DE3105934C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Metallskala für ein elektronisches Meßgerät, das insbesondere die Relativ­ bewegung zweier Punkte zueinander oder die Entfernung der Punkte voneinander mißt, bei dem auf einem Grundmaterial aus Metall zunächst eine Spiegeloberfläche gebildet wird, und mit Hilfe eines Abdecklackfilmes, der durch eine Maske mit Licht bestrahlt, entwickelt, und an den zu ätzenden Stellen entfernt wird, abwechselnd freiliegende und abgedeckte Zonen geschaffen werden, von denen die freiliegenden durch Ätzen verändert werden, um abwechselnd lichtreflektierende und lichtabsor­ bierende Zonen zu erzeugen.

Metallskalen, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, finden in elektronischen Meßgeräten großer Genauigkeit An­ wendung. Auf dem einen Objekt von zwei sich gegeneinander bewegenden Objekten ist die Metallskala mit abwechselnd lichtreflektierenden und lichtabsorbierenden Zonen ange­ bracht, während an dem anderen Objekt ein Detektor installiert ist, bei dem das von einer Lichtquelle ausgesandte Licht in einer Sammellinse gebündelt und von der Metallskala auf ein photoelektrisches Wandlerelement geworfen wird. Unmittel­ bar über der Metallskala befindet sich noch eine mit dem Detektor mitbewegte Indexskala, die in abwechselnder Reihen­ folge lichtundurchlässige und lichtabsorbierende Bereiche aufweist. Das an den lichtreflektierenden Zonen der Metall­ skala reflektierte Licht wird von dem photoelektrischen Wandlerelement aufgenommen, das bei einer Relativbewegung zwischen der Indexskala und der Metallskala einen korres­ pondierenden Spannungswechsel anzeigt. Dieser wird einem Analog/Digitalumwandler zugeführt und als digitale Anzeige sichtbar gemacht.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung der in den Meßgeräten benötigten Metallskalen. In der Zeitschrift "The Instrument Maker", 1948, Heft Juli/August, Seiten 4, 6, 8, 10 und 12, werden photographische, mechanische und Vakuum- Techniken zur Herstellung von Glasskalen vorgestellt. Dabei wird zur Erzeugung der nichtreflektierenden Zonen grundsätz­ lich das Grundmaterial angeätzt, während die ursprünglich polierten Bereiche die späteren lichtreflektierenden Zonen bilden. Zur Vermeidung von seitlichen Ausätzungen wird sogar eine Metallfolie als Abdeckung für die späteren lichtre­ flektierenden Zonen erwähnt, die gegen Ende des Verfahrens selbstverständlich zum Freilegen der lichtreflektierenden Zonen entfernt werden muß.

Es ist schon versucht worden, das Anätzen des Grundmaterials an Metallskalen dadurch zu vermeiden, daß auf ein poliertes Grundmaterial durch Plattieren, Vakuummetallisieren oder der­ gleichen ein Metall mit einer hohen Reflektionsrate wie zum Beispiel Chrom, Silber, Gold oder Aluminium als Spiegelfläche aufgebracht wird (US-PS 35 73 007). Danach wird ein Abdeck­ lackfilm auf die Spiegelfläche aufgebracht und unter Zwischen­ schaltung einer Photomaske, die das Bild der späteren Zonen mit wechselnden Reflektionseigenschaften trägt, mit Licht be­ strahlt und anschließend entwickelt. Die mit Hilfe dieses Vor­ ganges freigelegten Bereiche der Spiegelfläche werden an­ schließend mit Hilfe eines Ätzvorganges in üblicher Weise abgetragen, wobei die noch von dem Abdecklackfilm bedeckten Bereiche während dieses Abätzvorganges geschützt sind, so daß sie später die lichtreflektierenden Bereiche der Skala bilden. Der Abtrag infolge der Ätzung schreitet durch die Schicht zur Erzeugung der lichtreflektierenden Zonen hindurch fort bis in die oberen Schichten des Grundmaterials hinein. Auf diese Weise wird das Grundmaterial aufgerauht, und es ent­ stehen in diesen Bereichen lichtabsorbierende Zonen, inner­ halb derer das Licht unregelmäßig reflektiert wird.

Bei diesem Verfahren ist die reflektierende Oberfläche eine Plattierung, die relativ dick ist. Wenn dabei zum Bei­ spiel Gold verwendet wird, das sehr weich ist, ergeben sich Schwierigkeiten bezüglich der Verschleißfestigkeit der licht­ reflektierenden Zonen. Weniger edle Metalle wie Silber oder Kupfer sind zwar widerstandsfähiger gegen Abrieb und Ver­ schleiß, dafür ist ihre Korrosionsbeständigkeit jedoch schlechter.

Ein weiterer Nachteil bei den bekannten Verfahren besteht darin, daß die lichtabsorbierenden Zonen durch eine Auf­ rauhung des Grundmaterials der Skala erzeugt werden. Bereiche mit guten, lichtabsorbierenden Eigenschaften können jedoch nur erzeugt werden, wenn die Oberfläche des Grundmaterials in genügender Weise aufgerauht ist. Diese Aufrauhung, die durch Abätzen erfolgt, gelingt nur mit einem äußerst scharfen Angriff des Ätzmittels auf das Material, mit der Folge, daß es zu seitlichen Ausätzungen kommt. Dies ist in der Fig. 1 der weiter unten folgenden Beschreibung der Zeichnung wieder­ gegeben. Die seitlichen Ausätzungen verhindern, daß zwischen den lichtreflektierenden und den lichtabsorbierenden Zonen eine klare Helligkeitsgrenze entsteht, es ist also keine Kantensteilheit vorhanden. Außerdem begünstigen die seit­ lichen Ausätzungen das Abblättern der Plattierung aus re­ flektierendem Material, das als höher liegende Stufe auf dem Grundmaterial aufliegt. Aus diesem Grunde bereitet es Schwierigkeiten, abgesetzte Bereiche von sehr geringer Aus­ dehnung in der Breite zu erzeugen, was sowohl für lichtre­ flektierende als auch lichtabsorbierende Zonen gilt. Es ist daher bisher so gut wie ausgeschlossen, Skalen mit einer Be­ reichsbreite von weniger als 10 µm herzustellen.

In den letzten Jahren sind Abtragsverfahren unter Verwendung von Elektronen-, Laser-, Ionen- oder Plasmastrahlen entwickelt worden, um Skalen mit einer Zonenbreite von weniger als 10 µm zu erzeugen, die die obengenannten Nachteile nicht aufweisen sollen. Diese Verfahren erfordern jedoch einen sehr großen und auch teuren apparativen Aufwand und sind dennoch nicht geeignet für die Herstellung von länglichen Skalen, deren Länge von mehreren Dezimetern bis zu mehreren Metern reicht.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art so zu verbessern, daß zwischen den nicht­ reflektierenden bzw. lichtabsorbierenden Zonen einerseits und den lichtreflektierenden Zonen andererseits eine gute Kantensteilheit vorhanden ist, die hervorgebrachte Skala robust gegen äußere Einflüsse wie Kratzspuren und dergleichen ist und mit geringem Aufwand an sehr langen Skalen Zonen von weniger als 10 µm geschaffen werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß der Abdecklackfilm auf einen dünnen, nicht reflektierenden bzw. lichtabsorbierenden, vorher auf das verspiegelte Grundmaterial aufgebrachten Film seinerseits aufgebracht wird, und daß beim partiellen Ätzen dieses Filmes das Grundmaterial nicht angegriffen wird, so daß eine gute Kantensteilheit ohne seit­ liche Ausätzungen entsteht.

Bei der erfindungsgemäßen Skala bestehen die lichtabsorbieren­ den Zonen nicht aus dem Grundmaterial, das für eine unregel­ mäßige Reflektion aufgerauht ist, sondern aus einem Material, das selbst ohne Aufrauhung in der Lage ist, die Reflektion von Licht zu unterbinden. Das hat zur Folge, daß die Metall­ skala gemäß der Erfindung einen schärferen Kontrast bei Über­ gang von den lichtreflektierenden zu den lichtabsorbierenden Ebenen aufweist.

Auf diese Weise sind Bereichsbreiten von 2 µm erreichbar, was gegenüber den bisher bekannten Skalen eine beträchtliche Ver­ besserung darstellt. Wegen des bei der Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Metallskalen gemäß der Erfindung erzielbaren größeren Helligkeitskontrastes der reflektierenden Bereiche kann das Ausgangssignal des pho­ toelektrischen Wandlerelementes wesentlich besser weiterverarbeitet insbes. digitalisiert werden als bei Verwendung der bisher bekannten Skalen.

Die von dem erfindungsgemäßen Verfahren hervorgebrachte Metall­ skals ist besonders widerstandsfähig gegen Verschleiß und Be­ schädigung, da die lichtreflektierenden Zonen aus einem kor­ rosionsbeständigen Material bestehen und durch einen Ätzvor­ gang freigelegt werden, mit der Folge, daß sie im Niveau unter­ halb der lichtabsorbierenden Zonen liegen. Im übrigen ist eine Beschädigung durch Kratzer oder dergleichen der lichtab­ sorbierenden Zone insofern so gut wie unschädlich, als da­ durch das Lichtverhalten im Gegensatz zu den lichtreflektie­ renden Zonen nicht verändert wird.

Vorzugsweise besteht der dünne, nicht reflektierende bzw. lichtabsorbierende Film aus MgF₂, SiO, Cr₂O₃ oder Ce₂O₃. Es können sehr dünne, nicht reflektierende bzw. lichtabsorbierende Schichten in einer Dicke von 200 Å bis 2 000 Å aufgebracht werden. Bei diesen dünnen Schichten kann die Teilbeseitigung durch Ätzen unter sehr weichen, also wenig aggressiven Be­ dingungen durchgeführt werden. Das Ätzmittel greift dabei das ohnehin korrosionsbeständige Material, das für den Körper der Skala benutzt wird, so gut wie nicht an, so daß es aus diesem Grunde auch nicht zu seitlichen Ausätzungen kommen kann, sondern die gewünschte Kantensteilheit erreicht wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer bisher schon bekannten Metallskala und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht im vergrößerten Maßstab zur Verdeutlichung der Schritte A bis E bei der Her­ stellung einer Metallskala gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens.

In der Fig. 1 ist eine Metallskala 1′′ wieder­ gegeben, die zum Beispiel nach dem Verfahren gemäß der US-PS 35 73 007 hergestellt worden ist. Die lichtreflektierenden Bereiche 16′ bestehen beispielsweise aus Gold, und die nicht reflektierenden Zonen 15′ sind durch einen angeätzten Grund­ körper 11 gebildet. Bei Lichteinfall auf die Skala 1′′ erfolgt eine regelmäßige Reflektion im Bereich der reflektierenden Zonen 16′ und eine unregelmäßige Reflektion im Bereich der lichtabsorbierenden Zonen 15′. Auf diese Weise kommt es zu unterschiedlichen Helligkeiten jeweils zwischen den Zonen 15′ und 16′. Es ist deutlich zu erkennen, daß Ausätzungen 18 beim Übergang vom Grundmaterial 11 auf die Plattierung vorhanden sind. An diesen Stellen fehlt also eine einwandfreie Kanten­ steilheit. Darüber hinaus liegt die empfindliche, lichtre­ flektierende Zone 16′ mit all ihren Flächen auf dem höheren Niveau, so daß sie optischen Veränderungen wie Kratzern und dergleichen besonders stark ausgesetzt sind.

In der Fig. 2E ist im Querschnitt eine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens hergestellte Metallskala 1′ dargestellt, die im wesentlichen aus lichtre­ flektierenden Zonen 16, die aus einer polierten Oberflächen 17 eines als Körper 11 dienenden Grundmaterials gebildet sind, und aus lichtabsorbierenden Zonen 15 besteht, die auf der polierten Oberfläche 17 haften. Im Gegensatz zu bisher be­ kannten Metallskalen sind also die lichtreflektierenden Zonen 16 durch Abätzen einer darüber liegenden Schicht entstanden, so daß in nennenswertem Ausmaß keine seitlichen Ausätzungen mehr vorhanden sind.

Die Entstehung der Skala gemäß der Fig. 2E wird nun anhand von vorausgegangenen Verfahrensschritten, die in den Fig. 2A bis D dargestellt sind näher erläutert. Als Grundmaterial für den Grundkörper 11 wird ein korrosionsbeständiger Stahl ver­ wendet, dessen Oberfläche so fein poliert ist, daß eine Spiegel­ fläche 17 entsteht mit einer Rauhtiefe von weniger als 0,2 JIS (Japanische Industrienorm) bzw. 0,2 µm oder sogar weniger als 0,1 µm gemäß der Iso-Norm in einer Zehnspitzenmessung (Fig. 2A).

Auf diese Spiegelfläche 17 ist ein lichtabsorbierender Film 12 oder ein eine Lichtreflektion unterbindender Film aufgetragen, der zum Beispiel aus Cr₂O₃, MgF₂, SiO, Ce₂O₃ der dergleichen besteht. Der Auftrag erfolgt durch Vakuumplattieren, chemisches Plattieren, elektrisches Plattieren oder ein vergleichbares Verfahren. Der eine Reflektion unterbindende Film 12 kann auch aus einem anderen Material bestehen, wie zu Beispiel elektrisch nicht leitenden Substanzen, Halbleitersubstanzen oder einem anderen Material, es kommt lediglich darauf an, daß darauf gerichtetes Licht nicht reflektiert wird und es einem Ätzvor­ gang unterworfen werden kann.

Wie noch weiter unten erläutert werden wird, sollte der eine Reflektion unterbindende Film 12 so dünn wie möglich ausge­ führt werden, vorausgesetzt, daß darunter die Eigenschaften zur Unterbindung der Reflektion und die Klebefähigkeit nicht leidet. Im Falle von Cr₂O₃ soll­ te die Dicke z. B. 200 bis 2000 Å betragen.

Danach wird ein bekannter Abdecklackfilm 13 in Form eines Überzuges oder dergleichen auf die Fläche des lichtabsorbierenden bzw. eine Reflektion unterbindenden Films aufgetragen. Auf diesen Auftrag wird eine Maske 14 aufgebracht, deren Muster dem der späteren Skala entspricht, und der so gebildete Aufbau wird mit Licht bestrahlt, das in Richtung der Pfeile einfällt (Fig. 2B). Anschließend werden die entsprechenden Bereiche des Abdecklackfilmes 13 belichtet und entwickelt (Fig. 2C) und diejenigen Bereiche, von denen der Abdecklackfilm 13 entfernt ist, werden einem Ätzmittel unterworfen, also z. B. einer Lösungsmischung aus Ammonium-Zer-Nitrat und Wasserstoff-Peroxid, die Cr₂O₃ oder ähnliche Materialien auflöst, jedoch nicht korrosionsbestän­ digen Stahl angreift. Auf diese Weise wird der eine Reflek­ tion unterbindende Film 12 in Form eines Mus­ ters aufgelöst, wobei sich das Muster nach der Maske 14 rich­ tet und wobei die polierte Oberfläche 17 des Grundkörpers 11 nicht angegriffen wird (Fig. 2D). Schließlich wird der Ab­ decklackfilm 13, der noch auf dem lichtabsorbierenden bzw. nicht reflektierenden Film 12 vorhanden ist, beseitigt, wodurch die Herstellung der Metallskala gemäß der Fig. 2 abgeschlossen ist.

In dem bisher beschriebenen Verfahren wird eine Lösungsmi­ schung aus Ammonium-Zer-Nitrat und Wasserstoff-Peroxid ver­ wendet, es ist jedoch ebenso möglich, den lichtabsorbieren­ den Film 12 von einem anderen Material als korrosionsbestän­ digem Stahl, abzuätzen, ohne daß dieses Material angegriffen wird, indem das Mischungsverhältnis, die Konzentration und die Einwirkzeit unterschiedlich gewählt werden, wobei die Ein­ zelheiten dieser Wahl von der Art des Grundmaterials und von dem Material des lichtabsorbierenden Films 12 abhängen. Selbst wenn das Grundmaterial für den Grundkörper 11 der Metallskala stark zur Korrosion neigt bei Einwirkung eines korrosiven Mittels, kann dieser Angriff äußerst gering gehalten werden, da der lichtabsorbierende Film 12 sehr dünn ist und damit nur sehr kurze Einwirkzeiten erforderlich sind bzw. sehr schwache Lösungsmischungen verwendet werden können.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung einer Metallskala für ein elektronisches Meßgerät, das insbesondere die Relativ­ bewegung zweier Punkte zueinander oder die Entfernung der Punkte voneinander mißt, bei dem auf einem Grund­ material aus Metall zunächst eine Spiegeloberfläche gebildet wird, und mit Hilfe eines Abdecklackfilmes, der durch eine Maske mit Licht bestrahlt, entwickelt und an den zu ätzenden Stellen entfernt wird, ab­ wechselnd freiliegende und abgedeckte Zonen geschaf­ fen werden, von denen die freiliegenden durch Ätzen verändert werden, um abwechselnd lichtreflektierende und lichtabsorbierende Zonen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdecklackfilm auf einen dünnen, nicht reflektierenden bzw. licht­ absorbierenden, vorher auf das verspiegelte Grund­ material aufgebrachten Film seinerseits aufgebracht wird, und daß beim partiellen Ätzen dieses Filmes das Grundmaterial nicht angegriffen wird, so daß eine gute Kantensteilheit ohne seitliche Ausätzungen ent­ steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der dünne, nicht reflektierende bzw. lichtabsorbierende Film aus MgF₂, SiO, Cr₂O₃ oder Ce₂O₃ besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der dünne, nicht reflek­ tierende bzw. lichtabsorbierende Film eine Dicke in der Größenordnung von 200 Å bis 2000 Å aufweist.