JP6159317B2 - 基板内にパターンを書き込むための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板内にパターンを書き込むための方法に関し、詳細には、ステンレス鋼基板内に異なる透磁率のラインを備えるパターンを書き込むことによって磁気エンコーダスケールを形成する改善された方法に関する。

パッシブ磁気スケールを有するエンコーダが知られている。そのようなエンコーダは、周囲の材料とは異なる透磁率を有する一連のマーキングを備えるスケールを含む。スケールの透磁率変動を、磁石と複数の磁界センサ（たとえば、ホールセンサ）とを備える関連のリードヘッドを使用して検知することができる。

従来、いかにレーザを使用してそのようなパッシブ磁気スケールを金属性材料内に形成することができるかについて記載されている。たとえば、特許文献１は、レーザを使用して金属棒の一部を選択的に熱処理することによってその棒上にパターンを形成することについて記載している。特許文献２は、金属性合金の層を棒の表面上に設け、その合金の領域を加熱し、その透磁率を増大または低減し、パッシブ磁気スケールをもたらすことについて記載している。特許文献３は、オーステナイト（非磁性）材料を取り上げ、レーザを使用し表面の一部を「浸炭」し、マルテンサイト（磁性）領域をもたらすことについて記載している。これらの領域は、関連のリードヘッドによって読み取ることができるパッシブ磁気スケールを提供する。

上述のタイプのレーザ処理をベースとする技法の欠点は、レーザパラメータの変動、基板表面仕上げ、初期基板温度により、スケールマーキングプロセス中に作り出されるスケールマーキングの均一性が大きく変動することである。スケールマーキング均一性のこの欠如は、そのようなスケールを読み取るとき得ることができる測定精度を低下させる。

レーザマーキングプロセスは、異なる技術分野でも使用されている。たとえば、特許文献４、特許文献５、および特許文献６を参照されたい。

特許文献４は、レーザの形態の加熱デバイスを使用し、磁気記憶媒体（たとえば、ハードドライブ内）のエリアを局所的に加熱してから、誘導書込みヘッドを使用してデータビットをその媒体に書き込む技法について記載している。レーザの寿命を短縮する可能性があるレーザの過熱を防止するために、レーザの温度が測定される。一例では、熱電対がレーザの近くに配置され、使用中にその温度を測定する。

特許文献５は、レーザをベースとするマーキングシステムを使用して、車両部品上に装飾モチーフをマーキングするための技法について記載している。一実施形態では、車両部品を保持するためのベースが、レーザビームを検出するための一体型手段を含む。これは、車両部品をマーキングする前または後に、レーザ特性（たとえば、レーザビーム強度、ビームの向き）を検査するために使用される。

特許文献６は、光学ディスクラベルを印刷するためのプリンタについて記載している。印刷プロセスを最適化するためにレーザビームの形状およびパワーを設定するための技法が記載されている。

日本国特許第６３０９８５０１号明細書 独国特許第３２１０７１６号明細書 独国特許第４１２１７２４号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１９５９０５号明細書 ＥＰ２２７９８７６ 米国特許出願公開第２０１０／０１２８１０２号明細書 ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００２２０

上述したように、レーザパラメータの変動、基板表面仕上げ、初期基板温度により、スケールマーキングプロセス中に作り出されるスケールマーキングの均一性が大きく変動してしまい、スケールマーキングの均一性を保持できず、スケールを読み取るとき得ることができる測定精度が低下するという課題がある。

本発明の第１の態様によれば、基板上に１または複数のマーキングを備えるパターンを形成するための方法であって、基板を局所的に加熱することによって各マーキングを形成するステップを含む方法において、各マーキングが形成されている間、基板の温度を監視するステップを含むことを特徴とする方法が提供される。

したがって、本発明は、エンコーダスケールを画定するパターンなど、パターンを基板上に形成するための方法を提供する。これは、基板を（たとえば、レーザ光のストライプまたはラインを使用して）局所的に加熱し、必要とされる（１または複数の）マーキングを作り出し、一方、マーキングの形成中に基板の温度を測定または監視することによって達成される。マーキング中に基板の温度を監視するステップは、発生する基板加熱量の制御の改善をもたらし、したがって改善された均一性でマーキングを生成することができることが判明している。特に、この方法は、エンコーダスケール形成中など、一連の離隔されたマーキングを生成するためにこの方法が使用されるとき、マーキング間の変動性を低減する。

特許文献４、特許文献５、および特許文献６のそれぞれに記載されている技法とは異なり、本発明の方法は、各マーキングが形成されている間、基板の温度（すなわち、マーキングされる物品の温度）を監視するステップを含むことに留意されたい。したがって、本発明の方法は、レーザマーキングプロセスステップ中（すなわち、レーザが基板に当たっている間）、基板温度を監視するための工程内方法である。

各マーキングを形成するステップは、所定の温度閾値に達するまで基板を局所的に加熱することを含むことが有利である。たとえば、基板は、マーキングされる基板のエリアがある温度を超えるまで局所的に加熱される。基板の温度を監視するために、任意の好適な温度センサが使用される。温度センサは、較正された温度測定出力（たとえば、摂氏度の温度値）を提供しても、温度を示すデータ（たとえば、電圧レベル）を出力してもよい。基板の温度を監視するステップは、非接触温度センサを使用することを含むことが有利である。温度センサは、加熱されている基板の局所領域の温度を監視するように構成されることが好ましい。たとえば、加熱される基板の部分からの赤外線放射を受けるように構成される赤外線検出器を備える温度センサが設けられる。したがって、温度センサは、基板の温度を直接測定する。

現在述べている方法を使用して基板内に形成されるパターンは、複数のマーキングを含む。パターンは、マーキングのサブセットを順次形成することによって基板内に形成されることが好ましい。たとえば、必要とされるパターンは、１つのマーキングまたは数個のマーキングが形成される一連のステップで構築される。換言すれば、この方法は、基板上にマーキングを順次形成するステップを含むことが好ましい。

各マーキングは、基板を局所的に加熱するための任意の好適なデバイスを使用して形成される。各マーキングを形成するステップは、レーザを使用し、基板を局所的に加熱することを含む。レーザは、ファイバレーザなど高出力ＣＷレーザであることが好ましい。この方法は、測定された基板の温度に応答してレーザ出力を制御し、必要とされる基板加熱量を提供するステップを含む。たとえば、レーザパワー出力が調整され、または必要に応じて、レーザが活動化され非活動化される。

基板は、任意の好適なタイプのものであってよい。本明細書で使用される基板という用語は、材料の１または複数の層を包含することが意図されていることにも留意されたい。特に、基板という用語は、下にある材料の部片またはシート上に形成される任意の層を含む。基板は、加熱されたとき変わる特性を有することが好ましい。たとえば、基板は、ある温度より高く加熱されたとき、（たとえば、異なる磁気および／または光学特性を示すことによって）何らかの形で変化する材料を含む。基板は、相転移温度を有する材料を含むことが有利である。したがって、基板を局所的に加熱することによって各マーキングを形成するステップは、マーキングされる基板の領域を相転移温度より高く局所的に加熱することを含むことが好都合である。好ましい実施形態では、基板は、ステンレス鋼を含む。ステンレス鋼は、マルテンサイト相（たとえば、応力誘起マルテンサイト相）の含有量が多く、局所的な加熱は、それをオーステナイト相に変態させる。

本発明は、周期の基板に対して可視的または光学的に異なるマーキングを形成するために使用されてもよい。しかし、マーキングという用語は、光学的または可視的に基板から区別可能なマークを単に指すことは意図されていないことに留意されたい。基板上に形成される各マーキングは、基板の周囲のエリアとは異なる透磁率を有することが好ましい。換言すれば、本発明の方法の好ましい応用例は、基板上に磁気マーキングを形成することである。

本発明は、任意の基板上に任意の必要とされるパターンをマーキングするために使用されてもよい。パターンの１つのマーキングは、パターンの他のマーキングに対して同じであっても異なるものでもよい。パターンを形成するマーキングは、それぞれ形状およびサイズが実質的に同一であることが好ましい。基板上に形成される各マーキングは、ライン、スポット、または円を含むことが好都合である。本方法に使用される基板は、エンコーダスケールブランク（すなわち、エンコーダスケールパターンが形成されるブランク）を含むことが有利である。したがって、この方法は、エンコーダスケールを画定する、基板（すなわち、エンコーダスケールブランク）上のパターンを形成することを含む。基板またはエンコーダスケールブランクは、細長い棒またはテープを含むことが好都合である。マーキングは、棒またはテープの長さに沿って離隔されることが好ましい。エンコーダスケールは、いわゆるインクリメンタルスケールであってもよく、そのようなインクリメンタルスケールは、一連の規則正しく離隔されたラインを含む。

あるいは、エンコーダスケールは、いわゆるアブソリュートスケールであってもよく、そのようなアブソリュートスケールは、絶対位置情報を符号化するあるパターンで離隔されたラインを含む。

基板を局所的に加熱することによって各マーキングを形成するステップは、そのようなマーク形成中に、加熱される基板の領域を移動するステップを含む。これは、基板を移動すること、および／または（たとえば、基板に当たるレーザビームを移動または操向することによって）基板上に向けて送られる熱を移動することを含む。基板上に形成される各マーキングがラインを含む場合、基板の加熱は、適切な光学構成部品を使用して線形のビームまたはストライプに成形されるレーザビームを使用して実施される。そのように作製されるラインマーキングは、丸くなった縁部または側部を有するが、概して細長いことが好ましい。各ラインを形成するステップは、局所的な加熱プロセスによって形成中であるラインに対して実質的に平行な方向で（たとえば、往復して）基板を移動するステップを含むことが有利である。たとえば、レーザビームと基板の相対運動が、形成されるラインの細長い軸と一致する軸に沿って与えられる。これは、レーザ光エネルギーをラインに沿って広げる、または滑らかにするように働き、それにより形成されるラインの均一性を改善する。したがって、この方法は、マーキングプロセス中に基板を往復して移動または振動させることができるホルダに基板を取り付けることを含む。同じホルダを使用し、一連の離隔されたマーキングを形成することを可能にするように基板を配置し直してもよい。

また、本発明は、上述の方法を使用してパターンがマーキングされた基板にも及ぶ。特に、本発明は、１または複数のマーキングを有するパターンを備えるエンコーダスケールを包含し、エンコーダスケールは、上述の方法を使用して作製される。そのようなエンコーダスケールは、一連の実質的に均一なスケールマーキングを含むことが好ましい。

また、本発明は、上述の方法を実施するための装置にも及ぶ。

本発明の他の態様によれば、基板上に１または複数のマーキングを備えるパターンを形成するための装置であって、基板上に１または複数のマーキングを形成するための加熱デバイスと、各マーキングが加熱デバイスによって形成されている間、基板の温度を監視するための温度検知デバイスとを備える装置が提供される。加熱デバイスは、レーザを含むことが好ましい。また、加熱デバイスは、たとえばレーザビームをラインに成形するビーム成形光学系を含む。ビーム成形光学系は、マイクロレンズアレイなど、１または複数のレンズを含む。温度検知デバイスは、赤外線検出器など、非接触温度センサを含むことが好ましい。

また、この装置は、基板ホルダを含む。基板ホルダは、基板を加熱デバイスに対して移動するための１または複数のアクチュエータを備えることが好ましい。たとえば、基板ホルダは、基板が加熱デバイスに対して移動されることを可能にする１または複数のモータを含む。あるいは、加熱デバイスは、基板に加えられる局所加熱の位置を変えるための手段を含む。たとえば、加熱デバイスは、移動可能であっても、加熱される基板の部分を調整するための手段を備えてもよい。レーザをベースとする加熱デバイスの場合、これは、レーザビームを基板の必要とされる領域に操向するための光学構成を備える。

また、この装置は、マーク形成中に基板と加熱される領域との間の相対運動をもたらすように配置される。たとえば、基板ホルダは、マーキングの形成中に基板を移動するためのアクチュエータをも含む。たとえば、ラインマーキングが形成中である場合、基板ホルダは、加熱プロセス中に、ラインに対して平行な方向で往復して基板を移動する。レーザをベースとする加熱デバイスが設けられている場合、マーク形成中に（たとえば、ビーム操向光学系を使用して）レーザビームが移動されてもよい。

次に、本発明について、単に例として、添付の図面を参照して述べる。

本発明による、スケールをマーキングするための装置の図である。 基板の、必要とされるレーザ照明を提供するための、図１の装置の光学構成の図である。 図１の装置からのスクリーンショットの図である。 本発明の温度制御方法を使用することなしに形成されたスケールの図である。 本発明の温度制御方法を使用して形成されたスケールの図である。 図５に示されているスケールの切断図である。

図１を参照すると、パターン（たとえば、エンコーダスケールパターン）を鋼製基板内に書き込むための装置が示されている。この装置は、４００ワットの連続パワー出力を有するファイバレーザの形態で連続波（ＣＷ）レーザ源２を備える。レーザ源２からの光は、集束光学系４によって集束され、平坦なステンレス鋼テープ６を含む基板の表面を照明するラインを形成する。テープ６は、たとえば、約１０ｍｍの幅、約１ｍｍの厚さ、および約１００ｍｍの長さを有する。

テープ６は、大きな割合の応力誘起マルテンサイト構造を有するように処理されたＡＩＳＩ３０４Ｌステンレス鋼材料から形成される。そのようなテープを作り出すための１つの技法が、出願人のＰＣＴ特許出願に記載されている（特許文献７参照）。ステンレス鋼材料のマルテンサイト構造は、約８００℃を超える温度に加熱することによってオーステナイト構造に変態させることができる。換言すれば、鋼製テープ６の結晶格子構造は、約８００℃の転移温度より高く加熱されたときマルテンサイトからオーステナイトに変化する。マルテンサイトとオーステナイトの格子構造は、異なる透磁率を有し、したがって、マルテンサイト材料のラインをオーステナイト形態に変態させることにより、パッシブ磁気エンコーダスケール（すなわち、好適なリードヘッドによって読み取ることができるスケール）を形成することが可能である。特に、レーザ源２からの光を使用し、鋼製テープ６の局所エリア（たとえば、ライン）を加熱し、それによりその局所領域内のマルテンサイト構造をオーステナイト構造に変態させることができる。

ステンレス鋼テープ６は、磁気ホルダによって多軸位置決めシステム８に取り付けられる。多軸位置決めシステム８は、それぞれが０．００１ｍｍの位置決め精度を有する２つのモータ駆動リニアステージを備える。したがって、多軸位置決めシステム８は、テープ６がレーザビームに対して移動されることを可能にする。

加熱されているテープ６の局所領域の温度を監視するために、非接触温度センサ１０が設けられる。非接触温度センサ１０は、良好な測定再現性を提供し、広いダイナミックレンジと高速応答とを有する赤外線検出器またはボロメータであることが好ましい。本例では、非接触温度センサ１０は、１２００ないし２６００ｎｍ範囲の感度ピークを有するＩｎＧａＡｓ光検出器である。このセンサは、ステファンの法則に従って動作し、鋼製テープ６からそれが加熱されたとき放出される赤外線放射の強度を検出する。

この装置は、コンピュータ１２によって制御される。コンピュータ１２は、鋼製テープ６を保持する位置決めシステム８を制御し、レーザ源２をオンおよびオフにすることができ、非接触温度センサ１０から温度データを受信する。

図２を参照すると、図１に概略的に示されている集束光学系４のより詳細な図が提供されている。集束光学系４は、レーザビームを複数の屈折ビームに分割するマイクロ円柱レンズ２０を備える。集光レンズ２２は、レーザ光を収集し、マークされる基板と一致する焦点面２４上に複数の焦点を形成する。線形のマーキングを形成するために、複数の焦点は、２つの技法を使用して共に塗り広げられる。ライン形成の均一性を改善するための両技法が下記で述べられるが、これらの技法の１つだけを使用することが可能であることに留意されたい。

ライン均一性を改善するための第１の技法は、円柱レンズ２６をマイクロ円柱レンズ２０の前に配置することを含む。次いで、複数の焦点がラインに沿って伸張され、それにより光強度のより均質な分布をもたらす。しかし、個々の最大屈折間の干渉効果により、ラインに沿って依然として強度変動があるが、そのような変動は、はるかに短い期間を有する。円柱レンズ２６を含むことは、ラインに沿って強度の何らかの小さい変動を引き起こす光学誤差をも導入する可能性がある。さらに、レーザラインが完全に一様な強度スプレッドで生成された場合でさえ、レーザビーム吸収がより高い基板のエリアが依然としてできることが判明している。吸収の高いそのようなエリアは、基板表面内の不純物または傷など不完全部によって引き起こされる。表面仕上げにおけるそのような変動は、より高い光吸収、したがってより強い加熱に通じる可能性がある。表面によって吸収される光の量もまた、表面温度によって非常に影響を受け（表面温度がより高いほど吸収がより高くなる）、したがって、小さな表面変動さえ、あるエリア内のより急速な加熱と、局所的な溶融に通じる可能性がある。

ライン形成の均一性を改善するための第２の方法は、ライン形成中にレーザビームに対して基板を機械的に移動させることである。特に、形成されるラインに対して平行に（往復して）移動することが、図１を参照して上述した多軸位置決めシステム８の第２のリニアステージを使用して提供される。このようにして、基板上の必要とされるエリア（ライン）の制御された、均一な熱処理が達成される。

次に、図１および図２を共に参照して、エンコーダスケールを形成するための上述の装置の動作について述べる。

最初に、鋼製テープ６が多軸位置決めシステム８の磁気ホルダに取り付けられる。次いで、鋼製テープ６は、レーザ源２に対して、必要とされる初期位置に移動される。レーザ源２が活動化され、レーザ光のラインが、鋼製テープ６の表面上に向けて送られる。多軸位置決めシステム８は、レーザ照明中に、鋼製テープ６上に形成されたレーザラインに対して平行な方向で、鋼製テープ６を往復して移動させる。非接触温度センサ１０からの温度信号がコンピュータ１２によって監視され、この信号がある閾値に達したことを示したとき、レーザ源２が非活動化される。この例では、閾値レベルは、マルテンサイト相とオーステナイト相の間の８００℃の転移温度を超えた後でレーザが非活動化されるように設定される。必要とされるラインがマークされた後で、多軸位置決めシステム８は、次のラインをマーキングするために必要とされる位置に鋼製テープ６を移動し、マーキングプロセスを繰り返す。このプロセスは、ラインの必要とされるパターンが基板６上に形成されるまで、ステップずつ繰り返される。この例では、エンコーダスケールを画定するラインは、長さ５ｍｍ、幅０．２５ｍｍ、深さ０．１２ｍｍである。

基板上にマークされるラインのパターンは、任意の必要とされるタイプのエンコーダスケールを画定する。たとえば、インクリメンタルスケールを画定するために、一連の等間隔で離隔されたラインを使用してもよい。あるいは、ラインは、いわゆるアブソリュートエンコーダスケールを画定するパターンで書き込まれてもよい。たとえば、ラインは、擬似ビットシーケンス（ＰＲＢＳ）を形成する。本説明は、エンコーダスケールをマーキングするためのプロセスを概説しているが、任意の種類のパターンを基板に書き込むためにも使用することができることにも留意されたい。

図３は、上述のプロセスを制御するための、コンピュータ１２上で動作するソフトウェアアプリケーションのスクリーンショットである。このソフトウェアは、レーザのワーキングパラメータを設定することを可能にし、作り出すべきラインのレート、数、および間隔をも制御する。さらに、このソフトウェアは、（任意の信号単位で定義された）温度閾値を設定することをも可能にする。

図４は、上述のタイプの温度フィードバック制御技法を使用することなしにステンレス鋼基板に書き込まれた一連のラインを示す。換言すれば、図４は、従来技術に従って同じ持続時間のレーザ露光を使用してそれぞれ生成されたラインを示す。反射（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｌｙ）の変動が、各ラインに沿って、また異なるライン間に見られる。これらの可視の変動は、ライン形成中に使用された異なる温度に起因するものであり、また、透磁率の対応する変動を引き起こす。そのような透磁率の変動は、位置情報を抽出することができる精度を低下させる。

図５は、図１から図３を参照して上述したタイプの温度フィードバック制御技法を使用してステンレス鋼基板に書き込まれた一連のラインを示す。温度フィードバック制御なしで形成された図４に示されているものに比べて、ラインの均一性および再現性が大きく高められていることがわかる。

図６は、図５のステンレス鋼基板を通る切断断面の顕微鏡写真画像を示す。熱処理された（オーステナイト）エリアが、ほぼ理想的な半円形状のものであり、良好な再現性を有することがわかる。

上述の例は本発明を例示するものにすぎないことを銘記されたい。たとえば、任意の好適な材料を基板として使用することができ、本発明は、ステンレス鋼の使用に限定されない。さらに、レーザは、上記では、単に局所化された表面加熱を誘起する好都合な方法として述べられている。基板を加熱するための他のデバイスを使用することができる。同様に、基板の温度を測定するために、任意の好適な温度センサを使用することができる。

Claims (9)

1. エンコーダスケールブランクを含む基板上に形成された１または複数のマーキングを有するパターンを備えたエンコーダスケールを形成するための方法であって、
   前記基板を局所的に加熱することによって各マーキングを形成するステップであって、当該方法は、各マーキングが形成されている間、前記基板の温度を監視するステップを含む、該ステップを具え、
   前記各マーキングを形成するステップは、所定の温度閾値に達するまで前記基板を局所的に加熱することを含み、
   前記基板の温度を監視するステップは、非接触温度センサを使用し、加熱されている前記基板の局所領域の温度を監視することを含むことを特徴とする方法。
2. 前記パターンは複数のマーキングを含み、当該方法は前記基板上にマーキングを順次形成するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記各マーキングを形成するステップは、レーザを使用して前記基板を局所的に加熱することを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記基板は相転移温度を有する材料を含み、および前記基板を局所的に加熱することによって各マーキングを形成するステップは、マーキングされる前記基板の領域を前記相転移温度より高く局所的に加熱することを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記基板は大きな割合の応力誘起マルテンサイト相構造を有するステンレス鋼を含み、および前記局所的な加熱はそれをオーステナイト相に変態させることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記基板上に形成される各マーキングは、前記基板の周囲のエリアとは異なる透磁率を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法。
7. 前記基板上に形成される各マーキングは、ラインを含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。
8. 前記基板を局所的に加熱することによって各マーキングを形成するステップは、そのようなマーク形成中に、加熱される基板の領域を移動するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の方法。
9. 前記基板は細長い棒またはテープを含み、および前記マーキングは前記棒またはテープの長さに沿って離隔されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法。