JP4615938B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタル式ノギス、リニヤゲージ、リニヤスケール等に応用される、光学式変位測定装置に関する。

従来から直線変位や角度変位等の高精度な測定に光学式変位測定装置が利用されている。この装置は、光学式エンコーダとも呼ばれ、長手方向が測定軸方向となるスケールと、測定軸方向に沿ってスケールに対して移動可能なセンサヘッドと、を備える。センサヘッドを移動させながら、センサヘッドの光源部からの光をスケールの光学格子を介してセンサヘッドの受光部で受光させると、受光部から正弦波状の電気信号が出力される。この信号を基にしてセンサヘッドの変位量が測定される。

光学格子は凹部と凸部が測定軸方向に沿って交互に並べられた構造を有する。光学格子はフォトリソグラフィとエッチングにより形成される。光学格子の凸部の断面は一般に矩形状であり、光の回折効率を高めるために断面を台形状にしたものもある（例えば特許文献１）。
特開平１０−３１８７９３号公報（段落［００１２］〜［００１３］、図３）

スケールの汚れを布で拭き洗浄する場合、光学格子の凸部に布が引っかかり、光学格子が破損することがある。

本発明は、破損しにくい光学格子を有する光学式変位測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光学式変位測定装置は、ガラス基板の上にベース層が形成され、前記ベース層の上に、上層と下層とからなる二層構造を有し、前記ベース層と接続される下層が前記ベース層とは異なる材質で形成された凸部が測定軸方向に所定間隔で並べられた構造を有し、且つ前記凸部が外部に露出した光学格子が配置されたスケールと、前記光学格子に照射する光を発生する光源部と、前記光学格子を介して前記光源部からの光を受光すると共に前記光源部と一緒に前記測定軸方向に前記スケールに対して相対移動可能である受光部と、を備え、前記凸部の上面と前記凸部の側面とで規定される角部が面取り形状を有することを特徴とする。

本発明に係る光学式変位測定装置よれば、スケールに配置された光学格子の凸部の角部は面取り形状を有するので、スケールを布で拭いても、凸部の角部に布が引っかかりにくくなる。このため、スケールの汚れを布で拭き洗浄する際の上記光学格子の破損を防止できる。

本発明に係る光学式変位測定装置において、前記光源部からの光は、前記スケールの表面に垂直な線に対して斜め方向から、回折格子である前記光学格子に照射されるようにすることができる。これによれば、スケールと光源部との位置合わせに余裕が生じるので、スケールと光源部とのアライメントが容易となる。

本発明によれば、スケールに配置された光学格子の凸部の角部が面取り形状を有するので、スケールの汚れを布で拭く際において上記光学格子の破損を防止できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。まず、本実施形態に係る光学式変位測定装置１の構成について説明する。図１は、この装置１の概略構成を示す図である。光学式変位測定装置１は、干渉型であり、装置１の測定軸Ｘ方向に延びた長尺状のスケール３と、測定軸Ｘ方向にスケール３上を移動可能なセンサヘッド５と、を備える。

スケール３は、ガラス等の透明材料からなる基板７と、スケール３の表面に配置された光学格子９と、により構成される。図１にはスケール３の一部が表れている。光学格子９は、凸部１１が所定のピッチを設けて測定軸Ｘ方向に沿って配置されたものである。言い換えれば、光学格子９は、凹部１３と凸部１１が測定軸Ｘ方向に沿って交互に並べられた構造を有する。凸部１１及び凹部１３は、図１の紙面の垂直方向に延びている。光学格子９は光反射型であり、その材料はクロム等の金属である。

センサヘッド５は光源部１５、受光部１７，１９及びインデックス基板２１を備える。光源部１５は、光学格子９に照射するレーザ光を発生する。受光部１７，１９は、フォトダイオードやフォトトランジスタであり、光学格子９を介して光源部１５からのレーザ光を受光する。インデックス基板２１は、光学格子９の凸部１１と同じピッチで配置された凸部２３を有する光透過型の回折格子である。光源部１５からのレーザ光は、光学格子９に対して斜め方向から照射される。

センサヘッド５のその他の構成要素については、光学式変位測定装置１の動作において説明する。なお、センサヘッドが固定され、スケールが移動する光学式変位測定装置でも本発明を適用できる。したがって、光源部及び受光部は測定軸方向にスケールに対して相対移動可能であるということができる。

次に、光学式変位測定装置１の動作について説明する。センサヘッド５を測定軸Ｘに沿って移動させながら、光源部１５からレーザ光Ｌ１を出射する。レーザ光Ｌ１は、コリメータレンズ２５で平行光にされて、インデックス基板２１に照射される。レーザ光Ｌ１のうちインデックス基板２１で回折された光は、偏光板２７でＰ偏光Ｌ２にされ、スケール３の光学格子９で反射かつ回折されて偏光板２７を通りインデックス基板２１に戻る。一方、レーザ光Ｌ１のうちインデックス基板２１を透過した光は偏光板２９でＳ偏光Ｌ３にされ、スケール３の光学格子９で反射かつ回折されて、偏光板２９を通りインデックス基板２１に戻る。

これらの戻ってきた光はインデックス基板２１で回折して、Ｐ偏光とＳ偏光とを含む合成光Ｌ４となる。Ｐ偏光とＳ偏光は偏光方向が直交しているため相互に干渉しない。合成光Ｌ４はビームスプリッタ３０で二分割され、一方の分割光Ｌ５は、Ｐ偏光及びＳ偏光の両偏光に対して光軸を４５°に設定した偏光板３１を通る。これにより、両偏光の４５°成分の間で干渉が起こり、正弦波状のＡ相の光信号が生成される。この光信号は受光部１９で受光されて、そこで電気信号に変換されて、出力される。

他方の分割光Ｌ６は、１／４波長板３３を通ることにより、一方の分割光Ｌ５に対して９０°位相差が生じる。そして、他方の分割光Ｌ６は、Ｐ偏光及びＳ偏光の両偏光に対して光軸を４５°に設定した偏光板３５を通る。これにより、Ａ相に対して９０°位相差を有する正弦波状のＢ相の光信号が生成されて、受光部１７で受光される。受光部１７はこの光信号を電気信号に変換して出力する。センサヘッド５の変位量はＡ相の光信号で測定可能である。Ｂ相の光信号を用いることにより、変位の方向を測定することができる。

ここで、スケール３について詳細に説明する。図２はスケール３の一部の拡大断面図である。光学格子９は、基板７の表面全面に形成されたベース層３７と、ベース層３７上に選択的に形成された複数の凸部１１とを備える。ベース層３７の材料は例えばクロムである。凸部１１は二層構造を有し、下層３９の材料は例えばタングステンであり、上層４１の材料は例えばクロムである。

凸部１１の上層４１は、その断面が台形状である。言い換えれば、凸部１１の上面４３と凸部１１の側面４５とで規定される角部４７は、面取り形状を有する。したがって、スケール３を布で拭いても、凸部１１の角部４７に布が引っかかりにくくなる。よって、本実施形態によれば、スケール３の汚れを布で拭き洗浄する際の光学格子１１の破損を防止できる。

なお、本実施形態に係る光学格子９は回折格子である。しかし、光を回折するのではなく、光を単に反射や透過する光学格子に上記面取り形状を形成した場合でも、同様に光学格子の破損を防止できる。

さて、本実施形態によれば、上記面取り形状により、光源部１５とスケール３との位置合わせに余裕が生じる。この効果を確認できたシミュレーションについて説明する。図３の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、シミュレーションに用いたスケール３の一部の断面図である。（Ａ）は面取り形状が設けられていないスケール３であり、（Ｂ）は面取り角度が１５°のスケール３であり、（Ｃ）は面取り角度が４５°のスケール３である。面取り角度とは、面取り形状の面とスケール３の表面に垂直な線とで規定される角度である。面取り形状に関すること以外は、（Ａ）〜（Ｃ）のスケール３は同じであり、（Ａ）のスケール３を用いて、材料等を説明する。

基板７はガラス基板であり、ベース層３７は厚さ５０〜２００ｎｍのクロムであり、凸部１１の下層３９は厚さ５０〜１００ｎｍのタングステンであり、凸部１１の上層４１は厚さ３０〜１００ｎｍのクロムである。測定軸Ｘ方向に沿った凸部１１の寸法Ｓ１及び凹部１３の寸法Ｓ２は、１００〜５００ｎｍである。

図３に示す三種類のスケール３に入射する光は、波長６３３ｎｍのＰ偏光である。この入射光Ｌ６の入射角αは図４に示すように、スケール３の表面に垂直な線に対して、５２．５３７°である。入射光Ｌ６の−１次回折光Ｌ７の反射角βは、図５に示すようにスケール３の表面に垂直な線に対して、５２．５３７°であり、入射角αと同じである。したがって、入射角αはリトロー角である。

入射光Ｌ６の角度Ｐｈｉについて、図６で説明する。図６はスケール３の一部の平面図である。測定軸Ｘ方向と対応する入射光Ｌ６の方向が角度Ｐｈｉ＝０°であり、測定軸Ｘ方向に対してスケール３の表面上で直交する方向Ｙと対応する入射光Ｌ６の方向が角度Ｐｈｉ＝−９０°，＋９０°と定義する。角度Ｐｈｉ＝０°となるようにスケール３と光源部１５との位置合わせがされる。

入射角α＝５２．５３７°を保ちながら、入射光Ｌ６の角度Ｐｈｉを変えて、（Ａ）〜（Ｃ）のスケール３について、それぞれ、−１次回折光Ｌ７の回折効率を求めた。回折効率とは、入射光に対する回折光の割合、すなわち、（回折光／入射光）×１００［％］である。

図７は、シミュレーションの結果を示すグラフである。横軸が入射光Ｌ６の角度Ｐｈｉであり、縦軸が−１次回折光Ｌ７の回折効率である。グラフの（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ、図３の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のスケール３と対応する。角度Ｐｈｉが−３０°〜＋３０°の範囲において、次のことが分かる。いずれのスケール３も角度Ｐｈｉ＝０°のときに、回折効率が最大となり、角度Ｐｈｉ＝０°より遠ざかるにしたがい回折効率が低下する。

（Ｂ），（Ｃ）のように面取り形状を有する場合は、（Ａ）のように面取り形状がない場合に比べて、回折効率の低下量が小さい。そして、（Ｃ）のように面取り角度が大きい場合は、（Ｂ）のように小さい場合に比べて、回折効率の低下量が小さい。回折効率の低下量が大きい場合、入射光Ｌ６の角度ＰｈｉがＰｈｉ＝０°からずれると、回折効率が大きく変わる。このため、角度Ｐｈｉに関するスケール３と光源部１５との位置合わせに多少のずれが生じただけでも、測定精度に大きな影響を与える。

これに対して、回折効率の低下量が小さい場合、角度Ｐｈｉに関するスケール３と光源部１５との位置合わせが多少ずれても、回折効率はそれほど変化しないので、測定精度への影響が小さい。以上のように、本実施形態によれば、スケール３の凸部１１に面取りを設けることにより、スケール３と光源部１５との位置合わせに余裕が生じるので、スケールと光源部とのアライメントが容易となる。

次に、本実施形態に係るスケール３の製造方法の一例について説明する。図８〜図１３はこれを説明するための工程図であり、図２の断面図と対応する。図３に示すように、クロム層４９、タングステン層５１、クロム層５３が積層された基板７を準備する。クロム層５３上にネガレジスト５５を塗布する。ネガレジスト５５は化学増幅型であり、詳しくは、ネガレジスト５５のうち光が照射された箇所では酸が活性化されて、この活性化された酸を触媒として上記箇所のポリマーが架橋反応する。架橋反応が起きた上記箇所は現像液に不溶となる。

クロムのような物質は、ネガレジスト５５中の酸と反応して酸を消費する（酸の失活）。したがって、図９に示すように、ネガレジスト５５のクロム層５３と接触する箇所は酸の失活層５７となる。

図１０に示すように、マスク５９を用いてネガレジスト５５を選択的に露光する。ネガレジスト５５のうち、光が照射された照射部６１は架橋反応が進み、光が照射されない非照射部６３や失活層５７では架橋反応が進まない。

図１１に示すように、ネガレジスト５５を現像すると、非照射部６３が除去され、照射部６１及び失活層５７が残り、レジストパターン６５が形成される。失活層５７は、下に向かうに従い幅が短くなる。これは、失活層５７は下に向かうに従って酸が消費される割合が高いので、失活層５７は下に向かうに従い現像液に溶けやすいからである。

図１２に示すように、レジストパターン６５をマスクにし、塩素系のガスを用いてクロム層５３を異方性ドライエッチングする。これにより、凸部の上層４１が形成される。上層４１は、下に向かうに従い幅が大きい、言い換えれば、角部４７が面取り形状を有する。この理由を説明する。異方性のドライエッチングは、縦方向（ここでは基板７の表面の垂直方向）に進む。失活層５７とクロム層５３との隙間６７（図１１）にもエッチングのガスが入り込むので、クロム層５３のうち隙間６７の下に位置する部分もエッチングされる。隙間６７の奥に向かうに従いエッチングのガスが入りにくくなるので、隙間６７の奥に向かうに従いエッチングされにくくなる。したがって、凸部の上層４１は、上から下に向かうに従い幅が大きくなる形状を有するのである。

次に、図１３に示すように、レジストパターン６５をマスクにし、例えばＣＦ_４ガスを用いて、タングステン層５１を異方性ドライエッチングする。このエッチングにおいて、ベース層３７となるクロム層４９はエッチングストッパとなる。このエッチングにより、凸部１１の下層３９が形成される。この結果、凸部１１及び凹部１３を有する光学格子９がパターニングされる。レジストパターン６５を除去すると、図２に示すスケール３が完成する。

以上説明した製造方法の一例では、化学増幅型のネガレジスト５５を用いて光学格子９のパターニングをした。しかし、本実施形態に係るスケール３の製造方法の他の例を用いれば、化学増幅型のネガレジスト５５を用いることなく光学格子９のパターニングが可能である。この他の例では、ドライエッチングとウエットエッチングを組み合わせて、光学格子９を形成している。図１４〜図２１は、本実施形態に係るスケール３の製造方法の他の例を説明するための工程図である。

図１４に示すように、金属層６９、これと異なる金属の金属層７１、金属層６９と同じ金属の金属層７３が積層された基板７を準備する。金属層７３上にレジスト７５を塗布する。

図１５に示すように、レジスト７５を選択的に露光・現像して、レジストパターン７７を形成する。図１６に示すように、レジストパターン７７をマスクにして、金属層７３をウエットエッチングする。これにより、金属層７３は等方性にエッチングされるので、横方向にもエッチングが進む。よって、下に向かうに従い幅が大きくなる凸部の上層４１が形成される。

その後、図１７に示すように、レジストパターン７７をマスクにして、金属層７１を異方性ドライエッチングする。これは、金属層６９，７３が削れにくく、金属層７１が削れやすいエッチングである。このエッチングにより、凸部１１及び凹部１３を有する光学格子９がパターニングされる。レジストパターン７７を除去すると、図１８に示すように光反射型の光学格子９が完成する。光透過型の光学格子を形成する場合、さらに次の工程が必要である。

図１９に示すように、凸部１１を選択的に覆うレジストパターン７９を形成する。図２０に示すように、レジストパターン７９をマスクにして、金属層６９をウエットエッチングすることにより、凹部１３上の金属層６９を除去して、基板７を露出させる。レジストパターン７９を除去すると、図２１に示すように、光透過型の光学格子９が配置されたスケール３が完成する。

ここで、金属層６９，７３の材料は、例えばクロムであり、金属層７１の材料は、例えばタングステンである。また、図１６で説明した金属層７３を選択的に除去するウエットエッチングや図２０で説明した金属層６９を選択的に除去するウエットエッチングには、例えば硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸の混合液を用いる。図１７で説明した金属層７１を選択的に除去するドライエッチングには、例えばＣＦ_４ガスを用いる。

本実施形態に係る光学式変位測定装置の概略構成を示す図である。 本実施形態に係る光学式変位測定装置に備えられるスケールの一部の拡大断面図である。 本実施形態に係るシミュレーションに用いたスケールの一部の断面図である。 同シミュレーションにおける入射光を説明する図である。 同シミュレーションにおける−１次回折光を説明する図である。 同シミュレーションにおける入射光の角度Ｐｈｉを説明する図である。 同シミュレーションの結果を示すグラフである。 本実施形態に係るスケールの製造方法の一例の第１工程図である。 同第２工程図である。 同第３工程図である。 同第４工程図である。 同第５工程図である。 同第６工程図である。 本実施形態に係るスケールの製造方法の他の例の第１工程図である。 同第２工程図である。 同第３工程図である。 同第４工程図である。 同第５工程図である。 同第６工程図である。 同第７工程図である。 同第８工程図である。

符号の説明

１・・・光学式変位測定装置、３・・・スケール、５・・・センサヘッド、７・・・基板、９・・・光学格子、１１・・・凸部、１３・・・凹部、１５・・・光源部、１７，１９・・・受光部、２１・・・インデックス基板、２３・・・凸部、２５・・・コリメータレンズ、２７，２９・・・偏光板、３０・・・ビームスプリッタ、３１・・・偏光板、３３・・・１／４波長板、３５・・・偏光板、３７・・・ベース層、３９・・・凸部の下層、４１・・・凸部の上層、４３・・・凸部の上面、４５・・・凸部の側面、４７・・・角部、４９・・・クロム層、５１・・・タングステン層、５３・・・クロム層、５５・・・ネガレジスト、５７・・・失活層、５９・・・マスク、６１・・・照射部、６３・・・非照射部、６５・・・レジストパターン、６７・・・隙間、６９，７１，７３・・・金属層、７５・・・レジスト、７７，７９・・・レジストパターン、Ｌ１・・・レーザ光、Ｌ２・・・Ｐ偏光、Ｌ３・・・Ｓ偏光、Ｌ４・・・合成光、Ｌ５・・・分割光、Ｌ６・・・入射光、Ｌ７・・・−１次回折光

Claims (2)

1. ガラス基板の上にベース層が形成され、前記ベース層の上に、上層と下層とからなる二層構造を有し、前記ベース層と接続される下層が前記ベース層とは異なる材質で形成された凸部が測定軸方向に所定間隔で並べられた構造を有し、且つ前記凸部が外部に露出した光学格子が配置されたスケールと、
   前記光学格子に照射する光を発生する光源部と、
   前記光学格子を介して前記光源部からの光を受光すると共に前記光源部と一緒に前記測定軸方向に前記スケールに対して相対移動可能である受光部と、を備え、
   前記凸部の上面と前記凸部の側面とで規定される角部が面取り形状を有する
   ことを特徴とする光学式変位測定装置。
2. 前記光源部からの光は、前記スケールの表面に垂直な線に対して斜め方向から、回折格子である前記光学格子に照射される
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位測定装置。

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