JP2013221818A - 表面反射型エンコーダ用スケール、その製造方法、及び、表面反射型エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】レジスト露光、現像、エッチングエ程などの複雑な工程が不要で、高精度な位相格子を安価、かつ、生産性良く形成でき、長尺品にも対応できる表面反射型エンコーダ用スケールの製造方法を提供する。
【解決手段】スケール用基材の位相格子パターン形成領域にマスキング膜を形成するマスキング膜形成工程、レーザ光を照射することによって前記マスキング膜を部分的に除去して位相格子形成部を形成するレーザ光処理工程、めっき処理により、前記位相格子形成部に位相格子を形成する位相格子形成工程、前記マスキング塗膜を除去するマスキング塗膜除去工程、及び、前記位相格子パターン形成領域に透明保護膜を積層する保護膜積層工程をこの順番で有する表面反射型エンコーダ用スケールの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面反射型エンコーダ用スケール、及び、それを用いた表面反射型エンコーダに関する。

素子実装や配線などの製造工程などを含む広い産業分野において、相対移動する部材の変位量を検出するために表面反射型エンコーダが用いられている。このような表面反射型エンコーダは、反射型の位相格子が設けられたスケールと、検出機構とを備え、検出機構により可干渉光をスケールの位相格子に入射させ、スケールでの反射回折光同士を干渉させ、スケールの移動により変化する反射回折光の位相変化を、光の干渉を用いて検出することにより、スケールの移動量を検出している。

このような表面反射型エンコーダで用いられるスケールでは、高い信号効率と信頼性が求められており、これに応えるためにさまざまなスケールが開発されてきている。

特表２００３−５１２６１１公報（特許文献１）では、スケール基材とする金属テープに対して複数の凸部が設けられた型押ローラにより型押加工して、表面に凹みからなるパターンを形成したのちに、平坦なローラ対の間を通過させる追加処理によって山の高さを均一化させてスケールを形成する方法が示されている。

しかし、この技術では、スケールに形成される位相格子の凹凸の精度が低く、そのために高い精度が要求される変位測定機等には応用できないという問題がある。さらに、型押ローラの損耗が激しく、頻繁に型押ローラを交換し、あるいは、研磨しなければならないという問題があり、高コストの原因となっている。

また、特開２００９−２６７０（特許文献２）公報には、フォトレジスト技術を応用して位相格子の凹凸を形成する方法が提案されている。この技術によれば、比較的高精度の位相格子を形成することが可能となるが、製膜工程、レジスト塗布、マスクパターンを用いたレジスト露光、現像、エッチングエ程という複雑な工程を要し、また、高価な装置が必要となる。さらに加工範囲が限定されるために長尺スケールの製造に対応できないと云う問題点がある。

さらに、特表２００９−５１１２７６（特許文献３）公報では、ニッケルを基材とした合金からなる薄板材に、レーザ光を直接照射して位相格子の凹凸を形成する方法が提案されている。この技術によれば、長尺のスケールの製造が可能とはなるが、上記のようにニッケルを基材とした合金スケールでは、材料であるニッケル系合金自体が高価であり、入手も困難である上、市販の薄板材において厚さむらが大きく、均一で高精度な位相格子を作製することが困難となる。

ここで、本発明者等は、上記特許文献３に係る技術を改良すべく、ニッケル系合金の代わりに、厚さむらの極めて小さく、厚さ精度の高い薄板が容易に入手しやすく、かつ、安価なステンレスからなる薄板材を用いて基礎検討を行った。その結果、レーザ光による加工必要時間が非常に長く、そのために生産性が低く、また、均一で高精度な位相格子を形成することができないと云う問題が生じることが判った。

特表２００３−５１２６１１公報 特開２００９−２６７０ 特表２００９−５１１２７６公報

本発明は上記した問題点のない、すなわち、レジスト露光、現像、エッチングエ程などの複雑な工程が不要で、高精度な位相格子を安価、かつ、生産性良く形成でき、長尺品にも対応できる表面反射型エンコーダ用スケールの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の表面反射型エンコーダ用スケールの製造方法は、請求項１に記載の通り、スケール用基材の位相格子パターン形成領域にマスキング膜を形成するマスキング膜形成工程、レーザ光を照射することによって前記マスキング膜を部分的に除去して位相格子形成部を形成するレーザ光処理工程、めっき処理により、前記位相格子形成部に位相格子を形成する位相格子形成工程、前記マスキング塗膜を除去するマスキング塗膜除去工程、及び、前記位相格子パターン形成領域に透明保護膜を積層する保護膜積層工程をこの順番で有することを特徴とする表面反射型エンコーダ用スケールの製造方法である。

本発明の表面反射型エンコーダ用スケールは、請求項２に記載の通り、請求項１記載の製造方法で製造されたことを特徴とする表面反射型エンコーダ用スケールである。

本発明の表面反射型エンコーダは、請求項３に記載の通り、請求項２記載の表面反射型エンコーダ用スケールを有することを特徴とする表面反射型エンコーダである。

本発明によれば、レジスト露光、現像、エッチングエ程などの複雑な工程が不要で、かつ、安価で生産性良く、長尺品にも対応できる、高精度な位相格子を備えた表面反射型エンコーダ用スケールを製造することができる

本発明の表面反射型エンコーダ用スケールを製造する各工程を説明するモデル図である。 本発明の表面反射型エンコーダ用スケールのモデル図である。図２（ａ）上面図。図２（ｂ）側面図。 本発明に係る表面反射型エンコーダ用スケールの中間材（保護層形成前）の解析結果を示す図である。 本発明に係る表面反射型エンコーダ用スケールの中間材（保護層形成前）の解析結果を示す図である。

本発明の表面反射型エンコーダ用光学スケールの製造方法は，上記のようにスケール用基材の位相格子パターン形成領域にマスキング膜を形成するマスキング膜形成工程、レーザ光を照射することによって前記マスキング膜を部分的に除去して位相格子形成部を形成するレーザ光処理工程、めっき処理により、前記位相格子形成部に位相格子を形成する位相格子形成工程、前記マスキング塗膜を除去するマスキング塗膜除去工程、及び、前記位相格子パターン形成領域に透明保護膜を積層する保護膜積層工程をこの順番で有する。

＜スケール用基材＞
本発明で用いるスケール用基材としては、厚さむらの極めて小さく（厚さに対するむらは最大５％程度）、厚さ精度の高い薄板が容易にかつ安価に入手しやすい市販のステンレスを用いることができる。このことにより、原料コストも安価とすることができるとともに、高精度な位相格子を作製可能となり、従来困難であったより微細な位相格子パターンを形成可能となるので、より精度の高い表面反射型エンコーダを得ることが可能となる。

表面反射型エンコーダ用スケール（以下、「スケール」とも云う）の基材は、長尺のスケールの実現を可能とし、また、スケールとしての実際の使用時までの運搬、収納、販売等が容易となるように、巻き取り可能とすることが求められており、そのためにスケール用基材の厚さとしては２００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。スケール用基材の幅としては用いる表面反射型エンコーダに合うように設定するが、通常、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。

基材の長さは通常１ｍないし数ｍ程度であるが、より長尺な基材を用いることできる。このような長尺の基材に対して加工を施す場合には、例えば、ロール状に巻き取った基材を巻き戻しながら、この巻き戻し部分に本発明の各工程を連続的に実施するとともに、各工程作業が終了した部分を順次ロール状に再度巻き取ることで最終的に長尺の表面反射型エンコーダ用スケールを得ることができる。このような長尺でかつ厚さむらの少ないステンレスのスケール用基材は新日鐵住金ステンレス社などから容易に得ることができる。

＜マスキング膜形成工程＞
このようなスケール用基材の、通常は、一方の面に位相格子を形成する。まず、スケール用基材（図１中符号１）の一方の面にマスキング膜を形成する（図１（ａ）参照 ）。マスキング膜（図１中符号２）を形成するための材質としては、後述する位相格子形成工程ではめっき膜形成を阻み、レーザ光処理工程によって容易に除去でき、かつ、マスキング塗膜除去工程で容易に除去できるものである必要がある。

具体的な材質の例としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂などが挙げられ、これらを有機溶媒などに溶かして、塗布、べた印刷、浸漬、スプレー塗装などの手段によりマスキング膜を形成する。マスキング膜の厚さは上記マスキング膜を形成するために求められる条件を満たすように適宜決定するが、通常は２μｍ以上２０μｍ以下である。

＜レーザ光処理工程＞
レーザ光処理工程では上記で形成されたマスキング膜のうち、後述する位相格子形成工程でめっきにより位相格子を形成する部分をレーザ光により、除去する（図１（ｂ）参照。マスキング膜の除去部分を図１中符号２ａを付して示した）。このときの位相格子を形成する部分の形状はスケールと併用する表面反射型エンコーダに対応した形状とする。

このとき、紫外光によるレーザアブレーション加工法、すなわち、ＹＡＧレーザの第三高調波・第四高調波などのＵＶ領域での波長のレーザを用いて、高分子材料の構成分子内の化学結合を光子エネルギーにより切断し、レーザ照射部分を一瞬のうちに分解飛散させるアブレーション現象を用いた加工法による処理を行うことで、除去部分に隣接する部分のマスキング膜に対して、熱損傷や剥がれなどの悪影響が及ぶことを未然に防止することができ、位置精度の高い表面反射型エンコーダ用スケールを得ることができ、かつ、後加工や仕上げ加工が不要になるので好ましい。

＜位相格子形成工程＞
上記マスキング膜の除去部分に対してめっきにより位相格子を形成する。ここで、めっき方法としては、電解めっきであると厚さの正確な制御が可能となるために読み取りミスのない表面反射型エンコーダ用スケールが得られるので好ましい。

ここで、電解めっきにより形成される金属層としては金であることが望ましい。

すなわち、金の電解めっきに関してはめっき業界における過去からの技術的蓄積によりサブミクロンオーダーでの厳密な厚さ管理が可能となっているので、必要な厚さの金属層を厚さのばらつきなく作製できるので、そのコストを最小とすることができる。

さらに、金は特許文献１にも使用が記載されているように現状の表面反射型エンコーダ用スケールの位相格子として用いられており、そのために表面反射型エンコーダでの読み取り技術が確立しているので、位相格子を金から構成した場合には従来法による表面反射型エンコーダ用スケールへの置き換えが容易である。

＜マスキング塗膜除去工程＞
次いで、上記マスキング塗膜を除去する。具体的にはマスキング塗膜を溶解する溶媒などにより除去する（図１（ｄ）参照）。

＜保護膜積層工程＞
上記のように形成された位相格子は汚れたり、あるいは、他の物体との接触により不鮮明になり、表面反射型エンコーダ用スケールとして用いることができなくなる恐れがある。このために、表面に透明樹脂からなる保護膜（符号４。図１（ｅ）参照）を積層して保護する。

上記では、１つの凸部を有する例をモデル的に示したが、実際の表面反射型エンコーダ用スケールは図２（ａ）にモデル上面図を、図２（ｂ）にモデル側面図を示したように複数の畝状の凸部が形成されている。

用いる透明樹脂としてはアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂などが挙げられる。ここで、光硬化性樹脂であると保護膜積層工程が迅速なものとなるので好ましい。

上記のような樹脂、または樹脂組成物を必要に応じて溶媒を併用して位相格子が形成された面に塗布し、溶媒を除去、あるいは、硬化させることにより保護膜を形成する。

保護膜は，上記位相格子が形成された面を保護し、表面反射型エンコーダ用スケールが必要とされる柔軟性を損なわず、また、表面反射型エンコーダによる光学的な読み取りを妨げない厚さであることが必要であり、このために例えば２μｍ以上２０μｍ以下とする。

上記のように得られた表面反射型エンコーダ用スケールは、その後必要に応じて保護膜とは反対の面に粘着剤層あるいは両面粘着テープ、及び、離型層等が積層されても良い。

以下に本発明の実施例について説明する。

ステンレスからなる薄板（厚さ：２００μｍ。厚さむら：最大１０μｍ。新日鐵住金ステンレス社製。）を長さ１５０ｍｍ、幅：１０ｍｍに切断したものをスケール用基材として用いた。

このスケール用基材の片面の位相格子パターン形成領域に、アクリル系樹脂であるＤＩＣ社製ＡＣＲＹＤＩＣ Ａ−４０５をスプレー法により厚さ５μｍとなるように塗布してマスキング膜を形成した。

次いで、マスキング膜の前記薄板の位相格子形成部、すなわち、６ｍｍ×５０ｍｍの範囲に、その長さ方向に、互いに１０μｍの間隔をあけて、幅１０μｍずつのマスキング膜除去部分を形成した。このときのマスキング膜除去部分、一箇所における照射条件を下記に示す。

使用レーザ装置：ＹＶＯ₄
波長： ２６６ｎｍ
出力： ０．１Ｗ
周波数： １００ＫＨｚ
焦点距離： ２００ｍｍ
ショット数： ６０回／箇所

上記レーザ加工部分付近をＨＩＲＯＸ社製マイクロスコープ ＫＨ−１３００により観察したところ、未処理部分のマスキング膜には剥がれや欠落などの瑕疵がないことが確認された。

次いで、上記レーザ加工部に対して厚さが２．５μｍとなるように電解めっきを行い、金層層を形成し、次いで、マスキング膜をトルエンで洗浄することにより除去した。

このときの１つの畝の非接触表面形状測定器ＺＹＧＯ社製 Ｎｅｗ ｖｉｅｗ６３００による解析結果を図３に示した。図３の横方向が表面反射型エンコーダ用スケールの長さ方向である。ステンレスからなるスケール用基材の表面から、金からなる畝状部が極めてシャープに突出し、畝上面は０．２μｍ程度の高低差しかないことが理解される。

また、複数の畝について同様に解析した結果を図４に示す。図３の横方向が表面反射型エンコーダ用スケールの長さ方向である。この図より、複数の畝状部の高さの違いは±０．２μｍ程度であり、ばらつきの範囲が極めて小さいことが理解できる。

上記の解析後、上記中間材の位相格子パターン形成側に紫外線硬化型エポキシアクリレート樹脂（ＤＩＣ社製ＵＮＩＤＩＣ Ｖ−５５００）を厚さ５μｍとなるようスプレー塗布したのち、この樹脂に指定された条件で硬化処理を行い、保護膜を形成し、表面反射型エンコーダ用スケールを得た。その後、表面反射型エンコーダを用いてこのスケールの実用評価を行ったが、従来の特許文献１に係る表面反射型エンコーダ用スケールと同等に用いることができた。

上記の表面反射型エンコーダ用スケールと同様にして、ただし、互いに１３μｍの間隔をあけて幅７ｍずつのマスキング膜除去部分を形成して、保護膜を形成する前の２種類の中間材を得た。

これら中間材について、上記同様に解析を行ったが、特許文献１に係る技術では形成が困難な、極めて微細な位相格子がともに極めてシャープな形状で形成されていることが確認された。

Claims (3)

1. スケール用基材の位相格子パターン形成領域にマスキング膜を形成するマスキング膜形成工程、
   レーザ光を照射することによって前記マスキング膜を部分的に除去して位相格子形成部を形成するレーザ光処理工程、
   めっき処理により、前記位相格子形成部に位相格子を形成する位相格子形成工程、
   前記マスキング塗膜を除去するマスキング塗膜除去工程、及び、
   前記位相格子パターン形成領域に透明保護膜を積層する保護膜積層工程
   をこの順番で有することを特徴とする表面反射型エンコーダ用スケールの製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法で製造されたことを特徴とする表面反射型エンコーダ用スケール。
3. 請求項２記載の表面反射型エンコーダ用スケールを有することを特徴とする表面反射型エンコーダ。

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