CN101484780A - 反射型编码器、其标尺以及标尺的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种反射型编码器、其标尺以及标尺的制造方法。该反射型编码器具有光源、形成从该光源照射光的多个图形的标尺、以及分别接收由上述多个图形各自反射的光的受光元件，从单个标尺得到多个受光信号，该反射型编码器在上述标尺的单一轨道上，使用电介质形成厚度不同的多个图形，并且从上述光源，照射根据电介质厚度的差而明暗不同的多个波长的光，得到按每个电介质厚度的受光信号，由此将多个图形叠加在同一轨道上来使标尺小型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种反射型编码器、其标尺、以及标尺的制造方法，特别涉及一种适于在线性编码器、旋转编码器等光电式编码器中使用的、能够以单轨实现增量(INC)图形和原点(ABS)图形的反射型编码器、其标尺、以及标尺的制造方法。
背景技术
铬等金属、或者氧化硅等电介质在线性编码器、旋转编码器等光电式编码器中使用的标尺上成膜并形成图形。
特别是在增量编码器中，除了INC图形之外还设置原点图形，例如在电源刚刚接通之后，使该原点图形强制通过，由此校正检测位置。
在此，作为将INC图形、与原点图形(参照标记)或者绝对位置(ABS)码图形(统称为ABS图形)一起配置在标尺上的编码器，以往，如与日本特开2001-82984号公报(专利文献1)的图2(a)对应的图1所示，提出在标尺1的支承体1.1上并列设置例如刻度周期TPM的INC图形1.2和参照标记(原点图形)1.3。在图1中，X是测量方向。
另外，如与日本特表2004-529344号公报(专利文献2)的图1对应的图2所示，还提出如下技术：通过组合具有A段所示的反射线12和非反射线14的反复图形的INC图形10、与具有B段所示的反射线12和非反射线14的ABS图形16来形成标尺18，如C段和D段所示，使INC图形10的反射线20的一部分(22)缺损，将该缺损部22作为ABS数据。在图2中，20是原始状态下的反射线，22是被除去后的反射线。
并且，在该专利文献2中，如与其图8对应的图3所示，远离测量轴线方向地配置INC图形的检测器50和ABS图形的检测器26。在图3中，LS1、LS2是光源，18是标尺，25是成像透镜，52是分度光栅，53是读取头。
另一方面，虽然不是与编码器有关的技术，但是在日本特开昭58-144804号公报(专利文献3)中还提出如下技术：如与其第1a图对应的图4所示，在具有多色微观结构的、特别是微观地图的形式的记录支撑体中，改变形成在层支撑体31上的多层体11和21的高度。在图4中，41、61、71、91是金属层，51是与第一色调对应的无机材料的非吸收性的干扰层，81是与第二色调对应的无机材料的非吸收性的干扰层。
然而，在专利文献1的技术中，需要较大地设定与标尺1的测量方向X垂直的方向(图的左右方向)的宽度，导致标尺、进而编码器大型化。
另外，如与专利文献2的图1对应的图2那样，当使INC图形的一部分缺损时，没有INC图形的部分的INC变位的检测精确度恶化。
另外，在与专利文献2的图8对应的图3的结构的情况下，在检测器50与检测器26之间存在间隔。因此，在存在温度变动的情况下，两者的间隔由于保持两者的部件的线膨胀而发生变动，因此具有INC图形的检测值与ABS图形的检测值不一致这样的问题。
另一方面，专利文献3涉及在微观地图上改变图形高度而具有多色的微观结构，不涉及光电式编码器的标尺。
发明内容
本发明是为了解决上述以往的问题点而做成的，目的在于使多个图形叠加在同一轴线上而使反射型编码器的标尺小型化。
本申请的技术方案1的发明是一种反射型编码器，具有光源、形成有来自该光源的光所照射的多个图形的标尺、以及分别接收由上述多个图形各自反射的光的受光元件，从单个标尺得到多个受光信号，该反射型编码器在上述标尺的单一轨道上，使用电介质形成厚度不同的多个图形，并且根据电介质厚度差而从上述光源照射明暗不同的多个波长的光，得到每个电介质厚度的受光信号。
本申请的技术方案2的发明如下所述：用反射光在第一厚度的电介质层衰减的第一光波长检测第一图形，并且用反射光在第二厚度的电介质层衰减的第二光波长检测第二图形。
本申请的技术方案3的发明的电介质层的高度进行如下设定：采用上述第一光波长时，来自电介质层的光量最低，并且采用第二光波长时，来自电介质层的光量为最大。
另外，技术方案4的发明是，上述多个图形为增量图形和ABS图形。
另外，技术方案5的发明是，上述电介质为氧化硅。
另外，技术方案6的发明是，上述电介质的厚度为430nm和330nm，上述光源的波长为880nm和660nm。
另外，技术方案7的发明是，检测上述增量图形的上述受光元件的检测中心轴线、与检测上述ABS图形的上述受光元件的检测中心轴线在测量轴线上一致。
另外，技术方案8的发明提供一种反射型编码器的标尺，该反射型编码器的标尺的特征在于，使用电介质，在标尺的单一轨道上形成厚度不同的多个图形。
另外，本申请的技术方案9的发明提供一种标尺的制造方法，其特征在于，使用电介质，在标尺的单一轨道上形成厚度不同的多个图形时，在标尺基板上使光反射层成膜，在光反射层上以第一高度使电介质层成膜，在电介质层上使第一抗蚀图形成膜并形成图形，蚀刻该第一抗蚀图形开口部的电介质层直到第二高度为止，在电介质层上使第二抗蚀图形成膜并形成图形，蚀刻该第二抗蚀图形开口部的电介质层，除去该第二抗蚀图形。
另外，本申请的技术方案10所涉及的发明提供一种标尺的制造方法，其特征在于，使用电介质，在标尺的单一轨道上形成厚度不同的多个图形时，在标尺基板上使光反射层成膜，在光反射层上使第一抗蚀图形成膜并形成图形，在该第一抗蚀图形的开口部剥离出(lift off)第二高度的电介质层，除去该第一抗蚀图形，在电介质层上使第二抗蚀图形成膜并形成图形，在该第二抗蚀图形的开口部上剥离出第一高度的电介质层，除去该第二抗蚀图形。
根据本发明，例如能够将INC图形与ABS图形叠加在同一轨道上，使标尺小型化。
特别地，在用反射光在第一厚度的电介质层衰减的第一光波长检测第一图形、并且用反射光在第二厚度的电介质层衰减的第二光波长检测第二图形的情况下，在各个图形检测中，相互不受影响，能够提高各个图形的检测精确度。
另外，电介质层的高度如下进行设定的情况下：采用第一光波长时，来自电介质层的光量最低、并且采用第二光波长时，来自电介质层的光量最大，从而，在各个图形的检测中，相互不受影响。
附图说明
图1是专利文献1所述的标尺的俯视图。
图2是表示专利文献2的图1所述的标尺的结构的图。
图3是表示专利文献2的图8所述的读取头和标尺的结构的侧视图。
图4是表示专利文献3所述的微观结构的剖视图。
图5是表示本发明的标尺的结构的俯视图和侧视图。
图6是表示以第一光波长观测上述标尺的情况的俯视图和侧视图。
图7是表示同样以第二光波长观测的情况的俯视图和侧视图。
图8是表示用于说明本发明的原理的、从电介质层射出的光的干扰的剖视图。
图9是同样地表示来自光电介质层的射出光量的例子的图。
图10是表示利用本发明的蚀刻法制造标尺的工序的图。
图11是表示利用剥离(lift-off)法同样制造标尺的工序的图。
图12是表示本发明所涉及的反射型编码器的实施方式的整体结构的斜视图。
图13同样地是表示详细结构的剖视图。
图14是同样地从Z轴方向观察检测头的俯视图。
图15是表示上述实施方式中的光源的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的实施方式。
如图5所示，在本实施方式中使用的标尺通过控制形成在光反射层32上的电介质层34的厚度(高度)h1、h2来分离INC图形和ABS图形，该光反射层32形成在标尺基板30上。例如，可设电介质层的厚度为h1的图形是INC图形36，厚度为h2的图形是ABS图形38。
作为上述电介质层34的材料，例如可使用氧化硅(SiO2)、氧化铬(Cr2O3)、氮化钛(TiN)等。在此，当使用氧化硅时，由于能够使电介质层的厚度差变大，因此容易进行光的分离，能够得到高性能的编码器。另一方面，氧化铬、氮化钛与氧化硅相比，折射率n较大，因此厚度h1、h2变小，成本变低，但是难以进行光的分离。
目前，众所周知，在通过电介质层来进行光的反射的情况下，在电介质层的表层反射的光与在电介质层内的光反射层反射的光相互干扰，在某特定的光波长变暗。因而，例如在厚度h1的电介质层以光波长λ1观测时变暗、厚度h2的电介质层以光波长λ2观测时变暗的情况下，如图6、图7那样，图5示出的图形36、38能够以各自的光波长观测到。
如图8所示，从电介质层射出的光的干扰如下所述：电介质层表面反射的光、与在电介质层内部的反射层表面反射的光的光路差为光波长的一半时衰减，在整数倍时加强。即，根据斯内尔定律，
nr＝n1/n0＝sinθ0/sinθ1...(1)
在此，n1是电介质层的折射率，n0是空气层的折射率，θ0是从空气层向电介质层的入射角，θ1是从空气层向电介质层的折射角。
用下式表示各点A、B、C、D之间的距离。
LABC＝2h/cosθ1...(2)
LAC＝2htanθ1...(3)
LAD＝LACsinθ0＝2hsinθ0tanθ1...(4)
在此，h是电介质层的厚度(高度)。因而，用下式表示AC间的光学距离。
LPABC＝n1LABC＝2n1h/cosθ1...(5)
另外，用下式表示AD间的光学距离。
LPAD＝n0LAD＝2n0hsinθ0tanθ1...(6)
因而，用下式表示光路差。
δLP＝LPABC-LPAD
＝2h{(n1/cosθ1)-n0sinθ0tanθ1}...(7)
在此，n0＝1，n1＝1.55(以SiO2为例)，θ0＝15°，λ1＝880nm，λ2＝660nm，且各面的反射率是理想的(ηD＝50％，ηR＝100％)，并且，在图9中示出没有层内的衰减时的电介质层高度h和射出光强度的关系。根据图9，当选择430nm作为h1时，能够在光波长λ1(880nm)的射出光量最低时，使光波长λ2(660nm)的射出光量最大。另外，当选择330nm作为h2时，能够在光波长λ2(660nm)的射出光量最低时，使光波长λ1(880nm)的射出光量趋近最大。通过这种选择，能够在以各个波长进行观测时，使相互的影响最小。
在此，例如能够以如图10所示的、通过蚀刻法控制电介质层高度的光刻工序来制作电介质层的高度不同的图形。
即，首先，(1)在标尺基板30上(2)使光反射层32成膜，(3)在光反射层32上使高度h1的电介质层34成膜，(4)在电介质层34上使第一抗蚀图形40成膜并形成图形，(5)蚀刻该第一抗蚀图形40的开口部的电介质层直到高度h2，接着，(6)使第二抗蚀图形42成膜并形成图形，接着，(7)蚀刻该第二抗蚀图形42的开口部的电介质层，最后(8)除去该第二抗蚀图形42，可由此进行制作。
根据该方法，一次完成成膜，因此能够以较低的成本进行制造。
或者，如图11所示，以利用剥离法控制电介质层高度的光刻工序也能够制作。
即，首先，(1)在标尺基板30上(2)使光反射层32成膜，(3)在其上使第一抗蚀图形40成膜并形成图形，(4)在该第一抗蚀图形40的开口部剥离出高度h2的电介质层，接着，(5)除去该第一抗蚀图形40，(6)在其上使第二抗蚀图形42成膜并形成图形，接着，(7)在该第二抗蚀图形42的开口部剥离出高度h1的电介质层，最后(8)除去该第二抗蚀图形42。
根据该方法，由于没有切削表面的工序，因此表面不粗糙，能够可靠地进行正反射的干扰。
如图12所示，由标尺28、和在标尺28上沿测量轴线(X轴)方向相对移动的检测头60构成使用本发明的标尺的反射式编码器。
如图13(剖视图)和图14(俯视图)详细所示，上述检测头60包括：光波长λ1的第一光源62；光波长λ2的第二光源64；合成两个光源62、64的光路的50:50分束器66；由该分束器66合成的光所通过的COG(Chip On Glass)玻璃基板68；以及两个光波长λ1、λ2共用的受光元件74，其用于检测透射过该COG玻璃基板68由上述标尺28的图形反射的光，例如通过连接凸块(bump)72连接在COG玻璃基板68上的布线图形70上。
在本实施方式中，第一光源62(波长λ1)的光路和第二光源64(光波长λ2)的光路由分束器66合成，到达标尺基板30上的电介质层34。因此，由通过连接凸块72连接在COG玻璃基板68的布线图形70上的受光元件74检测被反射的光。检测信号通过连接凸块72和布线图形70被传送到未图示的控制电路部。
在此，以如图15所示的顺序控制上述光源62和64。即，在编码器的电源被接通时(步骤100)，当前位置不明，因此，首先，需要读取ABS图形38，检测ABS数据。因此，点亮第二光源64(步骤110)。此时，第一光源62保持熄灭。
如果能够检测到ABS数据(步骤120)，则将其数据预置到位置计数器中(步骤130)，熄灭第二光源64(步骤140)。
接着，使第一光源62点亮(步骤150)，检测INC信号(步骤160)，由位置计数器对INC信号进行计数来检测之后的位置变化(步骤170)。
在INC信号测量过程中，在存在信号强度降低等INC信号发生异常的情况(步骤180)下，之后的位置计数数据的可靠性变低，因此使第一光源52熄灭(步骤190)，再次进入到检测ABS数据的循环(步骤110～140)中。
如上所述，由于能够由单个受光元件74检测ABS数据和INC信号，因此能够使结构小型化。另外，如图14所示，ABS图形38的检测中心轴线与INC图形36的检测中心轴线一致。因而，能够使标尺上的ABS检测位置与INC检测位置处于相同的位置，因此ABS数据位置与INC信号位置不会偏离，不会形成如两者检测出不同的位置那样的情形，因此位置检测的可靠性提高。
此外，在上述实施方式中，在单一轨道上形成INC图形和ABS图形，但是形成在单一轨道上的图形数、组合并不限于此，例如也可以组合两种ABS图形或者INS图形，或者组合三种以上的图形。
产业上的可利用性
本发明可用于线性编码器、旋转编码器的光电式编码器，将INC图形与ABS图形等多个图形叠加在同一轨道上，能够使标尺小型化。
Claims (10)
1.一种反射型编码器，具有光源、形成有来自该光源的光所照射的多个图形的标尺、以及分别接收由上述多个图形各自反射的光的受光元件，由单个标尺得到多个受光信号，其特征在于，
在上述标尺的单一轨道上，使用电介质形成厚度不同的多个图形，并且
根据电介质厚度差而从上述光源照射明暗不同的多个波长的光，
得到每个电介质厚度的受光信号。
2.根据权利要求1所述的反射型编码器，其特征在于，
以反射光在第一厚度的电介质层发生衰减后的第一光波长检测第一图形，并且以反射光在第二厚度的电介质层发生衰减后的第二光波长检测第二图形。
3.根据权利要求2所述的反射型编码器，其特征在于，
电介质层的高度进行如下设定：采用上述第一光波长时，来自电介质层的光量最低，并且采用第二光波长时，来自电介质层的光量为最大。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的反射型编码器，其特征在于，
上述多个图形是增量图形和ABS图形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的反射型编码器，其特征在于，
上述电介质是氧化硅。
6.根据权利要求5所述的反射型编码器，其特征在于，
上述电介质的厚度为430nm和330nm，上述光源的波长为880nm和660nm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的反射型编码器，其特征在于，
检测上述增量图形的上述受光元件的检测中心轴线、与检测上述ABS图形的上述受光元件的检测中心轴线在测量轴线上重合。
8.一种反射型编码器的标尺，其特征在于，
使用电介质，在标尺的单一轨道上形成厚度不同的多个图形。
9.一种标尺的制造方法，其特征在于，
使用电介质，在标尺的单一轨道上形成厚度不同的多个图形时，
在标尺基板上使光反射层成膜，
在光反射层上以第一高度使电介质层成膜，
在电介质层上使第一抗蚀图形成膜并形成图形，
蚀刻该第一抗蚀图形开口部的电介质层直到第二高度为止，
在电介质层上使第二抗蚀图形成膜并形成图形，
蚀刻该第二抗蚀图形开口部的电介质层，
除去该第二抗蚀图形。
10.一种标尺的制造方法，其特征在于，
使用电介质，在标尺的单一轨道上形成厚度不同的多个图形时，
在标尺基板上使光反射层成膜，
在光反射层上使第一抗蚀图形成膜并形成图形，
在该第一抗蚀图形的开口部剥离出第二高度的电介质层，
除去该第一抗蚀图形，
在除去了该第一抗蚀图形的光反射层和电介质层上使第二抗蚀图形成膜并形成图形，
在该第二抗蚀图形的开口部上剥离出第一高度的电介质层，
除去该第二抗蚀图形。
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