(57)【要約】【課題】工業規模の製造に適した高加工レートで材料、特に建築材料にグラフィックをスクライビングする。【解決手段】材料の上にグラフィックをスクライビングする方法が与えられる。その方法では、レーザー（３２）の出力（３４）が材料に当てられる。材料の表面にグラフィックをスクライビングするために、レーザー（３２）の出力（３４）は１０ｍ／ｓより早い速度で材料に対して動かされ、５００Ｗより大きなパワーを持つ。また、材料の上にグラフィックをスクライビングするためのシステムが与えられる。本発明に係る方法とシステムは、特に建築材料をスクライビングするために有用である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーの出力を材料に当てる工程を備え、
前記材料の表面にグラフィックをスクライビングするために、前記レーザーの出力は１０ｍ／ｓより早い速度で前記材料に対して動かされ、前記レーザーの出力は５００Ｗよりも大きなパワーを持つことを特徴とする材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項２】
グラフィックを示す情報を記憶する工程を備え、
前記レーザーの出力を材料に当てる工程が、前記レーザーの出力のための制御情報を設定するために記憶されている前記グラフィックを示す情報を使用する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項３】
前記材料が、商業用建物または住居用建物の室内用部品または屋外用部品で、またはそれらのために使用される建築材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項４】
前記建築材料が、屋外デッキング材料、屋外遊具材料および家庭用屋外材料のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項５】
前記建築材料が、複数の異なる材料で作られた複合建築材料を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項６】
前記材料が、ガラス繊維強化プラスチック、コーティングされた鋼鉄および木質複合材ボードのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項７】
前記材料が、ガラス生産品を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項８】
前記材料が、窓を含むことを特徴とする請求項７に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項９】
前記材料が、ミラーを含むことを特徴とする請求項７に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項１０】
前記材料が、床張り材を含むことを特徴とする請求項３に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項１１】
前記材料が、天井タイル生産品を含むことを特徴とする請求項３に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項１２】
前記材料が、ドライウォール生産品を含むことを特徴とする請求項３に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項１３】
前記材料が、透明なプラスチック材料を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項１４】
前記レーザーの出力を材料に当てる工程が、制御可能なミラーを用いてレーザーの出力を動かす工程を含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項１５】
前記制御可能なミラーが、コーティングされているベリリウム基板を含むことを特徴とする請求項１４に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項１６】
前記レーザーの出力のパワーが、１０００Ｗより大きく、
前記制御可能なミラーが、２０ｍ／ｓより速い速度で前記レーザーの出力を動かすことができる、
ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項１７】
前記レーザーの出力のパワーが、２０００Ｗより大きく、
前記制御可能なミラーが、３０ｍ／ｓより速い速度で前記レーザーの出力を動かすことができる、
ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項１８】
前記レーザーの出力を材料に当てる工程が、０．９メートル以上の面積で材料に前記レーザーの出力を当てる工程を含むことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項１９】
前記レーザーの出力を材料に当てる工程が、前記材料の第１の部分を加工するために前記レーザーの出力を当てる工程を含み、当該レーザーの出力は第１のレーザーから発せられる第１のレーザーの出力を含み、前記材料の別の部分を加工するために第２のレーザーから発せられる別の第２のレーザーの出力を当てる工程を含むことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項２０】
コントローラーが前記レーザーの出力の移動速度を変える工程を備えることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項２１】
コントローラーが前記レーザーの出力のパワーを変える工程を備えることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項２２】
前記レーザーの出力を材料に当てる工程が、前記材料に対して前記レーザーの出力を継続的に動かす工程を含むことを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項２３】
前記レーザーの出力を材料に当てる工程が、前記材料に望ましくないダメージを与えずに前記材料の上にパターンを形成するパラメータに従って実行されることを特徴とする請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビング方法。
【請求項２４】
５００Ｗよりも大きなパワー出力で動作可能なレーザーと、
材料の表面にグラフィックをスクライビングするために、１０ｍ／ｓより早い速度でレーザーの出力を動かすためのミラーシステムと、
を備えることを特徴とする材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項２５】
前記レーザーのための制御情報を設定するために前記グラフィックを示す情報を記憶するためのコントローラーを備えることを特徴とする請求項２４に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項２６】
前記材料が、商業用建物または住居用建物の室内用部品または屋外用部品で、またはそれらのために使用される建築材料を含むことを特徴とする請求項２４または２５に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項２７】
前記建築材料が、屋外デッキング材料、屋外遊具材料および家庭用屋外材料のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２６に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項２８】
前記建築材料が、複数の異なる材料で作られた複合建築材料を含むことを特徴とする請求項２６または２７に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項２９】
前記材料が、ガラス繊維強化プラスチック、コーティングされた鋼鉄および木質複合材ボードのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２４乃至２８のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項３０】
前記材料が、ガラス生産品を含むことを特徴とする請求項２４乃至２８のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項３１】
前記材料が、窓を含むことを特徴とする請求項３０に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項３２】
前記材料が、ミラーを含むことを特徴とする請求項３０に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項３３】
前記材料が、床張り材を含むことを特徴とする請求項２６に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項３４】
前記材料が、天井タイル生産品を含むことを特徴とする請求項２６に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項３５】
前記材料が、ドライウォール生産品を含むことを特徴とする請求項２６に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項３６】
前記材料が、透明なプラスチック材料を含むことを特徴とする請求項２４乃至２８のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項３７】
前記ミラーシステムが、コーティングされているベリリウム基板を含むことを特徴とする請求項２４乃至３６のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項３８】
前記レーザーのパワー出力が、１０００Ｗより大きく、
前記ミラーシステムが、２０ｍ／ｓより速い速度で前記レーザーの出力を動かすことができる、
ことを特徴とする請求項２４乃至３７のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項３９】
前記レーザーのパワー出力が、２０００Ｗより大きく、
前記ミラーシステムが、３０ｍ／ｓより速い速度で前記レーザーの出力を動かすことができる、
ことを特徴とする請求項２４乃至３７のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項４０】
前記レーザーの移動速度を変えるためのコントローラーを備えることを特徴とする請求項２４乃至３９のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【請求項４１】
前記レーザーのパワー出力を変えるためのコントローラーを備えることを特徴とする請求項２４乃至３９のいずれか１項に記載の材料上へのグラフィックスクライビングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、２００７年６月１２日に出願された米国特許仮出願第６０／９４３，９４３，３１７号と、２００７年７月２７日に出願された米国特許仮出願第６０／９５２，４３１号について優先権の利益を有する。米国特許仮出願第６０／９４３，９４３，３１７号明細書と米国特許仮出願第６０／９５２，４３１号明細書の開示全部を参照によりここに含める。
【０００２】
本発明は、一般に工業規模の製造に適した高加工レートで材料、特に建築材料にグラフィック（ｇｒａｐｈｉｃｓ）をスクライビング（ｓｃｒｉｂｉｎｇ）するためのレーザーをベースとする方法とシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
住宅用および商業用の建材は、ドライウォール、調理台、バスルームの備品、キッチンキャビネット、室内ドア、床張り材、壁板、天井タイルのような室内建材と、デッキング、サイディング、トリム、柵の材料、窓用・屋外用ドアのような屋外建材とを含む。これらの建材は、石こうボード、ビニール生産品、アクリル、ハードボード、強化ガラス、焼きなましガラス、樹脂複合材、さまざまな積層板、化粧板、薄型カーペットタイル、繊維ガラス、セラミック、花こう岩、プラスチック、プラスチック木質複合材およびさまざまな他の材料で製造される。材料にさまざまなグラフィックデザインが刻まれた装飾本位のやり方でそのような部品を提供するという要望がしばしばある。
【０００４】
エンボス加工やインクジェット印刷のような従来の印刷技術は、しばしば魅力のない美学を生じる。サンドブラスティングや化粧張りのような他のプロセスは、高コストになるという欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザー彫刻建材は、建材を飾る魅力的な手段を提供すると思われる。けれども、商用生産用レーザーは、経済的に魅力のあるレートで大規模生産において建材を装飾するために使われたことはない。大量生産規模において建材がレーザーで刻まれない要因として少なくとも２つ考えられる。これらの要因は、商用レーザー彫刻システムの相対的に低いスキャン速度と相対的に低いパワー性能である。
【０００６】
スキャン速度に関しては、レーザービームは一般に０．５から３．０ｍ／ｓ（ｍｅｔｅｒｓ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ）までのレーザースキャン速度でｘ−ｙテーブル上をリニアモーターまたはねじ駆動を用いて駆動される。この方法は、例えば鋼鉄を切断するために１，０００−１０，０００ワットのレーザーを使うレーザー切断産業で普通である。アマダ（Ａｍａｄａ）、トランプ（Ｔｒｕｍｐｈ）、ロフィン（Ｒｏｆｉｎ）、ファナック（Ｆａｎｕｃ）およびパナソニック（Ｐａｎａｓｏｎｉｃ）のような会社がそのような１，０００−１０，０００ワットのレーザーシステムを提供する。
【０００７】
これらの従来のリニアモーター駆動レーザーシステムの速度は、１平方フィートの材料を刻むために全体の処理に数分を要する。例えば、主要なレーザーシステム（Ｖｙｔｅｃｋ  Ｌ−Ｓｔａｒ）の最近の広告は、石材、タイルおよびガラス産業のための世界最速のレーザーシステムであると主張する。更に、その広告は、「Ｌ−Ｓｔａｒは１５０ｉｐｓ、すなわち３．８ｍ／ｓまでの彫刻スピードを有し、競合機種よりパフォーマンスが優れている」と主張する。
【０００８】
けれども、従来のリニアモーターシステムによって得られる速度では、基板を装飾するためにあまりに時間がかかるので建材を経済的にスクライビング加工することができないことを発明者たちは認識した。このリニアモータータイプのレーザーは建築材料上にグラフィックパターンを刻むために１平方フィート当たり数分かかると推定される。たとえば、この速度では、建築材料用の一般的な基板であるメディアム・デンシティ・ファイバーボード（ｍｅｄｉｕｍ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｆｉｂｅｒｂｏａｒｄ）の１平方フィートに複合グラフィックパターンを刻むために約６分かかると推定される。従って、そのユニットの製造コストがあまりに高いのでそのような建築材料を大規模に経済的に加工することができない。このリニアモーターのゆっくりした速度は、大量の木質複合デッキング、床張り材、木質複合材または他の一般的な建材基板上にグラフィックパターンをレーザーで刻むための実際的なまたは経済的な方法になり得ないであろう。現在のレーザー彫刻技術で１平方フィートの工業用の木材またはプラスチック材に複雑な木目模様をレーザーで刻むことは１平方フィート当たり数分要する。これがそのような建築材料が大量にレーザーで刻まれない理由であると、発明者たちは信じる。
【０００９】
また、ガルバノメーター駆動ミラー（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ−ｄｒｉｖｅｎ  ｍｉｒｒｏｒｓ：または、略してガルボミラーという。）が材料の表面におけるレーザービームの移動を制御するために使われることができる。ガルボミラーは制御信号によって動かされ、その動きに対応してレーザーの出力ビームが望まれるパスに沿って材料上を動き、パターン（ｐａｔｔｅｒｎ）の形成を可能にする。この方法は、鋼鉄、木およびプラスチックを含むさまざまな材料のレーザー彫刻において広い応用を見出す。この方法は５０−２５０ワットのレーザーを使用する。
【００１０】
ガルボミラーによって駆動されるレーザーシステムは、比較的小規模（一般的に、１辺が６１ｃｍ（または２フィート）の正方形のフィールドサイズより小さい）、低速（１秒当たり５ｍより遅い彫刻速度）、低出力（一般に、５０ワットと２５０ワットの間）で使われる。これらのシステムは、一般的にワイングラス、小さな真ちゅう製ブッシング、小さな木製額または小さな花こう岩の厚板のような生産品を刻む。リニアモーターで駆動されるレーザーと違って、ガルボミラー駆動システムは比較的大きな部分を加工するためのレーザーパワーが欠けている。リニアモーター駆動レーザーと同様に、ガルボミラー駆動システムの動きはあまりに遅いので建材部品を経済的に生産することはできない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は、材料の上にグラフィックをスクライビングする方法に向けられる。第１の態様ではレーザーの出力は材料に当てられる。材料の表面にグラフィックをスクライビングするために、レーザーの出力は１０ｍ／ｓより早い速度で材料に対して動かされ、レーザーの出力は５００Ｗより大きなパワーを持つ。
【００１２】
本発明の第２の態様は、材料の表面にグラフィックをスクライビングするためのシステムを含む。そのシステムは、材料の表面にグラフィックをスクライビングするために、５００Ｗより大きなパワー出力で動作できるレーザーと、１０ｍ／ｓより速い速度でレーザーの出力を動かすためのミラーシステムを含む。
【００１３】
本発明の第３の態様は、グラフィックをスクライビングするためのミラーの位置決めとレーザーのパワーを制御するために、効率的にグラフィックイメージを処理するグラフィックプロセシングモジュールに向けられる。
【００１４】
付加的な方法、付加的なシステム、デバイス、装置、項目等を含む本発明の付加的な態様は、添付図面を見ることと、以下に記載される詳細な説明を読むことで明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
添付図面は明細書に組み込まれ、その一部を構成する。上述した概要および以下の実施形態と方法の詳細な説明とともに、図は本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る材料の上にグラフィックをスクライビングするためのシステムの概略図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る材料の上にグラフィックをスクライビングするためのシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
添付図面に示すように本発明の実施形態と方法に対して参照が詳細に行われ、参照符号が図面中の対応する部分を示す。けれども、より広い態様において本発明は特定の詳細、代表的な装置と方法、およびこの発明を実施するための形態に記載された実施例に限定されないことに注意すべきである。
【００１８】
本発明の発明者たちは、本発明に先立って高パワーレーザーを用いた高速彫刻処理を提案した人を誰も知らない。高パワー（５００ワットよりも大きい）かつ高速（１０ｍ／ｓより速い）のレーザーは、従来のシステムを大きく改善し、大量生産において建材基板や他の材料の上にグラフィックやパターンをレーザーで刻み、低い単位原価と満足できる経済性を達成するための商業的に妥当な方法であることを発明者たちは見出した。
【００１９】
一実施形態では、２，０００ワット以上、より適切には２，５００ワット以上のレーザーと、３０ｍ／ｓ以上の速度で動くことができる超高速スキャンヘッドとが組み合わされて、魅力的な単位製造原価と経済性を提供する。３０−５０ｍ／ｓのレーザースキャン速度は、１平方フィート当たり数秒の時間と１平方フィート当たり数ペニーの単位原価でグラフィックパターンを刻むことができると発明者たちは見積もった。ここで、”速度”は材料の表面に対するレーザーの出力（例えば、ビーム）の速度である。材料を静止させてレーザー出力を動かすこと、またはレーザー出力を静止させて材料を動かすこと、または異なる方向に、および／または異なるレートでレーザー出力と材料を同時に動かすことによって相対的な速度が与えられる。
【００２０】
実施形態によれば、建築材料の基板にグラフィックとパターンを形成するために高速・高パワーレーザーが使われる。図１の符号３２によって示されるレーザーは、５００Ｗより大きい出力パワーを持つ高パワーレーザーである。そして、一実施形態では、このレーザーは１０００Ｗ（１ｋＷ）より大きい、または２０００Ｗ（２ｋＷ）より大きい、または２５００Ｗ（２．５ｋＷ）より大きい出力パワーを持つ。ここに述べるレーザーのパワー出力は、連続的であり、一時的にエネルギーが急増するパワー出力やパルス状のパワー出力と区別される。連続的なパワーはレーザーに設定するパワーを調節することによって変えられる。レーザーの周波数は一般的に例えば１０から６０ｋＨｚまでの範囲である。典型的な商用レーザーとしてロフィン−シーナーテクノロジーズ社（Ｒｏｆｉｎ−Ｓｉｎａｒ  Ｔｅｃｈｎｏｋｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．）の２．５ｋＷ  ＣＯ２レーザー（モデル番号ＤＣ０２５）を利用することができる。
【００２１】
レーザー３２の出力３４は、スキャニングヘッド３６と対にされる。スキャニングヘッド３６は、レーザー出力を比較的高速にスキャンすることができ、制御可能で可動の比較的軽量のコーティングされたミラーを含んでいる。実施形態では、その速度は１０ｍ／ｓより速い。またはその速度は１秒当たり３０ｍよりも速い。またはレーザーのパワーがより大きいとき、その速度はより速い。ここに記載されるように、６５ｍ／ｓまでのスキャン速度、またはより速いスキャン速度が使われてよい。更に、図１に示されるように、レーザー出力３８は作業面４０の上の作業片を横切ってスキャンされることができる。例えば、レーザー出力３８は０．９ｍ（３フィート）以上の長さをスキャンする。
【００２２】
本実施形態に従うレーザーシステムは、構造的装飾的建築材料のような材料の加工において低い単位原価を達成するために非常に高速のスキャン速度を用いる。ここに具体化されるシステムと方法を使って処理される材料の例は、ガラス（強化ガラスおよび／または焼きなましガラス）、石、セラミック、花こう岩、加工木材、積層板、金属、プラスチック、石こうボード、サイディング、ガラス繊維強化プラスチック、木質複合材、ビニール、アクリル、ハードボード、化粧板、薄型カーペットタイル等を含む。本発明の実施形態に従うそのような高速度でスキャンするレーザーは、産業生産レベルで建築材料や他の基板の上にグラフィックを十分に刻むために、桁外れのパワーを使い、単位時間当たりに高いエネルギー密度を与える。５００ワットより小さいレーザーパワーでは、３０−５０ｍ／ｓの高速のスキャン速度で動作するレーザーは、建材の上にグラフィックイメージを効率的に刻むための十分なパワーを絶対に持たないであろう。
【００２３】
高速のスキャン速度、例えば３０−５０ｍ／ｓでガルボ（ｇａｌｖｏ）駆動される１，０００−２，５００ワットを持ったレーザーシステムを提供するために、本発明の実施形態では、商業的に利用できる高温コーティングを持った軽量ハイテクミラーシステムが使われる。商業的に利用できる軽量ハイテクミラーシステムの例は、スキャンラボ  エージー（ＳｃａｎＬａｂ  ＡＧ）、Ｍｏｄｅｌ  ＰｏｗｅｒＳＣＡＮ３３  Ｂｅ、３３ｍｍ  Ｂｅミラーを備えた３軸ガルバノメータースキャナー（３−ａｘｉｓ  Ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ  ｓｃａｎｎｅｒ）である。高温コーティングは物理蒸着合金であると信じられる。軽量ベリリウム基板は、ＣＯ２の波長、１０．６ミクロンにおいて９８％を超えてミラー面に反射させる材料でコーティングされる。軽量ハイテクミラーシステムは、ガルバノメーター（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒｓ：または略してガルボという。）が基板表面上で繰り返し可能かつ効率的な方法でレーザーの出力（例えば、ビーム）を動かすことを可能にする。そのようなレーザーシステムのスキャン速度は、驚いたことには、リニア駆動や従来のガルボミラーで達成されるレーザースキャン速度より１桁速い。従来のレーザー彫刻技術による４−５ｍ／ｓの最大スキャン速度に対し、発明者たちはそのような軽量ミラーシステムを使用して６５ｍ／ｓを超えるレーザースキャン速度を達成した。
【００２４】
そのシステムは図１の符号３０によって示されるコントローラーを含む。それは軽量ミラーによって生じる超高速のスキャン速度に対応し、特定の速度で必要なパワーに変化させることができる。細かい解像度のグラフィックを描くために、コントローラー３０はビームスキャンの数ミリメートルごとのように高いレートでパワーを変化させる。レーザーのスキャン速度はグラフィック内のパワーの変化量を決定する。また、グラフィックのタイプ（例えば、複雑度や複雑さ）や深さはグラフィックが基板にどのようにスクライビングされるかに影響を与える。商業的に利用できるコントローラーの一例は、ラスクスインダストリーズ社（Ｌａｓｘ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ）を通して利用できるＭｏｄｅｌ  Ｆｏｒｅｓｉｇｈｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ、Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒである。パワーの変化、コントローラーの速度およびレーザースキャン速度の依存関係が後述する表IIと表IIIに示される。
【００２５】
図２は、建築材料のような材料をスクライビングするためのシステムの他の実施形態を示す。システムは、一般に符号１０によって示される。システム１０はコンピュータにより制御されるミラーシステムの方向にレーザービーム１２を発生するためのレーザー１１を含む。
【００２６】
図示されるミラーシステムは、ｘ軸ガルバノメーター１４に回転自在に取り付けられて駆動されるｘ軸ミラー１３を含む。ｘ軸ガルバノメーター１４は回転し、ｘ軸ミラー１３を回転させることに適合する。レーザービーム１２がｘ軸ミラー１３に入射する間におけるｘ軸ミラー１３の回転は、レーザービーム１２をｘ軸に沿って移動させることができる。（数値）制御コンピュータ１５は、ｘ軸ガルバノメーター１４によるｘ軸ミラー１３の回転を制御するために電源１６の出力を制御する。レーザービーム１２はｘ軸ミラー１３によってそらされ、ｙ軸ガルバノメーター１８に回転自在に取り付けられたｙ軸ミラー１７に向かう。ｙ軸ガルバノメーター１８は回転し、ｙ軸ミラー１７を回転させることに適合する。ｙ軸ミラー１７の回転は、ｙ軸ミラー１７に入射するレーザービーム１２をｙ軸に沿って移動させる。制御コンピュータ１５は、ｙ軸ガルバノメーター１８の回転を制御するためにｙ軸ガルバノメーター１８に送られる電源１６の出力を制御する。
【００２７】
レーザービーム１２は、ｙ軸ミラー１７によってそらされ、レーザービーム１２の焦点を合わせるための焦点調節レンズ１９に向かう。焦点調節レンズ１９はマルチエレメント・フラットフィールド焦点調節レンズアセンブリである。焦点調節レンズ１９は図形をスクライビングするためにレーザービーム１２が材料の上を動くように、光学的に平面上に焦点を維持する。焦点調節レンズ１９、ｘ軸ミラー１３、ｙ軸ミラー１７、ｘ軸ガルバノメーター１４およびｙ軸ガルバノメーター１８は（図示されない）ガルバノメーターブロックに格納される。
【００２８】
システム１０は、更にテーブルのような固体基板または流動床である作業面２０を含む。材料（または作業片）２１が作業面２０上に置かれる。材料２１はスクライビングされる作業面２２を含む。焦点調節レンズ１９から材料２１の作業面２２までの距離を調節するために、作業面２０は垂直方向に調節可能である。レーザービーム１２はｘ軸ミラー１３とｙ軸ミラー１７によって材料２１の作業面２２に向けられる。通常レーザービーム１２は作業面２２に対して大体垂直に向くが、レーザービーム１２と作業面２２の間の角度を約４５°から約１３５°まで調整することによって異なるグラフィックを描くことができる。材料２１の作業面２２と接触するレーザービーム１２の相対的な動きは、作業面２２にスクライビングされるグラフィック２３を生じさせる。ｘ軸ミラー１３とｙ軸ミラー１７の動きとタイミング、およびレーザービーム１２のパワーは、個別の望まれるグラフィック２３をスクライビングするために数値制御コンピュータ１５によって制御される。ここに記載するように、相対的な動きは、作業面２２が動かない場合における（例えば、ミラーシステムを使う）レーザービーム１２の動き、レーザービーム１２が動かない場合における作業面２２の動き、またはレーザービーム１２と作業面２２が異なる方向に、および／または異なる速度で同時に動く場合におけるそれらの動きの組み合わせを含む。
【００２９】
望まれるグラフィックの形成を補助するために、（図示されない）ワークステーションコンピュータのような第２のコンピュータがその方法の中で使われることができる。例えば、グラフィックをワークステーションコンピュータでスキャンし、正しいフォーマットに変換し、それから制御コンピュータに送ることができる。そのとき、数値制御コンピュータは、高スループットのために適切なパワーと動作速度で材料２２の表面にグラフィックを形成するために、ｘ軸ガルバノメーター１４、ｙ軸ガルバノメーター１８、ｘ軸ミラー１３、ｙ軸ミラー１７およびレーザービーム１２のパワー出力を制御する。
【００３０】
また、システム１０は作業ゾーンに不活性ガスのようなガスを注入するためにタンク２４を含むことができる。ガスの量は数値制御コンピュータまたは他の手段によって制御される。
【００３１】
ここで使用される用語「スクライビングする」は、グラフィックを形成するためにレーザービームで材料に接触することを意味する。スクライビングの過程で、レーザービーム１２は基板にパワーを加え、基板のコーティングの除去や基板材料の除去などのような目に見える変化を基板に生じさせる。その結果は、目に見える基板の変化である。
用語「グラフィック」は、装飾的で芸術的なデザイン、非装飾的なデザイン、パターン、グラフィックイメージ、外観、英数字文字、ロゴ、他の識別符号などを指す。
【００３２】
材料の上にグラフィックをスクライビングするレーザーの２つの技術は、ラスター技術とベクター技術を含む。ラスター技術は、グラフィックが終了するまで連続的な方法で前後にスキャンすることによって水平方向または垂直方向にグラフィックをレーザーで描くこととして定義される。ベクター描画は、グラフィック全体が完成するまでグラフィックの個々の部分の輪郭をレーザーで描くこととして定義される。
【００３３】
高速で許容できるデザインを与えるために必要とされるレーザーのパワーの量は、基板の性質によって決まる。レーザーのパワーは５００ワットより上の範囲にあり、例えば５，０００ワットと同じくらいの大きさである。例えば、高速のスキャン速度で綿のシャツまたは絹にレーザーで描くために必要なパワーは５００ワットのみ必要である。一方で、同様なスキャン速度でプラスチック材、加工木材またはデニムに効率的にレーザーで描くために２，５００ワット以上のようなずっと大きなパワーを要する。また、このコンセプトはマス・カスタマイゼーションなどにおいてより小さなサイズの基板に適用してよい。
【００３４】
実施形態によれば、レーザーを制御するための制御情報はコントローラー３０に前もって記憶される。記憶された制御情報は、１つまたは多くの異なるグラフィック、例えばパターンに関連づけられる。
【００３５】
発明者たちは、プラスチック材、ビニールサイディング、木質複合材、ドライウォール、積層材、ハードボード、木質繊維材、強化ガラス、焼きなましガラス、ビニール、天井タイル、床張り材、繊維ガラス・樹脂部品、カーペットタイルを含む多数の材料と建材を入手した。そして、発明者たちは、高速（１０ｍ／ｓより速く、望ましくは３０ｍ／ｓより速い）かつ高レーザーパワー（５００ワットより大きく、一実施形態では２，０００ワット以上、または２，５００ワットと同じ程度）を使用して、これらの部品にファッションデザインを付与することを試みた。実験の結果は、どの場合においてもレーザーがほんの数秒でこれらの生産品に印象的で芸術的なデザインを付与することができたということにおいて驚くばかりであった。従って、実施形態に開示される技術は、建材にグラフィックイメージをレーザーで描くことに対する経済的ブレイクスルーを初めて提供する。
【００３６】
発明者たちは、アクリル、ビニール、繊維ガラス建材部品、プラスチック材および木質複合材に高速でスクライビングされる魅力的で精密なグラフィックデザインとテクスチャに驚いた。様々なグラフィックと木目模様が１平方フィート当たり数秒の時間でこれらの建材にスクライビングされた。簡素な面白みのない装飾の生産品が数秒で装飾本位のものに変わった。木を模擬したリアルなデッキ部品を提供するために、オーク、クルミ、シーダ、マホガニーの木目模様がプラスチック材と木質複合材にレーザーで刻まれた。印象的な新しいデザインを与えるために、ヒョウ柄の木目模様、他の花柄や写実的な模様のような風変わりな木目模様さえ高いスループットでプラスチック材や木質複合材にレーザーで刻まれた。
最も重要なことだが、そのようなデザインは非常に短い時間で作られたので、レーザー彫刻プロセスは大規模生産のために実に安価になるであろう。ドライウォールにレーザーで刻まれたグラフィックは屋内壁の設計の美学にある程度の新しい自由を付け加え、さらに他の驚きを示した。ハードやソフトのボードからセラミックタイルまで及ぶ床張り材に異なるテクスチャをレーザーで刻むことは、床張り材に装飾とデザインを付け加えるための新しい低コストの代替手段を提供した。全く新しい大量生産される見て美しい外観を与えるために、くっきりと描かれたグラフィックとパターンがミラー上にさえレーザーで刻まれることができる。
【００３７】
ここに具体化されたレーザーシステムは経済的な生産プロセスにおいて初めて建材にほとんど制限のないファッションとデザインの特徴を提供することができると発明者たちは信じる。ガルボメトリックミラーによって駆動される２，５００ワットレーザーは実に数秒で建材を装飾することができ、コスト構造において革命的とまではいかなくても非常に経済的であることを発明者たちは実証した。経済性をさらに改善するために、生産品を高速（例えば、１０ｍ／ｓより速い）かつ高パワー（例えば、５００ワットより大きい）でレーザーによってスクライビングし、さらに単純な可動運搬システムと連結することができる。レーザーシステムは、連続的なレーザースクライビングプロセスにおいて”急速に描く（ｐｒｉｎｔ−ｏｎ−ｔｈｅ−ｆｌｙ）”ことができる。また、経済性を改善するために複数の他の手段がある。例えば、スループットを２倍または３倍にするために生産ラインに沿って複数のレーザーを導入すること、部品全体が終了するまで区域中でより大きな材料をレーザーで描くようにスキャンヘッドをリニアモーターに取り付けること、より大きな部品または同時に複数の部品をレーザーで描画可能にするためにレーザーから作業面までの距離を増加させること等である。
【００３８】
例えば、大量生産のための連続的な製造プロセスにおいてプラスチック材をレーザーで描画するために、その製造プロセスのライン速度に釣り合うような高速で動作する５０．８ｃｍ（２０インチ）の作業面に向けられた１個の２，５００ワットのレーザーを用いてよい。しかし、３フィート×８フィートのサイズである大量生産用室内ドアを正しくレーザーで描画するために、複数のレーザーまたは作業面全体をカバーするリニアモーターを使うことはもっと効率的である。その設定であっても、５００ワット以上（例えば、５００−２，５００ワット）のレーザーパワーと１０ｍ／ｓ以上（例えば、１０−５０ｍ／ｓ）のレーザースキャン速度は、建材の上にグラフィックをレーザーで刻むための単位原価において満足できる経済性を生じると、発明者たちは決定した。産業用の標準である３．８ｍ／ｓから、例えば５０ｍ／ｓまでレーザーの速度を増加させることによって、１平方フィート当たり数ドルから１平方フィート当たり数セントまで実際の単位原価を削減することができる。
【００３９】
完全な炭化、溶け落ち  および／またはスクライビングされた材料の融解のような処理し過ぎたことによる望ましくない結果を避けるために、パワーと速度は制御されるべきである。
【００４０】
ここに記載される方法とシステムは建築材料以外の材料をスクライビングするために使われてよいことは理解されるべきである。ここに記載された実施形態に従ってスクライビングされる他の材料は、衣料産業で見られるようなデニム生地や皮を含む。
【００４１】
ここに記載される本発明の実施形態を実現するためのコンピュータハードウェアとソフトウェアはどんな種類であってもよい。例えば、一般目的またはワークステーションのような特定目的のものであってよい。コンピュータは、Ｗｉｎｄｏｗｓ  ＸＰ（登録商標）、Ｗｉｎｄｏｗｓ  Ｖｉｓｔａ（登録商標）またはＬｉｎｕｘ（登録商標）が走るＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）クラスのコンピュータであってよいし、Ｍａｃｉｎｔｏｓｈ（登録商標）コンピュータであってもよい。また、コンピュータはＰＤＡ、携帯電話またはラップトップのようなハンドヘルドコンピュータであってもよい。
【００４２】
プログラムは、Ｃ、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｂｒｅｗまたは他のプログラミンング言語で書かれてよい。プログラムは、例えばコンピュータハードドライブ、メモリースティックやＳＤメディアあるいは他のリムーバブルメディア等のリムーバブルディスクやリムーバブルメディアのような磁気記憶メディアまたは光記憶メディアに置かれてよい。また、プログラムは例えば、１つ以上のローカルマシンに信号を送るサーバまたは他のマシンが接続されたネットワーク上でプログラムを送ってよい。これは、ここに記載された動作をローカルマシンが実行することを可能にする。
【００４３】
（実施例）
レーザーのパワーとスキャン速度に関する基板材料とグラフィックイメージパターンの影響を明示するために、次の表Ｉに示す実験を様々な基板について実行した。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
２つの別々のグラフィックイメージに対するレーザーパワーの変化幅についてのコントローラー速度の効果が下の表IIとIIIに示される。表IIは１インチ当たり３２本のレーザーラインに対するデータを含み、表IIIは１インチ当たり６０本のレーザーラインに対するデータを含む。例えば、１インチ当たり３２本のラインを持ったグラフィックイメージは、レーザーパワーを２ピクセルごとに変化させるとき、１秒当たり１０，０００ピクセルのコントローラーの速度で１５ｍ／ｓの最大レーザースキャン速度を達成することができる（図２参照）。この例では、レーザーの速度を倍にして３０ｍ／ｓにするために、コントローラーは１秒当たり２０，０００ピクセルのプロセシングパワーを持つべきである。（表IIとIIIを比較すると、）１インチ当たりのレーザーラインが増えるにつれて、高速のレーザーライン速度を維持するためにコントローラーの速度がもっと重要になる。
【００４６】
【表２】
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【表３】
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【００４７】
本発明の一実施形態についての上述の詳細な説明は、本発明の原理とその実際の応用を説明する目的のために与えられた。従って、他の当業者は、様々な実施形態に対して、そして意図された特定の使用に合うような様々な変更形態について本発明を理解することができる。この説明は、網羅的であること、または開示された詳細な実施形態に本発明を制限することを意図しない。２、３の実施形態のみが上述の詳細の中で開示されたけれども、他の実施形態が可能であり、発明者たちはそれらがこの明細書と特許請求の範囲に包含されることを意図する。他の方法でも達成されるかもしれないもっと一般的なゴールを達成するために、明細書は特定の例を開示する。変更形態と均等物が熟練した当業者には明白であり、それらは特許請求の範囲に記載された発明およびそれらの適切な均等物の精神と範囲に包含される。この開示は例示であり、特許請求の範囲は当技術分野における通常の技術を持つ者に予測可能であるいかなる変更形態または代替手段もカバーすることを意図されている。例えば、上述のものを超えて、他の種類とワット数のレーザーが本技術とともに使われることができる。
【００４８】
”〜の手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）”という用語を使う請求項のみが米国特許法第１１２条第６段落に基づいて解釈される。更に、請求項の中に制限が明示的に含まれないならば、どの請求項も明細書の記載により制限されない。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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