JP2008045931A - 光学式エンコーダのスケールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価に高精度なスケールを製造することができる光学式エンコーダのスケールの製造方法を提供する。
【解決手段】基板１１上に回折格子１２を備え、発光部から照射された光を回折し、回折光を受光部にて受光させて、発光部及び受光部からなる検出ヘッドとの相対位置を検出する光学式エンコーダのスケール２において、光学式エンコーダのスケール２は、基板１１上に塗布されたゾル液をゲル化させ、そのゲル膜に対し、回折格子パターンを形成した型を押し当てた状態で加熱処理又は乾燥処理を行い、型を剥離した後、ゲル膜を加熱処理して形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学式エンコーダのスケールの製造方法に関する。

従来、光学式エンコーダは、高精度な計測制御を簡便に実現可能にすることから、測長等の計測用途の他に、高精度な位置検出機能を必要とする半導体関連製造装置等に広く用いられている。一般に、高精度な光学式エンコーダには、格子干渉方式が用いられ、透過型及び反射型が存在する（例えば、特許文献１、特許文献２）。

透過型エンコーダ及び反射型エンコーダは、光学回折格子が形成されたスケールと、光源及び受光部を有するセンサヘッド部とを備えている。センサヘッド部は、スケールと対向する位置に配置され、透過型エンコーダでは、受光部が光源と反対側に設置される。反射型エンコーダでは、センサヘッド部の受光部が、光源と同じ側に設置される。このセンサヘッド部は、スケールに対して相対移動可能な状態に配置されており、光源からの出射光は、スリットを介してスケールに照射され、スケール上の光学回折格子によって回折される。そして、回折光の干渉状態から、センサヘッド部とスケールとの相対位置を測定する。

また、透過型エンコーダでは、スケール上に形成された回折格子により生じる透過回折光を用いるのに対し、反射型エンコーダでは、基材や凹凸溝形状部材質が透明である必要はない。例えば、反射型のスケールでは、シリコン基板を用いたエッチング加工により表面に凹凸を形成したものや、透過型エンコーダ用スケールにクロム（Ｃｒ）等の金属からなる反射膜を形成したものを用いる。又は、平滑な基材上に金属等からなる薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術により、薄膜に凹凸溝形状のパターニングを施し、さらに全面にクロム（Ｃｒ）等からなる反射膜を形成した反射型回折格子を用いる。

ウェット又はドライエッチングプロセスにより、基材上に所定の凹凸溝形状を作製する方法以外にも、例えばエッチングプロセスにより形成した凹凸溝形状をモールドとして使用し、基材上に塗布した熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂にモールド形状を転写させるナノインプリント技術がある。さらには、その回折格子の上に、クロム（Ｃｒ）等の金属膜からなる反射膜を形成して反射型の光学回折格子として用いる方法もある。
特開２０００−１９３４９０号公報 特開２００４−２０２８３号公報

しかしながら、ウェットエッチング又はドライエッチングにより形成した光学回折格子は、作製プロセスが複雑であり、製造コストが高くなることが避けられないという問題があった。特に、光学式エンコーダのスケールを作製するためには、フォトリソグラフィ設備等も大型化する必要があり、それは製造コストの大幅な上昇につながる。

又、ナノインプリント技術を用いて光学回折格子を製造する場合には、エッチング等を用いる場合に比べて製造コストを削減できるものの、回折格子自体が樹脂で形成されているため、熱膨張による精度の低下や、耐久性に劣る点で不利である。

また、熱膨張の低減を目的として、石英よりも低い線膨張係数を有するゼロデュア（登録商標）、クリアセラム（登録商標）といったゼロ膨張ガラス（又はゼロ膨張結晶化ガラ
スとも言う）を基材として用いることも試みられている。しかし、これらのゼロ膨張ガラス基板は、ガラス組成中に、結晶を析出させた構造を有するため、エッチング処理を行った場合、品質が低下し、結果として測定精度が悪化するという問題が発生する。

加えて、基材表面に微小なキズが存在している場合、ウェットエッチング及びドライエッチングにより光学回折格子を形成した後にも、そのキズは残存し、光学式エンコーダの測定精度を悪化させる要因となる。これに対し、表面の微小キズを研磨処理によって除去した基材を用いることが考えられるが、この基材は高価であるため、製造コストの増大に繋がる。或いは、基材表面に平滑なガラス質の膜を形成する、いわゆるスピンオングラス法を用いると、製造プロセス内の工程数が増大することになる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価に高精度なスケールを製造することができる光学式エンコーダのスケールの製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、基材上に回折格子を備えた光学式エンコーダのスケールの製造方法において、前記基材上にゾル液を塗布する工程と、この塗布されたゾル液をゲル化させてゲル膜を生成する工程と、このゲル膜に回折格子の凹凸パターンが形成された型を押し当てた状態で加熱する工程と、前記ゲル膜から前記型を剥離する工程と、前記ゲル膜を加熱処理して硬化させる工程とを有することを要旨とする。

これによれば、スケールのように、回折格子を形成する領域が比較的大きくても、例えば大型なフォトリソグラフィ設備等を用いることなく、安価に回折格子を形成することができる。また、回折格子の材料にゾル液を用いているため、ガラス質からなる回折格子を形成することができる。従って、熱膨張により精度が低下しにくい回折格子を作製できる。さらに、基材上に微小なキズがあった場合でも、ゾル液によって埋められることになるため、高精度なスケールを形成することができる。

請求項２に記載の発明は、基材上に回折格子を備えた光学式エンコーダのスケールの製造方法において、前記基材上にゾル液を塗布する工程と、この塗布されたゾル液をゲル化させてゲル膜を生成する工程と、このゲル膜に回折格子の凹凸パターンが形成された型を押し当てた状態で乾燥処理する工程と、前記ゲル膜から前記型を剥離する工程と、前記ゲル膜を加熱処理して硬化させる工程とを有することを要旨とする。

これによれば、スケールのように、回折格子を形成する領域が比較的大きくても、例えば大型なフォトリソグラフィ設備等を用いることなく、安価に回折格子を形成することができる。また、回折格子の材料にゾル液を用いているため、ガラス質からなる回折格子を形成することができる。従って、熱膨張により精度が低下しにくい回折格子を作製できる。さらに、基材上に微小なキズがあった場合でも、ゾル液によって埋められることになるため、高精度なスケールを形成することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学式エンコーダのスケールの製造方法において、前記基材は、線膨張係数の絶対値が、１．０×１０−７／Ｋ以下のガラス基材であることを要旨とする。

これによれば、スケールに線膨張係数の絶対値が低い基材を用いるので、比較的高温下でも、精度が低下しにくいスケールを作製することができる。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダの
スケールの製造方法において、前記基材に、前記回折格子の表面に金属を主成分とした反射膜を形成する工程をさらに有することを要旨とする。
これによれば、回折格子には反射膜が形成されているので、回折格子及び基材の光透過率等にとらわれない反射型の光学式エンコーダのスケールを生成することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図３に従って説明する。図１は、光学式エンコーダの概略的構成を説明する模式図である。
図１に示すように、光学式エンコーダ１は、本実施形態では反射型の光学式エンコーダであって、反射型スケール（以下、スケール２という）と検出ヘッド３とを有している。スケール２は、ガラス基材からなる基板１１と、基板１１の上面１１ａに形成された回折格子１２とから構成されている。

図１に示すように、センサ部としての検出ヘッド３は、発光部５と受光部６とを備えている。発光部５及び受光部６は、外郭ケース等に内蔵されることにより一体化され、両者の相対位置は一定である。発光部５は、ＬＥＤからなる光源等を有している。この発光部５は、基板１１の上方から所定角度で、スケール２に光を照射するようになっている。

発光部５から出射された光は、スケール２の回折格子１２により回折及び干渉し、受光部６において明暗の縞からなる干渉縞を形成する。受光部６は、フォトダイオード等の受光素子を備え、明暗パターンをこれらの受光素子により受光する。これにより光電変換された電気信号に基づき、干渉縞の変位量を演算する。

図１及び図２に示すように、回折格子１２は、長方形の基板１１の上面１１ａに形成されている。図２に示すように、格子本体１２ａは、ゾル・ゲル法にて作製された薄膜であって、基板１１の短手方向（図中Ｙ矢印方向）に平行に延びる溝部としての凹部１３と凸部１４が、基板１１の長手方向に（図１中Ｘ矢印方向）に等ピッチで多数並列に形成されている。本実施形態では、各凹部１３及び凸部１４は、幅Ｗ１が２００ｎｍ、深さＤ１及び高さＨ１が１２０ｎｍの断面矩形状であって、それぞれ４００ｎｍのピッチで配列形成されている。さらに、格子本体１２ａに形成される各凹部１３及び各凸部１４の全長は、格子本体１２ａのほぼ全幅にわたって形成されている。

尚、スケール２の性質上、測長スキャン方向（Ｘ矢印方向）に対応する、凹部１３及び凸部１４がＸ矢印方向に１００ｍｍ以上にわたって形成されている必要があるのに対し、凹部１３及び凸部１４の全長、即ちＹ矢印方向の長さは、検出ヘッド３より照射される光のスポットサイズよりも大きいサイズであればよい。

また、図２に示すように、凸部１４の上面１４ａ（表面）には、反射膜１５が形成されている。反射膜１５は、本実施形態ではクロム（Ｃｒ）により形成されている。
このように構成された光学式エンコーダ１において、スケール２に対して、検出ヘッド３をＸ矢印方向に移動させると、検出ヘッド３とスケール２の相対位置関係により、干渉縞の位置も変化する。又は、スケール２を、検出ヘッド３に対して相対移動させるようにしてもよい。これによって、受光部６の電気信号に基づく変位情報から、スケール２に対する検出ヘッド３の相対的な位置情報を高精度に検出できる。
（製造方法）
次に、上記したスケール２の製造方法について図３（ａ）〜図３（ｄ）に従って説明する。

基板１１は、測定時の環境温度によるスケール２自体の長さの変動を抑制するため、線膨張係数の絶対値が低いゼロ膨張ガラスを用いることが好ましく、より詳しくは、１．０
×１０^−７／Ｋ以下のゼロ膨張ガラスを用いることが好ましい。尚、ゼロ膨張ガラスとは、線膨張係数の絶対値が約２０×１０^−７／Ｋ以下である結晶化ガラスの総称である。

また、基板１１の厚さは特に限定しないが、１．０ｍｍ未満だと、各製造工程において、破損等が生じやすくなる。また、基板１１の厚さが、２．０ｍｍ超であると、コスト上不利になるため、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の厚さが好ましい。また、基板１１の上面１１ａは平滑である必要があるが、表面粗さが回折格子１２の凹凸形状に比べて十分小さければ良い。

そして、この基板１１の上に、ゾル・ゲル法を用いて、上記した回折格子１２を形成する。詳述すると、図３（ａ）に示すように、基板１１の上面１１ａに、スピンコート法により、金属アルコキシドを含有するゾル液を塗布して、ゲル膜２２を形成する。本実施形態では、ゾル液は、原料として、テトラエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、酸水溶液を主成分としている。スピンコートは、基板１１にゾル液を適量滴下し、２４００ｒｐｍにて３０秒の条件で塗布した。ゾル液をスピンコート法により塗布すると、溶媒の揮発により、流動性が低下したゲル膜２２となる。このとき、塗布されたゲル膜２２の膜厚は、約０．３μｍであった。膜厚が、１．０μｍを超えると、ゲル膜２２が硬化する際に、クラックが生じやすくなるため、ゲル膜２２の膜厚は、１．０μｍ以下が望ましい。

次に、図３（ｂ）に示すように、型２３を、基板１１に塗布したゲル膜２２に押し付ける。型２３は、ゼロ膨張ガラスからなる、長方形状の型側基板２４を備え、その表面２４ａには、クロム（Ｃｒ）の膜２５が形成されている。そして、クロムの膜２５には、フォトリソグラフィ技術を用いて、多数の断面矩形状の凸条２５ａが形成されている。各凸条２５ａは、本実施形態では、幅Ｗ２が２００ｎｍ、高さＨ２が１２０ｎｍの断面矩形状に形成され、４００ｎｍのピッチで配列形成されている。各凸条２５ａが形成されている領域は、型２３の短手方向（Ｙ矢印方向）に８ｍｍ、長手方向（Ｘ矢印方向）に１２０ｍｍの大きさになっている。尚、凸条２５ａの幅Ｗ２に対する高さＨ２の比率（＝Ｈ２／Ｗ２）は、２以下が望ましい。比率が２以上の場合は、ゲル膜２２を硬化させた後に行われる型２３の離型処理が困難になる。

また、この型２３の各凸条２５ａは、本実施形態では断面矩形状であるが、これに限定されるものではなく、断面正弦波形状、断面鋸歯形状であってもよい。
未硬化状態のゲル膜２２で被覆された型側基板２４に、型２３を押し付けると、ゲル膜２２は型２３の形状に沿って変形する。このように型２３を押し付けた状態で、ゲル膜２２を８０℃の温度で１時間加熱処理する。これにより、型２３の各凸条２５ａからなるパターンが転写された、転写膜２６が形成される。

次に、図３（ｃ）に示すように、ゲル膜２２が形成された基板１１から、型２３を剥離する。転写膜２６には、回折格子１２の凹部１３及び凸部１４の原型である凹部２６ａ及び凸部２６ｂが形成されている。

さらに、図３（ｄ）に示すように、転写膜２６を、３５０℃で１時間加熱処理して、水分や有機成分を除去して硬化させることにより、ガラス質からなる格子本体１２ａを生成する。

また、上記したように、基板１１上の格子本体１２ａの凸部１４の上面１４ａに、スパッタリングによって反射膜１５を形成する。反射膜１５は、上記したようにクロム（Ｃｒ）からなる反射膜であって、その膜厚は、１００ｎｍになっている。これにより、上記した光学式エンコーダ１のスケール２が形成される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、スケール２を形成するための基板１１に、金属アルコキシドを含むゾル液を塗布し、ゲル膜２２を形成した。そして、ゲル膜２２に対し、凸条２５ａを並設した型２３を押し付け、加熱処理して、型２３のパターンをゲル膜２２に転写するようにした。さらに、型２３を剥離した後、加熱処理して硬化させ、格子本体１２ａを形成するようにした。このため、他の光学素子に比べ、回折格子１２を形成する領域が比較的大きいスケール２でも、例えば大型なフォトリソグラフィ設備等を用いることなく、安価に作製することができる。また、金属アルコキシドを含むゾル液を用いているため、ガラス質からなる回折格子１２を作製することができる。このため、熱膨張により精度が低下しにくい回折格子１２を作製できる。さらに、基材上に微小なキズがあった場合でも、ゾル液によって埋められることになるため、高精度なスケール２を作製することができる。

（２）上記実施形態では、基板１１に、線膨張係数の絶対値が１．０×１０^−７／Ｋ以下のガラス基材を用いた。このため、スケール２に線膨張係数の絶対値が低い基材を用いることで、比較的高温下でも、精度の低下が生じにくいスケール２を作製することができる。

（３）上記実施形態では、型２３をフォトリソグラフィを用いて形成した。このため、型２３自体は比較的コストが高くなるが、フォトリソグラフィにより高精度に作製することにより、スケール２の高精度な回折格子１２を作製することができる。

（４）上記実施形態では、基板１１の厚みを１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下にした。このため、各製造工程において、装置との接触等による破損を防止するとともに、必要最低限の厚みにして、コストを削減することができる。

（５）上記実施形態では、回折格子１２は、凹部１３及び凸部１４が並設する方向（Ｘ矢印方向）における長さが、凹部１３及び凸部１４が並設する方向と直交する方向（短手方向、Ｙ矢印方向）の長さの１０倍以上の領域に形成した。このように長尺なスケールでも、大型のフォトリソグラフィ設備等が必要ないため、コストを削減でき、特に効果を発揮できる。

（６）上記実施形態では、回折格子１２の凸部１４の上面１４ａにクロムを主成分とした反射膜１５を形成した。このため、反射型の光学式エンコーダのスケールを作製することができる。

尚、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、光学式エンコーダ１として、反射型のエンコーダを記載したが、透過型の光学式エンコーダでもよい。透過型の光学式エンコーダは、例えば図４に示すように、光源や、回折スリット等を有する発光部３０からの光を回折して、スケール３２に照射する。スケール３２の回折格子３２ａは、上記したようにゼロ膨張ガラスからなる基板１１上に、ゾル・ゲル法により形成され、上記したスケール２とは反射膜１５を形成しない点のみが異なっている。回折格子３２ａを透過した干渉光は、複数のフォトダイオード等を備えた受光部３３により受光される。受光部３３は、干渉縞の明暗パターンを検出して、スケール３２の位置を検出する。この場合でも、スケール３２を高精度且つ安価に作製することができる。

・上記実施形態では、ゾル液の材質として、テトラエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、酸水溶液を使用したが、その他の金属アルコキシド、又はコロイダルシリカ等、ゾル・ゲル法に用いられるその他の材料を使用しても良い。

・上記実施形態では、ゾル液の塗布にスピンコーティングを用いたが、ディップコーティング、スプレーコーティング、ロールコーティング等、その他のコーティング方法を用いてもよい。

・型２３の凸条２５ａの幅Ｗ２、高さＨ２、ピッチはその他の大きさでもよい。
・上記実施形態では、フォトリソグラフィにより型２３を作製したが、その他の方法により、型を形成してもよい。

・上記実施形態では、型２３をゲル膜２２に押し付けた状態で、８０℃で１時間加熱するようにしたが、ゲル膜２２の材質や膜厚等の各種要因に合わせて、低温で乾燥させる乾燥処理等を行ってもよい。

・上記実施形態では、型２３をゲル膜２２から剥離した後、３５０℃１時間の条件で加熱処理したが、ゲル膜２２の材質や膜厚等の各種要因に合わせて条件を変更してもよい。
・上記実施形態では、反射膜の材質として、クロムを使用したが、アルミニウム等その他の材質を使用しても良い。

・反射膜の形成方法は、スパッタリングの他に、蒸着等の他の方法を用いてもよい。

本実施形態の光学式エンコーダの模式図。 同光学式エンコーダのスケールの断面図。 （ａ）はゾル液が塗布された基板、（ｂ）は型が押し付けられた基板、（ｃ）は型が剥離された基板、（ｄ）は加熱処理した基板の断面図。 別例の光学式エンコーダの模式図。

符号の説明

１…光学式エンコーダ、２，３２…スケール、３…センサ部としての検出ヘッド、５，３０…発光部、６，３３…受光部、１１…基材としての基板、１２，３２ａ…回折格子、１３…溝部としての凹部、１５…反射膜、２２…ゲル膜、２３…型。

Claims (4)

1. 基材上に回折格子を備えた光学式エンコーダのスケールの製造方法において、
   前記基材上にゾル液を塗布する工程と、
   この塗布されたゾル液をゲル化させてゲル膜を生成する工程と、
   このゲル膜に回折格子の凹凸パターンが形成された型を押し当てた状態で加熱する工程と、
   前記ゲル膜から前記型を剥離する工程と、
   前記ゲル膜を加熱処理して硬化させる工程と
   を有することを特徴とする光学式エンコーダのスケールの製造方法。
2. 基材上に回折格子を備えた光学式エンコーダのスケールの製造方法において、
   前記基材上にゾル液を塗布する工程と、
   この塗布されたゾル液をゲル化させてゲル膜を生成する工程と、
   このゲル膜に回折格子の凹凸パターンが形成された型を押し当てた状態で乾燥処理する工程と、
   前記ゲル膜から前記型を剥離する工程と、
   前記ゲル膜を加熱処理して硬化させる工程と
   を有することを特徴とする光学式エンコーダのスケールの製造方法。
3. 前記基材は、線膨張係数の絶対値が、１．０×１０^−７／Ｋ以下のガラス基材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式エンコーダのスケールの製造方法。
4. 前記基材に、前記回折格子の表面に金属を主成分とした反射膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学式エンコーダのスケールの製造方法。
   

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