制造用于编码器的磁性基片的方法

摘要

本发明涉及一种用于制造编码器标尺的磁性基片的方法。所述方法包括机械加工所述基片的步骤，其中所述基片在所述机械加工步骤之前被冷却。在一个实施例中，使用不锈钢基片。所述不锈钢可以包括奥氏体（非磁性）相以及马氏体（磁性）相。以这种方式机械加工和冷却增加了所形成的磁性（马氏体）相材料的量，从而提高了当随后通过激光标记在基片上形成非磁性（奥氏体）标记时的磁对比度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种形成用于编码器标尺的磁性基片的方法。

背景技术

已知具有无源磁性标尺的磁性编码器。这种编码器包括标尺，所述标尺 包括一系列标记，所述标记具有与周围材料不同的导磁率。可以应用关联的 读头感测标尺的导磁率变化，所述读头包括磁体和多个磁场传感器（例如霍 尔传感器）。

之前在JP63098501中已经描述了如何通过应用激光束以加热磁性材料 的小的区域而在磁性材料中形成编码器标尺标记。这些被加热的区域由磁性 材料转换成非磁性材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种制造用于编码器标尺的磁性基片的改进的方 法。通过本发明制造的这种磁性基片可以例如随后应该激光标记工艺在其上 施加标尺标记。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于制造编码器标尺的磁性基片的 方法，所述方法包括机械加工基片的步骤，其中在所述机械加工步骤之前冷 却所述基片。有利地，在所述机械加工步骤之后冷却所述基片。也可以在所 述机械加工步骤期间冷却所述基片。

已经发现，机械加工（也称为冷成型）和冷却基片的组合能增加基片处 理期间所形成的磁性材料的量。这就改善了在随后形成的标尺标记与基片之 间的导磁率差，从而提供了改进的磁性编码器性能。

便利地，所述基片包括金属。所述基片可以包括钢。优选地，所述基片 包括不锈钢。有利地，所述不锈钢是奥氏体等级不锈钢，例如可以使用AISI 304L级不锈钢。所述基片优选包括非无定形（例如晶态）材料。因此基片 优选由可采用非磁性相和磁性相的材料形成。这可以例如包括可采用奥氏体 （非磁性）和马氏体（磁性）相的材料。

有利地，在已经被冷却至低于室温的温度的基片上进行所述机械加工步 骤。优选地，在已经被冷却至低于0摄氏度的基片上进行所述机械加工步骤。 在一个优选实施例中，在低温冷却基片上进行所述机械加工步骤。可以通过 将基片浸入液态氮槽中提供这种低温冷却。

基片可以形成为任何合适的形状。优选地，基片是细长的。有利地，基 片包括杆。便利地，基片可以采取带的形状。

可以在基片上进行任何合适的机械加工步骤。例如，挤压、锤击、锻造 等等。有利地，所述机械加工步骤包括拉拔（drawing）基片。优选地，机械 加工步骤包括滚压基片的步骤。便利地，机械加工步骤包括在基片上进行多 个加工操作的步骤。基片可以包括细长基片，诸如杆或者带，并且细长基片 的厚度可以通过每次加工操作减小。例如，通过每次加工（例如每次拉拔或 滚压）操作，杆直径或带厚度可以减小。优选地，在多个步骤中获得细长基 片的期望的最终厚度。

便利地，在每次加工操作期间细长基片的厚度减小不超过20%。优选地， 在每次加工操作期间细长基片的厚度减小大约5%至10%。

所述方法可以包括在完成机械加工步骤之后加热所述基片的步骤。所述 加热步骤可以包括将基片加热一段长的时间到达高温。例如，所述基片可以 被加热至高于100℃、高于200℃或高于300℃。有利地，基片可以被加 热至大约450℃。高温可以被保持至少一小时或至少两小时。优选地，高温 低于任何相变温度，在所述相变温度之上材料回复成非磁性（例如奥氏体） 状态。

所述方法可以包括在机械加工所述基片的步骤之后应用表面硬化步骤 的附加步骤。例如，所述表面硬化步骤可以便利地包括脉冲等离子渗氮。

还可以执行一个步骤：应用激光来局部加热基片以便在其中形成非磁性 标记，所述非磁性标记限定编码器标尺。这可以在表面硬化步骤之前进行。

本发明还可以延伸到应用上述方法制造的用于编码器标尺的磁性基片。 优选地，编码器标尺是无源磁性标尺。应当注意，“无源”磁性标尺没有用 任何方法磁化（即，它没有产生磁场），但是具有局部导磁率变化，该局部 导磁率变化影响由关联的磁性标尺读取单元的磁体所产生的磁场。这应当与 “有源”磁性标尺成对比，在“有源”磁性标尺中，形成北磁极和南磁极。

附图说明

现在仅借助例子并参照附图（图1）来描述本发明，其中附图显示了磁 相材料的相对含量，其作为由拉拔工艺提供的面积减小的函数。

具体实施方式

在下面将详细描述的所述方法的优选实施例中，本发明允许在奥氏体等 级不锈钢中形成高含量的马氏体相。然后通过应用合适的标记工艺（例如激 光标记）产生小的非磁性区域，从而所产生的不锈钢基片（其可以以带或杆 的形式提供）可以制成为编码器标尺。

在低于室温冷却期间（温度地）或者通过机械加工（也称为“冷成型”， 因为在加工期间材料不被加热），在奥氏体不锈钢中形成马氏体。本申请的 发明人已经发现，可以通过应用冷却和机械加工两者来增加杆或带中所形成 的马氏体的量。

在冷却时开始形成马氏体的温度取决于钢中的碳（C）和氮（N）的含量。 C和N的含量越低，与形成马氏体关联的温度就越高。已经发现不锈钢材料 AISI304L是合适的材料。

应用Feritscope MP-30检测钢的磁含量。应当注意，这里呈现的磁含 量测量值的结果（铁素体等级的百分比）不是磁含量的实际（绝对）值。这 种测量值因此仅仅为了比较目的而提供。

通过在减小AISI304L不锈钢的2毫米厚（平直）带的厚度之前将它冷 却到零下30至零下70摄氏度之间而进行第一次试验。通过在将所述带牵拉 通过拉模之前将带浸入液态氮槽中而进行所述冷却。

如果仅仅在变形之前进行冷却，所获得的最佳磁含量大约为25%。然而， 已经发现，如果在变形之前冷却带，并且在刚刚变形之后再冷却带，则磁含 量增加至大约40%。

通过在多个阶段中执行变形步骤而获得带的磁含量的进一步增加。如果 在数个阶段中发生变形，则在变形之前和之后将带浸入液态氮中会提供 55%-60%范围的磁含量。据称如果变形高（例如一次过程厚度减小30-40%）， 则带的温度在变形期间增加，从而减缓马氏体的形成。当每次通过圆柱体时 带的厚度减小5-10%时，获得最佳结果。

通过将杆逐步地牵拉通过拉模而对不锈钢（AISI304L级别）重复所述 过程。在拉拔之前杆被冷却至零下196摄氏度，并且在刚好通过模具之后再 次浸入液态氮。所获得的磁含量再次处于55-60%范围内。

图1显示了杆的磁相材料的相对含量，其为面积减小百分比的函数。如 果杆的面积减小25-35%，则似乎获得大约55%的磁相。如果在冷却/成型工 艺之后杆在真空中被加热数小时直至450摄氏度，则观察到磁含量另外增加 大约10%。

在杆（或带）成型之后，可以进行表面硬化处理。这可以改进标尺的机 械刚性，并且可以在在杆上形成任何所需的标尺标记之后进行。所述表面硬 化处理可以包括例如下面所述类型的等离子渗氮工艺。

获得应用上述方法制造的杆，其具有62%的磁相相对含量。所述杆在400 摄氏度下在包含5%的N₂和75%的H₂的大气中渗氮10个小时。杆具有大约半 圆形形状的局部热处理区域（例如，标尺标记）；它们（在表面上）大约0.13 毫米深，0.28毫米宽。这些区域是应用激光处理工艺形成在杆的表面上的非 磁性（奥氏体）标记。

在渗氮处理之后，杆的中心硬度从460HV₁₀增加到580HV₁₀(620HV_0.01)。 杆自身的表面硬度在渗氮之后是1318HV_0.01,而热处理区域的顶部上的杆的 表面硬度是470HV_0.01。热处理区域中（即，奥氏体区域中）的硬度是295HV_0.01。 已经发现渗氮层的深度为大约8微米的马氏体区域和3.5-4微米的奥氏体区 域。

在渗氮样品中观察到信号幅度的小的增加（用百分数，而不是几十个百 分数）。该效果被认为是因为在大约400-450摄氏度的温度下处理数小时使 得少量ε马氏体（即，顺磁马氏体）转化为铁磁（α’）马氏体而发生的。

重要的是要注意，以上仅仅是本发明的一个例子。所述方法可以应用于 不同的材料，并且基片可以用于除制造编码器标尺之外的不同目的。以上描 述的各种温度和处理参数也仅仅是示意性的，本领域的普通技术人员能够容 易地理解如何将所述工艺适用于其它材料。