JP2013257314A - 反射型エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】エッチング手法とは異なる斬新な手法を用いてスケール反射板を作製することにより、超小型で且つ分解能が極めて高い反射型エンコーダを提供する。
【解決手段】光の反射部２と非反射部５とを交互に有するスケール反射板１に発光素子からの光を反射させて受光素子で検出するようにした反射型エンコーダであって、前記非反射部５の表面に複数の凸部３及び／又は凹部４を形成することにより非反射部５をスケール反射板１に作製したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば回転又は移動する物体の変位量を検出するために用いられる反射型エンコーダに関する。

従来、光の反射部と非反射部とを交互にスケール反射板に形成した反射型エンコーダとして、例えば金属基板を反射面にし、この反射面を粗面加工してこの反射面よりも反射率の低い領域（非反射部）を形成した目盛りパターンが構成されたものが提示されている（特許文献１参照）。

特開２００９−８４５７号公報

上記特許文献１に係る反射型エンコーダでは、スケール反射板の反射面を例えば、エッチング技術を用いた作製方法で粗面加工して非反射部を形成している。このエッチング技術を用いた作製方法を図９に基づいて説明する。

図９（ａ）に示すように、先ず、金属製基板１００にフォトレジスト１０１を塗布する。次に（ｂ）に示すように、スリットのパターン１０２が描画されたフォトマスク１０３をフォトレジスト１０１の上方に配置させ、上方から矢印のとおり紫外光を照射して露光をし、フォトレジスト１０１にスリットのパターン１０２を焼き付ける。そして、（ｃ）に示すように、現像することでレジストパターン１０４を形成し、（ｄ）に示すように、レジストの開口された部分１０５を金属のエッチング液によって腐食させて粗面加工する。然る後、（ｅ）に示すように、フォトレジスト１０１を除去すると、反射部１０６と非反射部１０７とを有するスケール反射板１０８が作製される。

このように、エッチング技術を用いた作製方法では、図１０に示すように、非反射部１０７で光を確実に反射させないようにするためには、エッチングによる深さ寸法Ｄ３を十分に確保する必要があった。このため、反射部１０６と非反射部１０７の境界部分では図９（ｄ）に矢印で示すように、横方向にエッチングされてサイドエッチ１０９が発生する現象が生じ、この現象を避けることができないため、反射部１０６と非反射部１０７の境界エッジをシャープに形成することができなかった。又、サイドエッチ１０９の発生により、図１０に示すように反射部１０６と非反射部１０７のスリット幅Ｓ３、Ｓ４の寸法がエッチング時間の長短で変化されるため、反射部１０６のスリット幅Ｓ３と非反射部１０７のスリット幅Ｓ４の寸法精度が劣っていた。このため、反射型エンコーダとしての分解能が低いという課題があった。
また、エッチング技術による手法では、サイドエッチ１０９による幅変動を見込んでエッチング幅のマスク寸法を細かく調整する等の必要があるため、反射部１０６と非反射部１０７のスリット幅Ｓ３、Ｓ４を２５μｍ以下の寸法に形成することはできず、分解能を高めることができないという課題があった。

本発明は、上記課題に着目し、エッチング手法とは異なる斬新な手法を用いてスケール反射板を作製することにより、超小型で且つ分解能が極めて高い反射型エンコーダを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、光の反射部と非反射部とを交互に有するスケール反射板に発光素子からの光を反射させて受光素子で検出するようにした反射型エンコーダであって、前記非反射部はその表面に複数の凸部及び／又は凹部を形成することにより作製されるようにしたものである。

請求項１に記載の反射型エンコーダでは、例えば紫外線またはＸ線を利用したリソグラフィー技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いることにより、スケール反射板の非反射部の表面に複数の凸部及び／又は凹部を形成できたので、複数の凸部及び／又は凹部の間に入り込んだ光源からの光は乱反射して減衰し、非反射部から反射することはない。

請求項２の発明は、請求項１に記載の反射型エンコーダにおいて、前記凸部は円錐、円柱、多角柱、多角錐、多面体の何れかの突起形状で、前記凹部は円錐、円柱、多角柱、多角錐、多面体の何れかの窪み形状でそれぞれ形成するようにしたものである。

請求項２に記載の反射型エンコーダでは、例えば紫外線またはＸ線を利用したリソグラフィー技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いることにより、スケール反射板の非反射部に円錐、円柱、多角柱、多角錐、多面体の何れかの凸部及び／又は凹部を容易に形成することができる。

請求項３の発明は、請求項１に記載の反射型エンコーダにおいて、前記反射部と前記非反射部のスリット幅を１μｍ〜２０μｍの寸法に設定にしたものである。

請求項３に記載の反射型エンコーダでは、例えば紫外線またはＸ線を利用したリソグラフィー技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いることにより、スケール反射板の反射部と非反射部のスリット幅を２０μｍ以下の、しかも１μｍと極めて小さい寸法にまで形成することができる。

請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の反射型エンコーダにおいて、前記凸部及び／又は凹部のパターンピッチを５０ｎｍ〜１０μｍの寸法に設定にしたものである。

請求項４に記載の反射型エンコーダにおいては、スケール反射板の非反射部における凸部及び／又は凹部のパターンピッチPの最大値は発光素子の波長をλ、空気の屈折率をｎ（ｎ＝１）とすると、P≦λ／ｎの式から求められることに本発明者等は着目した。
この式に基づき、発光素子として長波長１３００ｎｍの発光ダイオードを用いた場合のパターンピッチPを求めると１．３μｍとなるが、本発明者等は光の反射部と非反射部のコントラスト比が、例えば６０％以上の十分の比率が得られれば、パターンピッチPは１．３μｍ以上でも非反射部では反射されないことを見出し、パターンピッチPの最大値を１０μｍに設定したのである。
また、最小値５０ｎｍは、紫外線またはＸ線を利用したリソグラフィー技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いて作製できる限界値から設定したものである。

請求項５の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の反射型エンコーダにおいて、前記凸部の高さ又は凹部の深さを８０ｎｍ〜２０μｍの寸法に設定にしたものである。

請求項５に記載の反射型エンコーダにおいては、スケール反射板の非反射部における凸部の高さＨ又は凹部の深さＤ１の最小値は発光素子の波長をλとすると、ＲＣＷＡ（Rigorous
Coupled Wave Analysis）法からH（Ｄ１）は式H（Ｄ１）≧０．４λから求められることに本発明者等は着目した。
この式に基づき、発光素子として最短長２００ｎｍの可視光を用いた場合の凸部の高さＨ又は凹部の深さＤ１を求めると８０ｎｍとなることから８０ｎｍに設定したのである。
また、最小値２０μｍは、紫外線またはＸ線を利用したリソグラフィー技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いて作製できる限界値から設定したものである。

請求項６の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の反射型エンコーダにおいて、前記反射部と前記非反射部との段差を０〜１０μｍの寸法に設定したものである。

請求項６に記載の反射型エンコーダでは、例えば紫外線またはＸ線を利用したリソグラフィー技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いることにより、スケール反射板の反射部と非反射部との境界エッジをシャープに作製できるため、反射部と非反射部との段差を１０μｍ以下に、特に段差なしで形成しても高い分解能を得ることができる。

以上説明したように、本発明に係る請求項１に記載の反射型エンコーダによれば、スケール反射板の非反射部の表面に複数の凸部及び／又は凹部を設けることにより非反射部を形成したので、複数の凸部及び／又は凹部の間に入り込んだ発光素子からの光は乱反射して減衰し、非反射部から反射することがないため、非反射部としての機能を発揮することができる、という優れた効果が得られる。

請求項２に記載の反射型エンコーダによれば、凸部を円錐、円柱、多角柱、多角錐、多面体の何れかの突起形状に、凹部を円錐、円柱、多角柱、多角錐、多面体の何れかの窪み形状に、それぞれ発光素子からの光を乱反射させて減衰させるのに適している形状に形成したので、非反射部としての機能を充分発揮することができる、という優れた効果が得られる。

請求項３に記載の反射型エンコーダによれば、スケール反射板の反射部と非反射部のスリット幅を２０μｍ以下の、しかも１μｍと極めて小さい寸法にまで形成したので、超小型で且つ分解能が高いスケール反射板を得ることができる、という優れた効果が得られる。

請求項４に記載の反射型エンコーダによれば、スケール反射板の非反射部における凸部又は凹部のパターンピッチを１０μｍ以下の、しかも５０ｎｍと極めて小さい寸法にまで形成したので、超小型で且つ分解能が高いスケール反射板を得ることができる、という優れた効果が得られる。

請求項５に記載の反射型エンコーダによれば、スケール反射板の非反射部における凸部の高さ又は凹部の深さを２０μｍ以下の、しかも８０ｎｍと極めて小さい寸法にまで形成したので、超小型で且つ分解能が高いスケール反射板を得ることができる、という優れた効果が得られる。

請求項６に記載の反射型エンコーダによれば、反射部と非反射部との段差を１０μｍ以下に、特に段差なしで形成しても反射部と非反射部との境界エッジをシャープに作製できるため、超小型で且つ分解能が高いスケール反射板を得ることができる、という優れた効果が得られる。

本発明の実施形態に係る反射型エンコーダにおけるスケール反射板の平面図である。 図１に示すスケール反射板の一部斜視図である。 図２に示すスケール反射板における非反射部の異なる形態を示す一部斜視図である。 図２に示すスケール反射板の異なる形態を示す一部断面図である。 図４に示すスケール反射板を作製するプロセス図である。 図５に示すプロセスにより作製した非反射部の一実施例を示す写真である。 図５のプロセスと異なるプロセスにより作製した非反射部の他実施例を示す写真である。 本発明の実施形態に係る反射型エンコーダの概略図である。 従来例を示すスケール反射板を作製するプロセス図である。 従来例を示すスケール反射板を示す一部断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図１乃至図８に基づき説明する。この実施形態では、反射型エンコーダとしてロータリーエンコーダを例にして説明するが、リニアエンコーダでも適用することができる。尚、各図において、同一の構成部分については同じ符合を付している。

図１において、１はニッケル又はニッケル合金から作製されたスケール反射板であり、光を反射させる反射部２と、後述する凸部３又は凹部４で形成され光を反射させない非反射部５とが交互に形成されている。この反射部２のスリット幅Ｓ１と非反射部５のスリット幅Ｓ２は何れも１μｍ〜２０μｍの寸法に設定されている。６はスケール反射板１を回転させるモータ駆動軸（図示しない）が貫通する貫通穴である。

図２はスケール反射板１の一部を示す斜視図であり、非反射部５は複数の凸部３で形成されている。この複数の凸部３は、例えば、図３（ａ）に示す円錐形状の突起３１、図３（ｂ）に示す円柱形状の突起３２、図３（ｃ）に示す多角柱形状の突起３３である。これらの突起３１、３２、３３は、パターン幅ＷとパターンピッチＰとがそれぞれ５０ｎｍ〜１０μｍ、高さＨが８０ｎｍ〜２０μｍの寸法にそれぞれ設定されている。
このパターンピッチＰを設定するにあたり、パターンピッチPの最大値は後述する発光素子の波長をλ、空気の屈折率をｎ（ｎ＝１）とすると、P≦λ／ｎの式から求められることに本発明者等は着目した。
この式に基づき、発光素子として長波長１３００ｎｍの発光ダイオードを用いた場合のパターンピッチPを求めると１．３μｍとなるが、本発明者等は反射部２と非反射部５のコントラスト比が、例えば６０％以上の十分の比率が得られれば、パターンピッチPは１．３μｍ以上でも非反射部５では反射されないことを見出し、パターンピッチPの最大値を１０μｍに設定したのである。
尚、発光素子として波長８５０ｎｍの面発光半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ可干渉レーザー）を用いた場合、パターンピッチPの最大値はP≦λ／ｎの式から０．８５μｍに設定することになる。
また、最小値５０ｎｍは、紫外線又はＸ線を利用したリソグラフィー技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いて製作できる限界値から設定したものである。
尚、図示していないが、凸部３は多角錐、多面体の形状であっても良い。
次に、スケール反射板１の非反射部５における凸部３の高さＨの最小値は発光素子の波長をλとすると、ＲＣＷＡ（Rigorous
Coupled Wave Analysis）法からHは式H≧０．４λから求められることに本発明者等は着目した。
この式に基づき、発光素子として最短長２００ｎｍの可視光を用いた場合の凸部３の高さＨを求めると８０ｎｍとなることから８０ｎｍに設定したのである。
また、最小値２０μｍは、紫外線またはＸ線を利用したリソグラフィー技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いて製作できる限界値から設定したものである。

又、非反射部５を複数の凸部３で作製せず、複数の凹部４で作製しても良い。例えば、図３（ｄ）に示す円錐形状の窪み４１、図３（ｅ）に示す円柱形状の窪み４２、図３（ｆ）に示す多角柱形状の窪み４３であり、これらの窪み４１、４２、４３は、上述した凸部３と同様に、パターン幅ＷとパターンピッチＰとがそれぞれ５０ｎｍ〜１０μｍ、深さＤ１を８０ｎｍ〜２０μｍの寸法にそれぞれ設定されている。尚、図示していないが、凹部４は多角錐、多面体の形状であっても良い。
又、非反射部５を作製する他実施例として、複数の凸部３と凹部４とを混在させて作製しても良い。
このように、非反射部５はこの表面に複数の凸部３及び／又は凹部４を設けることにより形成されており、後述する作製プロセスにより作製されている。

反射部２と非反射部５は、図４（ａ）に示すように、非反射部５を反射部２よりも高くして段差Ｄ２を設けるか、逆に図４（ｂ）に示すように、非反射部５を反射部５よりも低くして段差Ｄ２を設けている。また、反射部２と非反射部５とを同一高さにして段差を設けなくても良く、段差Ｄ２を０〜１０μｍの寸法に設定している。
尚、図４（ａ）には、反射部２のスリット幅Ｓ１と非反射部５のスリット幅Ｓ２を示している。

次に、反射部２と非反射部５を紫外線またはＸ線を利用したリソグラフィー技術と電鋳技術とを用いて作製するプロセスを図５に基づいて説明する。先ず、図５の（ａ）に示すように、フォトレジスト基板７を準備する。次に（ｂ）に示すように、スリット部分８１に微細なパターンを搭載したマスク８をフォトレジスト基板７の上に配置させ、上方から矢印のとおり紫外線またはＸ線を照射して露光をし、フォトレジスト基板７にスリットのパターンを焼き付ける。そして、（ｃ）に示すように、現像することでパターン７１を形成し、（ｄ）に示すように、パターン７１を形成したフォトレジスト基板７から電鋳技術を用いてニッケルまたはニッケル合金９を転写する。然る後、（ｅ）に示すように、フォトレジスト基板７を除去して上下反転すると微細なパターン９１が転写され、例えば、図３（ｂ）に示すような円柱形状の突起３２が形成された非反射部５と反射部２とを有するニッケルまたはニッケル合金製のスケール反射板１が作製される。

図６は上述したプロセスにより作製した１実施例を示す非反射部５の写真であり、この写真の右下に記載されている１μｍのスケールから、例えば、凸部３のパターン幅ＷとパターンピッチＰが１μｍ以下であることがわかる。
この図６の写真から、リソグラフィー技術と電鋳技術とを用いて非反射部５を作製することにより、凸部３のパターン幅ＷとパターンピッチＰとを５０ｎｍ〜１０μｍ、高さＨを８０ｎｍ〜２０μｍの寸法に作製できることが理解できる。

図７は電鋳析出における金属結晶粒子を利用して凹部４を形成した他実施例を示す非反射部５の写真であり、この写真の右下に記載されている５μｍのスケールから、例えば、クレータ形窪みである凹部４のパターン幅が５μｍ以下であることがわかる。
この図７の写真から、電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いて非反射部５を作製することにより、凹部４のパターン幅ＷとパターンピッチＰとを５０ｎｍ〜１０μｍ、深さＤ１を８０ｎｍ〜２０μｍの寸法に作製できることが理解できる。

尚、スケール反射板１の作製方法として、紫外線光等を用いた干渉露光によりパターンを形成する方法、アルミニウムの陽極酸化処理によるマイクロポーラスを利用する方法であっても良い。
しかしながら、好ましくは、上述したリソグラフィー技術と電鋳技術、又は電鋳析出における金属結晶粒子の利用技術を用いてスケール反射板１を作製する方法が最適であり、凸部３又は凹部４をナノメートルからミクロンメートルオーダーの超微細な形状で高精度に作製できるために、反射部２と非反射部５の境界がシャープで且つスリット幅が２０μｍ以下の微細形状にでき、超小型で且つ分解能が極めて高いスケール反射板１を得ることができる。

このスケール反射板１を用いた反射型エンコーダ１０について、図８に基づいて説明する。１１は基板であり、発光ダイオードや面発光半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ可干渉レーザー）である発光素子１２と、フォトダイオードである受光素子１３と、集光レンズ１４、１５、１６と、偏光反射板１７とが設けられている。そして、この基板１１と対向してスケール反射板１が配置されている。

次に、作用について説明する。発光素子１２からの光が集光レンズ１４で平行光となってスケール反射板１を照射する。このスケール反射板１の非反射部５に照射された光は凸部３又は凹部４により乱反射して減衰されるため反射されず、反射部２に照射された光のみが反射される。
この反射光が集光レンズ１５を通って偏光反射板１７で直角に偏向され、集光レンズ１６を通って受光素子１３で受光する。この受光素子１３からの出力（パルス信号）をカウントすることにより、スケール反射板１の貫通穴６を貫通しこのスケール反射板１を回転させているモータ駆動軸（図示しない）の回転角度や回転速度が検出される。

このように、本発明によれば、従来の反射型エンコーダと比較して、超小型で且つ分解能が極めて高い反射型エンコーダ１０を得ることができ、工業的価値が高く、産業上極めて有用である。

１ スケール反射板
２ 反射部
３ 凸部
４ 凹部
５ 非反射部
１０ 反射型エンコーダ
１２ 発光素子
１３ 受光素子

Claims (6)

1. 光の反射部と非反射部とを交互に有するスケール反射板に発光素子からの光を反射させて受光素子で検出するようにした反射型エンコーダであって、前記非反射部はその表面に複数の凸部及び／又は凹部を形成することにより作製されたことを特徴とする反射型エンコーダ。
2. 前記凸部は円錐、多角錐、多面体の何れかの突起形状で、前記凹部は円錐、円柱、多角柱、多角錐、多面体の何れかの窪み形状でそれぞれ形成したことを特徴とする請求項１に記載の反射型エンコーダ。
3. 前記反射部と前記非反射部のスリット幅を１μｍ〜２０μｍの寸法に設定したことを特徴とする請求項１に記載の反射型エンコーダ。
4. 前記凸部又は凹部のパターンピッチを５０ｎｍ〜１０μｍの寸法に設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の反射型エンコーダ。
5. 前記凸部の高さ又は凹部の深さを８０ｎｍ〜２０μｍの寸法に設定したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の反射型エンコーダ。
6. 前記反射部と前記非反射部との段差を０〜１０μｍの寸法に設定したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の反射型エンコーダ。