CN102759855A - 一种单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，包括以下步骤：加工螺旋形的单码道绝对式光栅尺辊压印模具基体；进行光刻胶的涂铺；旋转曝光，整条螺旋线带上栅线的曝光通过以单码道绝对式光栅的编码来控制精密旋转分度台的转角、掩膜版运动和紫外光源的开闭来完成；显影、湿法刻蚀，以形成单码道绝对式光栅尺栅线结构，完成辊压印模具的制造。本方法利用螺旋线带在模具基体上的多圈绕制，能够在有限直径的圆柱基体上制造定制化长度的单码道绝对式光栅尺栅线图形。结合辊压印复型工艺，本发明所制备的单码道绝对式光栅尺辊压印模具能够米级超长单码道绝对式光栅尺的高效、低成本、批量化制造。
Description
技术领域
本发明属于光栅制造工艺中辊压印模具的制造技术领域，尤其涉及一种单码道绝对式光栅尺辊压印模具的制造方法。
技术背景
作为位移测量元件的光栅尺按测量方法可以分为增量式和绝对式两种。与增量式光栅尺寸相比，绝对式光栅尺在系统开机时不需要执行参考点回零程序就可立即提供当时位置值，在数控机床及检测仪器行业有着日益广泛的使用需求。
单码道绝对式光栅尺可以从编码原理上实现位置信息的唯一性，相对于多码道绝对光栅尺，光学系统及电路处理部分更为简单，码道具有固定零点，抗干扰能力强，响应速度快的优点。
常规的光栅尺制造方法是通过光刻制造高精度的母光栅，再以其为母版进行复制，工艺步骤繁复，精度损失大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单码道绝对式光栅尺辊压印模具的制造方法，该方法以单码道绝对式光栅尺的编码信息为控制信号，通过对精密旋转分度台的旋转分度、掩模版的运动及紫外曝光光源开/关的控制，对螺旋形辊压印模具进行逐线旋转曝光，在螺旋线带上制造绝对式光栅尺栅线。本发明所制备出的单码道绝对式光栅尺辊压印模具结合辊压印复型工艺，能够实现单码道绝对式光栅尺的长尺度(米级)、批量、低成本制造。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种单码道绝对式光栅尺辊压印模具的制造方法，包括以下步骤：
(1)辊压印模具基体加工：在圆柱形模具上加工出螺旋线带；
(2)辊压印模具光刻胶涂铺：使用提拉法在辊压印模具基体上涂铺一层光刻胶；
(3)辊压印模具装载并调心：将辊压印模具装载于精密旋转分度台上，使用三爪卡盘和千分表将辊压印模具基体与旋转分度台的旋转轴线保持同轴；
(4)掩膜版与紫外光源安装、定位：将掩膜版与紫外光源安装于X-Y位移台上，使掩膜版与辊压印模具基体之间保持一安全距离，使其在水平方向对应于螺旋线带的起始位置；
(5)旋转曝光：通过以单码道绝对式光栅编码来控制精密旋转分度台的转角、掩膜版运动和紫外光源的开/关，完成整条螺旋线带上栅线的曝光；
(6)显影：使用显影液对曝光完成的辊压印模具进行显影；
(7)栅线制造：以光刻胶为掩蔽，在模具基体材料进行湿法刻蚀以形成单码道绝对式光栅尺栅线，完成辊压印模具的制造。
本发明进一步的改进在于：步骤(1)中辊压印模具材料为Cu、不锈钢或石英玻璃；加工工艺使用超精车、磨及抛光；螺旋线带外径为50-100mm，螺旋升角θ为5-20°，螺旋线带宽度为8-20mm，圈数为4-8圈，螺旋线带总长度0.5-3m，抛光加工后，表面粗糙度<50nm，圆柱度及同心度<1μm。
本发明进一步的改进在于：步骤(2)中旋转曝光工艺中光刻胶的涂铺方法为提拉法，提拉速度为1-10mm/s，胶层厚度为3-10μm；光刻胶为瑞虹系列光刻胶、安智系列光刻胶或永光系列光刻胶。
本发明进一步的改进在于：步骤(3)中辊压印模具基体通过三爪卡盘装载于精密旋转分度台之上，使用三爪卡盘和千分表将辊压印模具与精密旋转分度台的旋转中心轴调整至同心，同心度<2μm。
本发明进一步的改进在于：步骤(4)中旋转曝光所使用的掩膜版中图形为单根栅线，其宽度为单码道绝对式光栅尺的标称线纹宽度，即一位编码对应栅线的宽度，为10-30μm，其长度为单码道绝对式光栅尺栅线区域的宽度，亦即螺纹线带的宽度8-20mm。
本发明进一步的改进在于：步骤(4)中所使用的紫外光源波长为350-400nm。
本发明进一步的改进在于：步骤(4)中掩膜版与紫外光源装载于同一X-Y位移台上，在旋转曝光操作前，在垂直于辊压印模具轴线的X方向上，使用X-Y位移台将掩膜版移动到距离辊压印模具为1-3mm的安全距离，掩膜版与紫外光源距离为5-10mm；在Y方向上，将掩膜版的初始位置对应于螺旋线带的顶端起始位置。
本发明进一步的改进在于：步骤(5)中以单码道绝对式光栅尺的编码产生的脉冲信号来控制精密旋转分度台的旋转、X-Y位移台的运动和紫外光源的开/关。
本发明进一步的改进在于：步骤(5)中旋转曝光的控制流程如下，首先，控制器发出绝对编码的脉冲信号，当发出第一脉冲信号时，精密旋转平台转动角度α后停下，此时处于安全距离处的掩膜版在X-Y位移台的驱动下，向辊压印模具运动至可曝光位置后停止，再开启紫外曝光光源，进行单线曝光，单线曝光完成后，掩膜版在X-Y位移台的驱动下远离至安全距离，然后在X-Y位移台的驱动下，向下移动距离H，以对应于精密旋转分度台下一转角α后的螺旋带曝光位置，等待下一脉冲信号；当发出第二脉冲信号时，精密旋转平台转动角度α后停下，此时处于安全距离处的掩膜版在X-Y位移台的驱动下，向下移动距离H，以对应于精密旋转分度台下一转角α后的螺旋带曝光位置，等待下一脉冲信号；其中α为栅线宽度所对应的圆心角。
本发明进一步的改进在于：步骤(5)中紫外光源的曝光时间为3-5s。
本发明进一步的改进在于：步骤(6)中的显影时间根据光刻胶的种类和涂铺厚度，可以确定为30-60s。
本发明进一步的改进在于：步骤(7)中的辊压印模具上光栅尺线纹形成方法，根据所选用的辊压印模具材料，选择湿法刻蚀液体，金属Cu或者不锈钢，使用HCl和FeCl3，石英使用HF溶液，溶液浓度及刻蚀时间根据所需要栅线的宽度及栅线槽深确定。
本发明单码道绝对式光栅尺栅线制备于环绕在圆柱形辊压印模具基体的螺旋线带上，可以利用在一定直径的辊压印模具上的螺旋线带的圈数(总长度)来通过辊压印复型制备超长(米级)单码道绝对式光栅尺。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明以单码道绝对式光栅尺的编码信息为控制信号，通过对精密旋转分度台的旋转分度、掩模版的运动及紫外曝光光源开/关的控制，对螺旋形辊压印模具进行逐线旋转曝光，在螺旋线带上制造绝对式光栅尺栅线；本发明所制备出的单码道绝对式光栅尺辊压印模具结合辊压印复型工艺，能够实现单码道绝对式光栅尺的长尺度(米级)、批量、低成本制造。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
图1是螺旋形辊压印模具基体示意图。
图2是螺旋形辊压印模具制造工艺原理示意图。
图3是掩膜版图形示意图。
图4是单码道绝对式光栅栅线示意图。
图5是旋转曝光控制原理示意图。
图中：1为基体；2为螺旋线带；3为光刻掩膜版；4为紫外光源；5为X-Y位移台；6为三爪卡盘；7为精密旋转分度台。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下实施实例仅限于解释本发明，本发明的保护范围就包括权利要求的全部内容。
本发明的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法的一种具体实施方式是通过下述步骤实现的。该方法包括以下步骤：
(1)辊压印模具加工：在圆柱形模具基体1上加工一定升角、宽度和圈数的螺旋线带2，如图1所示；
本实施例所用的辊压印模具基体1材料为不锈钢4Cr13，辊压印模具基体1上的螺旋线带2外径为D=100mm，宽度为d=15mm，升角为θ＝10度，圈数为8，总长度为1.5m，加工方式为超精密车削、研磨和抛光，加工完成后，螺旋线带2表面粗糙度<50nm，圆柱度及同心度<1μm。
(2)辊压印模具基体光刻胶涂铺：使用提拉法在辊压印模具基体1涂铺一层一定厚度的光刻胶；
本实施例所用的光刻胶为永光正性光刻胶，提拉速度为5mm/s，胶层厚度为6μm。
(3)辊压印模具装载并调心：将辊压印模具基体1装载于精密旋转分度台7上，使用三爪卡盘6和千分表进行调心，将辊压印模具基体1与精密旋转分度台7的旋转轴心保持同轴；
本实施例所用的精密旋转分度台的最小分度值为0.1arc sec，辊压印模具1通过三爪卡盘6装载于精密旋转分度台7上，使用千分表对辊压印模具1进行定心，使其与精密旋转分度台的同心度保持在2μm以内。
(4)掩膜版3与紫外光源4安装、定位：将掩膜版3与紫外光源4安装于X-Y位移台5上，使掩膜版3距离辊压印模具为安全距离S，使其在水平方向对应于螺旋线带2的起始位置(如图2示，以顶部为例)；
掩膜版3如图3所示，其上图形为单根空白线条，线宽为单码道绝对式光栅尺的标称线宽，即图4编码中的一位线纹(0或1)的宽度。
由于辊压印模具基体1上的绝对式光栅尺的线纹需要制造于螺旋线带2上，在辊压印模具基体1旋转曝光过程中需要调整掩膜版3的竖直位置，同时在辊压印模具基体1旋转过程中，也需要将掩膜版移动到安全距离S，以防止掩膜版被刮伤和污染，因此对于掩膜版3需要进行X、Y两个自由度的的调整。
本实施例所用的掩膜版3上单线图形线宽为20μm，线长对应于螺纹线带2的宽度d=15mm，安全距离S＝2mm。
(5)旋转曝光：通过以单码道绝对式光栅编码来控制精密旋转分度台7的转角、掩膜版3的运动和紫外光源4的开/关，完成整条螺旋线带2上单码道绝对式光栅栅线的曝光；
旋转曝光的控制方式如图5所示，首先，控制器发出绝对编码的脉冲信号(如图4所示，以黑色线为1，其间空白处为0作为示例)，当脉冲信号为1时，精密旋转平台7转动角度α后停下，此时处于安全距离S处的掩膜版3在X-Y位移台5的驱动下，向辊压印模具运动(图示2中-X方向)，当与辊压印模具螺纹线带距离接近于0时，停止运动，再开启紫外曝光光源4，进行时间t的单线曝光，单线曝光完成后，掩膜版3在X-Y位移台5的驱动下远离至安全距离S，然后在X-Y位移台5的驱动下，向下移动距离H(图示2中-Y方向)，以对应于精密旋转分度台下一转角α后的螺旋带曝光位置，等待下一脉冲信号；当脉冲信号为0时，精密旋转平台7转动角度α后停下，此时处于安全距离S处的掩膜版3在X-Y位移台5的驱动下，向下移动距离H(图示2中-Y方向)，以对应于精密旋转分度台下一转角α后的螺旋带曝光位置，等待下一脉冲信号。
本实施例所用的曝光时间t=4s，根据螺旋线外径D及绝对式光栅尺标称线宽计算。
(6)显影：使用显影液对曝光完成的辊压印模具1进行显影；
在本实例中，根据所选光刻胶种类、涂胶厚度以及标称线宽，显影时间为30s。
(7)栅线制造：以光刻胶为掩蔽，在模具基体材料进行湿法刻蚀以形成单码道绝对式光栅尺栅线结构，完成辊压印模具的制造。
本实例中，模具材料为不锈钢，使用HCl和FeCl3进行湿法腐蚀，溶液浓度及刻蚀时间根据所需要栅线的宽度及加工栅线的槽深来确定。
完成辊压印模具的制造后，在辊压印复型工艺中，将将光栅尺胚置于辊压印模具与支撑辊之间，使之与辊压印模具轴线呈θ角（螺旋线带2的升角）。在辊压印模具的压力驱动下，使光栅尺胚沿θ角方向进行走料，保证其在压印过程中始终位于螺旋线带2的正下方，光栅尺胚上的铝薄膜层发生塑性变形，完成单码道绝对式光栅尺的压印。
上述单码道绝对式光栅尺辊压印模具的制造方法，可以利用螺旋线带在圆柱辊模具基体上的多圈绕制，能够以辊压印工艺制造超长(米级)单码道绝对式光栅尺。相对于传统的光刻制造方式，使用本发明制造的单码道绝对式光栅尺辊压印模具作为母光栅，以辊压印方式制造单码道绝对式光栅尺，具备快速、低成本、批量化的技术优势。因此本发明所提出的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法在绝对式光栅尺制造中具有广阔的市场应用前景。
Claims (10)
1.一种单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)辊压印模具基体加工：在圆柱形模具上加工出螺旋线带；
(2)辊压印模具光刻胶涂铺：使用提拉法在辊压印模具基体上涂铺一层光刻胶；
(3)辊压印模具装载并调心：将辊压印模具装载于精密旋转分度台上，使用三爪卡盘和千分表将辊压印模具基体与旋转分度台的旋转轴线保持同轴；
(4)掩膜版与紫外光源安装、定位：将掩膜版与紫外光源安装于X-Y位移台上，使掩膜版与辊压印模具基体之间保持一安全距离，使其在水平方向对应于螺旋线带的起始位置；
(5)旋转曝光：通过以单码道绝对式光栅编码来控制精密旋转分度台的转角、掩膜版运动和紫外光源的开/关，完成整条螺旋线带上栅线的曝光；
(6)显影：使用显影液对曝光完成的辊压印模具进行显影；
(7)栅线制造：以光刻胶为掩蔽，在模具基体材料进行湿法刻蚀以形成单码道绝对式光栅尺栅线，完成辊压印模具的制造。
2.按照权利要求1所述的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，其特征在于：步骤(1)中辊压印模具材料为Cu、不锈钢或石英玻璃；加工工艺使用超精车、磨及抛光；螺旋线带外径为50-100mm，螺旋升角θ为5-20°，螺旋线带宽度为8-20mm，圈数为4-8圈，螺旋线带总长度0.5-3m，抛光加工后，表面粗糙度<50nm，圆柱度及同心度<1μm。
3.按照权利要求1所述的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，其特征在于：步骤(2)中旋转曝光工艺中光刻胶的涂铺方法为提拉法，提拉速度为1-10mm/s，胶层厚度为3-10μm；光刻胶为瑞虹系列光刻胶、安智系列光刻胶或永光系列光刻胶。
4.按照权利要求1所述的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，其特征在于：步骤(3)中辊压印模具基体通过三爪卡盘装载于精密旋转分度台之上，使用三爪卡盘和千分表将辊压印模具与精密旋转分度台的旋转中心轴调整至同心，同心度<2μm。
5.按照权利要求1所述的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，其特征在于：步骤(4)中旋转曝光所使用的掩膜版中图形为单根栅线，其宽度为单码道绝对式光栅尺的标称线纹宽度，即一位编码对应栅线的宽度，为10-30μm，其长度为单码道绝对式光栅尺栅线区域的宽度，亦即螺纹线带的宽度8-20mm。
6.按照权利要求1所述的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，其特征在于：步骤(4)中所使用的紫外光源波长为350-400nm。
7.按照权利要求1所述的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，其特征在于：步骤(4)中掩膜版与紫外光源装载于同一X-Y位移台上，在旋转曝光操作前，在垂直于辊压印模具轴线的X方向上，使用X-Y位移台将掩膜版移动到距离辊压印模具为1-3mm的安全距离，掩膜版与紫外光源距离为5-10mm；在Y方向上，将掩膜版的初始位置对应于螺旋线带的顶端起始位置。
8.按照权利要求1所述的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，其特征在于：步骤(5)中以单码道绝对式光栅尺的编码产生的脉冲信号来控制精密旋转分度台的旋转、X-Y位移台的运动和紫外光源的开/关。
9.按照权利要求1所述的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，其特征在于：步骤(5)中旋转曝光的控制流程如下，首先，控制器发出绝对编码的脉冲信号，当发出第一脉冲信号时，精密旋转平台转动角度α后停下，此时处于安全距离处的掩膜版在X-Y位移台的驱动下，向辊压印模具运动至可曝光位置后停止，再开启紫外曝光光源，进行单线曝光，单线曝光完成后，掩膜版在X-Y位移台的驱动下远离至安全距离，然后在X-Y位移台的驱动下，向下移动距离H，以对应于精密旋转分度台下一转角α后的螺旋带曝光位置，等待下一脉冲信号；当发出第二脉冲信号时，精密旋转平台转动角度α后停下，此时处于安全距离处的掩膜版在X-Y位移台的驱动下，向下移动距离H，以对应于精密旋转分度台下一转角α后的螺旋带曝光位置，等待下一脉冲信号；其中α为栅线宽度所对应的圆心角。
10.按照权利要求1所述的单码道绝对式光栅尺辊压印模具制造方法，其特征在于：步骤(5)中紫外光源的曝光时间为3-5s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121031 |