JP3741046B2

JP3741046B2 - 光学式エンコーダ用スケールの製造方法

Info

Publication number: JP3741046B2
Application number: JP2002016521A
Authority: JP
Inventors: 雄二松添; 哲哉斎藤
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: JP2003214908A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直線運動や回転運動する物体の位置を検出する光学式エンコーダ、特に半導体検査装置や製造装置、あるいは工作機械などに用いられる高精度な位置決め又は速度制御を可能とする光学式エンコーダに用いられるスケールの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式エンコーダは、高精度の計測制御を高速に実行でき、高分解能、非接触という特徴から、測長等の計測機器用途の他、いわゆる計測制御用途として、例えば、プリント回路基板に電子部品を載せるための電子部品実装装置等のような搬送物の高精度の位置決め制御等に広く用いられている。
【０００３】
この光学式エンコーダは、近年の高精度化の要求から、リニアエンコーダ、ロータリーエンコーダ共に高分解能化が検討されており、従来の光シャッタ方式に代わって、格子干渉方式などが広く用いられている。また、高分解能を実現する方法として、発光部として拡散光源とスリット状の格子を組み合わせ、この格子間からの複数のスリット状の光をスケール上に照射し、格子によって生じる回折光の明暗パターンによって得られる干渉縞を一種の空間フィルタで選択して受光部で検出してｓｉｎ波の信号を取出し、この干渉縞の移動量から移動位置または角度を検出する光学式エンコーダが知られている。
【０００４】
また、従来主流であった透過スリット型に代わり、反射型の光学式エンコーダも普及している。反射型は、光源、センサ、回路等が組み込まれたセンサヘッド部と、スケールあるいはディスクが別体となっており、ユーザ側で直接被検査体に取付けることが可能であるという利点がある。また、反射光の強弱を利用するため、スケールやディスクが透明部材である必要がないという特徴を有している。
【０００５】
図１８〜２３には、このような従来の反射型の光学式エンコーダに用いられるスケールの一例が示されている。ここで、図１８は従来の光学式エンコーダの構成を示す概略図、図１９は同光学式エンコーダに用いるスケールを示す概略図、図２０は図１９におけるＦ−Ｆ’断面図、図２１は同スケールの製造方法におけるガラス基板を示す斜視図、図２２は同スケールの製造方法におけるガラスエッチング工程後の状態を示す斜視図、図２３は図２２におけるＧ−Ｇ’断面の拡大図、図２４は同スケールの製造方法における反射膜形成工程後の状態を示す斜視図である。
【０００６】
図１８に示すように、この光学式エンコーダ１００は、矢印の方向に相対移動可能なスケール８０と、このスケール８０に対向して配置され、第１格子目盛９１によって形成されたスリット状の複数の発光領域をもつ発光部９０と、同じくスケール８０に対向して発光部９０と同一平面上に配置され、第２格子目盛９６によって形成されたスリット状の複数の受光領域をもつ受光部９５より構成されており、この実施形態では第２格子目盛９６は４分割されて設けられている。
【０００７】
この光学式エンコーダ１００によれば、例えば発光ダーオード等の発光素子から出た光は、発光部９０の周期ｐの第１格子目盛９１によってスリット状の拡散光源となりスケール８０に広がりながら向う。そして、スケール８０上に形成された周期ｐの反射型の格子目盛である凹凸格子８３で反射された後に、この反射面による±１次回折光によって周期ｐの干渉縞Ｌが発生する。そして、スケール８０が矢印の方向に移動すると、スケール８０から発生した干渉縞Ｌは、受光部９５の受光面となる周期ｐの第２格子目盛９６上においてスケール８０の移動に伴ない変位するので、受光素子からの光電流信号の変位情報から、位置情報を得ることができる。
【０００８】
ここで、スケール８０は、図１９に示すように、ガラス基板上に一定の周期ｐで、移動方向に対して直交する線状の凹凸部を有し、この凹凸部の表面には薄い反射膜８２が設けられて凹凸格子８３が形成され、これによって、凹凸格子８３の凸部及び凹部が共に反射面となっている。
【０００９】
図２１〜図２４には、このスケール８０の従来の製造方法が示されている。まず、図２１に示すようなガラス基板８１の表面に、図２２、２３に示すように、フォトレジスト等を用いて直接エッチングして、一定の周期ｐで、垂直方向に深さｄとなるように線状の凹凸部８２を形成する。このとき、凹凸部８２の深さｄが、発光部９０の光源の波長の１／４となるようにエッチングを行う。ここで、ガラス基板８１の材料は、不純物が非常に少ない溶融石英ガラスである。
【００１０】
そして、図２４に示すように、エッチングによって凹凸部８２が形成されたガラス基板８１の表面上に、一定の厚みで反射膜８３を蒸着又は塗布等によって形成する。
【００１１】
このようにして得られたスケール８０は、図１９、２０に示されるように、表面が平滑なガラス基板８１表面上に、一定の周期ｐで、垂直方向に深さｄとなるように凹凸が設けられ、ｄは発光部９０の光源の波長の１／４となるように形成されている。さらに、この凹凸表面には、均一な厚みｄ’で反射膜８３が積層されて凸部８５及び凹部８６が形成され、これが凹凸格子８４を構成している。これにより、凸部８５及び凹部８６は共に反射面となるように構成されている。
【００１２】
この結果、このスケール８０においては、凹凸の反射面で反射された回折光が互いに干渉し合い、受光部９５の表面において周期Ｐとなる干渉縞を生じる。この干渉縞の周期は、スケール８０と発光部９０及び受光部９５との間隔によらず一定となる。これによって、光学式エンコーダ１００の分解能が向上するとともに、スケール８０と、発光部９０及び受光部９５との対向距離を広げ、調整精度を緩和することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の光学式エンコーダ用のスケール８０を用いた場合には、、ガラス基板８１の表面をエッチングして凹凸部８２を形成する必要があり、この凹凸部８２を精度良くエッチングするために、ガラス基板８１の材料として不純物が少ない、例えば溶融石英ガラスを使用することが必要となる。しかし、この溶融石英ガラスは通常のソーダライムガラスに比べて高価であるため、スケールの材料コストが高くなるという問題を生じていた。
【００１４】
また、ガラス表面を均一な深さでエッチング処理することは一般に手間がかかるため、ガラス基板８１の表面を直接エッチングして凹凸を形成する工程は、生産性が悪いという問題点もある。
【００１５】
したがって、本発明の目的は、平滑な基板上に凹凸表面に反射膜を形成した凹凸格子と、周期的に反射と非反射を繰り返す明暗格子とを、同一の基板上に有したスケールを、従来のスケールと同じ精度を保ちながら、従来より低コストで製造できる光学式エンコーダ用スケールの製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光学式エンコーダ用スケールの製造方法は、受光素子と発光素子とを有するセンサ部と、スケールとを有し、前記センサ部に設けた発光部から照射される光を前記スケールで反射して、前記受光部によって受光することにより、センサ部が取付けられた部材と、スケールが取付けられた部材との相対位置を検出する光学式エンコーダに用いられる前記スケールの製造方法において、表面が平滑な基板上に、第１薄膜層を均一な厚みで形成する第１薄膜層形成工程と、前記第１薄膜層に複数のスリットを所定の周期で平行に形成するスリット形成工程と、前記第１薄膜層及び前記基板の露出した表面上に、光反射性の第２薄膜層を均一な厚みで形成する第２薄膜層形成工程とを含み、前記第１薄膜層に前記スリットを形成する際に、該スリットを基板上の複数の領域に形成し、前記第２薄膜層は、前記第１薄膜層の所定の領域にのみ積層することにより、前記第１薄膜層上に前記第２薄膜層が積層されてなる凸部と、前記基板が露出した表面に前記第２薄膜層が直接積層されて形成された凹部とによって構成される凹凸格子と、前記第１薄膜層に前記スリットを形成して構成される明暗格子とを設けることを特徴とする。
【００１７】
この製造方法によれば、基板をエッチングする工程を要せず、平滑な基板上に凹凸表面に反射膜を形成した凹凸格子と、周期的に反射と非反射を繰り返す明暗格子とを、同一の基板上に同時に形成することができるので、基板として不純物の少ない溶融石英ガラスを用いる必要がない。このため、低コストなスケールを製造できる。また、第１薄膜層の膜厚が凹凸の深さを規定するので、膜厚の調整によって容易に凹凸の深さを制御することができる。
【００１８】
更に、本発明の製造方法においては、前記第１薄膜層及び前記第２薄膜層を蒸着によって形成することが好ましい。この製造方法によれば、膜厚の制御が容易で精度が高く、しかも生産性に優れたスケールを製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００２０】
図１、２には本発明ではない参考例の光学式エンコーダ用スケールの一実施形態が、図３〜６には本発明ではない参考例の光学式エンコーダ用スケールの製造方法の一例が示されている。ここで、図１は本発明ではない参考例の光学式エンコーダ用スケールを示す概略図、図２は図１におけるＡ−Ａ’断面の拡大図、図３は同スケールの製造方法におけるガラス基板を示す斜視図、図４は同スケールの製造方法における第１薄膜層形成工程後の状態を示す斜視図、図５は同スケールの製造方法におけるスリット形成工程後の状態を示す斜視図、図６は同スケールの製造方法における第２薄膜層形成工程後の状態を示す斜視図である。
【００２１】
本発明ではない参考例の光学式エンコーダ用スケールの製造方法について説明すると、図３〜６に示すように、このスケール５０は、表面が平滑な基板１０上に、第１薄膜層２０を均一な厚みで形成する第１薄膜層形成工程と、第１薄膜層２０に複数のスリット２５を所定の周期で平行に形成するスリット形成工程と、第１薄膜層２０及び前記基板１０の露出した表面上に、光反射性の第２薄膜層４０を均一な厚みで形成する第２薄膜層形成工程とからなる。
【００２２】
第１薄膜層形成工程においては、図３に示すように、まず基板１０を用意する。ここで、基板１０の材質としては特に限定されないが、安定性、表面平滑性、耐エッチング性等の点からガラス基板を用いることが好ましい。基板１０の表面自身に凹凸を設ける必要がないため、不純物の少ない溶融石英などの高価なガラスである必要はなく、一般的なソーダライムなどの低コストガラスを適用することが可能である。なお、基板１０は、表面が平滑であることが必要であるが、例えば表面粗さは、前記凹凸形状に比べて十分小さいことが必要であり、好ましくはＲａ１０ｎｍ以下である。
【００２３】
次に、図４に示すように、この基板１０の表面上に、第１薄膜層２０を均一な膜厚ｄで形成する。ここで、膜厚ｄは、拡散光源の１／４波長とすることが好ましい。第１薄膜層２０の材質は、特に限定されないが、金属膜であることが好ましい。金属の種類としては、例えば、アルミニウムやクロムが例示できる。
【００２４】
第１薄膜層２０の形成方法としては、従来公知の方法が使用でき、蒸着、スパッタリング、塗布等が可能であり特に限定されないが、膜厚制御の容易性や生産性の点から、蒸着により形成することが好ましい。
【００２５】
次に、スリット形成工程として、図５に示すように、基板１０上に形成された第１薄膜層２０を、従来公知のフォトレジスト等を用いたエッチング等によって一部除去し、複数のスリット２５を一定の周期ｐで平行に形成する。これによって、スリット２５の凹部には基板１０が露出した状態となる。
【００２６】
スリット２５を形成する手段としては特に限定されず、フォトリソグラフィ等のウエットプロセスでもよく、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライプロセスでもよい。
【００２７】
また、スリットの幅は周期ｐ以下であれば特に限定されないが、好ましくは２〜１０μｍである。
【００２８】
最後に、第２薄膜層形成工程として、図６に示すように、複数のスリット２５を含む範囲を覆うように、第２薄膜層４０を均一な膜厚ｄ’で積層し、凹凸格子３０を形成する。第２薄膜層４０としては、反射膜として作用できればよく特に限定されないが、金属膜であることが好ましい。金属の種類としては、例えば、アルミニウムやクロムを使用することができるが、安定性の点からクロムがより好ましい。また、第２薄膜層４０は第１薄膜層２０と同じ材料でもよく、異なる材料の膜であってもよい。
【００２９】
第２薄膜層４０は、図６に示すように、スリット２５を含む領域のみに部分的に積層されていてもよく、基板１０全体を覆うように積層されていてもよい。
【００３０】
第２薄膜層４０の形成方法としては、第１薄膜層形成工程と同様の方法が使用でき、蒸着、スパッタリング、塗布等が可能であり特に限定されないが、膜厚制御の容易性や生産性の点から、蒸着により形成することが好ましい。
【００３１】
また、第２薄膜層４０の膜厚ｄ’は、１００ｎｍ程度が好ましい。膜厚が厚すぎると、下地の凹凸形状が転写されず、表面が変形する。膜厚が薄すぎると反射率が低下するので好ましくない。
【００３２】
このようにして製造されたスケール５０は、図１、２に示すように、基板１０表面上に第１薄膜層２０が膜厚ｄで形成され、この第１薄膜層２０上及び基板１０が露出した表面に、光反射性の第２薄膜層４０が膜厚ｄ’で積層されており、結果として、第１薄膜層２０上に第２薄膜層が積層されてなる凸部３１と、前記基板が露出した表面に前記第２薄膜が直接積層されて形成された凹部３２とによって、凹部の深さがｄである凹凸格子３０が構成されている。
【００３３】
図７〜１７には、本発明の光学式エンコーダ用スケールの実施形態が示されている。
【００３４】
ここで、図７は本発明の光学式エンコーダ用スケールを示す概略図、図８は図７におけるＢ−Ｂ’断面の拡大図、図９は図７におけるＣ−Ｃ’断面の拡大図、図１０は図７におけるＤ−Ｄ’断面の拡大図、図１１は図７におけるＥ−Ｅ’断面の拡大図、図１２は同スケールの製造方法における基板を示す斜視図、図１３は同スケールの製造方法における第１薄膜層形成工程後の状態を示す斜視図、図１４は同スケールの製造方法におけるスリット形成工程後の状態を示す斜視図、図１５は図１４のスケール形成工程後のスケール上に明暗格子部用マスクを被せる工程を示す分解斜視図、図１６は図１４のスケール形成工程後のスケール上に明暗格子部用マスクを被せた状態を示す斜視図、図１７は同スケールの製造方法における第２薄膜層形成工程後の状態を示す斜視図である。
【００３５】
本発明の光学式エンコーダ用スケールは、図７に示すように、上記の第１実施形態の凹凸格子に加えて、基板上に第１薄膜層だけが形成されていて、この第１薄膜層に線状のスリットが所定の周期で平行に形成されて構成された明暗格子が、同一の基板上に設けられている点が上記参考例と異なっている。
【００３６】
なお、以下の説明においては、上記の図１〜６における参考例と実質的に同一部分には同符号を付してその説明を省略することにする。
【００３７】
このスケール７０の製造方法について、図１２〜１７に従って説明すると、まず、上記の実施形態と同様に、第１薄膜層形成工程においては、図１２、１３に示すように、まず基板１０の表面上に、第１薄膜層２０を蒸着又は塗布等によって、均一な膜厚ｄで形成する。ここで、基板１０としては上記参考例と同じものを用いることができ、第１薄膜層２０の形成についても上記参考例と同じ方法を使用することができる。
【００３８】
次に、スリット形成工程においては、図１４に示すように、第１薄膜層２０にエッチング等によってスリットを形成する際に、該スリットを基板上の複数の領域に形成する。この実施形態では、スリットが２つの領域に形成され、スリット２５が周期ｐで、スリット６０’が周期ｐ’で、それぞれ異なる周期で形成されている。なお、各スリットを形成する方法については、上記参考例と同様の方法を使用できる。
【００３９】
ここで、スリットを形成する複数の領域とは、この実施形態のように２つの領域でもよく、３つ以上の領域に分割されていてもよく特に限定されない。また、各領域におけるスリットは、それぞれ異なる周期や幅であってもよく、同一の周期や幅とすることも可能であり、スケールの目的によって適宜選択可能である。
【００４０】
次に、第２薄膜層形成工程の前準備として、図１５、１６に示すように、一方のスリット領域、この実施形態においてはスリット６０’の領域上を、明暗格子部用マスク６５で覆う。これによって、後述の第２薄膜層形成工程において、第２薄膜層が形成されるのが防止される。明暗格子部用マスク６５としては特に限定されず、通常のガラス板等を用いることができる。
【００４１】
最後に、第２薄膜層形成工程として、第２薄膜層４０を基板１０の全面に渡って参考例と同じ方法で形成した後、明暗格子部用マスク６５を取除く。
【００４２】
その結果、図１７に示すように、スリット２５の領域上には第２薄膜層４０が積層され、第１実施形態と同様の凹凸格子（ホログラムトラック）３５が形成される。一方、明暗格子部用マスク６５でマスクされた領域には、スリット６０’がそのまま残り、これがそのまま明暗格子（明暗格子トラック）６０となる。このようにして、参考例と同様の構造である凹凸格子３５と、明暗格子６０を同一の基板１０上に形成することができる。
【００４３】
すなわち、このスケール７０は、図７〜１１に示すように、第１薄膜層２０上に第２薄膜層４０が積層されてなる凸部３１と、基板１０が露出した表面に第２薄膜層４０が直接積層されて形成された凹部３２とによって構成される凹凸格子３５と、基板１０が露出した表面に第１薄膜層２０が直接積層されて形成された凸部６１と、基板１０が露出した表面６２とによって構成されている明暗格子６０とによって構成されている。
【００４４】
このように、凹凸表面に反射膜を形成した凹凸格子と、周期的に反射と非反射を繰り返す明暗格子とを、同一の基板上に形成したスケール７０は、例えば、Ｍ系列スリット列、第１内挿倍スリット列、第２内挿倍スリット列からなる検出用トラックを介して、発光部から照射される光を受光部で検出する、絶対値位置を検出する光学式エンコーダに適用されるスケールであって、Ｍ系列スリット列、第１内挿倍スリット列を明暗格子（明暗格子トラック）６０とし、第２内挿倍スリット列を凹凸格子（ホログラムトラック）３５としたスケールとして好適に使用できる。この場合、上記のスリット形成工程において、領域を３列に分けて形成し、１列を凹凸格子とし、他の２列を明暗格子とすればよい。
【００４５】
なお、以上の本発明のスケールを組み込んだ光学式エンコーダは、リニアエンコーダのみならず、例えば回転角を検出するロータリーエンコーダにも適用可能である。この場合、回転角を検出すべきモータの回転軸、又はそれと共に回転する部材の周面にスケールを直接加工し、その外側にセンサ部を配置すれば、移動部にスケールを、固定部にセンサ部を設けたロータリーエンコーダとすることができる。
【００４６】
また、本発明のスケールを組み込んだ光学式エンコーダは、計測機器、半導体検査装置や製造装置、あるいは工作機械などの高精度の位置決め制御が必要な装置等に組み込んで好適に使用される。この場合、位置検出すべき一方の部材である、例えば移動部側に本発明のスケールを取付け、この一方の部材に対して相対移動する他方の部材である、例えば固定部側にセンサ部を取付けることにより、移動部が直線運動や回転運動する際の固定部に対する相対位置を高精度に検出することが可能となる。なお、移動部にスケールを、固定部にセンサ部を設けてもよく、逆に固定部にスケールを、移動部にセンサ部を設けてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、平滑な基板上に凹凸表面に反射膜を形成した凹凸格子と、周期的に反射と非反射を繰り返す明暗格子とを、同一の基板上に有したスケールを、従来のスケールと同じ精度を保ちながら、従来より低コストで製造できる光学式エンコーダ用スケールの製造方法を提供できる。したがって、この光学式エンコーダ用スケールは、例えば、計測器や、高精度の位置決め制御が必要な装置等の他、特に半導体検査装置、製造装置や工作機械などに好適に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明ではない参考例の光学式エンコーダ用スケールを示す概略図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’断面の拡大図である。
【図３】同スケールの製造方法におけるガラス基板を示す斜視図である。
【図４】同スケールの製造方法における第１薄膜層形成工程後の状態を示す斜視図である。
【図５】同スケールの製造方法におけるスリット形成工程後の状態を示す斜視図である。
【図６】同スケールの製造方法における第２薄膜層形成工程後の状態を示す斜視図である。
【図７】本発明の光学式エンコーダ用スケールを示す概略図である。
【図８】図７におけるＢ−Ｂ’断面の拡大図である。
【図９】図７におけるＣ−Ｃ’断面の拡大図である。
【図１０】図７におけるＤ−Ｄ’断面の拡大図である。
【図１１】図７におけるＥ−Ｅ’断面の拡大図である。
【図１２】同スケールの製造方法におけるガラス基板を示す斜視図である。
【図１３】同スケールの製造方法における第１薄膜層形成工程後の状態を示す斜視図である。
【図１４】同スケールの製造方法におけるスリット形成工程後の状態を示す斜視図である。
【図１５】図１４のスリット形成工程後のスケール上に明暗格子部用マスクを被せる状態を示す分解斜視図である。
【図１６】図１４のスリット形成工程後のスケール上に明暗格子部用マスクを被せた状態を示す斜視図である。
【図１７】同スケールの製造方法における第２薄膜層形成工程後の状態を示す斜視図である。
【図１８】従来の光学式エンコーダの構成を示す概略図である。
【図１９】同光学式エンコーダ用スケールを示す概略図である。
【図２０】図１９におけるＦ−Ｆ’断面の拡大図である。
【図２１】同スケールの製造方法におけるガラス基板を示す斜視図である。
【図２２】同スケールの製造方法におけるガラスエッチング工程後の状態を示す斜視図である。
【図２３】図２２におけるＧ−Ｇ’断面の拡大図である。
【図２４】同スケールの製造方法における反射膜形成工程後の状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０：基板
２０：第１薄膜層
２５：スリット
３０：凹凸格子
３１：凸部
３２：凹部
３５：凹凸格子（ホログラムトラック）
４０：第２薄膜層
５０、７０：スケール
６０：明暗格子（明暗格子トラック）
６１：凸部
６２：凹部
９０：発光部
９５：受光部
１００：光学式エンコーダ
Ｌ：干渉縞
ｐ、ｐ’：周期
ｄ、ｄ’：深さ

Claims

受光素子と発光素子とを有するセンサ部と、スケールとを有し、前記センサ部に設けた発光部から照射される光を前記スケールで反射して、前記受光部によって受光することにより、センサ部が取付けられた部材と、スケールが取付けられた部材との相対位置を検出する光学式エンコーダに用いられる前記スケールの製造方法において、表面が平滑な基板上に、第１薄膜層を均一な厚みで形成する第１薄膜層形成工程と、前記第１薄膜層に複数のスリットを所定の周期で平行に形成するスリット形成工程と、前記第１薄膜層及び前記基板の露出した表面上に、光反射性の第２薄膜層を均一な厚みで形成する第２薄膜層形成工程とを含み、前記第１薄膜層に前記スリットを形成する際に、該スリットを基板上の複数の領域に形成し、前記第２薄膜層は、前記第１薄膜層の所定の領域にのみ積層することにより、前記第１薄膜層上に前記第２薄膜層が積層されてなる凸部と、前記基板が露出した表面に前記第２薄膜層が直接積層されて形成された凹部とによって構成される凹凸格子と、前記第１薄膜層に前記スリットを形成して構成される明暗格子とを設けることを特徴とする光学式エンコーダ用スケールの製造方法。
前記第１薄膜層及び前記第２薄膜層を蒸着によって形成する請求項１に記載の光学式エンコーダ用スケールの製造方法。