專利名稱：單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單碼道絕對式光柵尺技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種單碼道絕對式光柵尺的棍壓印制造方法。
背景技術(shù)：
光柵尺作為數(shù)控機(jī)床運(yùn)行位置的測量、閉環(huán)反饋控制元件，是精密、超精密數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵基礎(chǔ)性功能部件，也是最為關(guān)鍵的計(jì)量元件，在精密、超精密制造和計(jì)量測試領(lǐng)域有著不可替代的作用。

目前的光柵尺按測量方法可以分為增量式和絕對式兩種。與增量式光柵尺寸相t匕，絕對式光柵尺在開機(jī)時(shí)立即提供當(dāng)時(shí)位置值，由于它不需要執(zhí)行參考點(diǎn)回零程序，因此技術(shù)可靠和安全，在數(shù)控機(jī)床及檢測儀器行業(yè)有著日益廣泛的使用需求。單碼道絕對式光柵尺可以從編碼原理上實(shí)現(xiàn)位置信息的唯一性，相對于多碼道絕對光柵尺，光學(xué)系統(tǒng)及電路處理部分更為簡單，碼道具有固定零點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。然現(xiàn)有單碼道絕對式光柵尺的制備工藝復(fù)雜，效率低且成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，以解決現(xiàn)有制備方法工藝復(fù)雜，效率低且成本高的問題。本發(fā)明方法采用經(jīng)過旋轉(zhuǎn)曝光結(jié)合金屬濕法刻蝕工藝制作的螺旋形輥壓印模具來在光柵尺胚上的鋁薄膜層壓印復(fù)型出單碼道的絕對式光柵尺。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，包括以下步驟(I)輥壓印模具加工在圓柱形模具基體上加工出螺旋線帶；(2)輥壓印模具上母光柵線紋加工通過旋轉(zhuǎn)光刻及濕法刻蝕工藝，在輥壓印模具的螺旋線帶上加工母光柵的光柵線紋；(3)光柵尺胚制造在光柵尺胚基材上沉積一層金屬薄膜作為光柵壓印材料層；(4)絕對式光柵輥壓印將光柵尺胚放在輥壓印模具與支撐輥之間呈0角放置，并施加壓印力，輥壓印模具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，光柵尺胚隨輥壓印模具的定心旋轉(zhuǎn)，始終定位于輥壓印模具的螺旋線帶下方，在壓力的作用下，在光柵尺胚的表面的光柵壓印材料層壓印復(fù)型出單碼道絕對光柵尺柵線；e角為螺旋線帶的螺旋升角。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(I)中輥壓印模具基體的材料為Cu、不銹鋼或石英玻璃；加工工藝為在圓柱形模具基體上經(jīng)車、磨及拋光加工出螺旋線帶；螺旋線帶的外徑為50-100_，螺旋升角e為5-20°，螺旋線帶寬度為8-15mm，圈數(shù)為4_8圈，螺旋線帶總長度0. 5-3m，拋光加工后，表面粗糙度<50nm，圓柱度及同心度〈I U m。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(2)中旋轉(zhuǎn)光刻工藝中光刻膠為瑞虹系列光刻膠、安智系列光刻膠或永光系列光刻膠；光刻膠的涂鋪方法為提拉法，提拉速度為I-IOmm/s，膠層厚度為5-10 iim。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(2)中光刻膠涂覆完成后，對輥壓印模具基體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)曝光；旋轉(zhuǎn)曝光所使用的掩膜版中圖形為單根柵線，其寬度為單碼道絕對式光柵尺的標(biāo)稱線紋寬度，即最窄線紋的寬度，為10-30 u m,其長度為單碼道絕對式光柵尺柵線區(qū)域的寬度，亦即螺旋線帶的寬度8-15mm。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于旋轉(zhuǎn)曝光所采用的精密旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)最小分度為0. Iarcsec,精度為 ±larc sec。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(2)中，曝光完成后，進(jìn)行顯影和濕法刻蝕，在輥壓印模具的螺旋線帶上加工母光柵的光柵線紋。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(3)中，光柵尺胚基材選擇厚度為3_6mm的浮法玻璃；光柵尺胚上形成的光柵壓印材料層為鋁薄膜，其沉積方式為熱蒸鍍、電子束蒸鍍或?yàn)R 射，厚度為10-15 iim。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(4)中，輥壓印模具為主動(dòng)輥，支撐輥及兩側(cè)的走料輥為從動(dòng)輥，在壓印過程中，輥壓印模具首先向下運(yùn)動(dòng)，提供壓印力，帶動(dòng)光柵尺胚向前走料，支撐輥在光柵尺胚下表面摩擦力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)；光柵尺胚放置的初始位置位于螺旋線帶的起始位置的正下方。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(4)中，支撐輥兩側(cè)的設(shè)置有走料定位機(jī)構(gòu)，該走料定位機(jī)構(gòu)由U型定位滑塊和線性導(dǎo)軌組成，光柵尺胚放置于定位滑塊的U型槽內(nèi)，U型定位滑塊安裝于線性導(dǎo)軌上，采用耐摩擦的特氟龍材料制造。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(4)中，光柵尺胚隨輥壓印模具旋轉(zhuǎn)，在其壓印作用下向前走料過程中，U型定位滑塊沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，使光柵尺胚在走料過程中始終在于輥壓印模具螺旋線帶的正下方。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟(4)中，輥壓印過程中，壓印力為200-500N，輥壓印模具轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0. 1-lm/s。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明一種單碼道絕對式光柵尺滾壓印制造方法，利用螺旋線在圓柱輥模具基體上的多圈繞制，在輥壓印模具壓印力的作用下，光柵尺胚上的金屬材料層發(fā)生塑性變形，向輥壓印模具螺旋線帶上的光柵柵線凹槽中填充，從而在光柵尺胚上形成單碼道絕對式光柵尺柵線；本發(fā)明方法能夠以輥壓印工藝制造定制化長度的單碼道絕對式光柵尺，相對于傳統(tǒng)的光刻制造方式，具有輥壓印工藝方案批量、快速、低成本的技術(shù)優(yōu)勢，具備產(chǎn)業(yè)化的潛力。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖I是螺旋形輥壓印模具結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是單碼道絕對式光柵線紋示意圖。圖3是單碼道絕對式光柵輥壓印機(jī)構(gòu)示意圖。圖4是走料定位機(jī)構(gòu)示意圖。圖5是輥壓印復(fù)型原理示意圖。
圖中1為模具基體；2為螺旋線帶；3為支撐輥；4為走料輥；5為定位滑塊；6為線性導(dǎo)軌；7為光柵尺胚基材；8為光柵壓印材料層。
具體實(shí)施例方式下面通過附圖及具體實(shí)施實(shí)例詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下實(shí)施實(shí)例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍就包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容。如圖3所示，本發(fā)明的單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法的一種具體實(shí)施方式
是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的。該方法包括以下步驟第一步輥壓印模具加工。在圓柱形模具基體I上經(jīng)由車、磨及拋光工序加工出一定寬度和升角的螺旋線帶2，如圖I所示。本實(shí)施例所用的模具基體I材料為不銹鋼4Crl3，螺旋線帶2外徑為D=IOOmm,寬 度為15mm，升角為10度，圈數(shù)為8，總長度為I. 5m，拋光后表面粗糙度<50nm，圓柱度及同心度〈I U m。第二步輥壓印模具上母光柵線紋加工。首先使用提拉法在輥壓印模具上涂鋪上一層光刻膠，再將之置于旋轉(zhuǎn)曝光機(jī)構(gòu)上，進(jìn)行逐線曝光操作。掩模版圖形為單根光柵線紋，其寬度為絕對式光柵尺的標(biāo)稱線紋寬度(如圖2中一條黑線寬度)，在曝光操作中，精密旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)按照編碼程序旋轉(zhuǎn)一定角度a，掩膜版逼近輥壓印模具，然后開啟紫外光源，曝光一定時(shí)間t (2_6s)，然后掩膜版遠(yuǎn)離輥壓印模具，精密旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)按照編碼程序旋轉(zhuǎn)一定角度P，同時(shí)掩膜版向下移動(dòng)距離S，使之正對螺旋線，進(jìn)行下一工位的曝光操作。待整條螺旋線曝光完成后，將之置于顯影液中進(jìn)行顯影，最后進(jìn)行濕法刻蝕，完成母光柵線紋的制造。顯影完成后，根據(jù)所選用的模具基體材料，選擇濕法刻蝕液體，如金屬Cu或者不銹鋼，使用HCl和FeCl3,石英使用HF溶液，溶液濃度及刻蝕時(shí)間根據(jù)所需要柵線的寬度及柵線槽深確定。本實(shí)施例所用的光刻膠為瑞虹光刻膠，提拉速度為5mm/s,膠層厚度為6 ii m,掩膜版上線紋圖形寬度為20 ii m,精度旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)最小分度為0. Iarc sec,曝光時(shí)間為4s。第三步光柵尺胚制備。在光柵尺胚基材7 (玻璃)上蒸鍍一定厚度的金屬薄膜作為光柵壓印材料層8;本實(shí)施例所用的光柵尺胚基材7為厚度為4mm的浮法玻璃，經(jīng)過研磨、拋光、清洗后，進(jìn)行鋁薄膜層的沉積，鍍膜方式采用電子束蒸鍍的方法，鍍層厚度為20 ym。第四步單碼道絕對式光柵尺輥壓印復(fù)型。將光柵尺胚置于輥壓印模具與支撐輥3之間，使之與輥壓印模具軸線的垂直方向呈e角(螺旋線帶2的螺旋升角)，如圖3所示。以輥壓印模具為主動(dòng)輥，其下的支撐輥3及走料輥4為從動(dòng)輥，在輥壓印模具的壓力驅(qū)動(dòng)下，光柵尺胚走料方向?yàn)閙，與y方向(輥壓印模具軸線垂直方向)呈0角。為保證光柵尺胚在走料過程中始終沿m方向，即在輥壓印模具沿其軸線旋轉(zhuǎn)過程中始終位于輥壓印模具螺旋線帶下方，在輥壓印裝置上安裝一走料定位機(jī)構(gòu)，如圖4所示。走料定位機(jī)構(gòu)由U型定位滑塊5和線性導(dǎo)軌6組成，光柵尺胚放置于定位滑塊5的U型槽內(nèi)，U型定位滑塊5安裝于線性導(dǎo)軌6上，采用低摩擦系數(shù)的特氟龍材料制造。在壓印過程中，光柵尺寸需要從輥壓印模具螺旋線帶2的起始位置橫向移動(dòng)(X方向)移動(dòng)到結(jié)束位置，在此過程中，U型定位滑塊5保證其向m方向走料，同時(shí)能夠在線性導(dǎo)軌6上進(jìn)行X方向的滑動(dòng)。在光柵尺胚的走料過程中，輥壓印模具上螺旋線區(qū)域的母光柵線紋槽形通過壓力，使光柵尺胚基材7上的光柵壓印材料層8發(fā)生塑性變形，從而形成如圖2中的單碼道絕對式光柵柵線，輥壓印復(fù)型原理如圖5所示。本實(shí)施例所用的壓印速度(輥壓印模具轉(zhuǎn)速)為lm/s，壓力350N。
上述單碼道絕對式光柵尺的制造方法，利用螺旋線在圓柱輥模具基體上的多圈繞制，能夠以棍壓印工藝制造定制化長度的單碼道絕對式光柵尺，相對于傳統(tǒng)的光刻制造方式，具有輥壓印工藝方案批量、快速、低成本的技術(shù)優(yōu)勢，具備產(chǎn)業(yè)化的潛力。
權(quán)利要求
1.一種單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)輥壓印模具加工在圓柱形模具基體上加工出螺旋線帶； (2)輥壓印模具上母光柵線紋加工通過旋轉(zhuǎn)光刻及濕法刻蝕工藝，在輥壓印模具的螺旋線帶上加工母光柵的光柵線紋； (3)光柵尺胚制造在光柵尺胚基材上沉積一層金屬薄膜作為光柵壓印材料層； (4)絕對式光柵輥壓印將光柵尺胚放在輥壓印模具與支撐輥之間呈9角放置，并施加壓印力，輥壓印模具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，光柵尺胚隨輥壓印模具的定心旋轉(zhuǎn)，始終定位于輥壓印模具的螺旋線帶下方，在壓力的作用下，在光柵尺胚的表面的光柵壓印材料層壓印復(fù)型出單碼道絕對光柵尺柵線；0角為螺旋線帶的螺旋升角。
2.按照權(quán)利要求I所述的單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，其特征在于步驟(I)中輥壓印模具基體的材料為Cu、不銹鋼或石英玻璃；加工工藝為在圓柱形模具基體上經(jīng)車、磨及拋光加工出螺旋線帶；螺旋線帶的外徑為50-100mm，螺旋升角0為5-20°，螺旋線帶寬度為8-15mm，圈數(shù)為4_8圈，螺旋線帶總長度0. 5_3m，拋光加工后，表面粗糙度<50nm，圓柱度及同心度〈I Pm。
3.按照權(quán)利要求I所述的單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，其特征在于步驟(2)中旋轉(zhuǎn)光刻工藝中光刻膠為瑞虹系列光刻膠、安智系列光刻膠或永光系列光刻膠；光刻膠的涂鋪方法為提拉法，提拉速度為1-lOmm/s，膠層厚度為5-10 ym。
4.按照權(quán)利要求3所述的單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，其特征在于步驟(2)中光刻膠涂覆完成后，對輥壓印模具基體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)曝光；旋轉(zhuǎn)曝光所使用的掩膜版中圖形為單根柵線，其寬度為單碼道絕對式光柵尺的標(biāo)稱線紋寬度，即最窄線紋的寬度，為10-30 y m，其長度為單碼道絕對式光柵尺柵線區(qū)域的寬度，亦即螺旋線帶的寬度8-15mm。
5.按照權(quán)利要求4所述的單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，其特征在于步驟(2)中，曝光完成后，進(jìn)行顯影和濕法刻蝕，在輥壓印模具的螺旋線帶上加工母光柵的光柵線紋。
6.按照權(quán)利要求I所述的單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，其特征在于步驟(3)中，光柵尺胚基材選擇厚度為3-6mm的浮法玻璃；光柵尺胚上形成的光柵壓印材料層為鋁薄膜，其沉積方式為熱蒸鍍、電子束蒸鍍或?yàn)R射，厚度為10-15 u m。
7.按照權(quán)利要求I所述的單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，其特征在于步驟(4)中，輥壓印模具為主動(dòng)輥，支撐輥及兩側(cè)的走料輥為從動(dòng)輥，在壓印過程中，輥壓印模具首先向下運(yùn)動(dòng)，提供壓印力，帶動(dòng)光柵尺胚向前走料，支撐輥在光柵尺胚下表面摩擦力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)；光柵尺胚放置的初始位置位于螺旋線帶的起始位置的正下方。
8.按照權(quán)利要求I所述的單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，其特征在于步驟(4)中，支撐輥兩側(cè)的設(shè)置有走料定位機(jī)構(gòu)，該走料定位機(jī)構(gòu)由U型定位滑塊和線性導(dǎo)軌組成，光柵尺胚放置于定位滑塊的U型槽內(nèi)，U型定位滑塊安裝于線性導(dǎo)軌上，采用耐摩擦的特氟龍材料制造。
9.按照權(quán)利要求I所述的單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，其特征在于步驟(4)中，光柵尺胚隨輥壓印模具旋轉(zhuǎn)，在其壓印作用下向前走料過程中，U型定位滑塊沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，使光柵尺胚在走料過程中始終在于輥壓印模具螺旋線帶的正下方。
10.按照權(quán)利要求I所述的單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，其特征在于步驟(4)中，輥壓印過程中，壓印力為200-500N，輥壓印模具轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0. 1-lm/ s。
全文摘要
本發(fā)明公開一種單碼道絕對式光柵尺輥壓印制造方法，使用螺旋形輥壓印模具，通過輥壓印工藝對光柵尺胚表面的金屬材料層進(jìn)行壓印復(fù)型；所述螺旋形輥壓印模具的外形為升角為θ的螺旋線帶，單碼道絕對式光柵柵線通過旋轉(zhuǎn)光刻和濕法刻蝕制作在螺旋線帶之上；將光柵尺胚平置于輥壓印模具與支撐輥之間，在輥壓印模具壓印力的作用下，光柵尺胚上的金屬材料層發(fā)生塑性變形，向輥壓印模具螺旋線帶上的光柵柵線凹槽中填充，從而在光柵尺胚上形成單碼道絕對式光柵尺柵線。本方法利用螺旋線帶在圓柱輥模具基體上的多圈繞制，能夠以輥壓印方法制造定制化長度的單碼道絕對式光柵尺，相對于傳統(tǒng)的絕對式光柵尺制造方式，具有批量、快速、低成本的技術(shù)優(yōu)勢。
文檔編號G01B11/02GK102759857SQ20121024752
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者馮龍, 劉紅忠, 盧秉恒, 史永勝, 尹磊, 蔣維濤, 趙效忠 申請人:西安交通大學(xué), 西安瑞特快速制造工程研究有限公司