光电编码器的光栅尺.pdf

本发明提供光电编码器的光栅尺，该光栅尺有效地保护其基底不腐蚀、锈蚀和破裂。该光栅尺具有：基底(10)；吸光层(12)，包括至少形成在基底(10)的表面的区域上的DLC层；以及反光层(14)，对落入波长范围的光具有比吸光层(12)更高的反射率，并且在吸光层(12)上形成为光栅。

1、  一种光电编码器的光栅尺，该光电编码器检测在预定波长范围内的光的反射，该光栅尺包括：
基底；
吸光层，包括至少形成在该基底的一个表面上的类金刚石碳层；以及
反光层，对落入该预定波长范围的光具有比该吸光层的反射率更高的反射率，并且在该吸光层上形成为光栅。

2、  根据权利要求1所述的光栅尺，其中：
该类金刚石碳层的厚度在250nm至1μm的范围内。

3、  根据权利要求1所述的光栅尺，其中：
该类金刚石碳层形成在该基底的所有表面上。

4、  根据权利要求1所述的光栅尺，其中：
该吸光层具有在该基底和该类金刚石碳层之间的至少包括金属的粘合剂层。

5、  根据权利要求4所述的光栅尺，其中：
该粘合剂层包括钨层、碳化钨层、铬层和钛层的至少之一。

6、  根据权利要求4所述的光栅尺，其中：
该粘合剂层包含碳化钨层，其中包含的碳和钨的相对比例沿着该粘合剂层的厚度方向变化。

7、  根据权利要求1所述的光栅尺，其中：
该吸光层对落入该预定波长范围的光具有不大于20％的反射率。

8、  根据权利要求2所述的光栅尺，其中：
该吸光层具有在该基底和该类金刚石碳层之间的至少包括金属的粘合剂层。

9、  根据权利要求3所述的光栅尺，其中：
该吸光层具有在该基底和该类金刚石碳层之间的至少包括金属的粘合剂层。

10、  根据权利要求2所述的光栅尺，其中：
该类金刚石碳层形成在该基底的所有表面上。

11、  根据权利要求2所述的光栅尺，其中：
该吸光层对落入该预定波长范围的光具有不大于20％的反射率。

12、  根据权利要求3所述的光栅尺，其中：
该吸光层对落入该预定波长范围的光具有不大于20％的反射率。

13、  根据权利要求4所述的光栅尺，其中：
该吸光层对落入该预定波长范围的光具有不大于20％的反射率。

14、  根据权利要求5所述的光栅尺，其中：
该吸光层对落入该预定波长范围的光具有不大于20％的反射率。

15、  根据权利要求6所述的光栅尺，其中：
该吸光层对落入该预定波长范围的光具有不大于20％的反射率。

16、  根据权利要求1所述的光栅尺，其中该基底由金属、玻璃和塑料之一制成。

17、  根据权利要求1所述的光栅尺，其中该基底由膨胀系数基本为零的结晶玻璃和不锈钢之一制成。

18、  根据权利要求1所述的光栅尺，其中该基底是厚度在0.1mm至5mm范围内的金属。

19、  根据权利要求18所述的光栅尺，其中该光栅尺为柔性，从而能够被卷起。

光电编码器的光栅尺
技术领域
本发明涉及一种光电编码器的光栅尺(scale)。
背景技术
光电编码器的光栅尺粗略地分为振幅光栅尺和相位光栅尺。振幅光栅尺具有高反射率光栅和低反射率光栅以一定节距设置的构造。在光电编码器中，用光照射光栅尺，并且与该光栅尺的相对位置由高反射率光栅和低反射率光栅之间的光反射差确定。
高反射率光栅由诸如金(Au)、铝(Al)和铬(Cr)的金属构成，而低反射率光栅取决于其光学原理由各种材料或者基于各种结构构成。
对于背景信息，参见例如，日本未审查专利申请公开No.2000-18973和日本未审查专利申请公开No.2008-45931。
发明内容
低反射率光栅通常基于诸如吸收、反射、干涉和散射的光学原理，并且其与光栅尺基底的关系希望满足要求：例如，(1)防止在薄膜中产生应力，(2)防止在处理光栅材料期间损害基底，(3)在高温和高湿度的条件下抗腐蚀(抗氧化(锈蚀))，以及(4)保证平面内的均匀度。具体地讲，当薄金属片(金属带)用作基底从而长的光栅尺可以卷起(卷成卷)时，这些要求变得更加严格。
例如，基底为不锈钢(SUS)的已知光栅尺需要表面涂敷或者表面处理以改善抗锈蚀性，并且因此使制造工艺复杂并增加制造成本。此外，这样的表面涂敷和表面处理所必然导致的光学性质对采用编码器的光检测没有影响。
根据本发明的一个方面，提供一种光电编码器的光栅尺，光电编码器检测落入预定波长范围的光的反射。光栅尺包括：基底；吸光层，包括形成在基底的至少一个表面上的DLC(类金刚石碳)层；以及反光层，对落入预定波长范围的光具有比吸光层更高的反射率，并且在吸光层上形成为光栅。
该构造使得能够由被反光层构成的光栅和具有暴露的吸光层的另一个光栅反射的光来确定关于光栅尺的相对位置。
具体地讲，包含在吸光层中的化学稳定和机械耐久的DLC层保护基底，并因此用作对腐蚀、锈蚀和破裂的阻挡，并且同时保证吸光层的功能。
此外，DLC层单独为基底提供保护膜，并且用作吸光层，由此简化了制造工艺，并降低了制造成本。同样，DLC层在成膜工艺中厚度易于控制。当金属用作反光层时，DLC层还保护基底不受用于通过金属蚀刻形成光栅的蚀刻剂导致的损坏。
同时，在其上形成有反光层的基底表面上，DLC层的厚度优选在250nm至1μm的范围。具体地讲，当考虑DLC层的内部应力时，其厚度优选为400nm或者更小。这样的膜厚会保证一致的反射率不受DLC层的膜厚变化的影响，并且保证通过用作对腐蚀、锈蚀和破裂的阻挡而充分保护基底。
另外，DLC层优选形成基底的整个表面上。这样的形成在基底整个表面上的DLC层能够保护基底在基底的整个表面上免受腐蚀、锈蚀和破裂。
同样，为了实现对基底的更好的附着性，吸光层优选具有在基底和DLC层之间的至少包含金属的粘合剂层。例如，粘合剂层优选至少包含钨、碳化钨、铬和钛之一。此外，例如，当粘合剂层包含碳化钨时，碳和钨的相对比例优选沿着厚度的方向变化。在此情况下，优选提供碳化钨层，其中碳的含量随着距基底的距离的增加以及距DLC层的距离的减少而增加。
同样，吸光层优选对落入前述的预定波长范围的光表现出等于或者低于20％的反射率。DLC层使得这样的吸光层对落入可见范围内的光表现出等于或者低于20％的反射率，并且与具有较高反射率的反光层组合时，提供适用于光电编码器的光栅尺。
本发明提供光电编码器的光栅尺，其中具有DLC层的吸光层有效地保护基底免受腐蚀、锈蚀和破裂。
附图说明
图1示出根据本发明第一实施例的光电编码器的光栅尺的构造；
图2是示出DLC膜的膜厚与DLC膜的反射率之间关系的图；
图3A-3C示出DLC膜形成在基底的整个表面上的第二实施例；
图4示出根据本发明实施例的制造光电编码器的光栅尺的方法。
具体实施方式
根据本发明实施例的光电编码器的光栅尺100如图1所示，具有基底10、吸光层12和反光层14。图1示出了光栅尺100的表面的放大图，并且光栅尺100的形状为最长边在图1的水平方向上延伸。同样，图1示出了夸大的单个构件，以使光栅尺100的构造易于理解。
基底10是支撑光栅尺100结构的构件，并且由金属、玻璃或者塑料等制造。优选材料的示例包括膨胀系数为0的水晶玻璃、不锈钢，等等。
基底10可以根据光电编码器所希望的应用和其它因素而呈任何形状。该实施例假设基底10为普通的、薄的和长的条；然而，基底的形状不限于此，并且因此通常可以是薄且长的棱柱或者圆柱等。还优选的是，基底10为薄金属片，其厚度范围为0.1至5mm，从而光栅尺100可以卷起(卷成卷)。
基底10的表面优选通过研磨(lapping)而变得光滑，从而吸光层12和反光层14的光学性质不退化。进行研磨处理，使得基底10的表面粗糙度与反光层14的厚度相比足够小。
吸光层12形成为这样的层：其对落入光电编码器使用的光源发出的光的波长范围的光的反射率低于反光层14。例如，吸光层12优选对具有要采用的波长的光表现出等于或低于20％的反射率。
吸光层12具有DLC(类金刚石碳)层12a。DLC层12a为主要由碳构成的非晶硬膜。DLC层12a的光学性质、化学性质和机械性质可以通过改变DLC层的氢含量、碳原子的结合强度和其它特性来控制。
图2是示出DLC层12a的反射率(零阶光)相对DLC层的膜厚的图，该反射率采用波长为880nm的光作为入射光进行测量。在图2中，实线表示光垂直(0°)进入DLC层12a时测量的反射率，而虚线表示光以入射角为45°进入DLC层12a时测量的反射率。如图2所示，当膜厚为50nm时，DLC层12a表现出接近30％的反射率；然而，随着膜厚接近250nm，反射率立即下降为接近10至15％的范围，然后反弹到约20％。在膜厚达到250nm之后，反射率保持恒定水平，入射角为0°时约为17％，而入射角为45°时约为18％，而与膜厚无关。
因此，构成吸光层12的DLC层12a优选具有至少250nm的厚度。落入该范围的膜厚能够防止单个光栅尺100内或者多个光栅尺100之间的反射率的波动。反射率波动降低的DLC层12a具有这样的优点：例如，它可以用于构造感测反射光的简单检测器以及处理从检测器发出的信号的电路。然而，当DLC层12a的膜厚可以被完全控制或者其它类似情况时，DLC层12a可以具有等于或者小于250nm的膜厚。
同时，出于减少制造时间和制造成本的目的，DLC层12a的膜厚优选为1μm或者更小。此外，DLC层12a的膜厚越大，其中的内部应力越大。因此，DLC层12a的膜厚优选为400nm或者更小，以便避免因内部应力的增加而造成膜附着特性的下降。
在基底10和DLC层12a之间提供粘合剂层12b。该粘合剂层12b用作当单独形成在基底10上的DLC层12a的附着力不足时的缓冲。这意味着粘合剂层12b在保证基底10和DLC层12a之间的足够的粘合力时不是必需的。
例如，当基底10为不锈钢时，粘合剂层12b可以是钨(W)、碳化钨(WC)、铬(Cr)或钛(Ti)或者其任意组合。钨(W)很强地附着到不锈钢，而碳化钨(WC)很强地附着到DLC层12a。因此还优选由碳化钨(WC)形成粘合剂层12b，并且碳(C)的相对含量随着接近DLC层12a而增加。此外，当基底10为不锈钢时，也优选使用膨胀系数可比的钛(Ti)来形成粘合剂层12b。如果可能，粘合剂层12b优选具有约100nm至500nm范围内的厚度。
同时，DLC层12a为化学和机械耐久的材料，并且因此当用作吸光层12时，保护基底10免受腐蚀、锈蚀和破裂等。图3A-3C示出光栅尺100，其中吸光层12形成在基底10的整个表面上。图3A是光栅尺100的整体透视图，图3B是沿着A-A截面剖取的截面图，而图3C是沿着B-B截面剖取的截面图。在图3A-3C中，为了描述简单起见，吸光层12仅由DLC层12a构成。同样，图3A-3C示出了夸大的单独构件，使得该图易于理解。
要用采用的光源发出的光照射的光栅尺100的基底10的区域被吸光层12覆盖。然而，如图3B所示，形成在基底10的整个表面上的DLC层12a可以保护基底10的整个表面免受腐蚀、锈蚀和破裂等。
反光层是这样的层：其反射从光电编码器的光源发射的光，并且构成反光层的材料对落入从光电编码器的光源发射光的波长范围的光具有与吸光层12相比更高的反射率。
反光层14优选为高反射率的金属，例如铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)和钨(W)，并且优选具有产生的反射率高于吸光层12的膜厚。更具体地讲，优选的厚度为，对落入从要采用的光电编码器的光源发出的光的波长范围内的光，产生的反射率等于或者高于50％。例如，当采用上面所列任何材料时，如果反光层14的膜厚等于或者大于100nm，则产生的反射率高于吸光层12。
反光层14至少形成在光栅尺100的用光照射的区域上，并且多个反光层14沿着基底10的纵向方向以预定宽度W和预定节距P平行设置以形成光栅。在图1中，反光层14在图的深度方向上延伸。反光层14的宽度W和节距P优选根据要采用的光电编码器的反光检测器的构造来设定。例如，反光层14的宽度W和节距P分别优选设定在接近4至20μm的范围和接近8至40μm的范围中。
根据该实施例的光栅尺100可以根据图4所示的流程图制造。
步骤S10是应用于基底10的研磨处理(抛光处理)。可应用的方法示例是采用抛光材料的表面抛光，该抛光材料通过在树脂基体上分布磨料颗粒获得。连续进行研磨处理，直到基底10的表面粗糙足够小于反光层14的厚度。例如，优选连续抛光，直到表面粗糙等于或者小于反光层14的膜厚的1/10。
步骤S12是形成吸光层12。当吸光层12具有粘合剂层12b时，该步骤包括形成粘合剂层12b以及形成DLC层12a。
粘合剂层12b可以通过溅射、离子镀或者某些其它物理成膜法形成。当选择溅射或者离子镀时，可以采用该技术已知的设备。更具体的过程如下：诸如钨(W)、碳化钨(WC)、铬(Cr)和钛(Ti)的要用作粘合剂层12b的材料的原料靶设置在真空室中，在真空室中形成惰性气体(例如，氩气)的等离子体，使得所产生的离子可以溅射到原料靶上，并且因此由原料靶提供的材料在基底10的表面上形成粘合剂层12b。当选择溅射时，成膜的优选条件包括：例如，成膜压力为0.1至1Pa的范围，溅射功率为3000至6000W的范围，而基底10的偏压为100至1000V的范围。然而，成膜的条件可以根据其它条件而改变，即根据真空室的尺寸、靶的种类和尺寸、靶与衬底之间的距离等而改变。
同时，当粘合剂层12b采用钨(W)/碳化钨(WC)的两层结构时，钨(W)靶和碳(C)靶都设置在真空室中，并且两个靶可以彼此独立地溅射。成膜的初始阶段包括溅射钨(W)靶从而在基底10的表面上形成钨(W)层。然后，条件改变为同时溅射钨(W)靶和碳(C)靶，从而在钨(W)层上形成碳化钨(WC)层。这里，溅射碳(C)靶的功率逐渐增加会导致碳化钨(WC)中钨(W)的相对含量随着接近基底10而增加，而碳(C)在碳化钨(WC)中的相对含量随着接近DLC层12a而增加。
另外，当DLC层12a直接形成在基底10上时，形成该粘合剂层12b的步骤可以省略。
DLC层12a可以通过溅射、离子镀或者某些其它物理成膜法或者诸如化学气相沉积的化学成膜法形成。
当DLC层12a采用物理成膜法形成时，类似粘合剂层12b的形成，可以采用该技术的已知设备。更加具体的过程如下：要用作DLC层12a的材料的原料靶，即碳(C)设置在真空室中，在该真空室中形成惰性气体(例如，氩气)的等离子体，使得所产生的离子可以溅射原料靶，从而在基底10的表面(或者粘合剂层12b的表面)上形成DLC层12a。例如，当选择溅射时，成膜的优选条件包括：成膜压力为0.1至1Pa的范围内，溅射功率为3000至6000W的范围内，而基底10的偏压为在100至1000V的范围内。然而，成膜的条件可以根据其它条件而改变，即根据真空室的尺寸、靶的种类和尺寸以及靶和衬底之间的距离等而改变。
同样，当采用化学成膜法形成DLC层12a时，原料气体可以是甲烷(CH4)。基底10设置在真空室中，原料气体引入其中，然后从等离子体天线(antenna)施加范围为50至500W的电功率，使得等离子体形式的原料气体提供到基底10的表面。在该步骤中，基底10的温度在室温到400℃的范围内保持恒定，其允许DLC层12a形成在基底10的表面(或者粘合剂层12b的表面)上。还优选对基底10施加范围为100至1000V的偏压。然而，成膜的条件可以根据其它条件改变，即根据真空室的尺寸、靶的种类和尺寸以及靶和衬底之间的距离等而改变。
当基底10的整个表面都覆盖有粘合剂层12b或DLC层12a时，这可以通过重复成膜工艺若干次同时根据需要改变基底10在真空室中的方位来实现。化学沉积相对适合于该目的，这是因为，在该技术中，原料在基底10的边缘的周围扩散，由此在基底10的整个表面上形成DLC层12a。
同样，该DLC层12a在形成当中比已知的光栅尺中采用的吸光层的材料更易于控制膜厚，因此具有简化制造工艺的额外的优点。
步骤S14为形成反光层14。该反光层14可以通过溅射或者真空蒸发形成。在选择这些技术的任何一个时，可以采用该技术的已知设备。在该实施例中，反光层14由至少包含铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)和钨(W)中任何一个的材料构成，并且至少形成在光栅尺100的用光照射的区域上。
步骤S16为形成抗蚀剂层16。该抗蚀剂层16在光栅的蚀刻中用作反光层14上的掩模层。旋涂、丝网印刷或者某些其它方法可以用于在反光层14上形成抗蚀剂层16。也可以对抗蚀剂层16执行预焙烧或者其它需要的处理。
步骤S18是曝光和显影抗蚀剂层16。光刻掩模设置在抗蚀剂层16上，然后曝光带有掩模的抗蚀剂层16。当抗蚀剂层16为正抗蚀剂时，光刻掩模形成为使得要保留为反光层14的区域可以被蔽光；另一方面，当抗蚀剂层16为负抗蚀剂时，光刻掩模形成为使得要保留为反光层14的区域可以曝光。例如，如图1所示，反光层14的宽度W和节距P分别优选设定为接近4至20μm的范围和接近8至40μm的范围内。
然后，显影抗蚀剂层16。当抗蚀剂层16为正抗蚀剂时，采用强碱性水溶液去除抗蚀剂层16的曝光部分；另一方面，当抗蚀剂层16为负抗蚀剂时，采用溶解抗蚀剂材料的溶剂去除抗蚀剂层16的曝光之外的部分。对抗蚀剂层16可以执行所需的后继显影、后焙烧或者其它处理。
步骤S20是蚀刻反光层14。可以通过采用蚀刻剂的湿法蚀刻或者诸如反应离子蚀刻(RIE)的干法蚀刻，实现反光层14的蚀刻。例如，适合于反光层14的材料的已知方法可以用于蚀刻反光层14。
步骤S22是去除抗蚀剂层16。可以通过采用抗蚀剂去除剂的湿法或者通过基于反应离子蚀刻(RIE)等的灰化，实现去除抗蚀剂层16。可以采用适合于所用抗蚀剂的种类、抗蚀剂层16的膜厚等的已知方法来去除抗蚀剂层16。
上述流程提供了根据本发明实施例的光栅尺100。
上述实施例为示例，而可以进行各种修改而不脱离本发明的精神和范围。