JP4358583B2 - スケールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、精密測定に使用される光電式エンコーダの構成要素となるスケールの製造方法に関する。

従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に光電式エンコーダ（以下、「エンコーダ」という場合もある。）が利用されている。エンコーダは三次元測定機や画像測定機などに搭載される。エンコーダによる測定を簡単に説明すると次のようになる。

光源部及び受光部をスケールに対して相対移動させながら、インデックス格子を介して光源部からの光をスケールの光学格子に照射する。これにより生成された位相の異なる複数（例えば四つ）の正弦波状の光信号を、それぞれの位相に対応する複数のフォトダイオード（受光部）で受光し、光電変換されて発生した電気信号を利用して直線などの変位量が測定される。

さて、エンコーダには、（ａ）光学格子に照射された光がスケールを透過し、この透過光を測定に利用する透過型や、（ｂ）光学格子に照射された光がスケールで反射し、この反射光を測定に利用する反射型がある。反射型の光学格子の材料として、クロムがよく用いられる。クロムはガラスとの密着性に優れ、光反射率が適度にあり、加工性が良いことに加え、酸化が進みにくいという利点があるためである。

反射型の光学格子は、クロム層のような光反射層に凹凸を規則的に設けた構造を有する。凹凸を光反射層に形成する際に加工深さに不均一が生じると、面内分布や繰り返し精度のばらつきが大きくなる。ここで、面内分布のばらつきとは、一つの光学格子において加工深さが位置によって異なることである。また、繰り返し精度のばらつきとは、複数の光学格子同士において加工深さが異なることである。受光部で受光される光信号はスケールの光学格子で生成されるので、上記ばらつきは測定精度向上の妨げとなる。

回折格子（光学格子）の加工深さを均一にする方法として、シリコン基板とシリコン酸化膜とのエッチングレートの差を利用し、シリコン基板をエッチングストッパとして、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜を選択的にエッチングすることにより、回折格子となる凹凸を形成する技術がある（例えば特許文献１）。
特開平７−１１３９０５号公報（段落［００４３］、図１）

しかし、シリコン酸化膜は透明なので、反射型にするためには、光学格子の上に反射膜をさらに形成する必要がある。

本発明は、加工深さが均一なクロム製の光学格子を有するスケール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の製造方法は、イオンプレーティング法を用いて基板上に第１のクロム層を成膜する第１工程と、第１工程よりも成膜装置のパワーを下げて第１のクロム層上に第２のクロム層を成膜する第２工程と、第１のクロム層をエッチングストッパとして、第２のクロム層を選択的にエッチングすることにより反射型の光学格子を形成する第３工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るスケールの製造方法によれば、第１のクロム層の成膜よりも成膜装置のパワーを下げて第２のクロム層を成膜している。これにより、第２のクロム層を第１のクロム層よりもエッチングレートが大きくなるようにすることができる。したがって、第１のクロム層をエッチングストッパとして、第２のクロム層を選択的にエッチングして反射型の光学格子を形成した場合、光学格子の溝（第２のクロム層）の加工深さを均一にすることができる。

本発明に係るスケールの製造方法において、第１及び第２のクロム層を同一真空内で成膜する、ようにすることができる。これによれば、スケールの基板をチャンバの外に出すことなく、第１及び第２のクロム層を成膜できるので、第１のクロム層と第２のクロム層の密着性が優れたものとなる。

本発明に係るスケールの製造方法において、第２工程の成膜にはスパッタ法を用いる、ようにすることができる。これによれば、第２のクロム層のエッチングレートを第１のクロム層よりも大きくしつつ、これらのクロム層の光反射率を等しくすることができる。よって、光学格子の溝の加工深さのばらつきをなくしつつ、光反射率が均一な光学格子を備えたスケールを作製できる。

本発明によれば、第１のクロム層をエッチングストッパとして第２のクロム層をパターニングすることによって光学格子を形成できる。よって、光学格子の溝の加工深さを均一にすることができる。

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）について説明する。まず、本実施形態に係る光電式エンコーダ１の構成について説明する。図１は、エンコーダ１の概略構成を示す図である。エンコーダ１は、光源部３と、ここで発生した光が照射される光学格子を含むスケール５と、この光学格子で反射又は回折された光を受光する受光部７と、により構成される。

光源部３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）９を備えている。また、光源部３は、発光ダイオード９からの光が照射される位置に配置されたインデックス格子１１を備える。インデックス格子１１は、長尺状の透明基板１３の発光ダイオード９側に向く面と反対側の面上に形成されている。インデックス格子１１は複数の遮光部１５が所定のピッチを設けてリニヤ状に配置されたものである。

透明基板１３のインデックス格子１１側には、この格子１１と所定のギャップを設けてスケール５が配置されている。スケール５はインデックス格子１１よりも長手方向の寸法が大きく、図１にはその一部が表れている。図２はスケール５の一部の拡大断面図である。図１および図２を参照して、スケール５の構造を詳細に説明する。

スケール５はガラスやシリコン等から構成される長尺状の基板１７を含む。基板１７の一方の面がインデックス格子１１と対向している。そして、この一方の面上には、光学格子１９が配置されている。光源部３からの光はインデックス格子１１を介して光学格子１９に照射される。光学格子１９は、ベースとなる第１のクロム層２１及びこの上に選択的に形成された第２のクロム層２３を備える。第１のクロム層２１及び第２のクロム層２３により凹凸パターンが構成される。第２のクロム層２３は、第１のクロム層２１よりもエッチングレートが大きい。これは後で説明するように、これらのクロム層の形成条件が異なるからである。

次に受光部７について図１を用いて説明する。受光部７は透明基板１３の面のうち光学格子１９が形成された面側に、所定のギャップを設けて配置されている。受光部７は、受光面が光学格子１９側に向くように配置された複数のフォトダイオード２５を含む。これにより、光学格子１９で反射又は回折された光源部３からの光がフォトダイオード２５により受光される。複数のフォトダイオード２５は所定のピッチを設けてリニヤ状に、透明基板１３に配置されている。よって、本実施形態では受光部７とインデックス格子１１とが同じ透明基板１３に形成されていることになる。なお、複数のフォトダイオード２５が配置された構造以外に、大きめの一つの受光素子の全面にインデックス格子を備えた構造でもよい。この場合、インデックス格子１１は不要となる。

受光部７およびインデックス格子１１を含む透明基板１３と発光ダイオード９は図示しない筐体に納められており、この筐体は、スケール５の長手方向に対応する測定軸ｘに沿って移動可能にされている。なお、スケールが移動可能で筐体が固定でもよい。つまり、スケール５は上記筐体に対して測定軸ｘに沿って相対移動可能にされている。

次に、光電式エンコーダ１の測定動作について説明する。発光ダイオード９から光をインデックス格子１１に照射すると、この格子１１により回折光が生じる。そして、光源部３及び受光部７を含む上記筐体を測定軸ｘに沿って移動させると、干渉により明暗パターンの変化（正弦波状の光信号）が生じる。詳しくは、第１のクロム層２１で反射された光（例えば光Ｌ１）と、第２のクロム層２３で反射又は回折された光（例えば光Ｌ２）との位相差により干渉された光の明暗信号が生じる。光学格子１９は位相格子として機能している。

この信号は、Ａ相（０度）の光信号、Ａ相より９０度だけ位相がずれたＢ相（９０度）の光信号、Ａ相より１８０度だけ位相がずれたＡＡ相（１８０度）の光信号およびＡ相より２７０度だけ位相がずれたＢＢ相（２７０度）の光信号であり、それぞれに対応するフォトダイオード２５で検出される。

各フォトダイオード２５で発生した電気信号がＩＣチップ（図示せず）に送られる。ＩＣチップでは、Ａ相およびＢ相に所定の処理（直流成分の除去等）をした後に、処理されたＡ相およびＢ相を基にして変位量が演算される。この結果を図示しない表示部に出力する。以上が光電式エンコーダ１の動作である。

さて、本実施形態では、第１及び第２のクロム層２１，２３をイオンプレーティング法で形成する。図３は、第１及び第２のクロム層２１，２３の形成に用いるイオンプレーティング装置５１（成膜装置の一例）の概略図である。装置５１は、真空チャンバ５３と、チャンバ５３内の上部に配置され、スケールの基板１７を保持するサセプタ５５と、を備える。サセプタ５５は、真空チャンバ５３の外部に配置された直流電源５７と接続されている。真空チャンバ５３内の下部には、蒸着源（クロム）５９が入ったるつぼ６１が配置されている。るつぼ６１とサセプタ５５との間には、スパイラル電極６３が配置されている。スパイラル電極６３は、真空チャンバ５３の外部に設けられた高周波電源６５に高周波整合回路６７を介して接続されている。

上記装置５１を用いた本実施形態に係るスケール５の製造方法の一例について詳細に説明する。図４〜図６はこれを説明するための工程図であり、図２の断面図と対応する。

まず、図３のサセプタ５５で図４に示す基板１７を保持する。真空チャンバ５３内に不活性ガスを導入する。そして、電子ビームや誘導加熱などにより蒸発源（クロム）５９を加熱して蒸発させる。この状態で、高周波電源６５により、周波数１３．５６ＭＨｚ、パワー（つまり電力）５００〜１０００Ｗの高周波をスパイラル電極６３に供給する。これにより、真空チャンバ５３内で放電が生じ、上記蒸発されたクロムがイオン化される。これが直流電源５７から直流電圧が印加されているサセプタ５５に向けて引き寄せられることにより、基板１７上に蒸着される。この結果、図４に示すように、基板１７上に厚さ０．０５〜０．２μmの第１のクロム層２１が成膜される。

引き続き、装置５１の電力（パワー）を下げて、図５に示すように、第１のクロム層２１上に厚さ０．１〜０．３μmの第２のクロム層２３を成膜する。パワーを下げるには具体的に以下のようにする。例えば、高周波電源６５からスパイラル電極６３に供給する高周波のパワーを１００〜０Ｗとする。

次に、図５の状態の基板１７を真空チャンバ５３から取り出して、フォトレジスト２７を第２のクロム層２３上に形成する。フォトレジスト２７を光学格子のパターンに対応するように露光した後、現像する。そして、このフォトレジスト２７をマスクとして、第１のクロム層２１をエッチングストッパとして、第２のクロム層２３を選択的にドライエッチングすることにより、光学格子１９を形成する。エッチングの条件としては例えば以下の通りである。

最後に、第２のクロム層２３上に残っているフォトレジスト２７を通常の方法で剥離することにより、図２に示すスケール５が完成する。

本実施形態の効果について、比較例と比較しながら説明する。図７は、比較例に係るスケール７１の一部の拡大断面図であり、図２と対応する。スケール７１は、基板１７上にクロム層７３からなる光学格子７５が形成されている。

スケール７１は以下のようにして作製する。イオンプレーティング法やスパッタ法等の任意の成膜方法で、基板１７上にクロム層７３を形成する。クロム層７３の成膜条件は一定であり、本実施形態のように途中でパワーを変えることはない。そして、本実施形態と同様に図６に示すフォトレジスト２７をクロム層７３に成膜する。フォトレジスト２７をマスクとしてクロム層７３を、目標の加工深さに到達するまで選択的にドライエッチングする。

しかしながら、エッチングは基板１７上の位置に応じて速度が異なるため、比較例のようにエッチングストッパがないと、光学格子７５の溝の加工深さｄにばらつきが生じる（面内分布のばらつき）。また、エッチングを目標の加工深さで精度よく止める制御は困難であるため、比較例のようにエッチングストッパがない場合、光学格子７５と、これと同じ方法で形成された光学格子とを比較すると、加工深さｄが異なる（繰り返し精度のばらつき）。

これに対して、本実施形態によれば、第１のクロム層２１をエッチングストッパとして、第１のクロム層２１よりもエッチングレートが大きい第２のクロム層２３を選択的にエッチングしている。したがって、第２のクロム層２３の厚みを加工深さと同じにすることにより、図２に示すように、光学格子１９の溝の加工深さｄが均一なクロム製の光学格子１９を作製することができる。よって、光学格子１９の面内分布や繰り返し精度に大きなばらつきが生じるのをなくすことができるため、光電式エンコーダ１の測定精度を向上させることができる。

なお、第１のクロム層２１はエッチングストッパとして機能する。このため、第２のクロム層２３が第１のクロム層２１よりもエッチングレートが大きいには、第１のクロム層２１がエッチングされない場合も含まれる。

第１及び第２のクロム層２１，２３を共にイオンプレーティング法で成膜すると、第２のクロム２３は第１のクロム層２１よりも光の反射率が低くなる。第２のクロム２３の光反射率が例えば４０％であるのに対して、第１のクロム２１の光反射率が例えば５５％である。これにより、第１のクロム層２１の膜質は密であり、第２のクロム層２３の膜質は粗であると推定される。したがって、パワーが異なるイオンプレーティング法で第１及び第２のクロム層２１，２３を形成した場合、エッチングレートが異なるのは、上記粗密が原因と思われる。ここで、上記光反射率は分光反射率（単色光に対する反射率）で定義することができ、光反射率が４０％とは、入射光の波長が例えば６００〜６５０nmの場合、分光反射率が４０％になるという意味である。

本実施形態では、第１のクロム層２１と第２のクロム層２３で光の反射率が異なっている。そこで、図８に示すように、第１及び第２のクロム層２１，２３を覆うように、第３のクロム層２９（光反射層の一例）をイオンプレーティング法やスパッタ法で形成してもよい。これにより、光学格子１９の光の反射率を均一にでき、測定精度をさらに向上させることができる。上記光反射層としては、クロム層に限定されず、金などＣｒとの密着性が良く、光反射率が高くかつ酸化されにくい材料であればよい。

本実施形態では、図３に示す真空チャンバ５３（同一真空）内で、第１及び第２のクロム層２１，２３を形成している。したがって、基板１７をチャンバ５３の外に出すことなく、第１及び第２のクロム層２１，２３を形成できる。よって、第１のクロム層２１と第２のクロム層２３の密着性が優れたものとなる。

本実施形態の変形例として、第２のクロム層２３をスパッタ法で形成してもよい。以下、変形例について説明する。図９は変形例に用いることが可能なスパッタ装置８１の概略図である。この装置８１の真空チャンバ８３内には、第１のクロム層２１（図示せず）が形成された基板１７が載置される下部電極８５と、ターゲットとなるクロムを保持した上部電極８７と、が配置されている。下部電極８５は高周波電源８９に接続され、上部電極８７は高周波電極９１に接続されている。真空チャンバ８３にはガス導入管９３が接続されている。

スパッタ装置８１を用いた第２のクロム層２３の形成について説明する。まず、ガス導入管９３から不活性ガスを真空チャンバ８３に導入し、チャンバ８３内を不活性雰囲気にする。そして、高周波電源９１により、周波数１３．５６ＭＨｚ、電力２００〜１０００Ｗの高周波を上部電極８７に供給する。以上により、図５に示すように第１のクロム層２１上に第２のクロム層２３がスパッタにより形成される。

スパッタ法によれば、第２のクロム層２３のエッチングレートを第１のクロム層２１よりも大きくしつつ、これらの層２１，２３の光反射率を等しくすることができる。よって、光学格子１９の溝の加工深さのばらつきをなくしつつ、光反射率が均一な光学格子１９を備えたスケール５を作製できる。

本実施形態に係る光電式エンコーダの概略構成を示す図である。 本実施形態に係る光電式エンコーダに備えられるスケールの一部の拡大断面図である。 本実施形態に係るスケールの製造に用いることが可能なイオンプレーティング装置の概略図である。 図２に示すスケールの製造方法の第１工程図である。 図２に示すスケールの製造方法の第２工程図である。 図２に示すスケールの製造方法の第３工程図である。 比較例に係るスケールの一部の拡大断面図である。 本実施形態に係る光電式エンコーダにおいて、第３のクロム層が形成されたスケールの一部の拡大断面図である。 本実施形態に係るスケールの製造方法の変形例で用いることが可能なスパッタ装置の概略図である。

符号の説明

１・・・光電式エンコーダ、３・・・光源部、５・・・スケール、７・・・受光部、９・・・発光ダイオード、１１・・・インデックス格子、１３・・・透明基板、１５・・・遮光部、１７・・・基板、１９・・・光学格子、２１・・・第１のクロム層、２３・・・第２のクロム層、２５・・・フォトダイオード、２７・・・フォトレジスト、２９・・・第３のクロム層、５１・・・イオンプレーティング装置、５３・・・真空チャンバ、５５・・・サセプタ、５７・・・直流電源、５９・・・蒸発源、６１・・・るつぼ、６３・・・スパイラル電極、６５・・・高周波電源、６７・・・高周波整合回路、７１・・・スケール、７３・・・クロム層、７５・・・光学格子、８１・・・スパッタ装置、８３・・・真空チャンバ、８５・・・下部電極、８７・・・上部電極、９１・・・高周波電源、９３・・・ガス導入管、ｄ・・・加工深さ

Claims (4)

1. イオンプレーティング法を用いて基板上に第１のクロム層を成膜する第１工程と、
   前記第１工程よりも成膜装置のパワーを下げて前記第１のクロム層上に第２のクロム層を成膜する第２工程と、
   前記第１のクロム層をエッチングストッパとして、前記第２のクロム層を選択的にエッチングすることにより反射型の光学格子を形成する第３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. 前記第２工程の成膜にはスパッタ法を用いる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダのスケールの製造方法。
3. 前記第１及び第２のクロム層を同一真空内で成膜する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電式エンコーダのスケールの製造方法。
4. 前記第１及び第２のクロム層を覆う光反射層を形成する第４工程を更に備える
   ことを特徴とする請求項１に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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