JP2017090316A - エンコーダスケール - Google Patents

Abstract

【課題】エンコーダヘッドとの間隔を小さくできるエンコーダスケールを提供する。【解決手段】ガラス製の基板４１と、基板４１の表面に形成された接合層４２と、接合層４２の表面に配列された銅製の複数の電極層４３Ａと、複数の電極層４３Ａおよび電極層４３Ａの周囲の基板４１および接合層４２の表面を覆う保護層４５とを有し、接合層４２および保護層４５は、電極層４３Ａよりも導電性が小さい金属被膜であるクロムで形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、エンコーダスケールに関し、特に電磁誘導式エンコーダに用いられるエンコーダスケールに関する。

製造装置や測定装置に取り付けられて、直線的に移動する可動部の位置を検出する装置として、リニアエンコーダが知られている。
リニアエンコーダには、複数の検出方式が採用されており、例えば光学式リニアエンコーダや静電容量式リニアエンコーダが用いられているほか、電磁誘導式リニアエンコーダが用いられている（特許文献１および特許文献２参照）。

電磁誘導式リニアエンコーダは、誘導用電極パターンを有する長尺のエンコーダスケールと、このエンコーダスケールに沿って変位可能なエンコーダヘッドとを有し、スケールに対してヘッドが移動することで、スケールに形成された誘導用電極に誘導電流を発生させ、この電流をエンコーダヘッドのピックアップコイルで検出し、通過する誘導用電極をカウントする等によりスケールの移動量を検出する。

誘電用電極を構成する電極層は、誘導される電流を稼ぐべく、材料の電気抵抗が小さく、かつ導電率が高いことが好ましい。このため、電極層には銅が多用されている。
電極層を設ける基板には、ガラス基板が用いられている。電極層に用いられる銅は、ガラスに付着しにくい。このため、電極層とガラス基板との間には、接合性を改善するための接合層が配置される。銅およびガラスの両方に親和性が良好な材料として、接合層にはクロムが多用されている。

エンコーダヘッドをエンコーダスケールに対して変位させる際に、一定の姿勢および間隔を維持できるように、エンコーダヘッドにはガイド機構が形成される。
ガイド機構は、回転自在のローラを有するとともに、ガラス基板の表面には接合層で覆われずにガラスが露出している帯状のガイド面が形成されている。ローラがガイド面を転動することで、エンコーダヘッドはエンコーダスケールに対して一定の間隔を保持されつつ、エンコーダスケールの長手方向へ円滑に移動することができる。

ここで、ローラがガイド面を転動するのに伴って、ガラス基板が帯電することがある。ガラス基板の帯電は、放電やノイズの原因となるため、エンコーダヘッドにとっては好ましくない。また、ガラス基板が帯電すると、エンコーダスケールに埃が付着しやすくなり、その埃が検出不良等の原因となる。これらの不具合の原因となるガラス基板の帯電を防止するために、従来のエンコーダスケールには、ガラス基板の表面に帯電防止電極が設けられている。

図７には、従来のエンコーダスケール１０４の一例が示されている。
図７において、ガラス製の基板１４１上には接合層１４２Ａが形成され、接合層１４２Ａ上には電極層１４３Ａが積層されている。電極層１４３Ａおよび接合層１４２Ａは、基板１４１上に成膜したうえ、フォトリソグラフィ法等を用いて、所定の電極パターンに形成されたものである。電極パターンとされた電極層１４３Ａおよび接合層１４２Ａは、合成樹脂製の保護層１４５で覆われている。

電極パターンに隣接して、スケールの延長方向に連続する帯電防止電極１４２Ｂが形成されている。帯電防止電極１４２Ｂは、接合層１４２Ａと同時に成膜され、パターン形成されたものである。ただし、帯電防止電極１４２Ｂ上には電極層１４３Ａが積層されておらず、代わりに接地線１４６を介して接地されている。

図７のエンコーダスケール１０４においては、銅製の電極層１４３Ａとクロム製の接合層１４２Ａとでは、それぞれのエッチングに用いる腐食剤が異なるので、電極パターン形成にあたっては２つのエッチング処理を行う必要があった。
また、接地のための帯電防止電極１４２Ｂを形成するために、接合層１４２Ａと異なる工程が別途必要であった。このように、従来のエンコーダスケール１０４は、多くの製造工程を必要としていた。
このような問題に対し、本願出願人により、製造工程が簡素であり、かつ帯電を防止できるエンコーダスケールおよびその製造方法が提案されている（特願２０１４−１６６６５４）。

図８には、本願出願人が提案する改良されたエンコーダスケール１１４が模式的に示されている。
図８において、ガラス製の基板１４１上には接合層１４２が形成され、接合層１４２上には電極層１４３Ａが積層されている。ここで、接合層１４２は一連とされ、その上の電極層１４３Ａだけが電極パターンに形成されている。また、別個の帯電防止電極（図７の１４２Ｂ）は省略され、接地線１４６は一連の接合層１４２に接続されている。これらの接合層１４２および電極層１４３Ａは、合成樹脂製の保護層１４５で覆われている。
このような図８のエンコーダスケール１１４によれば、帯電防止電極（図７の１４２Ｂ）が省略できるため、その形成のための別工程を省略しつつ、連続した接合層１４２による帯電防止効果を得ることができる。

特開２００９−２７６３０６号公報 特開２０１１−２４７６００号公報

前述したように、本願出願人が提案する改良されたエンコーダスケール１１４により、帯電防止電極を別個に形成する必要がなくなった。しかし、改良されたエンコーダスケール１１４に対して、更なる技術的要求がなされていた。
エンコーダスケール１１４は、エンコーダヘッドに対向配置され、電極層１４３Ａでの誘導電流の検出を行う関係上、エンコーダヘッドと電極層１４３Ａとの間隔は小さいことが好ましい。
しかし、合成樹脂性の保護層１４５を用いると、膜厚が大きくなって、エンコーダヘッドとの間隔を小さくできないという問題があった。

すなわち、エンコーダスケール１１４においても、従来同様、接合層１４２および電極層１４３Ａを、合成樹脂製の保護層１４５で覆っていた。
合成樹脂製の保護層１４５は、流動性の樹脂材料を基板１４１の上面に、接合層１４２および電極層１４３Ａが覆われるように塗布し、固化させることで形成される。
ここで、合成樹脂性の保護層１４５の膜厚は、接合層１４２や電極層１４３Ａなどの金属成膜に比べて大きくなり、エンコーダヘッドとの間隔を小さくできなかった。
さらに、合成樹脂性の保護層１４５の膜厚は、部位による変動が大きく、最大膜厚を避ける必要から、エンコーダヘッドとの間隔縮小が難しくなる原因となっていた。

本発明の目的は、エンコーダヘッドとの間隔を小さくできるエンコーダスケールを提供することにある。

本発明のエンコーダスケールは、基板と、前記基板の表面に配列された複数の電極層と、複数の前記電極層および前記電極層の周囲の前記基板の表面を覆う保護層とを有し、前記保護層は、前記電極層よりも導電性が小さい金属被膜で形成されていることを特徴とする。

本発明においては、基板の表面に、電極層および保護層という２層構造が形成される。電極パターンにおいて電極層がない領域では、保護層だけの１層構造となる。
基板としては、スケールとしての剛性を有し、かつ絶縁性を有する材料が好ましく、例えばガラスが用いられる。
電極層は、エンコーダヘッドからの磁界により誘導電流を生じるものであり、導電率が高い金属、例えば銅が用いられる。電極層は、スケールの延長方向に配列された複数の電極パターンで形成される。
保護層は、電極層を周囲の基板表面とともに覆う金属被膜であって、導電性が電極層より小さい材料であることが好ましく、例えばクロムが用いられる。

このような本発明では、保護層が金属被膜で形成されるため、従来のような合成樹脂製の保護層よりも薄肉つまり厚みを小さくすることができる。その結果、エンコーダスケールの電極層とエンコーダヘッドとの間隔を小さくすることができる。
さらに、保護層は、素材として用いる金属被膜の導電性が、電極層よりも小さいため、例えば基板の表面全体に及ぶような保護層で、複数の電極層を一括して覆っても、エンコーダヘッドによる電極層の検出を確実に行うことができる。
すなわち、エンコーダヘッドからの磁界により、電極層に誘導電流が生じている状態でも、保護層では誘導電流がほとんど生じない状態とすることができる。このため、エンコーダヘッドからは、保護層で覆われた電極層のパターンを確実に識別することができる。
さらに、本発明では、基板の表面に、電極層および保護層という２層構造だけを形成すればよく、従来の３層以上の構成に比べて成膜およびエッチングなどの加工を省略でき、製造時のコスト低減や時間短縮が図れるとともに、スケールとしての小型化を図ることができる。

本発明のエンコーダスケールにおいて、前記保護層は接地されていることが好ましい。
保護層の接地は、保護層に接地線を接続することで行うことができる。
このような本発明では、保護層を帯電防止電極として利用することができる。このため、別途の帯電防止電極を形成する処理を省略することができる。

本発明のエンコーダスケールにおいて、前記基板の表面には接合層が形成され、前記接合層の表面に複数の前記電極層が配列されているとしてもよい。
本発明においては、基板の表面に、接合層、電極層、保護層という３層構造が形成される。電極パターンで電極層がない領域では、接合層および保護層の２層構造となる。
接合層は、基板および電極層との親和性が高く、導電性が電極層より小さい材料であることが好ましく、例えばクロムが用いられる。

このような本発明では、基板の材料と電極層の材料との接合性が低い場合でも、接合層により基板と電極層との接合性を改善することができる。
さらに、複数の電極層に対して一連の接合層を用いれば、複数の電極層に対して一括して対応できる。そして、複数の電極層に対して一連の接合層であっても、接合層に導電性が電極層より小さい材料を用いることで、エンコーダヘッドによる電極層の検出を確実に行うことができる。

本発明のエンコーダスケールにおいて、前記接合層は接地されていることが好ましい。
接合層の接地は、接合層に接地線を接続することで行うことができる。
このような本発明では、接合層を帯電防止電極として利用することができる。このため、別途の帯電防止電極を形成する処理を省略することができる。
また、接合層を帯電防止電極として利用することで、保護層を帯電防止電極とすることは必要なくなり、保護層の材料選択の自由度を高めることができる。

本発明によれば、エンコーダスケールにおいて、電極層を覆う保護層を薄膜化できるため、エンコーダヘッドとの間隔を小さくすることができる。

本発明の第１実施形態に係るリニアエンコーダの斜視図。 図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図。 前記第１実施形態のエンコーダスケールの斜視図。 前記第１実施形態のエンコーダスケールの製造工程を示す断面図。 本発明の第２実施形態のエンコーダスケールの斜視図。 前記第２実施形態のエンコーダスケールの製造工程を示す断面図。 従来のエンコーダスケールを示す図。 改良されたエンコーダスケールを示す図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１から図４の各図には、本発明の第１実施形態が示されている。
図１において、電磁誘導式エンコーダである電磁誘導式リニアエンコーダ１は、測定方向であるＸ方向に沿って延びるメインスケール２と、このメインスケール２に対してＸ方向に相対移動するエンコーダヘッド３とを有する。
図２にも示すように、エンコーダヘッド３は、メインスケール２に沿って移動可能な本体３０を有するとともに、メインスケール２の内部に配置された検出部３３を有する。本体３０と検出部３３とは板状の接続部３２で接続されている。

メインスケール２には、接続部３２を通すためのスリット２１が形成されている。スリット２１の両縁には、例えばウレタンゴム製のリップ２２が全域にわたって設けられている。通常、リップ２２の合わせ目は閉じられており、メインスケール２への異物の侵入を防いでいる。
エンコーダヘッド３がメインスケール２に対して移動するときには、エンコーダヘッド３の接続部３２が、閉じていた両リップ２２の合わせ目をかき分けながら移動する。図示しないが、接続部３２は、両リップ２２の合わせ目をかき分けやすいように、前後の先端が細くなった紡錘形の断面形状に形成されている。

メインスケール２の内部には、本発明に基づくエンコーダスケール４が設置されている。エンコーダスケール４は、メインスケール２の内部に固定されたガラス製の基板４１を有し、その表面には複数の電極層４３Ａが配列されている。
基板４１の表面には、エンコーダヘッド３の検出部３３が対向配置されている。
検出部３３は、基板４１の表面に臨む表面にピックアップコイル３１を有し、複数の電極層４３Ａに対する相対移動を検出可能である。

検出部３３には、３個の第１ローラ３４および２個の第２ローラ３５が設置されている。第１ローラ３４および第２ローラ３５は、それぞれ軸部に小径のボールベアリングを有し、回転抵抗を低く抑制されている。
第１ローラ３４は、エンコーダスケール４の基板４１の表面の両側のガイド面４１Ａに転動可能である。第２ローラ３５は、基板４１の一方の側面４１Ｂに転動可能である。
これらの第１ローラ３４および第２ローラ３５により、検出部３３がエンコーダスケール４に沿って移動する際に、相互の間隔および位置を一定に維持することができる。

図３において、エンコーダスケール４は、前述したように、ガラス製の基板４１を有し、その表面（両側のガイド面４１Ａを除く）には複数の電極層４３Ａが配列されている。
より詳しくは、基板４１の表面にはクロム薄膜による接合層４２が形成され、その表面に複数の電極層４３Ａが形成され、その表面にクロム薄膜による保護層４５が形成されている。

本実施形態では、電極層４３Ａはそれぞれ角環状のコイルパターンに形成され、かつ２列でＸ方向に配列されている。これらの電極層４３Ａの配列により、エンコーダヘッド３のピックアップコイル３１で検出される所定の電極パターン４７が形成されている。
本実施形態では、接合層４２に接地線４６が接続され、電気的に接地されることで帯電防止されている。

本実施形態のエンコーダスケール４は、以下の製造手順で製造することができる。
図４（Ａ）において、先ず、蒸着あるいはスパッタリング等の真空成膜法により、基板４１上に接合層４２を形成する。
接合層４２は、例えば５０ｎｍ〜１００ｎｍの厚みを有し、材料として導電性を有するクロムが用いられている。
次に、接合層４２上に銅製の電極層４３を形成する。
銅はガラスに直接付着し難い性質を有するが、基板４１と電極層４３の間に、銅とガラスとのいずれに対しても良好な親和性を有するクロム製の接合層４２を設けることで、電極層４３が十分な強度で基板４１に付着させることができる。

電極層４３を形成する際には、予め接合層４２上に銅薄膜（図示せず）を付着させておく。銅薄膜を設けることで、この銅薄膜が基礎となって、続く電気メッキによる銅の積層が容易になる。
銅薄膜の厚みは例えば２００ｎｍ〜５００ｎｍであり、電極層４３の厚みは例えば１μｍ〜１００μｍである。なお、電極層４３の形成は、溶射やプリントによって行ってもよい。
電極層４３が形成できたら、電極パターン４７に応じた所定のパターンで、レジスト４４を電極層４３上に付着させる。この工程にはリソグラフィ法等によって行われる。
ここまでの工程が完了した状態が、図４（Ａ）に示す状態である。

次に、図４（Ｂ）に示すように、電極層４３および銅薄膜のレジスト４４に覆われていない領域をエッチングにより除去し、レジスト４４を除去する。
これにより、一連であった電極層４３（図４（Ａ）参照）から、複数の電極層４３Ａが形成される（図４（Ｃ）参照）。

続いて、図４（Ｄ）に示すように、接合層４２に接地線４６を接続する。さらに、複数の電極層４３Ａとともに接合層４２の全体を覆う保護層４５を形成する。
保護層４５は、接合層４２と同様に、蒸着あるいはスパッタリング等の真空成膜法によって形成され、例えば５０ｎｍ〜１００ｎｍの厚みを有し、材料には導電性を有するクロムが用いられている。

以上の手順により、エンコーダスケール４が形成される。形成されたエンコーダスケール４において、電極パターン４７となる領域では、基板４１の表面に、接合層４２、電極層４３Ａ、保護層４５という３層構造が形成される。一方、電極パターン４７でない領域では、接合層４２および保護層４５の２層構造となる。

このような本実施形態によれば、保護層４５がクロム製の金属被膜で形成されるため、従来のような合成樹脂製の保護層よりも薄肉つまり厚みを小さくすることができる。その結果、エンコーダスケール４の電極層４３Ａとエンコーダヘッド３のピックアップコイル３１との間隔を小さくすることができ、電磁誘導による出力増大を図ることができる。

本実施形態において、保護層４５は、素材として用いる金属被膜（本実施形態ではクロム）の導電性が、電極層４３Ａ（本実施形態では銅）よりも小さい。このため、例えば基板４１の表面全体に及ぶような保護層４５で、複数の電極層４３Ａを一括して覆っても、エンコーダヘッド３による電極層４３Ａ（電極パターン４７）の検出を確実に行うことができる。
すなわち、エンコーダヘッド３のピックアップコイル３１からの磁界により、電極層４３Ａに誘導電流が生じている状態でも、保護層４５では誘導電流がほとんど生じない状態とすることができる。このため、エンコーダヘッド３からは、保護層４５で覆われた電極層４３Ａによる電極パターン４７を確実に識別することができる。

本実施形態では、基板４１の表面にはクロム製の接合層４２が形成され、この接合層４２の表面に複数の電極層４３Ａが配列される構成とした。
このため、基板４１の材料がガラスで、電極層４３Ａの材料が銅で、互いの接合性が低い場合でも、接合層４２により基板４１と電極層４３Ａとの接合性を改善することができる。
さらに、複数の電極層４３Ａに対して一連の接合層４２を用いれば、複数の電極層４３Ａに対して一括して対応できる。そして、複数の電極層４３Ａに対して一連の接合層４２であっても、接合層４２に導電性が電極層４３Ａより小さい材料を用いることで、エンコーダヘッド３のピックアップコイル３１による電極層４３Ａの検出を確実に行うことができる。

本実施形態では、接合層４２に接地線４６を接続して接地するとしたため、接合層４２を帯電防止電極として利用することができる。このため、別途の帯電防止電極を形成する処理を省略することができる。
また、接合層４２を帯電防止電極として利用することで、保護層４５を帯電防止電極とすることは必要なくなり、保護層４５の材料選択の自由度を高めることができる。

〔第２実施形態〕
図５および図６には、本発明の第２実施形態が示されている。
本実施形態のエンコーダスケール４Ａは、基本構成が前述した第１実施形態のエンコーダスケール４と同じである。従って、以下には共通部分についての重複する説明は省略し、相違部分についてのみ説明する。

第１実施形態のエンコーダスケール４では、図３のように、電極パターン４７となる領域では、基板４１の表面に、接合層４２、電極層４３Ａ、保護層４５という３層構造が形成されている。一方、電極パターン４７でない領域では、接合層４２および保護層４５の２層構造が形成されていた。

これに対し、第２実施形態では、接合層４２が省略されている。
すなわち、図５のように、基板４１の表面に直接、電極層４３Ａが形成されている。
これにより、本実施形態のエンコーダスケール４では、電極パターン４７となる領域では、基板４１の表面に、電極層４３Ａ、保護層４５という２層構造が形成され、電極パターン４７でない領域では、保護層４５だけの１層構造とされている。
さらに、本実施形態では、保護層４５に接地線４６が接続して接地がとられている。

本実施形態のエンコーダスケール４Ａは、以下の製造手順で製造することができる。
図６（Ａ）において、基板４１上に銅製の電極層４３を形成する。電極層４３の形成は、第１実施形態と同様に行えばよい。
電極層４３が形成できたら、電極パターン４７に応じた所定のパターンで、レジスト４４を電極層４３上に付着させる。

次に、図６（Ｂ）に示すように、電極層４３および銅薄膜のレジスト４４に覆われていない領域をエッチングにより除去し、レジスト４４を除去する。
これにより、一連であった電極層４３（図６（Ａ）参照）から、複数の電極層４３Ａが形成される（図６（Ｃ）参照）。
続いて、図６（Ｄ）に示すように、複数の電極層４３Ａの全体を覆う保護層４５を形成する。保護層４５の形成は、第１実施形態と同様に行えばよい。
保護層４５が形成できたら、保護層４５に接地線４６を接続する。

このような本実施形態では、前述した第１実施形態と同様な効果が得られる。
ただし、接合層４２がないため、接合層４２による基板４１と電極層４３Ａとの接合性の改善効果は得られない。
一方で、接合層４２の形成に必要な処理を省略することができ、製造工程の簡略化に有効である。従って、基板４１の材料と電極層４３Ａの材料とが、各々の接合性に特段の問題が生じない組み合わせであれば、本実施形態を採用することで、製造コストの削減および効率化を図ることができる。

本発明は、前記実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
例えば、前記各実施形態では、電極層４３Ａの形状が角環状のコイルパターンであったが、他の形状でもよく、例えば、中実の方形や円形であってもよく、左右に折れ曲がったジグザグ形状であってもよい。つまり、電気が通る島状のものであれば、形状は上記実施形態に限定されるものではない。

エンコーダスケール４，４Ａにおける各構成の材料は、前記実施形態に記載したものに限られず適宜他の材料に変更することが可能である。
例えば、実施形態では、基板４１の材料がガラスであったが、所期の剛性を有する絶縁体であればよく、例えば、セラミック、サファイアまたは石英であってもよく、合成樹脂材料であってもよい。
また、前記実施形態では、電極層４３Ａの材料が銅であったが、電気抵抗が小さい材料であればよく、例えば、金や銀であってもよい。
前記実施形態では、接合層４２の材料がクロムであったが、電気抵抗が電極層４３Ａよりも大きく、電磁誘導が発生しにくい材料であればよく、例えば、ニッケルやチタンであってもよい。

また、前記実施形態では、電磁誘導式エンコーダを、測定対象物の直線変位を検出する電磁誘導式リニアエンコーダ１とした例について説明した。本発明はこれに限らず、例えば、測定対象物の回動量や回転数を検出する電磁誘導式ロータリーエンコーダに適用されてもよい。

本発明は、測定対象物の変位を検出する電磁誘導式エンコーダに利用できる。

１…電磁誘導式リニアエンコーダ、２…メインスケール、２１…スリット、２２…リップ、３…エンコーダヘッド、３０…本体、３１…ピックアップコイル、３２…接続部、３３…検出部、３４…第１ローラ、３５…第２ローラ、４，４Ａ…エンコーダスケール、４１…基板、４１Ａ…ガイド面、４１Ｂ…側面、４２…接合層、４３，４３Ａ…電極層、４４…レジスト、４５…保護層、４６…接地線、４７…電極パターン。

Claims (4)

1. 基板と、前記基板の表面に配列された複数の電極層と、複数の前記電極層および前記電極層の周囲の前記基板の表面を覆う保護層とを有し、前記保護層は、前記電極層よりも導電性が小さい金属被膜で形成されていることを特徴とするエンコーダスケール。
2. 請求項１に記載のエンコーダスケールにおいて、
   前記保護層は接地されていることを特徴とするエンコーダスケール。
3. 請求項１または請求項２に記載のエンコーダスケールにおいて、
   前記基板の表面には接合層が形成され、前記接合層の表面に複数の前記電極層が配列されていることを特徴とするエンコーダスケール。
4. 請求項３に記載のエンコーダスケールにおいて、
   前記接合層は接地されていることを特徴とするエンコーダスケール。

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