JP4828612B2 - 反射型エンコーダ、そのスケール、及び、スケールの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、反射型エンコーダ、そのスケール、及び、スケールの製造方法に係り、特に、リニアエンコーダやロータリエンコーダ等の光電式エンコーダに用いるのに好適な、インクリメンタル（ＩＮＣ）パターンと原点（ＡＢＳ）パターンをシングルトラックで実現することが可能な反射型エンコーダ、そのスケール、及び、スケールの製造方法に関する。
リニアエンコーダやロータリエンコーダ等の光電式エンコーダで使われるスケールの上には、クロム等の金属、あるいは酸化シリコン等の誘電体が成膜されてパターンが形成されている。
特にインクリメンタルエンコーダにおいては、ＩＮＣパターンに加えて原点パターンを設けて、例えば電源投入直後に該原点パターンを強制的に通過させることで検出位置を校正することが行なわれている。
ここで、ＩＮＣパターンと、原点パターン（参照マーク）あるいは絶対位置（ＡＢＳ）コードパターン（ＡＢＳパターンと総称する）を併せてスケール上に配置するものとして、従来は、特開２００１−８２９８４号公報（特許文献１）の図２（ａ）に対応する図１に示す如く、スケール１の支持体１．１上に、例えば目盛周期ＴＰＭのＩＮＣパターン１．２と参照マーク（原点パターン）１．３を並列に併設することが提案されている。図１において、Ｘは測定方向である。
又、特表２００４−５２９３４４号公報（特許文献２）の図１に対応する図２に示す如く、Ａ段に示す反射ライン１２と非反射ライン１４の繰返しパターンを有するＩＮＣパターン１０と、Ｂ段に示す反射ライン１２と非反射ライン１４を備えたＡＢＳパターン１６を組み合わせてスケール１８とすることにより、Ｃ段及びＤ段に示す如く、ＩＮＣパターン１０の反射ライン２０の一部（２２）を欠損させて、該欠損部２２をＡＢＳデータとする技術も提案されている。図２において、２０は元の状態のままの反射ライン、２２は、除去された反射ラインである。
更に、この特許文献２では、その図８に対応する図３に示す如く、ＩＮＣパターンの検出器５０と、ＡＢＳパターンの検出器２６が、測定軸方向に離れて配置されている。図３において、ＬＳ１、ＬＳ２は光源、１８はスケール、２５は結像レンズ、５２はインデックス格子、５４は読取ヘッドである。
一方、エンコーダに関する技術では無いが、特開昭５８−１４４８０４号公報（特許文献３）には、その第１ａ図に対応する図４に示す如く、多色の微細構造を有する、特に微細地図の形式の記録支持体において、層支持体３１上に形成される多層体１１と２１の高さを変えることも提案されている。図４において、４１、６１、７１、９１は金属層、５１は第１の色調に対応する無機材料の非吸収性の干渉層、８１は第２の色調に対応する無機材料の非吸収性の干渉層である。
しかしながら、特許文献１の技術では、スケール１の測定方向Ｘと直交する方向（図の左右方向）の幅を広く設定する必要があり、スケール、ひいてはエンコーダが大型化してしまう。
又、特許文献２の図１に対応する図２のようにＩＮＣパターンの一部を欠損させてしまうと、ＩＮＣパターンが無い部分のＩＮＣ変位の検出精度が悪化してしまう。
又、特許文献２の図８に対応する図３の構成の場合、検出器５０と検出器２６との間に間隔がある。そのため、温度変動がある場合には、両者を保持する部材の線膨張により両者の間隔が変動することになるので、ＩＮＣパターンの検出値とＡＢＳパターンの検出値が一致しなくなってしまうという問題点を有していた。
一方、特許文献３は、微細地図でパターン高さを変えて多色の微細構造を有するもので、光電式エンコーダのスケールに関するものではなかった。
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、複数のパターンを同一軸上に重畳させて反射型エンコーダのスケールを小型化することを課題とする。
本願の請求項１に係る発明は、光源と、該光源から光が照射される複数のパターンが形成されたスケールと、前記複数のパターンによりそれぞれ反射された光を、それぞれ受光する受光素子とを有し、単一のスケールから複数の受光信号を得るようにした反射型エンコーダにおいて、前記スケールの単一トラック上に、誘電体を用いて、厚みの異なる複数のパターンを形成すると共に、前記光源から、誘電体厚みの差に応じて明暗が異なる複数の波長の光を照射して、誘電体厚み毎の受光信号を得るようにしたものである。
本願の請求項２に係る発明は、第１の厚みの誘電体層で反射光が減衰する第１の光波長で第１のパターンを検出し、且つ、第２の厚みの誘電体層で反射光が減衰する第２の光波長で第２のパターンを検出するようにしたものである。
本願の請求項３に係る発明は、前記第１の光波長では誘電体層からの光量が最低で、且つ、第２の光波長では誘電体層からの光量が最大になる誘電体層高さに設定するようにしたものである。
又、請求項４に係る発明は、前記複数のパターンを、ＩＮＣパターンとＡＢＳパターンとしたものである。
又、本願の請求項５に係る発明は、前記誘電体を、酸化シリコンとしたものである。
又、本願の請求項６に係る発明は、前記誘電体の厚みを、４３０ｎｍ及び３３０ｎｍとし、前記光源の波長を８８０ｎｍ及び６６０ｎｍとしたものである。
又、本願の請求項７に係る発明は、前記インクリメンタルパターンを検出する前記受光素子の検出中心軸と、前記ＡＢＳパターンを検出する前記受光素子の検出中心軸を、測定軸上で一致させたものである。
又、本願の請求項８に係る発明は、スケールの単一トラック上に、誘電体を用いて、厚みの異なる複数のパターンが形成されていることを特徴とする反射型エンコーダのスケールを提供するものである。
又、本願の請求項９に係る発明は、スケールの単一トラック上に、誘電体を用いて、厚みの異なる複数のパターンを形成するに際して、スケール基板上に光反射層を成膜し、その上に第１の高さで誘電体層を成膜し、その上に第１のレジストパターンを成膜してパターニングし、該第１のレジストパターン開口部の誘電体層を第２の高さ迄エッチングし、その上に第２のレジストパターンを成膜してパターニングし、該第２のレジストパターン開口部の誘電体層をエッチングし、該第２のレジストパターンを除去することを特徴とするスケールの製造方法を提供するものである。
又、本願の請求項１０に係る発明は、スケールの単一トラック上に、誘電体を用いて、厚みの異なる複数のパターンを形成するに際して、スケール基板上に光反射層を成膜し、その上に第１のレジストパターンを成膜してパターニングし、該第１のレジストパターンの開口部に第２の高さの誘電体層をリフトオフし、該第１のレジストパターンを除去し、その上に第２のレジストパターンを成膜してパターニングし、該第２のレジストパターンの開口部に第１の高さの誘電体層をリフトオフし、該第２のレジストパターンを除去することを特徴とするスケールの製造方法を提供するものである。
本発明によれば、例えばＩＮＣパターンとＡＢＳパターンを同一トラック上に重畳させて、スケールを小型化することが可能となる。
特に、第１の厚みの誘電体層で反射光が減衰する第１の光波長で第１のパターンを検出し、且つ、第２の厚みの誘電体層で反射光が減衰する第２の光波長で第２のパターンを検出するようにした場合には、各々のパターン検出において、お互いに影響を与えることがなく、各々のパターンの検出精度を高めることができる。
又、第１の光波長では誘電体層からの光量が最低で、且つ、第２の光波長では誘電体層からの光量が最大になる誘電体層高さに設定した場合は、各々のパターンの検出において、互いに影響を与えることが無い。
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態で用いるスケールは、図５に示す如く、スケール基板３０上に形成された光反射層３２の上に形成される誘電体層３４の厚み（高さ）ｈ１、ｈ２を制御することによって、ＩＮＣパターンとＡＢＳパターンを分離する。例えば、誘電体層の厚みがｈ１のパターンはＩＮＣパターン３６、厚みがｈ２のパターンはＡＢＳパターン３８とすることができる。
前記誘電体層３４の材料としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、窒化チタン（ＴｉＮ）等が使用できる。ここで、酸化シリコンを用いると、誘電体層の厚みの差を大きくできるので、光の分離が容易で、高性能のエンコーダを得ることができる。一方、酸化クロムや窒化チタンは、酸化シリコンに比べて屈折率ｎが大きいので、厚みｈ１、ｈ２が小さくなり、コストは安くなるが、光の分離は難しくなる。
今、誘電体層を通して光を反射する場合、誘電体層の表層で反射した光と誘電体層内の光反射層で反射した光が干渉し合い、ある特定の光波長で暗くなることが知られている。従って、例えば厚みｈ１の誘電体層は光波長λ１で観測すると暗くなり、厚みｈ２の誘電体層は光波長λ２で観測すると暗くなるとした場合、図５に示されたパターン３６、３８は、図６、図７のように、それぞれの光波長で観測することができる。
誘電体層から出射される光の干渉は、図８に示す如く、誘電体層表面で反射した光と、誘電体層内部の反射層表面で反射した光の光路差が、光波長の半分のときは減衰し、整数倍のときは強調し合う。即ち、スネルの法則より
ｎｒ＝ｎ１／ｎｏ＝sinθ０／sinθ１ …（１）
ｎｒ＝ｎ１／ｎｏ＝sinθ０／sinθ１ …（１）
ここで、ｎ１は誘電体層の屈折率、ｎｏは空気層の屈折率、θ０は空気層から誘電体層への入射角、θ１は同じく屈折角である。
各点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ間の距離は次式で表わされる。
ＬＡＢＣ＝２ｈ／cosθ１ …（２）
ＬＡＣ＝２ｈtanθ1 …（３）
ＬＡＤ＝ＬＡＣsinθ０＝２ｈsinθ０tanθ１ …（４）
ＬＡＣ＝２ｈtanθ1 …（３）
ＬＡＤ＝ＬＡＣsinθ０＝２ｈsinθ０tanθ１ …（４）
ここで、ｈは誘電体層の厚み（高さ）である。従って、ＡＣ間の光学距離は次式で表わされる。
ＬＰＡＢＣ＝ｎ１ＬＡＢＣ＝２ｎ１ｈ／cosθ１ …（５）
又、ＡＤ間の光学距離は次式で表わされる。
ＬＰＡＤ＝ｎ０ＬＡＤ＝２ｎ０ｈsinθ０tanθ１ …（６）
従って、光路差は次式で表わされる。
δＬＰ＝ＬＰＡＢＣ−ＬＰＡＤ
＝２ｈ｛（ｎ１／cosθ１）−ｎ０sinθ０tanθ１｝ …（７）
＝２ｈ｛（ｎ１／cosθ１）−ｎ０sinθ０tanθ１｝ …（７）
ここで、ｎ０＝１、ｎ１＝１．５５（ＳｉＯ２の例）、θ０＝１５°、λ１＝８８０ｎｍ、λ２＝６６０ｎｍで、且つ各面の反射率が理想的であり（ηＤ＝５０％、ηＲ＝１００％）、更に、層内での減衰が無いとしたときの誘電体層高さｈと出射光強度の関係を図９に示す。図９より、ｈ１として４３０ｎｍを選択すると、光波長λ１（８８０ｎｍ）の出射光量が最低の時に、光波長λ２（６６０ｎｍ）の出射光量を最大にすることができる。又、ｈ２として３３０ｎｍを選択すると、光波長λ２（６６０ｎｍ）の出射光量が最低の時に、光波長λ１（８８０ｎｍ）の出射光量を最大近くにすることができる。このような選択により、それぞれの波長で観測するときに、お互いの影響を最小限にすることができる。
ここで、誘電体層の高さが異なるパターンは、例えば、図１０に示すような、誘電体層の高さをエッチング法によって制御するリソグラフィ工程で製作することができる。
即ち、まず（１）スケール基板３０の上に（２）光反射層３２を成膜し、（３）その上に高さｈ１の誘電体層３４を成膜し、（４）その上に第１のレジストパターン４０を成膜してパターニングし、（５）該第１のレジストパターン４０の開口部の誘電体層を高さｈ２までエッチングし、次いで（６）第２のレジストパターン４２を成膜してパターニングし、次いで（７）該第２のレジストパターン４２の開口部の誘電体層をエッチングし、最後に（８）該第２のレジストパターン４２を除去することによって製作することができる。
この方法によれば、成膜が１回で済むので、安いコストで製造できる。
あるいは、図１１に示すように、誘電体層の高さをリフトオフ法によって制御するリソグラフィ工程でも製作することができる。
即ち、まず（１）スケール基板３０上に（２）光反射層３２を成膜し、（３）その上に第１のレジストパターン４０を成膜してパターニングし、（４）該第１のレジストパターン４０の開口部に高さｈ２の誘電体層をリフトオフし、次いで（５）該第１のレジストパターン４０を除去し、（６）その上に第２のレジストパターン４２を成膜してパターニングし、次いで（７）該第２のレジストパターン４２の開口部に高さｈ１の誘電体層をリフトオフし、最後に（８）該第２のレジストパターン４２を除去する。
この方法によれば、表面を削る工程が無いので、表面が荒れず、正反射による干渉を確実にすることができる。
本発明によるスケールを用いた反射式エンコーダは、図１２に示す如く、スケール２８と、その上を測定軸（Ｘ軸）方向に相対移動する検出ヘッド６０で構成される。
前記検出ヘッド６０は、図１３（断面図）及び図１４（平面図）に詳細に示す如く、光波長λ１の第１の光源６２と、光波長λ２の第２の光源６４と、２つの光源６２、６４の光路を合成する５０：５０ビームスプリッタ６６と、該ビームスプリッタ６６で合成された光が通過するＣＯＧ（Ｃhip Ｏn Ｇlass）ガラス基板６８と、該ＣＯＧガラス基板６８を透過して前記スケール２８のパターンにより反射された光を検出するための、例えばＣＯＧガラス基板６８上の配線パターン７０に接続バンプ７２で接続された、２つの光波長λ１、λ２で共通の受光素子７４とを備えている。
本実施形態において、第１の光源６２（波長λ１）の光路と、第２の光源６４（光波長λ２）の光路は、ビームスプリッタ６６で合成されて、スケール基板３０上の誘電体層３４に到達する。そこで反射された光は、ＣＯＧガラス基板６８の配線パターン７０上に接続バンプ７２で接続された受光素子７４で検出される。検出信号は、接続バンプ７２と配線パターン７０を通して、図示していない制御回路部へ伝送される。
ここで前記光源６２と６４は、図１５に示すような手順で制御される。即ち、エンコーダの電源が投入された際（ステップ１００）には、現在位置が不明であるので、まずＡＢＳパターン３８を読み取って、ＡＢＳデータを検出する必要がある。そのため、第２の光源６４を点灯する（ステップ１１０）。その際、第１の光源６２は消灯を維持する。
ＡＢＳデータが検出できたら（ステップ１２０）、そのデータを位置カウンタにプリセットして（ステップ１３０）、第２の光源６４を消灯する（ステップ１４０）。
次に第１の光源６２を点灯させて（ステップ１５０）、ＩＮＣ信号を検出し（ステップ１６０）、その後の位置変化は、ＩＮＣ信号を位置カウンタでカウントすることにより検出する（ステップ１７０）。
ＩＮＣ信号測定中に、信号強度が低下する等のＩＮＣ信号の異状があった場合（ステップ１８０）には、その後の位置カウンタデータの信頼性が低くなるので、第１の光源５２を消灯して（ステップ１９０）、再度ＡＢＳデータを検出するルーチン（ステップ１１０〜１４０）に入る。
以上のようにして、単一の受光素子７４で、ＡＢＳデータとＩＮＣ信号が検出できるようになるため、構成を小型にすることができる。又、図１４に示したように、ＡＢＳパターン３８の検出中心軸とＩＮＣパターン３６の検出中心軸が一致している。従って、スケール上のＡＢＳ検出位置とＩＮＣ検出位置を同じ位置にすることができるので、ＡＢＳデータ位置とＩＮＣ信号位置がずれることがなく、両者が違う位置を検出するような事態にはならないので、位置検出の信頼性が向上する。
なお、前記実施形態においては、単一トラック上にＩＮＣパターンとＡＢＳパターンが形成されていたが、単一トラック上に形成するパターンの数や組合せは、これに限定されず、例えば２種類のＡＢＳパターン又はＩＮＳパターン同士を組み合わせたり、３種類以上のパターンを組合せることも可能である。
本発明は、リニアエンコーダやロータリエンコーダの光電式エンコーダに用いることができ、ＩＮＣパターンとＡＢＳパターン等の複数パターンを同一トラック上に重畳させて、スケールを小型化することができる。
Claims (10)
- 光源と、
該光源から光が照射される複数のパターンが形成されたスケールと、
前記複数のパターンによりそれぞれ反射された光を、それぞれ受光する受光素子とを有し、
単一のスケールから複数の受光信号を得るようにした反射型エンコーダにおいて、
前記スケールの単一トラック上に、誘電体を用いて、厚みの異なる複数のパターンを形成すると共に、
前記光源から、誘電体厚みの差に応じて明暗が異なる複数の波長の光を照射して、
誘電体厚み毎の受光信号を得るようにしたことを特徴とする反射型エンコーダ。 - 第１の厚みの誘電体層で反射光が減衰する第１の光波長で第１のパターンを検出し、且つ、第２の厚みの誘電体層で反射光が減衰する第２の光波長で第２のパターンを検出するようにされていることを特徴とする請求項１に記載の反射型エンコーダ。
- 前記第１の光波長では誘電体層からの光量が最低で、且つ、第２の光波長では誘電体層からの光量が最大になる誘電体層高さに設定されていることを特徴とする請求項２に記載の反射型エンコーダ。
- 前記複数のパターンが、インクリメンタルパターンとＡＢＳパターンであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の反射型エンコーダ。
- 前記誘電体が、酸化シリコンであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の反射型エンコーダ。
- 前記誘電体の厚みが、４３０ｎｍ及び３３０ｎｍとされ、前記光源の波長が８８０ｎｍ及び６６０ｎｍとされていることを特徴とする請求項５に記載の反射型エンコーダ。
- 前記インクリメンタルパターンを検出する前記受光素子の検出中心軸と、前記ＡＢＳパターンを検出する前記受光素子の検出中心軸が、測定軸上で一致していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の反射型エンコーダ。
- スケールの単一トラック上に、誘電体を用いて、厚みの異なる複数のパターンが形成されていることを特徴とする反射型エンコーダのスケール。
- スケールの単一トラック上に、誘電体を用いて、厚みの異なる複数のパターンを形成するに際して、
スケール基板上に光反射層を成膜し、
その上に第１の高さで誘電体層を成膜し、
その上に第１のレジストパターンを成膜してパターニングし、
該第１のレジストパターン開口部の誘電体層を第２の高さ迄エッチングし、
その上に第２のレジストパターンを成膜してパターニングし、
該第２のレジストパターン開口部の誘電体層をエッチングし、
該第２のレジストパターンを除去することを特徴とするスケールの製造方法。 - スケールの単一トラック上に、誘電体を用いて、厚みの異なる複数のパターンを形成するに際して、
スケール基板上に光反射層を成膜し、
その上に第１のレジストパターンを成膜してパターニングし、
該第１のレジストパターンの開口部に第２の高さの誘電体層をリフトオフし、
該第１のレジストパターンを除去し、
その上に第２のレジストパターンを成膜してパターニングし、
該第２のレジストパターンの開口部に第１の高さの誘電体層をリフトオフし、
該第２のレジストパターンを除去することを特徴とするスケールの製造方法。
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