(57)【要約】  金属表面（５）を有する金属（４４）を含む物品（４０）に所望の色のマーク（１６）を形成する方法であって、パルスエネルギー（２５）、パルス幅（２６）、パルス繰り返し周波数（２７）及び波長（２０）を有するレーザパルス（２１）を備えるレーザビーム（４）を放出するレーザ（１）を設けることと、第１の方向（８）のレーザビーム（４）によるスキャンを行うための第１のミラー（６）及び第２の方向（９）のレーザビーム（４）によるスキャンを行うための第２のミラー（７）を備えるスキャナ（２）を設けることと、  スポット径（３４）及びパルスフルエンス（３６）を有するスポット（３１）を形成するためにレーザ（１）からのレーザビーム（４）の焦点を金属表面（５）に合わせるためのレンズ（３）を設けることと、制御信号（１２）を用いてスキャナ（２）を制御するためのコントローラ（１１）を設けることと、レーザ（１）を起動する間にスキャン速度（１７）でスキャナ（２）によるスキャンを行うことによってマーク（１６）を形成するためにハッチ距離（１９）だけ離間した複数のライン（１５）を金属表面（５）にマーキングすることと、スキャナ（２）の各スキャンの間の連続的なスポット（３１）の中心（３７）の間の所望のスポット間隔（１８）を設けるために、スキャン速度（１７）、パルス繰り返し周波数（２７）及びスポット径（３４）を選択することと、を備える方法において、物品（４０）が金属表面（５）に設けられるマーク促進層（１０２）を有するように物品（４０）を構成し、マーク促進層（１０２）によって、レーザパルス（２１）がマーク促進層（１０２）を通過して金属表面（５）に当たることができるようにすることと、金属表面（５）からの材料（４５）を含むプリューム（４１）が金属表面（５）から押し出されるようにするためにパルスフルエンス（３６）を選択することと、プリューム（４１）によって金属表面（５）にマークを付けるためにプリューム（４１）の少なくとも一部をマーク促進層（１０２）と共にとどめることと、スポット間隔（１８）、ハッチ距離（１９）、パルスフルエンス（３６）、パルス幅（２６）及び各ライン（１５）の書込み回数によって色が与えられることと、所望の色を作るために、スポット間隔（１８）、ハッチ距離（１９）、パルスフルエンス（３６）、パルス幅（２６）及び各ライン（１５）の書込み回数を選択することと、を備えることを特徴とする方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属表面を有する金属を含む物品に所望の色のマークを形成する方法であって、
パルスエネルギー、パルス幅、パルス繰り返し周波数及び波長を有するレーザパルスを備えるレーザビームを放出するレーザを設けることと、
第１の方向の前記レーザビームによるスキャンを行うための第１のミラー及び第２の方向の前記レーザビームによるスキャンを行うための第２のミラーを備えるスキャナを設けることと、
スポット径及びパルスフルエンスを有するスポットを形成するために前記レーザからの前記レーザビームの焦点を前記金属表面に合わせるためのレンズを設けることと、
制御信号を用いて前記スキャナを制御するためのコントローラを設けることと、
前記レーザを起動する間に前記スキャナによるスキャンを行うことによって前記マークを形成するためにハッチ距離だけ離間した複数のラインを前記金属表面にマーキングすることと、
前記スキャナの各スキャンの間の連続的なスポットの中心の間の所望のスポット間隔を設けるために、スキャン速度、前記パルス繰り返し周波数及び前記スポット径を選択することと、
を備える方法において、
前記物品が前記金属表面に設けられるマーク促進層を有するように前記物品を構成し、前記マーク促進層によって、前記レーザパルスが前記マーク促進層を通過して前記金属表面に当たることができるようにすることと、
前記金属表面からの材料を含むプリュームが前記金属表面から押し出されるようにするために前記パルスフルエンスを選択することと、
前記プリュームによって前記金属表面にマークを付けるために前記プリュームの少なくとも一部を前記マーク促進層と共にとどめることと、
前記スポット間隔、前記ハッチ距離、前記パルスフルエンス、前記パルス幅及び各ラインの書込み回数によって色が与えられることと、
前記所望の色を作るために、前記スポット間隔、前記ハッチ距離、前記パルスフルエンス、前記パルス幅及び各ラインの書込み回数を選択することと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記スポット間隔は、前記スポット径の少なくとも１／１０である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記スポット間隔は、前記スポット径の少なくとも１／４である請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記スポット間隔は、前記スポット径の少なくとも１／２である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記スポット間隔は、最大でも前記スポット径に等しい請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記マークを形成するステップの間に前記マーク促進層を前記物品に設ける請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記マークを形成するステップの開始前に前記マーク促進層を前記物品に設ける請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記プリュームは、反動圧を有し、前記マーク促進層は、前記金属表面との接触を有し、前記接触は、前記プリュームの反動圧の少なくとも一部をとどめておくのに十分である請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記マークが５０ミクロン以下の表面粗さ平均Ｒａ値を有するようにするために、前記スポット間隔、前記ハッチ距離、前記パルスフルエンス、前記パルス幅及び各ラインの書込み回数を選択することを有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記表面粗さ平均Ｒａ値は、２０ミクロン以下である請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記表面粗さ平均Ｒａ値は、５ミクロン以下である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記金属表面は、むき出しの金属表面を備える請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記金属表面は、追加の層を備える請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記追加の層は、金属コーティングである請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記追加の層は、酸化層である請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記金属表面は、非陽極酸化金属表面である請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記金属表面は、銅、アルミニウム、金、銀、プラチナ、パラジウム、ニッケル、チタン、錫、鉄、クロム、ステンレス鋼又はこれらのうちの一つを含む合金を含む請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記マーク促進層は、ガラスを含む請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記マーク促進層は、サファイヤを含む請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記マーク促進層は、ラッカーを含む請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記マーク促進層は、コンフォーマルコーティングを含む請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記マーク促進層は、シート材料を含む請求項１〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記シート材料は、ポリマーを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記シート材料は、接着剤付きテープである請求項２２又は２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記マーク促進層は、１μｍより大きい厚さを有する請求項１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記厚さは、５０μｍと３ｍｍの間である請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記マーク促進層を除去するステップを有する請求項１〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記マーク促進層を除去するステップは、化学処理を備える請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記マーク促進層は、少なくとも５０％の前記レーザビームの波長の光の透過を有する請求項１〜２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記光の透過は、少なくとも８０％である請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記光の透過は、少なくとも９０％である請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記色は、５０未満のＬ＊値を有する灰色又は黒色である請求項１〜３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記Ｌ＊値は、３０未満である請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記レーザは、１００ピコ秒より大きいパルス幅を有するレーザビームを供給するパルスレーザである請求項１〜３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記パルス幅は、１ナノ秒より大きい請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記波長は、１０００ｎｍから１１００ｎｍの範囲内にある請求項１〜３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記スキャナのミラーによるスキャンを、前記レーザの起動の前に加速する請求項１〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記金属表面を、前記マークを形成するのに要する全体の時間を最小にするように方向を合わせる請求項１〜３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
前記スキャン速度は、少なくとも１ｍ／秒である請求項１〜３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
前記スキャン速度は、少なくとも５ｍ／秒である請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記パルス繰り返し周波数は、少なくとも１００ｋＨｚである請求項１〜４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記パルス繰り返し周波数は、少なくとも５００ｋＨｚである請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記スキャン速度は、少なくとも９ｍ／秒であり、前記パルス繰り返し周波数は、少なくとも９００ｋＨｚである請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
前記各ラインを２回以上書き込む請求項１〜４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４５】
前記レーザ、前記金属表面及び前記マーク促進層を、前記プリュームが前記マーク促進層にマークを形成するように選択する請求項１〜４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
前記マーク促進層を設けるための装置を設けるステップを有する請求項１〜４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
請求項１〜４６のいずれか一項に記載の方法によってマークが付されたときの物品。
【請求項４８】
前記マーク促進層を備える請求項４７に記載の物品。
【請求項４９】
前記マーク促進層が除去された請求項４７に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物品に所望の色のマークを形成する方法に関する。特に、本発明は、染料、インク又は他の化学物質を使用することなく金属表面を有する物品に高品質の黒色のマークを迅速に付けるための応用を有する。また、本発明は、宝飾業で用いられる銀、金及び他の貴金属に黒色のマークを付けるための応用を有する。
【背景技術】
【０００２】
商品、消耗財及び生産財にマークを付ける際の染料、インク又は他の化学物質の使用は、供給チェーン、物流及び環境を制限する。したがって、染料、インク又は他の化学物質を使用することなくマークを付けることができる工程は、明白な利点を与える。レーザマーキングは、一般的には、更に多くの目的に使用できるとともに更に高い再現性があり、シルクスクリーンのような化学的な方法よりも高い品質及び耐久性を有するマークを設けることができる。
【０００３】
レーザマーキングは、金属を含む多くの材料に適用されてきた。形状、品質及び色が独特であるとともに周囲の材料に対する高い色のコントラストを有するマークを有することは、消耗財において非常に望ましいことであるとともに商業的に非常に重要である。レーザマーキング工程は、特定の材料に対して最適になると、典型的には、信頼性があり、繰り返し可能であり、高スループット及び高歩留まり生産となるように修正可能である。
【０００４】
陽極酸化金属のレーザマーキングが知られているとともに多くの家庭用電化製品の製造に用いられている。陽極酸化金属は、酸化層を金属表面の上に成長させる電解不動態化工程（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ  ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ）を用いて形成される陽極酸化層を有する。陽極酸化は、腐食耐性及び耐摩耗性を上げることができ、塗料及び接着剤に対して良好な粘着力を提供する。しかしながら、陽極酸化は、他の処理工程を追加する。また、陽極酸化は、チタンのように既に腐食耐性がある金属には必要でない。さらに、陽極酸化を金、銀、プラチナ及びパラジウムのような所定の金属に対して行うことができない。
【０００５】
米国特許第６，７７７，０９８号明細書は、陽極酸化皮膜とアルミニウムの間に生じるとともに陽極酸化表面として耐久性がある黒色のマークを陽極酸化アルミニウム物品に付す方法を記載する。マークは、ナノ秒赤外レーザパルスを用いることによって取得され、濃い灰色又は黒色の色調で表現され、陽極酸化表面のマークのない部分よりも幾分輝きがない。米国特許第８，４５１，８７３号明細書で教示されているように、米国特許第６，７７７，０９８号明細書に記載された方法に従ってマークを付すことは不都合である。その理由は、（ｉ）ナノ秒領域パルスを用いた商業的に望ましい黒色のマークの形成が酸化層の破壊を引き起こす傾向があり、（ｉｉ）研磨又は他の処理の後のアルミニウムのクリーニングが関連の費用がかかる他の処理工程を追加するとともに所望の表面の仕上げを妨げるおそれがあるからである。
【０００６】
米国特許第８，４５１，８７３号明細書は、陽極酸化試料にマークを形成する方法を開示する。方法は、制御可能なレーザパルスパラメータを有するレーザマーキングシステムを設けることと、所望の特性に関連するレーザパルスパラメータを決定することと、選択したレーザパルスパラメータを用いて物品にマークを付けるためにレーザマーキングシステムを指示することと、を有する。そのように形成されたマークは、透明から周囲の物品と区別することができない不透明な白色の質感までの範囲の光学濃度を有する。レーザマークは耐久性があり、陽極酸化皮膜はほとんど損傷を受けない。上記特許は、１ナノ秒より大きいレーザパルスを用いて形成されたマークによって陽極酸化皮膜のクラックの明らかな兆しが生じることを教示する。特に、上記特許は、従来のナノ秒パルスを用いてマークを付けるときに濃い色のマークを付すために表面に十分なレーザパルスエネルギーを加えることによって陽極酸化皮膜に損傷が生じ、マークの出現が視野角に応じて変わることを教示する。また、上記特許は、約１０ピコ秒のパルス幅を有するパルスを用いることによるこの問題の解決を教示する。マークは、約１０ピコ秒又はそれ未満のパルス幅を有するパルスを用いることによって形成され、マークの濃い色の程度に関係なく、マークの出現が視野角に応じて変わらない。そのようなマークは、材料の多光子吸収効果を利用するいわゆる「コールドプロセス（ｃｏｌｄ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」に特有である。（コールドアブレーションのような）コールドプロセスは、所望の処理効果を生じるための熱的影響に依存せず、したがって、処理されたエリアの周辺の損傷は、あるとしてもほとんど生じない。コールドプロセスは、フェムト秒レーザ又は約１０ピコ秒から約５０ピコ秒までのパルス幅を有するピコ秒レーザに依存する。マークの色を、測色の国際照明委員会（ＣＩＥ）の系によって定量化することができる。ＣＩＥの系において、最も濃い色は、明度Ｌ＊＝０である黒色であり、白色は、明度Ｌ＊＝１００を有する。自然な灰色は、色チャンネルａ＊＝ｂ＊＝０を有する。ａ＊の負の値は緑色を表し、それに対し、ａ＊の正の値は赤紫色を表す。ｂ＊の負の値は青色を表し、それに対し、ｂ＊の正の値は黄色を表す。マークの色は、明度Ｌ＊＝４０を有し、赤紫色／緑色の反対色は、ａ＊＝５であり、黄色／青色の反対色は、ｂ＊＝１０である。上記特許で用いられるピコ秒レーザフェムト秒レーザより著しく廉価であるとしても、ピコ秒レーザのユーザは、ナノ秒レーザよりも著しく高くつく。その理由は、ピコ秒レーザが非常に狭いレーザパルス幅を生成するために非常に高度な技術及び光パルス圧縮器のような構成要素に依存するからである。さらに、約３０より小さいＬ＊値は、商業的に更に重要であり、このために、用いられるピコ秒レーザは、多数の商業的応用のために十分迅速にマークを書き込まず、コストが非常に高くなる。光パルス圧縮及び光パルス圧縮器のような費用のかかる技術又は構成要素に依存しないのが有利である。
【０００７】
陽極酸化皮膜に損傷を与えることなくナノ秒パルスレーザを用いて陽極酸化金属表面にレーザマーキングを行うのに用いることができる方法が、国際公開第２０１５／０８２８６９号に記載されている。上記方法は、低いパルスフルエンス（ｐｕｌｓｅ  ｆｌｕｅｎｃｅ）のパルスを使用し、各ラインを２回以上書き込む。色は、スポット間隔（ｓｐｏｔ  ｔｏ  ｓｐｏｔ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）、ハッチ距離（ｈａｔｃｈ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）、パルスフルエンス及び各ラインの書込み回数によって決定される。上記方法は、所望の色を作るためにスポット間隔、ハッチ距離、パルスフルエンス及び各ラインの書込み回数を選択するステップを有する。しかしながら、上記方法は、アルミニウム、銀及び金のような陽極酸化しない（ｎｏｎ−ａｎｏｄｉｚｅｄ）金属表面のレーザマーキングに適用することができない。上記方法は、マークの出現が商業的に重要である宝飾品類及び他の製品に用いられる研磨金属表面に十分に滑らかで濃いマークを付けない。
【０００８】
米国特許第８，４５１，８７３号明細書は、金属表面に所望の色を付けるレーザマーキングの方法を開示する。上記方法は、第１のパルスフルエンスを有する第１のレーザビームを用いて金属表面に少なくとも一つの第１のパターンを形成した後に第２のパルスフルエンスを有する第２のレーザビームを用いて金属表面に少なくとも一つの第２のパターンを形成することと、第２のパターンを完全に第１のパターン内に配置することと、第１のパルスフルエンスを第２のパルスフルエンスの少なくとも５倍に設定することと、を備える。色は、第１のパルスフルエンス及び第２のパルスフルエンス並びに第１のパターンと第２のパターンとのスポット間隔によって決定される。上記方法は、黒色、茶色、タンジェリン色、紫色、薄茶色、灰色及びオレンジ色のような色を有する青銅及び真鍮のような銅合金にマークを形成することができる。しかしながら、上記方法は、銅合金の表面を粗くし、上記方法は、アルミニウム、銅、銀及び金のようなむき出しの表面に色の付いたマークを形成しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
鋼及び青銅のような陽極酸化しない金属表面のレーザマーキングが知られている。しかしながら、黒色酸化剤（ｂｌａｃｋ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ）の使用のような化学的な方法を用いることなくアルミニウム、銅、金、銀及び他の貴金属のようなむき出しの表面に色の付いたマークを付すのが困難であることが確認された。
【００１０】
上述した問題を軽減又は回避する、物品に所望の色のマークを形成する方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
したがって、本発明の限定されない実施の形態において、
金属表面を有する金属を含む物品に所望の色のマークを形成する方法であって、
パルスエネルギー、パルス幅、パルス繰り返し周波数及び波長を有するレーザパルスを備えるレーザビームを放出するレーザを設けることと、
第１の方向のレーザビームによるスキャンを行うための第１のミラー及び第２の方向のレーザビームによるスキャンを行うための第２のミラーを備えるスキャナを設けることと、
スポット径及びパルスフルエンスを有するスポットを形成するためにレーザからのレーザビームの焦点を金属表面に合わせるためのレンズを設けることと、
制御信号を用いてスキャナを制御するためのコントローラを設けることと、
レーザを起動する間にスキャナによるスキャンを行うことによってマークを形成するためにハッチ距離だけ離間した複数のラインを金属表面にマーキングすることと、
スキャナの各スキャンの間の連続的なスポットの中心の間の所望のスポット間隔を設けるために、スキャン速度、パルス繰り返し周波数及びスポット径を選択することと、
を備える方法において、
物品が金属表面に設けられるマーク促進層を有するように物品を構成し、マーク促進層によって、レーザパルスがマーク促進層を通過して金属表面に当たることができるようにすることと、
金属表面からの材料を含むプリューム（ｐｌｕｍｅ）が金属表面から押し出されるようにするためにパルスフルエンスを選択することと、
プリュームによって金属表面にマークを付けるためにプリュームの少なくとも一部をマーク促進層と共にとどめることと、
スポット間隔、ハッチ距離、パルスフルエンス、パルス幅及び各ラインの書込み回数によって色が与えられることと、
所望の色を作るために、スポット間隔、ハッチ距離、パルスフルエンス、パルス幅及び各ラインの書込み回数を選択することと、
を備えることを特徴とする方法を提供する。
【００１２】
本発明の方法は、特に魅力的である。その理由は、陽極酸化、消耗インク又は化学物質を必要とすることなく従来よりも迅速かつ経済的に金属表面にマークを形成することができるからである。更に重要なことは、陽極酸化しないアルミニウム及びチタン並びに銀、金、プラチナ、パラジウム及び宝飾品類の製造において重要な他の貴金属のようなむき出しの金属表面（ｂａｒｅ  ｍｅｔａｌ  ｓｕｒｆａｃｅ）にマークを形成することができる。
【００１３】
スポット間隔は、スポット径の少なくとも１／１０であってもよい。スポット間隔は、スポット径の少なくとも１／４であってもよい。スポット間隔は、スポット径の少なくとも１／２であってもよい。スポット間隔は、最大でもスポット径に等しくてもよい。
【００１４】
本発明の方法を、マークを形成する上述したステップの間にマーク促進層を物品に設ける方法としてもよい。したがって、例えば、ハッチ距離だけ離間した複数のラインを金属表面にマーキングするステップの前にマーク促進層を物品に設けてもよい。代替的には、本発明の方法を、マークを形成するステップの開始前にマーク促進層を物品に設ける方法としてもよい。したがって、例えば、マーク促進層を有する物品を他の製造者から購入することができる。
【００１５】
マーク促進層を金属表面に設けるステップは、表面に対するマーク促進層のプレス、スクイージング、コーティング、印刷、蒸着、粘着、ワインディング又はストレッチングのうちの一つを有してもよい。好適には、マーク促進層は、物品に設けられ、物品にある材料から成長する陽極酸化層のような層ではない。
【００１６】
マーク促進層は、金属表面に接触してもよい。マーク促進層及び金属表面は、十分な接触を行うために互いに力が加えられてもよい。
【００１７】
むき出しの金属表面にマークを付す従来の方法は、マーク促進層を用いることなく金属表面にマークを付す。従来の方法において、パルスフルエンスによって、金属表面からの材料を含むプリュームが金属表面から押し出される。プリュームは、反動圧を有し、金属表面からの材料及び加熱されるとともに急速に膨張したガスを含む。これは、金属表面に応じて、金属表面に刻まれたマーク又は金属表面の表面構造の変化のために目に見えるようになるマークとなる。しかしながら、従来の方法は、インク又は染料のような化学物質を用いることなく金属表面と異なる色を有するマークがアルミニウム、銀又は金のようなむき出しの金属に形成されないという不都合がある。黒色のマークを銅に書き込むことができない。黒色のマークを含む有色のマークを、表面をほとんど粗くすることなく青銅又は真鍮のような銅合金に書き込むことができない。従来の方法のこれらの不都合を、マーク促進層を用いる本発明において克服することができる。
【００１８】
更に具体的には、金属表面に接触するマーク促進層を配置することによって、マーク促進層の金属表面への接触がプリュームの反動圧の少なくとも一部をとどめておくのに十分である場合にプリュームが消失するのを防止することができる。プリューム及び反動圧は、金属表面とマーク促進層の間の接触によってとどめられ、消失せずにとどめられる材料は、金属表面にマークを形成することができる。反動圧によって、プリュームからの材料が金属表面にマークを付す。驚いたことに、濃い色のマークを金属表面に形成することができ、濃い色のマークを、配置されるマーク促進層を用いることなく生成することができず、さらに、滑らかなマークを形成することができる。重要なことは、黒色のマークをアルミニウム、銅、銀及び金に書き込みことができる。黒色のマークを銅に書き込むこともできる。黒色のマークを、表面を粗くすることなく真鍮又は青銅のような銅合金に書き込むこともできる。本発明の方法において、マーク促進層によるレーザビームの光学的な減衰を補償するためにパルスフルエンスを必要な場合に増大することができる。
【００１９】
本発明の方法において、プリュームは、反動圧を有してもよく、マーク促進層は、金属表面との接触を有してもよく、接触は、プリュームの反動圧の少なくとも一部をとどめるのに十分である。
【００２０】
本発明の方法は、マークが５０ミクロン以下の表面粗さ平均Ｒａ値を有するようにするために、スポット間隔、ハッチ距離、パルスフルエンス、パルス幅及び各ラインの書込み回数を選択することを有してもよい。表面粗さ平均Ｒａ値は、２０ミクロン以下であってもよい。表面粗さ平均Ｒａ値は、５ミクロン以下であってもよい。インク又は化学物質を用いることなくむき出しの金属表面に滑らかなマークを形成できる能力は、特に新規であり、本発明の方法の驚くべき態様である。むき出しの金属表面の滑らかさをほとんど低下させることなくマークを形成できる能力は、宝飾品類の製造において重要である。
【００２１】
金属表面は、むき出しの金属表面を備えてもよい。
【００２２】
金属表面は、追加の層を備えてもよい。明確にするために、追加の層は、マーク促進層ではない。追加の層は、金属コーティングであってもよい。電子部品はしばしば金でコーティングされる。追加の層は、酸化層であってもよい。「むき出しのアルミニウム」のような金属は、表面に薄い酸化層を有する。
【００２３】
金属表面は、陽極酸化しない金属表面を備えてもよい。
【００２４】
金属表面は、銅、アルミニウム、金、銀、プラチナ、パラジウム、ニッケル、チタン、錫、鉄、クロム、ステンレス鋼又はこれらのうちの一つを含む合金を含んでもよい。
【００２５】
マーク促進層は、ガラスを含んでもよい。
【００２６】
マーク促進層は、サファイヤを含んでもよい。
【００２７】
マーク促進層は、ラッカーを含んでもよい。
【００２８】
マーク促進層は、コンフォーマルコーティング（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ  ｃｏａｔｉｎｇ）を含んでもよい。
【００２９】
マーク促進層は、シート材料を含んでもよい。シート材料は、ポリマーを含んでもよい。シート材料は、接着剤付きテープであってもよい。
【００３０】
マーク促進層は、１μｍより大きい厚さを有してもよい。厚さは、５０μｍと３ｍｍの間であってもよい。マーク促進層を、軟質又は硬質とすることができる。マーク促進層を、ガラスシート、ポリエチレンのようなプラスチックシート、ラッカー又は他の任意のマーク促進層とすることができる。マーク促進層は、接着剤付きテープであってもよい。接着剤付きテープは、セロファンを含んでもよい。接着剤付きテープは、高温ポリマーを含んでもよい。高温ポリマーは、アクリルを含んでもよい。高温ポリマーは、シリコーンを含んでもよい。高温ポリマーは、ポリイミドを含んでもよい。高温ポリマーは、ハロゲンフリーであってもよい。接着剤付きテープは、簡単に表面に設けることができるとともにマーキングを行った後に簡単に除去することができるので特に有利である。マーク促進層は、マークが形成される金属表面に物理的に接触してもよい。接着剤付きテープは、マーキング工程中に金属と接触したままにするのに十分に硬質であってもよい。マーク促進層を金属表面によって支持してもよい。マーク促進層を、処理後に除去してもよい又はそのままにしてもよい。
【００３１】
方法は、マーク促進層を除去するステップを有してもよい。マーク促進層を除去するステップは、化学処理を備えてもよい。化学処理を、アセトンのような溶媒への浸漬としてもよい。アセトンは、ラッカーを溶かすことができる。
【００３２】
マーク促進層は、少なくとも５０％のレーザビームの波長の光の透過を有してもよい。光の透過は、少なくとも８０％であってもよい。光の透過は、少なくとも９０％であってもよい。
【００３３】
色は、５０未満のＬ＊値を有する灰色又は黒色であってもよい。Ｌ＊値は、３０未満であってもよい。３０未満のＬ＊値を有するマークは、一般的には黒色のマークとみなされる。そのようなマークは、銀及び金に書き込むときに非常に魅力的である。
【００３４】
レーザは、１００ピコ秒より大きいパルス幅を有するレーザビームを供給するパルスレーザであってもよい。パルス幅は、１ナノ秒より大きくてもよい。高品質の黒色のマーク（Ｌ＊≦３０）を迅速に形成できるとともにピコ秒パルスレーザではなくナノ秒パルスレーザを有することは非常に重要である。この理由は、ナノ秒パルスレーザが元々ピコ秒レーザより低い価格であり、かつ、約５０ピコ秒より小さいパルス幅を有するとともにコールドアブレーションのようなコールドレーザ加工用に市販されているフェムト秒パルスレーザ及びピコ秒パルスレーザよりも著しく低い価格であるからである。
【００３５】
波長は、１０００ｎｍから１１００ｎｍの範囲内にあってもよい。レーザは、イッテルビウムドープファイバレーザであってもよい。ファイバレーザは、好適には、所望のマークに対して最適化することができるパルス形状及びパルス波形パラメータを有する主発振器電力増幅器の形態をとる。
【００３６】
スキャナのミラーを、レーザの起動の前に加速してもよい。
【００３７】
金属表面を、マークを形成するのに要する全体の時間を最小にするように方向を合わせてもよい。
【００３８】
スキャン速度は、少なくとも１ｍ／秒であってもよい。スキャン速度は、少なくとも５ｍ／秒であってもよい。
【００３９】
パルス繰り返し周波数は、少なくとも１００ｋＨｚであってもよい。パルス繰り返し周波数は、少なくとも５００ｋＨｚであってもよい。
【００４０】
スキャン速度は、少なくとも９ｍ／秒であってもよく、パルス繰り返し周波数は、少なくとも９００ｋＨｚであってもよい。このようなスキャン速度とパルス繰り返し周波数の組合せは、１０μｍのスポット間隔に相当する。これは、典型的には、レーザビームによって形成されるスポットの径の約半分である。
【００４１】
各ラインを２回以上書き込んでもよい。好適には、各ラインを少なくとも５回書き込むが、それより多い回数又はそれより少ない回数を用いてもよい。同一のパルス繰り返し周波数で各ラインを１回だけスキャンしてもよいが、熱損傷が金属表面に生じうることが確認された。したがって、熱損失を最小にするとともにマークの品質を最適にするために各ラインをできるだけ迅速に書き込むのが好ましい。ハッチ距離と称する連続するラインの間の間隔は、スポット径より小さい、好適には、スポット径の１／１０より小さい、更に好適には、スポット径の１／１００より小さい。連続する繰り返しのハッチラインの間の角度の差は、１°から３５９°までの範囲内にあってもよい。マーク促進層を、連続する繰り返しの間に配置してもよい。
【００４２】
スポット間隔は、スポット径の少なくとも１／４であってもよい。スポット間隔は、スポット径の少なくとも１／２であってもよい。
【００４３】
レーザ、金属表面及びマーク促進層を、プリュームがマーク促進層にマークを形成するように選択してもよい。これは、むき出しの金属表面から押し出されたプリュームから金色のマークをガラス又は他の透明材料に形成するのに特に有用である。
【００４４】
本発明の方法は、マーク促進層を設けるための装置を設けるステップを有してもよい。
【００４５】
本発明は、本発明の方法によってマークが付されたときの物品も提供する。物品の例は、携帯電話、タブレットコンピュータ、腕時計、テレビジョン、機械及び宝飾品類である。
【００４６】
物品は、マーク促進層を備えてもよい。
【００４７】
マーク促進層が除去されてもよい。
【００４８】
本発明の実施の形態を、例として添付図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による方法に用いられる装置を示す。
【図２】パルスレーザ波形を示す。
【図３】焦点を表面に合わせたレーザビームを示す。
【図４】マーク促進層が設けられない物品から押し出されたプリュームを示す。
【図５】マーク促進層によってとどめられたプリュームを示す。
【図６】ラインの間で増減するスキャン速度を示す。
【図７】向きが異なるように形成されるマークを示す。
【図８】向きが異なるように形成されるマークを示す。
【図９】透明材料に形成されるマークを示す。
【図１０】マーク促進層を設けるための装置を示す。
【図１１】硬質層及び軟質層を有するとともに力を加えることによって金属表面に押圧されるマーク促進層を示す。
【図１２】金属表面の上の層を有する物品を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
図1は、レーザ１、スキャナ２及び対物レンズ３を備えるレーザベースマーキングマシンを示す。金属表面５にマーク促進層１０２が被覆され、マーク促進層１０２は、金属表面５に接触する。スキャナ２は、波長２０を有するレーザビーム４を、金属表面５に対して移動させる。スキャナ２は、レーザビーム４を第１の方向８に移動させる第１のミラー６及び第２の方向９のレーザビーム４によるスキャンを行うための第２のミラー７を備える。スキャナ２は、少なくとも一つの制御信号１２をスキャナ２に供給することによって第１のミラー６及び第２のミラー７の位置を制御するコントローラ１１により制御される。コントローラ１１は、レーザ１も制御してもよい。第１のミラー６及び第２のミラー７は、典型的には、検流計（図示せず）に取り付けられる。
【００５１】
レーザ１を、ファイバレーザ、固体ロッドレーザ、固体ディスクレーザ又は炭酸ガスレーザのようなガスレーザとすることができる。金属表面にマークを付けるために、レーザ１は、好適には、パルスレーザである。レーザ１を、光ファイバケーブル１３及びコリメーション光学系１４を介してスキャナ２に接続しているように示す。
【００５２】
制御信号１２を、有限の分解能１０１を有するデジタル制御信号として示し、デジタル制御信号は、典型的には、コントローラ１１又はスキャナ２においてデジタル−アナログコンバータを用いてアナログ信号に変換される。デジタル制御信号が徐々に、すなわち、スキャナ２の電気的な時定数及び機械的な時定数と同様又はそれより大きい時間増分で増大する場合、有限の分解能は、第１のミラー６の位置及び第２のミラー７の位置の有限の角度分解能に対応する、したがって、金属表面５におけるレーザビーム４の位置の有限の空間分解能に対応する。制御信号１２をフィルタ処理することによって、電子的に、又は、スキャナ２の慣性（例えば、第１のミラー６、第２のミラー７及び関連の検流計の慣性）によって、典型的には、向上した角度分解能をスキャナ２において実現することができる。これは、金属表面５におけるレーザビーム４の位置の向上した空間分解能に対応する。
【００５３】
図２を参照すると、一連のパルス２１が存在する。一連のパルス２１をレーザ１から取得することができ、この場合、レーザ１は、パルスレーザである。一連のパルス２１は、最大出力２２、平均出力２３、パルス形状２４、パルスエネルギー２５、パルス幅２６及びパルス繰り返し周波数ＦＲ２７によって特徴付けられる。
【００５４】
図３は、レーザビーム４の商店を金属表面５に合わせることによって形成されるスポット３１を示す。光強度３２は、レーザビーム４の単位領域ごとの出力である。光強度３２は、中心３７のピーク強度３９から１／ｅ２の強度３３及び零までスポット３１の径に亘って変動する。スポット３１の径３４は、典型的には、１／ｅ２の径として取り出され、それは、光強度３２がピーク強度３９の両側で１／ｅ２の強度３３まで降下したときにとる径である。スポット３１の領域３５は、典型的には、１／ｅ２の径３４内のスポット３１の断面領域として取り出される。図３は、ガウス分布又は釣鐘曲線に従って変化する光強度３２を示す。光強度３２は、径３４内で略一様であるシルクハット形状を含む他の形状を有してもよい。
【００５５】
パルスフルエンス３６を、パルス２１の単位領域ごとのエネルギーとして定義する。パルスフルエンスは、典型的には、Ｊ／ｃｍ２で測定され、レーザマーキングの重要なパラメータである。その理由は、典型的には、パルスフルエンス３６が十分に大きいのでレーザビーム４が金属表面５に接するときにマークが形成されるからである。
【００５６】
本発明による物品４０に所望の色のマーク１６を形成する方法を、単なる例示により図１を参照しながら説明する。物品４０は、金属表面５を有する金属４４を含む。方法は、
パルスエネルギー２５、パルス幅２６、パルス繰り返し周波数２７及び波長２０を有するレーザパルス２１を備えるレーザビーム４を放出するレーザ１を設けることと、
第１の方向８のレーザビーム４によるスキャンを行うための第１のミラー６及び第２の方向９のレーザビーム４によるスキャンを行うための第２のミラー７を備えるスキャナ２を設けることと、
図３に示すスポット径３４及びパルスフルエンス３６を有するスポット３１を形成するためにレーザ１からのレーザビーム４の商店を金属表面５に合わせるためのレンズ３を設けることと、
制御信号１２を用いてスキャナ２を制御するためのコントローラ１１を設けることと、
レーザ１を起動する間にスキャン速度１７でスキャナ２によるスキャンを行うことによって（輪郭で示す）マーク１６を形成するためにハッチ距離１９だけ離間した複数のライン１５を金属表面５にマーキングすることと、
スキャナ２による各スキャンの間の連続的なスポット３１の中心３７の間の所望のスポット間隔１８を設けるために、スキャン速度１７、パルス繰り返し周波数２７及びスポット径３４を選択することと、
を備える。
【００５７】
方法は、
物品４０が金属表面５に設けられるマーク促進層１０２を有するように物品４０を構成し、マーク促進層１０２によって、レーザパルス２１がマーク促進層１０２を通過して金属表面５に当たることができるようにすることと、
金属表面５からの材料４５を含む図４に示すプリューム４１が金属表面５から押し出されるようにするためにパルスフルエンス３６を選択することと、
プリューム４１によって金属表面５にマークを付けるためにプリューム４１の少なくとも一部をマーク促進層１０２と共にとどめることと、
スポット間隔１８、ハッチ距離１９、パルスフルエンス３６、パルス幅２６及び各ライン１５の書込み回数によって色が与えられることと、
所望の色を作るために、スポット間隔１８、ハッチ距離１９、パルスフルエンス３６、パルス幅２６及び各ライン１５の書込み回数を選択することと、
を備えることを特徴とする。
【００５８】
明瞭にするために、ライン１５を、互いに離間して示すレーザパルス２１によって形成される個別のマーク４６を有する破線で示す。実際には、個別のマーク４６は、一般的には互いに重なり合う。ライン１５を、第１の方向８に対する角度４７で書き込まれたものとして示す。
【００５９】
本発明の方法は、スキャナ２の各スキャン中の連続するスポット３１の中心３７の間のスポット間隔１８が少なくともスポット径３４の１／１０となるようにスキャン速度１７、パルス繰り返し周波数２７及びスポット径３４を選択するステップを有してもよい。
【００６０】
マーク促進層１０２は、好適には、金属表面５に接触する。マーク促進層１０２及び金属表面５は、十分な接触を行うために互いに力が加えられる。力を、重力、締め付け、金属表面５の全体に亘ってマーク促進層１０２を伸ばすこと、表面張力又は他の手段によって加えることができる。
【００６１】
スキャナ２の各スキャンの連続するスポット３１の間のスポット間隔１８は、少なくともスポット径３４の１／１０であってもよい。
【００６２】
図４は、金属表面５を備えるがマーク促進層１０２が配置されていない物品４０を示す。パルスフルエンス３６を、金属表面５からの材料４５を含むプリューム４１が金属表面５から押し出されるように選択することができる。金属表面５からの材料４５を、ナノ粒子とすることができる粒子として示す。粒子は、物理的組成及び化学的組成を金属表面５の金属４４の物理的組成及び化学的組成から変えてもよい。代替的に又は付加的に、プリューム４１は、気相の材料４５を含んでもよい。プリューム４１は、プリューム４１の内側に示す反動圧４２を有する。反動圧４２によって、材料４５が金属表面５から押し出され、アルミニウム、銀及び金のような多くの材料において、マークが形成されない。
【００６３】
図５に示すように金属表面５に接触するマーク促進層１０２を配置することによって、マーク促進層１０２と金属表面５との接触がプリューム４１の反動圧４２の少なくとも一部をとどめるのに十分である場合にプリューム４１が消失するのを防止する。プリューム４１及び反動圧４２は、金属表面５とマーク促進層１０２の間の接触によってとどめられ、図１に示した個別のマーク４６を形成することができる。個別のマーク４６の形成は、プリューム４１内の加熱によって支援される。マーク促進層１０２を用いるときにプリューム４１を形成するために、マーク促進層１０２によるレーザビーム４の光学的な減衰を補償するようにパルスフルエンス３６を増大する必要がある。マーク促進層１０２を、厚さ４３を有するものとして示す。物品を、厚さ５１を有するものとして示す。
【００６４】
本発明の方法は、永久的な添加物（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ａｄｄｉｔｉｖｅｓ）を必要とすることなく黒色のマーク及び濃い灰色のマークを物品に形成することができる。本発明の方法は、同一のパルスフルエンス３６を用いるがマーク促進層１０２を用いることなくマークを形成するときよりも濃いマークを金属の上に形成することができる。特に、方法は、銅、アルミニウム、金、銀、プラチナ、パラジウム、ニッケル、チタン、錫、鉄、クロム、ステンレス鋼、又は、青銅若しくは真鍮のような上述した金属のうちの一つを含む合金のような金属４４のむき出しの金属表面に有色のマークを形成することができる。マーク促進層１０２を用いることなくむき出しのアルミニウム、金又は銀に形成されるマークは、表面の粗さに影響を及ぼすように刻まれる又は金属表面５の色に影響を及ぼすことのない変形した表面構造を有する。
【００６５】
図１を参照すると、方法は、マーク１６が５０ミクロン以下、２０ミクロン未満又は５ミクロン未満の表面粗さ平均Ｒａ値５５を有するようにするために、スポット間隔１８、ハッチ距離１９、パルスフルエンス３６、パルス幅２６及び各ライン１５の書込み回数を選択するステップを有してもよい。インク又は化学物質を用いることなくむき出しの金属表面に滑らかなマークを形成できる能力は、しばしば金属表面を磨く宝飾品類及び消費財の製造において重要な商業利益を有する本発明の特に有利な態様である。
【００６６】
図１２は、金属表面５が層１２１を備える物品４０を示す。層１２１は、図１のマーク促進層１０２ではない。層１２１を金属コーティングとすることができる。高出力電子装置又は高出力光電子装置の金属パッケージは、熱放射率を向上させるために非常に薄い金のコーティングが被覆された銅のような金属から形成される。層１２１を、非金属層とすることができる。非金属層を、酸化層とすることができる。陽極酸化されていない「むき出しのアルミニウム」は、典型的には、表面に酸化層を有する。金属表面５を、陽極酸化しない金属表面とすることができる。
【００６７】
再び図１を参照すると、金属表面５は、銅、アルミニウム、金、銀、プラチナ、パラジウム、ニッケル、チタン、錫、鉄、クロム、ステンレス鋼、又は、青銅若しくは真鍮のような上述した金属のうちの一つを含む合金を含むことができる。
【００６８】
マーク促進層１０２をガラスとすることができる。ガラス顕微鏡スライド及びガラス顕微鏡カバーをマーク促進層１０２として用いることによって高品質のマークが種々の金属表面の上に形成された。ガラス顕微鏡スライダーは、約２ｍｍの厚さであり、ガラス顕微鏡カバーは、約１００μｍの厚さであった。
【００６９】
マーク促進層１０２は、サファイヤであってもよい。サファイヤは、家庭用電化製品において重要な材料である。
【００７０】
マーク促進層１０２は、ラッカーであってもよい。ラッカーは、しばしば飲料用缶及び消費財に適用される。ラッカーを破壊することなくラッカーを介してマークを形成することができることは、重要な商業利益を有する。
【００７１】
マーク促進層１０２は、コンフォーマルコーティングであってもよい。コンフォーマルコーティングは、ポリイミドを含んでもよい。
【００７２】
マーク促進層１０２は、ポリマーのようなシート材料を含んでもよい。シート材料を、レーザマーキングの前に金属表面５の全体に亘って伸ばしてもよい。シート材料を、レーザマーキングの後に除去してもよい。
【００７３】
マーク促進層１０２は、接着剤付きテープであってもよい。接着剤付きテープは、セロファンを含んでもよい。接着剤付きテープは、高温ポリマーを含んでもよい。高温ポリマーは、５００℃より上、好適には、７５０℃より上、更に好適には、１０００℃より高い温度に耐え抜くことができる。接着剤付きテープは、米国のニューハンプシャー州のポリオニクス（Ｐｏｌｙｏｎｉｃｓ）社から入手できる。高温ポリマーは、アクリルを含んでもよい。高温ポリマーは、シリコーンを含んでもよい。高温ポリマーは、ポリイミドを含んでもよい。高温ポリマーは、ポリエステルを含んでもよい。高温ポリマーは、ハロゲンフリーであってもよい。接着剤付きテープは、簡単に表面に設けることができるとともにマーキングを行った後に簡単に除去することができるので特に有利である。
【００７４】
マーク促進層１０２の厚さ４３は、１μｍより大きくてもよい。厚さ４３は、５０μｍと３ｍｍの間であってもよい。
【００７５】
本発明の方法は、マーク１６を形成した後にマーク促進層１０２を除去するステップを有してもよい。例えば、マーク促進層１０２がガラスである場合、ガラスを簡単に除去することができる。マーク促進層１０２がラッカーである場合、ラッカーを化学的処理によって除去することができる。化学処理を、アセトンのような溶媒への浸漬としてもよい。アセトンは、ラッカーを溶かすことができる。
【００７６】
マーク促進層１０２は、少なくとも５０％のレーザビーム４の波長２０の光の透過を有してもよい。光の透過は、少なくとも８０％であってもよい。光の透過は、少なくとも９０％であってもよい。
【００７７】
実験は、特にアルミニウム及び銀のようなむき出しの金属表面にマークを書き込むときに本発明の方法によりマークの品質及び黒さ並びにマーク１６の書き込みの向上を示した。
【００７８】
金属表面５の上に黒色のマークを形成するガラス、ポリエチレン及びラッカーを含むマーク促進層１０２の範囲を検査した。硬質のマーク促進層及び軟質のマーク促進層を連続的に検査した。マーク促進層１０２を金属表面５によって支持してもよい。マーク促進層１０２を永久的に金属表面５に取り付けなくてもよく、マーク１６を形成した後に除去してもよい。
【００７９】
マーク１６の色を灰色又は黒色にしてもよい。国際照明委員会（ＣＩＥ）の系によって定量化される色は５０以下のＬ＊値を有してもよい。好適には、Ｌ＊値は、３０未満である。３０以下のＬ＊値を有するマークは、一般的には黒色のマークとみなされる。消耗財に迅速に書き込むことができる略完全な仕上げを有する黒色のマークは、商業的に非常に重要である。実際には、マーク１６の書込み速度及び品質は、マーク１６の間で異なることができ、レーザベースマーキングマシン１０は、商業的に実現可能である又は商業的に実現可能でないマーク１６を形成する。
【００８０】
レーザ１は、１００ピコ秒より大きいパルス幅２６を有するパルスレーザであってもよい。パルス幅２６は、１ナノ秒より大きくてもよい。高品質の黒色のマークを迅速に形成できるとともに約１０〜約５０ピコ秒より小さいパルス幅を有するピコ秒パルスレーザと異なるナノ秒パルスレーザを用いることは、驚くべきであるとともに商業的に重要である。この理由は、ナノ秒パルスレーザが元々ピコ秒レーザより低い価格であり、かつ、約５０ピコ秒より小さいパルス幅を有するとともにコールドアブレーションのようなコールドレーザ加工用に市販されているフェムト秒パルスレーザ及びピコ秒パルスレーザよりも著しく低い価格であるからである。そのようなレーザは、パルス圧縮技術に依存する又はパルス圧縮器を組み込む。レーザ１がパルス圧縮器を有しないのが好ましい。
【００８１】
レーザ１は、単一モード又は多重モード希土類ドープファイバを有する光ファイバレーザであってもよい。レーザビーム４は、６未満、好適には、４未満、更に好適には、１．３未満のＭ２値によって規定されるビーム品質を有してもよい。
【００８２】
波長２０は、１０００ｎｍから１１００ｎｍの範囲内にある。そのような波長は、イッテルビウムドープファイバレーザによって放出される。
【００８３】
スキャナのミラー６及び７によるスキャンを、金属表面５に対するレーザビーム４の速度６５を時間６２の関数として示す図６に示すようにレーザ１の起動の前に加速してもよい。スキャナのミラー６及び７によるスキャンの加速は、レーザ１がパルス６４を放出する前にレーザビーム４が金属表面５に対して所望のスキャン速度で移動することを保証することによってマーク１６の端縁影響（ｅｄｇｅ  ｅｆｆｅｃｔ）を減少させる。レーザ１が他のパルス６４を放出する前にスキャンを減速した後に逆方向に加速するとともに速度６５の符号が逆になる間の時間間隔６３を示す。
【００８４】
図７及び図８に示すように、金属表面５を、マーク１６を形成するのに要する全体の時間を最小にするように方向を合わせる。マーク１６は、全長７３及びライン１５の総数７４を有する軌跡に沿ってマークされた図７の方向７１を向いている。マーク１６は、全長８３及びライン１５の総数８４を有する軌跡に沿ってマークされた図８の方向８１を向いている。マーク１６を形成するのに要する全体の時間は、各ライン１５の始端において加速するとともに各ライン１５の終端において減速するのに要求されるスキャン速度１７及び時間６３による全体の距離７３，８３に関連する。図７及び図８を調べることによってわかるように、マーク１６を、図７の方向７１より図８の方向８１に迅速に形成することができる。その理由は、ライン１５の総数８４がライン１５の総数７４より少ないからであり、その結果、減速及び加速に必要な時間６３が短くなる。ライン１５はそれぞれ複数回スキャンされる。
【００８５】
図６を参照すると、スキャン速度は、少なくとも１ｍ／秒であってもよい。スキャン速度は、少なくとも５ｍ／秒であってもよい。
【００８６】
図２を参照すると、パルス繰り返し周波数は、少なくとも１００ｋＨｚであってもよい。パルス繰り返し周波数は、少なくとも５００ｋＨｚであってもよい。
【００８７】
スキャン速度は、少なくとも９ｍ／秒であってもよく、パルス繰り返し周波数は、少なくとも９００ｋＨｚであってもよい。
【００８８】
各ライン１５を２回以上書き込んでもよい。好適には、各ラインを少なくとも５回書き込むが、それより多い回数又はそれより少ない回数を用いてもよい。同一のパルス繰り返し周波数２７で各ライン１５を１回だけスキャンしてもよいが、熱損傷が金属表面５に生じうることが確認された。したがって、熱損失を最小にするとともにマーク１６の品質を最適にするために各ライン１５をできるだけ迅速に書き込むのが好ましい。ハッチ距離と称する連続するラインの間の間隔１９は、スポット径３４より小さい、好適には、スポット径３４の１／１０より小さい、更に好適には、スポット径３４の１／１００より小さい。連続する繰り返しのライン１５の角度４７は、１°から３５９°までの範囲内にあってもよい。マーク促進層１０２を、連続する繰り返しの間に配置してもよい。
【００８９】
図１を参照すると、（スポット３１の中心３７から測定される）スポット間隔１８は、図３に示すスポット径３４の少なくとも１／４であってもよい。スポット間隔１８は、スポット径３４の少なくとも１／２であってもよい。間隔１８は、一様であってもよい、ライン１５に沿って変化してもよい又は異なるライン１５で異なってもよい。ライン１５を上書きするとき、間隔１８は、各スキャンで同一であってもよい又は異なってもよい。
【００９０】
図９に示すように、本発明の方法を、マーク促進層１０２にマーク９２を形成するのに用いてもよい。図９において、マーク促進層１０２は、金属表面５から切り離されるとともに１８０°回転される。金属表面５のマーク１６は、ロゴ９１である。透明表面１０２の対応するマーク９２もロゴであるが、このロゴは、ロゴ９１の鏡像である。ガラスを含むマーク促進層１０２の種々の有色のマーク９２を取得することができる。黒色又は茶色である有色のマーク９２を、金属表面５がアルミニウムであるときに取得した。直接見ると黒色であるとともにマーク促進層を介して見ると金色である有色のマーク９２を、金属表面５が銀であるときに取得した。他の色を取得することもできる。図４及び図５に示すプリューム４１がマーク促進層１０２にマーク９２を形成するようにレーザ１、金属表面５及びマーク促進層１０２を選択する。
【００９１】
図１〜９に関連して説明した方法は、マーク促進層１０２を設けるための図１０に示す装置１０３を設けるステップを有してもよい。図１のレーザベースマーキングマシン１０は、装置１０３を有してもよい。図１０に示す装置１０３は、ディスペンディングリール１０４と、テイクアップリール１０５と、を備え、マーク促進層１０２をディスペンディングリール１０４からテイクアップリール１０５まで引き寄せることができる。この装置は、マーク促進層１０２が箔、高分子フィルム又は接着剤付きテープのような材料の軟質シートの形態である場合には従来のものである。マーク促進層１０２がガラスのような硬質材料である場合、装置１０３は、スライドカセットディスペンサと同様であることができる。代替的又は付加的には、異なる時点で一つ以上の物品４０にマークを付すためにマーク促進層１０２の種々の部分を用いることができるように、装置１０３は、マーク促進層１０２を回転するためのホイールを有してもよい。
【００９２】
再び図１を参照すると、本発明の方法は、マーク１６を所望の色で書き込むのに十分な接触を行う図１１に示す力１１５によってマーク促進層１０２を金属表面５に押圧するステップを有することができる。要求される力１１４を、実験を通じて決定することができる。レーザ書込み工程を、マーク促進層１０２を配置した後の同一のマーク１６において繰り返すこともできる。図１〜１０を参照しながら説明したマーク促進層１０２は、図１１に示すような硬質層１１１及び軟質層１１２を備える。軟質層１１２は、ガラスのような硬質層との十分な接触を取得するのが困難である粗い表面にマーキングを行うときに特に有用である。硬質層１１１を、ガラス板とすることができる。軟質層１１２を、硬質層１１１の適合性より高い適合性を有するポリマーとすることができる。
【００９３】
図１〜１１を参照しながら説明した本発明の方法は、特に魅力的である。その理由は、インク、染料又は化学物質を必要とすることなく従来よりも迅速かつ経済的に金属表面にマークを形成することができるからである。例えば、約１０μｍのスポット間隔及び約０．２μｍのハッチ距離１９の黒色のマークを、ラインを１回だけ書き込むことによってむき出しのアルミニウムにおいて取得することができる。しかしながら、２μｍに対応するデジタル分解能１０１を有する典型的なスキャナを用いるときにはスキャンの間に著しい時間を費やす。その理由は、０．２μｍのサブデジタル分解能１２を実現するようにスキャナを制御するために比較的複雑な波形を取得する必要があるからである。しかしながら、驚くことには、本発明の方法は、２μｍ（デジタル分解能）だけスキャナをステッピングするとともにラインの（２μｍと０．２μｍの商に等しい）１０回の上書きを行うことによって処理速度を著しく上げることができる。さらに、驚くべきことには、本発明の方法は、各ライン１５を１回だけ書き込むのではなく少なくとも１回上書きすることによって、一様性が優れているがハッチ距離１９が小さいマーク１６を提供することができる。一様性が優れていることを、裸眼で見ることができる。
【００９４】
第２のミラー７を、図１に示すデジタル分解能１０１によって特徴付けてもよい。好適には、ハッチ距離１９は、デジタル分解能１０１の整数倍に対応する。例えば、典型的なスキャナは、２μｍのハッチ距離１９に対応するデジタル分解能１０１（典型的には、ラジアンで測定される角度デジタル分解能とレンズ３の焦点距離の積）を有する。０．２μｍのハッチ距離１９で１０本の個別のライン１５を書き込む代わりに０．２μｍのハッチ距離１９で各ライン１５を１０回書き込むことによって同一又は同様の品質のマークを書き込むことができることを発見した。これは、驚くべきことであるだけでなく、オブジェクトにマークを付す時間を著しく減少させる手段を提供する。この理由は、第１のスキャニングミラーによる同一の経路に亘るスキャンを行う際の余分な時間遅延が除去されるからである。連続するライン１５の間のハッチ距離１９を増大するために典型的なコントローラが要する時間の割合は、サブデジタル分解能を要求するときに特に重要である。
【００９５】
レーザ１をファイバレーザ、ディスクレーザ、ロッドレーザ又は他の形態の固体レーザとすることができる。
【００９６】
パルスフルエンス３６を０．０２Ｊ／ｃｍ２から１０Ｊ／ｃｍ２の範囲とすることができる。好適には、パルスフルエンス３６を０．３Ｊ／ｃｍ２から５Ｊ／ｃｍ２の範囲とすることができる。更に好適には、パルスフルエンス３６を０．５Ｊ／ｃｍ２から２Ｊ／ｃｍ２の範囲とすることができる。
【００９７】
パルス幅２６を１００ピコ秒から２５０ナノ秒の範囲とすることができる。好適には、パルス幅２６を３００ピコ秒から１０ナノ秒の範囲とすることができる。更に好適には、パルス幅２６を５００ピコ秒から５ナノ秒の範囲とすることができる。
【００９８】
好適には、ピーク電力２２を１ｋＷより大きくする。
【００９９】
スキャン速度１７を少なくとも１ｍ／秒にすることができる。典型的には、スキャン速度１７は、１ｍ／秒から２５ｍ／秒の範囲である。好適には、スキャン速度１７は、５ｍ／秒から１５ｍ／秒の範囲である。更に好適には、スキャン速度１７は、７ｍ／秒から１０ｍ／秒の範囲である。
【０１００】
パルス繰り返し周波数２７は、少なくとも１ｋＨｚであってもよい、好適には、少なくとも２５ｋＨｚであってもよい、更に好適には、少なくとも５００ｋＨｚであってもよい。
【０１０１】
好適には、各ライン１５は、第２のミラー７を動かさない状態にしながら第１のミラー６によるスキャンを行うことによって書き込まれる。好適には、ハッチ距離１９は、第２のミラー７を動かすことによって実現される。これは有利である。その理由は、コントローラ１１の制御パラメータを設定する際に遅延を減少させるからである。
【０１０２】
パルス繰り返し周波数２７は、少なくとも５００ｋＨｚであってもよい。
【０１０３】
スキャン速度１７は、少なくとも９ｍ／秒であってもよく、繰り返し周波数２７は、少なくとも９００ｋＨｚであってもよい。スキャン速度１７とパルス繰り返し周波数２７のそのような組合せは、１０μｍのスポット間隔１８と同等である。典型的には、これは、単一モードパルスファイバレーザを用いるときに金属表面５において容易に実現することができるスポット３１の径３４の略半分である。
【０１０４】
上述した方法を、例えば、携帯電話、タブレットコンピュータ、腕時計、テレビジョン、機械及び宝飾品類を含む多種多様な物品にマークを付けるのに用いてもよい。
【０１０５】
本発明の方法を、例示のためにのみ与えられる以下の限定されない例を参照しながら説明する。
【０１０６】
以下の例において、図１に示すレーザを、英国のサウサンプトンのエス・ピー・アイ・レーザース社（ＳＰＩ  Ｌａｓｅｒｓ  ＵＫ  Ｌｔｄ）によって製造された型番ＳＰ−０２０−Ａ−ＥＰ−Ｓ−Ａ−Ｙのパルスファイバレーザとした。レーザは、主発振器電力増幅器として構成されたイッテルビウムドープファイバレーザである。スキャナ２を、独国のべスリングのレイレース有限責任会社（Ｒａｙｌａｓｅ  ＧｍｂＨ）によって製造されたガルバノメトリックスキャンヘッドモデルスーパースキャンＩＩ（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｒｉｃ  ｓｃａｎ−ｈｅａｄ  ｍｏｄｅｌ  ＳｕｐｅｒＳｃａｎ  ＩＩ）とした。対物レンズ３を、１６３ｍｍの焦点距離のｆ−θ対物レンズとした。レーザビーム４は、レーザビーム４がスキャナ２の入力部における７．５ｍｍ（１／ｅ２）の公称径及びスキャナの対物レンズ３の焦点面に生じる３４μｍ±５．０μｍのスポット径３４を有することができるようになる７５ｍｍのビーム拡大コリメータ（ｂｅａｍ  ｅｘｐａｎｄｉｎｇ  ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）（ＢＥＣ）１４を介して、レーザ１からスキャナ２に供給される。
【０１０７】
図１〜３を参照すると、レーザ１は、約３ナノ秒と約５００ナノ秒の間のパルス幅を有することができ、平均出力２３、パルス繰り返し周波数２７及び一時的なパルス形状（ｔｅｍｐｏｒａｌ  ｐｕｌｓｅ  ｓｈａｐｅ）２４の範囲に亘って操作された。パルスエネルギー２５及びパルスピーク出力２２は、繰り返し可能であり、正確に制御できた。スキャナ２は、１０ｍ／秒以下のスキャン速度１７のレーザビーム４によるスキャンを行うことができた。レーザ１が既知のパルス繰り返し周波数２７で動作するときに移動の単位長さごとのレーザパルスの数及びスポット間隔１８を計算できるようにスキャン速度１７を正確に制御できた。
【０１０８】
実施例１
図５を参照すると、物品４０を、１ｍｍの厚さ５１を有するアルミニウム等級５２５１のシートとした。アルミニウムは、表面に酸化層を有するとしても「むき出しのアルミニウム」と称される。マーク促進層１０２を、１ｍｍの厚さ４３を有するガラス顕微鏡スライドとした。顕微鏡スライドとアルミニウムシートの間に目に見えるギャップが存在しないように顕微鏡スライドをアルミニウムシートに固定した。レーザビーム４の焦点を金属表面５に合わせるように力を決定した。レーザビーム４は、６００ｋＨｚのパルス繰り返し周波数２７で繰り返しパルス化され、０．５μｍのハッチ間隔を用いて６０００ｍｍ／秒の速度で金属表面５の上をスキャンした。パルス幅２６は、半値全幅で３ナノ秒であり、パルスエネルギーは、１２μＪであった。パルスフルエンス３６は、１．３Ｊ／ｃｍ２であった。結果的に得られるマーク１６は、約３５のＬ＊値を有する濃い灰色であった。溶媒で拭くことよってマーク１６を除去することができなかった。重要なことは、マーク促進層１０２を用いることなく同一の装置を用いて暗色のマークを形成することができなかった。
【０１０９】
実施例２
図５を参照すると、物品４０を、１ｍｍの厚さ５１を有するアルミニウム等級５２５１のシートとした。アルミニウムは、表面に酸化層を有するとしても「むき出しのアルミニウム」と称される。マーク促進層１０２を、７５μｍの厚さ４３を有するポリエチレンシートとした。プラスチックシートとアルミニウムシートの間に目に見えるギャップが存在しないようにプラスチックシートをアルミニウムシートに固定した。レーザビーム４の焦点を金属表面５に合わせるように力を決定した。レーザビーム４は、６００ｋＨｚのパルス繰り返し周波数２７で繰り返しパルス化され、０．５μｍのハッチ間隔を用いて６０００ｍｍ／秒の速度で金属表面５の上をスキャンした。パルス幅２６は、半値全幅で３ナノ秒であり、パルスエネルギーは、１２μＪであった。パルスフルエンス３６は、１．３Ｊ／ｃｍ２であった。結果的に得られるマーク１６は、約３５のＬ＊値を有する濃い灰色であった。溶媒で拭くことよってマーク１６を除去することができなかった。重要なことは、マーク促進層１０２を用いることなく同一の装置を用いて暗色のマークを形成することができなかった。
【０１１０】
実施例３
図５を参照すると、物品４０を、典型的には１μｍの厚さの金の薄いコーティングを施した２ｍｍの厚さ５１を有する銅のシートとした。マーク促進層１０２を、１ｍｍの厚さ４３を有するガラスシートとした。ガラスシートと金のコーティングを施した銅の間に目に見えるギャップが存在しないようにガラスシートを金のコーティングを施した銅に固定した。コリメーション光学系１４の焦点距離は、１００ｍｍであり、スキャナの入力部の１／ｅ２の焦点の径は、１１ｍｍであり、対物レンズ３の焦点距離は、１６０ｍｍであり、１／ｅ２の焦点の径は、２７μｍ±５μｍであった。レーザビーム４の焦点を金属表面５に合わせるように力を決定した。レーザビーム４は、６００ｋＨｚのパルス繰り返し周波数２７で繰り返しパルス化され、０．５μｍのハッチ間隔を用いて６０００ｍｍ／秒の速度で金属表面５の上をスキャンした。パルス幅２６は、半値全幅で３ナノ秒であり、パルスエネルギーは、２０μＪであった。パルスフルエンス３６は、１．６Ｊ／ｃｍ２であった。結果的に得られるマーク１６は、約２５のＬ＊値を有する黒色であった。溶媒で拭くことよってマーク１６を除去することができなかった。重要なことは、マーク促進層１０２を用いることなく同一の装置を用いて暗色のマークを形成することができなかった。
【０１１１】
実施例４
図５を参照すると、物品４０を、１ｍｍの厚さ５１を有する真鍮等級ＣＷ５０８Ｌのシートとした。マーク促進層１０２を、１ｍｍの厚さ４３を有するガラス顕微鏡スライドとした。顕微鏡スライドと真鍮シートの間に目に見えるギャップが存在しないように顕微鏡スライドを真鍮シートに固定した。レーザビーム４の焦点を金属表面５に合わせるように力を決定した。レーザビーム４は、６００ｋＨｚのパルス繰り返し周波数２７で繰り返しパルス化され、０．５μｍのハッチ間隔を用いて６０００ｍｍ／秒の速度で金属表面５の上をスキャンした。パルス幅２６は、半値全幅で３ナノ秒であり、パルスエネルギーは、１２μＪであった。パルスフルエンス３６は、１．３Ｊ／ｃｍ２であった。結果的に得られるマーク１６は、約２０のＬ＊値を有する黒色であった。溶媒で拭くことよってマーク１６を除去することができなかった。重要なことは、マーク促進層１０２を用いることなく同一の装置を用いて暗色のマークを形成することができなかった。
【０１１２】
実施例５
図５を参照すると、物品４０を、０．２ｍｍの厚さ５１を有する陽極酸化しないアルミニウムのシートとした。マーク促進層１０２を、５０μｍの厚さ４３を有する透明なラッカーコーティングとした。レーザビーム４の焦点を金属表面５に合わせるように力を決定した。レーザビーム４は、６００ｋＨｚのパルス繰り返し周波数２７で繰り返しパルス化され、０．５μｍのハッチ間隔を用いて６０００ｍｍ／秒の速度で金属表面５の上をスキャンした。パルス幅２６は、半値全幅で３ナノ秒であり、パルスエネルギーは、１２μＪであった。パルスフルエンス３６は、１．３Ｊ／ｃｍ２であった。結果的に得られるマーク１６は、約２０のＬ＊値を有する黒色であった。溶媒で拭くことよってマーク１６を除去することができなかった。重要なことは、マーク促進層１０２を用いることなく同一の装置を用いて暗色のマークを形成することができなかった。
【０１１３】
実施例６
図５を参照すると、物品４０を、０．５ｍｍの厚さ５１を有するスターリング銀のシートとした。マーク促進層１０２を、１ｍｍの厚さ４３を有するガラス顕微鏡スライドとした。顕微鏡スライドと銀シートの間に目に見えるギャップが存在しないように顕微鏡スライドを銀シートに固定した。レーザビーム４の焦点を金属表面５に合わせるように力を決定した。レーザビーム４は、６００ｋＨｚのパルス繰り返し周波数２７で繰り返しパルス化され、０．５μｍのハッチ間隔を用いて６０００ｍｍ／秒の速度で金属表面５の上をスキャンした。パルス幅２６は、半値全幅で３ナノ秒であり、パルスエネルギーは、１２μＪであった。パルスフルエンス３６は、１．３Ｊ／ｃｍ２であった。銀シートの結果的に得られるマーク１６は、約４０のＬ＊値を有する濃い灰色であった。ガラス顕微鏡スライドの（図９に示す）マーク９２は、直接見たときに一部の領域で濃い灰色であるとともに他の領域で黒色であり、ガラスを介して見たときに一様な金色であった。溶媒で拭くことよってマーク１６を除去することができなかった。重要なことは、マーク促進層１０２を用いることなく同一の装置を用いて暗色のマークを形成することができなかった。
【０１１４】
上述した実施例を参照すると、パルスフルエンス３６、スポット間隔１８及びライン間隔１９のうちの一つ以上の調整を行うことによって、マーク促進層１０２と金属表面５の間の接触圧を増大することにより又は好適には種々の角度４７で書き込まれるライン１５を用いてマーク１６を上書きすることにより更に濃い色のマークを取得することができると考えられる。
【０１１５】
添付図面を参照しながら説明した本発明の実施の形態を例示のために提示するとともに変更並びに性能を向上させるために追加のステップ及び構成要素を設けてもよいことを理解すべきである。図面に示した個別の構成要素は、図面での使用に限定されず、他の図面及び本発明の全ての態様において用いてもよい。本発明は、単一で又は組み合わせて取得される上述した特徴に及ぶ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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