(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物をマーキングする方法であって、
第１のレーザで発生されるビームを前記被加工物の表面の所定の領域に照射するように、第１のパルスファイバーレーザを操作し、それによって前記所定の領域をマーキングするステップと、
第２のレーザを前記被加工物の前記表面と真向いの前記被加工物の裏面に向けて位置付けるとともに、前記第１のパルスファイバーレーザと第２のレーザを位置合わせするステップと、
第２のパルスファイバーレーザから第２のレーザで発生されるビームを用いて、前記表面の所定の領域の真向かいの前記被加工物の裏面の領域を加熱するステップであって、それによって、金属の被加工物の変形を最小化し、前記被加工物が２ミリメートル以内の厚さを有する金属又はプラスチックであるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
第１及び第２のレーザで発生されたそれぞれのビームによって、表面及び裏面のそれぞれの前記マーキング及び加熱が同時にもたらされる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マーキングと加熱が順次に行なわれる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２のレーザで発生されるビームが、ファイバレーザ又はガスレーザによって放出される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のレーザが、ＣＷレーザ又はパルスレーザから成るグループから選択され、前記第１のレーザ及び前記第２のレーザが、均一に、又は不均一に構成されたマーキング及び加熱をそれぞれもたらす請求項４に記載の方法。
【請求項６】
焦点の直径、被加工物上のパワー、マーキング速度、ライン間隔、繰返し速度、マーキングの方向及びパルス長、並びにそれらの組合せから成るグループから選択されたレーザパラメータを制御するステップをさらに含む請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記マーキングするステップが、前記被加工物を、焼きなますステップ、彫刻するステップ、又はアブレートするステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
被加工物をマーキングするためのレーザシステムであって、
２ｍｍ以内の厚さを有する金属又はプラスチックから構成された被加工物を支持する取付け台と、
熱処理中に前記被加工物の変形を伴うことなく前記被加工物をマーキングするために、前記被加工物の表面及び裏面それぞれに面して、それぞれのビームを放出するように機能する、互いに位置合わせされた複数のレーザと、
を備えるレーザシステム。
【請求項９】
機械可読媒体を備えて前記複数のレーザ及び前記取付け台に結合されたコントローラをさらに備える請求項８に記載のレーザシステム。
【請求項１０】
前記コントローラが、前記複数のレーザにエネルギーを同時に与えて同期して動作させ、互いに位置合わせされたそれぞれのビームを放出させるように機能する請求項９に記載のレーザシステム。
【請求項１１】
前記コントローラが、前記複数のレーザにエネルギーを同時に互いに与えて同期した動作をさせるように機能する請求項９に記載のレーザシステム。
【請求項１２】
前記コントローラが、焦点の直径、被加工物上のパワー、マーキング速度、ライン間隔、繰返し速度、マーキングの方向及びパルス長、並びにそれらの組合せから成るグループから選択されたレーザパラメータを制御することによって前記レーザの動作を監視するように機能する請求項９に記載のレーザシステム。
【請求項１３】
それぞれ前記被加工物の前記表面及び裏面を加熱する前記レーザが、ＣＷレーザ及びパルスレーザから成るグループから選択され、ファイバレーザのそれぞれが、ファイバレーザ又は固体レーザ又はガスレーザから選択され、それぞれマーキング及び加熱をもたらす請求項８に記載のレーザシステム。
【請求項１４】
それぞれ前記被加工物の前記表面及び裏面を熱処理する前記レーザが、均一に、又は別々に構成されている請求項１３に記載のレーザシステム。
【請求項１５】
前記被加工物のマーキングは、前記被加工物を焼きなます、彫刻する、又はアブレートすることを含む請求項８に記載のレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、金属及びプラスチックの被加工物の、レーザによって発生される熱処理に関する。具体的には、本開示は、薄い金属及びプラスチックシートにマーキングするための、レーザベースの方法及びレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マーキングは、一般に、当業者に周知の焼なまし、彫刻及びアブレートの技法を含めて広く用いられている用語である。ファイバレーザの焼きなましは、材料を除去したり損なったりすることなく、熱で誘起された恒久的なマークを生成する(カラーマーキングは、実際に酸化物層を形成し、したがってマーキングされた材料にさまざまな色をもたらす)。
【０００３】
産業の市場では、入手可能性と速さを結合するやり方で、一意的な識別子を伴って金属及びプラスチックを容易にマーキングする方法が必要とされている。この必要性は、一般にレーザによって、特にファイバレーザによって首尾よく満たされる。
【０００４】
マーキングに用いられる主要なレーザ技術には、ファイバレーザ、Nd:YAG及びNd:YVO4の3つがある。3つの技術のすべての波長は同一であって、1064nmの近くで変動するが、システムの特性及びもたらされるビームは顕著に異なり得る。最も大きな相違の1つには、実質的にかなりの保守整備を必要とすることのないファイバレーザに対して必要な保守整備がある。
【０００５】
ステンレス鋼などの薄い金属及びプラスチックにマーキングすると、処理される被加工物が変形することが示されている。例えば、ステンレス鋼は、広告用材料、トロフィーのマーキング並びに工業用途の多種多様な目的のためにマーキングされる。後者では、大抵の場合、薄い金属製平板上に、所与の製品又は製造業者に関連した記章を与える必要がある。被加工物は、高温で処理されると変形する傾向がある。これは、マーキングされた製品の美術的な魅力が消失するので、もちろん容認できることではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第7,763,179号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、薄い金属及びプラスチックの変形が、少なくとも最小化され、好ましくは完全に解消される実現可能なレーザベースのマーキングプロセスが必要とされている。
【０００８】
開示されるプロセスを実行するように機能するレーザシステムが、さらに必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
開示されるプロセス及び装置によって、これらの要求が満たされる。具体的には、本開示は、処理される被加工物の両面を加熱しながら片面にマーキングすることを教示する。実験により、開示される方法によって処理された金属及びプラスチックの薄い被加工物には、顕著な変形の徴候が見られないことが明らかになった。
【００１０】
したがって、開示される方法は、被加工物の片面にマーキングするように指定された領域を判断するステップを用意する。次いで、2つのレーザが、被加工物の一方の面と他方の面とにそれぞれ面して、互いに位置合わせされる。最後に、一方のレーザが、表面(the one, face side)にマークを形成することを受け持ち、他方のレーザが、被加工物の、表面(the one side)の走査可能な領域から真向かいの(across from)、裏面(the other, back side)の領域を照射する。
【００１１】
開示される方法を実行するのに使用される開示されるレーザシステムは、2つのレーザを支持する、種々に構成されたXYプロッタタイプの機構を含んでいる。処理される被加工物は、2つのレーザの間に取り付けられる。2つのレーザが、互いに対して、また、金属プレートに対して変位可能であるか、もしくは、反対に、金属プレートが、位置合わせされた2つのレーザに対して目標位置まで変位可能であるか、又は、位置合わせされた2つのレーザ及び被加工物のすべてが、互いに対して変位可能である。システムは、被加工物を変形させることなく所望のマークを生成するために、プロセスのパラメータを監視して安定化させ、かつ機構を操作するように機能するコントローラを有してさらに構成されている。
【００１２】
開示された方法及び構造の、上記の特徴及び利点並びにその他の特徴及び利点が、以下の図面を伴う以下の説明から容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示によって構成された例示のレーザベースのマーキングシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図1は、2つのレーザシステム12及び14をそれぞれ含む、例示的システム10の概略図を示す。2つのレーザは、好ましくはファイバレーザとして構成されるが、ガスレーザなどの他のレーザの構成も開示された方法を実行することができる。レーザの構成は、好ましくは均一であるが、本開示の範囲には、以下に開示される条件を満たすときの別々の構成も含まれる。
【００１５】
レーザ12とレーザ14の間に、それぞれの光路に沿って配置されている取付け台18は、それぞれがプラスチック又は金属から製作された薄いモノリシックの被加工物16の支持体として機能するさまざまな構成を有することができる。システム10は水平な平面で機能するように示されているが、他の構成は、設計の容易に分かる選択である。例えば、レーザ12とレーザ14は、垂直な平面において互いに対して配置されてもよい。被加工物16は、すべてが数十から数百ミリメートルもの厚さとわずか約2mmの厚さの間の共通の厚さを有する無限の形状及び形態を有してよい。慣例が示すように、2mmより厚い金属の被加工物は、一般にマーキングの間に変形しない。被加工物16は、金属製の場合には、とりわけチタン、アルミニウム、黄銅、銅、及び炭素含有金属を含んでよい。
【００１６】
市場は、ステンレス鋼などの金属のカラーマーキングを必要とすることが多い。後者のマーキングは、表面酸化現象に関連する。焼きなましは、通常、例えば彫刻より遅い走査速度で行なわれる。速度が遅いほど、被加工物16が吸収する熱量は大きくなる。一般に、暗色のマーキングが必要なとき、温度は、一般に明色のマーキング用のものより高い。しかし、被加工物16には、高温で高い熱応力がかかり、被加工物16の変形が生じる恐れがある。
【００１７】
開示によれば、被加工物16の両面を加熱することにより、変形が最小化される。知られているように、レーザマーキングで最も重要なパラメータは、パルスレーザを利用する場合には、とりわけ、焦点の直径、被加工物上のパワー、マーキング速度、ライン間隔、繰返し速度、マーキングの方向及びパルス長である。上記で列挙されたパラメータ及び他のパラメータのすべてが、実験的に、また理論的に収集されて中央処理装置(「CPU」)24に格納される。
【００１８】
プラスチックの被加工物の両面の熱処理は、米国特許第7,763,179号から知られている。しかし、この開示とは対照的に、従来技術は、薄い被加工物の変形の問題に対処せず、別々のパターンでプラスチックIDカードの両面を彫刻することを教示している。
【００１９】
システム10の構成の1つによれば、レーザ12及び14は、それぞれ同期して動作する。これらのレーザは、均一に構成されている場合には、被加工物16に対して均一な焦点距離で配置され、同一のパワーと、均一なマーキング速度及び均一な繰返し速度及びパルス長を伴う同一の走査パターンとを有する。レーザ12及び14は、それぞれのアクチュエータ20及び22を有し、これらのアクチュエータは、主として被加工物16と各レーザの間の距離に関与するが、必要に応じてXY平面で変位することができる。取付け台18は、XY平面においていくつかの自由度を有してもよい。
【００２０】
好ましくは、どちらのレーザも、ガウスビームをトップハットビーム(top hat beam)に変更する簡単なビームホモジナイザがそれぞれ備わっているシングルモードYbファイバレーザである。あるいは、レーザ12及び14は、複数のモードに対応するコアを有する、Ybなどのアクティブなファイバに基づくものでよい。さらに、これらのレーザは、CW又はパルス方式(pulsed regime)で動作してよい。
【００２１】
あるいは、レーザ12及び14のうちの一方が、他方のレーザの前に、又は後に動作を開始してよい。好ましくは、被加工物16が周囲温度まで冷える前に、レーザの非同期動作が行なわれる。レーザは、ファイバレーザ及び固体レーザ、ガスレーザなどに別々に構成されてよく、互いに異なる類似のパラメータを有してよい。被加工物16の両面を処理するのに、別々のタイプのレーザの組合せを利用することが可能である。
【００２２】
ビームの配送は、2つの周知の方法で設計されてよい。第1の技法は、XYプロッタ装置に取り付けられている1組のミラー及びレンズを動かすことによって達成されるものである。この技法は、ミラー及び焦点レンズが2次元空間で動くので、「フライングオプティクス(flying optics)」システムと称される。もう1つの技法は、1組のガルバノメータを使用するものであり、「ガルバノメータ(galvo)」システムと称される。各ガルバノメータは、ミラーが貼付されており、互いに90度の角度で配置されている。レーザビームは、ガルバノメータ組立体に向けられ、ここで第1及び第2のミラーから連続的に反射され、次いで、入力ビームに対して90°の角度での被加工物上に入射するように、集束レンズ(存在する場合)を通って出る。出力レーザビームは、ガルバノメータ組立体のミラーを回転させることにより、XY平面において被加工物上に位置決めされる。
【００２３】
前述の説明及び実例は、本開示を単に説明するために示されており、限定するように意図されたものではない。したがって、開示は、添付の特許請求の範囲の範囲内の変形形態をすべて含むように広義に解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００２４】
10  システム
12  レーザ
14  レーザ
16  被加工物
18  取付け台
20  アクチュエータ
22  アクチュエータ
24  中央処理装置
【図１】
0006038889.tif 000002