反射型光電式エンコーダ用スケール及び光電式エンコーダ
【課題】回折効率の安定性を向上させた光学格子を有するスケールを提供する。
【解決手段】スケールの基板１７の上にタングステンからなる第１の金属層２１を形成し、この上にクロムからなる第２の金属層２３を形成する。レジスト２７をマスクにしてかつ第１の金属層２１をエッチングストッパにして、第２の金属層２３を選択的に除去することにより、光学格子１９を形成する。光学格子１９は位相格子であり、その側壁角度が８０度より大きく、且つ、９０度未満にされている。
【解決手段】スケールの基板１７の上にタングステンからなる第１の金属層２１を形成し、この上にクロムからなる第２の金属層２３を形成する。レジスト２７をマスクにしてかつ第１の金属層２１をエッチングストッパにして、第２の金属層２３を選択的に除去することにより、光学格子１９を形成する。光学格子１９は位相格子であり、その側壁角度が８０度より大きく、且つ、９０度未満にされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密測定に使用される光電式エンコーダ及びこのスケールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、空間位相の異なる複数のインデックス格子を択一的に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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。つまり、上記ばらつきが原因で光学格子の回折効率が低下し、測定精度が悪くなるのである。
【０００６】
光学格子の加工深さを均一にするのに、例えば次の二つの方法がある。一つは、シリコン基板とシリコン酸化層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層を選択的にエッチングすることにより、回折格子（光学格子）となる凹凸を形成する技術である（例えば特許文献１）。
【０００７】
他の一つは、上層クロム、シリコン酸化層、下層クロムの三層構造とし、上層クロムをマスクにすると共に下層クロムをエッチングストッパにして、シリコン酸化層を選択的にエッチング除去して、位相格子（光学格子）となる凹凸を形成する技術である（例えば特許文献２）。
【０００８】
ここで、反射型光電式エンコーダ用スケールの一般的な構造を図１２で説明する。スケールは、基板１０１の長手方向（図の左右方向）に多数の位相格子１０３が、一定の間隔（ピッチ）ｐで、紙面に垂直な方向に多数並列配置された構造を有する。
【０００９】
このようなスケールを用いた光電式エンコーダの信号強度の指標となる回折効率は、格子形状や寸法（格子線幅ｗ、格子高さｈ、側壁角度θ）に依存する。スケール加工において、格子形状や寸法のばらつき（格子線幅ｗのばらつきΔｗ＝４０ｎｍ、格子高さｈのばらつきΔｈ＝１０ｎｍ、側壁角度θのばらつきΔθ＝５度程度）が発生する。特に、長尺のスケールについては、格子形状や寸法を広域に亘って均一に加工することは難しい。このため、格子形状や寸法のばらつきが原因で、回折効率のばらつきが生じる場合がある。このような場合、安定した高い回折効率を得ることが難しい。
【００１０】
このような問題点を解決するべく、特許文献３には、図１３に示すように、ｗ＝２５６〜３８４ｎｍ、ｈ＝１６０〜２１０ｎｍの位相格子１０３の全面に、導電性の金属膜、特にクロム製の反射膜１０５が付された位相格子を有するスケールを、λ＝６７０μｍ、ｐ偏光の光源部と組み合わせる場合、側壁角度θを７０度±１０度にすることが記載されている。なお、位相格子１０３は、例えば二酸化珪素、二酸化チタン、五酸化タンタルあるいは酸化アルミニウム等の誘電体で形成されている。
【特許文献１】特開平７−１１３９０５号公報（段落［００４３］、図１）
【特許文献２】特開平８−２８６０２０号公報（段落［００１０］〜［００１３］、図１〜図３）
【特許文献３】特開平１０−３１８７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、回折効率の安定性を向上させた反射型光電式エンコーダ用スケール、その製造方法及びそのスケールを含む光電式エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光電式エンコーダは、クロム及びタングステンのうちの一方を含む第１の金属層とクロム及びタングステンのうちの他方を含むと共に第１の金属層の上に所定のピッチで配列形成された複数の第２の金属層とを有する反射型の光学格子が配置されたスケールと、光学格子に照射する光を発生する光源部と、光学格子で反射された光源部からの光を受光すると共に光源部と一緒にスケールに対して相対移動可能である受光部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る光電式エンコーダによれば、第１の金属層がタングステンの場合は第２の金属層がクロムであり、第１の金属層がクロムの場合は第２の金属層がタングステンである。このように、第１の金属層と第２の金属層とは異なる金属材料からなるため、エッチングレートを異ならせることができる。よって、第１の金属層をエッチングストッパとして第２の金属層をパターニングして光学格子を形成することにより、光学格子の加工深さを均一にすることができる。また、クロムとタングステンは密着性が優れているため、光学格子の機械的強度を高くすることができる。
【００１４】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、複数の第２の金属層上には、第１の金属層と同じ金属を含む複数の第３の金属層が形成されている、ようにすることができる。これによれば、光学格子の凹部表面が第１の金属層であり、凸部表面が第３の金属層である。これらの金属層は同じ材料なので、光学格子の光の反射率を均一にすることができ、したがって、測定精度を向上させることができる。また、第２の金属層と第３の金属層とは異なる材料なので、第２の金属層をパターニングして光学格子を形成する際に第３の金属層をマスクとして用いることができる。よって、光学格子の加工形状の制御性を向上させることができる。
【００１５】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、第１の金属層はクロムを含み、複数の第２の金属層はタングステンを含み、複数の第３の金属層はクロムを含む、ようにすることができる。これによれば、光学格子の凹部表面、凸部表面のいずれもがクロムとなる。クロムはタングステンよりも光の反射率が高いため、測定精度を向上させることができる。
【００１６】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、第３の金属層は第２の金属層より厚みが薄い、ようにすることができる。これによれば、主に第２の金属層により、光学格子の凹部表面と凸部表面の段差が形成される。タングステンからなる第２の金属層はクロムからなる第３の金属層よりもエッチングしやすいので、光学格子の加工形状の制御性を向上させることができる。
【００１７】
本発明は、位相格子の側面に反射膜が付されていない反射型光電式エンコーダ用スケールにおいて、前記位相格子の側壁角度が８０度より大きく、且つ、９０度未満であることにより、回折効率の安定性を向上させたものである。
【００１８】
本発明は、又、基板上に一様な反射膜を備え、その上に前記反射膜と反射率が異なる材質からなる位相格子を備え、この位相格子の上端に前記反射膜と同じ材質からなる反射膜を備え、前記位相格子の側壁角度が８０度より大きく、且つ、９０度未満であることを特徴とする反射型光電式エンコーダ用スケールにより、回折効率の安定性を向上させたものである。
【００１９】
本発明は、又、前記のスケールを備えたことを特徴とする反射型光電式エンコーダを提供するものである。
【００２０】
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、基板上にクロム及びタングステンのうちの一方を含む第１の金属層を形成する工程と、第１の金属層の上にクロム及びタングステンのうちの他方を含む第２の金属層を形成する工程と、第１の金属層をエッチングストッパとして第２の金属層を選択的にエッチング除去することにより反射型の光学格子を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係るスケールの製造方法によれば、第１の金属層をエッチングストッパとして第２の金属層をパターニングすることにより反射型の光学格子を形成しているため、光学格子の凹部（溝）の加工深さが均一な光学格子を有するスケールを作製することができる。また、クロムとタングステンは密着性が優れているので、機械的強度の高い光学格子を有するスケールを作製することができる。
【００２２】
本発明に係るスケールの製造方法において、第２の金属層の形成工程と光学格子の形成工程との間に、第２の金属層の上にクロム及びタングステンのうちの上記一方を含む第３の金属層を形成する工程と、第２の金属層をエッチングストッパとして第３の金属層を選択的にエッチング除去する工程と、を含み、光学格子の形成工程は、第３の金属層をマスクにして第２の金属層を選択的にエッチング除去する、ようにすることができる。これによれば、光学格子の凹部表面（第１の金属層）と凸部表面（第３の金属層）が同じ材料なので、光の反射率が均一な光学格子を有するスケールを作製することができる。また、第３の金属層をマスクとして第２の金属層をエッチング除去するので、エッチング時の側壁後退（ＣＤロス）をレジストマスクにより抑えることができ、光学格子の加工形状の制御性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、第１の金属層をエッチングストッパにして、第２の金属層をパターニングして光学格子を形成することにより、光学格子の加工深さを均一にすることができる。これにより、光学格子の回折効率の安定性を向上させることができる。
【００２４】
また、本発明によれば、位相格子の側面に反射膜が付されていない反射型光電式エンコーダ用のスケールにおいて、格子形状や寸法にばらつきがある場合でも、安定した高い回折効率が得られ、かつ、加工による格子形状や寸法のばらつきを許容することができる。これにより、安定した高い回折効率を持つ反射型光電式エンコーダ用スケールを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１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。
【図２】第１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。
【図３】第１実施形態に係るスケールの製造方法の第１工程図である。
【図４】同第２工程図である。
【図５】比較例に係るスケールの一部の拡大断面図である。
【図６】第２実施形態に係るスケールの一部の拡大断面図である。
【図７】第２実施形態に係るスケールの製造方法の第１工程図である。
【図８】同第２工程図である。
【図９】第３実施形態に係るスケールの一部の拡大断面図である。
【図１０】第３実施形態における光学格子の側壁角度θと相対回折効率との関係を示すグラフである。
【図１１】比較例における光学格子の側壁角度θと相対回折効率との関係を示すグラフである。
【図１２】反射型光電式エンコーダ用スケールの一般的な格子形状を示す断面図である。
【図１３】特許文献３に係る反射型光電式エンコーダ用スケールの格子形状を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
【００２７】
［第１実施形態］
第１実施形態は、第１の金属層（タングステン）上に所定のピッチで複数の第２の金属層（クロム）が配列形成された反射型の光学格子を、光電式エンコーダのスケールに配置した点を主な特徴にしている。まず、第１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された光を受光する受光部７と、により構成される。
【００２８】
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の面うち、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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の金属層２１及びこの上に選択的に形成された複数の第２の金属層２３を備える。言い換えれば、複数の第２の金属層２３は所定のピッチを設けてリニヤ状に配置されている。第１の金属層２１及び複数の第２の金属層２３により凹凸パターンが構成される。第１の金属層２１の材料はタングステンであり、第２の金属層２３の材料はクロムであるが、その逆でもよい。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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により明暗パターンが生じる。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、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、タングステンからなる第１の金属層２１で反射された光（例えば光Ｌ１）と、クロムからなる第２の金属層２３で反射された光（例えば光Ｌ２）との位相差により干渉された光の信号が生じる。光学格子１９は位相格子として機能している。
【００３４】
この信号に含まれる互いに空間位相が異なる四つの成分、具体的には、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、はそれぞれに対応するフォトダイオード２５で検出される。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、第１実施形態に係るスケール５の製造方法の一例について説明する。図３及び図４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。図３に示すように、基板１７上に、例えばスパッタリングにより、タングステンからなる厚さ０．０３μｍ以上の第１の金属層２１を形成する。そして、クロムからなる厚さ０．１〜０．３μｍ程度の第２の金属層２３を、例えばスパッタリングにより、第１の金属層２１の上に形成する。第２の金属層２３の厚みが、光学格子の加工深さｄ（格子高さ）に対応する。
【００３７】
図４に示すように、フォトレジスト２７を第２の金属層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の金属層２１をエッチングストッパとして、第２の金属層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。そして、第２の金属層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。
【００３８】
上記ドライエッチングのガスとしては、例えば塩素系ガスがある。このガスによれば、クロムのエッチング速度をタングステンのそれよりも大きくできるため、第１の金属層（タングステン）２１をエッチングストッパとして、第２の金属層（クロム）２３を選択的に除去できる。なお、第１の金属層２１の材料がクロム、第２の金属層２３の材料がタングステンの場合は、ドライエッチングのガスとして、ＣＦ４ガスを例示できる。
【００３９】
第１実施形態の第１の効果について、比較例と比較しながら説明する。図５は、比較例に係るスケール３１の一部の拡大断面図であり、図２と対応する。スケール３１は、基板１７上にクロム層３３からなる光学格子３５が形成されている。
【００４０】
スケール３１は以下のようにして作製する。基板１７上にクロム層３３を形成する。そして、第１実施形態と同様に図４に示すフォトレジスト２７をクロム層３３の上に形成する。フォトレジスト２７をマスクとしてクロム層３３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。
【００４１】
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３５の凹部（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３５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）。
【００４２】
これに対して、第１実施形態によれば、第１の金属層２１をエッチングストッパとして、第２の金属層２３を選択的にエッチングしている。したがって、第２の金属層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の凹部の加工深さｄが均一な光学格子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。
【００４３】
第１実施形態の第２の効果は、以下の通りである。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層を選択的にエッチングすることにより、光学格子を形成する場合、シリコン酸化層は通常透明なので、反射型の光学格子にするためには光学格子の上に反射層をさらに形成する必要がある。第１実施形態によれば、第１の金属層２１がタングステン、第２の金属層２３がクロムであり、いずれも光の反射率が高いので、新たな反射層を形成する必要がない。
【００４４】
第１実施形態の第３の効果を説明する。第１の金属層２１がタングステン、第２の金属層２３がクロムである。クロムとタングステンは密着性が優れているので、上層クロム、シリコン酸化層、下層クロムの三層構造の光学格子に比べて、光学格子の機械的強度を高くすることができる。
【００４５】
［第２実施形態］
第２実施形態は、第１の金属層（クロム）上にピッチを設けて複数の第２の金属層（タングステン）を形成し、複数の第２の金属層上にそれぞれ第３の金属層（クロム）を形成した反射型の光学格子を、光電式エンコーダのスケールに配置した点を主な特徴にしている。第２実施形態については、第１実施形態と相違する点を中心に説明する。第２実施形態を説明する図において第１実施形態で説明した図の符号で示すものと同一のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。
【００４６】
図６は、第２実施形態に係るスケール５の一部の拡大断面図であり、図２と対応する。複数の第２の金属層２３上に複数の第３の金属層２９が形成されている。第１の金属層２１の材料はクロム、第２の金属層２３の材料はタングステン、第３の金属層２９の材料はクロムである。第２実施形態によれば、光学格子１９の凹部表面が第１の金属層２１であり、凸部表面が第３の金属層２９である。これらの金属層は同じ材料（クロム）である。したがって、光学格子１９の光の反射率を均一にすることができるため、測定精度を向上させることができる。また、クロムはタングステンよりも光の反射率が高いので、この点からも測定精度を向上させることができる。なお、第１の金属層２１の材料をタングステン、第２の金属層２３の材料をクロム、第３の金属層２９の材料をタングステンにしてもよい。
【００４７】
第２実施形態によれば、第２の金属層２３の厚みと第３の金属層２９の厚みの合計が加工深さｄ（格子高さ）となる。第３の金属層２９の厚みは例えば０．０３〜０．１μｍであり、第２の金属層２３の厚みは例えば０．０７〜０．２μｍである。したがって、第３の金属層２９は第２の金属層２３より厚みが薄い。このため、光学格子１９の凹部表面と凸部表面の段差は主に第２の金属層２３により形成される。第２の金属層（タングステン）２３の反応生成物は第３の金属層（クロム）２９の反応生成物よりも蒸気圧が高くエッチングしやすいので、加工選択比が高く光学格子１９の加工形状の制御性を向上させることができる。よって、高精度の光学格子１９にすることができる。
【００４８】
第２実施形態に係るスケール５の製造方法の一例について説明する。図７及び図８はこれを説明するための工程図であり、図６の断面図と対応する。図７に示すように、クロムからなる第１の金属層２１、タングステンからなる第２の金属層２３、クロムからなる第３の金属層２９を、順に例えばスパッタリングにより形成する。第２の金属層２３の厚みに第３の金属層２９の厚みを加えた値が図６に示す加工深さｄとなる。
【００４９】
図８に示すように、第１実施形態で説明したフォトレジスト２７をマスクとして、塩素系ガスにより、第３の金属層（クロム）２９をドライエッチングして選択的に除去する。このとき、第２の金属層（タングステン）２３がエッチングストッパとなる。そして、フォトレジスト２７を除去する。ガスをＣＦ４等のフッ素系ガスに替えて、第３の金属層２９をマスクにして第２の金属層２３をドライエッチングすることにより、選択的に除去する。このエッチングでは第１の金属層（クロム）２１がエッチングストッパとなる。以上の工程により、図６に示すスケール５が完成する。
【００５０】
第２実施形態によれば、第３の金属層２９をマスクとして第２の金属層２３をエッチング除去している。したがって、エッチング時の側壁後退（ＣＤロス）をレジストマスクにより抑えることができるため、光学格子１９の加工形状の制御性を向上させることができる。
【００５１】
［第３実施形態］
図１３に示すスケールと異なり、位相格子１０３の側面１０７に反射膜が付されていないスケールは、必ずしも安定した回折効率が得られなかった。
【００５２】
特に、位相格子１０３に（１１０）シリコンが使われる場合、通常の異方性エッチングにより位相格子１０３を形成すると、側壁角度（エッジ角度とも言う）は７０度近辺になる。このような角度では、高い回折効率が得られない。第３実施形態によれば、位相格子の側面に反射膜が付されていないスケールでも、安定した回折効率を得ることができる。
【００５３】
図９は、第３実施形態に係るスケール５の一部の拡大断面図である。第３実施形態は、光学格子１９の側壁角度θが８０度より大きく、かつ９０度未満である点を特徴にしている。第３実施形態に係るスケール５は、本発明の発明者等の実験に基づいてなされたものである。
【００５４】
光学格子１９は、高い回折効率が得られ、かつ格子形状と寸法のばらつきに対してロバストであるのが好ましい。発明者等は、回折効果のシミュレーションに関する市販のプログラムを用いて、このような効果を得られる光学格子の形状、寸法を求めた。
【００５５】
シミュレーションに用いたスケール５について図９を用いて説明する。ガラスからなる基板１７の表面には、反射膜として機能する第１の金属層２１（一様な反射膜）が配置されている。格子として機能する複数の第２の金属層２３の上面にのみ第１の金属層２１と同じ材料の第３の金属層２９が配置されている。第１及び第３の金属層２１，２９の材料をクロムにし、第２の金属層２３の材料をタングステンにした。格子線幅ｗとピッチｐの比ｗ／ｐを０．４０〜０．５８にし、格子高さｈを１１０〜１６０ｎｍにした。なお、シミュレーションに用いた光源部からの光は、ｐ偏光で、その波長が６３３ｎｍであった。
【００５６】
シミュレーションの結果を図１０に示す。横軸は、光学格子１９の側壁角度θである。縦軸は、光学格子１９の相対回折効率の変動である。ここで、回折効率とは、入射光光量に対する回折光光量の割合である。つまり、回折効率＝回折光光量／入射光光量である。相対回折効率とは、ある回折効率の値を１にしたときのその他の回折効率の割合である。具体的な数値で説明すると、以下の通りである。入射光光量＝２０００μＷ、回折光光量Ａ＝１２００μＷ、回折光光量Ｂ＝１０００μＷ、回折光光量Ｃ＝８００μＷとし、回折効率６０％を「１」とする。
【００５７】
回折光光量Ａの回折効率＝１２００／２０００＝６０％
回折光光量Ｂの回折効率＝１０００／２０００＝５０％
回折光光量Ｃの回折効率＝８００／２０００＝４０％
回折光光量Ａの相対回折効率＝６０／６０＝１
回折光光量Ｂの相対回折効率＝５０／６０＝０．８３
回折光光量Ｃの相対回折効率＝４０／６０＝０．６７
さて、図１０に基づく結果を考察する。側壁角度θが８０度や９０度の場合でも、相対回折効率は高く、かつ変動が小さい。しかし、側壁角度θを９０度に加工するには、ドライエッチング工程において、次のことが必要となる。（１）エッチング時間を長くしたり、エッチングイオンエネルギーを増加させたりして、オーバーエッチングを多くする。（２）エッチングマスクの耐プラズマ性を向上させる。したがって、側壁角度θを９０度に加工するのは、比較的難しい。
【００５８】
一方、側壁角度θを８０度以下に加工するのは、比較的容易であるが、格子線幅ｗや格子高さｈのばらつきに対して、相対回折効率が敏感に変動する。以上より、光学格子１９の側壁角度θは８０度より大きく、かつ９０度未満であるのが好ましい。
【００５９】
比較のため、特許文献３に記載された従来例のシミュレーションの結果を図１１に示す。このシミュレーションにおける格子線幅ｗとピッチｐの比ｗ／ｐ、格子高さｈ、シミュレーションに用いた光源部からの光の条件は、第３実施形態の場合と同じにした。
【００６０】
なお、第３実施形態の上記シミュレーションにおいて、格子線幅ｗとピッチｐの比ｗ／ｐを０．４０〜０．５８にし、格子高さｈを１１０〜１６０ｎｍにし、光源部からの光はｐ偏光で、その波長が６３３ｎｍにした。しかしながら、本発明の適用対象はこれに限定されず、位相格子の側面に反射膜が付されていないスケール一般に適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
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の金属層、２３・・・第２の金属層、２５・・・フォトダイオード、２７・・・フォトレジスト、２９・・・第３の金属層、３１・・・スケール、３３・・・クロム層、３５・・・光学格子、ｄ・・・加工深さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密測定に使用される光電式エンコーダ及びこのスケールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、空間位相の異なる複数のインデックス格子を択一的に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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。つまり、上記ばらつきが原因で光学格子の回折効率が低下し、測定精度が悪くなるのである。
【０００６】
光学格子の加工深さを均一にするのに、例えば次の二つの方法がある。一つは、シリコン基板とシリコン酸化層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層を選択的にエッチングすることにより、回折格子（光学格子）となる凹凸を形成する技術である（例えば特許文献１）。
【０００７】
他の一つは、上層クロム、シリコン酸化層、下層クロムの三層構造とし、上層クロムをマスクにすると共に下層クロムをエッチングストッパにして、シリコン酸化層を選択的にエッチング除去して、位相格子（光学格子）となる凹凸を形成する技術である（例えば特許文献２）。
【０００８】
ここで、反射型光電式エンコーダ用スケールの一般的な構造を図１２で説明する。スケールは、基板１０１の長手方向（図の左右方向）に多数の位相格子１０３が、一定の間隔（ピッチ）ｐで、紙面に垂直な方向に多数並列配置された構造を有する。
【０００９】
このようなスケールを用いた光電式エンコーダの信号強度の指標となる回折効率は、格子形状や寸法（格子線幅ｗ、格子高さｈ、側壁角度θ）に依存する。スケール加工において、格子形状や寸法のばらつき（格子線幅ｗのばらつきΔｗ＝４０ｎｍ、格子高さｈのばらつきΔｈ＝１０ｎｍ、側壁角度θのばらつきΔθ＝５度程度）が発生する。特に、長尺のスケールについては、格子形状や寸法を広域に亘って均一に加工することは難しい。このため、格子形状や寸法のばらつきが原因で、回折効率のばらつきが生じる場合がある。このような場合、安定した高い回折効率を得ることが難しい。
【００１０】
このような問題点を解決するべく、特許文献３には、図１３に示すように、ｗ＝２５６〜３８４ｎｍ、ｈ＝１６０〜２１０ｎｍの位相格子１０３の全面に、導電性の金属膜、特にクロム製の反射膜１０５が付された位相格子を有するスケールを、λ＝６７０μｍ、ｐ偏光の光源部と組み合わせる場合、側壁角度θを７０度±１０度にすることが記載されている。なお、位相格子１０３は、例えば二酸化珪素、二酸化チタン、五酸化タンタルあるいは酸化アルミニウム等の誘電体で形成されている。
【特許文献１】特開平７−１１３９０５号公報（段落［００４３］、図１）
【特許文献２】特開平８−２８６０２０号公報（段落［００１０］〜［００１３］、図１〜図３）
【特許文献３】特開平１０−３１８７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、回折効率の安定性を向上させた反射型光電式エンコーダ用スケール、その製造方法及びそのスケールを含む光電式エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光電式エンコーダは、クロム及びタングステンのうちの一方を含む第１の金属層とクロム及びタングステンのうちの他方を含むと共に第１の金属層の上に所定のピッチで配列形成された複数の第２の金属層とを有する反射型の光学格子が配置されたスケールと、光学格子に照射する光を発生する光源部と、光学格子で反射された光源部からの光を受光すると共に光源部と一緒にスケールに対して相対移動可能である受光部と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る光電式エンコーダによれば、第１の金属層がタングステンの場合は第２の金属層がクロムであり、第１の金属層がクロムの場合は第２の金属層がタングステンである。このように、第１の金属層と第２の金属層とは異なる金属材料からなるため、エッチングレートを異ならせることができる。よって、第１の金属層をエッチングストッパとして第２の金属層をパターニングして光学格子を形成することにより、光学格子の加工深さを均一にすることができる。また、クロムとタングステンは密着性が優れているため、光学格子の機械的強度を高くすることができる。
【００１４】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、複数の第２の金属層上には、第１の金属層と同じ金属を含む複数の第３の金属層が形成されている、ようにすることができる。これによれば、光学格子の凹部表面が第１の金属層であり、凸部表面が第３の金属層である。これらの金属層は同じ材料なので、光学格子の光の反射率を均一にすることができ、したがって、測定精度を向上させることができる。また、第２の金属層と第３の金属層とは異なる材料なので、第２の金属層をパターニングして光学格子を形成する際に第３の金属層をマスクとして用いることができる。よって、光学格子の加工形状の制御性を向上させることができる。
【００１５】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、第１の金属層はクロムを含み、複数の第２の金属層はタングステンを含み、複数の第３の金属層はクロムを含む、ようにすることができる。これによれば、光学格子の凹部表面、凸部表面のいずれもがクロムとなる。クロムはタングステンよりも光の反射率が高いため、測定精度を向上させることができる。
【００１６】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、第３の金属層は第２の金属層より厚みが薄い、ようにすることができる。これによれば、主に第２の金属層により、光学格子の凹部表面と凸部表面の段差が形成される。タングステンからなる第２の金属層はクロムからなる第３の金属層よりもエッチングしやすいので、光学格子の加工形状の制御性を向上させることができる。
【００１７】
本発明は、位相格子の側面に反射膜が付されていない反射型光電式エンコーダ用スケールにおいて、前記位相格子の側壁角度が８０度より大きく、且つ、９０度未満であることにより、回折効率の安定性を向上させたものである。
【００１８】
本発明は、又、基板上に一様な反射膜を備え、その上に前記反射膜と反射率が異なる材質からなる位相格子を備え、この位相格子の上端に前記反射膜と同じ材質からなる反射膜を備え、前記位相格子の側壁角度が８０度より大きく、且つ、９０度未満であることを特徴とする反射型光電式エンコーダ用スケールにより、回折効率の安定性を向上させたものである。
【００１９】
本発明は、又、前記のスケールを備えたことを特徴とする反射型光電式エンコーダを提供するものである。
【００２０】
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、基板上にクロム及びタングステンのうちの一方を含む第１の金属層を形成する工程と、第１の金属層の上にクロム及びタングステンのうちの他方を含む第２の金属層を形成する工程と、第１の金属層をエッチングストッパとして第２の金属層を選択的にエッチング除去することにより反射型の光学格子を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係るスケールの製造方法によれば、第１の金属層をエッチングストッパとして第２の金属層をパターニングすることにより反射型の光学格子を形成しているため、光学格子の凹部（溝）の加工深さが均一な光学格子を有するスケールを作製することができる。また、クロムとタングステンは密着性が優れているので、機械的強度の高い光学格子を有するスケールを作製することができる。
【００２２】
本発明に係るスケールの製造方法において、第２の金属層の形成工程と光学格子の形成工程との間に、第２の金属層の上にクロム及びタングステンのうちの上記一方を含む第３の金属層を形成する工程と、第２の金属層をエッチングストッパとして第３の金属層を選択的にエッチング除去する工程と、を含み、光学格子の形成工程は、第３の金属層をマスクにして第２の金属層を選択的にエッチング除去する、ようにすることができる。これによれば、光学格子の凹部表面（第１の金属層）と凸部表面（第３の金属層）が同じ材料なので、光の反射率が均一な光学格子を有するスケールを作製することができる。また、第３の金属層をマスクとして第２の金属層をエッチング除去するので、エッチング時の側壁後退（ＣＤロス）をレジストマスクにより抑えることができ、光学格子の加工形状の制御性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、第１の金属層をエッチングストッパにして、第２の金属層をパターニングして光学格子を形成することにより、光学格子の加工深さを均一にすることができる。これにより、光学格子の回折効率の安定性を向上させることができる。
【００２４】
また、本発明によれば、位相格子の側面に反射膜が付されていない反射型光電式エンコーダ用のスケールにおいて、格子形状や寸法にばらつきがある場合でも、安定した高い回折効率が得られ、かつ、加工による格子形状や寸法のばらつきを許容することができる。これにより、安定した高い回折効率を持つ反射型光電式エンコーダ用スケールを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１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。
【図２】第１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。
【図３】第１実施形態に係るスケールの製造方法の第１工程図である。
【図４】同第２工程図である。
【図５】比較例に係るスケールの一部の拡大断面図である。
【図６】第２実施形態に係るスケールの一部の拡大断面図である。
【図７】第２実施形態に係るスケールの製造方法の第１工程図である。
【図８】同第２工程図である。
【図９】第３実施形態に係るスケールの一部の拡大断面図である。
【図１０】第３実施形態における光学格子の側壁角度θと相対回折効率との関係を示すグラフである。
【図１１】比較例における光学格子の側壁角度θと相対回折効率との関係を示すグラフである。
【図１２】反射型光電式エンコーダ用スケールの一般的な格子形状を示す断面図である。
【図１３】特許文献３に係る反射型光電式エンコーダ用スケールの格子形状を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
【００２７】
［第１実施形態］
第１実施形態は、第１の金属層（タングステン）上に所定のピッチで複数の第２の金属層（クロム）が配列形成された反射型の光学格子を、光電式エンコーダのスケールに配置した点を主な特徴にしている。まず、第１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された光を受光する受光部７と、により構成される。
【００２８】
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の面うち、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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の金属層２１及びこの上に選択的に形成された複数の第２の金属層２３を備える。言い換えれば、複数の第２の金属層２３は所定のピッチを設けてリニヤ状に配置されている。第１の金属層２１及び複数の第２の金属層２３により凹凸パターンが構成される。第１の金属層２１の材料はタングステンであり、第２の金属層２３の材料はクロムであるが、その逆でもよい。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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により明暗パターンが生じる。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、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、タングステンからなる第１の金属層２１で反射された光（例えば光Ｌ１）と、クロムからなる第２の金属層２３で反射された光（例えば光Ｌ２）との位相差により干渉された光の信号が生じる。光学格子１９は位相格子として機能している。
【００３４】
この信号に含まれる互いに空間位相が異なる四つの成分、具体的には、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、はそれぞれに対応するフォトダイオード２５で検出される。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、第１実施形態に係るスケール５の製造方法の一例について説明する。図３及び図４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。図３に示すように、基板１７上に、例えばスパッタリングにより、タングステンからなる厚さ０．０３μｍ以上の第１の金属層２１を形成する。そして、クロムからなる厚さ０．１〜０．３μｍ程度の第２の金属層２３を、例えばスパッタリングにより、第１の金属層２１の上に形成する。第２の金属層２３の厚みが、光学格子の加工深さｄ（格子高さ）に対応する。
【００３７】
図４に示すように、フォトレジスト２７を第２の金属層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の金属層２１をエッチングストッパとして、第２の金属層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。そして、第２の金属層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。
【００３８】
上記ドライエッチングのガスとしては、例えば塩素系ガスがある。このガスによれば、クロムのエッチング速度をタングステンのそれよりも大きくできるため、第１の金属層（タングステン）２１をエッチングストッパとして、第２の金属層（クロム）２３を選択的に除去できる。なお、第１の金属層２１の材料がクロム、第２の金属層２３の材料がタングステンの場合は、ドライエッチングのガスとして、ＣＦ４ガスを例示できる。
【００３９】
第１実施形態の第１の効果について、比較例と比較しながら説明する。図５は、比較例に係るスケール３１の一部の拡大断面図であり、図２と対応する。スケール３１は、基板１７上にクロム層３３からなる光学格子３５が形成されている。
【００４０】
スケール３１は以下のようにして作製する。基板１７上にクロム層３３を形成する。そして、第１実施形態と同様に図４に示すフォトレジスト２７をクロム層３３の上に形成する。フォトレジスト２７をマスクとしてクロム層３３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。
【００４１】
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３５の凹部（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３５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）。
【００４２】
これに対して、第１実施形態によれば、第１の金属層２１をエッチングストッパとして、第２の金属層２３を選択的にエッチングしている。したがって、第２の金属層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の凹部の加工深さｄが均一な光学格子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。
【００４３】
第１実施形態の第２の効果は、以下の通りである。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層を選択的にエッチングすることにより、光学格子を形成する場合、シリコン酸化層は通常透明なので、反射型の光学格子にするためには光学格子の上に反射層をさらに形成する必要がある。第１実施形態によれば、第１の金属層２１がタングステン、第２の金属層２３がクロムであり、いずれも光の反射率が高いので、新たな反射層を形成する必要がない。
【００４４】
第１実施形態の第３の効果を説明する。第１の金属層２１がタングステン、第２の金属層２３がクロムである。クロムとタングステンは密着性が優れているので、上層クロム、シリコン酸化層、下層クロムの三層構造の光学格子に比べて、光学格子の機械的強度を高くすることができる。
【００４５】
［第２実施形態］
第２実施形態は、第１の金属層（クロム）上にピッチを設けて複数の第２の金属層（タングステン）を形成し、複数の第２の金属層上にそれぞれ第３の金属層（クロム）を形成した反射型の光学格子を、光電式エンコーダのスケールに配置した点を主な特徴にしている。第２実施形態については、第１実施形態と相違する点を中心に説明する。第２実施形態を説明する図において第１実施形態で説明した図の符号で示すものと同一のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。
【００４６】
図６は、第２実施形態に係るスケール５の一部の拡大断面図であり、図２と対応する。複数の第２の金属層２３上に複数の第３の金属層２９が形成されている。第１の金属層２１の材料はクロム、第２の金属層２３の材料はタングステン、第３の金属層２９の材料はクロムである。第２実施形態によれば、光学格子１９の凹部表面が第１の金属層２１であり、凸部表面が第３の金属層２９である。これらの金属層は同じ材料（クロム）である。したがって、光学格子１９の光の反射率を均一にすることができるため、測定精度を向上させることができる。また、クロムはタングステンよりも光の反射率が高いので、この点からも測定精度を向上させることができる。なお、第１の金属層２１の材料をタングステン、第２の金属層２３の材料をクロム、第３の金属層２９の材料をタングステンにしてもよい。
【００４７】
第２実施形態によれば、第２の金属層２３の厚みと第３の金属層２９の厚みの合計が加工深さｄ（格子高さ）となる。第３の金属層２９の厚みは例えば０．０３〜０．１μｍであり、第２の金属層２３の厚みは例えば０．０７〜０．２μｍである。したがって、第３の金属層２９は第２の金属層２３より厚みが薄い。このため、光学格子１９の凹部表面と凸部表面の段差は主に第２の金属層２３により形成される。第２の金属層（タングステン）２３の反応生成物は第３の金属層（クロム）２９の反応生成物よりも蒸気圧が高くエッチングしやすいので、加工選択比が高く光学格子１９の加工形状の制御性を向上させることができる。よって、高精度の光学格子１９にすることができる。
【００４８】
第２実施形態に係るスケール５の製造方法の一例について説明する。図７及び図８はこれを説明するための工程図であり、図６の断面図と対応する。図７に示すように、クロムからなる第１の金属層２１、タングステンからなる第２の金属層２３、クロムからなる第３の金属層２９を、順に例えばスパッタリングにより形成する。第２の金属層２３の厚みに第３の金属層２９の厚みを加えた値が図６に示す加工深さｄとなる。
【００４９】
図８に示すように、第１実施形態で説明したフォトレジスト２７をマスクとして、塩素系ガスにより、第３の金属層（クロム）２９をドライエッチングして選択的に除去する。このとき、第２の金属層（タングステン）２３がエッチングストッパとなる。そして、フォトレジスト２７を除去する。ガスをＣＦ４等のフッ素系ガスに替えて、第３の金属層２９をマスクにして第２の金属層２３をドライエッチングすることにより、選択的に除去する。このエッチングでは第１の金属層（クロム）２１がエッチングストッパとなる。以上の工程により、図６に示すスケール５が完成する。
【００５０】
第２実施形態によれば、第３の金属層２９をマスクとして第２の金属層２３をエッチング除去している。したがって、エッチング時の側壁後退（ＣＤロス）をレジストマスクにより抑えることができるため、光学格子１９の加工形状の制御性を向上させることができる。
【００５１】
［第３実施形態］
図１３に示すスケールと異なり、位相格子１０３の側面１０７に反射膜が付されていないスケールは、必ずしも安定した回折効率が得られなかった。
【００５２】
特に、位相格子１０３に（１１０）シリコンが使われる場合、通常の異方性エッチングにより位相格子１０３を形成すると、側壁角度（エッジ角度とも言う）は７０度近辺になる。このような角度では、高い回折効率が得られない。第３実施形態によれば、位相格子の側面に反射膜が付されていないスケールでも、安定した回折効率を得ることができる。
【００５３】
図９は、第３実施形態に係るスケール５の一部の拡大断面図である。第３実施形態は、光学格子１９の側壁角度θが８０度より大きく、かつ９０度未満である点を特徴にしている。第３実施形態に係るスケール５は、本発明の発明者等の実験に基づいてなされたものである。
【００５４】
光学格子１９は、高い回折効率が得られ、かつ格子形状と寸法のばらつきに対してロバストであるのが好ましい。発明者等は、回折効果のシミュレーションに関する市販のプログラムを用いて、このような効果を得られる光学格子の形状、寸法を求めた。
【００５５】
シミュレーションに用いたスケール５について図９を用いて説明する。ガラスからなる基板１７の表面には、反射膜として機能する第１の金属層２１（一様な反射膜）が配置されている。格子として機能する複数の第２の金属層２３の上面にのみ第１の金属層２１と同じ材料の第３の金属層２９が配置されている。第１及び第３の金属層２１，２９の材料をクロムにし、第２の金属層２３の材料をタングステンにした。格子線幅ｗとピッチｐの比ｗ／ｐを０．４０〜０．５８にし、格子高さｈを１１０〜１６０ｎｍにした。なお、シミュレーションに用いた光源部からの光は、ｐ偏光で、その波長が６３３ｎｍであった。
【００５６】
シミュレーションの結果を図１０に示す。横軸は、光学格子１９の側壁角度θである。縦軸は、光学格子１９の相対回折効率の変動である。ここで、回折効率とは、入射光光量に対する回折光光量の割合である。つまり、回折効率＝回折光光量／入射光光量である。相対回折効率とは、ある回折効率の値を１にしたときのその他の回折効率の割合である。具体的な数値で説明すると、以下の通りである。入射光光量＝２０００μＷ、回折光光量Ａ＝１２００μＷ、回折光光量Ｂ＝１０００μＷ、回折光光量Ｃ＝８００μＷとし、回折効率６０％を「１」とする。
【００５７】
回折光光量Ａの回折効率＝１２００／２０００＝６０％
回折光光量Ｂの回折効率＝１０００／２０００＝５０％
回折光光量Ｃの回折効率＝８００／２０００＝４０％
回折光光量Ａの相対回折効率＝６０／６０＝１
回折光光量Ｂの相対回折効率＝５０／６０＝０．８３
回折光光量Ｃの相対回折効率＝４０／６０＝０．６７
さて、図１０に基づく結果を考察する。側壁角度θが８０度や９０度の場合でも、相対回折効率は高く、かつ変動が小さい。しかし、側壁角度θを９０度に加工するには、ドライエッチング工程において、次のことが必要となる。（１）エッチング時間を長くしたり、エッチングイオンエネルギーを増加させたりして、オーバーエッチングを多くする。（２）エッチングマスクの耐プラズマ性を向上させる。したがって、側壁角度θを９０度に加工するのは、比較的難しい。
【００５８】
一方、側壁角度θを８０度以下に加工するのは、比較的容易であるが、格子線幅ｗや格子高さｈのばらつきに対して、相対回折効率が敏感に変動する。以上より、光学格子１９の側壁角度θは８０度より大きく、かつ９０度未満であるのが好ましい。
【００５９】
比較のため、特許文献３に記載された従来例のシミュレーションの結果を図１１に示す。このシミュレーションにおける格子線幅ｗとピッチｐの比ｗ／ｐ、格子高さｈ、シミュレーションに用いた光源部からの光の条件は、第３実施形態の場合と同じにした。
【００６０】
なお、第３実施形態の上記シミュレーションにおいて、格子線幅ｗとピッチｐの比ｗ／ｐを０．４０〜０．５８にし、格子高さｈを１１０〜１６０ｎｍにし、光源部からの光はｐ偏光で、その波長が６３３ｎｍにした。しかしながら、本発明の適用対象はこれに限定されず、位相格子の側面に反射膜が付されていないスケール一般に適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
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の金属層、２３・・・第２の金属層、２５・・・フォトダイオード、２７・・・フォトレジスト、２９・・・第３の金属層、３１・・・スケール、３３・・・クロム層、３５・・・光学格子、ｄ・・・加工深さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相格子の側面に反射膜が付されていないスケールであって、
前記位相格子の側壁角度が８０度より大きく、且つ、９０度未満であることを特徴とする反射型光電式エンコーダ用スケール。
【請求項２】
基板上に一様な反射膜を備え、その上に前記反射膜と反射率が異なる材質からなる位相格子を備え、この位相格子の上端に前記反射膜と同じ材質からなる反射膜を備え、前記位相格子の側壁角度が８０度より大きく、且つ、９０度未満であることを特徴とする反射型光電式エンコーダ用スケール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のスケールを備えたことを特徴とする反射型光電式エンコーダ。
【請求項１】
位相格子の側面に反射膜が付されていないスケールであって、
前記位相格子の側壁角度が８０度より大きく、且つ、９０度未満であることを特徴とする反射型光電式エンコーダ用スケール。
【請求項２】
基板上に一様な反射膜を備え、その上に前記反射膜と反射率が異なる材質からなる位相格子を備え、この位相格子の上端に前記反射膜と同じ材質からなる反射膜を備え、前記位相格子の側壁角度が８０度より大きく、且つ、９０度未満であることを特徴とする反射型光電式エンコーダ用スケール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のスケールを備えたことを特徴とする反射型光電式エンコーダ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２８１８３９（Ｐ２０１０−２８１８３９Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１２５８９（Ｐ２０１０−２１２５８９）
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【分割の表示】特願２００５−１３０５２（Ｐ２００５−１３０５２）の分割
【原出願日】平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２２日（２０１０．９．２２）
【分割の表示】特願２００５−１３０５２（Ｐ２００５−１３０５２）の分割
【原出願日】平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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