CN101329186B - 表面反射编码器标尺和使用该标尺的表面反射编码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面反射编码器标尺和使用该标尺的表面反射编码器。该表面反射编码器标尺用于表面反射编码器，用于检测进行相对移动的构件的相对位移量。表面反射编码器标尺包括构件的基板或者设置在构件上的基板，以及设置在基板上的反射相栅，反射相栅的表面上具有用于改变反射衍射光的相位的凹凸。相栅的凹凸由金属硅化物和铬的沉积膜形成。

Description

表面反射编码器标尺和使用该标尺的表面反射编码器

技术领域

本发明涉及一种表面反射编码器标尺和使用该标尺的表面反射编码器，更具体地，涉及一种相栅(phase grating)的改进。

背景技术

迄今为止，已经使用表面反射编码器来检测进行相对移动的构件的位移量。该表面反射编码器包括设置有反射相栅的标尺和检测机构。在该表面反射编码器中，检测机构使得相干光入射到标尺的相栅上，使标尺上的反射衍射光相互干涉，并使用光的干涉来检测反射衍射光随标尺移动变化的相位改变，从而提供标尺的移动量。

顺便提及，表面反射编码器要求高信号效率和高可靠性，为了满足这些要求，已经开发了各种标尺。(例如，参考专利文件1到3。)表面反射编码器标尺要求高反射系数以在相栅的凹凸(asperity)(凹面和凸面)上反射光。为了满足这个要求，迄今为止，相栅的凹凸由具有高反射系数的金属单独或组合地形成。

[专利文件1]日本专利申请公开No.平7-113905

[专利文件1]日本专利申请公开No.平8-286020

[专利文件1]日本专利申请公开No.平10-318793

然而，尽管在背景技术中有改进可靠性的余地，然而迄今为止仍然未知损害可靠性的原因，而且还不存在可以解决这个问题的合适的技术。

发明内容

因此本发明的目的之一是提供一种能够提供高可靠性的表面反射编码器标尺以及使用该标尺的表面反射编码器。

虽然损害表面反射编码器可靠性的原因之前是未知的，但是作为本发明者对上述问题的考察的结果，本发明者发现其原因是相栅表面的氧化。

也就是，在相栅中，为了提供稳定的衍射光栅和高的可靠性，需要精确控制相栅的形状，特别是要控制高度。因此，考察了在标尺中具有可靠性的铬和在蚀刻处理中作为蚀刻停止件(stopper)的金属的组合。

然而，在此种组合中，在苛刻的条件例如高湿度环境下，相栅表面上容易发生氧化。因为在该部分中衍射效率急剧降低，所以编码器的可靠性受到损害。

为了解决这样的缺陷条件，经本发明者进一步研究发现，在大量材料中金属硅化物(特别是硅化钛)和铬的材料组合非常有效。

也就是，按照金属硅化物和铬的组合，提供了高的可靠性而没有降低光反射系数。

因此，本发明者基于损害表面反射编码器可靠性的未知原因是标尺表面的氧化所引起的衍射效率降低这样的发现，找到了金属硅化物和铬的材料组合。

本发明者发现根据金属硅化物和铬的材料组合表面反射编码器的可靠性可以进一步提高，并完成了本发明。

为了选择反射相栅的材料，通常的实践是仅仅关注于光反射系数而选择一种金属或者不同金属的组合。相反地，本发明者从大量材料中选择金属硅化物，目的是提供相栅上的高的光反射系数以及稳定性。本发明的金属硅化物直到同时关注高的光反射系数和稳定性时才被获得；如果仅仅关注高反射系数，该解决手段是不容易得到的。

<标尺>

也就是说，为了实现上述目的，根据本发明，提供了表面反射编码器使用的表面反射编码器标尺，该表面反射编码器用于检测进行相对移动的构件的相对位移量，该表面反射编码器标尺包括该构件的基板或者设置在该构件上的基板，以及提供在该基板上的反射相栅，该反射相栅在其表面上具有用于改变反射衍射光的相位的凹凸，其中该相栅的凹凸由金属硅化物和铬的沉积膜形成。

在本发明中，特别优选的金属硅化物是硅化钛。

<沉积顺序>

本发明中，优选将铬膜设置在基板上以使相栅的每个凹入部分由铬膜形成，而且

预定间距的金属硅化物膜设置在铬膜上以使相栅的凸出部分由金属硅化物膜形成。

在此述及的凹面或凹入部分指凹槽的底部。

<表面涂覆>

在本发明中，优选相栅的整个表面由金的薄膜均匀涂覆。

<编码器>

为了实现上述目的，根据本发明，提供了包括根据本发明的表面反射编码器标尺和检测机构的表面反射编码器。提供该检测机构以允许相干光入射到相栅上，产生反射衍射光，用光的干涉来检测相栅中反射衍射光随构件的相对移动变化的相位变化，并提供构件的相对位移量。

作为本发明的检测机构，例如可以提到日本专利申请公开No.2005-308718中描述的装置。

根据本发明的表面反射编码器标尺，反射相栅由金属硅化物(特别是硅化钛)和铬的沉积膜形成，从而可以获得迄今为止难以获得的高可靠性而没有降低光的反射系数。

本发明中，铬膜和金属硅化物膜从基板侧依次沉积以形成相栅，从而可以进一步改善标尺的可靠性。

本发明中，相栅的整个表面还均匀涂覆金的薄膜，从而可以进一步改善标尺的可靠性。

因为根据本发明的表面反射编码器包括根据本发明的表面反射编码器标尺，所以可以获得迄今为止难以获得的高可靠性而没有降低光的反射系数。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的表面反射编码器的示意性结构的示意图；

图2是根据本发明实施例的表面反射编码器中特征标尺的主要部分的放大图；

图3(A)-(C)是使用根据本发明实施例的标尺和使用相关技术的标尺之间的稳定性对比的示意图；以及

图4(A)-(D)是示出根据本发明实施例的标尺的制造方法的处理工序的示意图。

具体实施方式

现在参考附图给出本发明的优选实施例。

图1示出根据本发明实施例的表面反射编码器的示意性结构。

图中所示的表面反射编码器10包括表面反射编码器标尺12和检测机构14。

表面反射编码器12包括基板16和反射相栅18。

基板16是例如玻璃基板。

本发明的特征之一在于，相栅18由硅化钛和铬的沉积膜形成，并被设置在基板16上。相栅18是在表面上的截面具有类似矩形波的凹槽(凹凸)形状的反射衍射光栅，该相栅18改变反射衍射光的相位。

检测机构14包括光发射装置20和光接收装置22，并用光的干涉来检测反射衍射光随着标尺12的移动变化的相位变化。

光发射装置20包括光源24和透光构件26。透光构件26设置有折射率光栅(index grating)28。

光接收装置22设置在透光构件26上并包含一组光接收元件27。

检测机构14允许来自光源24的相干光通过折射率光栅28入射到标尺12上，使在标尺12上的反射衍射光(L₁和L₂)相互干涉，并由光接收装置22检测干涉条纹随着标尺12的相对移动的明暗变化。光接收装置22执行干涉条纹的明暗变化的光电转换。运算装置29基于来自光接收装置22的电信号来提供标尺12的相对位移量。

本发明的特征之一在于相栅18的截面上类似矩形波形状的凹槽由硅化钛(金属硅化物)和铬的沉积膜形成。

这样，在本实施例中，如图2所示的截面上类似矩形波形状的凹槽由凹入部分18a和凸出部分18b组成。

如图所示，在基板16上设置铬膜30，从而相栅18的凹入部分18a由铬膜30形成。以预定间距的硅化钛(金属硅化物)膜32设置在铬膜30上，从而相栅18的凸出部分18b由硅化钛膜32形成。

已经描述了根据本实施例的表面反射编码器10的示意性结构，下面将讨论表面反射编码器的功能：

根据本实施例的表面反射编码器10具有上述装置并因此可以提供检测机构14和标尺12之间的相对位移量。也就是，如果相干光从光源24施加到折射率光栅28上，则通过折射率光栅28产生明暗图案。如果检测机构14沿图中的X轴方向相对于设置有相栅18的标尺12移动，则会发生响应于明暗图案的变化的类正弦波形的光信号。例如，发生由于凹入部分18a反射的光和凸出部分18b反射的光之间的相位差而干涉的光的信号。包含在信号中不同相的光信号由相应的光接收元件27检测。光接收元件27的输出信号被送到运算装置29，因而运算装置29计算检测机构14和标尺12之间的相对位移量。

本实施例中，相栅的凹凸由铬和硅化钛的沉积膜形成，从而可以提供高的可靠性而没有降低光反射系数。

本实施例中，使用具有小的膜应力的硅化钛，从而与除了由硅化钛和铬的组合形成的物质之外的任何物质相比，可以大大减少基板的翘曲。本实施例中，从膜应力的观点来看，也可以提供高的可靠性。

根据本实施例的表面反射编码器标尺的可靠性得到了证实。

图3示出在相同的高湿度环境下放置根据本实施例的标尺和同样形状的对比示例的标尺的结果。

图3(A)示出根据本实施例的标尺的相栅表面的状态；图3(B)是图3(A)所示的相栅表面的放大图；图3(C)示出对比示例标尺的相栅表面的状态。

在试验中，以下被用作根据本实施例的标尺和对比示例标尺：

图2所示的标尺12用作根据本实施例的标尺。作为对比示例，用钨膜代替图2所示的标尺12中的硅化钛膜32。

结果，在表示比较示例的图3(C)中的相栅表面上证实了由氧化导致的堆积膜。相反，在表示本实施例的图3(A)或(B)中的相栅表面上没有发生这种氧化。

如上所述，根据本实施例的标尺12，与对比示例相比，即使在苛刻的高湿度环境下，也可以可靠地防止相栅表面的氧化，从而可以可靠地防止表面上光反射系数的降低。因此，在本实施例中，与不是铬和硅化钛的沉积膜即一种金属或不同金属的组合的任何其他标尺相比，即使在苛刻的高湿度环境下也可以获得标尺的高稳定性，从而可以提供高可靠性。

需要理解的是，本发明不仅限于上述结构，而在不脱离本发明精神和范围的前提下，可以进行各种修改。例如，更优选使用如下制造方法、沉积顺序和表面涂覆：

<制造方法>

在本实施例中，为了进一步改善可靠性，重要的是更均匀地制造相栅的凹凸。这样，在本实施例中，特别优选使用大量的制造方法中的如下之一：光栅结构的高精度加工和相栅的衍射效率的稳定化，通过使用根据硅化钛和铬的沉积膜结构在膜材料加工时使用蚀刻停止件的作用来完成。

图4示出根据本发明实施例的标尺的制造方法的处理工序。

图中所示的制造方法依次包括成膜步骤(S10)、掩膜步骤(S12)和蚀刻步骤(S14)。

在成膜步骤(S10)，在玻璃的基板16上形成铬膜。然后，在铬膜30上形成硅化钛膜以使硅化钛膜32具有任何期望的厚度。

在掩膜步骤(S12)，对设置于硅化钛膜32上的光致抗蚀剂膜执行用全息术和掩膜等的转录曝光(transfer exposure)、显影等，从而形成具有预定间隔的平行栅34。

在蚀刻步骤(S14)，使用铬膜30作为蚀刻停止层，光致抗蚀剂膜的栅34作为掩模，用包含碳氟化合物气体和氧气的蚀刻气体从上面进行蚀刻，来选择性地去除硅化钛膜32的非掩膜部分。因此，在铬膜30上可以形成具有预定间距的硅化钛膜32。

最后，去除掩膜(光致抗蚀剂膜的栅34)。

在本实施例中，相栅的凹凸由铬膜30和硅化钛膜形成，由此与一种金属形成的相栅的凹凸相比，基于入射光波长的凹凸的高度(凹槽深度)，可以被更均匀地制成。相应地，可以进行高精度的测量。

也就是，在本实施例中，相栅的凹凸需要形成得更为均匀，以提供更高的可靠性并进行高精度的编码器检测。

为了形成一种金属的相栅的凹凸，就难以通过蚀刻制成均匀的凹凸。

相反，在本实施例中，通过使用硅化钛和作为蚀刻停止件的铬，使均匀地制得相栅的凹凸变得容易。

采用此种制造方法使得均匀地制成相栅凹凸变得容易，同样重要的是采用硅化钛和铬的组合作为相栅。

<沉积顺序>

为了更均匀地制得相栅的凹凸，很重要的是考虑铬膜和硅化钛膜的沉积顺序。

也就是说，如果硅化钛膜和铬膜从基板侧依次沉积并用包含氯基气体和氧气的蚀刻气体来蚀刻铬，则硅化钛也可以被蚀刻，尽管该蚀刻量是痕量，即不会引起作为本发明标尺使用的问题的量。

另一方面，如果铬膜和硅化钛膜从基板侧依次沉积并用包含碳氟化合物和氧气的蚀刻气体来蚀刻硅化钛，铬可靠地作为蚀刻停止件且不被蚀刻。相应地，可以更均匀地制得相栅的凹凸。

因此，在本实施例中，为了更均匀地制得相栅的凹凸，更优选将铬膜和硅化钛膜从基板侧依次沉积，从而使相栅的每个凹入部分由铬膜形成而相栅的每个凸出部分由硅化钛膜形成。

<沉积顺序>

在本实施例中，从以下可靠性观点来看，沉积顺序也是非常重要的：

为了以高精度进行本实施例的编码器的检测，有必要基于入射光波长来控制相栅凹凸的高度(台阶高度)。因此，非常重要的是要简便地控制膜厚以使得相栅的凸出部分厚或薄。

为了形成铬的相栅凸出部分，由铬形成的膜的应力高，因此当铬膜被制得更厚时，逐渐地容易出现翘曲或剥落。相应地，就有可能发生标尺精度的改变。

相反地，为了形成硅化钛的相栅凸出部分，由硅化钛形成的膜的应力低，因此如果硅化钛膜被制得厚，则难以出现翘曲或剥落。这样就可以大大减少翘曲和剥落，从而也就大大降低了标尺精度的改变。

从检测结果可知，在本实施例中，与任何其他沉积顺序相比，更优选将铬膜和硅化钛膜从基板侧依次沉积，从而使相栅的每个凹入部分由铬膜形成而相栅的每个凸出部分由硅化钛膜形成。

<表面涂覆>

在本实施例中，为了进行更高精度的检测，还很重要的是提高整个标尺的光反射系数。为了提高整个标尺的光反射系数，优选将相栅表面涂覆金属，其中特别优选的情况，从具有高反射系数的金属中选择稳定的金属。

在本实施例中，选择对金具有良好粘附性的铬和硅化钛以获得标尺的反射系数和可靠性。

也就是，在本实施例中，在图4所示除去掩膜之后，提供了表面涂覆步骤(S16)。在表面涂覆步骤(S16)，相栅18的整个表面用金的薄膜36均匀涂覆，如图4(D)所示。

结果，在本实施例中，整个标尺的光反射系数可以更加提高，从而进一步改善标尺的可靠性。

本发明的表面反射编码器并非仅限于上述结构而是如果使用表面反射编码器标尺则可以使用任何结构。本发明的表面反射编码器标尺也可以用作例如专利文件1到3中任一个中描述的编码器的标尺。

特别优选的是，本发明的相栅由截面为类似矩形波的形状的凹槽形成，但该凹槽的截面也可以为类似正弦波或锯齿波的形状。

Claims (5)

1.一种表面反射编码器标尺，用于表面反射编码器，所述表面反射编码器用于检测进行相对移动的构件的相对位移量，所述表面反射编码器标尺包括：

所述构件的基板或者设置在所述构件上的基板；以及

设置在所述基板上的反射相栅，该反射相栅的表面上具有用于改变反射衍射光的相位的凹凸，

其中所述相栅的凹凸由沉积的金属硅化物膜和铬膜形成。

2.如权利要求1所述的表面反射编码器标尺，其中所述金属硅化物是硅化钛。

3.如权利要求2所述的表面反射编码器标尺，其中所述铬膜设置在所述基板上以使所述相栅的每个凹入部分由所述铬膜形成，而且

其中具有预定间距的所述金属氧化物膜设置在所述铬膜上以使所述相栅的凸出部分由所述金属硅化物膜形成。

4.如权利要求3所述的表面反射编码器标尺，其中所述相栅的整个表面由金的薄膜均匀涂覆。

5.一种表面反射编码器，包括：

如权利要求4所述的表面反射编码器标尺；以及

检测机构，所述检测机构允许相干光入射到所述相栅上，产生反射衍射光，使用光的干涉来检测所述相栅中的所述反射衍射光随所述构件的相对移动变化的相位变化，并提供所述构件的相对位移量。

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