JP4833543B2 - 光電式エンコーダ、それに用いるスケール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置、角度、速度、角速度等の検出を行う光電式エンコーダ、それに用いるスケール及びその製造方法に関する。

光電式エンコーダは、一般に測定軸に沿って延びるメインスケールと、このメインスケールに対して相対的に移動するように設けられたインデックススケールと、このインデックススケールを介してメインスケールに光を照射する光源と、この光源から照射されメインスケールから反射された光をインデックススケールを介して受光する受光手段とを備えて構成されている。メインスケールとインデックススケールとには、それぞれ所定ピッチの目盛りが形成され、両者の相対移動に伴い両スケールに形成された目盛りの位相が変化するのを光学的に検出することにより、メインスケールに対するインデックススケールの位置を検出するようにしている。

ところで、例えば自動車ボディ計測等、大型計測機の用途で、メインスケールとして非常に長いスケールを形成する必要がある場合、ガラススケールでは製造が困難である。そこで、この種の用途では、ステンレステープを使用したメタルスケールが使用されている。このメタルスケールとしては、例えば特許文献１に示されているように、テープ状のスケールが、凹凸輪郭を有するローラ間を通過してスケールの表面に凹凸を形成したのち、平坦なローラ間を通過させる追加処理によって山の高さを均一化させるようにしてスケールを形成する方法が知られている。また、例えば特許文献２に示されているように、ステンレスのリボンに、レーザ光によって目盛りを形成してスケールを形成するようにしたものが知られている。
特表２００３−５１２６１１号公報、段落００１０〜００１２、図１、図２及び図５ ＷＯ０３／０６１８９１号公報、７頁２９行〜８頁７行、図２

しかし、特許文献１に開示されたスケールは、製造は容易であるものの、スケールに形成される１つ１つの凹凸の精度が低く、組で用いて平均化効果で精度を確保する用途では使用可能であるが、高い精度が要求される変位測定機等では使用することができないという問題がある。

また、特許文献２に開示されたスケールは、目盛りの精度は良好であるものの、装置が大がかりとなり、製造コストが高いという問題がある。また、上述したスケールは、目盛りの部分が非反射面となるため、この部分で光が吸収され、光ピックアップでの受光光量が低下する。この種のリボン状のスケールの場合、スケールにうねりが発生するため、光ピックアップとのギャップ変動が大きく、微小な信号ではエラーが生じ易い。このため、目盛りが光吸収部であると、信号強度不足からＳ／Ｎが低下するという問題もある。

本発明は、このような問題点に鑑みされたもので、目盛りの精度が高く、Ｓ／Ｎも向上させることができる光電エンコーダ、それに用いるスケール及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る光電式エンコーダのスケールは、テープ状のベース材と、このベース材の一方の面に薄膜によって形成され、前記ベース材の長手方向に所定のピッチで配列された複数の突条とを備え、前記複数の突条によって前記ベース材の長手方向に形成される凹凸部が目盛りを形成し、共に光の反射面を形成していることを特徴とする。

本発明の一つの実施形態においては、前記凹部が反射面を形成している前記ベース材の表面であり、前記凸部が反射面を形成している前記突条の表面である。

また、本発明の他の実施形態においては、前記突条が形成された前記ベース材を覆う反射膜を有し、前記反射膜の凹凸部が前記光の反射面を形成している。

ここで、凹部がベース材の表面である場合、ベース材は、例えば表面がラップ処理されたステンレステープからなるものである。また、薄膜及び／又は反射膜は、例えばＣｒ薄膜からなるものである。凹凸部の段差ｄとしては、使用される光電式エンコーダの光源からの光の波長をλ、スケールに対する入射角をθとしたとき、
λ／（４・cosθ）×０．８＜ｄ＜λ／（４・cosθ）×１．２
の範囲に設定されていることが望ましい。

本発明に係る光電式エンコーダは、上述したスケールと、このスケールに対して相対移動して前記スケールの目盛りに対応する他の目盛りを有するインデックススケールと、このインデックススケールと共に前記スケールに対して相対移動して前記インデックススケールを介して前記スケールに光を照射する光源と、前記光源から照射され前記スケールで反射された光を受光する受光手段とを備えたことを特徴とする。

更に、本発明に係る光電式エンコーダのスケールの製造方法は、金属テープの表面に金属薄膜を形成する工程と、前記金属薄膜をエッチングして前記金属テープの表面に前記金属テープの長手方向に所定ピッチで複数の突条を形成する工程とを備えたことを特徴とする。

この場合、前記突条が形成された金属テープの上に、反射膜を形成する工程を更に備えるようにしても良い。

本発明によれば、ベース材の一方の面に形成された薄膜によって、ベース材の長手方向に所定のピッチで複数の突条が形成され、これら複数の突条によって形成される凹凸部が目盛りを形成しているので、目盛りの加工精度が高く、また、凹凸部が共に光の反射面となっているため、エンコーダの受光手段における受光光量、すなわち信号強度を大きくすることができるので、Ｓ／Ｎも向上させることができる。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施形態に係る光電式エンコーダの概略構成を示す斜視図である。光電式エンコーダ１は、測定軸Ｘに沿って延びるメインスケール１０と、このメインスケール１０に対して相対的に移動するように設けられたインデックススケール２０と、このインデックススケール２０を介してメインスケール１０に光を照射する光源３０と、この光源３０から照射されメインスケール１０から反射された光をインデックススケール２０を介して受光する受光手段４０とを備えて構成されている。メインスケール１０とインデックススケール２０とには、それぞれ目盛りを形成する所定ピッチの突条１２及びマーク２２が形成され、両者の相対移動に伴い両スケール１０，２０に形成された目盛りの位相が変化するのを受光手段４０で光学的に検出することにより、メインスケール１０に対するインデックススケール２０の位置を検出する。

図２（ａ）は、メインスケール１０の一部を拡大して示す平面図、図２（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。

メインスケール１０は、ベース材１１の上に、Ｃｒ等の薄膜からなる突条１２を形成したものである。ベース材１１は、例えば厚さ０．２〜０．５ｍｍ程度のステンレス等の金属リボンを用いることができ、好ましくは、表面がラップ処理されている。突条１２は、例えば薄膜をフォトエッチングして１０〜３０μｍのピッチの格子として形成されている。いま、光源３０からの光の波長をλ、入射角をθとすると、突条１２によって形成される凹凸の段差ｄは、
ｄ＝λ／（４・cosθ）
に設定することが望ましい。

なお、本発明者等の実験によると、図３に示すように、理想的な段差ｄよりも膜厚が大きく又は小さくなると、反射光量が低下し、所要の信号振幅を得ようとすると、光源の電流値を増加させなくてはならない。理想的な段差ｄの±２０％で光源の電流値が上限値に達する。このため、段差ｄは、下記の範囲で設定することが望ましい。

λ／（４・cosθ）×０．８＜ｄ＜λ／（４・cosθ）×１．２
次に、このメインスケール１０の製造方法について説明する。

図４は、メインスケール１０の製造方法の一例を模式的に示す図である。

まず、ドラム５０にベース材１１となるステンレスリボンを巻き付け、Ｃｒのターゲット材５１を対向配置して、スパッタによってステンレスリボン上にＣｒの薄膜を形成する（図４（ａ））。

次に、Ｃｒの薄膜が形成されたステンレスリボン１１を、ローラ５２，５３間で巻き取り及び巻き戻しにより順次移動させながら、Ｃｒの薄膜の上に、レジスト塗布装置５２によりレジスト（感光剤）を均一に塗布していく（図４（ｂ））。

続いて、所定ピッチの格子が形成されたマスク５５を介して光源５６から光をレジストに照射して目盛りに対応するパターンを露光する（図４（ｃ））。これを現像して、格子状に残ったレジストをエッチングのマスクとして、エッチング装置５７によって薄膜のエッチングを行う（図４（ｄ））。

これにより、高精度のスケールを簡易な設備で製造することができる。

なお、上記実施形態では、ベース材としてステンレステープ、薄膜としてＣｒを使用したが、この他にも、ベース材として、例えばアルミニウム、銅等、薄膜として、例えば金、銀、アルミニウム等を使用することもできる。しかし、一般に、ベース材に関しては、ステンレステープが、アルミニウムや銅に比べて熱膨張が少なく、強度も高いことに加え、薄膜を載せるベース材として十分な平坦度を得ることができるので、より高精度な測定を可能にするベース材としては、最適と考えられる。また、薄膜に関して、Ｃｒ薄膜は、反射率がアルミニウム薄膜よりも劣るものの、アルミニウム薄膜よりも硬度が高く、傷つき難く扱い易いという利点がある。従って、強度、反射率、成膜の厚み（高さ）制御の観点から総合的に判断すれば、Ｃｒ薄膜が最適である。

図５は、本発明の他の実施形態に係るメインスケール１０′の断面図である。

この実施形態では、ステンレスリボン等のベース材１１の一方の面に突条１２を所定ピッチで形成し、更に、その上全面にＣｒ等の反射膜１３を凹凸部が維持されるように一定の膜厚で形成したものである。

この構成によれば、ベース材１１及び突条１２の表面の反射率は任意であり、全面を覆う反射膜１３に所定の反射率を有するＣｒ等の金属を使用すれば、所望の性能を容易に確保することができる。

この発明の一実施形態に係る光電式エンコーダの概略的な斜視図である。 同光電式エンコーダで使用されるスケールの平面図及び断面図である。 同スケールの薄膜の膜厚と光源電流との関係を示すグラフである。 同スケールの製造方法を説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係るスケールの断面図である。

符号の説明

１…光電式エンコーダ、１０，１０′…メインスケール、１１…ベース材、１２…突条、１３…反射膜、２０…インデックススケール、２２…マーク、３０…光源、４０…受光素子。

Claims (8)

1. 金属テープからなるベース材と、
   このベース材の一方の面に金属薄膜によって形成され、前記ベース材の長手方向に所定のピッチで配列された複数の突条と
   を備え、
   前記複数の突条によって前記ベース材の長手方向に形成される凹凸部は目盛りを形成し、共に光の反射面を形成している光電式エンコーダのスケールの製造方法であって、
   円筒の側面に前記ベース材を巻き付けた状態で、前記ベース材の表面に金属薄膜を形成する工程と、
   前記金属薄膜が形成されたベース材をリボン状に巻き取って一対のローラ間で巻き取り及び巻き戻しによって順次移動させながら、
   前記金属薄膜上にレジストを塗布し、
   前記塗布されたレジストにマスクを介して光を照射して前記目盛りに対応した所定のパターンを形成し、
   前記金属薄膜を選択的にエッチングすることによって前記凹凸を形成する
   工程と
   を備えたことを特徴とする光電式エンコーダのスケールの製造方法。
2. 前記凹部は、反射面を形成している前記ベース材の表面であり、
   前記凸部は、反射面を形成している前記突条の表面である
   ことを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダのスケールの製造方法。
3. 前記突条が形成された前記ベース材を覆う反射膜を形成する工程を有し、
   前記反射膜の凹凸部が前記光の反射面を形成している
   ことを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダのスケールの製造方法。
4. 前記ベース材は、前記表面がラップ処理されたステンレステープからなることを特徴とする請求項２記載の光電式エンコーダのスケールの製造方法。
5. 前記薄膜は、Ｃｒ薄膜からなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の光電式エンコーダのスケールの製造方法。
6. 前記反射膜は、Ｃｒ薄膜からなることを特徴とする請求項３記載の光電式エンコーダのスケールの製造方法。
7. 前記凹凸部の段差ｄは、使用される光電式エンコーダの光源からの光の波長をλ、スケールに対する入射角をθとしたとき、
   λ／（４・cosθ）×０．８＜ｄ＜λ／（４・cosθ）×１．２
   の範囲に設定されている
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の光電式エンコーダのスケールの製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の製造方法により製造されたスケールと、
   このスケールに対して相対移動して前記スケールの目盛りに対応する他の目盛りを有するインデックススケールと、
   このインデックススケールと共に前記スケールに対して相対移動して前記インデックススケールを介して前記スケールに光を照射する光源と、
   前記光源から照射され前記スケールで反射された光を受光する受光手段と
   を備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。
   

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