專利名稱：使用用于產(chǎn)生具有所需深度的刻度標(biāo)記的激光器、傳感器和反饋裝置的刻度尺制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造用于刻度尺讀取裝置的測量刻度尺的方法。特別 地，本發(fā)明涉及一種使用激光器制造測量刻度尺的方法。
背景技術(shù)：
用于測量兩個部件的相對位移的刻度尺讀取裝置的已知形式包括位于 所述兩個部件之一上的具有限定圖案的刻度尺標(biāo)記的刻度尺，以及設(shè)置在 另一個部件上的讀取頭。光學(xué)刻度尺讀取裝置具有用于照明刻度尺的裝置 和位于讀取頭中的檢測裝置，該檢測裝置響應(yīng)于產(chǎn)生的光圖案，從而產(chǎn)生 刻度尺和讀取頭的相對位移的量度。具有呈周期性圖案的標(biāo)記的刻度尺被稱為增量刻度尺，并且提供向上和向下計數(shù)的輸出?？梢栽诳潭瘸呱蟐:置 參考標(biāo)記，該參考標(biāo)記在由讀取頭檢測時，使得能夠確定讀取頭的確切位 置?？潭瘸呖梢跃哂薪^對代碼標(biāo)記，所述標(biāo)記使得能夠在刻度尺上的任何 位置確定讀取頭的絕對位置?？潭瘸吆妥x取頭系統(tǒng)不限于光學(xué)系統(tǒng)。磁、電容式和感應(yīng)式讀取系統(tǒng) 也是已知的。測量刻度尺可以是，例如，直線形的、旋轉(zhuǎn)的或二維的。旋轉(zhuǎn)刻度尺 可以具有在表面上徑向設(shè)置的刻度尺標(biāo)記，或者在4t轉(zhuǎn)部件的周邊上軸向 設(shè)置的刻度尺標(biāo)記?？潭瘸呖梢允欠瓤潭瘸呋蛘呦辔豢潭瘸?。在幅度刻度尺中，刻度尺 圖案由兩個不同類型的部分組成。第一類型的部分將入射光反射到讀取頭， 而第二類型的部分并非如此。例如，增量幅度刻度尺可以包括交替的反射和非反射線，諸如玻璃刻度尺上的鉻。相位刻度尺具有這樣的形式，即當(dāng)在讀取頭處檢測時，所述刻度尺反 射來自不同部分的、處于不同相位的光。國際專利申請No. WO03/061891公開了一種制造測量刻度尺的方法，
其中使用激光器在不銹鋼條帶上產(chǎn)生超短脈沖，從而產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記。設(shè) 饋。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種用于制造測量刻度尺的裝置，其包括刻度尺基板；至少一個激光器，用于在刻度尺基板上產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記； 傳感器，用于檢測在刻度尺基板上形成的刻度尺標(biāo)記的深度；以及 反饋系統(tǒng)，其使用來自所述傳感器的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的參數(shù)，從而 產(chǎn)生具有所需深度的刻度尺標(biāo)記?？梢詼y量一 系列刻度尺標(biāo)記，且使用反饋來校正所述一 系列刻度尺標(biāo)記?；蛘撸梢詼y量第一系列刻度尺標(biāo)記，并使用反饋來產(chǎn)生具有所需深 度的第二系列刻度尺標(biāo)記。在連續(xù)工藝中可能出現(xiàn)這種情況，其中第二系 列刻度尺標(biāo)記位于第 一 系列刻度尺標(biāo)記的下游。所述傳感器還可以檢測刻度尺標(biāo)記的節(jié)距，且所述反饋系統(tǒng)可以用于 產(chǎn)生具有正確深度和正確節(jié)距的刻度尺標(biāo)記?？梢允褂猛?一傳感器或者多 個單獨(dú)的傳感器用于深度和節(jié)距的反饋。所述參數(shù)可以包括激光器參數(shù)，例如脈沖持續(xù)時間或脈沖次數(shù)。


下面參考附圖描述本發(fā)明，其中 圖1示出本發(fā)明的流程圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的刻度尺標(biāo)記方法的示意圖； 圖3示出圖2中使用的傳感器；圖4示出光功率相對于圖3所示傳感器測得的刻度尺標(biāo)記深度的曲線圖；圖5示出圖2的激光器的側(cè)視圖；圖6示出激光器的角位相對于刻度尺在圖2所示系統(tǒng)中的位置的曲線 圖；圖7示出具有兩個激光器的第二實施方案的示意圖；圖8示出用于在旋轉(zhuǎn)刻度尺上產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記的第三實施方案的示意圖；圖9示出后處理步驟的示意圖；以及 圖IO示出刻度尺標(biāo)記裝置的立體圖。
具體實施方式
圖1是示出本發(fā)明的主要步驟的流程圖。在第一步驟10中，使用激光 器在刻度尺基板上產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記。脈沖激光器是合適的，其中選擇波長 和脈沖寬度以適合刻度尺基板的材料。第二步驟12包括清潔工藝，其中例 如使用壓縮空氣從刻度尺基板上除去第 一步驟產(chǎn)生的殘余物。該步驟不是 必需的，這取決于所用的激光器的類型。在第三步驟14中，設(shè)置一個或多 個傳感器來檢測在刻度尺基板上產(chǎn)生的刻度尺標(biāo)記。所述傳感器可以檢測 刻度尺標(biāo)記的深度或者檢測刻度尺標(biāo)記的深度和節(jié)距兩者。在第四步驟16 中，使用來自所述傳感器的反饋來校正刻度尺標(biāo)記。該步驟可以包括使用 來自已經(jīng)產(chǎn)生的標(biāo)記的反饋來調(diào)節(jié)所述參數(shù)，從而以正確的節(jié)距和/或深度 形成后面的刻度尺標(biāo)記?；蛘?，該步驟可以包括使用來自已經(jīng)產(chǎn)生的刻度刻度尺標(biāo)記的深度。圖2示出用于在刻度尺基板18上形成刻度尺標(biāo)記的制造裝置，其中成 對的輥22, 24傳送所述刻度尺基板18通過激光器20。所述刻度尺基板可 以是撓性(例如條帶)的或者是剛性的(例如晶石)。刻度尺基板可以是金 屬的，例如鋼，或者由其他材料制成，例如玻璃。來自激光器20的脈沖在24上設(shè)置編碼器26，用于確定刻度尺基板18的運(yùn)動速率?？梢酝ㄟ^控制 器28將所述速率鎖定到激光器20的脈沖速率或者可以使用所述速率來控 制激光束的運(yùn)動(如參考圖4所述的)。設(shè)置傳感器30用于檢測由激光器20產(chǎn)生的刻度尺標(biāo)記?？刂破?8使 用來自所述傳感器的反饋來調(diào)節(jié)所述系統(tǒng)的參數(shù)，例如激光器參數(shù)。 造。將刻度尺基板70設(shè)置在裝置底座72上，所述裝置底座72可以包括花 崗巖底座。激光器74產(chǎn)生激光束76，所述激光束76被固定的鏡子78和活 動的鏡子80引導(dǎo)射向刻度尺基板，且被透鏡82聚焦在刻度尺基板上。所 述活動的鏡子80和透鏡82設(shè)置在滑動夾具84上，所述滑動夾具84在電 動機(jī)86的作用下沿刻度尺基板的縱軸運(yùn)動。使用干涉儀88確定滑動夾具84的位置。使用傳感器90確定激光束形 成的刻度尺標(biāo)記的深度且任選確定所述刻度尺標(biāo)記的節(jié)距。傳感器90可以 設(shè)置在滑動夾具84上。將來自干涉儀88和所述傳感器的輸出傳送給信號處理器92。信號處理 器92控制電動機(jī)86和激光器參數(shù)74,由此能夠調(diào)節(jié)刻度尺標(biāo)記94的深度 和節(jié)距。圖3示出用于檢測刻度尺標(biāo)記的節(jié)距和深度的傳感器系統(tǒng)。使用激光 器32照明刻度尺18并在檢測器處產(chǎn)生衍射圖34。衍射級的間隔表明刻度 尺標(biāo)記的節(jié)距。衍射級的強(qiáng)度分布表明刻度尺標(biāo)記的深度。因此，可以使 用同一傳感器來檢測刻度尺標(biāo)記的深度和節(jié)距?；蛘?，使用兩個單獨(dú)的傳 感器來檢測刻度尺標(biāo)記的深度和節(jié)距。雖然圖3示出了反射型傳感器系統(tǒng)，但是也可以使用透射系統(tǒng)。玻璃 刻度尺基板和例如受激準(zhǔn)分子激光器適用于透射系統(tǒng)。圖4示出隨著刻度尺標(biāo)記的深度的變化，波長為XI的光的零階光功率 的變化。如果曲線的最小值處于被選深度dl，則對于位于dl兩側(cè)的刻度尺 標(biāo)記d2和d3的兩個不同深度而言，將產(chǎn)生相同的光功率讀數(shù)。但是，通 過使用具有兩個不同波長XI和入2的光照明刻度尺，能夠確定刻度尺標(biāo)記 的正確深度?；蛘撸梢赃x擇當(dāng)被選深度dl不處于最小值時的波長X2，從 而能夠區(qū)分d2和d3。將來自所述傳感器系統(tǒng)的反饋發(fā)送至控制器，使用該控制器調(diào)節(jié)激光 器輸出?？梢哉{(diào)節(jié)激光器輸出的脈沖功率和/或脈沖次數(shù)，從而調(diào)節(jié)刻度尺 深度?？梢愿淖兗す馄鞯拿}沖速率從而調(diào)節(jié)刻度尺的節(jié)距。如圖5所示，當(dāng)刻度尺18相對于激光器20運(yùn)動時，也可以例如^f吏用 掃描儀來旋轉(zhuǎn)激光束，從而在產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記的同時，使入射的激光光線 繼續(xù)照射在刻度尺基板上的相同位置。當(dāng)該過程結(jié)束時，使激光束返回至 其初始位置且再次實施該過程以產(chǎn)生后面的標(biāo)記。圖6示出激光束相對于刻度尺的運(yùn)動。激光束運(yùn)動使得激光光斑位于 運(yùn)動的刻度尺上的相同位置的時間長度指示出激光器的最大脈沖次數(shù)?？?以將激光器的激光器參數(shù)(例如，脈沖次數(shù))調(diào)節(jié)至任何值，最多調(diào)節(jié)為 這一最大值，從而調(diào)節(jié)刻度尺標(biāo)記的深度。在圖6中，實線表示激光器處于工作狀態(tài)，虛線表示激光器處于非工作狀態(tài)?；蛘撸鐖D7所示，可以設(shè)置第二激光束36以校正刻度尺標(biāo)記的深度。 在該實施方案中，第一激光器20產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記。使用傳感器30檢測所 述激光器產(chǎn)生的刻度尺標(biāo)記的深度。將來自傳感器30的反饋經(jīng)由控制器28 發(fā)送至第二激光器36,所述第二激光器36作用于由第一激光器20產(chǎn)生的 刻度尺標(biāo)記，從而所述刻度尺標(biāo)記處于正確的深度。所述制造刻度尺的方法還適用于制造其他形式的刻度尺，例如旋轉(zhuǎn)刻 度尺和二維刻度尺。該方法還適用于長度較短的刻度尺和具有連續(xù)長度的 刻度尺。圖8示出旋轉(zhuǎn)刻度尺的制造方法。在該圖中，刻度尺基板是圓盤38, 所述圓盤38以可繞其中心40旋轉(zhuǎn)的方式安裝。使用燒蝕激光器44在所述 圓盤上表面的外邊緣上形成刻度尺標(biāo)記42。當(dāng)對燒蝕激光器44施加脈沖調(diào) 制時，圓盤38繞其中心40旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記42。設(shè)置傳感器46 用于檢測刻度尺標(biāo)記的深度。如前所述，該傳感器可以包括引導(dǎo)光線入射 在刻度尺上的激光器48和用于檢測衍射級50的光功率的功率儀49。使用 來自該傳感器的反饋52，旋轉(zhuǎn)圓盤使所述刻度尺標(biāo)記42回到燒蝕激光器 44下方，直至實現(xiàn)正確的深度。也可以使用其他類型的傳感器來監(jiān)測刻度尺標(biāo)記的深度。例如，所述 傳感器可以包括相位讀取頭、共焦的激光斷面儀或原子力顯微(AFM)探 針。所有這些傳感器都具有以下優(yōu)點它們也能夠檢測刻度尺標(biāo)記的節(jié)距。本發(fā)明適用于具有離散長度的刻度尺和具有連續(xù)長度的刻度尺?？梢?使用反饋來校正現(xiàn)有的刻度尺標(biāo)記，例如，通過測量刻度尺標(biāo)記并且然后 使用反饋來確定這些刻度尺標(biāo)記上是否需要額外的激光脈沖來校正。本發(fā)
明還適用于具有連續(xù)長度的刻度尺，其中測量一系列刻度尺標(biāo)記，使用來 自這些標(biāo)記的反饋來調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，從而在上游形成正確的后續(xù)刻度尺標(biāo)記。激光作用于刻度尺基板可能會在刻度尺基板上產(chǎn)生碎片，因此需要后 處理步驟來除去這些碎片。后處理步驟可以包括以下方法，例如機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光 或超聲清潔，以產(chǎn)生所需的光潔度?？梢栽诤筇幚聿襟E之后設(shè)置反饋回路。圖9是包括后處理步驟的工藝 的示意圖。使用第 一傳感器30檢測由激光器20產(chǎn)生的刻度尺標(biāo)記的深度， 如參考圖2所述的。后處理步驟用60所示。后處理步驟可以包括，例如， 化學(xué)浴、機(jī)械拋光或精軋。第二傳感器62檢測刻度尺標(biāo)記的深度并發(fā)送反 饋給控制器64?？刂破?4改變后處理步驟60的參數(shù)。例如，所述參數(shù)可 以包括化學(xué)浴的濃度或溫度或者機(jī)械拋光/精軋的壓力。如果使用激光器20產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記的步驟產(chǎn)生過多的碎片或者形成無 法被傳感器30讀取的表面，則可以使用在后處理步驟60之后檢測刻度尺 標(biāo)記的傳感器62發(fā)送反饋給所述控制器，以改變激光器20的參數(shù)。本發(fā)明特別適用于在鍍有金屬的物質(zhì)或固體金屬物質(zhì)上形成刻度尺標(biāo)記。雖然上述實施方案描述了增量刻度尺，但是刻度尺可以包括形成例如 參考標(biāo)記或絕對位置數(shù)據(jù)的特征的不同刻度尺參數(shù)的區(qū)域。例如，可以使 用刻度尺節(jié)距的變化形成這些特征。或者，刻度尺可以包括不同深度的區(qū) 域?？梢允褂貌煌ㄩL的光來檢測刻度尺標(biāo)記的不同深度。
權(quán)利要求
1.一種用于制造測量刻度尺的裝置，包括刻度尺基板；至少一個激光器，用于在刻度尺基板上形成刻度尺標(biāo)記；傳感器，用于檢測在刻度尺基板上形成的刻度尺標(biāo)記的深度；以及反饋系統(tǒng)，其使用來自所述傳感器的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的參數(shù)，從而產(chǎn)生具有所需深度的刻度尺標(biāo)記。
2. 權(quán)利要求1的裝置，其中測量一系列刻度尺標(biāo)記并使用反饋來校正 所述的 一 系列刻度尺標(biāo)記。
3. 權(quán)利要求l的裝置，其中測量第一系列刻度尺標(biāo)記，并使用反饋來 產(chǎn)生具有所需深度的第二系列刻度尺標(biāo)記。
4. 上述權(quán)利要求中任一項的裝置，其中傳感器4僉測刻度尺標(biāo)記的節(jié)距， 并且使用所述反饋系統(tǒng)來產(chǎn)生具有正確深度和正確節(jié)距的刻度尺標(biāo)記。
5. 權(quán)利要求4的裝置，其中使用同一傳感器來^^測刻度尺標(biāo)記的深度 和節(jié)距。
6. 上述權(quán)利要求中任一項的裝置，其中所述系統(tǒng)的參數(shù)包括激光器參數(shù)。
7. 上述權(quán)利要求中任一項的裝置，其中所述傳感器包括用于照明刻度 尺的光源和用于檢測由所述光源照明刻度尺而產(chǎn)生的衍射圖的檢測裝置， 其中使用衍射級的強(qiáng)度分布來確定刻度尺標(biāo)記的深度。
8. 權(quán)利要求7的裝置，其中所述光源具有以下波長，所述波長在與刻 度尺標(biāo)記的所需深度不一致的深度處產(chǎn)生零階光功率的最小值。
9. 權(quán)利要求7的裝置，其中使用衍射級的間隔來確定刻度尺標(biāo)記的節(jié)距。
10. 上述權(quán)利要求中任一項的裝置，其中通過調(diào)節(jié)激光器的脈沖功率來 調(diào)節(jié)刻度尺標(biāo)記的深度。
11. 上述權(quán)利要求中任一項的裝置，其中通過調(diào)節(jié)激光器的脈沖次數(shù)來 調(diào)節(jié)刻度尺標(biāo)記的深度。
12. 上述權(quán)利要求中任一項的裝置，其中通過調(diào)節(jié)激光器的脈沖速率來 調(diào)節(jié)刻度尺標(biāo)記的節(jié)距。
13. 上述權(quán)利要求中任一項的裝置，其中所述刻度尺基板包括圓盤，且 其中旋轉(zhuǎn)所述圓盤使刻度尺標(biāo)記回到所述激光器下方，直至實現(xiàn)正確的深度。
14. 上述權(quán)利要求中任一項的裝置，其中當(dāng)激光器和刻度尺基板彼此相 對運(yùn)動時，移動激光器，從而在產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記的同時，使入射的激光光 線繼續(xù)照射在刻度尺基板上的相同位置。
15. 上述權(quán)利要求中任一項的裝置，其中設(shè)置兩個激光器，第一激光器 在刻度尺基板上產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記，且第二激光器校正該刻度尺標(biāo)記的深度。
16. 上述權(quán)利要求中任一項的裝置，其中包括后處理步驟，且其中設(shè)置設(shè)置第二反饋系統(tǒng)，所述第二反饋系統(tǒng)使用來自第二傳感器的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié) 所述系統(tǒng)的參數(shù)，從而產(chǎn)生具有所需性能的刻度尺標(biāo)記。
17. 權(quán)利要求16的裝置，其中所述系統(tǒng)的參數(shù)包括后處理步驟的參數(shù)。
18. 權(quán)利要求16的裝置，其中所述系統(tǒng)的參數(shù)包括激光器的參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造測量刻度尺的裝置，其包括刻度尺基板(18)、用于在刻度尺基板(18)上產(chǎn)生刻度尺標(biāo)記的至少一個激光器(20)、用于檢測在刻度尺基板(18)上產(chǎn)生的刻度尺標(biāo)記的深度的傳感器(30)，以及反饋系統(tǒng)，所述反饋系統(tǒng)使用來自傳感器(30)的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的參數(shù)，從而產(chǎn)生具有所需深度的刻度尺標(biāo)記。
文檔編號B23K26/20GK101155661SQ200680011852
公開日2008年4月2日 申請日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月13日
發(fā)明者亞歷山大·戴維·斯科特·埃琳, 戴維·羅伯茨·麥克默特里, 若弗雷·麥克法蘭 申請人:瑞尼斯豪公司