JP2021131312A - スケール - Google Patents
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Abstract
【課題】腐食を長期間抑制しつつ測定中に高い測定精度を維持することができるスケールを提供する。【解決手段】スケール１００は、基材１０と、基材１０の主面において、所定の周期で配列されたスケールパターン２０と、スケールパターン２０を覆い、少なくとも一部が単分子フッ素化合物であるフッ素膜６０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２
Description
本件は、スケールに関する。
エンコーダなどに用いるためのスケールが開示されている。これらのスケールには、目盛格子などのスケールパターンが形成されている（例えば、特許文献１参照）。スケールパターンの腐食を抑制する観点から、スケールパターンを無機物で覆う技術が開示されている（例えば、特許文献２，３参照）。また、スケールパターンをフッ素樹脂で覆う技術が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
しかしながら、スケールパターンを無機物で覆っても、腐食を防げないおそれがある。スケールパターンをフッ素樹脂で覆っても、厚膜化されたフッ素樹脂に乱反射を引き起こすキズなどが生じると、測定精度が低下するおそれがある。
１つの側面では、本発明は、腐食を抑制しつつ高い測定精度を維持することができるスケールを提供することを目的とする。
１つの態様では、本発明に係るスケールは、基材と、前記基材の主面において、所定の周期で配列されたスケールパターンと、前記スケールパターンを覆い、少なくとも一部が単分子フッ素化合物であるフッ素膜と、を備えることを特徴とする。
上記スケールにおいて、前記スケールパターンの表面から前記フッ素膜の表面までの最大厚みは、５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下としてもよい。
上記スケールにおいて、前記スケールパターンと前記フッ素膜との間において、前記スケールパターンを覆う透明な誘電体膜を備えていてもよい。
上記スケールにおいて、前記フッ素膜および前記誘電体膜の合計の厚みは、５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下としてもよい。
上記スケールにおいて、前記誘電体膜は、ＳｉＯ２を材料としてもよい。
上記スケールにおいて、前記スケールパターンは、金属を材料としてもよい。
上記スケールにおいて、前記基材は、透明材料を材料とし、前記スケールパターンは、透明材料または半透明材料を材料としてもよい。
上記スケールにおいて、前記基材は、メタルテープとしてもよい。
腐食を抑制しつつ高い測定精度を維持することができるスケールを提供することができる。
実施形態の説明に先立って、スケールの概要について説明する。図１（ａ）は、スケール２００の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）で例示するように、スケール２００は、基板２０１上に、所定の間隔でスケールパターン２０２が配置された構造を有している。スケールパターン２０２は、複数の格子が配列された構造を有し、目盛格子を構成している。例えば、スケールパターン２０２の各格子は、基板２０１の一方の主面上において、各格子の配列方向と直交する方向に長さ方向を有している。
スケール２００が位相反射型スケールである場合、スケールパターン２０２は、高反射膜であって金属を材料とする。この構成では、スケール２００が湿気、腐食性のガス、クーラント等の化学的に活性な液体に晒されると、表面、露出した積層膜間の境界面、膜と基材との界面等から腐食し、劣化して変形や変色が起きる。この場合、エンコーダ信号が正しく検出されない不具合が生じて、長期間の使用に耐えられない。したがって、高温多湿を避け、結露の無い環境での使用が求められてしまう。
そこで、金属を含む複数の物質からなるスケール面を持つ構造体の腐食を抑える目的で、化学的に安定なＳｉＯ２などの透明な誘電体からなる被膜で格子を厚く被覆することが考えられる。しかしながら、結露や高温高湿環境によって長期間液体が表面に滞留する状態になると、金属イオンが溶けだして無機塩が発生し、水垢などの模様や灰塵などの微粒子が表面に融着する状況が生じ、表面の光学的性質が経年変化して劣化するおそれがある。
そこで、格子をフッ素樹脂でコーティングすることが考えられる。しかしながら、通常のフッ素樹脂を用いると、フッ素樹脂が厚膜化される。この場合、フッ素樹脂に乱反射を引き起こすキズが生じると、スケール２００から位置情報を正しく読み取れないおそれがある。したがって、測定精度が低下するおそれがある。
そこで、以下の実施形態では、腐食を抑制しつつ高い測定精度を維持することができるスケールについて説明する。
（第１実施形態）
図２は、第１実施形態に係るスケール１００の断面図である。スケール１００は、光反射型のスケールである。図２で例示するように、基板１０の一方の主面上に、多層反射膜が積層されている。例えば、基板１０の一方の主面上に第１反射膜３０が積層され、第１反射膜３０上に第２反射膜４０が積層されている。第２反射膜４０上には、複数の格子が所定の間隔で配列されたスケールパターン２０が設けられている。保護膜５０は、第２反射膜４０の露出部分およびスケールパターン２０上を覆うように設けられている。さらに、フッ素膜６０は、保護膜５０を覆うように設けられている。
図２は、第１実施形態に係るスケール１００の断面図である。スケール１００は、光反射型のスケールである。図２で例示するように、基板１０の一方の主面上に、多層反射膜が積層されている。例えば、基板１０の一方の主面上に第１反射膜３０が積層され、第１反射膜３０上に第２反射膜４０が積層されている。第２反射膜４０上には、複数の格子が所定の間隔で配列されたスケールパターン２０が設けられている。保護膜５０は、第２反射膜４０の露出部分およびスケールパターン２０上を覆うように設けられている。さらに、フッ素膜６０は、保護膜５０を覆うように設けられている。
図１のスケール２００と同様に、基板１０の一方の主面上において、複数の格子が所定の間隔で配置されている。スケールパターン２０は、目盛格子を構成している。また、スケールパターン２０の各格子は、基板１０の面内方向において、各格子の配列方向と直交する方向に長さ方向を有している。スケールパターン２０は、銅、クロム、チタン、ニッケル、シリコン、ゲルマニウム、スズなどの金属を材料とする。
基板１０は、石英ガラス、ソーダ石英ガラス、エポキシガラスなどを材料とする。第１反射膜３０は、基板１０と第２反射膜４０との密着性を高めることを目的として設けられ、クロム、シリコン、チタン、またはこれらの酸化物などを材料とする高反射膜である。第２反射膜４０は、エッチング加工でスケールパターン２０を形成する際に、エッチストップ層として加工面の高さを揃えることを目的として設けられ、銅、銀、ニッケル、バナジウム、鉄、コバルト、チタン、スズなどを材料とする高反射膜である。
保護膜５０は、多層反射膜およびスケールパターン２０を保護するために設けられた膜である。保護膜５０は、化学的に安定な透明誘電体を材料とする。例えば、保護膜５０は、ガラスシリカなどのガラスを材料とする。または、保護膜５０は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウムなどの金属酸化物を材料とする。または、保護膜５０は、窒化シリコン、窒化アルミニウムなどの窒化化合物を材料とする。または、保護膜５０は、ダイヤモンド、炭化シリコンなどを材料とする。保護膜５０が設けられることによって、腐食性ガスや化学物質が多層反射膜およびスケールパターン２０に侵入することが抑制される。また、多層反射膜およびスケールパターン２０のキズを抑制することができる。保護膜５０は、等方的スパッタ、化学気相成膜、湿式ガラスコーティング剤の塗布および乾燥、等によって成膜することができる。
フッ素膜６０は、保護膜５０の少なくとも一部を単分子フッ素化合物によって覆っている。フッ素膜６０は、保護膜５０の全体を単分子フッ素化合物によって覆っていてもよい。単分子フッ素化合物は、スプレー塗布や浸漬塗布後に乾燥と液体洗浄によって単分子層を残して除去することで形成することができる。単分子フッ素化合物は、例えば、フロロサーフ、オプツール、エスエフコート、ＣＳ１などによってコートすることができる。
第１実施形態によれば、フッ素膜６０が撥水性を有することから、結露や水滴の滞留を抑制することができる。それにより、スケールパターン２０の腐食を抑制することができる。例えば、温度１２０℃、湿度１００％、２４時間といった高温多湿環境でも腐食を抑制できるようになる。特に、誘電体と金属との密着性の悪い界面（スケールパターン２０と保護膜５０との界面）をフッ素膜６０が覆うことで、スケールパターン２０の腐食を効果的に抑制することができる。また、フッ素膜６０に汚れが付着しても、容易に拭き取ることができる。例えば、アルコール類やケトン類などの溶剤を用いた拭き取りが可能となる。さらに、単分子フッ素化合物をフッ素膜６０に用いることで、フッ素膜６０が薄膜化される。この場合、フッ素膜６０にキズなどが生じても、乱反射が抑制される。また、フッ素膜６０によってスケール１００の表面が低摩擦化されるため、スケール１００が搭載されるエンコーダの摺動動作がスムーズになり、摩擦による傷は発塵が抑制される。また、低摩擦化によって、スケールパターン２０に対する横方向の力に対する強度が向上する。その結果、スケール１００の測定精度が向上する。以上のことから、腐食を抑制しつつ、高い精度を維持することができる。
また、スケール１００が搭載されるエンコーダが、光の反射を利用して位置を読み取る方式のエンコーダである場合、光のスポット径φ：０．５ｍｍ〜２ｍｍと比較して、付着した水分や油分の汚染物による大きなサイズの液膜が付着して、使用時に位置情報が広い範囲で読み取れなくなる不具合を抑制することができる。言い換えると、使用時にフッ素膜６０の表面で汚染物による液膜が０．１ｍｍ程度のサイズに***して格子表面が露わになる領域が生じるため、レーザー光の強度を随時調整すれば位置を読み取り続けることができる。
保護膜５０およびフッ素膜６０は、化学的に安定な保護層として機能し、光学特性に対する材料劣化の影響を長期間にわたって抑制することができる。保護膜５０およびフッ素膜６０の合計の厚みが大きいと、厚みにバラツキが生じてスケール１００の光学特性に影響が生じるおそれがある。そこで、保護膜５０およびフッ素膜６０の合計の厚みに上限を設けることが好ましい。例えば、図３のシミュレーション結果に示すように、保護膜５０およびフッ素膜６０の合計の厚さが大きくなると、信号強度が低下する。図３の縦軸では、保護膜５０およびフッ素膜６０のいずれも設けない場合の信号強度を１．００とした場合の正規化値が示されている。信号強度（≧０．８０）を確保するためには、保護膜５０およびフッ素膜６０の合計の厚みは、３０ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、保護膜５０を設けても、エンコーダ信号の性能指標となる回折効率低下を設計値よりも例えば３％以下に抑えることができるようになる。また、保護膜５０およびフッ素膜６０が非常に薄くなるため、格子幅および格子間隔が１００ｎｍ以下の立体構造にまで適用可能となる。例えば、保護膜５０およびフッ素膜６０のいずれも、スケールパターン２０の高さよりも小さい厚みを有していることが好ましい。また、保護膜５０およびフッ素膜６０の合計の厚みは、スケールパターン２０の高さよりも小さいことが好ましい。一方、保護膜５０およびフッ素膜６０の合計の厚みが小さすぎると、保護膜５０およびフッ素膜６０の機能が十分に得られないおそれがある。そこで、保護膜５０およびフッ素膜６０の合計の厚みに下限を設けることが好ましい。本実施形態においては、保護膜５０およびフッ素膜６０の合計の厚みは、５ｎｍ以上であることが好ましい。
なお、保護膜５０は、第２反射膜４０およびスケールパターン２０の表面に対して、自然酸化処理、熱処理、プラズマ処理等で均質に酸化させた後に、プラズマ処理により水酸基を付与することによって、形成することもできる。
本実施形態においては、基板１０が基材の一例である。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係るスケール１００ａの断面図である。スケール１００ａは、光反射型のスケールである。図４で例示するように、スケール１００ａが図２のスケール１００と異なる点は、保護膜５０が設けられていない点である。例えば、腐食性の液体や腐食性ガスなどに晒されない環境においては、保護膜５０を設けなくてもよい。
図４は、第２実施形態に係るスケール１００ａの断面図である。スケール１００ａは、光反射型のスケールである。図４で例示するように、スケール１００ａが図２のスケール１００と異なる点は、保護膜５０が設けられていない点である。例えば、腐食性の液体や腐食性ガスなどに晒されない環境においては、保護膜５０を設けなくてもよい。
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係るスケール１００ｂの断面図である。スケール１００ｂは、光反射型のスケールである。図５で例示するように、スケール１００ｂが図２のスケール１００と異なる点は、第２反射膜４０およびスケールパターン２０と、保護膜５０との間に、第３反射膜７０が設けられている点である。第３反射膜７０は、銅、銀、ニッケル、バナジウム、鉄、コバルト、チタン、スズなどの金属を材料とする。
図５は、第３実施形態に係るスケール１００ｂの断面図である。スケール１００ｂは、光反射型のスケールである。図５で例示するように、スケール１００ｂが図２のスケール１００と異なる点は、第２反射膜４０およびスケールパターン２０と、保護膜５０との間に、第３反射膜７０が設けられている点である。第３反射膜７０は、銅、銀、ニッケル、バナジウム、鉄、コバルト、チタン、スズなどの金属を材料とする。
例えば、第３反射膜７０用に成膜した反射膜の表面に対する酸化処理、窒化処理等によって、保護膜５０を形成することができる。酸化処理や窒化処理が施されなかった残りの反射膜が、第３反射膜７０として機能することになる。
（第４実施形態）
図６は、第４実施形態に係るスケール１００ｃの断面図である。スケール１００ｃは、光反射型のスケールである。図６で例示するように、スケール１００ｃが図２のスケール１００と異なる点は、第２反射膜４０の保護膜５０側の表面が粗面になっている点である。粗面の反射率は鏡面の反射率よりも低くなるため、スケールパターン２０の反射率と第２反射膜４０の反射率が異なるようになる。このように、２種類の反射率の表面が周期的に配列されていてもよい。
図６は、第４実施形態に係るスケール１００ｃの断面図である。スケール１００ｃは、光反射型のスケールである。図６で例示するように、スケール１００ｃが図２のスケール１００と異なる点は、第２反射膜４０の保護膜５０側の表面が粗面になっている点である。粗面の反射率は鏡面の反射率よりも低くなるため、スケールパターン２０の反射率と第２反射膜４０の反射率が異なるようになる。このように、２種類の反射率の表面が周期的に配列されていてもよい。
なお、第２反射膜４０に粗面を設ける代わりに、第２反射膜４０の材料をスケールパターン２０よりも低い反射率を有する材料としてもよい。
（第５実施形態）
図７は、第５実施形態に係るスケール１００ｄの断面図である。スケール１００ｄは、光透過型のスケールである。図７で例示するように、スケール１００ｄが図２のスケールと異なる点は、多層反射膜が設けられていない点である。すなわち、スケール１００ｄでは、第１反射膜３０および第２反射膜４０が設けられていない。スケール１００ｄにおいては、基板１０は、合成石英、低膨張ガラス、ソーダ石灰ガラス、無アルカリガラスなどの透明材料を材料とする。スケールパターン２０は、合成石英などの、透明材料または半透明材料を材料とする。
図７は、第５実施形態に係るスケール１００ｄの断面図である。スケール１００ｄは、光透過型のスケールである。図７で例示するように、スケール１００ｄが図２のスケールと異なる点は、多層反射膜が設けられていない点である。すなわち、スケール１００ｄでは、第１反射膜３０および第２反射膜４０が設けられていない。スケール１００ｄにおいては、基板１０は、合成石英、低膨張ガラス、ソーダ石灰ガラス、無アルカリガラスなどの透明材料を材料とする。スケールパターン２０は、合成石英などの、透明材料または半透明材料を材料とする。
スケールパターン２０の各格子のアスペクト比が１：２〜１：１０程度の高い値である場合は、スケールパターン２０の底と頂上付近とで、保護膜５０およびフッ素膜６０の成膜厚さに分布が生じる場合がある。そこで、保護膜５０およびフッ素膜６０の合計の厚みは小さいことが好ましい。例えば、保護膜５０およびフッ素膜６０の合計の厚みが５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下程度の範囲であれば、成膜厚さのバラツキが抑制される。また、合成石英材からなるスケールパターン２０に対しては、保護膜５０が同種材料となるため保護膜５０が不要となる場合もあるが、単分子フッ素コートを施すことで結露によるウォーターマークの発生を抑えることができるため、信頼性の向上に対しては有効である。
（第６実施形態）
図８は、第６実施形態に係るスケール１００ｅの断面図である。スケール１００ｅは、電磁誘導式エンコーダスケールである。スケール１００ｅがスケール１００と異なるのは、第１反射膜３０および第２反射膜４０が設けられておらず、基板１０およびスケールパターン２０の材料が異なる点である。本実施形態においては、基板１０は、合成石英、ソーダ石灰ガラス、無アルカリガラス、ガラスコンポジット基板、ガラスエポキシ基板を材料とする。スケールパターン２０は、銅、銀、金などの金属を材料とする。スケールパターン２０は、例えば２０μｍ程度の厚みを有する。保護膜５０は、例えば、ＳｉＯ２を材料とする。保護膜５０は、例えば３０ｎｍ未満の厚みを有する。
図８は、第６実施形態に係るスケール１００ｅの断面図である。スケール１００ｅは、電磁誘導式エンコーダスケールである。スケール１００ｅがスケール１００と異なるのは、第１反射膜３０および第２反射膜４０が設けられておらず、基板１０およびスケールパターン２０の材料が異なる点である。本実施形態においては、基板１０は、合成石英、ソーダ石灰ガラス、無アルカリガラス、ガラスコンポジット基板、ガラスエポキシ基板を材料とする。スケールパターン２０は、銅、銀、金などの金属を材料とする。スケールパターン２０は、例えば２０μｍ程度の厚みを有する。保護膜５０は、例えば、ＳｉＯ２を材料とする。保護膜５０は、例えば３０ｎｍ未満の厚みを有する。
本実施形態においては、保護膜５０は、単分子フッ素コーティングにおけるシランカップリングのバインダとして機能する。また、保護膜５０は、樹脂と金属との境界面を保護して腐食の進行を抑制する働きを有している。
図９（ａ）および図９（ｂ）は、スケール１００ｅの上面図である。本実施形態においては、スケールパターン２０は、図９（ａ）で例示するように、閉ループコイルが所定の間隔で配列された構造を有していてもよい。または、スケールパターン２０は、図９（ｂ）で例示するように、略矩形パターンが所定の間隔で配列された構造を有していてもよい。
（第７実施形態）
図１０は、第７実施形態に係るスケール１００ｆの断面図である。スケール１００ｆは、透過型振幅格子または反射型振幅格子として用いられるスケールである。図１０で例示するように、スケール１００ｆが図２のスケールと異なる点は、多層反射膜および保護膜５０が設けられていない点である。本実施形態においては、基板１０の材料として、青板ガラス、石英ガラス、低膨張ガラスなどを用いることができる。スケールパターン２０の材料として、クロム、銅、金、銀、アルミニウム、二珪化チタン、チタン、ニッケルなどを用いることができる。
図１０は、第７実施形態に係るスケール１００ｆの断面図である。スケール１００ｆは、透過型振幅格子または反射型振幅格子として用いられるスケールである。図１０で例示するように、スケール１００ｆが図２のスケールと異なる点は、多層反射膜および保護膜５０が設けられていない点である。本実施形態においては、基板１０の材料として、青板ガラス、石英ガラス、低膨張ガラスなどを用いることができる。スケールパターン２０の材料として、クロム、銅、金、銀、アルミニウム、二珪化チタン、チタン、ニッケルなどを用いることができる。
（第８実施形態）
図１１は、第８実施形態に係るスケール１００ｇの断面図である。スケール１００ｇは、メタルテープスケールである。図１１で例示するように、スケール１００ｇはメタルテープ１０ｇを備えている。メタルテープ１０ｇは、ステンレス、低膨張金属（インバーなど）、高反射金属（Ｃｕ，Ａｌなど）などを材料とする。
図１１は、第８実施形態に係るスケール１００ｇの断面図である。スケール１００ｇは、メタルテープスケールである。図１１で例示するように、スケール１００ｇはメタルテープ１０ｇを備えている。メタルテープ１０ｇは、ステンレス、低膨張金属（インバーなど）、高反射金属（Ｃｕ，Ａｌなど）などを材料とする。
メタルテープ１０ｇの一方の主面上には、スケールパターン２０ｇが設けられている。スケールパターン２０ｇは、メタルテープ１０ｇの当該主面において、目盛格子を構成している。スケールパターン２０ｇの各格子は、メタルテープ１０ｇの面内方向において、各格子の配列方向と直行する方向に長さ方向を有している。スケールパターン２０ｇは、クロム、銅、金、銀、アルミニウム、二珪化チタン、チタン、ニッケルなどを材料とする。スケールパターン２０ｇの、メタルテープ１０ｇと反対側の面は、鏡面を構成している。
メタルテープ１０ｇの当該主面において、スケールパターン２０ｇが設けられていない箇所は、粗面となっている。フッ素膜６０は、メタルテープ１０ｇの当該主面においてスケールパターン２０ｇが設けられていない箇所と、スケールパターン２０ｇとを覆うように設けられている。
なお、スケールパターン２０ｇは、メタルテープ１０ｇと同じ材料から構成されていてもよい。この構成は、メタルテープ１０ｇに対してエッチングなどを行うことによって実現することができる。
本実施形態においては、メタルテープ１０ｇが基材の一例である。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 基板
２０ スケールパターン
３０ 第１反射膜
４０ 第２反射膜
５０ 保護膜
６０ フッ素膜
７０ 第３反射膜
１００ スケール
２０ スケールパターン
３０ 第１反射膜
４０ 第２反射膜
５０ 保護膜
６０ フッ素膜
７０ 第３反射膜
１００ スケール
Claims (8)
- 基材と、
前記基材の主面において、所定の周期で配列されたスケールパターンと、
前記スケールパターンを覆い、少なくとも一部が単分子フッ素化合物であるフッ素膜と、を備えることを特徴とするスケール。 - 前記スケールパターンの表面から前記フッ素膜の表面までの最大厚みは、５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のスケール。
- 前記スケールパターンと前記フッ素膜との間において、前記スケールパターンを覆う透明な誘電体膜を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のスケール。
- 前記フッ素膜および前記誘電体膜の合計の厚みは、５ｎｍ以上、３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３記載のスケール。
- 前記誘電体膜は、ＳｉＯ２を材料とすることを特徴とする請求項３または４に記載のスケール。
- 前記スケールパターンは、金属を材料とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスケール。
- 前記基材は、透明材料を材料とし、
前記スケールパターンは、透明材料または半透明材料を材料とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のスケール。 - 前記基材は、メタルテープであることを特徴とする請求項６に記載のスケール。
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