(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地部材に第１領域と第２領域とが交互に配置されたエンコーダ用反射型光学式スケールであって、
前記第１領域は、前記下地部材の上に配され波長λの光を反射する反射部材と、前記反射部材の上に配された第１材料で構成された第１層と、前記第１層の上に配された第２材料で構成された第２層と、を有し、
前記第２領域は、前記下地部材の上に、前記第１材料で構成された層を介することなく配された前記第２材料で構成された層を有し、
前記第１材料および前記第２材料は、波長λの光について透過性を有し、
前記第１材料は、前記反射部材および前記第２材料よりも波長λの光の屈折率が低く、
前記第２材料は、前記下地部材よりも波長λの光の屈折率が低く、
前記第１層および前記第２層の光学膜厚は、前記第１領域の方が前記第２領域よりも波長λの光の反射率が大きくなるように設けられている、
ことを特徴とするエンコーダ用反射型光学式スケール。
【請求項２】
波長λは、赤外光の波長である、
ことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ用反射型光学式スケール。
【請求項３】
前記第１層の光学膜厚は、２λ／９±λ／９の範囲内であり、
前記第２層の光学膜厚は、λ／４±λ／４の範囲内である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンコーダ用反射型光学式スケール。
【請求項４】
前記下地部材は、シリコン基板、又は、前記光について透過性を有する基板の上にクロム、チタン、ニッケル、鉄、及び白金のうち少なくともいずれか一つを含む膜が形成された部材である、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエンコーダ用反射型光学式スケール。
【請求項５】
前記第１材料は、酸化シリコンまたはフッ化マグネシウムであり、
前記第２材料は、酸化チタン、五酸化タンタル、酸化ジルコニウム、五酸化ニオブ、酸化アルミニウム、または、酸化ランタンと酸化チタンとの混合材料である、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエンコーダ用反射型光学式スケール。
【請求項６】
前記反射部材は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のエンコーダ用反射型光学式スケール。
【請求項７】
前記下地部材はシリコン基板であり、
前記第１材料は、酸化シリコンであり、
前記第２材料は、酸化チタンである、
ことを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ用反射型光学式スケール。
【請求項８】
前記反射部材の側面および前記第１層の側面は、同一面を形成している、
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のエンコーダ用反射型光学式スケール。
【請求項９】
前記反射部材の側面、前記第１層の側面および前記第１領域を構成する前記第２層の側面は、同一面を形成している、
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のエンコーダ用反射型光学式スケール。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のエンコーダ用反射型光学式スケールと、
前記スケールに波長λの光を照射する光源と、
前記光源の前記スケールからの反射光を検出する光検出器と、を備える、
ことを特徴とする反射型光学式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダ用反射型光学式スケール及び反射型光学式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
位置情報を取得するために使用される反射型光学式エンコーダは、反射型光学式スケール、このスケールに光を照射するＬＥＤ等の光源、及びこのスケールからの反射光を検出する光検出器を含む。反射型光学式スケールは、反射領域と非反射領域が交互に配置され、反射領域における光の反射率は、非反射領域における光の反射率よりも高い。これにより、スケールからの反射光は、このスケールと対向して配された光検出器において縞状の像を生成する。光検出器は、このスケールの位置が測長方向に移動することによって生じるこの縞の位相変化を検出する。反射型光学式エンコーダは、検出された縞の位相変化にしたがって、このスケールの位置の変位情報を処理し、位置情報を取得しうる。
【０００３】
このスケールからの反射光による縞の検出を高精度化する方法の一つは、この縞のコントラスト（濃淡）を高くすることである。これにより、光検出器による誤検出を防ぎ、検出精度が向上しうる。特許文献１には、シリコン基板と、該シリコン基板の上に周期的に形成された凸部とを有し、該凸部はシリコン酸化膜と、該シリコン酸化膜の上に形成された単結晶シリコン層と、を有するスケールが開示されている。特許文献１によれば、凹部と凸部のそれぞれにおいて反射された光により形成される縞を検出することが可能である。また、特許文献２には、金属膜（反射領域）と黒下地層（非反射領域）と、が格子状に配され、その上をこれらの中間の光の屈折率を有する反射防止膜によって覆ったスケールが開示されている。特許文献２によれば、この反射防止膜は、反射領域に対しては光の反射防止として機能しない一方で、非反射領域に対しては光を吸収し、反射光による縞のコントラストが高くなる。また、特許文献３には、透明基板の上に設けられた反射防止膜の上に、反射領域と非反射領域のうち反射領域に反射格子を設けたスケールが開示されている。特許文献３によれば、検出器の受光量のうち、反射格子以外からの反射光量、特に透明基板から反射した不要な光量を低減し、精度の高い検出信号を生成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２０２８３号公報
【特許文献２】特開２００８−１７０２８６号公報
【特許文献３】特開２００４−２８８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されたスケールでは、凹部はシリコン基板、凸部は単結晶シリコンであるため、光源としてＬＥＤを用いた場合の光の波長帯域においては、光検出器が検出しうる程度の光の反射率を確保することが容易ではない。特許文献２に開示されたスケールでは、金属膜（反射領域）をも反射防止膜によって覆うため、この領域における光の反射率の低下を完全に防ぐことは難しい。また、特許文献３に開示されたスケールでは、反射領域および非反射領域における光の反射率が如何なるものかが開示されていない。
【０００６】
本発明の目的は、スケールからの反射光による像のコントラストを高くすることにより、光検出器の誤検出を防ぐことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一つの側面は、下地部材に第１領域と第２領域とが交互に配置されたエンコーダ用反射型光学式スケールであって、前記第１領域は、前記下地部材の上に配され波長λの光を反射する反射部材と、前記反射部材の上に配された第１材料で構成された第１層と、前記第１層の上に配された第２材料で構成された第２層と、を有し、前記第２領域は、前記下地部材の上に、前記第１材料で構成された層を介することなく配された前記第２材料で構成された層を有し、前記第１材料および前記第２材料は、波長λの光について透過性を有し、前記第１材料は、前記反射部材および前記第２材料よりも波長λの光の屈折率が低く、前記第２材料は、前記下地部材よりも前記波長λの光の屈折率が低く、前記第１層および前記第２層の光学膜厚は、前記第１領域の方が前記第２領域よりも波長λの光の反射率が大きくなるように設けられている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スケールからの反射光による像のコントラストを高くすることができ、光検出器の誤検出を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】反射型光学式エンコーダの構成を説明する概略図。
【図２】反射型光学式エンコーダの構成の説明を補足する図。
【図３】本発明の反射型光学式スケールの構成の例を説明する図。
【図４】反射型光学式スケールにおいて反射した光の像を説明する図。
【図５】第１材料の光学膜厚と第１領域の光の反射率の関係をプロットした図。
【図６】本発明の反射型光学式スケールによる効果を比較した図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜第１実施形態＞
図１〜６を参照しながら、本発明の第１実施形態のエンコーダ用反射型光学式スケール１を説明する。図１は、反射型光学式エンコーダ１００を説明する概略図である。反射型光学式エンコーダ１００は、反射型光学式スケール１と、検出ヘッド９０と、を含む。反射型光学式スケール１と検出ヘッド９０は、互いに対向するように配されうる。図１（ａ）では、反射型光学式スケール１が下に描かれ、検出ヘッド９０が上に描かれている。図１（ｂ）では、反射型光学式スケール１が上に描かれ、検出ヘッド９０が下に描かれている。検出ヘッド９０は、光源９１および光検出器９２、並びにこれらを含む検出基板９３を備える。光源９１は、例えば、発光面が小さく単一波長λの光を照射しうる点光源ＬＥＤである。以下の実施形態においては、光源９１が波長λ＝８５０ｎｍ程度の赤外ＬＥＤの場合を考える。また、光源９１は、発光光を平行光としうるコリメータレンズを含んでもよい。光検出器９２は、例えば、複数のフォトダイオードが所定の間隔で配置されて構成されうる。また、光検出器９２は、複数のフォトダイオードの出力信号を変換し又は増幅する周辺回路を含んでもよい。図２には、反射型光学式エンコーダ１００を他の角度からみた平面図を示す。
【００１１】
図３（ａ）は、本発明の第１実施形態の反射型光学式スケール１を示す。反射型光学式スケール１は、下地部材３０に第１領域１０と第２領域２０とが交互に配置されて構成されうる。第１領域１０は、波長λの光の反射率が第２領域２０よりも高い。これにより、光源９１から照射され反射型光学式スケール１において反射された光は、反射型光学式スケール１と対向して配された検出ヘッド９０において、具体的には光検出器９２において、図４に例示されるような縞状の像１１０を生成する。図４では、像１１０に対応する光量を模式的に示したグラフを示している。ここで、反射型光学式スケール１が検出ヘッド９０に対して相対的にｘ軸方向に（測長方向に）移動したときは、この縞状の像１１０はその２倍の距離だけシフトしうる。したがって、反射型光学式スケール１に含まれる第１領域１０および第２領域２０がＰの間隔で配置された場合は、光検出器９２に含まれる複数のフォトダイオードは、例えば、２Ｐの間隔で配置されればよい。これによって、反射光の像１１０の光量（図４）は、光検出器９２によって検出されうる。なお、第１領域１０と第２領域２０の間隔と、縞状の像の間隔との関係は、光源９１等の距離に対応して変化するため、フォトダイオードの配置間隔は２Ｐに限るものではない。
【００１２】
下地部材３０の表面は、波長λの光源９１の波長帯域において、光吸収性を有することが望ましい。下地部材３０には、例えば、単結晶シリコン基板が用いられうる。半導体デバイス製造プロセスで用いられうるウエハの厚さは６００〜７５０μｍが標準的であり、光源９１から照射された光がこのシリコン基板を透過することはなく、エンコーダ１００の誤動作等の原因とはならない。また、シリコン基板の光（λ＝８５０ｎｍ程度。以下、同様とする。）の屈折率は３．８３程度である。
【００１３】
反射部材４０には、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金のような、反射性を有する金属材料が用いられうる。アルミニウム合金は、例えば、アルミニウムにシリコンや銅などがドープされたものが挙げられる。反射部材４０は、下地部材３０の上にスパッタリング法などによりアルミニウムまたはアルミニウム合金の層を形成し、第１領域１０と第２領域２０のうち第２領域２０をエッチングすることにより下地部材３０を露出させることにより形成される。本実施形態においては、反射部材４０として、アルミニウムにシリコンを約１％ドープしたアルミニウム−シリコン部材を用いた。アルミニウム−シリコン部材の光の屈折率は２．０８程度である。また、反射部材４０は、下地部材３０よりも光の屈折率が小さいことが望ましい。
【００１４】
第１領域１０は、下地部材３０の上に配された反射部材４０と、反射部材４０の上に配された第１材料で構成された層５０と、第１材料で構成された層５０の上に配された第２材料で構成された層６０と、で構成される。第２領域２０は、下地部材３０の上に配された第２材料で構成された層６０で構成される。また、第１材料および第２材料は、波長λの光について透過性を有する。また、第１材料の光の屈折率は、反射部材４０や第２材料の光の屈折率よりも小さいことを要し、第２材料の光の屈折率は、下地部材３０の光の屈折率よりも小さいことを要する。
【００１５】
第１材料としては、例えば、酸化シリコン、フッ化マグネシウムが用いられうる。本実施形態においては、酸化シリコンを用いた。酸化シリコンの層（第１材料で構成された層５０）は、下地部材３０の上の第１領域１０に反射部材４０を形成した後、反射部材４０の上に形成される。この形成方法としては、例えば、スパッタリング法などにより酸化シリコンの層を形成し、第１領域１０と第２領域２０のうち第２領域２０をエッチングすることにより、反射部材４０の上に酸化シリコンの層（第１材料で構成された層５０）が形成されうる。また、別の形成方法としては、反射部材となるアルミニウムまたはアルミニウム合金の層の上に酸化シリコンの層を形成してから、それらをエッチングして、反射部材４０と酸化シリコンの層５０を形成してもよい。酸化シリコンの光の屈折率は１．４５程度である。
【００１６】
第２材料としては、例えば、酸化チタン、五酸化タンタル、酸化ジルコニウム、五酸化ニオブ、または酸化アルミニウムのような材料、もしくは酸化ランタンと酸化チタンの混合材料が用いられうる。本実施形態においては、酸化チタンを用いた。酸化チタンの層（第２材料で構成された層６０）は、下地部材３０の上に反射部材４０が形成された後、第１領域１０および第２領域２０に、例えば、スパッタリング法などを経ることにより形成されうる。酸化チタンの光の屈折率は２．２５程度である。
【００１７】
また、第１領域１０の方が第２領域２０よりも波長λの光の反射率が大きくなるように、第１材料および第２材料の光学膜厚（屈折率と膜厚の積）を設けることができる。図５は、横軸を第１材料の光学膜厚とし、縦軸を第１領域の反射率とした、第１材料の光学膜厚と第１領域の反射率の関係をプロットしたシミュレーション結果である。図中には、後述の第２実施形態、第３実施形態、および比較例についてもプロットされている。このプロット図によると、第１材料で構成された層５０は、その光学膜厚が２λ／９±λ／９の範囲であるときに、第１領域１０において、入射光を最も効果的に反射しうる。したがって、第１材料である酸化シリコンで構成された層５０の厚みの最適値は１３０ｎｍである。一方で、第２材料で構成された層６０は、その光学膜厚がλ／４±λ／４の範囲であるときに、第２領域２０において、入射光の反射を効果的に防止しうる。特に、第２材料の光学膜厚がλ／４±λ／８の範囲であるときは、光の反射がより効果的に防止されうる。これは、第２領域２０において、第２材料で構成された層６０の表面で反射される光と、下地部材３０と第２材料で構成された層６０の界面で反射される光と、が逆位相となって互いに打ち消しあうことにより得られる効果である。したがって、第２材料である酸化チタンで構成された層６０の厚みの最適値は９４ｎｍである。第１材料及び第２材料、並びにこれらの光学膜厚は、例えば、まず、第２領域６０において光の反射を効果的に防止しうる条件から第２材料とその光学膜厚を定めることができる。その後、この定めた結果に基づいて、第１領域５０において光を反射する条件から第１材料とその光学膜厚を定めることができる。
【００１８】
このように、第１領域１０の反射部材４０の上には２種類の無機誘電体で構成される層が形成され、第２領域２０の下地部材３０の上には１種類の無機誘電体で構成される層が形成されうる。１種類の無機誘電体で構成される層では、光を反射する層または光の反射を防止する層のいずれか一方が実現されうる。そこで本発明は、第１材料と第２材料を用意し、第１領域１０と第２領域２０のそれぞれに無機誘電体で構成される層を形成することにより、光を反射する層及び光の反射を防止する層の両方を実現している。即ち、第１領域１０においては光を反射する層として機能するように２種類の無機誘電体で構成される層を設けた。また、第２領域２０においては光の反射を防止する層として機能するように１種類の無機誘電体で構成される層を設けた。これにより、第１領域１０の光の反射率を高く、第２領域２０の光の反射率を低くすることが可能となる。
【００１９】
図６（ａ）は、本実施形態の反射型光学式スケール１を、第１比較例と第２比較例と比較した結果を表にしたものである。図中には、スケールの構成（下地部材、反射部材など）、第１領域および第２領域の反射率、および反射率の比（第１領域の反射率／第２領域の反射率）を、本実施形態、第１比較例、および第２比較例について、それぞれ示す。第１比較例は、下地部材３０と反射部材４０については本実施形態と同じとし、第１材料で構成された層５０及び第２材料で構成された層６０を設けない場合である。第２比較例は、下地部材３０と反射部材４０については本実施形態と同じとし、これらを含むスケールの表面の全体にわたって、第２材料である酸化チタンで構成される層（光学膜厚λ／４、厚さ９４ｎｍ）を形成した場合である。
【００２０】
本実施形態は、第１材料で構成された層５０及び第２材料で構成された層６０を設けない第１比較例と比べて、第１領域１０の反射率は上昇し、第２領域２０の反射率は減少し、反射率の比において２０倍ほど高い値を示している。また、第２材料である酸化チタンの層を用いて第２領域に対して反射を防止する構成を採用する第２比較例では、第１領域における反射率が損なわれている。そのため、本実施形態は、第２比較例と比べて反射率の比において１．６倍ほど高い値を示している。即ち、本実施形態の反射型光学式スケール１を用いることにより、スケール１からの反射光により光検出器９２に生成されうる像のコントラストは高くなる。
【００２１】
＜第２実施形態＞
下地部材３０の他の例として、光について透過性を有する基板の上にクロム、チタン、ニッケル、鉄、及び白金のうち少なくともいずれか一つを含む膜が形成された部材を用いてもよい。この場合は、光源９１からの入射光が透過しない程度の厚さの金属膜を形成することを要する。図３（ｂ）は、本発明の第２実施形態の反射型光学式スケール２である。本実施形態においては、下地部材３０として、ガラス基板７０の上にクロムの金属膜８０を形成した部材を用いた。クロムの金属膜８０の厚さは１００ｎｍ以上で形成した。したがって、光源９１から照射された光がこの金属膜８０を透過することはなく、エンコーダ１００の誤動作等の原因とはならない。クロムの金属膜８０の光の屈折率は４．３１程度である。
【００２２】
図６（ｂ）は、前述の第１実施形態と同様にして、本実施形態のエンコーダ用反射型光学式スケール２を、第３比較例と第４比較例と比較した結果を表にしたものである。
第３比較例は、下地部材３０と反射部材４０については本実施形態と同じとし、第１材料で構成された層５０及び第２材料で構成された層６０を設けない場合である。第４比較例は、下地部材３０と反射部材４０については本実施形態と同じとし、これらを含むスケールの表面の全体にわたって、第２材料である酸化チタンで構成される層（光学膜厚λ／４、厚さ９４ｎｍ）を形成した場合である。
【００２３】
本実施形態は、第１材料で構成された層５０及び第２材料で構成された層６０を設けない第３比較例と比べて、第１領域１０の反射率は上昇し、第２領域２０の反射率は減少し、反射率の比において３．８倍ほど高い値を示している。また、第２材料である酸化チタンの層を用いて第２領域に対して反射を防止する構成を採用する第４比較例では、第１領域における反射率が損なわれている。そのため、本実施形態は、第４比較例と比べて反射率の比において１．６倍ほど高い値を示している。即ち、本実施形態の反射型光学式スケール２を用いることにより、スケール２からの反射光により光検出器９２に生成されうる像のコントラストは高くなる。
【００２４】
＜第３実施形態＞
第２実施形態のように、下地部材３０の他の例として、ガラス等の基板の上に金属膜を形成した部材を用いる場合は、金属膜の材料に、例えば、ニッケル、鉄、白金のような、安価で高い屈折率を有する材料を選ぶことも可能である。図３（ｃ）は、本発明の第３実施形態のエンコーダ用反射型光学式スケール３である。本実施形態においては、下地部材３０として、ガラス基板７０の上にチタンの金属膜８１を形成した部材を用いた。チタンの金属膜８１の厚さは１００ｎｍ以上で形成した。クロムの金属膜を形成した第２実施形態と比べて、光の透過率を０．１％以下に抑えることが可能である。したがって、光源９１から照射された光がこの金属膜８１を透過することはなく、エンコーダ１００の誤動作等の原因とはならない。チタンの金属膜８１の光の屈折率は３．２４程度である。
【００２５】
また、本実施形態においては、第１材料としてフッ化マグネシウムを、第２材料として酸化アルミニウムを用いた。第１材料であるフッ化マグネシウムの層５１は、下地部材３０の上にアルミニウム合金で反射部材４０を形成した後、反射部材４０の上に形成される。この形成方法としては、例えば、スパッタリング法などによりフッ化マグネシウムの層を形成し、第１領域１０と第２領域２０のうち第２領域２０をエッチングすることにより、反射部材４０の上にフッ化マグネシウムの層５１が形成される。酸化シリコンの屈折率はほぼ１．３７である。従って、第１材料であるフッ化マグネシウムの層５１の厚みの最適値は１３６ｎｍである。第２材料である酸化アルミニウムの層６１は、反射部材４０を形成した下地部材３０の上に、例えば、スパッタリング法などにより形成される。酸化アルミニウムの屈折率はほぼ１．６６である。従って、第２材料である酸化アルミニウムの層６１の厚みの最適値は１２８ｎｍである。
【００２６】
図６（ｃ）は、前述の第１実施形態および第２実施形態と同様にして、本実施形態の反射型光学式スケール３を、第５比較例と第６比較例と比較した結果を表にしたものである。
第５比較例は、下地部材３０と反射部材４０については本実施形態と同じとし、第１材料で構成された層５１及び第２材料で構成された層６１を設けない場合である。第６比較例は、下地部材３０と反射部材４０については本実施形態と同じとし、これらを含むスケールの表面の全体にわたって、第２材料である酸化アルミニウムで構成される層（光学膜厚λ／４、厚さ１２８ｎｍ）を形成した場合である。
【００２７】
本実施形態は、第１材料で構成された層５１及び第２材料で構成された層６１を設けない第５比較例と比べて、第１領域１０の反射率は上昇し、第２領域２０の反射率は減少し、反射率の比において２．１倍ほど高い値を示している。また、第２材料である酸化チタンの層を用いて第２領域に対して反射を防止する構成を採用する第６比較例では、第１領域における反射率が損なわれている。そのため、本実施形態は、第６比較例と比べて反射率の比において１．３倍ほど高い値を示している。即ち、本実施形態の反射型光学式スケール３を用いることにより、スケール３からの反射光により光検出器９２に生成されうる縞状の像のコントラストは高くなる。
【００２８】
以上の３つの実施形態を述べたが、本発明はこれらに限られるものではなく、目的、状態、用途、機能、およびその他の仕様の変更が適宜可能であり、他の実施形態によっても実施されうることは言うまでもない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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