JP6493407B2 - 導電性材料の表面を持つ物体にマーキングする方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、導電性材料の表面を持つ物体にマーキングする分野に関し、すなわち、そのような物体にマーキングする方法及びシステムに関する。通例、このマーキングは、マーキングされた物体の識別又は真贋判定に適する。

銃、弾薬、貴重品などの物体にマーキングして、個々の物体を識別すること、又は物体の真贋を判定することができるようにすることは広く行われている。一般に、その意図は物体にマークを付加することであり、マークは、特有性があり、指紋に匹敵し、容易に認識することができ、したがって物体を容易に識別又は真贋判定することができる。これに関して、マークを極力複製又は偽造できないようにすることが重要な目的である。

現在、マーキングの手法は、マークの特有の材料、パターン形成、又は物理的特性に基づいている。そのようなマークは、通常、印刷技術、レーザー彫刻、又は機械彫刻によって作製される。そのようなマークの大半はあらかじめ決められたコードから生成され、記号の形態で付加され、読み取り及び識別プロセスによって確認される。しかし、そのようなマークはしばしば複製又は偽造されることがある。これは、あらかじめ決められたコードに基づくマークを付加する技術は、通例は、マークを偽造又は複製するために権限のない者でも使用することができるためである。あらかじめ決められたコードは、通例、実際にはランダムではない。本質的にランダムな特色を持つマークを生成するのに適したマーキングプロセスはごくわずかしかない。そのようなプロセスは、真にランダムなマークを生成するのに適するには、カオス力学的なプロセスに依拠しなければならない。知られているランダムな特徴は、繊維、泡、着色、薄片などのランダムな配置に依拠するものであり、それらは、印刷技術で生成されるか、又は製造プロセス中に自然に発生する。しかし、そのようなプロセスの大半は、銃、弾薬、金属製の容器など、金属製の表面を持つ製品にはほとんど適用することができない。

そのような物体にマーキングするための一般的なマーキング技術はレーザー彫刻である。レーザー彫刻技術は、通例、疑似ランダムな特徴に基づき、ランダム性は数値生成器によって作り出されるが、カオス的な物理現象には基づかない。さらに、そのようなマークは同じくレーザー彫刻技術を使用して複製することが可能である。

ＭＤ ３３８９ Ｆ２は、溶接型の電気アークと振動発生器を使用して導電性の製品をランダムにマーキングすることによってランダム性を作り出す方法及び装置を開示する。この文献によると、マーキングする物体のあらかじめ機械加工で作られたグリッドに電極の材料を移して、ランダムなマークを得る。物体の表面に堆積した金属からなるマークのランダム性は、電極を振動させ、製品を電極に対して並進させることによって得る。その場合、マーキングする物体に対向する電極が電気回路中の「陰極」（−）になり、一方、マーキングする物体が「陽極」（＋）になる。その結果、電極から物体の表面に向かって材料が移される。

しかし、電極の振動は制御され、一般に模倣することができるため、この原理でも真にランダムなマークを得ることはできない。さらに、この方法では、マークの形成時に電極の余分な材料を消費する必要がある。この従来技術の方法は、グリッドが必要であることと、物体の表面を事前に処理する必要があるために、複雑である。

したがって、金属製の物体などの導電性材料の表面を持つ物体にマーキングすて、複製又は偽造を行えないように固有に物体にマーキングすることを可能にするマーキング方法及び個々のシステムが必要とされている。ＧＢ ２ １０８ ９０６ Ａは、金属箔又は金属フィルム被覆紙又はプラスチックのシートで作られた身分証明書であって、その領域上に、赤外光用バーコードを生成するために火花浸食又はレーザビームなどの印刷方法により赤外線透過領域を作成できる身分証明書を開示する。

本発明の目的は、導電性材料の表面を持つ物体に固有にマーキングすることができるようにする方法及び装置を提供することであり、その結果、マークの再現、複製、又は偽造が不可能ではないにしろ、非常に難しくなるが、マークの認識及び登録は容易に行うことができる。本発明のさらなる目的は、導電性材料の表面を持つ物体を非常に確実に真贋判定又は識別できるようにする方法及び装置を提供することである。

この問題は、請求項１又は１３に係る方法、及び請求項１７又は２５に係るシステムによってそれぞれ解決される。この方法又はシステムのさらなる好ましい特徴は、従属請求項に記載され、以下の説明で詳細に説明される。

導電性材料の表面を持つ物体にマーキングする方法は、物体の表面に電気火花を印加し、もって、電気火花によって表面の材料を部分的に溶融させるか、部分的に除去するか、又はその両方が行われるようになっており、それにより物体にパターンを形成するステップを含む。このパターンをマークとして使用することができる。上記の方法により、ランダムな形状を持つクレータ、又はランダムな形状を持つクレータのランダムな分布が作り出され、材料は、クレータの近傍で再溶融して再堆積する。

例えば３Ｄ顕微鏡技術を使用して、加工された金属表面の溶融していない島部又は部分的に溶融した島部が、火花によるマークの中に存在することも観察することができる（図３参照）。そのような特徴は火花現象に特有のものであり、他のマーキング技術では再現することができない。

他の特有の特徴は、多量の表面材料を溶融させることによって生成される、１００ミクロンを超える幅を持つ大きいクレータである（図３参照）。火花によるマークの外周部には、一般には単一の陽極のアークルートで生じる、幅が１０ミクロン未満の非常に小さなクレータも観察することができる。他の特有の特徴は、幅２ミクロン未満の溶融金属の非常に小さな飛沫である（図３参照）。

クレータの形状及び分布、並びに再溶融して再堆積した材料により、火花の物理的性質とカオス的挙動に基づいて、ランダムで特有性のあるマークの外観が得られる。これは、微視的な複雑な３次元構造と肉眼で見える複雑な３次元構造を呈し、その構造は、知られる技術、特にレーザー彫刻や類似の方法では、不可能ではないにしろ複製が非常に難しい。

特に、３Ｄ顕微鏡技術を使用することにより、図４に示すように、マークを施す前の元の表面に対する典型的なクレータの深さと突起の高さを推測することができる。

導電性材料の表面を持つ物体にマーキングするシステムは、火花発生器と、対電極が陽極を形成するように火花発生器に電気的に接続された対電極と、表面が対電極に対して陰極を形成するように火花発生器を表面に電気的に接続するコネクタとを備える。対電極は、対電極と表面との間に電気火花を発生させることができるように表面に対して配置され、電気火花によって表面の材料を部分的に溶融させるか、部分的に除去するか、又はその両方が行われるようになっている。それにより、物体に上記のパターンを形成することができる。

火花発生器を表面に電気的に接続することは、表面と火花発生器の両方が接地されるか、又はその他の方法で同じ電位にされ、火花発生器に通電した時に対電極と表面との間に十分な電位差が生じるようにする状況を含む。

この方法の利点は、得られる個々のマークが特有である点と、レーザーアブレーション、印刷、又は機械彫刻などの他の手段ではマークの起伏形状を再現できない点である。

図５ａ及び図５ｂは、図５ｃに例示する本発明に係るマークと比較するために、各種の他の彫刻又はマーキング技術で得られるマークを示す。

厚い導電性表面に火花を飛ばすと、未加工構造及び微細構造を持つ不規則な２次元の分布を有する材料のマークを得ることができる。この文脈で、「厚い」とは、数ミリメートルよりも厚い（ただし、少なくとも１／２ミリメートルよりも厚い）ことを意味し、材料と火花条件に依存する可能性がある。上記の方法で得られるマークは、１つのクレータ、好ましくは多くのクレータと、再堆積した溶融材料の溶滴とから構成されるため、固有の３次元のマイクロメートル単位の特性を持つ（図３及び図４参照）。

薄い金属表面に火花を飛ばすと、特定の部位の材料を完全に除去することができ、微視的な特徴を持つランダムなマスクを得ることができる。この文脈で、「薄い」とは、数マイクロメートルの厚み（ただし少なくとも１マイクロメートルよりも厚い）を意味する。第２の材料に適用されると、このマスクは、例えば背景にある材料の蛍光性を使用して、セキュリティ機能を呈することができる。

マークは、火花を飛ばす対象の材料の性質（化学的な性質と、表面の粗さなどの幾何学的性質の両方）、火花の導電経路ギャップに注入される電流の時間的分布、及び火花が生成される環境（例えば空気、又はアルゴン、窒素、若しくは別の不活性ガス）、の少なくとも１つに依存する可能性がある。これらのパラメータを変えることにより、非常に多様なマークの外観を得ることができ、したがって、非常に多量の特有の識別子又は属性を生成するために使用できる、極めて多様な特徴を抽出することができる。

得られるマークは、光又は電子顕微鏡による分析で、そのマークが火花によって生じたものであり他の手段で生じたものではないことを明白に示す起伏形状及び表面形状を呈する電位を有することができる。したがって、上記方法で得られるマークは、複製や偽造に関して特に安全性が高い。

火花の継続時間がタイムリーな数十マイクロ秒〜数百マイクロ秒程度の大きさであることにより、比較的高速で動作している印刷ライン上のラベルや製造ライン上の製品にマーキングすることが可能となる。

そのため、本明細書に記載される火花によるマーキングプロセスでは、非常に効率的に物体にマーキングすることができる。この方法はそれほど時間を要さず、費用も多大ではない。この方法は材料を消費するのではなく、物体表面の材料に変化を加えるだけである。物体の比較的小さな部位にマークを付すことが可能であり、それにより、弾薬の被甲や同様の物体などの非常に小さな物体にもマークを付すことができる。また、ラベルに印刷された金属インクの層などの薄い金属層に、上記の火花によるマーキング方法でマーキングすることができる。さらに、マーキングする物体の表面を特別に加工したり、基準となるマークを設けたり、その他の方法で事前に処理する必要はない。さらに、火花によるマーキングが性質上持つ複雑性により、特有性があり復元不可能なマークと、マーキングする物体に情報を符号化するための高い容量とを保証することができる。

導電性材料の表面は好ましくは金属製の表面である。その表面は、異なる材料でできた物体の表面に堆積されたバルク金属又は金属箔であってもよい。さらに、この方法を、導電性インクが施された表面を持つ物体にも適用することができる。表面の導電性は、表面を変化させるための電気火花を生成するのに有用である。一般に、物体が、実際の表面の近くに導電性材料を有する複数の層からなり、その結果、物体の実際の表面の直下にある導電性材料を介して物体の表面に火花を印加できる場合もある。その場合でも、導電性材料で生じた熱により、物体の表面にある材料を部分的に溶融させるか、部分的に除去するか、又はその両方を行うことができ、それによりマークのパターンを生成することができる。

本明細書の記述で理解される電気火花について、以下のようにさらに説明することができる。十分に高い電圧が印加されると、２つの電極間に電気絶縁破壊が生じる。高い電圧が、所与の電極ギャップ、ガス、圧力、及び温度に対応する破壊電圧を超えると、絶縁破壊機構が発生する。

絶縁ガスについてのいくつかの絶縁破壊基準がＭｅｅｋ，Ｊ．Ｍ．及びＣｒａｇｇｓ Ｊ．Ｄ．「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｏｆ Ｇａｓｅｓ」、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， Ｕ．Ｓ．Ａ．， １９７８（初版刊行１９２３年）によって報告されており、同文献の内容は参照により本明細書に組み込まれる。２つの広く受け入れられているガスの絶縁破壊基準は、「Ｔｈｅ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇａｓｅｓ ｂｙ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ」Ｃｏｎｓｔａｂｌｅ ＆ Ｃｏ．Ｌｔｄ．， Ｌｏｎｄｏｎ， Ｕ．Ｋ．， １９１０で、Ｔｏｗｎｓｅｎｄ，Ｊ．Ｓ．によって説明された「タウンゼント絶縁破壊機構」と、「Ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｓｐａｒｋ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ Ａｉｒ ａｔ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ． Ｉ ＩＩ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．１１， ｐｐ．４３８−４４７ ４５９−４７４， １９４０でＬｏｅｂ，Ｌ．Ｂ．及びＭｅｅｋ，Ｊ．Ｍ．によって説明された「ストリーマ絶縁破壊機構」であり、両文献の内容は参照により本明細書に組み込まれる。

タウンゼントの絶縁破壊機構基準はなだれの連続に基づき、陰極における「遠隔の」電子生成プロセスに依存する。このプロセスは、通常、電極ギャップにおける電子の衝突が減る低圧条件で優勢になり、電極ギャップが非常に小さい場合を除いては大気圧での火花放電には関連しない。

ストリーマ絶縁破壊機構基準は、なだれからストリーマへの遷移に依存し、このなだれは「瞬間的な」局所的な電子生成のために生じ、それにより臨界なだれが発生して、ギャップに不安定性を引き起こし、ギャップの絶縁破壊を誘発する。

なだれとストリーマの間には、両方の機構の一部が観察される遷移領域がある。絶縁破壊は極めて高速なプロセスであり、１０分の数ナノ秒以内に発生し、この継続時間は、ガスの性質、圧力、及び温度に依存し、また電極ギャップの程度にも依存する。

２つの電極間に高い電圧が印加される時にのみ、放電は「静電放電」と呼ばれる。その場合、導電経路は消滅し、プラズマが再結合プロセスによって消え、陰極材料の実質的な溶融や除去は事実上発生することができない。したがって、材料のマークは点状で微視的なものとなり、本明細書の記述の理解によればマークではない。

ギャップの絶縁破壊後は、導電率が増大するために電圧は１０分の数ボルトに低下し、電流源から導電経路に電流を注入することができる。注入された電流は、放電プラズマを維持するために必要なイオン化プロセスを促進する。

スパークフットが取り付けられた位置でそのように陰極に印加されるエネルギーは、陰極材料の部分的な溶融及び／又は除去を可能にするのに十分である。このプロセスにより、電子が、陰極材料から抽出される火花電流を維持することが可能になる。そして、除去された材料の一部が、除去で生じたクレータの近くに再凝結し、新たな溶融／除去部位のための好ましい条件を作り出すことができる。この種のカオス的なホッピング機構により、陰極表面のクレータ及び堆積した材料のランダムなパターンが可能になる。

火花発生器及び材料を除去するための構成は、特に分光化学分析に関してよく知られている。それらは、火花のプラズマが放射源となる火花発光分光計／分光器か、又は火花がエアロゾルの発生源の役割を果たす誘導結合プラズマ分光計のいずれかで使用される。これらの構成を記載した文献に、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｒｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（ＩＵＰＡＣ）（ｈｔｔｐ：／／ｉｕｐａｃ．ｏｒｇ／ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ａｎａｌｙｔｉｃａｌ＿ｃｏｍｐｅｎｄｉｕｍ／Ｃｈａ１０ｓｅｃ３１３．ｐｄｆで入手可能）の「Ｃｏｍｐｅｎｄｉｕｍ ｏｆ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅ」の第１０章がある。

通常、火花発生器は２つの回路を備え、第１の回路はギャップ絶縁破壊の高電圧を生成し、第２の回路は導電経路に電流を注入する。それらの回路は、並列に設定される場合も直列に設定される場合もある。

物体の導電性材料が「陰極」（−。電子又はその他の形で負に帯電した粒子を発する）を形成し、一方、火花発生器がそれにより電気火花を形成することができる対電極が「陽極」（＋。電子又はその他の形で負に帯電した粒子を引き付ける）を形成することが好ましい。この構成の（１つ又は複数の）電気回路は、材料が電極からマーキングする物体の表面に移ることを防止し、溶融又は除去効果で表面にマーキングすることを容易にする。

電気火花が表面に印加される間、表面は、ガス、特に空気、アルゴン若しくは窒素、又は別の不活性ガスに曝露されることがさらに好ましい。火花の性質、及びしたがって火花で作られるマークは、物体の表面に接している雰囲気に影響を与えることによって変化させることができる。空気に代えて、アルゴン若しくは窒素、又は別の不活性ガスを使用して、マーク又はマーク近傍の表面の酸化を防ぐことができる。雰囲気、特にガスの種類、ガスの圧力及び温度を確実に制御できる筐体の中で方法が行われる点で、ガスの種類及び組成を操作できることが好ましい。

物体にマーキングする方法は、パターンの少なくとも一部分の第１の画像を撮影するステップと、パターンの第１の画像から、少なくとも１つの第１の固有の特徴を抽出するステップと、第１の固有の特徴を物体に関連付けるステップと、第１の固有の特徴及び関連付けられた物体の情報を記憶するステップとをさらに含むことが好ましい。

第１の固有の特徴を使用して、第１のコード、好ましくは暗号化された第１のコードを生成し、第１のコードは好ましくは物体に取り付けられるか、又は印刷されることがさらに好ましい。第１のコードは、バーコード、英数字コード、又はＲＦＩＤなどのデジタルコードの形態を有することができる。コードは容易に機械で読み取れることが好ましい。

好ましい実施形態では、パターンが第２のコード、好ましくは通し番号に割り当てられ、第２のコードは、パターンとは独立しており、物体のパターンに連続番号を振るように構成され、第２のコードは好ましくは物体に取り付けられるか、又は印刷される。第２のコードは、パターンでマーキングされた物体の識別手段とすることができる。したがって、第２のコードを読み取る時に物体に関する情報を容易に読み取ることができ、物体表面のパターンを評価する必要はない。ただし、第２のコードは単独では、上記の方法によって付されるマークほど安全ではない。したがって、第２のコードは、物体の扱いを容易にすることができる、物体についての付加的な情報であることが意図される。

特に、第１の固有の特徴及び関連付けられた物体の情報は、遠隔の記憶装置に記憶される。遠隔の記憶装置は、好ましくは例えば安全なネットワークや同様のデータ接続を介して遠隔から利用できる中央の記憶装置とすることができる。そのため、ほぼあらゆる場所から遠隔の記憶装置に記憶された情報にアクセスすることができる。

上記の方法を使用してマーキングされた物体を真贋判定又は識別する方法は、パターンの少なくとも一部分の第２の画像を撮影するステップと、パターンの第２の画像から、少なくとも１つの第２の固有の特徴を抽出するステップと、第２の固有の特徴の情報を、記憶されている第１の固有の特徴の情報と比較して、一致する情報を特定することとを含む。

銃などの物体を真贋判定又は識別しようとする場合は、物体表面のパターンを撮像し、パターン、少なくともパターンの一部から固有の特徴を抽出し、データベースに記憶された対応する特徴と照合することができる。特徴がある物体に割り当てられていることがデータベースで判明すると、撮像されたパターンを持つ物体が識別されるか、又は本物であることが確認される。

第１のコードと第２のコードの少なくとも一方も読み取られることが好ましい。その場合には、コードが物体に正しく付されているか、又は印刷されているかどうかも確認することができる。

好ましい実施形態では、第２の特徴の情報と、第１のコード及び第２のコードの少なくとも一方と、の少なくとも１つが、遠隔の記憶装置に送信される。それにより、パターンの少なくとも一部分の画像から抽出された第２の固有の特徴に基づいて、第１の固有の特徴と第２の固有の特徴の情報を比較することによって対応する第１の固有の特徴を特定することができるという点で、非常に確実に物体を真贋判定又は識別することができ、そのため、第１の固有の特徴に割り当てられている物体が曖昧さなしに特定又は真贋判定される。

好ましい実施形態では、第１及び第２の固有の特徴は、好ましくは基準のマークに対するパターンの個々のクレータ又は溶融域の座標、パターンの個々のクレータ又は溶融域の平均直径、パターンの少なくとも２つのクレータ又は溶融域間の相対距離、及びパターン又はパターンの一部の輪郭、の少なくとも１つを含む。

パターンの画像の固有の特徴又は情報を抽出及び／又は比較するための可能な画像処理アルゴリズム又は方法については、Ｄｅｎｇｓｈｅｎｇ Ｚｈａｎｇらの「Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｓｈａｐｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ３７（２００４）， １−１９を参照されたい。同文献は参照により本明細書に組み込まれる。多くの可能な方法が存在し、それらの方法には、判定しようとするパターンの輪郭に基づくものと、領域に基づくものがある。輪郭と領域はどちらも本発明との関連で使用できる可能性がある。

パターン認識アルゴリズムと記述子には近年の傾向がある。これらの中には、２進列を記述子として使用し、ハミング距離を使用して比較又はマッチングを行うものがある。記述子の例には以下がある。
ＢＲＩＥＦ：（Binary Robust Independent Elementary Features（２値のロバストな独立した基本特徴）
画像パッチ中の対単位の強度比較。
パラメータは空間的配置と長さのみである。
ＢＲＩＳＫ：（Binary Robust Invariant Scalable Keypoint（２値のロバストな不変の拡大縮小可能主要点）
ＢＲＩＥＦと同じであるが、空間的配置が固定され、向きと縮尺の推定を伴う。
ＦＲＥＡＫ：（Fast Retina Keypoint（高速網膜主要点））
人間の視覚系に着想を得た空間的配置。
比較に使用される画素のペアは、トレーニングデータを使用して学習される。

画像マッチングの例を図６に示す。

本発明による物体にマーキングするシステムの構成の概略図である。 アルゴン雰囲気における金属製の物体への１つの火花で得られる典型的なマーク１８を示す図である。 アルゴン雰囲気における金属製の物体への１つの火花で得られる典型的なマーク１８を示す図である。 火花によるマークに通例観察される顕著な起伏形状の特徴を示す図であり、そのような特徴には、例えば、位置がずれた溶融していない島部２３、幅が最大で１００μｍの大きく深いクレータ２４、幅が１０μｍ未満の小さなクレータ２５、典型的には幅が約２μｍの非常に小さな溶融金属の飛沫２６がある。 火花によるマークに通例観察される顕著な起伏形状の特徴を示す図であり、そのような特徴には、例えば、位置がずれた溶融していない島部２３、幅が最大で１００μｍの大きく深いクレータ２４、幅が１０μｍ未満の小さなクレータ２５、典型的には幅が約２μｍの非常に小さな溶融金属の飛沫２６がある。 典型的な火花によるマークの上面図である。 図４ａの点線２４０に沿った図４ａの火花によるマークの縦方向の断面図であり、この縦方向の断面図は、元は平面であった水平方向の表面２９から最大で１０μｍの突起２７と、元は平面であった水平方向の表面から最大で２０μｍの深さのクレータ２８とを示し、溶融していない島部が、元の表面の当初の位置から最大で１５μｍの高さまで突起している。 火花によるマークと比較した、各種のマーキング及び彫刻技術で典型的に見られる表面テクスチャの例を示す図であり、酸腐食５１、サンドブラスト５２、陽極酸化５３、プラズマスプレー５４、及びレーザーアブレーション５５でマーキングされた表面の画像を示す図である。 火花によるマークと比較した、各種のマーキング及び彫刻技術で典型的に見られる表面テクスチャの例を示す図であり、レーザーマーク５６で処理した表面の画像を示す図である。 火花によるマークと比較した、各種のマーキング及び彫刻技術で典型的に見られる表面テクスチャの例を示す図であり、本発明による火花によるマーク５７を示す図である。 画像の特徴を抽出し、画像が参照画像と一致するかどうか（したがってマークを識別することができるかどうか）を判定する方法の説明を示す図であり、図６ａ１及び図６ａ２は、異なるカメラで撮影した同じマーク６０及び７０の２つの異なる画像の比較を示す図である。 画像の特徴を抽出し、画像が参照画像と一致するかどうか（したがってマークを識別することができるかどうか）を判定する方法の説明を示す図であり、図６ｂ１及び図６ｂ２は、異なるカメラで撮影した２つの異なるマークの２つの異なる画像６１及び７１の比較を示す図である。 ローカルバイナリパターン４０の典型的なヒストグラムを示す図であり、４１は本物の火花によるマークのテクスチャのモデルを表し、実際の本物の火花によるマークのテクスチャのヒストグラムが４２で表され、偽の火花によるマーク、すなわち火花によるマーク以外の技術で生じたマークのテクスチャのヒストグラムが４３で表されている。 実際の本物の火花によるマークと本物の火花によるマークのモデル３１とのヒストグラムの差３３を一方に示し、実際の偽の火花によるマークと本物の火花によるマークのモデル３０とのヒストグラムの差３３を他方に示す図であり、火花によるマークは、大半の事例３２ではＬＢＰ演算子の１つのみの設定を使用して区別できることを示している。

図１は、好ましい実施形態に係る、物体１８にマーキングするシステム１０の構成を概略的に示す図である。上記のように火花を発生させ、それによりランダムなマークを生成するシステム１０は、火花発生器１２と、対電極１４と、火花発生器１２を、マーキングする物体１８に電気的に接続するコネクタ１６とを備える。任意で、システムは、マーキングする物体の上方の保護ガス環境を制御するための筐体２０を備える。筐体は保護ガスをさらに閉じ込めることができる。火花発生器１２は、対電極１４及び物体１８に電気的に接続される。

対電極１４と、物体１８の酸化していない清浄な金属表面との間で生じた１つの火花から得られる１つのマーク２２は数平方ミリメートルにわたる可能性があり、３次元の未加工構造及び微細構造を呈する可能性がある。マークは、材料が除去された数百個の微視的なクレータと、除去された材料の一部が凝結するか、又は溶融した材料が固化することで生じる試料の堆積とからなる可能性がある。すると、マークは、図２ａに例示的に示すような密集した「島」の形態の未加工構造と、図２ｂ、図３ａ、及び図３ｂに例示的に示すような陰極のクレータ及び堆積した点の形態の微細構造とを呈する。この局所性は、クレータ２８の深さ及び堆積物又は突起２７の高さと共に、図４ａ及び図４ｂに示すようにランダムであり、現在利用可能な手段又は方法を使用して再現することはできない（図５ａ〜図５ｃ参照）。

撮像能力が微視的な細部を視覚化するのに十分でない場合でも、未加工構造の起伏形状と輪郭を使用することができる。これは、例えばスマートフォンや他の手持ち型装置の写真カメラを使用してマークを識別する場合がそうである。似たような大きさの特徴を抽出することは、画像処理及びコンピュータビジョンの分野でよく知られている。図６ａ１及び図６ａ２に図を示し、ここでは、異なるカメラで撮影した同じマークの画像６０及び７０の両方から固有の特徴６５及び６６を抽出することができる。

テクスチャ分析を使用して、マークが、金属の表面に火花を飛ばすことによって作られたのか、又は図５ａ及び図５ｂとの関連で説明したような別の手段で作られたのかを判定することができる。これは、一般に真贋を判定する目的で行うことができ、マーキングされた物体に一意に関連付けられた特定のマークを識別することは伴わず、すなわち特定の物体を識別することは伴わない。テクスチャ分析の一例では、ローカルバイナリパターン（ＬＢＰ）を利用する。画素の周囲の微視構造を記述する単純な演算子が存在する（Ｔｅｘｔｏｎ）。そのような演算子は、（大域的な）グレースケールの変動に対して耐性があり、回転に対して変化しない。そのような演算子は、探索の範囲と、画像中の各画素の隣接画素の数とをパラメータとする。ここで説明する例では、８つの隣接画素を使用する最も単純なＬＢＰ演算子を使用した。テクスチャは、各画素及び画像全体で算出される均一なＬＢＰコードの分布で表される。テクスチャの識別は、ヒストグラムの比較によって行われる。

テクスチャの認識及びマッチングの例を図７ａ及び図７ｂに示す。図７ａは、モデルとなる火花によるマーク４１、本物の火花によるマーク４２の例、及び別の技術で得られたマーク４３（偽のマークとも呼ぶ）のＬＢＰの出現頻度のヒストグラムを示す。図７ｂは、本物のマークと偽のマークは、火花によるマークのモデルとの間のそれぞれのヒストグラム距離３３で区別できることを示している。偽のマークとモデルとの間のヒストグラム距離３０が、本物のマークとモデルとの間のヒストグラム距離３１から明らかに隔たっていることは、数個の異なるサンプル３２に対して１つのみのＬＢＰ方式を使用して実現することができる。

マークの肉眼的構造と微視構造の検出は、「ブロブ（blob）検出」の問題と比較することができる。ブロブ検出とは、周囲の部位と比べて輝度などの特性が異なる、デジタル画像中の領域を検出することを目的とする数学的方法を言う。ブロブは標準的な画像処理アルゴリズムで効率的に検出され、検出されたブロブの特性を計算して図６ａ１及び図６ａ２に示すような特定の署名を抽出することができ、それらの図では、異なるカメラで撮影された同じ火花によるマークの２つの画像でブロブ６５及び６６を検出し、照合することができる。図６ａ１では、画像６０は、データベースにマークの固有の署名を登録するために使用された画像に対応し、図６ａ２の画像７０は、真贋を判定し、識別しようとする同じ火花によるマークの画像に対応する。一方、図６ｂ２は、図６ｂ１に示される登録された画像６１と同じ火花によるマークから得られたのではない候補画像７１を示す。この場合は、共通の特徴は見つからない。

微視的構造の起伏形状、輪郭、及び、照明、焦点面、又は見る角度を変えることによるそれらの明るい外観と暗い外観の変化を使用して、図３ａ及び図３ｂに示すような微細構造、例えば小さなクレータ２５や非常に小さな溶融金属の飛沫２６を特徴づけることができる。これは、例えば光顕微鏡技術を使用して可能である。微細構造から抽出された情報は、所与のマークが火花で生成されたものであることを保証する準法科学的な真贋判定か、又は顕微鏡レベルで特定の署名を判定するために使用することができる。後者の場合は、再現可能な標準的な顕微鏡撮像プロセスを用いて署名を登録することが好ましい。

光顕微鏡の焦点面を変えることにより、固定された照明下で、３Ｄ構造の証拠を得ることができる（図３ｂ及び図４ａ及び図４ｂを参照）。同様に、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）技術を使用して、本明細書に記載される火花によるマークで得られたマークの３Ｄ構造を識別することができる。図３ｂ、図４ａ、及び図４ｂに示すような、材料の除去に相当する小さく暗いクレータと、固化した金属の溶滴が視覚化した大きな隆起部の３Ｄ構造を調べ、その３Ｄ構造を識別又は真贋判定の目的に使用することができる。この構造は、表面への火花陰極のルート効果に非常に特有であり、現在知られているどの他のマーキングプロセスでも再現することはできない。図３ａ及び図３ｂは、火花によるマークに見られるいくつかの顕著な構造を示す。

マーキングする材料は金属製であることが好ましい。例には、バンデロール（ｂａｎｄｅｒｏｌ）中の薄い金属の細片や、バルク金属部品、製品、缶などがある。金属表面は、好ましくは、清浄であり、油脂の付着がなく、酸化しておらず、精密切削、研磨、又は冷延で得られるものと同等の粗さを持つ。本方法又はシステムが機能するために表面の前処理は必須ではないが、本方法を表面又は個々の物体にそれぞれ適用する前の表面が標準的な外観であると、マークを使用して識別や真贋判定を行うことが容易になる。これらの種類の製造方法の場合の典型的な平均粗さＲａは、例えばＵＳ規格ＡＳＭＥ Ｙ１４．３６Ｍ又はＩＳＯ１３０２で表された時に６マイクロメートル若しくは２５０マイクロインチ、又は好ましくはそれ未満である。ただし、それよりも粗い表面でも、一般には上記の方法で処理するのに適する。

本方法の適用例の１つでは、バンデロールに組み込まれた金属の細片に安全なマークのために火花を飛ばすことができる。火花によるマークは、金属細片の特定の箇所に加えることができる。金属細片は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｇ、若しくはそれらの合金、又は他の柔らかい金属製である可能性がある。

別の適用例では、缶詰製品にマーキングし、保護されている缶材料又は保護されていない缶材料の上に直接マーキングする。通常、金属缶の外側表面は、ＵＶで硬化するベースコートエポキシ樹脂及び／又はアクリル樹脂の薄層で保護されている。この層を火花で除去し、火花のエネルギーに応じてワニスと金属が組み合わさったマークを得ることができる。香水、宝飾品、高価値の高級商品の箱や容器など、他の種類の金属容器のマークも火花法で行うことができる。金属製の高級製品自体にマーキングすることも可能である。例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、及び他の貴金属又はそれらの合金でできている宝飾品の金属部分に、本発明の方法でマーキングすることができる。

別の適用例では、銃や弾薬筒に火花法でマーキングする。マークは、当該箇所の清浄な金属部位、又は、以前に例えば浮彫や彫刻などで数値的にマーキングされている部位に生成できることが好ましい。彫刻されたマークは火花を誘導することができ、その結果、彫刻された記号の周りにマークが生成される。したがって、最終的なパターンは、通し番号などの確定的な数値マークと、火花法で生成された付加的なランダムで特有の特徴との組合せになる。

別の適用例では、自動車産業や航空産業で使用される何らかの機械部品や予備部品に存在する導電性材料の表面に本発明の火花法によりマーキングする。これは特に、例えば自動車のブレーキライニングや航空機の着陸装置など、ユーザの安全性に関して重要である部品を識別又は真贋判定する場合に有用である。実際、そのような（通例は高価格の）部品が偽造される頻度が増えており、その結果、一般には要求される品質標準を満たさない。

例として、本発明による火花放電を使用するマーキングシステムは以下の要素を備える。

１．単方向火花発生器。６〜１５ｋＶの高電圧を与えて、電極と表面との間のギャップの絶縁を破壊して火花を発生させ、さらに様々な時間パターンとエネルギーで電流を注入する。金属の種類に応じて、注入される電流は１０〜１５０アンペアの値を取り、一方、電圧は３０Ｖ前後である。絶縁破壊から消滅までの火花の持続時間は３０〜２００マイクロ秒である。

このマーキングシステムの例では、放電プロセスは３つの主要な期間を持つ。
１番目に、高電圧が印加され、絶縁破壊が発生する１マイクロ秒未満の短いバースト。
２番目に、最大で数十アンペアの電流が２〜１０マイクロ秒の継続時間にわたり注入される第２段階。
３番目に、電流を減少させ、２０アンペア未満のレベルに維持する第３段階。この第３段階の継続時間は、例えば金属の種類に応じて５０〜２００マイクロ秒とすることができる。

そのような火花発生器はよく知られており、主として金属やその合金の分光化学分析の分野で火花原子発光や発光分光に使用されている。火花発生器について記載した参考文献にＷＯ ２０１０／０６６６４４ Ａ１があり、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

２．放電ギャップ。放電ギャップは、これに限定されないが通例はタングステンからなる陽極として作用するように構成された一方の側の対電極と、大地電位で火花を発生させることによって陰極として作用するように構成された他方の側の材料とによって形成される。材料は接触電極によって大地電位にすることができる。

３．任意で、対電極と材料は、アルゴン又は窒素又は別の不活性ガスなどの保護ガスで包囲することができ、保護ガスはマークの酸化を防ぐために保護筐体２０に閉じ込めることができる。

４．任意で対電極は環状にすることができ、電極の先端を通して保護不活性ガスを注入するように構成することもできる。或いは、電極を、同軸で環状のガス注入ノズルで包囲することもできる。

物体のマークと、マーキングした物体の登録及び呼び出しの構成例を以下で説明する。

最初の動作は、上記で銃に関して概説したように火花によるマークの生成である。マーキングする物体、例えば銃、銃の一部、弾薬の被甲などを、移送装置に装着された電気的に接地されたチャックで保持し、マーキングしようとする表面が同じ方向を向き、対電極から同じ距離に提示されるようにする。物体にマークを作成し、次いで光源とカメラの複合モジュールでマークを撮像する。画像の取得後、マークの個々の特徴が抽出され、符号化される。

コード及び任意で画像はデータ管理システムに安全に送信され、データベースに登録される。

物体、例えば銃がユーザの元に届けられた後は、接写撮影を行い、画像の肉眼で見える特徴を抽出し、得られたコード及び／又は画像を安全なリンクを介してデータ管理システムに送信することが可能な適切な手持ち型装置を使用して、物体を検査することができる。

ここで、受け取られた情報、すなわちコード及び／又は画像をデータベース中の既存のレコードと照合して、データベースの登録エントリに基づいて物体を識別することができる。

手持ち型装置が、マーキングされた物体を顕微鏡技術で調べる能力を備えない場合には、近くにある顕微鏡技術による試験所で、マークのより高いレベルの真贋判定を行うことができる。

マークの真贋は、手持ち型装置又は試験所の機器を使用して判定することができる。

通常、手持ち型装置を使用する場合、周辺照明又は特定の照明を使用すると、１０マイクロメートル以上の大きさの細部を観察することができ、その結果、未加工構造の特色を観察することができる。その場合、画像処理は特に陰極のクレータ及び材料の堆積物の塊の起伏形状と輪郭の認識に基づき、画像中の要素の明るさについての解釈は行われない。起伏形状と輪郭の細部は、情報ベクトルであり、符号化することができる。符号化プロセスは装置で行うことができ、その結果を暗号化された通信でデータ管理システムに送信して、上記の方法と同様に真贋を問い合わせることができる。

真贋判定のための試験所機器は、偏光光を使用する光学顕微鏡を含む可能性がある。顕微鏡は、明るいパターンと暗いパターンを撮像することにより、再溶融した材料の一番高い箇所、並びに材料が除去されてできた谷又はクレータを検出することができる。焦点面を変えることにより、部位の形状を維持しながら、明るい部位を暗い部位に変化させることができる。

さらに、顕微鏡を、基本的な陰極クレータのパターンを認識することができる自動化された画像処理ソフトウェアと併せて使用することができる。ソフトウェアは、例えばローカルバイナリパターン分析などの事前に定義されたモデルを使用してテクスチャ分析アルゴリズムを行うことにより、図７ａ及び図７ｂとの関連で説明したように、観察されたマークが火花によるマークの部類に属し、例えば図５ａ及び図５ｂに示される他の種類のマーキング技術には属さないかどうかを判定することができる。

真贋判定又は識別の方法の基本となる原理の例には以下がある。
１）形状署名
形状署名は、形状の境界点から導出される１次元関数で形状を表す。多種の形状署名が存在する。そのような形状署名には、重心断面、複素座標、重心距離、接線角、累積角、曲率、面積、及び弦長がある。
２）スケール空間
形状のスケール空間表現は、可変の幅のローパスガウスフィルタでフィルタリングされた形状の境界中の変曲点の位置を追跡することによって作成することができる。ガウスフィルタの幅が増すほど、境界から重要性の低い変曲が除去されて、形状がより滑らかになる。表現中に残っている変曲点が、重要な物体の特色であることが予想される。この平滑化プロセスの結果は、変曲点からなる、指紋と呼ばれる区間木（interval tree）になる。

以上本発明について特定の例及び実施形態との関連で説明したが、保護の範囲はそれらの例又は実施形態によっては制限されない。

Claims (24)

1. 導電性材料の表面を持つ物体（１８）にマーキングする方法であって、
   前記表面に電気火花を印加し、もって、前記電気火花によって前記導電性材料を部分的に溶融させること及び部分的に除去することの少なくとも一方が行われるようになっており、それにより前記物体にパターンを形成するステップを含み、
   前記電気火花が前記表面に印加される間、前記表面がガスに曝露され、
   前記電気火花の印加が、前記導電性材料の前記表面内に導電経路が形成される第１段階と、前記導電性材料を部分的に溶融させること及び部分的に除去することの少なくとも一方のために電流が前記導電経路に注入される第２段階と、の２つの連続する段階を含み、
   前記物体の前記パターンは、ランダムな形状を持つクレータ又はランダムな形状を持つクレータのランダムな分布、及び、再堆積した表面導電性材料溶滴を備える、方法。
2. 火花発生器（１２）が、前記導電性材料と対電極（１４）とに電気的に接続され、
   それにより前記導電性材料が陰極を形成し、
   それにより前記対電極（１４）が陽極を形成する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスが、空気、アルゴン、又は窒素である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記電気火花の印加が、数十マイクロ秒から最大で数百マイクロ秒まで生じる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記導電性材料が、鉄、鋼、アルミニウム、銅、チタン、又はこれらの金属の合金から選択される金属と、導電性の複合材料との少なくとも一方を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記物体（１８）が、銃、弾薬、缶、高価値商品、包装、ラベル、宝飾品、又はその一部である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記パターンの少なくとも一部分の第１の画像を撮影するステップと、
   前記パターンの前記第１の画像から、少なくとも１つの第１の固有の特徴を抽出するステップと、
   前記第１の固有の特徴を前記物体（１８）に関連付けるステップと、
   前記第１の固有の特徴及び前記関連付けられた物体（１８）の情報を記憶するステップと、をさらに含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第１の固有の特徴を使用して、第１のコードを生成する、請求項７に記載の方法。
9. 前記パターンが第２のコードを割り当てられ、前記第２のコードは、前記パターンとは独立しており、前記物体の前記パターンに連続番号を振るように構成される、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１の固有の特徴及び前記関連付けられた物体の前記情報が遠隔の記憶装置に記憶される、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法を使用してマーキングされた物体（１８）を真贋判定する方法であって、真贋判定する前記方法は、
    前記パターンの少なくとも一部分の第２の画像を撮影するステップと、
    前記パターンの前記第２の画像から、少なくとも１つの第２の固有の特徴を抽出するステップと、
    前記第２の固有の特徴の情報を、記憶されている前記第１の固有の特徴の前記情報と比較して、一致する情報を特定するステップと、を含む方法。
12. 前記第１のコード及び前記第２のコードの少なくとも一方を読み取るステップをさらに含む、請求項９に従属する請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２の固有の特徴の情報と、前記第１のコード及び前記第２のコードの前記少なくとも一方と、の少なくとも１つを前記遠隔の記憶装置に送信するステップをさらに含む、請求項１０に従属する請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１及び第２の固有の特徴は、前記パターンの個々のクレータ若しくは溶融域の座標、前記パターンの個々のクレータ若しくは溶融域の平均直径、前記パターンの少なくとも２つのクレータ若しくは溶融域間の相対距離、及び前記パターン若しくは前記パターンの一部の輪郭、の少なくとも１つを含む、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 導電性材料の表面を持つ物体（１８）にマーキングするマーキングシステム（１０）であって、
    火花発生器（１２）と、
    陽極を形成するように前記火花発生器（１２）に電気的に接続された対電極（１４）と、
    前記表面が前記対電極（１４）に対して陰極を形成するように前記火花発生器（１２）を前記表面に電気的に接続するコネクタ（１６）とを備え、
    前記対電極（１４）は、前記対電極（１４）と前記表面との間に電気火花を発生させることができるように前記表面に対して配置されており、
    前記電気火花の印加が、前記導電性材料の前記表面内に導電経路が形成される第１段階と、前記導電性材料を部分的に溶融させること及び部分的に除去することの少なくとも一方のために電流が前記導電経路に注入される第２段階と、の２つの連続する段階を含み、もって、
    前記電気火花によって前記導電性材料を部分的に溶融させること及び部分的に除去することの少なくとも一方が行われるようになっており、
    それにより、前記物体にパターンを形成し、
    前記マーキングシステム（１０）が、前記対電極（１４）と前記表面との間の空間を囲む筐体（２０）を備え、前記筐体（２０）には、ガスが充填されており、
    前記物体の前記パターンは、ランダムな形状を持つクレータ又はランダムな形状を持つクレータのランダムな分布、及び、再堆積した表面導電性材料溶滴を備える、マーキングシステム。
16. 前記対電極（１４）がタングステンを含む、請求項１５に記載のマーキングシステム（１０）。
17. 前記ガスが、空気、アルゴン、又は窒素である、請求項１５又は１６に記載のマーキングシステム（１０）。
18. 前記対電極（１４）が、前記対電極（１４）の先端を通して前記筐体（２０）に前記ガスを注入するように構成されているか、又は、前記対電極（１４）が、前記筐体（２０）に前記ガスを注入するように構成された同軸のガス注入ノズルで包囲されている、請求項１７に記載のマーキングシステム（１０）。
19. 前記導電性材料が、鉄、鋼、アルミニウム、銅、チタン、又はこれらの金属の合金から選択される金属と、導電性の複合材料との少なくとも一方を含む、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載のマーキングシステム（１０）。
20. 前記物体（１８）が、銃、弾薬、缶、高価値商品、包装、ラベル、宝飾品、又はその一部である、請求項１５〜１９のいずれか一項に記載のマーキングシステム（１０）。
21. 前記パターンの少なくとも一部分の第１の画像を撮影する第１の撮像装置と、
    前記パターンの前記第１の画像から、少なくとも１つの第１の固有の特徴を抽出する第１の抽出手段と、
    前記第１の固有の特徴を前記物体（１８）に関連付ける関連付け手段と、
    前記第１の固有の特徴及び前記関連付けられた物体（１８）の情報を記憶する記憶装置と、をさらに含む、請求項１５〜２０のいずれか一項に記載のマーキングシステム（１０）。
22. 物体（１８）を真贋判定又は識別する真贋判定システムであって、
    請求項２１に記載の前記マーキングシステム（１０）と、
    前記パターンの少なくとも一部分の第２の画像を撮影する第２の撮像装置と、
    前記パターンの前記第２の画像から、少なくとも１つの第２の固有の特徴を抽出するように構成された第２の抽出手段と、
    前記第２の固有の特徴の情報を、記憶されている前記第１の固有の特徴の前記情報と比較して、一致する情報を特定するように構成された比較手段と、を備える真贋判定システム。
23. コードを読み取る読み取り手段をさらに含む、請求項２２に記載の真贋判定システム。
24. 前記第２の固有の特徴の前記情報と前記コードとの少なくとも一方を前記記憶装置に送信する送信手段をさらに含む、請求項２３に記載の真贋判定システム。

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