WO2000030798A1

WO2000030798A1 - Procede et appareil de marquage au laser, et objet ainsi marque

Info

Publication number: WO2000030798A1
Application number: PCT/JP1999/006605
Authority: WO
Inventors: Kenichi Hayashi
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries, Ltd.
Priority date: 1998-11-26
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2000-06-02
Also published as: US6322958B1; JP2000158156A; TW479024B; EP1080821A4; KR20010034366A; EP1080821A1; JP3178524B2; KR100433896B1

Description

レーザマ—キング方法と装置及びマーキングされた部材

技術分野本発明は、レーザを用いたマーキング方法及びマ一キング装置に関し、特に透明な被加工部材の内部にマーキングを行うマーキング方法及びマ一キング装置に関する。背景技術レーザ光によるアブレーシヨンを利用して、例えば透明ガラス基板等の被加ェ部材の表面にマーキングする方法が知られている。この方法によると、被加ェ部材の表面に微細な割れが発生し、その破片が製造ラインに混入する場合がある。また、マーキングされた位置の近傍に「デブリ」と称される付着物が堆積するため、この付着物を除去するための洗浄を行う必要がある。

被加工部材の表面に損傷を与えることなく、その内部にレーザ光を集光し、被加工部材の内部にマーキングを行う方法が、特開平 3— 1 2 4 4 8 6号公報に開示されている。この方法によると、被加工部材の表面が損傷を受けないため、微細な割れの発生、及びデブリの付着を防止できる。

上述の特開平 3— 1 2 4 4 8 6号公報に開示された方法によると、レーザビ —ムの集光点及びその近傍においてレーザビームのエネルギ密度が被加工部材の破壊閾値を超え、被加工部材の微小な部分が破壊されることによりマークが形成される。微小なマークを二次元もしくは三次元に配列させることにより、文字及び図形を描くことができる。配列部分のピッチを狭めることにより、文字及び図形のコントラストを高めることができる。

上記方法では、破壊されることによって形成される微小なマークの形状を制御することは困難である。このため、各マークの形状が不規則になる。相互に隣接するマークが接触すると、被加工部材の機械的強度が低下するため、マークを離散的に配置することが好ましい。マークの形状が不規則である場合に、マーク同士が接触しないようにするためには、ある程度のマージンを見込んで配列のピッチを大きくする必要がある。発明の開示本発明の目的は、レーザビームによるマークの形状の制御性を高めることが可能なマーキング方法及びマ一キング装置を提供することである。

本発明の他の目的は、コントラストを高めることが容易なマークを内部に形成された透明部材を提供することである。

本発明の一観点によると、レーザ光源からレーザビームを出射する工程と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを、集光点におけるビーム断面が、該レーザビームの光軸に垂直な第 1の方向に長い形状となるように、かつ集光点が被加工部材の内部に位置するように前記レーザビームを集光し、集光点及びその近傍にクラックを発生させる工程とを有するマーキング方法が提供される。

レーザビームの集光点及びその近傍の光学的性質が変化する。光学的性質の変化した部分は、レーザビームの光軸に沿った線状形状を有する。この線状の部分から第 1の方向に、面状のクラックが延びる。光学的性質の変化した線状の部分と面状のクラックが、視認される。

本発明の他の観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レ一ザ光源から出射したレーザビームのビーム断面の形状を、該レーザビームの光軸に垂直な第 1の方向に長い形状に整形するビーム整形手段と、前記ビーム整形手段で整形されたレーザビームを集光する集光手段と、前記集光手段による集光位置が前記被加工部材の内部に位置するように該被加工部材を保持する保持手段とを有するマーキング装置が提供される。

第 1の方向に長いビーム形状を有するレーザビームを集光すると、集光点におけるレーザビームの断面は、第 1の方向に直交する方向に長い形状となる。これにより、上述のように線状部分と面状のクラックを有するマークを形成することができる。

本発明の他の観点によると、透明部材と、前記透明部材中に形成されたマークであって、周囲とは光学的性質の異なる線状部分と、該線状部分から相互に反対方向に延びた一対の面状のクラックとを含むマークとを有するマ一キングされた部材が提供される。

線状部分と面状のクラックとを、視認することができる。特に、面状のクラックに沿つた仮想平面に交差する方向から、視認し易い。図面の簡単な説明図 1は、第 1の実施例によるマーキング方法で用いるマーキング装置の概略図である。

図 2 A及び図 2 Bは、それぞれ、第 1の実施例による方法で形成されたマークの側面図及び平面図である。

図 3は、第 2の実施例によるマ一キング方法で用いるマーキング装置の概略図である。

図 4 A及び図 4 Bは、それぞれ、第 2の実施例による方法で形成されたマークの側面図及び平面図である。

図 5 A〜図 5 Cは、それぞれ、ビーム整形器の第 1〜第 3の構成例を示す斜視図である。

図 6は、第 3の実施例によるマ一キング方法で用いるマ一キング装置の概略図である。

図 7は、従来の方法で形成したマークの平面図である。発明を実施するための最良の形態本発明の実施例を説明する前に、被加工部材内にレーザビームを集光することによって形成したマークの形状について説明する。図 7は、マークの平面図を示す。図 7に示すマークの形状は、紙面に垂直な方向からレーザビームを照射した場合のものである。レーザビームの集光点及びその近傍に、レーザビームの光軸に沿って光学的性質の変化した線状部分 5 0が形成される。線状部分 5 0から複数の面状のクラック 5 1が放射状に延びる。クラック 5 1の延びる方向及びその数は不規則である。クラック 5 1が、それに隣接するマークのクラック 5 1に接触しないようにするためには、クラック 5 1の延びる最大の長さを Lとしたとき、相互に隣接する線状部分 5 0の間隔を 2 Lよりも大きくしなければならない。

図 1は、第 1の実施例によるマーキング方法で用いるマーキング装置の概略図を示す。レーザ光源 1が、レーザビーム 2をパルス的に出射する。レーザ光源 1として、例えば N d ： YA Gレ一ザ、 N d ： Y L Fレーザ等の固体レ一ザを用いることができる。レーザビーム 2は、これらのレーザの基本波でもよいし、高次の高調波でもよい。レーザビーム 2の光軸を z軸とする x y z直交座標系を考える。レーザビーム 2のビーム断面 2 aの形状は、ほぼ円形である。ビーム整形器 3が、レーザビーム 2のビーム形状を整形する。ビーム整形器 3の具体的な構成例については、後に図 5 A〜図 5 Cを参照して説明する。整形されたレ一ザビーム 4のビーム断面 4 aは、 X軸方向に長い形状を有する。集光光学系 5が、レーザビーム 4を集光する。集光光学系 5は、例えば凸レンズである。

保持台 8の上に、透明な被加工部材 7が保持されている。集光光学系 5により集光されたレーザビーム 6が、被加工部材 7に入射する。保持台 8は、レ一ザビーム 6の集光点が被加工部材 7の内部に位置するように、被加工部材 7を保持する。なお、保持台 8は、被加工部材 7を x y面内で移動させることがでさる。

集光光学系 5から出射したレーザビーム 6のビーム断面は、 X軸方向に長い形状を有する。このため、 z X面内における集光光学系 5の実効的な開口数

(N A) が、 y z面内における開口数よりも大きくなる。開口数の大きな面内においては、レーザビーム 6がより微小な領域に集光される。従って、集光点におけるレーザビーム 6のビーム断面 6 aは、 y軸方向に長い形状になる。集光点におけるレーザビーム 6のエネルギ密度が、被加工部材 7の光学的損傷（opt ical damage)もしくは光学的絶縁破壊（opt ical breakdown) のしきい値を超えると、被加工部材 7の集光点及びその近傍に微小なマークが形成される。レーザビーム 6をパルス的に照射する毎に被加工部材 7を X y面内で移動させる。このようにして、被加工部材 7の内部に、二次元的に配列したマークを形成することができる。

図 2 A及び図 2 Bは、それぞれマークを y軸に沿って見た正面図、及び z軸に沿って見た平面図を示す。マーク 1 0が X軸に沿って配列している。各マーク 1 0は、柱状部分 1 0 Aと面状部分 1 0 Bとから構成される。柱状部分 1 0 Aは、 z軸に沿って延びている。面状部分 1 0 Bは、 y z面に平行な面状のクラックであり、柱状部分 1 O Aから y軸の正及び負の方向に延びている。面状部分 1 0 Bが y軸に沿って延びているのは、図 1に示したように、集光点におけるレーザビーム 6のビーム断面 6 aが y軸方向に長い形状を有するためと考えられる。

y z面に平行な面状部分 1 0 Bは、 y z面に平行な方向からでは視認しにくいが、 y z面に対して斜めの方向、特に z軸から X軸方向に傾いた方向から容易に視認することができる。マーク 1 0を x y面内に分布するように配置することにより、文字や図形等の模様を描くことができる。

レーザビーム 6の集光点におけるビーム断面の形状を制御することにより、マーク 1 0の形状を制御することが可能になる。面状部分 1 0 Bは、 X軸方向には延びていない。このため、マーク 1 0を X軸に沿って狭いピッチで配列させることができる。マーク 1 0を狭いピッチで配列させることにより、マーク 1 0で形成される模様のコントラストを高めることができる。

図 3は、第 2の実施例によるマーキング方法を説明するための被加工部材 7 とレーザビーム 6との位置関係を示す概略図である。図 1に示す第 1の実施例では、被加工部材 7にレーザビーム 6を垂直入射させた。第 2の実施例では、レーザビーム 6を被加工部材 7に斜め入射させる。

図 3に示すように、被加工部材 7の表面の法線 2 0が、 z x面内で X軸の負の方向に傾いている。このとき、レーザビーム 6の入射面が z X面に平行になる。第 1の実施例の場合と同様に、集光光学系 5により集光された直後のビーム断面 6 bは、 X軸方向に長い形状を有する。集光点におけるビーム断面 6 a は、 y軸方向に長い形状を有する。

被加工部材 7への入射角を、屈折角を 0 ₂、空気の屈折率を n ,、被加工部材 7の屈折率を n ₂とすると、

n _i s Ί η θ , = τι ₂ s i η Θ 2

の関係が成立する。

図 4 Aは、マークを y軸方向に沿って見た正面図を示し、図 4 Bは、被加工部材 7の法線方向から見た平面図を示す。マーク 2 1は、第 1の実施例の場合と同様に、線状部分 2 1 Aと面状部分 2 1 Bにより構成される。

線状部分 2 1 Aは z軸に平行に延びる。すなわち、線状部分 2 1 Aは被加工部材 7の表面に対して斜めに配置される。このため、線状部分 2 1 Aが、被加ェ部材 7の表面に到達しにくくなり、被加工部材 7の内部に再現性良く線状部分 2 1 Aを形成することが可能になる。

面状部分 2 1 Bは、線状部分 2 1 Aから y軸方向に延びる。すなわち、線状部分 2 1 Aと被加工部材 7の表面の法線とを含む第 1の仮想平面に直交し、かつ線状部分 2 1 Aを含む第 2の仮想平面に沿って延びる。すべての面状部分 2 1 Bは、相互にほぼ平行に配置される。面状部分 2 1 Bが表面に向かって延びないため、クラックが被加工部材 7の表面まで到達することもない。また、面状部分 2 1 Bが X軸方向に延びないため、 X軸を被加工部材 7の表面に垂直投影した像の延在する方向に、マーク 2 1を比較的狭いピッチで配列させることができる。

第 2の実施例の場合には、面状部分 2 1 Bが被加工部材 7の表面に対して傾いているため、法線方向から見たときの視認性を高めることができる。視認性向上の十分な効果を得るためには、被加工部材 7の表面に対するレーザビーム 6の入射角を 5 ° 以上とすることが好ましく、 1 0 ° 以上とすることがより好ましい。また、入射角を大きくすると、表面反射による損失が大きくなるため、入射角を 8 0 ° 以下とすることが好ましい。なお、被加工部材 7を水または被加工部材 7に近い屈折率を有する液体中で加工する場合には、入射角を 8 0 ° 以上としてもよい。

図 5 Aは、図 1に示すビーム整形器 3の第 1の構成例を示す。ビーム整形器 3は、プリズム 3 0を含んで構成される。プリズム 3 0に、円形のビーム断面を有するレーザビーム 2が垂直入射する。プリズム 3 0の出射側の面で屈折することにより、プリズム 3 0から出射したレーザビーム 4 a及び 4 bのビーム断面は楕円状になる。例えば、レーザビーム 4 aは基本波であり、レーザビーム 4 bは 2倍高調波である。

レーザビーム 4 a及び 4 bのいずれか一方を、図 1に示す集光光学系 5に入射させる。基本波もしくは高次の高調波のいずれか一つのみを利用しているため、光学系の波長分散を考慮する必要がない。このため、集光光学系 5の設計、及び被加工部材 7と集光点との位置合わせを容易に行うことができる。

図 5 Bは、ビーム整形器 3の第 2の構成例を示す。ビーム整形器 3は、凹シリンドリカルレンズ 3 1及び凸シリンドリカルレンズ 3 2を含んで構成される。凹シリンドリカルレンズ 3 1及び凸シリンドリカルレンズ 3 2は、その光軸が z軸に一致し、柱面の母線が y軸に平行になるように配置されている。円形のビーム断面を有するレーザビーム 2が凹シリンドリカルレンズ 3 1に入射する。凹シリンドリカルレンズ 3 1により、 z X面内で発散するレーザビーム 2 aが得られる。レーザビーム 2 aが凸シリンドリカルレンズ 3 2に入射し、 z x面内で収束される。凸シリンドリカルレンズ 3 2を透過したレーザビーム 4は、 X軸方向に長いビ一ム断面を有する平行光線束になる。

図 5 Cは、ビーム整形器 3の第 3の構成例を示す。ビーム整形器 3は、凹レンズ 3 3、凸レンズ 3 4、及び部分遮光板 3 5を含んで構成されている。凹レンズ 3 3、凸レンズ 3 4は、その光軸が z軸に一致するように配置され、部分遮光板 3 5は、 z軸に直交するように配置されている。部分遮光板 3 5には、 X軸方向に長い窓 3 6が設けられている。

円形のビーム断面を有するレ一ザビーム 2が凹レンズ 3 3に入射し、発散レ —ザビーム 2 bが得られる。発散レーザビーム 2 bが凸レンズ 3 4に入射し、レーザビーム 2 cが得られる。レーザビーム 2 cは平行光線束である。レーザビーム 2 cが部分遮光板 3 5で整形され、窓 3 6の形状に対応したビーム断面を有するレーザビーム 4が得られる。

なお、部分遮光板 3 5を、図 1に示す集光光学系 5の出射側に配置し、レーザビーム 6のビーム断面を整形してもよい。すなわち、図 1においては、ビーム整形器 3で整形したレーザビーム 4を集光光学系 5で集光する場合を説明したが、最初に集光光学系 5で収束レーザビームを形成し、その後ビーム整形器 3でビーム断面を整形してもよい。

図 5 A〜図 5 Cでは、ビーム整形器 3の 3つの構成例を示したが、その他のアナモルフィック光学系を用いてもよい。

次に、第 2の実施例による方法を用いてマ一キングを行った結果について説明する。使用したレーザビームは、 N d ： Y L Fの第 2高調波（波長 5 2 3 . 5 n m) である。 1ショットあたりのレーザビームのエネルギは 0 . 5 m J、パルス幅は約 1 5 n sである。ビーム整形器 3として、第 1の構成例のものを使用した。集光光学系 5として、焦点距離 2 8 mmのカメラ用レンズを用いた。被加工部材 7へのレーザビームの入射角は 4 5 ° とした。

この条件で、厚さ 1 . 1 mmのガラス板にマーキングを行ったところ、図 4 A及び図 4 Bに示すような斜めの面状部分 2 1 Bを有するマーク 2 1を形成することができた。形成されたクラックは、ガラス板の表面まで到達せず、内部にのみ形成されていた。また、ガラス板の法線方向から、このマークを容易に視認することができた。

図 3に示す第 2の実施例において、マークを二次元的に分布させるには、被加工部材 7を、その表面に平行な面内で移動させればよい。また、レーザビーム 6を y軸方向に走査することによって、マークを y軸方向に分布させてもよレ^ レ一ザビーム 6の走査は、例えばガルバノミラ一やポリゴンミラ一を用いて行うことができる。この場合、被加工部材 7は、 y軸に直交する一次元方向にのみ移動させればよい。

図 3に示すように、被加工部材 7にレーザビーム 6を斜め入射させると、レ一ザビーム 6が被加工部材 7の表面で屈折する。屈折の影響を回避もしくは軽減するために、被加工部材 7を水中に浸漬させてマ一キングを行ってもよい。一般的に、水は、空気よりも、被加工部材 7の屈折率に近い屈折率を有する。このため、屈折によるレーザビームの進行方向の変化角を小さくすることができる。なお、水中に浸漬させる代わりに、空気よりも、被加工部材 7の屈折率に近い屈折率を有する液体中に浸漬させてもよい。

図 6は、第 3の実施例によるマ一キング方法で使用するマ一キング装置の概略断面図を示す。図 1に示す整形されたレーザビーム 4が集光光学系 5に入射する。集光光学系 5によって収束されたレーザビーム 6が台形プリズム 4 0に垂直入射する。台形プリズム 4 0の出射側の面は、レーザビーム 6の光軸に対して斜めに配置されている。被加工部材 7力台形プリズム 4 0の出射側の面に微小な間隙を隔てて配置されている。この間隙内には、屈折率調整液が充填されている。

台形プリズム 4 0、屈折率調整液、及び被加工部材 7の間の屈折率差を小さくしておくと、台形プリズム 4 0から出射したレーザビームは大きく屈折することなく、被加工部材 7の内部に集光される。

上記第 1〜第 3の実施例では、ガラス基板にマーキングする場合を説明したが、その他の透明部材にマ一キングすることも可能である。例えば、 P MMA 基板にマ一キングすることも可能であろう。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

Claims

請求の範囲

1 . レーザ光源からレーザビームを出射する工程と、

前記レーザ光源から出射したレーザビームを、集光点におけるビーム断面が、該レーザビームの光軸に垂直な第 1の方向に長い形状となるように、かつ集光点が被加工部材の内部に位置するように前記レーザビームを集光し、集光点及びその近傍にクラックを発生させる工程と

を有するマ一キング方法。

2 . 前記クラックを発生させる工程が、

前記レーザ光源から出射したレーザビームのビーム断面が、ビーム断面内における前記第 1の方向に相当する方向に直交する第 2の方向に長い形状になるようにレーザビームを整形する工程と、

整形されたレーザビームを、前記集光点に集光する工程と

を含む請求項 1に記載のマーキング方法。

3 . 前記レーザビームが、前記被加工部材の表面に対して斜めに入射し、前記第 1の方向が前記レーザビームの入射面とほぼ直交する請求項 1に記載のマ一キング方法。

4 . 前記レーザビームの入射角が 5 ° 以上である請求項 3に記載のマ一キング方法。

5 . 前記クラックを発生させる工程において、前記被加工部材を液体に浸漬させた状態で、該被加工部材にレーザビームを照射する請求項 3に記載のマーキング方法。

6 . レーザビームを出射するレーザ光源と、

前記レーザ光源から出射したレーザビームのビーム断面の形状を、該レーザビームの光軸に垂直な第 1の方向に長い形状に整形するビーム整形手段と、前記ビーム整形手段で整形されたレーザビームを集光する集光手段と、前記集光手段による集光位置が前記被加工部材の内部に位置するように該被加工部材を保持する保持手段と

を有するマーキング装置。

7 . 前記保持手段が、前記被加工部材の表面に対して前記レーザビームが斜めに入射するように該被加工部材を保持する請求項 6に記載のマーキング装置。

8 . 前記保持手段が、前記レーザビームのビーム断面内における前記第 1の方向に相当する方向をレーザビームの入射面内に含むように、前記被加工部材を保持する請求項 7に記載のマーキング装置。

9 . 透明部材と、

前記透明部材中に形成されたマークであって、周囲とは光学的性質の異なる線状部分と、該線状部分から相互に反対方向に延びた一対の面状のクラックとを含むマークと

を有するマーキングされた部材。

1 0 . 前記透明部材が平坦な主表面を有し、

前記マークが前記主表面よりも深い位置に形成されており、前記線状部分が該主表面に対して傾いており、前記面状部分が、前記線状部分と前記主表面の法線とを含む第 1の仮想平面に直交し、かつ前記線状部分を含む第 2の仮想平面に沿って形成されている請求項 9に記載のマーキングされた部材。