JP5846686B2 - 光電式エンコーダのスケールの製造方法 - Google Patents

光電式エンコーダのスケールの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、リニアエンコーダ、ロータリエンコーダ等に使用される光電式エンコーダの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、例えば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移動可能に配置されたインデックススケールとを有し、光源からインデックススケールを介してメインスケールに照射され、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部で受光するように構成される。メインスケールとインデックススケールには、それぞれ所定ピッチの格子(目盛り)が形成されている。このメインスケール及びインデックススケールの格子形成方法には、従来から種々の方法が提案されている(特許文献1〜8)。
しかしながら、これらの従来技術は、格子形成のための成膜装置に真空容器を必要とするため製造コストが非常に高い(特許文献1,2,5,6)、格子を高精度に形成することが困難(特許文献3,4,6,8)、反射光量の低下による検出精度低下(特許文献7)という問題があった。
特開2006−162498号公報 特開2009−264923号公報 特開2006−337321号公報 特開2010−025908号公報 特公昭63−011605号公報 特開2008−170286号公報 特開2011−271174号公報 特開2003−241392号公報
本発明は、このような問題点に鑑みされたもので、製造コストが低く、特性、膜厚分布及び形成膜の密着性が良好であり、格子形状の精度も高い光電エンコーダの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。
本発明に係る光電式エンコーダのスケールは、表面が導電性で光反射面が形成されたベース材と、前記ベース材の表面にめっき法によって形成され、前記ベース材に所定のピッチで配列された光吸収性の格子とを備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る光電式エンコーダのスケールは、表面が黒化処理されたベース材と、前記ベース材の表面にめっき法によって形成され、前記ベース材に所定のピッチで配列された光反射性の金属格子とを備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る光電式エンコーダのスケールは、表面が粗化されたベース材と、前記ベース材の表面にめっき法によって形成され、前記ベース材に所定のピッチで配列された光反射性の金属格子とを備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る光電式エンコーダのスケールは、表面に導電性の光透過膜が形成された光吸収性又は光透過性のベース材と、前記ベース材の表面に電気めっき法によって形成され、前記ベース材に所定のピッチで配列された光反射性の金属格子とを備えたことを特徴とする。
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、ベース材の表面に下地処理を施す工程と、前記下地処理が施されたベース材の表面にめっき法によって金属膜を形成する工程と、前記金属膜上に所定のピッチで配列されたレジストを形成する工程と、前記レジストをマスクとして前記金属膜をエッチングして前記ベース材に所定のピッチで配列された金属格子を形成する工程とを備えることを特徴とする。
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、ベース材の表面に下地処理を施す工程と、前記下地処理が施されたベース材の表面に所定のピッチで配列されたレジストを形成する工程と、めっき法によって前記レジストの間のベース材の表面に金属膜を形成する工程と、前記レジストを除去して前記ベース材に所定のピッチで配列された金属格子を形成する工程とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、製造コストが低く、特性、膜厚分布及び形成膜の密着性が良好であり、格子形状の精度も高い光電エンコーダのスケール及びその製造方法を提供できる。
第1の実施の形態に係る光電式エンコーダ1の概略を示す斜視図である。 第1の実施の形態に係る光電式エンコーダ1で使用されるメインスケール10の平面図及び断面図である。 第1の実施の形態に係るメインスケール10の第1の製造方法を示す断面図である。 第1の実施の形態に係るメインスケール10の第2の製造方法を示す断面図である。 第2の実施の形態に係るメインスケール10aの断面図である。 第2の実施の形態に係るメインスケール10aの第1の製造方法を示す断面図である。 第2の実施の形態に係るメインスケール10aの第2の製造方法を示す断面図である。 第3の実施の形態に係るメインスケール10bの断面図である。 第3の実施の形態に係るメインスケール10bの製造方法を示す断面図である。 第4の実施の形態に係るメインスケール10cの断面図である。 第4の実施の形態に係るメインスケール10cの第1の製造方法を示す断面図である。 第4の実施の形態に係るメインスケール10cの第2の製造方法を示す断面図である。 第5の実施の形態に係るメインスケール10dの断面図である。 第5の実施の形態に係るメインスケール10dの製造方法を示す断面図である。 第6の実施の形態に係るメインスケール10eの断面図である。 第6の実施の形態に係るメインスケール10eの第1の製造方法を示す断面図である。 第6の実施の形態に係るメインスケール10eの第2の製造方法を示す断面図である。
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。
[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施の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、メインスケール10、インデックススケール20、光源30、及び受光部40を有する。メインスケール10は、測定軸Xに沿って延びる。インデックススケール20は、メインスケール10に対して相対的に移動する。光源30は、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。受光部40は、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。メインスケール10とインデックススケール20には、それぞれ目盛りを形成する所定ピッチの格子12,22が形成される。メインスケール10とインデックススケール20の相対移動に伴い両スケール10、20に形成された格子12,22の位相は変化する。この変化を受光部40は光学的に検出し、メインスケール10に対するインデックススケール20の位置が検出される。
次に、図2を参照して、メインスケール10について具体的に説明する。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、反射型振幅格子として用いられる。メインスケール10は、図2に示すように、ベース材11、及び複数の黒色格子12を有する。ベース材11は、導電性で表面に光反射面が形成された金属(例えば、ステンレス、鉄、アルミニウム等)により構成される。黒色格子12は、ベース材11の一方の面上に形成され、ベース材11の長手方向に所定のピッチで配列される。この黒色格子12により、ベース材11上には、その長手方向に目盛りとして働く明暗部が形成される。黒色格子12は、例えば黒色めっき(黒ニッケル、黒クロム)や黒化処理等の光吸収材により構成され、その反射率は、ベース材11の光の反射率よりも低い。
以上のように、黒色めっき等からなる黒色格子12は導電性の金属からなるベース材11の上に形成されるので、黒色格子12はベース材11上に無電解めっき法だけでなく、電気めっき法でも形成できる。
次に、図3を参照して、第1の実施の形態に係るメインスケール10の第1の製造方法について説明する。図3(a)に示すように、先ず、ベース材11上に黒色薄膜12’が形成される。ここで、黒色薄膜12’は、電気めっき法を用いた黒ニッケルめっき、黒クロムめっき等により、10μm以下の薄膜として形成される。
次に、図3(b)に示すように、黒色薄膜12’上にベース材11の長手方向に所定のピッチで配列されたレジスト51が形成される。続いて、図3(c)に示すように、レジスト51を介して黒色薄膜12’がエッチングされる。このエッチングに際して、黒色薄膜12’が黒ニッケルの場合、エッチング液は硝酸系が用いられ、黒色薄膜12’が黒クロムの場合、硝酸第二セリウムアンモンが用いられる。エッチング後に残存した黒色薄膜12’は、ベース材11の長手方向に所定のピッチで配列される複数の黒色格子12となる。そして、図3(d)に示すように、レジスト51は除去される。
次に、図4を参照して、第1の実施の形態に係るメインスケール10の第2の製造方法について説明する。図4(a)に示すように、先ず、ベース材11上にベース材11の長手方向に所定のピッチで配列されたレジスト51が形成される。続いて、図4(b)に示すように、上述した黒色めっき等によりレジスト51の間を埋める複数の黒色格子12が形成される。そして、図4(c)に示すように、レジスト51は除去される。
第1の実施形態によれば、黒色格子12が金属のベース材11の上にめっき法により形成されるので、真空容器を使用する必要が無く、製造コストを低く抑えることができる。また、形成膜の密着性も膜厚分布も良好で、光透過膜等を介さないため、反射効率も良好である。更に、黒色格子12は、フォトリソグラフィ技術により形成されるので、格子形状の精度も高いという利点がある。
特に、第1の製造方法によれば、使用するレジスト51にめっき、前処理薬品の耐性等による制限がなく、簡単なプロセスで成膜可能であるという効果がある。
また、第2の製造方法によれば、黒色薄膜12’のエッチングが不要であるため、更なるコストダウンが可能であり、また、サイドエッチングによる格子形状の劣化という問題も生じないという利点がある。
[第2の実施の形態]
次に、図5を参照して、第2の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。第2の実施の形態においては、図5に示すメインスケール10aが第1の実施の形態と異なる。メインスケール10a以外の他の構成は、第1の実施形態と同様であるため、第2の実施の形態においてはその説明を省略する。
メインスケール10aにおいて、ベース材11aは金属やガラス、セラミック、カーボンコンポジット等により構成され、図5に示すように、その上面を粗化されている。なお、ベース材11aは、その下面を粗化されていても良いし、その表面全体を粗化されていても良い。金属格子12aは、粗化されたベース材11aの上面に光反射膜として形成され、下地が粗化されているため、レベリング性のあるめっき、例えばニッケル、クロムめっきに光沢剤を加えたもの等により形成される。金属格子12aは、ベース材11aの長手方向に所定のピッチで配列される。
次に、図6を参照して、第2の実施の形態に係るメインスケール10aの第1の製造方法について説明する。図6(a)に示すように、先ず、下地処理としてベース材11aの上面を粗化する。この粗化は、サンドブラスト又は薬品を用いて行うことができる。続いて、図6(b)に示すように、粗化されたベース材11aの表面に、粗面を平坦化できる程度に厚い膜厚で金属薄膜12a’を電気めっきまたは無電解めっき法により形成する。以下、図3(b)〜(d)と同様に、レジスト51の形成(図6(c))、金属薄膜12a’のエッチング(図6(d))、レジスト51の除去(図6(e))を順次実行し、メインスケール10aを製造する。
次に、図7を参照して、第2の実施の形態に係るメインスケール10aの第2の製造方法について説明する。図7(a)に示すように、先ず、ベース材11aの上面を粗化する。続いて、図7(b)に示すように、粗化されたベース材11aの表面に、ベース材11の長手方向に所定のピッチで配列されたレジスト51を形成する。続いて、図7(c)に示すように、電気めっきまたは無電解めっき法によりレジスト51の間を埋める複数の金属格子12aを形成する。金属格子12aは、ベース材11aの粗面を平坦化できる程度に厚い膜厚で形成する。そして、図7(d)に示すように、レジスト51を除去する。
第2の実施形態によれば、めっきからなる金属格子12aは粗化されたベース材11aの上に形成されるので、アンカー効果により金属格子12aのベース材11aに対する密着性が高くなる。また光反射膜となる金属格子12aは粗面が金属からなるベース材11aの上に形成される場合、金属格子12aはベース材11a上に電気めっき法で形成できる。
また、本実施形態のうち、粗面がガラス等の反射率の低い材料の場合、乱反射による迷光の影響が小さいという効果がある。
[第3の実施の形態]
次に、図8を参照して、第3の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。第3の実施の形態においては、図8に示すメインスケール10bが第1の実施の形態と異なる。メインスケール10b以外の他の構成は、第1の実施形態と同様であるため、第3の実施の形態においてはその説明を省略する。また、メインスケール10bにおいて、上記実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し、その説明を省略する。
第1及び第2の実施形態が反射型振幅格子であったのに対し、第3の実施形態のメインスケール10bは、反射型位相格子として用いられる。メインスケール10bは、図8に示すように、ベース材11bの表面に下地処理として導電膜13bが形成されている。金属格子12aは導電膜13bを介してベース材11bの上面に形成される。ベース材11bは、ガラスにより構成される。導電膜13bは、光を反射し、金属格子12aと同じ金属(例えば、ニッケル)にて構成される。また、金属格子12aも反射膜として形成される。なお、第3の実施の形態では、位相格子を形成するため、金属格子12aの厚みは、メインスケール10bに照射される光の波長の1/4に設定される。
以上のように、めっきからなる金属格子12aは同種金属からなる導電膜13b上に形成されるので、金属格子12aは導電膜13bに上に電気めっきまたは無電解めっき法で密着性良く形成することができる。
次に、図9を参照して、第3の実施の形態に係るメインスケール10bの製造方法について説明する。先ず、図9(a)に示すように、無電解めっき法を用いて、ベース材11bの上面に下地処理として導電膜13bを形成する。続いて、図9(b)に示すように、導電膜13b上に、ベース材11bの長手方向に所定のピッチで配列されたレジスト51を形成する。次に、図9(c)に示すように、電気めっきまたは無電解めっき法により導電膜13bと同様の金属により、レジスト51の間を埋める複数の金属格子12aを形成する。そして、図9(d)のように、レジスト51を除去する。
第3の実施形態によれば、メインスケール10bが位相格子を構成しているので、金属格子12aの膜厚管理がシビアであるという課題はあるが、電気めっきまたは無電解めっきのいずれかにより形成可能であるうえ、反射光量の低下がなく、形成膜の膜厚分布及び密着性が良好であり、金属格子の形成精度も良好であるという効果がある。
[第4の実施の形態]
次に、図10を参照して、第4の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。第4の実施の形態においては、図10に示すメインスケール10cが第1の実施の形態と異なる。メインスケール10c以外の他の構成は、第1の実施形態と同様であるため、第4の実施の形態においてはその説明を省略する。また、メインスケール10cにおいて、上記実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し、その説明を省略する。
メインスケール10cは、図10に示すように、ベース材11cの表面に下地処理として透明導電膜13cが形成されている。ベース材11cは、光を吸収する材料(例えば、黒めっき処理された金属・ガラス・セラミック・カーボンコンポジット等)又は光を透過する材料(例えば、ガラス)により構成される。透明導電膜13cは、例えば、インジウムすず酸化物(ITO)、すず酸化物(SnO)、酸化亜鉛(ZnO等)により構成される。この透明導電膜13c上に光反射膜である金属格子12aが形成されている。ベース材11cは、光を吸収又は透過する材料であるため、金属格子12aに照射されなかった光は、透明導電膜13cを透過してベース材11cで吸収されるか、ベース材11cを透過する。従って、受光部40は、金属格子12aで反射された光のみを検出する。
次に、図11を参照して、第4の実施形態の第1の製造方法について説明する。図11(a)に示すように、先ず、ベース材11c上に、下地処理として透明導電膜13cを、例えばコストが安い塗布法により形成する。続いて図11(b)に示すように、透明導電膜13cをシード層としてベース材11cの上に、金属薄膜12a’を電気めっき法により形成する。以下、図3(b)〜(d)と同様に、レジスト51の形成(図11(c))、金属薄膜12a’のエッチング(図11(d))、レジスト51の除去(図11(e))が順次実行され、メインスケール10cが製造される。
次に、図12を参照して、第4の実施形態の第2の製造方法について説明する。図12(a)に示すように、先ず、ベース材11c上に、下地処理として透明導電膜13cを塗布法により形成する。続いて、図12(b)に示すように、透明導電膜13cの上に、ベース材11cの長手方向に所定のピッチで配列されたレジスト51を形成する。続いて、図12(c)に示すように、電気めっき法によりレジスト51の間を埋める複数の金属格子12aを形成する。そして、図12(d)に示すように、レジスト51を除去する。
第4の実施形態によっても上記第1〜第3の実施形態と同様の効果を奏する。更に、本実施形態によれば、透明導電膜13cがめっき時のシード層となるので、電解めっきが容易であり、しかもシード層除去が不要であるという効果を奏する。更に、メインスケール10cが反射型の場合、透明導電膜13cの厚さをλ/4とすることで、よりベース材11cからの影響を低減できる。
また、本実施形態によれば、ベース材11cが透明部材である場合、メインスケール10cが反射型、透過型のいずれの振幅格子としても使用可能であるという利点がある。
[第5の実施の形態]
次に、図13を参照して、第5の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。第5の実施の形態においては、図13に示すメインスケール10dが第1の実施の形態と異なる。メインスケール10d以外の他の構成は、第1の実施形態と同様であるため、第5の実施の形態においてはその説明を省略する。また、メインスケール10dにおいて、上記実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し、その説明を省略する。
メインスケール10dは、図13に示すように、ベース材11の表面が下地処理として黒化処理されて黒化処理層13dが形成されている。金属格子12aは、黒化処理層13dの上に光反射膜として形成されている。黒化処理層13dを形成する黒化処理としては、例えば、表面酸化処理等を用いることが出来る。
次に、図14を参照して、第5の実施形態の製造方法について説明する。図14(a)に示すように、先ず、ステンレス、鉄、アルミニウム等の金属のベース材11の表面を下地処理として黒化処理(酸化処理、黒ニッケル処理等)して黒化処理層13dを形成する。続いて図14(b)に示すように、黒化処理層13dの上に、ベース材11の長手方向に所定のピッチで配列されたレジスト51を形成する。続いて、図14(c)に示すように、電気めっきまたは無電解めっき法によりレジスト51の間を埋める複数の金属格子12aを形成する。そして、図14(d)に示すように、レジスト51を除去する。
第5の実施の形態においては、先に述べた効果に加え、黒化処理により金属薄膜のベース材に対する密着性がより良好になるという効果を奏する。
[第6の実施の形態]
次に、図15を参照して、第6の実施の形態に係る光電式エンコーダについて説明する。第6の実施の形態においては、図15に示すメインスケール10eが第1の実施の形態と異なる。メインスケール10e以外の他の構成は、第1の実施形態と同様であるため、第6の実施の形態においてはその説明を省略する。また、メインスケール10eにおいて、上記実施の形態と同様の構成については、同一符号を付し、その説明を省略する。
メインスケール10eは、図15に示すように、ベース材11表面に下地処理として光反射膜として例えばニッケルめっき、クロムめっきなどの導電膜13eが形成されたものである。金属格子12eは、光を吸収する黒色めっき(黒ニッケル、黒クロム)により構成される。ベース材11は、金属、ガラス、樹脂等、任意のものを使用することができる。ベース材11として非導電体を用いた場合には、導電膜13eは無電解めっきにより形成することができる。
次に、図16を参照して、第6の実施の形態に係るメインスケール10eの第1の製造方法について説明する。図16(a)に示すように、先ず、下地処理としてベース材11の上面にめっきなどにより光反射膜としての導電膜13eを形成する。続いて、図16(b)に示すように、導電膜13eの表面に、光吸収膜としての金属薄膜12e’を黒色めっき等により形成する。以下、図3(b)〜(d)と同様に、レジスト51の形成(図16(c))、金属薄膜12e’のエッチング(図16(d))、レジスト51の除去(図16(e))を順次実行し、メインスケール10eを製造する。
次に、図17を参照して、第2の実施の形態に係るメインスケール10eの第2の製造方法について説明する。図17(a)に示すように、先ず、ベース材11の上面めっきなどにより光反射膜としての導電膜13eを形成する。続いて、図17(b)に示すように、導電膜13eの表面に、ベース材11の長手方向に所定のピッチで配列されたレジスト51を形成する。続いて、図17(c)に示すように、黒色めっきによりレジスト51の間を埋める複数の金属格子12eを形成する。そして、図17(d)に示すように、レジスト51を除去する。
第6の実施形態によれば、先に述べた効果に加え、金属格子12eとして黒色めっきからなる光吸収層を使用しているので、膜厚制御が容易であるという効果を奏する。また、ベース材11の材質を問わないため、目的に応じて最適な材料を選択できるメリットがある。
なお、以上の実施の形態では、リニアエンコーダを例にとって本発明を説明したが、本発明はロータリエンコーダにも適用可能であることはいうまでもない。
1…光電式エンコーダ、 10、10a〜10e…メインスケール、 11、11a〜11c…ベース材、 12…黒色格子、 12a、12e…金属格子、 13b…導電膜、 13c…透明導電膜、 20…インデックススケール、 22…格子、 30…光源、 40…受光部、 51…レジスト。

Claims (5)

  1. ベース材の表面に酸化処理を施して、黒化処理層を形成する工程と、
    前記黒化処理層の表面に所定のピッチで配列されたレジストを形成する工程と、
    めっき法によって前記レジストの間の黒化処理層の表面に金属膜を形成する工程と、
    前記黒化処理層を残す様に前記レジストを除去して前記ベース材に所定のピッチで配列された光反射膜である金属格子を形成する工程と
    を備える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. ベース材の表面に導電膜を形成する工程と、
    前記導電膜の表面に所定のピッチで配列されたレジストを形成する工程と、
    めっき法によって前記レジストの間の前記導電膜の表面に金属膜を形成する工程と、
    前記導電膜を残す様に前記レジストを除去して前記ベース材に所定のピッチで配列された金属格子を形成する工程と
    を備える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。
  3. 前記導電膜は、導電性の金属反射膜であり、
    前記金属格子は前記金属反射膜と同種金属の光反射膜である
    ことを特徴とする請求項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、光吸収性材料又は光透過性材料により形成され、
    前記導電膜は、透明導電膜であり、
    前記金属格子は光反射膜である
    ことを特徴とする請求項記載の光電式エンコーダのスケールの製造方法。
  5. 前記導電膜は、導電性の光反射膜であり、
    前記金属格子は黒化処理された金属膜である
    ことを特徴とする請求項記載の光電式エンコーダのスケールの製造方法。
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