(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長範囲の光の反射を検出する光電式エンコーダに用いられるスケールであって、
基材と、
前記基材の表面に形成されたＤＬＣ層を含む光吸収層と、
前記波長範囲の光に対する反射率が前記光吸収層より高く、前記光吸収層上に格子状に形成された光反射層と、
を備え、
前記ＤＬＣ層は、前記基材の表面のうち少なくとも前記光反射層の格子が形成された領域及び格子間の領域を覆うように形成されていることを特徴とするスケール。
【請求項２】
請求項１に記載のスケールであって、
前記光反射層が形成されている前記基材の面における前記ＤＬＣ層の厚さは２５０ｎｍ以上１μｍ以下であることを特徴とするスケール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のスケールであって、
前記基材の全表面に前記ＤＬＣ層が形成されていることを特徴とするスケール。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載のスケールであって、
前記光吸収層は、前記基材と前記ＤＬＣ層との間に少なくとも金属を含むバインダ層を備えることを特徴とするスケール。
【請求項５】
請求項４に記載のスケールであって、
前記バインダ層は、タングステン層、炭化タングステン層、クロム層及びチタン層の少なくとも１つを含むことを特徴とするスケール。
【請求項６】
請求項４に記載のスケールであって、
前記バインダ層は、厚さ方向に沿って炭素とタングステンとの組成比が変化している炭化タングステン層を含むことを特徴とするスケール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載のスケールであって、
前記光吸収層は、前記波長範囲の光に対する反射率が２０％以下であることを特徴とするスケール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電式エンコーダに用いられるスケールに関する。
【背景技術】
【０００２】
光電式エンコーダに用いられるスケールは振幅格子型スケールと位相格子型スケールに大別される。振幅格子型スケールは、高い反射率の格子部と低い反射率の格子部とが所定のピッチで配置された構成を有する。光電式エンコーダは、スケールに光を照射し、高い反射率の格子部と低い反射率の格子部とによって生ずる光の反射状態の違いからスケールとの相対位置を測定する。
【０００３】
高い反射率を有する格子部を形成する材料としては金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）等の金属が用いられているが、低い反射率を有する格子部については、その光学的な原理によって異なる構造や材料が用いられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１８９７３号公報
【特許文献２】特開２００８−４５９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
低い反射率を有する格子部は、光の吸収、反射、干渉、散乱等の原理に基づいている場合が多いが、スケールの基材との関係において（１）薄膜内部の応力の抑制、（２）格子材料加工時の基材へのダメージの抑制、（３）高温高湿環境下での耐腐食（耐錆性）、（４）面内均一性を確保等の要求を満たすことが望まれる。特に、スケールが長尺になって巻き取りを可能とするために基材として薄い金属板（金属テープ）を用いた場合にこれらの要求が厳しくなる。
【０００６】
例えば、ステンレス（ＳＵＳ）を基材に用いた従来のスケールでは、防錆性を高めるために表面コーティングや表面処理が必要となり、製造プロセスの複雑化及び製造コストの増大が問題となっている。また、表面コーティングや表面処理には、エンコーダにおける光検出に悪影響を及ぼさないような光学的特性が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様は、所定の波長範囲の光の反射を検出する光電式エンコーダに用いられるスケールであって、基材と、前記基材の表面に形成されたＤＬＣ層を含む光吸収層と、前記波長範囲の光に対する反射率が前記光吸収層より高く、前記光吸収層上に格子状に形成された光反射層と、を備え、前記ＤＬＣ層は、前記基材の表面のうち少なくとも前記光反射層の格子が形成された領域及び格子間の領域を覆うように形成されていることを特徴とする。
【０００８】
このような構成を有することによって、光反射層で構成される格子部と光吸収層が露出した格子部とから反射する光によってスケールとの相対的な位置を検出することができる。
【０００９】
特に、光吸収層に化学的に安定で機械的な強度も強いＤＬＣ層を含めることによって、下地となる基材の腐食や錆の発生や傷が付くことを防ぎつつ、同時に光吸収層としての機能を発揮させることができる。
【００１０】
また、基材の保護膜と光吸収層とをＤＬＣ層のみで実現することができ、製造プロセスを簡素化することができる。したがって、製造コストの低減に繋がる。また、ＤＬＣ層は成膜プロセスにおける膜厚制御が容易である。さらに光反射層として金属を用いた場合には、金属をエッチングして格子部を形成する際のエッチャントによる基材の損傷を防ぐこともできる。
【００１１】
また、前記光反射層が形成されている前記基材の面における前記ＤＬＣ層の厚さは２５０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好適である。特に、ＤＬＣ層の内部応力を考慮した場合には４００ｎｍ以下の厚さとすることが好適である。このような膜厚とすることによって、ＤＬＣ層の膜厚のバラツキによらない安定した反射率を得ることができる。また、下地となる基材の腐食や錆の発生や傷が付くことを十分に防ぐことができる。
【００１２】
また、前記基材の全表面に前記ＤＬＣ層が形成されていることが好適である。ＤＬＣ層を基材の全面に形成することによって、基材の全面において腐食や錆、傷の発生を抑制することができる。
【００１３】
また、前記光吸収層は、前記基材と前記ＤＬＣ層との間に少なくとも金属を含むバインダ層を備えることが基材との密着性を高めるために好適である。例えば、バインダ層はタングステン、炭化タングステン、クロム及びチタンの少なくとも１つを含むことが好適である。また、例えば、バインダ層が炭化タングステンを含む場合、厚さ方向に沿って炭素とタングステンとの組成比が変化していることが好適である。この場合、基材からＤＬＣ層に向けて炭素が増加するように組成を変化させた炭化タングステン層を形成することがより好適である。
【００１４】
また、前記光吸収層は、前記波長範囲の光に対する反射率が２０％以下であることが好適である。ＤＬＣ層を含むことによって、可視光領域において反射率が２０％以下である光吸収層を形成することができ、この反射率より高い反射率を有する光反射層との組み合わせによって、光電式エンコーダに適したスケールを形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ＤＬＣ層を含む光吸収層によって基材の腐食、錆、傷の発生を効果的に防ぐことができる光電式エンコーダ用のスケールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態における光電式エンコーダ用スケール１００は、図１に示すように、基材１０，光吸収層１２及び光反射層１４を含んで構成される。なお、図１では、スケール１００の表面を拡大して図示しており、スケール１００は図１の左右を長辺方向として長く延びる形状を有している。また、図１では、スケール１００の構成を分かりやすく示すために、各部のサイズは適宜誇張して図示している。
【００１７】
基材１０は、スケール１００の構造を支える部材であり、金属、ガラス、プラスチック等で構成される。例えば、ステンレス鋼、膨張係数がゼロである結晶化ガラス等を用いることが好適である。
【００１８】
基材１０は、光電式エンコーダの用途等に応じて様々な形状とされる。本実施の形態では、基材１０は一般的な細長い短冊形状として説明する。ただし、これに限定されるものではなく、一般的には細長い角柱、円柱等の形状としてもよい。また、スケール１００を巻き取ることができるように、金属製の基材１０を０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下の薄い板状とすることも好適である。
【００１９】
光吸収層１２及び光反射層１４の光学的な特性を低下させないように、基材１０の表面はラップ処理により平坦にすることが好適である。ラップ処理は、基材１０の表面の凹凸が光反射層１４の厚さに比べて十分小さくなるように行う。
【００２０】
光吸収層１２は、光学式エンコーダで用いられる光源から発せられる光の波長範囲において光反射層１４よりも反射率が低い層として形成される。例えば、光吸収層１２は、用いられる光の波長に対して２０％以下の反射率であることが好適である。
【００２１】
光吸収層１２はＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）層１２ａを含んで構成される。ＤＬＣ層１２ａは、炭素を主とする非晶質（アモルファス）の硬質膜である。ＤＬＣ層１２ａは、その水素含有量や炭素の結合性等によって光学的特性、化学的特性及び機械的特性を調整することができる。
【００２２】
図２は、波長８８０ｎｍの光を入射光とした場合のＤＬＣ層１２ａの膜厚に対する反射率（０次光）を示す図である。図２において、実線はＤＬＣ層１２ａに対して垂直（０°）に光を入射させた場合の反射率を示し、破線はＤＬＣ層１２ａに対して４５°の角度で光を入射させた場合の反射率を示す。図２に示されるように、膜厚が５０ｎｍではＤＬＣ層１２ａは３０％近くの反射率を示し、膜厚を２５０ｎｍに増加させるにつれて反射率は１０％〜１５％程度まで一旦低下した後、再び２０％程度まで増加する。さらに膜厚を２５０ｎｍ以上に増加させると、入射角が０°において反射率は１７％程度、入射角が４５°において反射率は１８％程度で膜厚によらずに安定する。
【００２３】
したがって、光吸収層１２としてＤＬＣ層１２ａの膜厚は２５０ｎｍ以上とすることが好適である。このような膜厚にすることによって、スケール１００内及びスケール１００毎の膜厚のバラツキによる反射率のバラツキを抑えることができる。ＤＬＣ層１２ａの反射率のバラツキを小さくすることによって、反射光の検出部やその信号の処理回路を簡素化することができる等の利点がある。ただし、ＤＬＣ層１２ａの膜厚を十分に制御できる場合等ではＤＬＣ層１２ａは２５０ｎｍ以下の膜厚としてもよい。
【００２４】
また、製造時間の短縮や製造コストの低減という観点からは、ＤＬＣ層１２ａの膜厚は１μｍ以下とすることが好適である。さらに、ＤＬＣ層１２ａの膜厚が厚くなるとその内部応力が増加するので、内部応力の増加に伴う膜の密着性の低下を考慮すると、ＤＬＣ層１２ａの膜厚は４００ｎｍ以下とすることが好適である。
【００２５】
また、本実施の形態では、基材１０とＤＬＣ層１２ａとの間にバインダ層１２ｂを設けている。バインダ層１２ｂは、基材１０の表面にＤＬＣ層１２ａを直接形成したときに基材１０とＤＬＣ層１２ａとの密着性が十分でない場合のバッファとして機能する。したがって、基材１０とＤＬＣ層１２ａとの密着性を十分保てる場合にはバインダ層１２ｂを設けなくてもよい。
【００２６】
例えば、基材１０をステンレスとした場合、バインダ層１２ｂはタングステン（Ｗ）、炭化タングステン（ＷＣ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）又はこれらの組み合わせとすることができる。タングステン（Ｗ）はステンレスとの密着性が高く、炭化タングステン（ＷＣ）はＤＬＣ層１２ａとの密着性が高いので、基材１０側はタングステン（Ｗ）の含有率が高く、ＤＬＣ層１２ａ側に向かうにつれて炭素（Ｃ）の含有率を高くした炭化タングステン（ＷＣ）を形成することも好適である。また、基材１０がステンレスである場合、膨張係数が近いチタン（Ｔｉ）をバインダ層１２ｂとすることも好適である。バインダ層１２ｂを設ける場合、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度の膜厚とすることが好適である。
【００２７】
また、ＤＬＣ層１２ａは化学的及び機械的に強固な材料であり、光吸収層１２としてＤＬＣ層１２ａを用いることによって、基材１０に生ずる腐食、錆、傷等を防ぐことができる。図３は、光吸収層１２を基材１０の全面に形成したスケール１００の例を示す図である。図３（ａ）はスケール１００の全体斜視図であり、図３（ｂ）は切断面Ａ−Ａに沿った断面図であり、図３（ｃ）は切断面Ｂ−Ｂに沿った断面図である。図３では、説明を簡単にするために光吸収層１２はＤＬＣ層１２ａのみで形成されているものとしている。なお、図３では図を分かり易く示すために各部のサイズは適宜変更して示している。
【００２８】
スケール１００として機能させるためには基材１０において少なくとも光源から光が照射される領域に光吸収層１２を形成すればよいが、図３に示すように、基材１０の全面に少なくともＤＬＣ層１２ａを形成することによって基材１０の全面を腐食、錆、傷等から保護することができる。
【００２９】
光反射層１４は、光電式エンコーダの光源から照射される光を反射する層である。光反射層１４は、光電式エンコーダの光源から照射される光の波長領域に対して光吸収層１２よりも高い反射率を有する材質で形成される。
【００３０】
光反射層１４は、反射率の高いアルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等の金属とすることが好適である。光反射層１４の膜厚は、その反射率が光吸収層１２よりも高くなるように設定することが好適である。具体的には、光電式エンコーダで用いられる光源の波長範囲においてその反射率が５０％以上となる膜厚とすることが好適である。例えば、上記材料を用いた場合、光反射層１４の膜厚を１００ｎｍ以上とすることによって光吸収層１２よりも高い反射率を得ることができる。
【００３１】
光反射層１４は、スケール１００として少なくとも光が照射される面に形成される。光反射層１４は、基材１０の長手方向に所定の幅Ｗ及びピッチＰで格子状に並列に形成される。図１では、光反射層１４が図面に対して奥方向に延設されている様子を示している。光反射層１４の幅Ｗ及びピッチＰは、光電式エンコーダの反射光の検出器の構成に応じて設定することが好適である。例えば、光反射層１４の幅Ｗは４μｍ以上２０μｍ以下程度に設定し、ピッチＰは８μｍ以上４０μｍ以下程度に設定することが好適である。
【００３２】
＜製造方法＞
本実施の形態におけるスケール１００は、図４に示すフローに従って製造することができる。
【００３３】
ステップＳ１０では、基材１０のラッピング処理（研磨処理）を行う。例えば、砥粒を樹脂マトリックスに配した砥材を用いて表面を研磨する方法等を適用することができる。ラッピング処理は、基材１０の表面の凹凸が光反射層１４の厚さに比べて十分小さくなる程度まで行う。例えば、光反射層１４の膜厚の１／１０以下の凹凸になるまで研磨することが好適である。
【００３４】
ステップＳ１２では、光吸収層１２を形成する。光吸収層１２にバインダ層１２ｂが含まれる場合には、本ステップはバインダ層１２ｂの形成ステップ及びＤＬＣ層１２ａの形成ステップを含むものとなる。
【００３５】
バインダ層１２ｂは、スパッタリング法やイオンプレーティング法等の物理的成膜法によって形成することができる。スパッタリング法やイオンプレーティング法には既存の装置を用いることができる。具体的には、バインダ層１２ｂの材料となるタングステン（Ｗ）、炭化タングステン（ＷＣ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等の原料ターゲットを真空チャンバ内に配し、希ガス（アルゴンガス等）のプラズマを真空チャンバ内に形成することによって原料ターゲットをイオンにより弾き出し、基材１０の表面に原料ターゲットから供給された材料からなるバインダ層１２ｂを形成する。スパッタリング法を用いた場合の成膜条件は、例えば、成膜時の圧力を０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下とし、スパッタ電力を３０００Ｗ以上６０００Ｗ以下とし、基板バイアス電圧を１００Ｖ以上１０００Ｖ以下とすることが好適である。ただし、成膜条件は真空チャンバのサイズ、ターゲットの種類，サイズ、ターゲットと基板との距離等の条件に応じて変更してもよい。
【００３６】
また、バインダ層１２ｂをタングステン（Ｗ）／炭化タングステン（ＷＣ）の二層構造とする場合、真空チャンバ内にタングステン（Ｗ）のターゲットと炭素（Ｃ）のターゲットを配し、それぞれを独立してスパッタリングできる構成とする。成膜初期には、タングステン（Ｗ）のターゲットのみをスパッタリングし、基材１０の表面にタングステン（Ｗ）層を形成する。その後、タングステン（Ｗ）のターゲットに加えて炭素（Ｃ）のターゲットもスパッタリングする条件に変更することによって、タングステン（Ｗ）層上に炭化タングステン（ＷＣ）層を形成することができる。このとき、炭素（Ｃ）のターゲットのスパッタリングを徐々に強くすることによって、基材１０側はタングステン（Ｗ）の含有率が高く、ＤＬＣ層１２ａ側に向かうにつれて炭素（Ｃ）の含有率を高くした炭化タングステン（ＷＣ）を形成することもできる。
【００３７】
なお、基材１０にＤＬＣ層１２ａを直接形成する場合にはこのバインダ層１２ｂの形成ステップは省略することができる。
【００３８】
ＤＬＣ層１２ａは、スパッタリング法やイオンプレーティング法等の物理的成膜法又は化学気相成長法等の化学的成膜法を用いて形成することができる。
【００３９】
ＤＬＣ層１２ａを物理的成膜法で形成する場合、バインダ層１２ｂと同様に既存の装置を用いることができる。具体的には、ＤＬＣ層１２ａの材料となる炭素（Ｃ）の原料ターゲットを真空チャンバ内に配し、希ガス（アルゴンガス等）のプラズマを真空チャンバ内に形成することによって原料ターゲットをイオンにより弾き出し、基材１０の表面（又は、バインダ層１２ｂの表面）にＤＬＣ層１２ａを形成する。例えば、スパッタリング法を用いた場合のＤＬＣ層１２ａの成膜条件は、成膜時の圧力を０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下とし、スパッタ電力を３０００Ｗ以上６０００Ｗ以下とし、基板バイアス電圧を１００Ｖ以上１０００Ｖ以下とすることが好適である。ただし、成膜条件は真空チャンバのサイズ、ターゲットの種類，サイズ、ターゲットと基板との距離等の条件に応じて変更してもよい。
【００４０】
また、ＤＬＣ層１２ａを化学的成膜法で形成する場合、原料ガスとしてメタン（ＣＨ4）を用いることができる。基材１０を真空チャンバ内に配置し、そこに原料ガスを導入すると共に、プラズマ用アンテナから５０Ｗ以上５００Ｗ以下の電力を供給することによって原料ガスをプラズマ化して基材１０の表面に供給する。このとき、基材１０を室温から４００℃以下の温度に維持することによって基材１０の表面（又は、バインダ層１２ｂの表面）にＤＬＣ層１２ａを形成することができる。また、基材１０に１００Ｖ以上１０００Ｖ以下のバイアス電圧を印加することも好適である。ただし、成膜条件は真空チャンバのサイズ、ターゲットの種類，サイズ、ターゲットと基板との距離等の条件に応じて変更してもよい。
【００４１】
また、基材１０の全面にバインダ層１２ｂやＤＬＣ層１２ａを形成する場合、真空チャンバ内に配置する基材１０の向きを適宜変更して複数回の成膜処理を施してもよい。このとき、化学的成長法を用いることによって基材１０の端部からの原料の回り込みが生じ、基材１０の全面にＤＬＣ層１２ａを形成するにはより適している。
【００４２】
ＤＬＣ層１２ａは、従来のスケールに適用されていた光吸収層の材料に比べて、成膜時の膜厚制御性が高く、製造工程を簡易化することができる点でも優れている。
【００４３】
ステップＳ１４では、光反射層１４を形成する。光反射層１４は、スパッタリング法や真空蒸着法で形成することができる。これらの方法には既存の装置を適用することができる。本実施の形態では、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）の少なくとも１つを含む材料を用いて光反射層１４を形成する。光反射層１４は、スケール１００として少なくとも光が照射される面に形成する。
【００４４】
ステップＳ１６では、レジスト層１６を形成する。レジスト層１６は、光反射層１４を格子状にエッチングするためのマスク層として用いられる。レジスト層１６は、スピンコート法やスクリーン印刷法等を用いて光反射層１４上に形成することができる。レジスト層１６には必要に応じてプリベーキング等の処理を施してもよい。
【００４５】
ステップＳ１８では、レジスト層１６の露光及び現像を行う。レジスト層１６上にフォトマスクを配置し、マスキングした状態でレジスト層１６を露光する。レジスト層１６としてポジレジストを用いた場合には光反射層１４を残す領域に光が当たらないようにフォトマスクを設け、レジスト層１６としてネガレジストを用いた場合には光反射層１４を残す領域に光が当たるようにフォトマスクを設けて露光を行う。例えば、図１に示すように、光反射層１４の幅Ｗは４μｍ以上２０μｍ以下程度に設定し、ピッチＰは８μｍ以上４０μｍ以下程度に設定することが好適である。
【００４６】
次に、レジスト層１６の現像を行う。レジスト層１６がポジレジストである場合、強アルカリ水溶液により露光された領域のレジスト層１６を除去する。レジスト層１６がネガレジストである場合、レジスト材に適した溶剤で露光された領域以外のレジスト層１６を除去する。現像処理の後、レジスト層１６には必要に応じてポストベーキング等の処理を施してもよい。
【００４７】
ステップＳ２０では、光反射層１４のエッチングを行う。光反射層１４のエッチングには、エッチング液を用いたウエットエッチング法、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングを適用することができる。例えば、光反射層１４のエッチングは、光反射層１４の材料に応じた周知の方法で行うことができる。
【００４８】
ステップＳ２２では、レジスト層１６の除去を行う。レジスト層１６の除去処理には、レジストの剥離液を用いたウエット方式、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等を用いたアッシング方式等を適用することができる。レジスト層１６の除去処理は、用いたレジストの種類、レジスト層１６の膜厚等に応じて周知の方法で行うことができる。
【００４９】
以上のようなフローによって、本発明の実施の形態におけるスケール１００を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態における光電式エンコーダのスケールの構成を示す図である。
【図２】ＤＬＣ膜の膜厚と反射率との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるＤＬＣ膜を全面に形成したスケールの例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における光電式エンコーダのスケールの製造方法を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  基材、１２  光吸収層、１２ａ  ＤＬＣ層、１２ｂ  バインダ層、１４  光反射層、１６  レジスト層、１００  スケール。
【図１】
0005308059.tif 000002
【図２】
0005308059.tif 000003
【図３】
0005308059.tif 000004
【図４】
0005308059.tif 000005