DE68903218T2 - Messskala. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Meßskalen, d. h. Skalen zum Gebrauch in opto-elektronischen Skalenablesungsvorrichtungen.
• Solche Skalen sind dafür bekannt, ein längliches, metallisches Skalenteil mit abwechselnden Markierungen und Abständen zu umfassen, die entlang dessen Länge vorgesehen sind. Unsere frühere internationale Patentanmeldung Nr. WO 88/00331 beschreibt eine solche Skala und ein Herstellungsverfahren durch Walzen. Die Skala, die in dieser Anmeldung beschrieben wird, ist von der Form eines flexiblen Bandes mit einem Substrat aus Federstahl, das relativ undehnbar ist. Eine weichere Kupferschicht ist an den oberen und unteren Oberflächen des Federstahlsubstrats vorgesehen. Die Markierungen und Abstände der Skala werden in eine der Kupferschichten durch eine Prägewalze mit einem entsprechenden Profil eingeprägt. Das Band wird geprägt, indem es durch einen Spalt zwischen dieser Prägewalze und einer Tragewalze, die eine glatte, zylindrische Oberfläche besitzt, hindurchgeleitet wird.
• Obwohl es die Struktur des Bandes mit einem relativ undehnbaren Substrat und einer weichen Prägeschicht erlaubt, daß die Prägung stattfindet, während sie gleichzeitig die Skala mit einiger Beständigkeit gegen Längsdehnung unter dem Walzendruck versieht, existieren dennoch unvermeidliche Belastungen, die während des Walzprozesses in das Band eingebracht werden, die jedoch gering sind, als Ergebnis der Spannungen, die durch das Walzen verursacht werden. Beispielsweise wird die geprägte Oberflächenschicht mehr belastet werden als die andere Oberflächenschicht, was in einer Verbiegung des Bandes resultiert. Wenn das Band aus den Walzen herauskommt, werden die Spannungen in dem Band abgeschwächt und es kann sich dadurch als Folge eine sehr kleine Änderung im lokalen Abstand der Skala ergeben. Die sich ergebenden Fehler können kumulativ sein.
• Die vorliegende Erfindung hat verschiedene Ausführungsformen, von denen jede versucht diese Auswirkung zu verhindern.
• Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Meßskala zur Verfügung, wobei die Skala besteht aus einem länglichen Skalenteil mit einer Bezugsfläche parallel dazu und einem periodischen Oberflächenprofil, das aus abwechselnden ersten und zweiten Oberflächenregionen zusammengesetzt ist, die länglich sind in einer Richtung quer zur Länge des Teils, und die unterschiedlich relativ zur Bezugsfläche positioniert sind, wobei das Verfahren umfaßt:
• Das Zurverfügungstellen eines Walzspaltes mit ersten und zweiten Spaltteilen, wobei das erste Spaltteil ein Profil aufweist, das sich um seinen Umfang herum erstreckt, und das aus abwechselnden, erhöhten und erniedrigten Abschnitten besteht, und das das Gegenstück des Oberflächenprofils der Skala ist; und
• das Hindurchführen eines Rohlings für dieses Skalenteil durch den Spalt der Spaltteile, während Druck zwischen diese angelegt wird, um dadurch eine Oberfläche des Rohlings gemäß dem Profil des ersten Spaltteils zu deformieren,
• dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Spaltteil ebenfalls ein Profil aufweist, das sich um dessen Umfang erstreckt, und das aus abwechselnden, erhöhten und erniedrigten Abschnitten besteht, so daß die gegenüberliegende Oberfläche des Skalenteils gemäß dem Profil des zweiten Spaltteils deformiert wird, wenn das Skalenteil sich durch den Spalt bewegt.
• Nach der ersten Ausführungsform der Erfindung sind die zwei Spaltteile bevorzugt Walzen. Die Spaltteile haben bevorzugt Profile, die im wesentlichen gleiche Längsbelastungen in den gegenüberliegenden Oberflächen des Skalenteils verursachen. Sie können beispielsweise identische Profile haben, obwohl dies nicht wesentlich ist.
• Ferner sind die Profile der Spaltteile bevorzugt symmetrisch.
• Eine zweite Ausführungsform der Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Meßskala zur Verfügung, wobei die Skala besteht aus einem länglichen Skalenteil mit einer Bezugsfläche parallel dazu und einem periodischen Oberflächenprofil, das aus abwechselnden, ersten und zweiten Oberflächenregionen zusammengesetzt ist, die länglich in einer Richtung quer zu der Länge des Teils sind, und die unterschiedlich relativ zu der Referenzfläche positioniert sind, wobei das Verfahren umfaßt das Hindurchführen eines Rohlings für dieses Teil zwischen zwei Spaltteile von denen zumindest eines eine Walze ist mit einem Profil, das das Gegenstück des Oberflächenprofils der Skala ist, während Druck zwischen die Spaltteile angelegt wird, um dadurch eine Oberfläche des Rohlings gemäß diesem Profil zu deformieren, dadurch gekennzeichnet, daß diese Walze frei drehbar ist.
• In der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann das andere Spaltteil eine andere Walze sein und der Antrieb, der verursacht, daß sich der Rohling durch den Spalt der Walzen hindurchbewegt, kann durch rotierendes Antreiben dieser anderen Walze gewährleistet werden. Diese andere Walze kann eine glatte, zylindrische Walze sein oder kann ein Profil haben, wie es oben beschrieben ist in Bezugnahme auf die erste Ausbildungsform der Erfindung.
• Weitere Ausbildungsformen der Erfindung beinhalten eine Meßskala mit einem zweiseitigen Profil.
• In den verschiedenen, oben aufgeführten Ausbildungsformen erstrecken sich die ersten und zweiten Oberflächenregionen, die sich quer erstrecken, normalerweise in rechten Winkeln zur Längsrichtung. Jedoch sind Oberflächenregionen die sich in anderen Winkeln zur Längsrichtung quer erstrecken, nicht ausgeschlossen.
• Ein Beispiel der verschiedenen Ausbildungsformen der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Walzvorrichtung und einer Skala, die gewalzt wird, und
• Fig. 2 ein vergrößertes Detail von Fig. 1 ist.
• Bezugnehmend auf die Zeichnung ist das gezeigte Beispiel eine Verbesserung des Beispiels, das in der internationalen Anmeldung Nr. WO 88/00331 gezeigt ist, auf welche für weitere Information Bezug genommen wird.
• Die Walzvorrichtung, bezeichnet mit 100, umfaßt eine obere Präge- oder Formwalze 101 und eine untere Trage- oder Druckwalze 103. Mittel, die nicht gezeigt sind und für sich verständlich sind, sind zur Einstellung des Drucks zwischen den Walzen 101, 103 vorgesehen. Eine Skala 110 muß ein Skalenprofil 109 aufweisen, das durch abwechselnde erste und zweite Oberflächen 42, 52 (Fig. 2) definiert wird, die so angeordnet sind, daß sie Winkel A, C relativ zu einer Referenzfläche 110 A definieren. Das Skalenprofil 109 ist eine periodische Struktur mit einem Abstand P, der in der Größenordnung von 0,020 mm sein mag. Die Prägewalze 101 besitzt um ihren Umfang herum ein Walzenprofil 102, das das Gegenstück zum Skalenprofil ist. Im Betrieb wird ein Rohling 107 der Skala 110 zwischen den Walzen hindurchgeleitet und das Profil der Prägewalze in die Oberfläche der Skala eingepreßt. Demgemäß bestimmt die Walze 101 das Profil 109 und den Abstand P. Das Walzenprofil 102 kann durch Schneiden eines zylindrischen Rohlings mit einem Diamanten mit der angemessenen Genauigkeit hergestellt werden. Die Tragewalze 103 besitzt ebenfalls ein Walzenprofil 104 um ihren Umfang herum, das mit dem Profil der Prägewalze aus Gründen, die unten beschrieben werden, zusammenpaßt.
• Die Skala 110 ist ein längliches, flexibles Teil oder Band, das ein Substrat 111 und zwei gegenüberliegende Oberflächenschichten oder Profilschichten 112, 120 umfaßt, die aus einem Material hergestellt sind, das weicher ist als das, aus dem das Substrat 111 hergestellt ist. Das Verhältnis zwischen Walzendruck, Walzenprofil und der relativen Härte des Substrats 111 und der Profilschichten 112, 120 ist so gewählt, daß nur die Profilschichten von den Walzen bedeutsam plastisch verformt werden, und daß das Substrat 111 nicht irgendeiner plastischen Verformung ausgesetzt ist. Dadurch liefert das Substrat 111 Stabilität gegen Walzendruck in dem Sinne, daß die Skala keiner bedeutsamen Ausdehnung in Richtung ihrer Länge aufgrund von Walzen ausgesetzt sein wird. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn die Skala relativ lang ist, beispielsweise 1 m oder mehr, da die Wirkung dieser Ausdehnung kumulativ sein würde. Dadurch, daß die Profilschicht 112 weicher und nachgiebiger ist, ist sie besser in der Lage das präzise definierte Profil der Walze 101 ohne Hysterese anzunehmen, während das härtere Substrat die mechanische Stärke zur Verfügung stellt, die im allgemeinen nötig ist, eine Beschädigung in der Produktion und der Installation zu vermeiden. Weitere Wege, die Stabilität des Skalenabstandes, der durch das Walzen hergestellt wird, zu verbessern sind unten beschrieben.
• Im vorliegenden Beispiel ist das Substrat 111 aus Federstahlband von ungefähr 0,1 mm Dicke und 6 mm Breite hergestellt. Die Profilschicht 112 ist im wesentlichen aus Kupfer hergestellt und hat eine Dicke von ungefähr 0,009 mm. Folglich kann die Profilschicht 112 leicht so deformiert werden, daß sie ein Profil 109 besitzt, dessen höchste und niedrigste Punkte 109 A, 109 B innerhalb einer Höhe von 0,005 mm, bevorzugt 0,003 mm liegen. Der Walzendruck sollte nicht zu groß sein: Er sollte bewirken, daß sich das Profil 109 nur teilweise in die Originaldicke der Schicht 112 erstreckt, so daß er eine ausreichende Dicke zwischen dem niedrigsten Punkt 109 B und dem Substrat 111 hinterläßt.
• Im vorliegenden Beispiel ist die Schicht 112 eine Zusammensetzung bestehend aus, in der Reihenfolge vom Substrat 111 aus, einer Schicht 115 aus Zyankupfer von ungefähr 0,002 mm Dicke, einer Schicht 116 aus acidischem Kupfer von ungefähr 0,009 mm Dicke, einer Schicht 117 aus Nickel von ungefähr 0,005 mm Dicke und einer Schicht 118 aus Gold von ungefähr 0,005 mm Dicke. Die Schicht 115 ist eingefügt, um den Stahl des Substrates gegen Diffusion von dem acidischem Kupfer der Schicht 116 zu schützen. Die Schicht 115 kann aus irgendeinem anderen Metall, z. B. Nickel, sein, das in der Lage ist, diese Funktion zu erfüllen. Alternativ kann die Schicht 115 weggelassen werden, wenn die Schicht 116 selbst aus Zyankupfer hergestellt ist. Jedoch acidisches Kupfer mag für die Schicht 116 bevorzugt werden, da es eine glänzende, reflektierende Oberfläche zu haben pflegt, zumindest vor dem Walzen, wohingegen das Zyankupfer eine matte Oberfläche hat, die für eine optische Skala weniger geeignet ist. Die Goldschicht 118 kann eingefügt sein, um Reflexionsvermögen für den Fall zur Verfügung zu stellen, daß die Schicht 116 selbst kein ausreichendes Reflexionsvermögen besitzt. Die Nickelschicht 117 formt eine Basis für die Goldschicht 118, indem sie als eine Barriere gegen Diffusion von Kupfer in das Gold wirkt, was das Reflexionsvermögen vermindern könnte. Alternativ schützt die Nickelschicht 117 die Schicht 116 gegen Oxidation, falls die Goldschicht nicht eingefügt ist. Die Schichten 115 bis 118 können an dem Substrat 111 durch irgendeine bekannte Methode, z. B. Galvanisieren, stromloses Platieren oder Druckplatieren angebracht werden.
• Die Profilschicht 120 auf der gegenüberliegenden Seite des Bandes ist eine zusammengesetzt Schicht, im wesentlichen die Gleiche wie die Schicht 112, der Reihe nach bestehend aus einer Schicht 121 aus Zyankupfer, einer Schicht 122 aus acidischem Kupfer und einer Schicht 123 aus Nickel. Die abschließende Goldschicht kann jedoch wie gezeigt weggelassen werden, da ein hohes Reflexionsvermögen auf der Unterseite der Skala nicht benötigt wird.
• Der Profilschicht 120 wird durch Mittel des Profils 104 der Tragewalze 103 ein zur Schicht 112 identisches Skalenprofilmuster gegeben. Da beide Walzen Zähne aufweisen, greifen die Spitzen oder Zähne der zwei Walzen im wesentlichen gleichzeitig an dem Rohling 108 an, wenn der Rohling durch den Spalt der Walzen gerollt wird, so daß jegliche Biegekräfte, die im Rohling auftreten, und jegliche daraus folgende Verformung des Bandes, wenn es durch den Spalt geführt wird, minimiert werden. Das im wesentlichen gleichzeitige Angreifen der Zähne der zwei Walzen ist jedoch nicht erforderlich. Es ist auch nicht erforderlich, identische Walzenprofile zu haben. Das wichtigste Merkmal ist, daß die zwei Walzen im wesentlichen gleiche plastische Formänderungen in die Schichten 112, 120 einbringen. Andere Kombinationen von Walzenprofilen, die dieses Ergebnis erreichen, können benutzt werden.
• Die Zuführung zu dem Spalt wird dadurch geliefert, daß nur die Tragewalze 103 angetrieben wird. Die Druckwalze 101 ist frei drehbar angeordnet und dreht sich in Richtung des Pfeiles 10 unter der Wirkung des Bandes, das sich durch den Spalt bewegt und das seinerseits durch die Rotation der Walze 103 in Richtung des Pfeils 12 angetrieben wird. Da die Druckwalze 101 nicht angetrieben wird, sondern frei drehbar ist, bedeutet das, daß die Vorwärts- oder Rückwärtskraft, die auf die Schicht 112 ausgeübt wird, wenn das Skalenprofil in diese hineingedrückt wird, minimiert wird. Folglich neigt sie nicht dazu, Scherkräfte in die Schicht 112 während des Druckvorganges einzubringen.
• Darüberhinaus bevorzugen wir ein symmetrisches Profil 102 (in der die Winkel A und C gleich sind) zu haben. Dementsprechend wird, wenn ein Zahn des Profils 102 in die Schicht 112 gedrückt wird, Kupfer der Schicht 116 von dem Profil des Zahns gleichermaßen nach vorne und nach hinten gedrückt. Daher gibt es keine resultierende Kraft vorwärts oder rückwärts, die von der Druckrolle verursacht wird. Es folgt, daß, da keine solchen Scherkräfte an der Kupferschicht 112 existieren, keine Verformung des Skalenprofils durch Entspannung verursacht wird, wenn solche Kräfte beim Austritt aus dem Spalt weggenommen werden.
• Da sowohl die Druckwalze 101 als auch die Tragewalze 103 mit Zähnen versehene Profile haben, die bevorzugt gleiche, plastische Formänderungen an den Schichten 112, 120 bewirken, führt dies zu einem geeigneten Antrieb des Bandes durch den Spalt durch die Drehung der Walze 103 in Richtung des Pfeiles 12. Wenn die Walze 103 eine glatte, zylindrische Oberfläche hat (wie es in der internationalen Anmeldung WO 88/00331 gezeigt ist), dann ist der Antrieb, der dem Band verliehen wird, durch Reibung bedingt. Aufgrund von Schwankungen in der Oberflächenbeschaffenheit des Bandes und der Walze ist es unvermeidlich, daß die Reibung veränderlich sein wird, und dies Rucken verursacht. Dies bedeutet einerseits, daß die Geschwindigkeit des Bandes durch den Spalt nicht gleichmäßig sein wird, und wichtiger noch, daß sich die Vorwärtskraft am Band ändert, wenn sich dies durch den Spalt bewegt. Jeder dieser Effekte verursacht eine Deformation des eingedrückten Skalenprofils 109 (und insbesondere einen variablen Abstand P von Stelle zu Stelle, wenn die variablen Scherkräfte nachlassen). Der Gebrauch von ähnlichen Walzenprofilen 102, 104 stellt sicher, daß der Poisson- Effekt (das Drücken des Bandmaterials vorwärts, rückwärts und seitwärts durch den Druck des Spaltes) von dem Griff einer mit Zähnen versehenen Walze 103 gesteuert wird und nicht durch die Reibung einer glatten Walze. Der Poisson- Effekt ist daher für eine gegebene Spaltlast konstanter und tendiert nicht dazu, einen variablen Abstand P zu verursachen.
• Die Spaltlast zwischen den zwei Walzen kann bevorzugt einstellbar gemacht werden. Das Einstellen der Last verändert den Poisson-Effekt und das kann dazu benutzt werden, den Abstand P auf den gewünschten Wert einzustellen. Einmal korrekt eingestellt sollte die Last danach konstant gehalten werden, um sicherzustellen, daß der Abstand konstant bleibt.
• Als ein weiteres, bevorzugtes Merkmal können auf das Band 107 und der sich ergebenden Skala 110 gleiche Zugkräfte F1 und F2 vorwärts und rückwärts während des Walzverfahrens ausgeübt werden. Geeignete Belastungseinrichtungen sind bekannt. Die gleichen und entgegengesetzten Zugkräfte helfen sicherzustellen, daß keine resultierende Vorwärts- oder Rückwärtsscherkraft auftritt, wenn die Zähne des Profils 102 in die Schicht 112 eingedrückt werden. Vorteilhafterweise kann das Band nach dem Prägeprozeß einem weiteren Spannungsentlastungsprozeß ausgesetzt werden, um zurückbleibende Spannungen abzubauen. Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform nur die Tragewalze angetrieben ist, ist es selbstverständlich möglich, die Ergebnisse der Erfindung durch Antreiben entweder einer oder beider Walzen zu erhalten, oder durch Durchschieben des Bandes durch die Walzen, die gleichzeitig angetrieben sein können oder auch nicht.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer Meßskala (110), wobei die Skala besteht aus einem länglichen Skalenteil (111, 112, 120) mit einer Bezugsfläche (110 A) parallel dazu und einem periodischen Oberflächenprofil (109), das aus abwechselnden ersten und zweiten Oberflächenregionen (42, 52) zusammengesetzt ist, die länglich sind in einer Richtung quer zur Länge des Teils, und die unterschiedlich relativ zur Zugfläche positioniert sind, wobei das Verfahren umfaßt:

Das Zurverfügungstellen eines Walzspaltes mit ersten und zweiten Spaltteilen (101, 103), wobei das erste Spaltteil (101) ein Profil (102) aufweist, das sich um seinen Umfang herum erstreckt, und das aus abwechselnden, erhöhten und erniedrigten Abschnitten besteht, und das das Gegenstück des Oberflächenprofils (109) der Skala ist; und

das Hindurchführen eines Rohlings (107) für dieses Skalenteil (111, 112, 120) durch den Spalt der Spaltteile (101, 103), während Druck zwischen diese angelegt wird, um dadurch eine Oberfläche des Rohlings gemäß dem Profil (102) des ersten Spaltteils (101) zu deformieren, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Spaltteil (103) ebenfalls ein Profil (104) aufweist, das sich um dessen Umfang erstreckt, und das aus abwechselnden, erhöhten und erniedrigten Abschnitten besteht, so daß die gegenüberliegende Oberfläche des Skalenteils (111, 112, 120) gemäß dem Profil (104) des zweiten Spaltteils (103) deformiert wird, wenn das Skalenteil sich durch den Spalt bewegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zwei Spaltteile (101, 103) Walzen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die zwei Spaltteile (101, 103) Profile (102, 104) besitzen, die im wesentlichen gleiche Längsbelastungen in den gegenüberliegenden Oberflächen des Skalenteils verursachen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die zwei Spaltteile (101, 103) im wesentlichen identische Profile (102, 104) besitzen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Profile (102, 104) der Spaltteile (101, 103) im wesentlichen symmetrisch sind.

6. Meßskala (110) zum Gebrauch in opto-elektronischen Skalenablesungsvorrichtungen bestehend aus einem länglichen Skalenteil (111, 112, 120) mit einer Bezugsfläche (110 A) parallel dazu und ersten und zweiten gegenüberliegenden Seiten, wobei die erste Seite ein periodisches Oberflächenprofil (109) besitzt und aus abwechselnden, ersten und zweiten Oberflächenregionen (42, 52) zusammengesetzt ist, die länglich in einer Richtung quer zur Länge des Teils sind, und die verschieden relativ zu der Bezugsfläche positioniert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Seite ebenfalls ein periodisches Oberflächenprofil besitzt, das aus abwechselnden ersten und zweiten Oberflächenregionen zusammengesetzt ist, die länglich in einer Richtung quer zur Länge des Teils sind, und die unterschiedlich relativ zu der Bezugsfläche positioniert sind.

7. Skala nach Anspruch 6, in der das Skalenteil besteht aus einem Substrat (111) und zwei Schichten (112, 120) aus einem weicheren Material als das Substrat, mit einer der Schichten an jeder Seite des Substrats, wobei die Oberflächenprofile in den weicheren Schichten vorgesehen werden.

8. Verfahren zur Herstellung einer Meßskala (110), wobei die Skala besteht aus einem länglichen Skalenteil (111, 112, 120) mit einer Bezugsfläche (110 A) parallel dazu und einem periodischen Oberflächenprofil (109), das aus abwechselnden, ersten und zweiten Oberflächenregionen (42, 52) zusammengesetzt ist, die länglich in einer Richtung quer zu der Länge des Teils sind, und die unterschiedlich relativ zu der Referenzfläche positioniert sind, wobei das Verfahren umfaßt das Hindurchführen eines Rohlings (107) für dieses Teil zwischen zwei Spaltteilen (101, 103), von denen zumindest eines eine Walze (101) ist mit einem Profil (102), das das Gegenstück des Oberflächenprofils der Skala ist, während Druck zwischen die Spaltteile angelegt wird, um dadurch eine Oberfläche des Rohlings gemäß diesem Profil zu deformieren, dadurch gekennzeichnet, daß diese Walze (101) frei drehbar ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das andere Spaltteil eine andere Walze (103) ist, und der Antrieb, der bewirkt, daß sich das Skalenteil durch den Spalt der Walzen bewegt, durch rotierendes Antreiben der anderen Walze (103) gewährleistet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die andere Walze (103) eine glatte, zylindrische Walze ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die andere Walze (103) ebenfalls ein periodisches Oberflächenprofil besitzt.