JP4963233B2 - 光学式エンコーダ用スケール - Google Patents

Description

本発明は、直線方向または回転方向の変位、移動距離を検出する光学式エンコーダに用いられるスケールに関する。

光学式リニアエンコーダは、目盛りが刻まれたリニアスケールと、リニアスケールの目盛りを読み取る光学式読取器から構成される。光学式エンコーダの読み取り方式には、透過型と反射型とがあり、反射型の場合、リニアスケール上の目盛り部分は、光を反射可能な構造を有する。

従来、リニアスケール上に目盛りを刻むための技術としては、打ち抜き成型やフォトエッチングなどが知られている。下記の特許文献１には、透明基板の表面に金属蒸着膜を形成し、さらにこの金属蒸着膜の上に感光剤からなる遮光膜を形成し、この遮光膜をエッチングすることにより、金属蒸着膜の露出部分により反射領域が形成される光学式ロータリーエンコーダ用反射スケールを形成する手法が提案されている。

しかしながら、打ち抜き成型による手法は、金型の設計製作に多大な費用と時間がかかる。また、フォトエッチングによる手法は、マスクの設計製作に多大な費用と時間がかかる。さらに、長尺のリニアスケールを採用した場合、長尺の金型やマスクの製作や加工方法が極めて困難になる。

このような問題に対処するために、下記の特許文献２は、レーザ加工によりエンコーダ用スケールを形成する方法を提案している。この特許文献２では、１）薄肉の金属板にレーザで貫通穴を形成することにより透過型のスケールを形成する方法、２）透明基板上に遮光性金属被膜を施し、レーザで金属膜を除去することにより透過型のスケールを形成する方法、３）金属の表面にレーザで粗面領域を形成することにより反射型のスケールを形成する方法、という３つの手法が提案されている。

特開平１０−８２６６１号公報（図１） 特開２００４−３０１８２６号公報（図９、図１０） 特開平１１−６４６１４号公報

しかしながら、特許文献２の手法１）に関して、薄肉の金属スケールが自己の形状を保つためには、ある程度の厚みが必要になる。そのため、厚い材料に貫通穴を開けるには大きなレーザエネルギーが要求され、コストと時間がかかるという問題がある。

特許文献２の手法２）に関して、透過型のロータリーエンコーダ用スケールとして使用するには問題は少ない。しかし、反射型のスケールとして使用する場合には、透明基板を通過した光が迷光とならないように処理しなければならないという問題がある。

さらに、リニアエンコーダでは、スケールの長さが例えば数メートルになることがある。手法２）を反射型のリニアエンコーダ用のスケールに適用し、透明基板としてガラス材料を用いた場合、それだけの長さのガラススケールを製作すること自体が難しく、そのガラスにスケールを刻むための加工装置も大掛かりなものとなる。透明基板として樹脂材料を用いた場合は、温度変化に対する変動や傷に対して弱いなどの問題がある。

手法３）は、上記手法１）と２）の問題点は解消されているものの、粗面の状態をレーザ加工によって制御することは難しく、また粗面領域では散乱反射光が発生するので、鏡面領域からの反射光と交じり合ってしまい、大きなノイズが発生するという本質的な問題がある。

本発明の目的は、上記のような問題点を解決するため、環境変化に対して安定で、かつ反射迷光の少ない光学式エンコーダ用スケールを提供することである。

本発明に係る光学式エンコーダ用スケールは、
金属テープで構成された平面状の基材と、
該基材の上に設けられ、光吸収性材料からなる第１層と、
該第１層の上に設けられ、光反射性材料からなる第２層とを備え、
第２層には、目盛りとして、第１層が露出した周期的な開口領域が設けられ、
前記開口領域での第１層の表面に、反射防止膜が施されており、
反射防止膜の屈折率は、第１層の屈折率と第２層の屈折率との間であることを特徴とする。

本発明によれば、スケール素材として、基材の上に光吸収性材料からなる第１層および光反射性材料からなる第２層が積層された積層材を採用し、目盛りとして、第２層に周期的な開口領域を設けている。これにより、光学式読取器からの検出光に対する第１層と第２層の光学コントラストが向上し、反射や散乱による迷光が少なくなり、温度変化や傷などに対して安定になるため、低ノイズで高精度の位置検出を実現できる。また、開口領域での第１層の表面に反射防止膜を施すことによって、開口領域からの反射迷光が少なくなり、高いコントラストの信号が得られる。

実施の形態１．
図１は、本発明に係るスケール素材４の一例を示す斜視図である。スケール素材４は、平面状の基材１の上に、順次、光吸収性の黒下地層２および光反射性の金属膜３が積層された積層材として構成される。

基材１は、ガラス、プラスチック、金属等の材料を用いて剛性の高い板状や可撓性のあるテープ状に加工したものが使用でき、特に、金属テープであることが好ましい。金属テープを採用した場合、ガラスとは違ってリールに巻いて収納することができ、また、数メートルに及ぶ長尺スケールも加工できることから、加工や設置の際、運搬や保管の容易さの点で好都合である。

また、金属テープは、プラスチックよりも温度に対する膨張が小さいので、温度変化によるスケールの伸び縮みが小さく、傷が付きにくいという利点もある。すなわち、基材１として金属テープを使用することにより、ガラス基板やプラスチック基板よりも扱いやすく、環境の変化に強いという利点がある。

黒下地層２は、基材１との接着強度が高く、光吸収性の材料で形成される。例えば、基材１として金属テープを使用した場合、黒下地層２として黒色クロムメッキを用いることが好ましい。黒下地層２の表面は、研磨を施すことにより、高い平面性および表面粗さに保たれる。

金属膜３は、例えば、蒸着やスパッタ、ＣＶＤ等により形成することができる。金属膜３の厚さは、光学式エンコーダの検出に使用する波長の光が透過しない程度にできるだけ薄くすることが好ましい。金属膜３が薄いほど、小さなエネルギー量のレーザで金属膜３を剥離できるからである。

特に、金属膜３は、厚さ５００ｎｍ程度の金（Ａｕ）であることが好ましい。黒下地層２の表面が研磨されていると、金属膜３をごく薄く蒸着した場合でも、金属膜３の表面は、下地層と同様に凹凸のない光沢面が得られる。この金属膜３に向けて光学式読取器からの検出光が照射されると、検出光の大部分が正反射し、散乱光はほぼ皆無となって、迷光の少ない良好な信号が得られる。

このように黒下地層２をクロム等の金属で形成することによって、傷や薬品に対する耐久性を高めることができ、さらに、研磨により鏡面状態を容易に形成でき、その上に被膜する金属膜３も鏡面状態にすることが可能である。

図２は、スケール素材４の加工方法の一例を示す斜視図である。スケール素材４は、Ｘ方向に沿って移動可能な移動ステージ２１の上に搭載される。

レーザ発振器１４から出射したレーザ光ＬＢは、転写マスク１３を照射する。転写マスク１３の像は、ミラー１２および転写レンズ１１によってスケール素材４の表面上に結像される。転写マスク１３の開口形状は、最終的に得られるスケール上の開口領域５の形状に応じて決定される。例えば、スケール目盛りとして、開口領域５の幅（Ｘ方向）が２０μｍ、長さ（Ｙ方向）が３００μｍ、ピッチが４０μｍとなるように設計し、転写レンズ１１の縮小転写倍率が１／２０とした場合、転写マスク１３の開口形状は、幅０．４ｍｍ×長さ６ｍｍとなる。

移動ステージ２１が停止した状態で、レーザ光ＬＢを発生すると、転写マスク１３の開口形状に対応した領域における金属膜３が溶融、蒸発して、黒下地層２が露出した開口領域５が形成される。続いて、移動ステージ２１をＸ方向に沿って１ピッチ分移動する。次に、移動ステージ２１が停止した状態で、レーザ光ＬＢの照射を行うと、第２の開口領域５が形成される。こうした手順を繰り返し実施することによって、一定ピッチで配列した周期的な開口領域５が得られる。

レーザ発振器１４として、所定の周期でパルス光を発生するパルスレーザ光源を用いた場合、パルス照射タイミングに同期して、移動ステージ２１を連続的に移動させることにより、一定ピッチの周期的な開口領域５を形成することができる。例えば、移動ステージ２１の送り速度を、パルス照射の１周期で４０μｍ移動するように設定すれば、４０μｍピッチの開口領域５が得られる。こうしてパルスレーザ光を使用した場合、移動ステージ２１の連続動作だけで一定ピッチの目盛りを加工できるため、生産性が向上する。

金属膜３をできるだけ薄くすることにより、少ないレーザパルス数で金属を剥離することが可能である。発明者による実験では、金属膜３を厚さ５００ｎｍ、金（Ａｕ）とした場合、照射するレーザエネルギー量に依存するが、２，３パルス、あるいは１パルスのレーザで金属膜３を剥離することができた。

金属膜３が除去された開口領域５では、光吸収性の黒下地層２が露出するため、金属膜３の光反射領域と開口領域５の光吸収領域との組合せにより、高い光学コントラストを有する目盛りが得られる。

次に、黒下地層２の上に金属膜３を設ける利点について説明する。上記特許文献１では、レーザ加工ではなく、エッチングによって感光剤の薄膜を除去するスケール形成法が提案されいるが、その膜の構成は、透明基板の上に金属膜があって、その上に選択除去される遮光膜でもある感光剤が塗布されている。この特許文献１のように、金属膜の上に遮光膜が形成されているスケール素材に対し、レーザ加工によって上部の遮光膜を剥離しようとすると、下地の金属膜にもレーザエネルギーの影響が及ぶ可能性が多分にある。すなわち、余分なレーザエネルギーに起因して、反射すべき金属膜の表面が荒れてしまうと、光学式読取器からの検出光が散乱してしまい、良好な信号を得ることができない。

これに対して本発明に係るスケール素材４の構成は、反射面である金属膜３の下に光吸収層である黒下地層２を設けているため、仮にレーザエネルギー量が強すぎて黒下地層２の表面が荒れてしまった場合でも、そこは検出光を吸収する領域であるので、光散乱などの問題が生じないという利点がある。

また、特許文献２の手法３）では金属表面を粗面領域に加工する手法を用いているが、本発明では、光反射領域と光吸収領域との間で光のコントラストを増強しているため、迷光が抑制され、高Ｓ／Ｎ比の信号が得られる。

このように、図１に示すスケール素材４に対してレーザ加工を適用することによって、上面の金属膜３は非常に薄いので、小さなエネルギー量のレーザ光あるいは少ないレーザパルス数のレーザ光で金属膜３を剥離できる。よって、低コストで短時間で生産性よく光学式エンコーダ用スケールを加工することができる。

また、基材１の上に黒下地層２を設け、その上に金属膜３を設けているため、万一、照射するレーザエネルギー量が強すぎて黒下地層２の表面が荒れてしまった場合でも、荒れた表面は光吸収面であることから、散乱光が余り発生しない。従って、照射レーザエネルギー量の許容範囲が拡大するため、スケールの生産性が高くなる。

なお、以上の説明では、レーザ光を転写マスク１３に照射し、転写レンズ１１を用いてスケール素材４に転写する方法について説明したが、本発明はこの方法に限定されるものでない。例えば、転写マスク１３および転写レンズ１１の代わりに、ガルバノミラーなどのレーザスキャナーを用いて、移動ステージ２１の移動とともにレーザビームを開口領域５の範囲で走査することによって、金属膜３を剥離することができる。さらに、転写マスク１３とレーザスキャナーの組合せによるレーザ加工も可能である。

実施の形態２．
図３は、本発明に係るスケール素材４の他の例を示す断面図である。スケール素材４は、平面状の基材１の上に、順次、光吸収性の黒下地層２および光反射性の金属膜３が積層された積層材として構成され、さらに金属膜３の表面および開口領域５での黒下地層２の表面に、反射防止膜６が施されている。

反射防止膜６は、黒下地層２と大気との間の屈折率変化を緩和して、表面反射を低減する役割を果たす。例えば、金属膜３として金（Ａｕ）を使用し、黒下地層２としてクロム（Ｃｒ）を使用した場合、金の複素屈折率は、ｎ＝１．０、消衰係数ｋ＝７であり、クロムの複素屈折率は、ｎ＝２．７、消衰係数ｋ＝３．０である。複素屈折率を用いたフレネルの式によると、金の反射率は９２％、クロムの反射率は５２％と計算される。光吸収面での反射率５２％という数値は決して小さくなく、反射防止膜６を設けることによって、この反射率を低減することができる。

反射防止膜６の屈折率は、黒下地層２の屈折率と金属膜３の屈折率との間の実屈折率を持つことが好ましく、この場合、金属膜３に対しては反射防止膜６の干渉条件は成立しない。例えば、反射防止膜６の材料として、屈折率１．３７のフッ化マグネシウムＭｇＦ_２を用いた場合、クロムの実屈折率（２．７）の方が高くなるため、黒下地層２での反射の際に光の位相が反転する。また、反射防止膜６をＭｇＦ_２単層で構成した場合、検出光の波長λを０．８８μｍとして、干渉により光を打ち消すための反射防止膜６の厚さはＭｇＦ_２内でのλ／４に相当し、０．８８／１．３７／４＝０．１６μｍとなる。一方、金の実屈折率は、ＭｇＦ_２よりも小さく、金とＭｇＦ_２の界面では光の位相が反転しないため、０．１６μｍ厚のＭｇＦ_２単層は、金属膜３に対する反射防止として機能せず、金属膜３の表面は高反射率に保たれる。

このように、黒下地層２と金属膜３の中間の屈折率を持つ反射防止材料を選択することにより、黒下地層２に対しては光をよく吸収し、金属膜３に対しては反射防止として機能しない反射防止膜６を実現できる。その結果、開口領域５からの反射迷光が少なくなり、高いコントラストの信号が得られる。

また、反射防止膜６を全面に設けることによって、金属膜３および黒下地層２の酸化を防止したり、傷や薬品に対して耐性のある保護コートとしての役割も果たす。

実施の形態３．
本実施形態は、図２に示したレーザ発振器１４として、紫外レーザ光を発生するレーザ発振器を使用している。金属は、一般に、可視領域では反射率が高く、吸収率が低いが、紫外域では吸収率が高くなるので、小さなエネルギーのレーザでも金属膜３の剥離が可能になる。従って、紫外レーザを用いることによって、小さなエネルギー量のレーザ光あるいは少ないレーザパルス数のレーザ光で金属膜３を剥離できる。よって、低コストで短時間で生産性よく光学式エンコーダ用スケールを加工することができる。

実施の形態４．
（実施の形態１．）では、黒下地層２が黒色クロムメッキを施した研磨面の場合を例にとり詳細に説明をした。しかしながら、黒下地層２は、単層ではなくとも、黒色の金属層とその上に施された透明な樹脂コーティング層の２層で構成されていても良い。ここではそのような場合について述べる。

平面状の基材１である金属テープとしての材料として、例えばステンレスが挙げられる。ステンレスは黒色顔料を混ぜた焼付けによって、その表面を黒色にすることができる。しかし、その表面は鏡面ではなく光散乱面であるので、その上に金を蒸着してもその金の表面は下地の散乱面の凹凸を反映して光散乱面となってしまう。また、焼付けの層は薄いので、鏡面にしようとして研磨をすると黒色の層がなくなってしまうという問題がある。その問題を解決するために、ステンレスの黒色表面上に、表面の凹凸をならして鏡面状態にするのに十分な厚みの透明樹脂を塗布する。具体的な厚みとしては、例えば数１０μｍから数１００μｍの厚みである。あまり厚すぎると、樹脂は一般的に熱膨張係数が大きく、温度によるスケール目盛りの変化が大きくなってしまうという問題が発生するので、鏡面状態を保てる範囲でできるだけ薄くするのが良い。

このように散乱面を持った黒色表面でもその上に透明樹脂を塗布することで表面を鏡面状態にすることができ、その上に金を蒸着すると金の蒸着面も鏡面状態となる。レーザ加工によって金の蒸着面を剥離すると、その剥離された領域は黒色となる。すなわち、エンコーダに使用する光が照射されると、透明樹脂領域を通してステンレスの黒色表面上でその光は吸収される。よって、金の蒸着面が残っている領域とレーザによって剥離された領域との反射光の違いが大きく、高コントラストの信号が得られるという利点がある。

黒色クロムメッキ等のクロムを使った工程は、クロムの廃棄処理にコストがかかる可能性がある。また、数ｍにおよぶ長い金属テープの表面を研磨するのは設備費がかかる可能性がある。これに対して本実施形態の構成によれば、金属表面は、黒色メッキや焼付けなど簡単な工程で黒色処理を施して、その上に塗布された樹脂コーティングによりその表面上は鏡面状態になることから、研磨工程を省くことができる。すなわち、散乱状態である黒色表面の上に樹脂コーティングを設けることで、光反射材料である第２層の表面状態も鏡面状態に保つことができる。このような素材でエンコーダ用スケールを製作すると第２層からの反射光は散乱光のない良好な信号となり、高コントラストの信号が得られるという利点がある。

以上の説明では、スケール素材４として、基材１の上に黒下地層２と金属膜３を積層した構成例を示したが、基材１と黒下地層２との間に単層または複数層が介在してもよく、黒下地層２と金属膜３との間に単層または複数層が介在してもよく、金属膜３と反射防止膜６との間に単層または複数層が介在してもよく、いずれの構成も本発明の範囲内である。

また、以上の説明では、直線方向の変位や移動距離を検出するためのリニアスケールを作成する方法を例示したが、回転方向の変位や移動距離を検出するためのロータリスケールを作成する場合は、円板状に形成したスケール素材４を回転ステージ２１に搭載し、スケール素材４を回転させながらレーザ光を照射することによって、円周方向に沿った周期的な開口領域５を形成することができる。

本発明に係るスケール素材４の一例を示す斜視図である。 スケール素材４の加工方法の一例を示す斜視図である。 本発明に係るスケール素材４の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１ 基材、 ２ 黒下地層、 ３ 金属膜、 ４ スケール素材、 ５ 開口領域、
６ 反射防止膜、 １１ 転写レンズ、 １２ ミラー、 １３ 転写マスク、
１４ レーザ発振器、 ２１ 移動ステージ。

Claims (3)

1. 金属テープで構成された平面状の基材と、
   該基材の上に設けられ、光吸収性材料からなる第１層と、
   該第１層の上に設けられ、光反射性材料からなる第２層とを備え、
   第２層には、目盛りとして、第１層が露出した周期的な開口領域が設けられ、
   前記開口領域での第１層の表面に、反射防止膜が施されており、
   反射防止膜の屈折率は、第１層の屈折率と第２層の屈折率との間であることを特徴とする光学式エンコーダ用スケール。
2. 第１層および第２層は、金属でそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式エンコーダ用スケール。
3. 第１層は、基材表面に黒色処理された層と、該層の上に塗布された透明樹脂層とを含み、透明樹脂層の表面は鏡面状態であることを特徴とする請求項１または２記載の光学式エンコーダ用スケール。

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