CN1959540B - 将标尺固定在支架上的方法、标尺和具有这种标尺的支架 - Google Patents
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Abstract
按照本发明使一个标尺(13)通过结合固定在支架(53)上。该结合连接由标尺(13)的相互间隔的凸起的表面区(63)构成。附加的措施、例如设置粘接面(73)保证稳定且振动固定的连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将标尺固定在支架上的方法。
背景技术
为了测量两个机器部件的相对位置在一个机器部件上固定标尺并且在另一相互运动的机器部件上固定扫描单元。在测量位置时由扫描单元扫描标尺刻度。
在将标尺固定在支架上时区分两种基本原理。对于第一基本原理使标尺这样固定在支架上，使得标尺在温度变化时可以相对于支架自由伸展。在这里固定通过可以在测量方向上偏转的固定部件或者通过弹性粘接层实现。
对于第二基本原理使标尺刚性地固定在支架上。在此支架和标尺可以由具有相同膨胀率的材料制成。如果支架与标尺由不同的材料制成，使支架的温度特性强加在标尺上。对于第二基本原理固定通过可靠硬化的薄粘接层或通过粘接实现。
对于高精度的位置测量最好使用由具有可忽略的膨胀率的玻璃或玻璃陶瓷制成的标尺。这些标尺能够良好地运行，因此在这里采用粘接在对应表面上，如同在DE 101 53 147 A1中所述的那样。
在粘接标尺时的问题是，连接易于受到污物或形成气泡的干扰。此外要求连接表面高度平面性，这需要高的费用。这些问题对于相对大面积的标尺更严重。因此已经不使用标尺的粘接。
该问题在粘接光学器件时也是普遍存在的。为解决这一问题，在文件US5,669,997A中提出，粘接通过这样的胶水粘合来补充，其中载体的固定面上设置有一凹槽，在形成光胶粘接之后，利用虹吸作用向该凹槽中引入胶水。
这一举措并不能完全解决该问题。因为存在着这样的风险，即，相对较大的光胶粘接平面通过单独的、局部的扰动就有可能脱落。另外，也不能保证足够的平坦性。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服了上述问题的方法。
这个目的通过按照权利要求1的方法得以实现。
本发明的另一目的是，给出一个支架，它具有稳定固定在其上的标尺。
这个目的通过按照权利要求7的支架得以实现。
本发明还涉及具有权利要求19特征的标尺。
在从属权利要求中给出本发明的有利扩展结构。
通过本发明通过施加尽可能大的表面力作为固定力，充分利用粘接可实现的优点，但是同时通过形成多个相互分开的粘接面避免粘接的缺陷。
通过按照本发明的分开粘接面限制局部地由于污物或用于滑痕引起的结合连接分离。这种分离一般通过中断粘连接不会继续发展。
此外实现良好的标尺平面性，因为通过至少一个向外导引的通道可以排出干扰介质。
附图说明
借助于附图详细描述本发明的实施例。附图中：
图1示出第一标尺和用于固定标尺的第一支架，
图2示出按照图1的固定在支架上的标尺，
图3示出按照图2的标尺和支架的纵向截面图，
图4示出第二支架和第二标尺，
图5示出按照图4的固定在支架上的标尺，
图6示出第三支架和第三标尺的俯视图，
图7示出按照图6的固定在支架上的标尺的截面图，
图8示出两个并排示出的第三标尺结构变化的横截面图，
图9示出按照图8的两个变化的俯视图，
图10示出第四支架和第四标尺，
图11示出第四支架和第四标尺的俯视图，
图12示出图11的A-A横截面，
图13示出图12中B的放大图，
图14示出图11中C的放大图，
图15示出第五支架和第五标尺，
图16示出第五支架和第五标尺的俯视图，
图17示出图16的A-A横截面，
图18示出图17B的放大图，
图19示出图16C的放大图。
具体实施方式
借助于图1至3描述粘接或者粘合标尺11的原理。在此示出由玻璃或玻璃陶瓷(例如ZERODUR)制成的具有测量刻度21的标尺11。测量刻度21是增量刻度，它为了位置测量可以在测量方向X上扫描。该测量刻度21可以是反射的振幅光栅或者相位光栅，它以公知的方式用于高精度干涉位置测量。所述标尺11在其贝氏点处具有凸起31，它们作为支承面用于安置在支架51的对应面41上。该支架51最好同样由玻璃或玻璃陶瓷(例如ZERODUR)制成。
与支架51对应面41对置的凸起31的表面61以及对应面41是清洁且高度抛光的表面。所需的表面质量通过机械磨削抛光或化学机械抛光实现。
在标尺1上的凸起31最好通过已知的结构工艺产生，通过使凸起31的部位被遮盖并且腐蚀掉围绕凸起31的材料。由此使凸起31一体地在标尺11上构成。
所述标尺11与支架51的连接通过凸起31的表面61与支架51对应面41的结合实现。按照本发明的结合的基础是粘附，当表面的距离进入到原子结合力的作用半径时，清洁的、能配合的且抛光的表面相互粘附。这种结合也称为光学接触或无粘接剂结合。因此这样构成凸起的表面61，使得这个表面具有一个可结合的表面61用于与支架51的对应面41建立结合连接。
这种结合可以是直接结合(direct bonding或directcontacting)，它也称为粘接。在直接结合时可以通过加热作用提高结合效果，或者通过施加表面活化的措施。通过具有表面活化措施的直接结合在相对较低的温度时也实现良好的结合强度。一种特别的表面活化措施是加入结晶的液体。这种结合工艺也称为低温结合技术(LTB)并且在通过互联网了解到的SCHOTT公司CarrolClick、LeoGilroy和DaveVanderpool的论文“SCHOTT LowTemperature Bonding for Precision Optic”中描述，对于描述参阅该论文。对于LTB工艺所述标尺11和支架51分别由膨胀率几乎为零的玻璃陶瓷、尤其是ZERPDUR制成。
所述结合也可以是阳极的结合，其中在要被相互连接的标尺11或支架51的表面61，41上涂覆一个金属的导电辅助层、例如铝作为凸起31与对应面41之间的中间层。这个辅助层可以是蒸镀层。对于阳极结合在辅助层与支架51之间施加一个电压，由此使辅助层的离子漂移到支架51里面和/或使支架51的离子漂移到辅助层里面。所施加的电压产生一个静电吸引力，它在标尺与支架之间起到原子接触的作用。
为了多维位置测量经常使用具有两维测量刻度22的标尺12。在此相对大尺寸的标尺12(例如40cmx40cm)固定在机器部件52的表面42上。本发明有利地应用于平版印刷设备，其中机器部件52由膨胀率几乎为零的玻璃陶瓷(例如ZERODUR)制成，在该部件上固定标尺12。在US 2004/026846 A1中描述了这种具有两维测量刻度标尺的机器。
在此可以要求，多个标尺12必需两维地相互间点阵式地固定在例如1mx2m的设备表面52上，用于覆盖所需的约1mx2m的测量范围。具有尤其光电扫描测量刻度22的标尺12以所需的精度只能以约40cmx40cm的尺寸制成。现在按照本发明可以将每个标尺12固定在支架52上，如同在下面的附图中所示的那样。
根据本发明，对于这个固定采用上述的结合工艺。
在图4和5中示例地示出具有两维测量刻度22、也称为十字光栅的标尺12。在面对支架52的标尺12的表面上构成具有可结合表面62的凸起32。这些凸起32根据本发明在空间上两维分布地设置，或者在几何形状上均匀地分布在规则的光栅里面或者统计地分布。所述凸起32可以分别圆形地构成，具有小于30mm的直径，典型的为200μm至4mm并且具有最好小于标尺12厚度的相互间距，其中相互间距是边缘间距，在图11和16中为4mm。凸起32的高度以有利的方式大于10nm，有利的数值尤其是20nm至50μm。凸起32表面62的平面性(波度)在约10mm直径上小于500nm，典型的是在10mm直径上为30nm。构成结合面的凸起32的表面62仍然位于一个公共的平面里面。典型的标尺12厚度值为1至15mm。凸起32的直径越小并且相互间距越小，凸起32的高度也可以越小地实现。
所述凸起32的两维空间分布能够这样实现，在凸起32之间存在敞开通道200，它们基于X-Y平面一直到标尺12的边缘。通过这个措施可以使表面活化措施在结合后易于从标尺12与支架52之间的空间中逸出。此外可以使在标尺12整个表面上的空气夹杂物易于通过敞开通道200逸出，这将提高结合强度以及保证标尺12的良好平面性。
所述凸起32形成一种榫舌并且这样构成，使形成敞开通道200的棱边、即到位于旁边的凹下的过渡倒圆角。由此可以使要被结合的表面62更加清洁并且必要时表面活化。另一优点是，避免分离的作用点并且明显减少材料破裂的危险。
在维护时可以接触结合连接，通过在支架52或标尺12中的至少一个(未示出的)孔在标尺12与支架52之间的中间空间中输入介质，例如压力空气并且由此建立一个压力，它使标尺12与支架52相互顶开。
尤其对于突出于支架53的标尺13(在图6和7中示例地示出)存在危险，由于振动激励产生老化脱落并且存在标尺13边缘部位的再粘接。这个过程导致突出的标尺部位短周期的长度偏差的不可预计的变化。为了避免这一点，附加的措施是有利的。可以具有一个附加的保险用于使标尺11至15固定在支架51至55上。这些附加的保险可以是弹簧、固定卡子、磁固定元件、静电卡子或真空固定形式的固定部件或者可以使用例如油膜粘附固定或粘接工艺。这个附加的保险至少在粘接连接的边缘部位是有意义的，即在标尺13和/或支架53的边缘部位，即，在标尺13与支架53搭接的边缘部位。
下面借助于图6至19描述为了补充粘接特别有利的粘接连接。在此通过独立的粘接面63的预应力、尤其在标尺13与支架53的连接的边缘区通过粘接剂7提高连接部件13与53之间的表面压力。
通过粘接剂7的保险排除例如在通过装配工人错误接触时标尺13脱开或丢失。
在此所述粘接层仅仅产生标尺13的局部最小变形。位置和平面性仍然特别精确并且尽可能没有由于粘连接引起的漂移。
图6示出在边缘部位突出于支架53的标尺13。标尺13的一些圆形凸起33附加地配有粘接位置，其中一个粘接位置在图7中以横截面图示出。为了区别只粘接的凸起32与附加的通过粘接剂7保险的凸起33使它们配有不同的标记符号并且在图6中涂黑地表示通过粘接剂7保险的凸起33。对于通过粘接剂7附加保险的凸起33一个圆形粘接面73位于圆形粘接面63内部，该粘接面通过槽形凹部83作为粘接剂停止与粘接面63分开。由此防止在加入粘接剂7时粘接剂进入到粘接面63里面。
出于清晰的原因不再示出测量刻度。
比粘接面63更深的部位、即粘接面73和凹下83的加工例如以光刻的途径实现。也可以设想使用机械加工，例如铣削或对于相应的材料使用激光加工。
所述粘接面73和粘接剂7的E模式应该只保持必需的尺寸，用于使标尺13在粘接剂固化以后由于拉力引起的、由于粘接剂7蠕动引起弯曲变形保持所需的大小，但是尽可能小。
所述标尺13的可忽略的短周期弯曲对于相同尺寸的粘接面73也可以通过在图8和9中分别在右边示出的粘接面63以及粘接面73的椭圆形状实现。与结构上的扩展结构无关重要的是，由粘接剂7在固化时施加的作用力以尽可能短的支承距离且尽可能圆周地承受，这通过包围粘接面73的凸起或粘接面63保证。
用于粘接和粘接剂保险的工作过程如下：
-使标尺13与支架53接触
-在支架53上调整标尺13，其中通过例如通过孔93使气体、如空气加入在标尺13与支架53之间的中间空间实现调整并用于防止在这个状态粘接
-使标尺13顶压在支架53上并由此使标尺13以调整的状态粘接，其中顶压可以通过在标尺13与支架53之间的中间空间的真空(抽真空)实现
-通过支架53中的孔93使粘接剂7加入到粘接面73。
为了避免在测量运行中由于例如由于空气湿度变化引起粘接剂蠕动或膨胀而使标尺13变形，可以将孔93在加入粘接剂7以后空气密封地封闭。也可以通过孔93在完成粘接后将一种具有确定湿度的气体(如氮气或氦气)导入到标尺13与支架53之间的中间空间里面，用于防止粘接剂7老化。
在使用适合的粘接剂7时在维护时可以例如通过加热粘接剂7或者通过借助于确定波长的激光剥离或者通过化学试剂解除粘接剂保险的粘连接。在通过加热解除时可以使加热棒插入孔93，用于局部加热粘接面73。在通过使用化学溶剂解除时可以同样通过孔93加入溶剂。也可以选择或附加地通过孔93在标尺13与支架53之间的中间空间中建立一个压力，用于解除粘连接。
下面的按照图10至19的示例示出有利的变化，它们易于加入粘接剂7。
在按照图10至14的实施例中粘接剂7配量在标尺14或支架54的边缘上并且通过毛细力引入到粘接面74。在榫舌形凸起34的表面64与粘接面74之间的槽形或沟形凹下84防止与粘接面64粘接接触。
通过粘接面64直接在配量通道附近以及在粘接剂部位内部通过粘接面74构成的支承是可靠的。所述凹下84防止粘接剂7与粘接面64接触(防止由于引入粘接剂7而脱开)。
对于按照图15至19的实施例在支架55中加入空隙95，它用于使粘接剂7加入在粘接面75上。粘接剂7通过毛细力从空隙95开始引到粘接面75。由此避免在标尺15的突出部位上的蠕动的粘接点并且粘接剂7不会使突出的标尺15向下拉。
对于所有的实施例所述支架55可以向着边缘具有一个收缩部100。因此该支架55是软的并且一起施加突出的标尺15的变形。由此减少在边缘部位脱开的危险。在图15中示出一个实施例。
所述支架51至55的边缘部位的收缩部100可以具有或没有附加粘接剂固定地用于改善粘接稳定性。
由凸起33至35构成的包围粘接面73至75的定位面63至65应该围绕粘接面73至75尽可能对称地设置。由此同样使刻度表面的变形保持微小。
所述榫舌形的凸起31至35通过直到外边导引的通道200使否则平面的粘接面相互分开(使空气从中间空间逸出；改善粘接特性)。可以设想具有或没有粘接剂停止凹下83，84，85的表面/榫舌/沟槽的不同混合。
为了使结合连接免受外部影响和隐藏，在建立结合连接以后可以使标尺11至15与支架51至55之间的中间空间通过边缘蜡封在标尺11至15的圆周上密封。为此可以使用漆或粘接剂。通过使介质进入中间空间也可以实现保护，为此例如将具有确定特性的气体加入到凸起31至35之间的空间、即加入到通道200里面并且通流这个通道。
在上面所示的示例中相互间隔的凸起31至35以榫舌的形状一体地在标尺11至15上构成。也可以选择或附加地使凸起31至35在支架51至55上构成。所述凸起31至35也可以由涂覆在标尺11至15或支架51至55上的且形成结构的层构成。
所述凸起31至35的形状和布置不受所示实施例的限制。
本发明的所有结合工艺是共用的，要被连接的表面61至65；41至45相互间置于直到几个原子间距，用于或者可以通过Vander-Waals力相互牵引(直接结合)，或者通过建立几个原子层以中间连接的形式可以建立原子的连接(LTB阳极结合)。
在附图中给出的尺寸以mm为单位并且只示例地表示数量级。
Claims (19)
1.一种通过在标尺(11至15)与支架(51至55)之间建立结合连接使标尺(11至15)固定在支架(51至55)上的方法，其特征在于，所述结合连接在标尺(11至15)的多个以两维光栅分布设置的且相互间隔的表面区(61至65)上实现，这些表面区通过至少一个向外导引的通道(200)相互分开，其中，所述结合连接通过直接结合、低温结合或阳极结合实现。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面区(61至65)由凸起(31至35)构成，其中，所述凸起(31至35)设置成在几何形状上均匀地在规则的光栅里面分布或者统计地分布。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面区(61至65)由凸起(3 1至35)构成，所述凸起具有小于标尺(11至15)厚度的相互间距。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，对于结合连接还能够附加地使用以弹簧、固定卡子、磁固定元件、静电卡子或真空固定形式的固定部件或者使用油膜粘附固定或粘接工艺。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述粘接工艺是通过在标尺(11至15)与支架(51至55)之间加入粘接剂(7)的粘接连接。
6.具有标尺的支架，其中标尺(11至15)通过结合被固定在支架(51至55)上，其特征在于，所述结合在标尺(11至15)的多个以两维光栅分布设置的且相互间隔的表面区(61至65)上实现，表面区通过至少一个向外导引的通道(200)相互分开，其中，所述结合连接通过直接结合、低温结合或阳极结合实现。
7.如权利要求6所述的具有标尺的支架，其特征在于，在标尺(11至15)上和/或在支架(51至55)上构成凸起(31至35)，它们形成相互间隔的表面区(61至65)。
8.如权利要求7所述的具有标尺的支架，其特征在于，所述凸起(31至35)设置成在几何形状上均匀地在规则的光栅里面分布或者统计地分布。
9.如权利要求7所述的具有标尺的支架，其特征在于，所述表面区(61至65)由凸起(31至35)构成，所述凸起具有小于标尺(11至15)厚度的相互间距。
10.如权利要求6至9中任一项所述的具有标尺的支架，其特征在于，对于结合连接还能够附加地使用以弹簧、固定卡子、磁固定元件、静电卡子或真空固定形式的固定部件或者使用油膜粘附固定或粘接工艺。
11.如权利要求10所述的具有标尺的支架，其特征在于，所述粘接工艺是粘接连接，其中在标尺(11至155)与支架(51至55)之间设置带有粘接剂(7)的粘接面(73，74，75)。
12.如权利要求7所述的具有标尺的支架，其特征在于，对于结合连接还能够附加地使用粘接工艺，所述粘接工艺是粘接连接，其中在标尺(11至155)与支架(51至55)之间设置带有粘接剂(7)的粘接面(73，74，75)，并且所述凸起(31至35)通过槽形凹部(83，84，85)各与粘接面(73，74，75)分开。
13.如权利要求12所述的具有标尺的支架，其特征在于，所述支架(51至55)使标尺(11至15)直接接触在凸起(31至35)上，粘接面(73，74，75)相对于凸起(31至35)回缩地设置，由此在标尺(11至15)与支架(51至55)之间得到一个用于容纳粘接剂(7)的间隙，并且槽形凹部(83，84，85)相对于粘接面(73，74，75)回缩地设置。
14.如权利要求11至13中任一项所述的具有标尺的支架，其特征在于，在支架(51至55)中具有至少一个孔(93，95)用于使粘接剂(7)加入到粘接面(73，74，75)上。
15.如权利要求11至13中任一项所述的具有标尺的支架，其特征在于，所述粘接面(73，74，75)一直导引到标尺(11至15)和/或支架(51至55)的边缘，并且这样构成，使得粘接剂(7)通过毛细力从边缘到达离开边缘的粘接面(73，74，75)。
16.如权利要求6所述的具有标尺的支架，其特征在于，所述支架(51至55)向着其边缘具有收缩部(100)。
17.标尺，其具有用于固定在支架(51至55)上的固定面，其特征在于，所述固定面由以两维光栅分布设置的且相互间隔的凸起(31至35)构成，其中所述凸起(31至35)分别具有一个可结合的表面区(61至65)用于与支架(51至55)的对应面(41至45)建立结合连接，其中，所述结合连接通过直接结合、低温结合或阳极结合实现。
18.如权利要求17所述的标尺，其特征在于，所述凸起(31至35)设置成在几何形状上均匀地在规则的光栅里面分布或者统计地分布。
19.如权利要求17或18所述的标尺，其特征在于，所述凸起(31至35)具有小于标尺(11至15)厚度的相互间距。
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