透明な加工品の表面に構造体を組み込む方法
所定の波長領域で透明な加工品（Ｗ）の表面（Ｏ）中に構造体（Ｍ）を組み込む方法が記載されている。ここで、この構造化されるべき表面（Ｏ）は対象物材料を含有する対象物表面（３）と接触する。波長が上述の所定の波長領域内にあるレーザー光線（２）を用いて、加工品（Ｗ）を通り抜けることにより、少なくとも１つの位置で加工品（Ｗ）の構造化されるべき表面（Ｏ）と対象物表面（３）との境界領域（Ｇ）中にエネルギーが導入され、これにより、当該位置で、対象物材料が、構造化されるべき表面（Ｏ）の中および／または上に堆積する。ここで、パルス繰り返し数が１０ｋＨｚを上回るパルスレーザー光線（Ｌ）が用いられ、このレーザー光線（Ｌ）は、焦点が対象物表面上または下に位置するように合焦され、ここで、このレーザー光線は合焦時には、２０００Ｗ／ｍｍ2を上回る電力密度を有する。さらに、所定の波長領域で透明な加工品（Ｗ）の表面（Ｏ）中に構造体（Ｍ）を組み込む装置（１）も記載されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の波長領域で透明な加工品の表面中に構造体を組み込む方法であって、構造化されるべき表面は対象物材料を含有する対象物表面と接触し、波長が上述の所定の波長領域内にあるレーザー光線を用いて、これが加工品を通り抜けることにより、少なくとも１つの位置で加工品の構造化されるべき表面と対象物表面との境界領域中にエネルギーが導入され、これにより、当該位置で、対象物材料が、構造化されるべき表面に堆積する方法に関する。さらに、本発明は、この方法を遂行するためのこれに応じた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
適切な構造体を、加工品の表面に組み込むことにより、当該加工品にたとえばマークを付けることができる。このために、現在すでに市場で入手可能なレーザーマーキングシステムないしレーザー標示システムが利用可能であり、これらのシステムを用いて、マーク付けとして様々な構造体、たとえば、マーキング、たとえばバーコードなどの機械で読み取り可能なコード、または、これ以外の任意のグラフィック要素を当該加工品の表面に組み込むことが可能である。この際、このようなシステムを用いて、適切なレーザーが用いられれば、様々な材料、とりわけガラスやプレキシガラスなどの透明な材料にもマークを付けることができる。通常、このように透明な材料にマークを付けるためには、光線が透明材料に最もよく吸収されるレーザー光線を用いる。たとえば、ガラスは、約１８０ｎｍ〜約２，５００ｎｍの光波長に対する透過領域を有する。したがって、現在、ガラスへのマーク付けには、特に、波長が１０，６００ｎｍ、９，６００ｎｍまたは９，３００ｎｍであるＣＯ2レーザーが用いられている。ここでの動作方法は、マークが付けられるべき箇所において、レーザーを当該加工品の表面中または上に合焦させ、それにより、この箇所において可能な限り多くのエネルギーを加工品中に組み込むというものである。これにより、加工品材料中の当該箇所において、局所的に限定されたいわゆる「微小亀裂」が生じ、これが、透明材料中で目に見える。あるいは、表面中に、エッチングを挿入することもできる。この場合、マークが付けられるべき加工品の表面から、局所的に材料が除去される。可視性を高めるために、このエッチングは、たとえば、不透明材料で覆うことも可能である。しかし、エッチング中へこの不透明材料を組み込むには、追加的な作業工程が必要である。これ以外の可能なマーク付け方法としては、従来の印刷方法があり、これにより、文字列またはこれ以外のグラフィック要素が表面上に設けられる。この印刷方法の欠点は、マークが比較的容易に破損されうる点である。
【０００３】
独国特許出願公開第１９５ １７ ６２５号明細書では、これに代わる方法として、冒頭で述べた種類の方法であって、硬い透明基板たとえばガラスの表面にパターンの印刷を行うために、色素を含有する層を当該表面に載せる方法が記載されている。この層は、基板を通り抜け、レーザーにより、層材料が基板表面上に転移されるように照射される。このように完成した印刷は、表面上に非常に強く接着し、酸に対しても塩基に対しても耐性があるが、この文献では、印刷工程で、層材料の粒子が表面中に拡散されるであろうと考えられる。
【０００４】
さらに、国際公開第９５／２５６３９号パンフレットにおいては、類似の方法が記載されている。この場合、レーザーを用いて加工品を通り抜け、エネルギーが対象物に局所的に導入され、その結果、対象物材料が気化し、透明な加工品のマークが付けられるべき表面上に局所的に堆積することにより、マーク付けが透明な加工品上に作成される。このプロセスでは、この蒸着方法において最良の結果が得られるように、対象物は、マークが付けられるべき表面に直接接しておらず、たとえば、マークが付けられるべき表面から０．１ｍｍの間隔をおいて位置づけられている。
【０００５】
独国特許第１９６ ３７ ２５５号明細書では、さらに類似の方法が記載されているが、この場合、透明材料のマーキングされるべき表面が、基板材料から短い距離をおいて位置づけられ、この基板材料は、セラミック基板粒子と接着剤とからなる。透明材料を通って、基板材料は、局所的にレーザーにより照射される。ここで、レーザーは、マーキングされるべき表面上に合焦される。基板材料中に導入されたレーザーエネルギーは、接着剤を蒸発させる。ここで、遊離した基板粒子は、マーキングされるべき表面上で、レーザー光線の焦点中に到達し、そこで、高いエネルギー密度により焼結固着される。
【０００６】
基板粒子の焼結固着は、後に行われる透明材料の後処理において不利になりうるので、独国特許出願公開第１０ ２００６ ０２９ ９４１号明細書中では、変更した方法が提案されている。この場合、基板として、金属またはシリコンなどの半金属のみが用いられる。これらは、マーキングされるべき表面と直接接触し、または、好ましくはこの表面に対して短い距離を保って位置づけられる。ここでも透明材料を通り抜けて基板に向けられたレーザー光線は、この場合には、以下のように設定される。すなわち、基板の粒子が気化し、マーキングされるべき表面において凝縮し、基板材料の粒子が透明材料中に拡散しないように設定される。これについて、パルス繰り返し数が最大１ｋＨｚ、平均電力が８．４Ｗまたは１２Ｗ、焦点の直径が４２μｍおよび偏光速度が５０ｍｍ／秒のパルスレーザー光線で動作する。この場合、レーザー光線は、好ましくは透明材料のマーキングされるべき表面上で合焦される。この方法の変形例では、さらに、透明材料が、マーキングされるべき表面中で局所的に切除され、および／または溶融される。このために、たとえば、パルス繰り返し数が最大０．４ｋＨｚ、平均電力１２ワット、焦点の直径が４２μｍおよび偏光速度が２０ｍｍ／秒のレーザー光線で動作する。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、特に安定した構造体を、透明な加工品の表面中に組み込むための代替となる方法とそれに応じた装置を提供することである。
【０００８】
この目的は、請求項１に記載の方法により、および、請求項１４に記載の装置により達成される。
【０００９】
本発明によれば、冒頭で述べた方法において、パルス繰り返し数が１０ｋＨｚを上回るパルスレーザー光線が用いられる。この光線は、焦点が対象物表面上または下に位置するように合焦され、ここで、レーザー光線は合焦時には、２０００Ｗ／ｍｍ2を上回る電力密度を有する。この場合、この電力密度は、合焦面に対する平均電力密度である。
【００１０】
対象物表面上または対象物中（たとえば、対象物表面のかろうじて下）で合焦することにより、エネルギーの大部分が対象物中に導入される。さらに、従来技術の場合に比して著しく高いパルス繰り返し数で作業され、ここで、同時に高い電力密度が発生させられる。パルスは、パルス繰り返し数が高いことにより比較的短い。短いが強いレーザーパルスにより、対象物粒子は平均して比較的高いエネルギーで透明な加工品の表面へと到達し、この表面の中へと入り込むことができる。
【００１１】
上述の従来技術の場合とは異なり、ここでは、対象物材料を加工品表面上に載せる以外に、加工品表面中に対象物材料を可能な限りよく拡散させることにまったくに目標をおいて試みられ、この方法では、対象物材料が、可能な限り構造化されるべき材料の表面上でのみ切り離されることがまさにないように設定される。
【００１２】
様々な実験により、この方法を用いると、透明な加工品の表面上または中に対象物材料を組み込むことがとりわけ良く実現可能で、これにより、耐久性を持ち、かつ良く目に見え、かつ除去が非常に難しい（たとえば、表面の磨耗または研磨のみによって除去される）構造体を作成可能であることが明らかになった。
【００１３】
本発明の方法により、加工品表面に構造体を組み込むために適した装置は、対象物材料を含有する対象物表面（これは、たとえば、加工品の構造化されるべき表面に接することができ、または、加工品がこの上に載せられる面である）以外に、適切なレーザー光線発生装置が必要で、このレーザー光線発生装置は、加工品がこれに対して透明である波長領域内にある波長を有するレーザー光線を発生させるために存在する。このレーザー光線発生装置は、レーザー光線を用いて、これが対象物表面と接触する加工品を通り抜けて、少なくとも１つの位置で、加工品の構造化されるべき表面と対象物表面との境界領域中にエネルギーを導入することができ、これにより、当該位置で、対象物材料が、構造化されるべき表面に堆積するように形成され配されている。この際、本発明によれば、レーザー光線発生装置は、パルス繰り返し数が１０ｋＨｚを上回るパルスレーザー光線を発生させるように形成され、合焦装置（たとえば、適切な光学系）と、レーザー光線を構造化プロセス時に対象物表面上またはかろうじて下に合焦させる制御装置とを有し、ここで、レーザー光線は合焦時には、２０００Ｗ／ｍｍ2を上回る電力密度を有する。
【００１４】
このために、本願装置ないしレーザー光線発生装置は、適切な制御装置を有するが、この制御装置は、位置および焦点の直径などの合焦パラメータを所望のパラメータに設定するのみならず、パルス繰り返し数または電力などのさらなるレーザーパラメータの設定にも役立つ。この制御装置は、中央制御ユニットから構成されてもよいし、あるいは、交信のために互いに適切に接続されている複数の制御ユニットから構成されてもよい。
【００１５】
本発明のさらなるとりわけ有利な形態およびさらなる構成は、従属請求項および以下の明細書から明らかである。この場合、本発明の装置は、方法に関する従属請求項にしたがってさらに形成可能であり、その逆も可能である。
【００１６】
この方法は、様々な透明な材料（たとえば、様々なガラス、プレキシガラスなど）の表面に構造体を組み込むために用いられうる。特に好ましくは、この方法は、ガラス加工品の表面に構造体を組み込むのに適しているが、これは、他の手段をもってしてはこれが非常に難しく、かつ本発明の方法により作られた構造体はガラス材料中で、特に耐久性を有するからである。
【００１７】
対象物材料として、様々な材料を用いることができる。実験では、銅、アルミニウム、とりわけチタナール（特殊なアルミニウム合金）、チタンなどの金属が非常に適していることが明らかになった。特によく適しているのは、鋼鉄であり、好ましくは、たとえばＶ２Ａなどのステンレス鋼である。この場合、レーザー電力を小さくしても、構造体の視覚認識性をとても良くすることができる。
【００１８】
対象物材料は、特に好ましくは薄片の形態、たとえば金属薄片または金属含有薄片もしくは色素含有薄片としての形態であり、この材料は、構造化プロセス前に、加工品の表面に載せられ、続いて再び除去可能である。とりわけ特に好適であるのは、自己接着型薄片でありうる。
【００１９】
対象物材料が導電性材料である限り、この方法で任意の導電性の構造体を、ガラス表面ないしこれ以外の透明な材料の表面上に載せることができる。
【００２０】
本発明の好適な用途は、加工品に、冒頭に述べた文字、ロゴなどの形式の構造体のマークを付けることである。あるいは、または、これに加えて、本発明の方法により組み込まれた構造体は、まったく別の目的に役立ってもよい。たとえば、純粋に視覚的な理由ないしデザイン上の理由から、芸術的な飾り、平坦な構造体、写真などを、表面中に組み込むことができる。
【００２１】
さらなる好適な応用例は、技術的な導体構造体、たとえば、アンテナ構造体または加熱導体を設けることであり、これは、特に自動車座金には興味深い。
【００２２】
レーザー光線の波長（すなわち、このレーザー光線の光の波長）は、好ましくは、約１８０ｎｍ〜約２，５００ｎｍの範囲、特に好ましくは、約３００ｎｍ〜約１，８００ｎｍの範囲内であるべきである。とりわけ、ガラス加工品へのマーク付けには、なかでも、波長が約１，０６０ｎｍであるレーザーの使用が実証済みである。このような波長のレーザーは、たとえば、いわゆるＦＡＹｂレーザー（ファイバー増幅イッテルビウムレーザー）である。波長が１，０６４ｎｍまたは５３２ｎｍであるＮｄ−ＹＡＧレーザー（ネオジウムドープイットリウム−アルミニウム−ガーネットレーザー）を用いることもできる。
【００２３】
さらに、レーザー光線発生装置は、好ましくは光線ガイド装置を有するが、これは、レーザー焦点を構造化像により予め与えられる構造化軌道に沿って移動させるために存在する。すなわち、レーザーは、所望の構造化像を作成するために、点状で、構造化軌道（たとえば、文字列）に沿って、所定の送り速度で段階的にまたは連続的に移動する。
【００２４】
好ましくは、この移動は７０ｍｍ／秒を上回る送り速度、特に好ましくは１００ｍｍ／秒を上回る送り速度で、具体的な応用によっては、必要な場合、さらに著しく速い速度で移動させられる。
【００２５】
このような光線ガイド装置は、任意の方法で構築されうる。たとえば、レーザーは、ライトガイドを介してガイド可能であり、このライトガイドは、適切な調節装置により適切に調整される。しかし、光線ガイド装置を、通常の方法で偏光ユニットを用いても構築可能であり、たとえば、２つの方向転換ミラー、プリズムなどで構築可能である。このようなシステムを用いて、レーザー光線のそれぞれの焦点が対象物表面上または下に位置する平面に保持するために、合焦装置はこれに対応して構成されねばならない。このために、たとえば、Ｆθレンズなどを備えた平面光学系を用いることが考えられる。このようなＦθ光学系は、レーザー光線を、平坦な像平面上に合焦させる。この際、光線の入射角と像面（すなわち、構造化が行われるべき面）中の合焦された像点の位置との間に精確な割合が存在する。同様に、たとえば、構造化されるべき表面が湾曲している場合には、適切な三次元光学系を用いることも可能である。統合された合焦光学系を備えた適切な偏光ユニットは、たとえば、通常のレーザーマーキングシステムないしレーザー記号付けシステムでの使用のために、市場で入手可能である。これらは、本発明の装置にも使用可能である。同様に、これらの装置用の制御装置も使用可能である。ここで必要となる点は、構造化されるべき材料に対して透過性のある波長を有する適切なレーザーが使用されるという点、および、焦点が構造化されるべき加工品自身の中にあるのではなく、たとえば、対象物表面上またはかろうじて下に位置するように、制御部が設定され、あるいは必要な場合、これに応じて自動制御用にプログラムされるという点である。
【００２６】
冒頭ですでに述べたように、本発明によれば、構造化プロセスは、透明な加工品の構造化されるべき表面中に対象物材料の粒子を可能な限りよく拡散させるように意識的に設計されている。したがって、好ましくは、対象物材料の粒子が、少なくとも１箇所で（たとえば、点のマーク付けの場合点のマークの中央点で、あるいは、線のマーク付けの場合には線のマークの中央線で）、少なくとも約１５μｍ、好ましくは少なくとも約３０μｍの深さの最大入り込み深さで構造化されるべき表面中に入り込むように、構造化は行われる。現在までに行われたマーク付けのテストでは、本発明の方法を用いると、難なく、対象物粒子の加工品表面への入り込み深さが、３０μｍ以上に達しうることがわかっている。
【００２７】
好ましくは、これに加えて、可能な限り、短時間で高いエネルギーを対象物に導入するべきである。ここで、好ましくは、構造化されるべき表面中の温度が、構造化時にも加工品材料の融点未満であるように、それも、まさにレーザー光線の焦点がある対象物表面との直接の境界領域においても加工品材料の融点未満であるようにレーザー光線が制御される。換言すれば、加工品の表面は、局所的に溶融されるべきではない。ガラスの融点はガラスの種類によっては、約１，０００℃〜約１，６００℃である。
【００２８】
他方、今まさにマークされるべき加工品表面中の温度は低すぎるべきではないが、これは、温度が高い方が拡散を促進するからである。特に好適であるのは、約６００℃を超える温度である。
【００２９】
最適条件の設定は、一方ではレーザー光線から対象物に導入されるエネルギー、他方ではこのエネルギー導入される時間を決定する様々なパラメータの調整により行われる。
【００３０】
合焦時にはレーザー光線は可能な限り高い電力密度を有する場合に有利であると判明している。したがって、合焦時のレーザー光線の電力密度は、約３ｋＷ／ｍｍ2を上回り、特に好ましくは約１０ｋＷ／ｍｍ2を上回り、とりわけ特に好ましくは約１００ｋＷ／ｍｍ2をさえ上回るようにレーザー光線が設定されることが好ましい。
【００３１】
これに関して、一方では、焦点の直径は十分小さくなければならない。好ましくは、焦点の直径は、６０μｍ未満、特に好ましくは４０μｍ未満であるように設定される。テストでは、たとえば、焦点の直径がたった約３０μｍである突出したマーク付けが達成された。
【００３２】
他方、レーザーの平均電力は十分大きくなければならない。好ましくは、この平均電力は１０Ｗを超えるべきである。好ましくは、その平均電力が１０Ｗ〜５０Ｗで設定可能であるレーザーが用いられる。焦点の直径が約６０μｍの場合は、合焦時に４ｋＷ／ｍｍ2を超える電力密度を得るために、１２Ｗの電力で十分である。
【００３３】
導入される電力以外に、対象物中（したがって境界となる加工品表面）中の温度挙動には、すでに上で規定したレーザー光線の送り速度およびパルス繰り返し数も重要である。本発明では、１０ｋＨｚを上回る比較的高いパルス繰り返し数で動作する。好ましくは、パルス繰り返し数は、２０ｋＨｚを上回り、特に好ましくは２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの間で選択される。これは、パルス繰り返し時間が１０μｓ〜５０μｓの間であることに相当する。
【００３４】
この短いパルス繰り返し時間に応じて、レーザーパルス自身も比較的短くなければならない。レーザーパルスのパルス幅は、好ましくは、１００ｎｓ未満、特に好ましくは２０ｎｓ未満である。パルス幅は可能な限り短いのが有利であるので、パルス幅はｐｓ領域以下であるのが、とりわけ特に好適である。
【００３５】
上述のような平均電力においては、パルス幅が短いことにより、これに応じて高いレーザーパルスのピーク電力（“Ｌａｓｅｒ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ”とも称される）が得られる。本発明の方法では、好ましくは１０ｋＷを上回る、特に好ましくは２５ｋＷを上回るレーザーパルスのピーク電力で動作する。これにより、可能な限り多いエネルギーが、可能な限り短時間に対象物材料中に導入されて、一方では対象物材料の粒子に十分なエネルギーを与え、他方ではマークが付けられるべき加工品中の温度を、局所的にも所望の温度境界内に保ち、これにより、対象物粒子が可能な限り良く拡散して加工品の表面に到達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の装置の１実施形態の概略図であり、ガラス加工品にマークを付けているところの図である。
【図２】マークを入れる際のガラス加工品とその下にある対象物の断面図である。
【図３】本発明の方法によりマークを付けたガラス加工品の、マークを付けた領域における顕微鏡写真図であり、対象物粒子の入り込み深さを測定するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に、本発明を、実施形態に基づいて添付の図面を参照しながら、再度、より詳細に説明する。これにより、本発明のさらなる詳細および利点が明らかになるであろう。
【００３８】
以下に述べるように、本発明はこの用途に限定されるわけではないが、加工品のマーク付けのために、構造体を表面中に組み込むという点から出発する。上述したように、本発明の方法により、他の目的、たとえば、技術的な導体構造体またはグラフィック面などの目的用の構造体も、表面中に組み込むことができる。
【００３９】
図１に図示した本発明の装置の実施形態は、実質的には従来のレーザーマーキング装置であり、本発明の方法での使用をするために、以下に述べるように相応に修正された装置である。
【００４０】
ここで本質的な点は、マークが付けられるべき加工品Ｗの下には、対象物２（たとえば、鋼鉄板２または鋼鉄薄片である）があり、この上に、マークが付けられるべき加工品Ｗが、マークが付けられるべき表面Ｏと共に載せられているという点である。鋼鉄板２または鋼鉄薄片の表面（その上に、加工品のマークが付けられるべき表面Ｏが、マークＭが設けられるべき領域内に可能な限り大きい面積で載せられている）が、対象物表面３を形成している。
【００４１】
さらに、レーザー光源５を備えたレーザー光線発生装置４が用いられるが、このレーザー光線発生装置４は、マークが付けられるべき加工品Ｗを透過する波長を有するレーザー光線Ｌを発生させる。ガラスの透過領域は、１８０ｎｍ〜２，５００ｎｍの間である。したがって、この場合、波長λ＝１，０６０ｎｍのＦＡＹｂレーザーを用いるのが好ましい。
【００４２】
レーザー光線発生装置４は、レーザー光源５以外に光線ガイド装置１２を有するが、この光線ガイド装置１２は、駆動モーター７，９を介して駆動される２つの偏光ミラー６，８を備えた偏光ユニット１２形式のものである。この２つの偏光ミラー６，８は、レーザー光線Ｌを２つの垂直方向へ屈折させるのに役立つ。この光線ガイド装置１２ないし偏光ユニット１２には、合焦装置１１が連結されている。この合焦装置１１は、たとえばＦθレンズを備えた平坦面光学系ないしＦθ光学系１１である。図１中、合焦装置１１は、Ｆθレンズのみとして、概略的に図示されている。偏光ユニット１２は、このＦθ光学系１１と共に、１つのユニットとして形成可能である。Ｆθ光学系１１は、所定の角度で偏光ミラー６，８から偏光されたレーザー光線Ｌを、図１中で図示された座標系のｘ方向およびｙ方向に広がる平行平面（この場合、この平面はまさに対象物平面３上にあることが好ましい）中に合焦させるという意味を有する。ここで、偏光ミラー６，８の設定に応じて、このｘｙ平面中の別の異なる点に当てられる。このようにして、駆動モーター７，９ないし偏光ミラー６，８の移動により、レーザー光線Ｌの焦点Ｆは、任意の形で、所定のマーク付け像Ｂ（この場合、たとえば、“Ｐａｎａｓｏｎｉｃ”の文字列）により予め与えられるマーク付け軌道に沿って移動する。この場合、レーザー光線Ｌは、適切な絞りなどによって、短時間の間マスクされ、たとえば、このような文字列の互いに独立した複数の文字において、１つの文字から別の文字に跳び、この領域にはマーク付けをしないことも可能である。
【００４３】
Ｆθ光学系１１を備えた完全な偏光ユニット１２は、従来のレーザーマーキングシステムで用いられるような市場で入手可能なユニットであってもよい。レーザー光源５と、Ｆθ光学系１１を備えた偏光ユニット１２とは、制御ユニット１０を介して駆動される。ここでも、市場で入手可能な制御ユニット１０を用いることもでき、この制御ユニットは相応にプログラムされねばならず、これにより、制御ユニット１０により自動的に設定可能である焦点Ｆは、上述したように、対象物表面３上または対象物表面３のかろうじて下に設定される。
【００４４】
レーザー光線Ｌが現在存在する領域中に局所的にないしこの領域の周囲においても、加工品Ｗの構造化されるべき表面Ｏと対象物表面３との境界領域Ｇ中に（すなわち、対象物中にも、加工品表面Ｏ中にも）エネルギーが導入され、ここで、エネルギーの大部分は、合焦Ｆ時には対象物表面３上に導入される。これにより、金属は非常に強く加熱されるので、金属粒子は、ガラス表面Ｏ上で沈殿し、このガラス表面内に入り込む。この状態を、図２に概略的に図示している。
【００４５】
実験により、マーク付けにおける金属粒子のガラス基板への入り込み深さｔは、３０μｍを上回りうることがわかった。図３は、顕微鏡写真（５００倍拡大）であるが、この図から、拡散路および入り込み深さが認識可能である。ある箇所で入り込み深さｔが測定された。入り込み深さｔは、この場合、約４８μｍである。
【００４６】
これらの実験では、平均電力が１２ワットであるＦＡＹｂレーザーを用いた。このレーザーは、長さ２０ｎｓのパルスでは、レーザーピーク電力が、２０ｋＷまでのパルスレーザーである。このシステムの場合、１０μｓ〜５０μｓのパルス繰り返し時間が設定可能である。レーザーは、いわゆる「単一モードレーザー（モード ＴＥＭ００）」と称されるレーザーであり、Ｍ2＝１．４の性能パラメータを有する。試験では、光学系は、対象物表面３から１９０ｍｍ離れて位置づけられ、焦点Ｆは、対象物表面３の直ぐ上に設定された。光線の直径ｄは、合焦時Ｆでは、約６０μｍである（図２参照）。この設定では、合焦時のこのレーザーの電力密度は、約４，０００Ｗ／ｍｍ2である。
【００４７】
特に異なる金属を用いて、特によく読み取り可能なマーク付けが得られる実験を行った。このため、一方では、銅およびチタナールを対象物材料として用いた実験を行った。この場合、レーザー電力はそれぞれ１０ワット、送り速度はそれぞれ７０ｍｍ／秒、パルス繰り返し時間はそれぞれ５０μｓであった。これらの条件下では、マークＭは、この双方の対象物材料においてよく読み取り可能であった。さらなる実験では、対象物材料としてアルミニウムを用いた。この場合、レーザー電力１０ワット、送り速度８０ｍｍ／秒、パルス繰り返し時間５０μｓの条件下でも、非常によく読み取り可能であるマークが作成された。
【００４８】
これにより、基本的には金属薄片たとえばアルミホイルも、対象物材料として適していることがわかる。こうして、レーザー電力５ワット、送り速度１，０００ｍｍ／秒、パルス繰り返し時間５０μｓで、アルミホイルを用いた場合、よく読み採り可能なマークが得られた。金属薄片の使用は、所定の製造条件下、すなわち、マークが付けられるべき加工品を特別に対象物表面上に位置づける労力がかかりすぎ、かつ、製造工程中で、加工品上に金属薄片を比較的容易に載せることができるという所定の製造条件下では、非常に有利である。
【００４９】
最高の結果は、鋼鉄を用いた場合に得られた。この場合、レーザー電力はたった８ワット、送り速度１５０ｍｍ／秒、パルス繰り返し時間５０μｓで、特によく読み取り可能なマークが作成された。
【００５０】
このようにマーク付けされた加工品を、マークの破壊性に関してテストした。ここで、マークは、洗浄剤ないし研磨剤によっても、また、かみそりの刃などでの掻き落としによっても、著しい損傷を受けないことが明らかになった。
【００５１】
したがって、本発明の方法により、単純な方法で、任意の機能向けの非常に耐久性の良い構造体を、とりわけガラス表面に作成することができ、ここで、従来のレーザーマーキングシステムを比較的簡単に修正して利用可能であるので有利である。
【００５２】
最後に再度、図中に示された装置およびこれに関連して述べた具体的な方法は、ただの実施形態であり、当業者は本発明の枠を超えずに多様に変更可能である点を指摘する。完全性を期すために、さらに、不定冠詞“ｅｉｎ”ないし“ｅｉｎｅ”の使用により、当該特徴が複数存在しうる可能性を除外しない点を指摘しておく。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の波長領域で透明な加工品の表面中に構造体を組み込む方法であって、構造化されるべき表面は対象物材料を含有する対象物表面と接触し、波長が上述の所定の波長領域内にあるレーザー光線を用いて、これが加工品を通り抜けることにより、少なくとも１つの位置で加工品の構造化されるべき表面と対象物表面との境界領域中にエネルギーが導入され、これにより、当該位置で、対象物材料が、構造化されるべき表面に堆積する方法に関する。さらに、本発明は、この方法を遂行するためのこれに応じた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
適切な構造体を、加工品の表面に組み込むことにより、当該加工品にたとえばマークを付けることができる。このために、現在すでに市場で入手可能なレーザーマーキングシステムないしレーザー標示システムが利用可能であり、これらのシステムを用いて、マーク付けとして様々な構造体、たとえば、マーキング、たとえばバーコードなどの機械で読み取り可能なコード、または、これ以外の任意のグラフィック要素を当該加工品の表面に組み込むことが可能である。この際、このようなシステムを用いて、適切なレーザーが用いられれば、様々な材料、とりわけガラスやプレキシガラスなどの透明な材料にもマークを付けることができる。通常、このように透明な材料にマークを付けるためには、光線が透明材料に最もよく吸収されるレーザー光線を用いる。たとえば、ガラスは、約１８０ｎｍ〜約２，５００ｎｍの光波長に対する透過領域を有する。したがって、現在、ガラスへのマーク付けには、特に、波長が１０，６００ｎｍ、９，６００ｎｍまたは９，３００ｎｍであるＣＯ2レーザーが用いられている。ここでの動作方法は、マークが付けられるべき箇所において、レーザーを当該加工品の表面中または上に合焦させ、それにより、この箇所において可能な限り多くのエネルギーを加工品中に組み込むというものである。これにより、加工品材料中の当該箇所において、局所的に限定されたいわゆる「微小亀裂」が生じ、これが、透明材料中で目に見える。あるいは、表面中に、エッチングを挿入することもできる。この場合、マークが付けられるべき加工品の表面から、局所的に材料が除去される。可視性を高めるために、このエッチングは、たとえば、不透明材料で覆うことも可能である。しかし、エッチング中へこの不透明材料を組み込むには、追加的な作業工程が必要である。これ以外の可能なマーク付け方法としては、従来の印刷方法があり、これにより、文字列またはこれ以外のグラフィック要素が表面上に設けられる。この印刷方法の欠点は、マークが比較的容易に破損されうる点である。
【０００３】
独国特許出願公開第１９５ １７ ６２５号明細書では、これに代わる方法として、冒頭で述べた種類の方法であって、硬い透明基板たとえばガラスの表面にパターンの印刷を行うために、色素を含有する層を当該表面に載せる方法が記載されている。この層は、基板を通り抜け、レーザーにより、層材料が基板表面上に転移されるように照射される。このように完成した印刷は、表面上に非常に強く接着し、酸に対しても塩基に対しても耐性があるが、この文献では、印刷工程で、層材料の粒子が表面中に拡散されるであろうと考えられる。
【０００４】
さらに、国際公開第９５／２５６３９号パンフレットにおいては、類似の方法が記載されている。この場合、レーザーを用いて加工品を通り抜け、エネルギーが対象物に局所的に導入され、その結果、対象物材料が気化し、透明な加工品のマークが付けられるべき表面上に局所的に堆積することにより、マーク付けが透明な加工品上に作成される。このプロセスでは、この蒸着方法において最良の結果が得られるように、対象物は、マークが付けられるべき表面に直接接しておらず、たとえば、マークが付けられるべき表面から０．１ｍｍの間隔をおいて位置づけられている。
【０００５】
独国特許第１９６ ３７ ２５５号明細書では、さらに類似の方法が記載されているが、この場合、透明材料のマーキングされるべき表面が、基板材料から短い距離をおいて位置づけられ、この基板材料は、セラミック基板粒子と接着剤とからなる。透明材料を通って、基板材料は、局所的にレーザーにより照射される。ここで、レーザーは、マーキングされるべき表面上に合焦される。基板材料中に導入されたレーザーエネルギーは、接着剤を蒸発させる。ここで、遊離した基板粒子は、マーキングされるべき表面上で、レーザー光線の焦点中に到達し、そこで、高いエネルギー密度により焼結固着される。
【０００６】
基板粒子の焼結固着は、後に行われる透明材料の後処理において不利になりうるので、独国特許出願公開第１０ ２００６ ０２９ ９４１号明細書中では、変更した方法が提案されている。この場合、基板として、金属またはシリコンなどの半金属のみが用いられる。これらは、マーキングされるべき表面と直接接触し、または、好ましくはこの表面に対して短い距離を保って位置づけられる。ここでも透明材料を通り抜けて基板に向けられたレーザー光線は、この場合には、以下のように設定される。すなわち、基板の粒子が気化し、マーキングされるべき表面において凝縮し、基板材料の粒子が透明材料中に拡散しないように設定される。これについて、パルス繰り返し数が最大１ｋＨｚ、平均電力が８．４Ｗまたは１２Ｗ、焦点の直径が４２μｍおよび偏光速度が５０ｍｍ／秒のパルスレーザー光線で動作する。この場合、レーザー光線は、好ましくは透明材料のマーキングされるべき表面上で合焦される。この方法の変形例では、さらに、透明材料が、マーキングされるべき表面中で局所的に切除され、および／または溶融される。このために、たとえば、パルス繰り返し数が最大０．４ｋＨｚ、平均電力１２ワット、焦点の直径が４２μｍおよび偏光速度が２０ｍｍ／秒のレーザー光線で動作する。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、特に安定した構造体を、透明な加工品の表面中に組み込むための代替となる方法とそれに応じた装置を提供することである。
【０００８】
この目的は、請求項１に記載の方法により、および、請求項１４に記載の装置により達成される。
【０００９】
本発明によれば、冒頭で述べた方法において、パルス繰り返し数が１０ｋＨｚを上回るパルスレーザー光線が用いられる。この光線は、焦点が対象物表面上または下に位置するように合焦され、ここで、レーザー光線は合焦時には、２０００Ｗ／ｍｍ2を上回る電力密度を有する。この場合、この電力密度は、合焦面に対する平均電力密度である。
【００１０】
対象物表面上または対象物中（たとえば、対象物表面のかろうじて下）で合焦することにより、エネルギーの大部分が対象物中に導入される。さらに、従来技術の場合に比して著しく高いパルス繰り返し数で作業され、ここで、同時に高い電力密度が発生させられる。パルスは、パルス繰り返し数が高いことにより比較的短い。短いが強いレーザーパルスにより、対象物粒子は平均して比較的高いエネルギーで透明な加工品の表面へと到達し、この表面の中へと入り込むことができる。
【００１１】
上述の従来技術の場合とは異なり、ここでは、対象物材料を加工品表面上に載せる以外に、加工品表面中に対象物材料を可能な限りよく拡散させることにまったくに目標をおいて試みられ、この方法では、対象物材料が、可能な限り構造化されるべき材料の表面上でのみ切り離されることがまさにないように設定される。
【００１２】
様々な実験により、この方法を用いると、透明な加工品の表面上または中に対象物材料を組み込むことがとりわけ良く実現可能で、これにより、耐久性を持ち、かつ良く目に見え、かつ除去が非常に難しい（たとえば、表面の磨耗または研磨のみによって除去される）構造体を作成可能であることが明らかになった。
【００１３】
本発明の方法により、加工品表面に構造体を組み込むために適した装置は、対象物材料を含有する対象物表面（これは、たとえば、加工品の構造化されるべき表面に接することができ、または、加工品がこの上に載せられる面である）以外に、適切なレーザー光線発生装置が必要で、このレーザー光線発生装置は、加工品がこれに対して透明である波長領域内にある波長を有するレーザー光線を発生させるために存在する。このレーザー光線発生装置は、レーザー光線を用いて、これが対象物表面と接触する加工品を通り抜けて、少なくとも１つの位置で、加工品の構造化されるべき表面と対象物表面との境界領域中にエネルギーを導入することができ、これにより、当該位置で、対象物材料が、構造化されるべき表面に堆積するように形成され配されている。この際、本発明によれば、レーザー光線発生装置は、パルス繰り返し数が１０ｋＨｚを上回るパルスレーザー光線を発生させるように形成され、合焦装置（たとえば、適切な光学系）と、レーザー光線を構造化プロセス時に対象物表面上またはかろうじて下に合焦させる制御装置とを有し、ここで、レーザー光線は合焦時には、２０００Ｗ／ｍｍ2を上回る電力密度を有する。
【００１４】
このために、本願装置ないしレーザー光線発生装置は、適切な制御装置を有するが、この制御装置は、位置および焦点の直径などの合焦パラメータを所望のパラメータに設定するのみならず、パルス繰り返し数または電力などのさらなるレーザーパラメータの設定にも役立つ。この制御装置は、中央制御ユニットから構成されてもよいし、あるいは、交信のために互いに適切に接続されている複数の制御ユニットから構成されてもよい。
【００１５】
本発明のさらなるとりわけ有利な形態およびさらなる構成は、従属請求項および以下の明細書から明らかである。この場合、本発明の装置は、方法に関する従属請求項にしたがってさらに形成可能であり、その逆も可能である。
【００１６】
この方法は、様々な透明な材料（たとえば、様々なガラス、プレキシガラスなど）の表面に構造体を組み込むために用いられうる。特に好ましくは、この方法は、ガラス加工品の表面に構造体を組み込むのに適しているが、これは、他の手段をもってしてはこれが非常に難しく、かつ本発明の方法により作られた構造体はガラス材料中で、特に耐久性を有するからである。
【００１７】
対象物材料として、様々な材料を用いることができる。実験では、銅、アルミニウム、とりわけチタナール（特殊なアルミニウム合金）、チタンなどの金属が非常に適していることが明らかになった。特によく適しているのは、鋼鉄であり、好ましくは、たとえばＶ２Ａなどのステンレス鋼である。この場合、レーザー電力を小さくしても、構造体の視覚認識性をとても良くすることができる。
【００１８】
対象物材料は、特に好ましくは薄片の形態、たとえば金属薄片または金属含有薄片もしくは色素含有薄片としての形態であり、この材料は、構造化プロセス前に、加工品の表面に載せられ、続いて再び除去可能である。とりわけ特に好適であるのは、自己接着型薄片でありうる。
【００１９】
対象物材料が導電性材料である限り、この方法で任意の導電性の構造体を、ガラス表面ないしこれ以外の透明な材料の表面上に載せることができる。
【００２０】
本発明の好適な用途は、加工品に、冒頭に述べた文字、ロゴなどの形式の構造体のマークを付けることである。あるいは、または、これに加えて、本発明の方法により組み込まれた構造体は、まったく別の目的に役立ってもよい。たとえば、純粋に視覚的な理由ないしデザイン上の理由から、芸術的な飾り、平坦な構造体、写真などを、表面中に組み込むことができる。
【００２１】
さらなる好適な応用例は、技術的な導体構造体、たとえば、アンテナ構造体または加熱導体を設けることであり、これは、特に自動車座金には興味深い。
【００２２】
レーザー光線の波長（すなわち、このレーザー光線の光の波長）は、好ましくは、約１８０ｎｍ〜約２，５００ｎｍの範囲、特に好ましくは、約３００ｎｍ〜約１，８００ｎｍの範囲内であるべきである。とりわけ、ガラス加工品へのマーク付けには、なかでも、波長が約１，０６０ｎｍであるレーザーの使用が実証済みである。このような波長のレーザーは、たとえば、いわゆるＦＡＹｂレーザー（ファイバー増幅イッテルビウムレーザー）である。波長が１，０６４ｎｍまたは５３２ｎｍであるＮｄ−ＹＡＧレーザー（ネオジウムドープイットリウム−アルミニウム−ガーネットレーザー）を用いることもできる。
【００２３】
さらに、レーザー光線発生装置は、好ましくは光線ガイド装置を有するが、これは、レーザー焦点を構造化像により予め与えられる構造化軌道に沿って移動させるために存在する。すなわち、レーザーは、所望の構造化像を作成するために、点状で、構造化軌道（たとえば、文字列）に沿って、所定の送り速度で段階的にまたは連続的に移動する。
【００２４】
好ましくは、この移動は７０ｍｍ／秒を上回る送り速度、特に好ましくは１００ｍｍ／秒を上回る送り速度で、具体的な応用によっては、必要な場合、さらに著しく速い速度で移動させられる。
【００２５】
このような光線ガイド装置は、任意の方法で構築されうる。たとえば、レーザーは、ライトガイドを介してガイド可能であり、このライトガイドは、適切な調節装置により適切に調整される。しかし、光線ガイド装置を、通常の方法で偏光ユニットを用いても構築可能であり、たとえば、２つの方向転換ミラー、プリズムなどで構築可能である。このようなシステムを用いて、レーザー光線のそれぞれの焦点が対象物表面上または下に位置する平面に保持するために、合焦装置はこれに対応して構成されねばならない。このために、たとえば、Ｆθレンズなどを備えた平面光学系を用いることが考えられる。このようなＦθ光学系は、レーザー光線を、平坦な像平面上に合焦させる。この際、光線の入射角と像面（すなわち、構造化が行われるべき面）中の合焦された像点の位置との間に精確な割合が存在する。同様に、たとえば、構造化されるべき表面が湾曲している場合には、適切な三次元光学系を用いることも可能である。統合された合焦光学系を備えた適切な偏光ユニットは、たとえば、通常のレーザーマーキングシステムないしレーザー記号付けシステムでの使用のために、市場で入手可能である。これらは、本発明の装置にも使用可能である。同様に、これらの装置用の制御装置も使用可能である。ここで必要となる点は、構造化されるべき材料に対して透過性のある波長を有する適切なレーザーが使用されるという点、および、焦点が構造化されるべき加工品自身の中にあるのではなく、たとえば、対象物表面上またはかろうじて下に位置するように、制御部が設定され、あるいは必要な場合、これに応じて自動制御用にプログラムされるという点である。
【００２６】
冒頭ですでに述べたように、本発明によれば、構造化プロセスは、透明な加工品の構造化されるべき表面中に対象物材料の粒子を可能な限りよく拡散させるように意識的に設計されている。したがって、好ましくは、対象物材料の粒子が、少なくとも１箇所で（たとえば、点のマーク付けの場合点のマークの中央点で、あるいは、線のマーク付けの場合には線のマークの中央線で）、少なくとも約１５μｍ、好ましくは少なくとも約３０μｍの深さの最大入り込み深さで構造化されるべき表面中に入り込むように、構造化は行われる。現在までに行われたマーク付けのテストでは、本発明の方法を用いると、難なく、対象物粒子の加工品表面への入り込み深さが、３０μｍ以上に達しうることがわかっている。
【００２７】
好ましくは、これに加えて、可能な限り、短時間で高いエネルギーを対象物に導入するべきである。ここで、好ましくは、構造化されるべき表面中の温度が、構造化時にも加工品材料の融点未満であるように、それも、まさにレーザー光線の焦点がある対象物表面との直接の境界領域においても加工品材料の融点未満であるようにレーザー光線が制御される。換言すれば、加工品の表面は、局所的に溶融されるべきではない。ガラスの融点はガラスの種類によっては、約１，０００℃〜約１，６００℃である。
【００２８】
他方、今まさにマークされるべき加工品表面中の温度は低すぎるべきではないが、これは、温度が高い方が拡散を促進するからである。特に好適であるのは、約６００℃を超える温度である。
【００２９】
最適条件の設定は、一方ではレーザー光線から対象物に導入されるエネルギー、他方ではこのエネルギー導入される時間を決定する様々なパラメータの調整により行われる。
【００３０】
合焦時にはレーザー光線は可能な限り高い電力密度を有する場合に有利であると判明している。したがって、合焦時のレーザー光線の電力密度は、約３ｋＷ／ｍｍ2を上回り、特に好ましくは約１０ｋＷ／ｍｍ2を上回り、とりわけ特に好ましくは約１００ｋＷ／ｍｍ2をさえ上回るようにレーザー光線が設定されることが好ましい。
【００３１】
これに関して、一方では、焦点の直径は十分小さくなければならない。好ましくは、焦点の直径は、６０μｍ未満、特に好ましくは４０μｍ未満であるように設定される。テストでは、たとえば、焦点の直径がたった約３０μｍである突出したマーク付けが達成された。
【００３２】
他方、レーザーの平均電力は十分大きくなければならない。好ましくは、この平均電力は１０Ｗを超えるべきである。好ましくは、その平均電力が１０Ｗ〜５０Ｗで設定可能であるレーザーが用いられる。焦点の直径が約６０μｍの場合は、合焦時に４ｋＷ／ｍｍ2を超える電力密度を得るために、１２Ｗの電力で十分である。
【００３３】
導入される電力以外に、対象物中（したがって境界となる加工品表面）中の温度挙動には、すでに上で規定したレーザー光線の送り速度およびパルス繰り返し数も重要である。本発明では、１０ｋＨｚを上回る比較的高いパルス繰り返し数で動作する。好ましくは、パルス繰り返し数は、２０ｋＨｚを上回り、特に好ましくは２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの間で選択される。これは、パルス繰り返し時間が１０μｓ〜５０μｓの間であることに相当する。
【００３４】
この短いパルス繰り返し時間に応じて、レーザーパルス自身も比較的短くなければならない。レーザーパルスのパルス幅は、好ましくは、１００ｎｓ未満、特に好ましくは２０ｎｓ未満である。パルス幅は可能な限り短いのが有利であるので、パルス幅はｐｓ領域以下であるのが、とりわけ特に好適である。
【００３５】
上述のような平均電力においては、パルス幅が短いことにより、これに応じて高いレーザーパルスのピーク電力（“Ｌａｓｅｒ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ”とも称される）が得られる。本発明の方法では、好ましくは１０ｋＷを上回る、特に好ましくは２５ｋＷを上回るレーザーパルスのピーク電力で動作する。これにより、可能な限り多いエネルギーが、可能な限り短時間に対象物材料中に導入されて、一方では対象物材料の粒子に十分なエネルギーを与え、他方ではマークが付けられるべき加工品中の温度を、局所的にも所望の温度境界内に保ち、これにより、対象物粒子が可能な限り良く拡散して加工品の表面に到達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の装置の１実施形態の概略図であり、ガラス加工品にマークを付けているところの図である。
【図２】マークを入れる際のガラス加工品とその下にある対象物の断面図である。
【図３】本発明の方法によりマークを付けたガラス加工品の、マークを付けた領域における顕微鏡写真図であり、対象物粒子の入り込み深さを測定するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に、本発明を、実施形態に基づいて添付の図面を参照しながら、再度、より詳細に説明する。これにより、本発明のさらなる詳細および利点が明らかになるであろう。
【００３８】
以下に述べるように、本発明はこの用途に限定されるわけではないが、加工品のマーク付けのために、構造体を表面中に組み込むという点から出発する。上述したように、本発明の方法により、他の目的、たとえば、技術的な導体構造体またはグラフィック面などの目的用の構造体も、表面中に組み込むことができる。
【００３９】
図１に図示した本発明の装置の実施形態は、実質的には従来のレーザーマーキング装置であり、本発明の方法での使用をするために、以下に述べるように相応に修正された装置である。
【００４０】
ここで本質的な点は、マークが付けられるべき加工品Ｗの下には、対象物２（たとえば、鋼鉄板２または鋼鉄薄片である）があり、この上に、マークが付けられるべき加工品Ｗが、マークが付けられるべき表面Ｏと共に載せられているという点である。鋼鉄板２または鋼鉄薄片の表面（その上に、加工品のマークが付けられるべき表面Ｏが、マークＭが設けられるべき領域内に可能な限り大きい面積で載せられている）が、対象物表面３を形成している。
【００４１】
さらに、レーザー光源５を備えたレーザー光線発生装置４が用いられるが、このレーザー光線発生装置４は、マークが付けられるべき加工品Ｗを透過する波長を有するレーザー光線Ｌを発生させる。ガラスの透過領域は、１８０ｎｍ〜２，５００ｎｍの間である。したがって、この場合、波長λ＝１，０６０ｎｍのＦＡＹｂレーザーを用いるのが好ましい。
【００４２】
レーザー光線発生装置４は、レーザー光源５以外に光線ガイド装置１２を有するが、この光線ガイド装置１２は、駆動モーター７，９を介して駆動される２つの偏光ミラー６，８を備えた偏光ユニット１２形式のものである。この２つの偏光ミラー６，８は、レーザー光線Ｌを２つの垂直方向へ屈折させるのに役立つ。この光線ガイド装置１２ないし偏光ユニット１２には、合焦装置１１が連結されている。この合焦装置１１は、たとえばＦθレンズを備えた平坦面光学系ないしＦθ光学系１１である。図１中、合焦装置１１は、Ｆθレンズのみとして、概略的に図示されている。偏光ユニット１２は、このＦθ光学系１１と共に、１つのユニットとして形成可能である。Ｆθ光学系１１は、所定の角度で偏光ミラー６，８から偏光されたレーザー光線Ｌを、図１中で図示された座標系のｘ方向およびｙ方向に広がる平行平面（この場合、この平面はまさに対象物平面３上にあることが好ましい）中に合焦させるという意味を有する。ここで、偏光ミラー６，８の設定に応じて、このｘｙ平面中の別の異なる点に当てられる。このようにして、駆動モーター７，９ないし偏光ミラー６，８の移動により、レーザー光線Ｌの焦点Ｆは、任意の形で、所定のマーク付け像Ｂ（この場合、たとえば、“Ｐａｎａｓｏｎｉｃ”の文字列）により予め与えられるマーク付け軌道に沿って移動する。この場合、レーザー光線Ｌは、適切な絞りなどによって、短時間の間マスクされ、たとえば、このような文字列の互いに独立した複数の文字において、１つの文字から別の文字に跳び、この領域にはマーク付けをしないことも可能である。
【００４３】
Ｆθ光学系１１を備えた完全な偏光ユニット１２は、従来のレーザーマーキングシステムで用いられるような市場で入手可能なユニットであってもよい。レーザー光源５と、Ｆθ光学系１１を備えた偏光ユニット１２とは、制御ユニット１０を介して駆動される。ここでも、市場で入手可能な制御ユニット１０を用いることもでき、この制御ユニットは相応にプログラムされねばならず、これにより、制御ユニット１０により自動的に設定可能である焦点Ｆは、上述したように、対象物表面３上または対象物表面３のかろうじて下に設定される。
【００４４】
レーザー光線Ｌが現在存在する領域中に局所的にないしこの領域の周囲においても、加工品Ｗの構造化されるべき表面Ｏと対象物表面３との境界領域Ｇ中に（すなわち、対象物中にも、加工品表面Ｏ中にも）エネルギーが導入され、ここで、エネルギーの大部分は、合焦Ｆ時には対象物表面３上に導入される。これにより、金属は非常に強く加熱されるので、金属粒子は、ガラス表面Ｏ上で沈殿し、このガラス表面内に入り込む。この状態を、図２に概略的に図示している。
【００４５】
実験により、マーク付けにおける金属粒子のガラス基板への入り込み深さｔは、３０μｍを上回りうることがわかった。図３は、顕微鏡写真（５００倍拡大）であるが、この図から、拡散路および入り込み深さが認識可能である。ある箇所で入り込み深さｔが測定された。入り込み深さｔは、この場合、約４８μｍである。
【００４６】
これらの実験では、平均電力が１２ワットであるＦＡＹｂレーザーを用いた。このレーザーは、長さ２０ｎｓのパルスでは、レーザーピーク電力が、２０ｋＷまでのパルスレーザーである。このシステムの場合、１０μｓ〜５０μｓのパルス繰り返し時間が設定可能である。レーザーは、いわゆる「単一モードレーザー（モード ＴＥＭ００）」と称されるレーザーであり、Ｍ2＝１．４の性能パラメータを有する。試験では、光学系は、対象物表面３から１９０ｍｍ離れて位置づけられ、焦点Ｆは、対象物表面３の直ぐ上に設定された。光線の直径ｄは、合焦時Ｆでは、約６０μｍである（図２参照）。この設定では、合焦時のこのレーザーの電力密度は、約４，０００Ｗ／ｍｍ2である。
【００４７】
特に異なる金属を用いて、特によく読み取り可能なマーク付けが得られる実験を行った。このため、一方では、銅およびチタナールを対象物材料として用いた実験を行った。この場合、レーザー電力はそれぞれ１０ワット、送り速度はそれぞれ７０ｍｍ／秒、パルス繰り返し時間はそれぞれ５０μｓであった。これらの条件下では、マークＭは、この双方の対象物材料においてよく読み取り可能であった。さらなる実験では、対象物材料としてアルミニウムを用いた。この場合、レーザー電力１０ワット、送り速度８０ｍｍ／秒、パルス繰り返し時間５０μｓの条件下でも、非常によく読み取り可能であるマークが作成された。
【００４８】
これにより、基本的には金属薄片たとえばアルミホイルも、対象物材料として適していることがわかる。こうして、レーザー電力５ワット、送り速度１，０００ｍｍ／秒、パルス繰り返し時間５０μｓで、アルミホイルを用いた場合、よく読み採り可能なマークが得られた。金属薄片の使用は、所定の製造条件下、すなわち、マークが付けられるべき加工品を特別に対象物表面上に位置づける労力がかかりすぎ、かつ、製造工程中で、加工品上に金属薄片を比較的容易に載せることができるという所定の製造条件下では、非常に有利である。
【００４９】
最高の結果は、鋼鉄を用いた場合に得られた。この場合、レーザー電力はたった８ワット、送り速度１５０ｍｍ／秒、パルス繰り返し時間５０μｓで、特によく読み取り可能なマークが作成された。
【００５０】
このようにマーク付けされた加工品を、マークの破壊性に関してテストした。ここで、マークは、洗浄剤ないし研磨剤によっても、また、かみそりの刃などでの掻き落としによっても、著しい損傷を受けないことが明らかになった。
【００５１】
したがって、本発明の方法により、単純な方法で、任意の機能向けの非常に耐久性の良い構造体を、とりわけガラス表面に作成することができ、ここで、従来のレーザーマーキングシステムを比較的簡単に修正して利用可能であるので有利である。
【００５２】
最後に再度、図中に示された装置およびこれに関連して述べた具体的な方法は、ただの実施形態であり、当業者は本発明の枠を超えずに多様に変更可能である点を指摘する。完全性を期すために、さらに、不定冠詞“ｅｉｎ”ないし“ｅｉｎｅ”の使用により、当該特徴が複数存在しうる可能性を除外しない点を指摘しておく。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長領域で透明な加工品（Ｗ）の表面（Ｏ）中に構造体（Ｍ）を組み込む方法であって、前記構造化されるべき表面（Ｏ）は対象物材料を含有する対象物表面（３）と接触し、波長が前記所定の波長領域内にあるレーザー光線（２）を用いて、前記加工品（Ｗ）を通り抜けることにより、少なくとも１つの位置で前記加工品（Ｗ）の構造化されるべき表面（Ｏ）と前記対象物表面（３）との境界領域（Ｇ）中にエネルギーが導入され、これにより、当該位置で、前記対象物材料が、前記構造化されるべき表面（Ｏ）に堆積する方法において、パルス繰り返し数が１０ｋＨｚを上回るパルスレーザー光線（Ｌ）が用いられ、前記レーザー光線（Ｌ）は、焦点が前記対象物表面上または下に位置するように合焦され、前記レーザー光線は合焦時には、２０００Ｗ／ｍｍ2を上回る電力密度を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記加工品（Ｗ）は、ガラスからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記対象物材料は金属であることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記対象物材料は鋼鉄であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記構造体（Ｍ）は、前記加工品（Ｗ）にマークを付けるよう形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザー光線（Ｌ）の焦点（Ｆ）は、構造化像（Ｂ）により予め与えられる構造化軌道に沿って、７０ｍｍ／秒を上回る送り速度、特に好ましくは１００ｍｍ／秒を上回る送り速度で移動させられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
対象物材料の粒子が、少なくとも１箇所で、少なくとも約１５μｍ、好ましくは少なくとも約３０μｍの深さで、構造化されるべき表面中に入り込むように、構造化が行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
構造化されるべき表面中の構造化時の温度が加工品材料の融点未満であるように、前記レーザー光線が制御されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
合焦時のレーザー光線の電力密度は、約３ｋＷ／ｍｍ2を上回り、好ましくは約１０ｋＷ／ｍｍ2を上回り、特に好ましくは約１００ｋＷ／ｍｍ2を上回ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
焦点の直径は、６０μｍ未満、好ましくは４０μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
パルス繰り返し数は、２０ｋＨｚを上回ることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
レーザーパルスのパルス幅は、１００ｎｓ未満、好ましくは２０ｎｓ未満であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
レーザーパルスのピーク電力は、１０ｋＷを上回る、好ましくは２５ｋＷを上回ることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
所定の波長領域で透明な加工品（Ｗ）の表面（Ｏ）中に構造体（Ｍ）を組み込む装置（１）であって、
− 前記加工品（Ｗ）の前記構造化されるべき表面（Ｏ）と接触させるための、対象物材料を含有する対象物表面（３）と、
− 波長が前記所定の波長領域内にあるレーザー光線（Ｌ）を発生させるためのレーザー光線発生装置（４）であって、前記レーザー光線（Ｌ）を用いて、前記対象物表面（３）と接触する前記加工品（Ｗ）を通り抜けて、少なくとも１つの位置で、前記加工品（Ｗ）の構造化されるべき表面（Ｏ）と前記対象物表面（３）との境界領域（Ｇ）中にエネルギーが導入されることができ、これにより、当該位置で、前記対象物材料が、前記構造化されるべき表面（Ｏ）に堆積するように形成され配されているレーザー光線発生装置（４）と、
を有する装置（１）において、
前記レーザー光線発生装置（４）は、パルス繰り返し数が１０ｋＨｚを上回るパルスレーザー光線（Ｌ）を発生させるように形成され、合焦装置（１１）と、前記レーザー光線（Ｌ）を構造化プロセス時に前記対象物表面（３）上またはかろうじて下に位置するように合焦させる制御装置（１０）とを有し、ここで、前記レーザー光線は合焦時には、２０００Ｗ／ｍｍ2を上回る電力密度を有することを特徴とする装置。
【請求項１５】
前記レーザー光線発生装置（４）は、構造化像（Ｂ）により予め与えられる構造化軌道に沿ってレーザー焦点（Ｆ）を移動させるために、光線ガイド装置（１２）を有することを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１】
所定の波長領域で透明な加工品（Ｗ）の表面（Ｏ）中に構造体（Ｍ）を組み込む方法であって、前記構造化されるべき表面（Ｏ）は対象物材料を含有する対象物表面（３）と接触し、波長が前記所定の波長領域内にあるレーザー光線（２）を用いて、前記加工品（Ｗ）を通り抜けることにより、少なくとも１つの位置で前記加工品（Ｗ）の構造化されるべき表面（Ｏ）と前記対象物表面（３）との境界領域（Ｇ）中にエネルギーが導入され、これにより、当該位置で、前記対象物材料が、前記構造化されるべき表面（Ｏ）に堆積する方法において、パルス繰り返し数が１０ｋＨｚを上回るパルスレーザー光線（Ｌ）が用いられ、前記レーザー光線（Ｌ）は、焦点が前記対象物表面上または下に位置するように合焦され、前記レーザー光線は合焦時には、２０００Ｗ／ｍｍ2を上回る電力密度を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記加工品（Ｗ）は、ガラスからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記対象物材料は金属であることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記対象物材料は鋼鉄であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記構造体（Ｍ）は、前記加工品（Ｗ）にマークを付けるよう形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザー光線（Ｌ）の焦点（Ｆ）は、構造化像（Ｂ）により予め与えられる構造化軌道に沿って、７０ｍｍ／秒を上回る送り速度、特に好ましくは１００ｍｍ／秒を上回る送り速度で移動させられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
対象物材料の粒子が、少なくとも１箇所で、少なくとも約１５μｍ、好ましくは少なくとも約３０μｍの深さで、構造化されるべき表面中に入り込むように、構造化が行われることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
構造化されるべき表面中の構造化時の温度が加工品材料の融点未満であるように、前記レーザー光線が制御されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
合焦時のレーザー光線の電力密度は、約３ｋＷ／ｍｍ2を上回り、好ましくは約１０ｋＷ／ｍｍ2を上回り、特に好ましくは約１００ｋＷ／ｍｍ2を上回ることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
焦点の直径は、６０μｍ未満、好ましくは４０μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
パルス繰り返し数は、２０ｋＨｚを上回ることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
レーザーパルスのパルス幅は、１００ｎｓ未満、好ましくは２０ｎｓ未満であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
レーザーパルスのピーク電力は、１０ｋＷを上回る、好ましくは２５ｋＷを上回ることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
所定の波長領域で透明な加工品（Ｗ）の表面（Ｏ）中に構造体（Ｍ）を組み込む装置（１）であって、
− 前記加工品（Ｗ）の前記構造化されるべき表面（Ｏ）と接触させるための、対象物材料を含有する対象物表面（３）と、
− 波長が前記所定の波長領域内にあるレーザー光線（Ｌ）を発生させるためのレーザー光線発生装置（４）であって、前記レーザー光線（Ｌ）を用いて、前記対象物表面（３）と接触する前記加工品（Ｗ）を通り抜けて、少なくとも１つの位置で、前記加工品（Ｗ）の構造化されるべき表面（Ｏ）と前記対象物表面（３）との境界領域（Ｇ）中にエネルギーが導入されることができ、これにより、当該位置で、前記対象物材料が、前記構造化されるべき表面（Ｏ）に堆積するように形成され配されているレーザー光線発生装置（４）と、
を有する装置（１）において、
前記レーザー光線発生装置（４）は、パルス繰り返し数が１０ｋＨｚを上回るパルスレーザー光線（Ｌ）を発生させるように形成され、合焦装置（１１）と、前記レーザー光線（Ｌ）を構造化プロセス時に前記対象物表面（３）上またはかろうじて下に位置するように合焦させる制御装置（１０）とを有し、ここで、前記レーザー光線は合焦時には、２０００Ｗ／ｍｍ2を上回る電力密度を有することを特徴とする装置。
【請求項１５】
前記レーザー光線発生装置（４）は、構造化像（Ｂ）により予め与えられる構造化軌道に沿ってレーザー焦点（Ｆ）を移動させるために、光線ガイド装置（１２）を有することを特徴とする請求項１４記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２０１０−５２４６９２（Ｐ２０１０−５２４６９２Ａ）
【公表日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５０３３８６（Ｐ２０１０−５０３３８６）
【出願日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／００２８４０
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１２５２７３
【国際公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【出願人】（５０９２８５０５６）パナソニック エレクトリック ワークス オイローペ アクチェンゲゼルシャフト (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／００２８４０
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１２５２７３
【国際公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【出願人】（５０９２８５０５６）パナソニック エレクトリック ワークス オイローペ アクチェンゲゼルシャフト (1)
【Ｆターム（参考）】
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