KR101099863B1 - 광학적 도량형 스케일 제조 방법, 반사형 스케일, 광학인코더의 반사형 스케일, 도량형 시스템, 광학 인코더,제조물 처리 시스템, 도량형 테이프 스케일 생성 시스템 및도량형 테이프 스케일 생성 방법 - Google Patents

광학적 도량형 스케일 제조 방법, 반사형 스케일, 광학인코더의 반사형 스케일, 도량형 시스템, 광학 인코더,제조물 처리 시스템, 도량형 테이프 스케일 생성 시스템 및도량형 테이프 스케일 생성 방법 Download PDF

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Abstract

반사 도량형 스케일에는 기판의 반사 표면 영역으로 둘러싸인 확장된 병렬식 마크의 스케일 패턴이 있는데, 이는 Invar® 또는 Inconel®과 같은 니켈 기반 금속 합금일 수 있으며 얇고 확장된 유연성 테이프일 수 있다. 각 마크에는 고랑형 단면이 있으며 0.5 미크론 내지 2 미크론 범위의 깊이가 있을 수 있다. 각 마크의 중앙 영역에는 리플이 발생하거나 융기될 수 있으며, 주변의 반사 표면 영역에 대해 향상된 광학 반사율을 제공하도록 어두워질 수 있다. 제조 방법은 (1) 각 펄스가 ㎠ 당 약 1줄 미만의 에너지 밀도를 갖는 레이저로부터의 일련의 중첩된 펄스로 마크 위치에서 기판의 표면을 조사함으로써 스케일 마크를 생성하고, (2) 기판 위에 스케일의 다음 마크가 생성될 다음 마크 위치를 정의하는 변위량만큼 레이저와 기판의 상대적 위치를 변경하는 반복적인 단계를 포함한다.

Description

광학적 도량형 스케일 제조 방법, 반사형 스케일, 광학 인코더의 반사형 스케일, 도량형 시스템, 광학 인코더, 제조물 처리 시스템, 도량형 테이프 스케일 생성 시스템 및 도량형 테이프 스케일 생성 방법{OPTICAL METROLOGICAL SCALE AND LASER-BASED MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은 에너지 빔 조사에 의한 판독가능한 정밀 구조, 패턴, 마크 또는 다른 도량형 및 유사한 장비의 표시 형성에 관한 것이다. 특히 광학 인코더처럼 도량형 용도로 사용할 스케일에서 예컨대, 눈금 구조와 같은 개체 상의 마크의 패턴 형성에 관한 것이지만 이에 한정되는 것은 아니다.
재료의 표면이나 하부표면을 마킹하기 위해 에너지 빔을 사용할 때, 예컨대, 마크의 정확한 치수를 유지하도록 표면/하부표면에 대한 에너지 빔의 치수 제어, 정확한 듀티 사이클, 즉 마크가 표시되었거나 표시되지 않은 표면의 비율 획득, 균일한 구조, 즉 구조의 부드러운 에지와 구조 표면의 균일성 획득, 에너지 밀도(단위 영역당 에너지)와 표면/하부표면의 노출 기간과 같은 빔 파라미터의 정확한 선택, 평탄한 표면 및 구부러진 표면 마킹과 같은 여러 응용에 적합한 마킹 공정의 적용 및 피치 길이가 상이한 마킹 패턴을 생성하는 기능 등 몇 가지 주요 문제에 봉착하였다.
광학 인코더는 일반적으로 기판에 일련의 이격된 마크로 구성되어 있는 스케일을 이용한다. 반사형 스케일의 경우에, 스케일에는 무반사 배경에 형성된 반사 마크가 있을 수 있고 그 반대의 경우도 있을 수 있다. 투과형 스케일에는 투명한 기판에 형성된 불투명 마크가 있을 수 있고 그 반대의 경우도 있을 수 있다. 반사형 및 투과형 스케일 양자 모두 광원(예컨대, 발광 다이오드(LED) 또는 레이저)으로부터의 광과 상호 작용하여 광검출기로 검출할 수 있는 광학 패턴을 생성한다. 스케일과 탐지기 사이의 상대적 이동이 발생하므로, 광학 패턴은 대응하는 방식으로 변하며 탐지기 및 관련 전자 회로는 패턴 변화를 정밀한 수치 위치 표시로 바꾼다. "진폭" 스케일로 알려진 위의 스케일 유형은 유리 기판 위에 금속 트레이스로 스케일 마크를 형성하는 데 일반적으로 사용되는 방식을 포함하는 다양한 방법으로 제조되어 왔다.
미국 특허 5,632,916은 기계 부품과 같은 금속 표면 상에 광학적으로 판독가능한 마크를 생성하는 레이저 방법을 개시한다. 사전 마킹 방법에는 (a) 표면 상에 조판(융해, 기화)하고, (b) 레이저(가열)를 사용하여 미세 구조로의 화학 반응/변화를 제공하는 방법 등이 있으며, 조판 기법은 원본 표면을 부수고 원본 표면보다 낮은 레벨에 위치되는 특징이 있음을 알아야 한다. '916에서 발명의 목적은 마킹에도 불구하고 금속 표면이 실질적으로 평탄하며 매우 양호한마모와 부식 내성을 갖도록 금속 표면 상에 광학적으로 판독가능한 마크를 생성하는 방법을 제공하는 것이다.
'916 특허에 개시된 레이저 방법에서는, 엑시머 레이저의 빔이 주변의 반사형 금속 표면으로부터 더 어두운 영역으로 구분할 수 있는 크롬화 금속 표면에 영역을 형성하는 데 사용된다. 금속 표면은 레이저 빔 펄스, 1 내지 10 J/㎠, 바람직하게는 3 내지 5 J/㎠의 에너지 및 5 ns 내지 1 us, 바람직하게는 15 내지 30 ns의 기간에 노출된다. 금속 표면에서 레이저 빔 펄스의 충돌 스팟은 새로운 충돌 스팟이 이전의 충돌 스팟에 중첩되도록 변하고 금속 표면이 새로운 레이저 빔 펄스에 노출되면 금속 표면의 한 영역이 원래 금속 표면과 대조되는 색상으로 변한다. 마크의 어두운 부분(대비)과 표면 거칠기에 대한 여러 마킹 파라미터의 효과는 테스트에서 연구되었다. 일 실시예에서, 바람직하게 균일한 색상 영역을 제공하기 위해, 연속된 펄스의 에지 전파는 0.1 ㎜ 이하이다. 엑시머 레이저의 작동 범위, 즉, 펄스의 반복 주파수 범위는 약 1 내지 400 Hz이다. 금속 표면에서 스팟/빔 강도의 공간적인 분포는 '916 특허에 개시되지 않았다.
‘916 특허에 개시된 일례에서, 단단한 크롬 표면은 표면 거칠기 Ra의 값이 0.2 ㎛ 이상이 되도록 크롬화 이후에 연마되었다. 금속 표면은 연속적인 펄스들 간의 금속 표면의 전파가 0.020 ㎜ 내지 0.012 ㎜이도록 빔에 관해 이동되었다. 금속 표면에서 빔폭은 1 ㎜이었고 이동 방향의 높이는 0.2 ㎜ 내지 2 ㎜ 로 변하였다. 도면에 도시된 예에서, 표면층은 강철봉의 표면에 있는 크롬 도금으로 구성되어 있다. 이 크롬 도금의 두께는 약 30 ㎛이다. 마킹된 영역의 두께는 1 ㎛ 미만으로, 필수적인 것은 아니지만 적어도 금속이 금속 표면으로부터 기화되지 않는다 는 사실로 인해 표면은 실질적으로 평탄하고 금속 표면의 나머지 부분과 높이가 동일하다. 레이저 빔 펄스는 금속 표면으로부터 상당히 얇은 산화물층을 제거할 수 있다. 측정된 표면 거칠기 값은 마킹 방법이 단단한 크롬 표면의 표면 거칠기를 손상시키지 않음을 나타낸다. 표면 거칠기는 진한 선에 마킹하기 전 및 마킹한 후에 측정한 두께와 거의 동일하다. 대기 효과도 조사했으며 무시할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
재료의 펄스 레이저 처리를 위한 여러 가지 메커니즘이 있으며 어느 메커니즘이 이용되는지 결정하는 주요 요인은 원하는 결과와 기본 재료에 따라 다른 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 금속은 화학적으로 반응하거나, 융해되거나, 분출성 비등되거나, 승화되거나 전력 및 펄스 주기의 함수로서 분자적으로 해리될 수 있다. 플라스틱도 화학적으로 반응하여 녹고 분자적으로 해리될 수 있지만 종종 탄화에 의해 분출성 비등이 예방된다. 대체로 이들 프로세스는 다양한 파장, 전력 및 펄스 속성으로 모든 고체 재료에서 어느 정도 동작한다.
낮은 나노초 범위의 펄스에서는 금속이 다음과 같이 작용할 수 있다. 낮은 펄스 에너지 밀도에서 금속은 산화되거나 대기의 가스와 반응하여 색상이 변할 수 있고/있거나 다양한 성분의 융해점과 용해도에 따라 재합금되거나 성분이 되는 재료 내에서 화학적으로 반응할 수도 있다. 펄스 에너지 밀도가 증가하면 표면이 녹아 흐르거나 소량의 플라스마가 생성되어 배출될 수 있다. 더 많은 재료가 투입되면 재료는 격렬하게 끓기 시작하고 다량의 재료를 분출하여 무질서한 분화구와 잔해물이 남을 수 있다. 레이저 강도와 관련 필드 강도가 충분히 높으면, 고강도의 초단파 펄스가 발생할 수 있으므로, 재료를 제거할 때 고체에서 기체 상태로 거의 동시에 변하여 찌꺼기나 잔해물이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
또한 발명은 툴에 관하여 제조물이 움직이는 동안 정밀 제조물 처리 방법과 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 움직이는 동안 제조물에 정밀 패턴을 형성하기 위해 예컨대, 펄스 레이저 빔과 같은 에너지 빔을 사용하여 제조물을 처리하는 것에 관한 것이다. 예로써, 제조물은 유연성 기판이 될 수 있으며 처리는 광학적 대비를 갖는 눈금으로 유연성 도량형 테이프 스케일을 생성하기 위해 레이저 빔을 사용하여 수행되었다.
미국 공개 특허 출원 2005/0045586(이후에는 ‘5586이라 지칭함)에서는 표면을 마킹하기 위해 레이저 광선을 사용하여 측정 스케일을 생성하는 것이 이미 고려되었음을 개시하였다. 미국 특허 번호 4,932,131에서는 인시츄(in-situ) 스케일 기록 또는 교정 기법이 사용됨을 알아야 한다. 기준은 마크를 표시하거나 스케일의 결함을 보정하는 데 사용된다. 레이저는 스케일을 기록하고 판독하는 데 사용된다. ‘5586에서는 ‘131 특허가 이를 수행하는 방법을 개시하지 않는다고 되어 있으며 열 문제를 극복하는 방법이 언급되어 있지 않다.
‘5586은 도량형 스케일을 위한 정밀 마크를 생성하고 장치를 사용하는 방법도 개시하고 있는데, 이 장치는 레이저에 의해 반복된 순간에 마킹되어 도량형 스케일을 형성하는 스케일 기판과, 기판에 스케일 마킹을 형성하는 광 펄스를 제공하도록 작동할 수 있는 레이저와, 광이 기판에 입사하는 위치와 기판 사이의 상대적 변위를 일으키는 변위 장치와, 상대적 변위와 레이저를 제어하는 제어기를 포함하 며, 방법은 기판과 광 사이에 상대적 변위를 일으키도록 변위 메커니즘을 작동시키는 단계와, 기판에서 광 펄스를 생성하도록 레이저를 작동시키고 상대적 변위를 제어하는 제어기를 사용하는 단계를 적절한 순서대로 포함하되, 레이저는 도량형 스케일 마크가 레이저 절제에 의해 형성되도록 기판에 영향을 주는 다수의 초단파 출력 펄스를 생성한다는 특징이 있다.
‘5586 공개공보는 레이저 광 조작 장치, 광이 입사되는 위치와 기판 사이의 변위를 감지하는 변위 센서 및 스케일에서 둘 이상의 마킹 사이의 거리를 결정하는 판독기도 개시하고 있는데, 이 방법은 변위 센서에서 제어기로 신호를 발생시키는 단계와, 판독기에서 제어기로 신호를 발생시키는 단계와, 센서와 판독기로부터의 신호에 응답하여 조작 장치, 변위 및 레이저가 기판을 삭마하는 반복된 순간을 제어하기 위해 제어기를 사용하는 단계를 더 포함한다.
‘5586 특허의 도 2는 (스테이션(100)을 통해 일정한 장력을 유지하는) 리본을 공급하는 데 사용되는 두 개의 핀치 롤러(20,22)를 도시한다. 핀치 롤러(20)는 대체로 일정한 속도로 구동되지만 제어 가능한 전압 공급 이외의 용도로 사용할 경우 속도를 조정할 필요는 없다. 핀치 롤러(22)에는 두 개의 회전식 인코더 링(24)이 부착되어 있거나 마킹되어 있다. 두 개의 판독기(26)는 인코더 마킹을 판독하여 기계식 제어기(도 1의 200)에 두 가지 신호를 제공하므로 두 신호의 평균을 사용하여 제어기에 리본 변위 값을 제공할 수 있다. 이러한 기계식 제어기(200)의 평균 리본 변위 신호는 리본 마킹 레이저(21)의 발사를 조정하기 위해 소프트웨어를 통해 사용된다.
또한 ‘5586은 둘 이상의 스케일 판독기 시스템을 개시하며, 이 경우에 두 판독기(23a,23b)는 레이저(21)에 의해 생성되고 있는 스케일을 판독하는 데 사용된다. 판독기(23)는 사전 결정된 거리 L만큼 떨어진 곳에 설치되므로 마킹의 피치에 있는 오류를 확인할 수 있으며, 적절하다면 소프트웨어를 통해 레이저 발사 속도를 조정할 수 있다. 따라서 레이저 방사 영역의 온도가 약간 증가하는 경우에도 판독기의 온도는 일정하게 유지될 것이며, 레이저 방사 영역의 스케일 피치를 증가시킴으로써 레이저 광에 의한 약간의 가열을 보상할 수 있다.
‘5586에서 인용된 일본 특허 5169286(공인된 번역에 기초함)도 레이저를 사용하여 마킹되고 있는 측정 스케일의 이동 방향에 수직인 마킹을 획득하는 방법을 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 시스템은 레이저 오실레이터, 반사 거울, f-θ 렌즈, 액츄에이터, 이동 장치, 이동 테이블, 모터, 인코더, 스케일 요소, 주 제어기, 보조 제어기를 포함한다. 포함된 장치는 스캐너로 스캔한 레이저 빔을 사용하여 일정한 속도로 스케일 방향으로 수행되고, 레이저 빔이 방사된 위치가 V/cos θ의 속도로 요소의 이동 속도 V의 방향을 가진 각도 θ를 형성하는 방향으로 이동하는 스캐너를 작동시키는 제어기가 구비되어 있는 요소의 전방 표면을 방사하여 스케일 라인을 마킹하는 장치이다. 시스템은 레이저 빔에 의해 방사되는 위치가 V/cos θ의 속도로 요소의 이동 속도 V의 방향을 가진 각도 θ를 형성하는 방향으로 이동하고 마킹할 스케일 라인의 시작 위치에 해당하는 시점에 레이저 빔 방사를 시작하고 스케일 라인의 길이에 해당하는 시간이 경과된 후에 이 레이저 빔 방사를 완료하는 스캐너를 작동시키는 제어기를 구비한다. 레이저 빔 방사의 시작점은 스 케일링될 요소가 사전규정된 위치에 도달할 때 출력되는 위치 신호에 해당한다. 레이저 빔으로 방사하는 위치가 V/cos θ의 속도로 스케일링할 요소의 이동 속도 V의 방향을 가진 각도 θ를 형성하는 방향으로 이동하므로, 스케일 라인은 스케일 방향에 수직인 방향으로 스케일링할 요소에 마킹되되, 레이저 빔이 반사 거울에 의해 스캔되는 방향은 스케일 방향에 수직이 아니라 나중에 설명하는 규정된 각도를 형성하며, 보조 제어기는 주 제어기 대신 사용된다. 또한, 이 실시예는 스케일 플레이트(9)가 일정한 속도로 순차적으로 이동되며, 스케일 플레이트의 이동 속도와 반사 거울이 비추며 지나가는 속도와 지나가는 방향 사이에 규정된 관계가 설정되며, 레이저 빔 방출 타이밍을 결정하는 방식이 사전정의된다는 점에서 종래 기술의 예와 기능적으로 다르다.
미국 특허 5,741,381은 라벨링 시스템과 방법을 설명한다. 도 8 및 도 10은 모터 드라이브의 회전 속도와 롤의 반경을 선형 공급 속도로 변환하기 위해 프로세서에 반경 데이터를 제공하는 반경 센서를 도시한다. 다른 광학 센서는 등록 표시를 판독한다.
광학 도량형 스케일 및 이러한 스케일을 제조하는 레이저 기반 방법이 개시된다. 구체적으로, 발명자는 열 왜곡이 없으며 고해상도 및 대비(즉, 약 1 ㎛ 미만의 로컬 공차를 가짐)의 정밀 도량형 스케일에서 눈금을 생성하기 위해 비혼돈 공정 영역에서 나노초 펄스 레이저의 사용을 위한 파라미터와 장치를 발견하였다.
일 측면에서, 개시된 도량형 스케일은 금속을 포함하는 테이프 스케일인 유연성 도량형 테이프 스케일이다. 스케일은 광학적 대비가 있는 제 1 및 제 2 표면 영역을 포함한다. 에지를 따라 제 1 및 제 2 영역을 분리하는 치수 변화는 구조의 폭보다 실질적으로 작다. 구조의 표면 프로파일은 구조를 둘러싸고 있는 표면 부분의 평균 높이보다 높게 확장된 돌출 재료 부분과 주변의 표면 부분 평균 높이보다 낮은 들쭉날쭉한 재료 부분을 포함할 수 있다. 돌출되고 들쭉날쭉한 재료 부분의 영역은 거의 동일할 수 있고, 구조를 형성하는 동안, 재료는 융해의 결과로서 배치되고, 구조로부터 상당한 재료 분출이 방지된다. 따라서 기판 재료의 변위로 광학적 대비가 발생하지만, 바뀐 재료의 양은 그리 크지 않아 제대로 형성되지 않은 혼돈 구조가 만들어지게 되고 도량형 스케일의 판독 능력을 약화시킨다. 예를 들어, 한 스케일에는 광학적 대비를 갖는 제 1 및 제 2 표면 영역을 특징으로 하는 20 ㎛ 피치, 약 1.5 ㎛ 미만의 제 1 및 제 2 표면 영역의 상대적 깊이를 갖고 구조의 길이를 따라 약 1 ㎛ 이하인 제 1 및 제 2 영역 사이의 에지에 변동이 있는 구조를 포함한다. 더 크거나 더 작은 피치 구조는 더 얕은 10 ㎛ 피치 및 더 깊은 40 ㎛ 피치와 같은 비례적인 구조의 치수를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 도량형 스케일은 스케일 패턴이 반사 표면에 형성된 금속 기판을 포함하는 반사형 스케일이며, 스케일 패턴은 기판의 반사 표면 영역으로 둘러싸인 다수의 확장된 병렬식 마크를 포함한다. 일 실시예에서, 각 마크는 일반적으로 기판 표면의 평균 높이보다 낮은 중앙 영역 및 기판 표면의 평균 높이보다 높은 두 개의 외부 융기 영역이 있는 고랑형 단면을 갖고 있으며, 중앙 및 외부 융기 영역은 약 0.5 ㎛ 내지 약 2 ㎛ 범위의 마크 깊이를 정의한다.
또한 도량형 스케일은 레이저 재료 열 상호 작용으로 형성되는 미세 구조를 포함할 수 있으며, 레이저 파장과 레이저 분극 중 적어도 하나에 의존하게 된다. 각 마크의 중앙 영역에는 리플 높이가 마크 깊이의 약 20 % 미만인 리플이 발생할 수 있다. 도량형 스케일은 열과 화학 상호 작용 중 적어도 하나의 결과로서 형성되는 어두운 색상을 갖는 구조를 포함하고, 기판의 주변 반사 표면 영역에 대해 약 1:4 이하(예컨대, 1:6)의 광학적 반사율을 제공한다. 스케일은 상표명 Invar® 또는 Inconel®로 알려진 니켈 기반 금속 합금의 기판에 형성될 수 있으며, 얇고 확장된 유연성 테이프 형태가 될 수 있다.
또 다른 측면에서, 기판에 체계화 구조를 생성하는 고속 방법이 개시된다. 방법은 높은 반복률의 일련의 레이저 펄스로 기판을 조사하는 단계를 포함한다. 일련의 펄스는 강도 분포가 있는 관련된 일련의 공간적으로 중복되는 스팟 위로 기판과 충돌하며, 일련의 충돌하는 펄스는 충분한 에너지를 전달하여 기판의 일부를 수정하고 기판의 방향성 반사율을 변경함으로써, 마크와 주변 기판 부분 간의 광학적 대비가 획득된다. 또한 에너지가 범위를 벗어나 제대로 형성되지 않고 엉망인 구조가 만들어진다. 전달된 에너지는 매우 높으면 금속을 녹일 수 있는 반면 매우 낮으면 금속을 끓게 하는 온도까지 금속을 가열하는 것을 방지하게 된다. 적어도 일부의 연속 펄스 사이의 시간 간격은 최소 20 kHz의 펄스 반복률에 대응할 수 있다.
반사율의 변화는 수정된 표면 부분 내의 색상 변화를 포함할 수 있으며, 화학적 반응을 초래할 수 있다. 명시야 조명을 사용하여 보았을 때, 수정된 부분 내의 단면 색상은 제 1 방향을 따라 실질적으로 균일하고 제 1 방향에 직각인 제 2 방향을 따라 부드럽게 변할 수 있다. 수정되었거나 수정되지 않은 영역 중 적어도 하나는 좁은 변환 영역을 포함할 수 있으며, 반사율의 급속한 변화를 검출할 수 있고 변환 영역의 치수 변화는 변환 영역의 적어도 일부를 따라 수정된 표면 부분의 폭보다 실질적으로 작을 수 있다.
처리된 영역은 명시야 조명을 사용하여 볼 수 있으며 수정되었거나 수정되지 않은 부분 사이의 광학적 대비는 (Imax-Imin)/(Imax + Imin)으로 측정할 수 있으며 최소 10:1이 될 수 있다. 허용되는 레이저 방사도(Watt/㎠)의 범위는 예컨대, 4:1 이상만큼 변할 수 있으며, 펄스 플루언스가 적절히 제어되는 한 허용할 수 있는 결과를 산출하는데, 예컨대, 펄스 폭은 4:1을 초과할 수도 있다. 구조의 스케일은 영역을 처리하는 데 사용되는 다수의 중복 펄스, 방사의 펄스 특성, 기간 및 플루언스의 영향을 많이 받는다.
단파 레이저 빔의 경우, 체계화 구조를 생성하기 위한 에너지 밀도는 대략 단일 펄스에서 녹는 임계값에 있다는 것이 확인되었다. 또한 빠르게 중복되는 많은 펄스에 의해, 상대적으로 큰 구조는 혼돈 프로세스를 시작하지 않으면서 구조를 생성할 수 있다. 각 펄스가 레이저 아래를 흐르는 녹는 금속의 박막을 원활하게 녹이고 형성하는 에너지의 양은 금속의 혼돈 분포를 만들거나, 심지어는 끓는 점을 만들지 않도록 하는 것이 바람직하다. 바람직한 처리 파라미터의 원하는 특정 예는 본 명세서에 도시된다.
또한 플루언스가 레이저 파장의 순서로 금속 기판, 미세 구조가 녹는 임계값 이상으로 증가하고 레이저 분극에 상대적인 방향이 될 때 화학 반응을 통해 표면 색상을 변화시키면서 여러 연속적인 중복 펄스에 의해 형성된다는 것도 관찰되었다. 에너지 밀도를 증가시키면 평탄한 고랑형 구조에서 미세 구조가 다시 변경된다. 에너지 밀도가 클 때도 평탄한 고랑형 구조만 생성된다. 또한 스팟 강도의 공간적인 분포가 방법의 중요한 특성이 될 수 있음도 확인되었다.
제조 방법은 (1) 레이저로부터의 일련의 중복된 펄스로 사전 결정된 마크 위치에서 반사 금속 기판의 표면을 조사하여 스케일 마크를 생성하는 반복된 단계를 포함한다. 각 광 펄스는 1/e2 직경으로 경계를 짓는 스팟 영역에서 약 1 J/㎠ 미만의 에너지 밀도를 갖는다. (2) 스케일의 다음 마크가 만들어지는 기판에서 다음 마크 위치를 정의하는 변위에 의해 레이저와 기판의 상대적 위치를 변경한다. 선형 스케일의 경우, 마크는 일반적으로 스케일의 장축에 직각 방향으로 실질적으로 평행하다. 금속 기판은 상표명 Invar® 또는 Inconel®로 알려진 니켈 기반 금속 합금이 될 수 있으며 유연성 테이프를 형성하기 위해 충분히 얇게 확장될 수 있다. 방법은 방사형으로 확장되는 마크를 갖는 회전 스케일을 제조하는 데에도 사용될 수 있다.
적어도 일 실시예에서, 구조는 레이저 펄스로 기판을 조사하여 생성되는데, 각 펄스는 범위가 약 10 ns 내지 40 ns인 펄스 폭(최대값의 절반이 되는 점들 사이를 측정함)과 에너지 밀도의 범위가 약 0.1 J/㎠ 내지 1 J/㎠인 스팟 분포(1/e2 직경에 걸쳐 측정함)를 가지며, 적어도 일부의 펄스는 공간적으로 약 10 배 내지 50 배 중복되고, 펄스 생성 속도는 약 100 kHz 이상이다. 적어도 일 실시예에서, 고랑형 구조가 생성되며 광학적 대비는 최소 4:1이다. 레이저 펄스는 구조 길이에 약 0도 또는 약 90도로 지향된 비원형 분극(polarization)을 이용할 수 있다.
잘 알려진 테이프 전송 시스템은 종종 핀치 롤러와 다양한 방법을 이용하여 테이프에서 기계적으로 장력을 제어한다. 이러한 방안은 롤러 반경, 볼 베어링 기호 및 가이드 롤러와의 기계적 마찰의 미세한 변화가 애플리케이션에 대해 매우 작은 오류를 만드는 테이프 전송 애플리케이션의 정확도를 낮추는 데 적합하다. 그러나 정밀 도량형 스케일, 정밀 룰링 엔진(ruling engine) 애플리케이션의 제조를 위해서는 기록 공정 동안 기계적 마찰의 현저한 원인을 제거해야만 얻을 수 있는 높은 수준의 정밀도가 요구된다. 예를 들어, 바람직한 사양은 유연성 금속 테이프의 전체 릴의 10 미크론/미터(10 ㎛/m) 이상의 절대 피치 정확도를 얻는 것이며 일반적으로는 길이는 30 m 이상일 수 있다. 또한, 테이프에 기록할 때, 정밀도는 단기간과 장기간 동안 유지되어야 한다. 이러한 고려 사항은 정밀 도량형 테이프 스케일 등을 생성하도록 기판에 조사하기 위한 고속 시스템의 설계와 특히 관련이 있다.
일반적인 일 측면에서 유연성 기판을 갖고 있는 제조물을 처리하는 시스템과 방법이 개시된다. 시스템은 재료에 영향을 미치는 기판 재료와 상호 작용하도록 제어되는 툴과 유연성 기판을 툴에 관하여 배치하는 공기 베어링에 지지되는 회전 기록 스핀들이 포함한다. 적어도 일 구현에서 툴은 기판 재료를 충돌시키고 기판의 물리적 특성을 수정하는 펄스 레이저를 포함한다.
일 측면에서, 개시된 제조물은 적어도 부분적으로는 금속으로 이루어질 수 있는 유연성 도량형 테이프 스케일이다. 스케일은 광학적 대비가 있는 제 1 및 제 2 표면 영역을 포함한다. 에지를 따라 제 1 및 제 2 영역을 분리하는 치수 변화는 구조의 폭보다 매우 작다. 구조의 표면 프로파일은 구조를 둘러싸고 있는 표면 부분의 평균 높이보다 높게 확장된 돌출 재료 부분과 주변의 표면 부분 평균 높이보다 낮은 들쭉날쭉한 재료 부분을 포함할 수 있다. 돌출되고 들쭉날쭉한 재료 부분은 거의 동일하므로, 구조를 형성하는 동안 재료는 융해의 결과로서 배치되고 구조에서 상당한 재료 분출이 방지된다. 따라서 기판 재료의 변위로 광학적 대비가 발생하지만, 이동된 재료의 수량은 그리 크지 않아 제대로 형성되지 않은 혼돈 구조가 만들어지게 되고 도량형 스케일의 판독 능력을 약화시킨다. 예를 들어, 한 스케일에는 광학적 대비를 갖는 제 1 및 제 2 표면 영역을 특징으로 하는 20 ㎛ 피치, 약 1.5 ㎛ 미만의 제 1 및 제 2 표면 영역의 상대적 깊이를 갖고 구조의 길이를 따라 약 1 ㎛ 미만인 제 1 및 제 2 영역 사이의 에지에 변동이 있는 구조를 포함한다. 더 크거나 더 작은 피치 구조는 더 얕은 10 ㎛ 피치 및 더 깊은 40 ㎛ 피치와 같은 비례적인 구조의 치수를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 도량형 스케일은 반사 표면에 스케일 패턴이 형성된 금속 기판을 포함하는 반사형 스케일일 수 있으며, 스케일 패턴은 기판의 반사 표면 영역으로 둘러싸인 다수의 확장된 병렬식 마크를 포함한다. 일 실시예에서, 각 마크는 일반적으로 기판 표면의 평균 높이보다 낮은 중앙 영역 및 기판 표면의 평균 높이보다 높은 두 개의 외부 융기 영역이 있는 고랑형 단면을 갖고 있으며, 중앙 및 외부 융기 영역은 약 0.5 ㎛ 내지 약 2 ㎛ 범위의 마크 깊이를 정의한다.
도량형 스케일은 이상의 방법으로 제조되었으며, 이 방법을 수행하는 시스템이 개시된다. 일 실시예에서, 도량형 스케일은 반사 회절 격자일 수 있다.
일 측면에서, 유연성 금속 기판에 도량형 스케일을 생성하는 시스템이 개시된다. 시스템은 스케일 눈금을 형성하도록 기판 재료를 수정하는 에너지의 제어 가능한 소스와, 소스가 기판에 충돌하여 에너지를 방출하는 위치에 대하여 배치하는 공기 베어링에 지지되는 회전 기록 스핀들 및 기판으로의 방사 에너지의 전달을 조정하기 위해 스핀들과 소스에 결합되는 적어도 하나의 제어기를 포함한다.
적어도 일 실시예는 유연성 기판에 도량형 테이프 스케일을 생성하는 시스템을 포함한다. 시스템은 펄스 레이저원과, 소스 에너지를 받아들이고 유연성 기판으로 에너지를 전달하는 빔 전달 시스템과, 입력 스핀들과 출력 스핀들 사이의 정밀 기록 스핀들 -각 스핀들은 각각의 공기 베어링에 의해 지지되고, 기판의 적어도 일부도 지지함- 과, 에너지 빔이 기판에 충돌하는 위치에 관련된 적어도 하나의 파라미터를 모니터링하는 하나 이상의 프로브 및 하나 이상의 프로브로부터 획득된 최소한의 정보에 기반하여 기판으로 레이저 에너지를 전달하여 기판의 이동을 조정하는 적어도 하나의 제어기를 포함한다.
적어도 하나의 실시예에서, 회전 기록 스핀들은 에너지가 기판에 투사하는 위치와 기판 사이의 상대적 변위를 발생시키고, 스핀들은 (기판에 대하여) 고정되어 있으며 기판으로부터 열을 발산하도록 기판으로 에너지를 전달하기 전과 후 오랫동안 기판과 근본적으로 가열되고 기계적으로 접촉한다. 시스템은 기판을 고정하고 과도한 프로세스 열을 발산하도록 스핀들 상에 상당한 드럼을 더 포함한다.
시스템은 유연성 기판을 지지하는 입력 릴과, 입력 릴과 기판을 회전 가능하도록 지지하는 입력 릴에 결합된 피드 스핀들, 공기 베어링에 지지되고 유연성 기판의 일부를 기록 스핀들로 전송하도록 작동할 수 있는 입력 스핀들도 포함할 수 있다.
시스템은 유연성 기판을 지지하는 출력 릴, 출력 릴에 결합되는 출력 스핀들, 공기 베어링에 지지되고 기판으로 에너지를 전달하도록 유연성 기판의 일부를 받아들이도록 작동할 수 있는 출력 스핀들도 포함한다.
각 스핀들에 결합된 적어도 하나의 각 스핀들 인코더는 적어도 하나의 제어기로 스핀들의 움직임을 제어하기 위해 스핀들의 움직임에 관련한 신호를 생성한다.
적어도 하나의 제어기는 예컨대, 스핀들 위치, 속도, 가속 또는 적어도 기록 스핀들에 관련된 토크 정보와 같이 기록 스핀들로부터 감지된 정보에 응답하여 제어 신호를 제공할 수 있다.
시스템은 기록 스핀들의 반경에서 적어도 하나의 편차를 검출하고, 기록 스핀들의 반경과 스핀들에서 지지되는 기판의 일부의 두께를 포함하는 편차도 검출하며, 적어도 하나의 반경에 관련된 신호를 제공하기 위해 기록 스핀들의 표면을 측정하는 비접촉 반경 측정 프로브를 포함할 수 있다.
반경 측정 프로브는 INVAR™ 같이 열 팽창률이 상당히 낮은 요소에 결합된 제 1 및 제 2 용량성 센서를 포함하되, 제 1 센서는 스핀들의 중앙 근처에 있는 표면을 감지하고, 제 2 센서는 스핀들 및 스핀들에 의해 지지되는 테이프의 반경이 측정가능한 표면을 감지하며, 제 1 및 제 2 프로브로부터의 신호는 높은 안정성, 다른 반경 측정을 위해 제공된다.
반경 프로브는 해당 부분을 조사하기 전 시간 간격 동안 및 해당 부분이 기록 스핀들에 배치되는 시간 간격 동안 표면을 감지할 수 있다.
제어 신호는 기판에 충돌하는 에너지 빔의 위치와 관련이 있는 단기 변동과 장기 변동을 보상하기 위해 반경 측정 프로브에서 제공하는 신호로부터 발생할 수 있다.
적어도 일 실시예에서 적어도 하나의 프로브는 온도 프로브, 반경 센서, 다수의 광학 인코더 또는 단일 광학 인코더를 포함할 수 있다.
적어도 일 실시예에서 각 스핀들은 각각의 스핀들 제어기에 효과적으로 연결될 수 있으며 각 제어기는 속도 제어 모드로 작동하고 스핀들의 속도를 나타내는 출력을 산출하며 스핀들을 구동하는 드라이브 모터의 토크를 나타내는 출력도 산출할 수 있다.
적어도 일 실시예는 기록 스핀들과 기록 스핀들에 의해 지지되는 테이프의 조합 반경을 추정하는 수단 및 기판이 움직이는 동안 기판의 장력을 제어하기 위해 추정하는 수단에 효과적으로 연결된 장력 제어 수단을 포함할 수 있다.
적어도 일 실시예는 유연성 기판에 도량형 테이프 스케일을 생성하는 시스템을 포함한다. 시스템은 펄스 레이저원과, 소스 에너지를 받아들이고 유연성 기판으로 에너지를 전달하는 빔 전달 시스템과, 입력 스핀들과 출력 스핀들 사이의 정밀 기록 스핀들 -각 스핀들은 각각의 공기 베어링에 의해 지지되고 기판의 적어도 일부를 지지함- 과, 에너지 빔이 기판에 충돌하는 위치와 관련된 스핀들 반경을 모니터링하는 비접촉 반경 측정 프로브 및 하나 이상의 프로브로부터 획득된 최소한의 정보에 기반하여 기판으로 레이저 에너지를 전달하여 기판의 이동을 조정하는 적어도 하나의 제어기를 포함한다. 도량형 스케일은 레이저 펄스로 유연성 기판을 조사하여 생성되며, 각 펄스는 범위가 약 10 ns 내지 40 ns인 펄스 폭(최대값의 절반이 되는 점들 사이를 측정함)과 에너지 밀도의 범위가 약 0.1 J/㎠ 내지 1 J/㎠인 스팟 분포(1/e2 직경에 걸쳐 측정됨)를 가지며, 적어도 일부의 펄스는 공간적으로 약 10 배 내지 50 배 중복되고, 펄스 생성 속도는 약 100 kHz 이상이다. 적어도 일 실시예에서 고랑형 구조가 생성되며 광학적 대비는 최소 4:1이다. 레이저 펄스는 구조 길이에 약 0도 또는 약 90도로 지향된 비원형 분극을 이용할 수 있다. 비접촉 반경 측정 프로브는 기록 스핀들의 반경에서 최소 편차를 검출하고, 기록 스핀들의 반경과 스핀들에서 지지되는 기판 일부의 두께를 포함하는 편차도 검출하며, 적어도 하나의 반경에 관련된 신호를 제공하기 위해 기록 스핀들의 표면을 측정하는 데 사용된다. 반경 측정 프로브는 INVAR™과 같이 열 팽창률이 매우 낮은 요소에 결합된 제 1 및 제 2 용량성 센서를 포함하되, 제 1 센서는 스핀들의 중앙 근처에 있는 표면을 감지하고, 제 2 센서는 스핀들 및 스핀들에 의해 지지되는 테이프의 반경이 측정가능한 표면을 감지하며, 제 1 및 제 2 프로브로부터의 신호는 높은 안정성, 다른 반경 측정을 위해 제공된다. 결과적인 도량형 스케일에는 공칭 10 ㎛ 내지 50 ㎛의 피치가 있으며 피치의 정확도는 약 10 ㎛/meter 이상으로 광학 인코더에 사용하기 충분한 광학 대비를 갖는다.
본 발명의 전술한 내용과 다른 목적, 특징 및 이점은 동일한 참조 부호가 동일한 부품을 지칭하는 첨부 도면에 도시된 발명의 특정 실시예에 대한 후속 설명으로부터 자명해진다. 도면은 반드시 스케일링하는 것이 아니라, 발명의 원리를 설명하는 데 중점을 둔다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 도량형 스케일 일부에 대한 개략적인 투시도이다.
도 2는 도 1의 스케일을 제조하는 레이저 기반 시스템의 개략적인 도면이다.
도 3은 도 1의 스케일을 제조하기 위해 도 2의 시스템을 사용하는 방법의 흐름도이다.
도 4(도 4(a) 및 도 4(b)로 구성)는 도 3의 방법 동안 레이저 빔이 따를 수 있는 두 가지 다른 패턴을 도시하는 도면이다.
도 5는 도 3의 방법에서 레이저 빔 스팟의 강도 분포를 공간적으로 도시하는 도면이다.
도 6(도 6(a) 및 도 6(b)로 구성)은 도 5의 레이저 빔 스팟 부분의 X-방향 및 Y-방향 강도 프로파일을 도시하는 도면이다.
도 7은 도 5의 레이저 빔 스팟의 대략적인 시간 강도 분포를 도시하는 도면이다.
도 8은 도 3의 방법으로 만들어진 스케일 마크를 도시하는 도면이다.
도 9(도 9(a) 내지 도 9(j)로 구성)는 다양한 레이저 파라미터에 대해 도 2와 도 3의 시스템과 방법을 사용하여 만든 기판에 있는 예제 스케일 마크의 단면에서 광학 현미경과 명시야 조명을 사용하여 획득된 현미경 영상 세트이다.
도 10(도 10(a) 및 도 10(b)로 구성)은 AFM(atomic force microscope)을 사용하여 획득된 도 9의 스케일 단면 중 하나의 영상 및 스케일 마크의 가로 지형을 도시하는 그래프를 포함한다.
도 11은 스케일 마크의 세로 지형을 도시하는, AFM을 사용하여 획득된 도 9의 스케일 단면 중 하나의 영상이다.
도 12는 스캐닝 전자 현미경을 사용하여 획득된 도 9의 단면 중 하나의 영상이다.
도림 13은 예제 스케일 마크의 가로 지형 및 적절한 치수를 도시하는 도면이다.
도 14는 도 9의 여러 가지 예제 스케일 마크에 대한 레이저 펄스 강도(발광) 대 상호 작용 시간의 플롯이다.
도 15는 도 9의 여러 가지 예제 스케일 마크에 대한 레이저 펄스 강도(발광) 대 레이저 펄스 에너지 밀도(플루언스(fluence))의 플롯이다.
도 16(도 16(a) 및 도 16(b) 포함)은 스캐닝 전자 현미경을 사용하여 획득된 도 9의 스케일 단면의 두 영상을 포함한다.
도 17은 두 개의 광원을 이용하여 별도의 트랙을 비추는 광학 인코더의 개략도이다.
도 18은 도 2와 도 3의 시스템과 방법으로 형성된 어두운 영역을 사용하는 도 17의 광학 인코더에 대한 스케일 기판의 레이아웃을 도시하는 개략도이다.
도 19는 제조물 처리를 위한 시스템의 여러 구성 요소를 도시하는 블록도이다.
도 20은 도량형 테이프 스케일을 형성하기 위해 유연성 제조물을 처리하는 레이저에 대한 시스템의 여러 구성 요소를 도시하는 블록도이다.
도 21은 도 20의 시스템으로 형성된 도량형 스케일의 일부분을 도시하는 도면이다.
도 22는 도 20의 시스템 일부를 보다 상세히 더 도시한다.
도 23은 도 20의 시스템에서 광학 스캐너와 펄스 레이저에 공급되는 전형적인 명령 신호를 도시한다.
도 24는 개시된 스케일 제조 방법에 따라, 단일 스케일 마크가 기록 스핀들 상에서 움직임에 따라 테이프 스케일 상에 만들어지는 방법을 도시하는 도면이다.
도 25는 재료 처리 시스템의 실시간 제어기와 스핀들 사이에 사용되는 신호의 추가 세부 사항을 도시하는 도 20의 시스템의 블록도이다.
도 26은 도 25의 시스템의 기록 스핀들 부분의 확대도이다.
도 27은 도 25의 실시간 제어기의 전체 구조와 기능을 도시하는 블록도이다.
도 28은 도 27의 실시간 제어기에서 사용되는 스핀들 속도 제어기의 회로도이다.
도 29는 도 27의 실시간 제어기에 있는 반경 추정기의 회로도이다.
도 30은 도 27의 실시간 제어기의 장력 제어기의 회로도이다.
도 31은 도 27의 실시간 제어기의 스캔 제어기의 회로도이다.
후속 설명은 제한 없이 명확한 설명을 제공하는 간단한 설명을 나타내는 특정 용어를 사용한다. 설명은 "혼돈" 구조를 참조하는데, 여기서 "혼돈"이란 일반적으로 관찰할 수 있는 구조를 지칭하며 레이저 충돌의 위치에 형성된 재료의 무계획성이나 혼란 또는 혼합으로 특징 지울 수 있다. 예를 들어, 이런 혼돈 구조는 불규칙한 모양과 다양한 반사율을 가진 용해된 재료의 집합이 될 수 있다. 예컨대, “비혼돈” 또는 "체계화" 구조는 주어진 방향을 따라 동일 색상의 규칙적인 영역을 갖는 원활한 측정 가능한 공간 프로파일 또는 준주기적 공간 프로파일을 갖는 영역일 수 있다. "고랑형" 또는 "고랑이 있는" 구조는 주변 표면에 비해 상대적으로 길고 좁으며 얕은 침하를 형성하며, 경우에 따라 U자형 또는 V자형 단면을 보이기도 한다. “에너지 밀도” 및 “플루언스"는 대상 위치에 충돌하는 단위 영역당 에너지를 지칭하는 비슷한 용어이며 후술되는 방식으로 계산된다. 달리 명시하지 않는 한, 계산에서 사용되는 에너지 밀도와 스팟 직경은 스팟(또는 빔) 강도 분포의 1/e2(피크 밀도의 13.5 %) 직경에 해당하며, 이는 예컨대, 타원형 가우시안(elliptical Gaussian)이 될 수 있다. 펄스 "반복률" 또는 "반복 주파수"는 초당 펄스 수, 일반적으로 Hz를 지칭한다. 예를 들어, 10 kHz는 초당 10,000 개의 펄스이다. 대응하는 시간 펄스 간격은 펄스 반복률의 역수(즉, "순시" 반복률의 역수로 간주될 수 있음)이며 일반적으로 두 개의 연속 펄스 사이의 시간 간격을 지칭한다. 광학 대비를 갖고 있는 표면 영역을 분리하는 "에지"도 참조한다. 에지는 반사율의 빠른 변화가 발생하는 선 또는 좁은 영역으로 정의된다. 예를 들어, 에지는 측정 가능한 반사율의 변화가 최대인 위치에서 발견될 수 있다.
이제 도 1로 돌아가면, 선형 도량형 스케일(10)은 다수의 연장된 선형 스케일 마크(14)가 형성되었던 금속 기판(12)을 포함한다. 기판(12)은 상표명 Invar® 및 Inconel®로 알려진 니켈 합금이다. 일 실시예에서, 기판(12)은 유연성 테이프 또는 그 일부가 될 수 있지만, 다른 실시예에서는 기판(12)이 실질적으로 단단할 수 있다. 스케일 마크(14)는 일반적으로 후술되는 레이저 기반 방법을 사용하여 형성된 얕은 표면 굴곡을 포함한다. 몇몇 실시예에서 마크(14)는 융기 또는 리플 표면 부분으로 나타날 수 있는 굴곡 및 돌출의 "미세 구조"를 포함한다. 특정 실시예에서, 예컨대 스케일 구조의 길이나 폭의 방향을 따라 거의 주기적인 표면 거칠기 프로파일을 갖는 리플 표면 부분이 생성될 수 있다. 스케일 마크(14)는 원하는 높은 광학적 대비에 기판(12)의 맞물린 비처리 표면 영역(16)을 제공하도록 형성된다. 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 이 대비는 부분적으로는 스케일 마 크(14)의 외형으로 인해 방향성 반사율을 변경하고, 부분적으로는 레이저 처리의 결과로서 스케일 마크(14)의 표면의 색상 변화를 유도함으로써 달성된다.
또한 도 1에 도시된 것은 아래 설명에서 스케일(10) 상에 방향을 편리하게 표시하기 위한 좌표축 세트(18)이다. Y 방향은 스케일 마크(14)와 평행하게 확장되고, X 방향은 스케일 마크(14)와 직각인 스케일(10)을 따라 확장되며, Z 방향은 기판(12)의 표면으로부터 확장된다.
도 2는 도 1의 스케일을 제조하는 데 사용될 수 있는 장치를 도시한다. 기판(12)은 작업 표면(20)에 배치되어 처리하는 동안 기판(12)을 제자리에 고정시킬 수 있다. 또한 예컨대, X 방향으로 기판(12)을 이동시켜 이격된 스케일 마크(14)를 생성하도록 나머지 처리 장치에 관하여 기판(12)을 이동시키기 위해 작업 표면(20)을 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 기판의 이동은 적절한 변위 메커니즘을 사용하여 수행될 수 있는데, 예컨대, 단단한 기판의 위치를 조정하기 위해 변환이나 회전 메커니즘을 사용하거나 각각의 테이프 공급에 따라 유연성 기판 위치를 조정하기 위한 기록 및 테이크업 스핀들을 사용하거나 후술되는 기타 적절한 메커니즘을 사용할 수 있다.
스케일 마크(14)는 빔 전달 시스템(24)과 조합하여 레이저(22)에 의해 기판(12) 상에 형성된다. 빔 전달 시스템(24)은 입사 빔(26-1)으로 나타낸 레이저원 에너지를 받아들이며, 일반적으로 레이저 에너지의 공간 및/또는 시간 분포를 수정하고, 선택적으로 레이저 에너지를(출력 빔(26-2)으로 표시) 기판(12)으로 향하게 한다. 예를 들어, 빔 전달 시스템(24)은 원하는 종횡비로 타원형 단면을 갖는 빔(26-2)을 형성하는 왜곡 광학 시스템을 포함할 수 있다. 빔 전달 시스템(24)은 검류계 구동 거울 또는 입사 빔(26-1)을 조종(편향)하여 기판(12)을 향하는 출력 빔(26-2)을 형성하고 각 스케일 마크(14)를 형성하기 위해 처리하는 동안 Y 방향으로 출력 빔(26-2)을 스캔하거나 스윕하는 데 사용되는 비슷한 장치도 포함할 수 있다. 빔 전달 시스템(24)은 기판(12)에 전달할 레이저 펄스를 선택하고 출력 빔(26-2)의 전력을 제어하는 예컨대, 음향 광학 변조기와 같은 컴퓨터 제어 변조기를 포함할 수 있다. 또한 빔 전달 시스템(24)은 일반적으로 포커싱 서브 시스템도 포함하는데, 바람직하게 거의 회절이 제한된 성능을 가져 기판(12)의 표면에서 스팟 강도 분포를 형성하도록 펄스 레이저 빔에 초점을 맞춘다. 아래에서 자세히 설명하겠지만 각 스케일 마크(14)는 Y 방향으로 중복된 일련의 펄스를 적용하고 기판(12)의 표면에 적어도 하나의 대응하는 초점 스팟 강도 분포를 갖도록 만들어진다. 레이저(22)의 작동과 빔 전달 시스템(24) 및 작업 표면(20)의 움직임은 가능하다면 제어 회로(28)에 의해 모두 제어된다.
재료의 레이저 처리에서 타원형 스팟 모양의 사용은 종래 기술에 알려져 있다. 예는 미국 특허 6,639,177 및 6,777,645에 도시되는데, 도 13(a) 내지 도 13(c)는 타원형 스팟의 세 가지 시퀀스를 도시한다. 도 13(a)은 둥근 모서리를 가진 대상에 사용하는 첫 번째 시퀀스를 도시하고, 도 13(b)은 사각 모서리를 가진 대상에 사용하는 두 번째 시퀀스를 도시하며, 도 13(c)은 일련의 평행선이 대상 재료에서 가공될 때 사용하는 시퀀스를 도시한다. 일반적으로 재료를 처리할 수 있는 속도는 타원형 스팟이 마크(14)로서 확장된 마크를 만드는 데 사용될 때 증가한 다.
도 3은 스케일(10)을 제조하는 전체 공정을 도시한다. 단계(30)에서, 제어 회로(28)는 레이저(22)와 빔 전달 시스템(24)이 높은 펄스 반복률로 일련의 펄스로 기판(12)의 표면을 방사하게 한다. 레이저(22)로부터의 출력 빔(26-2)은 펄스가 원하는 양만큼 중복되도록 펄스와 동기화하여 Y 방향으로 스캔되며, 이는 보다 상세히 후술된다. 이 스캔을 달성하기 위해, 빔(26-2)은 제어 회로(28)에 의해 제어될 때 빔 전달 시스템(24) 내의 빔 반사 장치에 의해 스윕된다. 도 3의 공정의 단계(32)에서, 제어 회로(28)는 출력 빔(26-2)의 경로(이제 소멸, 감쇠 또는 차단되었음)와 기판(12) 사이에 X 방향으로 상대적으로 이동시켜 레이저 빔이 다음 연속 스케일 마크(14)의 위치를 향하게 한다. 표시된 것처럼, 기판(12)에 각 스케일 마크(14)를 형성하도록 단계(30,32)가 반복된다.
단계(30)에서, 스팟 중복의 양과 스케일 마크(14)당 펄스의 수는 각 스케일 마크(14)의 원하는 길이, 기판 표면에서 스팟 빔의 유효 직경, 기판 표면에서 스팟 빔 내의 에너지 분포 및 깊이와 색상과 같은 스케일 마크(14)의 원하는 특성을 포함하는 많은 요인에 따라 변할 수 있다. 몇몇 특정 예는 이하에 제공된다. 펄스 반복률, 즉 스케일 마크(14)가 기판(12) 상에 형성되는 속도는 주로 공정 처리량에 영향을 준다. 예를 들어, 최신 q-스위치, 다이오드 펌프 고체 상태 레이저(22)는 수십 kHz 내지 수백 kHz의 범위에서 최대 속도로 펄스를 생성할 수 있다. 임의의 특정 공정에서 펄스와 빔 전달 시스템(24)의 스캔을 동기화할 필요성으로 인해 펄스 속도는 레이저의 최대 속도보다 낮을 수 있다. 이와 달리, 레이저(22)는 거의 최대 속도(출력 펄스 폭과 에너지의 요구 사항에 일치)로 작동할 수 있으며. 빔 전달 시스템(24) 내의 컴퓨터 제어 변조기를 사용하여 펄스를 선택할 수 있다. 또한 빔(26-2)의 Y-방향 스캐닝과 작업 표면(20)의 빔(26-2) 사이의 상대적 X-방향 이동 사이에 추가 동기화가 필요할 수 있으며, 이러한 동기화는 펄스 속도의 선택에도 영향을 미칠 수 있다.
도 4는 이용할 수 있는 두 가지 다른 스캐닝과 X-방향 이동 패턴을 도시한다. 도 4(a)는 모든 스케일 마크(14)가 한 방향으로 스캔하여 형성됨을 도시한다. 이러한 경우에, 주어진 마크(14)의 완료시에 X 방향으로의 이동과 (소멸되는 동안) 레이저 빔을 Y 방향으로 "재투사"하여 빔(26-2)을 다음 마크(14)의 시작 위치로 가져오는 것이 필요하다. 빔(26-2)의 재투사가 마크들(14) 사이에 필요하지 않도록 반대의 Y 방향으로 다른 선을 스캐닝하는 것을 포함하는 다른 방법이 도 4(b)에 도시된다. 일반적으로, 도 4(b)의 다른 방법은 더 높은 처리량을 제공한다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따라 기판(12)의 표면에서 빔(26-2)의 공간 모양과 강도 프로파일을 도시한다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 빔(26-2)은 약 4:1의 종횡비로 타원형 모양을 갖는 스팟(34)을 형성한다. 음영은 도 6의 플롯에도 도시되어 있는 상대적 강도를 나타낸다. 도 6(a)은 상대적으로 좁은 X 방향으로 강도 프로파일을 도시하며, 도 6(b)은 더 넓은 Y 방향으로의 강도 프로파일을 도시한다. 이 프로파일은 본 명세서에서 "가우시안(Gaussian)"으로 지칭된다. 피크 강도는 PK로 표시되며, PK/2와 PK/e2의 수량도 표시되어 있다. PK/2에서의 펄스 폭은 X와 Y 방향으로 "반치빔폭"(BWHM:beam width half maximum)으로 표시된다. PK/e2에서의 빔폭은 간단히 "빔폭" 또는 BW로 표시된다. PK/e2의 빔폭은 ISO 표준 ISO/TR 11146-3 나이프 에지 방법에서 설명하는 방법으로 측정된다.
도 7은 스팟(34)의 시간적 강도 분포를 도시하며, 반치시간펄스폭(PWHM(T))과 2*PWHM(T)으로 정의되는 시간 펄스 기간 PW(T)로 특징 지워진다. 다른 펄스 기간 PW(T)의 몇몇 예가 이하에 설명된다.
따라서 스팟(34)은 주어진 마크(14)를 형성하는 일련의 중복 스팟 중 하나인 타원형 방사 영역이다. 일 실시예에서, 스팟(34)은 대략 각각 20 ㎛과 60 ㎛의 공간 치수 BW(X) 및 BW(Y)를 갖고 있다. 보다 일반적으로, 타원형 스팟의 종횡비의 범위는 약 2:1 내지 6:1일 수 있다. 특히 레이저(22)의 높은 반복률과 협력하는 타원형 스팟 모양은 개선된 스케일(10) 생성 속도를 제공한다. 그러나, 다른 구현에서는 예컨대, 원형과 같은 다른 스팟 모양을 사용할 수 있다.
도 8은 빔(26-2)의 펄스와 Y 방향 스캔의 결과로 발생하는 마크(14)의 개략도이다. 각 곡선(36)은 단일 펄스에 대해 기판(12)에 있는 스팟(34)의 충돌의 타원형 영역의 한쪽 끝을 나타내며 곡선(36)의 연속은 빔 전달 시스템(24)에 의해 스캔되는 레이저(22)의 펄스와 동시 Y 방향 스캐닝으로 인해 스팟(34)의 충돌의 연속 영역을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 연속 충돌 영역은 이하의 예인 중복량(38)으로 분리된다. 또한 예시된 실시예에서 10 ㎛인 마크 폭(39)이 도시되어 있다.
일례에서, 1.5 Watt 레이저 출력 빔(26-2)은 기판(12)의 표면에서 대략 1750 배 펄스화되어 약 100 배 중복(즉, 중복량(39)은 스팟 높이 PW(Y)의 1/100과 같음)이 있는 1 ㎜ 길이 마크(14)를 완성한다. 따라서 1 ㎜ 길이 스케일 마킹(14)은 175 kHz의 반복률로 다음 시작 위치에 대한 재투사에서 1750 펄스인 초당 약 50 내지 80의 속도로 생성될 수 있다.
마크(14)를 형성하기 위해, 일반적으로 각 펄스로 녹은 금속의 박막 필름을 형성하는 에너지 양을 전달하여 금속의 혼돈 분포 생성을 방지하는 것이 좋다. 따라서 금속이 분출되거나 끓지 말아야 한다. 1/e2 직경에서 약 0.5 J/㎠ 내지 1 J/㎠의 펄스 에너지와 100 kHz 이상(100 kHz 내지 200 kHz이 바람직함)의 펄스 속도로 약 50 내지 100 스팟의 중복을 갖는 후술되는 적외선(IR) 레이저 유형을 사용하는 체계화 구조는 Inconel®, 스테인레스 스틸 등과 같은 무코팅 니켈 합금에 형성된다.
도 9는 다양한 처리 파라미터를 사용하여 만들어진 스케일 마크(14)의 다수의 영상을 도시한다. 마크는 대략 10 ㎛ 폭이고 간격은 20 ㎛ 피치이다. 영상은 명시야 조명을 사용하여 현미경으로 획득된다. 구조를 형성하는 데 사용된 레이저는 Spectra Physics BL6 적외선(IR) 레이저였으며, 1064 ㎚의 적외선 파장에서 5 ns 내지 50 ns의 펄스 기간에서 고속(100 kHz 이상) 작동에 적합하다. 이용할 수 있는 다른 레이저는 500 kHz에서 작동할 수 있는 Spectra Physics에서 판매한 "V-XTREME" 레이저이다. 레이저 빔은 Cambridge Technologies, Cambridge MA에서 생산한 X-Y 검류계 기반 미러 시스템, 모델 6450이었다. 이러한 예에서, 기판 재료는 선형 격자, 높은 경도, 양호한 광택 및 코일 기능의 적절한 기계적 특성을 가진 니켈 합금인 Inconel® 625였다. 이 재료는 후속하는 대략적 구성을 갖고 있다.
Figure 112008033840404-pct00001
마킹 전 기판의 표면 거칠기 Ra는 1 마이크로-인치(.0254 ㎛) 이하로 지정되었다. Ra는 표면 거칠기의 여러 사용 가능한 사양 중 하나인 "산술 평균" 표면 거칠기이다. Ra는 평가 길이에서 표면 거칠기 프로파일의 절대값의 정수로 정의되므로, 거칠기 기호는 무시된다.
도 9의 예의 처리 파라미터는 아래의 표 1A와 1B에 요약되어 있다. 예는 도 9에 나타나는 문자 (A) 내지 (J)로 지칭된다. 후속하는 행 머리글이 사용된다.
Figure 112008033840404-pct00002
표 1A
Figure 112008033840404-pct00003
표 1B
Figure 112008033840404-pct00004
예 A와 B는 "비등" 및 "결빙" 효과라는 용어가 무엇인지 보여주는데, 얼어버린 대형 금속 스플래시 구조는 매우 짧은 상호 작용 시간 동안 전달된 과도한 펄스 에너지 양으로 인한 것이다. 스케일 마크는 혼돈스러운 불규칙한 구조를 갖고 있으며 녹는점 이상에서 기판을 가열한 결과로 보인다. 이러한 마크의 들쭉날쭉한 에지는 제대로 정의되지 않은 격자를 생성하므로 이러한 예는 반사된 광학 신호를 만드는 노이즈로 인해 고해상도 광학 인코더에 사용하기에는 적합하지 않다. 이 예는 재료 표면을 과도하게 교란하는 펄스의 큰 영향으로 질감이 균일하지 않은 여기서 "균열(tearing)"이라고 하는 것을 나타낸다. 이 균열은 아래에서 설명하는 미세하고 규칙적인 미세 구조와는 다른 현상으로 보인다.
예 C는 200 ns의 긴 상호 작용 시간은 물론 많은 수의 중복 펄스를 갖는 0.030 와트의 현저하게 낮은 레이저 파워를 이용한다. 스팟 형상은 원형이며 전반적인 펄스 에너지는 예 A 및 B의 에너지와 비슷하다. 도 9(c)에서 볼 수 있듯이, 스케일 마크(14)는 가로 방향 줄무늬를 나타내지만 예 A 및 B의 혼돈이 없는 상대적으로 깊은 고랑이다. 예 C의 마크도 색상이 진한 갈색이다. 예 C를 만드는 데 사용된 방법은 매우 느리므로 제조 관점에서 비실용적일 수 있다. 또한 유용하기는 하지만 진한 영역의 균일성은 최적이 아니다.
예 D는 상당히 높은 펄스 에너지로 만들어졌고 상대적으로 상호 작용 시간이 짧으며 두 펄스만 중복된다. 이 예는 본래 미세 구조를 갖고 있지 않지만, 오히려 "균열"은 크고 균일하지 않다. 비균일성과 마크와 주변의 처리되지 않은 기판 사이의 상대적으로 적절하지 못하거나 노이즈가 있는 광학적 대비로 인해 광학 인코더에 사용하기에는 바람직하지 않을 수 있다.
예 E 내지 G는 1 ㎛보다 훨씬 적은 편차를 가진 고품질 에지 정의를 가지며, 예 F 및 G의 미세 구조 영역에서 추가 반사 감소를 가진 탁월한 광학적 대비를 제공한다. 이러한 마크는 정교한 에지 품질에 고유하고 양호한 프로세스 제어 및 지향성 반사율과 같이 기판의 적어도 하나의 광학적 속성을 변화시키는 원활한 금속, 화학적으로 반응하는 색상 변화와 미세 구조를 제공하는 기능이다. 거의 적외선 파장 정도의 표면 변화를 갖는 미세 구조는 일반적으로 입사 광선을 분산시키므로 증가한 대비를 제공한다. 예 E는 미세 구조가 거의 없고 색상 변화가 거의 없는 상대적으로 원활한 "고랑형" 구조(아래에서 설명)를 나타낸다. 예 E에서 레이저 분극은 "세로" 즉, 마크(14)에 평행하다. 예 F와 G는 낮은 펄스 플루언스와 높은 펄스 중복, 예 F의 세로 분극 및 예 G의 가로 분극으로 만들어졌다. 고랑과 갈색 색상이 두드러지고, 미세 구조는 분극의 방향을 따른다.
예 H에는 세로 분극과 다소 낮은 펄스 에너지를 가지며, 색상은 파란색을 띤다.
예 I는 예 G와 유사하지만 높은 방사 레벨로 생성되었다. 예 J는 낮은 플루언스와 약 20 MW/㎠의 방사도에서 갈색 색상과 미세 구조가 최소 고랑으로 발생함을 설명한다. 깊은 구조가 바람직하지 않은 일부 경우에는 이러한 평평한 구조가 유용할 수 있다.
전체적으로, 10 ns 미만의 펄스 기간 및 약 1 J/㎠ 이상의 펄스 플루언스는 금속이 끓고 분출하도록 만들어 예 A 및 B에서처럼 들쭉날쭉한 형상부를 생성하는 것으로 나타난다. 다른 예에서 설명했듯이, 약 50 MW/㎠ 미만의 방사도와 25 개 이상의 중복 스팟에서, 혼돈 성향이 제거되고 부드러운 융기와 고랑형 구조가 형성된다. 이하에 도시된 이러한 예의 AFM(atomic force microscope) 분석으로부터, 재료는 거의 제거되지 않지만 주로 마크의 중앙에서 측면으로 재배치되는 것으로 보인다. 결과적인 구조는 대비 감지 회절성 인코더에서 잘 작동하는 것으로 나타난다. 이러한 구조의 감소된 축상(on-axis) 반사율이 적어도 부분적으로는 축상 센서의 좁은 보기 범위로부터 멀리 광을 반사하는 고랑 형상으로 인한 것으로 보인다. 이것은 보다 상세히 후술되는 바와 같이 효과적으로 수행되는 예를 위한 일반 적인 기본 구조이다.
또한, 약 10 MW/㎠ 내지 50 MW/㎠의 방사도와 약 50 개 이상으로 펄스 중복 수가 증가한 상태에서는 다른 현상이 발생한다. 먼저 재료는 반사를 더욱 줄일 수 있는 갈색 표면의 상당한 영역을 조성하는데, 마크와 주변의 처리되지 않은 기판 사이의 광학적 대비를 증가시키는 것이 바람직하다. 뿐만 아니라, 미세 구조는 광을 확산하여 반사하는 고랑과 융기 구조의 갈색 표면에서 형성된다. 2 J/㎠ 내지 3 J/㎠ 범위의 펄스 플루언스가 있으면 고랑형 구조가 BW로 확장된 것으로 관찰되었다. 약 1 J/㎠ 미만의 플루언스와 약 50 MW/㎠ 미만의 E 평균에서, 고랑 폭은 스팟의 BWHM(X) 치수와 거의 같았다. 후자는 방사-대-빔-폭 곡선(도 6(a))의 가파른 경사가 표면 흡수의 빔 전력에서 주어진 변화에 대해 마크의 치수 변화를 덜 생성하기 때문에 보다 바람직한 프로세스 포인트이다.
도 10은 도 9의 예 G의 지형을 도시하는 AFM(Atomic Force Microscope) 영상이다. 도 10(a)의 영상에서, 진한 영역(40)은 고랑형 마크(14)의 더 깊은 중앙 영역을 나타내고, 연한 영역(42)은 마크(14)의 외부 에지를 나타내며, 중간 농도의 영역(44)은 마크(14) 사이의 수정되지 않은 표면 영역(16)을 나타낸다. 도 10(b)은 교차 단면 양각을 도시한다. 외부 에지 영역(42)은 실제로 수정되지 않은 표면 영역(16)보다 높은 것으로 관찰될 것이다. 마크(14)에서 표면 융해를 유도하는 공정의 특징에 따라 재료는 실제로 기판(12)에서 거의 또는 전혀 제거되지 않는다. 오히려 더 진한 영역(40)으로 표시되는 더 깊은 영역에서 연한 영역(42)으로 표시되는 외부 에지 영역으로 이동된다. 더 깊은 영역(42)에서 더 높은 에지 영역(44) 까지 피크-투-피크 거리(46)는 약 2.0 ㎛ 미만이다.
도 11은 왼쪽 상단에서 오른쪽 하단까지 경사져 보이는 마크(14) 중 하나의 확대 보기를 제공하는 예 G의 다른 AFM 영상이다. 위에서 언급한 "미세 구조"는 다른 광과 진한 밴드로 나타내는 횡단 융기(48)의 세트로 볼 수 있다. 융기(48)의 기간 또는 피치는 약 1 ㎛이고 피크-투-피크 높이는 30 ㎚의 정도이다. 융기(48)는 Buerle의 "Laser Processing and Chemistry", 구체적으로 Instabilities and Structure Formation의 Chapter 28에서 설명하는 대로 작업 표면에서 레이저 빔의 간섭으로 인해 선택적 흡수 현상이 있는 것으로 보인다. 이러한 미세 구조는 예에서 보여주듯이 레이저의 선형 분극의 영향을 더욱 많이 받는다. 원형 분극은 미세 구조를 거의 생성하지 않아야 한다.
도 12는 도 9의 예 E의 SEM(scanning electron microscope) 영상을 도시하는데, 이 도면은 바람직한 규칙성과 마크(14)의 부드러운 직선 에지를 도시한다. 도 13은 처리되지 않은 반사 영역(44)과 덜 반사되는 중앙 영역(40) 및 마크의 에지 영역(42)이 있는 이러한 마크의 가로 치수를 도시한다. 또한 도 13은 마크의 폭과 레이저 빔의 폭 사이의 관계도 도시한다. 이전에 설명한 것처럼, 효과적인 예에서 마크(14)의 폭은 스팟(34)의 BWHM과 거의 같다.
도 14는 도 9의 예제(A) 내지 (J)에 대한 스팟 강도 또는 방사도(MW/㎠ 단위) 대 상호 작용 시간(ns 단위)을 나타내는 데이터 포인트의 그래프를 도시한다. 이러한 제품양은 J/㎠의 총 에너지 밀도 또는 플루언스이다. 세 개의 선(50, 52 및 54)는 각각 0.5 J/㎠, 1.0 J/㎠ 및 2.0 J/㎠의 동일한 플루언스 외형을 나타낸 다.
도 15는 동일한 예에 대한 방사도 대 플루언스의 그래프이다. 약 1.4 J/㎠ 미만의 플루언스는 부드러운 고랑형 구조를 생성하지만 높은 플루언스는 더 많은 거칠고 균열이 있는 구조(균열)를 생성한다. 예 C 및 E 내지 J를 포함하는 라벨이 "Useful"인 상자 내에 있는 예는 광학 인코더에 대해 격자 또는 기타 광학적 요소를 만드는 데 유용한 것으로 보인다. 물론 예 C, F, G, I 및 J는 고랑에서 갈색 색상 변화와 분극 관련 미세 구조를 나타낸다. 이러한 예의 방사 범위는 10 MW/㎠ 내지 40 MW/㎠ 이다. 방사도가 약 9 MW/㎠인 예 H는 파란색을 나타낸다.
또한, "Better"로 라벨링된 상자의 예는 예 C의 균열에 대조적으로 주로 이러한 매끄러움으로 인해 광학적 스케일 마크로 효과적인 성능을 제공할 수 있다. "better" 예 중 예 F, G, I 및 J는 상대적으로 색상이 없는 예 E와 파란색의 예 H와 대조적으로 원하는 갈색 색상 변화를 보여주기 때문에 최상으로 보인다. 다른 레이저에서 생성되는 레이저 속성의 다른 조합도 바람직한 효과를 생성할 수 있다. 예를 들어, 다른 파장은 다른 흡수 특성을 가지고 다른 플루언스와 중복으로 결과를 산출할 수 있다.
도 16(a)와 도 16(b)는 각각 도 9의 예 G와 E의 SEM 영상을 도시한다. 이러한 영상은 마크(14)에 가능한 변화를 보여준다. 구체적으로, 예 G의 마크(14)(도 16(a))는 미세 구조 융기(48)를 포함하는 반면, 예 E의 마크(14)(도 16(b))는 상당히 부드러워 미세 구조를 나타내지 않는다.
개시된 기법의 장점 중 하나는 매우 직선인, 즉 피치의 작은 부분인 마 크(14) 폭의 10 % 내에서 직선인 긴 에지를 갖고 있는 마크(14)를 얻는 능력이다. 또한 약 1.5 ㎛ 내지 2 ㎛ 미만의 상대적으로 균일한 깊이를 가진 마크(14)를 형성하는 것이 가능하다. 또한 개시된 기법은 Inconel® 또는 Invar®와 같은 도금하지 않은 니켈 기반 기판(12)과 약 1 J/㎠ 미만의 펄스 에너지를 이용하도록 하고 있다. 개시된 기법으로 생성된 구조는 화학과 마모에 매우 내구성이 있고 저항력이 있다.
현재 개시된 기법은 더 작거나 큰 빔 스팟에 이용할 수 있다. 특정 레이저 처리 시스템에서, 최소 스팟 크기는 일반적으로 빔 전달 시스템(24)의 포커싱 능력과, 필요한 전력 밀도별 최대 스팟 크기 및 레이저의 최대 전력으로 결정될 것이다. 일반적으로 빔 스팟의 폭을 증가시켜 더 넓은 마크(14)를 얻는 것이 가능하다. 그러나 비슷한 전력 밀도를 얻으려면 레이저 전력을 그에 따라 증가시켜야 하므로, 최대 레이저 전력을 기반으로 마크(14)의 폭으로 제한하는 것이 실용적이다. 더 넓은 마크(14)를 달성하는 다른 방법으로 처리되지 않은 영역(16)을 방해하지 않도록 서로 인접한 여러 좁은 마크를 만들 수 있다. 이런 처리의 예는 광학 인코더에 대한 다중 트랙 격자에 대한 향상으로서 "어두운 영역"을 생성하는 것으로 이하에 도시된다.
도 17은 별도로 감지되는 다중 트랙을 이용하는 광학 인코더의 한 구성을 도시한다. 인코더는 두 광원(52-1,52-2)(예컨대, 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)) 및 대응하는 검출기(54-1,54-2)가 있는 기판(50)을 포함한다. 기판(50)은 개별 스케일/격자 또는 다른 광학적 요소를 형성하는 반사형 스케일 기판(56)의 대향하는 측상에 배치된다. 이러한 기판(56)의 예는 아래의 도 18을 참조하여 설명된다.
또한 도 17에는 각각의 광원(52-1,52-2)으로부터의 광이 각각의 검출기(54-1,54-2)에 도달하는 두 개의 광 경로(58-1,58-2)가 도시되어 있다. 광 경로(58-1,58-2)가 광원(52-1,52-2)으로부터의 광이 이동하는 우세한 경로이지만, 특히 지향성이 높은 VCSEL 소스의 경우 소스(52-1,52-2)로부터의 광은 일반적으로 광원(52) 중 어느 하나로부터 대응하지 않는 검출기(54)로의 경로를 포함하여 입사 특성이 더 나은 다른 경로로 이동한다. 도 17에서, 예는 광원(52-1)에서 검출기(54-2)까지의 경로인 (60)에 도시된다. 경로(60)를 통과하는 광은, 한 스케일 트랙의 작동이 예컨대, 영향을 받은 트랙의 신호-대-노이즈 비율을 감소시킴으로써, 다른 트랙, 특히 다른 트랙의 광원의 인접성에 의해 악영향을 받는 "광학적 누화"의 예이다.
도 18은 인접 트랙 사이의 광학적 누화 레벨을 줄이도록 설계된 스케일 기판(62)을 도시한다. 기판(62)에는 동일한 간격의 낮은 반사율 트랙(66)의 격자 패턴인 주 트랙(64)과 제한 마커 또는 인덱스 마커(표시되어 있지 않음)와 같은 다른 광학적 요소를 포함하는 부 트랙(68)이 포함되어 있다. 트랙(64,68)은 낮은 반사율의 "어두운 영역"(70)으로 구분된다. 다른 트랙(예: 부 트랙(68))의 방향으로 어느 한 트랙(예: 주 트랙(64))에 대한 광원에서 방출되는 입사광은 어두운 영역(70)의 감소된 반사율만큼 상쇄되므로 두 트랙 사이의 광학적 누화 레벨이 감소한다.
상대적으로 좁은 마크를 바로 나란히 배치하는 전술한 프로세스를 사용하여 어두운 영역(70)이 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 어두운 영역에는 제 2 부분(74)과 산재된 제 1 부분(72)이 포함되어 있다. 제 1 부분(72)은 주 트랙의 마크(66)의 확장으로 형성될 수 있다. 즉, 각 마크(66)와 동일 선상의 제 1 부분(72)은 실제로 한 스캔으로 형성될 수 있다. 이런 경우에, 제 2 부분(74)은 마크(66)와 제 1 부분(72)에 대한 스캔에서 오프셋되는 더 짧은 스캔을 사용하여 형성될 수 있다. 물론, 마크(66)를 형성하는 데 사용되는 것과 구분된 스캔 세트에서 어두운 영역(70)을 형성하는 것도 가능하다.
도 19는 유연성 기판을 갖고 있는 제조물 처리를 위한 시스템의 여러 구성 요소를 도시하는 블록도이다. 예를 들어, 시스템은 광학적 대비를 갖고 있는 마크를 형성하기 위해 일련의 레이저 펄스로 기판 표면을 방사하여 유연성 도량형 스케일을 형성하는 데 사용할 수 있다.
제조물 처리 시스템은 이하에 주어진 예인 제조물(92')의 바람직한 처리를 수행하는 툴(94')을 통과하여 확장된 유연성 제조물(92')을 이동시키는 재료 처리 시스템(90')을 포함한다. 재료 처리 시스템(90')은 피드 스핀들(96'), 처리 스핀들(98') 및 테이크업 스핀들(100')과 같은 3 개의 회전 스핀들을 포함한다. 처리하는 동안, 제조물(92')은 툴(94')과 상호 작용하는 처리 스핀들(98')을 가로질러 피드 스핀들(96')을 벗어나고 테이크업 스핀들(100') 상에서 이동한다. 제조물(92')에서 상호 작용하는 영역을 "작업 영역"이라고 한다. 도시된 실시예에서, 처리 스핀들(98')은 도시된 바와 같이 시계 방향으로 회전하고, 피드 스핀들과 테 이크업 스핀들(96',100')은 시계 반대 방향으로 회전한다. 툴(94')과 재료 처리 시스템(90')의 동작은 실시간 제어기(102')에 의해 제어되고, 차례로 호스트 컴퓨터 (호스트)(104')로부터 작동 파라미터와 고 레벨 제어를 수신한다. 툴(94')이 제조물(92')과 상호 작용하고 제조물(92')의 정확한 전체 처리를 위해 실시간 제어기(102')에 피드백 정보를 제공하는 위치에 영향을 줄 수 있는 적어도 하나의 파라미터를 모니터링하는 하나 이상의 센서(106')를 이용할 수 있다.
이하, 적어도 하나의 서브 시스템에 대해 보다 광범위한 애플리케이션이 존재하는 것이 명확할 것이지만, 설명은 대개 도 19에 도시된 바와 같이, 본 명세서에서 "테이프"로 지칭되는 확장된 금속 기판의 형태로 제조물(92') 및 대비 마크가 있는 정밀 도량형 테이프 스케일로의 테이프 처리에 관한 것일 것이다. 시스템은 에너지 전달 시스템 또는 다른 종류의 툴(94')이 제조물(92')의 물리적 특성을 수정하거나 상호 작용하거나 영향을 미치는 다른 제조물 처리 애플리케이션에 사용될 수 있다. 예를 들어, 제조물 재료를 제거하거나 녹이거나 어닐링하거나 에칭하거나 화학적으로 변경하거나, 재료를 침전, 접합 또는 제조물(92')에 부착할 수 있다. 시스템은 약 10 ㎛/m 이상의 정확도로 처리를 지원하기 위해 제조물 위치 지정을 제공하며 시간과 온도에 따른 변화에도 불구하고 바람직한 사양으로 작동한다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 도량형 테이프 스케일을 생산하는 레이저 기반 시스템은 레이저원과, 소스 에너지를 받아들이고 에너지를 처리 영역으로 전달하는 빔 전달/스캐닝 시스템(도시 생략)이 포함된 스캐닝 레이저 빔 박 스(94)를 포함한다. 또한 시스템은 피드 스핀들(96)과 테이크업 스핀들(100) 사이에서 유연성 금속 테이프(92)를 이동시키는 정밀 기록 스핀들(98)이 있는 재료 처리 시스템(90)과, 레이저 빔 박스(94)의 레이저 빔이 금속 테이프(92)와 충돌하는 위치에 영향을 미칠 수 있는 적어도 하나의 파라미터를 모니터링하는 하나 이상의 센서(106) 및 다양한 시스템 요소와 호스트 컴퓨터 (HOST)(104)와 통신하는 실시간 제어기(102)를 포함한다. 보다 구체적으로, 실시간 제어기(102)는 빔 박스 제어기(빔 제어)(108)와 재료 처리 시스템 제어기(재료 처리 제어)(120)를 포함한다.
도 21은 개시된 시스템과 방법에 따라 만들어진 테이프 스케일(112)의 한 단면을 도시한다. 테이프 스케일(112)은 도시된 바와 같이 유연성 금속 테이프(92)에 스케일 눈금을 형성하는 마크(114)를 포함한다. 각 마크(114)는 테이프(92)가 그 아래를 이동할 때 레이저 빔 박스(94)로부터의 일련의 에너지 펄스로 만들어지며, 연속된 마크(114)는 기록 스핀들(98)을 가로질러 테이프(92)의 이동과 동기화하여 지정된 속도로 일련의 펄스를 반복함으로써 만들어진다. 표면 프로파일러미터(profilometer)로 측정했을 때, 마크(114)에는 전술한 것과 같은 광학적 대비를 만드는 굴곡과 돌출을 포함하는 고랑형 단면이 있을 수 있다. 마크(114)는 비원형 레이저 분극과 상관 관계가 있는 광학적 파장 정도의 주기를 갖는 대략 주기적인 미세 구조를 포함할 수도 있다. 또한 도 21에는 이하 설명에서 사용하는 3 차원 좌표 시스템이 도시되어 있다. 양의 X 방향은 처리하는 동안 테이프(92)의 이동 방향으로 사용되고, 양의 Y 방향은 테이프(92)의 평면에서 Y 방향에 수직으로 사용되며, 양의 Z 방향은 도시된 바와 같이 테이프(92)의 평면에 수직으로 사용된다.
다시 도 20을 참조하면, 전형적인 구성에서 테이프(92)는 유연성 금속 테이프와 같이 재료의 연속적인 유연성 리본이 될 수 있으며 대략 6 밀리미터(㎜) 폭에 0.152 ㎜ 두께가 될 수 있다. 정밀 재료 처리 시스템(90)에서, 테이프(92)는 피드 스핀들(96)에 감기고, 기록 스핀들(98)의 상단 위로 전달되어 테이크업 스핀들(100)에 부착된다. 테이프(92)의 장력은 후술하는 작업 동안 피드 및 테이크업 스핀들(96,100)에서 토크 제어를 통해 간접적으로 제어된다. 30 m의 테이프는 200-㎜ 직경의 릴에 쉽게 수용된다. 기록 스핀들(98)은 테이프(92)의 피드를 제어한다. 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 센서(106)는 처리하는 동안 기록 스핀들(98)의 상단 아크 부분을 따라 이동할 때 테이프 반경의 편차를 측정하기 위한 하나 이상의 반경 센서를 포함한다. 반경 센서 정보는 속도 제어를 위해 제공되므로 일반적으로 마크(114)의 피치나 간격을 제어하는 데 유용하다. 센서(106)는 바람직한 피치로부터 저주파 편차를 보정하도록 보정이나 진단 또는 폐쇄 루프, 실시간 피치 제어를 위해 마크(114)의 피치나 다른 치수를 직접 모니터링하기 위한 선택적 다운스트림 판독기도 포함할 수 있다.
도 22는 도 20의 시스템의 추가 세부 사항을 도시한다. 테이프(92)는 기록 스핀들 드럼(116)에 드리워지고 도(20)의 피드 스핀들(96)과 테이크업 스핀들(100)의 차동 토크에 의해 슬립되지 않도록 마찰에 의해 결합된다. 기록 스핀들 드럼(116)은 낮은 리플 모터(122)에 의해 구동되는 공기 베어링(120)에 있는 샤프트(118)에서 회전한다. 예를 들어, 상용의 낮은 리플, 브러시 없는 모터(122)는 Airex 5.5 RBLT이며 Airex Corporation에서 구입할 수 있다(Dover, NH 03820, www.airex.com/products/rotary.htm 참조). 또한 상용 공기 베어링(120)은 표준 및 맞춤형 공기 베어링 부품 제조업체인 Precitech Inc., (Keene, NH)의 모델 TRT150/200 중 하나일 수 있다(www.precitech.com).
스핀들 드럼(116)의 회전 속도는 인코더 디스크(124)와 "판독 헤드"라고도 하는 적어도 하나의 센서(126)로 측정된다. 예를 들어, 인코더 센서(126)는 MicroE Systems of Natick, MA(www.microesys.com)에서 제조한 Model S2150일 수 있다. 하나 이상의 다른 센서 또는 판독 헤드(127)는 아래의 설명대로 사용할 수도 있다. 반경 센서(128-A)는 스핀 드럼(116)과 테이프(92)의 전체 반경 측정의 일부를 제공하며 아래에서 자세하게 설명한다. 반경 측정은 실시간 제어기(102)의 특정 작업에 의해 두께 변화와 런아웃을 보정하는 데 사용되며 아래에서 자세히 설명한다.
도 20의 피드 스핀들(96)과 테이크업 스핀들(100)의 구성은 유사한 샤프트(118), 공기 베어링(120), 모터(122) 및 인코더 디스크(124)와 센서(126)를 갖고 있다는 점에서 기록 스핀들(98)의 구성과 유사하다.
또한 도 22에는 빔 박스(94) 내에 여러 부품이 도시된다. 레이저(130)는 빔 전달 시스템에서 받아들이고 테이프(92)로 전달되는 하나 이상의 펄스에 대응하는 빔(132)을 방출한다. 빔(132)은 X 스캐너(134)에 투영된 후 Y 스캐너(136)에 반사되는데, 빔(132)은 테이프(92)에서 빔(132)을 스팟(139)에 포커싱하는 스캔 렌즈(138)를 통과한다. X 및 Y 스캐너(134,136)는 Cambridge Technologies, Cambridge, MA에서 생산한 모델 6450과 같은 검류계 기반 거울 스캐너일 수 있다.
레이저 빔 스팟(139)은 전술하고 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 6,777,645에 교시된 바와 같이 타원형태를 가질 수 있다. 타원형 스팟은 더 높은 처리량의 재료 처리를 제공할 수 있다. 일반적으로, 왜곡 광학 시스템은 타원형 스팟(139)을 만드는 데 사용된다. 도 22의 시스템에서, 왜곡 광학 시스템은 한 쌍의 상보형 원통형 렌즈(60,62)를 포함한다. 스팟(139)에는 펄스 속도(예: > 20 kHz, > 100 kHz이 바람직함)와 절단 속도 및 바람직한 펄스 중복(예: 1/e2에서 측정된 10 내지 100 개의 스팟 중복)의 적절한 변화에 따라 다른 비율을 사용할 수 있지만, 약 4/1의 X/Y 종횡비를 갖는다.
일 실시예에서, 레이저(130)는 5 ns 내지 50 ns 범위의 펄스 기간과 1064 ㎚의 적외선 파장이 있는 광의 고속(100 kHz 이상) 에너지 펄스에 적합한 Spectra Physics BL6 레이저일 수 있다. 이 프로세스는 열 특성이 있으며 적절한 에너지와 빔 형상을 가진 거의 모든 레이저 파장은 Inconel과 기타 니켈 기반 합금과 같은 금속에서 작동한다. 예를 들어, 녹색 및 UV 레이저는 현재 적외선 파장이 보다 실용적임에도 불구하고 이러한 재료에 사용할 수 있다. 세라믹과 같은 다른 재료의 경우, 기판에 대한 더 나은 에너지 커플링을 갖기 때문에 UV 레이저가 더 적합할 수 있다. 일반적으로 펄스 레이저는 q-스위치, 이득 스위치 또는 모드 잠금에서 작동한다. 또 다른 예는 MOPA 시스템일 수 있다. 체계화 구조는 나노초 다이오드 펌프, q-스위치 레이저로 신속하게 생성될 수 있지만, 본 발명의 시스템에 다른 레이저를 통합할 수도 있다. 이러한 레이저는 초단파 레이저, 엑시머 레이저 등일 수 있다. 다른 레이저와 재료의 흡수 특성은 프로세스 설정을 스케일링하는 데 고려될 수 있다.
적어도 일 실시예에서, 구조는 레이저 펄스로 기판을 방사하여 생성되는데, 각 펄스는 범위가 약 10 ns 내지 40 ns인 펄스 폭(최대값의 절반이 되는 점들 사이를 측정함)과 에너지 밀도의 범위가 약 0.1 J/㎠ 내지 1 J/㎠인 스팟 분포(1/e2 직경에 걸쳐 측정함)를 가지며, 적어도 일부의 펄스는 공간적으로 약 10 배 내지 50 배 중복되고, 펄스 생성 속도는 약 100 kHz 이상이다. 적어도 일 실시예에서, 고랑형 구조가 생성되며 광학적 대비는 최소 4:1이다. 레이저 펄스는 구조 길이에 약 0도 또는 약 90도로 지향된 비원형 분극(polarization)을 이용할 수 있다.
도 23은 도 20의 빔 박스 제어기(108)로부터 빔 박스(94)의 부품에 제공되는 스캔과 레이저 펄스 제어 신호를 도시한다. 다음 신호가 도시된다.
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각 마크(114)는 레이저 펄스와 짧은 간격의 "재투사"를 사용하여 마크를 형성하는 간격을 포함하는 기간 동안 만들어지는데, 여기서 빔(132)은 다음 마크(114)의 시작 위치로 방향이 바뀐다. 신호 Vsx 및 Vsy의 램프 형상은 마킹이 발생할 때 X와 Y 방향에서 빔 스팟(139)의 스위핑에 영향을 준다. 빔(132)의 Y 방향 스위핑은 마크(114)의 확장된 형상을 초래한다. X 방향 스위핑은 한 마크(114)를 만드는 데 걸리는 시간 동안 기록 스핀들 드럼(116)을 따라 이동할 때 테이프(92) 를 추적해야 한다. 기간의 마킹 부분 동안, 빔(132)은 신호 Vp에 있는 수직선이 나타내는 것처럼 여러 회 펄스화된다. 일반적으로, 연속 펄스 사이의 구분은 스팟(139)의 Y 치수보다 실질적으로 작은 것이 바람직하며, 즉, 연속 펄스 사이에는 상당한 중복이 있다. 마크(114)를 완료하게 되면, 스팟(139)은 대향하는 X 및 Y 방향으로 스윕되어 다음 마크(114)의 시작점으로 이동하며, 이 재투사 간격 동안 신호 Vp에서 수직선 없이 나타낸 것처럼 빔 펄스가 생성되지 않는다. 일례에서, 1.5 Watt 레이저 출력 빔은 기판의 표면에서 대략 1750 배 펄스화되어 약 100배 중복(즉, 중복량은 스팟 높이 PW(Y)의 1/100과 같음)이 있는 1 ㎜ 길이 마크(94)를 완성한다. 따라서 1 ㎜ 길이 스케일 마킹(114)은 175 kHz의 반복과 다음 시작 위치에 대한 재투사에서 1750 펄스인 초당 약 50 내지 80의 속도로 생성될 수 있다.
전술한 방식으로 빔 박스(94)와 같은 빔 박스를 제어할 수 있는 스캔 제어기는 일반적으로 종래 기술에 알려져 있으며, 본 발명의 양수인이 소유하고 있는 많은 특허에 설명될 수 있다. 예를 들어, "사용자 친화적" X-Y 스캐너 제어 시스템은 본 발명, Cambridge Technologies 등의 양수인으로부터 이용가능하며, 상용 q-스위치 레이저 시스템을 이용하는 레이저 처리 장비 및 레이저 기반 마킹과 재료 처리를 위한 기타 레이저에 통합된다. 다수의 시스템이 다양한 변위 메커니즘을 이용하여 레이저 빔에 관하여 제조물 배치한다.
도면에는 하나의 방출된 레이저 펄스에 대응하는 단일 스팟(139)만이 도시되었지만, 본 발명의 다른 구현에서는 다른 조합도 사용할 수 있다. 예를 들어, 빔(132)은 다수의 펄스를 생성하기 위해 테이프(92)의 이동에 따라 조정된 방식으 로 시간적 또는 공간적으로 분할될 수 있다. 이런 조합은 펄스 반복률을 효과적으로 증가시키거나 병렬식 재료 처리를 허용할 수 있어, 필요할 경우(예: 반복률이 낮은 레이저인 경우) 처리율을 개선할 수 있다. 마찬가지로, 다수의 레이저 또는 빔 박스를 이용할 수 있다.
도 24는 단일 마크(114)가 형성될 때 테이프(92)와 스팟(139)의 이동을 도시한다. 시퀀스를 통해 테이프(92)는 양의 X 방향(도 24에서 우측)으로 일정한 속도로 이동하는 것으로 가정한다. 도 24(a)에서 스팟(139)은 초기 마크 부분(114-A)으로서 도시된 새로운 마크(114)의 시작 단에 있다. 레이저 빔(132)은 전술한 바와 같이 펄스화되고 X 및 Y 방향으로 스캔되고 있다. 도 24(b)에서 스팟(139)은 이제 이동의 중간점 정도에 있으며 처음 절반의 마크 부분(114-B)을 형성하고 있다. 도 24(c)에서 스팟(139)은 이동의 끝에 있고 마크(114)는 완전한 마크(114-C)이다. 이 시점에서 빔(132)의 펄스화가 중단되어, 스팟(139)은 다음 재투사를 위해 일시적으로 소거되는데, 그동안 도 22의 스캐너(134,136)가 제어되어 스팟(139)의 방향이 도 24(d)에 도시된 다음 연속 마크(114)의 시작 부분으로 신속하게 바뀐다. 완전히 형성된 마크(114-D)가 만들어졌다. 도 24의 프로세스는 각 연속 마크(114)에 대해 반복된다.
도 24에서 인접 마크(114) 사이의 간격은 명확히 설명하기 위해 과장된 것이다. 도 21의 테이프 스케일(112)과 같이 마크 간격이 작은 테이프 스케일의 경우, 스팟(139)의 Y 방향 이동과 X 방향 이동의 비율이 상당히 높아질 수 있다.
도 25는 도 20의 시스템을 보다 상세히 도시하는데, 특히 피드 스핀들(96), 기록 스핀들(98) 및 테이크업 스핀들(100)로/로부터의 다양한 신호를 도시한다. 재료 처리 제어기(110)는 피드, 기록 및 테이크업 스핀들(96,98,100)에 대한 구동 신호를 생성하고 이들 스핀들로부터 각각의 인코더 신호도 수신한다. 또한 재료 처리 제어기(110)는 기록 스핀들(98)로부터 반경 센서 신호를 수신한다. 추가 "다운스트림" 센서(143)는 후술되는 바와 같이 센서(106) 내에 포함될 수 있으며, 이 경우 재료 처리 제어기(110)도 이 다운스트림 센서(143)로부터 센서 신호를 수신한다.
도 26은 기록 스핀들 드럼(116)을 가까이에서 본 모습을 도시한다. 한 쌍의 반경 센서(128-A,128-B)는 단단한 지지 요소(144)에 고정되어 있고, 제 1 반경 센서(128-A)는 드럼(116) 표면 위에 놓여 있는 테이프(92)의 정반대 쪽에 배치되었고, 제 2 반경 센서(128-B)는 드럼(116)의 축(146)에 배치되어 있다. 반경 센서(128)는 테이프(92)의 두께와 조합된 기록 스핀들(98)의 반경을 포함하는 반경을 측정할 수 있는데, 둘 다 작업하는 동안 변할 수 있다. 회전의 중심은 비교적 안정적인 공기 베어링(120)(도 22)의 중심이다.
개시된 테이프 전송 서브시스템의 유용한 특징은 3 개의 스핀들(96,98,100)과의 접촉 외에는 테이프(92)와 기계적 접촉이 없다는 것이다. 기계적인 접촉은 마찰의 변화를 가져와 제어하기 어려울 수 있다. 기계적 접촉으로 인한 마찰은 스틱 슬립(stick-slip) 이동과 높은 시간 주파수 오류 기간을 나타낸는 경향으로 인해 특히 문제가 발생하기 쉽다. 최적의 성능을 위해서는, 고주파수 공간 또는 시간 오류 원인을 제거하고 나머지 저주파 소스에서 폐쇄 루프 제어를 수행하는 것이 바람직하다.
기록 스핀들(98)의 일 목적은 시상수가 매우 긴 환경으로 기록 프로세스의 열 에너지 전송을 위해 많은 열량과 대응하는 많은 열 방사 영역을 제공하는 것이다. 레이저 기록 프로세스는 열을 테이프(92)에 나누어 주기 때문에, 최소한의 온도 변화에서 열 흡수를 최대화하기 위해 테이프(92)(스테인레스 스틸, 니켈 합금 또는 기타 유사 재료가 될 수 있음)와 기록 스핀들(98)(적절한 강도와 열 특성을 갖고 있는 스테인레스 스틸 또는 다른 재료가 될 수 있음) 사이의 접촉이 필요하다. 테이프(92) 자체의 열 용량은 기록 스핀들(98)의 열 용량에 비해 중요하지 않을 수 있다. 또한, 기록 스핀들(98)의 원주면은 온도 변화가 최소인 환경에서도 열이 방출될 수 있는 테이프(92)에 비해 훨씬 큰 표면을 제공한다.
기록 정확도와 스케일 피치의 제한은 특히 아크초 장기 안정성/정확도를 필요로 하는 시스템에서 일반적으로 정적 및 동적 오류 제거의 감소에 달려 있다. 반경 오류의 중요한 원인에는 열 팽창, 중심을 벗어난 마운팅 및 스핀들 인코더 오류 등 적어도 3 가지가 있다. 첫 번째 원인인 열 팽창은 스핀들의 대량의 열로 제한된다. 따라서 스핀들은 느리게만 변할 수 있다. 아래에 도시되는 바와 같이, 추가 오류 감소는 하나 이상의 반경 센서, 기타 적절한 측정 방법으로 개선된 반경 센서, 폐쇄 루프 피치 제어를 갖춘 스핀들 반경의 차동 측정으로 달성할 수 있다.
두 번째 오류 원인인 회전축에 대한 기록 스핀들(98)의 중심을 벗어난 마운팅은 회전당 한 번(첫 번째 고조파) 오류를 초래할 것이다. 이 오류는 폐쇄 루프 피치 센서, 스핀들 반경의 차동 측정, 폐쇄 루프 피치 제어 또는 기타 적절한 측정 방법을 사용하여 처리하면 줄일 수 있다. 예를 들어, 테이프 오프라인의 몇 가지 샘플을 측정하고 첫 번째 고조파 보정 계수를 스핀들 제어기에 입력해도 이를 제거할 수 있다.
세 번째 오류 원인인 인코더(126)를 고려한다. 기록 스핀들(98)의 각도 오류(기록 스핀들 반경을 곱했을 때)는 테이프(92)에서 선형 오류가 된다. 예를 들어, 공칭 스핀들 반경 0.1 m에서, 각도 오류 1 아크초는 테이프에서 선형 오류 0.48 μM가 된다. 최신 정밀 인코더는 허용 가능한 레벨로 오류를 줄일 수 있다. 그러나 일반적으로 모든 환경에서 서브 마이크로 라디안 정밀도를 제공하는 각도 인코더를 제조하기 어렵고 비용이 많이 들기 때문에, 기록 스핀들(98)은 다수의 판독 헤드(126,127)를 사용하여 스핀들 인코더의 자체 보정을 통합할 수 있다. 한 신호 처리 알고리즘은 판독 헤드로부터 측정을 간단히 평균화할 수 있다. 이와 달리, 두 판독 헤드로부터의 신호는 연속적으로 비교될 수 있으며 오류 함수는 차이의 푸리에 분석에서 유도되었다. 푸리에 데이터는 예상되고 보정될 수 있도록 반복 오류의 진폭과 주파수를 설명한다. 이 프로세스는 "온라인", 연속 작동에도 구현할 수 있다.
인코더(126)는 실시간 제어기(102)가 기록 스핀들(98)에 대한 보정 함수를 순응적으로 학습하는 데이터를 제공하지만 테이프(92)를 처리하기 전에 많은 회전을 통해 스핀들(98)을 회전하는 것이 바람직할 수 있다. 제어기(102)는 내장된 프로세서를 사용하거나 호스트 컴퓨터(104)와 연동하여 이 작업을 수행할 수 있다. 오류는 인코더 디스크(124)의 함수이며 공기 베어링 스핀들(120)에 장착되는데, 양 자 모두 거의 일정하게 유지된다. 이와 같이, 몇 번의 회전 후에, 기록 스핀들 인코더 오류를 제거할 수 있다.
기록 스핀들(98)은 우선 몇 개의 테이프 샘플을 기록함으로써 보정될 수도 있다. 피치 오류 결과가 측정되고, 샘플 세트 전체가 평균화되거나 처리되어 높은 추정 신뢰도가 획득된다. 스케일 요소와 오프셋을 포함할 수 있는 결과적인 보정 함수는 제어기(102)에 저장되며 기록 스핀들(98) 및/또는 기타 기능적 부품에 제공되는 제어 신호를 조정하는 데 사용된다. 어떤 경우에, 자체 교정은 오류를 지속적으로 보정하는 이점을 이용하여 교정하는 편리한 방법이다.
한편으로는 테이프(92)와 기록 스핀들 드럼(116)의 반경 간의 관계가 있으며, 다른 한편으로는 도량형 스케일(112)의 피치에 편차가 있다는 것을 알아야 할 것이다. 예를 들어, 1 ㎛의 두께 오류는 스핀들 회전당 2π ㎛ 오류를 생성한다. 스핀들의 반경이 미터당 2 회의 회전에 해당하면, 결과적인 오류는 미터당 약 12 ㎛(12 ㎛/m)이며, 이는 원하는 목표 10 ㎛/m 이하보다 다소 크다. 또한 반경 센서(128)의 불안정성은 테이프에 있는 레이저 위치의 선형 오류로 변환될 수도 있다.
일 실시예에서 높은 안정성 반경 센서는 도 26에 도시된 대로 구성될 수 있다. 작은 직경 핀(146)(예: 3 ㎜ 직경)은 기록 스핀들 드럼(116)의 중앙에 설정된다. 두 용량성 센서(128-A,128-B)는 기록 드럼(116) 상의 테이프(92)의 반경과 핀(146)의 반경 양자 모두를 판독하도록 열적으로 안정적인 막대(104)(예: Invar)에 장착된다. 교정 모드에서 드럼(116)이 몇 회 회전한 후에, 반복 가능한 런아웃 오류기 식별되고 기록 스핀들 회전 인코더와 관련하여 센서 신호를 벗어나 교정된다. 이러한 센서에는 2 ㎚ RMS 이상의 선형 회전이 있으므로 4㎚/100㎜ 또는 0.04 PPM 반경 오류 회전력을 제공할 수 있다. 따라서 이러한 센서는 미터당 몇 마이크론 정도로 반경 오류를 정확하게 보상할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 25의 센서(106)가 기록 전에 교정을 위해서만 작동할 수 있다. 이와 달리, 기록 동안 또는 기록 속도에 해당하는 속도로 드물게 출력을 샘플링할 수 있다. 마찬가지로, 다른 프로브(예컨대, 스핀들에 부착된 즉석 온도 센서)를 정기적으로 샘플링할 수 있다. 그러나 스핀들의 열 팽창이나 다른 두께 변화를 모니터링하기 위해 기록하는 동안 최소 반경 센서(128)의 데이터를 이용하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 반경 센서(128)는 테이프 스케일이 조립되는 시간 프레임 동안 순간(상대적으로 높은 주파수) 변화와 느린(예: DC 또는 저주파) 변화의 보정을 제공한다.
높은 안정성 반경 센서(128)는 저주파와 고주파 피치 변화를 추적하고 보정하지만, 추가 오류 감소 또는 하나 이상의 다운스트림 센서(143)의 사용으로 달성할 수 있다. 예를 들어, 이러한 센서는 광학 인코더가 될 수 있으며, 데이터 “오프라인”을 구하고 다양한 시스템 오류 원인과의 상관 관계를 식별하고 설정하는 데 사용된다. 일 실시예에서 두 프로브가 레이저 기록 위치로부터 각각 15도와 30도 위치에 있을 수 있다. 한 신호 처리 알고리즘은 두 프로브의 측정을 간단히 평균화할 수 있다. 이와 달리, 두 프로브의 신호는 연속적으로 비교할 수 있으며 오류 함수는 차이의 푸리에 분석에서 유도되었다. 푸리에 데이터는 예측되고 보정될 수 있도록 반복 오류의 진폭과 주파수를 설명할 것이다. 이 프로세스는 “온라인”으로 구현하여 연속적으로 실행하거나 간격을 두고 샘플링할 수 있다.
선택적 프로브는 기록 스핀들(98)의 주변에 있는 기록 필드 후에 피치 센서를 원주 내에 배치할 수 있다. 두 센서 사이의 상대적 위상의 변화는 스케일 피치를 측정하는 데 사용할 수 있다. 기록 프로세스의 스케일은 피치 센서 사이의 위상 관계의 변화에 따라 스핀들의 효과적인 반경을 변경하여 제어된다. 피치 센서는 낮은 공간 및 시간 주파수에서 발생하는 오류를 보정하는 데 사용될 수 있다. 스핀들의 열 증가(처음 턴온하였을 때 스핀들이 작동 온도에 도달할 때의 일시적인 시작 지연으로 인해 발생)는 피치 센서로 보정될 것이다. 기록 스핀들(98)의 큰 열량은 스핀들 반경의 변화율이 느리므로 피치 제어 알고리즘의 적응성 대역폭 내에 있음을 보장한다. 스핀들 인코더(회전축에 해당하는 자체 장착 오류를 갖고 있음)에 관찰할 수 없는 스핀들 마운팅의 이상은 테이프에서 첫 번째 고조파 오류를 초래한다. 피치 센서는 첫 번째와 두 번째 고조파에서 공간 주파수를 보정할 수 있다.
도 27 내지 도 31은 본 발명의 실시예에 대응하는 제어 시스템을 자세히 도시한다.
도 27은 도 25의 빔 박스 제어기(108)와 재료 처리 제어기(102) 내에 속하는 부품을 도시하는 개략도이다. 기록 스핀들 속도 제어기(148), 피드 스핀들 속도 제어기(150) 및 테이크업 스핀들 속도 제어기(152)는 각각 기록, 피드 및 테이크업 스핀들(98,96,100)의 작동을 제어한다. 또한 반경 추정기(154), 장력 제어기(156) 및 스캔 제어기(160)도 도시되어 있다. 이러한 부품의 기능은 후술된다. 다수의 기능은 병렬로 수행된다. 아키텍처는 도 27에 해당하는 외부 레벨이 있고 각각의 내부 레벨(후술됨)이 각 제어기(148,150,152)를 포함하고 있을 때 일반적으로 다중 루프 제어 시스템으로 간주할 수 있다. 도 27에 도시된 가장 외부의 제어 루프는 원하는 위치에서 테이프(92)에 마크(114)를 배치하기 위해 레이저 빔의 스캐닝과 펄스가 있는 3 개의 스핀들(96,98,100)에 의해 테이프의 이동을 동기화하는 일을 담당한다. 가장 외부에 있는 제어 루프의 기능을 먼저 설명하고, 이어서 내부 제어 루프를 설명한다. 다음 표는 아래 설명에서 사용되는 용어집을 나타낸다.
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추가로 설명하면, 기호 표기법은 스핀들(96,98,100)의 회전 방향을 나타내도록 설정된다. 도 19에 도시된 관점에서, 시계 방향 회전은 양(positive)으로 취급된다. 따라서 정상(전방) 작동 동안, 기록 스핀들(98)은 양의 각 속도를 가지는 반면, 피드 스핀들(96)과 테이크업 스핀들(100)에는 음의 각 속도를 갖는다.
시스템에서 테이프의 전체 진행은 바람직한 공칭 테이프 속도를 기준으로 한다. 명령된 선형 속도 c_V_Tape는 마크(114)를 형성하는 데 필요한 시간과 함께 마크(114)의 간격(예: 20 ㎛)에 의해 결정되며, 레이저 스팟을 다음 마크(114)의 시작 부분으로 전진시킨다. 실제 테이프 속도 a_V_Tape는 다양한 원인(마찰, 모터의 토크 리플 등)으로 인해 바람직한 공칭 속도와 약간 다를 수 있다. 실제 테이프 속도는 제품(158)에서 기록 스핀들 의 실제 각 속도 a_W_WR 및 기록 스핀들의 반경 a_R_WR으로부터 결정된다.
스캔 제어기(160)는 실제 테이프 속도의 변화에도 불구하고 테이프 상의 원하는 위치에 마크를 배치하는 일을 담당한다. 또한 스캔 제어기(160)는 보정 신호 d_W_WR을 기록 스핀들(98)의 각 속도 명령에 제공한다. 속도 보정은 스캔 시스템의 기록 필드에 중심을 가진 스팟의 평균 X 위치를 유지한다. 공칭 테이프 속도 c_V_Tape는 곱셈기(162)에서 기록 스핀들(98)의 반경으로 나누어 기록 스핀들 n_W_WR에 대한 공칭 각 속도 명령으로 변환된다. 기록 스핀들 c_W_WR에 대한 각 속도 명령은 스캔 제어기(160)에서 곱셈기(162)로 계산된 공칭 각 속도n_W_WR에 속도 보정 d_W_WR을 더함으로써 덧셈기(164)로 계산된다.
기록 스핀들 속도 제어기(148)는 기록 스핀들 c_W_WR에 대한 각 속도 명령을 기반으로 바람직한 기록 스핀들 속도를 유지하는 일을 담당한다. 기록 속도 제어기(148)는 기록 스핀들 서보(servo) 모터에 대한 토크 명령인 신호 c_MT_WR을 생성한다. 또한, 기록 스핀들 속도 제어기(148)는 기록 스핀들 인코더에서 유도된 측정치를 기반으로 두 가지 신호를 생성한다. 신호 a_W_WR은 기록 스핀들의 실제 각 속도이며, 신호 a_xT_WR은 (피드 스핀들(96)과 기록 스핀들(98) 사이에 하나, 기록 스핀들(98)과 테이크업 스핀들(100) 사이에 하나씩 두 개의 테이프 세그먼트에서의 장력의 불균형으로 인해) 기록 스핀들에 적용되는 실제 외부 토크이다.
피드 스핀들(96)과 테이크업 스핀들(100)의 전체 제어가 후술되는 전체 제어 루프의 차이로 인해 기록 스핀들(98)과 다르지만, 피드 스핀들 속도 제어기(150)와 테이크업 스핀들 속도 제어기(152) 양자 모두 기록 스핀들 속도 제어기(148)와 동일히다. 기록 스핀들(98)의 속도가 바람직한 테이프 속도를 얻기 위해 제어되는 경우, 피드 스핀들(96)과 테이크업 스핀들(100)의 각각의 속도가 바람직한 테이프 장력을 얻기 위해 제어되며, 이는 보다 상세히 후술된다.
피드 스핀들 속도 제어기(150)에 입력되는 각 속도 명령은 덧셈기 블록(242)에서 공칭 각 속도 n_W_FD와 보정 각 속도 d_W_FD의 합으로 형성된다. 곱셈기(240)는 기록 스핀들의 명령 각 속도 c_W_WR와 기록 스핀들의 반경 a_R_WR을 곱하고 피드 스핀들의 반경 e_R_FD로 나눈 값을 기준으로 하여 피드 스핀들의 공칭 각 속도 n_W_FD를 형성한다. 피드 스핀들 제어기(150)의 보정 항 d_W_FD는 (후술되는) 장력 제어기(156)에서 계산된다. 피드 및 테이크업 스핀들(96,20)의 공칭 각 속도는 테이프 속도가 양수일 때 모두 음수임을 상기한다. 덧셈기 블록(242)의 음수 기호(및 테이크업 스핀들(20)에 대한 덧셈기 블록(246))는 공칭 각 속도 명령의 역을 나타낸다. 같은 형식의 계산이 블록(246)에서 곱셈기(244)에서 계산된 공칭 각 속도 n_W_TK와 장력 제어기(156)에서 계산된 보정 항 d_W_TK를 합하여 테이크업 스핀들 명령 신호 c_W_TK에 대해 수행된다.
도 28은 기록, 피드 및 테이크업 스핀들 속도 제어기(148,150,152)의 구성을 도시한다. 덧셈기(166)로 각 속도 명령 신호 W_cmd와 상태 추정기(170)에 의해 생 성되는 실제 각 속도 a_W를 합한다. 덧셈기(166)의 속도 오류와 이득 블록(168)의 이득 Kp를 곱하여 각각의 모터의 명령 신호를 형성한다. 상태 추정기(170)는 알려진 모터 명령 신호(모터 Kt의 알려진 토크 상수를 사용하여 이득 블록(172)에 의한 토크 단위로 변환)와 스핀들 인코더로부터의 위치 신호 인코더를 수신한다. 일반적으로 상태 추정기를 사용하여 시스템의 물리적 모델은 물론 알려졌거나 알려지지 않은 입력과 이용가능한 측정을 기반으로 물리적 시스템의 기본 상태를 추정하는 것아 알려져 있다. 스핀들 제어기(148,150,152)에서 상태 추정기(170)는 스핀들 각 속도 a_W와 각각의 스핀들에 적용된 외부 토크 a_xT의 추정치를 계산한다. (테이크업 스핀들 제어기 152에 의해 생성된) 테이크업 스핀들(100)의 외부 토크 신호는 도 27에 도시된 전체 제어 시스템에 사용되지 않으므로, 도 27에는 도시되지 않았다.
상태 추정기(170)는 이산 시간 방식으로 종래의 3 가지 상태 추정기로 구현될 수 있다. 잘 알려진 예를 미국 특허 5,469,414의 열 14, 줄 56에서도 참조되는 Franklin, Powell 및 Workman의 "Digital Control of Dynamic Systems"에서 발견할 수 있다. 추정기에 의해 추정된 3 가지 상태는 위치, 속도 및 외부(방해) 토크이다. 플랜트(스핀들 모터)로의 알려진 입력은 c_MT이며, "측정치"는 인코더에 의해 측정된 스핀들의 실제 위치이다. 제어기의 형태는 8장에서 설명한 것과 실질적으로 같으며, Franklin, Powell 및 Workman의 도 8.6에 명백하게 도시되어 있다. Franklin과 Powell은 디지털(이산 시간) 제어 텍스트북이며, 실시간 제어기(102)는 이산 시간 방식으로 구현될 수 있음을 알아야 한다. 그러나 설명을 용이하게 하기 위해, 본 설명은 실시간 제어기(102)의 연속 시간 모델을 제공한다(예: 디지털이나 이산 시간 균등물 대신 연속 시간 적분기를 사용). 연속 시간 표현에서 이산 시간 표현으로 변환하는 것은 당업자에게 잘 알려져 있다.
도 29는 반경 추정기(154)를 도시한다. 기록 스핀들(98)의 반경은 반경 센서(128)의 사용으로 인해 정밀도가 높은 것으로 알려져 있다. 피드 및 테이크업 스핀들(96,100)의 각각의 반경은 일반적으로 고 정밀도로 알려져 있지 않으며, 피드 스핀들(96)로부터 테이크업 스핀들(100)로 테이프가 풀림에 따라 연속적으로 변한다. 피드 및 테이크업 스핀들(96,100)의 반경은 실제 테이프 속도가 테이프와 스핀들 사이에 슬립이 없고 테이프(92)에 이완이 없다는 가정 하에 3 개의 모든 스핀들에서 동일해야 한다는 전제에 따라 추정된다.
추정된 피드 스핀들 반경 e_R_FD는 적분기(174)에 의해 계산된다. 적분기(174)로의 입력은 두 소스의 합(178)이다. (우선) 피드 스핀들 반경이 테이프 이동이 시작으로 알려져 있다고 가정하면, 반경은 알려진 테이프 두께를 기준으로 반경 속도(반경의 변화 속도)를 적분하여 향후 언제든지 보정될 수 있다. 이 알려진 스핀들 반경 보정은 FD 스핀들의 실제 각 속도 a_W_FD에 이득 블록(180)의 (테이프 두께/2π)를 곱하여 수행된다. 결과는 반경의 변화 속도이다. 적분기(174)로 이 속도를 적분하면 추정된 피드 스핀들 반경이 스핀들로부터 테이프가 풀어짐에도 불구하고 보정 상태를 유지한다는 것이 보장된다. 도 19에 피드 스핀들(96)에 있는 테이프를 감는 방향에 유의한다. 피드 스핀들의 시계 방향(양수) 회전은 테이프가 스핀들에서 감기도록 하여 스핀들 반경을 증가시킨다. 이는 피드 스핀들 에 대해 덧셈기(178)에서 "known_Radius_velocity" 신호에 양의 부호가 적용되게 한다. 또한 정상 작동 동안, 피드 스핀들은 시계 반대 방향(a_W_FD는 음수)으로 회전하므로 known_Radius_velocity는 피드 스핀들의 음수여서 추정된 피드 반경이 시간에 따라 감소하게 한다.
처리하기 전에 높은 정밀도를 가진 피드 스핀들 반경을 알 수 있었다면, 전술한 계산은 피드 스핀들 반경의 정확한 추정을 유지하기에 충분할 것이다. 도시된 실시예에서, 이런 추정을 획득할 필요는 없다. 반경 추정기(154)는 기록 스핀들(98)의 알려진 테이프 속도와 피드 스핀들(96)의 테이프 속도 사이의 명확한 오류를 토대로 추정된 반경을 보정하는데, 이는 피드 스핀들(96)의 추정 반경과 알려진 각 속도에서 유도된다. 이득 블록(186)은 실제 기록 스핀들 각 속도 a_W_WR을 기록 스핀들의 알려진 반경에 곱하여 실제 테이프 속도를 구한다. 곱셈기(184)는 피드 스핀들의 각 속도 a_W_FD에서 유도된 추정된 테이프 속도와 피드 스핀들의 추정된 반경 e_R_FD을 산출한다. 덧셈기(188)는 알려진 테이프 속도(190)와 추정된 테이프 속도(192)의 절대값에 기초하여 속도의 오류를 형성한다. 레이트 블록(182)은 속도 차이의 수렴 속도를 설정한다. 덧셈기(188)의 출력이 양수(실제 테이프 속도가 추정된 테이프 속도보다 큼을 의미함)이면, 추정된 피드 반경은 덧셈기(188)의 출력이 0이 될 때까지(추정된 속도와 실제 속도는 동일) 증가할 것이다. 실제로 추정된 반경은 테이프 이동의 몇 밀리미터 내에서 정확한 반경으로 수렴한다.
피드 스핀들(96)에 대해 전술한 반경 추정은 테이크업 스핀들(100)에 중복된 다. 적분기(176)는 테이프 두께를 기초로 한 알려진 반경 속도와 명확한 테이프 속도 오류를 기초로 한 반경 보정을 적분하는 일을 담당한다. 덧셈기(194)에서 알려진 반경 속도 항의 음수 기호에 유의한다. 테이크업 스핀들(100)이 시계(양) 방향으로 회전하면, 스핀들로부터 테이프가 풀린다. 정상적인 작동 시 테이크업 스핀들의 각 속도 a_W_TK는 음수이므로 추정된 테이크업 반경 e_R_TK는 시간에 따라 증가한다. 곱셈기(198)는 추정된 테이크업 스핀들 반경을 기초로 추정된 테이프 속도를 형성한다. 절대값 블록(202,204), 덧셈기(200) 및 이득 블록(206)은 전술한 대응하는 피드 스핀들(96)의 구성요소와 유사하다.
도 30은 피드 스핀들 속도 제어기(150)와 테이크업 스핀들 속도 제어기(152)에 대한 공칭 각 속도 명령을 보정하는 보정 신호 d_W_FD 및 d_W_TK를 생성하는 일을 담당하는 장력 제어기(156)를 도시한다. 피드 보정 신호 d_W_FD는 피드 및 기록 스핀들(96,98) 사이의 테이프 세그먼트에서 일정한 장력을 유지하는 일을 담당한다. 테이크업 스핀들(100)의 보정 d_W_TK는 기록 및 테이크업 스핀들(98,100) 사이의 테이프 세그먼트에서 동일한 장력을 달성하는 작업을 간접적으로 수행한다. 재료 처리 제어기(102)의 장력 부분에서 가장 중요한 두 가지 목적은 (1) 영역에 기록하기 전에 테이프(92)의 일정한 장력을 유지하고, (2) 테이프(92)와 기록 스핀들(98) 사이에 슬립이 없도록 하는 것이다. "슬립 없음" 기준은 테이프 위치가 기록 스핀들(98)의 각 움직임으로부터 추론하여 궁극적으로 기록 스핀들 인코더에서 유도되는 요구 사항으로 인한 것이다. 테이프가 기록 스핀들(98)에 대해 슬립되면, 스핀들 위치 정보는 테이프 위치를 결정하기에 충분하지 않을 것이다. 테이프 슬립은 테이프 이동 동안 기록 스핀들(98)에 결코 외부 토크가 없게 함으로써 방지된다. 피드 스핀들(96)로부터 기록 스핀들(98)로 이동하는 테이프의 세그먼트와 기록 스핀들(98)로부터 테이크업 스핀들(100)까지의 세그먼트가 기록 스핀들(98)에 대해 동일한 반경에서 작동하므로, "외부 토크 없음" 조건은 두 테이프 세그먼트의 장력이 동일할 때 만족된다.
피드 세그먼트(피드 및 기록 스핀들(96,98) 사이에 있는 테이프(92)의 세그먼트)의 장력은 피드 스핀들 속도 제어기(150)에 대한 속도 명령을 수정함으로써 제어된다. 도 30을 참조하면, 수정된 피드 각 속도 명령은 두 신호의 합(210)이다. 속도 제어기가 비례 제어기이므로, 실제 각 속도와 공칭 각 속도가 동일하면, 모터 토크가 생성되지 않는다. 모터 토크를 생성하기 위해 속도 제어기에 속도 차이가 존재해야 한다. 생성된 토크의 양은 속도 오류에 서보 이득 Kp와 모터 토크 상수 Kt를 곱한 값에 비례한다. 예를 들어, 1 뉴턴의 테이프 세그먼트에서 장력을 생성하기 위해, 피드 서보 모터는 1N의 노크와 피드 반경 e_R_FD을 곱한 값을 생성해야 할 것이다. 따라서 이 토크를 생성하려면 1N*e_R_FD/(Kt*Kp) radian/sec의 속도 오류가 필요하다.
곱셈기(208)와 연동하여 도 30의 c_Tension 신호는 바람직한 장력을 달성하도록 설계된 공칭 각 속도 명령에 대한 보정을 생성한다. 피드 속도 제어기(152)(도 28)에 있는 상태 추정기(170)의 외부 토크 신호 a_xT_FD를 곱셈기(214)의 추정 피드 반경 e_R_FD로 나눈 값은 바람직한 장력의 크기와 같아야 한다. 정상 테이프 장력은 피드 스핀들(96)에 적용된 외부 토크가 음수(시계 반대 방향이 음 수)가 되게 함을 알아야 한다. 테이프 장력이 적절하면, 곱셈기(214)의 출력은 크기는 같지만 바람직한 테이프 장력과 부호는 반대이다. 실제 테이프 장력이 바람직한 장력보다 크기가 작으면, 덧셈기(216)의 출력은 양수가 될 것이다. 힘의 양수 오류는 적응성 레이트 블록(218)이 곱해지고 장력 적응성 적분기(220)에 의해 적분된다. 적응성 보정(힘의 단위)은 피드 속도 제어기(150)에 대한 각 속도 명령을 추가로 보정하는 덧셈기(210)에 의해 공칭 장력 명령에 추가된다. 덧셈기(216)의 양수 오류는 피드 스핀들(96)에서 양의 모터 토크(시계 방향 토크)를 초래하는 양의 속도 보정을 생성한다. 이는 테이프에 더 많은 장력을 제공함으로써, 외부 토크 a_xT_FD 신호를 증가시킨다. 실제 외부 토크의 크기가 c_Tension과 동일하면(부호는 반대), 덧셈기(216)의 출력은 0이고 장력 적응성 적분기(220)는 적절한 장력을 유지하는 데 필요한 힘 조절을 유지한다.
테이크업 스핀들(100)에서 장력을 유지하기 위해 유사한 제어기를 구현하는 것이 가능하며, 두 테이프 세그먼트에서 동일한 장력을 유지하기 위해 장력 목표를 같은 값으로 설정할 수 있다. 그러나 피드 스핀들(96)에 사용되는 장력 조절은 피드 스핀들의 추정 반경에 따라 다르다. 항상 반경 추정에는 어느 정도 불확실성이 있을 것이다. 따라서 테이크업 테이프 세그먼트에서 장력을 제어하는 유사한 방법은 추정된 테이크업 스핀들 반경에서 발생하는 오류도 수반할 것이다. 따라서 현재 개시된 실시예에서 테이크업 세그먼트의 장력은 기록 스핀들(98)의 외부 토크의 함수로서 직접 제어되어 외부 토크를 거의 0으로 유지하게 된다.
도 30의 덧셈기 블록(226)은 공칭 테이프 장력 c_Tension와 기록 스핀들 a_xT_WR에 적용되는 외부 토크의 적분에 기초한 보정을 더한다. 기록 스핀들(98)의 외부 토크는 적응성 레이트(이득 블록(228))를 곱하고, 블록(230)에서 적분하며, 블록(232)에 의해 힘의 단위(토크/반경 = 힘)로 변환된다. 기록 스핀들(98)에 양의 외부 토크가 있으면(a_xT_WR은 양수) 테이크업 스핀들(100)에 대한 속도 명령이 a_xT_WR이 0이 될 때까지 증가하도록, 덧셈기(226)에 대한 적응성 구성의 부호가 선택된다. 테이크업 스핀들(100)은 정상 테이프 작동 동안 음의 방향으로 회전함을 알아야 한다. 테이프(92)의 공칭 장력은 테이크업 스핀들(100)이 공칭 테이프 속도에 기반하는 데 필요한 것보다 음의 방향(덧셈기(226)에서 공칭 장력에 음의 부호가 적용됨을 알아야 함)으로 약간 빠르게 회전하라고 명령하여 달성된다. 음의 바이어스에 대한 양의 보정은 기록 및 테이크업 스핀들(98,100) 사이의 테이프 세그먼트의 장력을 줄일 것이다. 이렇게 하면 기록 스핀들(98)의 양의 측면 장력이 감소함으로써 바람직한 0 값으로 양의 a_xT_WR 신호가 복원된다. 기록 스핀들(98)의 외부 토크가 0일 때 테이크업 테이프 세그먼트의 실제 장력은 반드시 테이프의 피드 세그먼트의 장력과 동일하다.
도 31은 스캔 제어기(160)를 도시한다. 공칭 테이프 속도와 실제 테이프 속도 사이의 차이는 덧셈기(236)에 의해 형성되고, 적분기(234)에 의해 적분된다. 적분기(234)의 출력은 테이프가 움직이기 시작한 이후로 누적된 테이프 위치의 오류이다. 패턴 생성기(238)는 스캔 신호 c_SCAN_X, c_SCAN_Y 및 적분기(234)로부터의 실제 테이프 위치 오류 err_P_Tape와 공칭 마크 패턴을 기초로 한 레이저 발사 신호를 생성하는 일을 담당한다. 테이프 위치의 오류가 양수이면 패턴 생성 기(238)는 테이프 상의 적절한 위치에 마크를 유지하기 위해 패턴의 평균 c_SCAN_X 값을 점차 증가시킨다. 추가 보정이 없으면, c_SCAN_X 값은 결국 마킹 필드의 물리적 제한에 도달한다. 따라서 신호 d_W_WR로 기록 스핀들의 각 속도를 조정함으로써 공칭 테이프 속도에 대한 보정이 이루어진다. 패턴 생성기(238)는 테이프 위치 오류의 적분에 기초하여 신호 d_W_WR을 생성한다. 적분 동작은 마킹이 마킹 필드 중앙으로 복원됨을 보장한다. 기록 스핀들의 보정 신호 d_W_WR는 합산 블록(164)(도 27)으로 공칭 각 속도와 합산된다.
본 발명의 시스템은 약 10 ㎛/meter 이상의 피치 정확도, 10 ㎛ 내지 50 ㎛의 공칭 피치를 갖고 광학 인코더에 사용하기에 충분한 광학적 대비를 갖고 있는 도량형 스케일을 생산하는 데 이용될 수 있다.
위의 설명에서, 특히 반사 광학적 스케일 10/112를 설명했지만, 개시된 기법은 당업자에게는 바이너리 패턴의 형태의 다른 종류의 광학적 요소 또는 바람직한 패턴으로 반사된 광에 초점을 맞추는 "디지털" 렌즈를 제조하는 데 사용될 수 있음이 명백할 것이다. 이런 광학적 요소는 예를 들어, 미국 공개 특허 출원 20030047674에 도시된 것 같은 인덱스 패턴을 포함할 수 있다. 또한 여기에 개시된 프로세스는 열 특성이 있으므로, 적절한 에너지와 빔 형상을 가진 모든 파장의 레이저가 Inconel 및 다른 니켈 기반 합금과 같은 금속에서 작용할 것이다. 현재 IR 레이저가 가장 실용적인 것으로 보인다. 그러나 녹색 및 자외선(UV) 레이저와 같은 다른 레이저를 사용할 수 있다. 세라믹과 같은 다른 재료 유형의 경우, 기판으로의 더 나은 에너지 커플링을 가지므로 IR 레이저보다 UV 레이저가 더 적합할 수 있다.
나타낸 바와 같이, 제조된 스케일은 광학 인코더의 한 부분으로 선형 및 회전 액츄에이터, 로봇 조인트 제어 등과 같은 다양한 이동 제어 응용에 이용될 수 있다. 이런 인코더의 예는 MicroE Systems Inc.에서 제조한 Mercury™ II 인코더 제품군이며, "Reference Point Talbot Encoder"라는 명칭의 미국 공개 특허 출원 2003/0047674에 설명되어 있다. 광학 인코더와 같은 도량형 시스템은 (1) 다수의 병렬식 마크를 방사하는 방사 에너지원, (2) 판독기의 판독 필드 내에서 마크로부터 반사된 방사 에너지를 수신하도록 작동하는 광학적 스케일 판독기(광학 검출기) -반사된 방사 에너지의 적어도 일부는 회절된 부분들 사이의 간섭의 결과로서 프린지 패턴을 생성하는 다수의 회절된 에너지 부분을 포함하고, 패턴의 프린지 대비는 주변 기판에 관련된 마크의 광학적 대비에 의존하며, 대비는 판독기의 판독 필드 내에서 측정할 수 있음- , (3) 판독기에 대하여 스케일을 이동하도록 작동하는 변위 메커니즘, (4) 프린지의 시프트에 기초하여 변위를 나타내는 출력 신호를 생성하도록 작동하는 신호 프로세서 및 (5) 출력 신호를 받아들이고 이 출력 신호에 응답하여 변위 메커니즘의 작동을 제어하는 시스템 제어기를 포함한다.
머큐리(Mercury) 인코더와 같은 인코더에서는, 비교적 노이즈가 없는 광학 신호를 생성하여 인코더가 고해상도를 달성하게 할 수 있도록 스케일이 매우 균일하고 선명한 마크를 갖는 것이 중요하다. 현재 개시된 스케일과 제조 기법은 이런 장점을 제공한다. 또한 인코더의 광학적 이미터는 일반적으로 다수의 스케일 마크를 방사함으로써, 반사율, 에지 변화 등의 집중된 변화에 대한 인코더 데이터의 민 감도를 감소시킨다. 이와 같이 대비가 충분하다면, 본 발명의 실시예에 대응하는 스케일의 정밀한 광학 특성은 엄격한 요구 사항이 필요하지 않으므로 스케일을 저가로 제조할 수 있다. 또한 어떤 경우에는, 머큐리 인코더는 기준 마크 및/또는 제한 마크의 존재에 의존하며, 본 기법을 이용하여 이러한 마크는 물론 어두운 영역을 만들어 주요 트랙이 있는 광학적 누화를 줄일 수 있다.
현재 개시된 스케일은 간섭 패턴보다는 광 음영 패턴을 이용하는 종래의 "기하학적" 광학 인코더에서도 사용될 수 있음을 알아야 하며, 이러한 기하학적 인코더가 머큐리 유형의 인코더보다 일반적으로 저해상도이다.

Claims (46)

  1. 광학적 도량형 스케일(optical metrological scale)을 제조하는 방법에 있어서,
    레이저로부터의 일련의 공간적으로 중첩된 펄스로 사전 결정된 마크 위치에서 반사형 금속 기판의 표면을 조사(irradiating)함으로써 상기 스케일의 마크를 생성하는 단계 -상기 각 펄스는 2 차원 스팟 강도 분포를 가지며, 상기 펄스의 강도 분포의 1/e2(e는 자연 로그 밑수임) 직경 내에서 1 J/㎠ 미만의 에너지 밀도를 가짐- 와,
    상기 스케일의 다음 마크가 생성될 상기 기판 상에 다음 마크 위치를 정의하는 변위(displacement)에 의해 상기 레이저와 상기 기판의 상대적 위치를 변경하는 단계와,
    상기 스케일의 다수의 마크 중 연속적인 마크에 대해 상기 마크 생성 및 위치 변경 단계를 반복하는 단계를 포함하는
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 펄스는 최대 절반 값에서 10 ns 내지 40 ns 범위의 시간 펄스 폭을 갖는
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 펄스는 타원형 형상인
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 각 펄스는 2:1 내지 14:1 범위의 공간적 종횡비를 갖는
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 각 펄스는 최대 절반 값에서 각각 20 ㎛ 및 60 ㎛의 X 및 Y 공간 펄스 폭을 갖는
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간적 중첩량은 10 배 내지 50 배 중첩의 범위 내에 있는
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공간적 중첩량은 50 배 내지 100 배 중첩의 범위 내에 있는
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 펄스의 조사 범위는 10 MW/㎠ 내지 40 MW/㎠인
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 펄스의 에너지 밀도의 범위는 0.5 J/㎠ 내지 1.0 J/㎠인
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저는 적외선 레이저인
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스는 상기 펄스의 중첩의 방향에 대해 0도와 90도 중 하나로 지향된 비원형 편향을 갖는
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사형 금속 기판은 유연성 테이프 기판을 포함하는
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 광학적 도량형 스케일을 제조하는 방법에 있어서,
    레이저 펄스로 기판을 조사하는 단계를 포함하되,
    상기 각 펄스의 펄스 폭의 범위는 10 ns 내지 40 ns이고, 에너지 밀도의 범위는 스팟 강도 분포의 1/e2(e는 자연 로그 밑수임) 직경 상에서 0.1 J/㎠ 내지 1 J/㎠이며, 상기 펼스 중 적어도 일부는 공간적으로 10 배 내지 50 배 중첩하고, 상기 펄스는 100 kHz 이상의 속도로 생성되는
    광학적 도량형 스케일 제조 방법.
  15. 광학 인코더의 반사형 스케일에 있어서,
    반사 표면 상에 스케일 패턴이 형성된 금속 기판을 포함하되,
    상기 스케일 패턴은 상기 기판의 반사 표면 영역으로 둘러싸인 다수의 확장된 병렬식(side by side) 마크를 포함하고, 상기 각 마크는 일반적으로 상기 기판의 표면의 평균 높이보다 낮은 중앙 영역 및 상기 기판의 표면의 평균 높이보다 높은 두 개의 외부 융기 영역(outer ridge region)이 있는 고랑형 단면(furrowed cross section)을 갖는
    광학 인코더의 반사형 스케일.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 중앙 및 외부 융기 영역은 0.5 미크론 내지 2 미크론 범위의 마크 깊이를 정의하는
    광학 인코더의 반사형 스케일.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 중앙 영역의 각 마크는 리플(ripple) 높이가 상기 마크의 깊이의 20 % 미만인 리플 텍스처(rippled texture)를 갖는
    광학 인코더의 반사형 스케일.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 각 마크는 세로 방향으로 리플이 발생하는
    광학 인코더의 반사형 스케일.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 각 마크의 상기 중앙 영역은 어두워져서 상기 기판의 상기 반사 표면 영역에 대해 1:4 이하의 광학적 반사율을 제공하는
    광학 인코더의 반사형 스케일.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 금속 기판은 본질적으로 단일 금속 합금으로 구성되는
    광학 인코더의 반사형 스케일.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 금속 합금은 니켈 합금인
    광학 인코더의 반사형 스케일.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 니켈 합금은 60 %의 니켈, 20 %의 크롬, 5 %의 철 및 10 % 몰리브덴을 포함하는
    광학 인코더의 반사형 스케일.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 마크는 상기 마크의 폭의 10 % 내에서 직선이 되는 확장된 측면 에지를 갖는
    광학 인코더의 반사형 스케일.
  24. 광학 인코더의 반사형 스케일에 있어서,
    반사 표면에 스케일 패턴이 형성된 금속 기판을 포함하되,
    상기 스케일 패턴은 상기 기판의 반사 표면 영역으로 둘러싸인 다수의 확장된 병렬식 마크를 포함하고, 상기 각 마크는 일반적으로 상기 기판의 표면의 평균 높이보다 낮은 중앙 영역 및 상기 기판의 표면의 평균 높이보다 높은 두 개의 외부 융기 영역이 있는 고랑형 단면을 가지며, 상기 중앙 및 외부 융기 영역은 범위가 0.5 미크론 내지 2 미크론인 마크 깊이를 정의하며, 상기 각 마크의 상기 중앙 영역은 리플 높이가 상기 마크 깊이의 20 % 미만인 리플이 세로 방향으로 발생하며, 상기 각 마크의 상기 중앙 영역은 어두워져서 상기 기판의 상기 반사 표면 영역에 대해 1:4 이하의 광학적 반사율을 제공하는
    광학 인코더의 반사형 스케일.
  25. 도량형 시스템에 있어서,
    제 15 항의 반사형 스케일과,
    상기 반사형 스케일의 다수의 병렬식 마크를 조사하는 방사 에너지원과,
    판독기 시야 내에서, 상기 마크로부터 반사된 방사 에너지를 수신하도록 작동하는 광학 스케일 판독기 -상기 반사된 방사 에너지의 적어도 일부는 회절된 부분들 사이의 간섭의 결과로서 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 다수의 회절된 에너지 부분을 포함하고, 상기 패턴의 상기 프린지의 대비는 상기 기판에 대한 상기 마크의 광학적 대비에 의존하며, 상기 대비는 상기 판독기 시야 내에서 측정할 수 있음- 와,
    상기 판독기에 대하여 상기 스케일을 이동시키도록 작동하는 변위 메커니즘과,
    상기 프린지의 시프트에 기초하여 상기 변위를 나타내는 출력 신호를 생성하도록 작동하는 신호 프로세서와,
    상기 출력 신호를 받아들이고, 상기 출력 신호에 응답하여 상기 변위 메커니즘의 작동을 제어하도록 작동하는 시스템 제어기를 포함하는
    도량형 시스템.
  26. 광학 인코더에 있어서,
    제 15 항의 반사형 스케일과,
    상기 반사형 스케일의 다수의 병렬식 마크를 조사하는 방사 에너지원과,
    판독기 시야 내에서, 상기 마크로부터 반사된 방사 에너지를 수신하도록 작동하는 광학 스케일 판독기 -상기 반사된 방사 에너지의 적어도 일부는 회절된 부분들 사이의 간섭의 결과로서 프린지 패턴(fringe pattern)을 생성하는 다수의 회절된 에너지 부분을 포함하고, 상기 패턴의 상기 프린지의 대비는 상기 기판에 대한 상기 마크의 광학적 대비에 의존하며, 상기 대비는 상기 판독기 시야 내에서 측정할 수 있음- 와,
    상기 프린지의 시프트에 기초하여 상기 스케일과 상기 판독기 사이의 상대적 이동을 나타내는 출력 신호를 생성하도록 작동하는 신호 프로세서를 포함하는
    광학 인코더.
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 삭제
  36. 유연하고 확장된 테이프형 기판을 가진 제조물을 처리하는 시스템에 있어서,
    재료 특성에 영향을 미치도록 제조물의 일부와 상호 작용하라는 툴 명령에 응답하여 작동하는 툴과,
    상기 툴과의 상호 작용을 위해 상기 제조물을 배치하도록 작동하는 재료 처리 시스템 - 상기 재료 처리 시스템은 (1) (a) 상기 툴에 대하여 상기 제조물의 일부를 배치하도록 상기 제조물을 마찰을 통해 결합하고, (b) 상기 툴과 상호 작용하는 동안 상기 제조물의 일부가 놓여 있는 작업 표면을 제공하도록, 상기 재료 처리 시스템 내에 원주 외부 표면을 구성한 회전 기록 스핀들과, (2) 상기 회전 기록 스핀들의 대향하는 측상의 각각의 피드 스핀들과 테이크업 스핀들 -상기 피드 스핀들과 상기 테이크업 스핀들은 상기 회전 기록 스핀들과 작동하여 상기 피드 스핀들로부터 상기 회전 기록 스핀들의 상기 원주 외부 표면을 통해 상기 테이크업 스핀들로 상기 제조물을 전송함- 과, (3) 상기 피드 스핀들, 상기 테이크업 스핀들 및 상기 회전 기록 스핀들의 각각의 각 위치(angular position)를 감지하는 위치 인코더와, (4) 상기 작업 표면에서 상기 회전 기록 스핀들의 순간 반경을 감지하도록 작동하는 반경 센서를 포함함 - 과,
    상기 작업 표면에서의 스핀들과,
    (a) 원하는 선형 제조물 속도로 상기 회전 기록 스핀들의 상기 작업 표면을 통해 상기 제조물을 전송하도록 상기 피드 스핀들, 상기 테이크업 스핀들 및 상기 회전 기록 스핀들에 대한 각각의 구동 신호를 생성하고, (b) 상기 제조물에 형성되는 패턴의 원하는 공간적 특성을 획득하기 위해 상기 툴의 작동의 상대적 타이밍을 제어하도록 실제 제조물 속도 신호의 함수로서 상기 툴 명령을 생성하기 위해, 상기 위치 인코더로부터의 각각의 인코더 신호 및 상기 반경 센서에 의해 감지되는 상기 순간 반경에 기초하여 작동하는 실시간 제어기를 포함하는
    제조물 처리 시스템.
  37. 유연성 테이프 기판 상에 도량형 테이프 스케일을 생성하는 시스템에 있어서,
    대응하는 중첩 레이저 펄스를 전달하라는 레이저와 스캔 명령에 응답하여 작동하는 스캐닝 레이저 빔 박스와,
    상기 테이프 기판에 이격된 선형 마킹의 원하는 패턴을 형성하기 위해 상기 레이저 펄스를 수신하는 상기 테이프 기판을 배치하도록 작동하는 재료 처리 시스템 - 상기 재료 처리 시스템은 (1) (a) 상기 레이저 펄스에 대하여 상기 제조물의 일부를 배치하도록 상기 테이프 기판을 마찰을 통해 결합하고, (b) 상기 레이저 펄스를 수신할 때 상기 테이프 기판의 일부가 놓여 있는 작업 표면을 제공하도록, 상기 재료 처리 시스템 내에 원주 외부 표면을 구성한 회전 기록 스핀들과, (2) 상기 회전 기록 스핀들의 대향하는 측상의 각각의 피드 스핀들과 테이크업 스핀들 -상기 피드 스핀들과 상기 테이크업 스핀들은 상기 회전 기록 스핀들과 작동하여 상기 피드 스핀들로부터 상기 회전 기록 스핀들의 상기 원주 외부 표면을 통해 상기 테이크업 스핀들로 상기 테이프 기판을 전송함- 과, (3) 상기 피드 스핀들, 상기 테이크업 스핀들 및 상기 회전 기록 스핀들의 각각의 각 위치를 감지하는 위치 인코더와, (4) 상기 작업 표면에서 상기 회전 기록 스핀들의 순간 반경을 감지하도록 작동하는 반경 센서를 포함함 - 과,
    상기 작업 표면에서의 스핀들과,
    (a) 원하는 선형 테이프 기판 속도로 상기 회전 기록 스핀들의 상기 작업 표면을 통해 상기 테이프 기판을 전송하도록 상기 피드 스핀들, 상기 테이크업 스핀들 및 상기 회전 기록 스핀들에 대한 각각의 구동 신호를 생성하고, (b) 상기 테이프 기판 상의 선형 마킹의 원하는 크기, 간격 및 형상을 획득하기 위해 상기 레이저 펄스의 상대적 위치 및 타이밍을 제어하도록 실제 테이프 기판 속도 신호의 함수로서 상기 레이저 및 스캔 명령을 생성하기 위해, 상기 위치 인코더로부터의 각각의 인코더 신호 및 상기 반경 센서에 의해 감지되는 상기 순간 반경에 기초하여 작동하는 실시간 제어기를 포함하는
    도량형 테이프 스케일 생성 시스템.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 각 레이저 펄스는 최대 절반 값에서 측정한 10 ns 내지 40 ns 범위의 펄스 폭을 갖는
    도량형 테이프 스케일 생성 시스템.
  39. 제 37 항에 있어서,
    상기 각 레이저 펄스는 1/e2(e는 자연 로그 밑수임) 직경 상에서 측정한 0.1 J/㎠ 내지 1 J/cm2 범위 내의 에너지 밀도를 갖는 스팟 분포를 갖는
    도량형 테이프 스케일 생성 시스템.
  40. 제 37 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 적어도 일부는 공간적으로 10 배 내지 50 배 중첩되는
    도량형 테이프 스케일 생성 시스템.
  41. 제 37 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 100 kHz 이상의 속도로 생성되는
    도량형 테이프 스케일 생성 시스템.
  42. 제 37 항에 있어서,
    상기 도량형 테이프 스케일의 마킹 피치는 공칭 10 ㎛ 내지 50 ㎛이되, 10 ㎛/meter 이상의 피치 정확도 및 광학 인코더와 함께 사용하기에 충분한 광학적 대비를 가진
    도량형 테이프 스케일 생성 시스템.
  43. 유연성 기판에 도량형 테이프 스케일을 생성하는 시스템에 있어서,
    펄스 레이저 소스와,
    소스 에너지를 받아들이고 상기 유연성 기판으로 에너지를 전달하는 빔 전달 시스템과,
    입력 스핀들과 출력 스핀들 사이의 정밀 기록 스핀들을 포함하는 재료 처리 시스템 -상기 각 스핀들은 각각의 공기 베어링으로 지지되며, 상기 기판의 적어도 일부도 지지함- 과,
    에너지 빔이 상기 기판에 충돌하는 위치에 관련된 스핀들 반경을 모니터링하는 비접촉 반경 측정 프로브와,
    하나 이상의 프로브로부터 획득된 적어도 정보에 기초하여 상기 기판으로 레이저 에너지를 전달하여 상기 기판의 움직임을 조정하는 적어도 하나의 제어기를 포함하되,
    상기 도량형 테이프 스케일은 레이저 펄스로 상기 유연성 기판을 조사하여 생성되며, 상기 각 펄스는, 최대 절반 값에서 측정된 10 ns 내지 40 ns 범위의 펄스 폭과, 1/e2(e는 자연 로그 밑수임) 직경 상에서 측정된 0.1 J/㎠ 내지 1 J/㎠ 범위의 에너지 밀도를 갖는 스팟 분포를 포함하며, 적어도 일부의 펄스는 공간적으로 10 배 내지 50배 중첩되고, 상기 펄스의 생성 속도는 100 kHz 이상이고, 비접촉 반경 측정 프로브는 상기 기록 스핀들의 반경에서 적어도 하나의 편차를 검출하고 상기 기록 스핀들의 반경과 상기 기록 스핀들에서 지지되는 상기 기판의 일부의 두께를 포함하는 편차도 검출하도록 상기 기록 스핀들의 표면을 측정하며, 상기 반경에 관련된 신호를 제공하는 데 사용되며, 상기 반경 측정 프로브는 열 팽창률이 상당히 낮은 요소에 의해 결합된 제 1 및 제 2 용량성 센서를 포함하되, 상기 제 1 센서는 상기 기록 스핀들의 중앙 근처에 있는 표면을 감지하고, 상기 제 2 센서는 상기 기록 스핀들 및 상기 기록 스핀들에 의해 지지되는 테이프의 반경이 측정가능한 표면을 감지하며, 제 1 및 제 2 프로브로부터의 신호는 높은 안정성의 상이한 반경 측정을 위해 제공되고,
    이로써 결과적인 상기 도량형 테이프 스케일의 피치는 공칭 10 ㎛ 내지 50 ㎛이되, 10 ㎛/meter 이상의 피치 정확도 및 광학 인코더와 함께 사용하기에 충분한 광학적 대비를 가진
    도량형 테이프 스케일 생성 시스템.
  44. 도량형 테이프 스케일을 생성하는 방법에 있어서,
    유연하고 확장된 테이프 스케일 기판을 회전 기록 스핀들의 원주 표면을 통해 전진(advancing)시키는 단계 -상기 테이프 스케일 기판의 작업 표면은 상기 회전 기록 스핀들의 상기 원주 표면에 마찰적으로 접촉함- 와,
    실제 기록 스핀들 각 속도 및 작업 영역에서 상기 회전 기록 스핀들의 감지된 반경에 기초하여 실제 선형 테이프 속도를 생성하는 단계와,
    실질적으로 사전 결정된 원하는 공칭 테이프 속도로 상기 테이프 스케일 기판이 전진하도록 상기 실제 선형 테이프 속도와 상기 사전 결정된 원하는 공칭 테이프 속도 사이의 차이에 따라 기록 스핀들 구동 신호를 생성하는 단계와,
    상기 테이프 스케일 기판 상에 이격된 다수의 선형 마크를 형성하도록 상기 테이프 스케일 기판의 작업 영역에 레이저 펄스를 조준하는 단계 -상기 레이저 펄스는 상기 마크들 사이의 실질적으로 일정한 사전 결정된 간격을 획득하기 위해 상기 실제 선형 테이프 속도에 따라 생성된 각각의 레이저 및 스캔 명령 신호에 의해 명령을 받은 펄스 속도와 위치로 생성됨- 를 포함하는
    도량형 테이프 스케일 생성 방법.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스의 적어도 일부는 공간적으로 10 배 내지 50 배 중첩되는
    도량형 테이프 스케일 생성 방법.
  46. 제 44 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 100 kHz 이상의 속도로 생성되는
    도량형 테이프 스케일 생성 방법.
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