉ−２の境界と、２０９−ｉ−３と２０９−ｉ−４の境界の距離（角度））と発生タイミング（すなわち光透過部２０５−ｉ−ｊの位置）を設定することで、受光信号パターンから移動板の絶対回転位置を検出することができる。移動板２０３の位置に特有の信号パターンが得られるので、移動板２０３の回転位置がどこであっても位置検出が可能なアブソリュート型光学式エンコーダとなる。
【０２１４】
位相型回折格子やフレネルゾーンプレートは基板表面の凹凸形状により実現でき、ポリカーボネートやアクリル等の透明樹脂を用いてスタンパ工法により安価に作製することができる。
【０２１５】
なお、位相型回折格子２０６として、移動板２０３の移動中心を中心とする放射状の格子も用いたが、位相型回折格子２０６とフレネルゾーンプレート２０９−１〜４により形成される光スポットを受光部２１２−１〜４で受光しないようなもの、例えば図４２に示すような同心円状の格子２６１−１〜２６１−ｎ、あるいは図４３に示すような放射状でも同心円状でもない格子２６２−１〜２６２−ｎ、あるいは図４４に示すようなフレネルゾーンプレート２６３−１〜２６３−ｎ、あるいは図４５に示すような光散乱面２６４−１〜２６４−ｎ、あるいは図４６に示すようなプリズム２６５−１〜２６５−ｎ、あるいは図４７に示すようなレンズ２６６−１〜２６６−ｎであっても同様の効果が得られる。また、固定板２０７上の集光性位相変調素子としてフレネルゾーンプレートを用いたが、図４８にしめすような通常な屈折レンズ２９１−１−１〜２９１−ｎ−４であっても同様の効果が得られる。
【０２１６】
なお、本実施の形態では、固定板上の並列２集光素子２組を、移動板の移動方向に関して互いに異なる位置に設置することで、２つの差動出力のゼロクロスタイミングをずらせて２値化信号の立ち上がり部と立ち下がり部を生成したが、図３４に示すように、固定板上の並列２集光素子２組を、移動板の移動方向に関して同じ位置に設置し、対応する移動板上の光透過部の位置を互いに異なるように設置しても、２つの差動出力信号のゼロクロスタイミングがずれるので、同様の効果が得られる。
【０２３０】
【発明の効果】
本発明の第１の光学式エンコーダによれば、光源と、前記光源から出射された光を平行光にするレンズと、集光素子及び第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板と、第２のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第２の位相型回折格子を有する固定板と、前記第１の位相型回折格子と前記第２の位相型回折格子とにより生成される第１の光パターン及び前記集光素子により生成される第２の光パターンを検出する光検出器とを備え、前記集光素子の中心を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有することを特徴とする。すなわち、この第１の光学式エンコーダの構成によれば、集光素子及び第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板の第１の位相型回折格子と固定板の第２の位相型回折格子とにより、各トラックごとに複数の周期信号を発生させ、複数の周期信号と集光素子による信号との論理積をとることにより、移動板の基準位置を特定することができる。位相型回折格子やフレネルゾーンプレート等の集光素子は、透明基板の表面の凹凸形状で実現できるため、透過性のある樹脂を用いて、スタンパ工法により安価に作製することができる。
【０２３１】
また、本発明の第２の光学式エンコーダによれば、光源と、前記光源から出射された光を平行光にするレンズと、第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板と、第２のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第２の位相型回折格子を有する固定板と、前記第１の位相型回折格子と前記第２の位相型回折格子とにより生成される光パターンを検出する光検出器とを備え、格子ピッチが最大となるトラックの凸形状端部を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有することを特徴とする。すなわち、第２の光学式エンコーダの構成によれば、第１及び第２の位相型回折格子は、格子ピッチが最大となるトラックの凸形状端部を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有しているため、各トラックごとに発生される周期信号はそれぞれパターンが異なるように設定される。各瞬間ごとのパターンをあらかじめ記憶しておいたパターンと比較することにより、移動板が現在移動基準位置からどの位置にあるのかを絶対的に判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光学式エンコーダの概略構成図
【図２】上記実施の形態１における効果説明のための、フレネルゾーンプレートの作用を示す光路図
【図３】上記実施の形態１における効果説明のため、光の経路を示した光路図
【図４】本発明の実施の形態２に係る光学式エンコーダの概略構成図
【図５】上記実施の形態２における効果説明のため、光の経路を示した光路図
【図６】本発明の実施の形態３に係る光学式エンコーダの概略構成図
【図７】上記実施の形態３における効果説明のための、光の経路を示した光路図
【図８】本発明の実施の形態４に係る光学式エンコーダの概略構成図
【図９】上記実施の形態４における効果説明のための、光の経路を示した光路図
【図１０】本発明の実施の形態５に係る光学式エンコーダの概略構成図
【図１１】上記実施の形態５における効果説明のための、光の経路を示した光路図
【図１２】本発明の実施の形態６の光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図１３】実施の形態６の位相光学素子の各トラックの断面形状を示す図
【図１４】図１３に示す位相光学素子の断面形状の一部分拡大した図
【図１５】実施の形態６における受光部の出力信号を示す図
【図１６】図１５に示す出力信号の一部分を拡大した図
【図１７】本発明の実施の形態７における光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図１８】実施の形態７における位相光学素子の断面形状を示す図
【図１９】実施の形態７における受光部の出力信号を示す図
【図２０】本発明の実施の形態８における光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図２１】実施の形態８における光学式エンコーダの光路図
【図２２】実施の形態８における位相光学素子の断面形状を示す図
【図２３】実施の形態８における受光部の出力信号を示す図
【図２４】本発明の実施の形態９における光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図２５】実施の形態９における光学式エンコーダの光路図
【図２６】実施の形態９における位相光学素子の断面形状を示す図
【図２７】実施の形態９における受光部の出力信号を示す図
【図２８】本発明の実施の形態１０における光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図２９】実施の形態１０における光変調の様子を示す光路図
【図３０】実施の形態１０における変調素子位置を示す図
【図３１】実施の形態１０の出力信号生成過程を示す図
【図３２】本発明の実施の形態１１における光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図３３】実施の形態１１の出力信号例を示す図
【図３４】実施の形態１０における別の変調素子位置を示す図
【図３５】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図３６】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図３７】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図３８】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図３９】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４０】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４１】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４２】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４３】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４４】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４５】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４６】実施の形態１０における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４７】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４８】実施の形態１１における光学式エンコーダの別の構成を示す斜視図
【図４９】第１の従来例の光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図５０】従来の遮光パターンを作製するプロセス図
【図５１】従来のスタンバ工法による位相型回折格子の作成プロセス図
【図５２】第１の従来例の光学式エンコーダの別の構成例及び光路を示す図
【図５３】第１の従来例の光学式エンコーダのさらに別の構成例及び光路を示す図
【図５４】光源の大きさとレンズ定数と光スポットとの関係を説明するための光路図
【図５５】第２の従来例の光学式エンコーダの構成を示す斜視図
【図５６】第３の従来例の位置検出装置の概略構成を示す図
【符号の説明】
１，１０１，２０１ 光源
２，１０２，２０２ コリメータレンズ
３，１１４，２１３ 回転軸
４，１０３，２０３ 移動板
５，１０７，２０７ 固定板
６，１１０，２１０ 受光器
７，９，１０４，１０５，１０８，１０９，２０４，２０６，２０８ 回折格子
８，１０，１０６，１４３ フレネルゾーンプレート
１１，３２，１１１，１１２，１１３，２１１，２１２ 受光部
２１ 凹レンズ
２２，４２，５２ 凸レンズ
３１ ハーフミラー
４１ 光散乱源
５１ 反射面
１４１，２０５ 光透過部
２０９ 集光素子
φａ，φａ２，φａ３，φａ４，φａ５ 光源の大きさ
δｂ１，δｂ１２，δｂ１３，δｂ１４，δｂ１５ 移動板の移動量
δｃ，δｄ２，δｃ３，δｃ４，δｃ５ 光スポットの移動量
φｃ，φｄ２，φｃ３，φｃ４，φｃ５ 光スポットの大きさ
ｗ，ｗ２，ｗ３，ｗ４，ｗ５ 受光部の巾
ｇ，ｇ２，ｇ３，ｇ４，ｇ５ 移動板と固定板間の距離
ｆａ，ｆａ２，ｆａ３ コリメータレンズの焦点距離
ｆｂ１，ｆｂ１２ 移動板上のフレネルゾーンプレートの焦点距離
ｆｂ２，ｆｂ２２ 固定板上のフレネルゾーンプレートの焦点距離
ｆｂ１３ 移動板上のレンズの焦点距離
ｆｂ２３，ｆｂ２４，ｆｂ２５ 固定板上のレンズの焦点距離
ｆｃ，ｆｃ３，ｆｃ４，ｆｃ５ 固定板から光スポットまでの距離
ｆｃ２ 移動板上のフレネルゾーンプレートに入射した光が固定板上のフレネルゾ−ンプレートで集光される点から固定板間での距離
ｆｄ２ 移動板から光スポットまでの距離
φｂ４ 移動板上の光散乱源の大きさ
φｂ５ 移動板上の反射面の大きさ
Ｐｉ〜Ｐｎ 位相型回折格子のピッチ（但し、ｉ＝０〜ｎ、ｎは２以上の整数）
Ａ 受光部１２での受光信号を２値化した信号
Ｚｉ 受光部１３−ｉでの受光信号の２値化信号
Ｚｄ 受光部１１での受光信号を２値化した信号
Ｚ Ａ、Ｚ１、Ｚ２、Ｚｎ・・Ｚｄの論理積信号
ａ７ 光源の発光径
ｂ７ コリメータレンズの焦点距離
ｃ７ フレネルゾーンプレートの焦点距離
ｃ７ｄ フレネルゾーンプレートから受光部までの距離
ｄ７ 集光スポット径
Claims (5)
- 光源と、
前記光源から出射された光を平行光にするレンズと、
集光素子及び第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板と、
第２のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第２の位相型回折格子を有する固定板と、
前記第１の位相型回折格子と前記第２の位相型回折格子とにより生成される第１の光パターン及び前記集光素子により生成される第２の光パターンを検出する光検出器と
を備え、
前記集光素子の中心を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、
前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有する
ことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記第１及び第２の位相型回折格子の各トラックにおける周期信号をそれぞれＳｏ、Ｓｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは２以上の整数）として、各周期ＶＳｏ、ＶＳｉが、
ＶＳｏ≦・・・≦ＶＳｉ−１≦ＶＳｉ ・・・（３）
の条件を満たし、移動基準点近傍において、ＳｉのパルスがＳｉ−１のパルスをただ１つだけ含むこと
を特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ。 - 前記移動基準点近傍において、前記集光素子が作る集光スポットを受光することによって生じる信号のパルスが、Ｓｎのパルスをただ１つだけ含むこと
を特徴とする請求項２記載の光学式エンコーダ。 - 光源と、
前記光源から出射された光を平行光にするレンズと、
第１のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第１の位相型回折格子を有する移動板と、
第２のトラック群の各トラックの格子ピッチが全て異なる第２の位相型回折格子を有する固定板と、
前記第１の位相型回折格子と前記第２の位相型回折格子とにより生成される光パターンを検出する光検出器と
を備え、
格子ピッチが最大となるトラックの凸形状端部を通る前記移動板の中心からの直線において、前記直線上に位置する前記第１のトラック群の各トラックの格子形状は、全て凹形状か、全て凸形状か、のいずれかであり、
前記第２のトラック群の各トラックは、対向する前記第１のトラック群の各トラックと同一の格子ピッチ及び同一の格子形状を有する
ことを特徴とする光学式エンコーダ。 - 前記光検出器の複数の周期信号をそれぞれＳｏ、Ｓｉ（ｉ＝１〜ｎ、ｎは２以上の整数）として、各周期ＶＳｏ、ＶＳｉが、
ＶＳｏ×２＝ＶＳ１
・
・
・
ＶＳｎ−１×２＝ＶＳｎ ・・・（４）
の条件を満たすこと
を特徴とする請求項４記載の光学式エンコーダ。
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