JP2000301477A - ガラスマーキング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ガラスに歪みや傷を発生させることなく、粉塵
や廃液も無く、また特別の日常メンテナンスを要しない
で、ガラス表面上に製品一個ごとに高速で小さい高品質
の個別の文字や識別記号を刻印するガラスマーキング方
法を提供することにある。 【解決手段】炭酸ガスを発振媒体とし、管の軸方向両端
に対向して電極が配設された縦方向励起方式のレーザ発
振管を用いてパルスレーザを出力し、ガラス面に照射さ
せてガラス表面に刻印を行うマーキング方法において、
レーザ出力の尖頭ピークの半値幅を３〜１００ナノ秒、
ピーク高さをそれに引き続いて生じる緩減衰部の４倍以
上の高さとするとともに、レーザパルス幅を１〜２００
マイクロ秒とすることを特徴とするガラスマーキング方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマーキング方法、特
にガラス表面の刻印箇所やその近辺に歪や割れ傷を発生
させることなく、かつ、構造が簡単で、高速で微細な製
品一個毎の個別文字や識別記号を刻印するマーキング方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、製品一個ごとの品質管理や品質保
証が要請されており、それに対応するため、高速で極小
面積に割れや歪みの発生しない品質の良い、製品一個ご
とに異なる個別文字や個別識別記号を刻印をするマーキ
ング方法が求められている。このような要請はガラス製
品についても生じている。従来、一定生産量のガラス製
品をまとめて管理するロット製品に、同一の文字や識別
記号を刻印するマーキング方式としては、インクジェッ
ト法やエアブラスト法や浸食法等がある。また、連続発
振する炭酸ガスレーザを照射してマーキングする方法も
試みられている。

【０００３】エアブラスト法は希望の文字や記号の刻印
マークを型抜きした型板をガラス表面に貼り外部より研
磨材等を高速で吹き付け、ガラス表面に細かい傷を付け
て刻印するものである。また浸食法はガラス表面を薬品
により腐食浸食させて刻印するものである。

【０００４】しかしながらエアブラスト法や浸食法では
刻印速度が遅く、製品一個づつの個別整理の文字や識別
記号の刻印は製造ライン速度に対応できず、また刻印の
小面積化に限界があった。また粉塵や廃液が発生して最
近の無公害要求に応えるものではなかった。

【０００５】インクジェット法は、ノズルをＸＹ平面上
で移動させてノズル移動に同期させてインクを点噴射し
て、ガラスの表面に顔料を連続点噴射して付着させて希
望する文字や記号を印刷するものである。しかしながら
インクジェット方式では、通常のガラスの熱処理で印字
が消えたり、溶剤揮発による濃度の変化により印字濃さ
に変化が生じて印字品質が劣化したり、ノズルに詰まり
が生じて使用不可能となる等、液体インキのメンテナン
ス上でインキの粘度管理すなわち顔料の溶剤濃度管理に
経験を要し、問題があった。

【０００６】レーザ照射法は刻印場所にレーザ光を照射
することによって刻印する方法であるが、ガラス製品に
刻印する場合、例えば、シリコンと酸素の結合を切断し
て刻印するためには数エレクトロンボルトのエネルギー
を必要とするが、工業的に有利な炭酸ガスレーザは波長
が長くエネルギーが低いためホトンモードによって加工
を行うことはできない。また、短波長のエネルギーの高
いレーザ発振装置は高価であり工業的に使用できるもの
ではない。

【０００７】従って、炭酸ガスレーザを用いて刻印する
場合は、レーザを刻印部に照射して、レーザのエネルギ
ーによって照射部を溶融せしめて蒸発させるヒートモー
ドを使用することが必要となる。しかし、ガラスは局所
的に加熱されると歪みが発生し、割れ等が生じ破損する
問題があった。

【０００８】特に、従来のマーキング方法に使用してい
た連続発振用の炭酸ガスレーザではレーザ照射の高速立
ち上げ・停止が難しく、加工部へのレーザ照射エネルギ
ーの立ち上がり、減衰が緩慢となるため、ガラスに吸収
されるエネルギー量が大となって、ガラスの歪み発生が
大きくなる問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこれらの問題
点を解決し、ガラスに歪みを発生することなく粉塵や廃
液も無く、また特別の日常メンテナンスを要しないで、
ガラス表面上に製品一個ごとに高速で小さい高品質の個
別の文字や識別記号を刻印するガラスマーキング方法を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラスに高エ
ネルギーを付与してキーホールを発生せしめる刻印に代
えてレーザエネルギーを用いてエッチング作用を生じさ
せることによってガラスに歪みを生じさせることなく刻
印し得ることを着想してなされたもので、炭酸ガスを発
振媒体とし、管の軸方向両端に対向して電極が配設され
た縦方向励起方式のレーザ発振管を用いてパルスレーザ
を出力し、ガラス面に照射させてガラス表面に刻印を行
うマーキング方法において、レーザ出力の尖頭ピークの
半値幅を３〜１００ナノ秒、ピーク高さをそれに引き続
いて生じる緩減衰部の４倍以上の高さとするとともに、
レーザパルス幅を１〜２００マイクロ秒とすることを特
徴とするガラスマーキング方法を提供するものである。

【００１１】

【作用】本発明によれば、炭酸ガスが媒体ガスとして管
内に封止または循環され、軸方向両端に対向して配置さ
れた主電極を有した管軸方向の縦方向励起方式レーザ発
振管を用い、主電極間を励起すると共に、最初の尖頭ピ
ークの半値幅が３〜１００ナノ秒でパルス幅が２００マ
イクロ秒以下になるような時間幅の狭いレーザを発振し
てガラス製品に照射することによりガラス材料表面に破
片粉や歪や割れを発生させず高速で刻印ができ、またビ
ームが点集束してガラス表面に高品質の微小刻印をする
ことが出来る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、炭酸ガスを発振媒体と
するパルスレーザをガラス部品に照射して刻印を行う。
炭酸ガスを用いたパルスレーザは、電極間に発振媒体ガ
スが存在した状態で電極間に高電位を印加し、これにト
リガ電位を印加することによって放電を生じせしめ、発
振媒体ガスを励起せしめてレーザ光を出力させるもので
ある。この際、レーザ光は、図１に示すように、トリガ
電位を印加するとレーザ光の出力が急激に上昇し尖頭ピ
ークＰを形成し、その後出力は低下した後、点Ｑから緩
減衰へと移行する。

【００１３】本発明においては、レーザ光出力の立ち上
がりを急峻とし、尖頭ピーク幅が狭くなるように制御さ
れ、尖頭ピークＰの高さの半分の位置における幅、すな
わち半値幅は３〜１００ナノ秒、好ましくは３〜３０ナ
ノ秒とされ、尖頭ピークＰの高さは、ピークＰから緩減
衰へと移行する点Ｑのレーザ光出力の４倍以上、好まし
くは５倍以上となるように制御される。

【００１４】レーザ光出力の尖頭ピークＰの半値幅が上
記範囲を越えるような緩やかに上昇するレーザ光を照射
するときは、ガラスのエネルギー吸収量が大きくなり、
ガラスに歪みが発生するおそれがある。レーザ光の出力
開始から緩減衰に移行する点Ｑまでの時間は１マイクロ
秒以内とすることが好ましい。

【００１５】また、レーザパルスの１パルスの総エネル
ギー量も重要であり、点Ｓまでのパルス幅は１〜２００
マイクロ秒、好ましくは５〜１００マイクロ秒、特に好
ましくは５〜３０マイクロ秒とされる。この範囲を越え
るときはガラスのエネルギー吸収量が大きくなる。

【００１６】このようなレーザ光を照射することによっ
てガラス表面上の雰囲気やガラス自身が励起されてイオ
ンあるいはプラズマが発生し、これによってガラスがエ
ッチングされて刻印が形成される。従って、炭酸ガスレ
ーザのようなエネルギーの低いレーザ光によってガラス
に刻印することができる。

【００１７】本発明は、図２、図３に示す装置を用いて
実施することができる。

【００１８】図２はマーキング装置１で、刻印対象のガ
ラス２をＸＹ平面移動させるガラス移動装置３とその駆
動電源４と、刻印対象ガラス平面に垂直にレーザビーム
を照射するレーザ発振管５とその励起電源６より構成さ
れている。

【００１９】ガラス移動装置３の移動電源４とレーザ発
振管５の励起電源６には制御装置７が接続されている。

【００２０】この制御装置７は、ガラス材料２がガラス
移動装置３により希望する刻印文字や識別記号のパター
ンに従ってＸＹ平面上で移動する制御指令が組み込まれ
ており、ガラス材料２がガラス移動装置３により指令パ
ターンに従って移動した直後に短時間のパルスレーザが
励起するように、ガラス材料移動とパルスレーザ励起を
同期させる制御指令が組み込まれている。

【００２１】すなわち制御装置７からの指令によりガラ
ス材料２が微小移動すると短時間パルスレーザが照射し
てガラス材料表面に照射して刻印を形成する。これを連
続繰り返して希望する文字や識別記号を刻印するもので
ある。

【００２２】図３は本装置で使用するレーザ発振管５の
構造と励起電源６の接続を説明する図である。レーザ発
振管５は、内部に媒体ガスが封入され、その両端には電
極８ａ、８ｂが配設されて縦方向励起方式のレーザ発振
管が形成されている。

【００２３】発振ガスとしては、炭酸ガス、好ましくは
ヘリウム、窒素、必要に応じてキセノン、一酸化炭素等
を含有した炭酸ガスが用いられる。なかでも炭酸ガス１
容量に対してヘリウムが０．５〜５容量部、好ましくは
１〜４容量部、窒素を０．３〜２．０容量部、好ましく
は０．８〜１．４容量部を含有した炭酸ガスが望まし
い。

【００２４】このレーザ発振管５の特徴は媒体ガスを管
内に封止した管状のレーザ発振管とし、管の軸方向両端
に対向配設した一対の主電極８ａと８ｂと、その中間部
に副電極９を有し、管軸方向の縦方向放電をさせる構造
になっている。そして主電極８ａ、８ｂには主電源１０
が、副電極９には副電源１１が接続されている。

【００２５】従来のレーザ発振管では放電をスタートさ
せるにはスパークギャップやサイラトロン等の高電圧ス
イッチを必要とし、この複雑構造から発生する問題点が
あった。図３のレーザ発振管５は、管の両端に設置した
主電極８ａと８ｂとその中間部に副電極９を有し管軸方
向の縦方向にシングルモードの放電をさせる同軸励起方
式レーザであり、主電極間８ａと８ｂに主電源１０から
主パルス電圧を印加し一方の主電極８ａと副電極９との
間に主パルス電圧とは逆極性の副パルス電圧を副電源１
１から印加して副パルス電圧により発生するコロナ放電
をトリガとして主電極８ａと８ｂとの間の発振媒体を励
起してパルスレーザを出力させるもので、高電圧スイッ
チ等を必要とせず、副電極の印加電圧を制御することに
より尖頭ピーク幅の狭い、任意の高周波数のパルスレー
ザ出力がえられる。

【００２６】また、縦方向のシングルモード発振なので
ビームは点集束して刻印が高品質となり、環状ビーム発
生による刻印歪等の欠陥の発生が防止される。

【００２７】本第一実施例では刻印対象のガラス２は小
型軽量のものが適しており、ガラス材料移動装置３は、
電磁式または圧電式アクチュエータを使用したものがよ
い。

【００２８】また、本発明は図４に示す装置を用いて行
うことができる。

【００２９】図４は本発明に使用されるマーキング装置
１で、レーザ装置は図３と同一のものである。レーザ発
振管５の発振方向の先端に刻印対象のガラス２のＸＹ表
面に文字や識別記号を刻印するレーザビームを任意の刻
印形状に走査照射するＸＹ高速２軸反射ミラー走査装置
１２が設置され、その駆動電源１３が接続されている。

【００３０】そしてＸＹ高速２軸反射ミラー走査装置１
２の駆動電源１３とレーザ発振管５の励起電源６には制
御装置７が接続されている。

【００３１】ＸＹ高速２軸反射ミラー走査装置１２はア
クチュエータで反射角度が変えられる独立した２枚の反
射ミラーで構成され、接続した駆動電源１３により２枚
の反射ミラーを独立して駆動して反射角度を変えて、刻
印対象のガラス材料の表面に文字や識別記号を刻印する
レーザビームを任意の刻印形状に反射走査照射するもの
である。

【００３２】この制御装置７はＸＹ高速２軸反射ミラー
走査装置１２の駆動電源１３により２枚の反射ミラーの
反射角度を変化させた直後に短時間のパルスレーザが励
起するように、励起電源６に接続され、反射ミラーの角
度変化とガラス材料移動とパルスレーザ励起とを同期さ
せる制御指令が組み込まれている。

【００３３】すなわち制御装置７からの指令によりＸＹ
高速２軸反射ミラー走査装置１２の駆動電源１３により
２枚の反射ミラーの反射角度が微小変化すると、短時間
パルスレーザが点照射してガラス材料表面を点状にエッ
チングをして、この連続により希望する文字や識別記号
を刻印するものである。

【００３４】この方法はレーザビームを反射ミラーの反
射角度を微小変化させてビーム照射位置を移動させるの
で、刻印対象のガラス材料２を移動する必要がない。

【００３５】

【実施例】軸方向両端に主電極を対向配置し管の中間部
に副電極を有した管径９ミリメートルの炭酸ガスを管内
に封止した図３の構造のレーザ発振管でシングルモード
縦方向同軸励起放電をさせてガラス材料に照射実験を行
った。

【００３６】最大パワー１パルス２０ミリジュールのレ
ーザビームを、５０マイクロ秒間３０ミリメートルの距
離からガラス材料に照射した。照射エネルギーは４ミリ
ジュールであった。照射痕孔径は円形状で直径１８０マ
イクロメートルあり、歪や破片粉や割れは観察されなか
った。

【００３７】

【発明の効果】本発明は急峻で細幅のパルスレーザを使
用するから、レーザによって発生したプラズマ、イオン
によってガラス表面がエッチングされて刻印され、ガラ
スのエネルギー吸収が少ないから歪みの発生がなく、し
たがって、ガラスの破損等を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】パルスレーザの出力波形を示す説明図

【図２】本発明の第一実施例の構成図。

【図３】レーザ発振管の構造と励起電源の接続を説明す
る説明図。

【図４】本発明の第二実施例の構成図。

【符号の説明】

１：マーキング装置 ２：ガラス材料 ３：ガラス移動装置 ４：ガラス移動装置の駆動電源 ５：レーザ発振管 ６：レーザ発振管の励起電源 ７：制御装置 ８ａ，８ｂ：主電極 ９：副電極 １０：主電源 １１：副電源 １２：ＸＹ高速２軸反射ミラー走査装置 １３：ＸＹ高速２軸反射ミラー走査装置の駆動電源

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭酸ガスを発振媒体とし、管の軸方向両
   端に対向して電極が配設された縦方向励起方式のレーザ
   発振管を用いてパルスレーザを出力し、ガラス面に照射
   させてガラス表面に刻印を行うマーキング方法におい
   て、レーザ出力の尖頭ピークの半値幅を３〜１００ナノ
   秒、ピーク高さをそれに引き続いて生じる緩減衰部の４
   倍以上の高さとするとともに、レーザパルス幅を１〜２
   ００マイクロ秒とすることを特徴とするガラスマーキン
   グ方法。
2. 【請求項２】 発振媒体ガスが、窒素、ヘリウム、キセ
   ノンおよび一酸化炭素から選ばれた１種または２種以上
   を含有する請求項１記載のガラスマーキング方法。
3. 【請求項３】 レーザ出力の尖頭ピークの半値幅を３〜
   ３０ナノ秒、出力開始から緩減衰に移行するまでの幅を
   １マイクロ秒以内とすると共に、レーザパルスの全幅を
   １００マイクロ秒以下とした請求項１または２記載のガ
   ラスマーキング方法。
4. 【請求項４】 発振媒体ガスが管内に封止あるいは循環
   するようにされ、管の軸方向両端に対向配設された主電
   極と管の中間部に配設された副電極を有し、主電極と副
   電極間にトリガ電位を印加して、管軸方向の縦方向放電
   をさせる同軸励起方式のパルスレーザを出力するレーザ
   発振管を使用する請求項１〜３いずれかに記載のガラス
   マーキング方法。
5. 【請求項５】 管の両端に配設された主電極とその中間
   部に配設された副電極を有し、管軸方向の縦方向に放電
   をさせる同軸励起方式レーザ発振管を用いて、主電極間
   に主パルス電圧を印加すると共に一方の主電極と副電極
   との間に主パルス電圧とは逆極性の副パルス電圧を印加
   することにより副パルス電圧により発生するコロナ放電
   をトリガとして主電極間にパルスレーザを発振させる請
   求項１〜４いずれかに記載のガラスマーキング方法。
6. 【請求項６】 レーザ装置で励起発振したレーザビーム
   を、パルスに同期してＸＹ平面上で任意の方向に移動す
   る駆動装置に固定したマーキング対象のガラス材料表面
   に照射して、文字や識別記号を刻印する請求項１〜５い
   ずれかに記載のガラスマーキング方法。
7. 【請求項７】 レーザ装置で励起発振したレーザビーム
   を、任意の刻印形状に走査照射するＸＹ高速２軸反射ミ
   ラー走査装置でパルスに同期して反射照射して、刻印対
   象のガラス表面に文字や識別記号を刻印する請求項１〜
   ６いずれかに記載のガラスマーキング方法。