(57)【要約】【課題】  磁極幅が微細で、磁極の寸法精度が良い磁気スケールおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  磁気スケール１は、軟磁性材料からなる基板２上に、円周状に並べて複数の凸部３が等間隔で配置されている。複数の凸部３は、少なくとも軟磁性材料を含む凸部用材料４で構成され、凸部用材料４が基板２上に塗布され、かつ型５を押し当てて成形され、型５を押し当てたまま硬化したものである。磁極の円周方向の幅もしくは幅の寸法精度は、数１０ナノメートルないし数１００ナノメートルの範囲内である。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材料からなる基板上に、円周状に並べて複数の凸部が等間隔で配置された磁気スケールであって、
前記複数の凸部は、少なくとも軟磁性材料を含む凸部用材料で構成され、前記凸部用材料が前記基板上に塗布され、かつ型を押し当てて成形され、前記型を押し当てたまま硬化したものであることを特徴とする磁気スケール。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気スケールにおいて、磁極の円周方向の幅もしくは幅の寸法精度が数１０ナノメートルないし数１００ナノメートルの範囲内である磁気スケール。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の磁気スケールにおいて、前記凸部用材料は、軟磁性材料の粉末と樹脂とを混合したものであり、前記樹脂は紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂である磁気スケール。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の磁気スケールにおいて、前記複数の凸部が並ぶ同心円周状の複数のトラックを有し、これら複数のトラックに並ぶ前記凸部の数がトラックごとに異なる磁気スケール。
【請求項５】
軟磁性材料からなる基板上に、円周状に並べて複数の凸部が等間隔で配置された磁気スケールを製造する方法であって、
少なくとも軟磁性材料を含む凸部用材料を前記基板上に均一に塗布する工程と、前記凸部用材料に型を押し当てる工程と、前記型を押し当てたまま前記凸部用材料を硬化させる工程と、前記基板および前記凸部用材料から前記型を剥がす工程とを含むことを特徴とする磁気スケールの製造方法。
【請求項６】
軟磁性材料からなる基板の表面に、円周状に並ぶ複数の凸部が等間隔に形成された磁気スケールを製造する方法であって、
前記基板の表面に樹脂を均一に塗布する工程と、前記樹脂に型を押し当てる工程と、前記型を押し当てたまま前記樹脂を硬化させる工程と、前記基板および前記樹脂から前記型を剥がす工程と、前記基板上に前記樹脂で成形された樹脂膜をマスクとしてエッチング処理する工程と、前記樹脂膜を除去する工程とを含むことを特徴とする磁気スケールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種機器の回転検出や回転角度検出に用いる磁気式エンコーダ用の磁気スケールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、プリンターの紙送り機構に用いる小型、軽量で高分解能の磁気式エンコーダ用磁気媒体（磁気スケール）の製造方法が開示されている。特許文献１に開示されている磁気式エンコーダ用磁気媒体は、円周等間隔状に磁極を配するプラスチック磁石であり、凹もしくは凸形状の磁極が射出成形により形成されている。また、磁極の円周方向の幅は数１０マイクロメートルオーダーとされている。
【０００３】
特許文献２に、微細で形状安定性に優れた着磁パターンを有する、小型で軽量な磁気式エンコーダの製造方法が開示されている。磁極の寸法は、幅５０マイクロメートル〜５ミリメートル、長さ１〜１００ミリメートルとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１７４５３号公報
【特許文献２】特開平９−２１６５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モーターの回転制御には高精度のローター角度情報が必要であり、通常は分解能、検出精度に優れる光学式エンコーダが用いられる。しかし、光学式エンコーダは、使用環境によっては油やごみの付着により位置検出エラーが発生することがある。このため、環境耐性が要求される用途では、光学式エンコーダではなく磁気式エンコーダが用いられる。特に、インクジェット型プリンターの紙送り機構では、特許文献１に記載されているように、インクの飛散があっても高い信頼性で位置検出できる磁気式エンコーダが要求されている。
【０００６】
特許文献１に開示されている磁気式エンコーダ用磁気媒体は、円盤上にプラスチック磁石で構成される凹もしくは凸形状の磁極が円周状に且つ等間隔で配置されている。実施例では、磁気媒体１周当たりに磁極幅７０マイクロメートルで５００極対形成したとされている。これらの磁極は以下の２工程で形成される。
【０００７】
工程１：永久磁石粉末とプラスチック樹脂を混練したスラリーを射出成形し、円盤上に凸部と凹部とからなるプラスチック磁石を形成する。
工程２：プラスチック磁石を形成後、着磁ヨークを用いて着磁することにより磁極を形成する。その際、磁極の形状を凸もしくは凹形状とすることで、磁界分布を急峻にしている。
【０００８】
また、特許文献２に磁気式リニアエンコーダや磁気式ロータリーエンコーダ用の磁気媒体の製造方法が開示されている。磁気媒体は、微細で形状安定性に優れた着磁パターンを有しており、実施例では、磁極の寸法が幅５０マイクロメートル〜５ミリメートル、長さ１〜１００ミリメートルとされている。この磁気媒体は以下の各工程を経て製造される。
【０００９】
工程１：基板上に磁性粉を含む樹脂バインダーを展延して樹脂バインダー層を形成する。
工程２：樹脂バインダー層の表面に１または２以上の凸条を成形する。凸条の成形は、例えばプレス成形による。
工程３：樹脂バインダー層を硬化または固化する。
工程４：着磁により磁極を磁化する。
この製造方法では、樹脂バインダー層を硬化させる際には、プレス型はすでに取り外されている。
【００１０】
磁気式エンコーダの分解能は、磁気式エンコーダに用いられる磁気媒体の磁極数に依存する。そのため、磁極幅を小さくし、より多くの磁極を磁気媒体上に配置することで分解能を向上できる。
【００１１】
また、磁気式エンコーダの検出精度は、磁気式エンコーダに用いられる磁気媒体（磁気スケール）の寸法精度に依存する。例えば、円盤上に磁極が円周状に且つ等間隔で３６個配置されており、それぞれの磁極の寸法精度が±１°であるとすると、分解能は１０°であるが、検出誤差は±１°となる。
【００１２】
図１に示すように、円盤状の磁気スケール１上の中心から半径ｒミリメートルの位置に、凸部３および凸部３間の凹部からなる磁極を円周方向の幅ｗミリメートル、寸法精度±ａミリメートルで形成したとき、磁極の単一ピッチ誤差Ｅは式１で与えられる。なお、単一ピッチ誤差Ｅは、磁極の設計値からのずれ（寸法精度）のことである。
Ｅ＝±３６０×ａ／２πｒ［degrees］・・・式１
【００１３】
式１から、単一ピッチ誤差Ｅを向上させる(小さくする)には、磁極の寸法精度ａを良くする（ａを小さくする）か、または半径ｒを大きくすれば良いことが分かる。しかしながら、磁気式エンコーダ用磁気媒体の外径寸法等は用途やユーザーの要求等により制限を受けるため、半径ｒを大きくして単一ピッチ誤差Ｅを向上させるという方法は現実的ではない。そのため、単一ピッチ誤差Ｅを向上させるためには、磁極の寸法精度を向上させる必要がある。
【００１４】
特許文献１および特許文献２に開示されているように、高い環境耐性が要求される用途に用いられる磁気式エンコーダ用の磁気媒体は、微細なものでも磁極幅ｗが数１０マイクロメートルとなっている。しかし、モーターをより高精度に制御する等の要求から、より高分解能の磁気式エンコーダおよび磁気式エンコーダ用磁気媒体への要求が高まっている。
【００１５】
この発明の目的は、高い環境耐性が要求される用途で使用される磁気式エンコーダに用いられ、磁極幅が微細で、磁極の寸法精度が良い磁気スケールおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明の磁気スケールは、軟磁性材料からなる基板上に、円周状に並べて複数の凸部が等間隔で配置され、前記複数の凸部は、少なくとも軟磁性材料を含む凸部用材料で構成され、前記凸部用材料が前記基板上に塗布され、かつ型を押し当てて成形され、前記型を押し当てたまま硬化したものであることを特徴とする。
【００１７】
この構成によると、基板上に円周状に並べて等間隔で配置される複数の凸部が、射出成形ではなく、凸部用材料を基板上に塗布し、この凸部用材料に型を押し当てて成形し、型を押し当てたまま凸部用材料を硬化させる手法で成形される。この手法はナノインプリントと呼ばれ、半導体デバイス等の分野で適用される微細加工技術である。ナノインプリントは、製造工程が非常に簡単でありながら、ナノメートルオーダーでパターンを転写することができる。
【００１８】
特許文献２に開示されている製造方法も、基板上に樹脂バインダー層を形成し、この樹脂バインダー層の表面に磁極を成形して硬化または固化させるが、樹脂バインダー層を硬化させる際に型はすでに取り外されているため、微細なパターンは成形し難い。
【００１９】
磁気スケールは、磁気センサ等と組み合わせて磁気式エンコーダを構成する。磁気式エンコーダは、磁気スケールと磁気センサとが相対的に回転した場合、基板における凸部が設けられている部分とそうでない部分とによる磁界の変化を磁気センサが検出することで、回転角度を検出する。上述したようにナノインプリントの加工精度は数１０ナノメートルと非常に高いため、磁気式エンコーダ用の磁気スケールの基板上に凸部を円周状に且つ等間隔に配置する場合、凸部の寸法誤差は非常に小さくなる。このため、前記式１から、単一ピッチ誤差Ｅも非常に小さくなることが分かる。
【００２０】
また、ナノインプリントの加工精度が数１０ナノメートルであるという特性を生かし、磁気スケールの磁極の一部となる凸部の円周方向の幅を狭くすることもできる。凸部の円周方向の幅を狭くすると、同じ大きさの基板上であれば、射出成形で成形するよりも多くの磁極を配置することができる。磁気スケール１回転当たりの磁極の数が増えるほど分解能は向上するため、従来よりも高性能な磁気式エンコーダを製造できる。
【００２１】
ナノインプリントの加工精度を考慮すると、磁極の円周方向の幅もしくは幅の寸法精度を数１０ナノメートルないし数１００ナノメートルの範囲内とするのが良い。これにより、十分に高分解能な磁気スケールが得られる。
【００２２】
前記凸部用材料は、軟磁性材料の粉末と樹脂とを混合したものであり、前記樹脂は紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂であるのが良い。
紫外線硬化樹脂を用いた場合は、紫外線を照射することで凸部用材料を硬化させ、熱硬化樹脂を用いた場合は、加熱によって凸部用材料を硬化させる。いずれの場合も、凸部の成形を容易に行える。
【００２３】
この発明において、前記複数の凸部が並ぶ同心円周状の複数のトラックを有していても良い。その場合、これら複数のトラックに並ぶ前記凸部の数がトラックごとに異なっていても良い。
ナノインプリントを用いて基板に高精度で凸部を成形することができるため、従来のものと比べて、製造可能な１トラック当たりの凸部の数、およびトラック数を増やすことができる。このため、凸部の数が異なる複数のトラックを設けることが可能である。
【００２４】
この発明の第１の磁気スケールの製造方法は、軟磁性材料からなる基板上に、円周状に並べて複数の凸部が等間隔で配置された磁気スケールを製造する方法であって、少なくとも軟磁性材料を含む凸部用材料を前記基板上に均一に塗布する工程と、前記凸部用材料に型を押し当てる工程と、前記型を押し当てたまま前記凸部用材料を硬化させる工程と、前記基板および前記凸部用材料から前記型を剥がす工程とを含むことを特徴とする。
【００２５】
この発明の第２の磁気スケールの製造方法は、軟磁性材料からなる基板の表面に、円周状に並ぶ複数の凸部が等間隔に形成された磁気スケールを製造する方法であって、前記基板の表面に樹脂を均一に塗布する工程と、前記樹脂に型を押し当てる工程と、前記型を押し当てたまま前記樹脂を硬化させる工程と、前記基板および前記樹脂から前記型を剥がす工程と、前記基板上に前記樹脂で成形された樹脂膜をマスクとしてエッチング処理する工程と、前記樹脂膜を除去する工程とを含むことを特徴とする。
【００２６】
これらの製造方法によると、型を押し当てたまま凸部用材料または樹脂を硬化させるため、製造工程が非常に簡単でありながら、ナノメートルオーダーでパターンを転写することができる。このように加工精度が非常に高いため、磁気式エンコーダ用の磁気スケールの基板上に凸部を円周状に且つ等間隔に配置する場合、凸部の寸法誤差は非常に小さくなる。つまり、前記式１における磁極の寸法精度ａが非常に小さくなるため、単一ピッチ誤差Ｅも非常に小さくなる。
【発明の効果】
【００２７】
この発明の磁気スケールは、軟磁性材料からなる基板上に、円周状に並べて複数の凸部が等間隔で配置され、前記複数の凸部は、少なくとも軟磁性材料を含む凸部用材料で構成され、前記凸部用材料が前記基板上に塗布され、かつ型を押し当てて成形され、前記型を押し当てたまま硬化したものであるため、磁極幅が微細で、磁極の寸法精度が良い。
【００２８】
この発明の第１の磁気スケールの製造方法は、軟磁性材料からなる基板上に、円周状に並べて複数の凸部が等間隔で配置された磁気スケールを製造する方法であって、少なくとも軟磁性材料を含む凸部用材料を前記基板上に均一に塗布する工程と、前記凸部用材料に型を押し当てる工程と、前記型を押し当てたまま前記凸部用材料を硬化させる工程と、前記基板および前記凸部用材料から前記型を剥がす工程とを含むため、磁極幅が微細で、磁極の寸法精度が良い磁気スケールを製造することができる。
【００２９】
この発明の第２の磁気スケールの製造方法は、軟磁性材料からなる基板の表面に、円周状に並ぶ複数の凸部が等間隔に形成された磁気スケールを製造する方法であって、前記基板の表面に樹脂を均一に塗布する工程と、前記樹脂に型を押し当てる工程と、前記型を押し当てたまま前記樹脂を硬化させる工程と、前記基板および前記樹脂から前記型を剥がす工程と、前記基板上に前記樹脂で成形された樹脂膜をマスクとしてエッチング処理する工程と、前記樹脂膜を除去する工程とを含むため、磁極幅が微細で、磁極の寸法精度が良い磁気スケールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の一実施形態にかかる磁気スケールの平面図である。
【図２】この発明の第１の磁気スケールの製造方法を示す図である。
【図３】この発明の第２の磁気スケールの製造方法を示す図である。
【図４】この発明の一実施形態にかかる磁気スケールを用いた磁気式エンコーダの斜視図である。
【図５】同磁気式エンコーダにおける磁気スケールとＭＲセンサおよびバイアス磁石との対向部を示す図である。
【図６】この発明の異なる実施形態にかかる磁気スケールの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の一実施形態を示す。この磁気スケール１は、中央部に貫通孔２ａを有する円形の基板２の片面に、この基板２の中心Ｏ回りの円周Ｃに沿って複数の凸部３が等間隔に設けられている。基板２は、鉄等の軟磁性体からなる。凸部３は、鉄等の軟磁性体と樹脂との混合体からなる。この磁気スケール１は、磁気式エンコーダとして使用する場合に磁極の一部となる凸部３に着磁が施されていない。
【００３２】
この磁気スケール１の製造方法として、次の２通りの方法がある。
＜第１の製造方法＞
まず、図２（Ａ）のように、凸部３が設けられる片面が上となるように基板２を水平に保持し、この基板２の上面に凸部用材料４を均一に塗布する。凸部用材料４は、鉄等の軟磁性材料の粉末と樹脂とを混合したものであり、樹脂は紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂である。基板２の上面に凸部用材料４を均一に塗布する方法としては、スピンコーターの使用や、印刷等の方法がある。印刷は、一度に多くの基板２に凸部用材料４を塗布することができ、量産性に優れる。
【００３３】
次に、図２（Ｂ）のように、塗布された凸部用材料４の上から型（モールドとも言う）５を押し当てる。型５は、凸部３の配列パターンに合致する複数の凹部５ａを有する。型５を押し当てたまま凸部用材料４を硬化させることで、凸部用材料４からなる凸部３を成形する。凸部用材料４に含まれる樹脂が紫外線硬化樹脂である場合は、紫外線を照射することで硬化させ、熱硬化樹脂である場合は、加熱によって硬化させる。いずれの場合も、凸部３の成形を容易に行える。
【００３４】
凸部用材料４が硬化したら、図２（Ｃ）のように、基板２および凸部用材料４から型５を剥がす。これにより、図１に示すような、基板２上に凸部用材料４からなる凸部３が円周Ｃに沿って複数設けられた磁気スケール１が得られる。
【００３５】
＜第２の製造方法＞
まず、図３（Ａ）のように、凸部３が設けられる片面が上となるように基板２を水平に保持し、この基板２の上面に樹脂６を均一に塗布する。樹脂６は、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂である。樹脂６の塗布方法としては、前記同様に、スピンコーターの使用や、印刷等の方法がある。
【００３６】
次に、図３（Ｂ）のように、塗布された樹脂６の上から型（モールドとも言う）５を押し当てる。そして、型５を押し当てたまま樹脂６を硬化させて、基板２上に凸部３の配列パターンと合致する樹脂膜７を形成する。樹脂６が紫外線硬化樹脂である場合は、紫外線を照射することで硬化させ、熱硬化樹脂である場合は、加熱によって硬化させる。樹脂６が硬化した後、図３（Ｃ）のように、基板２および樹脂６から型５を剥がす。
【００３７】
そして、図３（Ｄ）のように、前記樹脂膜７をマスクとしてエッチング処理を行う。基板２の表面における樹脂膜７が存在しない部分は腐食し、樹脂膜７が存在する部分は腐食せずにそのまま残る。その後、図３（Ｅ）のように樹脂膜７を除去することにより、図１に示すような、基板２の表面に複数の凸部３が円周Ｃに沿って形成された磁気スケール１が得られる。
【００３８】
上記第１の製造方法および第２の製造方法はいずれも、凸部用材料４または樹脂６に型５を押し当てたまま凸部用材料４または樹脂６を硬化させる。このように、ナノインプリントの手法を利用することで、数１０ナノメートルの加工精度で凸部３を成形することができ、凸部３の寸法誤差は非常に小さいものとなる。また、製造工程が非常に簡単である。しかも、着磁が不要であるので、磁気スケール１を低コストで効率良く製造することができる。
【００３９】
ナノインプリントで成形した磁気スケール１の凸部３の円周方向の幅もしくは幅の寸法精度は、数１０ナノメートルないし数１００ナノメートルと非常に微細である。そのため、凸部３の円周方向の幅もしくは幅の寸法精度を測定するためには、走査型電子顕微鏡等の分解能が数ナノメートル以下の計測装置を用いる必要がある。
【００４０】
走査型電子顕微鏡の分解能は一般的には数ナノメートルであり、ナノインプリントで成形した磁気スケール１の凸部３の円周方向の幅もしくは幅の寸法精度を測定できる。また、走査型電子顕微鏡以外で磁気スケール１の凸部３の円周方向の幅もしくは幅の寸法精度を測定できる装置としては、原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡が挙げられる。これらの装置では、高さ方向の測定もできるため、磁気スケール１の凸部３の高さ方向のばらつきについても評価できる。
【００４１】
上記第１または第２の製造方法により製造された磁気スケール１は、図４に示すように、ＭＲセンサ８およびバイアス磁石９と組み合わせることで、磁気式エンコーダが構成される。前記ＭＲセンサ８の代わりに、ＧＭＲセンサ、ＴＭＲセンサ、ＳＭＲセンサのいずれかを用いても良い。磁気スケール１は、この磁気スケール１の中心Ｏ回りに回転するスピンドル（図示せず）に取り付けられる。磁気スケール１は固定で、ＭＲセンサ８およびバイアス磁石９をスピンドルに取り付けても良い。
【００４２】
図５は、上記磁気式エンコーダにおける磁気スケール１とＭＲセンサ８およびバイアス磁石９との対向部を示す図である。磁気スケール１の基板２に所定のパターンで凸部３が設けられ、磁気スケール１の表面が凹凸状となっているため、磁気スケール１の回転に伴い、バイアス磁石９から磁気スケール１までの距離が変化し、その距離の変化に応じて磁界が変化する。この磁界の変化をＭＲセンサ８の磁気抵抗素子１０が検出することで、磁気スケール１の回転角度を検出する。磁気スケール１の凸部３の寸法誤差は非常に小さいため、前記式１における磁極の寸法精度ａが非常に小さく、単一ピッチ誤差Ｅも非常に小さいものとなる。
【００４３】
磁極の円周方向の幅がｗ±ａミリメートルである場合、寸法精度ａの求め方として、次の２通りの求め方がある。
＜第１の寸法精度aの求め方＞
図４のように、磁気スケール１をスピンドル（図示せず）に取り付け、磁気スケール１の磁極と対向する位置にＭＲセンサ８およびバイアス磁石９を配置する。スピンドルを３６０°回転させ、ＭＲセンサ８の信号を取得する。この信号波形１周期分の幅を求めwiとし、機械的な設計値とwiとの差を寸法精度aiとする。すべての磁極について寸法精度aiを求め、aiの絶対値の最大値を、磁気スケールの寸法精度aとする。
【００４４】
＜第２の寸法精度aの求め方＞
走査型電子顕微鏡の画像から凸部３および凸部３間の凹部からなる磁極の幅を求めwiとし、機械的な設計値とwiとの差を寸法精度aiとする。すべての磁極について寸法精度aiを求め、aiの絶対値の最大値を、磁気スケールの寸法精度aとする。
【００４５】
図６はこの発明の異なる実施形態を示す。この磁気スケール１は、複数の凸部３が並ぶ同心円周状の複数のトラックを有する。各トラックは、互いに半径ｒ１，ｒ２が異なる２つの円周Ｃ１，Ｃ２に沿ってそれぞれ複数の凸部３が並んでいる。これら複数のトラックに並ぶ凸部３の数はトラックごとに異なっている。
【００４６】
基板２の直径が一定である場合、トラックの極数およびトラックの数のいずれかまたは両方が増えるほど、凸部３の大きさは小さくする必要がある。この磁気スケール１の場合、極数とは、１つの凸部３および凸部３間の１つの凹部の組合せの数のことである。製造方法によって成形できる凸部３の大きさが決まるため、基板２に成形される極数、トラック数も決まる。特許文献１や特許文献２に開示されている製造方法では、磁極幅は数１０マイクロオーダーである。これに対し、ナノインプリントを用いると数１０ナノメートル〜数１００ナノメートルの精度で凸部３を成形できるため、この発明の磁気スケール１は、従来のものよりも極数、トラック数を多くできる利点がある。また、図６に示すように、凸部３の数が異なる複数のトラックを設けることが可能である。
【００４７】
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４８】
１…磁気スケール
２…基板
３…凸部
４…凸部用材料
５…型
６…樹脂
７…樹脂膜
【図１】
2017053648.tif 000003
【図２】
2017053648.tif 000004
【図３】
2017053648.tif 000005
【図４】
2017053648.tif 000006
【図５】
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【図６】
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