JP2010064144A - レーザマーキング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】加工速度が大きい場合であってもマーキングの濃淡を変化させることができるレーザマーキング方法を提供する。
【解決手段】当該レーザマーキング方法は、直接変調されたパルス光を出力する半導体レーザを種光源として使用したＭＯＰＡ構造のパルス光源１から発振されるパルス光をマーキング対象物６に照射することで、マーキング対象物６にマーキングパターンを形成していく。その際、形成されるべきマーキングパターンの濃淡レベルを変化させるため、パルス光のパルス幅が変更される。このように、パルス幅を変更することにより、パルス光のピークパワーが変わるため、加工速度を変更することなくマーキングパターンの濃淡レベルを積極的に変化させることが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルスレーザ光照射により対象物表面にマーキングを形成するためのレーザマーキング方法に関する。
レーザ加工の用途のひとつとして、パルス光源から出射されるレーザ光をマーキング対象物に照射するレーザマーキングがある。レーザマーキングは、様々な素材に対して、非接触でしかも精密な印字を行うことができるため、樹脂やガラス等からなる工業製品等に対して幅広く使用されている。例えば、このようなレーザマーキング方法の例が、以下の特許文献１に開示されている。
特表２００３−５１０４１６号公報
発明者らは上述の従来のレーザマーキング方法について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、特許文献１に開示された従来のレーザマーキング方法は、炭化、昇華、変色、発泡および彫刻によるレーザマーキングを可能にするが、そのマーキング表現のバリエーションについては何ら考慮されていなかった。そこで発明者らは、レーザマーキングによる表現のバリエーションを広げる方法のひとつとして、マーキング対象物に形成されるべきマーキングパターンの濃淡レベルを変化させるという方法を提案する。
ただし、マーキングパターンの濃淡レベルを変化させるためには、パルス光パワーのピーク値を変化させることが必要である。一方、上述のように工業製品等をマーキング対象とする際には、できるだけ高速にレーザマーキングを行うことが望まれる。
パルス光源のパルス光によるレーザマーキングにおいて、マーキング速度（単位時間中にマーキング対象物に形成されるマーキングパターンの長さで規定、以下、加工速度という）を上げる方法としては、マーキング対象物に対するパルス光の相対移動速度を上昇させる方法や、パルス発振周波数を高くする方法等が挙げられる。しかしながら、マーキング対象物に対するパルス光の相対移動速度を上昇させた場合、パルス発振周波数が十分に高くないと、マーキング対象物に対して点状にマーキングされてしまう。一方、パルス発振周波数を高くすると平均出力が低下してしまい、パルスエネルギーやピーク値が低下してしまう。そして、ピーク値の上昇を目的に平均出力を向上させることもできるが、熱影響による発色不良等の懸念が生じる。このように、レーザマーキングの加工速度が大きい状態でピーク値を制御するのは困難であり、マーキングの濃淡レベルを変化させることは困難であった。
本発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、レーザマーキングの加工速度が大きい場合であっても、マーキング対象物に形成されるべきマーキングパターンの濃淡レベルを変化させることを可能にするレーザマーキング方法を提供することを目的としている。
本発明は、直接変調されてパルス光を出力する半導体レーザを種光源として使用したＭＯＰＡ（Master Oscillator and Power Amplifier）構造のパルス光源から発振されるパルス光をマーキング対象物に照射することで、マーキング対象物にマーキングパターンを形成していくレーザマーキング方法に関する。特に、上記目的を達成するため、当該レーザマーキング方法では、パルス光源から出力されるパルス光のパルス幅を変更することにより、マーキング対象物に形成されるべきマーキングパターンの濃淡レベルを変化させる。
本発明に係るレーザマーキング方法によれば、上述のようにマーキング対象物に形成されるべきマーキングパターンの濃淡レベルを、パルス幅を積極的に変更することにより変化させる。このようにパルス幅を変更することでパルス光のピーク値が変更される。したがって、加工速度を変化させることなく、マーキングパターンの濃淡レベルを変化させることが可能になる。また、ＭＯＰＡ構造のパルス光源を用いることで、より高い繰返し周波数や、パルス幅の短縮化、及びパルス光パワーのピーク値上昇を実現することができる。そのため、マーキング対象物に対するパルス光の相対移動速度が高い場合であっても、このマーキング対象物に形成されるべきマーキングパターンの濃淡レベルの任意に設定できる。
なお、本発明に係るレーザマーキング方法において、パルス幅の変更は、パルス光源から出力されるパルス光の繰り返し周波数に対応して行われる。さらに、この繰り返し周波数だけでなく、マーキング対象物に対するパルス光の相対移動速度と繰り返し周波数の組み合わせに対応して、パルス幅の変更が行われてもよい。この場合、相対移動速度と繰返し周波数の組合せに応じて、より好適なパルス幅を選択することができるため、加工速度が大きい場合であっても、より確実にマーキングパターンの濃淡レベルを変化させることが可能になる。
また、本発明に係るレーザマーキング方法によるレーザマーキング（マーキング対象物に所望のマーキングパターンを形成）には、種々の態様がある。
例えば、レーザマーキングの第1の態様は、第１のパルス幅のパルス光によってマーキング対象物の表面を線状に加工し、そして、マーキング対象物の表面上であって第１のパルス幅のパルス光により加工された線上を、第１のパルス幅とは異なるパルス幅である第２のパルス幅のパルス光によって更に加工する。この場合、異なるパルス幅のパルス光によって同一線上を加工することにより、線状のマーキングパターンの濃淡レベルを任意に設定することが可能になる。
また、レーザマーキングの第２の態様は、第１のパルス幅のパルス光によってマーキング対象物の表面を線状に加工し、そして、マーキング対象物の表面上であって第１のパルス幅のパルス光により加工された線の近傍を、第１のパルス幅とは異なるパルス幅である第２のパルス幅のパルス光によって更に加工する。この場合、濃淡レベルの異なる複数のマーキングパターンをマーキング対象物の表面全体に形成することが可能になる。
さらに、レーザマーキングの第３の態様は、マーキングパターンとして、マーキング対象物の表面上に二次元の模様を作成する。具体的にこの第３の態様は、第１のパルス幅のパルス光による線状の加工を複数回行うことによりマーキング対象物の表面上に第１のマーキングエリアを作成し、そして、第１のマーキングエリアとは異なるマーキング対象物の表面上の領域に対して第１のパルス幅とは異なるパルス幅である第２のパルス幅のパルス光による線状の加工を複数回行うことにより第２のマーキングエリアを更に作成する。
本発明に係るレーザマーキング方法によれば、加工速度が大きい場合であってもマーキング対象物に形成されるマーキングターンパーの濃淡レベルを任意に調節することが可能になる。
本発明に係るレーザマーキング方法の一実施形態を実施するためのレーザ加工装置の一構成例を示す図である。 図１に示すレーザ加工装置におけるパルス光源の一構成例を示す図である。 パルス光源よりパルス光を出射した際のビーム断面を示す図である。 パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ）。 パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ）。 パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ）。 パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：１００ｋＨｚ）。 パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ）。 パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ）。 パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ）。 パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：１００ｋＨｚ）。 図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ）。 図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ）。 図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ）。 図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：１００ｋＨｚ）。 図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ）。 図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ）。 図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ）。 図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：１００ｋＨｚ）。 レーザマーキングの加工速度：１１４０ｍｍ／ｓ、パルス光の平均出力：２．５Ｗ、パルス光の繰返し周波数：１ＭＨｚの条件において、パルス幅を変更した場合のマーキングパターンの濃淡レベルの変化を説明するための図である。 本実施形態に係るレーザマーキング方法を用いた第１の加工例を説明するための図である。 本実施形態に係るレーザマーキング方法を用いた第２の加工例を説明するための図である。 本実施形態に係るレーザマーキング方法を用いた第３の加工例を説明するための図である。
以下、本発明に係るレーザマーキング方法の実施形態を、図１〜図２３を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
まず、本発明に係るレーザマーキング方法の一実施形態を実施するためのレーザ加工装置の一構成例を、図１を参照しながら説明する。
すなわち、図１に示すレーザ加工装置１００は、パルス光源１と、コリメータ２と、ビームエキスパンダ３と、ガルバノスキャナ４と、ｆθレンズ５とにより構成される。レーザ加工装置１００から出力されるパルス光がマーキング対象物６に照射されることにより、マーキング対象物６の表面が加工される（マーキング対象物６の表面に所望のマーキングパターンが形成される）。
パルス光源１は、レーザ光をパルス発振する光源である。このパルス光源１は、レーザマーキングに好適である波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を出力する。また、パルス光源１の最大出力は約１０Ｗである。さらに、パルス光の繰り返し周波数は５０ｋＨｚから１ＭＨｚまで可変であり、パルス幅（ピークパワーに対する半値幅）は、９〜１２ｎｓ又は０．４〜０．６ｎｓに調整することができる。
コリメータ２は、パルス光源１から出力されたパルス光を入力し、平行光としてビームエキスパンダ３へ向けて出力する。ビームエキスパンダ３は、コリメータ２から出力されたパルス光を入力し、そのビーム径を拡大した後、ガルバノスキャナ４へ向けて出力する。ガルバノスキャナ４は、ビームエキスパンダ３から出力されたパルス光を反射し、マーキング対象物６が配置された方向へ出力する。その際、ガルバノスキャナ４は、マーキング対象物６に対してパルス光を走査させる。また、ｆθレンズ５は、ガルバノスキャナ４から出力されたパルス光を、マーキング対象物６の表面へ垂直に集光させる。
なお、レーザ加工装置１００は、上述のようにガルバノスキャナ４を利用することにより、パルス光に対するマーキング対象物６の相対的に移動させる構造を備えるが、パルス光の照射位置を固定した状態でマーキング対象物６自体を移動させる構成を備えてもよい。
次に、レーザ加工装置１００の一部を構成するパルス光源１の構成を、図２を参照しながら説明する。なお、図２は、図１のレーザ加工装置１００を構成するパルス光源１の一構成例を示す図である。この図２に示すパルス光源１は、種光源１０、ＹｂＤＦ（Yb-Doped Fiber）２０、可変バンドパスフィルタ３０、ＹｂＤＦ４０およびＹｂＤＦ５０等を備えていて、ＭＯＰＡ構造を有している。
種光源１０は、直接変調されてパルス光を出力する半導体レーザを含む。この半導体レーザは、ハイパワー化の観点から、また、誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）などの非線形効果を避ける観点から、ファブリーペロ型の半導体レーザが好適である。また、この半導体レーザは、増幅用光ファイバであるＹｂＤＦ２０、４０、５０が利得を有する波長１０６０ｎｍ付近のパルス光を出力する。ＹｂＤＦ２０、４０、５０は、石英ガラスを主成分とする光ファイバのコアに活性物質としてＹｂ元素が添加された構造を有する。このような構成は、励起光波長と被増幅光波長とが互いに近くパワー変換効率的の観点から有利であり、また、波長１０６０ｎｍ付近において高い利得を有する観点から有利である。これらＹｂＤＦ２０、４０、５０は、３段の光ファイバ増幅器を構成している。
第１段のＹｂＤＦ２０には、励起光源２２から出力された励起光が光カプラ２１を介して順方向に供給される。そして、ＹｂＤＦ２０は、光アイソレータ２３および光カプラ２１を通過した種光源１０からのパルス光を入力し、このパルス光を増幅し、そして、増幅されたパルス光を光アイソレータ２４を介して出力する。
可変バンドパスフィルタ３０は、第１段のＹｂＤＦ２０により増幅されたパルス光を入力し、その入力パルス光の波長帯域のうちの短波長側および長波長側の一方を他方より減衰させる。なお、本実施形態に係るレーザマーキング方法では、この可変バンドパスフィルタ３０を調節することによりパルス光のパルス幅を変更する。なお、パルス幅の変更は、種光源１０を直接変調するための変調器（図示せず）に対して予め設定するか、あるいはこの変調器を調節することによっても可能である。
第２段のＹｂＤＦ４０には、励起光源４２から出力された励起光が光カプラ４１を介して順方向に供給される。そして、可変バンドパスフィルタ３０から出力されたパルス光は、光アイソレータ４３および光カプラ４１を経てＹｂＤＦ４０に入力される。ＹｂＤＦ４０は、このパルス光を増幅し、光アイソレータ４４を介して増幅されたパルス光を出力する。第３段のＹｂＤＦ５０には、励起光源５２〜５５それぞれから出力さたた励起光がコンバイナ５１を介して順方向に供給される。そして、第２段のＹｂＤＦ４０により増幅されたパルス光がＹｂＤＦ５０に入力される。ＹｂＤＦ５０は、このパルス光を更に増幅し、エンドキャップ６０を介して外部へ出力する。
上述のような構造を有するパルス光源から出射されたパルス光は、図１に示すように、コリメータ２に入力される。コリメータ２は、パルス光源１から出力されたパルス光をコリメートする。そして、コリメータ２から出力されたパルス光は、ビームエキスパンダ３に入力され、ビーム径が拡大されたパルス光がビームエキスパンダ３から出力される。ビームエキスパンダ３から出力されたパルス光は、ガルバノスキャナ４に入力される。そして、ガルバノスキャナ４で反射されたパルス光は、ｆθレンズ５により集光され、マーキング対象物６の表面に到達する。
なお、上記のレーザ加工装置１００の好適な構成例としては以下の通りである。ビームエキスパンダ３によるビーム径の拡大率（倍率）は８倍であり、ガルバノスキャナ４は、光の照射位置をマーキング対象物３０が配置される平面に対して平行な２軸に対して可動な構成である。
また、図２に示すパルス光源１の好適な構成例としては以下の通りである。第１段のＹｂＤＦ２０には、コア励起方式で、励起波長９７５ｎｍでパワー２００ｍＷ一定の励起光が順方向に注入される。また、使用されるＹｂＤＦ２０は、波長９７５ｎｍの非飽和吸収係数が２４０ｄＢ／ｍであり、その長さが５ｍである。ＹｂＤＦ２０のコア径は７μｍであり、ＮＡは０．１２程度である。第２段のＹｂＤＦ４０には、コア励起方式で、励起波長９７５ｎｍでパワー２００ｍＷ一定の励起光が順方向に注入される。使用されるＹｂＤＦ４０は、波長９７５ｎｍの非飽和吸収係数が２４０ｄＢ／ｍであり、その長さが８ｍである。ＹｂＤＦ４０のコア径は６μｍであり、ＮＡは０．１２程度である。第３段のＹｂＤＦ５０には、クラッド励起方式で、励起波長９７５ｎｍでパワー２０Ｗ（５Ｗ級の励起ＬＤを４個）が順方向に注入される。使用されるＹｂＤＦ５０は、コア部分の非飽和吸収係数が１２００ｄＢ／ｍであり、その長さが５ｍである。ＹｂＤＦ５０のコア径は１０μｍであり、ＮＡは０．０６程度である。ＹｂＤＦ５０の内クラッドは、直径が１２５μｍであり、ＮＡが０．４６程度である。
ここで、上述のような構造を有するパルス光源１からパルス光を出射した際のビームの断面図を図３に示す。特に、図３（ａ）は、パルス幅が９〜１２ｎｓの場合の一例としてパルス幅１０ｎｓのパルス光のビーム断面図であり、図３（ｂ）はパルス幅が０．４〜０．６ｎｓの場合の一例として、パルス幅０．６ｎｓのパルス光のビームの断面図である。図３（ａ）に示すパルス光（パルス幅１０ｎｓ）のビーム径は、ｘ方向（図３（ａ）における横方向）が６１９．７５μｍであり、ｙ方向（図３（ａ）における縦方向）が６２６．４５μｍであり、ｘ／ｙが０．９９である。一方、図３（ｂ）に示すパルス光（パルス幅０．６ｎｓ）のビーム径は、ｘ方向（図３（ｂ）における横方向）が７１０．２０μｍであり、ｙ方向（図３（ｂ）における縦方向）が６８０．０５μｍであり、ｘ／ｙが１．０４である。
図４〜図１１は、パルス光源１がパルス光を発振した場合のパルス波形を測定した図である。
具体的には、図４は、パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ）。図５は、パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ）。図６は、パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ）。図７は、パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：１００ｋＨｚ）。図８は、パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ）。図９は、パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ）。図１０は、パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ）。図１１は、パルス光源がパルス光を発振した場合におけるパルス波形の測定結果を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：１００ｋＨｚ）。
また、図４〜図１１の各図に示す（ａ）は、平均出力１０Ｗのパルス波形の測定結果を示す。図４〜図１１の各図に示す（ｂ）は、平均出力５．０Ｗのパルス波形の測定結果を示す。図４〜図１１の各図に示す（ｃ）は、平均出力２．５Ｗのパルス波形の測定結果を示す。図４〜図１１の各図に示す（ｄ）は、平均出力１．０Ｗのパルス波形の測定結果を示す。
図４〜図１１に示すように、平均出力及び繰返し周波数を変更することなく、パルス幅を変更した場合（例えば図４（ａ）と図８（ａ）とが当該条件に合致する）、パルス幅を小さくすることにより、大きいピークパワーを有するパルス光が出力されることが確認できる。
図１２〜図１９は、レーザ加工装置１００を用いてマーキング対象物６にパルス光を照射することによりマーキング加工を行った際のマーキング対象物６の加工表面を示す図である。なお、マーキング対象物６として、厚さ３ｍｍの黒色ポリカーボネート板材を使用し、ガルバノスキャナ４による掃引速度を変更することによってマーキング対象物６に対するパルス光の相対移動速度を変化させた。
具体的に、図１２は、図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ）。図１３は、図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ）。図１４は、図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ）。図１５は、図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：９〜１２ｎｓ、繰り返し周波数：１００ｋＨｚ）。図１６は、図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ）。図１７は、図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ）。図１８は、図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：２５０ｋＨｚ）。図１９は、図１のレーザ加工装置を用いてマーキング対象物にパルス光を照射するレーザマーキングの際のマーキング対象物の加工表面を示す図である（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ、繰り返し周波数：１００ｋＨｚ）。
また、図１２〜図１９の各図に示す（ａ）において、照射されるパルス光の平均出力は１０Ｗである。図１２〜図１９の各図に示す（ｂ）において、照射されるパルス光の平均出力は５．０Ｗである。図１２〜図１９の各図に示す（ｃ）において、照射されるパルス光の平均出力は２．５Ｗである。
なお、パルス光の平均出力を１．０Ｗとした場合、出力が不十分であり、マーキング対象物の表面を加工することができなかった。また、図１２〜図１９の各図には、それぞれマーキング速度（加工速度）を４段階変更した場合の加工表面が示されている。パルス光のマーキング速度は、各図の上段から、１１４００ｍｍ／ｓ、５７００ｍｍ／ｓ、２８５０ｍｍ／ｓ、１１４０ｍｍ／ｓであり、パルス光を片道１回のみ照射してマーキング加工を行った。
この結果、図１２〜図１５（パルス幅：９〜１２ｎｓ）と図１６〜図１９（パルス幅：０．４〜０．６ｎｓ）とを比較すると、パルス幅を短くすることにより、より濃いマーキングパターンを形成できることが確認された。具体的には、マーキング速度１１４０ｍｍ／ｓ、平均出力２．５Ｗ、繰返し周波数１ＭＨｚの条件において、パルス幅９〜１２ｎｓの場合（図１２（ｃ））では、マーキングパターンを視認することができなかったが、パルス幅０．４〜０．６ｎｓの場合（図１６（ｃ））では、マーキングパターンを十分視認することができた。このように、パルス幅の変更によって、マーキングパターンの濃度レベルを変更できることが確認された。
図２０は、マーキング速度１１４０ｍｍ／ｓ、平均出力２．５Ｗ、繰返し周波数１ＭＨｚの条件において、パルス幅を変更した場合のマーキングパターンの濃淡レベルの変化を示す図である。なお、図２０に示す例では、パルス幅を０．６ｎｓとして上記条件で、ポリカーボネート板材（マーキング対象物６）の表面をＸ軸方向に加工する一方、パルス幅を１０ｎｓとした以外はパルス幅０．６ｎｓの場合と同様の上記条件で、ポリカーボネート板材の表面をＹ軸方向に加工している。図２０に示すように、ポリカーボネート板材表面において、Ｘ軸方向（パルス幅０．６ｎｓ）に伸びたマーキングパターンは、幅２７μｍの発色の濃いマーキングパターンであるのに対して、Ｙ軸方向（パルス幅１０ｎｓ）に伸びたマーキングパターンは、パルス光による加工痕は確認できるものの、Ｘ軸方向の加工痕と比較して発色が淡いマーキングパターンとなった。このように、パルス幅を変更することによって、マーキング間ターンの濃淡レベルを変更することが可能であることが、上述の例により確認することができた。
ここで、上述のレーザマーキング方法を用いて、マーキング対象物に対してマーキングパターンの濃淡レベルを変更する方法について、以下具体例を示す。
図２１は、本実施形態に係るレーザマーキング方法を用いた第１の加工例を説明するための図である。この第１の加工例では、マーキング対象物６の表面に、まず第１のパルス幅（例えば、１ｎｓ以下）のパルス光を線Ｌ１に沿って照射する（第１のマーキング加工）。この際、幅Ｗ１のマーキングパターンが形成される。続いて、マーキング対象物６の表面に、第２のパルス幅（例えば、１０ｎｓ）のパルス光を、第１のパルス幅のパルス光による第１のマーキング加工の際と同じ線Ｌ１に沿って照射する（第２のマーキング加工）。この際、幅Ｗ２のマーキングパターンが形成される。以上の第１及び第２のマーキング加工によって、線Ｌ１の両側の幅Ｗ２の領域は、２回のマーキング加工により濃いマーキングパターンが形成され、幅Ｗ２の領域の外側であり第１のパルス幅のパルス光による第１のマーキング加工が行われた領域は、第１のパルス幅のパルス光による第１のマーキング加工のみで発色する淡いマーキングパターンとなる。このように、同一線上を異なるパルス幅のパルス光によってマーキング加工を行うことにより、濃淡のある線状のマーキングパターンの形成が可能になる。
図２２は、本実施形態に係るレーザマーキング方法を用いた第２の加工例を説明するための図である。この第２の加工例では、マーキング対象物６の表面に、まず第１のパルス幅のパルス光を線Ｌ２に沿って照射することでマーキング加工を行う。続いて、線Ｌ２からＣ１方向に少し移動した位置に、第１のパルス幅よりも短い第２のパルス幅のパルス光を照射することでマーキング加工を行う。さらに、第２のパルス幅のパルス光によるマーキングよりもさらにＣ１方向に移動した位置に、第２のパルス幅よりも短い第３のパルス幅のパルス光を照射することでマーキング加工する。このように、Ｃ１方向に進むにしたがってよりパルス幅の短いパルス光を照射することにより、Ｃ１方向に進むにしたがってより濃いマーキングパターンが形成される。逆に、マーキング対象物６の表面において、第１のパルス幅よりも長い第４のパルス幅のパルス光を線Ｌ２からＣ２方向に移動した位置に照射することでマーキング加工を行った後、第４のパルス幅よりも長い第５のパルス幅のパルス光を用いて、第４のパルス幅のパルス光によるマーキングパターンよりもさらにＣ２方向に移動した位置に対してマーキング加工することにより、線Ｌ２からＣ２方向に進むにしたがってより淡いマーキングパターンが形成される。このように、パルス幅を徐々に変更させてマーキング加工を行うことで、加工対象の表面に対して濃淡のあるマーキングパターンが形成される。
図２３は、本実施形態に係るレーザマーキング方法を用いた第３の加工例を説明するための図である。この第３の加工例では、まず、マーキング対象物６の表面に、第１のパルス幅のパルス光を用いて複数回線状にマーキング加工することで、第１のパルス幅のパルス光によるマーキング領域Ｗ３を形成する。そして、第１のパルス幅とは異なる第２のパルス幅のパルス光を用いて、マーキング領域Ｗ３とは異なる領域を複数回線状にマーキング加工することで、第２のパルス幅のパルス光によるマーキング領域Ｗ４を形成する。第１のパルス幅のパルス光と第２のパルス幅のパルス光とではマーキングパターンの濃度レベルに差異が生じるので、マーキング領域Ｗ３とマーキング領域Ｗ４とでは異なる濃淡レベルのマーキング加工が可能になる。これにより、領域によって異なる濃淡レベルのマーキング加工がマーキング対象物の表面に施される。
このように、本実施形態のレーザマーキング方法によれば、パルス光のパルス幅を変更することにより、マーキング速度、平均出力及び繰返し周波数を変更することなく、マーキング対象物に形成されるべきマーキングパターンの濃淡レベルを変化させることが可能になる。そして、このようにマーキングパターンの濃淡レベルを容易に変更することができるため、マーキングの濃淡を用いた種々の加工を容易に行うことができる。
また、ＭＯＰＡ構造のパルス光源を用いることで、従来のＱスイッチ手段を用いたパルス光源と比較して高速なレーザマーキングを実現することができる。具体的には、従来のＱスイッチ手段を用いたパルス光源では、周波数の上限が２５０ｋＨｚ程度であると共に周波数を上昇させることにより平均出力が下がりパルス幅が長くなるという課題があった。また、繰り返し周波数を一定値よりも高くするとパルス光のピークパワーの低下によりマーキング加工を行うことができないという課題もあった。したがって、繰り返し周波数と平均出力に依存して決定されるレーザマーキングの速度の上限は、Ｑスイッチ手段を用いた場合、２０００ｍｍ／ｓ程度であった。一方、ＭＯＰＡ構造のパルス光源を有する図１のレーザ加工装置１００は、パルス光源の周波数の上限が１ＭＨｚ程度と高くなったことで、加工速度が２０００ｍｍ／ｓ以上の場合であってもマーキング加工を行うことができる（図１２〜図１９）。したがって、従来のＱスイッチ手段を用いたパルス光源と比較して高速なレーザマーキングを行うことができる。
また、本実施形態に係るレーザマーキング方法では、パルス幅を変更して、より濃淡レベルの高いマーキングパターンを形成することが可能になる。このため、従来のレーザマーキング方法と比較して、低出力で同じ濃淡レベルのマーキングパターンを形成することが可能になる。また、ＭＯＰＡ構造の種光源は、パルス幅や繰返し周波数の変更がＱスイッチ手段と比較して容易に行うことができるため、濃淡レベルの異なるマーキングパターン等の細かい設定変更を行いながら実施するマーキング加工についても、容易に実施することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。
１…パルス光源、２…コリメータ、３…ビームエキスパンダ、４…ガルバノスキャナ、５…ｆθレンズ、６…マーキング対象物、レーザ加工装置。

Claims (6)

  1. 直接変調されたパルス光を出力する半導体レーザを種光源として使用したＭＯＰＡ構造のパルス光源から発振されるパルス光をマーキング対象物に照射することにより、前記マーキング対象物に対してマーキングパターンを形成していくレーザマーキング方法であって、
    前記パルス光源から出力されるパルス光のパルス幅を変更することにより、前記マーキング対象物に形成されるべきマーキングパターンの濃淡レベルを変化させるレーザマーキング方法。
  2. 前記パルス幅の変更は、前記パルス光源から出力されるパルス光の繰り返し周波数に対応して行われることを特徴とする請求項１記載のレーザマーキング方法。
  3. 第１のパルス幅のパルス光によって前記マーキング対象物の表面を線状に加工した後、前記マーキング対象物の表面上であって前記第１のパルス幅のパルス光により加工された線上を、前記第１のパルス幅とは異なるパルス幅である第２のパルス幅のパルス光によって更に加工することにより、
    前記マーキング対象物の表面上に前記マーキングパターンを形成することを特徴とする請求項１記載のレーザマーキング方法。
  4. 第１のパルス幅のパルス光によって前記マーキング対象物の表面を線状に加工した後、前記マーキング対象物の表面上であって前記第１のパルス幅のパルス光により加工された線の近傍を、前記第１のパルス幅とは異なるパルス幅である第２のパルス幅のパルス光によって更に加工することにより、
    前記マーキング対象物の表面に前記マーキングパターンを形成することを特徴とする請求項１記載のレーザマーキング方法。
  5. 第１のパルス幅のパルス光による線状の加工を複数回行うことにより前記マーキング対象物の表面上に第１のマーキングエリアを作成した後、第１のマーキングエリアとは異なる前記マーキング対象物の表面上の領域に対して前記第１のパルス幅とは異なるパルス幅である第２のパルス幅のパルス光による線状の加工を複数回行うことにより第２のマーキングエリアを更に作成することにより、
    前記マーキングパターンとして、前記マーキング対象物の表面上に二次元の模様を作成することを特徴とする請求項１記載のレーザマーキング方法。
  6. 前記パルス幅の変更は、前記マーキング対象物に対する前記パルス光の相対移動速度と前記繰返し周波数の組合せに対応して行われることを特長とする請求項２記載のレーザマーキング方法。
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