JP5826387B2 - Method and apparatus for optimally laser marking an object - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to laser marking on an object. In particular, the present invention exposes the underlying surface of the object by laser ablating the coating applied to the object, thereby contrasting the appearance between the exposed surface of the object and the adjacent residual coating. It is related with the laser marking to the target object which forms a mark by this. In addition, the first coating or the uppermost coating layer is laser ablated to expose the base of the second coating layer, and a contrast is provided between the exposed second coating and the adjacent first coating. This mark may be formed by forming a mark. The laser parameters are selected so that they have a uniform and commercially desirable appearance, maintain system throughput in an acceptable range, and do not damage the underlying surface.

発明の背景Background of the Invention

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。   Products that are sold generally require some kind of marking on the product for commercial, regulatory, decorative, or functional purposes. A mark refers to a continuous region or range on the surface of an object that is visually contrasted with an adjacent surface. Desirable attributes for marking include consistent appearance, durability, and ease of application. Appearance refers to the ability to reliably and repeatably have a selected shape, uniform color, and optical density for a mark. Durability refers to the property of remaining unchanged despite wear on the marked surface. Ease of application refers to the time and resources to generate a mark, including the cost of the material and being programmable. Programmable means that the marking device can be programmed with a new pattern to be marked by changing the software rather than changing the hardware such as the screen or mask.

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。   Of particular concern is the creation of marks on coated or painted objects. Objects made of metal or various types of plastics are often painted or coated with various industrial coatings to protect or change the appearance of the surface of the object. Laser ablating the coating, particularly the pattern, to remove the coating and expose the underlying surface of the object is a desirable method for marking the object. Covering the object with two or more coatings and laser ablating the first coating to expose the second coating substrate is another desirable method for marking. Marking the product by using a laser to remove the coating and expose the substrate of the object is disclosed in US Patent Application Publication No. 2008/0152859 by inventor Shogo Nagai, published June 26, 2008. It is stated in. This method uses a coating brightness that is brighter than the surface of the object. Japanese Patent Application No. 03-150842 by inventor Noboru Iwasaki, published on October 29, 1992, describes using a laser to remove one or more coating layers and exposing the underlying layer of the coating layer.

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。   Common to these documents is that in order to remove the coating without removing the material underlying the removed coating layer, the laser ablation threshold of the material to be removed is set to the laser ablation threshold of the underlying material. It must be lower than that. The laser ablation threshold is the minimum energy required for material removal. This removal may be ablation in which sufficient energy is injected into the material by the laser and the material dissociates into a plasma, or a thermal one that the material essentially melts and evaporates. Or a combination of the two. What is related to the ablation threshold is the damage threshold. The damage threshold is the minimum laser energy required to cause an undesirable change in material appearance. Material damage thresholds are generally lower than ablation thresholds and sometimes much lower than ablation thresholds. Damage is defined as an undesirable change in the appearance of the material comprising the underlying coating after laser removal of the object or top layer.

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。 FIG. 1 shows an example of a prior art tool path for marking an object. A tool path refers to a series of positions on an object that are exposed to laser radiation to generate a mark. This laser radiation may be continuous wave (CW) or pulsed. In either case, the laser and the optical system have a laser beam that is an optical path through which either pulsed or CW laser energy propagates when excited to the extent that the laser emits. FIG. 1 shows an object 10 covered with an opaque coating 11. Shape 12 shows the outline of the area where material is removed to form the mark. The tool path 13 is laid out so that the laser begins to remove material at the starting point 14. Then, the laser beam is moved along the tool path 13 with respect to the object 10 to remove the material until the end point 16 is reached. This tool path is optimized to configure the tool path to maximize the time the laser actually spends removing material compared to positioning the laser beam without cutting. The FIG. 2 shows the result of removal of the material shown in FIG. In the object 20 having the coating 21, the coating is removed from the region of the mark 22, and the underlying materials 24 and 26 are exposed. In this case, the laser irradiation density that optimizes the material removal rate of the portion forming the “T” -shaped vertical portion 24 is selected. The irradiation density is a ratio per unit area of the laser energy irradiated on the surface of the object, and is measured in units of watts / cm 2 . This irradiation density causes damage or undesirable appearance to other portions 26 of the “T” shape, making the appearance of the mark unacceptable. The prior art solution to this problem is to slow down the laser movement relative to the object or to reduce the illumination density, both of which are undesirable because they reduce throughput.

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。   What is desired but not disclosed in the prior art is that the ablation threshold for the material to be removed is close to or lower than the damage threshold of the underlying material, or even if the damage threshold changes due to previous laser processing. This is a reliable and repeatable material removal method that does not damage the underlying material. And what is needed is to use a laser to remove a layer of the coating on the coated object without undesirably damaging the underlying material while maintaining acceptable system throughput. A method for reliably and repeatably generating marks having a desired appearance.

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。 Aspects of the present invention use a laser marking system on a coated object to produce marks having desired characteristics. The laser marking system has a storage device and a controllable laser fluence. Fluence is defined as the cumulative laser energy irradiated per unit area and is measured in units of joules / cm 2 . Aspects of the invention determine a first laser fluence associated with generating a mark having a desired characteristic in a first portion of the mark. An aspect of the invention then determines a second laser fluence associated with generating a mark having a desired characteristic in the second portion of the mark. These fluences are stored in the storage device of the laser marking system. The laser marking system then marks the sample using the stored first laser fluence in the first part of the mark and uses the stored second laser fluence in the second part of the mark. To instruct the sample to be marked, thereby marking the sample with the desired properties.

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。   To form a mark on a coated object by ablating the top coating layer to expose another coating or surface of the object, the ablation threshold for the material to be ablated is Must be below the ablation threshold for. In many cases this is possible by appropriate selection of materials. For example, the top coating or paint that is darker or less reflective than the underlying layer absorbs more laser energy than the underlying layer and is typically ablated at a lower fluence threshold.

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。   Aspects of the present invention take into account the damage threshold at the time of marking in order to generate a mark that exhibits the desired appearance. In order to generate marks efficiently, the irradiation density is adjusted to maximize the material removal rate without damaging the underlying material. Irradiation density is a measure of the fraction of energy irradiated on the surface of the object, and the tool path indicates the time that the laser beam is directed to each point on the mark, so combine the irradiation density with the tool path. This determines the fluence. The laser beam illumination density and tool path are greater than the ablation threshold of the material to be removed and smaller than the damage threshold of the underlying material, while maximizing the speed of movement of the laser beam relative to the object to maximize throughput. Is calculated as follows. The difficulty is that these thresholds can be different for different areas of the mark at different times during the marking process. Laser parameters that provide a commercially desirable appearance and an acceptable material removal rate, and thus an acceptable throughput in certain areas of the mark, can damage the underlying material in other areas of the mark. FIG. 2 shows the result of laser marking an object with a single illumination density and moving speed, the result being non-uniform and commercially unacceptable. While it may be possible to select a set of laser parameters that produce a mark with a commercially desirable appearance, the resulting material removal rate is the fastest of the acceptable removal rates for all parts of the mark Do not exceed that, which will unacceptably reduce throughput. Aspects of the invention divide the area to be marked into smaller areas and optimize the material removal rate for each area of the mark depending on the shape of the mark and the characteristics of the laser pulse used. By calculating the laser parameters for the area, the laser parameters used in producing the commercially desired mark are determined.

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。   The damage threshold for a material at a particular location is not only dependent on the irradiation density of the laser currently directed at that location, but also on the recent history of exposure to laser radiation. Therefore, the appearance of the material after laser processing cannot be appropriately predicted simply by measuring the laser fluence. This is because previous irradiation at or near that location tends to heat the material. This heating can have a cooling time constant that can exceed the time between passes of the laser beam. This allows the material to retain heat from previous passes in subsequent passes of the laser, reducing the damage threshold at a particular location at that particular time. Aspects of the present invention calculate this residual heat based on the mark shape and planned dimensions and the timing of the laser pulses used to ablate the topmost material. Based on the calculated residual heating, aspects of the present invention vary the laser fluence to compensate for the damage threshold that was lowered by previous laser irradiation. This change depends on the specific area of the mark to be processed, previous laser irradiation on or near this area, and the waiting time from previous irradiation.

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。   Aspects of the present invention provide laser pulse parameters such as pulse duration and pulse replenishment speed or spot size or laser beam position, or to increase laser marking system throughput while avoiding damage to the underlying material, or Control various laser parameters including tool path parameters such as laser beam velocity. The laser is selected to achieve the desired material removal rate, and the power, repetition rate, pulse time shape and pulse duration are selected. Then, the tool path, that is, the position where the laser irradiates the object to form the mark and the number of times are calculated so as to obtain a desired material removal speed while avoiding damage to the underlying material. An example of a tool path calculation is the spacing between subsequent pulses on the object that is controlled by changing the speed of relative motion between the laser pulse and the object. Another example of a tool path calculation is a spot size that controls the illumination density by moving the focal spot in the Z axis to a point above or below the surface of the object. A further example of calculating the tool path calculates the spacing between adjacent columns of pulse positions. A tool path is selected that covers the area to be marked in the line moved by the raster technique. The set of lines to be moved is divided into subsets, and the laser marking thermal load is determined for each region. The heat load can be calculated, estimated or measured empirically. The laser irradiation density is adjusted by changing the laser parameters based on the thermal load determined for each subset.

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。   Aspects of the present invention control the laser output. In order for the tool path to be easily selected by the present invention, the laser pulses need to be turned on and off very accurately under the control of the laser marking system. Aspects of the present invention control the laser illumination density accurately enough to obtain a tool path that produces marks having commercially desirable uniformity, color, texture, and shape. An optical switch is used to switch the laser beam on and off at high speed without turning the laser on and off. Aspects of the present invention use an acousto-optic modulator (AOM) to accurately and rapidly modulate a beam so that the beam is directed to an object or propagates to a beam dump without adverse effects. Orient.

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。   Embodiments of the present invention are realized by modifying an existing laser micromachining system, the ESI model ML5900 laser micromachining system manufactured by Electro Scientific Industries, Portland, Oregon, 97229, USA. This system is described in detail in “ESI Service Guide ML5900” No. 178472A, published in October 2009, by Electro Scientific Industries, Portland, Oregon, 97229, which is hereby incorporated by reference in its entirety. Included in the description. Improvements include adding electro-optic devices to control fluence changes and to allow more precise control of laser fluence in real time.

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。   Another aspect of the present invention uses an infrared (IR) camera focused on the object to measure the temperature of the marked object. The infrared camera detects the heat released from the surface of the object in the area to be marked and communicates this information to the controller, which adjusts the laser fluence to compensate for the heat remaining on the object. . For a particular object with a particular coating applied, a given reading from the IR camera will determine the amount of fluence that should be used to remove the topmost coating without undesirably damaging the underlying material. The IR camera is calibrated as shown to produce a mark with the desired appearance.

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。   Objects that are coated with visible marks having a desired commercial quality to accomplish the above-described matters in accordance with these and other aspects specifically and broadly described herein for purposes of the present invention. Disclosed herein is a method of generating above and an apparatus adapted to perform the method. Included is a laser processing system having a laser operatively connected to a controller having stored predetermined laser pulse parameters, a laser optical system, and a motion stage. The stored laser pulse parameters are associated with a desired fluence that is selected depending on the area of the mark being processed to produce a mark having commercially desirable characteristics.

図1は、従来技術のマーキングを示すFIG. 1 shows a prior art marking. 図2は、従来技術のマークを示す。FIG. 2 shows a prior art mark. 図3は、算出されたフルエンス領域を示すマークを示す。FIG. 3 shows marks indicating the calculated fluence area. 図4は、改良レーザマーキングシステムを示す。FIG. 4 shows an improved laser marking system. 図5は、改良レーザマーキングシステムを示す。FIG. 5 shows an improved laser marking system. 図6は、改良レーザマーキングシステムを示す。FIG. 6 shows an improved laser marking system. 図7は、改良レーザマーキングシステムを示す。FIG. 7 shows an improved laser marking system. 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。FIG. 8 shows an improved laser marking system with feedback.

好ましい実施形態の詳細な説明Detailed Description of the Preferred Embodiment

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。   Embodiments of the present invention use a laser marking system on a coated object to generate a mark having the desired characteristics. The laser marking system has a storage device and a controllable laser fluence or dose. Embodiments of the present invention determine a first laser fluence associated with generating a mark having a desired characteristic in a first portion of the mark. An aspect of the invention then determines a second laser fluence associated with generating a mark having a desired characteristic in the second portion of the mark. These fluences are stored in the storage device of the laser marking system. The laser marking system then marks the sample using the stored first laser fluence in the first part of the mark and uses the stored second laser fluence in the second part of the mark. To instruct the sample to be marked, thereby marking the sample with the desired properties. Embodiments of the present invention provide laser pulse parameters such as pulse duration and pulse replenishment rate and spot size and laser beam position to increase the throughput of the laser marking system while avoiding damage to the underlying material, Alternatively, the laser fluence is controlled by controlling various laser parameters including tool path parameters such as laser beam velocity. Typically, the laser is selected to achieve the desired material removal rate, and the power, repetition rate, pulse time shape, and pulse duration are selected. Then, the tool path is calculated so as to obtain a desired material removal rate while avoiding damage to the base material.

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。   An example of a tool path calculation is the spacing between subsequent pulses on the object that is controlled by changing the speed of relative motion between the laser beam and the object. Another example of a tool path calculation is a spot size that controls the illumination density by moving the focal spot in the Z axis to a point above or below the surface of the object. A further example of calculating the tool path calculates the spacing between adjacent columns of pulse positions. A tool path is selected that covers the area to be marked in the line moved by the raster technique. The set of lines to be moved is divided into subsets, and the laser marking thermal load is determined for each region. The heat load can be calculated, estimated or measured empirically. The laser irradiation density is adjusted by changing the laser parameters based on the thermal load determined for each subset.

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。   Embodiments of the present invention control the output of the laser. In order for the tool path to be easily selected by the present invention, the laser pulses need to be turned on and off very accurately under the control of the laser marking system. Aspects of the present invention control the laser illumination density accurately enough to obtain a tool path that produces marks having commercially desirable uniformity, color, texture, and shape. Aspects of the present invention use an acousto-optic modulator (AOM) to accurately and rapidly modulate a beam so that the beam is directed to an object or propagates to a beam dump without adverse effects. Orient.

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。   FIG. 3 is an improvement used by embodiments of the invention. The object 30 is covered with a coating 31, and the coating 31 in the shaping region 32 is removed. The laser begins to remove material from the starting point 34 along the tool path 33 and removes material as it travels to point 36 as represented by the solid line. At point 36, the laser is turned off and the laser marking system repositions the object relative to the laser beam as represented by the dotted line to begin removing material at point 38 when the laser is turned on. To do. The laser continues cutting and repositioning until reaching the end point 40. Removing material by a raster scan technique means that for adjacent tool path lines of similar length, the delay between adjacent points being laser processed is constant, so the temperature of the material being laser processed is Means constant. This assumes that the moving speed of the laser beam relative to the object is constant.

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。   With this tool path method, the temperature rise will be constant along the line, but the temperature rise will vary with different lengths of retrace time and line breakage, thus potentially reducing the appearance of the underlying material. Come different. For example, after the laser moves from the start point 34 and removes material to the end point 36 of the stroke, the time between repositioning and starting the next stroke 38 starts the material removal at the upper end 41 of the longer stroke. However, after the material is removed to the end point 42 of the stroke, it differs from the time until it is repositioned at the upper end 44 of the next stroke. Because this time is different, the temperature at point 38 when the laser begins to remove material will be different from the temperature of the material at point 44, and the underlying material potentially has an undesirable appearance in these respects. It will be.

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。   Embodiments of the present invention solve this problem by dividing the tool path into regions based on the length of the stroke being machined. FIG. 4 shows an object 50 covered with a coating 51 having marks 52 to be laser machined. The stroke is intended to be a vertical raster as shown in FIG. The mark is divided into regions 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66 having similar adjacent strokes of approximately the same length. For each stroke length group, a laser fluence is selected that can remove material at a desired rate while compensating for the temperature rise expected to be caused by adjacent strokes. In this way, for example, the region 66 has a shorter stroke than the region 64, and the time between the strokes is shortened, so that the temperature becomes higher and the fluence is lowered. Lines can be grouped due to tolerances in laser-material interaction. Similar laser fluences have a similar effect on the material, even if the temperature may vary slightly between the processing steps in the group. In this example, the first region 54 is processed with a laser fluence, and when the processing moves to the next region 56, the fluence is set so that the appearance of the base material is the same while maintaining the throughput within an allowable range. Is lowered. The laser fluence is continuously adjusted for each of the remaining regions 58, 60, 62, 64, and 66. FIG. 5 shows the result of applying an embodiment of the present invention to generating a mark 72 on a coating object 70 coated with a coating 71. The underlying material 74 visible in the mark 72 does not exhibit damage or a non-uniform appearance, which is a desirable result.

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。   Embodiments of the present invention control the rate of material removal and the continuous appearance of the underlying material by controlling the laser fluence. Laser fluence can be controlled by controlling laser output energy, beam size, shape or pulse duration. However, it is typically more desirable to control tool path parameters such as speed and pitch between lines to maintain maximum material removal rate. A simple way to maintain a uniform appearance of the underlying material is to stop between strokes so that the material is completely cooled before processing of the next stroke. Tests on sample objects have shown that a delay of about 10 milliseconds is required between strokes to ensure that the material is sufficiently cooled to avoid damage. Inserting this delay provides a uniform appearance, but slows the process to an unacceptable extent. Embodiments of the present invention control the laser fluence precisely and accurately using changes in tool path parameters such as speed, spot size, pitch, etc., in addition to laser pulse parameters, to achieve commercially desirable colors, light densities, A mark having uniformity, texture, and shape is produced on the coated material. Embodiments of the present invention use an acousto-optic modulator (AOM) to switch the laser pulses on and off to help ensure that the tool path dimensions are accurate. Optionally, embodiments of the present invention measure the temperature of the object being marked using an infrared (IR) camera to determine the tool path.

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。   Embodiments of the present invention use an optical switch that turns the laser beam on and off without turning the laser on or off. Embodiments of the present invention use AOM to direct the laser beam from the normal path by diffraction into a beam dump that is emitted without adversely affecting the laser beam energy to the surface of the object. Modulating the fluence of the laser beam by reattaching. AOM is used because it can modulate the laser beam very quickly. High speed modulation is advantageous for embodiments of the present invention because the laser marking system allows the laser beam to be turned on and off quickly and accurately without disturbing the laser itself. .

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。   FIG. 6 shows a diagram of an improved ESI model ML5900 laser micromachining system 80 adapted to mark objects as an embodiment of the present invention. This example application includes a laser 82 and an AOM fluence attenuator 84. A laser pulse is emitted by the laser 82 and directed to the beam shaper 86 and AOM 84 by a series of mirrors and other optical elements (not shown) and then optical by another series of mirrors and optical elements (not shown). Directed to the head 88. The optical head includes X, Y, and Z motion control elements 90 and a galvanometer block 92. These elements are combined to position a laser beam (not shown) with respect to the object 98 to be marked to generate a two-dimensional display of the mark on the surface of the object 98. The object 98 is attached to a rotary stage element 94 that aligns the object 98 from the load / unload position to below the optical head 88 (not shown). In optical head 88, object 98 is marked and then to optical inspection station 96, which inspects object 98 before alignment to return to load / unload station 96 for unloading. The alignment of the object 98 is performed. All of these operations are performed under the control of the controller 100. The controller 100 adjusts the operation of the laser 82, AOM 84, motion control element 90, galvanometer block 92, and rotary stage 94 to irradiate the appropriate location on the object 136 with the appropriate laser fluence and provide a commercially desirable appearance. A mark having

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。 Improved laser 82 is a diode-pumped Nd: YVO 4 solid state laser operating at a triple frequency of 355 nm wavelength, model Vanguard manufactured by Spectra-Physics, Santa Clara, Calif., USA. Laser 82 is configured to generate up to 2.5 W, but typically operates at an 80 MHz mode-locked pulse repetition rate that produces approximately 1 W of power. In embodiments of the present invention, lasers having a power of 0.5 watts to 100 watts, more preferably 0.5 watts to 12 watts, can be advantageously used. A laser repetition rate of 10 KHz to 500 MHz, more preferably 1 MHz to 100 MHz can be used. Laser 82 cooperates with controller 100 to generate a laser pulse having a duration of about 1 picosecond to 1,000 nanoseconds, more preferably 100 picoseconds to 100 nanoseconds. The temporal and spatial distribution of pulses is typically Gaussian. Combining the motion control element 90 and the galvanometer block 92 enables beam positioning relative to the object. In an embodiment of the present invention, a laser spot is used whose size measured on the object is in the range of 5 microns to 500 microns, more preferably in the range of 10 microns to 100 microns. The beam velocity used in this system, i.e. the relative movement between the laser beam and the object, is in the range of 10 mm / s to 1 m / s, more preferably in the range of 50 mm / s to 500 mm / s. The pitch, ie the spacing between adjacent lines of laser pulses, can be in the range of 1 micron to 250 microns, more preferably in the range of 10 microns to 50 microns.

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。   Embodiments of the present invention use a diffractive beam shaper optical system to change the typical Gaussian spatial profile of the laser beam into a “top hat” shape so that the distributed laser power is uniform across the laser spot area. This improves the performance over a typical Gaussian beam profile because the laser fluence of the top hat is equal in the region of the focal spot, so that the material removal and damage thresholds are equal across the spot. In a Gaussian profile, assuming that the ablation threshold is exceeded at some point in the profile, the focal spot area within the ablation threshold area exceeds the ablation threshold, and the area of the focal spot outside the ablation threshold does not remove material while damaging it. May occur. The use of diffractive optical elements in microfabrication is due to inventors Corey M. Dunsky, Xinbing Liu, Nicholas J. Croglio, Ho W. Lo, Bryan C. Gundrum, and Hisashi Matsumoto, published on August 13, 2002. U.S. Pat. No. 6,433,301. This patent is assigned to the assignee of the present invention and is hereby incorporated by reference in its entirety.

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。   The embodiment of the present invention shown in FIG. 7 adds the application of real-time feedback to the laser marking system so that prior to laser fluence can be obtained by obtaining IR information from the object in real time while marking. Complementing the calculation produces a mark with a commercially desirable appearance. In the embodiment shown in FIG. 7, the laser 120 directs the laser beam 122 through the diffractive optics 125 to the optical switch 124 (in this case AOM) and then the beam steering optics 126 (in this case). Galvanometer block with a galvanometer set at a right angle and arranged to guide the laser beam 122 in a programmable X, Y pattern on the surface of the object 130. The object 130 to be marked is fixed on a motion control stage 132 that cooperates with the beam steering optics 126 to direct the laser beam 122 into a programmable pattern on the surface of the object 130. An infrared (IR) sensor 128 is adapted to detect the temperature of the surface of the object 130 when marking with the laser beam 122. In this way, the temperature of the next portion of the surface of the object 130 to be marked can be measured by the IR sensor 128 and sent to the controller 134. Based on the measured temperature of the object 130, the controller 134 calculates the optimal fluence to use and directs the laser beam 122 to the appropriate position of the object 130 at the appropriate fluence to produce a commercially desirable appearance. Instructing the laser 120, the optical switch 124, the diffractive optical system 125, the beam steering optical system 126, and the motion control stage 132 to cooperate in generating the mark having. An example of an IR sensor that can be used according to embodiments of the present invention is the model IR-TCM 640 manufactured by Jenoptik of Jena, Germany.

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。   It will be appreciated by those skilled in the art that many changes can be made to the details of the above-described embodiments without departing from the underlying principles of the invention. Accordingly, the scope of the invention should be defined only by the claims.

Claims (18)

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。
A method of generating a laser mark having desired characteristics on a sample,
Providing a laser marking system configured to irradiate a sample with a laser beam according to at least one controllable parameter including laser fluence ;
During a first period , the first portion of the sample is irradiated with the laser beam at a first laser fluence associated with generating the mark having the desired characteristic . Controlling the laser marking system to generate a first portion of a laser mark in a portion of the sample and to generate heat within a second portion of the sample adjacent to the first portion ;
Adjusting the at least one controllable parameter during the second period in which the heat generated during the first period is at least partially retained in the second part, Irradiating the second portion of the sample with the laser beam at a second laser fluence different from the first laser fluence associated with generating the mark having characteristics . Generating a second portion of the laser mark in two portions to control the laser marking system to produce a laser mark of the desired characteristic on the sample;
Method.
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。
The sample is coated with an application coating of a first layer and a second layer;
Furthermore , the laser mark is generated by removing the first layer without damaging the second layer.
The method of claim 1.
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。 The method of claim 1, wherein the laser fluence is in the range of 1.0 × 10 −6 Joules / cm 2 to 1.0 Joules / cm 2 . 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。 The method of claim 1, wherein the first portion and the second portion of the laser mark have a consistent appearance including uniform color and optical density . 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、請求項の方法。 The method of claim 1 , wherein the at least one controllable parameter includes pulse duration, pulse repetition rate, spot size, and / or laser beam velocity . 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。
Prior to the first period and the second period,
Determining the first laser fluence associated with generating the mark having the desired characteristics in the first portion of the sample comprising the laser mark;
Determining the second laser fluence associated with generating the mark having the desired characteristics in the second portion of the sample comprising the laser mark;
Storing the first laser fluence and the second laser fluence in the laser marking system;
The stored first fluence is used to generate the first portion of the laser mark in the first portion of the sample, and the stored second laser fluence is used to generate the first portion of the sample. Generating the second part of the laser mark in two parts ;
The method of claim 1.
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、  The sample includes a material that is removed from the first portion and the second portion to produce the laser mark;
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、  Irradiating the laser beam with a predetermined irradiation density at a predetermined moving speed along a predetermined tool path,
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、  The irradiation density of the laser beam and the tool path are calculated so as to be larger than the ablation threshold of the material and smaller than the damage threshold of the underlying material of the sample while maximizing the moving speed of the laser beam with respect to the sample. To
請求項1の方法。The method of claim 1.
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、  Dividing the area to be marked of the sample into smaller areas,
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、  Calculating the at least one controllable parameter to optimize the material removal rate for each of the smaller regions;
請求項1の方法。The method of claim 1.
所定のツール経路に沿って前記レーザビームを照射し、  Irradiating the laser beam along a predetermined tool path;
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、  Selecting the laser power, pulse repetition rate, pulse temporal shape, and pulse duration in the laser of the laser marking system to obtain the desired material removal rate;
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、  Calculating the position and number of times the laser beam is irradiated to generate the tool path or the laser mark so as to obtain a desired material removal rate while avoiding damage to the underlying material of the sample;
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、  Dividing the tool path of the area to be marked of the sample into smaller areas;
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、  Determining a thermal load on the laser marking for each of the smaller areas;
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、  Adjusting the at least one controllable parameter based on the thermal load determined for each of the smaller regions to optimize the material removal rate for each of the smaller regions;
請求項1の方法。The method of claim 1.
前記ツール経路の計算は、  The calculation of the tool path is
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i) The pulse interval between subsequent pulses on the sample, controlled by changing the speed of relative motion between the laser beam and the sample.
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ii) Spot size controlled by moving the focal spot in the Z axis relative to the surface of the sample
iii)パルス位置の隣り合う列間の列間隔iii) Column spacing between adjacent columns of pulse positions
のうちの1つ以上に基づいて行う、Based on one or more of
請求項9の方法。The method of claim 9.
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、  The laser marking system has an infrared sensor,
さらに、  further,
前記赤外線センサで前記試料の一部の温度を測定し、  Measure the temperature of a part of the sample with the infrared sensor,
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、  Determining a laser fluence associated with generating the laser mark having the desired characteristic in a portion of the sample based on the measured temperature of the portion of the sample;
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、  Instructing the laser marking system to mark a portion of the sample using the determined laser fluence, thereby marking the sample with the desired properties;
請求項1の方法。The method of claim 1.
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。
A laser marking device improved to mark a sample,
A laser marking system capable of irradiating a sample with a laser beam with a controllable laser fluence;
A controller configured to control operation of the laser marking system,
Irradiating the first portion of the sample with the first laser fluence during a first period to generate a first portion of a laser mark in the first portion of the sample; and Generating heat within a second portion of the sample adjacent to the first portion of the sample;
During the second period, the laser beam is directed to a second laser fluence different from the first laser fluence while the second portion of the sample retains at least a portion of the generated heat. To irradiate the second portion of the sample to generate a second portion of the laser mark on the second portion of the sample to generate a laser mark having a desired characteristic on the sample.
A controller configured to:
A laser marking device comprising:
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レーザマーキング装置。
The sample is coated with an application coating of a first layer and a second layer;
Furthermore , the laser mark is generated by removing the first layer without damaging the second layer.
The laser marking device according to claim 12 .
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レーザマーキング装置。 The laser fluence is in the range of 1.0 × 10 -6 Joules / cm 2 to 1.0 Joules / cm 2, the laser marking apparatus according to claim 12. 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レーザマーキング装置。 The laser marking system uses an optical switch, laser marking apparatus according to claim 12. 前記光スイッチは音響光学変調器である、請求項15レーザマーキング装置。 The laser marking device of claim 15 , wherein the optical switch is an acousto-optic modulator. 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レーザマーキング装置。 The laser marking apparatus of claim 12 , wherein the laser marking system includes a diffractive beam shaper. 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、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
Laser,
An optical switch,
A diffractive optical system;
Beam steering optics,
A motion control stage;
An infrared sensor that measures the temperature of a portion of the sample;
Based on the temperature of the portion of the sample measured by the infrared sensor, a laser fluence associated with generating the laser mark on the portion of the sample is determined, and the determined laser fluence is used. A controller for instructing the laser marking system to mark a portion of the sample ;
The laser marking device according to claim 12, further comprising:
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