CN101155661A - 使用用于产生具有所需深度的刻度标记的激光器、传感器和反馈装置的刻度尺制造方法 - Google Patents

使用用于产生具有所需深度的刻度标记的激光器、传感器和反馈装置的刻度尺制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造测量刻度尺的装置，其包括刻度尺基板(18)、用于在刻度尺基板(18)上产生刻度尺标记的至少一个激光器(20)、用于检测在刻度尺基板(18)上产生的刻度尺标记的深度的传感器(30)，以及反馈系统，所述反馈系统使用来自传感器(30)的数据来调节该系统的参数，从而产生具有所需深度的刻度尺标记。

Description

使用用于产生具有所需深度的刻度标记的激光器、传感器和反馈装置的刻度尺制造方法
技术领域
本发明涉及一种制造用于刻度尺读取装置的测量刻度尺的方法。特别地，本发明涉及一种使用激光器制造测量刻度尺的方法。
背景技术
用于测量两个部件的相对位移的刻度尺读取装置的已知形式包括位于所述两个部件之一上的具有限定图案的刻度尺标记的刻度尺，以及设置在另一个部件上的读取头。光学刻度尺读取装置具有用于照明刻度尺的装置和位于读取头中的检测装置，该检测装置响应于产生的光图案，从而产生刻度尺和读取头的相对位移的量度。具有呈周期性图案的标记的刻度尺被称为增量刻度尺，并且提供向上和向下计数的输出。可以在刻度尺上设置参考标记，该参考标记在由读取头检测时，使得能够确定读取头的确切位置。刻度尺可以具有绝对代码标记，所述标记使得能够在刻度尺上的任何位置确定读取头的绝对位置。
刻度尺和读取头系统不限于光学系统。磁、电容式和感应式读取系统也是已知的。
测量刻度尺可以是，例如，直线形的、旋转的或二维的。旋转刻度尺可以具有在表面上径向设置的刻度尺标记，或者在旋转部件的周边上轴向设置的刻度尺标记。
刻度尺可以是幅度刻度尺或者相位刻度尺。在幅度刻度尺中，刻度尺图案由两个不同类型的部分组成。第一类型的部分将入射光反射到读取头，而第二类型的部分并非如此。例如，增量幅度刻度尺可以包括交替的反射和非反射线，诸如玻璃刻度尺上的铬。
相位刻度尺具有这样的形式，即当在读取头处检测时，所述刻度尺反射来自不同部分的、处于不同相位的光。
国际专利申请No.WO03/061891公开了一种制造测量刻度尺的方法，其中使用激光器在不锈钢条带上产生超短脉冲，从而产生刻度尺标记。设置成对的读取头来检测刻度尺标记且提供可以用于调节刻度尺节距的反馈。
发明内容
本发明提供一种用于制造测量刻度尺的装置，其包括：
刻度尺基板；
至少一个激光器，用于在刻度尺基板上产生刻度尺标记；
传感器，用于检测在刻度尺基板上形成的刻度尺标记的深度；以及
反馈系统，其使用来自所述传感器的数据来调节该系统的参数，从而产生具有所需深度的刻度尺标记。
可以测量一系列刻度尺标记，且使用反馈来校正所述一系列刻度尺标记。
或者，可以测量第一系列刻度尺标记，并使用反馈来产生具有所需深度的第二系列刻度尺标记。在连续工艺中可能出现这种情况，其中第二系列刻度尺标记位于第一系列刻度尺标记的下游。
所述传感器还可以检测刻度尺标记的节距，且所述反馈系统可以用于产生具有正确深度和正确节距的刻度尺标记。可以使用同一传感器或者多个单独的传感器用于深度和节距的反馈。
所述参数可以包括激光器参数，例如脉冲持续时间或脉冲次数。
附图说明
下面参考附图描述本发明，其中：
图1示出本发明的流程图；
图2示出根据本发明第一实施方案的刻度尺标记方法的示意图；
图3示出图2中使用的传感器；
图4示出光功率相对于图3所示传感器测得的刻度尺标记深度的曲线图；
图5示出图2的激光器的侧视图；
图6示出激光器的角位相对于刻度尺在图2所示系统中的位置的曲线图；
图7示出具有两个激光器的第二实施方案的示意图；
图8示出用于在旋转刻度尺上产生刻度尺标记的第三实施方案的示意图；
图9示出后处理步骤的示意图；以及
图10示出刻度尺标记装置的立体图。
具体实施方式
图1是示出本发明的主要步骤的流程图。在第一步骤10中，使用激光器在刻度尺基板上产生刻度尺标记。脉冲激光器是合适的，其中选择波长和脉冲宽度以适合刻度尺基板的材料。第二步骤12包括清洁工艺，其中例如使用压缩空气从刻度尺基板上除去第一步骤产生的残余物。该步骤不是必需的，这取决于所用的激光器的类型。在第三步骤14中，设置一个或多个传感器来检测在刻度尺基板上产生的刻度尺标记。所述传感器可以检测刻度尺标记的深度或者检测刻度尺标记的深度和节距两者。在第四步骤16中，使用来自所述传感器的反馈来校正刻度尺标记。该步骤可以包括使用来自已经产生的标记的反馈来调节所述参数，从而以正确的节距和/或深度形成后面的刻度尺标记。或者，该步骤可以包括使用来自已经产生的刻度尺标记的反馈在后面的步骤中校正那些相同的刻度尺标记。这适合于校正刻度尺标记的深度。
图2示出用于在刻度尺基板18上形成刻度尺标记的制造装置，其中成对的辊22，24传送所述刻度尺基板18通过激光器20。所述刻度尺基板可以是挠性(例如条带)的或者是刚性的(例如晶石)。刻度尺基板可以是金属的，例如钢，或者由其他材料制成，例如玻璃。来自激光器20的脉冲在刻度尺基板相对于激光器运动时在刻度尺基板上产生刻度尺标记。在辊22，24上设置编码器26，用于确定刻度尺基板18的运动速率。可以通过控制器28将所述速率锁定到激光器20的脉冲速率或者可以使用所述速率来控制激光束的运动(如参考图4所述的)。
设置传感器30用于检测由激光器20产生的刻度尺标记。控制器28使用来自所述传感器的反馈来调节所述系统的参数，例如激光器参数。
图10示出用于在刻度尺基板上形成刻度尺标记的制造装置的另一种构造。将刻度尺基板70设置在装置底座72上，所述装置底座72可以包括花岗岩底座。激光器74产生激光束76，所述激光束76被固定的镜子78和活动的镜子80引导射向刻度尺基板，且被透镜82聚焦在刻度尺基板上。所述活动的镜子80和透镜82设置在滑动夹具84上，所述滑动夹具84在电动机86的作用下沿刻度尺基板的纵轴运动。
使用干涉仪88确定滑动夹具84的位置。使用传感器90确定激光束形成的刻度尺标记的深度且任选确定所述刻度尺标记的节距。传感器90可以设置在滑动夹具84上。
将来自干涉仪88和所述传感器的输出传送给信号处理器92。信号处理器92控制电动机86和激光器参数74，由此能够调节刻度尺标记94的深度和节距。
图3示出用于检测刻度尺标记的节距和深度的传感器系统。使用激光器32照明刻度尺18并在检测器处产生衍射图34。衍射级的间隔表明刻度尺标记的节距。衍射级的强度分布表明刻度尺标记的深度。因此，可以使用同一传感器来检测刻度尺标记的深度和节距。或者，使用两个单独的传感器来检测刻度尺标记的深度和节距。
虽然图3示出了反射型传感器系统，但是也可以使用透射系统。玻璃刻度尺基板和例如受激准分子激光器适用于透射系统。
图4示出随着刻度尺标记的深度的变化，波长为λ1的光的零阶光功率的变化。如果曲线的最小值处于被选深度d1，则对于位于d1两侧的刻度尺标记d2和d3的两个不同深度而言，将产生相同的光功率读数。但是，通过使用具有两个不同波长λ1和λ2的光照明刻度尺，能够确定刻度尺标记的正确深度。或者，可以选择当被选深度d1不处于最小值时的波长λ2，从而能够区分d2和d3。
将来自所述传感器系统的反馈发送至控制器，使用该控制器调节激光器输出。可以调节激光器输出的脉冲功率和/或脉冲次数，从而调节刻度尺深度。可以改变激光器的脉冲速率从而调节刻度尺的节距。
如图5所示，当刻度尺18相对于激光器20运动时，也可以例如使用扫描仪来旋转激光束，从而在产生刻度尺标记的同时，使入射的激光光线继续照射在刻度尺基板上的相同位置。当该过程结束时，使激光束返回至其初始位置且再次实施该过程以产生后面的标记。
图6示出激光束相对于刻度尺的运动。激光束运动使得激光光斑位于运动的刻度尺上的相同位置的时间长度指示出激光器的最大脉冲次数。可以将激光器的激光器参数(例如，脉冲次数)调节至任何值，最多调节为这一最大值，从而调节刻度尺标记的深度。
在图6中，实线表示激光器处于工作状态，虚线表示激光器处于非工作状态。
或者，如图7所示，可以设置第二激光束36以校正刻度尺标记的深度。在该实施方案中，第一激光器20产生刻度尺标记。使用传感器30检测所述激光器产生的刻度尺标记的深度。将来自传感器30的反馈经由控制器28发送至第二激光器36，所述第二激光器36作用于由第一激光器20产生的刻度尺标记，从而所述刻度尺标记处于正确的深度。
所述制造刻度尺的方法还适用于制造其他形式的刻度尺，例如旋转刻度尺和二维刻度尺。该方法还适用于长度较短的刻度尺和具有连续长度的刻度尺。
图8示出旋转刻度尺的制造方法。在该图中，刻度尺基板是圆盘38，所述圆盘38以可绕其中心40旋转的方式安装。使用烧蚀激光器44在所述圆盘上表面的外边缘上形成刻度尺标记42。当对烧蚀激光器44施加脉冲调制时，圆盘38绕其中心40旋转，从而产生刻度尺标记42。设置传感器46用于检测刻度尺标记的深度。如前所述，该传感器可以包括引导光线入射在刻度尺上的激光器48和用于检测衍射级50的光功率的功率仪49。使用来自该传感器的反馈52，旋转圆盘使所述刻度尺标记42回到烧蚀激光器44下方，直至实现正确的深度。
也可以使用其他类型的传感器来监测刻度尺标记的深度。例如，所述传感器可以包括相位读取头、共焦的激光断面仪或原子力显微(AFM)探针。所有这些传感器都具有以下优点：它们也能够检测刻度尺标记的节距。
本发明适用于具有离散长度的刻度尺和具有连续长度的刻度尺。可以使用反馈来校正现有的刻度尺标记，例如，通过测量刻度尺标记并且然后使用反馈来确定这些刻度尺标记上是否需要额外的激光脉冲来校正。本发明还适用于具有连续长度的刻度尺，其中测量一系列刻度尺标记，使用来自这些标记的反馈来调节系统参数，从而在上游形成正确的后续刻度尺标记。
激光作用于刻度尺基板可能会在刻度尺基板上产生碎片，因此需要后处理步骤来除去这些碎片。
后处理步骤可以包括以下方法，例如机械抛光、化学抛光、电解抛光或超声清洁，以产生所需的光洁度。
可以在后处理步骤之后设置反馈回路。图9是包括后处理步骤的工艺的示意图。使用第一传感器30检测由激光器20产生的刻度尺标记的深度，如参考图2所述的。后处理步骤用60所示。后处理步骤可以包括，例如，化学浴、机械抛光或精轧。第二传感器62检测刻度尺标记的深度并发送反馈给控制器64。控制器64改变后处理步骤60的参数。例如，所述参数可以包括化学浴的浓度或温度或者机械抛光/精轧的压力。
如果使用激光器20产生刻度尺标记的步骤产生过多的碎片或者形成无法被传感器30读取的表面，则可以使用在后处理步骤60之后检测刻度尺标记的传感器62发送反馈给所述控制器，以改变激光器20的参数。
本发明特别适用于在镀有金属的物质或固体金属物质上形成刻度尺标记。
虽然上述实施方案描述了增量刻度尺，但是刻度尺可以包括形成例如参考标记或绝对位置数据的特征的不同刻度尺参数的区域。例如，可以使用刻度尺节距的变化形成这些特征。或者，刻度尺可以包括不同深度的区域。可以使用不同波长的光来检测刻度尺标记的不同深度。

Claims (18)

1.一种用于制造测量刻度尺的装置，包括：
刻度尺基板；
至少一个激光器，用于在刻度尺基板上形成刻度尺标记；
传感器，用于检测在刻度尺基板上形成的刻度尺标记的深度；以及
反馈系统，其使用来自所述传感器的数据来调节该系统的参数，从而产生具有所需深度的刻度尺标记。
2.权利要求1的装置，其中测量一系列刻度尺标记并使用反馈来校正所述的一系列刻度尺标记。
3.权利要求1的装置，其中测量第一系列刻度尺标记，并使用反馈来产生具有所需深度的第二系列刻度尺标记。
4.上述权利要求中任一项的装置，其中传感器检测刻度尺标记的节距，并且使用所述反馈系统来产生具有正确深度和正确节距的刻度尺标记。
5.权利要求4的装置，其中使用同一传感器来检测刻度尺标记的深度和节距。
6.上述权利要求中任一项的装置，其中所述系统的参数包括激光器参数。
7.上述权利要求中任一项的装置，其中所述传感器包括用于照明刻度尺的光源和用于检测由所述光源照明刻度尺而产生的衍射图的检测装置，其中使用衍射级的强度分布来确定刻度尺标记的深度。
8.权利要求7的装置，其中所述光源具有以下波长，所述波长在与刻度尺标记的所需深度不一致的深度处产生零阶光功率的最小值。
9.权利要求7的装置，其中使用衍射级的间隔来确定刻度尺标记的节距。
10.上述权利要求中任一项的装置，其中通过调节激光器的脉冲功率来调节刻度尺标记的深度。
11.上述权利要求中任一项的装置，其中通过调节激光器的脉冲次数来调节刻度尺标记的深度。
12.上述权利要求中任一项的装置，其中通过调节激光器的脉冲速率来调节刻度尺标记的节距。
13.上述权利要求中任一项的装置，其中所述刻度尺基板包括圆盘，且其中旋转所述圆盘使刻度尺标记回到所述激光器下方，直至实现正确的深度。
14.上述权利要求中任一项的装置，其中当激光器和刻度尺基板彼此相对运动时，移动激光器，从而在产生刻度尺标记的同时，使入射的激光光线继续照射在刻度尺基板上的相同位置。
15.上述权利要求中任一项的装置，其中设置两个激光器，第一激光器在刻度尺基板上产生刻度尺标记，且第二激光器校正该刻度尺标记的深度。
16.上述权利要求中任一项的装置，其中包括后处理步骤，且其中设置第二传感器用于在后处理步骤之后检测刻度尺基板上的刻度尺标记，并且设置第二反馈系统，所述第二反馈系统使用来自第二传感器的数据来调节所述系统的参数，从而产生具有所需性能的刻度尺标记。
17.权利要求16的装置，其中所述系统的参数包括后处理步骤的参数。
18.权利要求16的装置，其中所述系统的参数包括激光器的参数。
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