JP2013181964A - エンコーダのスリット盤およびそのスリット盤を使用したエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト化に寄与し、安価に製作することができ、且つ、エンコーダのスリット幅をより高精度にし、例えば角速度、直線移動などの精密な制御を行うことのできるエンコーダのスリット盤およびそのスリット盤を使用したエンコーダを提供する。
【解決手段】光源から放出した光の反射光を用いて可動物体の機械的な変位を電気的なパルス信号に変換するエンコーダのスリット盤であって、前記スリット盤は高反射率部と低反射率部とを備え、前記高反射率部は平滑面であり、前記低反射率部は微細な凹凸が周期的に形成された凹凸面であることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、可動物体の機械的な変位を、光源から放出した光の反射光を用いて電気的なパルスに変換するためのエンコーダのスリット盤およびそのスリット盤を使用したエンコーダに関する。

現在使用されている、エンコーダは光学式、磁気式が一般的である。光学式には透過型と反射型とがあるが、透過型がより一般的である。
例えば、図９（Ａ）、（Ｂ）に示したように、光学式で透過型のエンコーダ７０では、発光素子３と受光素子４とを対向して配置するとともに、回転軸５により回転するスリット盤９の外周部に光学変調トラック８を設け、該光学変調トラック８を設けたスリット盤９に発光素子３から光を投射している。そして、発光素子３からの投射光を光学変調トラック８で変調し受光素子４と処理回路６とにより回転軸５の回転に伴う出力信号を得るように構成されている。（特許文献１参照）。

なお、透過型のエンコーダ７０の場合には、スリット盤の透過光を受光するために発光素子３と受光素子４とが、スリット盤９を挟んでコの字状に配置されるため、機器本体が大きくなるデメリットがあった。

一方、図１０に示したように、スリット盤の反射光を受光する反射型のエンコーダ８０も知られている（例えば、特許文献２）。
反射型のエンコーダ８０では、例えば、発光素子３と受光素子４とを同一の基板３６上に配置するとともに、発光素子３からスリット盤９に光を投射し、そのスリット盤９の低反射率部（図１０の場合は孔）あるいは高反射率部から構成される光学変調トラックにより反射されてきた光を、受光素子４で受光するものである。

このような反射型のエンコーダ８０では、検出系を構成する発光素子３と受光素子４とは、スリット盤９に対して並列状態で対向して配置されるため、コンパクトにできるメリットがあった。

また、従来から提供されているスリット盤では、情報を読み取ることのできるエンコーダのスリット幅（光学格子）を量産ベースで高精度に作ることができていなかった。量産ベースでは４〜５μｍまでのスリット幅（光学格子）しか作ることができず、結果として、角速度、直線移動などにおける精密な制御を充分に行う為の高パルスを発生させることができなかった。

例えば、図１０において、低反射率部を孔で構成すると、孔の精度が悪い為、結果として、受光素子４での識別度が悪くなるという問題があった。
また従来、孔は普及品では金属板のパンチング、高級品では1枚毎フォトリソグラフィー工程でのエッチングで製作されており高価であった。

近年、ＮＣマシーンや半導体焼付装置、高精度ロボットなどの精密機械で用いられるエンコーダでは、小型であり、かつさらなる精密な制御を行うことが可能なエンコーダが求められている。

特開２００８−２９８５９３号公報 特開２００６−１０５７０８号公報

本発明は、このような実情に鑑み、エンコーダのスリット幅をより高精度に形成し、さらに識別度が良好で安価に製作することができ、例えば角速度、直線移動などのさらなる精密な制御を行うことのできるエンコーダのスリット盤およびそのスリット盤を使用したエンコーダを提供することを目的としている。

本発明に係るエンコーダのスリット盤は、
光源から放出した光の反射光を用いて可動物体の機械的な変位を電気的なパルス信号に変換するエンコーダのスリット盤であって、
前記スリット盤は高反射率部と低反射率部とを備え、
前記高反射率部は平滑面であり、前記低反射率部は微細な凹凸が周期的に形成された凹凸面であることを特徴としている。

このような構成のスリット盤であれば、高反射率部と低反射率部からの反射光をパルス信号に変換することにより、可動物体の機械的変位を読み取ることができ、エンコーダのスリット盤として用いることができる。また、光学変調トラックに、微細な凹凸が周期的に形成された凹凸面の有無により高反射率部と低反射率部との反射率部の違いを設ければ、安価にしかもスリット幅の高精度化の要求に応えることができる。また、反射型であるため、機器本体が大きくなることもない。

また、本発明では、前記微細な凹凸は、その周期（Ｐ）が、前記光源から放出した光の波長（λ）より短いことが好ましい。
このように微細な凹凸の周期と、光の波長が設定されていれば、低反射率部の微細な凹凸面からの反射を極力抑えることができる。また、光の回折が生じないことから、受光素子によって明と暗を十分に識別することができる。

また、本発明では、前記微細な凹凸が、モスアイ構造であることが好ましい。
このように、微細な凹凸がモスアイ構造であれば、反射光を極力抑えることができるので、エンコーダの分解能を向上し高性能とすることができる。

さらに、本発明では、前記微細な凹凸のアスペクト比が、０．５〜３．０の範囲であることが好ましい。アスペクト比は高い方が良好であるが、モスアイ構造の転写が困難になるため、３．０程度までが好ましいと考えられる。又、アスペクト比が低くなると反射防止効果が薄れるため、０．５程度までが好ましいと考えられる。

微細な凹凸のアスペクト比がこのような範囲に設定されていれば、受光素子の明と暗の識別度をより向上させることができる。
さらに、本発明では、前記微細な凹凸が、柱状物の周期構造であっても良い。

このように、柱状物の凹凸が周期的に形成された凹凸面であるとしても、低反射率部を形成することができる。
また、本発明では、前記微細な柱状の凹凸の高さをＨ、前記光源から放出した光の波長をλ、前記微細な凹凸の入射側媒質の屈折率をＮとしたとき、
Ｈ＝λ／（４Ｎ）であることが好ましい。

各要素がこのように設定されていれば、微細な凹凸が柱状物であるとしても、モスアイ構造のように、光の反射を制限することができる。
また、本発明では、前記高反射率部と前記低反射率部は、同一の金属膜で覆われていることが好ましい。

このように高反射率部と低反射率部とが、同一の金属膜で覆われていれば、高反射率部（平滑面）と低反射率部（微細な凹凸面）を同時に処理することができる。
さらに、本発明では、前記金属膜が、アルミニウム、クロム、金、銀が単独またはそれらの１つを含む合金であっても良い。

このような金属あるいはそれらの１つを含む合金であれば、平滑面での反射率が良好である。
また、本発明では、前記金属膜が樹脂層で覆われ、樹脂層の屈折率をｎ₁、微細構造の周期をＰ、前記光源から放出した光の波長をλとしたとき、
Ｐ＜λ／ｎ₁であることが好ましい。

屈折率ｎ₁がこのような樹脂層を金属膜の上層に設ければ、樹脂層の表面反射はあるものの金属膜の傷つき及び凹凸部の隙間汚れを防止することができる。このため、長期に亘り安定して、受光素子による明と暗を識別することが容易となる。

さらに、本発明では、前記金属膜が、窒化シリコンまたは窒化アルミシリコンまたは酸化シリコンまたはサイアロンのいずれかによる誘電体層で上または上下が覆われていることが好ましい。

金属膜がこのような誘電体層で覆われていれば、金属膜の酸化を効果的に防止できると同時に金属膜の耐擦傷性を向上できる。
また、本発明では、前記金属膜と前記樹脂層との間に、さらに窒化シリコンまたは窒化アルミシリコンまたは酸化シリコンまたはサイアロンのいずれかによる誘電体層が介在されていても良い。

金属膜と樹脂層との間に誘電体層が介在されているとしても、金属膜の酸化を効果的に防止できる。
さらに、本発明では、前記スリット盤の基材が、熱可塑性樹脂により微細な凹凸を含めて射出成形で形成されていても良い。

微細な凹凸と平滑面のパターンを表面に持つスタンパを用いて基材を射出成形で転写すれば、微細な凹凸を樹脂表面に形成することができる。
ここで、前記熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレイト、シクロオレフィンポリマー、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ナイロンのいずれかであることが好ましい。

このような樹脂を採用することにより、微細な凹凸を基材に容易に転写することができる。
さらに、本発明では、前記スリット盤の少なくとも微細な凹凸がナノインプリントで形成されていることが好ましい。

微細な凹凸の形成にナノインプリントを採用することにより、微細な凹凸を樹脂表面に高精度に転写することができる。
また、本発明では、前記スリット盤の基材が、金属、ガラスまたは熱硬化樹脂により形成されていても良い。

このように、基材として様々な材質を採用することができる。この場合、基材とナノインプリント材料との密着力アップのため、基材にプラーマー処理する場合、基材とナノインプリント材料の密着の相性が良い場合、ナノインプリント材料に密着強化剤が含まれている場合については、ＵＶ照射や熱転写などにより、ナノインプリント技術を適用することができる。

さらに、本発明では、前記基材が光源波長に対して少なくとも８０％以上の透過率を有する場合、微細な凹凸を設けた側、あるいは微細な凹凸を設けていない側のどちらからでも光を入射可能であり、前記微細な凹凸を設けていない側から光を入射する場合は、微細な凹凸の周期がＰ＜λ／ｎ₂であることが好ましい。

ただし；Ｐは微細な凹凸の周期、λは光の波長、ｎ₂は基材裏側での凹凸の屈折率である。
このように基材のどちらから光を入射したとしても、低反射率部からの反射が少なくなり、受光素子によって明と暗を識別することができる。

また、本発明では、前記微細な凹凸を設けていない側から光を入射する場合、基材の裏側に樹脂層を設けることが好ましい。
基材の裏側に樹脂層が設けられていれば、表側から光を照射する場合と同様に、入射光表面の耐擦傷性を向上することができる。

また、本発明では、前記スリット盤には、前記高反射率部と前記低反射率部とにより、インクリメントパターンとアブソリュートパターンとインデックスパターンから選ばれる１種以上のパターンを有することが好ましい。

このように、本発明のスリット盤により、さまざまな出力形式のエンコーダを提供することができる。
さらに、本発明では、上記いずれかに記載のスリット盤を使用したエンコーダを提供できる。

これにより、高精度のスリット幅を有するエンコーダとなるので、精密な制御が可能となる。
さらに、本発明では、前記スリット盤に光を放出する光源が、発光ダイオードであっても良い。

光源が発光ダイオードであれば、波長及び位相が揃っていないのでエンコーダ用光源として、高精度品には不向きであるが普及品には十分使用可能である。
また、前記スリット盤に光を放出する前記光源が、レーザー光源であっても良い。

光源がレーザー光源であれば、波長及び位相は揃っており高い指向性があるので高精度品に向いている。
また、本発明のスリット盤は、ロータリーエンコーダまたはリニアエンコーダに好ましく適用できる。

本発明に係るエンコーダのスリット盤によれば、スリット盤の光学変調トラックに、平滑面からなる高反射率部と、微細な凹凸が周期的に形成された凹凸面からなる低反射率部とを設けることにより、これまで以上にスリット幅を高精度に形成することができる。また、スリット幅が高精度に形成できるので、エンコーダとしてパルス識別度が良好である。

さらに、スリット盤の小型化が達成でき、ひいてはエンコーダの小型化に寄与することができる。
また、スリット盤の基盤あるいは少なくとも微細な凹凸部を射出成形あるいはナノインプリントで形成すれば、従来のフォトリソ工程で製作した品物より安価に製作することができる。

さらに、本発明では、ロータリーエンコーダまたはリニアエンコーダのスリット盤として使用すれば、エンコーダのスリット幅が２μｍもしくはそれ以下の精度の要求に応えることができる。また、低反射率部の凹凸が光の波長より小さい為、光の回折が生じることもない。

このようなスリット盤を使用したエンコーダにより、ＮＣマシーンや半導体焼付装置などの精密機械あるいはロボットなどにおいて角速度、直線移動などにおける精密な制御をこれまで以上に行うことが可能となる。

また、スリット盤のスリットを小さくすることができるため、スリット盤の小型化を図ることができ、ひいてはエンコーダ自体の小型化も図ることが可能となる。

図１（Ａ）は本発明の一実施例によるスリット盤を示した正面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線方向の拡大断面図である。 図２は、図１の基材に採用された凹凸面の模式的斜視図である。 図３は図２の凹凸面に光が入射された場合の原理説明図である。 図４は本発明の一実施例によるスリット盤に対する光の走査により低反射率部と高反射率とを通った場合の、レーザースポット位置と反射光量との関係を示す模式図である。 図５（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の他の実施例、さらに他の実施例によるスリット盤の断面図である。 図６（Ａ）、（Ｂ）は、基材の低反射率部に形成された図２のモスアイ構造に代わる柱状物からなる凹凸面の断面図である。 図７は基材の裏側から光を照射する場合の例を示す断面図である。 図８は、本発明に係るスリット盤が採用された反射型ロータリーエンコーダの概略斜視図である。 図９（Ａ）は従来の透過型のエンコーダの斜視図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の概略側面図である。 図１０は従来の反射型のエンコーダの概略断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。
なお、本明細書において、上位に位置する部材と下位に位置する部材が同一形状である場合、同じ符号を付している。

また、本明細書書において「上」とは、例えば図１（Ｂ）において凹凸面１４ａが形成された側をいう。「下」あるいは「裏」とは樹脂層３０から見て基材１６側をいう。
また、以下の説明において、「スリット」とは、低反射率部のことをいい、「スリット盤」とは、低反射率部と高反射率部が形成された盤をいう。

図１（Ａ）は本発明の一実施例に係る反射型ロータリーエンコーダに使用されたスリット盤１０の概略を示したもので、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線方向の一部拡大断面図である。

このスリット盤１０には、外周部に高反射率部１２と低反射率部１４とからなる光学変調トラック８が環状に形成されている。
このようなスリット盤１０は、例えば、図１(Ｂ)の断面図に示したように、基材１６と金属膜２０と樹脂層３０との積層体により構成されている。そして、樹脂層３０側に配置された光源（図示せず）から、回転するスリット盤１０に対し光を照射して、スリット盤１０の樹脂層３０側に配置された受光素子によって、樹脂層３０内を通った光が金属膜２０の高反射率部１２の領域に到達した場合の光信号と、低反射率部１４の領域に到達した場合の光信号を検知して、機械的変位を読み取っている。あるいは、このようなスリット盤を用いたエンコーダをＮＣマシーンなどに搭載することにより、ＮＣマシーンに微細な動きを行わすこともできる。

以下、このような金属膜２０の基本形状を有する基材１６について説明する。
基材１６は、例えば、熱可塑性樹脂からなるもので、例えば、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレイト、シクロオレフィンポリマー、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ナイロンのいずれかで形成されることが好ましい。

本実施例では、基材１６が高透明性を備えたポリカーボネート（ＰＣ）はサビック社のレキサンＯＱ１０２６により形成されている。
そして、基材１６において、図１（Ａ）の高反射率部１２に相当する部分は平滑面（ミラー面）１２ａで構成されている。また、基材１６において、図１（Ａ）の低反射率部１４に相当する部分は、凹凸面１４ａで構成されている。

低反射率部１４を構成する凹凸面１４ａには、図２の模式的斜視図に示したように、微細な凸部１８と微細な凹部１９とが周期的に形成されている。すなわち、凸部１８の間に規則的に凹部１９が配列されている。

本実施例では、図３に示したように、凸部１８の中心を通る断面形状が二等辺三角形の円錐形に形成され、そのアスペクト比（高さＨ／周期Ｐ）は０．５〜３．０の範囲に設定されている。

このような構造体はモスアイ構造と称されるもので、アスペクト比が大きい程、反射防止効果が高いことが知られている。すなわち、高さＨが高い程、反射防止効果が高い。また、本実施例ではモスアイ形状は円錐形としたが、楕円錐形、角錐形でも反射防止効果は大きい。また図２、図３に示すモスアイ構造で凸部を凹部、凹部を凸部に反転した状態でも反射防止効果が損なわれることはない。反転しない凹凸構造又は反転した凹凸構造どちらを型として使用するかは基材１６への転写性の良し悪しで選択すれば良い。

このように基材１６の低反射率部１４の凹凸面１４ａに反射防止構造が具備されているため、低反射率部１４での反射は極めて小さい。
このようなスリット盤１０の基材１６は、微細な凹凸面１４ａを含めて射出成形で形成することができる。あるいは微細な凹凸面１４ａと平滑面１２ａを公知のナノインプリント（ＵＶ硬化又は熱プレス）で、表面平滑な基材上に形成し基材１６とすることもできる。

さらに、基材１６を金属、ガラスまたは熱硬化性樹脂により形成することもできる。
基材１６が、金属、ガラスにより形成される場合、低反射率部１４の形成には、基材１６の表面にシランカップリング剤等の密着強化剤を塗布し、その後ナノインプリントを実施すれば良い。また、基材１６が熱硬化性樹脂の場合についても密着強化剤処理をするか、転写材料を選択すればパターンの定着化を図ることができる。

以下、モスアイ原理について簡単に説明する。
例えば、図３に示したように、基材１６がポリカーボネート（ＰＣ）であり、低反射率部１４の凹凸面１４ａが、断面二等辺三角形の凸部１８と凹部１９で構成されているとする。また、ポリカーボネートの屈折率ｎを１．５８、空気の屈折率ｎを１．０とする。

このとき、モスアイ構造の微細な凹凸パターンが形成された低反射率部１４では、凸部１８の尖端の屈折率ｎが、空気の屈折率と同じくｎ＝１であり、凸部１８の底面に近づくにしたがって、次第に、１．１、１．２、１．３…と大きくなり、最終的には、ポリカーボネート（ＰＣ）の屈折率１．５８となる。ここで、図示しない光源から矢印Ｃ方向に放出された光の波長をλとした場合、凸部１８の周期Ｐはλより小さく設定する（Ｐ＜λ）。

このとき、基材１６の凹凸面１４ａは連続的に屈折率が変化するため、反射に影響する界面を持たない。よって、極僅かしか反射されることがない。これにより、光源から放出された光が凹凸面１４ａで反射され受光素子で受光されると、凹凸面１４ａが暗として識別される。

このように低反射率部１４を断面二等辺三角形状の微細な凹凸面１４ａで構成した基材１６の上層にスパッタリングまたは真空蒸着などにより、図１（Ｂ）に示したような金属膜２０を形成すれば、今度は樹脂の凹凸面と相似形の金属層を形成することができる。この場合も凹凸はモスアイ構造のため、ポリカーボネート（ＰＣ）より屈折率は高くなるが、凹凸面１４a上の金属膜２０においても連続的に屈折率が変化するため、反射に影響する界面を持たない。よって、僅かな光しか反射されることがない。

本発明は、このように製作容易性を考慮して、図１（Ｂ）に示したように、先ず基材１６の表面に平滑面１２ａと微細の凹凸面１４ａとを設けている。そして、その上層に同一形状の金属膜２０を設けている。また、金属膜２０のさらに上層に、全てを平坦面とするように樹脂層３０を設けることもできる。樹脂層３０は凹凸面の反射率低減の観点より屈折率が小さい方が好ましい。

金属膜２０としては、アルミニウム、クロム、金、銀が単独またはそれらの１つを含む合金であることが好ましい。
これらの金属または合金により金属膜２０を形成すれば、平滑面１２ａでの反射効率が良好である。また、均一の膜を形成する上で好適である。

金属膜２０の上層に配置される樹脂層３０は、光源からの光が透過されるのであれば、いかなる樹脂であっても良いが、高透明性であることが好ましい。樹脂層３０を設けることにより、金属膜２０を破損や塵埃などから保護することができる。

このように形成されたスリット盤１０の回転により、図１（Ｂ）において矢印Ｃ方向から光が照射され、その光が図４に示した光学変調トラック８において、相対的に矢印Ｆ方向に進んでいくと、その光は凹凸面からなる低反射率部１４と、ミラー面からなる高反射率部１２とを走査していくことになる。このとき、低反射率部１４では凹凸の周期Ｐが波長λよりも短いことから回折現象を生じることがなく、結果として、高反射率部１２と低反射率部１４とにより、十分比較可能な信号を反射光から得ることができる。

本発明では、高反射率部１２と、微細な凹凸が周期的に形成された凹凸面からなる低反射率部１４とにより、十分比較可能な信号を得ることができるスリット盤１０の積層構造は、図１（Ｂ）の構造に限定されない。

例えば、図５（Ａ）に示したように、金属膜２０の上に窒化シリコンまたは窒化アルミシリコンまたは酸化シリコンまたはサイアロンなどの誘電体層２２を設けることもできる。金属膜２０がこのような誘電体層２２で覆われていれば、金属膜２０の酸化を防止し耐擦傷性を向上させることができる。また、誘電体層２２の上に、さらに樹脂層３１を設けることもできる。誘電体層２２の上に樹脂層３１が設けられていれば、耐擦傷性をさらに向上させることができ、かつ、塵埃の付着などを防止することができる。

また、図５（Ｂ）に示したように、金属膜２０の上下に窒化シリコンまたは窒化アルミシリコンまたは酸化シリコンまたはサイアロンなどの誘電体層２２、２２'を設けることもできる。金属膜２０がこのような誘電体層２２及ビ２２'でサンドイッチされた状態で覆われていれば、金属膜２０の酸化に対する防止効果を大幅に向上させることができる。また、誘電体層２２の上に、さらに樹脂層３１を設けることもできる。

誘電体層２２の上に樹脂層３１が設けられていれば、耐擦傷性を更に向上させることができ、尚かつ、塵埃の付着などを防止することができる。
図８に示したように、本発明に係るロータリーエンコーダ５０は、上記のようなスリット盤１０と発光素子５２と受光素子５４とを含んで構成される。

光源（発光素子５２）は、発光ダイオードであっても、レーザー光源であっても良い。
光源がレーザーであれば光の波長及び位相は揃っており高い指向性があるので好ましい。また、スリット円盤上に光を小さく集光させることができるので、エンコーダを高精度化できる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されない。
例えば、上記実施例では、低反射率部１４の微細な凹凸を、すなわち凹凸面１４ａを、中心を通る断面が二等辺三角形状の円錐形の周期構造としているが、これに代え、図６（Ａ）に示したように、微細な凹凸を柱状物３２とすることもできる。微細な凹凸の柱状物は、熱可塑性樹脂により射出成形で形成することもでき、あるいはナノインプリントで形成することができる。

この場合、柱状物３２の高さＨを、
Ｈ＝λ／（４Ｎ）
と設定することが好ましい。

（但し、柱状物３２の高さをＨ、光源から照射される光の波長をλ、柱状物３２に光が入射する媒質の屈折率をＮとする。）
このような柱状物３２により凹凸面１４ａを形成しても、低反射率部１４からの反射を低く抑えることが可能となる。

また、図６（Ｂ）に示す断面台形状の微細な凹凸３５でも低反射率部１４からの反射を低く抑えることが可能となる。
さらに、上記実施例では、スリット盤１０に対し、例えば図１（Ｂ）において矢印Ｃ方向から光を照射し、その反射光で情報を得るようにしているが、図１（Ｂ）あるいは図７に矢印Ｄで示したように、スリット盤１０の裏側から光を照射しても良い。

換言すれば、例えば、図８に示した反射型のロータリーエンコーダ５０において、発光素子５２と受光素子５４に対してスリット盤１０を裏返しの向きに配置しても良い。
このように、本実施例のスリット盤１０は、裏返しの向き、すなわち矢印Ｄ方向からの光であっても、金属膜２０からの反射光で情報を得ることができる。また、基材１６の裏側から光を照射する場合には、図７に示したように、基材１６の裏面を覆うように樹脂層３４を設けることが好ましい。この新たに設ける樹脂層３４は耐擦傷性を向上させるためである。

この樹脂層３４の材料としては、高透明性であることが好ましい。
この場合、基材１６は、光源から照射される波長λの光に対し、少なくとも７０％以上の透過率を有することが好ましい。また、微細な凹凸面１４ａを構成する凸部の周期をＰ、光源から放出した光の波長をλ、基材１６の屈折率をｎ₂としたとき、Ｐ＜λ／ｎ₂である必要がある。

このような条件であれば、裏側からの光で必要な情報を得ることができる。
本実施例で得られるスリット盤１０は、ロータリーエンコーダあるいはリニアエンコーダのスリット盤として、スリット幅が２μｍ程度またはそれ以下の微細な範囲で明暗をはっきりと識別可能であることから分解能が大幅に向上するため、非常に有効である。さらに、微細な凹凸を射出成形あるいはナノインプリントで形成すれば、微細な凹凸を容易に、かつ安価に製作することができる。また反射型のエンコーダに適用することで、細かい運動が必要な小型ロボットなどの複雑な運動制御を行なえる。さらに、スリット幅を高精度にすることができることから、スリット盤の更なる小型化が達成できる。

さらに、本実施例により、インクリメントパターンとアブソリュートパターンとインデックスパターンから選ばれる１種以上のパターンを有するスリット盤のいずれの出力形式にも適用することができる。

以下に、スタンパを用いてスリット盤を形成し、さらにそのスリット盤に設けられた低反射率部と高反射率部の反射率を調べることで受光素子により比較可能な信号が得られるか否かを確認した。試験結果１〜３を下記に記す。
［試験結果1］
ディスクのマスタリング工程と同様なプロセスでモスアイ構造の微細な凹凸のパターンからなる低反射率部と、平滑面（ミラー面）からなる高反射率部とを周方向に交互に形成したスタンパを予め製作した。

予め製作した上記スタンパを金型内に収容し、熱可塑性樹脂としてポリカーボネート（ＰＣ）を使って射出成形し、これにより、表面に平滑面１２ａからなる高反射率部１２と、微細な凹凸面１４ａからなる低反射率部１４とを設けた基材１６を製作した。

次いで、高反射率部１２と低反射率部１４とが形成された基材１６の上層に金属膜２０（アルミニウム膜１００ｎｍ）をスパッタリングにより形成した。金属膜２０の表面に形成されたモスアイ構造の凹凸は、その周期（Ｐ）が３００ｎｍ、アスペクト比が１．２であった。

反射率の測定は、株式会社日立ハイテクノロジーズ製の分光光度計Ｕ−３０１０を用いて７８０ｎｍで実測した。垂直入射で低反射率部１４の反射率は５％、高反射率部１２の反射率は８５％であった。斜め３０度入射で低反射率部１４の反射率は５．５％、高反射率部１２の反射率は８５％であった。

このように、モスアイ構造の微細な凹凸からなる低反射率部１４と平滑面１２ａからなる高反射率部１２との反射率の差は斜め入射で７９．５％と十分であり、またミラー部反射率も８５％と十分であった。受光素子５４により十分比較可能な信号が得られる反射率の結果であった。
［試験結果２］
ディスクのマスタリング工程と同様なプロセスでモスアイ構造の微細な凹凸のパターンからなる低反射率部と、平滑面（ミラー面）からなる高反射率部とを周方向に交互に形成したスタンパを予め製作した。

このように予め製作した上記スタンパを金型内に収容し、熱可塑性樹脂としてポリカーボネート（ＰＣ）樹脂を使って射出成形し、これにより、表面に平滑面１２ａからなる高反射率部１２と、微細な凹凸面１４ａからなる低反射率部１４とを設けた基材１６を製作した。

次いで、その上層に金属膜２０（アルミニウム膜１００ｎｍ）をスパッタリングにより形成した。さらにその上に樹脂層３０（屈折率１．５）をスピンコートで３０μｍ厚み（干渉を起こさない膜厚）設けた。樹脂層３０を設ける前のモスアイ構造の凹凸は、その周期（Ｐ）が３００ｎｍ、アスペクト比が１．２であった。

反射率の測定は、株式会社日立ハイテクノロジーズ製の分光光度計Ｕ−３０１０を用いて７８０ｎｍで実測した。垂直入射で低反射率部１４の反射率は９％、高反射率部１２の反射率は８５％であった。斜め３０度入射で低反射率部１４の反射率は１０％、高反射率部１２の反射率は８５％であった。

このように、モスアイ構造の微細な凹凸からなる低反射率部１４と平滑面１２ａからなる高反射率部１２の反射率の差は斜め入射で７５％と十分であり、またミラー部反射率も８５％と十分であった。受光素子５４により十分比較可能な信号が得られる反射率の結果であった。
［試験結果３］
ディスクのマスタリング工程と同様なプロセスでモスアイ構造の微細な凹凸のパターンからなる低反射率部と、平滑面（ミラー面）からなる高反射率部とを周方向に交互に作ったスタンパを予め製作した。

上記スタンパを用い、ＵＶ硬化樹脂を使ったナノインプリントで、基材１６を製作した。この基材１６には、射出したＰＣ板上にＵＶ硬化樹脂（日本化薬株式会社製のＭＤ５００（商品名））による微細な凹凸面１４ａが設けられている。

基材１６の上層に金属膜２０（アルミニウム膜１００ｎｍ）をスパッタリングにより形成した。金属膜２０の表面に形成されたモスアイ構造の凹凸は、その周期（Ｐ）が３００ｎｍ、アスペクト比が１．４であった。

反射率の測定は、株式会社日立ハイテクノロジーズ製の分光光度計Ｕ−３０１０を用いて７８０ｎｍで実測した。垂直入射で低反射率部１４の反射率は４％、高反射率部１２の反射率は８５％であった。斜め３０度入射で低反射率部１４の反射率は４．５％、高反射率部１２の反射率は８５％であった。

このように、モスアイ構造の微細な凹凸からなる低反射率１４と平滑面１２ａからなる高反射率部１２との反射率の差は斜め入射で８０・５％と十分であり、またミラー部反射率も８５％と十分であった。受光素子５４により十分比較可能な信号が得られる反射率の結果であった。

３ 発光素子
４ 受光素子
５ 回転軸
６ 処理回路
８ 光学変調トラック
９ スリット盤
１０ スリット盤
１２ 高反射率部
１２ａ 平滑面
１４ 低反射率部
１４ａ 凹凸面
１６ 基材
１８ 凸部
１９ 凹部
２０ 金属膜
２２ 誘電体層
２２’ 誘電体層
３０ 樹脂層（金属膜の上層の樹脂層）
３１ 樹脂層（誘電体層の上層の樹脂層）
３２ 柱状物
３４ 樹脂層（基材の裏側の樹脂層）
３５ 微細な凹凸
３６ 基板
５０ ロータリーエンコーダ
５２ 発光素子（光源）
５４ 受光素子
７０ 透過型のエンコーダ
８０ 反射型のエンコーダ
Ｈ 凹凸の高さ
Ｐ 凹凸の周期
λ 放出した光の波長
Ｎ 凹凸へ光が入射する媒質の屈折率
ｎ₁ 樹脂の屈折率
ｎ₂ 基材裏側での凹凸の屈折率
ｔ 厚さ

Claims (22)

1. 光源から放出した光の反射光を用いて可動物体の機械的な変位を電気的なパルス信号に変換するエンコーダのスリット盤であって、
   前記スリット盤は高反射率部と低反射率部とを備え、
   前記高反射率部は平滑面であり、前記低反射率部は微細な凹凸が周期的に形成された凹凸面であることを特徴とするエンコーダのスリット盤。
2. 前記微細な凹凸は、その周期（Ｐ）が、前記光源から放出した光の波長（λ）より短いことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダのスリット盤。
3. 前記微細な凹凸が、モスアイ構造であることを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダのスリット盤。
4. 前記微細な凹凸のアスペクト比が、０．５〜３．０の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンコーダのスリット盤。
5. 前記微細な凹凸が、柱状物の周期構造であることを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダのスリット盤。
6. 前記微細な凹凸の高さをＨ、前記光源から放出した光の波長をλ、前記微細な凹凸へ入射する媒質の屈折率をＮとしたとき、
   Ｈ＝λ／（４Ｎ）であることを特徴とする請求項１、２、５のいずれかに記載のエンコーダのスリット盤。
7. 前記高反射率部と前記低反射率部は、同一の金属膜で覆われていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエンコーダのスリット盤。
8. 前記金属膜が、アルミニウム、クロム、金、銀が単独またはそれらの１つを含む合金であることを特徴とする請求項７に記載のエンコーダのスリット盤。
9. 前記金属膜が樹脂層で覆われ、前記樹脂層の屈折率をｎ₁、前記微細構造の周期をＰ、前記光源から放出した光の波長をλとしたとき、
   Ｐ＜λ／ｎ₁であることを特徴とする請求項７または８に記載のエンコーダのスリット盤。
10. 前記金属膜が、窒化シリコンまたは窒化アルミシリコンまたは酸化シリコンまたはサイアロンのいずれかによる誘電体層で上または上下が覆われていることを特徴とする請求項７または８に記載のエンコーダのスリット盤。
11. 前記金属膜と前記樹脂層との間に、さらに窒化シリコンまたは窒化アルミシリコンまたは酸化シリコンまたはサイアロンのいずれかによる誘電体層が介在されていることを特徴とする請求項９に記載のエンコーダのスリット盤。
12. 前記スリット盤の基材が、熱可塑性樹脂により微細な凹凸を含めて射出成形で形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のエンコーダのスリット盤。
13. 前記熱可塑性樹脂が、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレイト、シクロオレフィンポリマー、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ナイロンのいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載のエンコーダのスリット盤。
14. 前記スリット盤の少なくとも前記微細な凹凸がナノインプリントで形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のエンコーダのスリット盤。
15. 前記スリット盤の基材が、金属、ガラスまたは熱硬化樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１４に記載のエンコーダのスリット盤。
16. 前記スリット盤の基材が光源波長に対して少なくとも８０％以上の透過率を有する場合、微細な凹凸を設けた側、あるいは微細な凹凸を設けていない側のどちらからでも光を入射可能であり、前記微細な凹凸を設けていない側から光を入射する場合は、微細な凹凸の周期がＰ＜λ／ｎ₂であることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載のエンコーダのスリット盤。
    ただし；Ｐは微細な凹凸の周期、λは光源から放出した光の波長、ｎ₂は基材裏側での凹凸の屈折率である。
17. 前記微細な凹凸を設けていない側から光を入射する場合、基材の裏側に樹脂層を設けることを特徴とする請求項１６に記載のエンコーダのスリット盤。
18. 前記スリット盤には、前記高反射率部と前記低反射率部とにより、インクリメントパターンとアブソリュートパターンとインデックスパターンから選ばれる１種以上のパターンを有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載のエンコーダのスリット盤。
19. 請求項１〜１８のいずれかに記載のスリット盤を使用したことを特徴とするエンコーダ。
20. 前記スリット盤に光を放出する光源が、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１９に記載のエンコーダ。
21. 前記スリット盤に光を放出する前記光源が、レーザー光源であることを特徴とする請求項１９に記載のエンコーダ。
22. 前記エンコーダがロータリーエンコーダまたはリニアエンコーダであることを特徴とする請求項１９に記載のエンコーダ。

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