JP2021006780A - 格子部品およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 光学特性のバラツキを抑制することができる格子部品およびその製造方法を提供する。【解決手段】 格子部品は、第1主面に光学格子を備えた透明な第1基板と、第1主面に光学格子を備えた透明な第2基板と、を備え、前記第1基板の前記第1主面と対向する第2主面と、前記第2基板の前記第1主面と対向する第2主面とが、接合されていることを特徴とする。【選択図】 図5

Description

本件は、格子部品およびその製造方法に関する。
反射型の光電式リニアスケールは、例えば、複数の光学回折格子や振幅格子を持つ格子部品を検出器として備えている(例えば、特許文献1参照)。
特開2017−26567号公報
このような格子部品においては、光学特性にバラツキが生じることがある。
1つの側面では、光学特性のバラツキを抑制することができる格子部品およびその製造方法を提供することを目的とする。
1つの態様では、本発明に係る格子部品は、第1主面に光学格子を備えた透明な第1基板と、第1主面に光学格子を備えた透明な第2基板と、を備え、前記第1基板の前記第1主面と対向する第2主面と、前記第2基板の前記第1主面と対向する第2主面とが、接合されていることを特徴とする。
上記格子部品において、前記第1基板と前記第2基板との間の一部に設けられ、光反射膜または光吸収膜として機能する薄膜が備わっていてもよい。
1つの態様では、本発明に係る格子部品は、表面に光学格子を備えた透明な第1基板と、表面に光学格子を備えた透明な第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間に配置されたスペーサと、を備え、前記第1基板および前記第2基板と前記スペーサとが、接合されていることを特徴とする。
上記格子部品において、前記スペーサは、前記第1基板と前記第2基板との間に、キャビティを形成していてもよい。
上記格子部品において、前記キャビティ内に、光反射膜または光吸収膜として機能する薄膜が備わっていてもよい。
上記格子部品において、前記第1基板は、前記キャビティ内に前記光学格子を備え、前記第2基板は、前記キャビティ内に前記光学格子を備えていてもよい。
上記格子部品において、前記第1基板は、一方の主面に、前記光学格子が設けられた凹部を備え、前記第2基板は、一方の主面に、前記光学格子が設けられた凹部を備え、前記第1基板の前記一方の主面および前記第2基板の前記一方の主面と、前記スペーサとが接合され、前記第1基板の前記光学格子および前記第2基板の前記光学格子は、前記スペーサによって覆われていてもよい。
上記格子部品において、前記スペーサは、第1主面に第1凹部を備え、前記第1主面と対向する第2主面に第2凹部を備え、前記第1基板の前記光学格子が設けられた主面と、前記第2基板の前記光学格子が設けられた主面とが対向し、前記第1凹部によって前記第1基板の前記光学格子が配置され、前記第2凹部によって前記第2基板の前記光学格子が配置されていてもよい。
1つの態様では、本発明に係る格子部品の製造方法は、第1主面に光学格子を備えた透明な第1基板と、第1主面に光学格子を備えた透明な第2基板とを、前記第1基板の前記第1主面と対向する第2主面と、前記第2基板の前記第1主面と対向する第2主面とが対向するように接触させる工程と、常温接合、拡散接合または陽極接合によって、前記第1基板の前記第2主面と前記第2基板の前記第2主面とを接合する工程と、を含むことを特徴とする。
1つの態様では、本発明に係る格子部品の製造方法は、表面に光学格子を備えた透明な第1基板と、表面に光学格子を備えた透明な第2基板との間に、スペーサを配置する工程と、前記第1基板および前記第2基板と前記スペーサとを、常温接合、拡散接合または陽極接合によって接合することを特徴とする。
光学特性のバラツキを抑制することができる格子部品およびその製造方法を提供することができる。
実施形態に係る光電式エンコーダの斜視図である。 光路について例示する図である。 (a)は第1基板の平面図であり、(b)は(a)のA−A線断面図である。 (a)は第2基板の平面図であり、(b)は(a)のA−A線断面図である。 (a)および(b)は接合について例示する図である。 第2実施形態に係る検出器の断面図である。 第3実施形態に係る検出器の断面図である。 第4実施形態に係る検出器の断面図である。 第5実施形態に係る検出器の断面図である。 第6実施形態に係る検出器の断面図である。 (a)および(b)は第7実施形態に係る検出器を例示する図である。 (a)は第1基板の平面図であり、(b)は(a)のA−A線断面図である。 (a)は第2基板の平面図であり、(b)は(a)のA−A線断面図である。 (a)および(b)は第8実施形態に係る検出器を例示する図である。 (a)および(b)は第9実施形態に係る検出器を例示する図である。 (a)および(b)はMEMS技術を用いた一括製造を例示する図である。
図1は、実施形態に係る光電式エンコーダ100の斜視図である。図1で例示するように、光電式エンコーダ100は、コリメート光源110、メインスケール120、検出器130、受光素子140などを備える。以下の説明において、メインスケール120に形成された各格子の配列方向をX軸とする。メインスケール120の各格子が延びる方向をY軸とする。X軸およびY軸と直交する方向をZ軸とする。Z軸は、メインスケール120と検出器130とが対向する方向である。
コリメート光源110は、コリメート光を出射する光源であれば特に限定されるものではない。例えば、コリメート光源110は、発光ダイオード等の発光素子、コリメートレンズ等を備える。
メインスケール120は、X軸方向に沿った所定のスケール周期の格子を備えている。すなわち、メインスケール120は、X軸方向に格子の配列方向を有する。したがって、メインスケール120の測定軸は、X軸である。各格子は、Y軸方向に延びている。すなわち、各格子は、Y軸方向に長さ方向を有する。メインスケール120は、コリメート光源110、検出器130および受光素子140に対して、X軸方向に相対的に移動可能となっている。
受光素子140には、受光領域150が設けられている。受光領域150においては、複数のフォトダイオード160が所定の周期でX軸方向に並べて配置されている。例えば、受光素子140は、フォトダイオードアレイである。検出器130は、所定の周期の格子を備える格子部品であり、コリメート光源110からの光がメインスケール120で反射して得られる回折光を受光素子140の受光領域150に結像する。受光領域150は、複数のフォトダイオード160の出力を用いて、メインスケール120の格子に応じた周期的な明暗を検出する。それにより、メインスケール120の相対的な位置変動を検出することができる。具体的には、複数のフォトダイオード160が検出した受光強度に基づいて、位置変動の量を求めることができる。
図2は、光路について例示する図である。図2で例示するように、検出器130には、複数のインデックススケール131,132などが備わっている。インデックススケール131,132は、X軸方向に沿った所定のスケール周期の格子を備えている。メインスケール120で反射した光は、検出器130のインデックススケール131を透過し、さらにインデックススケール132を透過し、フォトダイオード160で結像する。このように、検出器130の複数のインデックススケールによって光がフォトダイオード160で結像する。
このように、検出器130は、複数の光学回折格子、複数の振幅格子などを備えた格子部品である。このような検出器130では、光学特性を維持するために、回折格子や振幅格子間の距離や角度を厳密に定めることが望まれる。その際に、個々に回折格子を形成し、有機系の接着剤によって支持部材に接着して位置を定めた場合、支持部材や接着剤の熱膨張の違いや硬化収縮等の影響により、格子間の相対的な距離が変化してしまい、光学特性にバラツキが生じるおそれがある。
そこで、本実施形態に係る検出器130は、光学特性のバラツキを抑制することができる構成を有している。
図3(a)は、検出器130が備える第1基板10の平面図である。図3(b)は、第1基板10の断面図であり、図3(a)のA−A線断面図である。第1基板10は、透明基板であり、合成石英やアルカリ可動イオンを含有したガラスなどを材料とする。第1基板10は、互いに対向する第1主面11および第2主面12を備えている。図3(a)および図3(b)で例示するように、第1基板10の第1主面11には、測定軸に沿って所定の間隔で複数の格子が配置された目盛格子13が光学格子として備わっている。第1基板10が、図2のインデックススケール131に対応する。目盛格子13は、基板材料をそのまま加工してもよく、酸化物薄膜や樹脂等を用いてもよい。
図4(a)は、検出器130が備える第2基板20の平面図である。図4(b)は、第2基板20の断面図であり、図4(a)のA−A線断面図である。第2基板20は、透明基板であり、合成石英やアルカリ可動イオンを含有したガラスなどを材料とする。第2基板20は、互いに対向する第1主面21および第2主面22を備えている。図4(a)および図4(b)で例示するように、第2基板20の第1主面21には、測定軸に沿って所定の間隔で複数の格子が配置された目盛格子23が光学格子として備わっている。また、第2基板20の第1主面21には、測定軸に沿って目盛格子23と離間した領域に、測定軸に沿って所定の間隔で複数の格子が配置された目盛格子24が光学格子として備わっている。第2基板20が、図2のインデックススケール132に対応する。目盛格子23および目盛格子24は、基板材料をそのまま加工してもよく、酸化物薄膜や樹脂等を用いてもよい。
図5(a)で例示するように、第1基板10の第2主面12と第2基板20の第2主面22とを対向させて接触させる。この場合において、平面視で目盛格子23と目盛格子24との間に目盛格子13が挟まれるように、第1基板10と第2基板20とを接触させる。その後、図5(b)で例示するように、第1基板10と第2基板20とを接合する。接合の手法は、常温接合、拡散接合、または陽極接合である。第1基板10と第2基板20との接合には、有機系の接着剤は用いない。
格子の高さおよび幅は、検出光の波長や入射角から決定される。複数の格子パターンを同一基板上に配置する場合も、予めフォトマスクにパターンを配置しておけば1μm未満の精度で相対的な位置を規定することができる。
本実施形態に係る検出器130においては、有機系の接着剤を用いずに、第1基板10と第2基板20とが接合されている。この構成では、第1基板10および第2基板20の熱膨張と、有機系接着剤の熱膨張との差の影響が無くなる。また、有機系接着剤の硬化収縮などの影響が無くなる。それにより、第1基板10の目盛格子と第2基板20の目盛格子との距離の変化が抑制される。その結果、光学特性のバラツキが抑制される。
(第2実施形態)
図6は、第2実施形態に係る検出器130aの断面図である。図6で例示するように、検出器130aが図5(b)の検出器130と異なる点は、第1基板10の第2主面と第2基板20の第2主面との間に、スペーサ基板30が挟まれている点である。スペーサ基板30は、透明基板であり、例えば、合成石英やアルカリ可動イオンを含有したガラスなどを材料とする。
第1基板10とスペーサ基板30とを接触させて接合し、第2基板20とスペーサ基板30とを接触させて接合することで、図6の構成を得ることができる。この場合の接合手法も、常温接合、拡散接合または陽極接合である。この場合の接合においても、有機系の接着剤は用いない。
本実施形態に係る検出器130aにおいても、有機系の接着剤を用いずに第1基板10と第2基板20とが位置合わせされている。それにより、光学特性のバラツキが抑制される。また、スペーサ基板30の厚みを調整することで、第1基板10の目盛格子と第2基板20の目盛格子との間の光学的距離を調整することができる。なお、スペーサ基板30の屈折率を制御することで、検出器130aの光路設計が可能となる。また、第1基板10、第2基板20およびスペーサ基板30の代わりにガラスブロックを用いる場合と比較して、加工する基板の厚みを低減でき、また基板片面のみの加工で済むことから通常の半導体製造装置を使えるため、質量や加工装置の制約が小さくなる。
(第3実施形態)
図7は、第3実施形態に係る検出器130bの断面図である。図7で例示するように、検出器130bが図5(b)の検出器130と異なる点は、第1基板10の第2主面と第2基板20の第2主面との間に、キャビティ40が設けられている点である。例えば、第1基板10の第2主面の周縁部と第2基板20の第2主面の周縁部との間にスペーサ50を設けることで、第1基板10の第2主面の周縁部以外の領域と、第2基板20の第2主面の周縁部以外の領域との間に、キャビティ40を設けることができる。スペーサ50は、透明部材としては合成石英やアルカリ可動イオンを含有したガラスなどを材料とする。または、キャビティ40が光路となっているため、不透明部材としてSi等をスペーサ50に用いることができる。
第1基板10とスペーサ50とを接触させて接合し、第2基板20とスペーサ50とを接触させて接合することで、図7の構成を得ることができる。この場合の接合手法も、常温接合、拡散接合または陽極接合である。この場合の接合においても、有機系の接着剤は用いない。
本実施形態に係る検出器130bにおいても、有機系の接着剤を用いずに第1基板10と第2基板20とが位置合わせされている。それにより、光学特性のバラツキが抑制される。また、スペーサ50の厚みを調整することで、第1基板10の目盛格子と第2基板20の目盛格子との間の光学的距離を調整することができる。また、第1基板10、第2基板20およびスペーサ基板30の代わりにガラスブロックを用いる場合と比較して、キャビティ40が設けられていることや加工する基板の厚みを低減できること、また基板片面のみの加工で済むことから通常の半導体製造装置を使えるため、質量や加工装置の制約が小さくなる。
(第4実施形態)
図8は、第4実施形態に係る検出器130cの断面図である。検出器130cが図7の検出器130bと異なる点は、スペーサ50の位置である。図8で例示するように、光路の障害にならなければ、周縁部以外の領域にスペーサ50を設けてもよい。例えば、第1基板10の第2主面の中央部と第2基板20の第2主面の中央部との間に、スペーサ50をさらに設けてもよい。この構成では、強度を向上させることができる。
(第5実施形態)
図9は、第5実施形態に係る検出器130dの断面図である。図9で例示するように、検出器130dが図5(b)の検出器130と異なる点は、第1基板10の第2主面と第2基板20の第2主面との接合面の一部に、光反射膜または光吸収膜として機能する薄膜60が備わっている点である。薄膜60は、光反射膜として機能する場合には、Al、Au、Ag、Cu、Cr、Ti、Ptといった金属やその多層膜、Ni−Crといった合金などを材料とする。薄膜60は、光吸収膜として機能する場合には、DLC(Diamond Like Carbon)や黒色メッキ、Ti系酸化物、黒色系塗料などを材料とする。薄膜60の膜厚は、例えば、数10nm〜数100nmである。なお、薄膜60が光吸収膜として機能することは、単位厚さあたりの薄膜60の光吸収量が、単位厚さ当たりの第1基板10および第2基板20の光吸収量よりも多いことを意味する。
薄膜60の膜厚は小さいため、薄膜60を設けても、第1基板10の第2主面と第2基板20の第2主面とを接合することができる。例えば、迷光の経路に薄膜60を設けることで、迷光の影響を抑制することができる。なお、本実施形態においても、有機系の接着剤を用いずに、第1基板10と第2基板20とを、常温接合、拡散接合または陽極接合によって接合することができる。
なお、第2実施形態において、スペーサ基板30の接合面の一部に本実施形態の薄膜60を設けてもよい。また、第3実施形態または第4実施形態において、スペーサ50の接合面の一部に本実施形態の薄膜60を設けてもよい。
(第6実施形態)
図10は、第6実施形態に係る検出器130eの断面図である。図10で例示するように、検出器130eが図7の検出器130bと異なる点は、キャビティ40内に薄膜60が備わっている点である。本実施形態においては、第1基板10の目盛格子と第2基板20の目盛格子との距離を調整することができるとともに、迷光の影響を抑制することができる。
(第7実施形態)
第7実施形態に係る検出器130fでは、キャビティ内に目盛格子を設けてある。例えば、図11(a)で例示するように、検出器130fが図7の検出器130bと異なる点は、キャビティ40内に目盛格子が設けられている点である。例えば、図11(b)で例示するように、第1基板10の第1主面11と第2基板20の第1主面21とを対向させ、第1基板10の第1主面11の周縁部と第2基板20の第1主面21の周縁部との間にスペーサ50を配置してもよい。この場合、キャビティ40内に、目盛格子13、目盛格子23および目盛格子24を配置することができる。この構成では、スペーサ50によって目盛格子が囲まれるため、目盛格子を保護することができ、目盛格子の汚染を抑制することができる。なお、この構成において、薄膜60がキャビティ40内に備わっていてもよい。薄膜60は、目盛格子13、目盛格子23および目盛格子24が設けられていない領域に設ければよい。また、薄膜60は、スペーサ50の接合面の一部に設けられていてもよい。
(第8実施形態)
第8実施形態に係る検出器130gでは、基板に凹部が設けられ、当該凹部内に目盛格子が設けられている。検出器130gは、第1基板10の代わりに第1基板10gを備え、第2基板20の代わりに第2基板20gを備えている。図12(a)は、第1基板10gの平面図である。図12(b)は、第1基板10gの断面図であり、図12(a)のA−A線断面図である。第1基板10gは、第1実施形態の第1基板10と同様の材料からなる。図12(a)および図12(b)で例示するように、第1主面11には、凹部14が設けられ、当該凹部14内に目盛格子13が備わっている。
図13(a)は、第2基板20gの平面図である。図13(b)は、第2基板20gの断面図であり、図13(a)のA−A線断面図である。第2基板20gは、第1実施形態の第2基板20と同様の材料からなる。図13(a)および図13(b)で例示するように、第1主面21には、凹部25および凹部26が設けられている。凹部25内に目盛格子23が備わっている。凹部26内に目盛格子24が備わっている。
図14(a)で例示するように、第1基板10gの第1主面11と第2基板20gの第1主面21とを対向させる。図14(b)で例示するように、第1基板10gの第1主面11と第2基板20gの第1主面21との間にスペーサ基板30を設ける。この場合において、平面視で目盛格子23と目盛格子24との間に目盛格子13が位置するように、第1基板10gとスペーサ基板30とを接触させて接合し、第2基板20gとスペーサ基板30とを接触させて接合する。接合の手法は、常温接合、拡散接合、または陽極接合である。
本実施形態においては、接合時に目盛格子がスペーサ基板30によって覆われて保護されるため、目盛格子の変形等の影響を抑制することができる。なお、スペーサ基板30の接合面の一部に、薄膜60が設けられていてもよい。
(第9実施形態)
第9実施形態に係る検出器130hは、表面に凹部が設けられたスペーサを備えている。検出器130hは、スペーサ基板30の代わりにスペーサ基板30hを備えている。図15(a)で例示するように、スペーサ基板30hは、第1主面に凹部31を備え、第2主面に凹部32および凹部33を備えている。図15(b)で例示するように、第1基板10と第2基板20とを対向させ、第1基板10と第2基板20との間にスペーサ基板30hを配置する。この場合、凹部31内に目盛格子13が配置され、凹部32内に目盛格子23が配置され、かつ凹部33内に目盛格子24が配置されるようにする。その後、第1基板10とスペーサ基板30hとを接触させて接合し、第2基板20とスペーサ基板30hとを接触させて接合する。
本実施形態においても、接合時に目盛格子凹部によって覆われて保護されるため、目盛格子の変形等の影響を抑制することができる。
上記各例において、複数の検出器を一括で製造してもよい。例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて、複数の検出器を一括で製造してもよい。例えば、図16(a)で例示するように、上記各例の第1基板が複数設けられた基板と、上記各例の第2基板が複数設けられた基板とを位置合わせして対向させる。一括で接合した後に切断することで、図16(b)で例示するように、各検出器を得ることができる。この手法では、高い位置合わせ精度を実現できるとともに、複数の検出器を一括で製造することができる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10,10g 第1基板
11 第1主面
12 第2主面
13 目盛格子
14 凹部
20,20g 第2基板
21 第1主面
22 第2主面
23,24 目盛格子
25,26 凹部
30,30h スペーサ基板
31,32,33 凹部
40 キャビティ
50 スペーサ
60 薄膜
光電式エンコーダ
110 コリメート光源
120 メインスケール
130,130a,130b,130c,130d,130e,130f,130g,130h 検出器
131,132 インデックススケール
140 受光素子
150 受光領域
160 フォトダイオード

Claims (10)

  1. 第1主面に光学格子を備えた透明な第1基板と、
    第1主面に光学格子を備えた透明な第2基板と、を備え、
    前記第1基板の前記第1主面と対向する第2主面と、前記第2基板の前記第1主面と対向する第2主面とが、接合されていることを特徴とする格子部品。
  2. 前記第1基板と前記第2基板との間の一部に設けられ、光反射膜または光吸収膜として機能する薄膜を備えることを特徴とする請求項1記載の格子部品。
  3. 表面に光学格子を備えた透明な第1基板と、
    表面に光学格子を備えた透明な第2基板と、
    前記第1基板と前記第2基板との間に配置されたスペーサと、を備え、
    前記第1基板および前記第2基板と前記スペーサとが、接合されていることを特徴とする格子部品。
  4. 前記スペーサは、前記第1基板と前記第2基板との間に、キャビティを形成していることを特徴とする請求項3記載の格子部品。
  5. 前記キャビティ内に、光反射膜または光吸収膜として機能する薄膜を備えることを特徴とする請求項4記載の格子部品。
  6. 前記第1基板は、前記キャビティ内に前記光学格子を備え、
    前記第2基板は、前記キャビティ内に前記光学格子を備えることを特徴とする請求項4または5に記載の格子部品。
  7. 前記第1基板は、一方の主面に、前記光学格子が設けられた凹部を備え、
    前記第2基板は、一方の主面に、前記光学格子が設けられた凹部を備え、
    前記第1基板の前記一方の主面および前記第2基板の前記一方の主面と、前記スペーサとが接合され、
    前記第1基板の前記光学格子および前記第2基板の前記光学格子は、前記スペーサによって覆われていることを特徴とする請求項3記載の格子部品。
  8. 前記スペーサは、第1主面に第1凹部を備え、前記第1主面と対向する第2主面に第2凹部を備え、
    前記第1基板の前記光学格子が設けられた主面と、前記第2基板の前記光学格子が設けられた主面とが対向し、
    前記第1凹部によって前記第1基板の前記光学格子が配置され、
    前記第2凹部によって前記第2基板の前記光学格子が配置されていることを特徴とする請求項3記載の格子部品。
  9. 第1主面に光学格子を備えた透明な第1基板と、第1主面に光学格子を備えた透明な第2基板とを、前記第1基板の前記第1主面と対向する第2主面と、前記第2基板の前記第1主面と対向する第2主面とが対向するように接触させる工程と、
    常温接合、拡散接合または陽極接合によって、前記第1基板の前記第2主面と前記第2基板の前記第2主面とを接合する工程と、を含むことを特徴とする格子部品の製造方法。
  10. 表面に光学格子を備えた透明な第1基板と、表面に光学格子を備えた透明な第2基板との間に、スペーサを配置する工程と、
    前記第1基板および前記第2基板と前記スペーサとを、常温接合、拡散接合または陽極接合によって接合することを特徴とする格子部品の製造方法。
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