(57)【要約】【課題】レーザー発生器によって生成され、光線成形絞り部によって成形されて、集束ユニット内で集束されたレーザー光線が、彫刻処理の間、照射間隔置きに、または持続的に、彫刻する基板に向けられる、基板の表面にレーザー彫刻を形成するための方法および構成に関して、製造および保守負担を低減して、基板の表面に個別的で、自由にプログラム可能なレーザー彫刻を可能とすることである。【解決手段】この課題は、方法面において、彫刻処理の間、照射方向に対して垂直なｘｙ平面内で基板を動かすことにって解決される。構成面においては、基板台が、照射方向に対して垂直なｘｙ平面内を移動可能であるものと規定する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
彫刻処理の間、レーザー光線は、照射間隔置きに、または持続的に、彫刻する表面上に向けられ、その際基板（１２）は、彫刻処理の間、照射方向に対して垂直なｘｙ平面内を動かされるとともに、この基板の動きに、レーザー光線のｘｙ平面内の動きが重ね合わされる、基板の表面にレーザー彫刻を形成するための方法において、このレーザー彫刻は、微視的な彫刻要素（１３）の模様（１４）から成る巨視的な構造（２１）で構成されており、その際この構造（２１）には、この模様（１４）の、基準の模様からの巨視的には視認不可能な偏差によって、符号化された情報が彫刻され、この基板（２１）のｘ方向およびｙ方向への動きによって、この構造（２１）を、ならびに、このレーザー光線（２）のｘ方向およびｙ方向への動きによって、この偏差を形成することを特徴とする方法。
【請求項２】
当該の基板（１２）が、彫刻処理の間、当該の照射方向に対して平行なｚ方向に動かされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ｘｙ平面内での基板（１２）の相異なる位置において、レーザー光線（２）の焦点（８）が、常にこの基板の表面上にあるように、当該のｚ方向への動きが、この表面の構造に依存して行われることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
当該の光線が、光線成形絞り部によって成形され、この光線成形絞り部の形状が、彫刻点として、当該の表面上に鮮明に結像されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
当該の基板（１３）の動きが、不連続的に行われることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
照射間隔を用いる場合に、当該の動きが、これらの照射間隔の間の時間的合い間に行われることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
当該のレーザー彫刻が、多数の巨視的な構造（２１）から構成されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
当該の基準の模様が、彫刻要素（１３）を配置した、または配置しない形のマトリックス（１４）として選定され、当該の偏差が、彫刻要素の省略または追加によって、あるいはこれらの彫刻要素（１３）から形成されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
当該のマトリックス（１４）が、彫刻要素（１３）から成るマトリックス枠（１５）を備えることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
当該の基準の模様が、一つの線上に配置された彫刻要素（１３）として選定され、当該の偏差が、彫刻要素（１３）の、この線からの巨視的には視認不可能なずれによって形成されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１１】
当該の基準の模様が、線の間隔が微視的な範囲にある二重線（２４）上に順番に配置された彫刻要素（１３）として選定され、その際これらの彫刻要素（１３）が、符号化された情報において、論理値０を表す場合には、この二重線（２４）の一方の線上に、論理値１を表す場合には、この二重線（２４）の他方の線上に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、基板の表面にレーザー彫刻を行うための方法に関し、その方法では、彫刻処理の間、レーザー光線は、照射間隔置きに、または持続的に彫刻する表面上に向けられ、その際彫刻処理の間、基板は、照射方向に対して垂直なｘｙ平面内を動かされ、ｘ方向とｙ方向におけるレーザー光線の動きが、この基板の動きに重ね合わされるものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、彫刻処理の間、基板が、照射方向に対して垂直なｘｙ平面内を動かされ、ｘ方向とｙ方向におけるレーザー光線の動きが、この基板の動きに重な合わされる、最初に述べた種類の方法が記載されている。
【０００３】
特許文献２では、複数のレーザー光線を、一つのレーザー点に統合する構成が記載されている。この場合、異なる基板の高さをならすために、これに対して垂直なｚ方向に基板を動かし、レーザー光線を各表面上に集束したまま保持する能力がある。
【０００４】
特許文献３では、一つのレーザー発生器を有する構成が記載されている。透明な材料の彫刻には、遠紫外線スペクトル（tiefen UV-Spektrum）で動作し、非常に良好な消耗（Ablation）特性を有するエキシマレーザーが適している。
【０００５】
レーザー発生器から生成されたレーザー光線の光路には、光線成形絞り部が配置されている。この光線成形絞り部は、一方では、レーザー光線の一部を遮って、レーザー光線を基板の表面上に設定しようとしている、例えば英数字の記号の形状にするものである。他方では、この光線成形絞り部は、この形成されたレーザー光線を、複数の部分光線に分割する働きを持ち、それは、彫刻する記号が、これらの部分光線によって生成される複数の点から構成されることを考慮したものであり、そのことによって判読性が大幅に改善される。
【０００６】
このように成形された光線を結像するために、集束ユニットが配備されている。この集束ユニットは、基板台上にある基板の表面上に、レーザー光線を集束し、それによって、光線成形絞り部を介して、彫刻する記号を鮮明に結像する働きを持ち、その記号を、消耗によって表面に彫刻するものである。
【０００７】
彫刻処理において、レーザー光線は、基板の表面上に持続的に向けられるか、あるいは照射間隔置きに表面を照射する、所謂パルスレーザーが用いられる。
【０００８】
この周知の構成およびこの構成で実行される方法は、各記号を替えると、光線成形絞り部も交換する必要があるので、余り柔軟ではないことが明らかになっている。その他、レーザーエネルギーの相当の部分が、光線成形絞り部で反射されるか、熱に変換されてしまう。
【０００９】
より高速で、柔軟な記号の交換を達成する方策が、特許文献４に記載されている。この解決法も、同じく、回転可能なマスクドラム上に配置された光線成形絞り部を利用することを規定している。所望の記号に対応して、その記号に成形する、相応のマスクドラムをレーザー光線の光路内に回転させるものである。
【００１０】
この解決法では、相当な機械的な負担以外に、例えば、最も良く使われる記号を保持するマスク部分が損耗した場合、マスクドラム全体を交換する必要があり、そのことによって、相当の補修維持負担が発生する。
【００１１】
既に述べた特許文献３による構成では、レーザー光線を偏向させて、基板の表面上に持って行く、偏向ミラーの形の光線偏向ユニットも配備している。この偏向は、光路内において、平坦な対物レンズ（Planfeldobjektiv）を通過する前に行われる。
【００１２】
さて、この偏向ミラーをガルバノメーターヘッドに配置する形で、そのような光線偏向ユニットを、プログラム可能で、柔軟なレーザー彫刻に用いることは周知である。このガルバノメーターヘッドを用いて、基板の表面上の彫刻領域内に、レーザー光線を動かすことができる。これによって、結像する記号の形状は、ガルバノメーターヘッドの動きによって影響を受けることとなり、もはや、もっぱら光線成形絞り部によって影響を受けるということはない。
【００１３】
彫刻領域全体に、レーザー光線を結像させるためには、平坦な対物レンズが利用される。
【００１４】
このような構成およびこの構成で実行される方法は、特に有利なレーザースペクトルでは、そのような平坦な対物レンズが、非常に大きな負担でしか製造できないこと、およびそれでは、短い耐用年数しか達成できないという欠点を持つ。
【００１５】
特許文献５および特許文献６により、巨視的に、すなわち基本的に裸眼で視認可能な情報に、巨視的に視認不可能な情報を重ね合わせる、あるいは埋め込む方法が周知である。この情報は、バーコードのような機械で読み取り可能な形式で構成したり、あるいは焼き付け点の除去、または大小の焼き付け点の形成により簡単に実現することができる。しかし、そのためには、生成される機械で読み取り可能な情報は、レーザー技術では是認可能な負荷では製造できないか、あるいは画像点の除去では、情報の幅が非常に制限されてしまうことになる。
【特許文献１】
米国特許第６，１２１，５７４号明細書
【特許文献２】
ドイツ特許公開第１９８４０９２６号明細書
【特許文献３】
欧州特許公開第０６０１８５７号明細書
【特許文献４】
米国特許第４１９４８１４号明細書
【特許文献５】
ドイツ特許第３７２８６２２号明細書
【特許文献６】
ドイツ特許第１９６１２４０６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、この発明の課題は、従来のレーザー彫刻と比較して、ほぼ同等の製造時間で、視認不可能な情報とともに、基板の表面に個別的で、自由にプログラム可能なレーザー彫刻を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この課題は、方法面からは、微視的な彫刻要素の模様から成る巨視的な構造で、レーザー彫刻を構成し、その際この構造に符号化する情報は、この模様の、基準とする模様からの巨視的には視認不可能な偏差によって彫刻されており、基板をｘおよびｙ方向へ動かすことによって、この構造を、レーザー光線をｘおよびｙ方向へ動かすことによって、この偏差を生成することにより解決される。
【００１８】
すなわち、この記号の形状は、基板を動かすことによって調整することができる。これによって、動きのプログラムの簡単な変更により、様々な記号を作り出すことができる。このことにより、記号がマトリックス内の彫刻点から構成される、所謂微細彫刻（Mikrogravur ）の製作が可能となる。このマトリックス内における彫刻点の有無により、情報が符号化される。
【００１９】
この発明にもつづく方法により、彫刻する模様を簡単に変更することで、基板に特有の模様を彫刻すること、さらに微細彫刻により基板に特有の符号化された情報を彫刻するとともに、その彫刻によって記録することすら可能となる。
【００２０】
レーザー光線をｘおよびｙ方向に動かすことと、基板を動かすことを重ね合わせる形で、レーザー光線の動きによって、微細な調整を行うことができるので、基板の動きに必要とされる精度を最低限に抑えることができる。他方では、このことは、彫刻の間に、レーザー光線によって、追加の動きを起こすことができるという利点を示す。そのため、例えば、光線の回転によって、彫刻線の拡大を実現することが可能である。
【００２１】
レーザー彫刻を、微視的な彫刻要素の模様から成る巨視的な構造で構成することによって、この構造に符号化する情報を、この模様の、基準とする模様からの巨視的には視認不可能な偏差によって彫刻するものである。そのため、それ自体に視認可能な情報を伝達することができる、通常視認可能な構造に、視認不可能な情報を持たせることが可能となる。そして、この視認不可能な情報は、この構造を相応に拡大することによって、ならびにこの模様、すなわち実際の模様を基準の模様と比較することによって、その後再び読み出すことができる。
【００２２】
情報の取り込みは、基板のｘおよびｙ方向への動きにより構造を、レーザー光線のｘおよびｙ方向への動きにより偏差を実現する形で、これらの二つの動きにより行う。この偏差は、基板表面上に対してレーザー光線の位置を非常に小さく幾何学的に変化させることだけが必要なので（もっとも、若干の精度を実現しなければならないが）、これに関して、基板の相対的に緩慢な動きを利用せずに、より高速、より高精度に実現することができる、質量のないレーザー光線を動かすことは、この目的に適ったことである。
【００２３】
この発明の有利な実施構成においては、彫刻処理の間、光線方向に対して平行なｚ方向に、基板を動かすものと規定する。
【００２４】
この実施構成によって、基板の様々な表面構造および／または様々な材料の厚さを考慮することができる。
【００２５】
この場合、表面の構造に応じて、ｚ方向への動きを起こすのは、特にこの目的に適ったことである。これは、ｘｙ平面内の基板の相異なる位置において、レーザー光線の焦点が常に表面上にあるように行われる。
【００２６】
ｚ方向の動きを実現するためには、制御プログラムでは、順々に彫刻する基板の周知の表面構造を考慮することができ、言わば表面構造が固定プログラムされているのも同然である。このようにして、ｘｙ平面内における基板位置に応じて、ｚ方向の動きが、制御される。
【００２７】
ｚ方向の動きを制御する別の手段は、焦点合わせを制御することである。この場合、どの程度鮮明にレーザー光線が基板の表面上に結像されているのかを測定し、それに応じて、レーザー光線の焦点が表面に結像するまで、ｚ方向の動きを行うものである。
【００２８】
この方法の別の実施構成では、光線成形絞り部によって、光線が成形され、この光線成形絞り部の形状が、彫刻点として、表面上に鮮明に結像される。このため、様々な光線成形絞り部を用いて、例えば自動識別に特に適した、特定の形状を持つ彫刻点を形成することができる。
【００２９】
この方法の別の実施構成では、基板の動きを不連続的に行うものと規定する。こうすることによって、基板が第一の位置で留まり、続いて次の位置まで動かされて、そこで再び留まる等々という形で、点による彫刻を行うことができる。
【００３０】
この不連続的な動きの別の実施構成は、照射間隔を利用する場合、照射間隔の間の時間的な合い間に、前記の動きを行うというものである。そのため、段階的動作を実現しており、比較的高いエネルギーを持つレーザーパルスが、パルス間隔の間に、点状の彫刻を形成するものである。レーザーパルス後で、次のレーザーパルスの前には、基板の位置が変更される。このことは、この方法の間では、基板の表面の消耗が回避されるので、比較的高い光線エネルギーで作動させることが可能であるとともに、非常に正確な彫刻点の結像を実現できるという利点を示す。
【００３１】
さらに、レーザー彫刻を多数の巨視的な構造で構成することが可能である。そのため、例えば、視認可能な点を、互いに隣接して並べることができる。その場合、個別の構造を、またもや情報のグループ化のために利用することができる。
【００３２】
配置された彫刻要素または配置されていない彫刻要素のマトリックスとして、基準の模様を選定することは、この目的に適ったことである。そこでは、前記の偏差は、彫刻要素の省略または追加によって、あるいはこれらの彫刻要素により形成される。このマトリックスは、小さな点または小さな四角形として視認可能である。それによって、非常に小さな幾何学的な表面上に、高い情報密度を達成することが可能である。小さな幾何学的な拡がりのおかげで、大きく曲がっている場合でも、ほんの僅かな空間的な拡がりしか生じないので、このマトリックスの小さな幾何学的な拡がりに応じて、曲がった表面上にも、情報を記録することができる。そのため、情報を書くことも、読むことも、大幅に容易となる。
【００３３】
マトリックスに、彫刻要素から成る一つのマトリックス枠を持たせることが可能である。そのため、マトリックスは、巨視的な範囲においては、配置された、または欠けた彫刻要素の数に関係なく、常に幾何学的な造形として現れる。また、そのようなマトリックス枠は、マトリックスの境界を正確に規定するものである。
【００３４】
この方法の別の実施構成では、一直線上にある彫刻要素として、基準の模様を選定し、その線からの彫刻要素の巨視的に視認不可能なずれによって、その偏差を構成するものと規定する。その線自身には、また別の情報が視認不可能な形で記録されているにもかかわらず、観察者には、そのずれが分からないので、そのような線は、まっすぐに見える。
【００３５】
これに関する変化形態においては、基準の模様を、線の間隔が微視的な範囲にある二重線の上に、順番に存在する彫刻要素として選定するものと規定する。その場合、彫刻要素は、符号化された情報において、論理値０を表現する場合には、二重線の一方の線上に、論理値１を表現する場合には、二重線のもう一方の線上に配置する。そのため、横のずれの正確な割り当てが、そして、それによって認識精度の向上が実現される。
【００３６】
そして、一方の、またはもう一方の線上の彫刻要素を省略することによって、情報を、しかも二重に二進数化した形で符号化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下において、実施例をもとに、この発明をより詳しく説明する。
【００３８】
図１に表された構成は、レーザー光線２を生成するレーザー発生器１を有する。このレーザー光線２は、孔絞り（Lochblende）として構成された光線成形絞り部３を通過する。この光線成形絞り部３によって、レーザー光線２は、鮮明に境界を付けられた円形の横断面を持つように成形される。そのため、その後で、光線を良好な品質で結像させることができる。
【００３９】
校正絞り部４で、レーザー光線２は、再度形状を校正される。
【００４０】
それに続く光路では、レーザー光線は、光線偏向ユニット５を通過し、このユニット内には、レーザー光線２を、それまでの方向に対して垂直に偏向させる、光線偏向ミラー６が配置されている。
【００４１】
この偏向されたレーザー光線２は、光線偏向ユニット５と接続された、一つの簡単な収斂レンズから成る集束ユニット７内で集束される。
【００４２】
焦点８の下には、ｘｙメカニカルステージ１０と接続された基板台９が配備されている。このｘｙメカニカルステージ１０は、ｘｙ平面内を移動可能であり、その平面は、移動方向ｘとｙによって決まり、偏向されたレーザー光線２の方向に対して垂直である。
【００４３】
さらに、このｘｙメカニカルステージ１０の下には、ｚ方向駆動部１１が配備されており、それによって、ｘｙメカニカルステージ１０と、それによって基板台９が、レーザー光線２に対して平行なｚ方向に移動可能となっている。
【００４４】
この構成により、図３に描かれているとおり、基板台９に載っており、そこに詳しく図示されていない方法で固定されている基板１２上に、所謂微細彫刻の製作が可能である。この微細彫刻は、この例では、彫刻点１３として実現されている彫刻要素から構成される。しかし、この彫刻要素は、別の形状を持つこともでき、その際この形状の選定が、すでに情報を含むようにすることもできる。
【００４５】
彫刻点１３は、マトリックス１４内に配置される。マトリックス１４内の彫刻点１３で形成される模様に、全部に書き込まれたマトリックス１４の場合に対応する基準の模様からの偏差を持たせるという形で、このマトリックス１４内に、彫刻点１３が存在するか、存在しないかにもとづき、情報が、例えば基板１２を用いて符号化されるものである。正確に境界を定めるために、マトリックス１４は、マトリックス枠１５で規定される。マトリックス枠１５内の彫刻点１３は、情報を符号化するためには利用されない。
【００４６】
ｘｙメカニカルステージ１０は、焦点８の下に、彫刻点１３を形成しようとするマトリックス１４内の位置が来るまで、基板１２を動かし、その結果焦点８は、形成しようとしている彫刻点１３にある。基板１２は、平坦でないので、ｚ方向駆動部１１を用いて、焦点８の正確な調整を行う。
【００４７】
この状態で、基板１２は、彫刻点１３が形成されるまで停止する。それに続いて、マトリックス１４内の次に形成する彫刻点１３の場合も、同様に実行される。
【００４８】
この方法から明らかなとおり、基板上１２に焦点８を位置決めするのには、高い精度を必要とし、それは、ｘｙメカニカルステージ１０によって実現されなければならない。これは、高い製造負荷を必要とし、位置決め時間が、より長くなる結果となる。
【００４９】
これを回避するために、図２の構成では、図１の光線偏向ユニット５の代わりに、ガルバノメーターヘッド１６を配備している。このガルバノメーターヘッド１６は、第一ガルバノメーターミラー１７と第二ガルバノメーターミラー１８を有する。この第一ガルバノメーターミラー１７は、偏向されてないレーザー光線２の方向に対して垂直で、ｘｙ平面に対して平行な第一軸１９の周りに回転可能である。この第二ガルバノメーターミラー１８は、偏向されてないレーザー光線２の方向に対して垂直で、ｘｙ平面に対して垂直な第二軸２０の周りに回転可能である。ｘｙ平面は、ｘとｙ方向に広がる、仮想的な、図示されていない平面である。
【００５０】
ガルバノメーターミラー１７と１８は、磁気的にバイアスを加えられており、電界によって動かされる。そのため、高い速度と高い精度で、焦点８を動かすことができる。この構成によって、焦点８の動きを、基板１２の動きに重ね合わせることができる。そのため、はるかにより簡単に彫刻点１３の模様の微視的にのみ視認可能な偏差を形成することができる。また、ガルバノメーターミラー１７と１８を電気的に駆動することは、計算機から直接、情報を書き込むことができる手段を提供するものである。
【００５１】
図４で図示されるとおり、このレーザー彫刻は、彫刻点１３の模様から成る巨視的な構造２１で構成されている。その際、この構造２１には、この模様の、基準の模様からの巨視的に視認不可能な偏差によって、符号化された情報が彫刻されている。
【００５２】
この構造２１の一部２３の拡大図２２で分かるとおり、この模様は、二重線２４上に順番に配置された彫刻点１３として実現されている。この二重線２４の線間隔は、微視的な範囲にある。この場合、これらの彫刻点１３は、符号化された情報における論理値０を表す場合には、二重線２４の一つの線上に、論理値１を表す場合には、二重線２４のもう一つの線上に配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】簡単な光線偏向ユニットを持つ、この発明にもとづく構成の斜視図
【図２】ガルバノメーターヘッドを持つ、この発明にもとづく構成の斜視図
【図３】この発明にもとづく方法により製作された、マトリックス形状の微細彫刻の図
【図４】情報を含む微視的な模様を有する巨視的な構造の図
【符号の説明】
【００５４】
１    レーザー発生器
２    レーザー光線
３    光線成形絞り部
４    校正絞り部
５    光線偏向ユニット
６    偏向ミラー
７    集束ユニット
８    焦点
９    基板台
１０    ｘｙメカニカルステージ
１１    ｚ方向駆動部
１２    基板
１３    彫刻点
１４    マトリックス
１５    マトリックス枠
１６    ガルバノメーターヘッド
１７    第一ガルバノメーターミラー
１８    第二ガルバノメーターミラー
１９    第一軸
２０    第二軸
２１    構造
２２    拡大図
２３    部分
２４    二重線
ｘ    移動方向
ｙ    移動方向
ｚ    移動方向
【国際公開パンフレット】
2005505837.tif 000003
2005505837.tif 000004
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2005505837.tif 000021
2005505837.tif 000022
2005505837.tif 000023
【国際調査報告】
2005505837.tif 000024
2005505837.tif 000025
2005505837.tif 000026
2005505837.tif 000027
2005505837.tif 000028
2005505837.tif 000029