JP2021014990A - 反射型光学式エンコーダのコード板 - Google Patents

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Abstract

【課題】高反射領域における光の反射率と、低反射領域における光の反射率との差を十分確保しつつ、耐腐食性にすぐれ、シンプルなプロセスで製造することができる反射型光学式エンコーダのコード板を提供する。【解決手段】高反射領域101と低反射領域102とが下地層に交互に配置された反射型光学式エンコーダのコード板100であって、高反射領域101における光の反射率は、低反射領域102における光の反射率よりも高く、高反射領域101における下地層110の上に設けられ、ルテニウムを含有する反射層120を備える。【選択図】図3

Description

本発明は、反射型光学式エンコーダのコード板に関する。
一般に、反射型光学式エンコーダは、コード板と、LEDなどの光源と、光検出器とを備え、位置情報を取得する。コード板は、互いに交互に配置された低反射領域と高反射領域とを有する。高反射領域における光の反射率は、低反射領域における光の反射率よりも高い。コード板には光源からの光が照射され、その反射光は光検出器で検出される。
低反射領域及び高反射領域が互いに交互に配置され、高反射領域における光の反射率が低反射領域における光の反射率よりも高いため、コード板において反射した光は、光検出器において縞状の像を生成する。縞状の像の位相は、コード板の位置が測長方向に移動することによって変化する。この縞状の像の位相変化は光検出器によって検出され、検出された縞状の像の位相変化に基づいてコード板の位置の変位情報が処理され、位置情報が取得される。
特許文献1に記載の光学式エンコーダ用反射板は、硝材を用いて形成された基板と、基板の表面の一部に設けられ、光を反射可能な光反射層(光反射部)と、基板に設けられ、基板のうち光反射部から外れた領域に入射する光を吸収する光吸収層(光吸収部)とを備える。光反射層は、アルミニウムやアルミニウム合金などを用いて形成される。これにより、光反射特性の低下を低減することができる光学式エンコーダ用反射板を提供することができるとしている。
特開2012−63201号公報
しかし、特許文献1の光学式エンコーダ用反射板の光反射層に用いるアルミニウムは、高湿度環境に長時間放置すると腐食されやすく、反射型光学式エンコーダのコード板に用いるには耐湿性が十分とは言えなかった。また、特許文献1に記載の光学式エンコーダ用反射板は、光反射層と光吸収層を基板の表裏両面に設けるなど複雑なプロセスが必要であった。
本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、高反射領域における光の反射率と、低反射領域における光の反射率との差を十分確保しつつ、耐腐食性にすぐれ、シンプルなプロセスで製造することができる反射型光学式エンコーダのコード板を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の反射型光学式エンコーダのコード板は、高反射領域と低反射領域とが下地層に交互に配置された反射型光学式エンコーダのコード板であって、高反射領域における光の反射率は、低反射領域における光の反射率よりも高く、高反射領域における下地層の上に設けられ、ルテニウムを含有する反射層を備えたことを特徴としている。
これにより、高反射領域における光の反射率と、低反射領域における光の反射率との差を十分確保でき、さらに、耐腐食性にすぐれ、シンプルなプロセスで製造することができる。
本発明の反射型光学式エンコーダのコード板において、反射層の膜厚は20nm以上500nm以下であることが好ましい。
これにより、高反射領域における光の反射率と、低反射領域における光の反射率との差を十分確保でき、コード板上で反射した光によって生成された縞状の像を高い精度で検出することが可能となる。
本発明の反射型光学式エンコーダのコード板において、反射層と低反射領域における下地層との上に設けられ、ルテニウムを保護する保護層を備えることが好ましい。この保護層の材料は二酸化ケイ素であることが好ましい。
これにより、例えばコード板の製造工程での、ガラス基板からの切り出し加工や、洗浄時の薬品による腐食変色を防止できる。また、コード板の洗浄残渣を拭き取る工程やその後の取扱い時において表面に触れてしまうことで、キズ、剥がれが生じることを防止することができる。
本発明の反射型光学式エンコーダのコード板において、保護層の膜厚は、0nm以上60nm以下、又は、200nm以上340nm以下であることが好ましい。
保護層の膜厚を最適な範囲にすることで、高反射領域における光の反射率と、低反射領域における光の反射率との差を所望の範囲にすることができ、これにより、コード板上で反射した光によって生成された縞状の像を高い精度で検出することが可能となる。
本発明によると、高反射領域における光の反射率と、低反射領域における光の反射率との差を十分確保しつつ、耐腐食性にすぐれ、シンプルなプロセスで製造することができる反射型光学式エンコーダのコード板を提供することができる。
本発明の実施形態に係る反射型光学式エンコーダを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る反射型光学式エンコーダを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る反射型光学式エンコーダのコード板の構成を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態における各層の膜厚と反射率の関係を示すグラフである。 ルテニウム膜に対して波長850nmの光を照射したときのシミュレーションにおける反射率(%)の変化を示すグラフである。 比較例に係る反射型光学式エンコーダのコード板の構成を示す模式的断面図である。 実施例に係るコード板の一部を拡大して示す写真であって、(a)は耐久試験前の状態を示し、(b)は耐久試験後の状態を示す写真である。 比較例に係るコード板の一部を拡大して示す写真であって、(a)は耐久試験前の状態を示し、(b)は耐久試験後の状態を示す写真である。
以下、本発明の実施形態に係る反射型光学式エンコーダのコード板について図面を参照しつつ詳しく説明する。図1及び図2は、本実施形態に係る反射型光学式エンコーダのコード板が用いられた反射型光学式エンコーダを示す模式図である。図2は、図1に示す矢印A1の方向に反射型光学式エンコーダを眺めたときの模式図である。
図1及び図2に示す反射型光学式エンコーダ10は、コード板100と、検出ヘッド200とを備える。反射型光学式エンコーダ10では、コード板100が下に配置され、検出ヘッド200が上に配置されており、コード板100と検出ヘッド200は、上下方向において互いに対向している。
図1及び図2に示すように、検出ヘッド200は、光源210と、光検出器220と、検出基板230とを有する。光源210と光検出器220は、検出基板230の下面に設けられている。
光源210は、例えば、発光面が小さく単一波長λの光を照射する点光源LEDである。本実施形態においては、光源210が約850ナノメートル(nm)程度の波長の赤外光を照射する場合を考える。光源210は、放出された光を平行光とするコリメータレンズを含んでいてもよい。
光検出器220は、例えば、所定の間隔でマトリックス状に並べられた複数のフォトダイオードで構成される。光検出器220は、上記複数のフォトダイオードが出力する信号を変換する周辺回路、及び、増幅回路の少なくともいずれかを含んでもよい。
図3は、本実施形態に係る反射型光学式エンコーダのコード板100の構成を示す模式的断面図である。図3に示すように、コード板100は、下地層110と、反射層120と、保護層130とを有する。
下地層110には、例えばガラスが用いられる。具体的には、下地層110には、例えば、石英ガラス及びホウケイ酸ガラスなどが用いられる。下地層110の厚さt1(図3)は、特には限定されず、例えば0.5ミリメートル(mm)以上、1mm以下程度である。
反射層120は、下地層110の上に設けられ、光源210から照射された光を反射する性質を有するルテニウム(Ru)を含有する。なお、本願明細書において、単に「反射層120がルテニウムを含有する」という場合には、反射層120がルテニウム又はルテニウムの合金を含有する場合が含まれる。また、反射層120の材料としては、ルテニウムのほか、白金族元素である、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、又はこれらの合金を用いることもできる。これらの白金族元素の中でも、ルテニウム(Ru)が入手の安定性および容易性に優れ、好ましい。
反射層120は、光源210から照射された光を反射することができる程度の厚さt2(図3)を有している。この厚さt2については図4を用いて後述する。
反射層120は、スパッタや蒸着などにより下地層110の表面上に形成される。反射層120をスパッタにより下地層110の表面上に形成する場合には、例えばルテニウムを含有する層をスパッタにより下地層110の表面上に形成し、ルテニウムを含有する層の上にレジストを形成する。つづいて、レジストを露光及び現像してパターニングした後、ルテニウムを含有する層をエッチングする。その後、レジストを剥離すると、パターニングされたルテニウムを含有する反射層120が下地層110の表面上に形成される。
保護層130は、下地層110及び反射層120の上に設けられ、反射層120が含有するルテニウムを保護する。保護層130の材料としては、例えば二酸化ケイ素(SiO2)が挙げられる。保護層130は、反射層120が含有するルテニウムを保護することができる程度の厚さt3(図3)を有している。また、保護層130は、反射層120が有する反射性よりも低い反射性を有することが望ましい。保護層130は、スパッタや蒸着などにより下地層110及び反射層120の表面上に形成される。
図3に示すように、コード板100は、高反射領域101と、低反射領域102とを有する。高反射領域101には、反射層120と、保護層130とが設けられている。低反射領域102には、保護層130のみが設けられており、反射層120が設けられていない。光源210から照射された光に対する反射層120の反射率は、光源210から照射された光に対する保護層130の反射率よりも高い。そのため、高反射領域101における光の反射率は、低反射領域102における光の反射率よりも高くなる。
図1〜図3に示すように、コード板100において、高反射領域101と低反射領域102とは、互いに交互に配置されている。前述したように、高反射領域101における光の反射率は、低反射領域102における光の反射率よりも高い。そのため、光源210から照射された光は、コード板100と対向して設けられた検出ヘッド200の光検出器220において縞状の像を生成する。
コード板100が検出ヘッド200に対して図1に示すX1−X2方向(測長方向)に移動すると、縞状の像は、光検出器220において移動する。これにより、コード板100において反射された光(反射光)の像の光量が光検出器220によって検出される。そして、反射型光学式エンコーダ10は、位置情報を取得することができる。
次に、各層の膜厚と反射率に関して実施例を用いて説明する。図4は、(1)下地層110にガラスを用い、反射層120をルテニウムで形成するとともに、保護層130を二酸化ケイ素で形成した構成A(高反射領域101に対応する構成)(実施例1、2)、及び、(2)ガラスからなる下地層110上に二酸化ケイ素からなる保護層のみを形成した構成B(低反射領域102に対応する構成)(実施例3)についてのシミュレーションにおける反射率の変化を示すグラフである。グラフ中の線L1、L2は上記構成Aの反射率変化を示し、線L3は上記構成Bの反射率変化を示している。さらに、線L1は反射層120の膜厚が50nmの場合(実施例1)、線L2は反射層120の膜厚が100nmの場合(実施例2)を示している。このグラフの横軸は二酸化ケイ素からなる層の膜厚(単位nm)を示し、左側の縦軸「Reflectivity[Ru][%]」は線L1、L2の構成Aについての反射率(単位%)を示し、右側の縦軸「Reflectivity[SiO][%]」は線L3の構成Bについての反射率(単位%)を示している。
図4に示すシミュレーションの条件は次の通りである。
光源210からの照射光の波長:850nm
ここで、n、kは、次式(1)で示す複素屈折率mにおける屈折率nと消衰係数kである。
m=n−ik (1)(iは虚数)
(1)実施例1(線L1に対応する構成):下地層/反射層(Ru50nm)/保護層
(2)実施例2(線L2に対応する構成):下地層/反射層(Ru100nm)/保護層
(3)実施例3(線L3に対応する構成):下地層/保護層
下地層(実施例1〜3共通):ガラス(SCHOTT社製のD263 T eco(商標))、厚さ0.55mm、n=1.52246、k=4.45×10−13
反射層(実施例1):ルテニウム(Ru)、膜厚50nm、n=5.226667、k=4.907672(実測値)
反射層(実施例2):ルテニウム(Ru)、膜厚100nm、n=5.217997、k=4.843371(実測値)
保護層(実施例1〜3共通):二酸化ケイ素(SiO)、膜厚0〜300nm(20nm毎)、n=1.509122、k=0(実測値)
図4の線L3に示すように、低反射領域102に対応する上記構成B(実施例3)における反射率は、SiOの膜厚150nm付近でやや小さくなっているが、全体的にはSiOの膜厚の変化に対する変化は比較的小さく、約7.8〜8.3%の範囲内の変化にとどまっている。
これに対して、線L1、L2に示すように、高反射領域101に対応する上記構成Aにおける反射率は、SiOの膜厚の変化にしたがって変化している。線L1(実施例1)においては、SiOの膜厚が0nm以上60nm以下、及び、200nm以上340nm以下の範囲において、線L3(実施例3)に示す反射率との差が50以上となっている。また、線L2(実施例2)においては、SiOの膜厚が0nm以上40nm以下、及び、220nm以上300nm以下の範囲において、線L3(実施例3)に示す反射率との差が50以上となっている。
一般的に、反射型光学式エンコーダのコード板において、反射した光によって生成された縞状の像を比較的高い精度で検出するためには、高反射領域における光の反射率と、低反射領域における光の反射率との差が50以上必要とされている。
これにより、図4に示すように、所定の範囲において、高反射領域101における光の反射率と、低反射領域102における光の反射率との差を50以上にすることが可能となる。
反射層120の膜厚は、上記構成Aとした場合、膜の均一性、密着性、応力が生じたときのクラックの発生のしづらさなどを考慮すると、20nm以上500nm以下であることが好ましく、30nm以上200nm以下とするとより好ましく、40nm以上100nm以下とするとさらに好ましい。
ここで、図5は、ルテニウム膜に対して波長850nmの光を照射したときのシミュレーションにおける反射率(%)の変化を示すグラフである。図5の横軸はルテニウムの膜厚(単位nm)であり、ルテニウムをガラス基板上に形成した構成である。図5に示すように、ルテニウム膜の反射率は、膜厚20nmのときに60%を超えており、40nmでピークとなり、40nmを超えた後は65%を超える高い反射率を維持する。したがって、ルテニウムを用いた上記反射層120の膜厚は、20nm以上が好ましく、30nm以上がより好ましく、40nm以上とするとさらに好ましいことが分かる。
次に、本実施形態に係るコード板100の耐湿性について比較例と比べつつ説明する。図6は、比較例に係る反射型光学式エンコーダのコード板300の構成を示す模式的断面図である。図7は本実施形態の実施例に係るコード板100の一部を拡大して示す写真であって、(a)は耐久試験前の状態を示し、(b)は耐久試験後の状態を示す写真である。図8は比較例に係るコード板300の一部を拡大して示す写真であって、(a)は耐久試験前の状態を示し、(b)は耐久試験後の状態を示す写真である。
耐久試験は、温度85°C、湿度85%の恒温槽内に24時間載置することによって行った。
図7(a)、(b)に示す実施例においては、高反射領域101では実施例1の構成、すなわち反射層120の膜厚が50nmの構成としており、低反射領域102では実施例3の構成(下地層上に二酸化ケイ素からなる保護層のみを形成した構成)としている。また、保護層130は厚さ270nmとしている。
図8(a)、(b)に示す比較例におけるコード板300は、図6に示すように、下地層310と、反射層320と、保護層330と、被覆層340とを有する。各層の構成は以下の通りである。
下地層310:ガラス(SCHOTT社製のD263 T eco(商標))、厚さ0.55mm、n=1.52246、k=4.45×10−13
反射層320:銀インジウムスズ(AgInSn)、膜厚100nm
保護層330:酸化アルミニウム(Al)、膜厚20nm
被覆層340:二酸化ケイ素(SiO)、膜厚100nm
図6に示すように、コード板300は、高反射領域301と低反射領域302とを有している。高反射領域301には、反射層320と、保護層330と、被覆層340とが設けられている。低反射領域302には、保護層330と、被覆層340とが設けられており、反射層320が設けられていない。光源210から照射された光に対する反射層320の反射率は、光源210から照射された光に対する保護層330の反射率、及び、光源210から照射された光に対する被覆層340の反射率よりも高い。そのため、高反射領域301における光の反射率は、低反射領域302における光の反射率よりも高い。
図7(a)、(b)を互いに比較すると、耐久試験後においては、黒点状のゴミはわずかに見られるものの、目視において腐食は認められず、良好な状態を維持している。すなわち、高反射領域と低反射領域とでそれぞれ反射された光によって生成される縞状の像が明確に現れており、縞状の像を高い精度で検出可能である。したがって、実施例に係る構成によれば、コード板として十分な耐湿性(耐久性)を備えていることが分かる。
これに対して、図8(a)、(b)を互いに比較すると、目視において少なくとも高反射領域101に黒い泡状のものが多数現れており、相当程度腐食が進んでいることが分かる。この腐食の程度は、図7(b)と図8(b)とを比較しても明確に認められる。ここで、図8(b)に認められるような腐食による変化がコード板の高反射領域に生ずると、高反射領域における光の反射率が低下してしまうため、低反射領域における光の反射率との差が小さくなってしまう。このため、高反射領域と低反射領域とでそれぞれ反射された光によって生成される縞状の像を高い精度で検出することが困難となる。したがって、比較例に係る構成では耐湿性(耐久性)が十分でないことが分かる。
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良又は変更が可能である。
以上のように、本発明に係る反射型光学式エンコーダのコード板は、高反射領域における光の反射率と、低反射領域における光の反射率との差を十分確保でき、かつ、耐腐食性にすぐれ、シンプルなプロセスで製造することができる点で有用である。
10 反射型光学式エンコーダ
100 コード板
101 高反射領域
102 低反射領域
110 下地層
120 反射層
130 保護層
200 検出ヘッド
210 光源
220 光検出器
230 検出基板
300 コード板
301 高反射領域
302 低反射領域
310 下地層
320 反射層
330 保護層
340 被覆層

Claims (5)

  1. 高反射領域と低反射領域とが下地層に交互に配置された反射型光学式エンコーダのコード板であって、
    前記高反射領域における光の反射率は、前記低反射領域における光の反射率よりも高く、
    前記高反射領域における前記下地層の上に設けられ、ルテニウムを含有する反射層を備えたことを特徴とする反射型光学式エンコーダのコード板。
  2. 前記反射層の膜厚は20nm以上500nm以下である請求項1に記載の反射型光学式エンコーダのコード板。
  3. 前記反射層と前記低反射領域における前記下地層との上に設けられ、前記ルテニウムを保護する保護層を備える請求項1又は請求項2に記載の反射型光学式エンコーダのコード板。
  4. 前記保護層の材料は、二酸化ケイ素である請求項3に記載の反射型光学式エンコーダのコード板。
  5. 前記保護層の膜厚は、0nm以上60nm以下、又は、200nm以上340nm以下である請求項4に記載の反射型光学式エンコーダのコード板。
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