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JP2000158156A - レーザマーキング方法と装置及びマーキングされた部材 - Google Patents

レーザマーキング方法と装置及びマーキングされた部材

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JP2000158156A
JP2000158156A JP10336217A JP33621798A JP2000158156A JP 2000158156 A JP2000158156 A JP 2000158156A JP 10336217 A JP10336217 A JP 10336217A JP 33621798 A JP33621798 A JP 33621798A JP 2000158156 A JP2000158156 A JP 2000158156A
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workpiece
laser
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shape
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健一 林
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コントラストを高めることが容易なマークを
内部に形成された透明部材を提供する。 【解決手段】 レーザ光源からレーザビームを出射す
る。レーザ光源から出射したレーザビームを、集光点に
おけるビーム断面が、該レーザビームの光軸に垂直な第
１の方向に長い形状となるように、かつ集光点が被加工
部材の内部に位置するように前記レーザビームを集光
し、集光点及びその近傍にクラックを発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザを用いたマ
ーキング方法及びマーキング装置に関し、特に透明な被
加工部材の内部にマーキングを行うマーキング方法及び
マーキング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ光によるアブレーションを利用し
て、例えば透明ガラス基板等の被加工部材の表面にマー
キングする方法が知られている。この方法によると、被
加工部材の表面に微細な割れが発生し、その破片が製造
ラインに混入する場合がある。また、マーキングされた
位置の近傍に「デブリ」と称される付着物が堆積するた
め、この付着物を除去するための洗浄を行う必要があ
る。
【０００３】被加工部材の表面に損傷を与えることな
く、その内部にレーザ光を集光し、被加工部材の内部に
マーキングを行う方法が、特開平３−１２４４８６号公
報に開示されている。この方法によると、被加工部材の
表面が損傷を受けないため、微細な割れの発生、及びデ
ブリの付着を防止できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述の特開平３−１２
４４８６号公報に開示された方法によると、レ−ザビー
ムの集光点及びその近傍においてレーザビームのエネル
ギ密度が被加工部材の破壊閾値を超え、被加工部材の微
小な部分が破壊されることによりマークが形成される。
微小なマークを二次元もしくは三次元に配列させること
により、文字及び図形を描くことができる。配列部分の
ピッチを狭めることにより、文字及び図形のコントラス
トを高めることができる。
【０００５】上記方法では、破壊されることによって形
成される微小なマークの形状を制御することは困難であ
る。このため、各マークの形状が不規則になる。相互に
隣接するマークが接触すると、被加工部材の機械的強度
が低下するため、マークを離散的に配置することが好ま
しい。マークの形状が不規則である場合に、マーク同士
が接触しないようにするためには、ある程度のマージン
を見込んで配列のピッチを大きくする必要がある。
【０００６】本発明の目的は、レーザビームによるマー
クの形状の制御性を高めることが可能なマーキング方法
及びマーキング装置を提供することである。
【０００７】本発明の他の目的は、コントラストを高め
ることが容易なマークを内部に形成された透明部材を提
供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、レーザ光源からレーザビームを出射する工程と、前
記レーザ光源から出射したレーザビームを、集光点にお
けるビーム断面が、該レーザビームの光軸に垂直な第１
の方向に長い形状となるように、かつ集光点が被加工部
材の内部に位置するように前記レーザビームを集光し、
集光点及びその近傍にクラックを発生させる工程とを有
するマーキング方法が提供される。
【０００９】レーザビームの集光点及びその近傍の光学
的性質が変化する。光学的性質の変化した部分は、レー
ザビームの光軸に沿った線状形状を有する。この線状の
部分から第１の方向に、面状のクラックが延びる。光学
的性質の変化した線状の部分と面状のクラックが、視認
される。
【００１０】本発明の他の観点によると、レーザビーム
を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射した
レーザビームのビーム断面の形状を、該レーザビームの
光軸に垂直な第１の方向に長い形状に整形するビーム整
形手段と、前記ビーム整形手段で整形されたレーザビー
ムを集光する集光手段と、前記集光手段による集光位置
が前記被加工部材の内部に位置するように該被加工部材
を保持する保持手段とを有するマーキング装置が提供さ
れる。
【００１１】第１の方向に長いビーム形状を有するレー
ザビームを集光すると、集光点におけるレーザビームの
断面は、第１の方向に直交する方向に長い形状となる。
これにより、上述のように線状部分と面状のクラックを
有するマークを形成することができる。
【００１２】本発明の他の観点によると、透明部材と、
前記透明部材中に形成されたマークであって、周囲とは
光学的性質の異なる線状部分と、該線状部分から相互に
反対方向に延びた一対の面状のクラックとを含むマーク
とを有するマーキングされた部材が提供される。
【００１３】線状部分と面状のクラックとを、視認する
ことができる。特に、面状のクラックに沿った仮想平面
に交差する方向から、視認し易い。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を説明する前に、
被加工部材内にレーザビームを集光することによって形
成したマークの形状について説明する。
【００１５】図７は、マークの平面図を示す。図７に示
すマークの形状は、紙面に垂直な方向からレーザビーム
を照射した場合のものである。レーザビームの集光点及
びその近傍に、レーザビームの光軸に沿って光学的性質
の変化した線状部分５０が形成される。線状部分５０か
ら複数の面状のクラック５１が放射状に延びる。クラッ
ク５１の延びる方向及びその数は不規則である。クラッ
ク５１が、それに隣接するマークのクラック５１に接触
しないようにするためには、クラック５１の延びる最大
の長さをＬとしたとき、相互に隣接する線状部分５０の
間隔を２Ｌよりも大きくしなければならない。
【００１６】図１は、第１の実施例によるマーキング方
法で用いるマーキング装置の概略図を示す。レーザ光源
１が、レーザビーム２をパルス的に出射する。レーザ光
源１として、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦ
レーザ等の固体レーザを用いることができる。レーザビ
ーム２は、これらのレーザの基本波でもよいし、高次の
高調波でもよい。レーザビーム２の光軸をｚ軸とするｘ
ｙｚ直交座標系を考える。レーザビーム２のビーム断面
２ａの形状は、ほぼ円形である。
【００１７】ビーム整形器３が、レーザビーム２のビー
ム形状を整形する。ビーム整形器３の具体的な構成例に
ついては、後に図５を参照して説明する。整形されたレ
ーザビーム４のビーム断面４ａは、ｘ軸方向に長い形状
を有する。集光光学系５が、レーザビーム４を集光す
る。集光光学系５は、例えば凸レンズである。
【００１８】保持台８の上に、透明な被加工部材７が保
持されている。集光光学系５により集光されたレーザビ
ーム６が、被加工部材７に入射する。保持台８は、レー
ザビーム６の集光点が被加工部材７の内部に位置するよ
うに、被加工部材７を保持する。なお、保持台８は、被
加工部材７をｘｙ面内で移動させることができる。
【００１９】集光光学系５から出射したレーザビーム６
のビーム断面は、ｘ軸方向に長い形状を有する。このた
め、ｚｘ面内における集光光学系５の実効的な開口数
（ＮＡ）が、ｙｚ面内における開口数よりも大きくな
る。開口数の大きな面内においては、レーザビーム６が
より微小な領域に集光される。従って、集光点における
レーザビーム６のビーム断面６ａは、ｙ軸方向に長い形
状になる。
【００２０】集光点におけるレーザビーム６のエネルギ
密度が、被加工部材７の光学的損傷(optical damage)も
しくは光学的絶縁破壊(optical breakdown) のしきい値
を超えると、被加工部材７の集光点及びその近傍に微小
なマークが形成される。レーザビーム６をパルス的に照
射する毎に被加工部材７をｘｙ面内で移動させる。この
ようにして、被加工部材７の内部に、二次元的に配列し
たマークを形成することができる。
【００２１】図２（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれマーク
をｙ軸に沿って見た正面図、及びｚ軸に沿って見た平面
図を示す。マーク１０がｘ軸に沿って配列している。各
マーク１０は、柱状部分１０Ａと面状部分１０Ｂとから
構成される。柱状部分１０Ａは、ｚ軸に沿って延びてい
る。面状部分１０Ｂは、ｙｚ面に平行な面状のクラック
であり、柱状部分１０Ａからｙ軸の正及び負の方向に延
びている。面状部分１０Ｂがｙ軸に沿って延びているの
は、図１に示したように、集光点におけるレーザビーム
６のビーム断面６ａがｙ軸方向に長い形状を有するため
と考えられる。
【００２２】ｙｚ面に平行な面状部分１０Ｂは、ｙｚ面
に平行な方向からでは視認しにくいが、ｙｚ面に対して
斜めの方向、特にｚ軸からｘ軸方向に傾いた方向から容
易に視認することができる。マーク１０をｘｙ面内に分
布するように配置することにより、文字や図形等の模様
を描くことができる。
【００２３】レーザビーム６の集光点におけるビーム断
面の形状を制御することにより、マーク１０の形状を制
御することが可能になる。面状部分１０Ｂは、ｘ軸方向
には延びていない。このため、マーク１０をｘ軸に沿っ
て狭いピッチで配列させることができる。マーク１０を
狭いピッチで配列させることにより、マーク１０で形成
される模様のコントラストを高めることができる。
【００２４】図３は、第２の実施例によるマーキング方
法を説明するための被加工部材７とレーザビーム６との
位置関係を示す概略図である。図１に示す第１の実施例
では、被加工部材７にレーザビーム６を垂直入射させ
た。第２の実施例では、レーザビーム６を被加工部材７
に斜め入射させる。
【００２５】図３に示すように、被加工部材７の表面の
法線２０が、ｚｘ面内でｘ軸の負の方向に傾いている。
このとき、レーザビーム６の入射面がｚｘ面に平行にな
る。第１の実施例の場合と同様に、集光光学系５により
集光された直後のビーム断面６ｂは、ｘ軸方向に長い形
状を有する。集光点におけるビーム断面６ａは、ｙ軸方
向に長い形状を有する。
【００２６】被加工部材７への入射角をθ1 、屈折角を
θ2 、空気の屈折率をｎ1 、被加工部材７の屈折率をｎ
2 とすると、
【００２７】
【数１】ｎ1 ｓｉｎθ1 ＝ｎ2 ｓｉｎθ2 の関係が成立する。
【００２８】図４（Ａ）は、マークをｙ軸方向に沿って
見た正面図を示し、図４（Ｂ）は、被加工部材７の法線
方向から見た平面図を示す。マーク２１は、第１の実施
例の場合と同様に、線状部分２１Ａと面状部分２１Ｂに
より構成される。
【００２９】線状部分２１Ａはｚ軸に平行に延びる。す
なわち、線状部分２１Ａは被加工部材７の表面に対して
斜めに配置される。このため、線状部分２１Ａが、被加
工部材７の表面に到達しにくくなり、被加工部材７の内
部に再現性良く線状部分２１Ａを形成することが可能に
なる。
【００３０】面状部分２１Ｂは、線状部分２１Ａからｙ
軸方向に延びる。すなわち、線状部分２１Ａと被加工部
材７の表面の法線とを含む第１の仮想平面に直交し、か
つ線状部分２１Ａを含む第２の仮想平面に沿って延び
る。すべての面状部分２１Ｂは、相互にほぼ平行に配置
される。面状部分２１Ｂが表面に向かって延びないた
め、クラックが被加工部材７の表面まで到達することも
ない。また、面状部分２１Ｂがｘ軸方向に延びないた
め、ｘ軸を被加工部材７の表面に垂直投影した像の延在
する方向に、マーク２１を比較的狭いピッチで配列させ
ることができる。
【００３１】第２の実施例の場合には、面状部分２１Ｂ
が被加工部材７の表面に対して傾いているため、法線方
向から見たときの視認性を高めることができる。視認性
向上の十分な効果を得るためには、被加工部材７の表面
に対するレーザビーム６の入射角を５°以上とすること
が好ましく、１０°以上とすることがより好ましい。ま
た、入射角を大きくすると、表面反射による損失が大き
くなるため、入射角を８０°以下とすることが好まし
い。なお、被加工部材７を水または被加工部材７に近い
屈折率を有する液体中で加工する場合には、入射角を８
０°以上としてもよい。
【００３２】図５（Ａ）は、図１に示すビーム整形器３
の第１の構成例を示す。ビーム整形器３は、プリズム３
０を含んで構成される。プリズム３０に、円形のビーム
断面を有するレーザビーム２が垂直入射する。プリズム
３０の出射側の面で屈折することにより、プリズム３０
から出射したレーザビーム４ａ及び４ｂのビーム断面は
楕円状になる。例えば、レーザビーム４ａは基本波であ
り、レーザビーム４ｂは２倍高調波である。
【００３３】レーザビーム４ａ及び４ｂのいずれか一方
を、図１に示す集光光学系５に入射させる。基本波もし
くは高次の高調波のいずれか一つのみを利用しているた
め、光学系の波長分散を考慮する必要がない。このた
め、集光光学系５の設計、及び被加工部材７と集光点と
の位置合わせを容易に行うことができる。
【００３４】図５（Ｂ）は、ビーム整形器３の第２の構
成例を示す。ビーム整形器３は、凹シリンドリカルレン
ズ３１及び凸シリンドリカルレンズ３２を含んで構成さ
れる。凹シリンドリカルレンズ３１及び凸シリンドリカ
ルレンズ３２は、その光軸がｚ軸に一致し、柱面の母線
がｙ軸に平行になるように配置されている。円形のビー
ム断面を有するレーザビーム２が凹シリンドリカルレン
ズ３１に入射する。凹シリンドリカルレンズ３１によ
り、ｚｘ面内で発散するレーザビーム２ａが得られる。
レーザビーム２ａが凸シリンドリカルレンズ３２に入射
し、ｚｘ面内で収束される。凸シリンドリカルレンズ３
２を透過したレーザビーム４は、ｘ軸方向に長いビーム
断面を有する平行光線束になる。
【００３５】図５（Ｃ）は、ビーム整形器３の第３の構
成例を示す。ビーム整形器３は、凹レンズ３３、凸レン
ズ３４、及び部分遮光板３５を含んで構成されている。
凹レンズ３３、凸レンズ３４は、その光軸がｚ軸に一致
するように配置され、部分遮光板３５は、ｚ軸に直交す
るように配置されている。部分遮光板３５には、ｘ軸方
向に長い窓３６が設けられている。
【００３６】円形のビーム断面を有するレーザビーム２
が凹レンズ３３に入射し、発散レーザビーム２ｂが得ら
れる。発散レーザビーム２ｂが凸レンズ３４に入射し、
レーザビーム２ｃが得られる。レーザビーム２ｃは平行
光線束である。レーザビーム２ｃが部分遮光板３５で整
形され、窓３６の形状に対応したビーム断面を有するレ
ーザビーム４が得られる。
【００３７】なお、部分遮光板３５を、図１に示す集光
光学系５の出射側に配置し、レーザビーム６のビーム断
面を整形してもよい。すなわち、図１においては、ビー
ム整形器３で整形したレーザビーム４を集光光学系５で
集光する場合を説明したが、最初に集光光学系５で収束
レーザビームを形成し、その後ビーム整形器３でビーム
断面を整形してもよい。
【００３８】図５では、ビーム整形器３の３つの構成例
を示したが、その他のアナモルフィック光学系を用いて
もよい。
【００３９】次に、第２の実施例による方法を用いてマ
ーキングを行った結果について説明する。使用したレー
ザビームは、Ｎｄ：ＹＬＦの第２高調波（波長５２３．
５ｎｍ）である。１ショットあたりのレーザビームのエ
ネルギは０．５ｍＪ、パルス幅は約１５ｎｓである。ビ
ーム整形器３として、第１の構成例のものを使用した。
集光光学系５として、焦点距離２８ｍｍのカメラ用レン
ズを用いた。被加工部材７へのレーザビームの入射角は
４５°とした。
【００４０】この条件で、厚さ１．１ｍｍのガラス板に
マーキングを行ったところ、図４に示すような斜めの面
状部分２１Ｂを有するマーク２１を形成することができ
た。形成されたクラックは、ガラス板の表面まで到達せ
ず、内部にのみ形成されていた。また、ガラス板の法線
方向から、このマークを容易に視認することができた。
【００４１】図３に示す第２の実施例において、マーク
を二次元的に分布させるには、被加工部材７を、その表
面に平行な面内で移動させればよい。また、レーザビー
ム６をｙ軸方向に走査することによって、マークをｙ軸
方向に分布させてもよい。レーザビーム６の走査は、例
えばガルバノミラーやポリゴンミラーを用いて行うこと
ができる。この場合、被加工部材７は、ｙ軸に直交する
一次元方向にのみ移動させればよい。
【００４２】図３に示すように、被加工部材７にレーザ
ビーム６を斜め入射させると、レーザビーム６が被加工
部材７の表面で屈折する。屈折の影響を回避もしくは軽
減するために、被加工部材７を水中に浸漬させてマーキ
ングを行ってもよい。一般的に、水は、空気よりも、被
加工部材７の屈折率に近い屈折率を有する。このため、
屈折によるレーザビームの進行方向の変化角を小さくす
ることができる。なお、水中に浸漬させる代わりに、空
気よりも、被加工部材７の屈折率に近い屈折率を有する
液体中に浸漬させてもよい。
【００４３】図６は、第３の実施例によるマーキング方
法で使用するマーキング装置の概略断面図を示す。図１
に示す整形されたレーザビーム４が集光光学系５に入射
する。集光光学系５によって収束されたレーザビーム６
が台形プリズム４０に垂直入射する。台形プリズム４０
の出射側の面は、レーザビーム６の光軸に対して斜めに
配置されている。被加工部材７が、台形プリズム４０の
出射側の面に微小な間隙を隔てて配置されている。この
間隙内には、屈折率調整液が充填されている。
【００４４】台形プリズム４０、屈折率調整液、及び被
加工部材７の間の屈折率差を小さくしておくと、台形プ
リズム４０から出射したレーザビームは大きく屈折する
ことなく、被加工部材７の内部に集光される。
【００４５】上記第１〜第３の実施例では、ガラス基板
にマーキングする場合を説明したが、その他の透明部材
にマーキングすることも可能である。例えば、ＰＭＭＡ
基板にマーキングすることも可能であろう。
【００４６】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【００４７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザビームのビーム形状を整形することにより、被加
工部材に形成するマークの形状を制御することができ
る。これにより、マークの配列ピッチを狭くすることが
でき、描かれた模様のコントラストを高めることができ
る。また、レーザビームを斜め入射することにより、表
面の法線方向から見たときの模様の視認性を高めること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例によるマーキング方法で用いるマ
ーキング装置の概略図である。
【図２】第１の実施例による方法で形成されたマークの
側面図及び平面図である。
【図３】第２の実施例によるマーキング方法で用いるマ
ーキング装置の概略図である。
【図４】第２の実施例による方法で形成されたマークの
側面図及び平面図である。
【図５】ビーム整形器の第１〜第３の構成例を示す斜視
図である。
【図６】第３の実施例によるマーキング方法で用いるマ
ーキング装置の概略図である。
【図７】従来の方法で形成したマークの平面図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源 ２、４、６ レーザビーム ３ ビーム整形器 ５ 集光光学系 ７ 被加工部材 ８ 保持台 １０、２１ マーク １０ａ、２１ａ 線状部分 １０ｂ、２１ｂ 面状部分 ２０ 法線 ３０、４０ プリズム ３１ 凹シリンドリカルレンズ ３２ 凸シリンドリカルレンズ ３３ 凹レンズ ３４ 凸レンズ ３５ 部分遮光板 ３６ 窓

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ光源からレーザビームを出射する
    工程と、 前記レーザ光源から出射したレーザビームを、集光点に
    おけるビーム断面が、該レーザビームの光軸に垂直な第
    １の方向に長い形状となるように、かつ集光点が被加工
    部材の内部に位置するように前記レーザビームを集光
    し、集光点及びその近傍にクラックを発生させる工程と
    を有するマーキング方法。
  2. 【請求項２】 前記クラックを発生させる工程が、 前記レーザ光源から出射したレーザビームのビーム断面
    が、ビーム断面内における前記第１の方向に相当する方
    向に直交する第２の方向に長い形状になるようにレーザ
    ビームを整形する工程と、 整形されたレーザビームを、前記集光点に集光する工程
    とを含む請求項１に記載のマーキング方法。
  3. 【請求項３】 前記レーザビームが、前記被加工部材の
    表面に対して斜めに入射し、前記第１の方向が前記レー
    ザビームの入射面とほぼ直交する請求項１または２に記
    載のマーキング方法。
  4. 【請求項４】 前記レーザビームの入射角が５°以上で
    ある請求項３に記載のマーキング方法。
  5. 【請求項５】 前記クラックを発生させる工程におい
    て、前記被加工部材を液体に浸漬させた状態で、該被加
    工部材にレーザビームを照射する請求項３または４に記
    載のマーキング方法。
  6. 【請求項６】 レーザビームを出射するレーザ光源と、 前記レーザ光源から出射したレーザビームのビーム断面
    の形状を、該レーザビームの光軸に垂直な第１の方向に
    長い形状に整形するビーム整形手段と、 前記ビーム整形手段で整形されたレーザビームを集光す
    る集光手段と、 前記集光手段による集光位置が前記被加工部材の内部に
    位置するように該被加工部材を保持する保持手段とを有
    するマーキング装置。
  7. 【請求項７】 前記保持手段が、前記被加工部材の表面
    に対して前記レーザビームが斜めに入射するように該被
    加工部材を保持する請求項６に記載のマーキング装置。
  8. 【請求項８】 前記保持手段が、前記レーザビームのビ
    ーム断面内における前記第１の方向に相当する方向をレ
    ーザビームの入射面内に含むように、前記被加工部材を
    保持する請求項７に記載のマーキング装置。
  9. 【請求項９】 透明部材と、 前記透明部材中に形成されたマークであって、周囲とは
    光学的性質の異なる線状部分と、該線状部分から相互に
    反対方向に延びた一対の面状のクラックとを含むマーク
    とを有するマーキングされた部材。
  10. 【請求項１０】 前記透明部材が平坦な主表面を有し、 前記マークが前記主表面よりも深い位置に形成されてお
    り、前記線状部分が該主表面に対して傾いており、前記
    面状部分が、前記線状部分と前記主表面の法線とを含む
    第１の仮想平面に直交し、かつ前記線状部分を含む第２
    の仮想平面に沿って形成されている請求項９に記載のマ
    ーキングされた部材。
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