(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料上に所望の特性を有するレーザマークを生成する方法であって、
レーザフルエンスを含む少なくとも１つの制御可能なパラメータに従い試料上にレーザビームを照射するように構成されたレーザマーキングシステムを用意し、
第１の期間中に、前記所望の特性を有する前記マークを生成することに関連付けられた第１のレーザフルエンスで前記レーザビームを前記試料の第１の部分に照射して前記試料の前記第１の部分にレーザマークの第１の部分を生成するとともに、前記第１の部分に隣接する前記試料の第２の部分の内部に熱を生じさせるように前記レーザマーキングシステムを制御し、
前記第１の期間中に生成された前記熱が前記第２の部分に少なくとも部分的に保持されている第２の期間中に、前記少なくとも１つの制御可能なパラメータを調整して、前記所望の特性を有する前記マークを生成することに関連付けられた、前記第１のレーザフルエンスとは異なる第２のレーザフルエンスで前記レーザビームを前記試料の前記第２の部分に照射して前記試料の前記第２の部分に前記レーザマークの第２の部分を生成して前記試料上に前記所望の特性のレーザマークが生成されるように前記レーザマーキングシステムを制御する、
方法。
【請求項２】
前記試料は、第１の層及び第２の層の塗布コーティングでコーティングされており、
さらに、前記第２の層にダメージを与えることなく前記第１の層を除去して前記レーザマークを生成する、
請求項１の方法。
【請求項３】
前記レーザフルエンスは、１．０×１０-6ジュール／ｃｍ2〜１．０ジュール／ｃｍ2の範囲にある、請求項１の方法。
【請求項４】
前記レーザマークの前記第１の部分及び前記第２の部分は、均一色及び光学密度を含む一貫した外観を有している、請求項１の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの制御可能なパラメータは、パルス持続時間、パルス繰り返し率、スポットサイズ、及び／又はレーザビーム速度を含む、請求項１の方法。
【請求項６】
前記第１の期間及び前記第２の期間の前に、さらに、
前記レーザマークを構成する前記試料の前記第１の部分に前記所望の特性を有する前記マークを生成することに関連付けられた前記第１のレーザフルエンスを決定し、
前記レーザマークを構成する前記試料の前記第２の部分に前記所望の特性を有する前記マークを生成することに関連付けられた前記第２のレーザフルエンスを決定し、
前記レーザマーキングシステムに前記第１のレーザフルエンス及び前記第２のレーザフルエンスを保存し、
前記保存された第１のフルエンスを用いて前記試料の前記第１の部分に前記レーザマークの前記第１の部分を生成し、前記保存された第２のレーザフルエンスを用いて前記試料の前記第２の部分に前記レーザマークの前記第２の部分を生成する、
請求項１の方法。
【請求項７】
前記試料は、前記第１の部分及び前記第２の部分から除去されて前記レーザマークを生成する材料を含み、
所定のツール経路に沿って所定の移動速度で所定の照射密度の前記レーザビームを照射し、
前記試料に対するレーザビームの前記移動速度を最大化しつつ、前記材料のアブレーション閾値よりも大きく、前記試料の下地材料のダメージ閾値よりも小さくなるように前記レーザビームの前記照射密度及び前記ツール経路を算出する、
請求項１の方法。
【請求項８】
前記試料のマークが施される領域をより小さな領域に分割し、
前記より小さな領域のそれぞれに対する材料除去速度を最適化するように前記少なくとも１つの制御可能なパラメータを計算する、
請求項１の方法。
【請求項９】
所定のツール経路に沿って前記レーザビームを照射し、
前記レーザマーキングシステムのレーザにおけるレーザパワー、パルス繰り返し率、パルス時間的形状、及びパルス持続時間を所望の材料除去速度が得られるように選択し、
前記試料の下地材料に対するダメージを避けつつ所望の材料除去速度が得られるように、前記ツール経路又は前記レーザマークを生成するために前記レーザビームが照射される位置及び回数を算出し、
前記試料のマークが施される領域の前記ツール経路をより小さな領域に分割し、
前記レーザマーキングに対する熱負荷を前記より小さな領域のそれぞれに対して決定し、
前記より小さな領域のそれぞれに対する材料除去速度を最適化するように前記より小さな領域のそれぞれに対して決定された熱負荷に基づいて前記少なくとも１つの制御可能なパラメータを調整する、
請求項１の方法。
【請求項１０】
前記ツール経路の計算は、
ｉ）前記レーザビームと前記試料との間の相対運動の速度を変更することにより制御される、前記試料上の後続パルス間のパルス間隔
ii）焦点スポットを前記試料の表面に対してＺ軸に移動させることにより制御されるスポットサイズ
iii）パルス位置の隣り合う列間の列間隔
のうちの１つ以上に基づいて行う、
請求項９の方法。
【請求項１１】
前記レーザマーキングシステムは、赤外線センサを有しており、
さらに、
前記赤外線センサで前記試料の一部の温度を測定し、
前記測定された前記試料の一部の温度に基づいて、前記試料の一部に前記所望の特性を有する前記レーザマークを生成することに関連付けられたレーザフルエンスを決定し、
該決定されたレーザフルエンスを用いて前記試料の一部にマークを付けるように前記レーザマーキングシステムに指示し、これにより所望の特性で前記試料にマークを施す、
請求項１の方法。
【請求項１２】
試料にマークを付けるように改良されたレーザマーキング装置であって、
制御可能なレーザフルエンスで試料上にレーザビームを照射可能なレーザマーキングシステムと、
前記レーザマーキングシステムの動作を制御するように構成されたコントローラであって、
第１の期間中に、前記レーザビームを第１のレーザフルエンスで前記試料の第１の部分に照射して前記試料の前記第１の部分にレーザマークの第１の部分を生成するとともに、前記試料の前記第１の部分に隣接する前記試料の第２の部分の内部に熱を生じさせ、
第２の期間中に、前記試料の前記第２の部分が前記生じた熱の少なくとも一部を保持している間に、前記レーザビームを前記第１のレーザフルエンスとは異なる第２のレーザフルエンスで前記試料の前記第２の部分に照射して前記試料の前記第２の部分に前記レーザマークの第２の部分を生成して前記試料上に所望の特性のレーザマークを生成する
ように構成されたコントローラと、
を備えた、レーザマーキング装置。
【請求項１３】
前記試料は、第１の層及び第２の層の塗布コーティングでコーティングされており、
さらに、前記第２の層にダメージを与えることなく前記第１の層を除去して前記レーザマークを生成する、
請求項１２のレーザマーキング装置。
【請求項１４】
前記レーザフルエンスは、１．０×１０-6ジュール／ｃｍ2〜１．０ジュール／ｃｍ2の範囲にある、請求項１２のレーザマーキング装置。
【請求項１５】
前記レーザマーキングシステムは光スイッチを用いる、請求項１２のレーザマーキング装置。
【請求項１６】
前記光スイッチは音響光学変調器である、請求項１５のレーザマーキング装置。
【請求項１７】
前記レーザマーキングシステムは回折ビーム整形器を含む、請求項１２のレーザマーキング装置。
【請求項１８】
レーザと、
光スイッチと、
回折光学系と、
ビームステアリング光学系と、
運動制御ステージと、
前記試料の一部の温度を測定する赤外線センサと、
前記赤外線センサにより測定された前記試料の一部の前記温度に基づいて、前記試料の一部に前記レーザマークを生成することに関連付けられたレーザフルエンスを決定し、該決定されたレーザフルエンスを用いて前記試料の一部にマークを付けるように前記レーザマーキングシステムに指示するコントローラと、
をさらに備えた、請求項１２のレーザマーキング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物へのレーザマーキングに関するものである。特に、本発明は、対象物に塗布されたコーティングをレーザアブレーティングすることによって対象物の下地表面を露出させ、これにより対象物の露出面と隣接する残存コーティングとの間で外観にコントラストをつけることによってマークを形成する、対象物へのレーザマーキングに関するものである。また、第１のコーティング又は最も上のコーティング層をレーザアブレーティングして第２のコーティング層の下地を露出させ、露出させた第２のコーティングと隣接する第１のコーティングとの間にコントラストをつけることでマークを形成することによって、このマークを形成してもよい。均一で商業的に望ましい外観とし、システムスループットを許容できる範囲に維持しつつ、下地表面にダメージを与えることのないようにレーザパラメータが選択される。
【発明の背景】
【０００２】
販売されている製品は、一般に、商業目的、規制目的、装飾目的、又は機能目的のために製品上に何らかの種類のマーキングを必要とする。マークとは、隣接する表面に対して視覚的にコントラストのある対象物表面の連続領域又は範囲をいう。マーキングのために望ましい属性には、一貫した外観、耐久性、及び適用し易さが含まれる。外観とは、確実にかつ反復可能にマークに対して選択された形状、均一色、及び光学密度を持たせることができることをいう。耐久性とは、マークが付けられた表面に対する摩耗にも関わらず変更されないまま残る性質をいう。適用し易さとは、材料のコストや、プログラム可能であることを含む、マークを生成する時間と資源をいう。プログラム可能であるとは、画面やマスクなどのハードウェアを変更するのではなく、ソフトウェアを変更することによって、マークされる新しいパターンでマーキング装置をプログラミングできることをいう。
【０００３】
特に問題となるのは、コーティングされた対象物又は塗装された対象物上にマークを生成することである。金属や様々な種類のプラスチックからなる対象物は、その対象物の表面の外観を保護したり変化させたりするために、塗装されるか、あるいは様々な工業的コーティングに被覆されることが多い。コーティング、特にパターンをレーザアブレーティングしてコーティングを除去して対象物の下地表面を露出させることは、対象物にマークを付けるための望ましい方法である。対象物を２層以上のコーティングで被覆し、第１のコーティングをレーザアブレーティングして第２のコーティング下地を露出させることは、マークを付けるための別の望ましい方法である。レーザを使ってコーティングを除去し、対象物の下地を露出させることによって製品にマークを付けることが、２００８年６月２６日に公開された発明者長井将剛による米国特許出願公開第２００８／０１５２８５９に述べられている。この方法は、対象物の表面よりも明るくしたコーティングの明るさを用いている。１９９２年１０月２９日に公開された発明者岩崎登による特願平０３−１５０８４２は、レーザを用いて１層以上のコーティング層を除去し、コーティング層の下地を露出させることについて述べている。
【０００４】
これらの文献に共通していることは、除去されるコーティング層の下にある材料を除去することなくコーティングを除去するためには、除去される材料のレーザアブレーション閾値を材料の下地のレーザアブレーション閾値よりも低くしなければならないことである。レーザアブレーション閾値は、材料の除去のために必要な最小エネルギーである。この除去は、レーザにより十分なエネルギーが材料に注入され、材料がプラズマに解離するようなアブレーションを起こすものであってもよいし、あるいは、材料が本質的に溶融して蒸発する熱的なものであってもよいし、あるいはそれら２つを組み合わせたものであってもよい。アブレーション閾値に関係するものはダメージ閾値である。ダメージ閾値は、材料の外観に望ましくない変化を生じさせるのに必要な最小レーザエネルギーである。材料のダメージ閾値は、一般的にアブレーション閾値よりも低く、時としてアブレーション閾値よりも非常に低い。対象物や最上層のレーザ除去後の下地コーティングを構成する材料の外観の望ましくない変化をダメージとして定義する。
【０００５】
図１は、対象物にマークを付けるための従来技術のツール経路の例を示すものである。ツール経路とは、マークを生成するためにレーザ放射に曝露される対象物上の一連の位置をいう。このレーザ放射は、連続波（ＣＷ）又はパルス状であり得る。いずれの場合も、レーザと光学系は、レーザが放射する程度に励起されたときにパルス状又はＣＷのいずれかのレーザエネルギーが伝搬する光学経路であるレーザビームを有する。図１は、不透明コーティング１１で被覆された対象物１０を示している。形状１２は、マークを形成するために材料が除去される領域の輪郭を示している。ツール経路１３は、レーザが開始点１４で材料の除去を始めるようにレイアウトされている。そして、対象物１０に対してレーザビームがツール経路１３に沿って移動され、終点１６に至るまで材料を除去する。切断することなくレーザビームを位置決めするのと比較して、レーザが実際に材料を除去するのに費やしている時間を最長化するようにツール経路が構成されるようにこのツール経路が最適化される。図２は、図１に示される材料の除去の結果を示している。コーティング２１を有する対象物２０において、マーク２２の領域からコーティングが除去されており、下地材料２４，２６が露出している。この場合において、「Ｔ」形状の垂直部２４を形成する部分の材料除去速度を最適化するレーザ照射密度が選択される。照射密度は、対象物の表面に照射されるレーザエネルギーの単位面積あたりの割合であり、ワット／ｃｍ2の単位で測定される。この照射密度により「Ｔ」形状の他の部分２６にダメージ又は望ましくない外観が生じ、マークの外観が許容できないものとなる。この問題に対する従来技術の解決方法は、対象物に対するレーザの移動を遅くすること、あるいは照射密度を下げることであり、これらのいずれもスループットを低減するため、望ましいものではない。
【０００６】
望まれているが従来技術に開示されていないことは、除去する材料に対するアブレーション閾値が下地材料のダメージ閾値に近いかそれよりも低い場合、あるいは以前のレーザ加工によりダメージ閾値が変化する場合においても下地材料にダメージを与えることがない、確実かつ反復可能な材料除去方法である。そして、必要とされていることは、レーザを用いてシステムスループットを許容できる範囲に維持しつつ下地材料に望ましくないダメージを与えることなくコーティングの層を除去して、コーティングされた対象物の上に所望の外観を有するマークを確実かつ反復可能に生成する方法である。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の態様は、コーティングされた対象物上にレーザマーキングシステムを用いて所望の特性を有するマークを生成する。このレーザマーキングシステムは、記憶装置と制御可能なレーザフルエンスを有している。フルエンスは、単位面積当たりに照射される累積レーザエネルギーとして定義され、ジュール／ｃｍ2の単位で測定される。本発明の態様は、マークの第１の部分に所望の特性を有するマークを生成することに関連付けられた第１のレーザフルエンスを決定する。そして、本発明の態様は、マークの第２の部分に所望の特性を有するマークを生成することに関連付けられた第２のレーザフルエンスを決定する。そして、これらのフルエンスがレーザマーキングシステムの記憶装置に保存される。その後、レーザマーキングシステムは、マークの第１の部分において上記保存された第１のレーザフルエンスを用いて試料にマークを付け、マークの第２の部分において上記保存された第２のレーザフルエンスを用いて試料にマークを付けるように指示され、これにより所望の特性で試料にマークが施される。
【０００８】
上面コーティング層をアブレーティングして対象物の別のコーティング又は表面である下地層を露出させることによりコーティングされた対象物上にマークを形成するには、アブレーティングされる材料に対するアブレーション閾値が下地材料に対するアブレーション閾値よりも低くなければならない。多くの場合、これは材料を適切に選択することにより可能である。例えば、下地層よりも暗いかあるいは反射しにくい最も上面のコーティング又は塗料は、下地層よりも多くのレーザエネルギーを吸収し、典型的にはより低いフルエンス閾値でアブレーティングされる。
【０００９】
本発明の態様は、所望の外観を呈するマークを生成するために、マーキングを施す際のダメージ閾値を考慮する。効率的にマークを生成するために、下地材料にダメージを与えることなく材料除去速度を最大にするように照射密度が調整される。照射密度は対象物の表面に照射されたエネルギーの割合を測定するものであり、ツール経路はレーザビームがマーク上の各点に向けられる時間を示すものであるため、照射密度をツール経路と組み合わせることによりフルエンスが決まる。スループットを最大化するために対象物に対するレーザビームの移動速度を最大化しつつ、レーザビームの照射密度とツール経路は、除去される材料のアブレーション閾値よりも大きく、かつ下地材料のダメージ閾値よりも小さくなるように計算される。これらの閾値がマーキングプロセス中の異なる時点でマークの異なる領域に関して異なることがあるのが難しい点である。商業的に望ましい外観と許容可能な材料除去速度、ひいてはマークのある領域における許容可能なスループットを提供するレーザパラメータは、マークの他の領域における下地材料にダメージを与える可能性がある。図２は、単一の照射密度及び移動速度によって対象物をレーザマーキングした結果を示しており、その結果は不均一であり商業的に許容できないものである。商業的に望ましい外観のマークを生じる１組のレーザパラメータを選択することは可能であるかもしれないが、得られる材料除去速度は、マークのすべての部分についての許容可能な除去速度のうち最も速いものを上回ってはならず、これにより許容できないほどスループットが低くなる。本発明の態様は、マークが施される領域をより小さな領域に分割し、マークのそれぞれの領域に対する材料除去速度をマークの形状及び使用されるレーザパルスの特性に応じて最適化するような各領域用のレーザパラメータを計算することによって、商業的に望ましいマークを生成する際に使用するレーザパラメータを決定する。
【００１０】
特定の位置における材料に対するダメージ閾値は、その位置に現在向けられているレーザの照射密度に依存しているだけではなく、レーザ照射に対する曝露の最近の履歴にも依存している。したがって、単にレーザフルエンスを測定するだけでは、レーザ加工後の材料の外観を適切に予測できない。これは、その位置又はその近傍の位置における以前の照射が材料を加熱する傾向があるためである。この加熱は、レーザビームのパス間の時間を超え得る冷却用時定数を有し得る。このため、レーザのその後のパスにおいて、材料が以前のパスからの熱を保持し得ることになり、その特定の時点での特定の位置でのダメージ閾値を低下させることになる。本発明の態様は、マークの形状及び予定されていた寸法形状及び最も上側にある材料をアブレーティングするために使用されるレーザパルスのタイミングに基づいてこの残留熱を計算する。計算された残留加熱に基づいて、本発明の態様は、レーザフルエンスを変化させて、以前のレーザ照射により低下したダメージ閾値を補償する。この変化は、加工されるマークの特定の領域、この領域又はその近傍への以前のレーザ照射、及び以前の照射からの待ち時間に依存している。
【００１１】
本発明の態様は、下地材料に対してダメージを与えることを避けつつレーザマーキングシステムのスループットを上げるために、パルス持続時間やパルス補充速度のようなレーザパルスパラメータ又はスポットサイズやレーザビーム位置、又はレーザビーム速度のようなツール経路パラメータをはじめとする種々のレーザパラメータを制御する。所望の材料除去速度が得られるようにレーザが選択され、パワーや繰り返し率、パルス時間的形状及びパルス持続時間が選択される。そして、下地材料にダメージを与えることを避けつつ所望の材料除去速度が得られるように、ツール経路、すなわちレーザが対象物を照射してマークを形成する位置と回数が計算される。ツール経路の計算の一例は、レーザパルスと対象物との間の相対運動の速度を変更することにより制御される、対象物上の後続パルス間の間隔である。ツール経路の計算の他の例は、焦点スポットを対象物の表面の上方又は下方の点までＺ軸に移動させることにより照射密度を制御するスポットサイズである。ツール経路の計算のさらなる例は、パルス位置の隣り合う列間の間隔を計算する。ラスタ手法により移動されるライン内でマークされる領域をカバーするようなツール経路が選択される。移動されるラインのセットはサブセットに分割され、各領域に対してレーザマーキングの熱負荷が決定される。熱負荷は、経験的に計算、推測、又は測定可能である。そして、各サブセットに対して決定された熱負荷に基づいてレーザパラメータを変化させることにより、レーザ照射密度が調整される。
【００１２】
本発明の態様は、レーザの出力を制御する。ツール経路を本発明により選択され易いようにするために、レーザマーキングシステムの制御下においてレーザパルスを非常に正確にオン及びオフする必要がある。本発明の態様は、商業的に望ましい均一性、色、テクスチュア、及び形状を有するマークを生成するツール経路を得るのに十分なほど正確にレーザ照射密度を制御する。レーザをオン及びオフすることなくレーザビームのオンとオフを高速で切り替えるために光スイッチが用いられる。本発明の態様は、音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いてビームを正確かつ高速に変調し、これによりビームを対象物に当てるか、あるいは悪影響を与えることなくビームダンプに伝搬するようにビームを方向付ける。
【００１３】
本発明の態様は、既存のレーザ微細加工システム、米国，９７２２９  オレゴン州，ポートランドのElectro Scientific Industries社により製造されるＥＳＩモデルML5900レーザ微細加工システムを改良することにより実現される。このシステムは、２００９年１０月に発行された、米国，９７２２９  オレゴン州，ポートランドのElectro Scientific Industries社の「ＥＳＩサービスガイドML5900」第178472A号に詳細に述べられており、参照によりその全体が本明細書に含まれる。改良は、フルエンスの変化を制御するとともにリアルタイムにおけるレーザフルエンスのより正確な制御を可能とするために電子光学装置を追加することを含んでいる。
【００１４】
本発明の他の態様は、対象物上に焦点を合わせた赤外線（ＩＲ）カメラを用いて、マークが付けられている対象物の温度を測定する。赤外線カメラは、マークが付けられる領域における対象物の表面から放出された熱を検出し、この情報をコントローラに伝え、コントローラは対象物に残存している熱を補償するようにレーザフルエンスを調整する。特定のコーティングが塗布された特定の対象物に対して、ＩＲカメラからの所定の読取値が、下地材料に望ましくないダメージを与えることなく最も上側のコーティングを除去するために使用すべきフルエンス量を示すようにＩＲカメラが較正され、これにより所望の外観を有するマークが生成される。
【００１５】
本明細書において具体的にかつ広く述べられた本発明の目的に係るこれらの側面及び他の側面により上述した事項を達成するために、望ましい商業的な品質を有する可視マークをコーティングされた対象物上に生成する方法及びその方法を実施するようにされた装置が本明細書に開示される。格納された所定のレーザパルスパラメータを有するコントローラに作用的に接続されているレーザと、レーザ光学系と、運動ステージとを有するレーザ加工システムが含まれる。格納されたレーザパルスパラメータは、加工されるマークの領域に応じて選択される所望のフルエンスに関連付けられ、商業的に望ましい特性を有するマークを生成する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、従来技術のマーキングを示す
【図２】図２は、従来技術のマークを示す。
【図３】図３は、算出されたフルエンス領域を示すマークを示す。
【図４】図４は、改良レーザマーキングシステムを示す。
【図５】図５は、改良レーザマーキングシステムを示す。
【図６】図６は、改良レーザマーキングシステムを示す。
【図７】図７は、改良レーザマーキングシステムを示す。
【図８】図８は、フィードバックを有する改良レーザマーキングシステムを示す。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００１７】
本発明の実施形態は、コーティングされた対象物上にレーザマーキングシステムを用いて所望の特性を有するマークを生成する。このレーザマーキングシステムは、記憶装置と制御可能なレーザフルエンス又は線量を有している。本発明の実施形態は、マークの第１の部分に所望の特性を有するマークを生成することに関連付けられた第１のレーザフルエンスを決定する。そして、本発明の態様は、マークの第２の部分に所望の特性を有するマークを生成することに関連付けられた第２のレーザフルエンスを決定する。そして、これらのフルエンスがレーザマーキングシステムの記憶装置に保存される。その後、レーザマーキングシステムは、マークの第１の部分において上記保存された第１のレーザフルエンスを用いて試料にマークを付け、マークの第２の部分において上記保存された第２のレーザフルエンスを用いて試料にマークを付けるように指示され、これにより所望の特性で試料にマークが施される。本発明の実施形態は、下地材料に対してダメージを与えることを避けつつレーザマーキングシステムのスループットを上げるために、パルス持続時間やパルス補充速度のようなレーザパルスパラメータ及びスポットサイズやレーザビーム位置、又はレーザビーム速度のようなツール経路パラメータをはじめとする種々のレーザパラメータを制御することによりレーザフルエンスを制御する。典型的には、所望の材料除去速度が得られるようにレーザが選択され、パワーや繰り返し率、パルス時間的形状及びパルス持続時間が選択される。そして、下地材料にダメージを与えることを避けつつ所望の材料除去速度が得られるように、ツール経路が計算される。
【００１８】
ツール経路の計算の一例は、レーザビームと対象物との間の相対運動の速度を変更することにより制御される、対象物上の後続パルス間の間隔である。ツール経路の計算の他の例は、焦点スポットを対象物の表面の上方又は下方の点までＺ軸に移動させることにより照射密度を制御するスポットサイズである。ツール経路の計算のさらなる例は、パルス位置の隣り合う列間の間隔を計算する。ラスタ手法により移動されるライン内でマークされる領域をカバーするようなツール経路が選択される。移動されるラインのセットはサブセットに分割され、各領域に対してレーザマーキングの熱負荷が決定される。熱負荷は、経験的に計算、推測、又は測定可能である。そして、各サブセットに対して決定された熱負荷に基づいてレーザパラメータを変化させることにより、レーザ照射密度が調整される。
【００１９】
本発明の実施形態は、レーザの出力を制御する。ツール経路を本発明により選択され易いようにするために、レーザマーキングシステムの制御下においてレーザパルスを非常に正確にオン及びオフする必要がある。本発明の態様は、商業的に望ましい均一性、色、テクスチュア、及び形状を有するマークを生成するツール経路を得るのに十分なほど正確にレーザ照射密度を制御する。本発明の態様は、音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いてビームを正確かつ高速に変調し、これによりビームを対象物に当てるか、あるいは悪影響を与えることなくビームダンプに伝搬するようにビームを方向付ける。
【００２０】
図３は、発明の実施形態により用いられる改良されたものである。対象物３０はコーティング３１で被覆されており、整形領域３２内のコーティング３１が除去される。レーザは、開始点３４からツール経路３３に沿って材料を除去し始め、実線で表されるように点３６まで移動する間に材料を除去する。点３６では、レーザがオフにされ、レーザマーキングシステムは、レーザがオンになったときに点３８で材料を除去し始めるように点線で表されるようにレーザビームに対して対象物を再度位置決めする。そして、レーザは、終点４０に至るまで切断と再位置決めを継続する。ラスタ走査手法により材料を除去することは、同様の長さの隣接するツール経路のラインに関しては、レーザ加工している隣接点間の遅延が一定であるため、レーザ加工されている材料の温度は一定になることを意味する。これは、対象物に対するレーザビームの移動速度が一定であると仮定している。
【００２１】
このツール経路の方法を用いれば温度上昇がラインに沿って一定となるが、再トレース時間やライン断線が異なる長さの異なるラインにより、温度上昇が異なり、このため潜在的に下地材料の外観が異なってくる。例えば、レーザが開始点３４から移動し、行程の終点３６まで材料を除去した後、再位置決めして次の行程３８を開始するまでの時間は、より長い行程の上端４１で材料の除去を開始し、行程の終点４２まで材料を除去した後、次の行程の上端４４に再位置決めするまでの時間と異なる。この時間が異なるので、レーザが材料を除去し始めたときの点３８での温度が点４４での材料の温度とは異なることとなり、潜在的に下地材料がこれらの点で望ましくない外観を有することになる。
【００２２】
本発明の実施形態は、加工される行程の長さに基づいてツール経路を領域に分割することによりこの問題を解決する。図４は、レーザ加工されるマーク５２を有するコーティング５１で被覆された対象物５０を示すものである。行程は、図３に示すような垂直ラスタであることを意図されている。マークは、ほぼ同じ長さの類似した隣接するストロークを有する領域５４，５６，５８，６０，６２，６４，６６に分割されている。それぞれの行程長さのグループに対して、隣接する行程により生じると予測される温度上昇を補償しつつ、所望の速度で材料を除去できるレーザフルエンスが選択される。このように、例えば領域６６については領域６４より行程が短く、行程間の時間が短縮されることにより温度が高くなるため、フルエンスは低くされる。ラインは、レーザと材料の相互作用における許容差のためにグループ分けできるようになっている。グループ内の加工工程間で温度が少しだけ異なることがあっても、同様のレーザフルエンスは材料に同様の影響を与える。この例では、第１の領域５４をあるレーザフルエンスで加工し、加工が次の領域５６に移動した際に、スループットを許容できる範囲内に維持しつつ下地材料の外観を同じにするためにフルエンスが下げられる。残りの領域５８，６０，６２，６４，６６のそれぞれに対してレーザフルエンスを調整し続ける。図５は、コーティング７１で被覆されたコーティング対象物７０上にマーク７２を生成することに本発明の実施形態を適用した結果を示すものである。マーク７２内に見える下地材料７４は、ダメージや不均一な外観を呈しておらず、望ましい結果となっている。
【００２３】
本発明の実施形態は、レーザフルエンスを制御することによって材料除去の速度及び下地材料の連続する外観を制御する。レーザ出力エネルギー、ビームサイズ、形状又はパルス持続時間を制御することによってレーザフルエンスを制御することができる。しかしながら、典型的には、速度やライン間のピッチのようなツール経路パラメータを制御して最大材料除去速度を維持することがより望ましい。下地材料の均一な外観を維持する簡単な方法は、次の行程の加工の前に材料が完全に冷却されるように行程間で停止することである。サンプル対象物上でのテストによれば、ダメージを避けるために材料が十分に冷却されるようにするために、行程間で約１０ミリ秒の遅延が必要とされることが示されている。この遅延を挿入することにより均一な外観が得られるが、許容できない程度までプロセスが遅くなる。本発明の実施形態は、レーザパルス パラメータに加えて、速度、スポットサイズ、ピッチなどのツール経路パラメータの変化を用いて精密かつ正確にレーザフルエンスを制御して、商業的に望ましい色、光密度、均一性、テクスチュア、及び形状を有するマークをコーティングされた材料に生成する。本発明の実施形態は、音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いてレーザパルスのオンとオフを切り替えて、ツール経路の寸法形状を正確にするのを促進する。オプションとして、本発明の実施形態は、赤外線（ＩＲ）カメラを用いてマークが施される対象物の温度を測定して、ツール経路を決定する。
【００２４】
本発明の実施形態は、レーザをオンにしたりオフにしたりすることなく、レーザビームをオン及びオフにする光スイッチを用いる。本発明の実施形態は、ＡＯＭを用いて、レーザビームを通常の経路から、レーザビームエネルギーが対象物の表面に方向付けられるのではなく、悪影響を与えることなく放出されるビームダンプに回折により方向付けし直すことによりレーザビームのフルエンスを変調する。ＡＯＭはレーザビームを非常に高速に変調することができるので使用される。高速変調によりレーザマーキングシステムがレーザ自体を妨害することなく、レーザビームのオンとオフを高速かつ正確に行うことができるようになるので、高速変調は本発明の実施形態に対しては有利である。
【００２５】
図６は、本発明の実施形態として対象物にマークを付けるのに適合した改良ＥＳＩモデルML5900レーザ微細加工システム８０の図を示す。この適応例は、レーザ８２とＡＯＭフルエンス減衰器８４とを含んでいる。レーザ８２によりレーザパルスが発され、一連のミラーや他の光学要素（図示せず）によりビーム整形器８６及びＡＯＭ８４に向けられた後、他の一連のミラーや光学要素（図示せず）により光学ヘッド８８に向けられる。光学ヘッドは、Ｘ、Ｙ、及びＺ運動制御要素９０とガルバノメータブロック９２とを含んでいる。これらの要素を組み合わせてマークを付ける対象物９８に対してレーザビーム（図示せず）を位置決めして対象物９８の表面上にマークの２次元表示を生成する。対象物９８は、ロード／アンロード位置から光学ヘッド８８（図示せず）の下方まで対象物９８の位置合わせを行う回転ステージ要素９４に取り付けられる。光学ヘッド８８において、対象物９８にマークが付けられ、その後、アンロードのためにロード／アンロードステーション９６へ戻るための位置合わせが行われる前に対象物９８の検査を行う光学検査ステーション９６へ対象物９８の位置合わせが行われる。これらの動作のすべてはコントローラ１００の制御下で行われる。コントローラ１００は、レーザ８２、ＡＯＭ８４、運動制御要素９０、ガルバノメータブロック９２、及び回転ステージ９４の動作を調整して適切なレーザフルエンスを対象物１３６上の適切な位置に照射して商業的に望ましい外観を有するマークを生成する。
【００２６】
改良レーザ８２は、３５５ｎｍ波長の３逓倍周波数で動作するダイオード励起Ｎｄ：ＹＶＯ4固体レーザ、米国，９５０５４  カリフォルニア州，サンタクララのSpectra-Physics社により製造されるモデルVanguardである。レーザ８２は、２．５Ｗまで生じるように構成されているが、一般的には約１Ｗのパワーを生じる８０ＭＨｚのモードロックパルス繰り返し率で動作する。本発明の実施形態においては、０．５ワット〜１００ワット、より好ましくは０．５ワット〜１２ワットのパワーを有するレーザを有利に使用することができる。１０ＫＨｚ〜５００ＭＨｚ、より好ましくは１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚのレーザ繰り返し率を用いることができる。レーザ８２は、コントローラ１００と協働して約１ピコ秒〜１，０００ナノ秒、より好ましくは１００ピコ秒〜１００ナノ秒の持続時間を有するレーザパルスを生成する。パルスの時間的及び空間的分布は典型的にはガウス形である。運動制御要素９０及びガルバノメータブロック９２を組み合わせることにより対象物に対するビーム位置決めが可能となる。本発明の実施形態では、対象物で測定された大きさが５ミクロン〜５００ミクロンの範囲、より好ましくは１０ミクロン〜１００ミクロンの範囲にあるレーザスポットが用いられる。このシステムで用いられるビーム速度、すなわちレーザビームと対象物との間の相対運動は、１０ｍｍ／ｓ〜１ｍ／ｓの範囲、より好ましくは５０ｍｍ／ｓ〜５００ｍｍ／ｓの範囲にある。ピッチ、すなわちレーザパルスの隣接するライン間の間隔を１ミクロン〜２５０ミクロンの範囲、より好ましくは１０ミクロン〜５０ミクロンの範囲にできる。
【００２７】
本発明の実施形態は、回折ビーム整形器光学系を用いて、レーザビームの典型的なガウス形空間プロファイルを「トップハット」形状に変化させ、分布レーザパワーがレーザスポット領域にわたって均一にされる。これにより、トップハットのレーザフルエンスは、焦点スポットの領域中で等しく、このため材料除去とダメージ閾値がスポット全体で等しくなるため、典型的なガウス形ビームプロファイルよりも性能が改善される。ガウス形プロファイルでは、プロファイルのある点でアブレーション閾値を超えると仮定すると、アブレーション閾値領域内の焦点スポット領域がアブレーション閾値を超え、アブレーション閾値の外側にある焦点スポットの領域は材料を除去しない一方でダメージを生じる可能性がある。微細加工において回折光学要素を用いることは、２００２年８月１３日に発行された発明者Corey M. Dunsky、Xinbing Liu、Nicholas J. Croglio、Ho W. Lo、Bryan C. Gundrum、及び松本久による米国特許第６，４３３，３０１号に開示されている。この特許は、本発明の譲受人に譲渡されており、参照によりその全体が本明細書に含まれる。
【００２８】
図７に示される本発明の実施形態は、レーザマーキングシステムにリアルタイムフィードバックの応用を追加して、マークを付けているときに対象物からＩＲ情報をリアルタイムで取得することによりレーザフルエンスの前段階の計算を補うことによって商業的に望ましい外観を有するマークを生成する。図７に示される実施形態においては、レーザ１２０は、回折光学系１２５を介してレーザビーム１２２を光スイッチ１２４（この場合においてはＡＯＭ）に向けた後、ビームステアリング光学系１２６（この場合においては直角に設定され、対象物１３０の表面上のプログラミング可能なＸ，Ｙパターン内にレーザビーム１２２を案内するように配置されたガルバノメータを備えたガルバノメータブロック）に向ける。マークが施される対象物１３０は、ビームステアリング光学系１２６と協働してレーザビーム１２２を対象物１３０の表面上のプログラミング可能なパターン内に向ける運動制御ステージ１３２上に固定される。赤外線（ＩＲ）センサ１２８は、レーザビーム１２２によりマークを付けているときに対象物１３０の表面の温度を検知するようにされる。このように、対象物１３０の表面のうち次にマークが付けられる部分の温度をＩＲセンサ１２８によって測定してコントローラ１３４に送ることができる。コントローラ１３４は、測定された対象物１３０の温度に基づいて、使用する最適なフルエンスを計算して、適切なフルエンスでレーザビーム１２２を対象物１３０の適切な位置に向けて商業的に望ましい外観を有するマークを生成する際に、レーザ１２０、光スイッチ１２４、回折光学系１２５、ビームステアリング光学系１２６、及び運動制御ステージ１３２に協働するように指示する。本発明の実施形態により使用可能なＩＲセンサの例は、ドイツ連邦共和国，イェーナのJenoptik社により製造されたモデルIR-TCM 640である。
【００２９】
本発明の基礎をなす原理から逸脱することなく上述した実施形態の詳細に対して多くの変更をなし得ることは、当業者であれば理解できるであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ画定されるべきである。
【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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