JP2005515077A - レーザマーキング - Google Patents

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Abstract

ステンレス鋼製のリボン（１）の形態をもつ測定スケールのための精密マーク（２８）を生成する方法および装置を開示する。レーザ（２１）を用い、リボン上にアブレーションを生じさせるフルエンスをもつ超短パルスを発生する。スキャナ（２５）を介してレーザ光を走査することができ、マーク（２８）のピッチを制御することができる。アブレーション技術により熱の入来が僅かとなり、スケールの精度が改善される。

Description

本発明は、読み取り可能な（光学的なものである必要はない）精密マーク、パターンその他の表示（indicia）を、レーザ光の照射によって測定機器その他に形成する方法に関する。特に本発明は、マークのパターンの対象への形成、例えば測定目的に使用されるスケールへの目盛りマーク（graduation marks）の形成に関するものである。しかしそれに限られるものでもない。
レーザ光のビームを用いて材料の表面または表面下にマーキングを行う際には、いくつかの大きな問題に直面する。例えばマークの正確な間隔を維持するために、表面／表面下に対してレーザ光の寸法管理を行うことや、表面／表面下の照射におけるビームのフルエンス（単位面積あたりのエネルギ）の継続時間など光のパラメータを正しく選択すること、さらには、平坦な表面だけでなく曲面にもマーキング可能としたり、異なるピッチ長を持つマーキングのパターンを生成可能としたりするなど、異なる応用にも適合するようマーキングプロセスを適応させることなどである。これらの問題と同様、レーザ照射領域での熱の蓄積も問題となり得る。これは作られたスケールの寸法を変化させ、不正確さをもたらすものであるからである。特に問題となり得るのは、ステンレス鋼などの薄い金属の測定スケールにおける蓄熱であり、熱が高すぎると曲がったり、脆弱となったりし得る。
これまでにも、表面にマーキングを行うためにレーザ光を用いた測定スケールの製造が考察されている。特許文献１においては、原位置（in-situ）スケールによる書き込みまたはキャリブレーション技術が用いられている。マークを規定（lay-down）するため、ないしはスケール内の欠陥を補正するために、基準が用いられる。スケールの読み取りおよび書き込みを行うためにレーザが用いられているが、これを行う方法については開示がなく、熱の問題を解決することについても記載がない。
特許文献２は、レーザを用いてマーキングされる測定スケールの移動の方向に直交する目盛りを得る方法を示している。特許文献２においては熱の問題について論じられておらず、レーザの出射や、スケールに対するビームの位置を制御するための装置についての記載もない。
材料のパルスレーザアブレーションには２つの異なるメカニズムが効果的であること、および、いずれのメカニズムを用いるかを決定するための鍵になる要素はパルス長であることが知られている。基本的に、ほぼ４ピコ秒を越えるパルス長については、材料を溶融させて表面からボイルオフさせるとともに、残った材料中に相当量の熱エネルギを伝達する。ほぼ４ピコ秒未満のパルス長（すなわち超短パルス）については、固体からそのまま気体へと昇華するか、または固体微粒子として基体から排出されるかの、いずれかの材料を用いることにより（メカニズムの正しい理解に基づく）、溶融プロセスが省略される。超短パルスを使用する場合、材料に伝達される熱エネルギの量は著しく低減される。
米国特許第４，９３２，１３１号明細書 特開平５−１６９２８６号公報
本願の発明者らは、精密測定スケール（すなわち、メートル当たりμｍの公差を有する）に目盛り付けを行うには超短パルスレーザの使用が有効であることを見出した。目盛りのマーキングプロセスを通じ、１つの目盛りを他に対してポジショニングする際における熱の影響に対して、施すべき処置を緩和し、スケールの精度を改善できるからである。
第１の形態に係る本発明は、反復時点でレーザによりマーキングを行うことで測定スケールを形成するためのスケール基体と、該基体にスケールマークを形成するための光パルスを提供するよう操作可能なレーザと、前記基体と該基体に前記光の照射が行われる位置との間の相対移動を生じさせるための移動装置と、前記相対移動および前記レーザの制御を行うためのコントローラと、を具えた装置を用い、測定スケールのための精密マークを生成する方法であって、
前記移動機構を操作し、前記基体と前記光との間の相対移動を生じさせる工程、および
前記コントローラを用い、前記相対移動を制御するとともに、前記レーザを操作して前記基体への光パルスを生成する工程
を適切な順序で具え、
前記レーザが、前記基体に対し、レーザアブレーションによって前記測定スケールのマークが形成されるようにするフルエンスの超短パルスを出力することを特徴とする方法を提供する。
他の形態に係る本発明は、反復時点でレーザによりマーキングを行うことで測定スケールを形成するためのスケール基体と、該基体にスケールマークを形成するための光パルスを提供するよう操作可能なレーザと、前記基体と該基体に前記光の照射が行われる位置との間の相対移動を生じさせるための移動装置と、前記相対移動の制御を行うとともに、前記レーザを操作して前記基体への光を生成するためのコントローラと、を具えた、測定スケールのための精密マークを生成する装置であって、前記レーザによって生成される前記光パルスが、前記基体に対しレーザアブレーションによって前記測定スケールのマークが形成されるようにするフルエンスの超短パルスであることを特徴とする装置を提供する。
他の形態に係る本発明は、レーザ光のパルスによって形成されたスケールマークを有する基体を具え、パルスがアブレーション用超短パルスであることを特徴とする測定スケールを提供する。
最も効果的な材料の除去およびアブレーションが行われる領域の最適な表面処理を確実にするために正しいフルエンスを選択することで、本発明はさらに洗練されたものとなる。フルエンスが増大して材料についての閾値（Ｆｔｈ）を越えるとアブレーションが生じるが、低フルエンスレベルでは比較的滑らかな表面が残り、フルエンスが増すほど粗く表面処理される。
超短パルスレーザビームについては、材料除去の最適なレートに対するフルエンスは材料に関する閾値Ｆｔｈのほぼｅ2倍である（ｅは自然対数の底についての数学的定数であり、約２．７２に等しい）。また、このフルエンスレベルは、他の方法で研磨した基体より良好な光学的コントラストを示す表面処理を与えるものである。
従って、本発明の好ましい特徴は、パルスのエネルギがほぼｅ2Ｆｔｈであることである。
本発明のさらなる形態では、コントローラと、反復時点でレーザ光の出力ビームを提供するレーザと、対象に照射を行ってマーキングを生じさせる光学エレメントと、対象およびビーム間の相対移動を生じさせる移動装置と、その相対移動を検出して変位信号をコントローラに与える変位センサと、対象がビームを受けたときに生成された２以上のマーキング間の距離を判定して、ピッチ信号をコントローラに与えるリーダとを具え、コントローラは使用時に、変位信号およびピッチ信号に応答して、レーザがそのビームを放射する反復時点を制御するようにしたマーキング装置が提供される。
よって、本発明の一実施形態においては、レーザ光源に対してスケール素材を移動させる装置が具えられ、ここでレーザ光源はビーム操作部（例えばビームシェーピングレンズおよび／またはスキャナ）を有したものとすることができる。スケールの移動はコントローラによって監視され、適切なレーザ発射信号がコントローラによって与えられる。コントローラは、マーキングが生じるポイントの下流に配されたスケールリーダを用いることで、レーザによって生成される目盛りマークのピッチを監視し、所要のピッチ補正はコントローラによって行われる。
好ましくは、本発明は、レーザがそのビームを放射する反復時点を進ませまたは遅らせることに関し、あるいは操作を変えることに関し、すべてをコントローラにアクセス可能な装置の既知のエラー情報に応答させるものである。
よって、上記実施形態において、コントローラは既知の再現可能な（repeatable）エラーのマップにアクセスする。ここで、エラーは装置の使用を通じて生じるものであり、それら既知のエラーはレーザが発射される時間を進ませまたは遅らせること、および／または操作（例えばスキャナパス）を変えることによって補償される。
本発明の他の形態は、対象への照射を行って所望の構成のマーキングを形成するためにここに記載される多くの技術を提供する。好ましくは、かかるマーキングは測定スケール上に目盛りマークを形成するものであり、測定スケールとは、例えば長尺のリニアスケール、ロータリーエンコーダスケール、または２次元を持つものである。
図面を参照して、本発明の様々な特徴を説明する。
図１は連続したリボン状の材料にマーキングを行うための製造装置を示す。ここで、その材料は１０ｍｍの幅および０．３ｍｍの厚みを有して装置に供給される。この例では、材料は研磨されたステンレス鋼である。装置はフレーム５を有し、ここに装置の様々なエレメントが取り付けられる。リボン１０はまずテンショニングシステム５０を横切り、次にマーキングステーション１００に搬送され、さらに、第１テンショニングシステム５０とは反対側にある別のテンショニングシステム６０に至る。双方のテンショニングシステムは、リボンがマーキングステーションを通って移動する際に、その速度にかかわりなく一定の張力をリボンに付与する。
各テンショニングシステムにおいては、ピボット５２，６２を介し、釣合い錘５５，５６が可動ローラ５１，６１に対し上向きの力を提供している。
フィードホイール５３，６３を駆動するためのフィードモータは、錘５５，６５の下降または上昇に応答して、回転速度が増大または減少する。ポテンショメータ５４，６４はモータの速度を制御するとともに、ピボット５２，６２にも接続され、ホイールの昇降がポテンショメータの抵抗値を変化させるようになっている。フィードローラの速度が遅すぎる場合、ローラ５１，６１が下降し、ポテンショメータの抵抗値が減少することになる。その場合は、抵抗値の減少によってフィードモータがフィードホイール５３，６３の速度を増大させることになる。逆もまた同様である。
リボンの移動はマーキングステーション１００によって管理される。これについては、図２により詳細に示されている。
図２においては、リボンを搬送するために２つのピンチローラ２０および２２が用いられている。ステーションを通じリボンには一定の張力が付与される。ピンチローラ２０はほぼ一定の速度で駆動されるが、制御可能な電圧源以外には、速度管理を用いる必要はない。ピンチローラ２２は２つのロータリーエンコーダのリング２４を有し、これらはピンチローラ２２に貼付され、またはマーキングされたものである。そのマークを２つのリーダ２６が読み取り、２つの信号として機械コントローラ（図１における２００）に提供し、それらの平均をリボン移動値として上記コントローラに提供するべく用いることができる。機械コントローラ２００でのこの平均のリボン移動信号は、ソフトウェアを介し、リボンマーキングレーザ２１の発射管理に用いられる。
加えて、２以上のスケールリーダ（本例では２つのリーダ２３ａおよび２３ｂ）のシステムが用いられ、レーザ２１によって生成されるものであるスケールの読み取りが行われる。リーダ２３は所定距離Ｌだけ離してセットされており、従ってマーキングピッチのエラーが判定され、適切であればソフトウェアを介してレーザ発射レートの調整値が作成される。従って、たとえレーザ照射領域の温度が僅かに上昇したとしてもリーダの温度は一定のままであり、その後はレーザ光による僅かな加熱があってもレーザ照射領域でのスケールピッチを増加させることで、補償を行うことができる。
従って、レーザは、所望の場合には補正されたピッチにマーキングを行うことができる。
上述の装置によって生成されたスケールは非常に正確なものとなる。しかしながら、機械の不完全さによって生じる繰り返しエラーを除去することで、精度をさらに向上することができる。機械の不完全さとは、ロータリーエンコーダリング２４上のマーキングの不正確さ、これらのリングの振れ、ピンチローラ２２または２０のいずれかの偏心、あるいは、スケール１０上でのレーザ１０の位置を制御するのに用いられるスキャナ２５の変位における持続的な不正確さなどである。
いくつかのピンチローラの回転のサイクルをそれぞれ持ついくつかのスケールのサンプルが生成され、高精度の線形測定デバイス（例えば干渉計測定デバイス）を用いてサンプル上のスケールのパターンが測定されれば、数学的解析を用いることにより、スケールにおいて繰り返される狂いを見つけることができる。そして、スケール生成装置にエラーマップを提供することが可能となる。装置はこのマップをストアし、機械コントローラ２００がレーザ発射および／またはスキャナ移動を補正してそれらの繰り返しエラーを排除するために使用することができるようにする。
かかるエラーマッピング手順を通じて重要なことは、サンプルスケールとの関係においてピンチローラの位置を確認することで、エラー補正（発射信号を進ませるまたは遅らせること）が適切な時点で行われ得るようにすることである。このために、インデックスマーク２９がローラ２０／２２のそれぞれに配され、例えばスケール上に対応マークを生成することによって、製造開始時のローラの位置が記録される。
機械コントローラ２００にストアされたエラーマップにその後にアクセスすることが可能であり、上記のように概説した手順を反復インターバルにて更新し、装置を高精度に維持することができる。
上述の方法は、レーザに対する測定スケールの位置決めを行う技術および装置の例示である。以下では、用いられるレーザパラメータおよびスケールのマーキング技術を詳述する。しかしそれらの概念は他の製品へも適用できる。
マーキングに用いられるレーザはチタン‐サファイアレーザであり、これは高エネルギの光の超短パルスを発射する上で理想的である。ほぼ４ピコ秒未満のパルス長（すなわち超短パルス）では、「フルエンス」として参照されるビームのエネルギ（Ｆ）が閾値（Ｆｔｈ）を超えていれば、パルスを受けている材料のアブレーションが生じる。材料に伝達される熱エネルギの量は、より長いパルスを使用する場合に伝達される熱エネルギの量はよりも著しく低減される。
フルエンスが増大して材料についての閾値（Ｆｔｈ）を越えるとアブレーションが生じるが、低フルエンスレベルでは比較的滑らかな表面が残り、フルエンスが増すほど粗く表面処理されるということが見出された。また、最も効果的な材料の除去およびアブレート領域の最適な表面処理は、材料についてのフルエンスの閾値Ｆｔｈのほぼｅ2倍であることも見出された。さらに、フルエンスの閾値の４倍から１２倍の範囲としたときに、適度に良好な結果が得られる。このフルエンスの範囲は、他の方法で研磨した基体より良好な光学的コントラストを示す表面処理を与えるものでもある。
よって、図１および図２に示したステンレス鋼のスケールの製造においては、チタン‐サファイアレーザを用い、約１００フェムト秒の超短パルスのレーザを約５ｋＨｚの反復レートで発射する。レーザから出力されるビームは、１２〜１６ｋＪ／ｍ2の範囲のフルエンスとなるよう集中される。適切なパラメータはマーキングされる材料に従う。スケール表面におけるアブレーションの深さもまた、材料の特性およびビームのフルエンスに従うものとなるが、概して２〜３００ナノメートル（ｎｍ；１０-9ｍ）のオーダとなる。ステンレス鋼などの連続した基体をスケールに用いる場合、スケールリーダがマーキングおよび非マーキング表面間を識別可能とするのに要するマーキング深さを生じさせるために、２〜３パルスのレーザ光を必要とすることになる。また、例えばガラスの基体上にクロム層を配したものなど、スケールの表面をフィルムとしたり、フィルムを実質的に除去するのに十分となるようなアブレーション深さとしたりすることも可能である。光の位相干渉パターンが必要であれば、所要のパターンの深さは回折格子の使用を通じて用いる光の波長に従うものとなる。
短パルスのアブレーションを用いれば、その技術がスケールに付与する熱エネルギは僅かである。これは、熱膨張がごく僅かしか生じないためマーキングの寸法について大きな補償を行う必要がないことを意味する。また、スケールの熱歪みも発生しない。
用いるレーザのパワーに従って、および必要であればスケールに対するレーザビームの移動に従って、様々なマーキング技術を用いることができる。与えられたパルスのエネルギに対し、レーザビームが集中する面積を変えることで所望のフルエンスが選択される。エリアと所望のライン幅との関係によって、これら技術のいずれが適用可能であるかが決定される。以下では、図３ａ〜図３ｅに例示するように、ピッチＰが４０μｍ（すなわち２０μｍの幅および２０μｍのスペースをもつ）、幅６ｍｍのスケールを用いる。
ビームを出力するにはいくつかの操作を要する。２０μｍ×６ｍｍのライン全体にわたって正確なフルエンスを与えるのに十分なパルスエネルギをレーザが有している場合、スケールにマーキングを行う最も単純な方法は、マーキングを行う位置にスケールを移動させ、移動を停止し、レーザを発射してからスケールを次のマーキング位置に移動させることである。細いラインを生成すべくレーザビーム出力２７を平たく延ばしたもの（通常は楕円形）とすれば（後述）、スケールの幅を横切る方向（図３ａ〜図３ｅのｙ方向）にビームを移動させる必要なく、対応するラインパターンを生成できる。
６ｍｍのライン長全体にわたって正しいフルエンスを与えるのにパルスエネルギが不十分であれば、ビーム２７は例えば丸いスポットあるいは楕円を形成すべく形状が定められる。これは所要のスケールマーキングの幅より短くなる。この場合には、スケールを固定する一方、スケールを横切る方向(ｙ方向)にビームを移動（走査）すればよい。
上記技術は適切な結果を与えるが、光学スキャナ２５を用いてｘ方向およびｙ方向（組み合わせはいかなるものでもよい）においてビームを走査し、かつスケールの移動を一定に保持することが好ましいものとなる。スケールの移動を一定に保持することで、スケールをより速く進行させることができ、レーザによって生成されるパターンのより速い製造が可能となる。
多くのマーキング技術が図３ａ、図３ｂ、図３ｃ、図３ｄおよび図３ｅに示されている。
図３ａは楕円状の照射領域（本願ではスポットと称する）を示している。実際には、スポットの寸法はほぼ、２０μｍの幅ｔと６ｍｍの長さｗとを有している。ｔ：ｗの比率は図３ａ〜図３ｅのいずれにも示されていない。スポットはｙ方向には移動しないが、スケール１０とともに進行しながら多くの時点でスケール１０に発射され、スケール１０が矢印Ｔ方向に連続移動するときのスケールに対するペースが保持されるようになっている。スポットは、スケールの表面を十分に処理すると、そのスタート位置にフライバック（fly back）される。この例では１ワットのレーザが用いられ、スケールの表面でほぼ３０〜６０回の発射が必要となる。従って、１秒当たり約５０〜８０回の割合、すなわち５ｋＨｚの反復にて３０〜６０回の発射で４０μｍピッチのスケールマーキング２８ａが生成されてから、次のスタート位置へのフライバックが行われる。
あるいは、６ｍｍ長を有するが幅は２０μｍより小さいスポットに、より低いエネルギのパルスを集中させることもできる。図３ｂはかかる構成の楕円状スポット２７ｂを示し、これは６ｍｍの長さｗと５μｍの幅ｔとを有している。この構成においては、スポットはｙ方向に走査されない。所要のスケール幅をカバーするに十分な幅ｗを有しているからである。スケール１０が移動する一方、スケールの移動に対してペースが保持されるようスポット２７ｂがここでもｘ方向に走査される。スポット（第１位置）によって照射されたスケールの表面の領域に対して所要の処理が実行されると、スポットが移動する。
スポットを様々な位置に移動させることができる。第１位置から離れた４０μｍピッチのある位置に移動させて、不均一なマーク／スペース比を作り出すこともできる（後述）。あるいは、スポットを第１位置から５μｍの位置（第１位置に直接隣接する第２位置）に移動させ、スケール移動に対するペースを保って再度走査させることもできる。所要量の処理が第２位置でなされると、スポット幅の２倍（すなわち１０μｍ）の処理バンドが生成されることになる。その処理をさらに隣接する位置でも繰り返すことで、スポット幅のさらに複数倍のマークをもつスケールを製造できる。
さらなる例として、スポット幅の一部だけスポットを移動させること、あるいはスケールの移動に対してスポットを遅らせることができるようにすることで、スポット幅の非整数倍のマーキングを行うようにすることも可能である。
ｘおよび／またはｙ方向へのスポットの移動が行われるようにすることができ、またどの時点で発射されるようにすることもできる。この利点は、製造されるスケールの部分が図示のように形成不良（miss out）となったとき（例えば他のマークより深さの小さいマークとなったとき）、他の方法に代え得ることである。そのようなマークは、基準マークあるいはスケール上のアブソリュートディメンションとして使用することが可能である。
図３ｃは同様に低いパルスエネルギによるマーキングの他の方法を示している。ここでもスポット２７ｃは第１位置で集中し、スケールをＴ方向に移動させながらｃ方向に走査される。この例のスポットは楕円形で、ほぼ２０μｍの幅と１．５ｍｍの長さとを有している。走査されながら、スポットはスケール表面で所望の処理を行う。この例では、一連のオーバーラップしたアブレーションを行う処理であり、ラインパターンが形成される。スポットがその処理を終えると、位置Ｓにフライバックされる。
スポットとして大きいものを１つ用いる代わりに、複数の小さいスポットとなるようビームを分けることで、正確なフルエンスを実現できる。マーキングの他の例が図３ｄに示され、この変形例の方法では、ｘおよびｙ方向に関して固定された列状のスポット２７ｄの群を用いている。スケールは矢印Ｔの方向に移動し、スポットが照射される位置は移動しない。スケールのＴ方向における移動距離がｎＰに等しくなったときにスケールが停止され、レーザが発射される。ここで、Ｐは所望パターンのピッチ、ｎはスポット２７ｄを離隔するのに用いられる整数値である。スケールが距離ｎＰだけ変位したときの順次のインターバルのそれぞれで、正確な深さの処理を得るために複数回の発射が行われる。
図３ｅに示す方法においては、僅かに楕円形をなす（円形であってもよい）複数のスポットが、スケールが矢印Ｔの方向に進行するときに、ｅ方向（スポットの形状に従い、丁度ｙ方向でもよいし、ｘおよびｙ成分をもつものでもよい）に走査される。一連のレーザ発射を要し、スポットのオーバーラップしたパターンが、生成されるべき直線のラインパターン２８ｅとなる。図３ｄおよび図３ｃに示した方法において用いた複数のスポットは、レーザの出力光を光学的に分けることで生成される。
図３ａ〜図３ｅに示した方法のそれぞれにおいて、コントローラ２００による制御の下、レーザの発射を選択的に進ませまたは遅らせることで、パターン２８のピッチについて検出エラーを補正すること、および／または、上述したエラーマッピングから得た既知の機械エラーを補正することが可能となる。図示の楕円形スポットは、円柱レンズと、円柱レンズおよび／または球面レンズのシステムとのいずれかをレーザの出力ビームが通過するようにすることで形成される。
図３ａ〜図３ｅに示した方法および上述したレーザのパラメータは、他の平坦なリボン状測定スケールの製造に適用することができる。また、例えば短い長さの丸いもしくは平坦なバーなどのいかなるコンポーネントも上述した手法で取り扱うことができる。測定のために相対変位を要する機械の実際のコンポーネントには、リニアモータシャフト、ボールねじシャフト、他の形態のリードスクリュ、工作機械のベッド、ロータリーエンコーダのような相対回転部分、相対移動可能な部分を有する他のデバイスなどがある。
それらのような例では、マーキングされるべき部分をレーザに対して移動させ（逆も同様）、その相対移動を基準測定デバイスにより監視することになる、そのデバイスとしては、例えば回転するピンチローラ２０，２２、精密なリニアエンコーダ、あるいは干渉計測定デバイスなどがある。
平坦でない表面の部品に対してマーキングが必要な場合には、その部分を回転させながらマーキングを行うようにすることができる。しかしながら、回転を要するのは比較的小径の部品（直径２５ｍｍ未満）だけである。より大径の部品であれば十分に平坦であるので、レーザビームの焦点深度で十分であり、それらの部品は上述した平坦なリボンのように取り扱うことが可能である。
本発明は、例えば６ｍｍ以下の厚みを持ち、コイルにできるリボンの製造に特に適切なものであるが、しかしそのような材料に限られるものでもない。
かかる厚みの精密測定スケールの製造を試みる場合、そのようなリボンを従来のレーザで処理するのは不十分であることがわかった。そのような公知の技術は、許容できない熱膨張が生じることから６ｍｍ未満の厚みの金属リボンを用いることが非常に困難であり、熱歪みが生じることから１ｍｍ以下の厚みのリボンを用いることもほとんど不可能である。従って、本発明は６ｍｍ未満の厚みをもつ金属製測定スケール、例えばシートの２Ｄグリッドエンコーダやロータリーエンコーダを製造する場合に有利であり、また６ｍｍ以下の金属製スケールを製造する場合に特に有利である。
本発明は、１ｍｍ未満の厚みをもつ金属製測定スケールを製造する場合に最も有利である。実験によれば、スケールの材料において６℃を超えるバルク温度上昇があると、スケールの精度に非常に良くない影響が生じることがわかった。よってパルス継続時間、レーザアブレーション領域とスケールとの相対移動の速度、およびスケールの横断面積はすべて、アブレーション領域での一時的なバルク温度上昇も約６℃未満にするために選択される。
この温度上昇低減およびアブレーション技術は、熱膨張による不正確さを、概して３ＰＰＭ（parts per million）未満、通常は１ＰＰＭ未満とする。よって、スケールは不正確さが３ＰＰＭ未満の良好な精度となる。
本発明によるアブレーションはまた、アブレートされる領域で低減された反射率をもつ優れた光学的コントラストを提供する。３倍以上の低減が可能である。
測定スケールを製造するための本発明に係る製造装置を示す図である。 図１に示した装置の部分をより詳細に示す図である。 図１および図２に示した測定スケールにマーキングを行うための技術を示す図である。 図１および図２に示した測定スケールにマーキングを行うための技術を示す図である。 図１および図２に示した測定スケールにマーキングを行うための技術を示す図である。 図１および図２に示した測定スケールにマーキングを行うための技術を示す図である。 図１および図２に示した測定スケールにマーキングを行うための技術を示す図である。

Claims (41)

  1. 反復時点でレーザによりマーキングを行うことで測定スケールを形成するためのスケール基体と、該基体にスケールマークを形成するための光パルスを提供するよう操作可能なレーザと、前記基体と該基体に前記光の照射が行われる位置との間の相対移動を生じさせるための移動装置と、前記相対移動および前記レーザの制御を行うためのコントローラととを具えた装置を用いて、測定スケールのための精密マークを生成する方法であって、
    前記移動機構を操作し、前記基体と前記光との間の相対移動を生じさせる工程、および
    前記コントローラを用い、前記相対移動を制御するとともに、前記レーザを操作して前記基体への光パルスを生成する工程
    を適切な順序で具え、
    前記レーザが、前記基体に対し、レーザアブレーションによって前記測定スケールのマークが形成されるようにするフルエンスの超短パルスを出力することを特徴とする方法。
  2. 前記基体が、前記アブレーションの結果としてアブレーション領域で約６℃を超えることのないバルク温度上昇を受ける請求項１に記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  3. 生成された前記マークは、アブレーションが行われない基体に対して光学的コントラストを示す請求項１または請求項２に記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  4. 前記基体が、前記基体のアブレーション領域での熱膨張によって生じる不正確さが３ＰＰＭ未満となるよう、バルク温度上昇を受ける請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  5. 請求項３に従属する場合において、前記光学的コントラストを示すマークが変化した反射率をもつ請求項３または請求項４に記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  6. 前記マークの反射率が前記基体の反射率の３倍以上小さい請求項５に記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  7. 前記基体が可撓性である請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  8. 前記基体が長尺のものである請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  9. 前記基体が連続する金属製リボンである請求項８に記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  10. 前記基体が約６ｍｍ未満の厚みである請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  11. 前記基体が約１ｍｍ未満の厚みである請求項１０に記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  12. 前記移動が連続して行われるものである請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  13. 前記照射の中心における前記インフルエンスが前記アブレーションの生じる閾値より大きく、約４倍から約１２倍である請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  14. 前記照射の中心における前記インフルエンスが前記アブレーションの生じる閾値より大きく、約ｅ2倍である請求項１３に記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  15. レーザ光操作デバイスと、前記前記光が照射される位置と前記基体との前記移動を検出するための変位センサと、２以上のマーク間の距離を判定するためのリーダとをさらに用いるとともに、さらに
    前記変位センサからの信号を前記コントローラに与え、
    前記リーダからの信号をコントローラに与え、
    前記センサからの信号および前記リーダからの信号に応答して前記コントローラを用いることで、前記操作デバイス、前記移動、および前記レーザ光が前記基体をアブレートする前記反復時点を制御する、
    請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  16. 前記移動は一方向への直線移動であり、前記方向を横切る方向に前記レーザ光が前記基体に照射される位置を移動させるよう、前記光操作デバイスが操作可能である請求項１５に記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  17. 前記コントローラがさらに、装置の既知のエラー情報に従って前記移動および／または操作を制御するべく用いられる請求項１５または請求項１６に記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  18. 前記光が前記基体に照射される位置で、前記レーザ光が少なくとも１つの楕円として形成されるものである請求項１ないし請求項１７のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成方法。
  19. 反復時点でレーザによりマーキングを行うことで測定スケールを形成するためのスケール基体と、該基体にスケールマークを形成するための光パルスを提供するよう操作可能なレーザと、前記基体と該基体に前記光の照射が行われる位置との間の相対移動を生じさせるための移動装置と、前記相対移動の制御を行うとともに、前記レーザを操作して前記基体への光を生成するためのコントローラとを具えた、測定スケールのための精密マークを生成する装置であって、前記レーザによって生成される前記光パルスが、前記基体に対しレーザアブレーションによって前記測定スケールのマークが形成されるようにするフルエンスの超短パルスであることを特徴とする装置。
  20. 前記基体が、前記アブレーションの結果としてアブレーション領域で約６℃を超えることのないバルク温度上昇を受ける請求項１９に記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  21. 生成された前記マークは、アブレーションが行われない基体に対して光学的コントラストを示す請求項１９または請求項２０に記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  22. 前記基体が、前記基体のアブレーション領域での熱膨張によって生じる不正確さが３ＰＰＭ未満となるよう、バルク温度上昇を受ける請求項１９ないし請求項２１のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  23. 請求項２１に従属する場合において、前記光学的コントラストを示すマークが変化した反射率をもつ請求項２１または請求項２２に記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  24. 前記マークの反射率が前記基体の反射率の３倍以上小さい請求項２３に記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  25. 前記基体が可撓性である請求項１９ないし請求項２４のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  26. 前記基体が長尺のものである請求項１９ないし請求項２５のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  27. 前記基体が連続する金属製リボンである請求項２６に記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  28. 前記基体が約６ｍｍ未満の厚みである請求項１９ないし請求項２７のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  29. 前記基体が約１ｍｍ未満の厚みである請求項２８に記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  30. 前記移動が連続して行われるものである請求項１９ないし請求項２９のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  31. 前記照射の中心における前記インフルエンスが前記アブレーションの生じる閾値より大きく、約４倍から約１２倍である請求項１９ないし請求項３０のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  32. 前記照射の中心における前記インフルエンスが前記アブレーションの生じる閾値より大きく、ｅ2倍である請求項３１に記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  33. レーザ光操作デバイスと、前記前記光が照射される位置と前記基体との前記移動を検出するための変位センサであってその信号を前記コントローラに与えるための当該変位センサと、２以上のマーク間の距離を判定するリーダであってその信号をコントローラに与えるための当該リーダとをさらに具え、前記コントローラはさらに、前記センサからの信号および前記リーダからの信号に応答して、前記操作デバイス、前記移動、および前記レーザ光が前記基体をアブレートする前記反復時点を制御するよう作動可能である請求項１９ないし請求項３２のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  34. 前記移動は一方向への直線移動であり、前記方向を横切る方向に前記レーザ光が前記基体に照射される位置を移動させるよう、前記光操作デバイスが操作可能である請求項３３に記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  35. 前記コントローラがさらに、装置の既知のエラー情報に従って前記移動および／または操作を制御するべく用いられる請求項３３または請求項３４に記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  36. 前記光が前記基体に照射される位置で、前記レーザ光が少なくとも１つの楕円として形成されるものである請求項１９ないし請求項３５のいずれかに記載の測定スケールのための精密マーク生成装置。
  37. レーザからの光パルスにより形成されたスケールマークを有する基体を具え、前記パルスがアブレーション用の超短パルスであることを特徴とする測定スケール。
  38. 前記スケールは、長尺のもの、平面状のグリッドをもつものまたは回転式のものの１つである請求項３７に記載の測定スケール。
  39. 前記スケールが連続した金属製リボンである請求項３８に記載の測定スケール。
  40. 前記金属が研磨したステンレス鋼である請求項３９に記載の測定スケール。
  41. 前記スケールが６ｍｍを超えない厚みである請求項３７ないし請求項４０のいずれかに記載の測定スケール。
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