專利名稱：反射型編碼器、其標(biāo)尺以及標(biāo)尺的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反射型編碼器、其標(biāo)尺、以及標(biāo)尺的制造 方法，特別涉及一種適于在線性編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器等光電式
編碼器中使用的、能夠以單軌實(shí)現(xiàn)增量(INC)圖形和原點(diǎn) (ABS)圖形的反射型編碼器、其標(biāo)尺、以及標(biāo)尺的制造方法。
背景技術(shù)：
鉻等金屬、或者氧化硅等電介質(zhì)在線性編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼 器等光電式編碼器中使用的標(biāo)尺上成膜并形成圖形。
特別是在增量編碼器中，除了INC圖形之外還設(shè)置原點(diǎn)圖 形，例如在電源剛剛接通之后，使該原點(diǎn)圖形強(qiáng)制通過，由此 校正檢測位置。
在此，作為將INC圖形、與原點(diǎn)圖形(參照標(biāo)記)或者絕 對位置(ABS)碼圖形(統(tǒng)稱為ABS圖形) 一起配置在標(biāo)尺上 的編碼器，以往，如與日本特開2001-82984號7〉才艮(專利文獻(xiàn)l ) 的圖2 (a)對應(yīng)的圖l所示，提出在標(biāo)尺l的支承體l.l上并列設(shè) 置例如刻度周期TPM的INC圖形1.2和參照標(biāo)記(原點(diǎn)圖形)1.3。 在圖l中，X是測量方向。
另外，如與日本特表2004-529344號公報(專利文獻(xiàn)2)的 圖1對應(yīng)的圖2所示，還提出如下技術(shù)通過組合具有A段所示 的反射線12和非反射線14的反復(fù)圖形的INC圖形10、與具有B 段所示的反射線12和非反射線14的ABS圖形16來形成標(biāo)尺18, 如C段和D段所示，使INC圖形10的反射線20的一部分(22)缺 損，將該缺損部22作為ABS數(shù)據(jù)。在圖2中，20是原始狀態(tài)下的 反射線，22是被除去后的反射線。
5并且，在該專利文獻(xiàn)2中，如與其圖8對應(yīng)的圖3所示，遠(yuǎn) 離測量軸線方向地配置INC圖形的檢測器50和ABS圖形的檢測 器26。在圖3中，LS1、 LS2是光源，18是標(biāo)尺，25是成像透鏡， 52是分度光柵，53是讀取頭。
另一方面，雖然不是與編碼器有關(guān)的技術(shù)，但是在日本特 開昭58-144804號公報(專利文獻(xiàn)3 )中還提出如下技術(shù)如與 其第la圖對應(yīng)的圖4所示，在具有多色微觀結(jié)構(gòu)的、特別是微觀 地圖的形式的記錄支撐體中，改變形成在層支撐體3!上的多層 體h和2!的高度。在圖4中，4" 6i、 7i、 9!是金屬層，5,是與第 一色調(diào)對應(yīng)的無機(jī)材料的非吸收性的干擾層，8i是與第二色調(diào) 對應(yīng)的無機(jī)材料的非吸收性的千擾層。
然而，在專利文獻(xiàn)l的技術(shù)中，需要較大地設(shè)定與標(biāo)尺l的 測量方向X垂直的方向(圖的左右方向)的寬度，導(dǎo)致標(biāo)尺、 進(jìn)而編碼器大型化。
另外，如與專利文獻(xiàn)2的圖1對應(yīng)的圖2那樣，當(dāng)使INC圖形 的 一 部分缺損時，沒有INC圖形的部分的INC變位的檢測精確度 惡化。
另外，在與專利文獻(xiàn)2的圖8對應(yīng)的圖3的結(jié)構(gòu)的情況下， 在檢測器50與檢測器26之間存在間隔。因此，在存在溫度變動 的情況下，兩者的間隔由于保持兩者的部件的線膨脹而發(fā)生變 動，因此具有INC圖形的檢測值與ABS圖形的檢測值不一致這 樣的問題。
另一方面，專利文獻(xiàn)3涉及在^t觀地圖上改變圖形高度而 具有多色的微觀結(jié)構(gòu)，不涉及光電式編碼器的標(biāo)尺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述以往的問題點(diǎn)而做成的，目的在于使多個圖形疊加在同 一 軸線上而使反射型編碼器的標(biāo)尺小型化。
本申請的技術(shù)方案l的發(fā)明是一種反射型編碼器，具有光 源、形成有來自該光源的光所照射的多個圖形的標(biāo)尺、以及分 別接收由上述多個圖形各自反射的光的受光元件，從單個標(biāo)尺
得到多個受光信號，該反射型編碼器在上述標(biāo)尺的單一軌道上， 使用電介質(zhì)形成厚度不同的多個圖形，并且根據(jù)電介質(zhì)厚度差 而從上述光源照射明暗不同的多個波長的光，得到每個電介質(zhì) 厚度的受光信號。
本申請的技術(shù)方案2的發(fā)明如下所述用反射光在第一厚 度的電介質(zhì)層衰減的第 一 光波長檢測第 一 圖形，并且用反射光 在第二厚度的電介質(zhì)層衰減的第二光波長檢測第二圖形。
本申請的技術(shù)方案3的發(fā)明的電介質(zhì)層的高度進(jìn)行如下設(shè) 定采用上述第一光波長時，來自電介質(zhì)層的光量最低，并且 采用第二光波長時，來自電介質(zhì)層的光量為最大。
另外，技術(shù)方案4的發(fā)明是，上述多個圖形為增量圖形和 ABS圖形。
另外，技術(shù)方案5的發(fā)明是，上述電介質(zhì)為氧化硅。
另外，技術(shù)方案6的發(fā)明是，上述電介質(zhì)的厚度為430nm和 330跳上述光源的波長為謂nm和660nm。
另外，技術(shù)方案7的發(fā)明是，檢測上述增量圖形的上述受 光元件的檢測中心軸線、與檢測上述ABS圖形的上述受光元件 的檢測中心軸線在測量軸線上一致。
另外，技術(shù)方案8的發(fā)明提供一種反射型編碼器的標(biāo)尺， 該反射型編碼器的標(biāo)尺的特征在于，使用電介質(zhì)，在標(biāo)尺的單 一軌道上形成厚度不同的多個圖形。
另外，本申請的技術(shù)方案9的發(fā)明提供一種標(biāo)尺的制造方法，其特征在于，使用電介質(zhì)，在標(biāo)尺的單一軌道上形成厚度 不同的多個圖形時，在標(biāo)尺基板上使光反射層成膜，在光反射 層上以第一高度使電介質(zhì)層成膜，在電介質(zhì)層上使第一抗蝕圖 形成膜并形成圖形，蝕刻該第 一抗蝕圖形開口部的電介質(zhì)層直 到第二高度為止，在電介質(zhì)層上使第二抗蝕圖形成膜并形成圖 形，蝕刻該第二抗蝕圖形開口部的電介質(zhì)層，除去該第二抗蝕 圖形。
另外，本申請的技術(shù)方案10所涉及的發(fā)明提供 一 種標(biāo)尺的 制造方法，其特征在于，使用電介質(zhì)，在標(biāo)尺的單一軌道上形 成厚度不同的多個圖形時，在標(biāo)尺基板上使光反射層成膜，在 光反射層上使第一抗蝕圖形成膜并形成圖形，在該第一抗蝕圖 形的開口部剝離出(lift Off)第二高度的電介質(zhì)層，除去該第 一抗蝕圖形，在電介質(zhì)層上使第二抗蝕圖形成膜并形成圖形， 在該第二抗蝕圖形的開口部上剝離出第一高度的電介質(zhì)層，除 去該第二抗蝕圖形。
根據(jù)本發(fā)明，例如能夠?qū)NC圖形與ABS圖形疊加在同一 軌道上，使標(biāo)尺小型化。
特別地，在用反射光在第一厚度的電介質(zhì)層衰減的第一光 波長檢測第一圖形、并且用反射光在第二厚度的電介質(zhì)層衰減 的第二光波長檢測第二圖形的情況下，在各個圖形檢測中，相 互不受影響，能夠提高各個圖形的檢測精確度。
另外，電介質(zhì)層的高度如下進(jìn)行設(shè)定的情況下采用第一 光波長時，來自電介質(zhì)層的光量最低、并且采用第二光波長時， 來自電介質(zhì)層的光量最大，從而，在各個圖形的檢測中，相互 不受影響。


8圖l是專利文獻(xiàn)l所述的標(biāo)尺的俯視圖。
圖2是表示專利文獻(xiàn)2的圖l所述的標(biāo)尺的結(jié)構(gòu)的圖。
圖3是表示專利文獻(xiàn)2的圖8所述的讀取頭和標(biāo)尺的結(jié)構(gòu)的
側(cè)視圖。
圖4是表示專利文獻(xiàn)3所述的微觀結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖5是表示本發(fā)明的標(biāo)尺的結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖。
圖6是表示以第 一 光波長觀測上述標(biāo)尺的情況的俯視圖和
側(cè)視圖。
圖7是表示同樣以第二光波長觀測的情況的俯視圖和側(cè)視圖。
圖8是表示用于說明本發(fā)明的原理的、從電介質(zhì)層射出的光 的干擾的剖視圖。
圖9是同樣地表示來自光電介質(zhì)層的射出光量的例子的圖。 圖10是表示利用本發(fā)明的蝕刻法制造標(biāo)尺的工序的圖。 圖ll是表示利用剝離(lift-off)法同樣制造標(biāo)尺的工序的圖。
圖12是表示本發(fā)明所涉及的反射型編碼器的實(shí)施方式的整 體結(jié)構(gòu)的斜視圖。
圖13同樣地是表示詳細(xì)結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖14是同樣地從Z軸方向觀察檢測頭的俯視圖。
圖15是表示上述實(shí)施方式中的光源的控制方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。 如圖5所示，在本實(shí)施方式中使用的標(biāo)尺通過控制形成在 光反射層32上的電介質(zhì)層34的厚度(高度)hp h2來分離INC 圖形和ABS圖形，該光反射層32形成在標(biāo)尺基并反30上。例如，可設(shè)電介質(zhì)層的厚度為h!的圖形是INC圖形36,厚度為h2的圖形 是ABS圖形38。
作為上述電介質(zhì)層34的材料，例如可使用氧化硅(Si02)、 氧化鉻(Cr203 )、氮化鈦(TiN)等。在此，當(dāng)使用氧化硅時， 由于能夠使電介質(zhì)層的厚度差變大，因此容易進(jìn)行光的分離， 能夠得到高性能的編碼器。另一方面，氧化鉻、氮化鈦與氧化 硅相比，折射率n較大，因此厚度&、 h2變小，成本變低，但是 難以進(jìn)4亍光的分離。
目前，眾所周知，在通過電介質(zhì)層來進(jìn)行光的反射的情況 下，在電介質(zhì)層的表層反射的光與在電介質(zhì)層內(nèi)的光反射層反 射的光相互干擾，在某特定的光波長變暗。因而，例如在厚度 、的電介質(zhì)層以光波長M觀測時變暗、厚度h2的電介質(zhì)層以光波 長人2觀測時變暗的情況下，如圖6、圖7那樣，圖5示出的圓形36、 38能夠以各自的光波長觀測到。
如圖8所示，從電介質(zhì)層射出的光的干擾如下所述電介 質(zhì)層表面反射的光、與在電介質(zhì)層內(nèi)部的反射層表面反射的光 的光路差為光波長的一半時衰減，在整數(shù)倍時加強(qiáng)。即，根據(jù) 斯內(nèi)爾定律，
n尸ni/no二sin0o/si織...(1 )
在此，m是電介質(zhì)層的折射率，no是空氣層的折射率，e0 是從空氣層向電介質(zhì)層的入射角，6i是從空氣層向電介質(zhì)層的 折射角。
用下式表示各點(diǎn)A、 B、 C、 D之間的距離。 LABc=2h/cos9i... (2) LAc^2hta禹...(3 ) LAD=LACsin9o=2hsinQotan0i... (4)
在此，h是電介質(zhì)層的厚度(高度)。因而，用下式表示AC間的光學(xué)距離。
LPABc二niLABc二2r^h/cos9！... ( 5 ) 另外，用下式表示AD間的光學(xué)距離。 LPAD=noLad=2nohsin0otan0i... (6) 因而，用下式表示光路差。
=2h{ ( ni/cos9！ ) -nosin0otan6i}... (7)
在此，n。=l， n產(chǎn)1.55 (以Si02為例)，e。=15。， ^=880nm, 人2二660nm,且各面的反射率是理想的(tid=50%， t|r=100%)， 并且，在圖9中示出沒有層內(nèi)的衰減時的電介質(zhì)層高度h和射出 光強(qiáng)度的關(guān)系。根據(jù)圖9，當(dāng)選擇430nm作為l^時，能夠在光波 長^( 880nm)的射出光量最低時，使光波長人2 ( 660nm )的射 出光量最大。另外，當(dāng)選擇330nm作為h2時，能夠在光波長人2 (660nm)的射出光量最低時，使光波長^ ( 880nm )的射出光 量趨近最大。通過這種選擇，能夠在以各個波長進(jìn)行觀測時， 使相互的影響最小。
在此，例如能夠以如圖IO所示的、通過蝕刻法控制電介質(zhì) 層高度的光刻工序來制作電介質(zhì)層的高度不同的圖形。
即，首先，(1 )在標(biāo)尺基板30上(2)使光反射層32成膜， (3)在光反射層32上使高度&的電介質(zhì)層34成膜，(4)在電介 質(zhì)層34上使第一抗蝕圖形40成膜并形成圖形，(5)蝕刻該第一 抗蝕圖形40的開口部的電介質(zhì)層直到高度h2,接著，(6)使第 二抗蝕圖形42成膜并形成圖形，接著，(7)蝕刻該第二抗蝕圖 形42的開口部的電介質(zhì)層，最后(8)除去該第二抗蝕圖形42, 可由此進(jìn)行制作。
根據(jù)該方法，一次完成成膜，因此能夠以較低的成本進(jìn)行 制造?；蛘撸鐖Dll所示，以利用剝離法控制電介質(zhì)層高度的光 刻工序也能夠制作。
即，首先，(1 )在標(biāo)尺基板30上(2)使光反射層32成膜， (3)在其上使第一抗蝕圖形40成膜并形成圖形，(4)在該第一 抗蝕圖形40的開口部剝離出高度h2的電介質(zhì)層，接著，(5)除 去該第一抗蝕圖形40， (6)在其上使第二抗蝕圖形42成膜并形 成圖形，接著，(7)在該第二抗蝕圖形42的開口部剝離出高度 !^的電介質(zhì)層，最后(8)除去該第二抗蝕圖形42。
根據(jù)該方法，由于沒有切削表面的工序，因此表面不粗糙，
能夠可靠地進(jìn)行正反射的干擾。
如圖12所示，由標(biāo)尺28、和在標(biāo)尺28上沿測量軸線(X軸)
哭
如o
如圖13 (剖視圖)和圖14 (俯視圖)詳細(xì)所示，上述檢測 頭60包括光波長、的第一光源62;光波長^的第二光源64; 合成兩個光源62、 64的光路的50:50分束器66;由該分束器66 合成的光所通過的COG ( Chip On Glass )玻璃基板68;以及兩 個光波長M、 ^共用的受光元件74,其用于^r測透射過該COG 玻璃基板68由上述標(biāo)尺28的圖形反射的光，例如通過連接凸塊 (bump) 72連接在COG玻璃基板68上的布線圖形70上。
在本實(shí)施方式中，第一光源62 (波長M )的光路和第二光 源64(光波長M)的光路由分束器66合成，到達(dá)標(biāo)尺基板30上 的電介質(zhì)層34。因此，由通過連接凸塊72連接在COG玻璃基板 68的布線圖形70上的受光元件74檢測被反射的光。檢測信號通 過連接凸塊72和布線圖形70被傳送到未圖示的控制電路部。
在此，以如圖15所示的順序控制上述光源62和64。即，在 編碼器的電源被接通時(步驟IOO)，當(dāng)前位置不明，因此，首先，需要讀取ABS圖形38,檢測ABS數(shù)據(jù)。因此，點(diǎn)亮第二光 源64(步驟110)。此時，第一光源62保持熄滅。
如果能夠檢測到ABS數(shù)據(jù)(步驟120)，則將其數(shù)據(jù)預(yù)置到 位置計(jì)數(shù)器中(步驟130),熄滅第二光源64 (步驟140)。
接著，使第一光源62點(diǎn)亮(步驟150),檢測INC信號(步 驟160),由位置計(jì)數(shù)器對INC信號進(jìn)行計(jì)數(shù)來檢測之后的位置 變化(步驟170)。
在INC信號測量過程中，在存在信號強(qiáng)度降低等INC信號發(fā) 生異常的情況(步驟l80)下，之后的位置計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的可靠性變 低，因此使第一光源52熄滅(步驟190),再次進(jìn)入到檢測ABS 數(shù)據(jù)的循環(huán)(步驟110 140)中。
如上所述，由于能夠由單個受光元件74檢測ABS數(shù)據(jù)和 INC信號，因此能夠使結(jié)構(gòu)小型化。另外，如圖14所示，ABS 圖形38的才企測中心軸線與INC圖形36的沖全測中心軸線一致。因 而，能夠使標(biāo)尺上的ABS檢測位置與INC檢測位置處于相同的 位置，因此ABS數(shù)據(jù)位置與INC信號位置不會偏離，不會形成 如兩者檢測出不同的位置那樣的情形，因此位置檢測的可靠性 提高。
此外，在上述實(shí)施方式中，在單一軌道上形成INC圖形和 ABS圖形，但是形成在單一軌道上的圖形數(shù)、組合并不限于此， 例如也可以組合兩種ABS圖形或者INS圖形，或者組合三種以上 的圖形。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明可用于線性編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器的光電式編碼器， 將INC圖形與ABS圖形等多個圖形疊加在同一軌道上，能夠使 標(biāo)尺小型化。
權(quán)利要求
1. 一種反射型編碼器，具有光源、形成有來自該光源的光所照射的多個圖形的標(biāo)尺、以及分別接收由上述多個圖形各自反射的光的受光元件，由單個標(biāo)尺得到多個受光信號，其特征在于，在上述標(biāo)尺的單一軌道上，使用電介質(zhì)形成厚度不同的多個圖形，并且根據(jù)電介質(zhì)厚度差而從上述光源照射明暗不同的多個波長的光，得到每個電介質(zhì)厚度的受光信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的反射型編碼器，其特征在于，以反射光在第 一厚度的電介質(zhì)層發(fā)生衰減后的第一光波長 檢測第 一 圖形，并且以反射光在第二厚度的電介質(zhì)層發(fā)生衰減 后的第二光波長檢測第二圖形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的反射型編碼器，其特征在于， 電介質(zhì)層的高度進(jìn)行如下設(shè)定采用上述第一光波長時，來自電介質(zhì)層的光量最低，并且采用第二光波長時，來自電介 質(zhì)層的光量為最大。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的反射型編碼器，其特 征在于，上述多個圖形是增量圖形和ABS圖形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的反射型編碼器，其特 征在于，上述電介質(zhì)是氧化硅。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的反射型編碼器，其特征在于， 上述電介質(zhì)的厚度為430nm和330nm,上述光源的波長為880nm和660謹(jǐn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的反射型編碼器，其特征在于，檢測上述增量圖形的上述受光元件的檢測中心軸線、與檢測上述ABS圖形的上述受光元件的檢測中心軸線在測量軸線上重合。
8. —種反射型編碼器的標(biāo)尺，其特征在于， 使用電介質(zhì)，在標(biāo)尺的單一軌道上形成厚度不同的多個圖形。
9. 一種標(biāo)尺的制造方法，其特征在于，使用電介質(zhì)，在標(biāo)尺的單一軌道上形成厚度不同的多個圖 形時，在標(biāo)尺基板上使光反射層成膜，在光反射層上以第一高度使電介質(zhì)層成膜，在電介質(zhì)層上使第一抗蝕圖形成膜并形成圖形，蝕刻該第 一抗蝕圖形開口部的電介質(zhì)層直到第二高度為止，在電介質(zhì)層上使第二抗蝕圖形成膜并形成圖形， 蝕刻該第二抗蝕圖形開口部的電介質(zhì)層， 除去該第二抗蝕圖形。
10. —種標(biāo)尺的制造方法，其特征在于， 使用電介質(zhì)，在標(biāo)尺的單一軌道上形成厚度不同的多個圖形時，在標(biāo)尺基板上使光反射層成膜，在光反射層上使第 一 抗蝕圖形成膜并形成圖形，在該第 一 抗蝕圖形的開口部剝離出第二高度的電介質(zhì)層，除去該第一抗蝕圖形，在除去了該第 一抗蝕圖形的光反射層和電介質(zhì)層上使第二 抗蝕圖形成膜并形成圖形，在該第二抗蝕圖形的開口部上剝離出第 一 高度的電介質(zhì)層，除去該第二抗蝕圖形。
全文摘要
本發(fā)明提供一種反射型編碼器、其標(biāo)尺以及標(biāo)尺的制造方法。該反射型編碼器具有光源、形成從該光源照射光的多個圖形的標(biāo)尺、以及分別接收由上述多個圖形各自反射的光的受光元件，從單個標(biāo)尺得到多個受光信號，該反射型編碼器在上述標(biāo)尺的單一軌道上，使用電介質(zhì)形成厚度不同的多個圖形，并且從上述光源，照射根據(jù)電介質(zhì)厚度的差而明暗不同的多個波長的光，得到按每個電介質(zhì)厚度的受光信號，由此將多個圖形疊加在同一軌道上來使標(biāo)尺小型化。
文檔編號G01D5/30GK101484780SQ20078002486
公開日2009年7月15日 申請日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月1日
發(fā)明者夜久亨, 富永淳 申請人:株式會社三豐