CN103561961B - 用于将图案写入基底的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于在基底(6)上形成包括一个或者多个标记的图案的方法和设备。所述方法包括通过例如使用纤维激光器(2)对所述基底(6)进行局部加热来形成每个标记的步骤。还进行在每个标记正被形成的同时例如使用温度传感器(10)监测所述基底的温度的步骤。所述方法可以被用来在具有高含量的马氏体材料的不锈钢基底上形成磁性编码器标尺。所述局部加热使所述马氏体材料转变成奥氏体材料。还描述了使用所述方法制得的编码器标尺。

Description

用于将图案写入基底的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于将图案写入基底的方法，特别是涉及用于通过将包括具有不同磁导率的线条的图案写入不锈钢基底来形成磁性编码器标尺的改进方法。
背景技术
具有无源磁性标尺的磁性编码器是已知的。这些编码器包括包含具有不同于周围材料的磁导率的一系列标记的标尺。标尺的磁导率变化可以使用包括磁体和多个磁场传感器(例如霍尔传感器)的关联读头来感测。
以前已经有描述如何能够使用激光器在金属材料中形成这些无源磁性标尺。例如，JP63098501描述了通过使用激光器选择性地对金属棒的多个部分进行热处理而在该金属棒上形成图案。DE3210716描述了在棒的表面上设置一层金属合金并加热该合金的多个区域来增加或者降低其磁导率以提供无源磁性标尺。DE4121724描述了获取奥氏体(非磁性)材料并使用激光器对表面的多个部分进行“渗碳”以提供马氏体(磁性)区域。这些区域提供了能够被关联读头读取的无源磁性标尺。
基于激光器加工的上述类型技术的不利之处在于基底表面光洁度、初始基底温度和激光器参数的变化导致在标尺制造过程中产生的标尺标记的均一性发生大的变化。标尺标记均一性的这种缺失降低了当读取这种标尺时可以获得的测量精确度。
激光标记方法也已经被应用在不同的技术领域中。例如，参见US2009/0195905、EP2279876和US2010/0128102。
US2009/0195905描述了在使用感应式写头将数据比特写到磁存储介质(例如在硬盘驱动器中)之前使用激光器形式的加热装置对该介质的区域进行局部加热的技术。为了防止激光器过热(过热能够降低激光器的寿命)，对激光器的温度进行测量。在一个实施例中，热电偶被放置在激光器的附近以在使用过程中测量其温度。
EP2279876描述了用于使用基于激光器的标记系统在车辆零件上标记纹饰的技术。在一个实施方式中，用于保持车辆零件的基座包括用于检测激光束的一体化元件。这是用来在标记车辆零件之前或之后检查激光器的性能(例如激光束强度，束取向)。
US20100128102描述了用于打印光学磁盘标签的打印机。描述了用于设定激光束形状和功率以优化打印过程的技术。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了用于在基底上形成包括一个或者多个标记的图案的方法，所述方法包括通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤，其特征在于，所述方法包括在每个标记正被形成的同时监测所述基底的温度的步骤。
因此，本发明提供了用于在基底上形成图案例如限定编码器标尺的图案的方法。这是通过对所述基底(例如使用激光器光线的条纹(stripe)或者线条(line))进行局部加热以产生所需要的标记同时还在形成标记的过程中测量或者监测所述基底的温度来实现的。已发现，在标记过程中监测所述基底的温度的步骤提供了对所发生的基底加热的量的改善控制，并因此能够使将生成的标记具有改善的均一性(uniformity)。特别是，例如在编码器标尺形成的过程中，在使用所述方法来生成一系列间隔开的标记时，所述方法降低了标记之间的变化性。
需要注意的是，不像在US2009/0195905、EP2279876和US2010/0128102中的每一个所述描述的技术那样，本发明的方法包括在每个标记正被形成的同时监测所述基底的温度(即，正被标记的物品(item)的温度)的步骤。本发明的方法因此是在激光器标记加工步骤过程中检测基底温度的过程中方法(in-process method)(即，在激光入射(impinge)在基底上的同时)。
有利的是，形成每个标记的步骤包括对所述基底进行局部加热直至达到预定的温度阈值。例如，可以对所述基底进行局部加热直至所述基底的正在被标记的区域超过一定的温度。可以使用任何合适的温度传感器来监测所述基底的温度。所述温度传感器可以提供经校准的温度测量输出(例如以摄氏度表示的温度值)或者其可以输出指示温度的数据(例如电压水平)。有利的是，监测所述基底的温度的步骤包括使用非接触式温度传感器。优选的是，所述温度传感器被布置成监测所述基底的正在被加热的局部区域的温度。例如，温度传感器可以被设置为包括红外检测器，该红外检测器被布置成接收来自所述基底的正在被加热的部分的红外辐射。所述温度传感器因此可以直接测量所述基底的温度。
使用目前描述的方法在基底中形成的图案可以包括多个标记。优选的是，通过顺次形成多个子集的标记而在所述基底中形成图案。例如，可以在形成一个标记或一些标记的一系列步骤中形成所需的图案。换言之，所述方法优选地包括在所述基底上依次形成标记。
可以使用用于对所述基底进行局部加热的任何合适的装置来形成每个标记。形成每个标记的步骤包括使用激光器来对所述基底进行局部加热。所述激光器优选为高功率CW激光器，例如纤维激光器。所述方法可以包括响应于所述基底的测量温度控制激光器输出以提供需要量的基底加热的步骤。例如，根据需要，可以调整激光器能量输出、或者触发和停用激光器。
所述基底可以具有任何合适的类型。应当注意的是，在此使用的术语“基底”拟包括一个或者多个材料层。特别是，术语“基底”可以包括在基础部件或者材料片材上形成的任何层。优选的是，所述基底具有加热时发生变化的性能。例如，所述基底可以包含在被加热高于特定温度时以一定方式(例如通过展示出不同磁性性能和/或光学性能)发生变化的材料。有利的是，所述基底包含具有相变温度的材料。于是，通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤可以方便地包括对所述基底的待标记的区域进行局部加热超过所述相变温度。在一个优选的实施方式中，所述基底可以包含不锈钢。有利的是，所述不锈钢具有大含量的马氏体相(例如应力诱发马氏体相)并且所述局部加热导致其转变成奥氏体相。
本发明可以被用来形成可见地区别于或者光学上区别于周围基底的标记。然而，应当注意的是，术语“标记”并未拟仅指光学上可以区别于或可以可见地区别于基底的标记。优选的是，在所述基底上形成的每个标记可以具有不同于周围基底区域的磁导率。换言之，本发明的方法的优选的用途是在基底上形成磁性标记。
本发明可以被用来在任意基底上形成任何所需要的图案。所述图案的一个标记可以与所述图案中的其他标记相同或者不同。优选的是，形成所述图案的每个标记在形状和尺寸上是基本上相同的。方便的是，在所述基底上形成的每个标记包括线条、点或圆圈。有利的是，在所述方法中使用的基底包括编码器标尺坯料(即，可以在上面形成编码器标尺图案的坯料)。因此，所述方法可以包括在基底(即，编码器标尺坯料)上形成限定编码器标尺的图案。所述基底或者编码器标尺坯料可以方便地包括细长棒或带。所述标记优选沿着所述棒或带的长度间隔开。所述编码器标尺可以是所谓的增量式标尺；这样的增量式标尺可以包括一系列的有规律地间隔开的线条。或者，所述编码器标尺可以是所谓的绝对式标尺；这样的绝对式标尺可以包括在编码绝对位置信息的一定图案中间隔开的线条。
有利的是，通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤包括在形成这种标记的过程中移动所述基底的正在被加热的区域的步骤。这可以包括移动所述基底和/或移动被引导在所述基底上的热(例如通过移动或操纵入射在所述基底上的激光束)。如果在所述基底上形成的每个标记包括线条，那么基底的加热可以采用合适的光学部件使用被成形为线性束或条纹的激光束来进行。以这种方式形成的线条标记可以具有圆化的边缘或侧部，但是优选为大体是细长的。优选的是，形成每个线条的步骤包括以基本平行于正在通过局部加热工艺形成的线条的方向移动(例如来回移动)所述基底。例如，可以沿着与正在形成的线条的细长轴线重合(coincident)的轴线提供激光束与基底的相对运动。这起到使激光器光线能量沿着所述线条扩散或平滑化的作用，由此改善了正在被形成的线条的均一性。因此，所述方法可以包括将所述基底安装至能够在标记加工过程中使所述基底来回摆动或移动的保持器。可以使用同一保持器来对所述基底进行重新定位以能够形成一系列的间隔开的标记。
本发明还延及已经使用上述方法标记上图案的基底。特别是，本发明涵盖包括具有一个或者多个标记的图案的编码器标尺，其中，所述编码器标尺使用上文所述的方法制造。这种编码器标尺优选包括一系列的基本均一的标尺标记。
本发明还延及用于执行上文所述方法的设备。
根据本发明的又一方面，提供了用于在基底上形成包括一个或者多个标记的图案的设备，所述设备包括加热装置和温度感测装置，所述加热装置用于在基底上形成一个或者多个标记，所述温度感测装置用于在正由所述加热装置形成每个标记的同时监测所述基底的温度。所述加热装置优选包括激光器。所述加热装置还可以包括光束成形光学器件，该光束成形光学器件例如使激光束成形为线条。所述光束成形光学器件可以包括一个或者多个透镜，例如微透镜阵列。所述温度感测装置优选包括非接触式温度传感器，例如红外检测器。
所述设备还可以包括基底保持器。所述基底保持器优选包括用于使所述基底相对于所述加热装置移动的一个或者多个致动装置。例如，所述基底保持器可以包括允许该基底相对于所述加热装置移动的一个或者多个马达。或者，所述加热装置可以包括用于改变施加于所述基底的局部加热的位置的元件。例如，所述加热装置可以是可移动的，或者其可以包括用于调整所述基底的正在被加热的部分的元件。在基于激光器的加热装置的情况中，这可以包括用于将激光束操纵到所述基底的所需要的区域的光学装置。
所述设备还可以被布置成提供所述基底和标记形成过程中被加热的区域的相对运动。例如，所述基底保持器还可以包括用于在标记的形成过程中移动所述基底的致动装置。例如，如果正在形成线条标记，那么所述基底保持器可以在加热处理过程中沿着与所述线条平行的方向来回移动所述基底。如果设置基于激光器的加热装置，还可以在标记形成的过程中(例如使用光束操纵光学器件)移动激光束。
附图说明
下文将仅通过举例方式参考附图对本发明进行描述，其中：
图1显示了用于制造根据本发明的标尺的设备，
图2显示了图1的设备的用于提供基底的所需的激光照明的光学装置，
图3显示了来自图1的设备的屏幕截图，
图4显示了没有使用本发明的温度控制方法形成的标尺，
图5显示了使用本发明的温度控制方法形成的标尺，
图6显示了图5中显示的标尺的陪面图。
具体实施方式
参照图1，显示了用于将图案(例如编码器标尺图案)写入到不锈钢基底中的设备。所述设备包括具有400瓦特的连续功率输出的纤维激光器形式的连续波激光源2。来自激光源2的光线由聚焦光学元件4聚焦以形成线条，该线条照明基底的包括平坦不锈钢带6的表面。所述带6可以例如具有约10mm的宽度、约1mm的厚度且约100mm的长度。
带6可以由经过处理而具有大百分比的应力诱发马氏体结构的AISI 304L不锈钢材料形成。用于形成所述带的一种技术描述在申请人的PCT专利申请No.PCT/GB2012/000220中。可以将不锈钢材料的马氏体结构加热至超过约800℃的温度而将其转变成马氏体结构。换言之，钢带6的晶体晶格结构在被加热超过800℃的转变温度时从马氏体改变为奥氏体。马氏体和奥氏体晶格结构具有不同的磁导率，并因此能够通过将马氏体材料的线条转变成奥氏体形式而形成无源磁性编码器标尺(即，能够通过适当的读头读取的标尺)。特别是，可以使用来自激光源2的光线加热钢带6的局部区域(例如，线条)，由此将该局部区域中的马氏体结构转变成奥氏体结构。
不锈钢带6通过磁性保持器安装至多轴线定位系统8。多轴线定位系统8包括两个由马达驱动的线性平台，每个线性平台具有0.001mm的定位精确度。多轴线定位系统8因此允许带6相对于激光束移动。
设置非接触式温度传感器10来监测带6的正在被加热的局部区域的温度。优选的是，非接触式温度传感器10是提供良好的测量重复性、具有宽的动态范围和快速响应的辐射热测量计或红外检测器。在本实施例中，非接触式温度传感器10是在1200nm至2600nm范围具有灵敏性峰值的InGaAs光检测器。这种传感器根据斯特凡(Stefan)定律进行工作，并检测钢带被加热时从该钢带发射的红外辐射的强度。
所述设备由计算机12控制。计算机12控制保持钢带6的定位系统8，能够开启和关闭激光源2并从非接触式温度传感器10接收温度数据。
参照图2，提供了在图1中示意性地显示的聚焦光学器件4的更加详细的图示。聚焦光学器件4包括微柱面透镜20，该微柱面透镜20将激光束分为多个折射光束。聚光透镜22聚集激光束并在与被标记的基底重合的聚焦平面24上形成多个焦点。为了形成线性标记，使用两种技术将多个焦点模糊(smear)在一起。尽管在下文中描述了用于改善线条形成的均一性的两种技术，但是应当注意的是，可以只使用这些技术中的一种。
用于改善线条均一性的第一种技术包括将柱面透镜26放置在微柱面透镜20的前面。然后沿着线条扩展多个焦点，由此提供光强度的更加一致的分布。然而，由于单个折射最大值(individual refraction maxima)之间的干涉效应的缘故，沿着所述线条仍然有强度变化，尽管这种变化具有短得多的周期。包括柱面透镜26还可能引入光学误差，这种光学误差导致强度沿着线条发生一些小的变化。而且，即使所生成的激光线条的完美一致强度扩散，还是发现仍可能存在基底的激光束吸收较高的区域。吸收增加的这些区域可能是由基底表面上的瑕疵例如污点或划痕造成的。表面光洁度的这种变化能够导致较高的光吸收，因此造成更强烈的加热。被表面吸收的光量还受到表面温度的高度影响(较高的表面温度导致较高的吸收)，因此，即使是小的表面变化也可能导致某些区域加热更快并导致局部熔融。
用于改善线条形成的均一性的第二种技术是在线条形成的过程中提供基底相对于激光束的机械运动。特别是，使用上文参照图1描述的多轴线定位系统8的第二线性平台来提供平行于正在被形成的线条(来回地)运动。采用这种方式，实现了基底上所需要的区域(线条)的受控且均一的热处理。
现在同时参照图1和2，将描述上述设备为形成编码器标尺而进行的操作。
首先将钢带6附装至多轴线定位系统8的磁性保持器。然后将钢带6移动到所需要的初始位置(相对于激光源2)。启动激光源2并将激光器光线的线条引导到钢带6的表面上。在激光照明的过程中，沿着与钢带6上形成的激光线条的方向，多轴线定位系统8来回移动钢带6。来自非接触式温度传感器的温度信号由计算机12监测，当该信号指示已经达到某个阈值时停用激光源2。在该实施例中，阈值水平被设定为使得一旦已经超出马氏体和奥氏体相之间的相变温度，即800℃，就停用激光器。一旦已经标记出所需要的线条，多轴线定位系统8将钢带6移动到所需要的位置以标记下一个线条并重复标记过程。逐步重复该过程直至在基底6上形成了所需要的线条图案。在该实施例中，限定编码器标尺的线条为5mm长，0.25mm宽和0.12mm深。
在基底上标记的线条图案可以限定所需要的任意类型的编码器标尺。例如，可以使用一系列等间隔的线条来限定增量式标尺。或者，可以将线条写入到限定所谓的绝对式编码器标尺的图案中。例如，线条可以形成伪随机比特序列(PRBS)。应当注意的是，尽管本说明书概述了用于制造编码器标尺的方法，但是其还可以用来将任意类型的图案写入到基底中。
图3是在计算机12上运行以控制上述过程的软件应用的屏幕截图。软件允许设置激光器的工作参数，而且还控制将产生的线条的间隔、数量和速度。此外，软件还允许设定温度阈值(以随机信号单元限定)。
图4显示了不使用上述类型的温度反馈控制技术写入到不锈钢基底的一系列线条。换言之，图4显示了根据现有技术各自使用相同持续时间的激光曝光来生成的线条。远着每个线条以及在不同线条之间可以看到反射率的变化。这些可见的变化源自于在线条形成的过程中使用的不同温度，并且还导致磁导率的相应变化。这种磁导率的变化降低了能够提取位置信息的精确度。
图5显示了使用上文参照图1至3描述的类型的温度反馈控制技术写入到不锈钢基底的一系列线条。可以看出，与在图4中显示的不使用温度反馈控制而形成的那些线条相比，线条的均一性和再现性显著增加。
图6显示了通过图5的不锈钢基底法切除剖面的显微照相图片。可以看出，经热处理(奥氏体)区域具有几近理想的半圆形状并具有良好的重复性。
应当记住的是，上述实施例仅仅是对本发明的例示。例如，可以将任何适当的材料用作基底，并且本发明不限于对不锈钢的使用。此外，上文中的激光器仅仅作为引起局部表面加热的方便方法来加以描述。可以使用其他装置来加热基底。类似的，可以使用任何合适的温度传感器来测量基底的温度。

Claims (42)

1.一种在基底上形成限定编码器标尺的图案的方法，所述图案包括多个标记，所述基底包含具有相变温度的材料，所述方法包括通过对所述基底的待标记的区域进行局部加热超过所述相变温度来形成每个标记，其中使用非接触式温度传感器，在每个标记正被形成的同时监测所述基底的正在被加热的局部区域的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括在所述基底上依次形成所述标记。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形成每个标记的步骤包括使用激光器来对所述基底进行局部加热。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述形成每个标记的步骤包括使用激光器来对所述基底进行局部加热。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基底包含具有高百分比的应力诱发马氏体相结构的不锈钢，并且所述局部加热导致其被转变为奥氏体相。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述基底包含具有高百分比的应力诱发马氏体相结构的不锈钢，并且所述局部加热导致其被转变为奥氏体相。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述基底包含具有高百分比的应力诱发马氏体相结构的不锈钢，并且所述局部加热导致其被转变为奥氏体相。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基底包含具有高百分比的应力诱发马氏体相结构的不锈钢，并且所述局部加热导致其被转变为奥氏体相。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，在所述基底上形成的每个标记具有不同于周围基底区域的磁导率。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，所述基底包括编码器标尺坯料，并且所述方法包括形成限定编码器标尺的图案。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述基底包括编码器标尺坯料，并且所述方法包括形成限定编码器标尺的图案。
12.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，在所述基底上形成的每个标记包括线条、点或圆圈。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述基底上形成的每个标记包括线条、点或圆圈。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述基底上形成的每个标记包括线条、点或圆圈。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述基底上形成的每个标记包括线条、点或圆圈。
16.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤包括在标记形成过程中移动所述基底的正在被加热的区域的步骤。
17.根据权利要求9所述的方法，其中，通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤包括在标记形成过程中移动所述基底的正在被加热的区域的步骤。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤包括在标记形成过程中移动所述基底的正在被加热的区域的步骤。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤包括在标记形成过程中移动所述基底的正在被加热的区域的步骤。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤包括在标记形成过程中移动所述基底的正在被加热的区域的步骤。
21.根据权利要求13所述的方法，其中，通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤包括在标记形成过程中移动所述基底的正在被加热的区域的步骤。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤包括在标记形成过程中移动所述基底的正在被加热的区域的步骤。
23.根据权利要求15所述的方法，其中，通过对所述基底进行局部加热来形成每个标记的步骤包括在标记形成过程中移动所述基底的正在被加热的区域的步骤。
24.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
25.根据权利要求9所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
26.根据权利要求10所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
27.根据权利要求11所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
28.根据权利要求12所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
29.根据权利要求13所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
30.根据权利要求14所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
31.根据权利要求15所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
32.根据权利要求16所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
33.根据权利要求17所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
34.根据权利要求18所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
35.根据权利要求19所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
36.根据权利要求20所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
37.根据权利要求21所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
38.根据权利要求22所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
39.根据权利要求23所述的方法，其中，所述基底包括细长棒或带，并且所述标记沿着所述棒或带的长度间隔开。
40.一种编码器标尺，所述编码器标尺包括具有一个或者多个标记的图案，其中，所述编码器标尺采用前述权利要求中的任一项所述的方法来制造。
41.一种用于在基底上形成限定编码器标尺的图案的设备，所述图案包括多个标记，所述基底包含具有相变温度的材料，所述设备包括：
加热装置，其用于通过对所述基底的待标记的区域进行局部加热超过所述相变温度从而在所述基底上形成一个或者多个标记，和
温度感测装置，其用于在正由所述加热装置形成每个标记的同时监测所述基底的局部区域的温度。
42.根据权利要求41所述的设备，其中，所述加热装置包括激光器，并且所述温度感测装置包括非接触式温度传感器。
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