JP4159738B2

JP4159738B2 - ビームスキャン式レーザマーキング装置

Info

Publication number: JP4159738B2
Application number: JP2000338848A
Authority: JP
Inventors: 昭彦宗田; 隆輔小村; 貞一郎千葉
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2020-11-07
Also published as: US20020057481A1; JP2002144054A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス励起レーザ光を走査させて、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。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ＣＷ励起Ｑスイッチパルス発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。
【０００３】
図５は、例えば特開平８−１５０４８４号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。
【０００４】
ところで、近年、例えば特開平４−１３７７４４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２０００−２２３３８２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。
【０００５】
しかして、ビームスキャン式レーザマーキ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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図３は、従来の収束レ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５ｘ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。
【０００７】
第１スキャンミラー５ｘの回転軸上に前記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ｆθ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。
【０００８】
この結像面上における光軸から結像位置までの距離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。
【０００９】
従って、第１スキャンミラーの振り角θに僅かな変動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’・（２δθ））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。
【００１０】
従って、前記ｆθレンズ６の前側焦点位置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。
【００１１】
こうしたずれの現象は、比較的大きな形態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。
【００１２】
これに対して、既述したような微小なドッ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。
【００１３】
一般に、ガルバノメータにおける性能は、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３０μｒａｄ程度が生じている。
【００１４】
一方、ｆθレンズの入射側には２軸に振ら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^-3ｍｍ＝１．８μｍ
となる。
【００１５】
いま、仮に既述したようにドット径が５μｍ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（１．８μｍ）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。
【００１６】
また、仮に上記特開平４−１３７７４４号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。
【００１７】
本発明の目的は、特に極めて微小なドット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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、スキャンミラーと、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。
【００１９】
結像面における結像のずれ量δｈは、上述のごとく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。
【００２０】
しかるに、既述したとおりこの種のレーザ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。
【００２１】
上記目的は請求項１に係る発明によ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なり、前記収束レンズ系の前記第１スキャンミラーから最も遠くに配されるｆθレンズの後側焦点位置をマーキング面に合致させてなり、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している。
【００２２】
レーザ発振器から出射されるレーザ光は、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ｆθ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。
【００２３】
この場合、前記第１ｆθレンズの前側焦点距離は第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。
【００２４】
いま、この第２中間像のずれ量δｈ２が、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。
【００２５】
これらの第１〜第５〜第ｎの順で配される複数の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。
【００２６】
請求項１に係る発明は、既述したとおり、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も特徴の一つとしている。
【００２７】
第１スキャンミラーは、同ミラーに対向し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。
【００２８】
本発明は、こうした刻印面におけるデフォ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。
【００２９】
この入射光は同ｆθレンズを通って再び平行光として第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。
【００３０】
【発明の実施形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面を参照して具体的に説明する。
図１は本発明の基本構成である第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。
【００３１】
同図において、第１スキャンミラー５ｘの結像側には、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。
【００３２】
前記第１〜第３のｆθレンズ６〜８が、本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。
【００３３】
本実施形態では、前記第１及び第２ｆθレンズ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。
【００３４】
いま、図示せぬレーザ発振器から出射され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Ａ１）し、その結像点から第２ｆθレンズ７へと入射する。
【００３５】
このときの中間像Ａ１の光軸上からのずれ量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。
【００３６】
このときの最終像Ａ２の結像位置からの光軸に対するずれ量δｈ２は、（ｆｂ’３／ｆｂ２）・ｆｂ’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／ｆｂ２だけ縮小したことになる。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、第１スキャンミラー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。
【００３８】
図２は本発明の代表的な全体の構成例を示している。この構成例によれば、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，５ｙの振り角θ１，θ２のずれ量が拡大する。
【００３９】
このため、本実施形態では、図２に示すように第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。
【００４０】
以上の説明からも明らかなように、本発明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。
【００４１】
その結果、第１ｆθレンズにより最初に生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。
【００４２】
また、第１及び第２スキャンミラーの配置のずれや、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。
【００４３】
以上は、本発明の典型的な実施の形態を説明したものであり、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のビームスキャン式レーザマーキング装置における代表的な基本構成例となる収束光学系の概略構成とその機能の説明図である。
【図２】その全体構成例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。
【図３】従来の同収束光学系の概略構成とその第１スキ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。
【図４】同じく従来の収束光学系の第１スキャンミラーの配置ずれによる影響を示す機能説明図である。
【図５】一般の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す説明図である。
【符号の説明】
１レーザ発振器
２超音波Ｑスィッチ
３駆動回路
４制御装置
４ｘ第１ガルバノメータ
４ｙ第２ガルバノメータ
５ｘ第１スキャンミラー
５ｙ第２スキャンミラー
６第１ｆθレンズ
７第２ｆθレンズ
８第３ｆθレンズ
９，１０ｆθレンズ

Claims

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り、
前記収束レンズ系の前記第１スキャンミラーから最も遠くに配されるｆθレンズの後側焦点位置をマーキング面に合致させてなり、
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、
ことを特徴とするビームスキャン式レーザマーキング装置。
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。