JP2003181659A - レーザ・マーキング法およびこの方法を実施する装置 - Google Patents

レーザ・マーキング法およびこの方法を実施する装置

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Abstract

(57)【要約】 ［目的］ レーザ・マーキング法およびこの方法を実施
する装置 ［構成］ 微細亀裂を生じることなく硬質透過性物質に
マーキングするに適したレーザマーキング法は、ターゲ
ット物質の標本をマーキング可能物質の標本から離間配
置する段階と、ターゲット物質の少なくとも一部が融除
されてマーキンク゛可能物質の表面上に投げ出されるようにタ
ーゲット物質の融除しきい値以上のエネルギーフルーエ
ンスを有する照射ビームをターゲット物質上に指向する
段階と、前記マーキンク゛可能物質の表面に対して、このマーキンク゛
可能物質の融除しきい値未満のエネルギーフルーエンス
を有する照射ビームを露出して、前記の融除された物質
と前記のマーキンク゛可能物質の表面との間に相互作用を生じ
て、前記マーキンク゛可能物質の表面を前記融除された物質に
よってマーキングする段階とを含む。相異なるターゲッ
ト物質を使用することによりマークの相異なるカラーを
得ることができ、またマークの色調を所望のように制御
することができる。この方法を実施する装置は、この方
法をリアルタイムで制御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は特に、非限定的に、
硬質光透過性物質のレーザ・マーキング法およびこの方
法を実施する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】各種材料
の永久的マーキングと印刷は一般に行われまた種々の技
術が使用されている。ガラスなど硬質光透過性物質など
の材料は高い硬度を有しまた脆いので、これらの材料の
マーキング法はこのような特性を考慮する必要がある。
【０００３】硬質材料にマーキングする通常の方法は機
械的工具を使用して材料表面の擦過によって直接に材料
表面に書込むにある。しかし、例えばガラスの表面にこ
の方法を使用する際の問題点は擦過線の縁部にそって多
数の微小亀裂が生じることにある。このような微小亀裂
が材料を弱化させ、マーキングの品質を低下させる。他
の技術はレーザ融除を使用するにある。高レベルのレー
ザエネルギーフルーエンスにおいては（「フルーエン
ス」とは照射面積あたり照射されるレーザエネルギー単
位と定義される）、このレーザエネルギーが硬質材料の
分解を生じるので、材料粒子が除去され材料から外部に
投げ出されて孔またはピットを残す。融除技術はガラス
表面にマーキングするために、またガラス本体内部にマ
ーキングするために使用されてきたが、この技術も、レ
ーザエネルギーの吸収による加熱を材料中の熱応力の故
に、マーキング区域の回りに微細亀裂を生じる。融除の
ためにフッ化物エキシマー・レーザを使用することによ
りガラス上に微細亀裂を伴なわないマーキングが示され
ているが、このレーザソースは高価であり、ビーム品質
が低く、低いマーキング解像度を生じ、また複雑な構造
を有する。
【０００４】米国特許第６，２３８，８４７号および米
国特許第６，０７５，２２３号はガラス、セラミック
ス、プラスチックおよび金属のレーザ・ベース・マーキ
ング法を提案している。基板の表面に対してマーキング
物質層が被着され、所望のパタンに従ってレーザビーム
で照射される。照射された部分が照射作用によって加熱
されて、基板の表面に対して接着しまたは化学的に結合
する。次に非照射部分を除去して基板表面上にパタンを
残す。しかしこれらの方法をガラスのマーキングに使用
した場合、高レーザエネルギーレベルで微細亀裂が形成
される可能性がある。米国特許第６，２３８，８４７号
は、マーキング材料を第２レーザビームによって接着さ
せる前に第１レーザビームによって基板およびマーキン
グ材料を予熱すれば微細亀裂のリスクが低減されると記
載している。
【０００５】従って、微細亀裂を生じることなく、また
／あるいは予熱などの微細亀裂のリスクを低減させる追
加段階を必要とせず、また／あるいは別個のマーキング
材料層を被着させる必要なく、また／あるいは簡単で低
廉なレーザマーキング法が必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】従って本発明の第１アス
ペクトは、ターゲット物質の標本をマーキング可能物質
の標本から離間配置する段階と、ターゲット物質の少な
くとも一部が融除されてマーキング可能物質の表面上に
投げ出されるようにターゲット物質の融除しきい値以上
のエネルギーフルーエンスを有する照射ビームをターゲ
ット物質上に指向する段階と、前記マーキング可能物質
の表面に対して、このマーキング可能物質の融除しきい
値未満のエネルギーフルーエンスを有する照射ビームを
露出して、前記の融除された物質と前記のマーキング可
能物質の表面との間に相互作用を生じて、前記マーキン
グ可能物質の表面を前記融除された物質によってマーキ
ングする段階とを含むレーザマーキング法を提供するに
ある。
【０００７】前記方法は微細亀裂の形成を低減させまた
はまったく伴なわないで、物質のマーキングを可能とす
る。マーキング可能物質が露出される照射フルーエンス
はこのマーキング可能物質の融除レベル未満であるの
で、この物質は損傷から防護される。ターゲット物質の
融除はマーキング可能物質の融除しきい値未満のフルー
エンスで達成することができるので、この方法全体はマ
ーキング可能物質を防護することのほかに、比較的低い
フルーエンスレベルで実施することができるから、これ
はコスト面から有利である。またターゲット物質の融除
は融除された物質をマーキング可能物質の表面上に局所
的に投げ出すので、融除物質は前記表面全体の上に層を
なして付着させられる必要はなく、所望のパタンに従っ
て直接に堆積させられる。
【０００８】好ましい実施態様においては、照射ビーム
がマーキング可能物質を通してターゲット物質上に指向
されるように、マーキング可能物質がターゲット物質に
対して配置される。同一の照射ビームがターゲット物質
を融除すると共に、マーキング可能物質表面を照射して
この面にマーキングするようにするために、このような
配置が使用される。融除された物質は、照射ビームがマ
ーキング可能物質を通過する点において（照射の伝搬方
向に関して）マーキング可能物質の裏面に投げ出される
ので、新規に入射する照射ビームが前記裏面と先に融除
された前記裏面上の物質とに遭遇した後に、ターゲット
物質に到達してさらに融除を成す。このような配置の使
用は、マーキング可能物質が実質的に照射ビームに対し
て透過性であることを意味する。従ってこの方法は特に
ガラスなどの透過性硬質面に適している。
【０００９】望ましくは、照射ビームがパルス列として
加えられる。従ってマーキング可能物質は連続的照射を
受けることなく、また照射ビームの吸収によってマーキ
ング可能物質の中に発生する熱はパルスの間に消失する
ことができる。適当なパルス持続時間の例は数１０また
は数１００ナノ秒であって、多くのパルス照射ソースが
使用され、例えばＮｄ：ＹＡＧ Ｑ−スイッチレーザを
含むＱ−スイッチレーザである。
【００１０】入射パルスの末尾がマーキング可能物質を
通過してしまう前に融除された物質がマーキング可能物
質の裏面に到達できるようにターゲット物質とマーキン
グ可能物質との間隔およびパルスの持続時間が選択され
るならば、同一照射パルスによって融除と相互作用とが
実施される。このようにして、次に融除された物質が堆
積される前に、マーキング可能物質表面にマーキングす
る相互作用が生じる。あるいは、融除と相互作用とを別
々の照射パルスによって達成することもできる。
【００１１】さらに本発明は照射ビームのフルーエンス
のモニタリングを含み、またこの場合にはモニタリング
に応答して照射フルーエンスを制御する段階を含む。マ
ーキング可能物質が損傷されることなくうまくマーキン
グされるためには、フルーエンスがマーキング可能物質
の融除しきい値未満、ターゲット物質の融除しきい値以
上でなければならない。フルーエンスをモニタリングし
制御することにより、フルーエンスは常に適当レベルに
保持される。
【００１２】さらに本発明の方法は前記表面、ターゲッ
ト物質および融除された物質から反射され散乱される放
射ビームの量を検出し分析する段階を含み、また従って
融除された物質がマーキング可能物質の表面上に投げ出
されるように、前記反射され散乱された放射量の分析に
対応してターゲット物質とマーキング可能物質との間隔
を調整する段階を含む。前記間隔が大きすぎると融除さ
れた物質が前記表面に達するには不十分な動的エネルギ
ーを有するので、マーキングが生じない。しかし、融除
物質が前記表面に到達して相互作用する時に検出された
照射ビームがある種の識別可能のフィーチャを有するこ
とが示されているので、照射ビームの検出の分析はこの
方法が確実に実行されていることの指標として使用され
ることができる。従って検出と分析に対応する間隔の能
動的制御がこの方法を適正に実行し続けるのに役立つ。
【００１３】望ましくは、本発明の方法はマーキング可
能物質の表面上に投げ出される融除物質の量が前記表面
上に所望の色調のマークをマーキングするのに十分とな
るようにターゲット物質とマーキング可能物質との間隔
を設定する段階を含む。より多量の融除物質量はマーキ
ング可能物質上に濃い色調のマークを生じる。融除物質
はターゲット物質から投げ出される際に一定の範囲内の
運動エネルギーを有し従って一定の範囲内の横方向広が
りを有するので、前記間隔の変更は前記表面に到達して
マーキングに役立つ融除物質の量を変動させる。これが
色調の制御を生じる。
【００１４】あるいはまたは追加的に、本発明は融除さ
れてマーキング可能物質上に投げ出されるターゲット物
質の量が前記表面上に所望色調のマークをマーキングす
るのに十分となるように照射ビームのフルーエンスを設
定する段階を含む。より高いフルーエンスはより多量の
ターゲット物質を融除し、融除物質に対してより大きな
運動エネルギーを与えるので、より多量の融除物質がマ
ーキング可能物質に到達してそのマーキングに役立ちそ
の色調を増大させる。
【００１５】さらに本発明は、マーキング可能物質の表
面に所望パタンに従ってマーキングするように照射ビー
ムの方向とマーキング可能物質の標本とを相互に移動さ
せる段階を含む。
【００１６】ターゲット物質は銅、ケイ素、アルミニウ
ム、銀、クロム、チタン、タングステンおよびその他の
金属、半導体またはその他の固体物質のいずれか１つで
ある。相異なる物質が相異なるマーキングカラーを生じ
る。
【００１７】照射は光学照射とすることができ、その多
くの光源が存在する。
【００１８】本発明の第２アスペクトは、ターゲット物
質の標本と、放射ビームを発生するように作動する照射
光源とを備え、前記ターゲット物質の標本から離間され
たマーキング可能物質の標本の表面上に融除された物質
が投げ出されるようにターゲット物質の少なくとも一部
を融除し、また、前記マーキング可能物質の標本の表面
を照射して融除された物質と前記表面との間に相互作用
を誘発することによって、前記表面を融除物質をもって
マーキングするように成されたマーキング可能物質の標
本のレーザマーキング装置に関するものである。
【００１９】この装置は本発明の第１アスペクトによる
方法を実施するのに適当である。
【００２０】好ましくは前記装置はさらに少なくとも照
射光源の動作を制御するように作動するコントローラを
含む。
【００２１】前記装置はさらに前記コントローラによっ
て制御されて、前記表面が所望パタンに従ってマーキン
グされるために前記照射ビームと前記マーキング可能物
質の標本との間に相対運動を生じるように作動する走査
装置を含む。好ましくはこの走査装置は照射ビームを走
査するように作動する検流計に基づくビームスキャナを
含む。源流計スキャナは照射ビームの迅速、正確また反
復自在の運動を生じることができる。
【００２２】本発明の装置は、さらに照射光のエネルギ
ーを測定してこの測定値を前記コントローラに送付する
エネルギーメータを含み、前記コントローラは前記測定
値に応答して前記照射光源を制御するように作動する。
このようにして、照射ビームのエネルギーフルーエンス
がマーキング可能物質の融除しきい値未満にまたターゲ
ット物質の融除しきい値以上に留まるように連続的に制
御される。
【００２３】好ましい実施態様において、本発明の装置
はさらにターゲット物質標本とマーキング可能物質標本
との間隔を調整するように作動する調整可能ステージを
含む。間隔の制御はマークの色調の制御を生じる。また
装置の動作に関して、前記間隔は融除物質がマーキング
可能物質に到達する程度に小さいように調整されること
が重要である。
【００２４】望ましくは、本発明の装置はさらにマーキ
ング可能物質およびターゲット物質の表面および融除さ
れた物質から散乱され反射された照射量を検出して検出
信号を前記コントローラに送付するように作動するデテ
クタを含み、前記コントローラが前記検出信号に応答し
て前記調整可能ステージを作動するように成される。前
記検出信号は前記間隔が十分に小さい時を表示するの
で、この間隔は自動的に適当距離に保持されることがで
きる。
【００２５】適当には、光学的照射を発生するように照
射光源が作動する。このような光源は多数ある。
【００２６】以下、本発明を図面に示す実施例について
詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限
定されるものではない。
【００２７】
【発明の実施の形態】図１は本発明の第１アスペクトの
１つの実施例によるレーザマーキング実施に適した装置
の実施態様を示す。
【００２８】照射光源１０はパルス出力を発生すること
のできるレーザを含む。このレーザは周波数倍増・ダイ
オードポンピング・Ｑ−スイッチ型ネオジミウム：イッ
トリウム アルミニウム ガーネット型（Ｎｄ：ＹＡ
Ｇ）レーザであって、１０ｋＨｚの反復速度で１００ｎ
ｓの持続時間を有する波長５３２ｎｍのパルスを発生す
る。発生されたパルスの従うレーザビーム通路は図１に
おいて点線で図示されている。ビームスプリッター１２
がこのビーム通路の中に配置され、レーザ出力の５％を
反射し残部の９５％を伝送するように被覆されている。
ビームスプリッター１２の下流にビーム通路の中にビー
ム走査装置１６が配置され、収束レンズと駆動システム
によって駆動されるビーム舵取りレンズとを収容する。
【００２９】ｘ−ｙ面における運動を生じるモータ駆動
ｘｙ並進ステージ２４がその上にマイクロメータを搭載
され、このメータがｚ方向運動を生じる。この並進ステ
ージの上にターゲット物質の標本が載置され、この全体
は、レーザビームがビーム走査装置１６によって指向さ
れた後にターゲット物質上に入射するように配置されて
いる。
【００３０】コントローラ２６は電子コントローラまた
はコンピュータ化コントローラ、例えばＰＣなどの汎用
コントローラであって、これはプログラミング可能型お
よび／または予プログラミングされたメモリモジュール
を受けることができるように成されている。コントロー
ラ２６は物理的接続または遠隔接続３０、例えばケーブ
ルによって照射光源１０に対して接続され、レーザ出力
を含めて照射光源の機能を制御するように作動する。
【００３１】エネルギーメータ１４がレーザスプリッタ
ー１２から反射されたレーザ出力の５％を受けるように
配置されて、反射出力エネルギーを測定する。接続３
２、例えばケーブルがエネルギーメータ１４をコントロ
ーラ２６に接続するので、コントローラ２６は照射光源
１０の出力に関する情報を受けることができる。コント
ローラ２６は測定された５％から全レーザ出力エネルギ
ーを自動的に計算できるように構成されている。
【００３２】他の接続３４，例えばケーブルがコントロ
ーラ２６をビーム走査装置１６に接続する。コントロー
ラ２６は走査情報をビーム走査装置１６に送ってレーザ
ビームがどのように移動させられ走査されるかを制御す
る。追加的接続３６がコントローラ２６を並進ステージ
２４と接続するので、コントローラ２６は入射レーザビ
ームに対する並進ステージ２４およびその上に保持され
た標本の位置を調整することができる。さらにこの接続
３６を通してコントローラ２６はマイクロメータ２２を
操作することができる。
【００３３】最後に、時間分解型フォトデテクタが並進
ステージ２４に隣接して配置されて、ターゲット物質お
よびその周辺から散乱され反射された光を検出する（下
記に詳細に説明するように）。フォトデテクタは検出さ
れた光に対応する信号を接続３８を通してコントローラ
に送ることができる。
【００３４】マーキング可能物質の標本をマーキングし
または印刷するように装置を操作するため、ターゲット
物質の標本が所望の印刷カラーを生じるように選定され
る。印刷されるべきマーキング可能物質の標本１８がマ
イクロメータ２２の上に載置され、ターゲット物質の上
方にターゲット物質から離間して保持される。マイクロ
メータ２２の運動がマーキング可能物質とターゲット物
質との間隔を調節する。マーキング可能物質１８は、そ
の印刷される面４０がターゲット物質２０に対向しまた
ビーム走査装置１６と反対側に向くように配置される。
レーザビームの伝搬方向に関して言えば、面４０はマー
キング可能物質１８の裏面と考えられる。マーキング可
能物質１８は照射光源１０によって放射される波長に対
して透過性である。
【００３５】照射光源１０はビームの形のパルス列を発
生するように操作される。ビームは（大部分が）ビーム
スプリッターを通過し、ビーム走査装置１６に達し、そ
こでビームはターゲット物質２０の表面に適当スポット
サイズを生じるように収束されまたターゲット物質２０
に対して指向される。このスポットサイズは、ターゲッ
ト物質２０が照射された時に融除されるように、ターゲ
ット物質２０においてこのターゲット物質の融除しきい
値を超えるレーザエネルギーフルーエンスを達成する必
要性から決定される。このレーザエネルギーフルーエン
スは照射単位面積あたりのレーザエネルギーと定義され
るので、収束スポットサイズとレーザビームの出力とに
依存している。さらに追加的な要件として、マーキング
物質１８が融除されないように、マーキング可能物質に
対するフルーエンスはマーキング物質１８の融除しきい
値未満でなければならない。従ってターゲット物質２０
とマーキング物質１８のそれぞれの融除しきい値が相違
し、しかも好ましくはこのような相違が照射光源１０の
通常の作動パラメータの範囲内においてまたビーム走査
装置１６のレンズの収束能力の範囲内において容易に達
成されるように、これらの物質を選定しなければならな
い。図１においてはレーザビームはターゲット物質２０
の表面に向かって収束するように図示されているが、さ
もなければビーム走査装置１６中のレンズはビームをこ
の装置１６の中において収束させまた再視準するように
構成することができる。重要なことは、正確なフルーエ
ンスが達成されるようにターゲット物質における実際の
ビームサイズを決定するにある。
【００３６】適当に収束され／視準されたビームがター
ゲット物質２０に向かって指向され、このビームは（そ
のフルーエンスが融除しきい値未満であるので）マーキ
ング可能物質１８を損傷することなく、また（マーキン
グ可能物質１８がレーザビームの波長に対して光透過性
であるので）この物質１８によって著しく吸収されるこ
となく、この物質１８を通過した後にターゲット物質２
０を照射する。フルーエンスがターゲット物質２０の融
除しきい値以上であるので、ターゲット物質２０の一部
が融除されてプラズマを形成し、ターゲット物質２０か
らマーキング可能物質１８の背面４０に向かって投げ出
される。プラズマは多数の微細なイオン粒子を含む高温
・高圧ガスである。融除された物質の一部または全部が
裏面４０上にレーザビーム通路の範囲内で付着する。そ
こでマーキング可能物質１８の裏面４０とその上に付着
した融除物質が全部レーザ照射を受ける。照射を受ける
結果、各物質が複雑に相互干渉させられて、マーキング
可能物質１８の表面物質がこの表面物質の中にドーピン
グされた融除物質によって変性される。プラズマがマー
キング可能物質１８の裏面４０を爆撃してガラスを軟化
し、微細欠陥を導入する。これらの表面変化により融除
物質のプラズマ粒子が裏面４０の中に埋込まれるのでガ
ラスが変性される。さらに変性されたガラスがレーザ照
射に対して光透過性でなくなり、逆に照射を吸収しはじ
める。これが相互作用をさらに増進する。従って、マー
キング可能物質１８の裏面４０上に永久的マークが形成
される。
【００３７】ターゲット物質２０から投げ出された融除
物質は運動エネルギーを有し、この運動エネルギーは融
除物質がマーキング可能物質１８の裏面４０に到達でき
る程度でなければならない。従ってターゲット物質２０
とマーキング可能物質１８との間隔は融除物質が到達で
きる程度に小さいことが重要であり、さもなければマー
キングが生じない。
【００３８】レーザ出力は脈動的出力である。従って、
マーキング可能物質１８は連続的に照射されることな
く、従ってもし吸収が生じなければ、蓄積された熱がパ
ルス間において消散させられ、マーキング可能物質１８
に対してなんらの熱的損傷を生じない。
【００３９】単一のパルスの中において融除とマーキン
グ相互作用とが生じうる程度にパルス時間が長くまた／
あるいはパルス間隔を短くすることができる。これは、
パルスの尾端がマーキング可能物質１８を通過してしま
う前に融除物質が裏面４０に到達する時間を有する場合
であって、この場合には融除物質が裏面４０に到達する
従って、相互作用を生じるのに必要な照射が存在する。
これは、後続の融除物質が堆積させられる前にすべての
融除物質が相互作用するのであるから、マーキングプロ
セス全体をよく制御することが可能となる。しかし、こ
れより短いパルス／より長いパルス間隔を使用して１つ
のパルスが融除を生じ次のパルスが相互作用を生じるよ
うにして満足な結果を得ることができる。
【００４０】しかしマーキングプロセスの多くのパラメ
ータを変更し、所望ならばコントローラ２６を使用して
制御することができる。マーキング可能物質１８の上に
ワード、ロゴ、画像、線図またはバーコードなどの所望
の印刷パタンまたはマークパタンを生じるためには、入
射ビームとマーキング可能物質１８とを相互に移動させ
る必要がある。これは、コントローラ２６を使用してビ
ーム走査装置１６を制御し、ビームをマーキング可能物
質１８上にパタンを形成するように移動させることによ
って達成することができる。コントローラ２６が必要な
運動を実施するようにプログラミングすることができ
る。任意適当な走査動作を使用することができる。例え
ばパタンの各構成部分を１つづつトレースすることがで
き、またはレーザビームをパタン全体にそってライン・
ラスタリングすることによって構成されたビルトアップ
・ラインとすることができる。ビーム走査装置１６は所
望の走査運動を生じることのできる任意の型とすること
ができる。特に適当な装置は検流計スキャナであって、
このスキャナの中においてビームは検流計ドライバによ
って駆動される可動ミラーによって方向付けられる。検
流計スキャナは高速、高精度および反復自在のビーム走
査を生じ、広く使用することができる。
【００４１】あるいは相対運動は、ビームを静止状態に
保持し、これに対してコントローラ２６の制御で並進ス
テージを移動させてマーキング可能物質１８を移動させ
ることによって達成することができる。また、マーキン
グ可能物質１８の大きな標本上に大きなパタンをマーク
するために、並進ステージ２４をビーム走査装置１６と
連動的に使用することができる。
【００４２】ビームまたはマーキング可能物質１８また
はその両方を移動させる際に、もちろんマーク形成のた
めターゲット物質２０を融除できるように、このターゲ
ット物質がビーム通路の中に留まることが重要である。
【００４３】レーザフルーエンスがマーキング可能物質
１８の融除しきい値未満の、しかしまたターゲット物質
２０の融除しきい値以上の必要限界値の範囲内にあるよ
うに、レーザフルーエンスをコントローラ２６によって
制御することができる。フルーエンスが低すぎるとマー
キング可能物質１８の裏面４０に物質を堆積させるため
の融除が生ぜず、従ってマーキングが生じない。これに
対してフルーエンスが高すぎると、マーキング可能物質
１８が融除によって損傷されて微細亀裂を生じる。エネ
ルギーメータ１４は照射光源１０のエネルギー出力を連
続的にモニタしてこれをコントローラ２６に通信するこ
とができ、コントローラ２６は照射光源出力を変更する
ことができ、また必要フルーエンスを生じるためのエネ
ルギー出力をプログラミングされることができる。従っ
て、フルーエンスが所望のレベルに保持されるように、
照射光源１０の出力変動を迅速に自動的に修正すること
ができる。
【００４４】もし必要なら、相互干渉、従ってマーキン
グの有無をモニタし修正することができる。ターゲット
物質２０の上側面、マーキング可能物質１８の裏面４０
およびこの裏面４０まで移動して堆積される融除物質か
ら散乱され反射される光を検出するために光デテクタ２
８が配備される。時間関数として検出される光量が裏面
４０上に堆積される融除物質の量と共に変動することを
測定結果が示している。堆積されない融除物質の関数と
堆積された融除物質の関数との間において関数形状が著
しく変動する。コントローラ２６は光デテクタ２８から
検出信号を受け、また２つのケースを識別するために関
数分析するようにプログラミングされることができる。
例えば、例えば、曲線下方の積分値はこれらの２つのケ
ースについて相異なる結果を示す。融除物質がほとんど
またはまったく裏面４０に達しないことをコントローラ
２６が認識すれば、コントローラ２６は修正動作をとる
ことができる。コントローラ２６は、接続３６にそって
信号を送る事によって、マイクロメータ２２を調整し
て、融除物質が裏面４０に到達できるようになるまでタ
ーゲット物質２０とマーキング可能物質１８との間隔を
低減させる。あるいは、または追加的に、コントローラ
２６はレーザフルーエンスを増大させることができる。
これにより、融除物質が間隔を横断するための運動エネ
ルギーを増大することができる。このようにしてマーキ
ングプロセスがリアルタイムで制御される。所望なら
ば、関数分析をより詳細に実施して、堆積された融除物
質の量または比率をコントローラによってモニタするこ
とができる。
【００４５】図２はフォトデテクタ２８によって検出さ
れた時間分解信号の記録例を示す。これらの例は、間隔
ｄの範囲において時間ｔに対する測定信号振幅Ａの変動
グラフとして図示されている。これらの結果は、銀ター
ゲットに対して融解石英基板（マーキング可能物質）を
マーキングすることによって得られた。レーザ波長は２
４８ｎｍ、パルス持続時間は２３ｎｓ、またレーザフル
ーエンスは７．２Ｊ／ｃｍ２（０．７２ｍＪ／ｍ２）で
あった。それぞれ１．９５ｍｍ、０．７９ｍｍ、０．５
４ｍｍおよび０．２２ｍｍの間隔に対するグラフが図示
されている。信号の形状が間隔と共に著しく変動するこ
とは明かである。大きな間隔においては、２つの初期ピ
ークが存在し、次に振幅の急速な降下が見られる。小さ
な間隔においては、振幅ははるかにゆっくりと減少する
が、これは光が裏面４０上に堆積した融除物質から散乱
され反射されていることを示す。裏面４０上の融除物質
の堆積はマーキングの発生することを意味する。
【００４６】カラー印刷またはカラーマーキングは相異
なるターゲット物質を使用することによって達成され
る。例えば銅は赤いマークを生じ、ケイ素は黒いマーク
を生じ、アルミニウムまたは銀は白いマークを生じ、ク
ロムは黄色いマークを生じ、チタンは灰色マークを生
じ、またタングステンは青いマークを生じる。これらの
色およびその他の色を得るためにその他のターゲット物
質を使用することができる。装置の他の部分を剥離しま
たは再構成することなくターゲット物質２０を変更する
のは簡単な手順であるから、マーキング可能物質１８の
単一の標本の多色印刷は容易に実施することができる。
【００４７】カラー範囲のほか、相異なる色調をも達成
することができる。マークの色調は裏面４０上にどれだ
けの融除物質が相互作用のために堆積されたかに依存す
るので、より多量の物質を堆積させれば濃い色調が得ら
れる。従って濃い色調を生じる簡単な方法はビームとマ
ーキング可能物質１８はそのままにして、所要量の融除
物質を数パルスで堆積させるにある。
【００４８】しかし、これより高度の制御を実施するこ
とができる。融除物質はターゲット物質から一定の運動
エネルギー範囲で投げ出されるのであるから、融除物質
のそれぞれの粒子はそれぞれの距離を走行することがで
きる。従って、間隔が非常に小さければ、すべての融除
物質が裏面４０に達する。しかしこの間隔が増大するに
従って、裏面４０に達するのに十分な運動エネルギーを
有する融除物質の割合が減少する。従って、単一の箇所
に多数のパルスを使用することなく間隔を増減させて所
望量の融除物質を堆積させることによりマークの色調を
変動させることができる。この間隔は、例えばフォトデ
テクタからの信号に応答してコントローラ２６によって
制御することができる。
【００４９】間隔の制御の代わりにまたは間隔制御と共
にレーザエネルギー・フルーエンスを制御することによ
って同様の効果を達成することができる。より高いフル
ーエンスは融除物質に対して、より大きな運動エネルギ
ーを与えるので、融除物質のより大きな割合が裏面４０
に達してマークを形成し、より濃い色調を生じることが
できる。
【００５０】図３は本発明の方法の実施態様を使用する
ことによってガラス上に印刷されたマークの例を示し、
それぞれ相異なるカラーと相異なる色調を表示する。実
施例４２，４４および４６は赤色で印刷されたパタンで
あって、それぞれ相異なる色調を示す。実施例４２は最
も明るい色調であり、実施例４６は最も濃い色調であ
る。実施例４８と５０は黒色で印刷されたパタンであっ
て、実施例４８は実施例５０より明るい色調を有する。
付図に示すスケールの各小区分は１ｍｍであって、印刷
の分解度と解像度を詳細に示す。
【００５１】図４（ｂ）は本発明の方法の実施態様を使
用してガラス基板上に印刷されたパタンの他の例を示
し、達成可能の上質印刷を表示する。印刷線の縁部には
微細亀裂またはその他の損傷は見られない。この画像
は、スケールによって示されるように拡大されている。
比較の目的から、図４（ａ）は通常のレーザ融除技術に
よってガラス基板上にマーキングされた同様のパタンを
示す。通常のレーザ融除は非常に劣った品質の画像を示
し、ガラスの中に熱誘導応力によって生じる微細亀裂の
形の多数の損傷が見られる。図４（ａ）のレーザ融除パ
タンは３２Ｊ／ｃｍ ２（３．２ｍｌ／ｍ２）のレーザフ
ルーエンスによって得られたのに対して、図４（ｂ）の
パタンははるかに低い２．５Ｊ／ｃｍ２（０．２５ｍｌ
／ｍ２）のフルーエンスによって得られた。図４（ｃ）
はガラス基板上のロゴマークおよび中国の詩と絵画のレ
ーザマーキング画像を示す。これらの画像は、処理パラ
メータを適当に選択し、またこれに関連して検流計の制
御のためにデジタル画像ファイルからベクトル・ファイ
ルにファイル変換して前記の技術を使用して得られた。
このようにして、本発明の方法は通常技術より一桁低い
レーザフルーエンスを使用して実施することができるの
で、本発明の方法はそれだけ低コストで安全である。こ
れらの両方のパタンを製造するためにＮｄ：ＹＡＧレー
ザが使用された。
【００５２】本発明の方法および装置を使用するには多
くの照射光源が適当である。レーザ光線は適当なフルー
エンスレベルを生じることのできる簡便な光源である。
さらに詳しくは紫外線から赤外線までの任意の波長を使
用することができるが、与えられた印刷工程に対する光
源の選択は使用される物質に依存している。例えば、図
１に図示の構造が使用される場合、使用される波長はマ
ーキング可能物質が実質的に透過性となる波長でなけれ
ばならない。前述のように照射パルスの使用が好ましい
が、連続的な波長照射によってもマーキングを実施する
ことができる。前記のナノ秒周波数−二重ダイオードポ
ンピング型Ｎｄ−ＹＡＧレーザがシステムの信頼性とコ
ストの観点から特に適当な光源である。
【００５３】図１に図示の装置は、より多くのまたはよ
り小数のフィーチャを備えるように変更することができ
る。例えば、フルーエンスと間隔の変更は、コントロー
ラの制御によって実施するのでなく手動的に実施するこ
とができ、エネルギーメータとフォトデテクタの読取値
に対応して実施することができ、あるいは目視観察によ
るマーキングプロセスの判断によって実施することがで
きる。パルス照射が使用される場合、遅延線を有するあ
る種の電子トリガリングを使用して、フォトデテクタが
マーキングと同期的に作動して検出された信号の予選択
部分のみを分析できるようにすることができる。例えば
照射光源の波長などの他のパラメータをモニタするため
に（特に回転式光源を使用する場合）、前記以外のデテ
クタと検流計を使用することができる。
【００５４】マーキング可能物質、ターゲット物質およ
び照射ビームの方向の前記以外の組合わせを使用するこ
とができる。このようにして、本発明の方法を不透過性
物質のマーキングに使用することができる。例えば、照
射ビームがマーキング可能物質を貫通するのでなくマー
キング可能物質とターゲット物質との間を通過すること
ができるようにターゲット物質上に斜方向に向けられ
る。この場合、マーキング可能物質の面を照射に露出す
るように、第２照射ビームを使用することができる。ま
た、ターゲット物質とマーキング可能物質との特定の組
合わせにおいて相異なる波長またはフルーエンスによっ
て相互干渉の得られることが発見された場合には２つの
別々のビームを使用することができる。
【００５５】前述において、用語「マーキング可能物
質」とは、本発明の趣旨の範囲内にある方法によってマ
ーキングすることのできる任意物質を意味するものとす
る。この方法は特にガラスなどの不透過性の硬質物質に
関するものであるが、また本発明は乳白ガラスおよびセ
ラミックスなどの微細亀裂を生じる傾向のある他の硬質
物質、および対応の照射ビームを受けた時に堆積された
融除物質と表面物質との間の相互作用によってマーキン
グされるなんらかの物質にも適用される。用語「透過
性」とは、好ましくはこの物質に対して不適当な損傷を
与えることなく適当な融除を生じるのに十分な入射照射
ビーム量を下層のターゲット物質に対して伝送する物質
を言うものとする。用語「硬質」とは、高レベルの硬度
を有し、脆弱で、微細亀裂を生じる傾向のある物質を言
うものとする。
【００５６】本発明の主旨の範囲内において、本発明の
請求の範囲に関連するとしないとに関わらず、または本
発明によって呈示された任意またはすべての問題点を解
決するとしないとに関わらず、本明細書において明示的
にまたは暗示的に開示された任意の新規フィーチャまた
はフィーチャ組合わせまたはその任意の一般化が含まれ
るものとする。またここに出願人は、本出願またはこれ
から誘導される任意の他の出願の提出に際して、これら
のフィーチャに対して新規な請求項が編成されることを
注意しよう。さらに詳しくは、出願された請求項に関し
て言えば、それぞれの請求項のフィーチャがそれぞれ別
個の請求項のフィーチャと組合わされることができ、ま
たそれぞれの請求項のフィーチャが、それぞれの請求項
に記載された特定の組合わせのみでなく、任意適当な手
法で組合わされる。
【００５７】本発明は前記の説明のみに限定されるもの
でなく、その趣旨の範囲内において任意に変更実施でき
る。
【００５８】さらに疑義を差し挟む余地のないように言
えば、用語「含む」は「のみから成る」の意味に限定さ
れるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第２アスペクトによる装置の実施例を
示す概略図。
【図２】図１の装置の一部を成すフォトデテクタの応答
例を示すグラフ。
【図３】図１の装置を使用してガラス基板上にマーキン
グされたパタン例を示すグラフ。
【図４ａ】通常のマーキング法を使用してガラス上にマ
ーキングされたパタン例を示す図。
【図４ｂ】本発明による方法および装置を使用してガラ
ス上にマーキングされた同一パタンの図。
【図４ｃ】図１の装置を使用してガラス基板上に描写さ
れたＤＳＩロゴ、中国の詩、ＤＳＩビルディングの写真
および絵画を示す図である。
【符号の説明】
１０ 照射光源（レーザ） １２ ビームスプリッター １４ エネルギーメータ １６ ビーム走査装置 １８ マーキング可能物質 ２０ ターゲット物質 ２２ マイクロメータ ２４ 並進ステージ ２６ コントローラ（ＰＣ） ２８ フォトデテクタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミンヒュイ、ホン シンガポール国シンガポール、チョア、チ ュー、カン、アベニュ、３、ナンバー05- 292、ブロック、288 (72)発明者 ヨンフェン、ルー シンガポール国シンガポール、ユーロン、 イースト、ストリート、21、ナンバー08- 310、ブロック、287デー Ｆターム(参考） 2C362 AA03 AA53 AA54 CA18 CB67 4E068 AB01 CA02 CC01 DB10 DB12 DB13

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ターゲット物質の標本をマーキング可能物
    質の標本から離間配置する段階と、 ターゲット物質の少なくとも一部が融除されてマーキン
    グ可能物質の表面上に投げ出されるようにターゲット物
    質の融除しきい値以上のエネルギーフルーエンスを有す
    る照射ビームをターゲット物質上に指向する段階と、 前記マーキング可能物質の表面に対して、このマーキン
    グ可能物質の融除しきい値未満のエネルギーフルーエン
    スを有する照射ビームを露出して、前記の融除された物
    質と前記のマーキング可能物質の表面との間に相互作用
    を生じて、前記マーキング可能物質の表面を前記融除さ
    れた物質によってマーキングする段階とを含むレーザマ
    ーキング法。
  2. 【請求項２】照射ビームがマーキング可能物質を通して
    ターゲット物質上に指向されるように、マーキング可能
    物質がターゲット物質に対して配置されていることを特
    徴とする請求項１に記載のレーザマーキング法。
  3. 【請求項３】マーキング可能物質が実質的に照射ビーム
    に対して透過性であることを特徴とする請求項２に記載
    のレーザマーキング法。
  4. 【請求項４】照射ビームがパルス列として加えられるこ
    とを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレー
    ザマーキング法。
  5. 【請求項５】融除と相互作用が同一の照射パルスによっ
    て実施されることを特徴とする請求項４に記載のレーザ
    マーキング法。
  6. 【請求項６】融除と相互作用が相異なる照射パルスによ
    って実施されることを特徴とする請求項４に記載のレー
    ザマーキング法。
  7. 【請求項７】さらに照射フルーエンスをモニタする段階
    を含むことを特徴とする請求項１０６のいずれかに記載
    のレーザマーキング法。
  8. 【請求項８】さらにモニタリングに対応して照射ビーム
    のフルーエンスを制御する段階を含むことを特徴とする
    請求項７に記載のレーザマーキング法。
  9. 【請求項９】さらに、前記表面、ターゲット物質および
    融除された物質から反射され散乱される照射量を検出し
    分析する段階を含むことを特徴とする請求項１乃至８の
    いずれかに記載のレーザマーキング法。
  10. 【請求項１０】融除された物質がマーキング可能物質の
    表面上に投げ出されるように、前記反射され散乱された
    放射量の分析に対応してターゲット物質とマーキング可
    能物質との間隔を調整する段階を含むことを特徴とする
    請求項９に記載のレーザマーキング法。
  11. 【請求項１１】マーキング可能物質の表面上に投げ出さ
    れる融除物質の量が前記表面上に所望の色調のマークを
    マーキングするのに十分となるようにターゲット物質と
    マーキング可能物質との間隔を設定する段階を含むこと
    を特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のレー
    ザマーキング法。
  12. 【請求項１２】融除されてマーキング可能物質上に投げ
    出されるターゲット物質の量が前記表面上に所望色調の
    マークをマーキングするのに十分となるように照射ビー
    ムのフルーエンスを設定する段階を含むことを特徴とす
    る請求項１乃至１１のいずれかに記載のマーキング法。
  13. 【請求項１３】マーキング可能物質の表面に所望パタン
    に従ってマーキングするように照射ビームの方向とマー
    キング可能物質の標本とを相互に移動させる段階を含む
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の
    レーザマーキング法。
  14. 【請求項１４】ターゲット物質が銅、ケイ素、アルミニ
    ウム、銀、クロム、チタン、タングステンおよびその他
    の金属、半導体またはその他の固体物質のいずれか１つ
    であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに
    記載のレーザマーキング法。
  15. 【請求項１５】照射が光学照射であることを特徴とする
    請求項１乃至１４のいずれかに記載のレーザマーキング
    法。
  16. 【請求項１６】ターゲット物質の標本と、 放射ビームを発生するように作動する照射光源とを備
    え、 前記ターゲット物質の標本から離間されたマーキング可
    能物質の標本の表面上に融除された物質が投げ出される
    ようにターゲット物質の少なくとも一部を融除し、ま
    た、 前記マーキング可能物質の標本の表面を照射して融除さ
    れた物質と前記表面との間に相互作用を誘発することに
    よって、前記表面を融除物質をもってマーキングするよ
    うに成されたマーキング可能物質の標本のレーザマーキ
    ング装置。
  17. 【請求項１７】さらに少なくとも照射光源の動作を制御
    するように作動するコントローラを含むことを特徴とす
    る請求項１６に記載のレーザマーキング装置。
  18. 【請求項１８】前記コントローラによって制御されて、
    前記表面が所望パタンに従ってマーキングされるために
    前記照射と前記マーキング可能物質の標本との間に相対
    運動を生じるように作動する走査装置を含むことを特徴
    とする請求項１６または１７のいずれかに記載のレーザ
    マーキング装置。
  19. 【請求項１９】前記走査装置は照射ビームを走査するよ
    うに作動する検流計に基づくビームスキャナを含むこと
    を特徴とする請求項１８に記載のレーザマーキング装
    置。
  20. 【請求項２０】さらに照射ビームのエネルギーを測定し
    てこの測定値を前記コントローラに送付するエネルギー
    メータを含み、前記コントローラは前記測定値に応答し
    て前記照射光源を制御するように作動することを特徴と
    する請求項１６乃至１９のいずれかに記載のレーザマー
    キング装置。
  21. 【請求項２１】さらにターゲット物質標本とマーキング
    可能物質標本との間隔を調整するように作動する調整可
    能ステージを含むことを特徴とする請求項１６乃至２０
    のいずれかに記載のレーザマーキング装置。
  22. 【請求項２２】さらにマーキング可能物質およびターゲ
    ット物質の表面および融除された物質から散乱され反射
    された照射量を検出してこの検出信号を前記コントロー
    ラに送付するように作動するデテクタを含み、前記コン
    トローラが前記検出信号に応答して前記調整可能ステー
    ジを作動するように成されたことを特徴とする請求項２
    ０に記載のレーザマーキング装置。
  23. 【請求項２３】照射光源が光学的照射ビームを発生する
    ことを特徴とする請求項１６乃至２２のいずれかに記載
    のレーザマーキング装置。
  24. 【請求項２４】実質的に付図１，２，３および４（ｂ）
    について説明されたようなレーザマーキング装置。
  25. 【請求項２５】実質的に付図１，２，３および４（ｂ）
    について説明されたようなレーザマーキング法。
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