专利名称：磁编码器标尺的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁编码器标尺，具体地说，涉及一种形成活塞杆的方法，这些活塞杆具有一系列磁性标尺标记，这些标记允许测量活塞杆在其壳体内的纵向位置。
背景技术：
液压和气动缸是已知的，并且被广泛用在多种重型机械用途中。典型的液压缸包括壳体和活塞杆，该壳体限定加压缸，该活塞杆在该壳体内是可滑动的。提供在活塞杆与在壳体中的孔径之间的流体密封，以防止加压液压流体的泄漏，活塞杆穿过该孔径延伸。对于活塞杆表面的任何损坏可损害流体密封，并因而导致液压流体的泄漏。在多种用途中，希望的是，将测量系统结合到液压缸中，该测量系统允许测量活塞杆相对于壳体的位置。任何这样的测量系统必须是高度可靠的，因为常常要求在苛刻和不干净的环境下操作，在该环境下，它经受比较高机械力和震动。因而以前已经提出包括磁编码器的液压缸，在这些液压缸中，附加到缸壳体上的磁性传感器读取沿活塞杆形成的磁性标尺图案。已知液压缸的例子在US2004/155800、GB2096421及US2007/0214952中描述。US2004/155800描述了一种液压缸，在该液压缸中，多个霍尔传感器元件扫描活塞杆，该活塞杆包括嵌入的无源的磁性标尺。活塞杆包括钢心，该钢心具有形成在其中的一系列圆周凹槽。保护性外部陶瓷涂层提供在活塞杆上以填充凹槽。陶瓷涂层被磨削和抛光， 以提供光滑的外部杆表面，该外部杆表面提供与液压缸的壳体的必要流体密封。GB2096421描述了一种液压缸或压头，该液压缸或压头包括活塞杆，该活塞杆沿其长度具有多个并排编码轨迹。轨迹编码二进制图案，该二进制图案允许建立活塞杆相对于壳体的绝对位置。在一个实施例中，通过光刻钢杆的表面的部分以形成所需的标尺图案，而形成无源磁性标尺。铬层然后涂敷在钢杆上，并且应用表面磨削过程磨去铬的波状起伏，以提供所需的光滑表面光洁度。US2007/0214952描述了一种活塞杆的形成，该活塞杆具有外部铬涂层。具体地说， US2007/0214952描述了将正弦变化表面轮廓磨削到铁磁性杆的表面中。将非磁性材料层沉积到钢杆的表面上，并且应用表面磨削过程来提供光滑外部铬涂层。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种用来制造编码器标尺的方法包括如下步骤(a)提供掩模，该掩模在编码器标尺部件上限定所需的凹槽图案，该编码器标尺部件由第一材料形成，(b)穿过掩模，从编码器标尺部件蚀刻材料，以在编码器标尺部件的外表面中形成多个凹槽，(c)将第二材料沉积到编码器标尺部件上，以大体填充凹槽，第二材料具有与第一材料不同的导磁率，(d)使用机加工过程除去任何过多的第二材料，并由此提供具有大体光滑外表面的编码器标尺部件，以及(e)用金属涂敷编码器标尺部件的外表面。本发明因而提供一种用来制造编码器标尺(如活塞杆)的改进方法，在该编码器标尺中，嵌入无源磁性标尺轨迹。所述方法包括使用掩模限定凹槽图案，该掩模形成在(坯料)编码器标尺部件上，该凹槽图案然后被蚀刻到编码器标尺部件中。编码器标尺部件包括第一(例如，磁性)材料，并且其中形成的凹槽填充有第二(例如，非磁性)材料，因而提供具有不同磁性质区域的编码器标尺部件。所述第二材料被机加工(例如，磨削或拉削至坯料编码器标尺部件表面的水平)，以在外部金属层的沉积之前提供光滑表面。在步骤(e)中提供的外部金属层优选地是硬的和非磁性的。便利地，金属包括铬或类似金属，该金属显著地比在US2004/155800中描述的类型的陶瓷层更坚固和耐损坏， 这些陶瓷层在使用中可能碎裂或破裂。如果本发明用来形成活塞杆形式的编码器标尺，则外部金属表面的增加坚固性具有如下优点在使用期间，大大地降低在活塞杆与相关缸壳体之间的流体密封失效的危险。尽管硬金属(如铬等)作为要在苛刻环境下工作的活塞杆上的外部保护涂层是理想的，但铬的硬度也意味着加工这样的材料是困难和昂贵的。也可能有与沉积厚度和均勻铬层相关的实际困难。本发明的方法通过使用第二材料填充凹槽而克服了这些问题，该第二材料优选地比铬更软并且/或者更容易加工。加工(例如，磨削)这种第二材料，以提供光滑表面，金属(例如，铬)层(一个或多个)可容易地沉积到该光滑表面上。本发明因而具有优于在GB2096421中所描述类型的过程的如下优点不要求磨削铬层的步骤，也不必沉积铬层，该铬层足够厚以填充杆中的凹槽，并且还在杆被磨削光滑之后提供适当厚的保护层。另外，本发明的基于掩模的蚀刻技术，允许在编码器标尺部件中形成几乎任何要求的凹槽图案。具体地说，这样一种过程允许复杂(例如，多水平)凹槽结构的形成，以编码绝对位置信息。本发明因而可提供一种(例如用于编码绝对位置的)凹槽结构，该凹槽结构比应用US2007/0214952所描述类型技术可能得到的凹槽结构更复杂，在该类型的技术中，将各种涂层涂敷到已经磨削的杆的整个表面上，以提供正弦凹槽结构。有利地，步骤(a)包括如下步骤将抗蚀剂层沉积到(坯料)编码器标尺部件的外表面上，以形成掩模。抗蚀剂可以是任何合适的材料。例如，抗蚀剂可以包括金属(例如， 诸如金之类的惰性金属)、聚合物或环氧树脂等等。步骤(a)优选地还包括摹制沉积的抗蚀剂层(例如，通过使用激光除去抗蚀剂层的部分)，以提供限定所需凹槽图案的掩模。然后可以进行蚀刻步骤(b)，以穿过掩模蚀刻坯料编码器标尺部件，或者从其除去材料，由此形成所需凹槽图案。蚀刻步骤可以包括例如光学、化学或等离子蚀刻。有利地，进行化学蚀刻 (例如，喷雾腐蚀)。便利地，步骤(C)包括穿过(例如，抗蚀剂)掩模用第二材料填充蚀刻凹槽。电镀技术可以有利地用来将材料沉积在凹槽内。优选的是，沉积的第二材料的深度大于杆的凹槽的深度。这保证凹槽完全填充或稍微过填充，并且保证在步骤(d)的机加工过程期间，可提供光滑表面。有利地，在步骤(C)期间，第二材料不沉积在凹槽之间的区域中。有利地，在步骤(C)与(d)之间进行如下步骤从编码器标尺部件除去掩模的一些或全部。例如，可以将抗蚀剂掩模从编码器标尺部件用化学方法洗掉。掩模或该掩模的
5一部分，也可以在机加工步骤(d)期间与过多的第二材料一道除去，或者选择地除去。有利地，在机加工步骤之后，没有(或仅有少量的)第二材料保持在凹槽之间的区域中。如以上概述的那样，编码器标尺部件的第一材料具有与第二材料不同的导磁率， 该第二材料填充编码器标尺部件中的凹槽。第一和第二材料可以分别是非磁性的和磁性的，或者反之亦然。例如，非磁性(例如，不锈钢)编码器标尺部件可以包括凹槽，这些凹槽填充有第二(磁性)材料。在这样一个例子中，第二材料可以包括任何磁性材料。第二材料也可以包括载体材料(例如，聚合物或环氧树脂)，该载体材料包括材料颗粒，这些材料颗粒具有高导磁率(例如，高导磁率金属粉尘)。优选地，(编码器标尺部件的)第一材料是磁性的，或者具有高导磁率。方便地， 第一材料包括钢(它是磁性的)。钢是优选的，例如因为它具有大多数液压缸用途所要求的机械强度，并且通常已经用来形成活塞杆。方便地，(用来填充凹槽的)第二材料大体是非磁性的，或者具有低导磁率。第二材料可以包括环氧树脂、聚合物或任何其它合适的材料。 有利地，第二材料是金属。优选地，第二材料包括锡、锌及铜的至少一种。有利地，编码器标尺部件为杆的形式。优选地，杆具有大体圆形横截面。杆可以是实心的，或者具有空心的芯部。杆可以适于作为活塞杆包括在液压和/或气动用途中。凹槽可以完全地、或部分地围绕杆延伸。有利地，凹槽绕杆周向伸展。换句话说，每个凹槽方便地位于径向平面中；径向平面是与杆的纵向轴线相垂直的平面。这种布置除去了如下需要 保证活塞杆相对于磁性传感器保持一定径向方位；即，活塞杆的转动于是不影响位置测量。编码器标尺部件的凹槽可以具有任何所需的深度、宽度、间隔或形状。凹槽可以全部相同，或者可以采取多个不同形状。凹槽可以沿着编码器标尺部件规则地间隔开。有利地，在步骤(b)中形成的凹槽编码一种图案，该图案提供绝对位置的测量。例如，可以提供凹槽，以限定具有适当编码图案的位(例如，二进制数据位)，由此可确定绝对位置。优选地，在步骤(e)中沉积的金属是硬的，并且/或者是非磁性的和/或惰性的。 有利地，步骤(e)包括沉积铬层。在这样一个例子中，步骤(e)提供大体光滑的铬表面。可以选择性地进行如下另外步骤抛光在步骤(e)中沉积的金属(例如，铬)层。这样一个抛光步骤可进一步改进铬光洁度的光滑度和/或几何形式。根据本发明的第二方面，一种编码器标尺包括由第一材料形成的部件，该部件在其外表面中具有多个凹槽；第二材料，其填充在部件中的凹槽，第二材料具有与第一材料不同的导磁率，其中，第二材料在凹槽之间的区域中不存在；及金属涂层，它覆盖所述部件和填充的凹槽，其中，金属涂层为编码器标尺提供大体光滑的外表面。本发明也提供一种用于液压缸的活塞杆，该活塞杆包括杆部件，其由第一材料形成，杆部件在其外表面中具有多个凹槽；第二材料，其填充杆部件中的凹槽，第二材料具有与第一材料不同的导磁率，其中，第二材料在凹槽之间的区域中不存在；及铬涂层，它覆盖杆部件和填充的凹槽，其中，铬涂层为活塞杆提供大体光滑的外表面。根据本发明的第三方面，一种制造编码器标尺部件的方法包括如下步骤(i)取得由第一材料形成的编码器标尺部件，该编码器标尺部件在其外表面中具有多个凹槽； (ii)将第二材料沉积在编码器标尺部件上，以大体填充所述凹槽，第二材料具有与第一材料不同的导磁率；(iii)应用机加工(例如，磨削)过程除去任何过多的第二材料，并由此提供具有大体光滑外表面的编码器标尺部件；以及(iv)用金属涂敷编码器标尺部件的外表面，其中，步骤(ii)包括将第二材料仅沉积到凹槽中，而不沉积到编码器标尺部件的凹槽之间的区域上。有利地，编码器标尺部件包括杆。
现在参照附图，仅作为例子描述本发明，在附图中图1A-1C显示用来形成镀铬活塞杆的现有技术，图2A-2G显示根据本发明的过程，该过程用来形成镀铬活塞杆，以及图3显示液压缸，该液压缸包括本发明的活塞杆。
具体实施例方式首先参照图1A-1C，显示制造活塞杆的现有技术方法。具体地说，图1A-1C显示在 GB2096421中描述类型的现有技术。现有技术方法的第一步骤显示在图IA中，并且包括在钢杆的表面4中形成一系列凹槽2。如图IB中所示，钢杆的表面4然后应用标准铬电镀沉积过程涂敷外部铬层6。这个铬层6填充钢杆的凹槽2，但具有波状起伏的表面轮廓。第三步骤包括磨削铬表面，直到除去波状起伏，并且得到在图IC中显示的平表面。这种现有技术方法具有如下缺点必须磨削粗糙的外部铬层，以除去由于凹槽的填充生成的波状起伏。磨削铬是困难的，铬选择为外部涂层，因为它是非常硬的材料。参照图2A至2G，现在将描述本发明的方法。应该注意，在图2A至2G中，为了清楚起见，显示杆的单个表面的横截面视图；显示的各个层和凹槽在实际中围绕杆的周向延伸。方法的步骤A(如图2A所示)包括将抗蚀剂层10沉积到钢杆的表面12上。抗蚀剂可以包括干的或液态的抗蚀剂。合适的抗蚀剂例如是液态抗蚀剂，其由在1-丙醇溶剂中的酸性共聚物、增粘剂、炭黑及紫外线吸收剂形成。这可以沉积被以形成具有2 μ m或更大厚度的抗蚀剂层。然后进行步骤B，该步骤涉及摹制抗蚀剂层10，以形成如图2B所示的掩模。通过除去抗蚀剂层10的部分以暴露钢杆的表面12的部分而提供掩模，在钢杆表面的上述部分处希望形成凹槽。这个摹制步骤可以应用激光进行，以选择性地除去(烧蚀)抗蚀剂层10 的部分。在步骤C中，通过由抗蚀剂层10限定的掩模化学地蚀刻钢杆，由此形成在钢杆的表面12中的所需凹槽图案16，如图2C所示。合适的化学蚀刻剂是氯化铁(FeCl3),它可通过喷雾过程被涂敷。蚀刻过程可以被精确地控制，以提供所需的凹槽深度。例如，可以形成凹槽，这些凹槽具有大约500 μ m的节距和100-200 μ m的深度。然后进行步骤D，在该步骤D中，应用电镀技术将铜18沉积在杆上。沉积的铜18的深度选择成比填充在钢杆表面12中形成的各个凹槽16需要的更多。如图2D所示，因此铜 18从表面12内的凹槽16稍微溢出。也应该注意，铜18主要沉积在凹槽内，而不沉积在抗蚀剂层10的顶部上，原因是抗蚀剂是电绝缘的，因此在电镀过程期间不倾向于被铜涂敷。图2E显示在已经进行选择性步骤E之后突出杆表面12的铜，该选择性步骤E包括除去剩余的抗蚀剂(例如，应用合适的溶剂)。然后可进行步骤F，该步骤F磨削杆的表面，以除去过多的铜(和任何剩余的抗蚀剂)，并因而提供光滑外表面20，如图2F所示。与铬相比相对软的金属铜可容易地被磨削，以提供必要的光滑表面光洁度。尽管描述了磨削， 但可以应用任何合适的机加工过程(例如，拉削等等)。铬层22然后可以沉积在杆的光滑外表面20上，如图2G所示。沉积镍层的选择性步骤可以在铬沉积之前进行，以便改进铬层22对于杆的粘附。这个铬层22具有大体光滑外表面，该外表面没有波状起伏，这些波状起伏使用参照图1描述的现有技术方法而形成。 磨削铬的步骤是不必要的，尽管如果需要的话，可以进行选择性铬抛光或磨光步骤。尽管在这个例子中描述了铬，但可以使用任何适当硬的、优选非磁性的金属。使用以上描述过程形成的活塞杆具有大体光滑铬表面和下置铜区域，这些下置铜区域位于钢杆的凹槽中。钢是磁性材料，而铜和铬都是非磁性材料。活塞杆的磁性因而沿其长度按如下方式变化这种变化使用下面参照图3所述类型的磁性传感器装置可探测。应该记住，凹槽钢杆的使用仅仅是一个例子；可以使用由其它材料形成的杆。另外，可以使用除铜之外的金属(例如，其它软的、非磁性金属，如锡或锌)，以填充杆中的凹槽。非磁性材料(例如，环氧树脂、聚合物等等)也可以用来填实凹槽。然而，杆的材料以及填充杆中凹槽的材料应该优选地具有不同的导磁率，从而通过检测与活塞杆相关的磁场强度的最终变化，相关磁性传感器元件可测量活塞杆的位置和/或运动。以上描述的凹槽图案沿着活塞杆的长度大体是规则的和重复的。这种类型的活塞杆因而可与已知类型的所谓增量磁性传感器一道使用，该增量磁性传感器测量在传感器与活塞杆之间的相对(或增量)运动量。可替换地，凹槽可按不规则图案间隔开，以沿活塞杆限定一系列代码字(例如，二进制代码字)。也可以提供不同深度和/或宽度的凹槽，以编码数据位。已知类型的多元件传感器装置然后可用来同时读取多个这样的代码字，由此允许测量绝对位置。因而可见，本发明的方法可用来将任何所需形式的磁性标尺图案形成或编码到活塞杆中。参照图3，显示了液压缸30，该液压缸30包括活塞杆32，该活塞杆32使用以上参照图2A至2G描述的方法制造。活塞杆32在加压缸壳体34中是可滑动的。供给的液压流体可经流体供给管36泵送到壳体34中和泵送到壳体34外，因此使活塞的端部38相对于壳体34前进和后退。流体密封件40设置在壳体34上，以接合活塞杆32的光滑铬表面，以防止液压流体的泄漏。尽管显示了液压缸，但活塞杆也可以用在其它(例如，气动)活塞型装置等中。磁性传感器装置42放置在壳体34内与活塞杆32相邻的固定位置处。传感器装置42包括永磁体46和多个适当间隔开的磁场传感器元件(例如霍尔传感器)44，磁场传感器元件44布置在磁体46与活塞杆32之间。如以上解释的那样，活塞杆在钢(磁性)杆内包括一系列凹槽，凹槽包含铜(非磁性材料)；这些凹槽的位置在图3中由虚线48表明，尽管应该注意，这样的凹槽由铬层覆盖，并且从外部是不可见的。然而，与钢的区域相比，当磁场传感器元件44与铜的埋入区域相邻时，会经受不同的磁场强度。来自传感器元件44的输出信号因而可按已知方式组合，以允许测量活塞杆32相对于壳体34的运动。如以上提到的那样，更复杂的凹槽图案可以用来编码标尺图案，该标尺图案包括一系列位，这些位形成与位置相关的代码字。绝对位置传感器装置(例如，包括足够的传感器元件以并行地测量代码字的多个位)然后可以用来确定与壳体有关的绝对活塞杆位置 fn息ο
应该注意，尽管以上详细描述了形成活塞杆形式的编码器标尺，但本发明的技术可应用于任何形状的基片。例如，本发明也可以应用于平或平面基片形式的编码器标尺部件。
权利要求
1.一种用来制造编码器标尺的方法，包括如下步骤(a)提供掩模，该掩模在编码器标尺部件上限定所需的凹槽图案，该编码器标尺部件由第一材料形成，(b)穿过所述掩模，从所述编码器标尺部件蚀刻材料，以在编码器标尺部件的外表面中形成多个凹槽，(c)将第二材料沉积到编码器标尺部件上，以大体填充凹槽，第二材料具有与第一材料不同的导磁率，(d)使用机加工过程除去任何过多的第二材料，并由此提供具有大体光滑外表面的编码器标尺部件，以及(e)用金属涂敷编码器标尺部件的外表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括如下步骤将抗蚀剂层沉积到编码器标尺部件的外表面上。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤(a)包括摹制沉积的抗蚀剂层，以提供限定所需凹槽图案的掩模。
4.根据任一以上权利要求所述的方法，其中，步骤(c)包括穿过掩模用第二材料填充蚀刻的凹槽。
5.根据任一以上权利要求所述的方法，包括在步骤(c)与(d)之间的如下步骤从编码器标尺部件除去掩模。
6.根据任一以上权利要求所述的方法，其中，第一材料是磁性的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，第一材料包括钢。
8.根据任一以上权利要求所述的方法，其中，第二材料是大体非磁性的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，第二材料包括锡、锌及铜中的至少一种。
10.根据任一以上权利要求所述的方法，其中，编码器标尺部件为杆的形式，该杆具有大体圆形横截面。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在步骤(b)中形成的凹槽的每一个围绕杆周向地延伸。
12.根据任一以上权利要求所述的方法，其中，在步骤(b)中形成的凹槽编码一种图案，该图案提供绝对位置的测量。
13.根据任一以上权利要求所述的方法，其中，步骤(e)包括沉积铬层。
14.根据任一以上权利要求所述的方法，包括如下另外步骤抛光在步骤(e)中沉积的 ^^^J^l J^ ο
15.一种编码器标尺，包括由第一材料形成的部件，所述部件在其外表面中具有多个凹槽；第二材料，其填充在部件中的凹槽，所述第二材料具有与第一材料不同的导磁率，其中，第二材料在凹槽之间的区域中不存在；及金属涂层，它覆盖所述部件和被填充的凹槽，其中，金属涂层为编码器标尺提供大体光滑的外表面。
16.一种制造编码器标尺部件的方法，包括如下步骤(i)取得由第一材料形成的编码器标尺部件，所述编码器标尺部件在其外表面中具有多个凹槽；(ii)将第二材料沉积在编码器标尺部件上，以大体填充所述凹槽，第二材料具有与第一材料不同的导磁率；(iii)应用机加工过程除去任何过多的第二材料，并由此提供具有大体光滑外表面的编码器标尺部件；以及(iv)用金属涂敷编码器标尺部件的外表面，其中，步骤(ii)包括将第二材料仅沉积到所述凹槽中，而不沉积到编码器标尺部件的凹槽之间的区域上。
全文摘要
描述了一种用来制造编码器标尺的方法。在优选实施例中，编码器标尺是用在气动或液压缸(30)中的活塞杆(32)。所述方法包括如下步骤提供掩模(10)，该掩模(10)在编码器标尺部件(12)上限定所需的凹槽图案，该编码器标尺部件(12)由第一材料(例如钢)形成；穿过掩模，从编码器标尺部件(12)蚀刻材料，以在编码器标尺部件(12)的外表面中形成多个凹槽(16)。将诸如铜(18)之类的第二材料沉积到编码器标尺部件(12)上，以大体填充凹槽(16)，第二材料具有与第一材料不同的导磁率。然后使用机加工过程(例如，磨削)除去任何过多的第二材料，并由此提供具有大体光滑外表面(20)的编码器标尺部件(12)。然后进行如下步骤用诸如铬(20)等金属涂敷编码器标尺部件的外表面。
文档编号F15B15/28GK102301204SQ201080005714
公开日2011年12月28日 申请日期2010年1月19日 优先权日2009年1月27日
发明者哈内斯·诺瓦克, 柳博·斯拉巴杰纳, 若弗雷·麦克法兰, 霍华德·特雷弗·索尔特 申请人:Rls梅里那技术公司, 瑞尼斯豪公司