JP2002144054A - ビームスキャン式レーザマーキング装置 - Google Patents
ビームスキャン式レーザマーキング装置Info
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Abstract
るに好適なビームスキャン式レーザマーキング装置を提
供する。 【解決手段】レーザ発振器(1) から出射されるレーザ光
をスキャンミラー(5x,5y) により所望のパターンで走査
させ、収束レンズ系(6〜8)を通して被マーキング面(MS)
にマーキングを行うビームスキャン式レーザマーキング
装置にあって、前記収束レンズ系(6〜8)を3以上の収束
系レンズから構成する。最もスキャンミラー側に配され
るfθレンズ(6) の焦点距離(fb1) を、それに対向して
配される第1スキャンミラー(5x)と干渉しない距離に設
定すると共に、第1のスキャンミラー(5x)の中心を同レ
ンズ(6) の前側焦点位置 (fb1)に一致して配して、前記
収束レンズ系(6〜8)を、互いにテレセントリックな関係
に順次配している。その結果、結像のずれ量を極力小さ
くし、微小な形態のドットマークであっても視認性に影
響しないドット間隔を確保する。
Description
光を走査させて、被マーキング面に文字等のパターンを
マーキングするビームスキャン式レーザマーキング装置
に関する。
振で得られるレーザ光を、スキャンミラー及び収束レン
ズ系を用いてマーキング面に集光して走査させることに
よって、被マーキング面に多数のドット群により2Dコ
ードや所要の文字などからなる各種の情報をマーキング
するビームスキャン式レーザマーキング装置が知られて
いる。
公報にも開示されている一般的なビームスキャン式レー
ザマーキング装置の概略構成を示している。レーザ発振
器1は、超音波Qスイッチ素子2を備えており、超音波
Qスイッチ素子2は制御装置4から送られるRFパワー
の繰り返し周波数であるQスイッチ制御信号に同期して
駆動回路3を介してCW励起Qスイッチパルス発振して
レーザ光を出射する。レーザ発振器1から出射されたレ
ーザ光は、一対のガルバノメータ4x,4yに取り付け
られたスキャンミラー5x,5yで反射されてfθレン
ズ6を通って被マーキング面に集光される。スキャンミ
ラー5x,5yは、それぞれ紙面に直角な軸、紙面に平
行で斜め45°の軸の回りを往復回転駆動され被マーキ
ング面上を走査する。こうして、マーキング面上には所
望のパターンがマーキングされる。
744号公報にも開示されているごとく、連続パルスレ
ーザ光を走査させることにより形成されるドットマーク
は穴径が30μm、深さが0.5〜1.5μmと、従来
のドットマーク形態よりも微小化されてきており、最近
では、例えば特開平11−162800号公報や特開2
000−223382号公報に記載されているように穴
径が1〜15μm、深さが0.5〜1.5μmのドット
マーク、或いは同一数値範囲のスカート径をもち中央が
隆起する特異な形態であって、その隆起高さが0.01
〜0.5μmという極めて微小化されたドットーマーク
が出現している。
ング装置の基本構造は上述のとおりであり、特に従来の
ごとく大きな形態をもつドットマークの形成であれば不
具合が生じないことから、fθレンズを通して集光する
パルスレーザ光を一対のスキャンミラーによりx軸,y
軸の2軸方向に振りながら刻印する収束レンズ系及びス
キャニング構造に格別の改良が加えられていないのが現
状である。
ンズ系及びスキャニング構造からなる収束光学系を示し
ている。従来の収束レンズ系は、既述したとおり単一の
fθレンズ6から構成され、図示せぬ第2スキャンミラ
ーで反射するパルスレーザ光は、第1スキャンミラー5
xで再度反射してfθレンズ6に入射する。fθレンズ
6を通過したレーザ光は集束されてマーキング面MS上
に集光し、ドットマークが形成される。
fθレンズ6の前側焦点位置を一致させると共に、fθ
レンズ6の光軸上に第1スキャンミラー5xの中心位置
が来るように同ミラー5xを配している。従って、第1
スキャンミラー5xの振り角がθ(rad)のとき、第
1スキャンミラー5xの中心に入射する光の反射光はf
θレンズ6を通ると光軸に平行な光路上を進行し、同ミ
ラー5xの中心に入射する光と平行な入射光は、後側焦
点を通り光軸に直交する平面上に結像する、所謂、テレ
セントリックな配置関係におかれている。
での距離hは、次式 h=fb’・(2θ) で与えられ、前記第1スキャンミラー5xの振り角θに
より決まる。
僅かな変動δθが生じると、前記結像位置における光軸
と直交する方向に像がずれ量δh(=fb’・(2δ
θ))で結像の変動が生じる。一方、前記第1スキャン
ミラー5xの配置位置が、図4に示すように、fθレン
ズ6の前側焦点位置から光軸方向にずれると、結像位置
が前記結像面を挟んで光軸に沿った前後にずれると、テ
レセントリック性が崩れ、刻印面に対して主光線が垂直
でなくなる。このことは、刻印面がデフォーカスした場
合に、ドット間隔が変化してしまい、その結果、設計値
からのずれ量が大きくなることを意味する。
から光軸方向に対するずれが大きくなればなるほど、テ
レセントリック性が崩れ、同時に結像面上における結像
位置の前記ずれ量δhも大きくなって、焦点深度が小さ
くなってしまい、レーザマーカとしてはマーキング操作
時の操作性を著しく低下させることになる。なお、以上
の説明では、fθレンズ6に対向する第1スキャンミラ
ー5xについて述べたが、レーザ光をy軸方向に走査さ
せる第2スキャンミラー5yについても同様の現象が生
じる。
をもつドットマークの形成では影響が少ない。その理由
は、ドット形態が大きい分だけ、そのドット間のピッチ
も大きくなり、スキャンミラーを駆動するガルバノメー
タによる駆動制御が比較的高精度になされることとが相
まって、例えばガルバノメータの加工精度や設置時の位
置決め精度に基づくずれの影響が容易に吸収されるがた
めである。
トマークにあっては、そのドット間のピッチも必然的に
極めて微小となり、上記ずれの影響をまともに受け、設
定されたピッチが崩れてしまい、以降の視認性にも大き
な影響を与えるため、マーキング面におけるドットマー
クの形成位置に対する更に高精度な制御が要求される。
指令電圧に対するスキャンミラーの振り角θの直線性と
温度ドリフト(ゲインドリフト)によって決定される。
高性能なガルバノメータであっても、公差による直線性
の変動、或いは温度変化による振り角θの変動は避けら
れない。例えば、現状の高性能なガルバノメータであっ
ても、スキャンミラーの振り角θの変動δθは30μr
ad程度が生じている。
れる一対のスキャンミラーを設置しなければならず、ま
たレーザ発振器から出射されるレーザ光の光径と前記ス
キャンミラーの寸法などを考慮すると、fθレンズの前
側焦点距離fbは最低でも30mmはなくてはならな
い。この場合、上記結像面上における結像のずれ量δh
は、δh=30×2×30×10-6=1.8×10-3m
m=1.8μmとなる。
mの微小なドットマークを半導体ウェハの所定領域に形
成しようとすれば、前述の結像面上における結像のずれ
量δh(1.8μm)は、実にドット径の36%に相当
する。通常、ドットマーク間のピッチはドット径と同等
に設定されている。すなわち、前記ずれ量δh(1.8
μm)の場合には、隣り合うドットマーク間のピッチが
3.2μmとなり、これ以上に狭まると、以降の読取り
時における視認性が失われてしまう。ドット径が更に小
さくなると、ますます読み取ることが不可能となる。
公報に記載されているように、従来の一般的なドット径
よりも小さい30μmの場合についてみると、結像面上
における結像の上記ずれ量δh(1.8μm)によるピ
ッチの変動は僅かに6%に過ぎず、微小ではあるもの
の、視認性は十分に確保される。
マークの形成に適し、必然的に発生するスキャンミラー
の取付誤差、その駆動装置の公差や温度変化による結像
面上における結像のずれ量を容認した上で、それらの影
響を吸収できるビームスキャン式レーザマーキング装置
を提供することにある。
ミラーと、その駆動装置の性能限界を踏まえると共に、
回動するスキャンミラーとfθレンズとの干渉を回避し
て、しかも上記目的を達成できる技術の開発をすべく多
様な検討と試験を繰り返した。
のごとくfθレンズの後側焦点距離fb’とスキャンミ
ラーの振り角θの変動量δθに比例する。従って、結像
のずれ量δhを少なくしようとすれば、fθレンズの後
側焦点距離fb’を極力小さくすると共に、スキャンミ
ラーの振り角θの変動量δθをも更に小さくする必要が
ある。
マーキング装置にあっては更なる小型化が進んでおり、
前記スキャンミラー及びfθレンズが配される光学系の
部分も当然にコンパクトでなければならない。
って効果的に達成される。請求項1に係る発明は、レー
ザ発振器から出射されるレーザ光をスキャンミラーによ
り所望のパターンで走査させ、収束レンズ系を通して被
マーキング面にマーキングを行うビームスキャン式レー
ザマーキング装置にあって、前記収束レンズ系が3以上
の収束系レンズから構成され、最もスキャンミラー側に
配されるfθレンズの焦点距離を、それに対向して配さ
れる第1スキャンミラーと干渉しない距離に設定し、第
1のスキャンミラーの中心を同レンズの前側焦点位置に
一致して配しており、前記収束レンズ系は、互いがテレ
セントリックな関係に順次配されていることを特徴とし
ている。
例えば光軸調整ミラーで反射し、ビームエキスハンダに
よりビーム径が拡大されて、平行光となって第2スキャ
ンミラー及び第1スキャンミラーで反射し、3以上のf
θレンズをアフォーカル系に配された収束レンズ系へと
平行光として入射する。第1スキャンミラーで反射した
平行光は、収束レンズ系に入射し、先ず第1スキャンミ
ラーに対向して配された第1fθレンズにより集束され
て、その後側の焦点位置近傍に第1の中間像が結像され
る。
距離は第1スキャンミラーとの干渉を避けるため、必要
最小限の距離に設定されている。そのため、第1fθレ
ンズによる結像位置のずれ量は、既述した式によりある
程度大きなものとなる。この第1中間像から発せられる
レーザ光は、第2fθレンズに入射して平行光となって
出射し、第3fθレンズに入射する平行光からなる光束
は、同第3fθレンズにより、その後側焦点位置の近傍
で集束され第2の中間像を結像する。このとき、前記第
3fθレンズの焦点距離を小さく設定しておけば、第2
の中間像は第1中間像よりも縮小され、その結像位置の
ずれ量は第1中間像のずれ量よりも小さくなる。
所定の最終的な微小寸法に設定されたドットマークの視
認性を損なわない値であるときは、この第2中間像をマ
ーキング面上に直接結像させてマーキングを実行する。
しかし、ドットマークのドット径が、例えば5μm以下
と極めて小さい場合には、第2中間像のずれ量δh2に
よっても視認性が損なわれる。そのときは、前記収束レ
ンズ系に、更に第4、第5のfθレンズを追加して配す
るようにする。
複数のfθレンズは、それぞれの隣接するfθレンズの
前側焦点位置と後側焦点位置とを順次合致させて配され
るアフォーカル系に構成し、テレセントリックの関係を
同時に満足させる必要がある。
る発明に加えて、更に前記第1スキャンミラーと所要の
距離をもって離間して配される第2スキャンミラーとの
間の同一光路上に、2枚のfθレンズをアフォーカル系
に配していることを特徴としている。
て配される収束レンズ系の光軸に対して45°の傾斜角
をもって配されており、例えばその回動軸線を中心とし
てx軸方向に往復回動する。また、第2スキャンミラー
は、前記第1スキャンミラーのレーザ光入射側に、同第
1スキャンミラーと反射面を対向させて平行に配され、
例えば収束レンズ系の光軸と平行な回動軸線を中心にy
軸方向に往復回動する。従って、これらの第1及び第2
スキャンミラーは離間して配する必要があるが、このこ
とは第2スキャンミラーと収束レンズ系の第1fθレン
ズとの間に不要な離間距離を余儀なくされることを意味
する。その結果、刻印面がデフォーカスしたばあいのド
ット間隔のずれ量が大きくなってしまう。
ーカスによるドット間隔のずれを抑えてドットマークを
正確に形成するものである。すなわち、第1スキャンミ
ラーと第2スキャンミラーとの間の同一光軸上に2枚の
fθレンズをアフォーカル系に配する。このように、2
枚のfθレンズを配することにより、平行光からなる光
束で第2スキャンミラーに入射されたレーザ光は、その
まま平行光として第2スキャンミラー側に配されたfθ
レンズを通り、第1スキャンミラー側に配されたfθレ
ンズにその前側焦点から放射される拡大光が入射する。
行光として第1スキャンミラーに入射して、同ミラーで
反射し、テレセントリックに配された収束レンズ系の第
1fθレンズへと入射される。こうして入射するレーザ
光は第1及び第2のスキャンミラーの間の光学的な離間
距離を短縮することができ、最終的なマーキング面上
に、請求項1の上記収束レンズ系と相まって、結像点か
らの最小のずれ量δhをもって結像させることができる
ようになる。
面を参照して具体的に説明する。図1は本発明の第1実
施形態である第1スキャンミラーと収束レンズ系による
代表的な結像機構を示している。なお、本発明にあっ
て、前記収束レンズ系に配されるfθレンズの数は、そ
の縮小比により3枚以上とすることもある。また、同図
にあっては第1スキャンミラーと物体側に対向して配さ
れる第2スキャンミラーの図示は省略している。
結像側には、第1〜第3のfθレンズ6〜8がその光軸
上に配されている。いま、第1スキャンミラー5xが前
記光軸に対して略45°の傾斜角をもって配され、その
交差線を中心として倒伏方向(X軸方向)に、図示せぬ
ガルバノメータにより往復回動する。この第1スキャン
ミラー5xの前記交差線は第1fθレンズ6の前側焦点
位置fb1に合致させている。
発明における収束レンズ系を構成しており、第1fθレ
ンズ6の後側焦点位置fb’1と第2fθレンズ7の前
側焦点位置fb2とを合致させ、更に第2fθレンズ7
の後側焦点位置fb’2と第3fθレンズ8の前側焦点
位置fb3とを合致させて、全体をアフォーカル系で且
つテレセントリックの関係に配している。結像面である
マーキング面MSを前記第3fθレンズ8の後側焦点位
置fb’3に合わせてある。
ンズ6,7は同一の焦点距離とし、第3θレンズ8の焦
点距離をそれらよりも短く設定しているが、必ずしも、
第1及び第2fθレンズ6,7を同一の焦点距離としな
くてもよい。しかし、いずれにしても第1〜第3のfθ
レンズ6〜8の間では収束レンズ系を構成する必要があ
る。
たパルスレーザ光は、同じく図示せぬ光軸調整ミラーや
ビームエキスパンダなどを通して、図示せぬ第2のガル
バノメータにより制御駆動される第2スキャンミラーに
より反射して、第1スキャンミラー5xへと入射する。
第1スキャンミラー5xに入射したレーザ光は同ミラー
5xで反射して第1fθレンズ6に入射する。このとき
レーザ光の主光線は第1fθレンズ6の前側焦点を通っ
て同レンズ6に入射し、光軸に平行な光となって進み、
第1fθレンズ6の他の部分に入射するレーザ光は同レ
ンズ6の後側焦点位置fb’1の近傍に結像(中間像A
1)し、その結像点から第2fθレンズ7へと入射す
る。
量δh1はfb’1・2δθとなり、第1スキャンミラ
ー5xの設置位置の位置精度とガルバノメータの交差な
どにより決まる。また、この中間像A1は第2fθレン
ズ7の前側焦点位置fb2の近傍に結像されるため、同
レンズ7を通過する光束は平行光となって第3fθレン
ズ8へと入射する。この第2及び第3fθレンズ7,8
もアフォーカル系に配されるため、こうして第3fθレ
ンズ8に入射する光束は、マーキング面に最終像A2を
結像する。
軸に対するずれ量δh2は、(fb’3/fb2)・f
b’1・2δθとなり、上記中間像A1の(fb’3/
fb2)となる。ここで、fb’3<fb2であるか
ら、結果的に中間像A1のずれ量δh1をfb’3/f
b2だけ縮小したことになる。
キャンミラー5xに対向させて配される収束レンズ系
を、上述のごとく配しているため、途中に中間像を結像
させたのちに収束系レンズを通して、その結像位置から
の光軸に対するずれ量δhを最終的に小さくするため、
ガルバノメータやスキャンミラーなどの特性限界があっ
たとしても、それらの公差などによる影響を少なくし
て、所望のマーキング面上に所望の微小寸法のドットマ
ークを正確に形成することができる。
る。この実施形態によれば、上記収束レンズ系から遠く
に配される第2スキャンミラー5yとスキャンミラー側
のfθレンズ6との間に生じるデフォーカスを極力少な
くしようとするものである。すなわち、y軸方向に往復
回動する第2スキャンミラー5yの反射光は、90°の
位相差をもってx軸方向に往復回動する第1スキャンミ
ラー5xを介して収束レンズ系の最もスキャンミラー側
に配されるfθレンズ6へと入射されるため、前記fθ
レンズ6と第2スキャンミラー5yの配置位置との間の
離間距離が遠ざかれば遠ざかるほど、第1及び/又は第
2スキャンミラー5x,5yの往復回動位置がfθレン
ズ6の前側焦点距離から大きくずれやすくなり、fθレ
ンズ6のテレセントリックな光学系のずれも大きくな
る。また、第1及び/又は第2スキャンミラー5x,5
yの振り角θ1,θ2のずれ量が拡大する。
うに第1スキャンミラー5xと第2スキャンミラー5y
との間の光通路上に2枚のfθレンズ9,10をアフォ
ーカル系に配して、デフォーカス時の影響及びテレセン
トリック性の崩れを低減させて、マーキング面における
結像の位置ずれを極力小さなものとしている。
のビームスキャン式レーザマーキング装置によれば、収
束レンズ系に最もスキャンミラー側に配されるfθレン
ズの焦点距離をレーザ光の入射側に対向して配される第
1スキャンミラーとの干渉が回避できる距離に設定する
と共に、収束レンズ系を複数のfθレンズをもって互い
にテレセントリック性を確保するアフォーカル系に配
し、第1及び第2スキャンミラーの駆動時における振り
角の公差などを踏まえた上で、第1fθレンズにより、
通常のずれ量をもって結像される中間像を一旦作りだ
し、次いで第2fθレンズを通して焦点距離の小さい縮
小レンズである第3fθレンズにより縮小された結像を
マーキング面に形成する。
じた結像位置に対する結像のずれ量も縮小されるように
なり、ずれ量の影響の少ないドットマークが形成でき、
特に微小なドット形態を有するドットマークであって
も、そのドットマーク間のピッチへの影響が少なくな
り、以降の視認性が十分に確保できる。
のずれや、振り角などのずれに対しても、両ミラー間に
2枚のfθレンズをアフォーカル系に配することによ
り、そのずれ量を極力小さくすることができるため、テ
レセントリック性が確保され、更に結像の位置ずれが少
なくなる。
明したものであり、本発明は既述したとおり特許請求の
範囲に記載した範囲において多様な変更が可能であるこ
とは理解すべきであろう。
置における代表的な第1の実施形態を示す収束光学系の
概略構成とその機能の説明図である。
成とその機能の説明図である。
ャンミラーの振り角による影響を示す機能説明図であ
る。
の配置ずれによる影響を示す機能説明図である。
の概略構成を示す説明図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 レーザ発振器から出射されるレーザ光を
スキャンミラーにより所望のパターンで走査させ、収束
レンズ系を通して被マーキング面にマーキングを行うビ
ームスキャン式レーザマーキング装置にあって、 前記収束レンズ系が3以上の収束系レンズから構成さ
れ、 スキャンミラー側に近く配されるfθレンズの焦点距離
を、それに対向して配される第1スキャンミラーと干渉
しない距離に設定すると共に、第1スキャンミラーの中
心を同レンズの前側焦点位置に一致して配し、 前記収束レンズ系は、互いがテレセントリックな関係に
順次配されてなる、ことを特徴とするビームスキャン式
レーザマーキング装置。 - 【請求項2】 前記第1スキャンミラーと所要の距離を
もって離間して配される第2スキャンミラーとの間の同
一光路上に、2枚のfθレンズがアフォーカル系に配さ
れてなることを特徴とする請求項1記載のビームスキャ
ン式レーザマーキング装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000338848A JP4159738B2 (ja) | 2000-11-07 | 2000-11-07 | ビームスキャン式レーザマーキング装置 |
US09/984,916 US20020057481A1 (en) | 2000-11-07 | 2001-10-31 | Beam scanning type laser marking device |
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Publication Number | Publication Date |
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US (1) | US20020057481A1 (ja) |
JP (1) | JP4159738B2 (ja) |
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