JP4395110B2 - 透明材料へのマーキング方法およびこれを用いた装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用いた透明材料へのマーキング方法およびこれを用いた装置に関し、特に、透明材料の内部にマーキングを施す技術に関する。

従来のマーキング方法は、透明材料であるガラス基板にレーザ光を照射し、その内部にクラックを発生させてマーキングを施している。具体的には、レーザ光源からのレーザ光がビーム整形器で所定の形状に整形されて光学レンズに向けて出力される。出力されたレーザ光は、光学レンズで集光され、予め設定されたガラス基板内部の集光点に照射される。この集光点では照射されたレーザ光による熱エネルギが吸収されて熱膨張してクラックが発生する。つまり、発生したクラックによって透明なガラス基板のその部位のみが白濁し、マーキングとして現れる（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１５６５６８号公報

近年、上述のマーキング方法を利用し、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどの透明なガラス基板に文字、図形および２次元コードなどのマーキングを施すようになっている。文字、図形、および２次元コードは視認性が要求されることから、マーキング領域内でクラックをマトリックス状に複数個並べて密度を高め、視認性の向上を図っている。しかしながら、この場合、クラック同士のピッチを狭くする必要がある。ピッチが狭くなると、ガラス基板などの強度を低下させるといった問題がある。一方、文字、図形および２次元コードのサイズ要求のため、クラック同士のピッチを広くする必要もある。ピッチが広くなると、マーキングの密度が低下し、視認性が悪くなるといった問題がある。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ガラス基板内に施したマーキングの視認性を高めるとともに、ガラス基板などの透明材料の強度を保持することのできる透明材料へのマーキング方法およびこれを用いた装置を提供することを主たる目的とする。

従来の問題を解決する手法として、レーザ光のエネルギを調節することにより、クラックのサイズの変更が可能であると一般的に考えられる。そこで、発明者たちが実際にこの手法を利用して実験を行ったところ、クラックサイズを所望のサイズに調節できる程の、大きなサイズ変化は得られなかった。

そこで、ガラス基板が白濁して視認できる程度のクラックを発生させるエネルギのレーザ光をガラス基板に照射し、このときのクラック発生状況を解析する実験を行なった。

具体的には、ガラス基板内部の所定位置に集光点を決め、所定のエネルギのレーザ光を集光させて照射し、パルス発生時点から減衰してゼロになるまでの単一のパルス時間幅で１個のクラックを発生させた。このクラックは、３種類のクラックから構成されることが分かった。つまり、図８に示すように、１個のクラックは、レーザ光中心軸回りに白濁する中央クラックＡと、中央クラックＡから放射状に延びる線形クラックＢと、線形クラック同士を結ぶ円形クラックＣとから構成される。

そこで、さらに、各クラックの発生を解析する実験を行なった。その結果、図９に示すように、パルス時間幅ｔ０−ｔ０’でパルスのピークＰとなる付近で中央クラックＡおよび線形クラックＢが発生し、その後（ｔ１以後）のパルスが減衰してゆく過程で円形クラックＣが大きく成長してゆくことがわかった。すなわち、パルスのピーク以後に照射され続けるレーザ光の微量なエネルギによって円形クラックが発生および成長し、この円形クラック同士が重なり合ってガラス基板の強度を低下させているとする知見を本発明者たちは得た。

そこで、この発明は、上記目的を達成するために次のような構成をとる。

第１の発明は、レーザ光源から透明材料に向けてレーザ光を出力し、その内部にマーキングを施す透明材料へのマーキング方法であって、
集光手段を介して前記透明材料の内部での前記レーザ光の集光点を決める集光点決定過程と、
レーザ光源から出力されるレーザ光の１つのパルスにおいて、当該パルスの立ち上がりから自然に減衰しきるまでの予め決まった時間をパルス時間幅として設定し、当該パルス時間幅のうちピークを成す時点から減衰しきるまでの時間を光学スイッチのオン・オフ操作のうちオフのタイミングで調節して得られた透明材料のクラックの直径の変化を示すデータを取得するデータ取得過程と、
前記データに基づいて、パルス時間幅の調節されたレーザ光を前記透明材料内部の集光点に向けて前記レーザ光源から出力するレーザ出力過程と、
を備えたことを特徴とする。

（作用・効果） この方法によれば、透明材料の内部の集光点を決定した後に、レーザ光を集光点に向けて照射する。このとき、パルスが発生した時点からパルスが減衰してゼロになるまでのパルス時間幅を調節する。このパルス時間幅を調節することにより、クラックを構成する円形クラックの発生に起因するエネルギ成分を除去し、円形クラックの成長を調節することができる。したがって、狭いピッチで複数個のクラックを発生させ、マーキングの視認性の向上を図る場合、クラックサイズを小さくすることができる。クラックサイズを小さくすると、クラック同士が重なり合わないので、透明材料の強度を保持することができる。一方、広いピッチで複数個のクラックを発生させ、所望の文字、図形、および２次元コードサイズを得る場合、クラックサイズを大きくすることができる。クラックサイズを大きくすると、マーキングの密度が低下しないので、視認性を向上することができる。

また、この方法によれば、線形クラックや円形クラックを発生させるパルスのピークポイント以後のパルス時間が調節される。したがって、円形クラックの発生および成長に起因するエネルギ成分を除去することができる。

なお、レーザ光源から出力するレーザ光は、例えば、ＹＬＦレーザやＹＡＧレーザであることが好ましい。各レーザとも、パルスが発生してパルスのピークを過ぎてからの減衰時間が長いので、パルス時間幅を調節するのに有効である。

第２の発明は、レーザ光を集光して透過材料に照射し、その内部にマーキングを施すマーキング装置であって、
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出力されるレーザ光の集光点が前記透明材料の内部に位置するようにレーザ光を集光させる集光手段と、
レーザ光源から出力されるレーザ光のパルス発生時点からパルスがゼロになる時点までのパルス時間幅を単位とし、単一のパルスを発生させるパルス発生手段と、
レーザ光源から出力されるレーザ光の１つのパルスにおいて、当該パルスの立ち上がりから自然に減衰しきるまでの予め決まった時間をパルス時間幅として設定し、当該パルス時間幅のうちピークを成す時点から減衰しきるまでの時間を光学スイッチのオン・オフ操作のうちオフのタイミングを調節して得られた透明材料のクラックの直径の変化を示すデータを取得し、当該データに基づいて、光学スイッチのオン・オフ操作のうちオフのタイミングを制御するように前記パルス発生手段の駆動を制御するパルス時間幅制御手段と、
を備えたことを特徴とする。

（作用・効果） 第２の発明によると、レーザ光源は、レーザ光を出力する。集光手段は、レーザ光源から出力されるレーザ光の集光点が前記透明材料の内部に位置するようにレーザ光を集光させる。パルス発生手段は、レーザ光源から出力されるレーザ光のパルス発生時点からパルスがゼロになる時点までのパルス時間幅を単位とし、単一のパルスを発生させる。パルス時間幅制御手段は、パルス時間幅を調節するようにパルス発生手段を制御する。

この構成によれば、パルス時間幅制御手段により、透明材料の内部の集光点に照射したレーザ光のパルス時間幅を調節することができる。すなわち、第１の発明方法を好適に実現することができる。

第３の発明は、第２の発明において、
前記パルス発生手段は、前記パルス時間幅を調節可能な光学スイッチであり、
前記パルス時間幅制御手段は、光学スイッチへのオン・オフ切り換え信号を送信するタイミングを調節する
ことを特徴とする。

（作用・効果） 第３の発明によると、パルス発生手段は、パルス時間幅を調節可能な光学スイッチであることが好ましい。また、パルス時間幅制御手段は、光学スイッチへのオン・オフ切り換え信号を送信するタイミングを調節する。

この発明に係る透明材料へのマーキング方法およびこれを用いた装置は、クラックを構成する白濁の中央クラックの周りに発生する円形クラックの発生および成長を調節することができる。したがって、マーキングの視認性を向上させるため、狭いピッチで複数個のクラックを形成しても、クラックサイズを小さく調節するとクラック同士が重なり合うことがないので、透明材料の強度を保持することができる。一方、所望の文字、図形、および２次元コードサイズを得るため、広いピッチで複数個のクラックを形成しても、クラックサイズを大きく調節するとマーキングの密度が低下しないので、視認性を向上することができる。つまり、クラックピッチを自由に選んでも透明材料の強度を保持し、視認性の高い最適なクラックサイズに調節することができる。その結果、自由なサイズの文字、図形、および２次元コードなどのマーキングが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明のマーキング装置の全体構成を示す斜視図、図２は本発明のマーキング装置の電気的構成を示すブロック図である。

本実施例のマーキング装置は、図１に示すように、加工対象であるガラス基板１を保持する保持テーブル２、レーザ光源３、ビーム整形器４、ガルバノミラー５およびｆθレンズ６を含んで構成されている。以下、各構成について具体的に説明する。なお、ガラス基板１は、本発明の透明材料に相当し、保持テーブル２は、本発明の保持手段に相当し、ガルバノミラー５は、本発明の駆動手段および反射手段に相当し、ｆθレンズ６は、本発明の集光手段に相当する。

レーザ光源３は、図２に示すように、励起用光源７と、レーザ媒質８と、全反射ミラー９、光学スイッチ１０、および出力ミラー１１と含んで構成されている。なお、光学スイッチ１０は、本発明のパルス発生手段に相当する。

全反射ミラー９は、レーザ媒質８によって発生したレーザ光を光学スイッチ１０がオフ状態になったときに出力ミラー１１に向けて出力させる。

光学スイッチ１０は、後述するレーザコントローラ１２から送信されるオフ信号に従ってレーザ光を出力ミラー１１を介してビーム整形器４に出力する。なお、レーザ光源３は、例えば、Ｎｄ：ＹＬＦレーザやＮｄ：ＹＡＧレーザなどのようにレーザ光のパルス発生時点からゼロになるまでの時間の長いものを利用することが好ましい。

ビーム整形器４は、レーザ光源３から出力されるレーザ光を所定のビーム形状に整形する。

ガルバノミラー５は、後述するマーキングコントローラ１３からの信号に基づいてレーザ光の反射角度の変更が可能であり、ビーム整形器４から出力された所定形状のレーザ光をｆθレンズ６に向けて反射させる。

ｆθレンズ６は、図３に示すように、ガルバノミラー５で反射したレーザ光を収束し、予め決められたガラス基板内部の所定高さの集光点Ｓに当該レーザ光を集光させる。なお、集光点Ｓの高さの決定は、使用するレーザ光およびガラス基板１の屈折率に応じて決められる。また、ｆθレンズ６は、レーザ光の入射角度に関わらずガラス基板内部の所定高さの平面上を集光点とすることができる。すなわち、同一平面高さにクラックを発生させて文字、図形および２次元コードなどを構成することができる。

レーザコントローラ１２は、励起用光源７のコントロールと光学スイッチ１０への制御信号オフ・オン時間の調節を行う。つまり、光学スイッチ１０のオフ・オンのタイミングをコントロールして所定のレーザ光のパルスを発生する。具体的には、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、光学スイッチ１０をオフにすることにより所定時間幅のレーザ光のパルスを発生させる。このレーザ光のパルス発生時点からゼロになるまでの出力時間は、光学スイッチ１０のオフ・オン切り換えにより調節している。

なお、本実施例のレーザコントローラ１２におけるパルス発生時間の調節は、レーザ光のパルスの強度が最大となるピーク以降のパルス時間を調節する。換言すれば、パルスのピーク以前の時間を調節することなく、ピークから減衰してゼロ時点になるまでの間で、ゼロ時点を基準に遡ってパルス時間幅を短くする。このように、パルス時間幅を調節して単一のレーザ光のパルスをガラス基板１に照射することにより、大きさ（直径）の異なる１個のクラックを発生させている。

このように、単一のレーザ光のパルスを図１に示すガラス基板１のＸ軸およびＹ軸の水平方向に移動させながら連続的に照射することにより、ガラス基板１の内部に複数個のクラックを発生させて文字、図形、および２次元コードなどのマーキングを行える。なお、レーザコントローラ１２は、本発明のパルス時間幅制御手段に相当する。

図２に戻り、マーキングコントローラ１３は、ガルバノミラー５を作動させてレーザ光の反射角度の調節、およびガルバノミラー５の角度調節と連動し、図４（Ｃ）に示すように、レーザコントローラ１２に駆動信号を送信してレーザ光源３からのレーザ光の出力の指示を行っている。なお、マーキングコントローラ１３は、本発明の走査制御手段に相当する。

操作部１４は、レーザ光の強度、パルス時間幅（すなわちクラックサイズ）、クラックピッチ、マーキング形状（文字、図形および２次元コード）などの設定条件を入力する。

次に、上記実施例装置を利用してレーザコントローラ１２を調節してレーザ光のパルスの強度一定でレーザ光のパルス発生開始時点からゼロになるまでのパルス時間幅を変化させてガラス基板１にクラックを発生させた場合の具体例を示す。なお、本具体例では、レーザ光源３がＮｄ：ＹＬＦレーザの２倍高調波（波長５２７ｎｍ）を出力し、レーザ光のパルス時間幅を８８〜６４０nsecに変化させた。

また、本具体例は、マーキングコントローラ１３によりガルバノミラー５の反射角度を変更してクラックピッチＷを８０μｍとする２次元アレー状に４回のレーザ光のパルスをガラス基板１に照射し、４個のクラック群を発生させている。なお、ガラス基板としては、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラスを利用している。

上記設定条件により、ガラス基板にクラックを発生させたところ、図５に示すように、最大パルス時間幅６４０nsecに対して、パルス時間幅を８８〜２８０nsecまでの間で調節した場合、クラックの直径が変化し、パルス時間幅２８０nsec以降では、クラックの直径に変化が起こらないことを確認した。

例えば、図６（ａ）に示す具体例１のパルス時間幅が約２８０nsec以上の場合では、図７（ａ）に示すように、白濁した中央クラックＡ、線形クラックＢ、および、中央クラックＡから波紋状に広がる大径の円形クラックＣが発生および成長し、その直径が約８４μｍとなり、近隣のクラック同士が重なり合っていることが確認できた。

また、図６（ｂ）に示す具体例２のパルス時間幅が約１６０nsecの場合では、図７（ｂ）に示すように、円形クラックＣの成長が抑えられ、クラックの直径が約６２μｍとなり、近隣のクラック同士が重なり合わないことが確認できた。

さらに、図６（ｃ）に示す具体例３のパルス時間幅が約８８nsecの場合では、図７（ｃ）に示すように、円形クラックＣの発生は略無くなりクラックの直径が約３１μｍとなり、小さくなることが確認できた。

以上の具体例からも明らかなように、レーザ光のパルス発生時点からゼロになるまでのパルス時間幅のうち、パルスの最大ピーク以降のパルス時間を調節することにより、ガラス基板１が白濁する中央クラックＡの周りに発生する円形クラックＣの成長を抑制し、クラックのサイズ（直径）を調節することができる。したがって、クラックピッチを自由に選んでも透明材料の強度を保持し、視認性の高い最適なクラックサイズに調節することができる。その結果、自由なサイズの文字、図形および２次元コードなどのマーキングが可能となる。

本発明は上述した実施例のものに限らず、次のように変形実施することもできる。

（１）上記実施例では、ガルバノミラー５の反射角度を操作して集光点Ｓの位置を変更していたが、モータなどの駆動手段を利用して保持テーブル２をＸ、Ｙ方向に水平移動させて集光点の位置を変更するように構成してもよい。

（２）上記実施例では、ガラス基板１として無アルカリガラスを例に採って説明したが、透明な材料であれば、その内部にクラックを発生させることができる。

（３）上記実施例では、パルス時間幅調節手段である光学スイッチ１０によってパルス時間幅の調節を行っていたが、この方法以外に次のように実施することもできる。例えば、モード同期による方法やレーザ光の波長幅を利用したパルス圧縮または伸長機などを使用して実施できる。

これらパルス時間幅調節手段は、パルス時間幅全体を調節することができ、パルスのピーク以降のパルス時間のみを調節する光学スイッチとは異なる。しかし、パルス時間幅を調節することは、すなわちパルスのピーク以降のパルス時間を調節することになるので、光学スイッチと同様の機能を有する。なお、これらパルス時間幅調節手段を利用する場合、レーザ光源の種類は特に限定されず、レーザ光のパルス発生時点からゼロになるまでの時間が長いものや、短いものを含めて利用することができる。

本実施例に係るマーキング装置の概略全体構成を示す斜視図である。 本実施例に係るマーキング装置の電気的構成を示すブロック図ある。 ガラス基板にレーザ光を照射したときの側面図である。 レーザ光のパルスの発生を示すタイミングチャートである。 パルス時間幅の変化に伴うクラックの直径の変化量を示す図である。 具体例１〜３のパルスの発生を示すタイミングチャートである。 具体例１〜３の場合に発生したクラックの形状を示す図である。 従来例により発生したクラックの形状を示す図である。 従来例のレーザ光のパルス発生状態を示すである。

符号の説明

１ … ガラス基板
２ … 保持テーブル
３ … レーザ光源
４ … ビーム整形器
５ … ガルバノミラー
６ … ｆθレンズ
１０ … 光学スイッチ
１２ … レーザコントローラ
１３ … マーキングコントローラ

Claims (3)

1. レーザ光源から透明材料に向けてレーザ光を出力し、その内部にマーキングを施す透明材料へのマーキング方法であって、
   集光手段を介して前記透明材料の内部での前記レーザ光の集光点を決める集光点決定過程と、
   レーザ光源から出力されるレーザ光の１つのパルスにおいて、当該パルスの立ち上がりから自然に減衰しきるまでの予め決まった時間をパルス時間幅として設定し、当該パルス時間幅のうちピークを成す時点から減衰しきるまでの時間を光学スイッチのオン・オフ操作のうちオフのタイミングで調節して得られた透明材料のクラックの直径の変化を示すデータを取得するデータ取得過程と、
   前記データに基づいて、パルス時間幅の調節されたレーザ光を前記透明材料内部の集光点に向けて前記レーザ光源から出力するレーザ出力過程と、
   を備えたことを特徴とする透明材料へのマーキング方法。
2. レーザ光を集光して透過材料に照射し、その内部にマーキングを施すマーキング装置であって、
   レーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力されるレーザ光の集光点が前記透明材料の内部に位置するようにレーザ光を集光させる集光手段と、
   レーザ光源から出力されるレーザ光のパルス発生時点からパルスがゼロになる時点までのパルス時間幅を単位とし、単一のパルスを発生させるパルス発生手段と、
   レーザ光源から出力されるレーザ光の１つのパルスにおいて、当該パルスの立ち上がりから自然に減衰しきるまでの予め決まった時間をパルス時間幅として設定し、当該パルス時間幅のうちピークを成す時点から減衰しきるまでの時間を光学スイッチのオン・オフ操作のうちオフのタイミングを調節して得られた透明材料のクラックの直径の変化を示すデータを取得し、当該データに基づいて、光学スイッチのオン・オフ操作のうちオフのタイミングを制御するように前記パルス発生手段の駆動を制御するパルス時間幅制御手段と、
   を備えたことを特徴とするマーキング装置。
3. 請求項２に記載のマーキング装置において、
   前記パルス発生手段は、前記パルス時間幅を調節可能な光学スイッチであり、
   前記パルス時間幅制御手段は、光学スイッチへのオン・オフ切り換え信号を送信するタイミングを調節する
   ことを特徴とするマーキング装置。

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