JP2009034691A - レーザマーキング装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微細周期表面性状を有するマーキングパターンを有するマーキング方法ならびにその装置を提供する。
【解決手段】物体表面にレーザ光を照射し表面性状を改変して図形、文字パターンをマークするレーザマーキング装置又は方法において、上記パターン内の微細表面性状構造を超短パルスのレーザ光のパルス幅が１００ｐｓ以下、波長１．１μｍ以下を使用し、０．０１から１０Ｊ／ｃｍ^２のフルエンスで超短パルスレーザ光を照射する際、偏光方向や波長、パワーなどのレーザビームパラメータを制御し周期が１μｍ以下の周期構造を形成したナノ周期微細表面性状マーキング方法又は装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザマーキング方法およびその装置に関し、超短パルス発振器から放出されたレーザビームを表面にマーキングを施す対象物に偏光、周波数、パワー等のレーザビーム特性を制御して超短パルス照射により照射面に形成される周期表面構造を制御してマーキング部分の表面テクスチャリング（表面性状）を制御すると同時にマーキング形状を刻印することによりマーキング形状と同時にマーキング内部の表面性状に情報を記録する新しいマーキング方法およびその装置を提供する。

製造業において製品の品質管理には各種のコードをマーキングし、製造工程から市場に出してからの追跡を可能にすることは重要な要件となっている。装飾用の表面テクスチャリング処理では発色性印刷や写真製版方法を用いて表面性状を創造することが行われる。製品への情報の記録ならびに表面装飾などでは表面が平坦形状のままで、表面からのコントラストの高い反射像が得られることは、部品表面の損傷を少なくし、刻印に伴う除去物の低減から環境の汚染も低減でき望ましい。この発明は、これらの特徴の他、さらに精密部品の表面へのメーカの製造番号やその他暗号化された情報の書き込みができる性能を備えたマーキング技術を提供する。電子工業、装飾品工業、精密時計工業などに適用してこの発明の効果が現れる。

特開平１１−３３７５２号公報 特開２００３−８０３８２号公報 特開２００３−１５１７６号公報 特開２００５−１５０２５２号公報

解決しようとする問題点は、レーザ光線を用いた物体表面へのマーキングにおいてビーム照射位置の内部に表面微細構造を形成しながらマーキングすることにより、マーキングのパターンを視認性の増加とパターン以外の情報を表面性状の制御により付加することで、マーキングに情報量の増加を図った多機能マーキングとして、視認性、表面装飾性、気密情報コード化によりマーキングの品質を向上したマーキング方法および装置を提供する。

本発明によれば、レーザ発振器から放出された超短パルス高ピーク出力の偏光、パワー、波長などのパルスレーザのビームパラメータを制御したレーザビームを集光し、マーキング対象物に照射する。この場合照射条件として、パルス幅１００ｐｓ以下、波長１．１μｍ以下、エネルギーフルエンス０．０１〜１０Ｊ／ｃｍ^２の条件で集光し、金属、ガラス、セラミックス、ポリマー等の表面を有する対象物体に照射し、レーザビームの作用によって周期的な規則的表面形状に改質する場所的なパターンを形成する、周期的な凹凸形成における溝の深さは１μｍ以下の周期構造であり、この周期構造を持ったパターンをレーザビームと対象物体表面の相対位置を変位して形成する。この走査パターン形状内に超短パルスによる微細な周期構造の表面性状を付与することにより、光の回折反射作用により視認、装飾性、さらには微細構造の方向性、特異パターンの付与により、マーキングとして従来の刻印方法では実現できない新たな機能性を加えることでレーザマーキングの価値を向上させる方法とその装置を提供する。

本発明のレーザマーキング技術において、超短パルスはモード同期レーザ発振器からの出力を所定のエネルギーまで増幅し、そのパルスを必要に応じてパワーレベルの調整、直線偏光方向の制御、直線偏光と楕円偏光の制御などを対象物体表面へのレーザビーム走査と同期して制御し、レーザ走査ビームの照射位置に応じたレーザパラメータの制御を行い、走査パターン内の位置に応じた表面周期構造を形成する。このことで、表面に周期的な縞模様を回折格子状に形成し、人間が或る特別な角度からみると照明光の反射光や、自然光の反射光が分光されて着色パターンとなって視認される。さらにパターン自体は肉眼で観察、認識可能である程度に大きさを設定できるが、パターン内部の微細構造は顕微鏡などの拡大観察手段を用いて必要な場合には確認することになる。このことは、マーキングを肉眼で観察して認識すること以外に、マーキングを実施する施工主だけに特有の情報を記録できることを意味し、製造者の認識コードの偽造防止などに利用できる。さらに、時計などの文字盤にこの微細周期構造でパターンを窓ガラス越しに施せば、ホログラフィックな多色反射特性を有するマーキングを有する文字板等が製造できるので装飾性に有利なマーキング方法として附加価値を高めることができる。

以下、発明の実施形態を示す。

図１は、この発明の１実施例を示す微細な周期構造をマーキングパターン内に付与するレーザマーキング装置の実施例である。図２は、マーキングパターンの一部の機能を説明する図である。

超短パルスレーザ発振器１から放出された超短パルスレーザビーム２は、波長変換ユニット３を通過することにより、必要に応じて波長変換される、波長変換方法には周知の光パラメトリック波長変換や非線形光学結晶を用いた第２、第３高調波に変換する波長変換ユニット３が光路内に設置され、必要に応じて入射した超短パルスレーザビーム２と同じ波長のままで出力ビーム４とするか、第２、第３高調波のパルスビームで放出される出力ビーム４、又は任意の光パラメトリック波長変換の出力ビーム４で放出される。これらの波長変換ユニット３は変換目的別に個別に設置し、必要に応じて変換用の超短パルスレーザビーム２を波長変換ユニット３に導く構成、又は一部ユニットを併用する構成でもよい。これらのユニットの切り替え制御はシステム制御部２１からの指令５０により実施される。出力ビーム４は、更に偏光制御ユニット５において、直線偏光の偏光方向が所定の方向、例えば垂直方向又は水平方向又は任意の方向、更に楕円偏光等の偏光特性を有するレーザビーム８に制御される。偏光方向の切り替えは、偏光駆動制御部６から周知の半波長板や１／４波長板の着脱やポッケルスセルなどの電気光学素子への電圧印加などの指令７の伝達によって実施ができる。また、システム制御部２１からは偏光方向切換指令２３を偏光駆動制御部６に送る。レーザの出力エネルギーのフルエンスを制御する手段は（図示無し）、周知のレーザ発振器又はパワー増幅器の励起パワーを制御する方法、又は発振ビームの光路に各種減衰器を設置する手段を用いることができる。

レーザビームの特性パラメータの制御されたレーザビーム８は、所定のマーキングパターンで対象物体１６の表面に照射するため、偏向ビームスキャナユニット９にて偏向される。偏向ビームスキャナユニット９の内部には少なくとも１個の偏向ミラー１１、さらには１２を内蔵し、これらのミラーはシステム制御部２１からのマーキングパターンの指令２２によって角度制御される。偏向ビームスキャナユニット９によって所定のパターンに相当する偏向方向に走査されたレーザビーム１３は、ｆθレンズからなるような集光レンズ１０に導かれ、収束レーザビーム１４として集光部１５が対象物体１６の表面に形成される。また対象物体１６が透明材料の場合には表面だけでなく内部に集光部１５を設置することで、内部に表面ナノ周期微細構造を形成する。対象物体１６はＸ−Ｙテーブル１７上に設置される。Ｘ−Ｙテーブル１７はＸ−Ｙテーブル駆動制御部１８からの指令１９により、マーキング位置に対象物がマーキング時に置かれるように位置決めされる。またＸ−Ｙテーブル駆動制御部１８はシステム制御部２１からの指令２４によって制御される。

上記の実施例において対象物体１６は金属、ガラス、セラミックス、ポリマー等の表面である。表面のレーザビームの条件が、パルス幅が１００ｐｓ以下、波長１．１μm以下において０．０１から１０Ｊ／ｃｍ^２のフルエンスの超短パルスレーザ光の照射条件では周期が１μｍ以下の周期構造が形成される。材料、波長、パルス幅、そしてレーザビームの偏光特性でもマーキング部分の性質が変化するが上記のフルエンスとパルス幅で１μｍ以下の周期構造の表面性状がマーキングパターンの内部にパターン形成と同時に記録できる。

図２に、拡大し、誇大表示して示した表面性状特性例を説明のために示す。対象物体２６にＣｙｂｅｒの文字などのマーキングパターン２５をマーキングする場合、レーザビーム８の波長、出力、偏光、偏向ビームスキャナユニット９によるレーザビーム１３の集光レンズ（ｆθレンズ）１０に入射する角度を制御して対象物体１６表面の位置に集光点１５を形成しながら走査してＣｙｂｅｒの文字をマーキングする。この場合、レーザビーム８の偏光が垂直方向に直線偏光している場合は、対象物体１６には偏光方向と直交方向に溝の周期構造２７が形成される。ピッチ５１が１μｍ以下の微細周期構造が形成できる。偏光方向を垂直方向から水平方向に切り替えて照射すると、９０度周期方向が切り替わった微細周期構造２８が得られる。楕円偏光の場合は直線偏光照射条件におけるような整然とした縞状の微細周期構造は発生しないで不規則パターンとなる。このように微細構造が偏光形態で変化する、このマーキングパターン２５に白色光３０を照射するとマーキングパターンの周期構造２７から回折作用による着色した反射光３１，３２，３３が方向を変えると変色して観察できる。この場合、文字毎に直線偏光方向を切り替えてマーキングすると文字ごとに着色状態が変わって視認される。一部に楕円偏光による文字を混入してマーキングパターン２９を構成すると、視認性に変化を加えたパターンマーキングができる。

レーザビーム８の波長を変えて周期構造を対象物体１６表面に形成すると、周期構造のピッチ５１が変化する。従って波長を変化したマーキングパターン２５を形成するとパターンからの反射光の観察において観察方向が同じ場合なら別な着色によるパターンが観察できる。

レーザマーキングの別実施例の構成として、遮光パターンマスクを用いる方法を示す。偏光制御したレーザビームを反射ミラーと集光レンズにより集光する点は前記の実施例と同様である。収束ビームの光路に透過開口を有する遮光パターンマスクを設置し、遮光パターンマスクの透過開口を通過するレーザビームの集光部が対象物体に形成され、微細周期構造を透過開口パターンに応じて形成する。遮光パターンマスクの透過開口していない部分である遮光パターンはマーキングされない部分としてそのままの表面状態で残る。結果的に対象物体の上に微細表面周期構造を有するパターンを有するマーキングが実現できる。

本発明の活用例として、上記の実施例に示したように装飾用の文字マーキング等の着色パターンとして用いることが可能である。各種ロゴマークをマーキングし、製品の認証マークとして偽造品の識別マーキングに製造者特有のパターン内部の表面性状を付与してマーキングすることで真偽を容易にマーキングによって判定可能になる。パターンは単純な外形のマーキングの場合でも、その内部の表面性状が特有の微細周期構造を有するようなマーキングにより特定情報の認証に用いることも可能である。

この発明による微細周期構造を用いたレーザマーキング方法を実施する装置構成の例を示す図。 レーザマーキングによる微細表面性状をマーキングパターン内に形成した場合の表面性状と光反射着色性の説明図

符号の説明

１：超短パルスレーザ発振器
２：超短パルスレーザビーム
３：波長変換ユニット
４：出力ビーム
５：偏光制御ユニット
６：偏光駆動制御部
８：レーザビーム
９：偏向ビームスキャナユニット
１０：集光レンズ（ｆθレンズ）
１１，１２：偏向ミラー
１３：走査されたレーザビーム
１４：収束レーザビーム
１６，２６，３７：対象物体
１７：Ｘ−Ｙテーブル
１８：Ｘ−Ｙテーブル駆動制御部
２１：システム制御部
２５，２９：マーキングパターン
２７，２８：直線偏光による微細表面周期構造
３０：白色光
３１，３２，３３：反射光
２２，２３，２４，５０：指令

Claims (14)

1. 物体表面にレーザ光を照射し表面を改変して図形、文字などのマーキングパターンをマークするレーザマーキング装置において、上記パターン内部が超短パルス照射による周期が１μｍ以下の周期構造を形成した表面ナノ周期微細構造とするレーザマーキング装置。
2. マーキングパターン内の表面ナノ周期微細構造の形成において超短パルスのレーザ光の偏光方向を制御し、場所またはマーキングの種類に応じて表面ナノ周期微細構造の周期構造の周期発生方向を制御可能にした請求項１記載のレーザマーキング装置。
3. マーキングパターン内部の表面ナノ周期微細構造の形成において超短パルスのレーザ光の波長を制御し、場所またはマーキングの種類に応じて表面ナノ周期微細構造の間隔を制御可能にした請求項１記載のレーザマーキング装置。
4. マーキングパターン内の表面ナノ周期微細構造の形成において超短パルスのレーザ光のパルス幅を制御し、マーキング場所またはマーキングの種類に応じて表面ナノ周期微細構造の周期又は表面の断面形状を制御可能にした請求項１記載のレーザマーキング装置。
5. マーキングパターン内の表面ナノ周期微細構造の形成において超短パルスのレーザ光のパルス幅が１００ｐｓ以下、波長１．１μm以下において０．０１から１０Ｊ／ｃｍ^２のフルエンスで超短パルスレーザ光を照射する請求項１記載のレーザマーキング装置。
6. マーキングを行う対象物の材料は金属、ガラス、セラミック、ポリマーなどの表面にマーキングを施す請求項１記載のレーザマーキング装置。
7. ガラスなどの透明材料の内部にマーキングを施す請求項１記載のレーザマーキング装置。
8. 物体表面にレーザ光を照射し表面を改変して図形、文字などのマーキングパターンをマークするレーザマーキング方法において、上記パターン内部が超短パルス照射による周期が１μｍ以下の周期構造を形成した表面ナノ周期微細構造とするレーザマーキング方法。
9. マーキングパターン内の表面ナノ周期微細構造の形成において超短パルスのレーザ光の偏光方向を制御し、場所またはマーキングの種類に応じて表面ナノ周期微細構造の周期構造の周期発生方向を制御可能にした請求項８記載のレーザマーキング方法。
10. マーキングパターン内部の表面ナノ周期微細構造の形成において超短パルスのレーザ光の波長を制御し、場所またはマーキングの種類に応じて表面ナノ周期微細構造の間隔を制御可能にした請求項８記載のレーザマーキング方法。
11. マーキングパターン内の表面ナノ周期微細構造の形成において超短パルスのレーザ光のパルス幅を制御し、マーキング場所またはマーキングの種類に応じて表面ナノ周期微細構造の周期又は表面の断面形状を制御可能にした請求項８記載のレーザマーキング方法。
12. マーキングパターン内の表面ナノ周期微細構造の形成において超短パルスのレーザ光のパルス幅が１００ｐｓ以下、波長１．１μm以下において０．０１から１０Ｊ／ｃｍ^２のフルエンスで超短パルスレーザ光を照射する請求項８記載のレーザマーキング方法。
13. マーキングを行う対象物の材料は金属、ガラス、セラミック、ポリマーなどの表面にマーキングを施す請求項８記載のレーザマーキング方法。
14. ガラスなどの透明材料の内部にマーキングを施す請求項８記載のレーザマーキング方法。

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