JP2002103076A

JP2002103076A - レーザマーキング装置およびレーザマーキング方法

Info

Publication number: JP2002103076A
Application number: JP2000297979A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Yoshida; 吉田　　康
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】装置の構成が簡単で、コストが安く、生産性の
高いレーザマーキング装置およびその方法を得る。【解決手段】本発明のレーザマーキング装置は、被加工
物５の表面部にレーザ光を射出するレーザ光源１と、レ
ーザ光のスキャニング手段とからなり、レーザ光の照射
スポット６の径を、被加工物の表面部の加工線幅もしく
は加工スポット７の径より大きくした構成である。ま
た、被加工物を加熱する加熱手段として、加工用のレー
ザ光源とは別の予熱用レーザ光源を用いてもよい。ま
た、本発明のレーザマーキング方法は、レーザ光をスキ
ャニング手段で走査し、被加工物の表面部に文字、図形
若しくは記号を形成する方法からなり、レーザ光の照射
出力を調整するか、または照射時間を調整すことにより
被加工物に生じる加工線幅もしくはレーザ光照射による
加工スポットの径をコントロールしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばＩＣ等の電
子部品、液晶またはＰＤＰパネルのガラス基板等の工業
製品へ日付や製造番号等の情報を持つ文字、数字、バー
コードまたは２次元コードをマーキングするマーキング
装置およびマーキング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マーキング装置は、図１０のよう
に構成されていた。図１０において、１はレーザ光源、
２および３はスキャナミラー、４は集光レンズ、５は被
加工物である。つぎに、図１０のマーキング装置を用い
て被加工物５上に２次元コードをマーキングするための
動作を説明する。まず、スキャナミラー２および３が回
転する。スキャナミラー２および３の位置決め終了後、
スキャナミラー２および３が停止する。レーザ光源１か
らレーザ光８を照射すると、被加工物５上のレーザ光の
照射スポット６が物理変化（例えば、表面あるいは表面
層の剥離、気化、焼失、発泡、隆起、変色・脱色等）を
おこすことにより、加工スポット７が形成され第１のセ
グメントとなる。以降、最終セグメントが形成さえるま
で上記の操作を繰り返すことにより、２次元コードを形
成していた。上記のような装置および方法で、例えばＩ
Ｃ等の電子部品、液晶またはＰＤＰパネルのガラス基板
等の工業製品へ日付や製造番号等の情報を持つバーコー
ドまたは２次元コードをマーキングしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のマー
キング装置では、加工線幅もしくは加工スポットの大き
さをかえるために、集光レンズから被加工物までの距離
を機械的に調整するか、マーキング装置内に絞りを入れ
て絞り径の大きさを変え、被加工物上に照射されるレー
ザ照射面積を変える必要があった。したがって、集光レ
ンズから被加工物までの距離を調整する調整機構もしく
は絞りが必要であり、装置構成が複雑になり装置コスト
が高くなるといった問題点があった。また、従来のマー
キング装置では、被加工物が物理変化（例えば、表面あ
るいは表面層の剥離、気化、焼失、発泡、隆起、変色・
脱色等）を起こすまでレーザ光を照射しつづける必要が
あるので、照射時間が長くかかる。つまり、マーキング
時間が長く、生産性が悪いと行った問題点があった。そ
こで、本発明は装置の構成が簡単で、装置コストが安
く、生産性の高いレーザマーキング装置およびその方法
を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明のマーキング装置は、少なくともレーザ光を射
出するレーザ光源１と、前記レーザ光を走査するスキャ
ニング手段２、３からなるマーキング装置において、照
射スポット６が被加工物５上の加工線幅もしくは加工ス
ポット７以上になるようにレーザ光を被加工物５に照射
するものである。上記のマーキング装置において、本発
明のマーキング方法は、レーザ光源１から射出したレー
ザ光をスキャニング手段２、３で走査し、被加工物５に
文字、図形若しくは記号を形成するマーキング方法にお
いて、レーザ照射出力を調整することにより被加工物５
に生じる加工線幅もしくは加工スポット７をコントロー
ルする方法である。通常レーザビームはビーム中心部は
強度が強く周辺部は強度が弱くなる。したがって、予め
照射スポット６が必要とされる加工スポット７以上にな
るようにレーザ光が照射される状態で、レーザ照射出力
を調整することによりビーム中心部が照射された部分は
十分に加熱され被加工物表面に物理変化が生じて加工さ
れビーム周辺部が照射された部分は温度が十分に上がら
ず加工されないようにすることができる。また、上記の
マーキング装置において、本発明の別のマーキング方法
は、レーザ光源１から射出したレーザ光をスキャニング
手段２、３で走査し、被加工物５に文字、図形若しくは
記号を形成するマーキング方法において、レーザ照射時
間を調整することにより被加工物５に生じる加工線幅も
しくは加工スポット７をコントロールする方法である。
通常レーザビームはビーム中心部は強度が強く周辺部は
強度が弱くなる。したがって、予め照射スポット６が必
要とされる加工スポット７以上になるようにレーザ光が
照射される状態で、レーザ照射時間を調整することによ
りビーム中心部が照射された部分は十分に加熱され被加
工物表面に物理変化が生じて加工されビーム周辺部が照
射された部分は温度が十分に上がらず加工されないよう
にすることができる。本発明のマーキング装置は、前記
レーザ光源１が半導体レーザであることを特徴とするも
のである。半導体レーザは、レーザ光の出力コントロー
ルをしやすい光源であり、半導体レーザをレーザ光源１
として使用することにより後述の方法による加工スポッ
トの大きさの調整が簡単に行える。

【０００５】本発明のマーキング装置は、前記レーザ光
源１から射出したレーザ光をファイバ１０により導光す
るものである。特にレーザ光源１が半導体レーザの場
合、fast−axisとslow−axisで拡がり角の違う独特のビ
ーム形状が、ファイバにより円形の均一拡がり角を持つ
ビームに整形されるので、加工スポット７の形状が円形
になり形成される文字、図形若しくは記号の視認性が良
くなるといった著しい効果が生じる。上記問題を解決す
るために本発明のマーキング装置は、少なくともレーザ
光を射出するレーザ光源１と、前記レーザ光を走査する
スキャニング手段２、３からなるマーキング装置におい
て、被加工物５を加熱する加熱手段を備えたものであ
る。加熱手段により被加工物に予熱を加えることができ
るので、少ないレーザ光のエネルギーで被加工物に物理
変化を起こし加工することができる。本発明のマーキン
グ装置は、前記加熱手段が、前記レーザ光源１とは別の
予熱レーザ光源からのレーザ光であるものである。レー
ザ光を加熱手段として用いることにより、被加工物の必
要な加工部分に集中して効率よく加熱することが可能で
ある。本発明のマーキング装置は、前記レーザ光源１か
ら射出したレーザ光を導光するファイバ１０の近傍に、
前記予熱用レーザ光源１２から射出したレーザ光を導光
する予熱用ファイバ１３を設けたものである。レーザ光
源１からのレーザ光と前記予熱用レーザ光源１２からの
レーザ光をそれぞれファイバで導光することにより、そ
れぞれのファイバの端面をそろえて配置するだけで同一
の光学系を使用することができる。本発明のマーキング
装置は、前記レーザ光源１から射出したレーザ光を導光
する前記ファイバ１０を中心に取り囲むように複数の前
記予熱用ファイバ１３を配置したものである。レーザ光
源１から照射されるレーザ光を中心に対称的に被加工物
５を加熱できるため、加工スポット７の形状を円形にす
ることができ、形成される文字、図形若しくは記号の視
認性が良くなる。本発明のマーキング装置は、前記被加
工物５が、物体表面に形成された薄膜または塗料である
ものである。物体表面に形成された薄膜または塗料は、
比較的弱いレーザ照射で加工できるものが多く、加熱エ
ネルギーに対して感度が高い。したがって、加熱手段に
より予熱を加えることによる効果を特に得ることができ
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態のマーキ
ング装置について図１に基づいて説明する。図１におい
て、１はレーザ光源、２および３はレーザ光のスキャニ
ング手段として用いたスキャナミラー、４は集光レン
ズ、５は被加工物である。図１０の従来のマーキング装
置と異なる点は、必要とされる被加工物５上の加工線幅
もしくは加工スポット７よりもレーザ光８の照射スポッ
ト６が大きくなるように構成している点である。具体的
には、図２のようにレーザ光のビームウェスト９の位置
からずらして被加工物５を配置することにより照射スポ
ット６を大きくすればよい。あるいは図３のようにビー
ムウェスト９を照射スポット６と一致するように被加工
物５を配置して、必要とされる加工線幅あるいは加工ス
ポット７よりビームウェスト９が大きくなるように用い
る光源の大きさあるいはレンズ系の横倍率を設計しても
よい。レーザ光源１として各種レーザ光源が利用できる
が、特に半導体レーザを光源に用いると拡がり角が大き
いので図３のように必要とされる加工線幅あるいは加工
スポット７よりビームウェストが大きくなるような光学
系が構成しやすく好ましい。レーザ光源１からのレーザ
光は、ファイバで導光させてもよい。特に、レーザ光源
１が半導体レーザの場合、fast−axisとslow−axisで拡
がり角の違う独特のビーム形状が、ファイバにより円形
の均一拡がり角を持つビームに整形されるので、加工ス
ポット７の形状が円形になり形成される文字、図形若し
くは記号の視認性が良くなるといった著しい効果が生じ
る。通常レーザビームはガウス分布に近い強度分布をも
ちビーム中心部は強度が強く周辺部は強度が弱くなる。
したがって、図２または図３の状態でレーザ照射出力あ
るいはレーザ照射時間を調整すると、ビーム中心部が照
射された部分は十分に加熱され加工され、ビーム周辺部
が照射された部分は温度が十分に上がらず加工されない
ようにすることができる。つまり、レーザ光８の照射ス
ポット６よりも小さな加工線幅もしくは加工スポット７
が被加工物上に形成できる。そのため、ビームウエスト
９より小さな加工スポット７が、レーザ光源１のビーム
品質と集光レンズ４の性能を変更せずに得られる。この
加工線幅もしくは加工スポット７は、レーザ照射出力あ
るいはレーザ照射時間を調整することによりコントロー
ルすることができる。ただし、レーザ照射出力をレーザ
光源１の最大定格一定として、レーザ照射時間を調整す
ることで加工線幅もしくは加工スポット７をコントロー
ルした方が、マーキング時間を短くすることができる。
上述のように、被加工物５へのマーキングは、レーザ光
によりに熱が加わることによりおこなわれるので、あら
かじめ被加工物５に予熱を加えることにより、物理変化
の起こりやすい状態にすることができる。つまり、より
少ないエネルギーのレーザ光８でマーキングが行える。
したがって、レーザ照射時間を短くすることができ、マ
ーキング時間を短くし生産性を向上できる。被加工物５
に熱を加える加熱手段としては、ドライヤー等の温風を
吹き付ける対流式の加熱手段、ヒータ等の被加工物周辺
に配置した高温度の物体からの放射熱を利用した放射式
の加熱手段あるいはオーブン等の被加工物５に接触して
加熱する伝導式の加熱手段、もしくはそれらの組み合わ
せを用いることができる。特に、効率的に被加工物５に
予熱を加えるには、レーザ光源１とは別に予熱用のレー
ザ光源を設け、レーザ光源１のレーザ照射前あるいは照
射中にこの予熱レーザ光源から被加工物にレーザ光を照
射すればよい。レーザ光源１と予熱用レーザ光源は、同
種のレーザでもよいし、異なるレーザでもよい。例え
ば、レーザ光源１も予熱用レーザ光源もＹＡＧレーザに
してもよいし、レーザ光源１はＹＡＧレーザで予熱用レ
ーザ光源は半導体レーザにしてもよい。レーザ光源１か
らのレーザ光をファイバで導光した場合、予熱用レーザ
光源からのレーザ光も予熱用のファイバで導光すること
が好ましい。レーザ光源１を導光する加工用ファイバと
予熱用ファイバの端面をそろえるだけで、同一の光学系
を利用することができるからである。さらに、予熱用フ
ァイバは複数にし加工用ファイバを取り囲むように配置
すれば、レーザ光源１から照射されるレーザ光を中心に
対称的に加熱できるため、加工スポット７の形状を円形
にすることができ、形成される文字、図形若しくは記号
の視認性が良くなる。

【０００７】（実施例１）第１の実施例のマーキング装
置を図４に示す。図４において、１はレーザ光源、１０
はファイバ、２および３はスキャナミラー、４は集光レ
ンズ、５は被加工物、１１はコリメータレンズである。
レーザ光源１として半導体レーザを用いたが、炭酸ガス
レーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、Ａｒレーザ、若しくはエキ
シマレーザ等の気体レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレー
ザ、ガラスレーザ、ファイバレーザ等の固体レーザ、色
素レザーの液体レーザ、非線形光学結晶と組み合わせる
ことによって高調波成分の波長のレーザビームを発する
高調波レーザ光源を用いることもできる。スキャニング
手段として用いたスキャナミラー２および３は、それぞ
れ図示しないスキャナモータにより回転制御可能であ
る。スキャニング手段としては、マーキング装置から照
射されるレーザ光と被加工物５の相対位置が変化するよ
うにＸ−Ｙステージを用いることもできる。レーザ光源
１とスキャナミラー２間に、コリメータレンズおよびビ
ームエキスパンダ等の任意の光学部品を配置することが
可能である。集光レンズ４としてはｆθレンズを用い
た。被加工物５は、ガラス基板５１上に蒸着したクロム
膜５２を用いた。被加工物５としては、その他にレーザ
光によりその表面に物理的変化（例えば、表面あるいは
表面層の剥離、気化、焼失、発泡、隆起、変色・脱色
等）を起こすものであれば用いることができる。例え
ば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、Ｐ
ＶＣ樹脂、オレフィン樹脂、ＡＢＳ、ＰＥＴ等の樹脂系
材料、シリコンウェハ、金属系材料、ガラスなどを利用
できる。また、被加工物５は、これら樹脂系材料、金属
系材料などのバルクの表面に形成された薄膜または塗料
であってもかまわない。さらに、被加工物５は、ガラ
ス、アクリルなどの透過物表面あるいは裏面に形成され
たカラーフィルタなどの薄膜または塗料にも利用でき
る。上記構成のマーキング装置において、セグメント径
１００μｍで２０×２０マトリックスの２次元コードを
形成するために、レーザ光８のビームウェスト９が２０
０μｍになるようにｆθレンズを選定した。図５のよう
に、ビームウェスト９の位置にクロム膜５２が位置する
ように配置した。図５ではクロム膜５２をガラス基板５
１の下に来るように配置しガラス基板を通してレーザ光
８を照射するようにしたが、クロム膜５２を上にして直
接レーザ光８を照射するようにしてもよい。上記のマー
キング装置において、レーザ光源１の出力を最大にし
て、照射時間１００ｍｓでレーザ光をクロム膜５２に照
射した。その結果、被加工物５上に形成された加工スポ
ット７の径は２００μｍになった。次に、レーザ光源１
の出力を小さくしていくことにより、最小５０μｍまで
の加工スポット７を得ることができた。また、レーザ光
源１の出力は一定にしたままで、照射時間を短していこ
とにより最小５０μｍまでの加工スポットを得ることが
できた。照射時間を１５ｍｓに設定し２次元コードをマ
ーキングした結果が図６である。所望のセグメント径１
００μｍで２０×２０マトリックスが形成できた。上記
のように、本発明の第１の実施例に示すマーキング装置
を用いることにより、レーザ光の出力あるいは照射時間
を調整することにより、加工スポットの大きさを可変す
ることができ、従来必要であった集光レンズから被加工
物までの距離を調整する調整機構もしくは絞りが不要に
なった。

【０００８】（実施例２）第２の実施例のマーキング装
置を図７に示す。第１の実施例と異なるのは、予熱用レ
ーザ光源１２、予熱用ファイバ１３を付加した点であ
る。予熱用ファイバ１３は複数からなり、図８のように
レーザ光源１からのレーザ光を導光するファイバ１０を
取り囲んでバンドルされている。ファイバ部の構成を簡
略にして、図１３のように予熱用ファイバ１３をファイ
バ１０に隣接して配置するだけの構成を取ることもでき
る。図７の構成で、マーキング前あるいはマーキング中
に予熱用レーザ光源１２から予熱用のレーザ光を照射す
ると、レーザ光源１から照射されるレーザ光８を中心に
対称的に被加工物５を加熱できる。したがって、予熱用
レーザ光がないときに比べ同一の加工スポット７を得る
のに必要なレーザ光源１のレーザ照射時間が大幅に短縮
できる。対称的に加熱されているので加工スポット７の
形状も円形になる。実験では、予熱用レーザ光源１２の
出力をレーザ光源１の出力の50% に設定したとこと、同
一の加工スポット７の大きさが得られる時間は予熱がな
い場合の２／３に短縮できた。上記のように、被加工物
に予熱を加えることにより、レーザ照射時間が短くて済
むのでマーキング時間が短縮され生産性が上がるといっ
た効果がある。なお、第２の実施例では予熱用レーザ光
源１２を別に設けたが、図９のようにレーザ光源１のレ
ーザ光の一部を予熱用ファイバ１３で導光し予熱用レー
ザ光源１２を省略することも可能である。この構成は、
第１の実施例で光源の大きさを大きくし照射スポット６
をより大きくした場合と等価になる。具体的には、第１
の実施において１００μｍの加工スポット７を得るため
にレーザ光を１５ｍｓ照射すればよかったが、照射スポ
ット６が１００μｍになるように絞りを入れて１００μ
ｍの加工スポットを得るには２５ｍｓの照射時間を要し
た。つまり、加工スポットに該当する径１００μｍの範
囲外に照射されたレーザ光によって加工スポット部が加
熱されることにより加工時間が短縮できた。

【０００９】

【発明の効果】以上の述べたように、本発明のマーキン
グ装置を用いれば、レーザ光の出力あるいは照射時間を
調整することにより、加工線幅もしくは加工スポットの
大きさをかえることができるので、集光レンズから被加
工物までの距離を調整する調整機構もしくは絞りが不要
になり、装置構成が簡単になるとともに装置コストが安
くなるといった効果がある。また、本発明のマーキング
装置を用いれば、被加工物に予熱を加えることができる
ので、少ないレーザ光のエネルギーで被加工物が物理変
化（例えば、表面あるいは表面層の剥離、気化、焼失、
発泡、隆起、変色・脱色等）を起こし加工できるので、
レーザ照射時間が短くて済み、マーキング時間が短縮さ
れ生産性が上がるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のレーザマーキング装
置を示す模式図である。

【図２】本発明の第１の実施形態における第１のレーザ
照射方法を示す被加工物の断面図である。

【図３】本発明の第１の実施形態における第２のレーザ
照射方法を示す被加工物断面図である。

【図４】本発明の第１の実施例のレーザマーキング装置
を示す模式図である。

【図５】本発明の第１の実施例におけるレーザ照射方法
を示す被加工物の断面図である。

【図６】本発明の第１の実施例においてマーキングした
２次元コードの写真である。

【図７】本発明の第２の実施例のレーザマーキング装置
を示す模式図である。

【図８】本発明の第２の実施例のファイバの配置を示す
断面図である。

【図９】本発明の第２の実施例の別の形態を示す模式図
である。

【図１０】従来のレーザマーキング装置を示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１レーザ光源１０ファイバ２スキャナミラー１１コリメー
タレンズ３スキャナミラー１２予熱用レ
ーザ光源４集光レンズ１３予熱用フ
ァイバ５被加工物５１ガラス５２クロム膜６照射スポット７加工スポット８レーザ光９ビームウェスト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工物の表面部に向けてレーザ光を射出
するレーザ光源と、前記レーザ光を走査するスキャニン
グ手段とからなるレーザマーキング装置において、前記
レーザ光の照射スポットの径を、前記被加工物の表面部
に加工される加工線幅もしくは加工スポットの径より大
きくしたことを特徴とするレーザマーキング装置。
【請求項２】前記レーザ光源が、半導体レーザであるこ
とを特徴とする請求項１記載のレーザマーキング装置。
【請求項３】前記レーザ光源から射出したレーザ光をフ
ァイバにより導光することを特徴とする請求項１または
２記載のレーザマーキング装置。
【請求項４】被加工物の表面部に向けてレーザ光を射出
するレーザ光源と、前記レーザ光を走査するスキャニン
グ手段とからなるレーザマーキング装置において、前記
被加工物を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする
レーザマーキング装置。
【請求項５】前記加熱手段が、前記レーザ光源とは別
の予熱用レーザ光源からのレーザ光であることを特徴と
する請求項４記載のレーザマーキング装置。
【請求項６】前記レーザ光源から射出したレーザ光を
導光する加工用の光ファイバを設け、その近傍に、前記
予熱用レーザ光源から射出したレーザ光を導光する予熱
用ファイバを設けたことを特徴とする請求項５記載のレ
ーザマーキング装置。
【請求項７】前記予熱用ファイバは、前記加工用の光
ファイバを取り囲むように複数配置したことを特徴とす
る請求項６記載のレーザマーキング装置。
【請求項８】前記被加工物が、物体の表面部に形成さ
れた薄膜または塗料であることを特徴とする請求項１か
ら７のいずれか１項に記載のレーザマーキング装置。
【請求項９】前記被加工物が、透過物の表面部に形成
された薄膜または塗料であることを特徴とする請求項１
から７のいずれか１項に記載のレーザマーキング装置。
【請求項１０】前記被加工物が、ガラス板上に形成さ
れたクロム膜あるいはカラーフィルタ膜であることを特
徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ
マーキング装置。
【請求項１１】レーザ光源から射出したレーザ光をス
キャニング手段で走査し、被加工物の表面部に文字、図
形若しくは記号を形成するマーキング方法において、前
記レーザ光の照射出力を調整することにより前記被加工
物に生じる加工線幅もしくはレーザ光照射によって加工
される加工スポットの径をコントロールすることを特徴
とするレーザマーキング方法。
【請求項１２】レーザ光源から射出したレーザ光をス
キャニング手段で走査し、被加工物の表面部に文字、図
形若しくは記号を形成するマーキング方法において、前
記レーザ光の照射時間を調整することにより前記被加工
物に生じる加工線幅もしくはレーザ光照射によって加工
される加工スポットをコントロールすることを特徴とす
るレーザマーキング方法。