DE112006002720B4 - Optische Messskala und laserbasierte Erstellungsmethode dafür - Google Patents

Optische Messskala und laserbasierte Erstellungsmethode dafür Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Bandmessskala zur Verwendung mit einem optischen Positionkodierer, bestehend aus: Erstellung einer Marke der Skala durch Bestrahlung der Oberfläche eines reflektierenden, flexiblen Metallträgermaterials an einer vorher festgelegten Markenposition mit einer Reihe von räumlich überlappenden Pulsen von einem Laser, wobei jeder Puls eine zweidimensionale Punktintensitätsverteilung hat, und jeder Punkt eine Energiedichte von weniger als ca. 1 J/cm2 innerhalb eines 1/e2-Durchmessers der Pulsintensitätsverteilung hat; Änderung der relativen Position des Lasers und des Trägermaterials durch eine Verschiebung, die eine nächste Markenposition auf dem Trägermaterial, an der die nächste Marke der Skala erstellt werden soll, definiert; und Wiederholung der Markenerstellung und Positionsänderungsschritte für aufeinanderfolgende Marken einer Vielzahl von Marken der Skala, wobei die Marken einen Markierungsabstand zueinander im Bereich von 10 bis 50 μm nominal haben, mit einer Abstandsgenauigkeit von ca. 10 μm/m oder höher und einen ausreichenden optischen Kontrast zur Verwendung mit dem optischen Positionskodierer besitzen.

Description

  • HINTERGRUND
  • Diese Erfindung bezieht sich auf die Bildung von lesbaren Präzisionsstrukturen, ein Muster, Marke oder andere Markierungen auf metrologischen und ähnlichen Geräten durch Bestrahlung mit einem Energiestrahl. Sie bezieht sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf die Bildung eines Musters von Marken auf einem Objekt, z. B. Teilstrichstrukturen auf einer Skala zur Verwendung für metrologische Zwecke, zum Beispiel in einem optischen Kodierer.
  • Einige größere Probleme, die bei der Verwendung eines Energiestrahls zur Herstellung einer Oberfläche oder eines Untergrunds eines Materials auftreten, sind: Die Dimensionskontrolle des Energiestrahls hinsichtlich der Oberfläche bzw. des Untergrunds, z. B. um genaue Dimensionen der Marken beizubehalten; Erhalt der korrekten Zyklusdauer, d. h. das Verhältnis der markierten und unmarkierten Oberfläche; Erhalt von einheitlichen Strukturen, d. h. gerade, glatte Ränder der Strukturen und Einheitlichkeit der Oberfläche der Strukturen; die korrekte Auswahl der Strahlparameter, wie zum Beispiel Energieintensität (flächenbezogene Energie) und Dauer der Exposition der Oberfläche bzw. des Untergrunds; und die Anpassung des Markierungsprozesses an verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel Markierung von flachen sowie gekrümmten Oberflächen sowie die Fähigkeit zur Produktion von Muster von Markierungen mit verschiedenen Abstandslängen.
  • Optische Kodierer verwenden typischerweise Skalen, die aus einer Reihe von mit Zwischenräumen angeordneten Marken auf einem Trägermaterial bestehen. Im Fall einer reflektierenden Skala kann die Skala reflektierende Marken aufweisen, die auf einem nicht-reflektierenden Hintergrund gebildet sind, oder umgekehrt. Lichtdurchlässige Skalen können undurchsichtige Marken aufweisen, die auf einem transparenten Trägermaterial gebildet werden, oder umgekehrt. Sowohl reflektierende als auch lichtdurchlässige Skalen wirken mit Licht aus einer optischen Quelle (zum Beispiel eine lichtemittierende Diode (LED) oder Laser) zusammen, um ein optisches Muster zu schaffen, das von einem optischen Detektor erkannt werden kann. Während eine relative Bewegung zwischen der Skala und dem Detektor auftritt, ändert sich das optische Muster in entsprechender Weise und der Detektor und die zugehörigen elektronischen Schaltkreise übersetzen die Musteränderungen in präzise numerische Positionsanzeigen. Skalen des vorstehenden Typs, die unter der Bezeichnung „Amplitudenskalen” bekannt sind, werden auf verschiedene Weise hergestellt, einschließlich eines häufig verwendeten Ansatzes der Ausbildung der Skalenmarken als Metallspuren auf einem Glasträger.
  • US-Patent 5,632,916 legt ein Laserverfahren zur Herstellung von optisch lesbaren Marken auf einer Metalloberfläche, zum Beispiel einem Maschinenteil, offen. Es wird angemerkt, dass vorherige Markierungsverfahren (a) die Eingravierung auf der Oberfläche (Schmelzen, Verdampfung) und (b) die Bereitstellung einer chemischen Reaktion/Veränderung der Mikrostruktur mittels eines Lasers (Erhitzen) umfassten und dass die Eingravierungstechniken dadurch gekennzeichnet, sind dass sie die Originaloberfläche ausbrechen und sich auf einer Ebene befinden, sich unter der Originaloberfläche liegt. Ein Ziel der Erfindung im Patent '916 ist, ein Verfahren zur Herstellung von optisch lesbaren Marken auf einer Metalloberfläche so bereitzustellen, dass die Metalloberfläche im Wesentlichen gleichmäßig ist und einen guten Abrieb- und Korrosionswiderstand trotz der Markierung aufweist.
  • Im Laserverfahren, das im Patent '916 offengelegt wird, wird ein Strahl eines Excimer-Lasers verwendet, um Bereiche auf einer verchromten Oberfläche zu bilden, die als dunklere Bereiche erkennbar sind. Die Metalloberfläche wird einem Laserstrahlimpuls, dessen Energie 1 bis 10 J/cm2, vorzugsweise 3 bis 5 J/cm2, und dessen Dauer 5 ns bis 1 μs, vorzugsweise 15 bis 30 ns, beträgt, ausgesetzt. Ein Einwirkungspunkt des Laserstrahlpulses auf der Metalloberfläche wird in solcher Weise geändert, dass ein neuer Einwirkungspunkt sich mit vorherigen Einwirkungspunkten überschneidet und die Metalloberfläche einem neuen Laserstrahlpuls ausgesetzt wird, so dass ein Bereich der Metalloberfläche eine Farbe erhält, die mit der ursprünglichen Metalloberfläche kontrastiert. Der Effekt verschiedener Markierungsparameter auf die Dunkelheit (Kontrast) einer Marke und die Oberflächenrauigkeit wurde in einem Test untersucht. In einer Ausführungsform ist die Ausbreitung des Randes von aufeinanderfolgenden Pulsen 0,1 mm oder weniger, um einen vorzugsweise einheitlich gefärbten Bereich bereitzustellen. Der Betriebsbereich des Excimer-Lasers, d. h. der Wiederholungsfrequenzbereich der Pulse, liegt bei ca. 1 bis 400 Hz. Das Patent '916 enthält keine Offenlegung der räumlichen Verteilung der Punkt-/Strahlintensität an der Metalloberfläche.
  • In einem Beispiel, das im Patent '916 offengelegt wird, wurde eine harte Chromoberfläche nach der Verchromung so geschliffen, dass der Wert der Oberflächenrauigkeit Ra 0,2 μm oder besser betrug. Die Metalloberfläche wurde hinsichtlich des Strahls so verschoben, dass die Ausbreitung der Metalloberfläche zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen zwischen 0,020 mm und 0,012 mm lag. Die Breite des Strahls auf der Metalloberfläche war 1 mm und die Höhe in der Bewegungsrichtung variierte im Bereich von 0,2 bis 2 mm. Im Beispiel, das in den Figuren abgebildet ist, besteht die Oberflächenschicht aus einem Chromüberzug auf der Oberfläche eines Stahlstabs. Die Dicke dieses Chromüberzugs beträgt ca. 30 μm. Die Dicke der markierten Bereiche beträgt weniger als 1 μm, so dass die Oberfläche im Wesentlichen glatt und auf der gleichen Ebene wie der Rest der Metalloberfläche ist, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass das Material nicht von dieser Oberfläche verdampft ist, zumindest nicht wesentlich. Es ist möglich, dass der Laserstrahlpuls eine sehr dünne Oxidschicht von der Metalloberfläche entfernt. Die gemessenen Oberflächenrauigkeitswerte zeigen, dass das Markierungsverfahren die Oberflächenrauigkeit der harten Chromoberfläche nicht beeinträchtigt. Die Oberflächenrauigkeit ist ungefähr gleich, gemessen vor und nach der Markierung an einer dunklen Linie. Der Effekt der Atmosphäre wurde ebenfalls untersucht und es wurde festgestellt, dass er unerheblich ist.
  • Es ist bekannt, dass es eine Reihe von verschiedenen Mechanismen für die Materialbearbeitung mit gepulstem Laser gibt und dass der Schlüsselfaktor zur Bestimmung des verwendeten Mechanismus vom gewünschten Ergebnis und dem Grundmaterial abhängt. Zum Beispiel können die Metalle als Funktion der Leistung und Pulsperiode chemischen Reaktionen unterzogen, geschmolzen, eruptiv gesiedet, sublimiert oder molekular dissoziiert werden. Kunststoffe können ebenfalls geschmolzen, einer chemischen Reaktion unterzogen und molekular dissoziiert werden, aber oft kommt eine Verkohlung siedenden Eruptionen zuvor. Im Großen und Ganzen laufen diese Prozesse zu einem gewissen Grad in allen Massivmaterialien durch verschiedene Wellenlängen-, Leistungs- und Pulseigenschaften ab.
  • Bei Pulsen im niedrigen Nanosekundenbereich kann das Metallverhalten wie folgt sein. Bei geringen Pulsenergiedichten kann das Material oxidieren oder mit Gasen in der Atmosphäre reagieren und daraufhin seine Farbe andern, und/oder es kann auch aufgrund der Schmelzpunkte und Löslichkeit der verschiedenen Bestandteile neu legiert werden oder innerhalb seiner Materialbestandteile chemisch reagieren. Bei erhöhter Pulsenergiedichte kann die Oberfläche schmelzen und fließen, und geringe Mengen Plasma können erzeugt werden und entweichen. Wenn mehr Material angegriffen wird, können die Materialien anfangen, kräftig zu sieden und große Materialvolumen auszustoßen, wodurch chaotische Felder mit Kratern und Trümmern hinterlassen werden. Wenn die Laserintensität und zugehörige Feldstärke hoch genug sind, wie es bei ultrakurzen Pulsen hoher Intensität auftreten kann, kann ein fast sofortiger Übergang vom festen zum dampfförmigen Zustand stattfinden, in dem eine Materialentfernung auftritt, wobei die Bildung von Schlacken oder Trümmern vermieden wird.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren und Systeme für die Präzisionsverarbeitung eines Werkstücks während der Bewegung eines Werkstücks relativ zu einem Werkzeug, und noch spezifischer auf die Verarbeitung eines Werkstücks mit Hilfe eines Energiestrahls, zum Beispiel eines gepulsten Laserstrahls, zur Bildung von Präzisionsmustern auf dem Werkstück während der Bewegung. Beispielsweise kann das Werkstück ein flexibles Trägermaterial sein und die Verarbeitung kann mit einem Laserstrahl ausgeführt werden, um eine flexible Bandmessskala mit Teilstrichen mit optischem Kontrast zu produzieren.
  • In der in den USA veröffentlichten Patentanmeldung 2005/0045586 (im Folgenden als '5586 bezeichnet) wurde offengelegt, dass die Produktion einer Messskala mit Hilfe von Laserlicht zur Markierung ihrer Oberfläche früher bereits erwogen wurde. Es wird angemerkt, dass im US-Patent Nr. 4,932,131 eine in-situ Schreib- oder Kalibriertechnik verwendet wird. Eine Referenz wird verwendet, um Marken aufzuzeichnen oder etwaige Mängel in der Skala zu korrigieren. Ein Laser wird zum Lesen und Schreiben einer Skala verwendet. In der Patentanmeldung '5586 wurde darauf hingewiesen, dass das Patent '131 das Verfahren dafür nicht offenlegt und auch nicht die Überwindung der thermischen Probleme offenlegt.
  • '5586 legt ebenfalls ein Verfahren zur Produktion von Präzisionsmarken für eine Messskala dar, die eine Vorrichtung verwendet, einschließlich: Ein Skalenträgermaterial zur Markierung durch einen Laser zu wiederholten Zeiten, um so eine Messskala zu bilden; ein Laser, der so betreibbar ist, dass er Lichtpulse zur Bildung von Skalenmarkierungen am Trägermaterial bereitstellt; eine Verschiebungsvorrichtung zur Bewirkung einer relativen Verschiebung zwischen dem Trägermaterial und dem Ort, an dem das Licht auf das Trägermaterial einfällt; und ein Controller zur Kontrolle der relativen Verschiebung und des Lasers; die Methode, die die Schritte umfasst, in jeder geeigneten Reihenfolge: Betrieb des Verschiebungsmechanismus, so dass er eine relative Verschiebung zwischen dem Trägermaterial und dem Licht bewirkt; Verwendung des Controllers zur Kontrolle der relativen Verschiebung und zum Betrieb des Lasers, so dass er Lichtpulse am Trägermaterial produziert; dadurch gekennzeichnet, dass: Der Laser eine Vielzahl von ultrakurzen Ausgangspulsen von einer Fluenz am Trägermaterial produziert, so dass die Messskalenmarken durch Laserablation gebildet werden.
  • Die Veröffentlichung '5586 legt auch eine Laserlicht-Manipulationsvorrichtung offen, einen Verschiebungssensor zur Abtastung der Verschiebung zwischen dem Trägermaterial und dem Ort, an dem das Licht einfällt, und einen Leser zur Ermittlung des Abstands zwischen zwei oder mehr Markierungen auf der Skala, wobei das Verfahren des Weiteren Folgendes umfasst: Ausgabe eines Signals vom Verschiebungssensor zum Controller, Ausgabe eines Signals vom Leser zum Controller; als Antwort auf die Signale vom Sensor und Leser, Verwendung des Controllers zur Kontrolle der Manipulationsvorrichtung, der Verschiebung und des wiederholten Zeitpunkts, an denen der Laser das Trägermaterial abträgt.
  • 2 des Patents '5586 zeigt zwei Andruckrollen 20 und 22, die zur Zuführung des Bandes (das bis zur Station 100 eine konstante Spannung hat) verwendet werden. Andruckrolle 20 wird mit einer ungefähr konstanten Rate angetrieben, aber außer einer steuerbaren Spannungsversorgung braucht keine Geschwindigkeitsregelung verwendet zu werden. Die Andruckrolle 22 weist zwei Rotations-Kodiererringe 24 auf, die daran befestigt sind oder darauf markiert sind. Zwei Leser 26 lesen die Kodierermarkierungen, um einem Maschinencontroller (200 1) zwei Signale zu liefern, so dass ein Durchschnitt der beiden verwendet werden kann, um dem Controller einen Bandverschiebungswert zu liefern. Dieses gemittelte Bandverschiebungssignal am Maschinencontroller 200 wird per Software verwendet, um die Einbrennung des Bandmarkierungslasers 21 zu steuern.
  • Zusätzlich legt '5586 ein System von zwei oder mehr Skalenlesern offen; in diesem Fall werden zwei Leser 23a und 23b verwendet, um die Skala zu lesen, die von Laser 21 erzeugt wird. Die Leser 23 werden in einem vorher festgelegten Abstand L voneinander entfernt angeordnet und somit können alle Fehler im Abstand der Markierungen festgestellt werden und die softwaregesteuerte Einstellung der Lasereinbrennrate kann vorgenommen werden, falls angebracht. Selbst wenn die Temperatur im laserbestrahlten Bereich leicht ansteigt, bleibt die Temperatur an den Lesern konstant, und dann kann jede leichte Erhitzung durch das Laserlicht ausgeglichen werden, indem der Skalenabstand im laserbestrahlten Bereich erhöht wird.
  • Das japanische Patent 5169286 (auf der Grundlage der erhaltenen beglaubigten Übersetzung), das auch in '5586 zitiert wird, zeigt ein Verfahren zum Erhalt einer Markierung auf, die senkrecht zur Bewegungsrichtung einer Messskala, die mit einem Laser markiert wird, verläuft. Wie in der Zeichnung gezeigt, umfasst das System Folgendes: einen Laseroszillator, einen Umlenkspiegel, eine f-θ-Linse, einen Auslöser, eine Verschiebungsvorrichtung, einen beweglichen Tisch, einen Motor, Kodierer, Skalenelement, ersten Controller, zweiten Controller. Es enthält eine Vorrichtung zur Markierung eines Skalenstrichs durch Bestrahlung der vorderen Oberfläche eines zu skalierenden Elements, das in die Skalenrichtung mit einer konstanten Geschwindigkeit mit einem Laserstrahl transportiert wird, der von einem Scanner abgetastet wird, wobei der Scanner mit einem Controller ausgestattet ist, der den Scanner so betreibt, dass der Ort, der durch den Laserstrahl bestrahlt wird, in einer Richtung bewegt wird, dass er einen Winkel θ mit der Richtung der Transportgeschwindigkeit V des Elements bei einer Geschwindigkeit von V/cos θ bildet. Das System ist mit einem Controller ausgestattet, der den Scanner so betreibt, dass der Ort, der vom Laserstrahl bestrahlt wird, in einer Richtung bewegt wird, die einen Winkel θ mit der Richtung der Transportgeschwindigkeit V des Elementes bei einer Geschwindigkeit von V/cos θ bildet, dass die Laserstrahlbestrahlung an einem Zeitpunkt gestartet wird, der der Startposition des zu markierenden Skalenstrichs entspricht, und dass diese Laserstrahlbestrahlung nach Ablauf einer Zeitspanne, die der Länge des Skalenstrichs entspricht, beendet wird. Der Startpunkt der Laserstrahlbestrahlung entspricht einem Positionssignal, das abgegeben wird, wenn das zu skalierende Element eine vorgeschriebene Position erreicht. Der Ort, der vom Laserstrahl bestrahlt wird, bewegt sich in eine Richtung, die einen Winkel θ mit der Richtung der Transportgeschwindigkeit V des zu skalierenden Elementes bei einer Geschwindigkeit von V/cos θ bildet, so dass die Skalenstriche auf dem zu skalierenden Element in einer zur Skalenrichtung orthogonalen Richtung markiert werden; die Richtung, in der der Laserstrahl vom Umlenkspiegel abgetastet wird, ist nicht orthogonal zur Skalenrichtung, sondern bildet einen vorgeschriebenen Winkel, wie an späterer Stelle beschrieben, und ein zweiter Controller wird anstelle des ersten Controllers verwendet. Außerdem unterscheidet sich diese Ausführungsform in Bezug auf den Betrieb vom Beispiel des Stands der Technik dadurch, dass: die Skalenplatte 9 fortlaufend bei einer konstanten Geschwindigkeit transportiert wird; eine vorgeschriebene Beziehung zwischen der Transportgeschwindigkeit der Skalenplatte, der Geschwindigkeit, mit der der Umlenkspiegel abgetastet wird, und der Abtastrichtung festgelegt wird; und die Art und Weise, in der die zeitliche Koordinierung der Laserstrahlemission bestimmt wird, vordefiniert ist.
  • US-Patent 5,741,381 beschreibt ein Kennzeichnungssystem und ein Kennzeichungsverfahren. 8 und 10 zeigen einen Radiussensor, der Radiusdaten an einen Prozessor liefert, um die Drehgeschwindigkeit eines Motorantriebs und einen Radius einer Walze in eine lineare Zuführungsrate umzusetzen. Ein alternativer optischer Sensor liest Registrationsindikatoren.
  • US 2005/0045586 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur laserbasierten Erzeugung von Markerpositionen auf einem Werkstück aus einem Metallstreifen. Das Material im Bereich der Markerposition wird durch die Laserbestrahlung von dem Werkstoff entfernt. Der Vorschub des Werkstücks geschieht durch Zuführ- und Aufnahmespindeln mittels Zugspannung. Im Arbeitsbereich der Vorrichtung wird das Werkstück durch eine schienenförmige Halterung positioniert, in der auch eine weitere Vortriebsspindel integriert ist.
  • In US 5,611,272 wird eine Vorrichtung zum Einbringen von Marken in eine Folie beschrieben. Die Vorrichtung besitzt eine Zuführ- und Aufnahmespindel sowie ein Scheibendrehspindel. Die Einprägung der Marken erfolgt mechanisch.
  • Aus US 2005/0211680 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Marken auf einem Werkstück mittels Laserstrahlung bekannt. Der Vorschub des Werkstücks wird durch einen in alle drei Raumrichtungen beweglichen Verfahrtisch vorgenommen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine optische Messskala und ein laserbasiertes Verfahren zur Herstellung einer solchen Skala werden offengelegt. Insbesondere haben die Erfinder Parameter und eine Vorrichtung zur Verwendung eines Nanosekunden-Pulslasers in einem nicht chaotischen Prozesssystem zur Herstellung von Teilstrichen auf einer Präzisionsmessskala gefunden, die frei von thermischen Verformungen und von hoher Definition und Kontrast sind (d. h. lokale Toleranzen von weniger als ca. 1 μm aufweisen).
  • In einer Hinsicht ist die offengelegte Messskala eine flexible Bandmessskala, wobei die Bandskala ein Metall umfasst. Die Skala umfasst erste und zweite Oberflächenbereiche mit optischem Kontrast. Die Maßabweichung entlang eines Randes, der den ersten und zweiten Bereich trennt, ist wesentlich geringer als die Breite der Struktur. Ein Oberflächenprofil der Struktur kann vorstehende Materialteile umfassen, die sich über die durchschnittliche Höhe des die Struktur umgebenden Oberflächenteils ertrecken, und eingerückte Materialteile unter der durchschnittlichen Höhe des umliegenden Oberflächenteils. Der Bereich der vorstehenden und eingerückten Materialteile kann ungefähr gleich sein; darin wird Material während der Ausbildung der Struktur in Folge des Schmelzens verschoben und ein wesentlicher Materialauswurf aus der Struktur vermieden. Daher ergibt die Verschiebung von Trägermaterial einen optischen Kontrast, aber die Menge des verschobenen Materials ist nicht so groß, dass sie die Bildung einer mangelhaft ausgebildeten, chaotischen Struktur bewirkt, die die Lesbarkeit der Messskala beeinträchtigt. Beispielsweise umfasst eine Skala Strukturen mit 20 μm Abstand, die durch einen ersten und zweiten Oberflächenbereich mit optischem Kontrast gekennzeichnet sind, wobei die relative Tiefe des ersten und des zweiten Oberflächenbereichs unter ca. 1,5 μm liegt und eine Variation am Rand des ersten und zweiten Bereichs aufweist, die nicht größer als ca. 1 um entlang der Länge der Struktur ist. Strukturen mit größerem oder kleinerem Abstand können proportionale Strukturmaße haben, wobei z. B. die 10-um-Stufe flacher und die 40-um-Stufe tiefer ist.
  • Noch spezifischer ist die Messskala eine reflektierende Skala, die ein Metallträgermaterial mit einem auf dessen reflektierender Oberfläche gebildeten Skalenmuster umfasst, wobei das Skalenmuster eine Vielzahl von länglichen nebeneinander liegenden Marken umfasst, die von reflektierenden Oberflächenbereichen des Trägermaterials umgeben sind. In einer Ausführungsform hat jede Marke einen im allgemeinen gefurchten Querschnitt mit einem mittleren Bereich unterhalb einer mittleren Höhe der Oberfläche des Trägermaterials und zwei äußere Kammbereiche oberhalb der mittleren Höhe der Oberfläche des Trägermaterials, wobei der mittlere und der äußere Kammbereich eine Markentiefe im Bereich von ca. 0,5 μm bis ca. 2 μm definieren.
  • Außerdem kann die Messskala Mikrostrukturen umfassen, die durch eine thermische Wechselwirkung des Lasermaterials gebildet werden und die weiterhin eine Abhängigkeit von Laserwellenlänge und Laserpolarisierung, und zwar mindestens einer von beiden, aufweisen. Der mittlere Bereich jeder Marke kann wellig mit einer Wellenhöhe von unter ca. 20% der Markentiefe sein. Die Messskala kann Strukturen mit einer dunklen Farbe haben, die in Folge der thermischen und chemischen Wechselwirkung, und zwar mindestens einer von beiden, gebildet werden und die ein optisches Reflektionsverhältnis hinsichtlich der umliegenden reflektierenden Oberflächenbereiche des Trägermaterials von ca. 1:4 oder weniger (z. B. 1:6) bereitstellen. Die Skala kann auf einem Trägermaterial einer nickelbasierten Metalllegierung, die zum Beispiel unter den Handelsnamen Invar® oder Inconel® bekannt ist, gebildet sein oder sie kann die Form eines dünnen und länglichen flexiblen Bandes haben.
  • In einer anderen Hinsicht wird ein Hochgeschwindigkeitsverfahren zur Herstellung von wohlgeformten Strukturen auf einem Trägermaterial offengelegt. Das Verfahren umfasst die Bestrahlung des Trägermaterials mit einer Reihe von Laserpulsen mit einer hohen Wiederholungsrate. Die Reihe der Pulse treffen auf das Trägermaterial über einer zugehörigen Reihe von räumlich überlappenden Punkten auf, wobei jeder Punkt eine Intensitätsverteilung hat, und die Reihe der auftreffenden Pulse transportieren ausreichend Energie, um einen Teil des Trägermaterials zu modifizieren und die gerichtete Reflexion des Trägermaterials zu ändern, wobei ein optischer Kontrast zwischen den Marken und den umliegenden Trägermaterialteilen erzielt wird. Die Energie ist ebenfalls außerhalb eines Bereichs, der die Bildung einer mangelhaft ausgebildeten, chaotischen Struktur bewirkt. Die transportierte Energie kann ausreichend hoch sein, um das Schmelzen des Metalls zu verursachen, während sie ausreichend niedrig ist, um die Erhitzung des Metalls auf eine Temperatur zu verhindern, die ein Sieden des Metalls bewirkt. Der zeitliche Abstand zwischen mindestens einigen aufeinander folgenden Pulsen der Reihe kann einer Pulswiederholungsrate von mindestens 20 kHz entsprechen.
  • Die Änderung der Reflexion kann eine Farbänderung innerhalb des modifizierten Oberflächenteils umfassen und kann durch eine chemische Reaktion verursacht werden. Bei Betrachtung mit heller Feldbeleuchtung kann eine Farbe eines Abschnitts innerhalb des modifizierten Teils entlang einer ersten Richtung im Wesentlichen einheitlich sein, und entlang einer zweiten Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung ist, im Wesentlichen fein variieren. Mindestens einer der modifizierten und nicht-modifizierten Bereiche kann einen schmalen Übergangsbereich umfassen, in dem eine schnelle Reflexionsänderung erkennbar ist, und eine Maßabweichung des Übergangsbereichs kann im Wesentlichen geringer sein als die Breite des modifizierten Oberflächenteils entlang von mindestens einem Teil des Übergangsbereichs.
  • Der bearbeitete Bereich kann mit heller Feldbeleuchtung betrachtet werden und der optische Kontrast zwischen dem modifizierten und unmodifizierten Teil kann gemessen werden bei (Imax – Imin)/(Imax + Imin) und kann mindestens 10:1 sein. Der Bereich der annehmbaren Laserbestrahlung (Watt/cm2) kann stark variieren, zum Beispiel um mehr als 4:1, und annehmbare Ergebnisse produzieren, solange die Pulsfluenz gut gesteuert wird. Die Pulsbreite kann ebenfalls stark variieren, zum Beispiel ebenfalls über 4:1. Die Skala der Struktur wird stark von der Anzahl der überlappenden Pulse, die in der Bearbeitung eines Bereichs verwendet werden, und die Pulseigenschaften Bestrahlungsstärke, Dauer und Fluenz beeinflusst.
  • Es wurde ermittelt, dass, für einen Laserstrahl mit kurzem Puls, die Energiedichte für die Produktion einer wohlgeformten Struktur ungefähr an der Schmelzgrenze in einem Einzelpuls liegt. Des Weiteren können durch schnelle Überlappung vieler Pulse relativ große Strukturen geschaffen werden, ohne dass chaotische Prozesse eingeleitet werden. Eine Energiemenge zur gleichmäßigen Schmelzung und Bildung eines dünnen Films von Schmelzmetall mit jedem Puls, der unter dem Laser fließt, wird bevorzugt, um die Schaffung einer chaotischen Verteilung des Metalls oder, noch schlimmer, Bewirkung von Sieden zu vermeiden. Spezifische Beispiele der gewünschten Bearbeitungsparameter werden hier aufgezeigt.
  • Es wurde auch beobachtet, dass bei Ansteigen der Fluenz über den Schwellwert der Schmelzung des Metalltägermaterials hinaus Mikrostrukturen von der Größenordnung der Laserwellenlänge mit Orientierung relativ zur Laserpolarisierung gebildet werden, und zwar durch mehrere aufeinanderfolgende überlappende Pulse, wobei eine Änderung der Oberflächenfarbe durch eine chemische Reaktion erfolgt. Durch die weitere Erhöhung der Energiedichte werden die Mikrostrukturen auf der glatten Furchenstruktur umgestaltet. Bei einer noch größeren Energiedichte wird nur eine glatte Furchenstruktur erzeugt. Es wurde auch festgestellt, dass die räumliche Verteilung der Punktintensität ein wichtiges Kennzeichen des Verfahrens sein kann.
  • Das Herstellungsverfahren umfasst die wiederholten Schritte (1) der Erstellung einer Marke auf einer Skala durch Bestrahlung der Oberfläche des reflektierenden Metallträgermaterials an einer vorher festgelegten Markenposition mit einer Reihe von überlappenden Pulsen aus einem Laser. Jeder Lichtpuls hat eine Energiedichte von unter ca. 1 Joule pro Quadratzentimeter über einem Punktbereich, der durch den 1/e2-Durchmesser begrenzt wird, und (2) Änderung der relativen Position des Lasers und des Trägermaterials durch eine Verschiebung, die eine nächste Markenposition auf dem Trägermaterial, an dem eine nächste Marke der Skala geschaffen werden soll, definiert. Im Fall einer linearen Skala sind die Marken im Wesentlichen parallel in einer Richtung, die im Allgemeinen orthogonal zur langen Achse der Skala verläuft. Das Metallträgermaterial kann eine nickelbasierte Metalllegierung, die zum Beispiel unter den Handelsnamen Invar® oder Inconel® bekannt ist, sein und sie kann ausreichend dünn und länglich sein, um die Form eines flexiblen Bandes anzunehmen. Das Verfahren kann auch zur Herstellung von Drehskalen mit radial verlaufenden Marken verwendet werden.
  • In mindestens einer Ausführungsform wird eine Struktur geschaffen, indem das Trägermaterial mit Laserpulsen bestrahlt wird, wobei jeder Puls Folgendes hat: Pulsbreite (gemessen am halben Maximum) im Bereich von ca. 10–40 Nanosekunden, eine Punktverteilung (gemessen über den 1/e2-Durchmesser) mit einer Energiedichte im Bereich von ca. 0,1–1 J/cm2, und mindestens einige Pulse, die räumlich ca. 10–50 mal überlappen, wobei die Pulse mit einer Rate von ca. 100 kHz oder höher erzeugt werden. In mindestens einer Ausführungsform wird eine gefurchte Struktur produziert, die in einem optischen Kontrast von mindestens 4:1 resultiert. Die Laserpulse können eine nicht kreisförmige Polarisierung mit einer Orientierung von ca. 0 Grad oder ca. 90 Grad zur Länge der Struktur verwenden.
  • Wohl bekannte Bandtransportsysteme verwenden oft Andruckrollen und verschiedene Verfahren zur mechanischen Kontrolle der Spannung im Band. Diese Ansätze sind gut geeignet für Bandtransportanwendungen mit geringer Genauigkeit, wo winzige Abweichungen der Walzenradien, Kugellager-Signaturen und mechanischen Reibung mit Führungswalzen Fehler erzeugen, die zu gering sind, als dass sie für die Anwendung von Belang sind. Für die Herstellung einer Präzisionsmessskala, einer Präzisions-Ruling-Engine-Anwendung, gibt es eine Nachfrage nach höherer Präzision, die nur erhalten werden kann, wenn jegliche Quelle mechanischer Reibung während des Schreibprozesses eliminiert wird. Zum Beispiel ist es eine wünschenswerte Spezifikation, eine absolute Abstandsgenauigkeit von 10 Mikron/Meter (10 μm/m) oder besser einer kompletten Rolle eines flexiblen Metallbandes zu erhalten, das typischerweise eine Länge von 30 m oder mehr aufweist. Außerdem sollte beim Schreiben des Bandes die Präzision sowohl für kurze als auch lange Zeitdauern aufrecht erhalten bleiben. Diese und andere Erwägungen sind besonders relevant im Design eines Hochgeschwindigkeitssystems zur Bestrahlung eines Trägermaterials zur Herstellung einer solchen flexiblen Präzisionsbandmessskala.
  • In einer allgemeinen Hinsicht werden ein System und ein Verfahren zur Verarbeitung eines Werkstücks mit einem flexiblen Trägermaterial offengelegt. Das System umfasst ein Werkzeug, das gesteuert wird, um eine Wechselwirkung mit dem Trägermaterial, die sich auf das Material auswirkt, zu bewirken, sowie eine Schreib-Drehspindel, die auf einem Luftlager gelagert ist, zur Positionierung des flexiblen Trägermaterials relativ zum Werkzeug. In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Werkzeug einen gepulsten Laser, der auf ein Trägermaterial auftrifft und eine physische Eigenschaft des Trägermaterials modifiziert.
  • In einer Hinsicht ist das offengelegte Werkstück eine flexible Bandmessskala, die mindestens zum Teil aus Metall hergestellt sein kann. Die Skala umfasst erste und zweite Oberflächenbereiche mit optischem Kontrast. Die Maßabweichung entlang eines Randes, der den ersten und zweiten Bereich trennt, ist wesentlich geringer als die Breite der Struktur. Ein Oberflächenprofil der Struktur kann vorstehende Materialteile umfassen, die sich über die durchschnittliche Höhe des die Struktur umgebenden Oberflächenteils ertrecken, und eingerückte Materialteile unter der durchschnittlichen Höhe des umliegenden Oberflächenteils. Der Bereich der vorstehenden und eingerückten Materialteile kann ungefähr gleich sein; darin wird Material während der Ausbildung der Struktur in Folge des Schmelzens verschoben und ein wesentlicher Materialauswurf aus der Struktur vermieden. Daher ergibt die Verschiebung von Trägermaterial einen optischen Kontrast, aber die Menge des verschobenen Materials ist nicht so groß, dass sie die Bildung einer mangelhaft ausgebildeten, chaotischen Struktur bewirkt, die die Lesbarkeit der Messskala beeinträchtigt. Beispielsweise umfasst eine Skala Strukturen mit 20 μm Abstand, die durch einen ersten und zweiten Oberflächenbereich mit optischem Kontrast gekennzeichnet sind, wobei die relative Tiefe des ersten und des zweiten Oberflächenbereichs unter ca. 1,5 μm liegt und eine Variation am Rand des ersten und zweiten Bereichs aufweist, die nicht größer als ca. 1 μm entlang der Länge der Struktur ist. Strukturen mit größerem oder kleinerem Abstand können proportionale Strukturmaße haben, wobei z. B. die 10-um-Stufe flacher und die 40-um-Stufe tiefer ist.
  • Noch spezifischer kann die Messskala eine reflektierende Skala sein, die ein Metallträgermaterial mit einem auf dessen reflektierender Oberfläche gebildeten Skalenmuster umfasst, wobei das Skalenmuster eine Vielzahl von länglichen nebeneinander liegenden Marken umfasst, die von reflektierenden Oberflächenbereichen des Trägermaterials umgeben sind. In einer Ausführungsform hat jede Marke einen im allgemeinen geriffelten Querschnitt mit einem mittleren Bereich unterhalb einer mittleren Höhe der Oberfläche des Trägermaterials und zwei äußere Kammbereiche oberhalb der mittleren Höhe der Oberfläche des Trägermaterials, wobei der mittlere und der äußere Kammbereich eine Markentiefe im Bereich von ca. 0,5 μm bis ca. 2 μm definieren.
  • Eine Messskala, die mit dem oben dargelegten Verfahren hergestellt wird, und ein System zur Ausführung des Verfahrens werden offengelegt. In einer Ausführungsform kann die Messskala ein reflektierendes Diffraktionsgitter sein.
  • In einer Hinsicht wird ein System zur Herstellung einer Messskala auf einem flexiblen Metallträgermaterial offengelegt. Das System umfasst eine steuerbare Energiequelle zur Modifikation des Trägermaterials, um dadurch Skalenteilstriche zu bilden; eine Schreib-Drehspindel, die auf einem Luftlager gelagert ist, zur Positionierung des Trägermaterials relativ zu einem Ort, wo die aus der Quelle emittierte Energie auf das Trägermaterial trifft; und mindestens einen Controller, der mit der Spindel und der Quelle zur Koordination der Abgabe von Strahlungsenergie an das Trägermaterial verbunden ist.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein System zur Herstellung einer Messbandskala auf einem flexiblen Trägermaterial. Das System umfasst: eine gepulste Laserquelle, ein Strahlabgabesystem, das Quellenenergie annimmt und Energie an das flexible Trägermaterial abgibt; eine Präzisions-Schreibspindel zwischen einer Eingabespindel und einer Ausgabespindel, wobei jede der Spindeln auf entsprechenden Luftlagern gelagert sind und jede Spindel auch mindestens einen Teil des Trägermaterials unterstützt; eine oder mehrere Sonden zur Überwachung von mindestens einem Parameter, der sich auf eine Position bezieht, an der der Energiestrahl auf das Trägermaterial trifft; und mindestens ein Controller, der die Bewegung des Trägermaterials mit der Abgabe der Laserenergie an das Trägermaterial auf der Grundlage von mindestens den Informationen, die von einer oder mehreren Sonden erhalten werden, koordiniert.
  • In mindestens einer Ausführungsform bewirkt die Schreib-Drehspindel eine relative Verschiebung zwischen dem Trägermaterial und dem Ort, an dem die Energie auf das Trägermaterial einfällt; die Spindel bleibt feststehend (relativ zum Trägermaterial) und in engem thermischen und mechanischen Kontakt mit dem Trägermaterial lange vor und nach der Abgabe der Energie an das Trägermaterial, um Wärme aus dem Trägermaterial abzuleiten. Das System kann weiterhin eine wesentliche Trommel auf der Spindel zur Fixierung des Trägermaterials und Ableitung der übermäßigen Prozesswärme umfassen.
  • Das System kann auch ein Eingabespule umfassen, die das flexible Trägermaterial unterstützt, sowie eine Zuführspindel, die mit der Eingabespule gekoppelt ist, die die Eingabespule und das Trägermaterial drehbar unterstützt, wobei die Eingabespule auf einem Luftlager gelagert ist und betreibbar ist, um einen Teil des flexiblen Trägermaterials zur Schreibspindel zu transportieren.
  • Das System kann auch eine Ausgabespule, die das flexible Trägermaterial unterstützt, und eine Ausgabespindel, die mit der Ausgabespule gekoppelt ist, umfassen, wobei die Ausgabespindel auf einem Luftlager gelagert ist und so betreibbar ist, dass sie einen Teil des flexiblen Trägermaterials anschließend an die Abgabe der Energie an das Trägermaterial annimmt.
  • Mindestens ein entsprechender Spindelkodierer, der mit jeder Spindel gekoppelt ist, produziert ein Signal in Bezug auf die Bewegung der Spindel zur Steuerung der Bewegung der Spindel mit dem mindestens einen Controller.
  • Der mindestens eine Controller kann ein Steuersignal in Reaktion auf abgetastete Informationen von der Schreibspindel bereitstellen, zum Beispiel Spindelposition, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Drehmomentinformationen in Bezug auf mindestens die Schreibspindel.
  • Das System kann eine berührungsfreie Radiusmesssonde zur Messung einer Oberfläche der Schreibspindel umfassen, und zwar zur Erkennung von mindestens einer Abweichung im Radius der Schreibspindel sowie auch zur Erkennung einer Abweichung, die einen Radius der Schreibspindel und eine Dicke eines Teils des auf einer Spindel gelagerten Trägermaterials umfasst, sowie zur Bereitstellung eines Signals in Bezug auf den mindestens einen Radius.
  • Die Radiusmesssonde kann erste und zweite Kapazitätssensoren umfassen, die durch ein Element mit einem wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, zum Beispiel INVARTM, gekoppelt sind, wobei der erste Sensor zur Abtastung einer Oberfläche in der Nähe der Mitte der Spindel dient und der zweite Sensor zur Abtastung einer Oberfläche, von der der Radius der Spindel und durch die Spindel unterstütztes Band messbar sind, dient, wobei die Signale von der ersten und zweiten Sonde für eine hochstabile Differential-Radiusmessung sorgen.
  • Die Radiussonde kann eine Oberfläche während eines Zeitintervalls vor der Bestrahlung des Teils und auch während eines Zeitintervalls, wenn das Teil mit der Schreibspindel positioniert wird, abtasten.
  • Ein Steuersignal kann von einem Signal abgeleitet werden, das von der Radiusmesssonde bereitgestellt wird, um sowohl Kurzzeit- als auch Langzeitabweichungen, die sich auf eine Position des auf das Trägermaterial auftreffenden Energiestrahls bezieht, auszugleichen.
  • In mindestens einer Ausführungsform kann die mindestens eine Sonde eine Temperatursonde, einen Radiussensor, eine Vielzahl von optischen Kodierern oder einen einzigen optischen Kodierer umfassen.
  • In mindestens einer Ausführungsform kann jede Spindel funktionsfähig an einem entsprechenden Spindelcontroller angeschlossen sein, wobei jeder Controller in einem Geschwindigkeits-Steuermodus betrieben wird und eine Ausgabe produziert, die für die Geschwindigkeit der Spindel repräsentativ ist, und auch eine Ausgabe produziert, die für das Drehmoment eines Antriebsmotors, der die Spindel antreibt, repräsentativ ist.
  • Mindestens eine Ausführungsform kann ein Mittel zur Schätzung eines kombinierten Radius der Schreibspindel und des von der Schreibspindel unterstützten Bandes sowie ein Spannungsregelungsmittel, das funktionsfähig am Abschätzungsmittel zur Spannungskontrolle des Trägermaterials während der Bewegung des Trägermaterials angeschlossen ist, umfassen.
  • Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein System zur Herstellung einer Messbandskala auf einem flexiblen Trägermaterial. Das System umfasst: eine gepulste Laserquelle, ein Strahlabgabesystem, das Quellenenergie annimmt und Energie an das flexible Trägermaterial abgibt; eine Präzisions-Schreibspindel zwischen einer Eingabespindel und einer Ausgabespindel, wobei jede der Spindeln auf entsprechenden Luftlagern gelagert sind und jede Spindel auch mindestens einen Teil des Trägermaterials unterstützt; berührungsfreie Radiumesssonde zur Überwachung eines Spindelradius, der sich auf eine Position bezieht, an der der Energiestrahl auf das Trägermaterial auftrifft; und mindestens ein Controller, der die Bewegung des Trägermaterials mit der Abgabe der Laserenergie an das Trägermaterial auf der Grundlage von mindestens den Informationen, die von einer oder mehreren Sonden erhalten werden, koordiniert. Die Messskala wird erstellt durch Bestrahlung des flexiblen Trägermaterials mit Laserpulsen, wobei jeder Puls Folgendes hat: Pulsbreite (gemessen am halben Maximum) im Bereich von ca. 10–40 Nanosekunden, eine Punktverteilung (gemessen über den 1/e2-Durchmesser) mit einer Energiedichte im Bereich von ca. 0,1–1 J/cm2, und mindestens einige Pulse, die räumlich ca. 10–50 mal überlappen, wobei die Pulse mit einer Rate von ca. 100 kHz oder höher erzeugt werden. In mindestens einer Ausführungsform wird eine gefurchte Struktur produziert, die in einem optischen Kontrast von mindestens 4:1 resultiert. Die Laserpulse können eine nicht kreisförmige Polarisierung mit einer Orientierung von ca. 0 Grad oder ca. 90 Grad zur Länge der Struktur verwenden. Eine berührungsfreie Radiusmesssonde wird zur Messung einer Oberfläche der Schreibspindel verwendet, und zwar zur Erkennung von mindestens einer Abweichung im Radius der Schreibspindel sowie auch zur Erkennung einer Abweichung, die einen Radius der Schreibspindel und eine Dicke eines Teils des auf einer Spindel gelagerten Trägermaterials umfasst, sowie zur Bereitstellung eines Signals in Bezug auf den mindestens einen Radius. Die Radiusmesssonde kann erste und zweite Kapazitätssensoren umfassen, die durch ein Element mit einem wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, zum Beispiel INVARTM, gekoppelt sind, wobei der erste Sensor zur Abtastung einer Oberfläche in der Nähe der Mitte der Spindel dient und der zweite Sensor zur Abtastung einer Oberfläche, von der der Radius der Spindel und durch die Spindel unterstütztes Band messbar sind, dient, wobei die Signale von der ersten und zweiten Sonde für eine hochstabile Differential-Radiusmessung sorgen. Die resultierende Messskala hat einen Abstand von 10–50 μm nominal, mit einer Abstandsgenauigkeit von ca. 10 μm/m oder besser und ausreichenden optischen Kontrast, der zur Verwendung mit optischen Kodiereren ausreichend ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorstehenden und anderen Objekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen der Erfindung deutlich, die in den begleitenden Zeichnungen illustriert werden, wobei gleiche Referenzzeichen sich auf die gleichen Teile in allen verschiedenen Ansichten beziehen. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; die Betonung liegt stattdessen auf der Illustration der Grundsätze der Erfindung.
  • 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils einer optischen Messskala gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm eines laserbasierten Systems zur Herstellung der Skala in 1;
  • 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Verwendung des Systems in 2 zur Herstellung der Skala in 1;
  • 4 (bestehend aus 4(A) und 4(B)) ist ein Diagramm, das zwei alternative Muster darstellt, die von einem Laserstrahl während des Verfahrens in 3 verfolgt werden können;
  • 5 ist ein Diagramm, das die räumliche Intensitätsverteilung in einem Laserstrahlpunkt im Verfahren in 3 illustriert;
  • 6 (bestehend aus 6(A) und 6(B)) ist ein Diagramm, das die Intensitätsprofile des Laserstrahlpunkt-Teils aus 5 in X-Richtung und Y-Richtung zeigt;
  • 7 ist ein Diagramm, das die ungefähre zeitliche Intensitätsverteilung des Laserstrahlpunkts in 5 illustriert;
  • 8 ist ein Diagramm, das eine Skalenmarke, die mit dem Verfahren in 3 hergestellt wurde, darstellt;
  • 9 (bestehend aus 9(A) bis 9(J)) ist eine Reihe von mit einem optischen Mikroskop und Hellfeldbeleuchtung erhaltenen mikroskopischen Bildern von Teilen von Beispielskalenmarken auf einem Trägermaterial, die mit einem System und Verfahren wie denen in 2 und 3 für verschiedene Laserparameter hergestellt wurden;
  • 10 (bestehend aus 10(A) und 10(B)) umfasst ein Bild eines der Skalenabschnitte in 9, das mit einem Rasterkraftmikroskop erhalten wurde, und eine Grafik, die die kreuzweise Topographie der Skalenmarken illustriert;
  • 11 ist ein mit einem Rasterkraftmikroskop erhaltenes Bild eines der Skalenabschnitte in 9, das die längsgerichtete Topographie der Skalenmarken illustriert;
  • 12 ist ein Bild eines der Skalenabschnitte von 9, das mit einem Rasterelektronenmikroskop erhalten wurde;
  • 13 ist ein Diagramm, das die kreuzweise Topographie und relevanten Maße einer Beispielskalenmarke illustriert;
  • 14 ist ein Plot der Laserpulsintensität (Strahlungsintensität) gegen die Interaktionszeit für mehrere der Beispielskalenmarken in 9;
  • 15 ist ein Plot der Laserpulsintensität (Strahlungsintensität) gegen die Laserpulsenergiedichte (Fluenz) für mehrere der Beispielskalenmarken in 9;
  • 16 (die 16(A) und 16(B) umfasst) umfasst zwei Bilder von Abschnitten der Skalen in 9, die mit einem Rasterelektronenmikroskop erhalten wurden;
  • 17 ist eine schematische Illustration eines optischen Kodierers, der zwei Lichtquellen zur Beleuchtung verschiedener Spuren verwendet; und
  • 18 ist eine schematische Illustration des Layouts eines Skalenträgermaterials für den optischen Kodierer in 17, wobei ein abgedunkelter Bereich verwendet wird, der durch ein System und ein Verfahren wie die in 2 und 3 gebildet wurde;
  • 19 ist ein Blockdiagramm, das mehrere Komponenten eines Systems für Werkstückbearbeitung aufzeigt;
  • 20 ist ein Blockdiagramm, das mehrere Komponenten eines Systems zur Laserbearbeitung eines flexiblen Werkstücks zur Bildung einer Messbandskala zeigt;
  • 21 ist ein Diagramm eines Teils einer Messskala, die mit dem System in 20 gebildet wurde;
  • 22 illustriert einen Teil des Systems in 20 in größerem Detail;
  • 23 illustriert typische Befehlssignale, die an einen optischen Scanner und einen gepulsten Laser im System in 20 geliefert werden;
  • 24 ist ein Diagramm, das aufzeigt, wie eine einzelne Skalenmarke auf einer Bandskala hergestellt wird, während sie auf einer Schreibspindel gemäß dem offengelegten Skalenherstellungsverfahren bewegt wird;
  • 25 ist ein Blockdiagramm des Systems in 20, das weitere Details von Signalen aufzeigt, die zwischen einem Echtzeitcontroller und Spindeln eines Materialtransportsystems verwendet werden;
  • 26 ist eine Nahaufnahme eines Schreibspindelteils des Systems in 25;
  • 27 ist ein Blockdiagramm, das die Gesamtstruktur und Funktion des Echtzeitcontrollers in 25 aufzeigt;
  • 28 ist ein Blockdiagramm eines Spindelgeschwindigkeitscontrollers, der im Echtzeitcontroller in 27 verwendet wird;
  • 29 ist ein schematisches Diagramm eines Radiusschätzers, der im Echtzeitcontroller in 27 verwendet wird;
  • 30 ist ein schematisches Diagramm eines Spannungscontrollers im Echtzeitcontroller in 27; und
  • 31 ist ein schematisches Diagramm eines Scancontrollers im Echtzeitcontroller in 27.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung verwendet bestimmte Begriffe, für die eine kurze Beschreibung gegeben wird; die Absicht der Beschreibung ist, klarzustellen und nicht einzuschränken. Die Beschreibung bezieht sich auf „chaotische Strukturen”, wobei „chaotisch” sich im Allgemeinen auf eine beobachtbare Struktur bezieht, die als ungeordnete oder verwirrende Masse oder Mischung von Materialien, die sich am Ort des Laseraufpralls bildet, gekennzeichnet werden kann. Beispielsweise können diese chaotischen Strukturen eine Sammlung von geschmolzenem Material sein, die eine unregelmäßige Form und ein variierendes Reflexionsvermögen hat. Eine „nicht chaotische” oder „wohlgeformte” Struktur kann beispielsweise ein Bereich mit einem gleichmäßigen messbaren räumlichen Profil oder ein quasiperiodisches räumliches Profil mit regelmäßigen Bereichen einer homogenen Farbe entlang einer gegebenen Richtung sein. Ein „Furche” oder „gefurchte” Struktur hat die Form einer relativ langen und schmalen flachen Vertiefung in einer umliegenden Oberfläche, die in machen Fällen entweder einen U-förmigen oder V-förmigen Querschnitt aufweist. „Energiedichte” und „Fluenz” sind Synonyme, die sich auf die flächenbezogene Energie beziehen, die auf einer Zielposition auftrifft, und sie wird in der nachfolgend beschriebenen Weise berechnet. Sofern nicht anders angegeben entsprechen die in der Berechnung verwendete Energiedichte und der Punktdurchmesser dem 1/e2 (13,5% der Spitzenintensität) Durchmesser einer Punkt(oder Strahl)-Intensitätsverteilung, die zum Beispiel eine elliptische Gaussverteilung sein kann. Eine Puls-„Wiederholungsrate” oder „Wiederholungsfrequenz” bezieht sich auf die Anzahl der Pulse pro Sekunde, typischerweise in Hz. Zum Beispiel sind 10 kHz 10.000 Pulse pro Sekunde. Ein entsprechender zeitlicher Pulsabstand ist die Reziproke der Pulswiederholungsrate und bezieht sich im Allgemeinen auf den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen (d. h. kann als Reziproke einer „Momentan”-Wiederholungsrate angesehen werden). Es wird auch auf einen „Rand” Bezug genommen, der Oberflächenbereiche mit optischem Kontrast trennt. Ein Rand ist als Linie oder schmaler Bereich definiert, an der bzw. dem eine schnelle Veränderung des Reflexionsvermögens stattfindet. Zum Beispiel kann der Rand an einem Ort vorgefunden werden, wo eine messbare Veränderung des Reflexionsvermögens einem Maximum entspricht.
  • In Hinwendung auf 1 umfasst eine lineare Messskala 10 ein Metall-Trägermaterial 12, auf dem eine Vielzahl von länglichen linearen Skalenmarken 14 gebildet wurden. Das Trägermaterial 12 ist eine Nickellegierung, die unter den Handelsnamen Invar® und Inconel® bekannt ist. In einer Ausführungsform kann das Trägermaterial 12 ein flexibles Band oder ein Teil desselben sein, während in alternativen Ausführungsformen das Trägermaterial 12 im Wesentlichen starr sein kann. Die Skalenmarken 14 umfassen im Allgemeinen flache Oberflächenvertiefungen, die mit einem laserbasierten Verfahren, wie nachstehend beschrieben, gebildet werden. In manchen Ausführungsformen umfassen die Marken 14 eine „Mikrostruktur” von Vertiefungen und Vorsprüngen, die als Kämme oder wellige Oberflächenteile erscheinen können. In manchen Ausführungsformen können wellige Oberflächenteile produziert werden, die ein nahezu periodisches Oberflächenrauigkeitsprofil entlang einer Richtung haben, zum Beispiel entlang der Länge oder Breite einer Struktur der Skala. Die Skalenmarken 14 werden ausgebildet, um einen gewünschten hohen optischen Kontrast mit den interdigitalen, nicht bearbeiteten Oberflächenbereichen 16 des Trägermaterials 12 bereitzustellen. Dieser Kontrast wird zum Teil durch Veränderung des Richtungsreflexionsvermögens aufgrund der Kontur der Skalenmarken 14 und zum Teil durch Herbeiführung einer Farbveränderung auf der Oberfläche der Skalenmarken 14 als Ergebnis der Laserbearbeitung, die im Folgenden in näheren Details beschrieben werden, erzielt.
  • In 1 ist auch ein Satz von Koordinatenachsen 18 zur praktischen Anzeige der Richtungen auf der Skala 10 in der nachstehenden Beschreibung abgebildet. Die Y-Richtung erstreckt sich parallal zu den Skalenmarken 14; die X-Richtung erstreckt sich über die Skala 10 orthogonal zu den Skalenmarken 14; und die Z-Richtung erstreckt sich von der Oberfläche des Trägermaterials 12.
  • 2 zeigt eine Vorrichtung, die zur Herstellung der Skala 10 in 1 verwendet werden kann. Das Trägermaterial wird auf einer Arbeitsfläche 20 platziert, die in der Lage ist, das Trägermaterial 12 während der Bearbeitung festzuhalten. Es kann auch wünschenswert sein, dass die Arbeitsfläche 20 eine Bewegung des Trägermaterials 12 relativ zum Rest der Bearbeitungsvorichtung bereitstellt, zum Beispiel um das Trägermaterial 12 in die X-Richtung zu bewegen, um die mit Zwischenräumen angeordneten Skalenmarken 14 zu produzieren. Die Bewegung des Trägermaterials kann unter Verwendung eines geeigneten Verschiebungsmechanismus ausgeführt werden, zum Beispiel ein Übersetzungs- oder Rotationsmechanismus zur Positionierung eines starren Trägermaterials, oder mit einer entsprechenden Bandzuführung, Schreib- und Aufnahmespindeln zur Positionierung eines flexiblen Trägermaterials oder mit anderen Mechanismen, wie sie nachstehend beschrieben werden.
  • Die Skalenmarken 14 werden auf dem Trägermaterial 12 durch einen Laser 22 in Verbindung mit einem Strahlabgabesystem 24 gebildet. Das Strahlabgabesystem 24 akzeptiert Energie einer Laserquelle, die als einfallender Strahl 26-1 angezeigt ist, modifiziert im Allgemeinen die räumliche und/oder zeitliche Verteilung der Laserenergie und richtet die Laserenergie (angezeigt als Ausgangsstrahl 26-2) selektiv auf das Trägermaterial 12 aus. Zum Beispiel kann das Strahlabgabesystem 24 ein anamorphes optisches System zur Bildung eines Strahl 26-2 mit einem elliptischen Querschnitt mit einem gewünschten Aspektverhältnis umfassen. Das Strahlabgabesystem 24 kann auch galvanometerbetriebene Spiegel oder ähnliche Vorrichtungen umfassen, die zur Steuerung (Ablenkung) des einfallenden Strahls 26-1 verwendet werden, um den auf das Trägermaterial 12 gerichteten Ausgangsstrahl 26-2 zu bilden und um den Ausgangsstrahl 26-2 in der Y-Richtung während der Bearbeitung zur Bildung jeder Skalenmarke 14 zu scannen oder abzutasten. Das Strahlabgabesystem 24 kann einen computergesteuerten Modulator, zum Beispiel einen akustooptischen Modulator, umfassen, um Laserpulse, die an das Trägermaterial 12 abgegeben werden, auszuwählen und um die Leistung des Ausgangsstrahls 26-2 zu steuern. Das Strahlabgabesystem 24 umfasst im Allgemeinen auch ein Fokussierteilsystem, vorzugsweise mit einer nahezu diffraktionsbegrenzten Leistung, die einen gepulsten Laserstrahl fokussiert, um eine Punktintensitätsverteilung auf der Oberfläche des Trägermaterials 12 zu bilden. Wie es nachstehend in näheren Einzelheiten beschrieben ist, wird jede Skalenmarke 14 hergestellt, indem eine Reihe von Pulsen, die in der Y-Richtung überlappen und jeweils mindestens eine entsprechende fokussierte Punktintensitätsverteilung haben, auf der Oberfläche des Substrats 12 aufgebracht werden. Der Betrieb des Lasers 22 und das Strahlabgabesystem 24 sowie, falls zutreffend, die Bewegung der Arbeitsfläche 20 werden alle durch die Steuerelektronik 28 gesteuert.
  • Die Verwendung einer elliptischen Punktform in der Laserbearbeitung von Material ist im Stand der Technik bekannt. Beispiele sind in den US-Patenten 6,639,177 und 6,777,645 aufgezeigt, in denen 13a–13c drei Sequenzen von elliptischen Punkten aufzeigen. 13a zeigt eine erste Sequenz zur Verwendung mit Zielen, die eine abgerundete Ecke haben; 13b zeigt eine zweite Sequenz zur Verwendung mit Zielobjekten, die eine Karrée-Ecke haben; und 13c zeigt eine Sequenz zur Verwendung, wenn eine Reihe von parallelen Linien im Zielmaterial hergestellt werden. Im Allgemeinen wird die Geschwindigkeit, mit der das Material bearbeitet werden kann, erhöht, wenn elliptische Punkte verwendet werden, um längliche Marken wie die Marken 14 herzustellen.
  • 3 illustriert den gesamten Herstellungsprozess für die Skala 10. An Schritt 30 bewirkt die Steuerelektronik 28, dass der Laser 22 und das Strahlabgabesystem 24 die Oberfläche des Trägermaterials 12 mit einer Reihe von Pulsen mit einer hohen Pulswiederholungsrate bestrahlt. Der Ausgangsstrahl 26-2 vom Laser 22 wird in der Y-Richtung synchron mit den Pulsen gescannt, so dass die Pulse um eine gewünschte Menge überlappen, was in näheren Einzelheiten im Folgenden beschrieben wird. Um dieses Scannen zu erzielen, wird der Strahl 26-2 durch den Strahlablenkmechanismus innerhalb des Strahlabgabesystems 24 gemäß Steuerung durch die Steuerelektronik 28 abgetastet. An Schritt 32 des Prozesses von 3 bewirkt die Steuerelektronik 28 eine relative Bewegung in der X-Richtung zwischen dem Pfad des Ausgangsstrahls 26-2 (welcher jetzt ausgelöscht, abgeschwächt oder anderweitig blockiert wird) und dem Trägermaterial 12, so dass der Laserstrahl auf den Ort der nächsten aufeinanderfolgenden herzustellenden Skalenmarke 14 gerichtet wird. Wie angezeigt, werden die Schritte 30 und 32 für jede Skalenmarke 14, die auf dem Trägermaterial 12 gebildet werden soll, wiederholt.
  • In Schritt 30 können der Betrag der Punktüberlappung und die Anzahl der Pulse pro Skalenmarke 14 gemäß einer Reihe von Faktoren abweichen, einschließlich der gewünschten Länge jeder Skalenmarkierung 14, des effektiven Durchmessers des Punktstrahls an der Oberfläche des Trägermaterials, der Energieverteilung innerhalb des Punktstrahls an der Trägermaterialoberfläche und der gewünschten Kennzeichen der Skalenmarken 14, wie zum Beispiel Tiefe und Färbung. Spezifische Beispiele werden unten gegeben. Die Pulswiederholungsrate wirkt sich primär auf den Durchsatz des Prozesses aus, d. h. die Rate, mit der die Skalenmarken 14 auf dem Trägermaterial 12 gebildet werden. Beispielsweise sind moderne q-geschaltete, diodengepumpte Festkörperlaser 22 in der Lage, Pulse zu maximalen Raten im Bereich von Dutzenden bis Hunderten von kHz zu produzieren. Man wird einsehen, dass die Pulsrate in einem spezifischen Prozess aufgrund der Notwendigkeit der Synchronisierung der Pulsung mit dem Scannen des Strahlabgabesystems 24 geringer als die Höchstrate des Lasers sein kann. Alternativ kann der Laser 22 mit ungefähr der maximalen Rate (übereinstimmend mit den Anforderungen der Ausgangspulsbreite und -energie) betrieben werden, und der computer-gesteuerte Modulator innerhalb des Strahlabgabesystems 24 kann zur Auswahl von Pulsen verwendet werden. Auch kann eine weitere Synchronisierung zwischen dem Scannen des Strahls 26-2 in Y-Richtung und der relativen Bewegung in X-Richtung zwischen dem Strahl 26-2 der Arbeitsfläche 20 erforderlich sein, und diese Synchronisierung kann sich auch auf die Auswahl der Pulsrate auswirken.
  • 4 illustriert zwei verschiedene Scan-Muster und Bewegungsmuster in X-Richtung, die verwendet werden können. 4(A) zeigt, dass alle Skalenmarken 14 durch Scannen in einer Richtung gebildet werden. In einem solchen Fall ist es nach Abschluss einer gegebenen Marke 14 notwendig, sich sowohl in die X-Richtung zu bewegen als auch den Laserstrahl (während er ausgelöscht ist) in der Y-Richtung zu „nachzufahren”, um den Strahl 26-2 an den Anfangsort für die nächste Marke 14 zu bringen. Eine Alternative ist in 4(B) gezeigt, an der das Scannen von alternierenden Linien in entgegengesetzte Y-Richtungen beteiligt ist, so dass kein Nachfahren des Strahls 26-2 zwischen den Marken 14 notwendig ist. Im Allgemeinen liefert der alternierende Ansatz von 4(B) einen höheren Verarbeitungsdurchsatz.
  • Die 5–6 illustrieren die räumliche Form und das Intensitätsprofil des Strahls 26-2 an der Oberfläche des Trägermaterials 12 gemäß einer Ausführungsform. Wie aus 5 ersichtlich ist, bildet der Strahl 26-2 einen Punkt 34 mit einer elliptischen Form mit einem Aspektverhältnis von ca. 4:1. Die Nuancierung der Farben zeigt die relative Intensität an, die auch in den Plots in 6 gezeigt ist. 6(A) zeigt das Intensitätsprofil in der relativ schmalen X-Richtung an und 6(B) zeigt das Intensitätsprofil in der breiteren Y-Richtung an. Dieses Profil wird hier als „Gaussglocke” bezeichnet. Die Spitzenintensität wird als PK bezeichnet und die Größen PK/2 und PK/e2 sind ebenfalls angegeben. Die Breite des Pulses bei PK/2 wird als „beam width half maximum” (BWHM; halbes Maximum der Strahlbreite) für die X- und Y-Richtung bezeichnet. Die Strahlbreite bei PK/e2 wird einfach als „beam width” oder BW (Strahlbreite) angegeben. Die Strahlbreite bei PK/e2 wird durch Verfahren gemessen, die in der ISO-Norm ISO/TR 11146-3 Knife-Edge-Verfahren beschrieben sind.
  • 7 zeigt die zeitliche Verteilung der Intensität am Punkt 34, welche durch eine zeitliche Pulsbreite bei halbem Maximum (PWHM(T)) und eine zeitliche Pulsdauer PW(T), die als 2·PWHM(T) definiert ist, gekennzeichnet ist. Mehrere Beispiele verschiedener Pulsdauern PW(T) werden für die nachstehend beschriebenen Beispiele gegeben.
  • Der Punkt 34 ist daher ein elliptischer bestrahlter Bereich, der einer von einer Reihe von überlappenden Punkten ist, die eine gegebene Marke 14 bilden. In einer Ausführungsform hat der Punkt 34 räumliche Maße BW(X) und BW (Y) von jeweils ca. 20 μm und 60 μm. Noch allgemeiner kann das Aspektverhältnis eines elliptischen Punkts im Bereich von ca. 2:1 bis 6:1 liegen. Eine elliptische Punktform, besonders in Verbindung mit einer hohen Wiederholungsrate des Lasers 22, gewährleistet eine verbesserte Produktionsgeschwindigkeit der Skala 10. In alternativen Ausführungsformen können jedoch andere Punktformen verwendet werden, so zum Beispiel kreisförmige Punkte.
  • 8 ist eine schematische Illustration einer Marke 14, die sich aus der Pulsung und dem Scannen des Strahls 26-2 in Y-Richtung ergeben. Jede gebogene Linie 36 stellt ein Ende eines elliptischen Einfallbereichs des Punktes 34 auf dem Trägermaterial für einen Einzelpuls dar und die Aufeinanderfolge der gebogenen Linien 36 stellt die aufeinanderfolgenden Einfallbereiche des Punktes 34 aufgrund der Pulsung des Lasers 22 und des gleichzeitigen Scannens in Y-Richtung durch das Strahlabgabesystem 24 dar. Wie gezeigt sind die aufeinanderfolgenden Einfallsbereiche durch einen Überlappungsbetrag 38 getrennt, von denen Beispiele nachstehend gegeben werden. Es ist auch eine Markenbreite 39 gezeigt, die in der abgebildeten Ausführungsform 10 μm beträgt.
  • In einem Beispiel wird ein 1,5 Watt Laserausgangsstrahl 26-2 ca. 1750 mal auf der Oberfläche des Trägermaterials 12 pulsiert, um eine 1 mm lange Marke 14 mit ca. 100-facher Überlappung (d. h. mit einem Überlappungsbetrag 39, der gleich 1/100 der Punkthöhe PW(Y) ist) fertig zu stellen. Somit können 1 mm lange Skalenmarkierungen 14 mit einer Geschwindigkeit von ca. 50–80 pro Sekunde produziert werden, d. h. 1750 Pulse mit Wiederholungen von 175 kHz und Nachfahren zur nächsten Startposition.
  • Zur Bildung der Marken 14 ist es im Allgemeinen wünschenswert, eine Energiemenge abzugeben, die mit jedem Puls einen dünnen Film geschmolzenen Materials bildet, wobei die Schaffung einer chaotischen Verteilung des Metalls vermieden wird. Es sollte daher kein Auswurf oder Sieden des Metalls stattfinden. Unter Verwendung eines Infrarot(IR)-Lasers vom unten beschriebenen Typ mit einer Pulsenergie von ca. 0,5–1 J/cm2 über den 1/e2-Durchmesser und einer Überlappung von ca. 50–100 Punkten mit Pulsraten über 100 kHz, vorzugsweise 100–200 kHz, werden wohlgeformte Strukturen auf nicht beschichteten Nickellegierungen wie zum Beispiel Inconel®, Edelstahl etc. gebildet.
  • 9 zeigt eine Reihe von Bildern von Gruppen von Skalenmarken 14, die mit verschiedenen Verarbeitungsparametern hergestellt wurden. Die Marken sind ca. 10 μm breit und mit einem Abstand von 20 μm angeordnet. Die Bilder wurden mit einem Mikroskop mit Hellfeldbeleuchtung erhalten. Der zur Bildung der Strukturen verwendete Laser war ein Spectra Physics BL6 Infrarot(IR)-Laser, der für Hochgeschwindigkeitsbetrieb (100 kHz und höher) mit Pulsdauern von 5 bis 50 ns bei einer Infrarot-Wellenlänge von 1064 nm geeignet ist. Ein alternativer Laser, der verwendet werden kann, ist der „V-XTREME”-Laser, der von Spectra Physics angeboten wird und der zu einem Betrieb bei 500 kHz fähig ist. Der Laserstrahl wurde mit einem X-Y galvanometerbasierten Spiegelsystem, Modell 6450, das von Cambridge Technologies, Cambridge MA hergestellt wird, abgelenkt. In diesen Beispielen war das Trägermaterial Inconel® 625, bei dem es sich um eine Nickellegierung mit guten mechanischen Eigenschaften für lineare Gitter, hohe Härte, gute Polierung und Aufspulbarkeit handelt. Dieses Material hat die folgende ungefähre Zusammensetzung:
    Ni 60%
    Cr 20%
    Fe 5%
    Mo 10%
    Sonstige 5%
  • Die Oberflächenrauigkeit Ra des Trägermaterials vor der Markierung wurde als nicht größer als 1 Mikrozoll (0,0254 μm) angegeben. Ra ist die „arithmetische Mittel”-Oberflächenrauigkeit, eine von mehreren möglichen Spezifikationen für Oberflächenrauigkeit. Ra ist definiert als das Integral des absoluten Werts des Oberflächenrauigkeitsprofils über eine Beurteilungslänge, in dem das Vorzeichen der Rauigkeit daher ignoriert wird.
  • Die Verarbeitungsparameter für die Beispiele in 9 sind in den Tabellen 1A und 1B unten zusammengefasst. Auf die Beispiele wird mit den Buchstaben (A)–(J), die in 9 erscheinen, Bezug genommen. Die folgenden Zeilenüberschriften werden verwendet:
    Polarisierung Richtung der Polarisierung des Laserstrahls
    PWHM(T) Pulse width (duration) between half maximum power points (Pulsbreite [Dauer] zwischen Halbwert-Leistungspunkten)
    Wechselwirkungszeit Das Doppelte des Werts von PWHM(T); ungefähre Gesamtpulsdauer
    E avg Durchschnittliche Bestrahlungsstärke des Strahls während der Wechselwirkungszeit (Mega-Watt/cm2)
    f avg Durchschnittliche Strahlfluenz (Energiedichte) während der Wechselwirkungszeit (Joule/cm2)
    Pulsrate Wiederholungsrate (in kHz) von Pulsen, die das Trägermaterial bestrahlen
    Laserleistung Durchschnittliche Laserleistungseinstellung (Watt)
    Energie/Puls Energie in einem Einzelpuls (Mikro-Joule)
    Punktgröße Maße eines Punkts auf dem Trägermaterial (gemessen bei 1/e2 Spitzenintensität gemäß Messung mit dem ISO 11134 Knife-Edge-Verfahren)
    Überlappte Pulse Die Anzahl der überlappten Pulse, definiert durch die Pulsrate mal die Y-Dimension der Punktgröße, geteilt durch Geschwindigkeit
    Geschwindigkeit Lineare Geschwindigkeit des Punkts während des Y-Scannens
    Tabelle 1(A)
    Kenn-zeichnung A B C D E
    Polarisierung (E-Feld) X X X X Y
    PWHM(T) (ns) 8 11 100 2,5 14
    Wechselwirkungszeit (ns) 16 22 200 5 28
    E avg (MW/cm2) 148 71 16,5 2804 42
    f avg (Joule/cm2) 2,34 1,56 3,3 14,0 1,17
    Pulsrate (kHz) 50 75 10 5 100
    Laserleistung (Watt) 1,25 1,25 0,030 0,750 1,25
    Energie/Puls (uJoule) 21,6 14,4 2,6 129,7 10,8
    Punktgröße (um) 19 × 62 19 × 62 10 × 10 19 × 62 19 × 62
    Überlappte Pulse 31 47 100 3 62
    Geschwindigkeit (mm/Sek) 100 100 1 100 100
    Tabelle 1(B)
    Kenn-zeichnung F G H I J
    Polarisierung (E-Feld) Y Y Y X X
    PWHM(T) (ns) 23 23 32 14 14
    Wechselwirkungszeit (ns) 46 46 64 28 28
    E avg (MW/cm2) 17 17 8,8 27 20
    f avg (Joule/cm2) 0,77 0,80 0,56 0,75 0,56
    Pulsrate (kHz) 175 175 250 100 100
    Laserleistung (Watt) 1,45 1,50 1,5 0,80 0,600
    Energie/Puls (uJoule) 7,2 7,4 5,2 6,9 5,2
    Punktgröße (um) 19 × 62 19 × 62 19 × 62 19 × 62 19 × 62
    Überlappte Pulse 109 109 155 129 62
    Geschwindigkeit (mm/Sek) 100 100 100 48 100
  • Die Beispiele A und B weisen auf, was man als „Siede”- und „Gefrier”-Effekt bezeichnen könnte, mit großen gefrorenen Metallspritzstrukturen, die durch eine übermäßige Pulsenergiemenge, die über sehr kurze Wechselwirkungszeiten abgegeben wird, verursacht werden. Die Skalenmarken haben eine chaotische, unregelmäßige Struktur, von der man annimmt, dass sie durch die Erhitzung des Trägermaterials bis weit über seinen Schmelzpunkt bedingt sind. Die zackigen Ränder dieser Marken produzieren schlecht definierte Gitter und daher sind diese Beispiele nicht gut geeignet zur Verwendung in einem hochauflösenden optischen Kodierer, und zwar wegen des Rauschens, das sie in einem reflektierten optischen Signal verursachen würden. Diese Beispiele zeigen, was hier als „Rissbildung” bezeichnet wird, wobei es sich um eine ungleichmäßige Textur handelt, verursacht durch die große Fluenz der Pulse, die die Materialoberfläche übermäßig durcheinander bringen. Diese Rissbildung ist, so glaubt man, ein anderes Phänomen als die feinen regelmäßigen Mikrostrukturen, die nachstehend beschrieben werden.
  • Beispiel C verwendet eine ausgesprochen niedrigere Laserleistung von 0,030 Watt mit einer längeren Wechselwirkungszeit von 200 ns sowie eine größere Anzahl von überlappenden Pulsen. Die Punktform ist kreisförmig und die gesamte Pulsenergie ist ähnlich der in Beispiel A und B. Wie aus 9C ersichtlich ist, sind die Skalenmarken 14 relativ frei von den tiefen Furchen des Chaos in Beispiel A und B, obwohl sie kreuzweise Riffelungen aufweisen. Die Marken von Beispiel C sind ebenfalls von einer dunkelbraunen Farbe. Das Verfahren, das zur Herstellung von Beispiel C verwendet wird, ist sehr langsam und kann daher aus der Herstellungsperspektive unpraktisch sein. Obwohl sie nützlich ist, ist auch die Einheitlichkeit der dunklen Bereiche nicht optimal.
  • Beispiel D wurde mit einer erheblich höheren Pulsenergie und relativ kurzer Wechselwirkungszeit erzeugt und nur zwei Pulse werden überlappt. Dieses Beispiel weist im Wesentlichen keine Mikrostruktur auf, sondern eine große und ungleichmäßige „Rissbildung”. Es ist möglicherweise aufgrund seiner Ungleichmäßigkeit und seinem relativ schlechten und/oder geräuschvollen optischen Kontrast zwischen den Marken und dem umliegenden nicht bearbeiteten Trägermaterial nicht wünschenswert zur Verwendung in einem optischen Kodierer.
  • Beispiele E und G haben eine Randdefinition von hoher Qualität mit Abweichungen von viel weniger als 1 μm und sie stellen einen ausgezeichneten optischen Kontrast mit zusätzlicher Reduktion des Reflexionsvermögens im Mikrostrukturbereich der Beispiele F und G dar. Diese Marken sind spezifisch in ihrer feinen Randqualität, guten Prozesskontrolle und der Fähigkeit zur Bereitstellung von Glattmetall, Farbänderungen durch chemische Reaktion und Mikrostrukturen, die mindestens eine optische Eigenschaft des Trägermaterials, zum Beispiel die gerichtete Reflexion, weiterhin ändern. Die Mikrostrukturen, die Oberflächenabweichungen von der Größe einer Nahinfrarot-Wellenlänge aufweisen, zerstreuen im Allgemeinen das einfallende Licht und sorgen daher für erhöhten Kontrast. Beispiel E weist eine relativ glatte „Furchen”-Struktur (unten beschrieben) mit geringer Mikrostruktur und wenig Farbänderungen auf. In Beispiel E ist die Laserpolarisierung „längslaufend”, d. h. parallel zu den Marken 14. Beispiele F und G wurden mit einer geringeren Pulsfluenz und größerer Pulsüberlappung erstellt, mit längslaufender Polarisierung in Beispiel F und querlaufender Polarisierung in Beispiel G. Furchenbildung und Braunfärbung sind augenscheinlich und die Mikrostruktur folgt der Richtung der Polarisierung.
  • Beispiel H hat ebenfalls eine längslaufende Polarisierung und eine etwas geringere Pulsenergie und sie nimmt eine blaue Farbe an.
  • Beispiel I ähnelt Beispiel G, hat aber ein höheres Strahlungsintensitätsniveau erzeugt. Beispiel J zeigt, dass bei einer geringen Fluenz und Strahlungsintensität von ca. 20 MW/cm2 eine Braunfärbung und Mikrostrukturbildung mit einem Mindestmaß an Furchenbildung stattfindet. In manchen Fällen, wo tiefe Strukturen unerwünscht sind, können diese flacheren Strukturen nützlich sein.
  • Alles in allem scheint es, dass eine Pulsperiode von weniger als 10 ns und eine Pulsfluenz von über ca. 1 J/cm2 bewirken, dass das Metall siedet und ausbricht und zackige Merkmale wie in Beispiel A und B erzeugt. Wie die anderen Beispiele zeigen, wird das chaotische Verhalten bei weniger als ca. 50 MW/cm2 Strahlungsintensität und mehr als 25 überlappenden Punkten eliminiert und ein glatter Kamm und eine Furchenstruktur werden gebildet. Aufgrund einer Analyse dieser Beispiele mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM), wie nachstehend gezeigt, scheint es so, dass wenig Material entfernt wird, dass aber vielmehr Material von der Mitte zu den Seiten der Marke primär verlagert wird. Die sich ergebende Struktur scheint gut mit kontrastlesenden Diffraktionskodierern zu funktionieren. Es wird angenommen, dass das reduzierte On-Axis-Reflexionsvermögen dieser Strukturen zumindest teilweise durch die gefurchte Form bedingt ist, die Licht vom schmalen Betrachtungsbereich eines On-Axis-Sensors wegreflektiert. Es ist eine typische Grundstruktur für die Beispiele mit der besseren Leistung, wie in größerem Detail unten beschrieben.
  • Außerdem tritt bei einer Strahlungsintensität von ca. 10 MW/cm2 bis 50 MW/cm2 und einer erhöhten Zahl von Pulsüberlappungen bis ca. 50 oder mehr ein zusätzliches Phänomen auf. Erstens entwickelt das Material einen beträchtlichen Bereich mit einer braungefärbten Oberfläche, die ein weiter reduziertes Reflexionsvermögen aufweisen kann, was wünschenswert ist für die Steigerung des optischen Kontrasts zwischen den Marken und dem umliegenden unbearbeiteten Trägermaterial. Außerdem werden in der braunen Oberfläche auf der Furchen-und-Kamm-Struktur Mikrostrukturen gebildet, die Licht diffus zu reflektieren scheinen. Es wurde beobachtet, dass bei einer Pulsfluenz im Bereich von 2–3 J/cm2 sich die Furchenstruktur bis zur BW erstreckte. Bei einer Fluenz von weniger als ca. 1 J/cm2 und E avg von ca. 50 MW/cm2 oder weniger waren die Furchenbreiten ungefähr gleich der BWHM(X)-Dimension des Punktes. Letztere ist ein mehr erwünschter Prozesspunkt, weil die steilere Steigung der Strahlungsintensität-gegenüber-Strahl-Breitenkurve (6A) eine weniger dimensionale Abweichung der Marke für eine gegebene Variation in der Strahlleistung der Oberflächenabsorption produziert.
  • 10 ist ein Rasterkraftmikroskop-Bild, das die Topographie von Beispiel G in 9 illustriert. Im Bild in 10(A) stellen die dunkleren Bereiche 40 die tieferen mittleren Bereiche der gefurchten Marken 14 dar; die helleren Bereiche 42 stellen die äußeren Ränder der Marken 14 dar; und die halbfett schattierten Bereiche 44 stellen die unmodifizierten Oberflächenbereiche 16 zwischen den Marken 14 dar. 10(B) illustriert das Querschnittsrelief. Man kann beobachten, dass die äußeren Randbereiche 42 tatsächlich höher sind als die unmodifizierten Oberflächenbereiche 16. Aufgrund der Natur des Prozesses, der die Schmelzung der Oberfläche zur Bildung der Marken 14 herbeiführt, wird tatsächlich nur wenig oder gar kein Material vom Trägermaterial 12 entfernt. Stattdessen wird es von den tieferen Bereichen, die durch die dunklen Bereiche 40 dargestellt werden, zu den äußeren Randbereichen, die durch die helleren Bereiche 42 dargestellt werden, verlagert. Der Spitze-zu-Spitze-Abstand 46 von den tieferen Bereichen 42 zu den höheren Randbereichen 44 beträgt ca. 2,0 μm oder weniger.
  • 11 ist ein anderes Rasterkraftmikroskop-Bild von Beispiel G, das eine Nahaufnahme einer der Marken 14 bietet, die schräg von oben links nach unten rechts verlaufend gezeigt ist. Die oben erwähnte „Mikrostruktur” ist sichtbar als Gruppe von querverlaufenden Kämmen 48, die durch alternierende helle und dunkle Banden angezeigt werden. Die Periode oder der Abstand der Kämme 48 ist ca. 1 μm, und ihre Spitze-zu-Spitze-Höhe ist in der Größenordnung von 30 nm. Es wird angenommen, dass die Kämme 48 ein Phänomen selektiver Absorption aufgrund der Interferenz des Laserstrahls auf der Arbeitsfläche ist, wie es in einem Buch mit dem Titel Laser Processing and Chemistry von Buerle, insbesondere Kapitel 28 in Bezug auf Instabilitäten und Strukturbildung, beschrieben ist. Diese Mikrostrukturen werden durch lineare Polarisierung des Lasers weiter beeinflusst, wie es in den Beispielen illustriert ist. Die kreisförmige Polarisierung sollte wenig Mikrostruktur produzieren.
  • 12 zeigt ein Rasterelektronenmikroskop(SEM)-Bild von Beispiel E in 9, welches die wünschenswerte Regelmäßigkeit und glatten, geraden Ränder der Marke 14 aufzeigt. 13 illustriert die kreuzweisen Dimensionen dieser Marken, mit den reflektierenden nicht bearbeiteten Bereichen 44 und dem weniger reflektierenden mittleren Bereich 40 und dem Randbereich 42 der Marken. 13 zeigt auch die Beziehung zwischen der Breite der Marken und der Breite des Laserstrahls. Wie zuvor beschrieben ist in den besseren Beispielen die Breite der Marke 14 ungefähr gleich dem BWHM des Punkts 34.
  • 14 zeigt eine Grafik von Datenpunkten, die die Punktintensität oder Strahlungsintensität (in MW/cm2) gegenüber der Wechselwirkungszeit (in ns) für die Beispiele (A)–(J) von 9 darstellen. Das Produkt dieser Größen ist die gesamte Energiedichte oder Fluenz in J/cm2. Die drei Linien 50, 52 und 54 stellen Konturen gleicher Fluenz von jeweils 0,5 J/cm2, 1,0 J/cm2 und 2,0 J/cm2 dar.
  • 15 ist ein Graph der Strahlungsintensität gegenüber der Fluenz für die gleichen Beispiele. Fluenz von unter ca. 1,4 J/cm2 produziert die glatte Furchenstruktur, während eine höhere Fluenz eine turbulentere, rissartige Struktur (Rissbildung) produziert. Die Beispiele, die in das Feld mit der Bezeichnung „Nützlich” fallen, darunter Beispiel C und E–J, werden für nützlich gehalten, um Gitter oder andere optischen Elemente für optische Kodierer herzustellen. Von diesen weisen Beispiel C, F, G, I und J die braune Farbveränderung und polarisierungsbezogenen Mikrostrukturen auf der Furche auf. Die Strahlungsintensität für diese Beispiele liegt im Bereich von 10–40 MW/cm2. Beispiel H, für das die Strahlungsintensität ungefähr 9 MW/cm2 ist, weist eine blaue Farbe auf.
  • Es wird weiterhin geglaubt, dass die Beispiele im Feld mit der Bezeichnung „Besser” eine bessere Leistung als optische Skalenmarken liefern können, hauptsächlich wegen ihrer Glätte im Kontrast zur Rissbildung in Beispiel C. Von diesen „besseren” Beispielen werden die Beispiele F, G, I und J als die besten angesehen, weil sie die gewünschte braune Farbänderung im Kontrast zum relativ ungefärbten Beispiel E und dem Blau in Beispiel H aufweisen. Andere Kombinationen von Lasereigenschaften, die von verschiedenen Lasern erzeugt werden, können ebenfalls diese gewünschten Effekte produzieren. Zum Beispiel können alternative Wellenlängen verschiedene Absorptionsmerkmale haben und Ergebnisse bei verschiedenen Fluenzen und Überlappungen erzeugen.
  • 16(A) und (B) zeigen Rasterelektronenmikroskop(SEM)-Bilder von jeweils Beispiel G und E in 9. Diese Bilder zeigen Variationen, die für die Marken 14 möglich sind, auf. Insbesondere umfassen die Marken 14 von Beispiel G (16(A)) die Mikrostrukturkämme 48, während die Marken 14 von Beispiel E (16(B)) im Wesentlichen glatt sind und im Wesentlichen keine Mikrostruktur aufweisen.
  • Einer der Vorteile der offengelegten Technik ist die Fähigkeit des Erhalts von Marken 14 mit langen Rändern, die gerade sind, d. h. gerade bis innerhalb eines kleinen Bruchteils des Abstands, zum Beispiel 10% der Breite einer Marke 14. Es ist auch möglich, die Marken 14 mit einer relativ einheitlichen Tiefe von weniger als ca. 1,5 bis 2 μm zu bilden. Weiterhin wird man einsehen, dass die offengelegte Technik vorzugsweise ein nicht-plattiertes nickelbasiertes Trägermaterial 12, wie zum Beispiel Inconel® oder Invar®, und eine Pulsenergie von weniger als ca. 1 J/cm2 verwendet. Die von der offengelegten Technik geschaffenen Strukturen sind hochbeständig und widerstandsfähig gegenüber Chemikalien und Abrieb.
  • Die gegenwärtig offengelegte Technik kann mit kleineren oder größeren Strahlpunkten verwendet werden. In jedem spezifischen Laserbearbeitungssystem wird die Mindestpunktgröße normalerweise durch die Fokussierfähigkeit des Strahlabgabesystems 24 und die maximale Punktgröße durch die erforderliche Leistungsintensität und die maximale Leistung des Lasers bestimmt. Es ist im Allgemeinen möglich, breitere Marken 14 durch Erhöhung der Breite des Strahlpunktes zu erzielen. Um eine ähnliche Leistungsdichte zu erhalten, ist jedoch erforderlich, dass die Laserleistung entsprechend erhöht wird, und es gibt daher praktische Grenzen der Breiten der Marken 14 aufgrund der maximalen Laserleistung. Als alternative Möglichkeit zur Erzielung breiterer Marken 14 können mehrere schmalere Marken unmittelbar nebeneinander erstellt werden, so dass es keinen intervenierenden unbearbeiteten Bereich 16 gibt. Ein Beispiel dieser Bearbeitung ist nachstehend in der Erstellung eines „abgedunkelten Bereichs” als Verbesserung eines Mehrspur-Gitters für einen optischen Kodierer gezeigt.
  • 17 illustriert eine Konfiguration eines optischen Kodierers, der mehrere Spuren verwendet, die getrennt abgetastet werden. Der Kodierer umfasst ein Trägermaterial 50, auf dem sich zwei Lichtquellen 52-1 und 52-2 (zum Beispiel Vertical Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL)) und entsprechende Detektoren 54-1 und 54-2 befinden. Das Trägermaterial 50 wird gegenüber von einem reflektierenden Skalenträgermaterial 56, auf dem getrennte Skalen/Gitter oder andere optische Elemente gebildet sind, platziert. Ein Beispiel eines solchen Trägermaterials 56 wird mit Bezug auf 18 unten beschrieben.
  • In 17 sind auch zwei Lichtpfade 58-1 und 58-2 abgebildet, welche das Licht von der jeweiligen Lichtquelle 52-1 und 52-2 zurücklegt, um den entsprechenden Detektor 54-1 und 54-2 zu erreichen. Obwohl die Lichtpfade 58-1 und 58-2 die vorwiegenden Pfade sind, die das Licht von den Lichtquellen 52-1 und 52-2 zurücklegt, besonders im Fall von VCSEL-Quellen, die stark gerichtet sind, bewegt sich das Licht von den Lichtquellen 52-1 und 52-2 auch im Allgemeinen auf anderen Pfaden einer mehr zufälligen Art, einschließlich Pfade von einer der Lichtquellen 52 zum nicht entsprechenden Detektor 54. In ist ein Beispiel bei 60 gezeigt, bei dem es sich um einen Pfad von der Lichtquelle 52-1 bis zum Detektor 54-2 handelt. Das den Pfad 60 zurücklegende Licht ist ein Beispiel von „optischem Crosstalk”, bei dem der Betrieb einer Skalenspur nachteilig durch die Nähe einer anderen Spur betroffen ist, insbesondere die Lichtquelle der anderen Spur, wie zum Beispiel durch Reduktion des optischen Signal-Rausch-Verhältnisses der betroffenen Spur.
  • 18 illustriert ein Skalenträgermaterial 62, das zur Reduktion des Ausmaßes des optischen Crosstalks zwischen nebeneinander liegenden Spuren entwickelt wurde. Das Trägermaterial 62 umfasst eine Hauptspur 64, die ein Gittermuster von im gleichen Abstand angeordeten Marken 66 mit geringem Reflexionsvermögen ist, sowie eine zweite Spur 68, die andere optische Elemente wie zum Beispiel eine Grenzmarkierung oder Indexmarkierung (nicht abgebildet) umfasst. Die Spuren 64 und 68 sind durch einen „abgedunkelten Bereich” 70 mit geringem Reflexionsvermögen getrennt. Einfallendes Licht, das von der Lichtquelle für eine der Spuren (zum Beispiel für die Hauptspur 64) in Richtung der anderen Spur (zum Beispiel zweite Spur 68) emittiert wird, wird durch das reduzierte Reflexionsvermögen des abgedunkelten Bereichs 70 abgeschwächt, wodurch das Ausmaß des optischen Crosstalks zwischen den beiden Spuren reduziert wird.
  • Der abgedunkelte Bereich 70 kann unter Verwendung des oben erwähnten Prozesses der Platzierung von relativ schmalen Marken unmittelbar nebeneinander gebildet werden. In der abgebildeten Ausführungsform umfasst der abgedunkelte Bereich erste Teile 72, die mit den zweiten Teilen 74 durchsetzt sind. Die ersten Teile 72 können als Verlängerungen der Marken 66 der Hauptspur gebildet werden, d. h. jede Marke 66 und ihr kollinearer erster Teil 72 können tatsächlich in einem Scan gebildet werden. In einem solchen Fall können die zweiten Teile 74 gebildet werden, indem kürzere Scans verwendet werden, die von den Scans für die Marken 66 und ersten Teile 72 versetzt sind. Natürlich ist es auch möglich, den abgedunkelten Bereich 70 in einer separaten Reihe von Scans, getrennt von denen zur Bildung der Marken 66, zu bilden.
  • 19 ist ein Blockdiagramm, das mehrere Komponenten eines Systems für die Bearbeitung eines Werkstücks mit flexiblem Trägermaterial aufzeigt; Beispielsweise kann das System verwendet werden, um eine flexible Messskala durch Bestrahlung eines Trägermaterials mit einer Reihe von Laserpulsen zur Bildung von Marken mit optischem Kontrast zu bilden, wie es nachstehend in größerem Detail beschrieben ist.
  • Das Werkstückbearbeitungssystem umfasst ein Materialtransportsystem 90' zur Bewegung eines länglichen, flexiblen Werkstücks 92' an einem Werkzeug 94' vorbei, das eine gewünschte Bearbeitung des Werkstücks 92' durchführt, für das unten Beispiele gegeben werden. Das Materialtransportsystem 90' umfasst drei rotierende Spindeln: eine Zuführspindel 96', eine Bearbeitungsspindel 98' und eine Aufnahmespindel 100'. Während der Bearbeitung läuft das Werkstück 92' von der Zuführspindel 96' ab und über die Bearbeitungsspindel 98', wo es mit dem Werkzeug 94' interagiert und dann von der Aufnahmespindel 100' aufgenommen wird. Der Wechselwirkungsbereich des Werkstücks 92' wird „Arbeitsbereich” genannt. In der abgebildeten Ausführungsform rotiert die Bearbeitungsspindel 98' im Uhrzeigersinn, wie gezeigt, und die Zuführ- und Aufnahmespindeln 96', 100' rotieren beide gegen den Uhrzeigersinn. Die Betriebsabläufe des Werkzeugs 94' und das Materialtransportsystem 90' werden durch einen Echtzeitcontroller 102' gesteuert, der wiederum Betriebsparameter und übergeordnete Steuerung von einem Hostcomputer (Host) 104' empfängt. Ein Sensor oder mehrere Sensoren 106' können zur Überwachung von mindestens einem Parameter verwendet werden, der eine Position beeinflussen kann, bei dem das Werkzeug 94' mit dem Werkstück 92' interagiert und Feedbackinformationen an den Echtzeitcontroller 102' für die korrekte Gesamtbearbeitung des Werkstücks 92' liefert.
  • Im Folgenden wird sich die Beschreibung primär auf ein Werkstück 92' in der Form eines länglichen Metallträgermaterials, das hier als „Band” bezeichnet wird, und die Bearbeitung des Bandes in eine Präzisionsmessskala mit kontrastierenden Marken beziehen, obwohl es offensichtlich werden wird, dass für mindestens ein Teilsystem, wie es im Allgemeinen in 19 abgebildet ist, eine breitere Anwendung existiert. Das System kann in anderen Werkstückbearbeitungsanwendungen verwendet werden, wo ein Energieabgabesystem oder eine andere Art von Werkzeug 94' die physische Eigenschaft des Werkstücks 92' steuerbar modifiziert, damit interagiert oder diese anderweitig beeinflusst. Zum Beispiel kann Werkstückmaterial entfernt, geschmolzen, ausgeglüht, geätzt oder chemisch geändert werden, oder Material kann auf dem Werkstück 92' abgelagert, damit verklebt oder daran befestigt werden. Vorzugsweise ermöglicht das System eine Werkstückpositionierung zur Unterstützung der Verarbeitung mit einer Genauigkeit von ca. 10 μm/m oder besser und vorzugsweise läuft es mit dieser gewünschten Spezifikation trotz Zeit- und Temperaturabweichungen.
  • Mit Bezug auf 20 umfasst ein laserbasiertes System zur Produktion einer Messbandskala gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Scanning-Laser-Beam-Box 94, die eine Laserquelle und ein Strahlabgabe-/Scanningsystem (nicht abgebildet) umfasst, das Energie aus der Quelle annimmt und Energie an einen Bearbeitungsbereich richtet. Das System umfasst weiterhin ein Materialtransportsystem 90 mit einer Präzisionsschreibspindel 98, die ein flexibles Metallband 92 zwischen einer Zuführspindel 96 und einer Aufnahmespindel 100 bewegt; einen oder mehrere Sensoren 106 zur Überwachung von mindestens einem Parameter, der sich auf eine Position auswirken kann, an der ein Laserstrahl von der Laser-Box 94 auf das Metallband 92 auftrifft; und einen Echtzeitcontroller 102, der mit verschiedenen Systemelementen und einem Hostcomputer (HOST) 104 in Kommunikation steht. Noch spezifischer umfasst der Echtzeitcontroller 102 einen Beam-Box-Controller (Strahlkontrolle) 108 und einen Materialtransportsystem-Controller (Materialtransportkontrolle) 120.
  • 21 zeigt einen Abschnitt einer Bandskala 112, die gemäß dem offengelegten System und der offengelegten Methode hergestellt wurde. Die Bandskala 112 umfasst Marken 114, die Skalenteilstriche auf dem flexiblen Metallband 92, wie gezeigt, bilden. Jede Marke 114 wird durch eine Reihe von Energiepulsen von der Laser-Beam-Box 94 erstellt, während das Band 92 darunter verläuft, und aufeinanderfolgen Marken 114 werden durch Wiederholung der Pulsreihe mit einer spezifizierten Rate synchron mit der Bewegung des Bandes 92 über die Schreibspindel 98 erstellt. Bei Messung mit einem Oberflächenprofilometer können die Marken 114 einen im Allgemeinen gefurchten Querschnitt aufweisen, der Vertiefungen und Vorsprünge umfasst, die einen optischen Kontrast erzeugen, wie er oben beschrieben ist. Die Marken 114 können nahezu periodische Mikrostrukturen umfassen, die eine Periode von der Größenordnung einer optischen Wellenlänge haben und die mit einer Richtung nichtkreisförmiger Laserpolarisierung korreliert sind. In 21 ist auch ein dreidimensionales Koordinatensystem, das in der nachstehenden Beschreibung verwendet wird, abgebildet. Die positive X-Richtung wird als Bewegungsrichtung des Bandes 92 während der Bearbeitung angenommen; die positive Y-Richtung wird als orthogonal zur Y-Richtung in der Ebene des Bandes 92 angenommen; und die positive Z-Richtung wird als orthogonal zur und aus der Ebene des Bandes 92, wie gezeigt, angenommen.
  • In einer typischen Konfiguration – unter nochmaliger Bezugnahme auf 20 – kann das Band 92 ein kontinuierliches flexibles Materialband sein, zum Beispiel ein flexibles Metallband, und es kann zum Beispiel ca. 6 Millimeter (mm) breit und 0,152 mm dick sein. Im Präzisionsmaterialtransportsystem 90 wird das Band 92 auf der Zuführspindel 96 aufgespult, über das Oberteil der Schreibspindel 98 geführt und an der Aufnahmespindel 100 angebracht. Die Spannung im Band 92 wird indirekt über die Drehmomentkontrolle in der Zuführ- und Aufnahmespindel 96, 100 während des Betriebs, wie nachstehend beschrieben, gesteuert. 30 Meter Band lassen sich leicht auf Spulen mit 200 mm Durchmesser unterbringen. Die Schreibspindel 98 steuert die Zuführung des Bandes 92. Die Sensoren 106 umfassen vorzugsweise einen oder mehrere Radiussensoren zur Messung von Abweichungen im Radius des Bandes, während es entlang eines oberen Bogenteils der Schreibspindel 98 während der Bearbeitung verläuft, wie es in näheren Einzelheiten im Folgenden beschrieben ist. Die Informationen des Radiussensors sorgen für eine Geschwindigkeitskontrolle und sind daher auch im Allgemeinen nützlich zur Kontrolle des Abstands oder der Zwischenräume der Marken 114. Die Sensoren 106 können auch optionale nachgelagerte Leser zur direkten Überwachung des Abstands oder anderer Maße der Marken 114 zur Kalibration oder Diagnose oder zur Regelung der Closed-Loop-Echtzeit-Abstandskontrolle umfassen, um niederfrequente Abweichungen von einem gewünschten Abstand zu korrigieren.
  • 22 zeigt zusätzliche Einzelheiten des Systems in 20. Das Band 92 wird über eine Schreibspindeltrommel 116 drapiert und durch Reibung erfasst, damit es nicht durch die unterschiedlichen Drehmomente der Zuführspindel 96 und Aufnahmespindel 100 in 20 verrutscht. Die Schreibspindeltrommel 116 rotiert auf einem Schaft 118 in einem Luftlager 120, der durch einen Low-Ripple-Motor 122 angetrieben wird. Beispielsweise ist der Airex 5.5 RBLT, der von Airex Corporation (Dover, NH 03820, siehe www.airex.com/products/rotary.htm) erhältlich ist, ein im Handel erhältlicher bürstenloser Low-Ripple-Motor 122 (mit geringer Restwelligkeit). Ein im Handel erhältliches Luftlager 120 kann eines der Modelle TRT150/200 von Precitech Inc., (Keene, NH), ein Hersteller von Standard und kundenspezifischen Luftlagerkomponenten (www.precitech.com), sein.
  • Die Drehgeschwindigkeit der Spindeltrommel 116 wird durch eine Kodierscheibe 124 und mindestens einem Sensor 126, der auch als „Lesekopf” bezeichnet wird, gemessen. Beispielsweise kann ein Kodierersensor 126 das Modell S2150, das von MicroE Systems of Natick, MA (www.microesys.com) hergestellt wird, sein. Ein oder mehr zusätzliche Sensoren oder Leseköpfe 127 können ebenfalls, wie nachstehend beschrieben, verwendet werden. Ein Radiussensor 128-A stellt einen Teil der Messung des Gesamtradius der Spindeltrommel 116 und des Bandes 92, wie es in näheren Einzelheiten nachstehend beschrieben wird, bereit. Die Radiusmessung wird verwendet, um die Dickeabweichungen und Runout durch bestimmte Betriebsabläufe des Echtzeitcontrollers 102 auszugleichen, wie es in näheren Einzelheiten nachstehend beschrieben wird.
  • Die Konstruktion der Zuführspindel 96 und Aufnahmespindel 100 in 20 ähnelt der der Schreibspindel 98 insoweit, dass sie einen ähnlichen Schaft 118, Luftlager 120, Motor 122 und Kodierscheibe 124 und Sensor(en) 126 haben.
  • In 22 sind auch mehrere Komponenten innerhalb der Beam-Box 94 gezeigt. Ein Laser 130 emittiert einen Strahl 132, der einem oder mehreren Pulsen entspricht, die vom Strahlabgabesysstem angenommen und an das Band 92 abgegeben werden. Der Strahl 132 wird an einen X-Scanner 134 projiziert und dann an einen V-Scanner 136 reflektiert, der den Strahl 132 durch eine Scanlinse 138 richtet, die den Strahl 132 auf einen Punkt 139 auf dem Band 92 fokussiert. Der X- und der V-Scanner 134, 136 können galvanometerbasierte Spiegelscanner sein, zum Beispiel das Modell 6450, das von Cambridge Technologies, Cambridge, MA hergestellt wird.
  • Der Laserstrahlpunkt 139 kann eine elliptische Form haben, wie es nachstehend beschrieben ist und im US-Patent 6,777,645 , das dem Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung abgetreten wurde, dargelegt ist. Ein elliptischer Punkt kann eine Materialbearbeitung mit höherem Durchsatz ermöglichen. Im Allgemeinen wird ein anamorphes optisches System zur Erstellung des elliptischen Punkts 139 verwendet. Im System in 22 umfasst ein anamorphes optisches System ein komplementäres Paar von zylindrischen Linsen 60 und 62. Der Punkt 139 hat ein X/Y-Aspektverhältnis von ungefähr 4/1, obwohl andere Verhältnisse mit geeigneten Variationen der Pulsraten (z. B.: > 20 kHz, > 100 kHz bevorzugt) und Schneidegeschwindigkeiten und gewünschter Pulsüberlappung (z. B.: 10–100 Punkte überlappend, gemäß Messung bei 1/e2) verwendet werden können.
  • In einer Ausführungsform kann der Laser 130 ein Spectra Physics BL6 Laser sein, der für Hochgeschwindigkeits(100 kHz und höher)-Energie-Lichtpulse mit Pulsdauern im Bereich von 5 bis 50 ns und einer Infrarotwellenlänge von 1064 nm geeignet ist. Dieser Prozess ist von thermischer Art und als solcher funktioniert fast jede Laserwellenlänge mit der richtigen Energie und Strahlform bei Metallen wie zum Beispiel Inconel und anderen nickelbasierten Legierungen. Zum Beispiel können grüne und UV-Laser mit diesen Materialien verwendet werden, obwohl die Infrarotwellenlänge wahrscheinlich heute praktischer ist. Für andere Materialien wie Keramik können UV-Laser geeigneter sein, weil sie eine bessere Energiekopplung im Trägermaterial haben. Im Allgemeinen werden gepulste Laser q-geschaltet, gewinngeschaltet (gain-switched) oder modengekoppelt betrieben. Ein weiteres Beispiel kann ein MOPA-System sein. Obwohl wohlgeformte Strukturen schnell mit diodengepumpten, q-geschalteten Nanosekundenlasern produziert werden können, können andere Laser in einem System der vorliegenden Erfindung integriert werden. Diese Laser können ultrakurze Laser, Excimer-Laser o. ä. sein. Die Absorptionseigenschaften von alternativen Laser und Materialien können für die Skalierung der Prozesseinstellungen berücksichtigt werden.
  • In mindestens einer Ausführungsform wird eine Struktur geschaffen, indem das Trägermaterial mit Laserpulsen bestrahlt wird, wobei jeder Puls Folgendes hat: Pulsbreite (gemessen am halben Maximum) im Bereich von ca. 10–40 Nanosekunden, eine Punktverteilung (gemessen über den 1/e2-Durchmesser) mit einer Energiedichte im Bereich von ca. 0,1–1 J/cm2, und mindestens einige Pulse, die räumlich ca. 10–50 mal überlappen, wobei die Pulse mit einer Rate von ca. 100 kHz oder höher erzeugt werden. In mindestens einer Ausführungsform wird eine gefurchte Struktur produziert, die in einem optischen Kontrast von mindestens 4:1 resultiert. Die Laserpulse können eine nicht kreisförmige Polarisierung mit einer Orientierung von ca. 0 Grad oder ca. 90 Grad zur Länge der Struktur verwenden.
  • 23 zeigt Scan- und Laserpulskontrollsignale, die an die Komponenten der Beam-Box 94 vom Beam-Box-Controller 108 in 20 geliefert werden. Die folgenden Signale sind abgebildet:
    Vsx X-Scanner-Kontrolle
    Vsy V-Scanner-Kontrolle
    Vp Laserpulskontrolle
  • Jede Marke 114 wird über eine Periode erstellt, die ein Intervall der Bildung einer Marke mit Laserpulsen und ein kurzes „Nachfahr”-Intervall umfasst, in denen der Strahl 132 in eine Startposition für die nächste aufeinanderfolgende Marke 114 umgelenkt wird. Die Rampenform der Signale Vsx und Vsy bewirkt eine Abtastung des Strahlpunktes 139 in der X- und V-Richtung, während die Markierung stattfindet. Die Abtastung in V-Richtung des Strahls 132 ist für die längliche Form der Marke 114 verantwortlich. Die Abtastung in X-Richtung ist notwendig, um das Band 92 zu verfolgen, während es über die Schreibspindeltrommel 116 in der Zeit, die zur Erstellung einer Marke 114 erforderlich ist, bewegt wird. Während des Markierungsteils der Periode wird der Strahl 132 mehrere Male pulsiert, wie es durch die vertikalen Linien im Signal Vp angezeigt ist. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, dass die Trennung zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen im Wesentlichen weniger als die V-Dimension des Punkts 139 ist, d. h. dass eine beträchtliche Überlappung zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen vorliegt. Nach Fertigstellung einer Marke 114 wird der Punkt 139 in die entgegengesetzte X- und V-Richtung abgetastet, um ihn auf den Startpunkt für die nächste Marke 114 zu bringen, und während dieses Nachfahrintervalls werden keine Strahlpulse erzeugt, wie es durch die Abwesenheit von vertikalen Linien im Signal Vp angezeigt ist. In einem Beispiel wird ein 1,5 Watt Laserausgangsstrahl ca. 1750 mal auf der Oberfläche des Trägermaterials pulsiert, um eine 1 mm lange Marke 94 mit ca. 100-facher Überlappung (d. h. mit einem Überlappungsbetrag, der gleich 1/100 der Punkthöhe PW(Y) ist) fertig zu stellen. Somit können 1 mm lange Skalenmarkierungen 114 mit einer Geschwindigkeit von ca. 50–80 pro Sekunde produziert werden, d. h. 1750 Pulse mit Wiederholungen von 175 kHz und Nachfahren zur nächsten Startposition.
  • Scan-Controller, die zur Steuerung einer Beam-Box wie der Beam-Box 94 in der oben beschriebenen Weise fähig sind, sind im Allgemeinen im Stand der Technik bekannt und sind möglicherweise in zahlreichen Patenten, die sich im Besitz des Abtretungsempfängers der vorliegenden Erfindung befinden, beschrieben. Zum Beispiel ist ein „benutzerfreundliches” X-Y-Scanner-Kontrollsystem vom Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung, Cambridge Technologies und anderen, erhältlich, und diese werden routinemäßig in den Laserbearbeitungsanlagen unter Verwendung von im Handel erhältlichen q-geschalteten Lasersystemen und anderen Laser zur laserbasierten Markierung und Materialbearbeitung integriert. Viele Systeme verwenden verschiedene Verschiebungsmechanismen zur Positionierung eines Werkstücks relativ zum Laserstrahl.
  • Obwohl in der Abbildung nur ein Einzelpunkt 139, der einem emittierten Laserpuls entspricht, abgebildet ist, können andere Kombinationen in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel kann der Strahl 132 zeitlich oder räumlich in einer Weise, die mit der Bewegung des Bandes 92 zur Produktion von mehreren Pulsen koordiniert ist, aufgeteilt werden. Solche Kombinationen können die Pulswiederholungsrate effektiv erhöhen oder eine parallele Materialbearbeitung ermöglichen, die beide bei Bedarf den Durchsatz verbessern können (z. B. für einen Laser mit geringer Wiederholungsrate). In ähnlicher Weise können mehrere Laser oder Beam-Boxes verwendet werden.
  • 24 stellt die Bewegung des Bands 92 und Punkts 139 dar, während eine einzelne Marke 114 gebildet wird. Während der gesamten Sequenz wird angenommen, dass das Band 92 mit einer konstanten Geschwindigkeit in der positiven X-Richtung verläuft (nach rechts in 24). In 24(a) ist der Punkt 139 an einem Startende einer neuen Marke 114, die als erster Markenteil 114-A abgebildet ist. Der Laserstrahl 132 wird sowohl in die X- als auch die Y-Richtung gepulst und gescannt, wie es oben beschrieben ist. In 24(b) ist der Punkt 139 mm am Mittelpunkt seines Wegs und hat einen ersten halben Markenteil 114-B gebildet. In 24(c) ist der Punkt 139 am Ende seines Wegs und die Marke 114 ist eine im Wesentlichen fertig gestellte Marke 114-C. An diesem Punkt wird die Pulsierung des Strahls 132 gestoppt, so dass der Punkt 139 vorübergehend für den anschließenden Rücklauf ausgelöscht wird; während dieses Rücklaufs werden die Scanner 134 und 136 in 22 gesteuert, um den Punkt 139 schnell zum Anfang der nächsten aufeinanderfolgenden Marke 114 umzulenken, wie in 24(d) gezeigt. Eine vollständig ausgebildete Marke 114-D wurde fertig gestellt. Der Prozess in 24 wird für jede aufeinanderfolgende Marke 114 wiederholt.
  • Es ist zu beachten, dass der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Marken 114 in 24 aus Gründen der Klarheit der Beschreibung übertrieben wurde. Für eine Bandskala mit einem kleineren Markenabstand, wie zum Beispiel die Bandskala 112 in 21, kann das Verhältnis der Bewegung des Punktes 139 in Y-Richtung zur Bewegung in X-Richtung wesentlich höher sein.
  • 25 zeigt eine etwas detailliertere Ansicht des Systems in 20; insbesondere zeigt es verschiedene Signale zur und von der Zuführspindel 96, Schreibspindel 98 und Aufnahmespindel 100. Der Materialtransport-Controller 110 erzeugt Antriebssignale für die Zuführ-, Schreib- und Aufnahmespindel 96, 98 und 100 und empfängt auch die entsprechenden Kodierersignale von diesen Spindeln. Außerdem empfängt der Materialtransport-Controller 110 Radiussensorsignale von der Schreibspindel 98. Ein zusätzlicher „nachgelagerter” Sensor 143 kann innerhalb der Sensoren 106, wie nachstehend beschrieben, enthalten sein; in diesem Fall empfängt der Materialtransport-Controller 110 auch ein Sensorsignal von diesem/diesen nachgelagerten Sensor(en) 143.
  • 26 zeigt eine nähere Ansicht des Bereichs der Schreibspindeltrommel 116. Ein Paar Radiussensoren 128-A und 128-B werden an einem starren Tragelement 144 befestigt, wobei der erste Radiussensor 128-A direkt gegenüber vom Band 92, das auf der Oberfläche der Trommel 116 liegt, angeordnet ist, und der zweite Radiussensor 128-B auf einer Achse 146 der Trommel 116 angeordnet ist. Die Radiussensoren 128 können einen Radius messen, der den Radius der Schreibspindel 98 in Kombination mit einer Dicke des Bandes 92 umfasst, wobei beide während des Betriebs variieren können. Der Rotationsmittelpunkt ist der Mittelpunkt des Luftlagers 120 (22), welcher relativ stabil ist.
  • Ein nützliches Merkmal des offengelegten Bandtransport-Teilsystems ist die Abwesenheit eines mechanischen Kontakts mit dem Band 92, abgesehen von den drei Spindeln 96, 98 und 100. Jeder mechanische Kontakt kann Reibungsvariationen bewirken, deren Kontrolle schwer sein kann. Reibung aufgrund von mechanischem Kontakt ist besonders problematisch aufgrund der Tendenz zur Manifestation von Ratterbewegung und hohen Zeitfrequenz-Fehlertermen. Für eine optimale Leistung ist es wünschenswert, räumliche oder zeitliche Fehlerquellen mit hoher Frequenz zu eliminieren und eine Closed-Loop-Kontrolle über die restlichen Fehlerquellen mit geringer Frequenz auszuüben.
  • Ein Zweck der Schreibspindel 98 ist, eine große thermische Masse und einen entsprechend großen Wärmeableitungsbereich für den Transfer der thermischen Energie des Schreibprozesses an die Umgebung mit einer sehr langen Zeitkonstante bereitzustellen. Da der Laserschreibprozess die Wärme in das Band 92 weitergibt, ist der Kontakt zwischen dem Band 92 (welches aus Edelstahl, Nickellegierung oder einem anderen ähnlichen Material sein kann) und der Schreibspindel 98 (welche aus Edelstahl oder einem anderen Material mit geeigneter Stärke und thermischen Kennzeichen) notwendig, um die Wärmeabsoprtion mit minimaler Temperaturänderung zu maximieren. Die Wärmekapazität des Bands 92 selbst kann unerheblich im Vergleich zur Wärmekapazität der Schreibspindel 98 sein. Weiterhin stellt die Umfangsfläche der Schreibspindel 98 eine viel größere Oberfläche im Vergleich zum Band 92, über das die Wärme mit minimaler Temperaturänderung an die Umgebung abgeleitet werden kann, bereit.
  • Die Grenzen der Schreibgenauigkeit und daher der Skalenteilung sind im Allgemeinen abhängig von der Reduktion der Eliminierung von statischen und dynamischen Fehlern, insbesondere bei Systemen, die Bogensekunden-Langzeitstabilität/-genauigkeit erfordern. Es gibt mindestens drei signifikante Quellen für Radiusfehler: thermische Ausdehnung, exzentrische Montage und Spindelkodiererfehler. Der erste Beitrag, thermische Ausdehnung, ist durch die große thermische Masse der Spindel beschränkt. Daher kann sich die Spindel nur langsam verändern. Wie nachstehend gezeigt, kann eine weitere Fehlerreduktion mit unterschiedlicher Messung des Spindelradius mit einem verbesserten Radiussensor, Closed-Loop-Abstandskontrolle mit einem oder mehreren Radiussensoren oder mit anderen geeigneten Messmethoden erzielt werden.
  • Ein zweiter Fehlerbeitrag, exzentrische Montage der Schreibspindel 98 relativ zur Drehachse, führt zu einem Einmal-pro-Umdrehung(erste Harmonische)-Fehler. Dieser Fehler lasst sich mit Bearbeitung mit Closed-Loop-Abstandssensoren, einer unterschiedlichen Messung des Spindelradius, Closed-Loop-Abstandskontrolle oder anderen geeigneten Messverfahren reduzieren. Zum Beispiel kann er auch durch Offline-Messung einiger Bandmuster und Eingabe der Korrekturkoeffizienten der ersten Harmonischen in den Spindelcontroller entfernt werden.
  • Ein dritter Fehlerbeitrag, der des Kodierers 126, wird ebenfalls in Betracht gezogen. Winkelfehler der Schreibspindel 98 (bei Multiplikation mit dem Schreibspindelradius) werden im Band 92 zu linearen Fehlern. Bei einem Spindel-Nennradius von 0,1 m wird zum Beispiel ein Winkelfehler von 1 Bogensekunde in einen linearen Fehler von 0,48 μM auf dem Band übertragen. Ein Präzisionskodierer des Stands der Technik kann Fehler auf ein akzeptables Niveau reduzieren. Da es jedoch im Allgemeinen schwierig und teuer ist, einen Winkelkodierer herzustellen, der in allen Umgebungen Submikrorad-Präzision bereitstellt, kann die Schreibspindel 98 die Selbstkalibrierung des Spindelkodierers mit mehreren Leseköpfen 126, 127 beinhalten. Ein Signalverarbeitungsalgorithmus kann einfach den Durchschnitt der Messungen von den Leseköpfen ermitteln. Alternativ können die Signale von zwei Leseköpfen kontinuierlich verglichen werden und eine Fehlerfunktion kann aus einer Fourier-Analyse der Differenz abgeleitet werden. Die Fourier-Daten beschreiben die Amplitude und Frequenz von Wiederholungsfehlern so, dass sie vorweggenommen und korrigiert werden können. Dieser Prozess kann auch für den „Online”-Dauerbetrieb implementiert werden.
  • Es kann, bevor ein Band 92 bearbeitet wird, wünschenswert sein, die Schreibspindel 98 über viele Umdrehungen zu drehen, während der Kodierer 126 Daten bereitstellt, aus denen der Echtzeitcontroller 102 adaptiv die Korrekturfunktion für die Schreibspindel 98 erfährt. Der Controller 102 kann diesen Betrieb mit einem eingebetteten Prozessor oder in Verbindung mit dem Hostcomputer 104 ausführen. Der Fehler ist eine Funktion der Kodierscheibe 124 und ihrer Montage an der Luftlagerspindel 120, die beide fast konstant bleiben. Als solche kann der Schreibspindel-Kodiererfehler nach einigen Rotationen entfernt werden.
  • Die Schreibspindel 98 kann ebenfalls durch vorheriges Schreiben einiger Muster auf Band korrigiert werden. Der resultierende Abstandsfehler wird dann gemessen und vorzugsweise über den Mustersatz gemittelt oder anderweitig verarbeitet, um ein hohes Vertrauen in die Schätzung zu erhalten. Die resultierende Korrekturfunktion, die Skalenfaktoren und Versätze umfassen kann, wird dann im Controller 102 gespeichert und zur Einstellung der Steuersignale, die an die Schreibspindel 98 und/oder andere Funktionskomponenten geliefert werden, verwendet. In jedem Fall ist die Selbstkalibrierung ganz einfach eine praktische Möglichkeit zur Kalibration, die den Vorteil bietet, dass sie Fehler ständig korrigiert.
  • Man wird einsehen, dass zwischen den Dickevariationen des Bands 92 und dem Radius der Schreibspindeltrommel 116 einerseits und den Abstandsabweichungen der Messskala 112 andererseits eine Beziehung besteht. Beispielsweise produziert ein 1-μm-Fehler in der Dicke einen Fehler von 2π um pro Spindelumdrehung. Wenn der Radius der Spindel zwei Umdrehungen pro Meter entspricht, ist der resultierende Fehler ca. 12 μm pro Meter (12 μm/m), was etwas größer ist als das wünschenswerte Ziel von nicht mehr als 10 μm/m. Man wird auch einsehen, dass eine Instabilität des Radiussensors 128 auch in einen linearen Fehler in der Laserposition auf dem Band übertragen werden kann.
  • In einer Ausführungsform kann ein hochstabiler Radiussensor wie in 26 gezeigt, konstruiert werden. Ein Stift 146 mit kleinem Durchmesser (zum Beispiel 3 mm Durchmesser) wird in die Mitte der Schreibspindeltrommel 116 gesetzt. Zwei kapazitive Sensoren 128-A und 128-B werden auf einer thermisch stabilen 104 [sic] Stange (zum Beispiel Invar) montiert, um sowohl den Radius des Bands 92 auf der Schreibtrommel 116 als auch den Radius des Stifts 146 zu lesen. Nach ein paar Umdrehungen der Trommel 116 im Kalibrierungsmodus kann der wiederholbare Runout-Fehler identifiziert und aus den Sensorsignalen mit Beziehung zum Schreibspindel-Drehkodierer herauskalibriert werden. Diese Sensoren haben eine lineare Auflösung von 2 nm RMS oder besser und bieten daher eine Leistung von 4 nm/100 mm oder 0,04 PPM Radiusfehlerbereinigung. Diese Sensoren sind daher in der Lage, Radiusfehler auf Mikronbruchtteile pro Meter auszugleichen.
  • In manchen Ausführungsformen können die Sensoren 106 in 25 nur zur Kalibrierung vor dem Schreiben betrieben werden. Alternativ kann die Ausgabe während des Schreibvorgangs sporadisch oder mit einer der Schreibrate vergleichbaren Rate abgetastet werden. In ähnlicher Weise können andere Sonden (zum Beispiel an einer Spindel angebrachte Temperatursensoren) periodisch abgetastet werden. Jedoch wird bevorzugt, dass die Daten von mindestens den Radiussensoren 128 während des Schreibens verwendet werden, um eine thermische Ausdehnung der Spindel oder andere Dickeabweichungen zu überwachen. In einer bevorzugten Ausführungsform sorgen die Radiussensoren 128 für eine Korrektur von sofortigen (relativen Hochfrequenz-) Variationen und langsamen (zum Beispiel: DC oder Niederfrequenz) Variationen während des Zeitrahmens, in dem die Bandskala gefertigt wird.
  • Die Hochstabilitäts-Radiussensoren 128 sind zur Verfolgung und Korrektur von nieder- und hochfrequenten Abstandsabweichungen angepasst, aber eine weitere Fehlerreduktion kann durch Verwendung von einem oder mehreren nachgelagerten Sensoren 143 erzielt werden. Zum Beispiel können diese Sensoren optische Kodierer sein und zum Erhalt von Daten „offline” und zur Identifikation und Bestimmung der Korrelation mit verschiedenen Systemfehlerquellen verwendet werden. In einer Ausführungsform können sich zwei Sonden jeweils 15 und 30 Grad von der Laserschreibposition befinden. Ein Signalverarbeitungsalgorithmus kann einfach den Durchschnitt der Messungen von den beiden Sonden ermitteln. Alternativ können die Signale von zwei Sonden kontinuierlich verglichen werden und eine Fehlerfunktion kann aus einer Fourier-Analyse der Differenz abgeleitet werden. Die Fourier-Daten beschreiben die Amplitude und Frequenz von Wiederholungsfehlern so, dass sie vorweggenommen und korrigiert werden können. Dieser Prozess kann „online” implementiert werden, um kontinierlich abzulaufen oder Abtastung in Intervallen durchzuführen.
  • Die optischen Sonden können Abstandsensoren, die hinter dem Schreibfeld ringsum auf dem Umfang der Schreibspindel 98 platziert werden, sein. Die Änderung der relativen Phase zwischen den beiden Sensoren kann als Maß des Skalenabstands verwendet werden. Der Umfang des Schreibprozesses wird gesteuert, indem der effektive Radius der Spindel in Reaktion auf Variationen in der Phasenbeziehung zwischen den Abstandssensoren geändert wird. Die Abstandssensoren können verwendet werden, um Fehler zu korrigieren, die bei niedrigen räumlichen und zeitlichen Frequenzen auftreten. Jedes thermische Wachstum der Spindel (zum Beispiel aufgrund einer Anlauf-Störgröße, während die Spindel beim erstmaligen Einschalten auf Betriebstemperatur kommt) wird durch die Abstandssensoren korrigiert. Die große thermische Masse der Schreibspindel 98 stellt sicher, dass die Änderungsrate des Spindelradius langsam ist und daher gut innerhalb der adaptiven Bandbreite eines Abstand-Steueralgorithmus liegt. Jede Exzentrizität in der Spindelmontierung, die für den Spindelkodierer (der seinen eigenen Montagefehler hinsichtlich der Drehachse aufweist) nicht beobachtbar ist, führt zu einem Erste-Harmonische-Fehler im Band. Die Abstandssensoren sind in der Lage, räumliche Frequenzen an der ersten und zweiten Harmonischen zu korrigieren.
  • 27–31 illustrieren, in fortschreitendem Detail, ein Steuersystem, das einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht.
  • 27 ist eine schematische Ansicht, die relevante Komponenten innerhalb des Beam-Box-Controllers 108 und des Materialtransport-Controllers 102 von 25 zeigt. Ein Schreibspindel-Controller 148, ein Zuführspindel-Geschwindigkeitscontroller 150 und ein Aufnahmespindel-Geschwindigkeitscontroller 152 steuern jeweils den Betrieb der Schreib-, Zuführ- und Aufnahmespindeln 98, 96 und 100. Es sind auch ein Radiusschätzer 154, ein Spannungscontroller 156 und ein Scan-Controller 160 abgebildet. Die Funktionen dieser Komponenten werden nachstehend beschrieben. Viele Funktionen werden parallel ausgeführt. Die Architektur kann im Allgemeinen als Multi-Loop-Steuersystem angesehen werden, mit einer äußeren Ebene, die 27 entspricht, und inneren Ebenen (nachstehend beschrieben), an denen jeder Controller 148, 150 und 152 beteiligt ist. Der äußerste Steuerkreis, der in 27 abgebildet ist, ist für die Synchronisation der Bewegung des Bandes durch die drei Spindeln 96, 98 und 100 mit dem Scannen und Pulsen des Laserstrahls zur Platzierung der Marken 114 auf dem Band 92 an den gewünschten Positionen verantwortlich. Die Funktion des äußersten Steuerkreises wird zuerst erläutert und dann werden die inneren Steuerkreise beschrieben.
  • Die folgende Tabelle präsentiert ein Glossar mit Begriffen, die in der nachstehenden Beschreibung verwendet werden.
    Physikalische Einheiten Schreib Zuführ Aufnahme
    Winkelgeschwindigkeit Rad/Sek
    Gemessen (Ist) a_W_WR a_W_FD a_W_TK
    Befehl c_W_WR c_W_FD c_W_TK
    nominal n_W_WR n_W_FD n_W_TK
    Korrektur (delta) d_W_WR d_W_FD d_W_TK
    Kodiererausgabe Rad
    Gemessen enc_WR enc_FD enc_TK
    Externes Drehmoment Newton-Meter
    Gemessen a_xT_WR a_xT_FD a_xT_TK
    Lineare Meter/Sek
    Bandgeschwindigkeit
    Befehl c_V_Tape
    Gemessen a_V_Tape
    Bandpositionsfehler Meter
    Gemessen err_P_Tape
    Radius Meter
    Bekannt a_R_WR
    Geschätzt e_R_FD e_R_TK
    Bandspannung Newton
    Befehl c_Tension
    Geschätzt
    Motorantrieb Newton-Meter
    (Drehmoment)
    Befehl c_MT_WR c_MT_FD c_MT_TK
    X Y
    Strahl-Scan Meter
    Befehl c_SCAN_X c_SCAN_Y
    Durchschn. Position mn_SCAN_X
    (Mittelwert)
  • Als zusätzliches Hilfsmittel in der Beschreibung wird eine Vorzeichenkonvention festgelegt, um die Drehrichtung der Spindeln 96, 98 und 100 zu reflektieren. Aus der in 19 gezeigten Perspektive wird eine Rotation im Uhrzeigersinn als positiv angesehen. Während des normalen (Vorwärts-)Betriebs hat die Schreibspindel 98 eine positive Winkelgeschwindigkeit, während sowohl die Zuführspindel 96 als auch die Aufnahmespindel 100 eine negative Winkelgeschwindigkeit haben.
  • Der Gesamtfortschritt des Bands durch das System basiert auf einer gewünschten Band-Nenngeschwindigkeit. Eine befohlene lineare Geschwindigkeit c_V_Tape wird durch die Abstände der Marken 114 (z. B. 20 μm) zusammen mit der Zeit, die zur Bildung einer Marke 114 und zum Vorschub des Laserpunkts zum Start der nächsten Marke 114 erforderlich ist, bestimmt. Die tatsächliche Bandgeschwindigkeit a_V_Tape kann leicht von der gewünschten Nenngeschwindigkeit aufgrund von verschiedenen Ursachen (Reibung, Drehmomentwelligkeit in den Motoren etc.) abweichen. Die tatsächliche Bandgeschwindigkeit wird vom Produkt 158 der tatsächlichen Winkelgeschwindigkeit der Schreibspindel a_W_WR und dem Radius der Schreibspindel a_R_WR bestimmt.
  • Der Scan-Controller 160 ist für die Platzierung der Marken an der gewünschten Position auf dem Band trotz Variationen der tatsächlichen Bandgeschwindigkeit verantwortlich. Außerdem liefert der Scan-Controller 160 ein Korrektursignal d_W_WR zum Winkelgeschwindigkeitsbefehl der Schreibspindel 98. Die Geschwindigkeitskorrektur erhält die durchschnittliche X-Position des Punktes, der im Schreibfeld des Scansystems zentriert ist, aufrecht. Die Band-Nenngeschwindigkeit c_V_Tape wird in einen Winkel-Nenngeschwindigkeitsbefehl an die Schreibspindel n_W_WR konvertiert, indem im Multiplikator 162 durch den Radius der Schreibspindel 98 dividiert wird. Der Winkelgeschwindigkeitsbefehl an die Schreibspindel c_W_WR wird im Addierer 164 berechnet, indem die Geschwindigkeitskorrektur d_W_WR aus dem Scan-Controller 160 zur Nenn-Winkelgeschwindigkeit n_W_WR, die im Multiplikator 162 berechnet wird, addiert wird.
  • Der Schreibspindel-Geschwindigkeitscontroller 148 ist für die Aufrechterhaltung der gewünschten Schreibspindelgeschwindigkeit auf der Grundlage des Winkelgeschwindigkeitsbefehls an die Schreibspindel c_W_WR verantwortlich. Der Schreibspindel-Geschwindigkeitscontroller 148 produziert ein Signal c_MT_WR, das ein Drehmomentbefehl für den Schreibspindel-Servomotor ist. Des Weiteren erzeugt der Schreibspindel-Geschwindigkeitscontroller 148 zwei Signale auf der Grundlage von Messungen, die vom Schreibspindel-Controller bezogen werden. Das Signal a_W_WR ist die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit der Schreibspindel und das Signal a_xT_WR ist das tatsächliche externe Drehmoment, das auf die Schreibspindel angewandt wird (aufgrund einer nicht ausgeglichenen Spannung in den beiden Bandsegmenten, eine zwischen der Zuführspindel 96 und der Schreibspindel 98, und die andere zwischen der Schreibspindel 98 und der Aufnahmespindel 100).
  • Der Zuführspindel-Geschwindigkeitscontroller 150 und der Aufnahmespindel-Geschwindigkeitscontroller 152 sind beide identisch mit dem Schreibspindel-Geschwindigkeitscontroller 148, obwohl sich die Gesamtkontrolle der Zuführspindel 96 und der Aufnahmespindel 100 von der der Schreibspindel 98 aufgrund der Unterschiede in den Gesamtsteuerkreisen unterscheidet, wie es nachstehend beschrieben wird. Wo die Geschwindigkeit der Schreibspindel 98 gesteuert wird, um eine gewünschte Bandgeschwindigkeit zu erreichen, werden die entsprechenden Geschwindigkeiten der Zuführspindel 96 und der Aufnahmespindel 100 gesteuert, um eine gewünschte Bandspannung zu erhalten, wie es unten in näheren Einzelheiten beschrieben wird.
  • Die Winkelgeschwindigkeit-Befehlseingabe in den Zuführspindel-Geschwindigkeitscontroller 150 wird aus der Summe der Nenn-Winkelgeschwindigkeit n_W_FD und einer Korrektur der Winkelgeschwindigkeit d_W_FD im Addiererblock 242 gebildet. Der Multiplikator 240 bildet die Nenn-Winkelgeschwindigkeit für die Zuführspindel n_W_FD auf der Grundlage der befohlenen Winkelgeschwindigkeit der Schreibspindel c_W_WR, multipliziert mit dem Radius der Schreibspindel a_R_WR und dividiert durch den Radius der Zuführspindel e_R_FD. Der Korrekturterm d_W_FD für den Zuführspindel-Controller 150 wird im Spannungscontroller 156 (unten beschrieben) berechnet. Es wird daran erinnert, dass die Nenn-Winkelgeschwindigkeiten der Zuführ- und Aufnahmespindeln 96, 20 beide negativ sind, wenn die Bandgeschwindigkeit positiv ist. Das negative Vorzeichen im Addiererblock 242 (und Addiererblock 246 für die Aufnahmespindel 20) reflektiert diese Umkehr des Nenn-Winkelgeschwindigkeitsbefehls. Die gleiche Form der Berechnung wird für das Aufnahmespindel-Befehlssignal c_W_TK durchgeführt, indem im Block 246 die Nenn-Winkelgeschwindigkeit n_W_TK, die im Multiplikator 244 berechnet wurde, mit einem Korrekturterm d_W_TK, der im Spannungscontroller 156 berechnet wurde, summiert wird.
  • 28 zeigt die Struktur der Schreib-, Zuführ- und Aufnahmespindel-Geschwindigkeitscontroller 148, 150 und 152. Das Winkelgeschwindigkeits-Befehlssignal W_cmd wird im Addierer 166 mit einer tatsächlichen Winkelgeschwindigkeit a_W, die durch einen Zustandsschätzer 170 erzeugt wird, summiert. Der Geschwindigkeitsfehler vom Addierer 166 wird mit einer Verstärkung Kp im Verstärkungsblock 168 multipliziert, um ein Befehlssignal für den entsprechenden Motor zu bilden. Der Zustandsschätzer 170 empfängt das bekannte Motorbefehlssignal (durch den Verstärkungsblock 172 mit der bekannten Drehmomentkonstante des Motor-Kt in Drehmomenteinheiten konvertiert) und das Positionssignal Encoder (Kodierer) vom Spindelkodierer. Es ist eine allgemein bekannte Verwendung von Zustandsschätzern, die zugrundeliegenden Zustände eines physikalischen Systems auf der Grundlage eines physikalischen Modells des Systems sowie bekannten und unbekannten Eingaben und verfügbaren Messungen zu schätzen. In den Spindelcontrollern 148, 150 und 152 berechnet der Zustandsschätzer 170 die Spindel-Winkelgeschwindigkeit a_W und eine Schätzung des externen Drehmoments a_xT, das auf die entsprechende Spindel angewandt wird. Das externe Drehmomentsignal für die Aufnahmespindel 100 (erzeugt durch den Aufnahmespindel-Controller 152) wird nicht im Gesamtsteuersystem, das in 27 abgebildet ist, verwendet und wird daher nicht in 27 gezeigt.
  • Der Zustandsschätzer 170 kann als klassischer Dreizustand-Schätzer in diskreter Zeit implementiert werden. Gut bekannte Beispiele finden sich in Digital Control of Dynamic Systems von Franklin, Powell und Workman, das auch im US-Patent 5,469,414 in Spalte 14, Zeile 56 referenziert wird. Die drei Zustände, die vom Schätzer geschätzt werden, sind: Position, Geschwindigkeit, externes (Störungs-)Drehmoment. Die bekannte Eingabe in die Anlage (Spindelmotor) ist c_MT und die „Messung” ist die Ist-Position der Spindel, die vom Kodierer gemessen wird. Die Form des Controllers entspricht im Wesentlichen der Beschreibung in Kapitel 8 und der Abbildung in 8.6 von Franklin, Powell und Workman. Es sollte angemerkt werden, dass Franklin und Powell ein Lehrbuch zur digitalen (diskrete Zeit) Steuerung ist, und der Echtzeitcontroller 102 kann tatsächlich in diskreter Zeit implementiert werden. Um die Erläuterung zu erleichtern, präsentiert die vorliegende Beschreibung jedoch ein Modell des Echtzeitcontrollers 102 mit kontinuierlicher Zeit (z. B. unter Verwendung von kontinuierlichen Zeitintegratoren anstatt der digitalen und Diskrete-Zeit-Äquivalente). Die Transformation der Darstellungen mit kontinuierlicher Zeit in diskrete Zeit ist Teil des Stands der Technik, der Fachleuten des Gebiets wohl bekannt ist.
  • 29 gibt den Radiusschätzer 154 wieder. Der Radius der Schreibspindel 98 ist aufgrund der Verwendung der Radiussensoren 128 mit hoher Präzision bekannt. Die entsprechenden Halbmesser der Zuführ- und Aufnahmespindel 96 und 100 sind im Allgemeinen nicht mit hoher Präzision bekannt und sie variieren kontinuierlich, während Band von der Zuführspindel 96 abgewickelt und auf die Aufnahmespindel 100 aufgewickelt wird. Die Halbmesser der Zuführ- und Aufnahmespindeln 96, 100 werden geschätzt, indem beachtet wird, dass die tatsächliche Bandgeschwindigkeit die gleiche sein muss an allen drei Spindeln unter der Annahme, dass kein Schlupf zwischen dem Band und den Spindeln vorliegt und dass kein Durchhang im Band 92 vorliegt.
  • Der geschätzte Zuführspindelradius e_R_FD wird vom Integrator 174 berechnet. Die Eingabe zum Integrator 174 ist die Summe 178 der beiden Quellen. Nimmt man einmal an (für einen Moment), dass der Zuführspindelradius zu Beginn der Bandbewegung bekannt ist, dann könnte der Radius in jedem zukünftigen Moment korrigiert werden, indem die Radiusgeschwindigkeit (Rate der Veränderung des Radius) auf der Grundlage der bekannten Banddicke integriert wird. Diese bekannte Korrektur des Spindelradius wird gebildet, indem die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit der Zuführspindel a_W_FD mit (Banddicke/2π) im Verstärkungsblock 180 multipliziert wird. Das Ergebnis ist die Veränderungsrate des Radius. Die Integration dieser Rate im Integrator 174 stellt sicher, dass der geschätzte Zuführspindelradius trotz des Abwickeln des Bandes von der Spindel korrekt bleibt. Man beachte in 19 die Wickelrichtung des Bandes auf der Zuführspindel 96. Die Drehung der Zuführspindel im Uhrzeigersinn (positiv) bewirkt, dass Band auf die Spindel gewickelt wird und der Spindelradius erhöht wird. Das resultiert in einem positiven Vorzeichen, das auf das „known_Radius_velocity”-Signal im Addierer 178 für die Zuführspindel angewandt wird. Man beachte auch, dass die Zuführspindel während des normalen Betriebs gegen den Uhrzeigersinn (a_W_FD ist negativ) gedreht wird und daher die known_Radius_velocity eine negative Zahl für die Zuführspindel ist, was dazu führt, dass der geschätzte Zuführspindelradius mit der Zeit abnimmt.
  • Wenn es möglich wäre, den Zuführspindelradius mit hoher Präzision vor der Bearbeitung zu kennen, dann wäre die oben beschriebene Berechnung ausreichend, um eine korrekte Schätzung des Zuführspindelradius aufrecht zu erhalten. In der abgebildeten Ausführungsform ist es nicht notwendig, so eine Schätzung zu erhalten. Der Radiusschätzer 154 korrigiert den geschätzten Radius auf der Grundlage des offensichtlichen Fehlers zwischen der bekannten Bandgeschwindigkeit an der Schreibspindel 98 und der Bandgeschwindigkeit an der Zuführspindel 96, was vom geschätzten Radius und der bekannten Winkelgeschwindigkeit der Zuführspindel 96 abgeleitet wird. Der Verstärkungsblock 186 multipliziert die tatsächliche Schreibspindel-Winkelgeschwindigkeit a_W_WR mit dem bekannten Radius der Schreibspindel, was in der tatsächlichen Bandgeschwindigkeit resultiert. Der Multiplikator 184 produziert die geschätzte Bandgeschwindigkeit, die von der Winkelgeschwindigkeit der Zuführspindel a_W_FD und dem geschätzten Radius der Zuführspindel e_R_FD abgeleitet wird. Der Addierer 188 bildet den Fehler in der Geschwindigkeit auf der Grundlage des absoluten Werts der bekannten Bandgeschwindigkeit (190) und der geschätzten Bandgeschwindigkeit (192). Der Ratenblock 182 stellt die Konvergenzrate der Geschwindigkeitsdifferenz ein. Es ist zu beachten, dass, wenn die Ausgabe des Addierers 188 positiv ist (was impliziert, dass die tatsächliche Bandgeschwindigkeit größer ist als die geschätzte Bandgeschwindigkeit), der geschätzte Zuführspindelradius ansteigt bis zu dem Punkt, an dem die Ausgabe des Addierers 188 Null wird (geschätzte und tatsächliche Geschwindigkeiten sind gleich). In der Praxis konvergiert der geschätzte Radius mit dem korrekten Radius innerhalb von ein paar Millimeter Bandbewegung.
  • Die oben beschriebene Radiusschätzung für die Zuführspindel 96 wird für die Aufnahmespindel 100 dupliziert. Der Integrator 176 ist für die Integration der bekannten Radiusgeschwindigkeit auf der Grundlage der Banddicke und der Radiuskorrektur auf der Grundlage des offensichtlichen Bandgeschwindigkeitsfehlers verantwortlich. Man beachte das Minuszeichen am Term für die bekannte Radiusgeschwindigkeit im Addierer 194. Während sich die Aufnahmespindel 100 in die Uhrzeigerrichtung (positive Richtung) dreht, wird das Band von der Spindel abgewickelt. Beim normalen Betrieb ist die Winkelgeschwindigkeit der Aufnahmespindel a_W_TK negativ und daher steigt der geschätzte Aufnahmespindelradius e_R_TK mit der Zeit an. Der Multiplikator 198 bildet die geschätzte Bandgeschwindigkeit auf der Grundlage des geschätzten Aufnahmespindelradius. Die Absolutwertblöcke 202 und 204, der Addierer 200 und der Verstärkungsblock 206 ähneln den entsprechenden Elementen für die Zuführspindel 96, wie oben beschrieben.
  • 30 zeigt den Spannungs-Controller 156, der für die Produktion der Korrektursignale d_W_FD und d_W_TK verantwortlich ist, die die Nenn-Winkelgeschwindigkeitsbefehle an den Zuführspindel-Geschwindigkeitscontroller 150 und den Aufnahmespindel-Geschwindigkeitscontroller 152 modifizieren. Das Zuführkorrektursignal d_W_FD ist verantwortlich für die Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung im Bandsegment zwischen den Zuführ- und Schreibspindeln 96, 98. Die Korrektur d_W_TK für die Aufnahmespindel 100 ist indirekt verantwortlich für die Erzielung der gleichen Spannung im Bandsegment zwischen der Schreib- und der Aufnahmespindel 98, 100. Die beiden wichtigsten Ziele im Spannungsteil des Materialtransport-Controllers 102 sind (1) konstante Spannung im Band 92 vor der Schreibzone und (2) kein Schlupf zwischen dem Band 92 und der Schreibspindel 98. Das „Kein-Schlupf”-Kriterium ist durch die Anforderung bedingt, dass die Bandposition von der Winkelbewegung der Schreibspindel 98, die letztendlich vom Schreibspindelkodierer abgeleitet wird, abgeleitet werden soll. Bei einem Schlupf des Bandes hinsichtlich der Schreibspindel 98 wäre die Spindelpositionsinformation nicht ausreichend, um die Bandposition zu ermitteln. Bandschlupf wird vermieden, indem sichergestellt wird, dass es nie ein externes Drehmoment auf der Schreibspindel 98 während des Bandtransports gibt. Weil das Bandsegment, das von der Zuführspindel 96 zur Schreibspindel 98 führt, und das Segment von der Schreibspindel 98 zur Aufnahmespindel 100 im gleichen Radius hinsichtlich der Schreibspindel 98 fungieren, ist die „Kein externes Drehmoment”-Bedingung erfüllt, wenn die Spannungen in den beiden Bandsegmenten gleich sind.
  • Die Spannung im Zuführsegment (das Bandsegment 92 zwischen der Zuführ- und der Schreibspindel 96, 98) wird durch die Modifikation des Geschwindigkeitsbefehls an den Zuführspindel-Geschwindigkeitscontroller 150 gesteuert. Unter Bezugnahme auf 30 ist der modifizierte Zuführwinkelgeschwindigkeitsbefehl die Summe 210 von zwei Signalen. Da die Geschwindigkeitscontroller proportionale Controller sind, wird kein Motordrehmoment erzeugt, wenn die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit und Nenn-Winkelgeschwindigkeit gleich sind. Eine Geschwindigkeitsdifferenz muss im Geschwindigkeitscontroller vorliegen, um ein Motordrehmoment zu erzeugen. Der Betrag des produzierten Drehmoments ist proportional zum Geschwindigkeitsfehler mal die Servoverstärkung Kp und die Motordrehmomentkonstante Kt. Um zum Beispiel eine Spannung im Bandsegment von 1 Newton zu erzeugen, muss der Zuführservomotor ein Drehmoment von 1 N mal den Zuführspindelradius e_R_FD produzieren. Daher ist ein Geschwindigkeitsfehler von 1 N·e_R_FD/(Kt·Kp) Rad/Sek erforderlich, um dieses Drehmoment zu erzeugen.
  • Das c_Tension-Signal in 30 in Verbindung mit dem Multiplikator 208 erzeugt eine Korrektur des Nenn-Winkelgeschwindigkeitsbefehls, die dazu vorgesehen ist, die gewünschte Spannung zu erzielen. Das externe Drehmomentsignal a_xT_FD vom Zustandsschätzer 170 im Zuführgeschwindigkeitscontroller 152 (28), dividiert durch den geschätzten Zuführspindelradius e_R_FD im Multiplikator 214, sollte von der gleichen Größenordnung der gewünschten Spannung sein. Es ist zu beachten, dass eine normale Bandspannung dazu führt, dass ein negatives externes Drehmoment (gegen den Uhrzeigersinn ist negativ) auf die Zuführspindel 96 angewandt wird. Wenn das Band richtig gespannt ist, ist die Ausgabe des Multiplikators 214 von der gleichen Größenordnung, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, wie die gewünschte Bandspannung. Wenn die tatsächliche Bandspannung von geringerer Größenordung als die gewünschte Spannung ist, ist die Ausgabe des Addierers 216 positiv. Der positive Kraftfehler wird mit dem adaptiven Ratenblock 218 multipliziert und mit dem druckanpassungsfähigen Integrator 220 integriert. Die Anpassungskorrektur (in Krafteinheiten) wird durch den Addierer 210 zum Nennspannungsbefehl hinzugefügt, was zu einer weiteren Korrektur des Winkelgeschwindigkeitsbefehls an den Zuführspindel-Geschwindigkeitscontroller 150 führt. Der positive Fehler im Addierer 216 produziert eine positive Geschwindigkeitskorrektur, die zu einem positiven Motordrehmoment (Drehmoment im Uhrzeigersinn) an der Zuführspindel 96 führt. Das stellt mehr Spannung im Band bereit, womit das externe Drehmoment a_xT_FD-Signal erhöht wird. Wenn das tatsächliche externe Drehmoment von gleicher Größe (jedoch umgekehrtem Vorzeichen) wie c_Tension ist, ist die Ausgabe des Addierers 216 Null und der spannungsanpassungsfähige Integrator 220 besitzt die erforderliche Krafteinstellung, die die richtige Spannung aufrecht erhält.
  • Es wäre möglich, einen ähnlichen Controller zur Aufrechterhaltung der Spannung in der Aufnahmespindel 100 zu implementieren und weiterhin das Spannungsziel auf den gleichen Wert einzustellen, um eine gleiche Spannung in den beiden Bandsegmenten aufrecht zu erhalten. Es ist jedoch zu beachten, dass die Spannungseinstellung, die für die Zuführspindel 96 verwendet wird, vom geschätzten Radius der Zuführspindel abhängt. Die Radiusschätzung wird immer mit einer gewissen Ungewissheit behaftet sein. Daher würde ein ähnlicher Ansatz zur Spannungskontrolle im Aufnahme-Bandsegment auch Fehler beinhalten, die sich aus dem geschätzten Aufnahmespindelradius ergeben. Daher wird in der gegenwärtig offengelegten Ausführungsform die Spannung im Aufnahmesegment direkt gesteuert, und zwar als Funktion des externen Drehmoments auf der Schreibspindel 98, um das externe Drehmoment im Wesentlichen auf Null zu halten.
  • Der Addiererblock 226 in 30 summiert die Band-Nennspannung c_Tension mit einer Korrektur auf der Grundlage des Integrals des externen Drehmoments, das auf die Schreibspindel a_xT_WR angewandt wird. Das externe Drehmoment an der Schreibspindel 98 wird mit einer Anpassungsrate (Verstärkungsblock 228) multipliziert, im Block 230 integriert und durch den Block 232 in Krafteinheiten (Drehmoment/Radius = Kraft) konvertiert. Das Vorzeichen des Anpassungsbeitrags zum Addierer 226 wird so ausgewählt, dass, falls ein positives externes Drehmoment auf der Schreibspindel 98 (a_xT_WR ist positiv) vorliegen sollte, der Geschwindigkeitsbefehl an die Aufnahmespindel 100 erhöht wird, bis a_xT_WR Null wird. Man beachte, dass sich die Aufnahmespindel 100 während des normalen Bandbetriebs in der negativen Richtung dreht. Die Nennspannung im Band 92 wird durch einen Befehl an die Aufnahmespindel 100 erzielt, sich etwas schneller in die negative Richtung zu drehen (man beachte das Minuszeichen, das im Addierer 226 auf die Nennspannung angewandt wird) als es auf der Grundlage der Nenn-Bandgeschwindigkeit erforderlich wäre. Eine positive Korrektur des negativen Bias vermindert die Spannung im Bandsegment zwischen der Schreib- und der Aufnahmespindel 98, 100. Das reduziert die Spannung auf der positiven Seite der Schreibspindel 98 und dadurch wird das positive a_xT_WR-Signal wieder auf den gewünschten Wert von Null rückgestellt. Die tatsächliche Spannung im Aufnahmesegment ist notwendigerweise gleich der Spannung im Zuführsegment des Bandes, wenn das externe Drehmoment auf der Schreibspindel 98 Null ist.
  • 31 stellt den Scan-Controller 160 dar. Die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Nenn-Bandgeschwindigkeit und der tatsächlichen Bandgeschwindigkeit wird vom Addierer 236 gebildet und durch den Integrator 234 integriert. Die Ausgabe des Integrators 234 ist der Fehler in der Bandposition, der seit dem Start der Bandbewegung akkumuliert wurde. Der Mustergenerator 238 ist für die Erzeugung der Scansignale c_SCAN_X, c_SCAN_Y und des Lasereinbrennsignals Laser auf der Grundlage des tatsächlichen Bandpositionsfehlers err_P_Tape vom Integrator 234 und des nomimalen Markenmusters verantwortlich. Wenn ein Fehler in der Bandposition positiv ist, erhöht der Mustergenerator 238 allmählich den durchschnittlichen c_SCAN_X-Wert des Musters, um die Marken an der richtigen Position auf dem Band zu erhalten. In Abwesenheit jeglicher weiterer Korrektur würde der c_SCAN_X-Wert schließlich die physische Grenze des Markierungsfeldes erreichen. Daher wird eine Korrektur der Nenn-Bandgeschwindigkeit auch durch Einstellung der Winkelgeschwindigkeit der Schreibspindel mit Signal d_W_WR vorgenommen. Der Mustergenerator 238 produziert ein Signal d_W_WR auf der Grundlage des Integrals des Bandpositionsfehlers. Die Integralaktion stellt sicher, dass die Markierung in die Mitte des Markierungsfelds zurückgestellt wird. Das Korrektursignal für die Schreibspindel wird mit der Nennwinkelgeschwindigkeit im Additionsblock 164 summiert (27).
  • Ein System der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um eine Messskala zu produzieren, die eine Abstandsgenauigkeit von ca. 10 μm/m oder besser, einen Nominalabstand von 10–50 μm und einen ausreichenden optischen Kontrast zur Verwendung mit optischen Kodierern aufweist.
  • Obwohl in der vorstehenden Beschreibung insbesondere eine reflektierende optische Skala 10/112 beschrieben wird, wird es für Fachleute offensichtlich sein, dass die offengelegte Technik verwendet werden kann, um andere Arten von optischen Elementen in Form von binären Muster oder sogar „digitalen” Linsenstrukturen zur Bündelung des reflektierten Lichts in einem gewünschten Muster herzustellen. Diese optischen Elemente können zum Beispiel ein Indexmuster, wie zum Beispiel das in der veröffentlichten US-Patentanmeldung 20030047674 dargelegte, umfassen. Der hier offengelegte Prozess ist von thermischer Art und als solcher funktioniert fast jede Laserwellenlänge mit der richtigen Energie und Strahlform bei Metallen wie zum Beispiel Inconel und anderen nickelbasierten Legierungen. IR-Laser gelten heute als die zweckmäßigsten. Jedoch können auch andere Laser, wie zum Beispiel grüne und ultraviolette (UV) Laser, verwendet werden. Für andere Materialien wie Keramik können UV-Laser besser geeignet sein als IR-Laser, weil sie eine bessere Energiekopplung im Trägermaterial haben.
  • Wie angegeben kann die hergestellte Skala ein Teil eines optischen Kodierers bilden, der in verschiedenen Bewegungssteuerungsanwendungen, wie zum Beispiel lineare und rotatorische Aktuatoren, Robotergelenkkontrolle etc., verwendet werden kann. Ein Beispiel dieser Kodierer ist die Familie der MercuryTM II Kodierer, die von MicroE Systems Inc. hergestellt werden und die zum Beispiel in der veröffentlichten US-Patentanmeldung 2003/0047674 mit der Bezeichnung „Reference Point Talbot Encoder” (Talbot-Referenzpunktkodierer) beschrieben sind. Ein Messsystem, das einen solchen optischen Kodierer umfasst, umfasst (1) eine Strahlungsenergiequelle, die zur Bestrahlung einer Vielzahl der nebeneinander angeordneten Marken adaptiert ist, (2) ein optischer Skalenleser (optischer Detektor), der funktionsfähig ist, um innerhalb eines Sichtfeldes reflektierte Strahlungsenergie von den Marken zu empfangen, wobei mindestens ein Teil der reflektierten Strahlungsenergie eine Vielzahl von gebeugten Energieteilen umfasst, die infolge der Interferenz zwischen den gebeugten Teilen ein Randmuster produzieren, wobei der Kontrast der Ränder des Musters abhängig sind vom optischen Kontrast der Marken relativ zum umliegenden Trägermaterial, wobei der Kontrast innerhalb des Leser-Sichtfeldes messbar ist; (3) ein Verschiebungsmechanismus, der funktionsfähig ist, um die Skala relativ zum Leser zu verschieben; (4) ein Signalprozessor, der funktionsfähig ist, um ein Ausgangssignal zu produzieren, das für die Verschiebung auf der Grundlage einer Verlagerung des Randes repräsentativ ist, und (5) ein Systemcontroller, der funktionsfähig ist, um das Ausgangssignal anzunehmen und den Betrieb des Verschiebungsmechanismus in Reaktion auf das Ausgangssignal zu steuern.
  • In Kodierern wie zum Beispiel den Mercury-Kodierern ist es wichtig, dass die Skala sehr einheitlich ist und saubere Marken hat, um relativ geräuschfreie optische Signale zu erzeugen und dadurch den Kodierer zu befähigen, eine hohe Auflösung zu erzielen. Die gegenwärtig offengelegte Skala und Herstellungstechnik bietet einen solchen Vorteil. Des Weiteren bestrahlt der optische Emitter im Allgemeinen eine Vielzahl von Marken der Skala und verringert somit die Empfindlichkeit der Kodiererdaten auf lokalisierte Variationen des Reflexionsvermögens, Kantenvariationen u. ä. Als solche, vorausgesetzt der Kontrast ist ausreichend, ist es nicht erforderlich, dass an die präzisen optischen Eigenschaften der den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entsprechenden Skalen strenge Anforderungen gestellt werden, und die Skalen können daher zu geringen Kosten hergestellt werden. In manchen Fällen beruhen die Mercury-Kodierer auch auf der Präsenz einer Referenzmarke und/oder Grenzmarken, und die vorliegende Technik kann verwendet werden, um diese Marken sowie einen abgedunkelten Bereich zu verwenden, um optischen Crosstalk mit der Hauptspur zu reduzieren.
  • Es sollte beachtet werden, dass die hier offengelegte Skala auch in herkömmlichen „geometrischen” Kodierern verwendet werden kann, die Muster von hellen Schatten anstatt von Interferenzmustern verwenden, wie zum Beispiel geometrische Kodierer mit einer im Allgemeinen geringeren Auflösung als die der Kodierer des Mercury-Typs.

Claims (37)

  1. Ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Bandmessskala zur Verwendung mit einem optischen Positionkodierer, bestehend aus: Erstellung einer Marke der Skala durch Bestrahlung der Oberfläche eines reflektierenden, flexiblen Metallträgermaterials an einer vorher festgelegten Markenposition mit einer Reihe von räumlich überlappenden Pulsen von einem Laser, wobei jeder Puls eine zweidimensionale Punktintensitätsverteilung hat, und jeder Punkt eine Energiedichte von weniger als ca. 1 J/cm2 innerhalb eines 1/e2-Durchmessers der Pulsintensitätsverteilung hat; Änderung der relativen Position des Lasers und des Trägermaterials durch eine Verschiebung, die eine nächste Markenposition auf dem Trägermaterial, an der die nächste Marke der Skala erstellt werden soll, definiert; und Wiederholung der Markenerstellung und Positionsänderungsschritte für aufeinanderfolgende Marken einer Vielzahl von Marken der Skala, wobei die Marken einen Markierungsabstand zueinander im Bereich von 10 bis 50 μm nominal haben, mit einer Abstandsgenauigkeit von ca. 10 μm/m oder höher und einen ausreichenden optischen Kontrast zur Verwendung mit dem optischen Positionskodierer besitzen.
  2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jeder der Pulse eine zeitliche Pulsbreite beim halben Maximum (pulse width at half maximum) im Bereich von 10–40 ns hat.
  3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jeder der Pulse eine elliptische Form hat.
  4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei jeder der Pulse ein räumliches Aspektverhältnis im Bereich von 2:1 bis 14:1 hat.
  5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei jeder der Pulse entsprechende räumliche X- und Y-Pulsbreiten beim halben Maximum von ca. 20 μm und 60 μm hat.
  6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die räumliche Überlappung im Bereich von 10- bis 50-maliger Überlappung liegt.
  7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die räumliche Überlappung im Bereich von 50- bis 100-maliger Überlappung liegt.
  8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jeder Puls eine Bestrahlungsstärke im Bereich von 10–40 MW/cm2 hat.
  9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Energiedichte jedes Pulses im Bereich von 0,5 bis 1,0 J/cm2 liegt.
  10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Laser ein Infrarotlaser ist.
  11. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Pulse eine nicht kreisförmige Polarisierung mit einer Orientierung von ca. 0 Grad oder ca. 90 Grad in Richtung der Überlappung der Pulse haben.
  12. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das reflektierende Metallträgermaterial ein flexibles Bandträgermaterial umfasst.
  13. Eine reflektierende Skala, die nach dem Verfahren von Anspruch 1 hergestellt wird.
  14. Ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Messskala, bestehend aus: Bestrahlung eines Trägermaterials mit Laserpulsen, wobei jeder Puls eine Pulsbreite im Bereich von ca. 10 bis 40 Nanosekunden und eine Energiedichte im Bereich von ca. 0.1–1 J/cm2 über eine Punktintensitätsverteilung von 1/e2-Durchmesser hat, mindestens einige der Pulse räumlich ca. 10 bis 50 mal überlappen, wobei die Pulse mit einer Rate von ca. 100 kHz oder höher erzeugt werden.
  15. Eine reflektierende Bandmessskala für einen optischen Positionskodierer, einschließlich eines flexiblen Metallträgermaterials, auf dessen reflektierender Oberfläche ein Skalenmuster gebildet wird, wobei das Skalenmuster eine Vielzahl an länglichen nebeneinander angeordneten Marken umfasst, die von reflektierenden Oberflächenbereichen des Trägermaterials umgeben sind, wobei jede Marke einen im Allgemeinen gefurchten Querschnitt mit einem mittleren Bereich unter einer mittleren Höhe der Oberfläche des Trägermaterials und zwei äußere Kammbereiche über der mittleren Höhe der Oberfläche des Trägermaterials aufweist, wobei die Marken einen Markierungsabstand zueinander im Bereich von 10 bis 50 μm nominal haben, mit einer Abstandsgenauigkeit von ca. 10 μm/m oder höher und einen ausreichenden optischen Kontrast zur Verwendung mit einem optischen Positionskodierer besitzen.
  16. Eine reflektierende Skala gemäß Anspruch 15, wobei der mittlere und der äußere Kammbereich eine Markentiefe, die im Bereich von ca. 0,5 Mikron bis ca. 2 Mikron liegt, definieren.
  17. Eine reflektierende Skala gemäß Anspruch 15, wobei jede Marke in ihrem mittleren Bereich eine wellige Struktur mit einer Wellenhöhe von unter ca. 20% der Markentiefe aufweist.
  18. Eine reflektierende Skala gemäß Anspruch 17, wobei jede Marke in ihrer Längsrichtung wellig ist.
  19. Eine reflektierende Skala gemäß Anspruch 15, wobei der mittlere Bereich jeder Marke abgedunkelt ist, um ein optisches Reflexionsverhältnis hinsichtlich der umliegenden reflektierenden Oberflächenbereiche des Trägermaterials von ca. 1:4 oder weniger bereitzustellen.
  20. Eine reflektierende Skala gemäß Anspruch 15, wobei das Metallträgermaterial im Wesentlichen aus einer einzigen Metalllegierung besteht.
  21. Eine reflektierende Skala gemäß Anspruch 20, wobei die Metalllegierung eine Nickellegierung ist.
  22. Eine reflektierende Skala gemäß Anspruch 21, wobei die Nickellegierung ca. 60% Nickel, ca. 20% Chrom, ca. 5% Eisen und ca. 10% Molybdän umfasst.
  23. Eine reflektierende Skala gemäß Anspruch 15, wobei die Marken längliche Seitenränder haben, die gerade maximal 10% der Breite der Marken betragen.
  24. Eine reflektierende Skala für einen optischen Kodierer, einschließlich eines Metallträgermaterials, auf dessen reflektierender Oberfläche ein Skalenmuster gebildet wird, wobei das Skalenmuster eine Vielzahl von länglichen nebeneinander angeordneten Marken umfasst, die von reflektierenden Oberflächenbereichen des Trägermaterials umgeben sind, wobei jede Marke einen im Allgemeinen gefurchten Querschnitt mit einem mittleren Bereich unter einer mittleren Höhe der Oberfläche des Trägermaterials und zwei äußere Kammbereiche oberhalb der mittleren Höhe der Oberfläche des Trägermaterials aufweist, wobei die mittleren und äußeren Kammbereiche eine Markentiefe definieren, die im Bereich von ca. 0,5 Mikron bis ca. 2 Mikron liegt, wobei jede Marke in ihrem mittleren Bereich in der Längsrichtung mit einer Wellenhöhe von unter 20% der Markentiefe gewellt ist, wobei der mittlere Bereich jeder Marke abgedunkelt ist, um ein optisches Reflexionsverhältnis hinsichtlich der umliegenden reflektierenden Oberflächenbereiche des Trägermaterials von ca. 1:4 oder weniger bereitzustellen.
  25. Ein Metrologiesystem, bestehend aus: der reflektierenden Skala aus Anspruch 15; einer Strahlungsenergiequelle, die zur Bestrahlung einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Marken der reflektierenden Skala angepasst ist; einem optischen Skalenleser, der funktionsfähig ist, um innerhalb eines Leser-Sichtfeldes reflektierte Strahlungsenergie von den Marken zu empfangen, wobei mindestens ein Teil der reflektierten Strahlungsenergie eine Vielzahl von gebeugten Energieteilen umfasst, die ein Randmuster infolge der Interferenz zwischen den gebeugten Teilen erzeugt, wobei der Kontrast der Ränder des Musters vom optischen Kontrast der Marken relativ zum umliegenden Trägermaterial abhängig ist, wobei der Kontrast innerhalb des Leser-Sichtfeldes messbar ist; einem Verschiebungsmechanismus, der dazu dient, die Skala relativ zum Leser zu bewegen; einem Signalprozessor, der dazu dient, ein Ausgangssignal, das repräsentativ für die Verschiebung auf der Grundlage einer Verlagerung der Ränder ist, zu erzeugen; und einem Systemcontroller, der dazu dient, das Ausgangssignal anzunehmen und den Betrieb des Verschiebungsmechanismus in Reaktion auf das Ausgangssignal zu steuern.
  26. Ein optischer Bandkodierer, bestehend aus: der reflektierenden Skala aus Anspruch 15; einer Strahlungsenergiequelle, die zur Bestrahlung einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Marken der reflektierenden Skala angepasst ist; einem optischen Skalenleser, der funktionsfähig ist, um innerhalb eines Leser-Sichtfeldes reflektierte Strahlungsenergie von den Marken zu empfangen, wobei mindestens ein Teil der reflektierten Strahlungsenergie eine Vielzahl von gebeugten Energieteilen umfasst, die ein Randmuster infolge der Interferenz zwischen den gebeugten Teilen erzeugt, wobei der Kontrast der Ränder des Musters vom optischen Kontrast der Marken relativ zum umliegenden Trägermaterial abhängig ist, wobei der Kontrast innerhalb des Leser-Sichtfeldes messbar ist; und einem Signalprozessor, der dazu dient, ein Ausgangssignal, das repräsentativ für die relative Bewegung zwischen der Skala und dem Leser auf der Grundlage einer Verlagerung der Ränder ist, zu erzeugen.
  27. Ein System zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem flexiblen, länglichen, bandartigen Trägermaterial, bestehend aus: einem Werkzeug, das in Reaktion auf Werkzeugbefehle wirksam st, um mit einem Teil des Werkstücks zu interagieren, um eine Werkstoffeigenschaft davon zu beeinflussen; einem Materialtransportsystem, das wirksam ist, um das Werkstück zur Interaktion mit dem Werkzeug zu positionieren, wobei das Materialtransportsystem besteht aus: (1) einer Schreib-Drehspindel mit einer äußeren Umfangsoberfläche, die innerhalb des Systems konfiguriert ist, um (a) das Werkstück mit Reibung zu erfassen, um einen Teil des Werkstücks relativ zum Werkzeug zu positionieren, und (b) eine Arbeitsoberfläche bereitzustellen, auf der der Teil des Werkstücks während der Interaktion mit dem Werkzeug aufliegt; und (2) entsprechenden Zuführ- und Aufnahmespindeln an den entgegengesetzten Seiten der Schreibspindel, wobei die Zuführ- und die Aufnahmespindel mit der Schreibspindel betrieben werden, um das Werkstück von der Zuführspindel über die äußere Umfangsfläche der Schreibspindel zur Aufnahmespindel zu transportieren; (3) Positionskodierern zur Ertastung der entsprechenden Winkelpositionen der Zuführ-, Aufnahme- und Schreibspindel; und (4) einem Radiussensor, der wirksam ist, um einen Momentanradius der Schreibspindel an der Arbeitsfläche zu ertasten; und einem Echtzeit-Controller, der auf der Grundlage des vom Radiussensor ertasteten Momentanradius und auf der Grundlage der entsprechenden Kodierersignale von den Positionskodierern wirksam ist, um (a) entsprechende Antriebssignale an die Zuführ-, Aufnahme- und Schreibspindeln zu erzeugen, um das Werkstück über die Arbeitsfläche der Schreibspindel mit der gewünschten linearen Werkstückgeschwindigkeit zu transportieren, und (b) um die Werkzeugbefehle als Funktion des Ist-Geschwindigkeitssignals des Werkstücks zu erzeugen, um die relative zeitliche Koordinierung des Betriebs des Werkzeugs zu steuern, um eine erwünschte räumliche Charakteristik eines auf dem Werkstück gebildeten Musters zu erzielen.
  28. Ein System zur Herstellung einer Band-Messskala auf einem flexiblen Bandträgermaterial, bestehend aus: einer Scanning-Laser-Beam-Box, die in Reaktion auf Laser- und Scanbefehle wirksam ist, um entsprechende überlappende Laserpulse abzugeben; einem Materialtransportsystem, das wirksam ist, um das Bandträgermaterial zu positionieren, um die Laserpulse zu empfangen, um ein gewünschtes Muster von mit Zwischenräumen angeordneten linearen Markierungen auf dem Trägermaterial zu bilden, wobei das Materialtransportsystem besteht aus: (1) einer Schreib-Drehspindel mit einer äußeren Umfangsoberfläche, die innerhalb des Systems konfiguriert ist, um (a) das Band mit Reibung zu erfassen, um einen Teil des Bandträgermaterials relativ zu den Laserpulsen zu positionieren, und (b) eine Arbeitsoberfläche bereitzustellen, auf der der Teil des Bandträgermaterials während des Empfangs der Laserpulse aufliegt; und (2) entsprechende Zuführ- und Aufnahmespindeln an den entgegengesetzten Seiten der Schreibspindel, wobei die Zuführ- und die Aufnahmespindel mit der Schreibspindel betrieben werden, um das Bandträgermaterial von der Zuführspindel über die äußere Umfangsfläche der Schreibspindel zur Aufnahmespindel zu transportieren; (3) Positionskodierer zur Ertastung der entsprechenden Winkelpositionen der Zuführ-, Aufnahme- und Schreibspindel; und (4) einem Radiussensor, der wirksam ist, um einen Momentanradius der Schreibspindel an der Arbeitsfläche zu ertasten; und einem Echtzeit-Controller, der auf der Grundlage des vom Radius sensor ertasteten Momentanradius und auf der Grundlage der entsprechenden Kodierersignale von den Positionskodierern wirksam ist, um (a) entsprechende Antriebssignale an die Zuführ-, Aufnahme- und Schreibspindeln zu erzeugen, um das Band über die Arbeitsfläche der Schreibspindel mit der gewünschten linearen Bandträgermaterial-Geschwindigkeit zu transportieren, und (b) um die Laser- und Scanbefehle als Funktion des Ist-Geschwindigkeitssignals des Bandträgermaterials zu erzeugen, um die relative Position und zeitliche Koordinierung der Laserpulse zu steuern, um eine(n) erwünschte(n) Größe, Abstand und Form der linearen Markierungen auf dem Bandträgermaterial zu erzielen.
  29. Ein System gemäß Anspruch 28, wobei jeder der Laserpulse eine Pulsbreite hat, die beim halben Maximum im Bereich von ca. 10–40 Nanosekunden gemessen wird.
  30. Ein System gemäß Anspruch 28, in dem jeder der Laserpulse eine Punktverteilung hat, die über den 1/e2-Durchmesser mit Energiedichte im Bereich von ca. 0,1–1 J/cm2 gemessen wird.
  31. Ein System gemäß Anspruch 28, in dem mindestens einige der Laserpulse ca. 10–50 mal räumlich überlappen.
  32. Ein System gemäß Anspruch 28, in dem die Laserpulse mit einer Rate von ca. 100 kHz oder höher erzeugt werden.
  33. Ein System gemäß Anspruch 28, in dem die Bandmessskala einen Markierungsabstand im Bereich von 10 bis 50 μm nominal hat, mit einer Abstandsgenauigkeit von ca. 10 μm/m oder höher und einen ausreichenden optischen Kontrast zur Verwendung mit optischen Kodierern besitzt.
  34. Ein System zur Herstellung einer Band-Messskala auf einem flexiblen Trägermaterial, bestehend aus: einer gepulsten Laserquelle; einem Strahlabgabesystem, das Quellenenergie annimmt und Energie an das flexible Trägermaterial abgibt; einem Materialtransportsystem, einschließlich einer Präzisionsschreibspindel zwischen einer Eingabespindel und einer Ausgabespindel, wobei jede der Spindeln auf entsprechenden Luftlagern gelagert ist und jede Spindel auch mindestens einen Teil des Trägermaterials unterstützt; einer kontaktlosen Radiusmesssonde zur Überwachung eines Spindelradius, der sich auf eine Position bezieht, an der der Energiestrahl auf das Trägermaterial auftrifft; und mindestens einem Controller, der die Bewegung des Trägermaterials mit der Abgabe der Laserenergie an das Trägermaterial auf der Grundlage von mindestens den Informationen, die von einer oder mehreren Sonden bezogen werden, koordiniert, wobei die Messbandskala durch Bestrahlung des flexiblen Trägermaterials mit Laserpulsen erstellt wird, wobei jeder Puls Folgendes hat: eine Pulsbreite (gemessen am halben Maximum) im Bereich von ca. 10–40 Nanosekunden, eine Punktverteilung (gemessen über den 1/e2-Durchmesser) mit Energiedichte im Bereich von ca. 0,1–1 J/cm2, und mindestens einige Pulse, die sich ca. 10–50 mal überlappen, wobei die Pulse mit einer Rate von ca. 100 kHz oder höher erzeugt werden, die kontaktlose Radiusmesssonde zur Messung einer Oberfläche der Schreibspindel zur Erkennung von mindestens einer Abweichung im Radius der Schreibspindel und auch zur Erkennung einer Abweichung, die einen Radius der Schreibspindel und eine Dicke eines Teils des auf der Schreibspindel aufgelagerten Trägermaterials umfasst, sowie zur Bereitstellung eines Signals in Bezug auf den mindestens einen Radius verwendet wird, und die Radiusmesssonde erste und zweite Kapazitätssensoren, die durch ein Element mit einem wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten gekoppelt sind, umfasst, wobei der erste Sensor zur Ertastung einer Oberfläche in der Nähe der Mitte der Schreibspindel dient, der zweite Sensor zur Ertastung einer Oberfläche dient, von der der Radius der Schreibspindel und von von der Schreibspindel unterstütztem Band messbar ist, wobei die Signale von der ersten und zweiten Sonde für eine hochstabile Differentialradiusmessung sorgen; wobei die resultierende Bandmessskala einen Abstand im Bereich von 10 bis 50 μm nominal hat, mit einer Abstandsgenauigkeit von ca. 10 μm/m oder höher und einen ausreichenden optischen Kontrast zur Verwendung mit optischen Kodierern besitzt.
  35. Ein Verfahren zur Herstellung einer Bandmessskala, einschließlich: Vorschub eines flexiblen, länglichen Bandskala-Trägermaterials über eine Umfangsfläche einer Schreib-Drehspindel, einen Arbeitsbereich des Bandskala-Trägermaterials, das in Reibungskontakt mit der Umfangsfläche der Schreib-Drehspindel steht; Erzeugung einer linearen Ist-Bandgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Ist-Winkelgeschwindigkeit der Schreibspindel und eines ertasteten Radius der Schreib-Drehspindel im Arbeitsbereich; Erzeugung eines Schreibspindel-Antriebsignals gemäß einer Differenz zwischen der linearen Ist-Bandgeschwindigkeit und einer vorher festgelegten erwünschten Band-Nenngeschwindigkeit, um das Bandskala-Trägermaterial mit im Wesentlichen der vorher festgelegten gewünschten Band-Nenngeschwindigkeit vorzuschieben; und Richtung der Laserpulse auf den Arbeitsbereich des Bandskala-Trägermaterials zur Bildung einer Vielzahl von mit Zwischenräumen angeordneten linearen Marken auf dem Bandskala-Trägermaterial, wobei die Laserpulse mit einer Pulsrate und an einer Position erzeugt werden, die von entsprechenden Laser- und Scan-Befehlssignalen befohlen werden, die gemäß der linearen Band-Istgeschwindigkeit erzeugt werden, um einen im Wesentlichen konstanten, vorher bestimmten Abstand zwischen den Marken zu erzielen.
  36. Ein Verfahren gemäß Anspruch 35, in dem mindestens einige der Laserpulse ca. 10–50 Mal räumlich überlappen.
  37. Ein System gemäß Anspruch 35, in dem die Laserpulse mit einer Rate von ca. 100 kHz oder höher erzeugt werden.
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