JP6932983B2 - エンコーダースケール、エンコーダースケールの製造方法、エンコーダー、ロボットおよびプリンター - Google Patents

エンコーダースケール、エンコーダースケールの製造方法、エンコーダー、ロボットおよびプリンター Download PDF

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Description

本発明は、エンコーダースケール、エンコーダースケールの製造方法、エンコーダー、ロボットおよびプリンターに関する。
エンコーダーの一種として光学式のエンコーダーが知られている（例えば特許文献１参照）。例えば、特許文献１に記載の反射型光学式エンコーダーは、光源および光検出器と、光源および光検出器に対して相対的に移動する光学パターンを有するスケールと、を備え、光源がスケールに向けて光ビームを射出し、光検出器がスケールによって反射・変調された光ビームを検出する。ここで、特許文献１に記載のスケールは、ガラス基板と、ガラス基板の表面に形成された周期的な光学パターンと、を有し、光学パターンが、スケールの移動方向に一次元配列された複数の金属薄膜からなる。
特開２０１２−１５９５１８号公報
特許文献１に記載のスケールは、基材としてガラス基板を用いるため、形状の自由度が低く、また、低コスト化が難しいという問題がある。また、特許文献１に記載のスケールは、ガラス基板の金属膜の形成されていない部分の面が金属膜の面と同一方向に沿っているため、当該部分で透過せずに反射した光ビームの一部が光検出器で検出されてしまい、その結果、検出精度を高めることが難しいという問題もある。
本発明の目的は、低コスト化を図りつつ、検出精度を高めることができるエンコーダースケールおよびその製造方法を提供すること、また、このエンコーダースケールを備えるエンコーダー、ロボットおよびプリンターを提供することにある。
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のエンコーダースケールは、板状の基材と、
前記基材の一方の面に設けられ、第１領域と第２領域とが交互に並んでいる光学パターンと、を備え、
前記第１領域は、前記基材の厚さ方向を法線とする第１面を主体に構成され、
前記第２領域は、前記第１面に対して傾斜している第２面を主体に構成されていることを特徴とする。
このようなエンコーダースケールによれば、第１領域が基材の厚さ方向を法線とする第１面を主体に構成され、第２領域が第１面に対して傾斜している第２面を主体に構成されているため、第１領域および第２領域で反射した光の方向を互いに異ならせ、第１領域で反射した光のみを選択的に受光することができる。そのため、基材を透明材料で構成する必要がなく、基材の材料選択の自由度を高めることができ、その結果、より安価でかつ加工性に優れた材料を用いることができる。また、第１領域に光が照射されている状態とそうでない状態との受光量の差を大きくすることができ、その結果、検出精度を高めることができる。
本発明のエンコーダースケールでは、前記基材は、異方性エッチングが可能な結晶材料で構成されていることが好ましい。
これにより、光学パターンを高精度に形成することができる。また、結晶材料の結晶面を利用して第１面および第２面を形成することができる。
本発明のエンコーダースケールでは、前記結晶材料は、単結晶シリコンであることが好ましい。
単結晶シリコンは、他の結晶材料に比べて安価であり、高精度な加工が容易である。そのため、エンコーダースケールの基材が単結晶シリコンで構成されていることで、エンコーダースケールの低コスト化および高精度化が容易に図れるという利点がある。
本発明のエンコーダースケールでは、前記単結晶シリコンの面方位が（１００）であることが好ましい。
これにより、単結晶シリコンの［１００］面を利用して第１面を形成するとともに、［１１１］面を利用して第２面を形成することができる。また、［１１１］面は、基材の面内まわりの９０°ごとに現れる。そのため、このような単結晶シリコンを用いることで、リニアエンコーダーだけでなく、ロータリーエンコーダーに適したエンコーダースケールを形成することができる。
本発明のエンコーダースケールでは、前記第２面は、前記結晶材料の結晶面に沿って設けられていることが好ましい。
これにより、第１面に対する傾斜角度のバラつきの少ない第２面を容易に形成することができる。
本発明のエンコーダースケールでは、前記第１領域に配置されている金属膜を備えることが好ましい。
これにより、基材の構成材料によらず、第１領域（第１面）の光の反射率を高めることができる。また、第２領域（第２面）をエッチングにより形成する場合、その際に用いる金属マスクを当該金属膜として利用することが可能であり、製造コストを低減することもできる。
本発明のエンコーダースケールでは、前記基材の前記一方の面には、前記第２領域に対応して凹部が設けられていることが好ましい。
これにより、第２領域（第２面）をエッチングにより容易に形成することができる。
本発明のエンコーダースケールでは、前記基材の前記第２領域には、複数の凸部が設けられており、
前記第２面は、前記凸部の側面を用いて構成されていることが好ましい。
これにより、第２領域（第２面）をエッチングにより形成する場合、そのエッチング量を少なくすることができ、製造時間を短縮し、ひいては製造コストを低減することができる。
本発明のエンコーダースケールの製造方法は、板状の基材の一方の面に、前記基材の厚さ方向を法線とする第１面を主体に構成されている第１領域と、前記第１面に対して傾斜している第２面を主体に構成されている第２領域とが交互に複数並んでいる光学パターンを形成する光学パターン形成工程を含むエンコーダースケールの製造方法であって、
前記第２領域は、異方性エッチングにより形成することを特徴とする。
このようなエンコーダースケールの製造方法によれば、低コスト化を図りつつ、検出精度を高めることができるエンコーダースケールを得ることができる。
本発明のエンコーダーは、本発明のエンコーダースケールを備えることを特徴とする。
このようなエンコーダーによれば、低コスト化を図りつつ、検出精度を高めることができる。
本発明のエンコーダーは、エンコーダースケールと、
前記エンコーダースケールに向けて光を出射する光源部と、
前記エンコーダースケールからの前記光の反射光を受光する受光部と、を備え、
前記エンコーダースケールは、
板状の基材と、
前記基材の一方の面に設けられ、第１領域と第２領域とが交互に並んでいる光学パターンと、を備え、
前記第１領域は、前記基材の厚さ方向を法線とする第１面を主体に構成され、
前記第２領域は、前記第１面とは異なる方向に前記光を反射させる第２面を主体に構成されていることを特徴とする。
このようなエンコーダーによれば、低コスト化を図りつつ、検出精度を高めることができる。
本発明のロボットは、本発明のエンコーダースケールを備えることを特徴とする。
このようなロボットによれば、エンコーダースケールの低コスト化を図ることで、ロボットの低コスト化を図ることができる。また、エンコーダースケールを用いた高精度な検出結果に基づいて高精度な動作制御を行うことができる。
本発明のプリンターは、本発明のエンコーダースケールを備えることを特徴とする。
このようなプリンターによれば、エンコーダースケールの低コスト化を図ることで、プリンターの低コスト化を図ることができる。また、エンコーダースケールを用いた高精度な検出結果に基づいて高精度な動作制御を行うことができる。
本発明の第１実施形態に係るエンコーダーを示す縦断面図である。 図１に示すエンコーダーが備えるエンコーダースケールユニットの平面図である。 図２中Ａ−Ａ線断面図（エンコーダースケールの断面図）である。 図３に示す第２領域の一部（複数の凸部）を示す斜視図である。 図３に示す第２領域に設けられている凸部（第２面）の平面図である。 単結晶シリコンを異方性エッチングすることで形成したエンコーダースケールの一部（第１領域および第２領域）を示すＳＥＭ写真である。 単結晶シリコンを異方性エッチングすることで形成したエンコーダースケールの一部（金属膜の縁部近傍の断面）を示すＳＥＭ写真である。 単結晶シリコンを異方性エッチングすることでエンコーダースケールを形成した場合における第２領域の光反射特性（回転角度と受光部での受光量との関係）を示すグラフである。 図３に示すエンコーダースケールの製造方法を説明するためのフローチャートである。 図９に示す準備工程を説明するための断面図である。 図９に示す光学パターン形成工程（マスク形成工程）を説明するための断面図である。 図９に示す光学パターン形成工程（異方性エッチング工程）を説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態に係るエンコーダースケールを示す断面図である。 図１３に示す第２領域に設けられている凹部（第２面）の平面図である。 本発明の第３実施形態に係るエンコーダースケールを示す平面図である。 本発明のロボットの実施形態を示す斜視図である。 本発明のプリンターの実施形態を示す斜視図である。
以下、本発明のエンコーダースケール、エンコーダースケールの製造方法、エンコーダー、ロボットおよびプリンターを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
（エンコーダー）
まず、本発明のエンコーダースケールの説明に先立ち、本発明のエンコーダー（本発明のエンコーダースケールを備えるエンコーダー）について簡単に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るエンコーダーを示す縦断面図である。図２は、図１に示すエンコーダーが備えるエンコーダースケールユニットの平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」という。
図１に示すエンコーダー１０は、図示しないモーター等が有する回転軸２０の端部に固定されているエンコーダースケールユニット３０と、エンコーダースケールユニット３０の回転状態を検出する光学センサー４０と、を有する。
エンコーダースケールユニット３０は、回転軸２０に固定されているハブ３０１と、ハブ３０１の支持部３０３にエポキシ系接着剤、アクリル系接着剤等の接着剤３０２により接着されているエンコーダースケール１と、を有する。
ハブ３０１は、円板状をなしている支持部３０３と、支持部３０３の一方（図１中下側）の面（下面）から突出している突出部３０４と、支持部３０３の他方（図１中上側）の面（上面）から突出している凸部３０５と、突出部３０４の先端面（図１中下側の面）に開口している凹部３０６と、を有し、これらが軸線ａｘを中心として同軸的に設けられている。ここで、凹部３０６には、回転軸２０の端部が挿入（例えば圧入）された状態で固定されている。このようなハブ３０１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。なお、凹部３０６に代えて、回転軸２０が挿入される貫通孔をハブ３０１に設けてもよい。また、ハブ３０１は、回転軸２０と一体で構成されていてもよい。
支持部３０３の上面は、エンコーダースケール１が設置される設置面３０７である。この支持部３０３の上面（設置面３０７）には、エンコーダースケール１の面内方向での位置決めを行うための位置決め部として機能する凸部３０５が設けられている。本実施形態では、凸部３０５の外形は、図２に示すように、軸線ａｘに沿った方向から見たとき（以下、「平面視」ともいう）、円形をなしている。この凸部３０５は、その中心軸が回転軸２０の中心軸（軸線ａｘ）に一致するように形成されている。なお、凸部３０５の平面視での外形は、円形に限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形でもよい。
エンコーダースケール１は、板状（円板状）をなしており、その中央部には、厚さ方向（図１中上下方向）に貫通している孔１１が形成されている。この孔１１には、前述した凸部３０５が挿通されている。本実施形態では、孔１１は、図２に示すように、平面視で円形をなしている。ここで、凸部３０５の直径（常温）は、孔１１の直径（常温）より小さく設定されている。なお、孔１１の平面視での外形は、円形に限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形でもよく、また、前述した凸部３０５の平面視の外形と異なっていてもよい。
また、エンコーダースケール１の上面には、図２に示すように、エンコーダースケール１の回転量（角度）、回転速度等を検出し得るパターンとして、軸線ａｘを中心とする周方向に沿って光ＬＬの反射方向の異なる第１領域１２１および第２領域１２２を周方向に沿って交互に並べた光学パターン１２が形成されている。ここで、第１領域１２１および第２領域１２２は、互いに異なる方向を法線とする面で構成されている。なお、エンコーダースケール１については、後に詳述する。
光学センサー４０は、エンコーダースケールユニット３０のエンコーダースケール１に向けて光ＬＬを出射するレーザダイオード、発光ダイオード等の発光素子を含む光源部４２と、エンコーダースケール１からの光ＬＬ（反射光）を受光するフォトダイオード等の受光素子を含む受光部４３と、を有し、これらが基板４１に搭載されている。
このような光学センサー４０は、エンコーダースケール１の上面（照射面）に前述した光学パターン１２が形成されているため、エンコーダースケール１の軸線ａｘまわりの回転に伴って、光学パターン１２で反射した光ＬＬが受光部４３に入射する状態（図１中実線で示す光ＬＬの状態）とそうでない状態（図１中破線で示す光ＬＬの状態）とを交互に繰り返す。そのため、受光部４３からの出力信号（電流値）の波形は、エンコーダースケール１の軸線ａｘまわりの回転に伴って変化する。このような受光部４３からの出力信号に基づいて、エンコーダースケール１の回転状態（回転角度や回転速度等）を検出することができる。
ここで、図示しないが、受光部４３は、軸線ａｘを中心とする周方向での異なる位置に設けられている２つの受光素子を有し、一方の受光素子がＡ相信号を出力し、他方の受光素子がＡ相信号とは位相が４５°ずれたＢ相信号を出力する。なお、光源部４２は、受光部４３が有する２つの受光素子に対応する２つの発光素子を有していてもよいし、当該２つの受光素子に対応するようにスリット板等を用いて１つの発光素子からの光を分割してもよい。また、光源部４２および受光部４３は、それぞれ、レンズ等の光学素子を有していてもよい。
以上、エンコーダー１０について簡単に説明した。以下、エンコーダースケール１について詳述する。
（エンコーダースケール）
図３は、図２中Ａ−Ａ線断面図（エンコーダースケールの断面図）である。図４は、図３に示す第２領域の一部（複数の凸部）を示す斜視図である。図５は、図３に示す第２領域に設けられている凸部の平面図である。図６は、単結晶シリコンを異方性エッチングすることで形成したエンコーダースケールの一部（第１領域および第２領域）を示すＳＥＭ写真である。図７は、単結晶シリコンを異方性エッチングすることで形成したエンコーダースケールの一部（金属膜の縁部近傍の断面）を示すＳＥＭ写真である。図８は、単結晶シリコンを異方性エッチングすることでエンコーダースケールを形成した場合における第２領域の光反射特性（回転角度と受光部での受光量との関係）を示すグラフである。なお、以下では、図３中上側を「上」、下側を「下」という。
前述したように、エンコーダースケール１の上面には、軸線ａｘを中心とする周方向に沿って光ＬＬの反射方向の異なる第１領域１２１および第２領域１２２を交互に並べた光学パターン１２が形成されている。この光学パターン１２の第１領域１２１および第２領域１２２は、それぞれ、エンコーダースケール１の半径方向に沿って延びている。なお、図２では、エンコーダースケール１を軸線ａｘに沿った方向から見たとき、第２領域１２２の幅がエンコーダースケール１の半径方向にわたって一定となっており、それに伴って、第１領域１２１の幅がエンコーダースケール１の半径方向での内側から外側に向けて大きくなっているが、これらの幅の関係は、図示と逆になっていてもよい。
ここで、エンコーダースケール１は、板状（円板状）の基材２と、基材２の上面に設けられている金属膜３と、を有する。そして、基材２の上面には、複数の第２領域１２２に対応して複数の凹部２１が設けられている。また、金属膜３には、複数の第２領域１２２に対応して複数の開口部３１（貫通孔）が設けられている。したがって、第１領域１２１には、金属膜３が設けられ、この金属膜３の上面が反射面３３として第１領域１２１を構成している。一方、第２領域１２２には、金属膜３が設けられておらず、金属膜３の開口部３１から露出した基材２の表面、すなわち凹部２１の内壁面（側壁面および底面）が第２領域１２２を構成している。凹部２１の深さは、特に限定されないが、１μｍ以上１０μｍ以下が好ましく、２μｍ以上４μｍ以下が好ましい。凹部２１を後述のエッチングで形成する場合、このような深さであると容易に形成することができ、また、凹部２１としての機能を必要かつ十分に発揮することができる。
特に、凹部２１の底面には、複数の凸部２２が形成されている。各凸部２２は、図４に示すように、ピラミッド状（四角すい状）をなしており、基材２の上面２３に対して傾斜角度θ２で傾斜した側面として４つの傾斜面２２１を有する。また、凹部２１の側壁面（底面と上面２３とを繋ぐ面）も、基材２の上面２３に対して傾斜角度θ１で傾斜した傾斜面２１１となっている。このような傾斜面２１１、２２１は、それぞれ、光ＬＬに対する反射性を有していてもいなくてもよい。傾斜面２１１、２２１が光ＬＬに対する反射性を有しないようにするには、例えば、これらの面に微細孔アレイを形成する等の処理を行えばよく、これにより、第２領域１２２で反射して受光部４３で受光される光ＬＬの量をより低減することができる。また、このような処理を行わなければ、これらの面が光ＬＬに対する反射性を有することとなり、また、製造工程が簡単化される。また、傾斜面２１１の傾斜角度θ１および傾斜面２２１の傾斜角度θ２は、それぞれ、反射面３３と異なる方向に光ＬＬを反射することができればよく、特に限定されない。
また、図示では、複数の凸部２２は、互いに大きさが等しく、かつ、規則的に配置されているが、互いに大きさが異なっていてもよく、また、ランダムに配置されていてもよい。また、各凸部２２は、図５に示すように、平面視で四角形をなしており、複数の凸部２２の平面視での向きが揃っている。ここで、複数の凸部２２は、平面視で、いかなる方向を向いていてもよいが、本実施形態では、複数の第２領域１２２間で互いに同じ方向を向いている。したがって、ある第２領域１２２に設けられている凸部２２の平面視での各辺が当該ある第２領域１２２の延在方向Ｂに対して平行または直交である場合、当該ある第２領域１２２に対して軸線ａｘまわりに５５°異なる他の第２領域１２２に設けられている凸部２２の平面視での各辺が当該他の第２領域１２２の延在方向Ｃに対して５５°傾斜している。
このように、エンコーダースケール１は、板状（円板状）の基材２と、基材２の一方（図１および図３中上側）の面に設けられ、第１領域１２１と第２領域１２２とが交互に並んでいる光学パターン１２と、を備える。特に、第１領域１２１は、基材２の厚さ方向を法線とする「第１面」である反射面３３を主体に構成され、第２領域１２２は、反射面３３に対して傾斜した複数の「第２面」である傾斜面２２１を主体に構成されている。ここで、「第１領域１２１が反射面３３（第１面）を主体に構成されている」とは、平面視で第１領域１２１内における反射面３３（第１面）の面積占有率が５０％以上（好ましくは７０％以上、より好ましくは９０％以上）であることを言う。また、「第２領域１２２が傾斜面２２１（第２面）を主体に構成されている」とは、平面視で第２領域１２２内における傾斜面２２１（第２面）の面積占有率が５０％以上（好ましくは７０％以上、より好ましくは９０％以上）であることを言う。また、第２領域１２２は、反射面３３と同様に基材２の厚さ方向を法線とする面（第１面）を含んでいてもよいが、その場合、平面視で、第２領域１２２内における当該面の面積占有率が第１領域１２１内における反射面３３（第１面）の面積占有率よりも小さければよい。
このようなエンコーダースケール１によれば、第１領域１２１が基材２の厚さ方向を法線とする反射面３３で構成され、第２領域１２２が反射面３３に対して傾斜している傾斜面２２１を含んで構成されているため、第１領域１２１および第２領域１２２で反射した光の方向を互いに異ならせ、第１領域１２１で反射した光ＬＬのみを選択的に受光部４３で受光することができる。そのため、基材２を透明材料で構成する必要がなく、基材２の材料選択の自由度を高めることができ、その結果、より安価でかつ加工性に優れた材料を用いることができる。また、第１領域１２１に光ＬＬが照射されている状態とそうでない状態との受光部４３での受光量の差を大きくすることができ、その結果、検出精度を高めることができる。より具体的には、第１領域１２１に光ＬＬが照射されている状態での受光部４３の受光量を光源部４２からの光ＬＬの光量に対して５７％以上とし、第２領域１２２に光ＬＬが照射されている状態での受光部４３の受光量を光源部４２からの光ＬＬの光量に対して５％以下とすることができる。なお、エンコーダースケール１では、傾斜面２１１も「第２面」（反射面）を構成しているともいえる。
これに対し、例えば、仮に第２領域１２２が第１領域１２１（反射面３３）の法線と平行な法線の平坦面で構成されている場合、当該平坦面に光ＬＬの反射を低減する処理（例えば、光を散乱させるために主に曲面を組み合わせて構成されている凹凸面とする粗面化、光吸収率を高める黒色化等）を施したとしても、第２領域１２２での反射率を十分（５％以下）に小さくすることが難しい。そのため、第２領域１２２に光源部４２からの光ＬＬが照射されている状態において、第２領域１２２で反射して受光部４３に入射する光ＬＬの量を十分に小さくすることができない。
本実施形態では、エンコーダースケール１は、第１領域１２１に配置されている金属膜３を備える。これにより、基材２の構成材料によらず、第１領域１２１（第１面である反射面３３）の光ＬＬの反射率を高めることができる。また、後述するように、第２領域１２２（第２面である傾斜面２１１、２２１）をエッチングにより形成する場合、その際に用いる金属マスクを当該金属膜３として利用することが可能であり、製造コストを低減することもできる。金属膜３の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、チタン、タングステンなどの金属またはこれらを含む合金（複合材料）が挙げられる。金属膜３の形成方法は、例えば、蒸着、スパッタリング等の乾式メッキや、湿式メッキ、さらには、インクジェット、スクリーン印刷のような印刷法、転写法等が挙げられる。金属膜３の膜厚は、特に限定されないが、０．００１μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下がより好ましい。
ここで、金属膜３は、後述する異方性エッチングの際のサイドエッチングに起因して、凹部２１側に突出している部分３２を有する。これにより、傾斜面２１１での光ＬＬの反射を低減することができる。なお、金属膜３を省略してもよく、この場合、基材２の上面２３が「第１面」（反射面）を構成する。この場合でも、第１領域１２１の光反射性を比較的優れたものとすることが可能である。また、金属膜３の構成材料については、エンコーダースケール１の製造方法とともに後に詳述する。
また、基材２は、いかなる材料で構成されていてもよいが、単結晶シリコン、シリコンカーバイト、水晶等の異方性エッチングが可能な結晶材料で構成されていることが好ましい。これにより、後述するように、光学パターン１２を高精度に形成することができる。また、結晶材料の結晶面を利用して反射面３３（第１面）および傾斜面２２１（第２面）を形成することができる。
また、基材２に用いる結晶材料は、単結晶シリコンであることが好ましい。単結晶シリコンは、他の結晶材料に比べて安価であり、高精度な加工が容易である。そのため、エンコーダースケール１の基材２が単結晶シリコンで構成されていることで、エンコーダースケール１の低コスト化および高精度化が容易に図れるという利点がある。
特に、基材２に用いる単結晶シリコンの面方位は、（１００）であることが好ましい。これにより、単結晶シリコンの［１００］面を利用して上面２３および反射面３３（第１面）を形成するとともに、［１１１］面を利用して傾斜面２１１、２２１（第２面）を形成することができる。また、［１１１］面は、基材２の面内まわりの９０°ごとに現れる。そのため、このような単結晶シリコンを用いることで、リニアエンコーダーだけでなく、本実施形態のようにロータリーエンコーダーに適したエンコーダースケール１を形成することができる。このように単結晶シリコンを用いて形成したエンコーダースケール１のＳＥＭ写真を図６および図７に示す。また、単結晶シリコンを用いて形成したエンコーダースケール１の第２領域１２２で反射して受光部４３で受光される光ＬＬの量は、図８に示すように、光源部４２からの光ＬＬの光量に対して３％以下とすることができる。
このように、傾斜面２１１、２２１（第２面）は、基材２に用いる結晶材料の結晶面に沿って設けられていることが好ましい。これにより、基材２の上面２３（第１面）に対する傾斜角度θ１、θ２のバラつきの少ない傾斜面２１１、２２１（第２面）を容易に形成することができる。ここで、基材２を単結晶シリコンで構成した場合、傾斜面２２１の傾斜角度θ２は、約５５°（理論値）であり、傾斜面２１１の傾斜角度θ１は、エンコーダースケール１の周方向での位置によって異なる。
また、基材２の一方（図１および図３中上側）の面には、第２領域１２２に対応して凹部２１が設けられている。これにより、後述するように、第２領域１２２（第２面である傾斜面２１１、２２１）をエッチングにより容易に形成することができる。
特に、基材２の第２領域１２２には、複数の凸部２２が設けられており、傾斜面２２１（第２面）は、凸部２２の側面を用いて構成されている。これにより、第２領域１２２（第２面である傾斜面２２１）をエッチングにより形成する場合、そのエッチング量を少なくすることができ、製造時間を短縮し、ひいては製造コストを低減することができる。これに対し、例えば、第２領域１２２を傾斜面２１１のみで構成する場合、基材２を深くエッチングする必要があり、製造に長時間を要し、その結果、製造コストの増大を招く。
以上のように、エンコーダー１０は、前述したエンコーダースケール１を備える。これにより、低コスト化を図りつつ、検出精度を高めることができる。
すなわち、エンコーダー１０は、エンコーダースケール１と、エンコーダースケール１に向けて光ＬＬを出射する光源部４２と、エンコーダースケール１からの光ＬＬの反射光を受光する受光部４３と、を備える。そして、前述したように、エンコーダースケール１は、板状の基材２と、基材２の一方（図１および図３中上側）の面に設けられ、第１領域１２１と第２領域１２２とが交互に並んでいる光学パターン１２と、を備える。ここで、第１領域１２１は、基材２の厚さ方向を法線とする「第１面」である反射面３３を主体に構成され、第２領域１２２は、反射面３３とは異なる方向に光ＬＬを反射させる「第２面」である傾斜面２１１、２２１を主体に構成されている。このようなエンコーダー１０によれば、低コスト化を図りつつ、検出精度を高めることができる。
（エンコーダースケールの製造方法）
図９は、図３に示すエンコーダースケールの製造方法を説明するためのフローチャートである。
エンコーダースケール１の製造方法は、図９に示すように、準備工程Ｓ１０と、光学パターン形成工程Ｓ２０と、外形形成工程Ｓ３０と、を有する。以下、各工程を順次説明する。なお、以下では、基材２を（１００）単結晶シリコンで構成する場合を例に説明する。
［準備工程Ｓ１０］
図１０は、図９に示す準備工程を説明するための断面図である。
まず、図１０に示すように、（１００）単結晶シリコン基板である基材２ａを準備する。この基材２ａは、単結晶シリコン基板をそのまま用いてもよいが、必要に応じて、単結晶シリコン基板の一方の面を研削して薄肉化した基板を用いる。
［光学パターン形成工程Ｓ２０］
図１１は、図９に示す光学パターン形成工程（マスク形成工程）を説明するための断面図である。図１２は、図９に示す光学パターン形成工程（異方性エッチング工程）を説明するための断面図である。
次に、図１１に示すように、基材２ａの一方の面上に、金属膜３を形成する。この金属膜３は、例えば、基材２ａの一方の面上に金属膜を一様に形成した後、当該金属膜上にフォトレジストでマスクを形成し、当該マスクを介して当該金属膜をエッチングし、その後、当該マスクを除去することで得られる。
そして、図１２に示すように、金属膜３をマスクとして用いて、基材２ａを異方性エッチングし、必要に応じて、基材２ａを洗浄する。これにより、複数の凹部２１および複数の凸部２２を有する基材２ｂが得られる。
この異方性エッチング（ウェットエッチング）は、特に限定されないが、例えば、ＫＯＨやＴＭＡＨ等のアルカリエッチング液を用いる。
本例では、金属膜３を最終的にエンコーダースケール１の反射面として用いるため、金属膜３の構成材料としては、前述したものが挙げられるが、その中でも、光ＬＬに対する反射性および異方性エッチングに対する耐性を有する材料が好ましく、例えば、ＴｉＷ等の金属材料を用いることができる。
なお、最終的に得られるエンコーダースケール１が金属膜３を有しない場合、前述した金属膜３に代えて、基材２ａ表面を熱酸化したシリコン酸化膜、光ＬＬに対する反射性を有しない材料を成膜した膜等の膜を用いてもよく、この場合、この膜は、異方性エッチングにおいてマスクとして用いた後にドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去すればよい。
［外形形成工程］
図示しないが、基材２ａをドライエッチングすることで、エンコーダースケール１の外形（孔１１を含む）を形成する。本工程では、例えば、ドライエッチングの前に、保護膜として金属膜３上にレジスト層を形成し、ドライエッチングの後に、当該レジスト層を除去する。なお、最終的に得られるエンコーダースケール１が金属膜３を有しない場合、この外形形成工程後に、金属膜３を除去すればよい。
本工程のドライエッチングとしては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ高速エッチング法、ボッシュプロセス法、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）等が挙げられる。また、エッチングガスとしては、Ｃｌ２＋ＨＢｒ、ＳＦ６等を用いることができる。
以上のようにして、エンコーダースケール１を製造することができる。
以上のように、エンコーダースケール１の製造方法は、基材２ａを準備する準備工程Ｓ１０と、第１領域１２１および第２領域１２２が交互に複数並んでいる光学パターン１２を形成する光学パターン形成工程Ｓ２０と、を含む。ここで、光学パターン形成工程Ｓ２０では、板状の基材２ａの表面に、基材２ａの厚さ方向を法線とする「第１面」である反射面３３（または上面２３）を主体に構成されている第１領域１２１と、反射面３３（または上面２３）に対して傾斜した「第２面」である傾斜面２２１を主体に構成されている第２領域１２２と、を形成する。第２領域１２２は、異方性エッチングにより形成する。このようなエンコーダースケール１の製造方法によれば、低コスト化を図りつつ、検出精度を高めることができるエンコーダースケール１を得ることができる。
＜第２実施形態＞
図１３は、本発明の第２実施形態に係るエンコーダースケールを示す断面図である。図１４は、図１３に示す第２領域に設けられている凸部の平面図である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
図１３に示すエンコーダースケール１Ａの一方の面には、周方向に沿って交互に複数並んでいる第１領域１２１Ａおよび第２領域１２２Ａを有する光学パターン１２Ａが設けられている。ここで、光学パターン１２Ａは、前述した第１実施形態の光学パターン１２を反転した形状をなしている。具体的に説明すると、エンコーダースケール１Ａは、板状（円板状）の基材２Ａを有し、この基材２Ａの上面には、複数の第２領域１２２Ａに対応して複数の凸部２１Ａが設けられている。そして、基材２Ａの上面の複数の凸部２１Ａを除く部分が反射面２３Ａとして第１領域１２１Ａを構成している。一方、各凸部２１Ａの外壁面（側壁面および頂面）が第２領域１２２Ａを構成している。
特に、凸部２１Ａの頂面には、複数の凹部２２Ａが形成されている。各凹部２２Ａは、図１４に示すように、逆四角すい状をなしており、基材２Ａの反射面２３Ａに対して傾斜した側面として４つの傾斜面２２１Ａを有する。また、凸部２１Ａの側壁面（頂面と反射面２３Ａとを繋ぐ面）も、基材２Ａの反射面２３Ａに対して傾斜した傾斜面２１１Ａとなっている。このような傾斜面２１１Ａ、２２１Ａは、それぞれ、光ＬＬに対する反射性を有していてもいなくてもよい。
このようなエンコーダースケール１Ａは、例えば、前述した第１実施形態のエンコーダースケール１の金属膜３を省略した構造体を型として用いて樹脂材料等を成形することで比較的簡単かつ安価に得ることが可能である。
このように、エンコーダースケール１Ａは、板状の基材２Ａと、基材２Ａの一方（図１３中上側）の面に設けられ、交互に複数並んでいる第１領域１２１Ａおよび第２領域１２２Ａを有する光学パターン１２Ａと、を備える。特に、第１領域１２１Ａは、基材２Ａの厚さ方向を法線とする「第１面」である反射面２３Ａを含んで構成され、第２領域１２２Ａは、反射面２３Ａに対して傾斜した複数の「第２面」である傾斜面２２１Ａを含んで構成されている。
以上のような第２実施形態のエンコーダースケール１Ａによっても、前述した第１実施形態と同様、低コスト化を図りつつ、検出精度を高めることができる。
＜第３実施形態＞
図１５は、本発明の第３実施形態に係るエンコーダースケールを示す平面図である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
図１５に示すエンコーダースケール１Ｂは、板状をなす基材２Ｂを有し、その一方の面には、エンコーダースケール１Ｂの図中方向Ｅでの移動量、移動速度等を検出し得るパターンとして、方向Ｅに沿って第１領域１２１および第２領域１２２を交互に並べた光学パターン１２Ｂが形成されている。このようなエンコーダースケール１Ｂは、リニアエンコーダーに用いることができる。
ここで、光学パターン１２Ｂの第１領域１２１および第２領域１２２は、それぞれ、平面視で、方向Ｅに直交する方向Ｄに沿って延びている。また、平面視で、第１領域１２１および第２領域１２２の幅がそれぞれ方向Ｄにわたって一定となっている。また、基材２Ｂの平面視での茎状も、方向Ｅを長辺とする長方形となっている。
このようなエンコーダースケール１Ｂは、前述した第１実施形態と同様、（１００）単結晶シリコンを用いて簡単かつ高精度に形成することができ、この場合、結晶方位（１１０）が方向Ｄに沿っていることが好ましい。これにより、第１領域１２１および第２領域１２２の寸法精度を容易に高めることができる。
以上のような第３実施形態のエンコーダースケール１Ｂによっても、前述した第１実施形態と同様、低コスト化を図りつつ、検出精度を高めることができる。
（ロボット）
以下、本発明のロボットについて単腕ロボットを例に説明する。
図１６は、本発明のロボットの実施形態を示す斜視図である。
図１６に示すロボット１０００は、精密機器やこれを構成する部品（対象物）の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。このロボット１０００は、６軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース１０１０と、ベース１０１０に回動自在に連結されたアーム１０２０と、アーム１０２０に回動自在に連結されたアーム１０３０と、アーム１０３０に回動自在に連結されたアーム１０４０と、アーム１０４０に回動自在に連結されたアーム１０５０と、アーム１０５０に回動自在に連結されたアーム１０６０と、アーム１０６０に回動自在に連結されたアーム１０７０と、これらアーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０の駆動を制御する制御部１０８０と、を有している。また、アーム１０７０にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット１０００に実行させる作業に応じたエンドエフェクター１０９０が装着されている。
また、ロボット１０００が有する複数の関節部のうちの全部または一部には、エンコーダー１０が搭載されており、制御部１０８０は、このエンコーダー１０の出力に基づいて、関節部の駆動を制御する。なお、図示では、エンコーダー１０は、アーム１０４０とアーム１０５０との間の関節部に設けられている。
以上のように、ロボット１０００は、エンコーダースケール１（または１Ａ、１Ｂ）を備える。このようなロボット１０００によれば、エンコーダースケール１の低コスト化を図ることで、ロボット１０００の低コスト化を図ることができる。また、エンコーダースケール１を用いた高精度な検出結果に基づいて高精度な動作制御を行うことができる。
なお、ロボット１０００が有するアームの数は、図示では６本であるが、これに限定されず、１〜５本または７本以上であってもよい。
（プリンター）
図１７は、本発明のプリンターの実施形態を示す斜視図である。
図１７に示すプリンター３０００は、インクジェット記録方式のプリンターである。このプリンター３０００は、装置本体３０１０と、装置本体３０１０の内部に設けられている印刷機構３０２０、給紙機構３０３０および制御部３０４０と、を備えている。
装置本体３０１０には、記録用紙Ｐを設置するトレイ３０１１と、記録用紙Ｐを排出する排紙口３０１２と、液晶ディスプレイ等の操作パネル３０１３とが設けられている。
印刷機構３０２０は、ヘッドユニット３０２１と、キャリッジモーター３０２２と、キャリッジモーター３０２２の駆動力によりヘッドユニット３０２１を往復動させる往復動機構３０２３と、を備えている。ヘッドユニット３０２１は、インクジェット式記録ヘッドであるヘッド３０２１ａと、ヘッド３０２１ａにインクを供給するインクカートリッジ３０２１ｂと、ヘッド３０２１ａおよびインクカートリッジ３０２１ｂを搭載したキャリッジ３０２１ｃと、を有している。往復動機構３０２３は、キャリッジ３０２１ｃを往復移動可能に支持しているキャリッジガイド軸３０２３ａと、キャリッジモーター３０２２の駆動力によりキャリッジ３０２１ｃをキャリッジガイド軸３０２３ａ上で移動させるタイミングベルト３０２３ｂと、を有している。
給紙機構３０３０は、互いに圧接している従動ローラー３０３１および駆動ローラー３０３２と、駆動ローラー３０３２を駆動する給紙モーター３０３３と、給紙モーター３０３３の回転軸の回転状態を検出するエンコーダー１０と、を有している。
制御部３０４０は、例えばパーソナルコンピュータ等のホストコンピュータから入力された印刷データに基づいて、印刷機構３０２０や給紙機構３０３０等を制御する。
このようなプリンター３０００では、給紙機構３０３０が記録用紙Ｐを一枚ずつヘッドユニット３０２１の下部近傍へ間欠送りする。このとき、ヘッドユニット３０２１が記録用紙Ｐの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動して、記録用紙Ｐへの印刷が行なわれる。
以上のように、プリンター３０００は、エンコーダースケール１（または１Ａ、１Ｂ）を備える。このようなプリンター３０００によれば、エンコーダースケール１の低コスト化を図ることで、プリンター３０００の低コスト化を図ることができる。また、エンコーダースケール１を用いた高精度な検出結果に基づいて高精度な動作制御を行うことができる。
以上、本発明のエンコーダースケール、エンコーダースケールの製造方法、エンコーダー、ロボットおよびプリンターを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
また、本発明は、前述した実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
また、本発明のロボットは、アームを有していれば、単腕ロボットに限定されず、例えば、双腕ロボット、スカラーロボット等の他のロボットであってもよい。
また、前述した実施形態ではエンコーダースケールユニットおよびエンコーダーをロボットおよびプリンターに適用した構成について説明したが、エンコーダースケールユニットおよびエンコーダーは、これら以外の各種電子機器にも適用することができる。また、エンコーダーは、プリンターに用いる場合、プリンターの紙送りローラーの駆動源に限定されず、例えば、プリンターのインクジェットヘッドの駆動源等に適用することもできる。
また、本発明のエンコーダーは、ロボット以外の機器に組み込んでもよく、例えば、自動車等の移動体に搭載してもよい。
１…エンコーダースケール、１Ａ…エンコーダースケール、１Ｂ…エンコーダースケール、２…基材、２Ａ…基材、２Ｂ…基材、２ａ…基材、２ｂ…基材、３…金属膜、１０…エンコーダー、１１…孔、１２…光学パターン、１２Ａ…光学パターン、１２Ｂ…光学パターン、２０…回転軸、２１…凹部、２１Ａ…凸部、２２…凸部、２２Ａ…凹部、２３…上面（第１面）、２３Ａ…反射面（第１面）、３０…エンコーダースケールユニット、３１…開口部、３２…部分、３３…反射面（第１面）、４０…光学センサー、４１…基板、４２…光源部、４３…受光部、１２１…第１領域、１２１Ａ…第１領域、１２２…第２領域、１２２Ａ…第２領域、２１１…傾斜面（第２面）、２１１Ａ…傾斜面（第２面）、２２１…傾斜面（第２面）、２２１Ａ…傾斜面（第２面）、３０１…ハブ、３０２…接着剤、３０３…支持部、３０４…突出部、３０５…凸部、３０６…凹部、３０７…設置面、１０００…ロボット、１０１０…ベース、１０２０…アーム、１０３０…アーム、１０４０…アーム、１０５０…アーム、１０６０…アーム、１０７０…アーム、１０８０…制御部、１０９０…エンドエフェクター、３０００…プリンター、３０１０…装置本体、３０１１…トレイ、３０１２…排紙口、３０１３…操作パネル、３０２０…印刷機構、３０２１…ヘッドユニット、３０２１ａ…ヘッド、３０２１ｂ…インクカートリッジ、３０２１ｃ…キャリッジ、３０２２…キャリッジモーター、３０２３…往復動機構、３０２３ａ…キャリッジガイド軸、３０２３ｂ…タイミングベルト、３０３０…給紙機構、３０３１…従動ローラー、３０３２…駆動ローラー、３０３３…給紙モーター、３０４０…制御部、Ｂ…延在方向、Ｃ…延在方向、Ｄ…方向、Ｅ…方向、ＬＬ…光、Ｐ…記録用紙、Ｓ１０…準備工程、Ｓ２０…光学パターン形成工程、Ｓ３０…外形形成工程、ａｘ…軸線、θ１…傾斜角度、θ２…傾斜角度

Claims (11)

  1. 板状の基材と、
    前記基材の一方の面に設けられ、第１領域と第２領域とが交互に並んでいる光学パターンと、を備え、
    前記第１領域は、前記基材の厚さ方向を法線とする第１面を主体に構成され、
    前記第２領域は、前記第１面に対して傾斜している第２面を主体に構成され、
    前記基材の前記一方の面には、前記第２領域に対応して凹部が設けられており、
    前記光学パターンは、前記第１領域に配置されている金属膜を備え、
    前記金属膜は、前記凹部側に突出している部分を有することを特徴とするエンコーダースケール。
  2. 前記基材は、異方性エッチングが可能な結晶材料で構成されている請求項１に記載のエンコーダースケール。
  3. 前記結晶材料は、単結晶シリコンである請求項２に記載のエンコーダースケール。
  4. 前記単結晶シリコンの面方位が（１００）である請求項３に記載のエンコーダースケール。
  5. 前記第２面は、前記結晶材料の結晶面に沿って設けられている請求項２ないし４のいずれか１項に記載のエンコーダースケール。
  6. 前記基材の前記第２領域には、複数の凸部が設けられており、
    前記第２面は、前記凸部の側面を用いて構成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のエンコーダースケール。
  7. 板状の基材の一方の面に、前記基材の厚さ方向を法線とする第１面を主体に構成されている第１領域と、前記第１面に対して傾斜している第２面を主体に構成されている第２領域とが交互に複数並んでいる光学パターンを形成する光学パターン形成工程を含むエンコーダースケールの製造方法であって、
    前記基材の前記一方の面には、前記第２領域に対応して凹部が設けられており、
    前記光学パターンは、前記第１領域に配置されている金属膜を備え、
    前記金属膜は、前記凹部側に突出している部分を有し、
    前記第２領域と、前記部分とは、異方性エッチングにより形成することを特徴とするエンコーダースケールの製造方法。
  8. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のエンコーダースケールを備えることを特徴とするエンコーダー。
  9. エンコーダースケールと、
    前記エンコーダースケールに向けて光を出射する光源部と、
    前記エンコーダースケールからの前記光の反射光を受光する受光部と、を備え、
    前記エンコーダースケールは、
    板状の基材と、
    前記基材の一方の面に設けられ、第１領域と第２領域とが交互に並んでいる光学パターンと、を備え、
    前記第１領域は、前記基材の厚さ方向を法線とする第１面を主体に構成され、
    前記第２領域は、前記第１面とは異なる方向に前記光を反射させる第２面を主体に構成され、
    前記基材の前記一方の面には、前記第２領域に対応して凹部が設けられており、
    前記光学パターンは、前記第１領域に配置されている金属膜を備え、
    前記金属膜は、前記凹部側に突出している部分を有することを特徴とするエンコーダー。
  10. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のエンコーダースケールを備えることを特徴とするロボット。
  11. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のエンコーダースケールを備えることを特徴とするプリンター。
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