JP2004077295A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】スケールの反りをなくすことが可能なエンコーダを提供する。
【解決手段】光電式のエンコーダ１は、スケール５と、これと対向するようにそれぞれ配置された光源部３およびセンサヘッドとなる受光部７と、により構成される。スケール５の一方の面上にはパターン膜から構成された光学格子５３が配置されている。スケール５の他方の面上には、光学格子５３の膜応力を相殺するための高融点金属含有膜５７が配置されている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密測定に使用されるエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から直線変位や角度変位などの精密な測定にエンコーダが利用されている。エンコーダは、センサヘッドおよびこれとギャップを設けて相対移動可能に配置されたスケールにより構成される。エンコーダの方式としては、光電式、静電容量式、磁気誘導式等がある。スケールには金属などから構成されるパターン膜が形成されている。パターン膜は、光電式の場合、光学格子として機能し、静電容量式の場合、電極として機能し、磁気誘導式の場合、巻線として機能する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
さて、パターン膜の機械的強度を確保するため、パターン膜にはある程度の緻密性が必要となる。パターン膜は金属などから構成されるので、膜が緻密になると膜応力が大きくなる。したがって、パターン膜を緻密にすると、スケールの反りが大きくなり、センサヘッドとスケールとの間のギャップ変動が起こるので、エンコーダの精度が劣化する。また、常にパターン膜に応力が掛かり続けることにより、エンコーダの寿命が低下する。
【０００４】
スケールの反りの問題は、パターン膜が配置されるスケール基板の厚みを大きくすることである程度解消できる。しかし、エンコーダを小型機器に組み込んで使用する場合、エンコーダの小型化が必要であり、このためには、スケール基板の厚みを必然的に小さくしなければならない。よって、スケール基板の厚みが小さくても、スケールの反りをできるだけ小さくすることが望まれる。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、スケールの反りを小さくすることが可能なエンコーダを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るエンコーダは、センサヘッドおよびこのセンサヘッドとギャップを設けて相対移動可能に配置されたスケールを含むエンコーダであって、スケールは、一方の面およびその反対側に位置する他方の面を含むスケール基板と、センサヘッドで受光される光信号を生成する光学格子、センサヘッドと容量結合する電極、センサヘッドと電磁結合する巻線のうちのいずれかであり、一方の面上に配置されたパターン膜と、パターン膜の膜応力を相殺するために他方の面上に配置された高融点金属含有膜と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るエンコーダによれば、高融点金属含有膜の膜応力によりパターン膜の膜応力を相殺しているので、緻密なパターン膜を厚みの小さいスケール基板に配置しても、スケールの反りを小さくすることができる。また、高融点金属含有膜は、一般的に他の材料の膜と比べて膜応力が発生しやすいため、本発明によれば、膜応力の大きさや方向（圧縮、引張）を比較的安定してコントロールできるので、スケールの反りを小さくする調節が比較的容易となる。なお、高融点金属含有膜の膜応力の大きさや方向（圧縮、引張）は、高融点金属含有膜の厚みや組成を変えることにより、コントロールすることができる。また、高融点金属含有膜は、パターン膜が配置された面の反対側の面に配置される。よって、本発明によれば、高融点金属含有膜の厚みやパターンの自由度を高くすることができるので、スケールの反りを小さくする調節が比較的容易となる。なお、本発明において、「スケールの反りを小さくする」および後で説明する「インデックススケールの反りを小さくする」とは、反りをなくすことをも意味する。
【０００８】
本発明に係るエンコーダにおいて、高融点金属含有膜を、他方の面の全面に形成してもよい。これによれば、高融点金属含有膜のパターニングをしないので、スケールの製造工程を簡略化することができる。
【０００９】
本発明に係るエンコーダにおいて、エンコーダは、インデックススケールに含まれる他の光学格子に照射されて生成された光をスケールの光学格子に照射する光電式であり、インデックススケールは、一方の面およびその反対側に位置する他方の面を含む透明基板と、透明基板の一方の面上に配置された他の光学格子の膜応力を相殺するために、透明基板の他方の面上に配置されると共に他の光学格子と同じパターンをした他の高融点金属含有膜と、を含むようにすることができる。
【００１０】
これによれば、他の高融点金属含有膜により、他の光学格子の膜応力が原因となるインデックススケールの反りを小さくすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）について説明する。まず、本実施形態に係るエンコーダの構成について説明する。図１はこのエンコーダ１の概略構成を示す断面図である。エンコーダ１は光電式であり、光源部３と、ここで発生した光が照射される光学格子５３（パターン膜の一例）を有するスケール５と、この光学格子５３で反射して生成された光信号を受光する受光アレイ７（センサヘッドの一例）と、により構成される。受光アレイ７は、具体的にいうと、ガラス基板上に例えばａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）を積層して受光素子アレイを形成することにより構成可能である。
【００１２】
光源部３は発光ダイオード（ＬＥＤ）３１を備えており、発光ダイオード３１は光を放射する発光素子である。また、光源部３は、発光ダイオード３１からの光が照射される位置に配置されたインデックススケール３３を備える。インデックススケール３３は、長尺状の透明基板９を含む。この基板９の一方の面上には、光学格子３５（他の光学格子の一例）が形成されている。光学格子３５は複数の遮光部３７が所定のピッチを設けてリニヤ状に配置されたものである。発光ダイオード３１からの光を光学格子３５に照射して生成された光は、スケール５の光学格子５３に照射される。インデックススケール３３の一方の面の反対側に位置する他方の面上、言い換えれば発光ダイオード３１側に向く面上には、高融点金属含有膜３９（他の高融点金属含有膜の一例）が形成されている。高融点金属含有膜３９のパターンは光学格子３５のパターンと同一である。このため、高融点金属含有膜３９が抜かれた箇所を通過した発光ダイオード３１からの光は、遮光部３７間を通過して、スケール５へ向かう。なお、発光ダイオード３１からの光の照射角度によっては、高融点金属含有膜３９のパターンが陰となり、遮光部３７間を通過する光が極端に少なくなることがある。この場合は、高融点金属含有膜３９のパターンを全体的に図面の左右方向に適宜シフトさせる。
【００１３】
インデックススケール３３の光学格子３５側には、インデックススケール３３と所定のギャップを設けてスケール５が位置している。スケール５はインデックススケール３３よりも長手方向の寸法が大きく、図１にはその一部が表れている。スケール５は単結晶シリコンやガラスからなる長尺状のスケール基板５１を含む。
【００１４】
スケール基板５１の一方の面がインデックススケール３３の光学格子３５と対向している。そして、この一方の面上には、光学格子５３が配置されている。光学格子５３はスケール基板５１の一方の面上に複数の反射部５５が所定のピッチを設けてリニヤ状に形成されることにより構成される。光源部３からの光は光学格子５３に照射され、そのうち、反射部５５に照射された光が受光アレイ７に向けて反射される。スケール基板５１の一方の面の反対側に位置する他方の面上の全面に高融点金属含有膜５７が形成されている。
【００１５】
受光アレイ７は、スケール基板５１の光学格子５３が形成された面側に、所定のギャップを設けて配置されている。受光アレイ７は、受光面が光学格子５３側に向くように配置された複数のフォトダイオード７１を含む。これにより、光源部３からの光が光学格子５３で反射されて生成された光信号がフォトダイオード７１により受光される。複数のフォトダイオード７１は所定のピッチを設けてリニヤ状に、透明基板９に配置されている。つまり、本実施形態では受光アレイ７とインデックススケール３３が同じ透明基板９に形成されている。なお、透明基板９のフォトダイオード７１形成面と反対側の面上に、高融点金属含有膜３９が形成されている。ここにおける高融点金属含有膜３９のパターンは、フォトダイオード７１のパターンと同一である。
【００１６】
受光アレイ７およびインデックススケール３３を含む透明基板９と発光ダイオード３１は図示しない筐体に納められており、この筐体はスケール５に対して図中のＡで示すスケール５の長手方向に移動可能にされている。つまり、スケール５は上記筐体に対してＡで示す方向に相対移動可能にされている。なお、上記のとおりエンコーダ１はリニヤ（一次元）型であるが、本実施形態は二次元型にも適用できる。
【００１７】
次に、エンコーダ１の測定動作を簡単に説明する。発光ダイオード３１から光をインデックススケール３３に照射しながらスケール５をＡで示す方向に相対移動させる。インデックススケール３３に照射された光のうち、遮光部３７間を通る光がスケール５の光学格子５３で反射されて受光アレイ７のフォトダイオード７１により検出される。これにより光電変換されて発生した電気信号を利用して直線など変位量を演算し、その数値を図示しない表示部に出力する。
【００１８】
さて、本実施形態は、スケール５の面のうち光学格子５３（パターン膜の一例）の形成面と反対側の面に高融点金属膜５７を形成することにより、光学格子５３の膜応力を相殺してスケール５の反りを小さくしている。以下、これについて説明する。なお、本実施形態において、「スケール５の反りを小さくする」とは、反りをなくすことも意味し、これは後で説明する本実施形態の他の例、さらに他の例についても同様である。
【００１９】
エンコーダ１を小型機器に組み込み可能にするためにスケール基板５１の厚みは例えば０．３〜３ｍｍにする。機械的強度を確保するために緻密な膜からなる光学格子５３を形成した場合、この膜の膜応力でスケール基板５１が反ることにより、スケール５が反る。図２は光学格子５３の圧縮の膜応力がスケール基板５１に作用している場合を示している。この場合、スケール基板５１上に形成された光学格子５３により、スケール基板５１は凸型に反っている。一方、図３は引張の場合を示しており、光学格子５３により、スケール基板５１は凹型に反っている。
【００２０】
本実施形態では、スケール基板５１の面のうち、光学格子５３が形成された一方の面の反対側に位置する他方の面上に光学格子５３の膜応力と同一方向（光学格子５３の膜応力が圧縮なら圧縮方向であり、引張なら引張方向）で応力値が略同一となる膜応力を生じる高融点金属含有膜５７を形成する。略同一には同一の他に誤差程度の違いも含まれる。
【００２１】
したがって、本実施形態によれば、光学格子５３の膜応力は高融点金属含有膜５７の膜応力により相殺されて、スケール基板５１、つまりスケール５の反りを小さくできる。よって、エンコーダ１によれば、緻密なパターン膜からなる光学格子５３を小さい厚みのスケール基板５１に配置しても、スケール５の反りを小さくすることができる。この結果、小型機器に組み込まれるエンコーダ１であっても、エンコーダ１の精度劣化や寿命低下を防止することができる。特に、エンコーダの高精度化の要求により光学格子５３が多層構造になる場合、光学格子５３の厚みが大きくなるので、大きな膜応力が発生する。かかる場合であっても、本実施形態によれば、スケール５の反りを小さくすることができる。
【００２２】
高融点金属含有膜５７は、高融点金属の単体（Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉなど）、高融点金属の酸化物、高融点金属の窒化物および高融点金属のシリサイド化合物のうち少なくともいずれかを含む構成を意味する。高融点金属含有膜５７の膜応力の大きさや方向（圧縮、引張）は、高融点金属含有膜５７の厚みや組成を変えることにより比較的容易にコントロールすることができる。このため、本実施形態によれば、スケール５の反りを小さくする調節が容易となる。
【００２３】
また、本実施形態によれば、高融点金属含有膜５７は光学格子５３が配置された面の反対側の面に配置されるので、高融点金属含有膜５７の厚みやパターンの自由度を高くすることができる。これにより、スケール５の反りを小さくする調節が容易となる。そして、本実施形態では、高融点金属含有膜５７を上記反対側の面の全面に形成し、高融点金属含有膜５７のパターニングをしないので、スケール５の製造工程を簡略化することができる。
【００２４】
また、本実施形態によれば、インデックススケール３３にも高融点金属含有膜３９（他の高融点金属含有膜）を形成している。これにより、スケール５に形成された高融点金属含有膜５７と同様の理由で、光学格子３５の膜応力が原因となるインデックススケール３３の反りを小さくすることができる。高融点金属含有膜３９のパターンを光学格子３５のパターンと同じにしたのは、光学格子３５の遮光部３７間を通過するはずの成分が、高融点金属含有膜３９により遮られるのを防ぐためのである。なお、発光ダイオード３１からの光の照射角度によっては、高融点金属含有膜３９のパターンが陰となり、遮光部３７間を通過する光が極端に少なくなることがある。この場合は、高融点金属含有膜３９のパターンを全体的に図１の左右方向に適宜シフトさせる。
【００２５】
また、透明基板９のフォトダイオード７１形成面と反対側の面上に、高融点金属含有膜３９が形成されている。これにより、スケール５に形成された高融点金属含有膜５７と同様の理由で、フォトダイオード７１の膜応力が原因となる受光アレイ７の反りを小さくすることができる。
【００２６】
次に、スケール５の製造方法について説明する。図４はスケール５の製造方法を説明する工程図である。まず、図４（Ａ）に示すように、単結晶シリコンやガラスからなるスケール基板５１の一方の面５２の反対側に位置する他方の面５４上の全面に、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等により、高融点金属含有膜５７を形成する。高融点金属含有膜５７は後で形成される光学格子５３（図１）の材料と同じものでもよいし、異なるものでもよい。高融点金属含有膜５７の膜厚は、光学格子５３の膜応力を相殺するような膜応力となるような厚さにする。ここで、高融点金属含有膜５７の膜厚が厚くなるとそれに従いその膜応力が大きくなる。高融点金属含有膜５７が高融点金属単体の場合、その膜応力は引張になる傾向があり、酸化物、窒化物やシリサイド化合物の場合、その膜応力は圧縮になる傾向がある。なお、高融点金属含有膜５７が高融点金属の単体ではなく酸化物、窒化物やシリサイド化合物の場合、その組成を制御することによっても、高融点金属含有膜５７の膜応力の大きさを制御したり、また、方向を制御（つまり圧縮方向にしたり、引張方向にしたりする）することができる。
【００２７】
次に、図４（Ｂ）に示すように、スケール基板５１の一方の面５２上の全面に図１に示す光学格子５３となる膜５９を形成する。膜５９の材質が高融点金属含有膜５７の材質と異なっていてもよいし同じ場合でもよい。同じ場合、高融点金属含有膜５７と同じ装置で膜５９を形成できるので、プロセスを簡略にすることができる。
【００２８】
次に、図４（Ｃ）に示すように、高融点金属含有膜５７を覆うように、高融点金属含有膜５７上に保護膜５６を形成する。この工程は、膜５９と高融点金属含有膜５７とが同じ材質の場合や異なっていてもエッチングの選択性が得られない場合に必要となる。つまり、次の工程で膜５９を光学格子にパターニングする際のエッチングにより、高融点金属含有膜５７がダメージを受けるのを防ぐのである。保護膜５６はＳＯＧや樹脂のような高分子材料を例示できる。スケール基板５１や高融点金属含有膜５７にダメージを与えないために保護膜５６の膜応力が低応力となる材質が望ましい。
【００２９】
次に、図４（Ｄ）に示すように、膜５９上にレジスト５８を形成し、レジスト５８を光学格子５３（図１）と同じパターンになるように露光現像する。レジスト５８としては、フォトレジストやＥＢ（電子線）レジストがある。レジスト５８をマスクとして、膜５９を選択的にエッチングすることにより、膜５９をパターンニングして膜５９から複数の反射部５５を形成する。このエッチングはウエットエッチングでもよいしドライエッチングでもよい。
【００３０】
次に、図４（Ｅ）に示すように、例えば、アセトンのような有機溶剤を用いて、レジスト５８や保護膜５６を除去する。これにより、複数の反射部５５により構成される光学格子５３を有するスケール５が完成する。なお、光学格子５３の位置により光学格子５３の膜応力値の異なりが大きい場合、膜応力が大きい箇所の応力を相殺することにより、スケール５の反りを小さくすることができる。この場合、高融点金属含有膜５７をパターニングして高融点金属含有膜５７の膜応力が、上記膜応力が大きい箇所に応力集中するようにすればよい。
【００３１】
次に、インデックススケール３３の製造方法を説明する。図５はこの製造方法を説明するための工程図である。図５（Ａ）に示すように、透明基板９の一方の面３２に光学格子３５が形成されたものを用意する。そして、図５（Ｂ）に示すように、透明基板９の他方の面３４の上方に金属マスク８１を配置する。金属マスク８１の開口部８３のパターンは光学格子３５の遮光部３７のパターンと同じである。金属マスク８１を用いて、透明基板９の他方の面３４上にスパッタリングや真空蒸着により、高融点金属含有膜３９を形成する。金属マスク８１がマスクとなるので、高融点金属含有膜３９のパターンは光学格子３５のパターンと同じになる。以上により、インデックススケール３３が完成する。この製造方法によれば、エッチングを用いずに高融点金属含有膜３９のパターンを形成できる。よって、高融点金属含有膜３９のパターンを形成する際において、エッチングのダメージから光学格子３５を保護するために、光学格子３５を覆う保護膜を形成する必要がなくなるので、製造工程を簡略化できる。
【００３２】
次に、本実施形態に係るエンコーダの他の例について説明する。図６はこのエンコーダ１００の概略構成を示す断面図である。エンコーダ１００は静電容量式であり、センサヘッド１１０と、これとギャップを設けて相対移動可能に配置されたスケール１３０とにより構成される。センサヘッド１１０は基板１１３の表面上に送信電極１１５や受信電極１１７が配置された構造をしている。
【００３３】
一方、スケール１３０は、その一方の面上に転送電極１３５（パターン膜の一例）が配置されている。転送電極１３５はセンサヘッド１１０と容量結合、正確には送信電極１１５や受信電極１１７と容量結合する電極である。スケール基板１３３の一方の面と反対側に位置する他方の面上の全面に高融点金属含有膜１３７が形成されている。高融点金属含有膜１３７の材料は、高融点金属含有膜５７（図１）のそれと同じである。高融点金属含有膜１３７により、転送電極１３５の膜応力を相殺し、スケール１３０の反りを小さくしている。
【００３４】
また、本実施形態に係るエンコーダは、磁気誘導式にも適用することができる。この場合、送信電極１１５、受信電極１１７、転送電極１３５がコイルと置き換わる。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係るエンコーダによれば、緻密なパターン膜を厚みの小さいスケール基板に配置しても、スケールの反りを小さくすることができる。よって、小型機器に組み込まれるエンコーダであっても、エンコーダの精度劣化や寿命低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る光電式のエンコーダの概略構成を示す断面図である。
【図２】光学格子の圧縮の膜応力がスケール基板に作用している場合におけるスケールの断面図である。
【図３】光学格子の引張の膜応力がスケール基板に作用している場合におけるスケールの断面図である。
【図４】本実施形態に係る光電式のエンコーダのスケールの製造方法を説明する工程図である。
【図５】本実施形態に係る光電式のエンコーダのインデックススケールの製造方法を説明する工程図である。
【図６】本実施形態に係る静電容量式のエンコーダの概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・エンコーダ、３・・・光源部、５・・・スケール、７・・・受光アレイ、９・・・透明基板、３１・・・発光ダイオード、３２・・・一方の面、３３・・・インデックススケール、３４・・・他方の面、３５・・・光学格子、３７・・・遮光部、３９・・・高融点金属含有膜、５１・・・スケール基板、５２・・・一方の面、５３・・・光学格子、５４・・・他方の面、５５・・・反射部、５６・・・保護膜、５７・・・高融点金属含有膜、５８・・・レジスト、５９・・・膜、７１・・・フォトダイオード、８１・・・金属マスク、８３・・・開口部、１００・・・エンコーダ、１１０・・・センサヘッド、１１３・・・基板、１１５・・・送信電極、１１７・・・受信電極、１３０・・・スケール、１３３・・・スケール基板、１３５・・・転送電極、１３７・・・高融点金属含有膜

Claims (3)

1. センサヘッドおよびこのセンサヘッドとギャップを設けて相対移動可能に配置されたスケールを含むエンコーダであって、
   前記スケールは、
   一方の面およびその反対側に位置する他方の面を含むスケール基板と、
   前記センサヘッドで受光される光信号を生成する光学格子、前記センサヘッドと容量結合する電極、前記センサヘッドと電磁結合する巻線のうちのいずれかであり、前記一方の面上に配置されたパターン膜と、
   前記パターン膜の膜応力を相殺するために前記他方の面上に配置された高融点金属含有膜と、
   を含むことを特徴とするエンコーダ。
2. 前記高融点金属含有膜は、前記他方の面の全面に形成されていることを特徴とする請求項１記載のエンコーダ。
3. 前記エンコーダは、インデックススケールに含まれる他の光学格子に照射されて生成された光を前記スケールの前記光学格子に照射する光電式であり、
   前記インデックススケールは、
   一方の面およびその反対側に位置する他方の面を含む透明基板と、
   前記透明基板の前記一方の面上に配置された前記他の光学格子の膜応力を相殺するために、前記透明基板の前記他方の面上に配置されると共に前記他の光学格子と同じパターンをした他の高融点金属含有膜と、
   を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダ。

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