(57)【要約】反射型計測用スケールは、インバール（Ｉｎｖａｒ）（登録商標）またはインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）のようなニッケルを基材とした合金であってよく、薄く細長い可撓性のテープであってよい基板の反射性表面部位によって囲まれた細長い隣接したマークの目盛りパターンを有する。各マークは溝状の断面を有し、０．５〜２ミクロンの範囲内の深さを有してもよい。各マークの中央領域は波打ち、または畝状であってよく、周囲の反射性表面部位に対して向上した光学的反射比を提供するように暗くなっていてもよい。製造方法は、（１）各々が約１ジュール／ｃｍ２未満のエネルギー密度を有する、レーザーからの一連の重なりパルスを前記基板の表面のマーク位置に照射することによって目盛りマークを生成する工程と、（２）前記スケールの次のマークが生成されるべき前記基板上の次のマーク位置を規定する移動量だけ前記レーザーおよび前記基板の相対位置を変化させる工程との繰り返し工程を含む。【選択図】図２２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的計測スケールを製造する方法であって、
反射性金属基板の表面の所定のマーク位置に、レーザーからの空間的に重なった一連のパルスを照射することによって前記スケールのマークを生成する工程であって、各パルスは２次元のスポット強度分布を有し、各パルスは前記パルス強度分布の１／ｅ２直径内に約１Ｊ／ｃｍ２未満のエネルギー密度を有するものである、工程と、
前記スケールの次のマークが生成されるべき前記基板上に次のマーク位置を規定する移動によって前記レーザーおよび前記基板の相対位置を変化させる工程と、
前記スケールの連続する複数のマークについて前記マーク生成工程および位置変化工程を繰り返す工程と
を有する方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記パルスの各々は、最大半値において１０〜４０ｎｓの範囲内の時間的パルス幅を有するものである方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記パルスの各々は楕円形状を有するものである方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、前記パルスの各々は２対１〜１４対１の範囲内の空間的アスペクト比を有するものである方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記パルスの各々は、最大半値において、それぞれ約２０μｍおよび６０μｍのＸおよびＹ空間的パルス幅を有するものである方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記空間的重なり量は１０〜５０回重なりの範囲内である方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、前記空間的重なり量は５０〜１００回重なりの範囲内である方法。
【請求項８】
請求項1記載の方法において、各パルスは１０〜４０ＭＷ／ｃｍ２の範囲内の照射を有するものである方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、各パルスのエネルギー密度は０．５〜１．０Ｊ／ｃｍ２の範囲内である方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、前記レーザーは赤外線レーザーである方法。
【請求項１１】
請求項１記載の方法において、前記パルスは、前記パルスの重なりの方向に対して約０度および約９０度のうち１つに方向づけられた非円形偏光を有するものである方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法において、前記反射性金属基板は可撓性のテープ基板を有するものである方法。
【請求項１３】
請求項１記載の方法によって製造された反射型スケールである方法。
【請求項１４】
光学的計測スケールを製造する方法であって、
レーザーパルスを基板に照射する工程であって、各パルスは、約１０〜４０ナノ秒の範囲内のパルス幅と、およびスポット強度分布の１／ｅ２直径上で約０．１〜１Ｊ／ｃｍ２の範囲内のエネルギー密度とを有し、前記パルスの少なくとも幾つかは約１０〜５０回、空間的に重なっており、前記パルスは約１００ｋＨｚ以上の速度で生成されるものである、工程を有する方法。
【請求項１５】
光学エンコーダのための反射型スケールであって、
その反射性表面上に形成された目盛りパターンを有し、前記目盛りパターンは前記基板の反射性表面部位によって囲まれた隣接する複数の細長いマークを含み、各マークは、前記基板の表面の平均高さより下に中央領域と、前記基板の表面の前記平均高さより上に２つの外側畝領域とを有するおおよそ溝状の断面を有するものである、金属基板
を有する反射スケール。
【請求項１６】
請求項１５記載の反射型スケールにおいて、前記中央および外側畝領域はマークの深さを約０．５ミクロン〜約２ミクロンの範囲内に規定するものである反射スケール。
【請求項１７】
請求項１５記載の反射型スケールにおいて、各マークは、その中央領域に、前記マークの深さの約２０％未満の高さの波を有する波状の生地を有するものである反射スケール。
【請求項１８】
請求項１７記載の反射型スケールにおいて、各マークはその長さ方向に波打ったものである反射スケール。
【請求項１９】
請求項１５記載の反射型スケールにおいて、各マークの前記中央領域は、前記基板の前記周囲反射性表面部位に対して約１対４以下の光学的反射比を提供するために暗くなっているものである反射スケール。
【請求項２０】
請求項１５記載の反射型スケールにおいて、前記金属基板は本質的に、単一合金からなるものである反射スケール。
【請求項２１】
請求項２０記載の反射型スケールにおいて、前記合金はニッケル合金である反射スケール。
【請求項２２】
請求項２１記載の反射型スケールにおいて、前記ニッケル合金は、約６０％のニッケルと、約２０％のクロムと、約５％の鉄と、約１０％のモリブデンとを有するものである反射スケール。
【請求項２３】
請求項１５記載の反射型スケールにおいて、前記マークは、前記マークの幅に対して約１０％以内で真っ直ぐな細長い側縁を有するものである反射スケール。
【請求項２４】
光学エンコーダのための反射型スケールであって、
その反射性表面上に形成された目盛りパターンを有し、前記目盛りパターンは前記基板の反射性表面部位によって囲まれた隣接する複数の細長いマークを含み、各マークは、前記基板の表面の平均高さよりも下の中央領域と、前記基板の前記表面の前記平均高さよりも上の２つの外側畝領域とを有するおおよそ溝状の断面を有し、前記中央および外側畝領域はマークの深さを約０．５ミクロン〜約２ミクロンの範囲内に規定し、各マークはその中央領域において前記マークの深さの約２０％未満の波高さで長さ方向に波打っており、各マークの前記中央領域は、前記基板の前記周囲反射性表面に対して約１対４以下の光学的反射比を提供するように暗くなっているものである、金属基板
を有する反射型スケール。
【請求項２５】
計測装置であって、
請求項１５記載の反射型スケールと、
前記反射型スケールの複数の隣接したマークに照射するようになっている放射エネルギー源と、
読み取り器の視界内において、前記マークから反射した放射エネルギーを受け取るように作動する光学スケール読み取り器であって、この読み取り器は、前記反射した放射エネルギーの少なくとも一部が複数の回折したエネルギー部分間の干渉の結果、干渉縞パターンを生成する前記回折した部分を有し、前記パターンの前記干渉縞コントラストが前記周囲基板に対する前記マークの前記光学的コントラストに依存し、前記コントラストが前記読み取り器の視界内において測定可能である、前記光学スケール読み取り器と、
前記読み取り器に対して前記スケールを移動させるように作動する移動機構と、
前記干渉縞のずれに基づいて、前記移動を表す出力信号を生成するように作動する信号プロセッサと、
前記出力信号を受け取り、前記出力信号に応答して前記移動機構の動作を制御するように作動する装置コントローラと
を有する計測装置。
【請求項２６】
光学エンコーダであって、
請求項１５記載の反射型スケールと、
前記反射型スケールの複数の前記隣接したマークを照射するようになっている放射エネルギー源と、
読み取り器の視野内において、前記マークから反射した放射エネルギーを受け取るように作動する光学スケール読み取り器であって、この読み取り器は、前記反射した放射エネルギーの少なくとも一部が複数の回折したエネルギー部分間の干渉の結果、干渉縞パターンを生成する前記回折した部分を有し、前記パターンの前記干渉縞コントラストが前記周囲基板に対する前記マークの前記光学的コントラストに依存し、前記コントラストが前記読み取り器の視野内において計測可能である、前記光学スケール読み取り器と、
前記干渉縞のずれに基づいて前記スケールと前記読み取り器間の相対移動を表す出力信号を生成するように作動する信号プロセッサと
を有する光学エンコーダ。
【請求項２７】
可撓性の基板を有する加工物を加工する装置であって、
前記加工物の一部との相互作用がその材料特性に作用するように制御された工具と、
（１）前記工具に対して前記加工物の前記部分を位置づけるように前記加工物を摩擦によって係合し、（２）前記工具との相互作用の間、前記加工物の前記部分を預ける作業面を提供するように前記装置内に構成された、円周外面を有する回転書き込み軸と
を有する装置。
【請求項２８】
請求項２７記載の装置において、前記可撓性の基板は細長いテープ様の基板であって、前記書き込み軸の対向する側にそれぞれ送り軸と巻き取り軸とをさらに有し、前記送り軸および巻き取り軸は、前記書き込み軸と共に、前記加工物を前記送り軸から前記書き込み軸の前記円周外面を渡って前記巻取り軸まで移送するように作動するものである装置。
【請求項２９】
請求項２８記載の装置において、前記書き込み軸の前記円周外面を渡って前記加工物を移送する間、前記書き込み軸は所望の加工物移送速度を維持し、前記送り軸および巻き取り軸は所望の加工物張力を維持するよう作動するものである装置。
【請求項３０】
請求項２９記載の装置において、この装置はさらに、
前記作業面における前記書き込み軸の瞬間半径を検出するように作動する半径検出器と、
前記半径検出器によって検出された前記瞬間半径に基づいて、（１）前記加工物の実際の線速度の正確な推定値を表す実際の加工物速度信号を生成し、（２）前記加工物上に形成されているパターンの所望の空間的特性を達成するように、前記工具の動作のタイミングを前記実際の加工物速度信号の関数として制御するように作動するコントローラと
を有するものである装置。
【請求項３１】
請求項３０記載の装置において、前記パターンは複数の均等に間隔を置いたマークを有し、前記所望の空間的特性は前記マーク間において実質的に一定の間隔である装置。
【請求項３２】
請求項３０記載の装置において、前記コントローラは、前記半径検出器によって検出された瞬間半径の関数として書き込み軸駆動信号を生成するように、さらに作動して、前記加工物の所望の基準線速度を維持するものである装置。
【請求項３３】
請求項３０記載の装置において、前記半径検出器は低熱膨張性を有する材料の非接触型容量検出器を有するものである装置。
【請求項３４】
請求項２７記載の装置において、前記工具は、
パルスレーザー源と
前記パルスレーザー源からの原エネルギーを受け取り、前記加工物の前記部分にエネルギーを供給する光線供給装置と
を有するものである装置。
【請求項３５】
請求項２７記載の装置において、前記書き込み軸は空気軸受け上に支持されたものである装置。
【請求項３６】
可撓性の細長いテープ様の基板を有する加工物を加工する装置であって、
工具コマンドに応答して、前記加工物の一部と相互作用してその材料特性に作用するように作動する工具と、
前記工具との相互作用のために前記加工物を位置決めするように作動する材料運搬装置であって、
（１）前記装置内に構成され、（ａ）前記工具に対して前記加工物の一部を位置決めするように前記加工物を摩擦によって係合し、（ｂ）前記工具との前記相互作用の間、前記加工物の前記部分を預ける作業面を提供するための、円周外面を有する回転書き込み軸と、
（２）前記書き込み軸のそれぞれ対向する側の送り軸と巻き取り軸とであって、前記送り軸および巻き取り軸は、前記書き込み軸と共に、前記送り軸から前記書き込み軸の円周外面を渡って前記巻き取り軸まで前記加工物を移送するように作動するものである、前記送り軸および巻き取り軸と、
（３）前記送り軸、巻き取り軸、および書き込み軸それぞれの角位置を検出する位置エンコーダと、
（４）前記作業面において前記書き込み軸の瞬間半径を検出するように作動する半径検出器とを含むものである、材料運搬装置と、
前記半径検出器によって検出された前記瞬間半径に基づき、前記位置エンコーダからのそれぞれのエンコーダ信号に基づいて、（ａ）前記加工物を前記書き込み軸の前記作業面を渡って所望の加工物線速度で移送するように、それぞれ前記送り軸、巻き取り軸、および書き込み軸への駆動信号を生成し、（ｂ）前記工具の動作の相対的タイミングを制御して前記加工物上に形成されているパターンの所望の空間的特性を達成するように、前記実際の加工物速度信号の関数として前記工具コマンドを生成するように作動するリアルタイムコントローラと
を有する装置。
【請求項３７】
可撓性のテープ基板上に計測用テープスケールを生成する装置であって、
レーザーおよび走査コマンドに応答して、対応する重なったレーザーパルスを供給するように作動する走査レーザー光線箱と、
テープ基板上に間隔の開いた線形マークの所望のパターンを形成するように、前記テープ基板を位置決めして前記レーザーパルスを受けとるように作動する材料運搬装置であって、
（１）前記装置内に構成され、（ａ）前記レーザーパルスに対して前記テープ基板の一部を位置決めするように、前記テープ基板を摩擦によって係合し、（ｂ）前記レーザーパルスを受け取るときに前記テープ基板の前記部分を預ける作業面を提供する円周外面を有する回転書き込み軸と、
（２）前記書き込み軸のそれぞれ対向する側にある送り軸と巻き取り軸とであって、前記送り軸および巻き取り軸は、前記書き込み軸と共に、前記テープ基板を前記送り軸から前記書き込み軸の前記円周外面を渡って前記巻き取り軸まで移送するように作動するものである、前記送り軸および巻き取り軸と、
（３）前記送り軸、巻き取り軸、および書き込み軸それぞれの角位置を検出する位置エンコーダと、
（４）前記作業面において前記書き込み軸の瞬間半径を検出するように作動する半径検出器とを含む、前記材料運搬装置と、
前記半径検出器によって検出された前記瞬間半径に基づき、前記位置エンコーダからのそれぞれのエンコーダ信号に基づいて、（ａ）前記テープ基板を、前記書き込み軸の前記作業面を所望のテープ基板線速度で渡って移送するように、前記送り軸、巻き取り軸、および書き込み軸へのそれぞれの駆動信号を生成し、（ｂ）前記レーザーパルスの相対位置およびタイミングを制御して前記テープ基板上の前記線形マーキングの所望のサイズ、間隔、および形状を達成するように、前記レーザーおよび前記実際のテープ基板速度信号の関数としての走査コマンドを生成するように作動するリアルタイムコントローラと
を有する装置。
【請求項３８】
請求項３７記載の装置において、前記レーザーパルスの各々は、最大半値で測定された、約１０〜４０ナノ秒の範囲内のパルス幅を有するものである装置。
【請求項３９】
請求項３７記載の装置において、前記レーザーパルスの各々は、１／ｅ２直径上で測定された、約０．１〜１Ｊ／ｃｍ２の範囲内のエネルギー密度を有するスポット分布を有するものである装置。
【請求項４０】
請求項３７記載の装置において、前記レーザーパルスの少なくとも幾つかは、約１０〜５０回空間的に重なったものである装置。
【請求項４１】
請求項３７記載の装置において、前記レーザーパルスは、約１００ｋＨｚ以上の速度で生成されたものである装置。
【請求項４２】
請求項３７記載の装置において、前記計測用テープスケールは、約１０μｍ／メートル以上のピッチ精度および光学エンコーダに使用するに十分な光学コントラストを有し、１０〜５０μｍの基準マーキングピッチを有するものである装置。
【請求項４３】
可撓性の基板上に計測用テープスケールを生成する装置であって、
パルスレーザー源と、
原エネルギーを受け取り、前記可撓性の基板にエネルギーを供給する光線供給装置と、
入力軸と出力軸間に精密な書き込み軸を含む材料運搬装置であって、この材料運搬装置は、前記軸部の各々が、それぞれの空気軸受け上に支持されており、各軸部はまた前記基板の少なくとも一部を支持するものである、材料運搬装置と、
前記エネルギー光線が前記基板に衝突する位置に関連する軸部半径を監視する非接触型半径測定プローブと、
少なくとも前記１若しくはそれ以上のプローブから得た情報に基づいて、前記基板の移動を前記レーザーエネルギーの前記基板への供給と調整する、少なくとも１つのコントローラとを有し、
前記計測用テープスケールは前記可撓性の基板にレーザーパルスを照射することによって生成され、各パルスは、約１０〜４０ナノ秒の範囲内のパルス幅（最大半値において測定）、約０．１〜１Ｊ／ｃｍ２の範囲内のエネルギー密度を有するスポット分布（１／ｅ２（訳者注８）直径上で測定）、および約１０〜５０回空間的に重なった少なくとも幾つかのパルスを有し、前記パルスは約１００ｋＨｚ以上の速度で生成され、前記書き込み軸の前記表面を測定して少なくとも前記書き込み軸の前記半径の偏差を検出し、また前記書き込み軸の半径および前記書き込み軸上に支持された前記基板の一部の厚みを含む偏差を検出するために、および前記少なくとも１つの半径に関連する信号を提供するために前記非接触型半径測定プローブが使用され、前記半径測定プローブは、かなり低い熱膨張係数を有する部材によって結合された、前記書き込み軸の中心付近の表面を検出する第１の容量検出器と、前記書き込み軸および前記書き込み軸によって支持されたテープの半径が測定可能な表面を検出する第２の容量検出器を含み、前記第１および第２のプローブからの信号は安定性の高い差動半径測定値を提供し、
それによって、その結果として得られる計測用テープスケールは、約１０μｍ／メートル以上のピッチ精度を伴う１０〜５０μｍの基準ピッチ、および光学エンコーダに使用するに十分な光学的コントラストを有する装置。
【請求項４４】
計測用テープスケールを生成する方法であって、
その作業部位が回転書き込み軸の外周面に摩擦によって接触した可撓性の細長いテープスケール基板を、前記回転書き込み軸の前記外周面を渡って進める工程と、
実際の書き込み軸の角速度および前記作業面において前記回転書き込み軸の検出された半径に基づいて、実際のテープ線速度を生成する工程と、
前記テープスケール基板を実質的に前記所定の所望の基準テープ速度で進めるように、前記実際のテープ線速度と所定の所望の基準テープ速度との差に従って書き込み軸駆動信号を生成する工程と、
前記テープスケール基板の前記作業部位にレーザーパルスを方向づけて前記テープスケール基板上に複数の間隔を開けた線形マークを形成する工程であって、前記レーザーパルスは、前記マーク間の実質的に一定の所定の間隔を達成するために、それぞれレーザーおよび前記実際のテープ線速度に従って生成された走査コマンド信号によって指令された、パルスレートおよび位置において生成されるものである、工程と
を有する方法。
【請求項４５】
請求項４４記載の方法において、前記レーザーパルスの少なくとも幾つかは約１０〜５０回空間的に重なるものである方法。
【請求項４６】
請求項４４記載の方法において、前記レーザーパルスは、約１００ｋＨｚ以上の速度で生成されるものである方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー光線の照射による、計測装置などの装置上の読み取り可能な精密構造、パターン、マーク、またはその他の印の形成に関し、特に（但しこれに限るものではないが）、例えば光学エンコーダなどで計測目的に使用されるスケール上の目盛り構造のような物体上のマークのパターンの形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の表面または内層面にマーキングするためのエネルギー光線を使用する際の主要な問題としては、前記マークの正確な寸法を維持するためなどの前記表面/内層面に対するエネルギー光線の寸法制御、正しい動作周期、即ちマーキングされた表面とマーキングされていない表面の比の取得、均一な構造、即ち前記構造の真っ直ぐで滑らかな縁部および前記構造の表面の均一性の取得、エネルギー密度（単位面積当たりエネルギー）および表面/内層面の露出時間などの光線パラメータの正しい選択、平面並びに曲面などの異なる用途に適したマーキング工程の適応、および異なるピッチ長を有するマークのパターンを生成する能力がある。
【０００３】
光学エンコーダは一般に、基板上の間隔の開いた一連のマークから成るスケールを用いる。反射型スケールの場合、前記スケールは非反射性背景上に形成された反射性マークを有してもよく、またはその逆であってもよい。透過スケールは、透明基板上に形成された不透明なマークを有してもよく、またはその逆であってもよい。反射型スケールおよび透過型スケールはどちらも、光源（発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーなど）からの光と相互に作用して光学検出器によって検出することのできる光学パターンを生成できる。前記スケールと前記検出器間の相対移動が起こると、それに対応するように前記光学パターンが変化し、前記検出器および関連した電子回路が前記パターンの変化を数値による正確な位置表示に変換する。「振幅」スケールとして知られる上記の種類のスケールは、ガラス基板上の金属線で目盛りマークを形成する一般的に使用される方法を含む様々な方法で製造されてきた。
【０００４】
特許文献１には、機械部品などの金属表面上に光学的に読み取り可能なマークを生成するレーザー法が開示されている。従来のマーキング方法は（a）前記表面の打刻（溶融、気化）および（b）レーザー（加熱）による微細構造における化学反応/変化の提供、を含み、前記打刻技術はその本来の表面を破壊しその本来の表面よりも下のレベルに位置するという点で特徴づけられることが示されている。９１６号特許の発明は、金属表面上に、前記マーキングにも拘らず前記金属表面が実質的に均一で、優れた磨耗および腐食耐性を有するように、光学的に読み取り可能なマークを生成する方法を提供することを目的とする。
【０００５】
前記特許文献１に開示されているレーザー法において、エキシマーレーザーの光線を使用して前記周囲の反射性金属表面よりも暗い部位として識別されるクロム金属表面上の部位が形成される。前記金属表面は、１〜１０Ｊ／ｃｍ２、好ましくは３〜５Ｊ／ｃｍ２のエネルギーで、かつ５ｎｓ〜１μｓ、好ましくは１５〜３０ｎｓの時間のレーザー光線パルスに暴露する。前記金属表面上のレーザー光線パルスの衝撃点は、新しい衝撃点が以前の衝撃点に重なるように変化し、前記金属表面は、前記金属表面の部位がその本来の金属表面と対照的な色となるように新しいレーザー光線パルスに暴露される。異なるマーキングパラメータのマークの暗さ（コントラスト）および表面粗さに対する効果は、試験によって検討されている。１実施形態において、好ましくは均一な変色部位を提供するためには、連続パルスの縁部の伝播は０．１ｍｍ以下である。前記エキシマーレーザーの動作範囲、即ち前記パルスの反復周波数範囲は、約１〜４００Ｈｚである。前記特許文献１は、前記金属表面における前記衝撃点/光線の強度の空間的分布については開示していない。
【０００６】
前記特許文献１に開示されている１例において、硬質クロム表面は、表面粗さＲａの値が０．２μｍ以上となるようにそのクロム処理された後に研磨されている。前記金属表面は、連続パルス間の前記金属表面の伝播が０．０２０ｍｍ〜０．０１２ｍｍとなるように光線に対して移動する。前記金属表面上の光線幅は１ｍｍであり、移動方向の高さは０．２ｍｍ〜２ｍｍの間でばらついている。図示した例において、表面層は棒鋼の表面上のクロムメッキから成る。前記クロムメッキの厚さは約３０μｍである。マーキングされた部位の厚さは、その表面が実質的に平坦であり、前記金属表面の残りの部分と同一のレベルであるように１μｍ未満であり、これは、少なくとも殆どは、材料がこの表面から気化していないことに起因する。前記レーザー光線パルスによって前記金属表面から非常に薄い酸化層が取り除かれる可能性がある。前記表面粗さの測定値は、前記マーキング法によって前記硬質クロム表面の表面粗さが損なわれないことを示している。マーキングの暗い線において、前記表面粗さは測定の前後でほぼ同一である。雰囲気の影響についても調査され、ごくわずかであることが判明している。
【０００７】
材料のパルスレーザー処理には多くの異なる機構があり、どの機構を用いるかを決定する重要な要素は、所望する結果および基材に依存することが知られている。例えば、金属は、出力およびパルス周期の関数として化学的に反応し、溶融し、爆発的に沸騰し、昇華し、または分子解離する可能性がある。プラスチックもまた、溶融し、化学的に反応し、分子解離することがあるが、沸騰爆発はたいていの場合炭化によって阻止される。概して、これらの工程は全ての固体材料において、異なる波長、出力、パルス特性によってある程度は作用する。
【０００８】
低ナノ秒範囲内のパルスにおいて、金属の反応は以下のようになる。低パルスエネルギー密度において前記材料は酸化し、または雰囲気中の気体と反応して変色し、および/またはさまざまな成分の融点と溶解度に基づいて再結合するか組成材料内で化学的に反応する。パルスエネルギー密度の上昇によって、前記表面が溶融して流れ、また少量のプラズマが生成されて漏出する可能性がある。さらに多くの素材が関わると、前記材料が激しく沸騰し始め、大量の材料が噴出し無秩序な噴出孔および飛散物の領域が後に残る。強度の超短パルスにおいて発生することがあるように、レーザー強度とそれに関連した場の強度が十分に高い場合、ほとんど瞬間的に前記固体から気相状態への変化が起こり、材料の離脱が発生してスラグまたは飛散物の形成が回避される。
【０００９】
また本発明は、工具に対して加工物が動いている間の加工物の精密加工の方法および装置に関し、特に、例えばパルスレーザー光線などのエネルギー光線を使用して精密なパターンを運動中の前記加工物上に形成する加工物の加工に関する。例として、前記加工物は可撓性の基板であってよく、前記加工はレーザー光を使用して、光学的コントラストを有する目盛の付いた可撓性の計測用テープスケールを製造することができる。
【００１０】
特許文献２には、レーザー光を使用してその表面にマーキングする計測スケールの製造が過去に検討されていることが開示されている。特許文献３では、原位置のスケール書き込みまたは校正技術が使用されていることが記されている。マークの書き込みまたは前記スケールに欠陥がある場合の修正にはある基準が使用される。スケールの読み取りおよび書き込みにはレーザーが使用される。前記特許文献２には前記特許文献３がこれを行なう方法を開示せず、かつ熱に関する不具合の克服についても述べていないことを指摘している。
【００１１】
特許文献２はまた、レーザーよって反復される瞬間にマーキングされ、それによって計測用スケールを形成するスケール基板と、前記基板に目盛りマークを形成する光パルスを提供するように作動するレーザーと、前記基板と前記基板に前記光が入射する位置との間で相対移動を生じさせる移動装置と、前記相対移動および前記レーザーを制御するコントローラとを含む装置を用いた計測スケール用の精密なマークの製造の方法であって、この方法は、前記基板と前記光間の相対移動を生じさせるように前記移動機構を操作する工程と、前記コントローラを使用して前記相対移動を制御し、前記基板における光パルスを生成するように前記レーザーを操作する工程とを任意の好適な順番で有するものであって、前記レーザーは、レーザー磨耗によって前記計測スケールのマークを形成するように前記基板に対してあるフルエンスの複数の超短出力パルスを生成することを特徴づけられる、前記方法を開示している。
【００１２】
前記特許文献２公報はまた、レーザー光操作装置、前記基板と前記光が入射する位置との間の移動を検出する移動検出器と、前記スケールにおいて２若しくはそれ以上のマーク間の距離を決定する読取り器とを開示しており、前記方法はさらに、前記移動検出器から前記コントローラまで信号を発行する工程と、前記読取り器からコントローラまで信号を発行する工程と、前記検出器および前記読取り器からの信号に応答して、前記コントローラを使用して前記操作装置、前記移動、および前記レーザーが前記基板を切除する反復される瞬間を制御する工程とを有する。
【００１３】
前記特許文献２の図２において、当該リボン（当該ステーション１００を通じて一定の張力を有する）を送るために使用される２つのピンチローラー２０および２２が示されている。ピンチローラー２０はほぼ一定の速度で駆動されるが、制御可能な電圧供給以外の速度管理を使用する必要はない。ピンチローラー２２は、それに固定された、またはマーキングされた２つの回転エンコーダリング２４を有する。２つの読み取り器２６は、エンコーダマークを読み取って機械コントローラ（図１内２００）に２つの信号を提供することで、両者の平均を使用して前記コントローラにリボン移動値を提供することができる。前記機械コントローラ２００におけるこの平均リボン移動信号をソフトウェアによって使用して、リボンマーキング用レーザー２１の発射を管理する。
【００１４】
特許文献２にはさらに、２若しくはそれ以上の目盛り読取り器からなる装置が開示されており、この例においては２つの読取り器２３ａおよび２３ｂを使用して前記レーザー２１によって生成されている目盛りを読み取る。前記読取り器２３は、所定の距離Ｌを開けて設定することでマーキングのピッチの誤差を決定でき、必要に応じてソフトウェアによるレーザー発射速度を調整できる。したがって、前記レーザー照射部位の温度が若干上昇しても前記読取り器の温度は一定に保たれ、次に前記レーザー光による若干の加熱はレーザー照射部位の目盛りピッチを拡大することで補正される。
【００１５】
特許文献２にも引用されている特許文献４（入手した証明書付き翻訳に基づく）において、レーザーを使用してマーキングする計測スケールの進行方向に対して垂直なマークを得る方法が示されている。図示の通り、この装置は、レーザー発振器と、偏向鏡と、ｆ−θレンズと、駆動装置と、移動装置と、移動卓と、モーターと、エンコーダと、スケール部材と、第１のコントローラと、第２のコントローラとを含む。前記レーザー光線によって照射される位置が前記部材の運搬速度Ｖの方向に対して角度θを形成する方向にＶ／ｃｏｓθの速度で移動するように前記スキャナーを操作するコントローラを装備したスキャナーによって掃引されるレーザー光によって一定の速度でスケール方向に運搬される、目盛りを刻むべき部材の前面を照射することによって目盛り線をマーキングする装置が含まれる。前記装置は、前記レーザー光線によって照射される位置が前記部材の運搬速度Ｖの方向に対して角度θを形成する方向にＶ／ｃｏｓθの速度で移動するように前記スキャナーを操作し、マーキングされるべき目盛り線の開始位置に対応する時点に前記レーザー光線の照射を開始し、前記目盛り線の長さに対応する時間が経過した後にこのレーザー光線の照射を完了するコントローラを装備している。前記レーザー光線の照射開始点は、前記目盛りを刻むべき部材が所定の位置に達する時に出力される位置信号に対応する。前記レーザー光線によって照射される位置は前記目盛りを刻むべき部材の運搬速度Ｖの方向に対して角度θを形成する方向にＶ／ｃｏｓθの速度で移動するので、目盛り線は前記目盛りを刻むべき部材上に前記スケール方向と直交する方向にマーキングされ、前記レーザー光線が偏向鏡によって掃引される方向は前記スケール方向とは直交せず、その代わりに後述の通り所定の角度を形成し、前記第１のコントローラの代わりに第２のコントローラが使用される。さらにこの実施形態は、目盛り盤９を一定速度で継続的に運搬し、前記目盛り盤の運搬速度と、偏向鏡が掃引される速度と、その掃引方向との間に所定の関係を確立し、前記レーザー光線の放射のタイミングを予め定める方法において従来技術の例とは動作的に異なる。
【００１６】
特許文献５には、ラベリング装置およびその方法が述べられている。図８および図１０は、半径データをプロセッサに提供し、モーター駆動の回転速度とロール半径を送り線速度に変換する半径検出器が示されている。代替の光学検出器が登録証を読み取る。
【特許文献１】米国特許第５，６３２，９１６号明細書
【特許文献２】米国公開特許出願第２００５／００４５５８６号
【特許文献３】米国特許第４，９３２，１３１号明細書
【特許文献４】日本特許第５１６９２８６号明細書
【特許文献５】米国特許第５，７４１，３８１号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
光学的計測用スケールおよびそのようなスケールを製造するレーザー式の方法を開示する。特に、本発明者は、熱変形がなく、高解像度および高コントラストの（即ち約１μｍ未満の局所誤差を有する）精密計測用スケール上の目盛りを生成するための、非無秩序加工領域におけるナノ秒パルスレーザーを使用するパラメータおよび装置を見出した。
【００１８】
１態様において、開示の計測用スケールは、金属を含む可撓性の計測用テープスケールである。スケールは、光学的コントラストを有する第１および第２の表面領域を含む。前記第１および第２の領域を分離する縁部に沿った寸法のばらつきは、その構造の幅よりもかなり小さい。前記構造の表面断面は、前記構造を囲む前記表面部分の平均高さよりも上に延びる突起した材料部分と、前記周囲表面部分の平均高さよりも下のくぼんだ材料部分とを含んでもよい。前記突起した材料部分およびくぼんだ材料部分の部位は、およそ等しくてよく、前記構造の形成過程において、溶融によって材料が移動し、前記構造からのかなりの材料の排出が回避される。従って、基板材料の移動は工学的コントラストを来し、しかし移動した材料の量は、前記計測用スケールの可読性を損なう不完全に形成された無秩序な構造の形成を生じさせるほどには大きくない。例として、１つのスケールは、光学的コントラストを有する、その相対深さが約１．５μｍ未満である第１および第２の表面領域によって特徴づけられる２０μｍのピッチを有し、前記第１および第２の領域間の縁部に前記構造の長さに沿って約１μｍ以下のばらつきを有する構造を含む。浅いものであれば１０μｍピッチ、深いものであれば４０μｍピッチのような、より大きな、またはより小さなピッチ構造が、比例した構造寸法を有してもよい。
【００１９】
より具体的には、前記計測用スケールは、その反射性表面上に形成された目盛りパターンを有する金属基板を有する反射型スケールであって、前記目盛りパターンは、前記基板の反射性表面部位によって囲まれた複数の細長い隣接したマークを含む。１実施形態において、各マークは、前記基板の表面の平均高さよりも下の中央領域と、前記基板の表面の前記平均高さよりも上の２つの外側畝領域とを有するほぼ溝状の断面を有し、前記中央および外側畝領域は、約０．５μｍ〜約２μｍの範囲内のマーク深さを規定する。
【００２０】
前記計測用スケールはさらに、レーザーと材料間の熱相互作用によって形成され、前記レーザー波長およびレーザー偏向のうち少なくとも１つに対する依存性をさらに有する微細構造を含んでもよい。各マークの中央領域は、前記マーク深さの約２０％未満の波高さによって波打っていてもよい。前記計測用スケールは、熱的および化学的相互作用のうち少なくとも１つの結果として形成される暗くなった色を有する構造を含み、前記基板の周囲反射性表面部位に対して約１対４以下（例えば１対６）の光学的反射比を提供してもよい。前記スケールは、インバール（Ｉｎｖａｒ）（登録商標）またはインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商用）という商品名によって知られるようなニッケルを基材とした合金の基板上に形成してもよく、薄く細長い可撓性のテープの形態であってもよい。
【００２１】
別の態様において、基板上に良好に形成された構造を生成する高速の方法を開示する。前記方法は、前記基板に一連のレーザーパルスを高い反復数で照射する工程を含む。前記一連のパルスは、前記基板上の関連した一連の空間的に重なった、各々がある強度分布を有するスポット上に衝突し、前記一連の衝突パルスは十分なエネルギーを運んで前記基板の一部を修正し、前記基板の方向反射率を変更し、それによって前記マークと前記周囲基板部分との間に光学的コントラストが得られる。前記エネルギーはまた、不完全に形成された無秩序な構造の形成を生じる範囲の外にある。運ばれたエネルギーは、前記金属を沸騰させる温度まで前記金属を加熱することを回避するほどに十分低い一方、前記金属を溶融させるほど十分に高くてもよい。前記一連のうち少なくとも幾つかの連続したパルス間の時間的間隔は、少なくとも２０ｋＨｚのパルス反復数に対応してもよい。
【００２２】
前記反射率の変化は、前記修正された表面部分内の変色を含んでもよく、化学反応によって生じてもよい。明視野照明を使用して見るとき、前記修正部分内の区画の色は、第１の方向に沿って実質的に均一であってよく、前記第１の方向に実質的に直角な第２の方向に沿ってかなり穏やかに変化していてもよい。前記修正領域および非修正領域のうち少なくとも一方は、反射率の急激な変化が検出可能な細い移行領域を含んでもよく、前記移行領域の寸法のばらつきは、前記移行領域の少なくとも一部に沿った前記修正された表面部分の幅よりもかなり小さくてもよい。
【００２３】
前記加工された部位は、明視野照明を使用して見ることができ、前記修正された部分と修正されていない部分間の光学的コントラストは、（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）で測定でき、少なくとも１０対１であってよい。許容できるレーザー照射（ワット／ｃｍ２）の範囲は、例えば４対１より以上に大きく異なってもよく、そのパルスフルエンスが良好に制御されている限り、許容できる結果を生む。パルス幅もまた、例えば、これもまた４対１を超えて大きく異なってもよい。前記構造のスケールは、部位の加工に使用する重なりパルスの数、および照射のパルス特性、期間、およびフルエンスによって強く影響される。
【００２４】
短パルスレーザー光線について、単一パルスにおける良好に形成された構造を生成するためのエネルギー密度は、およそ溶融閾値であることが確認されている。さらに、急速に重ね合わせた多くのパルスによって、無秩序な過程を惹起せずに比較的大きな構造を生成できる。前記金属の無秩序な分布の生成、またはさらにひどい沸騰の生成を回避するために、各パルスによって滑らかに溶融し、前記レーザーの下を流れる溶融金属の薄膜を形成するエネルギーの量が好ましい。所望の加工パラメータの具体的な例を本明細書内で示す。
【００２５】
前記フルエンスが前記金属基板の溶融閾値を超えて増加すると、複数の連続した重なりパルスによって、前記レーザーの偏光に関連して方向づけられた、およそ前記レーザー波長の微細構造が化学反応による表面の色の変化を伴って形成されることもまた観察されている。エネルギー密度の上昇は前記滑らかな溝構造上の微細構造をさらに鋳なおす。さらに大きなエネルギー密度では、滑らかな溝構造のみが生成される。前記スポット強度の空間的分布は、前記方法の重要な特性であり得ることもまた確認されている。
【００２６】
前記製造方法は、次の繰り返し工程を含む。（１）レーザーからの一連の重なりパルスを前記反射性金属基板の表面の所定のマーク位置に照射することによってスケールのマークを生成する工程。各光パルスは、前記１／ｅ２直径によって束ねられたスポット部位上で約１ジュール／ｃｍ２未満のエネルギー密度を有する。（２）前記スケールの次のマークが生成されるべき前記基板上の次のマーク位置を規定する移動によって、前記レーザーおよび前記基板の相対位置を変化させる工程。線形スケールの場合、前記マークは前記スケールの長軸におおよそ直交する方向に実質的に平行である。前記金属基板はインバール（Ｉｎｖａｒ）（登録商標）またはインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）という商標名によって知られるようなニッケルを基材とした合金であってよく、可撓性のテープの形態をとるほどに十分に薄く細長くてよい。前記方法はまた、放射状に延びるマークを有する回転スケールの製造にも使用できる。
【００２７】
少なくとも１実施形態において、各々が約１０〜４０ナノ秒の範囲内にあるパルス幅（最大半値において測定）と、約０．１〜１Ｊ／ｃｍ２の範囲内にあるエネルギー密度のスポット分布（１／ｅ２直径上で測定）とを有し、少なくとも幾つかのパルスが約１０〜５０回空間的に重なり、約１００ｋＨｚの速度で生成されたレーザーパルスを前記基板に照射することによって、ある構造が生成される。少なくとも１実施形態において、光学的コントラストが少なくとも４対１となる溝状構造が生成される。前記レーザーパルスは、前記構造の長さに対して約０度または約９０度に方向づけられた非円形偏光を用いてもよい。
【００２８】
周知のテープ移送装置は、前記テープの張力を機械的に制御するためにピンチローラーおよび種々の方法をしばしば用いる。これらの方法は、ローラー半径の微小な変動、ボール軸受けの特性、およびガイドローラーとの機械的摩擦によって生じる誤差がその用途にとって問題とならないほど小さい、低精度のテープ移送用途に好適である。しかし精密線刻機械用途である精密計測用スケールの製造には、前記書き込み工程中の機械摩擦の一切の重大な原因を除去することによってのみ得ることのできる高精度が要求される。例えば、規格として、一般に３０メートル以上の長さであっていよい可撓性の金属テープのリール全体について、１０ミクロン／メートル（１０μｍ／ｍ）以上の絶対ピッチ精度を得ることが望ましい。さらに、テープに書き込みを行うとき、前記精度は短期間および長期間の両方について維持されるべきである。これらおよびその他の配慮は、基板を照射してこのような精密計測用の可撓性テープスケールを製造する高速装置の設計には特に関連する。
【００２９】
一般的な１態様において、可撓性の基板を有する加工物を加工する装置および方法を開示する。前記装置は、前記基板材料に作用するように前記材料との相互作用を生じさせるように制御された工具と、前記工具に対して前記可撓性の基板を位置決めする、空気軸受け上に支持された回転書き込み軸とを含む。少なくとも１実施形態において、前記工具は、基板材料に衝突し、前記基板の物理的特性を修正するパルスレーザーを含む。
【００３０】
１態様において、開示の加工物は、少なくとも部分的に金属製であってよい可撓性の計測用テープスケールである。前記スケールは、光学的コントラストを有する第１および第２の表面領域を含む。前記第１および第２の領域を分離する縁部に沿った寸法のばらつきは、前記構造の幅よりもかなり小さい。前記構造の表面断面は、前記構造を囲む表面領域の平均高さよりも上に延びる突起した材料部分と、前記周囲表面部分の平均高さよりも下にくぼんだ材料部分とを含んでもよい。前記突起した材料部分およびくぼんだ材料部分の部位は、ほぼ等しくてよく、前記構造の形成過程において、溶融の結果、材料が移動し、前記構造からのかなりの材料の排出が回避される。従って、基板材料の移動は光学的コントラストを来すが、移動した材料の量は、不完全に形成された、前記計測用スケールの可読性を損なう無秩序な構造を形成するほど大きくはない。例えば、１スケールは、光学的コントラストを有する第１および第２の表面領域によって特徴づけられる２０μｍのピッチを有する構造を含み、前記第１および第２の表面領域の相対的深さは約１．５μｍ未満であって、前記第１および第２の領域間の縁部に前記構造の長さに沿って約１μｍ以下のばらつきを有する。浅ければ１０μｍのピッチ、深ければ４０μｍのピッチのような、より大きな、またはより小さな構造が比例した構造的寸法を有してもよい。
【００３１】
より具体的には、前記計測用スケールは、その反射性の表面上に形成された目盛りパターンを有する金属基板を有する反射型スケールであってよく、前記目盛りパターンは、前記基板の反射性表面部位によって囲まれた複数の細長い隣接したマークを含む。１実施形態において、各マークは、前記基板の表面の平均高さよりも下の中央領域と、前記基板の表面の前記平均高さよりも上の２つの外側畝領域とを有するおおよそ溝状の断面を有し、前記中央領域および外側畝領域は約０．５μｍ〜約２μｍの範囲内のマーク深さを規定する。
【００３２】
上述の方法で製作された計測用スケール、および前記方法を実行する装置を開示する。１実施形態において、前記計測用スケールは反射型回折格子であってよい。
【００３３】
１態様において、可撓性の金属基板上に計測用スケールを生成する装置を開示する。前記装置は、それによってスケール目盛りを形成する、前記基板材料を修正する制御可能なエネルギー源と、前記エネルギー源から放射されたエネルギーが前記基板に衝突する位置に対して前記基板を位置決めする、空気軸受け上に支持された回転書き込み軸と、前記基板に放射されるエネルギーの供給を調整するために前記軸部および前記エネルギー源に連結された少なくとも１つのコントローラとを含む。
【００３４】
少なくとも１実施形態は、可撓性の基板上に計測用テープスケールを生成する装置を含む。前記装置は、パルスレーザー源と、原エネルギーを受け取り、前記可撓性の基板にエネルギーを供給する光線供給装置と、各々がそれぞれの空気軸受け上に支持され、また前記基板の少なくとも一部を支持する入力軸と出力軸間の精密書き込み軸と、前記エネルギー光線が前記基板に衝突する位置に関連する少なくとも１つのパラメータを監視する１若しくはそれ以上のプローブと、少なくとも前記１若しくはそれ以上のプローブから得た情報に基づいて、前記基板の動きを前記基板へのレーザーエネルギーの供給と調整する少なくとも１つのコントローラとを含む。
【００３５】
少なくとも１実施例において、前記回転書き込み軸は、前記基板と、前記基板上に前記エネルギーが入射する位置との間の相対移動を生じさせ、前記軸部は、前記基板から熱を放散させるように、前記基板へのエネルギーの供給のかなり前後に亘って（前記基板に対して）固定され、前記基板と熱的および機械的に密接に接触し続ける。前記装置は、前記基板を固定し、その過剰な加工熱を放散させるための大きなドラムを前記軸部上にさらに含んでもよい。
【００３６】
前記装置はまた、前記可撓性の基板を支持する入力リールと、前記入力リールに結合した、前記入力リールおよび基板を回転自在に支持する送り軸とを含んでもよく、前記入力軸は空気軸受け上に支持され、前記可撓性の基板の一部を前記書き込み軸に移送するように作動する。
【００３７】
前記装置はまた、前記基板を支持する出力リールと、前記出力リールに結合した出力軸とを含んでもよく、前記出力軸は空気軸受け上に支持され、前記エネルギーが前記基板に供給された後に前記可撓性の基板の一部を受け取るように作動する。
【００３８】
各軸に連結されたそれぞれの軸エンコーダのうち少なくとも１つは、前記少なくとも１つのコントローラによって前記軸部の動きを制御するための、前記軸部の動きに関連する信号を生成する。
【００３９】
前記少なくとも１つのコントローラは、例えば少なくとも前記書き込み軸に関連した軸部位置、速度、加速度、またはトルク情報のような、前記書き込み軸からの検出情報に応答して制御信号を提供することができる。
【００４０】
前記装置は、少なくとも前記書き込み軸の半径の偏差を検出するために、前記書き込み軸の表面を測定し、また前記書き込み軸の半径および軸部上に支持された前記基板の一部の厚みを含む偏差を検出し、前記少なくとも１つの半径に関連した信号を提供する、非接触型半径測定プローブを含んでもよい。
【００４１】
前記半径測定プローブは、例えばインバール（ＩＮＶＡＲ）（商標）のような、かなり低い熱膨張の係数を有する部材によって結合された第１および第２の容量検出器を含んでもよく、前記第１の検出器は前記軸部の中心付近の表面を検出し、前記第２の検出器は、前記軸部および前記軸部によって支持されたテープの半径が測定可能な表面を検出し、前記第１および第２のプローブからの信号は安定性の高い差動半径測定値を提供する。
【００４２】
前記半径プローブは、前記部分を照射する以前の期間中、および前記部分が前記書き込み軸によって位置決めされる期間中に表面を検出することができる。
【００４３】
前記基板に衝突する前記エネルギー光線の位置に関連するかもしれない短期および長期変動の両方を補正するために、前記半径測定プローブによって提供される信号から制御信号を導き出すことができる。
【００４４】
少なくとも１実施形態において、前記少なくとも１つのプローブは、温度プローブと、半径検出器と、複数の光学エンコーダまたは単一の光学エンコーダとを含んでもよい。
【００４５】
少なくとも１実施形態において、各軸部は、それぞれの軸部コントローラに動作可能に接続されてもよく、各コントローラは速度制御モードで動作し、前記軸部の速度を表す出力を生成し、また前記軸部を駆動する駆動モーターのトルクを表す出力を生成する。
【００４６】
少なくとも１実施形態は、前記書き込み軸および前記書き込み軸によって支持されたテープの組み合わさった半径を推定する手段と、前記推定手段に動作可能に接続された、前記基板の移動中に前記基板の張力を制御する張力制御手段とを含んでもよい。
【００４７】
少なくとも１実施形態は、可撓性の基板上に計測用テープスケールを生成する装置を含む。前記装置は、パルスレーザー源と、原エネルギーを受け取り、前記可撓性の基板にエネルギーを供給する光線供給装置と、各々がそれぞれの空気軸受け上に支持され、また前記基板の少なくとも一部を支持する、入力軸および出力軸間の精密書き込み軸と、前記エネルギー光線が前記基板に衝突する位置に関連する軸部半径を監視する、非接触型半径測定プローブと、少なくとも前記１若しくはそれ以上のプローブから得た情報に基づいて、前記基板の移動を前記基板への前記レーザーエネルギーの供給と調整する、少なくとも１つのコントローラとを含む。前記計測用スケールは、前記可撓性の基板にレーザーパルスを照射することによって生成され、各パルスは、約１０〜４０ナノ秒の範囲内のパルス幅（最大半値において測定）と、約０．１〜１Ｊ／ｃｍ２の範囲内のエネルギー密度を有するスポット分布（前記１／ｅ２直径上で測定）とを有し、少なくとも幾つかのパルスは約１０〜５０回空間的に重なり、前記パルスは約１００ｋＨｚ以上の速度で生成される。少なくとも１実施形態において、少なくとも４対１の光学的コントラストを来たす溝状構造が生成される。前記レーザーパルスは、前記構造の長さに対して約０度または約９０度に方向づけられた非円形偏光を用いてもよい。少なくとも前記書き込み軸の半径の偏差を検出し、また前記書き込み軸の半径および軸部上に支持された前記基板の一部の厚みを含む偏差を検出するために前記書き込み軸の表面を測定し、前記少なくとも１つの半径に関連する信号を提供する前記非接触型半径測定プローブが使用される。前記半径測定プローブは、例えばインバール（ＩＮＶＡＲ）（商標）のような、かなり低い熱膨張係数を有する部材によって結合された第１および第２の容量検出器を含み、前記第１の検出器は前記軸部の中心付近の表面を検出し、前記第２の検出器は、前記軸部の半径および前記軸部によって支持されたテープが測定可能な表面を検出し、前記第１および第２のプローブからの信号は、安定性の高い差動半径測定値を提供する。その結果として得られる計測用スケールは、１０〜５０μｍの基準ピッチを有し、約１０μｍ／メートル以上のピッチ精度および光学エンコーダに使用するに十分な光学的コントラストを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下の説明には、明瞭にし、かつそれに限定しないことを意図した簡単な説明が提示された一定の用語が使用される。前記説明は、「無秩序な」構造を参照し、「無秩序」とは一般に、レーザー衝突の位置において形成される物質の無秩序なまたは混乱した塊、または混合物によって特徴づけることのできる観察可能な構造を参照する。例として、このような無秩序な構造は不均整な形状およびばらつきのある反射率を有する溶融材料の集合であるかもしれない。「非無秩序」または「良好に形成された」構造は、例えば滑らかな測定可能な空間的断面を有する領域、または所定の方向に沿って均一な色の均整のとれた領域を有する擬似周期的空間的断面であってよい。「溝」または「溝状」構造とは、場合によってはＵ字形状またはＶ字形状の断面のどちらかを示す、周囲の面からくぼんだ比較的細長く浅い形状を有する。「エネルギー密度」および「フルエンス」は、下記のようにして計算される、目標位置に衝突する単位面積当たりエネルギーを参照する同義語である。特に指定のない場合は、前記エネルギー密度および前記計算に使用されるスポット直径は、例えば楕円形ガウシアンであってよいスポット（または光線）強度分布の１／ｅ２（最大強度の１３．５％）直径に対応する。パルス「反復数」または「反復周波数」とは、一般にＨｚで表す１秒当たりのパルスの数を指す。例えば、１０ｋＨｚは毎秒１０，０００パルスである。応答パルス時間間隔とは、前記パルス反復数の逆数であり、一般に２つの連続したパルス間の時間間隔を指す（即ち、「瞬間的」反復数の逆数と捉えてよい）。光学的コントラストを有する面領域を分離する「縁部」についても参照される。縁部とは、線または反射率の急激な変化が生じる狭い領域によって定義される。例えば、前記縁部は反射率の測定可能な変化が最大となる位置に見出される。
【００４９】
ここで図１を参照して、線形の計測用スケール１０は、複数の細長い直線の目盛りマーク１４が形成された金属基板１２を含む。前記基板１２は、インバール（Ｉｎｖａｒ）（登録商標）およびインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）という商標名で知られるようなニッケル合金である。１実施形態において、前記基板１２は可撓性のテープまたはその一部であってよく、代替の実施形態において、前記基板１２は実質的に硬質であってもよい。前記目盛りマーク１４は一般に、下記のようにレーザー式の方法を使用して形成された浅い表面くぼみを含む。実施形態によっては、前記マーク１４は畝または波状面の部位として見えるかもしれない、くぼみおよび突起の「微細構造」を含む。一定の実施形態において、たとえば前記スケールの構造の長さ方向または幅方向に沿ってほぼ周期的な表面粗さ断面を有する波状面の部分が生成されてもよい。前記目盛りマーク１４は、前記基板１２の互いに入り込んだ非加工面部位１６による所望の高い光学的コントラストを提供するように形成される。このコントラストは、ある程度は前記目盛りマーク１４の起伏に起因する方向反射率の変化によって、ある程度は以下に詳述するように前記レーザー加工の結果前記目盛りマーク１４の表面の変色を誘発することによって達成される。
【００５０】
図１にはまた、以下に述べるスケール１０の方向を示すのに都合のよい１組の座標軸１８も示す。そのＹ方向は前記目盛りマーク１４と平行に延び、そのＸ方向は前記目盛りマーク１４と直角に前記スケール１０に亘って延びており、そのＺ方向は前記基板１２の表面から延びている。
【００５１】
図２は、図１のスケール１０を製造するために使用できる装置を示す。前記基板１２は、加工中に前記基板１２を固定することのできる作業面２０上に配置されている。前記作業面２０が、例えば前記基板１２をＸ方向に移動して間隔を開けた目盛りマーク１４を生成するように、前記加工装置の残りの部分に対する前記基板１２の移動を提供することもまた望ましいかもしれない。前記基板の移動は、例えば硬質の基板を位置決めする併進または回転機構のような好適な移動機構を使用して、または可撓性の基板を位置決めするテープ送り用、書き込み用、および巻き取り用のそれぞれの軸部、または下記のようなその他の好適な機構を用いて実行できる。
【００５２】
前記目盛りマーク１４は、光線供給装置２４およびレーザー２２の組み合わせによって前記基板１２上に形成される。前記光線供給装置２４は、入射光線２６−１として示されたレーザー源エネルギーを受け取り、一般に前記レーザーエネルギーの空間的および／または時間的分布を修正し、前記基板１２に（出力光線２６−２として示された）レーザーエネルギーを選択的に方向づける。例えば、前記光線供給装置２４は、所望のアスペクト比の楕円断面を有する光線２６−２を形成するためのアナモルフィック光学系を含んでもよい。前記光線供給装置２４はまた、前記入射光線２６−１を操縦して（偏向させて）前記基板１２に向けられた前記出力光線２６−２を形成し、加工中に前記出力光線２６−２をＹ方向に走査または掃引して各目盛りマーク１４を形成するために使用されるガルバノメータ駆動ミラーまたは同様の装置をも含んでもよい。前記光線供給装置２４は、前記基板１２に供給されるべきレーザーパルスを選択し、前記出力光線２６−２の出力を制御するための、例えば音響光学変調器のようなコンピュータ制御された変調器を含んでもよい。前記光線供給装置２４はまた一般に、好ましくは回折限界に近い性能を有し、パルスレーザー光線を集束させて前記基板１２の表面上にスポット強度分布を形成する集束サブシステムをも含む。下記により詳しく述べるように、各目盛りマーク１４は、Ｙ方向に重なった、各々が少なくとも１つの対応する集束したスポット強度分布を有する一連のパルスを前記基板１２の表面に印加することによって製作される。前記レーザー２２および前記光線供給装置２４の動作、並びに前記作業面２０の移動（適用される場合）は全て制御回路２８によって制御される。
【００５３】
材料のレーザー加工における楕円スポット形状の使用は当該技術において既知である。米国特許第６，６３９，１７７号明細書および第６，７７７，６４５号明細書に例が示されており、図１３ａ〜図１３ｃに３つの手順の楕円スポットが示されている。図１３ａは丸い角を有する目標に使用する第１の手順を示し、図１３ｂは四角い角を有する目標に使用する第２の手順を示し、図１３ｃは前記目標材料に一連の平行線を加工するときに使用する手順を示す。一般に、前記マーク１４として細長いマークを製作するために楕円形スポットを用いる時には材料を加工できる速度を増加する。
【００５４】
図３は前記スケール１０の製造過程全体を図示する。工程３０において、前記制御回路２８は前記レーザー２２および光線供給装置２４に、前記基板１２の表面に高パルス反復数で一連のパルスを照射させる。前記レーザー２２からの出力光線２６−２は、前記パルスが以下により詳細に述べる所望の量で重なるように、前記パルスと同期してＹ方向に走査される。この走査を達成するために、前記光線２６−２は前記制御回路２８に制御されながら、前記光線供給装置２４内の光線偏向装置によって掃引される。図３の工程中、工程３２において、前記制御回路２８は、前記レーザー光線を次に引き続いて製作される前記目盛りマーク１４の位置に方向づけるように前記出力光線２６−２（この時には消灯しているか、減衰しているか、さもなければ遮断されている）と前記基板１２との間の、Ｘ方向の相対移動を生じさせる。図示の通り、工程３０および工程３２は前記基板１２上に形成されるべき各目盛りマーク１４について繰り返される。
【００５５】
工程３０において、スポットの重なり量および目盛りマーク１４毎のパルスの数は、各目盛りマーク１４の所望の長さ、前記基板の表面におけるスポット光線の有効直径、前記基板表面におけるスポット光線内のエネルギー分布、および深さおよび着色などの前記目盛りマーク１４の所望の特性を含む多くの要因によって異なる。幾つかの具体的な例を以下に示す。前記パルス反復数は主に、前記工程の処理能力、即ち、前記基板１２上に前記目盛りマーク１４が形成される速度に影響する。例えば、最新のＱスイッチ型ダイオード励起固体レーザー２２は数十ｋＨｚから数百ｋＨｚの範囲内の最大数でパルスを生成できる。前記パルス化を前記光線供給装置２４の走査と同期する必要性から、任意の特定の工程において前記パルスレートが前記レーザーの最大数未満であってよいことが理解されるであろう。もしくは、前記レーザー２２は、そのおよそ最大数（出力パルス幅およびエネルギーの必要条件と一致して）で動作でき、パルス数を選択するために、前記光線供給装置２４内のコンピュータ制御された変調器を使用することができる。また、前記光線２６−２のＹ方向走査と、前記作業面２０の前記光線２６−２との間（訳者注１）のＸ方向の相対移動との間において更なる同期が必要であるかも知れず、このような同期はまた前記パルスレートの選択に影響する可能性がある。
【００５６】
図４は、使用できる２つの異なる走査およびＸ方向移動パターンを図示する。図４（Ａ）は、全ての目盛りマーク１４が１方向への走査によって形成されることを示す。このような場合、前記光線２６−２を次のマーク１４の開始位置に運ぶために、所定のマーク１４の完了時点で、Ｘ方向に移動し、かつ前記レーザー光線を（消灯している間に）Ｙ方向に引き返すことが必要となる。図４（Ｂ）には、マーク１４間で前記光線２６−２の引き返しが必要とならないように、逆Ｙ方向における交互の走査線を伴う代替案が示されている。一般に、図４（Ｂ）の代替方式がより高い加工処理能力を提供するであろう。
【００５７】
図５〜図６は、１実施形態による前記基板１２の表面における前記光線２６−２の空間的形状および強度の断面を図示する。図５に見られるように、前記光線２６−２はアスペクト比が約４対１の楕円形状を有するスポット３４を形成する。その陰影部は、図６のプロット図にも示される相対強度を示す。図６（Ａ）は、比較的狭いＸ方向の強度断面を示し、図６（Ｂ）はより幅広いＹ方向の強度断面を示す。本明細書内において、この断面は「ガウシアン」として参照される。そのピーク強度はＰＫとして表され、ＰＫ／２およびＰＫ／ｅ２の量も示されている。ＰＫ／２におけるパルスの幅はＸおよびＹの両方向における「最大半値光線幅」（ＢＷＨＭ）として示されている。ＰＫ／ｅ２における光線幅は単に「光線幅」またはＢＷとして示されている。ＰＫ／ｅ２における光線幅は、ＩＳＯ規格ＩＳＯ／ＴＲ１１１４６−３ナイフエッジ法に述べられた方法によって測定される。
【００５８】
図７は、最大半値の時間的パルス幅（ＰＷＨＭ（Ｔ））および２＊ＰＷＨＭ（Ｔ）として定義される時間的パルス時間ＰＷ（Ｔ）によって特徴づけられる前記スポット３４の強度の時間的分布を示す。異なるパルス時間ＰＷ（Ｔ）の幾つかの例が以下に述べる例として示される。
【００５９】
前記スポット３４はこのように、所定のマーク１４を形成する一連の重なったスポットの１つである楕円照射部位である。１実施形態において、前記スポット３４はそれぞれ約２０μｍおよび６０μｍの空間的寸法ＢＷ（Ｘ）およびＢＷ（Ｙ）を有する。より一般的には、楕円スポットのアスペクト比は約２対１〜６対１の範囲内であってよい。楕円スポット形状は、特に前記レーザー２２の高反復数との組み合わせにおいて、前記スケール１０の改善された生産速度を提供する。しかし、代替の実施形態においては、例えば円形など他のスポット形状を使用してもよい。
【００６０】
図８は、前記光線２６−２のパルス化およびＹ方向走査の結果であるマーク１４の概略図である。各曲線３６は、単一パルスについての前記基板１２上の前記スポット３４の衝突の楕円部位の一端を表し、一連の曲線３６は、前記レーザー２２のパルス化および前記光線供給装置２４によるＹ方向への同時走査に起因する前記スポット３４の衝突の連続部位を表す。図示の通り、前記連続衝突部位は、重なり量３８によって分離され、その例が以下に示される。図示された実施形態においては１０μｍであるマーク幅３９もまた図示されている。
【００６１】
１例において、１．５ワットのレーザー出力光線２６−２が前記基板１２の表面において約１７５０回パルス化されて、約１００回重なった１ｍｍ長のマーク１４が完了する（即ち、前記スポット高さＰＷ（Ｙ）の１／１００に等しい重なり量３９を有する）。このように１ｍｍ長の目盛りマーク１４は毎秒約５０〜８０回の速度で、即ち、１７５ｋＨｚの反復および次の開始位置への引き返しにおける１７５０個のパルスで生成できる。
【００６２】
前記マーク１４を形成するためには、一般にパルス毎に溶融した金属の薄膜を形成するエネルギー量を供給し、前記金属の無秩序な分布の生成を回避することが望ましい。このように、前記金属の噴出や沸騰があるべきではない。１／ｅ２の直径上で約０．５〜１Ｊ／ｃｍ２のパルスエネルギーおよび１００ｋＨｚを超え、好ましくは１００〜２００ｋＨｚのパルスレートで約５０〜１００個のスポットの重なりを有する下記の種類の赤外線（ＩＲ）レーザーを使用して、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）、ステンレス鋼などの被覆されていないニッケル合金上に良好に形成された構造が形成される。
【００６３】
図９は、種々の加工パラメータを使用して製作された目盛りマーク１４の組の多くの画像を示す。前記マークは約１０μｍ幅であり、２０μｍのピッチで間隔が開いている。前記画像は明視野照明を使用して顕微鏡によって得られた。前記構造を形成するために使用されたレーザーは、１０６４ｎｍの赤外線波長において５〜５０ｎｓのパルス時間を有する高速（１００ｋＨｚ以上）の動作に好適な、Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ＢＬ６赤外線（ＩＲ）レーザーである。代替として使用できるレーザーは、５００ｋＨｚにおいて動作可能なＳｐｅｃｔｒａ  Ｐｈｙｓｉｃｓ社によって販売されている「Ｖ−ＸＴＲＥＭＥ」レーザーである。前記レーザー光線については、マサチューセッツ州Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ市のＣａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社によって製作されたＸ−Ｙガルバノメータ式ミラー装置、型式６４５０を使用して偏向した。これらの例において、基板材料は、線形格子に関する良好な機械特性、高硬度、良好な光沢、およびコイル成形適性を有するニッケル合金である、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）６２５であった。この材料は、ほぼ以下の構成を有する。
Ｎｉ                ６０％
Ｃｒ                ２０％
Ｆｅ                ５％
Ｍｏ                １０％
その他             ５％
【００６４】
マーキング以前の前記基板の表面粗さＲａは１マイクロインチ（０．０２５４μｍ）以下であることが指定された。Ｒａは、幾つか存在する表面粗さの規格の１つである「単純平均」表面粗さである。Ｒａは評価長さに対する表面粗さ断面の絶対値の積分として定義され、したがって前記粗さの表示については無視した。
【００６５】
図９の例の加工パラメータについては下記表１Ａおよび表１Ｂに要約した。前記例は図９に表された文字（Ａ）〜（Ｊ）によって参照される。下記の列見出しが使用される。
偏光                                   レーザー光線の偏光の方向
ＰＷＨＭ（Ｔ）                   最大半値出力点間のパルス幅（時間）
相互作用時間                      ＰＷＨＭ（Ｔ）の２倍の値、ほぼ総パルス時間
Ｅａｖｇ                             相互作用時間中の平均光線照射（メガワット／ｃｍ２）
ｆａｖｇ                            相互作用時間中の平均光線フルエンス（エネルギー密度）（ジュール／ｃｍ２）
パルスレート                      基板を照射するパルスの反復数（ｋＨｚ）
レーザー出力                      レーザー平均出力設定（ワット）
エネルギー／パルス             単一パルス内のエネルギー（マイクロジュール）
スポットサイズ                   基板におけるスポットの寸法（ＩＳＯ１１１３４、ナイフエッジ法によって測定されるようにピーク強度の１／ｅ２にて測定）
重なったパルスの数            パルスレート×Ｙ方向スポットサイズ÷速度によって定義される重なったパルスの数
速度                                   Ｙ走査中のスポットの線速度
【表１Ａ】
2009511276.tif 000003
【表１Ｂ】
2009511276.tif 000004
【００６６】
Ａ例およびＢ例は、非常に短い相互作用時間の間に供給されたパルスエネルギーの過剰な量によって生じた大きな凍結金属のスプラッシュ構造を有する「沸騰」効果および「凍結」効果とでも呼ぶべきものを示している。前記目盛りマークは、前記基板をその溶融点よりもかなり高くまで加熱することに起因すると考えられる無秩序で不均整な構造を有する。これらマークの不揃いな縁部は不明瞭な格子を生成し、従ってこれらが反射光学信号内に生成するであろう雑音のために、これら例は、高分解能光学エンコーダにおける使用にはあまり好適ではない。これら例は、本明細書内において「裂け」として参照する、前記材料表面を過剰に乱す前記パルスの大きなフルエンスによって生じる不斉な生地を示している。この裂けは、下記の精細で均整の取れた微細構造とは異なる現象であると考えられる。
【００６７】
Ｃ例は、より長い２００ｎｓの相互作用時間に亘って著しく低い０．０３０ワットのレーザー出力、並びにより多く重なったパルスの数を用いている。そのスポット形状は、円形であり、その全体的なパルスエネルギーはＡ例およびＢ例のそれと同様である。図９Ｃに見られるようにその目盛りマーク１４は、横断方向の筋を示すものの、Ａ例およびＢ例の無秩序を有しない比較的深い溝である。Ｃ例のマークはまた、暗い茶色でもある。Ｃ例を製作するために使用される方法は大変遅く、従って製造の観点から実際的ではないかもしれない。また、前記暗い領域の不均一性は有用ではあるものの最適ではない。
【００６８】
Ｄ例は、かなり高いパルスエネルギーおよび比較的短い相互作用時間で製作され、２つのパルスのみが重なっている。この例は、微細構造を殆ど有さず、その代わりに大きく不斉な「裂け」を有する。前記不斉さ、および前記マークとその周囲の非加工基板との間の比較的不十分でおよび／または雑音の多い光学的コントラストのために、光学エンコーダにおける使用には望ましくないかもしれない。
【００６９】
Ｅ例〜Ｇ例は、１μｍよりもはるかに小さな偏差を有する高品質な縁部の鮮明度を有し、Ｆ例およびＧ例の微細構造領域においてさらなる反射率の低減を伴う優れた光学的コントラストを提供する。これらマークは、精細な縁部品質、良好な加工制御および滑らかな金属を提供する能力、および化学的に反応した変色、および前記基板の少なくとも１つの光学的特性（例えば方向反射率）をさらに変化させる微細構造において特有である。ほぼ近赤外線波長の表面ばらつきを有する前記微細構造は、一般に入射光を拡散さることでより高いコントラストを提供する。Ｅ例は、微細構造および変色をほとんど伴わない比較的滑らかな「溝」構造（以下に説明）を示している。Ｅ例において、そのレーザー偏光は「縦」、即ちそのマーク１４に平行である。Ｆ例およびＧ例は、より低いパルスフルエンスおよびより大きなパルスの重なりによって製作されており、Ｆ例は縦偏光を有し、Ｇ例は横偏光を有する。溝化および茶色化が明らかで、前記微細構造が偏光の方向に従っている。
【００７０】
Ｈ例もまた、縦偏光および幾分低いパルスエネルギーを有し、青色を帯びている。
【００７１】
Ｉ例はＧ例に類似しているが、より高い照射レベルで生成されている。Ｊ例は、低フルエンスおよび約２０ＭＷ／ｃｍ２の照射において、最小限の溝化を伴って茶色化および微細構造化が生じることを立証している。深い構造が望ましくない場合、これらのより平坦な構造が有用であるかもしれない。
【００７２】
全般的に、１０ｎｓ未満のパルス周期および約１Ｊ／ｃｍ２よりも大きなパルスフルエンスは金属を沸騰させ、および噴出させ、Ａ例およびＢ例にみられるような不揃いな形を生成するようである。その他の例によって立証されるように、約５０ＭＷ／ｃｍ２未満の照射および２５よりも多いスポットの重なりにおいて、前記無秩序な反応は排除され、滑らかな畝および溝構造が形成される。以下に示すようなこれらの例の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による分析から、材料はほとんど除去されておらず、むしろ材料は主に前記マークの中央から両側へ移動したと見られる。その結果としての構造は、コントラスト検出回折エンコーダと良好に働くようである。これら構造の軸上反射の低下は、少なくとも部分的には、軸上検出器の狭い視認範囲から外して光を反射させるその溝形状に起因すると考えられる。これは、以下により詳細に述べるように、より良好に機能する例についての一般的な基本構造である。
【００７３】
さらに、約１０ＭＷ／ｃｍ２〜５０ＭＷ／ｃｍ２の照射および約５０以上に増加したパルスの重なり数によって、さらなる現象が生じる。先ず、前記材料は、前記マークと前記周囲の非加工基板との間の光学的コントラストを増加させるのに望ましい、さらに低減した反射率を有することのできる茶色をした表面のかなりの領域を創り出す。さらに、光を拡散して反射させると見られる前記溝／畝構造上の茶色表面に、前記微細構造が形成される。２〜３Ｊ／ｃｍ２の範囲内のパルスフルエンスによって、前記溝構造が前記ＢＷの方に延びたことが観察された。約１Ｊ／ｃｍ２未満のフルエンスおよび５０ＭＷ／ｃｍ２以下のＥａｖｇにおいて、前記溝幅は前記スポットのＢＷＨＭ（Ｘ）寸法とほぼ同一であった。照射対光線幅曲線（図６Ａ）のより急峻な勾配は表面吸収される光線出力における所定のばらつきに対して前記マークのより小さな寸法ばらつきを生成するので、後者の方がより望ましい加工点である。
【００７４】
図１０は、図９のＧ例の微細構成を図示した原子間力顕微鏡画像である。図１０（Ａ）の画像において、そのより暗い部位４０は溝状のマーク１４のより深い中央部位を表し、そのより明るい部位４２は前記マーク１４の外側縁部を表し、その中間色調の部位４４は前記マーク１４間の非修正表面部位１６を表している。図１０（Ｂ）は、横断面の起伏を図示している。前記外側縁部４２は実際には前記非修正表面部位１６よりも高いことが観察されるであろう。前記マーク１４を形成するための表面溶融を誘起するこの加工の性質によって、前記基板１２からは実際には材料がほとんどまたは全く除去されない。むしろ、その材料はより暗い部位４０によって表された前記より深い部位から前記より明るい部位４２によって表された前記外側縁部に移動している。前記より深い部位４２から前記より高い縁部部位４４までのピーク間距離４６は約２．０μｍ以下である。
【００７５】
図１１は、左上から右下に傾いて示された、前記マーク１４の１つの拡大図を示すＧ例の、別の原子間力顕微鏡画像である。上記参照した「微細構造」は、交互の光および暗い帯によって示された１組の横畝４８として視認される。前記畝部４８の周期またはピッチは約１μｍであり、それらのピーク間高さはおよそ３０ｎｍである。前記畝部４８は、Ｂｕｅｒｌｅ著、「Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ａｎｄ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」と題された本の、具体的には不安定性および構造形成に関する第２８章に記述されたような前記作業表面におけるレーザー光線の干渉に起因する選択的吸収の現象であると考えられる。これら微細構造は、前記例に図示されたように、そのレーザーの線形偏光によってさらに影響される。円形偏光は微細構造をほとんど生成しない筈である。
【００７６】
図１２は、そのマーク１４の望ましい均斉さおよび滑らかで真っ直ぐな縁部を示す図９のＥ例の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図１３は、前記マークの非加工反射面４４と、反射の少ない中央部位４０と、縁部部位４２とを有するこれらマークの横方向の寸法を図示する。図１３はまた、前記マークの幅と前記レーザー光線の幅間の関係をも示す。前述のように、より良好な例において、前記マーク１４の幅は前記スポット３４のＢＷＨＭにほぼ等しい。
【００７７】
図１４は、図９の例（Ａ）〜（Ｊ）について、スポット強度または照射（ＭＷ／ｃｍ２で表す）対相互作用時間（ｎｓで表す）を表すデータ点のグラフを示す。これらの量の積が、Ｊ／ｃｍ２で表す総エネルギー密度またはフルエンスである。５０、５２、および５４の３つの線はそれぞれ０．５Ｊ／ｃｍ２、１．０Ｊ／ｃｍ２、および２．０Ｊ／ｃｍ２の等価フルエンス曲線を表す。
【００７８】
図１５は、同じ例についての照射対フルエンスのグラフである。約１．４Ｊ／ｃｍ２未満のフルエンスは滑らかな溝構造を生成する一方、より高いフルエンスはより乱れた裂け様の構造（裂け）を生成する。Ｃ例およびＥ例〜Ｊ例を含む「有用」と分類された区画内に入る例は、格子または光学エンコーダのためのその他の光学的要素を作製するのに有用であると考えられる。これらのうち例Ｃ、Ｆ、Ｇ、Ｉ、およびＪは、前記溝上に茶色の変色および偏光に関連した微細構造を示す。これらの例のための照射は１０〜４０ＭＷ／ｃｍ２の範囲内に入る。照射が約９ＭＷ／ｃｍ２であるＨ例は青色を示す。
【００７９】
さらに、「より良好」と分類された区画内の例は、主にＣ例の裂けとは対照的なその滑らかさのために光学的目盛りマークとしてのより良好な性能を提供できると考えられる。これら「より良好」な例のうち例Ｆ、Ｇ、Ｉ、およびＪは、比較的色の付いていないＥ例およびＨ例の青色とは対照的な望ましい茶色化を示しているので、最良であると見られる。異なるレーザーによって生成されたレーザー特性のその他の組み合わせもまた、これらの望ましい効果を生成できる。例えば、代替の波長は異なる吸収特性を有し、異なるフルエンスおよび重なりの結果をもたらすことができる。
【００８０】
図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）はそれぞれ図９のＧ例およびＥ例のＳＥＭ画像を示す。これら画像はそのマーク１４に関して起こる可能性のあるばらつきを立証している。具体的には、Ｇ例のマーク１４（図１６（Ａ））は微細構造の畝部４８を含むのに対して、Ｅ例のマーク１４（図１６（Ｂ））はかなり滑らかで、微細構造をほとんど全く示していない。
【００８１】
開示の技術の利点の１つは、例えばその非常に小さなピッチ内、例えばマーク１４の幅の１０％内に収まるほどに非常に真っ直ぐな長い縁部を有するマーク１４を得る能力である。また、前記マーク１４を約１．５〜２μｍ未満の比較的均一な深さで形成することができる。さらに、開示の技術は、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）またはインバール（Ｉｎｖａｒ）（登録商標）などのメッキされていないニッケルを基材とした基板１２、および約１Ｊ／ｃｍ２未満のパルスエネルギーを用いることが好ましいことは理解されるであろう。開示の技術によって生成された構造は、耐久性が高く、化学物質および磨耗に対して耐性が高い。
【００８２】
本開示の技術は、より小さなまたはより大きな光線スポットに利用できる。任意の特定のレーザー加工装置において、その最小スポットサイズは通常、前記光線供給装置２４の集束能力によって決定され、その最大スポットサイズはそれに要求される出力密度および前記レーザーの最大出力によって決定される。一般に、前記光線スポットの幅を増加することにより、より幅広いマーク１４を得ることが可能である。しかし、同様の出力密度を得るためには、それに応じて前記レーザー出力を増加する必要があり、従って、最大レーザー出力に基づいた前記マーク１４の幅には実際的な限界がある。より幅広いマーク１４を達成するための代替方法として、複数のより細いマークを、非加工部位１６が全く介在しないように互いに直接隣接させて作製することができる。このような加工法の例を、工学エンコーダのための複数列の格子の向上としての「暗くなった部位」の生成において以下に示す。
【００８３】
図１７は、個別に検出される複数列を用いた光学エンコーダの１構成を図示する。前記エンコーダは、２つの光源５２−１および５２−２（垂直共振器表面発光ダイオードレーザー（ＶＣＳＥＬｓ）など）とそれに対応した検出器５４−１および５４−２とを配置した基板５０を含む。前記基板５０は、その上に個別の目盛り／格子またはその他の光学的要素が形成された反射型スケール基板５６に対向して配置されている。このような基板５６の例は、以下の図１８を参照して説明される。
【００８４】
図１７にはまた、そのそれぞれの光源５２−１および５２−２からの光が前記それぞれの検出器５４−１および５４−２に達するまで進む２つの光路５８−１および５８−２が示されている。特に指向性の高いＶＣＳＥＬ源の場合、前記光路５８−１および５８−２が前記光源５２−１および５２−２からの光が進む支配的な経路であるが、前記光源５２−１および５２−２からの光はまた、一般に、前記光源５２の双方から前記非対応検出器５４への経路を含む、その他のより２次的な性質の経路をも進む。図１７において、前記光源５２−１から前記検出器５４−２への経路である６０において例が示される。前記経路６０を進む光は、１つの目盛り列の動作が別の列によって不利に影響される「光学的クロストーク」、具体的にはその他の列の光源の近接によって、前記影響される列の光学的信号対雑音比を低下させるような例である。
【００８５】
図１８は、隣接した列間の光学的クロストークのレベルを低減するように設計されたスケール基板６２を図示する。前記基板６２は、等間隔の低反射マーク６６の格子パターンである主列６４と、限界マーカーまたはインデックスマーカー（図示せず）のようなその他の光学的要素を含む第２の列６８とを含む。前記列６４および６８は低反射の「暗くなった部位」７０によって分離されている。その他の列（例えば第２の列６８）の方向のいずれかの列（例えば主列６４）のための光源から放射された２次光は、前記暗くなった部位７０の低下した反射によって減衰し、従って前記両列間の光学的クロストークのレベルを低減する。
【００８６】
前記暗くなった部位７０は、比較的細いマークを直接隣接して配置した上述の工程を使用して形成できる。図示の実施形態において、前記暗くなった部位は、第２の部分７４と散在した第１の部分７２を含む。前記第１の部分７２は前記主列のマーク６６の延長として形成できる。即ち、各列６６およびその同一線上の第１の部分７２は実際には１度の走査で形成できる。このような場合、前記第２の部分７４は、前記マーク６６および第１の部分７２のための走査からオフセットしたより短い走査を使用して形成できる。当然、前記マーク６６を生成するために使用する走査とは別途の組の走査において、前記暗くなった部位７０を形成することもまた可能である。
【００８７】
図１９は、可撓性の基板を有する加工物を加工する装置の幾つかの構成要素を示すブロック図である。例えば前記装置は、以下に詳述するように、光学的コントラストを有するマークを形成するための一連のレーザーパルスを基板表面に照射することによって、可撓性の計測用スケールを形成するために使用できる。
【００８８】
前記加工物の加工装置は、以下その例を示す、細長い可撓性の加工物９２’の望ましい加工を実行する工具９４’を通過して前記加工物９２’を移動させる材料運搬装置９０’を含む。前記材料運搬装置９０’は、送り軸９６’と、加工軸９８’と、巻き取り軸１００’との３つの回転軸を含む。加工中、前記加工物９２’は前記送り軸９６’から離れて、前記工具９４’と相互作用する加工軸９８’を渡り、前記巻き取り軸１００’に進む。前記加工物９２’上の相互作用の部位は、「作業部位」と呼ばれる。図示の実施形態において、前記加工軸９８’は図示の通り時計回りに回転し、前記送り軸９６’および巻き取り軸１００’は共に反時計回りに回転する。前記工具９４’および材料運搬装置９０’の動作は、リアルタイムコントローラ１０２’によって制御され、その結果ホストコンピュータ（ホスト）１０４’から動作パラメータおよび高次制御を受け取る。１若しくはそれ以上の検出器１０６’を用いて、前記工具９４’が前記加工物９２’と相互作用し、前記加工物９２’を全般的に正確に加工するためのフィードバック情報を前記リアルタイムコントローラ１０２’に提供する位置に作用することができる少なくとも１つのパラメータを監視してもよい。
【００８９】
これ以降、本説明は主に、本明細書内において「テープ」として参照される細長い金属基板の形態の加工物９２’、および前記テープを、明暗のあるマークを有する精密計測用テープスケールに加工することを対象とするが、図１９に一般的に描写されるように、少なくとも１つのサブシステムについてより広い用途が存在することが明白となるであろう。前記装置は、エネルギー供給装置またはその他の種類の工具９４’が前記加工物９２’の物理的特性を制御可能に修正し、それと相互作用し、または別な方法でそれに作用する、その他の加工物の加工用途における使用法があるかもしれない。例えば、加工物材料が除去され、溶融され、焼き鈍しされ、エッチングされ、または化学的に変更され、または材料が前記加工物９２’に蒸着され、接着され、または結合されてもよい。前記装置は加工物の位置決めを提供して約１０μｍ／ｍ以上の精度による加工を支持し、経時的なおよび温度の変化にも拘らずこの望ましい規格の通り動作する事が好ましい。
【００９０】
図２０を参照して、本発明の実施形態による計測用テープスケールを生成するレーザー式装置は、レーザー源と、原エネルギーを受け取り、エネルギーを加工部位に向ける光線供給／走査装置（図示せず）とを含む走査レーザー光線箱９４を含む。前記装置はさらに、可撓性の金属テープ９２を送り軸９６と巻き取り軸１００間で移動させる精密書き込み軸９８を有する材料運搬装置９０と、前記レーザー光線箱９４からのレーザー光線が前記金属テープ９２に衝突する位置に影響することのできる少なくとも１つのパラメータを監視する１若しくはそれ以上の検出器１０６と、種々の装置要素およびホストコンピュータ（ホスト）１０４と交信するリアルタイムコントローラ１０２とを含む。より具体的には、前記リアルタイムコントローラ１０２は、光線箱用コントローラ（光線制御器）１０８と、材料運搬装置用コントローラ（材料運搬装置制御器）１２０とを含む。
【００９１】
図２１は、開示の装置および方法によって製作されたテープスケール１１２の部分を示す。前記テープスケール１１２は、図示の通り前記可撓性の金属テープ９２上にスケール目盛りを形成するマーク１１４を含む。各マーク１１４は、前記テープ９２が前記レーザー光線箱９４の下を進むとき、前記レーザー光線箱９４からの一連のエネルギーパルスによって製作され、連続したマーク１１４は、前記書き込み軸９８を渡る前記テープ９２の移動と同期した、指定された速度で前記一連のパルスを繰り返すことによって製作される。表面プロフィロメータによって測定した時、前記マーク１１４は、上述のような光学的コントラストを創り出すくぼみおよび突起を含むおおよそ溝状の断面を有してもよい。前記マーク１１４はまた、非円形レーザー偏光の方向と相関関係のあるほぼ光学波長の周期を有するほぼ周期的な微細構造を含んでもよい。図２１にはまた、以下の説明に使用される３次元座標系も示されている。図示の通り、その正Ｘ方向は加工中の前記テープ９２の進行方向に取られており、その正Ｙ方向は前記テープ９２の平面のＹ方向（訳者注２）に直交して取られており、その正Ｚ方向は前記テープ９２の平面に直交してそれから離れる方向に取られている。
【００９２】
再度図２０を参照して、一般的な構成において、前記テープ９２は例えば可撓性の金属テープのような連続した可撓性の材料のリボンであってよく、例えば約６ミリメートル（ｍｍ）幅および０．１５２ｍｍ厚であってよい。前記精密材料運搬装置９０において、前記テープ９２は前記送り軸９６上に巻かれており、前記書き込み軸９８の上を通過し、前記巻き取り軸１００に固定されている。前記テープ９２の張力は、下記の通り、動作中、前記送り軸９６および巻き取り軸１００のトルク制御を通じて間接的に制御される。３０メートルのテープは直径２００ｍｍのリール上に容易に収容できる。前記書き込み軸９８は前記テープ９２の送りを制御する。前記検出器１０６は、好ましくは以下に詳述するように、加工中、前記書き込み軸９８の上部弧部分に沿って前記テープが進行するときに、前記テープの半径の変動を測定する１若しくはそれ以上の半径検出器を含む。前記半径検出器情報は、速度制御を提供し、従ってまた一般に、前記マーク１１４のピッチまたは間隔を制御するのに有用である。前記検出器１０６はまた、選択的な下流読取り器を含んで、望ましいピッチからの低周波変動を補正するように、校正または診断、または閉ループのリアルタイムピッチ制御のために、前記マーク１１４のピッチまたはその他の寸法を直接監視してもよい。
【００９３】
図２２は、図２０の装置の更なる詳細を示す。前記テープ９２は、書き込み軸ドラム１１６の周りを覆い、図２０の送り軸９６および巻き取り軸１００の差動トルクによって滑らないように摩擦によって係合する。前記書き込み軸ドラム１１６は、低リップルモーター１２２によって駆動される空気軸受け１２０内の軸部１１８上を回転する。例えば、市販の低リップル、ブラシレスモーター１１２には、Ａｉｒｅｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ニューハンプシャー州Ｄｏｖｅｒ市０３８２０。ｗｗｗ．ａｉｒｅｘ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｒｏｔａｒｙ．ｈｔｍを参照）から入手可能なＡｉｒｅｘ  ５．５  ＲＢＬＴがある。また、市販の空気軸受け１２０は、標準および特注空気軸受け部品の製造者Ｐｒｅｃｉｔｅｃｈ  Ｉｎｃ．（ｗｗｗ．ｐｒｅｃｉｔｅｃｈ．ｃｏｍ）（ニューハンプシャー州Ｋｅｅｎｅ市）の型式ＴＲＴ１５０／２００のうちの１つであってよい。
【００９４】
前記軸ドラム１１６の回転速度は、エンコーダディスク１２４、および「読取りヘッド」としても呼ばれる少なくとも１つの検出器１２６によって測定される。例えば、エンコーダ１２６はマサチューセッツ州Ｎａｔｉｃｋ市のＭｉｃｒｏＥ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社（ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｅｓｙｓ．ｃｏｍ）によって製造された、Ｍｏｄｅｌ  Ｓ２１５０であってもよい。下記の通り、１若しくはそれ以上の追加検出器または読取りヘッド１２７もまた使用できる。半径検出器１２８−Ａは、以下に詳述するように、前記軸ドラム１１６およびテープ９２の全体半径の測定値の部分を提供する。前記半径測定値は、以下に詳述するように、前記リアルタイムコントローラ１０２の一定の動作によって、厚み変動および偏心を補正するために使用される。
【００９５】
図２０の送り軸９６および巻き取り軸１００の構成は、双方が同様の軸部１１８と、空気軸受け１２０と、モーター１２２と、エンコーダディスク１２４と、検出器１２６とを有する点において、前記書き込み軸９８のそれと同様である。
【００９６】
図２２にはまた、前記光線箱９４内の幾つかの構成要素が示されている。レーザー１３０は、光線供給装置によって受け取られ、前記テープ９２に供給される１若しくはそれ以上のパルスに対応した光線１３２を放射する。前記光線１３２は、Ｘスキャナー１３４に向けて発射され、次に前記光線１３２を集束させる走査レンズ１３８を通じて、前記光線１３２を前記テープ９２上のスポット１３９に方向づけるＹスキャナー１３６に向けて反射する。前記ＸおよびＹスキャナー１３４および１３６はガルバノメータ式ミラースキャナーであってよく、例えばマサチューセッツ州Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ市のＣａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社によって生産された型式６４５０であってよい。
【００９７】
前記レーザー光線スポット１３９は、上述のように、および本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，７７７，６４５号明細書に示されるように、楕円形状を有してよい。楕円形スポットは、より高い処理能力の材料加工を提供できる。一般に、前記楕円形スポット１３９を生成するためにアナモルフィック光学系が使用される。図２２の装置において、アナモルフィック光学系は相補的な１組の円筒レンズ６０および６２を含む。前記スポット１３９は、約４／１のＸ／Ｙアスペクト比を有するものの、パルスレート（例えば２０ｋＨｚよりも大きく、好ましくは１００ｋＨｚよりも大きい）、遮断速度、および望ましいパルスの重なり（例えば、１／ｅ２における測定で１０〜１００スポットの重なり）の好適な変更によってその他の比を使用することもできる。
【００９８】
１実施形態において、前記レーザー１３０は、５〜５０ｎｓの範囲内のパルス時間および１０６４ｎｍの赤外線波長を有する光の高速（１００ｋＨｚ以上）エネルギーパルスに好適なＳｐｅｃｔｒａ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ＢＬ６レーザーであってよい。この工程は本質的に熱的であるので、適正なエネルギーおよび光線形状を有するほとんど任意のレーザー波長がインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）およびその他のニッケルを基材とした合金などの金属上でうまく働くであろう。例えば、これらの材料に緑色およびＵＶレーザーを使用してもよいものの、今日では前記赤外線波長がおそらくより実際的であろう。セラミックのようなその他の材料については、ＵＶレーザーが前記基板へのより良好なエネルギー共役を有するので、より好適であるかもしれない。一般に、パルスレーザーはＱスイッチ、利得スイッチ、またはモードロッキングにおいて動作する。さらに別の例は、ＭＯＰＡ装置であってもよい。ナノ秒ダイオード励起Ｑスイッチレーザーによって良好に形成された構造が急速に生成できるものの、その他のレーザーを本発明の装置に組み込んでもよい。そのようなレーザーは、超短レーザー、エキシマーレーザーなどであってもよい。前記工程の設定を拡大縮小するにあたって、代替レーザーおよび材料の吸収特性を考慮してもよい。
【００９９】
少なくとも１実施形態において、前記基板にレーザーパルスを照射することによってある構造が生成され、各パルスは約１０〜４０ナノ秒の範囲内のパルス幅（最大半値で測定）と、約０．１〜１Ｊ／ｃｍ２の範囲内のエネルギー密度を有するスポット分布（１／ｅ２直径上で測定）とを有し、少なくとも幾つかの、約１００ｋＨｚ以上の速度で生成されたパルスが約１０〜５０回空間的に重なっている。少なくとも１実施形態において、光学的コントラストが少なくとも４対１となる溝状構造が生成される。前記レーザーパルスは、前記構造の長さに対して約０度または約９０度に方向づけられた非円形偏光を用いてもよい。
【０１００】
図２３は、図２０の光線箱用コントローラ１０８から光線箱９４の構成要素に提供される走査およびレーザーパルス制御信号を示す。以下の信号が示されている：
Ｖｓｘ                        Ｘ走査制御
Ｖｓｙ                        Ｙ走査制御
Ｖｐ                          レーザーパルス制御
【０１０１】
各マーク１１４は、レーザーパルスを使用して前記マークを形成する時間間隔、および前記光線１３２が次の後続マーク１１４のための開始位置に向け直される「帰線」の短い時間間隔を含む期間の間に作製される。信号ＶｓｘおよびＶｓｙの立ち上がり形状は、マーキングが生じる時のＸおよびＹ方向における前記光線スポット１３９の掃引に作用する。前記光線１３２のＹ方向の掃引は、前記マーク１１４の細長い形状の原因となる。前記Ｘ方向掃引は、１つのマーク１１４を作製するのに掛かる時間の間、前記テープ９２が前記書き込み軸ドラム１１６を渡って移動するときに、前記テープ９２を追跡する必要がある。前記期間のマーキング部分の間、前記光線１３２は、前記信号Ｖｐ内の縦線で示されるように、多数回に亘ってパルス化される。一般に、連続パルス間の分離は前記スポット１３９のＹ寸法よりもかなり小さいことが望まれる。即ち、連続パルス間にかなりの重なりが存在する。マーク１１４が完成すると、前記スポット１３９は、それを次のマーク１１４の開始位置に運ぶために逆ＸおよびＹ方向に掃引され、この帰線間隔の間、前記信号Ｖｐ内の縦線の不在によって示されるように、光線パルスは発生しない。１例において、１．５ワットのレーザー出力光線は、前記基板の表面で約１７５０回パルス化されて、約１００回重なった１ｍｍ長のマーク９４（訳者注３）を完成する（即ち、前記スポット高さＰＷ（Ｙ）の１／１００に等しい量の重なりを有する）。このように、１ｍｍ長の目盛りマーク１１４は、毎秒約５０〜８０個の速度、即ち１７５ｋＨｚの反復で１７５０個のパルスおよび次の開始位置への引き返しで生成できる。
【０１０２】
上述の方法で光線箱９４のような光線箱を制御することのできる走査コントローラは、当該技術において一般に既知であり、本発明の譲受人が所有する数多くの特許に述べられているかもしれない。例えば、「ユーザーフレンドリー」なＸ−Ｙスキャナー制御装置は本発明の譲受人であるＣａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社およびその他から入手でき、レーザー式マーキングおよび材料加工のための市販のＱスイッチレーザー装置およびその他のレーザーを利用したレーザー加工機器に日常的に組み込まれている。多くの装置が、レーザー光線に対して加工物を位置決めする種々の移動機構を利用している。
【０１０３】
図には１つの放射されたレーザーパルスに対応した単一のスポット１３９のみが示されているものの、本発明のその他の実施形態においてその他の組み合わせを使用してもよい。例えば、前記光線１３２を、前記テープ９２の移動と協調して時間的または空間的に分割して複数のパルスを生成してもよい。このような組み合わせは、前記パルス反復数を効果的に増加させ、または並列材料加工を可能とし、共に必要に応じて（例えば低反復数レーザー用に）処理能力を改善することができる。同様に、複数のレーザーまたは光線箱を用いてもよい。
【０１０４】
図２４は、単一のマーク１１４が形成されるときの、前記テープ９２およびスポット１３９の移動を示す。この手順を通じて、前記テープ９２は正Ｘ方向（図２４において右向き）に一定速度で進行していると仮定される。図２４（ａ）において、前記スポット１３９は、初期マーク位置１１４−Ａとして示されている新しいマーク１１４の開始端にある。前記レーザー光線１３２は、上述のようにパルス化され、ＸおよびＹの両方向に走査されている。図２４（ｂ）において、前記スポット１３９は今、マークの前半部分１１４−Ｂを形成し終えて、その行程のほぼ中間点にある。図２４（ｃ）において、前記スポット１３９はその行程の終わりにあり、前記マーク１１４が実質的に完成したマーク１１４となっている。この時点において、前記光線１３２のパルス化は、前記スポット１３９が続いて起こる引き返しのために一時的に消灯されるように停止し、その間、図２４（ｄ）に示すように、図２２のスキャナー１３４および１３６は、前記スポット１３９を次に続くマーク１１４の始まりに素早く向け直すように制御される。完全に形成されたマーク１１４−Ｄが作製された。図２４の工程は各々連続したマーク１１４について繰り返される。
【０１０５】
図２４において隣接したマーク１１４間の間隔は、説明の明瞭さのために誇張されていることに注意すべきである。図２１のテープスケール１１２のようなより小さなマーク間隔を有するテープスケールについて、前記スポット１３９のＹ方向移動対Ｘ方向移動の比はかなり高くてもよい。
【０１０６】
図２５は、図２０の装置のもう少し詳細な図を示し、特に、送り軸９６、書き込み軸９８、および巻き取り軸１００間を行き来する種々の信号を示す。材料運搬装置用コントローラ１１０は、前記送り軸９６、書き込み軸９８、および巻き取り軸１００の駆動信号を生成し、また、これら軸部からそれぞれのエンコーダ信号を受信する。さらに、前記材料運搬装置用コントローラ１１０は、前記書き込み軸９８から半径検出器の信号を受信する。下記の通り、検出器１０６には追加の「下流」検出器１４３が含まれてもよく、その場合、前記材料運搬装置用コントローラ１１０は、このような下流検出器１４３からの検出器信号をも受信する。
【０１０７】
図２６は、前記書き込み軸ドラム１１６の部位の拡大図を示す。１組の半径検出器１２８−Ａおよび１２８−Ｂが剛体の支持部材１４４に固定されており、前記第１の半径検出器１２８−Ａは前記ドラム１１６の表面上に横たわる前記テープ９２と直接対向して配置され、前記第２の半径検出器１２８−Ｂは前記ドラム１１６の回転軸１４６に配置されている。前記半径検出器１２８は、動作中にどちらも変動する可能性のある前記書き込み軸９８の半径と組み合わされた前記テープ９２の厚みを含む半径を測定できる。その回転中心は、比較的安定した前記空気軸受け１２０（図２２）の中心である。
【０１０８】
開示のテープ運搬サブシステムの有益な特徴は、前記３つの軸部９６、９８、および１００との接触以外には、前記テープ９２との機械的接触が存在しないことである。どんな機械的接触も、制御の困難な摩擦の変動を生成することがある。機械的接触による摩擦は、付着すべりおよび高い時間周波数の誤差項を示す傾向のために、特に厄介である。最良の性能を得るためには、高周波の空間的または時間的な誤差源を除去し、残りの低周波源に対して閉ループ制御を用いることが望ましい。
【０１０９】
前記書き込み軸９８の目的の１つは、強熱質量、およびそれに対応する非常に長い時定数を有する周囲環境に前記書き込み工程の熱エネルギーを伝達するための大きな熱放散部位の提供である。前記レーザー書き込み工程は前記テープ９２に熱を与えるので、温度の変化を最小限に抑えて熱吸収を最大化するためには、前記テープ９２（ステンレス鋼、ニッケル合金、またはその他の同様の材料であってよい）と前記書き込み軸９８（ステンレス鋼または好適な強度および熱特性を有する別の材料であってよい）との間の接触が必要である。前記テープ９２の熱容量自体は前記書き込み軸９８の熱容量と比較して僅かであってよい。さらに、前記書き込み軸９８の外周面は、前記テープ９２と比較して、最小限の温度変化で周囲環境に熱を放散できる、はるかに大きな面を提供する。
【０１１０】
特に秒角の長期的安定性／精度を必要とする装置において、書き込み精度の限界、従って目盛りピッチは一般に、静的および動的誤差の除去の低減に（訳者注７）依存する。熱膨張、偏心取り付け、および軸部エンコーダ誤差の、少なくとも３つの重要な半径誤差の原因がある。前記第１の寄与項目である熱膨張は、前記軸部の大きな熱質量によって限定される。従って、前記軸部はゆっくりとしか変化できない。以下に示すように、改善された半径検出器、１若しくはそれ以上の半径検出器を伴う閉ループピッチ制御、またはその他の好適な測定方法による前記軸部半径の差動測定によって、さらなる誤差低減が達成できる。
【０１１１】
第２の誤差の寄与項目である、回転軸に対する前記書き込み軸９８の偏心取り付けは、１回転当たり１度の（基本振動）誤差を招くであろう。この誤差は、閉ループピッチ検出器、前記軸部の差動測定、閉ループピッチ制御、またはその他の好適な測定方法を使用した加工によって低減可能である。例えば、テープのサンプルを数個、オフラインで測定して、基本振動の補正係数を前記軸部用コントローラに入力することでも、それを除去できる。
【０１１２】
第３の寄与項目、前記エンコーダ１２６のそれについて考察する。前記書き込み軸９８の角度誤差（前記書き込み軸部半径を掛けた場合）は、前記テープ９２において線形誤差となる。例えば０．１メートルの基準軸部半径において、１秒角の角度誤差は、前記テープ上では０．４８μｍの線形誤差に変換される。最新式の精密エンコーダは前記誤差を許容できるレベルにまで低減できる。しかし、全ての環境においてマイクロラジアン未満の精度を提供する角度エンコーダを製作することは一般に困難であり高価であるので、前記書き込み軸９８は、複数の読み出しヘッド１２６および１２７を使用して前記軸部エンコーダの自己校正を組み込んでもよい。１つの信号処理アルゴリズムが、単に前記読み出しヘッドからの測定値を平均してもよい。その代わりに、２つの読み出しヘッドからの信号を連続的に比較し、誤差関数をその差のフーリエ解析から導いてもよい。前記フーリエデータは、反復誤差の振幅および周波数を、それらが予期され補正されるように記述する。この工程は、「オンライン」の連続動作についても導入することができる。
【０１１３】
一切のテープ９２を加工する前に、前記リアルタイムコントローラ１０２が前記書き込み軸９８の補正関数を適応的に学習するためのデータを前記エンコーダ１２６が提供する間、前記書き込み軸９８を多数回回転させることが望ましいかもしれない。前記コントローラ１０２は、組み込まれたプロセッサによって、または前記ホストコンピュータ１０４との組み合わせによって、この動作を実行できる。前記誤差は、どちらもほぼ一定に保たれる前記エンコーダディスク１２４およびそれの前記空気軸受け軸１２０への取り付けの関数である。従って、数回転後、前記書き込み軸エンコーダ誤差は除去できる。
【０１１４】
前記書き込み軸９８はまた、テープのサンプル数個を先ず書き込むことによっても補正できる。その結果のピッチ誤差が次に測定され、好ましくは前記サンプルの組の平均がとられ、もしくはその推定に対する高い信頼性が得られるように処理される。結果として得られる換算係数および補償を含むことのできる補正関数は、次に前記コントローラ１０２に格納され、前記書き込み軸９８および／またはその他の機能構成要素に提供される制御信号を調整するために使用される。いずれにせよ、前記自己校正は、誤差を連続的に補正する利点を有する、大変便利な校正方法である。
【０１１５】
前記テープ９２の厚み変動と前記書き込み軸ドラム１１６の半径との間に相関がある一方、前記計測用スケール１１２のピッチには偏差があることが理解されるであろう。例として、厚みにおける１μｍの誤差は、軸部の１回転当たり２πμｍの誤差を生成する。前記軸部の半径が１メートル当たり２回転に相当する場合、その結果となる誤差は１メートル当たり約１２μｍ（１２μｍ／ｍ）であり、望ましい目標の１０μｍ／ｍ以下よりも幾分大きい。前記半径検出器１２８の不安定性もまた前記テープ上のレーザー位置の線形誤差に変換される可能性があることもまた、理解されるであろう。
【０１１６】
１実施形態において、高安定半径検出器は、図２６に示すように構成できる。小径ピン１４６（例えば直径３ｍｍ）が前記書き込み軸ドラム１１６の中心に設定されている。２つの容量検出器１２８−Ａおよび１２８−Ｂが、前記書き込みドラム１１６上のテープ９２の半径および前記ピン１４６の半径の両方を読み取るように、熱的に安定した棒材１０４（訳者注４）（例えばインバール（Ｉｎｖａｒ））上に取り付けられている。前記ドラム１１６の校正モードにおける数回転後、再現可能な偏心誤差を特定でき、前記書き込み軸回転エンコーダに関連する検出器信号から補正除去できる。これら検出器は、２ｎｍＲＭＳ以上の線形分解能を有し、従って４ｎｍ／１００ｍｍまたは０．０４ＰＰＭの半径誤差分解能を提供できる。これら検出器は、このように１メートル当たり数ミクロンにまで半径誤差を正確に補正できる。
【０１１７】
幾つかの実施形態において、図２５の検出器１０６は、書き込み前の校正のためにのみ動作してもよい。その代わりに、前記出力は書き込み中に時々サンプリングしてもよく、または書き込み速度に相当する速度でサンプリングしてもよい。同様に、その他のプローブ（例えば軸部に取り付けられた温度検出器）を定期的にサンプリングしてもよい。しかし、書き込み中、少なくとも前記半径検出器１２８からのデータを、前記軸部の熱膨張またはその他厚み変動を監視するために利用することが好ましい。最良の実施形態において、前記半径検出器１２８は、前記テープが加工される間、瞬時（比較的高い周波数）変動および低速（例えばＤＣまたは低周波数）変動の補正を提供する。
【０１１８】
前記高安定半径検出器１２８は、低周波数および高周波数両方のピッチ変動を追跡して補正するようになっているが、１若しくはそれ以上の下流検出器１４３の使用によって誤差の更なる低減が達成できる。例えば、これら検出器は光学的エンコーダであってよく、「オフライン」でデータを取得し、装置の種々の誤差源を特定してそれらとの相関を確立するために使用できる。１実施形態において、２つのプローブを前記レーザー書き込み位置からそれぞれ１５度および３０度に配置できる。１つの信号処理アルゴリズムが単に前記２つのプローブからの測定値を平均してもよい。その代わりに、前記２つのプローブからの信号を連続的に比較し、その差のフーリエ解析から誤差関数を導いてもよい。前記フーリエデータは、反復誤差の振幅および周波数を予期でき、補正できるように記述する。この工程は、連続動作するように「オンライン」で実施してもよく、または間隔を置いてサンプリングしてもよい。
【０１１９】
前記選択的プローブは、前記書き込み軸９８の外周上の書き込み領域の後に円周に沿って配置されたピッチ検出器であってよい。前記２つの検出器間の相対位相の変化を、目盛りピッチの測定値として使用できる。前記書き込み工程の縮尺は、前記ピッチ検出器間の位相関係の変分に応答して前記軸部の有効半径を変更することで制御できる。前記ピッチ検出器を使用して、空間的および時間的に低周波数で発生する誤差を補正することができる。前記軸部の任意の熱成長（例えば前記軸部が最初に作動開始した時に動作温度まで上昇する初期過渡状態に起因して）は、前記ピッチ検出器によって補正される。前記書き込み軸９８の大きな熱質量は、軸部半径の変化の速度が遅く、従って十分にピッチ制御アルゴリズムの適応帯域内であることを確実にする。（回転軸に対して自己の取り付け誤差を有する）前記軸部エンコーダによって観察できない前記軸部の取り付けの偏心の一切は、前記テープの基本振動誤差を招く。前記ピッチ検出器は、第一および第二高調波における空間的周波数を補正することができる。
【０１２０】
図２７〜図３１は、本発明の実施形態に対応する制御装置を漸進的な詳細に亘って図示する。
【０１２１】
図２７は図２５の光線箱用コントローラ１０８および材料運搬コントローラ１０２内の関連のある構成要素を示す回路図である。書き込み軸速度コントローラ１４８、送り軸速度コントローラ１５０、および巻き取り軸速度コントローラ１５２は、それぞれ書き込み軸９８、送り軸９６、および巻き取り軸１００の動作を制御する。また、半径推定器１５４、張力コントローラ１５６、および走査コントローラ１６０も示されている。これら構成要素の機能について以下に述べる。多くの機能が並列に実行される。前記構成は一般に、外側のレベルが図２７に相当し、それぞれの内側のレベル（下記）が各コントローラ１４８、１５０、および１５２を伴う複数ループ制御装置として考えられる。図２７に示す最も外側のループは、前記３つの軸部９６、９８、および１００によって、前記テープの移動を前記レーザー光線の走査およびパルス化と同期させて前記テープ９２の所望の位置に前記マーク１１４を配置する役割を担う。前記最も外側の制御ループについて先ず説明し、続いて前記内側の制御ループについて説明する。
【０１２２】
下記の表は、以下の説明に使用される用語の用語集を提示する。
【表３】
2009511276.tif 000005
【０１２３】
説明の補助として、前記軸部９６、９８、および１００の回転の方向を反映するように符号規約が確立されている。図１９に示す視点から、時計回りを正とした。従って、通常（前進）動作の間、前記書き込み軸９８は正の角速度を有するのに対して、前記送り軸９６および巻き取り軸１００は共に負の角速度を有する。
【０１２４】
前記装置を通るテープの全体的進捗は、所望の基準テープ速度に基づく。指令された線速度ｃ＿Ｖ＿Ｔａｐｅは、１つのマーク１１４を形成し、前記レーザースポットを次のマーク１１４の始めに進めるために必要な時間と共に前記マーク１１４の間隔（例えば２０μｍ）によって決定される。前記実際のテープ速度ａ＿Ｖ＿Ｔａｐｅは、種々の原因（摩擦、モーター内のトルクリップルなど）によって前記所望の基準速度とは僅かに異なるかもしれない。前記実際のテープ速度は、前記書き込み軸の実際の角速度ａ＿Ｗ＿ＷＲおよび前記書き込み軸の半径ａ＿Ｒ＿ＷＲの積１５８から決定される。
【０１２５】
前記走査コントローラ１６０は、実際のテープ速度の変動にも拘らず、前記テープ上の所望の位置に前記マークを配置する役割を担う。さらに、前記走査コントローラ１６０は、前記書き込み軸９８の角速度コマンドに補正信号ｄ＿Ｗ＿ＷＲを提供する。前記速度補正は、前記走査装置の書き込み領域の中央に置いたスポットの平均Ｘ位置を維持する。前記基準テープ速度ｃ＿Ｖ＿Ｔａｐｅは、乗算器１６２において前記書き込み軸９８の半径で除することによって、前記書き込み軸への基準角速度コマンドｎ＿Ｗ＿ＷＲに変換される。前記書き込み軸への角速度コマンドｃ＿Ｗ＿ＷＲは、前記走査コントローラ１６０からの速度補正ｄ＿Ｗ＿ＷＲを乗算器１６２で計算された前記基準角速度ｎ＿Ｗ＿ＷＲに加算することにより、加算器１６４において計算される。
【０１２６】
前記書き込み軸速度コントローラ１４８は、前記書き込み軸への角速度コマンドｃ＿Ｗ＿ＷＲに基づいて、前記所望の書き込み軸速度を維持する役割を担う。書き込み軸速度コントローラ１４８は、書き込み軸サーボモーターのためのトルクコマンドである信号ｃ＿ＭＴ＿ＷＲを生成する。さらに、書き込み軸速度コントローラ１４８は、書き込み軸エンコーダから導かれた測定値に基づいて２つの信号を生成する。信号ａ＿Ｗ＿ＷＲは前記書き込み軸の実際の角速度であり、信号ａ＿ｘＴ＿ＷＲは前記書き込み軸に印加される実際の外部トルク（一方が前記送り軸９６と前記書き込み軸９８間の、他方が前記書き込み軸９８と前記巻き取り軸１００間の、２つのテープ区間における不均衡な張力に起因する）である。
【０１２７】
送り軸速度コントローラ１５０および巻き取り軸速度コントローラ１５２は共に前記書き込み軸速度コントローラ１４８と同一であるものの、前記送り軸９６および巻き取り軸１００の全体的制御は、下記のように全体的制御ループの違いによって、前記書き込み軸９８のそれとは異なる。前記書き込み軸９８の速度が所望のテープ速度を得るために制御されるのに対し、前記送り軸９６および巻き取り軸１００のそれぞれの速度は、以下に詳述するように所望のテープ張力を得るために制御される。
【０１２８】
前記送り軸速度コントローラ１５０への角速度コマンド入力は、加算器ブロック２４２において、基準角速度ｎ＿Ｗ＿ＦＤおよび補正角速度ｄ＿Ｗ＿ＦＤの和によって形成される。乗算器２４０は、前記書き込み軸の半径ａ＿Ｒ＿ＷＲによって乗算され、前記送り軸の半径ｅ＿Ｒ＿ＦＤによって除された前記書き込み軸の指令された角速度ｃ＿Ｗ＿ＷＲに基づいて送り軸の基準角速度ｎ＿Ｗ＿ＦＤを形成する。前記送り軸コントローラ１５０の補正項ｄ＿Ｗ＿ＦＤは、前記張力コントローラ１５６において計算される（下記）。前記テープ速度が正であるとき、送り軸９６および巻き取り軸２０（訳者注５）の基準角速度は共に負であることを想起されたい。前記加算器ブロック２４２内の負符号（および前記巻き取り軸２０（訳者注５）用の加算器ブロック２４６）は、前記基準角速度コマンドのこの反転を反映する。乗算器２４４において計算された基準角速度ｎ＿Ｗ＿ＴＫに前記張力コントローラ１５６において計算された補正項ｄ＿Ｗ＿ＴＫをブロック２４６において加算することにより、前記巻き取り軸コマンド信号ｃ＿Ｗ＿ＴＫについても同様の形式の計算が実行される。
【０１２９】
図２８は、書き込み用、送り用、および巻き取り用の軸部速度コントローラ１４８、１５０、および１５２の構造を示す。前記角速度コマンド信号Ｗ＿ｃｍｄは、加算器１６６において、状態推定器１７０によって生成された実際の角速度ａ＿Ｗに加算される。前記加算器１６６からの速度誤差は利得ブロック１６８における利得Ｋｐによって乗算されてそれぞれの前記モーターのコマンド信号を形成する。状態推定器１７０は、（利得ブロック１７２によって前記モーターの既知のトルク係数Ｋｔを用いてトルクの単位に変換された）既知の前記モーターコマンド信号、および軸部エンコーダからの位置信号エンコーダ（訳者注６）を受信する。物理的装置の物理的モデル並びに既知および未知の入力および与えられた測定値に基づいて前記装置の基礎的な状態を推定するための状態推定器の使用は一般的に知られている。前記軸部コントローラ１４８、１５０、１５２において、前記状態推定器１７０は前記軸部角速度ａ＿Ｗ、およびそれぞれの前記軸部に印加された外部トルクａ＿ｘＴの推定値を計算する。前記巻き取り軸１００の外部トルク信号（巻き取り軸コントローラ１５２によって生成）は図２７に示す全体制御装置に使用されておらず、従って図２７には示していない。
【０１３０】
前記状態推定器１７０は、離散時間型の古典的３状態推定器として実施できる。周知の例は、米国特許第５，４６９，４１４号明細書の段落１４、５６行目にも参照されている、Ｆｒａｎｋｌｉｎ、Ｐｏｗｅｌｌ、およびＷｏｒｋｍａｎの各氏による「Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」に見出される。前記推定器によって推定される３つの状態は、位置、速度、および外部（外乱）トルクである。前記装置（軸モーター）への既知の入力はｃ＿ＭＴであり、「測定値」はエンコーダによって測定された通りの前記軸部の実際位置である。前記コントローラの形式は、ほぼＦｒａｎｋｌｉｎ、Ｐｏｗｅｌｌ、およびＷｏｒｋｍａｎの第８章に述べられ、図８．６に明確に示された通りである。ＦｒａｎｋｌｉｎおよびＰｏｗｅｌｌはデジタル（離散時間）制御の教科書であって、リアルタイムコントローラ１０２は実際に離散時間型の方法で実施されていることに注意すべきである。しかし説明を容易にするために、本説明は前記リアルタイムコントローラ１０２の連続時間型モデルを（例えばデジタルまたは離散時間型の等価物ではなく、連続時間型積分器を使用して）提示する。当該技術の連続時間型の提示から離散時間型の提示への転換の部分は、当業者には周知である。
【０１３１】
図２９は、前記半径推定器１５４を示す。前記書き込み軸９８の半径は、半径検出器１２８の使用によって、高精度で既知である。前記送り軸９６および巻き取り軸１００のそれぞれの半径は、一般的には高精度では既知ではなく、テープが前記送り軸９６から前記巻き取り軸１００へと巻き解かれるに従って連続的に変化する。前記送り軸９６および巻き取り軸１００の半径は、前記テープと前記軸部間に滑りがなく、前記テープ９２にあそびがないという仮定において、実際のテープ速度は３つの軸部全てにおいて同一であるに違いないという点に注目することで推定される。
【０１３２】
前記送り軸の推定半径ｅ＿Ｒ＿ＦＤは積分器１７４によって計算される。積分器１７４への入力は２つの信号源の和１７８である。（現時点において）テープの動き始めに、前記送り軸半径が既知であると仮に仮定すると、その半径は、既知のテープの厚みに基づく半径速度（半径の変化の速度）を積分することによって将来の任意の瞬間に補正することができる。軸部半径に対するこの既知の補正は、利得ブロック１８０において、前記ＦＤ軸の実際角速度ａ＿Ｗ＿ＦＤに（テープの厚み／２π）を乗算することで形成される。その結果が半径の変化の速度である。積分器１７４においてこの速度を積分することによって、前記軸部からのテープの巻き解きにも拘らず、前記送り軸の推定半径が正確に維持されることが確実となる。図１９において、前記送り軸９６上のテープの巻き方向に注目されたい。前記送り軸の時計回り（正）回転は、前記軸部上に巻かれるテープが前記軸部半径を増加させる。これにより、前記送り軸用の加算器１７８において、前記「ｋｏｗｎ＿Ｒａｄｉｕｓ＿ｖｅｌｏｃｉｔｙ」信号に正符号が付される結果となる。また、通常の動作において、前記送り軸は反時計回りに回転する（ａ＿Ｗ＿ＦＤは負である）ので、前記ｋｎｏｗｎ＿Ｒａｄｉｕｓ＿ｖｅｌｏｃｉｔｙは前記送り軸にとって負数となり、前記送り軸の推定半径は時間と共に減少することにも注目されたい。
【０１３３】
仮に加工前に高精度で前記送り軸の半径を知ることが可能であったなら、前記送り軸の半径の推定値を正確に維持するには上述の計算で十分であろう。図示した実施形態において、このような推定値を得ることは必要ではない。前記半径推定器１５４は、前記書き込み軸９８における既知のテープ速度と、送り軸９６の推定半径および既知の角速度から導かれる前記送り軸９６におけるテープ速度との間の見かけ上の誤差に基づいて、推定半径を補正する。利得ブロック１８６は、前記書き込み軸の実際角速度ａ＿Ｗ＿ＷＲと前記書き込み軸の既知の半径を乗算することで実際のテープ速度を得る。乗算器１８４は、前記送り軸の角速度ａ＿Ｗ＿ＦＤおよび送り軸の推定半径ｅ＿Ｒ＿ＦＤから導かれる推定テープ速度を生成する。加算器１８８は、既知のテープ速度（１９０）および推定テープ速度（１９２）の絶対値に基づいて速度の誤差を形成する。速度ブロック１８２は、前記速度差の収束の速度を設定する。加算器１８８の出力が正である場合（実際のテープ速度が前記推定テープ速度よりも速いことを示唆する）、加算器１８８の出力がゼロになる（推定速度および実際速度が等しくなる）時点まで前記推定送り半径が増加することに注目されたい。実際には、推定半径は、テープの動きの数ミリメートル以内に正確な半径に収束する。
【０１３４】
上述の送り軸９６の半径推定は、巻き取り軸１００についても繰り返される。積分器１７６は、テープの厚みに基づく既知の半径速度および見かけ上のテープ速度誤差に基づく半径補正を積分する役割を担う。加算器１９４における既知の半径速度項の負符号に注目されたい。前記巻き取り軸１００が時計回り（正）方向に回転するに従い、テープは前記軸部から巻き解かれる。通常の動作において、前記巻き取り軸の角速度ａ＿Ｗ＿ＴＫは負であるので、前記推定巻き取り半径ｅ＿Ｒ＿ＴＫは時間と共に増加する。乗算器１９８は、巻き取り軸の推定半径に基づいて推定テープ速度を生成する。絶対値ブロック２０２および２０４、加算器２００、および利得ブロック２０６は、上述の送り軸９６の対応する要素と同様である。
【０１３５】
図３０は、前記送り軸速度コントローラ１５０および巻き取り軸速度コントローラ１５２への基準角速度コマンドを修正する補正信号ｄ＿Ｗ＿ＦＤおよびｄ＿Ｗ＿ＴＫを生成する役割を担う張力コントローラ１５６を示す。前記送り補正信号ｄ＿Ｗ＿ＦＤは、前記送り軸９６と書き込み軸９８間のテープ区間において一定の張力を維持する役割を担う。前記巻き取り軸１００の補正ｄ＿Ｗ＿ＴＫは、前記書き込み軸９８と巻き取り軸１００間のテープ区間において同一の張力を達成する役割を間接的に負う。材料運搬装置用コントローラ１０２の伸張部分における最も重要な２つの目的は、（１）前記書き込み区域以前の前記テープ９２の張力が一定であること、および（２）前記テープ９２と前記書き込み軸９８間に滑りがないことである。前記「滑りなし」の基準は、テープ位置が、究極的には前記書き込み軸エンコーダから導かれる前記書き込み軸９８の角運動から推測される必要性による。仮に前記テープが前記書き込み軸９８に対して滑ると、前記軸部位置情報はテープ位置を決定するのに十分ではなくなるであろう。テープの滑りは、テープの移送中に前記書き込み軸９８上に一切の外部トルクが絶対にないことを確実にすることによって回避される。前記送り軸９６から前記書き込み軸９８に至るテープ区間、および前記書き込み軸９８から前記巻き取り軸１００までの区間は、前記書き込み軸９８に対して同一の半径で作用するので、両方のテープ区間における張力が等しいときには「外部トルクなし」の条件が満たされる。
【０１３６】
前記送り区間（前記送り軸９６と書き込み軸９８間のテープ９２の区間）の張力は、前記送り軸速度コントローラ１５０への速度コマンドを修正することによって制御される。図３０を参照して、前記修正された送り角速度コマンドは２つの信号の和２１０である。前記速度コントローラは比例制御器なので、実際の角速度および基準角速度が等しければモータートルクは発生しない。モータートルクを生成するためには、前記速度コントローラにおいて速度差が存在しなければならない。生成されるトルクの量は、前記速度誤差と前記サーボ利得Ｋｐの積およびモータートルク係数Ｋｔに比例する。例えば前記テープ区間に１ニュートンの張力を生成するためには、前記送りサーボモーターは、前記送り半径ｅ＿Ｒ＿ＦＤの１ニュートン倍のトルクを生成する必要があるであろう。このように、そのトルクを生成するには１Ｎ＊ｅ＿Ｒ＿ＦＤ／（Ｋｔ＊Ｋｐ）ラジアン／秒の速度誤差が必要となる。
【０１３７】
図３０のｃ＿Ｔｅｎｓｉｏｎ信号は、乗算器２０８と連結して所望の張力を達成するように設計された前記基準角速度コマンドに対する補正を生成する。乗算器２１４において前記推定送り半径ｅ＿Ｒ＿ＦＤによって除される、送り速度コントローラ１５２（図２８）内の状態推定器１７０からの前記外部トルク信号ａ＿ｘＴ＿ＦＤは、前記所望の張力と大きさにおいて等しい筈である。通常のテープ張力は、前記送り軸９６に印加される負の外部トルク（半時計回りが負である）となることに注目されたい。前記テープが適正に伸張しているとき、乗算器２１４の出力は前記所望のテープ張力と大きさにおいて等しく、符号が反対である。実際のテープ張力が所望の張力よりも小さい場合、加算器２１６の出力は正となるであろう。力の正の誤差は適応速度ブロック２１８によって乗算され、前記張力適応積分器２２０によって積分される。前記適応的補正（力の単位）は、加算器２１０によって前記基準張力コマンドに加算され、前記送り速度コントローラ１５０への角速度コマンドに対する更なる補正となる。加算器２１６における正誤差は正の速度補正を生成し、前記送り軸９６において正のモータートルク（時計回りトルク）となる。これによって前記テープにさらに張力を提供することで、前記外部トルクａ＿ｘＴ＿ＦＤ信号を増加させる。実際の外部トルクがｃ＿Ｔｅｎｓｉｏｎに大きさにおいて等しい（しかし反対の符号）時、加算器２１６の出力はゼロであり、張力適応積分器２２０は前記適正な張力を維持するのに必要な力調整を保持する。
【０１３８】
前記巻き取り軸１００における張力の維持に同様のコントローラを実施して、さらに両方のテープ区間において等しい張力を維持するために張力目標を同一の値に設定することが可能である。しかし、前記送り軸９６に使用された張力調整は前記送り軸の推定半径に依存することに注意されたい。前記半径の推定には常にある程度の不確定性が存在するであろう。従って、前記巻き取りテープ区間において張力を制御する同様の方法もまた、前記巻き取り軸の推定半径に起因する誤差を伴うであろう。従って、本開示の実施形態においては、前記巻き取り区間における張力は、前記外部トルクがほぼゼロに維持されるように、前記書き込み軸９８上の外部トルクの関数として直接制御される。
【０１３９】
図３０の加算器ブロック２２６は、基準テープ張力ｃ＿Ｔｅｎｓｉｏｎを、前記書き込み軸に印加された外部トルクの積分に基づく補正ａ＿ｘＴ＿ＷＲに加算する。前記書き込み軸９８上の外部トルクは、適応速度（利得ブロック２２８）によって乗算され、ブロック２３０において積分され、ブロック２３２によって力の単位に変換される（トルク／半径＝力）。加算器２２６に対する適応寄与分の符号は、前記書き込み軸９８上に正の外部トルクが存在する（ａ＿ｘＴ＿ＷＲが正である）ならば、前記巻き取り軸１００への速度コマンドはａ＿ｘＴ＿ＷＲがゼロになるまで増加するように選択される。通常のテープ動作の間、前記巻き取り軸１００は負の方向に回転することに注意されたい。前記テープ９２における基準張力は、前記巻き取り軸１００に、基準テープ速度に基づいて必要であるよりも僅かに速く負の方向に回転するよう（加算器２２６において基準張力に付された負の符号に注目されたい）指令することによって達成される。前記負の付勢に対する正の補正は、前記書き込み軸９８と巻き取り軸１００間のテープ区間における張力を低減するであろう。これによって前記書き込み軸９８の正側の張力が減少することで、前記正のａ＿ｘＴ＿ＷＲ信号を前記所望のゼロの値に復元させる。前記書き込み軸９８上の外部トルクがゼロのとき、前記巻き取りテープ区間の実際の張力は、前記テープの送り区間における張力と必然的に等しい。
【０１４０】
図３１は走査コントローラ１６０を示す。前記基準テープ速度と実際のテープ速度間の速度の差は、加算器２３６によって形成され、積分器２３４によって積分される。積分器２３４の出力はテープの動きの始めから累積されたテープ位置の誤差である。前記パターン発生器２３８は、積分器２３４からの実際のテープ位置誤差ｅｒｒ＿Ｐ＿Ｔａｐｅおよび前記基準マークパターンに基づいて、走査信号ｃ＿ＳＣＡＮ＿Ｘ、ｃ＿ＳＣＡＮ＿Ｙ、およびレーザー発射信号Ｌａｓｅｒを生成する役割を担う。テープ位置における誤差が正であるならば、前記パターン発生器２３８は、前記テープ上の適正な位置に前記マークを維持するために、徐々に前記パターンの平均ｃ＿ＳＣＡＮ＿Ｘ値を上昇させる。更なる補正が存在しない場合、前記ｃ＿ＳＣＡＮ＿Ｘ値はいずれ前記マーキング領域の物理的限界に達する。このように、前記基準テープ速度に対する補正もまた、前記書き込み軸の角速度を信号ｄ＿Ｗ＿ＷＲで調整することによって行われる。前記パターン発生器２３８は、前記テープ位置誤差の積分に基づいて信号ｄ＿Ｗ＿ＷＲを生成する。前記積分動作は、マークが前記マーキング領域の中央に復元されることを確実にする。前記書き込み軸の補正信号ｄ＿Ｗ＿ＷＲは、加算ブロック１６４（図２７）において前記基準角速度に加算される。
【０１４１】
本発明の装置は、約１０μｍ／メートル以上のピッチ精度および１０〜５０μｍの基準ピッチを有し、光学エンコーダでの使用に十分な光学的コントラストを有する計測用スケールを製造するために利用できる。
【０１４２】
以上の説明において、特に反射型光学スケール１０／１１２を説明したが、開示の技術は、その他の種類の２値パターンの形式の光学的要素、または反射した光を所望のパターンに集束するための「デジタル」レンズ構造でさえをも作製するために使用できることは、当業者には明白となろう。このような光学的要素には、例えば、米国公開特許出願第２００３００４７６７４号に示されるような、インデックスパターンを含んでもよい。また、本明細書内に開示の工程は、本質的に熱的であり、従って適正なエネルギーおよび光線形状を有するほとんど任意の波長のレーザーが、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）およびその他のニッケルを基材とした合金などの金属上でうまく働く。今日、ＩＲレーザーが最も実際的であると考えられる。しかし、緑色および紫外線（ＵＶ）レーザーのような他のレーザーを使用してもよい。セラミックのような他の種類の材料について、ＵＶレーザーは基板へのより良好なエネルギー共役を有するので、ＩＲレーザーよりも好適であるかもしれない。
【０１４３】
示した通り、製造されたスケールは、線形および回転アクチュエータ、ロボット関節制御など様々な動作制御の用途に利用される光学エンコーダの一部を形成できる。そのようなエンコーダの例として、例えば「Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｏｉｎｔ  Ｔａｌｂｏｔ  Ｅｎｃｏｄｅｒ」と題された米国公開特許出願第２００３／００４７６７４号に説明されているＭｉｃｒｏＥ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｉｎｃ．によって製造されたＭｅｒｃｕｒｙ（商標）ＩＩ  エンコーダのファミリーがある。このような光学エンコーダを含む計測装置は、（１）複数の隣接したマークに照射するようになっている放射エネルギーの供給源と、（２）読み取り器の視界内において、前記マークから反射した放射エネルギーを受け取るように作動する光学スケール読み取り器（光学検出器）であって、少なくとも前記反射した放射エネルギーの一部は、複数の回折エネルギー部分間の干渉の結果、干渉縞パターンを生成する前記回折部分を有し、前記パターンの干渉縞のコントラストはその周囲の基板に対する前記マークの光学的コントラストに依存し、前記コントラストは前記読み取り器の視界内において測定可能である、前記光学スケール読み取り器と、（３）前記読み取り器に対して前記スケールを移動させるように作動する移動機構と、（４）前記干渉縞のずれに基づいた移動を表す出力信号を生成するように作動する信号プロセッサと、（５）前記出力信号を受け取り、前記出力信号に応答して前記移動機構の動作を制御するように作動する装置コントローラとを含む。
【０１４４】
前記Ｍｅｒｃｕｒｙエンコーダのようなエンコーダにおいて、スケールは非常に均一で、比較的雑音のない光学信号を生成することでエンコーダが高分解能を達成できるように、整ったマークを有することが重要である。本開示のスケールおよび製造技術はこのような利点を提供する。さらに、エンコーダの光学的放射源は一般に、前記スケールの複数のマークに照射することで、反射における局所的変動、縁部変動などに対する前記エンコーダのデータの感度を低減する。このように、前記コントラストが十分であることを条件として、本発明の実施形態に対応するスケールの精密な光学的特性は、厳密な必要条件を有することを必要とせず、従って前記スケールを低コストで製造できる。また、場合によっては、前記Ｍｅｒｃｕｒｙエンコーダは基準マークおよび／または限界マークの存在に依存し、本技術は、これらのマーク並びにその主列とのクロストークを低減するための暗くなった部位を作製するために利用できる。
【０１４５】
本開示のスケールはまた、一般的に前記Ｍｅｒｃｕｒｙ型のエンコーダよりも低分解能である、干渉パターンではなく陰影のパターンを利用する従来型の「幾何学的」光学エンコーダに使用することもできることに注目すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
前述の、およびその他の目的、および本発明の特徴および利点は、異なる図を通じて同様の参照文字は同一の部品を参照する、添付図面に図示されたように、以下の本発明の具体的な実施形態の説明によって明瞭となるであろう。これら図面は必ずしも縮尺ではなく、その代わりに本発明の原理を図示することに重点が置かれている。
【図１】本発明の実施形態による光学計測用スケールの一部の概略斜視図である。
【図２】図１のスケールを製造するレーザー式装置の概略図である。
【図３】図１のスケールを製造するための図２の装置を使用した方法のフロー図である。
【図４】図３の方法の過程においてレーザー光線が辿ることのできる２つの選択可能なパターンを示す図である（図４（Ａ）および図４（Ｂ）からなる）。
【図５】図３の方法において、レーザー光線のスポットの強度の空間的分布を示す図である。
【図６】図５のレーザー光線のスポット部分のＸ方向およびＹ方向の強度断面を示す図である（図６（Ａ）および図６（Ｂ）からなる）。
【図７】図５のレーザー光線のスポットの強度の、およその時間的分布を示す図である。
【図８】図３の方法によって作製された目盛りマークを示す図である。
【図９】種々のレーザーパラメータについて図２および図３のような装置および方法を使用して作製された基板上の目盛りマークの例の部分の、光学顕微鏡および明視野照明を使用して得た１組の顕微鏡画像である（図９（Ａ）〜図９（Ｊ）からなる）。
【図１０】原子間力顕微鏡を使用して得た図９の目盛り部分のうちの１つの画像、および目盛りマークの横方向の微細構成を図示したグラフを含む（図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）からなる）。
【図１１】目盛りマークの縦方向の微細構成を図示した、原子間力顕微鏡を使用して得た図９の目盛り部分のうちの１つ画像である。
【図１２】走査型電子顕微鏡を使用して得た、図９の目盛り部分のうちの１つの画像である。
【図１３】目盛りマークの例の横方向微細構成および関連した寸法を示した図である。
【図１４】図９の目盛りマークの例の幾つかについてのレーザーパルス強度（照射）対相互作用時間のプロット図である。
【図１５】図９の目盛りマークの例の幾つかについてのレーザーパルス強度（照射）対レーザーパルスエネルギー密度（フルエンス）のプロット図である。
【図１６】走査型電子顕微鏡を使用して得た、図９の目盛りの部分のうち２つの画像を含む（図１６Ａおよび図１６Ｂを含む）。
【図１７】２つの光源を利用して別個の列を照明した光学エンコーダの概略図である。
【図１８】図２および図３のような装置および方法によって形成された暗くなった部位を使用した図１７の光学エンコーダ用のスケール基板の割付けの概略図である。
【図１９】加工物を加工する装置の幾つかの構成要素を示すブロック図である。
【図２０】可撓性の加工物をレーザー加工して計測用テープスケールを形成する装置の幾つかの構成要素を示すブロック図である。
【図２１】図２０の装置によって形成された計測用スケールの一部の図である。
【図２２】図２０の装置の一部をさらに詳細に図示する。
【図２３】図２０の装置における光学スキャナーおよびパルスレーザーに提供される一般的なコマンド信号を図示する。
【図２４】開示のスケール製造法によって、テープスケールが書き込み軸上を移動するときに、その上に単一の目盛りマークが形成される様子を示した図である。
【図２５】リアルタイムコントローラと材料運搬装置の軸部との間で使用される信号のさらなる詳細を示す、図２０の装置のブロック図である。
【図２６】図２５の装置の書き込み軸部分の拡大図である。
【図２７】図２５のリアルタイムコントローラの全体構造と機能を示すブロック図である。
【図２８】図２７のリアルタイムコントローラに利用される軸部速度コントローラのブロック図である。
【図２９】図２７のリアルタイムコントローラ内の半径推定器の概略図である。
【図３０】図２７のリアルタイムコントローラ内の張力コントローラの概略図である。
【図３１】図２７のリアルタイムコントローラ内の走査コントローラの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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