JPS63220126A - レ−ザ転写装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明はレーザ転写装置すなわち型板が持つ文字９図形
等のパターンをレーザ光を介して対象物上に転写する装
置に関する。

〔従来の技術〕

公知のようにレーザ光を対象物上に照射することによっ
て対象物の表面を局部的に溶融、蒸発。

加熱、露光等の各種の加工や処理をすることができ、こ
れを利用した一つの応用面としてレーザマーキング装置
が従来から知られている。このレーザマーキング装置に
も大別して２種があり、その一つは連続発振ないしは高
いパルス率で発振した細いレーザビームを可動ミラー等
の手段により対象物上で所定のパターンを描かせ、レー
ザビームが照射された対象物の表面を局部的に例えば蒸
発させることにより該所定パターンのマーキングを行な
うものである。このマーキング装置は比較的大形の対象
物に対するマーキングに適し、パターンをコンビエータ
制御で措かせることができるので、多種小量のマーキン
グに適する利点があるが、レーザビームをパターンに沿
って動かさねばならないので、マーキング時間が一般に
長くなる問題点がある。もう一種のレーザマーキング装
置は、所定のパターンを持つ型板例えばステンシルの全
面にパルス発振された太いレーザビームを当ててこれを
透過したレーザ光により、型板のもつパターンを対象物
の表面に一挙にマーキングするいわゆるワンシッットマ
ーキング方式のものである。

このワンシッフトマーキング装置は対象物が比較的小形
のものに限られるが、大量マーキングに適しかつマーキ
ング速度が格段に早い長所がある。

本発明は、かかる後者のマーキング装置により代表され
るように、型板が持つ文字１図形等のパターンをレーザ
光を介して対象物上に転写する装置に関するものである
。

このワンシッントマーキング装置はふつうレーザ光の１
パルスでマーキングを完了するものであるから、このた
めのレーザ発振器としてはパルスあたり５ジユ一ル以上
のエネルギをもつレーザビームを１秒あたり数十パルス
程度発振できるＴＥＡ　　（）ランスバース・イクサイ
テッド・アトモスフェア）方式のＣＯ□レーザやパルス
ＹＡＧレーザが用いられる。第４図および第５図はかか
るし一ザを用いた従来のワンシッットマーキング装置の
原理構成図である。

第４図はＴＥＡ方式のパルスＹＡＧレーザを用いた従来
例で、レーザ発振器１の方形の出口から出射される平行
光である方形断面のレーザビームＬＢは凸なシリンドリ
カルレンズ２により図のＸ方向には収斂光、ｙ方向には
平行光になって型板２０に投射される。この型１ｊ２０
には図示のように例えばｒＨＴＪの２文字からなるパタ
ーンが抜かれており、このパターンを透過したレーザ光
は結像レンズ３によって受けられるので、対象物１０上
にはこれによって型板のもつパターンが結像されてレー
ザ光によりマーキングされる。この際、シリンドリカル
レンズ２は型板２０に投射されるレーザビームの断面を
そのパターンのもつ縦横の比とほぼ等しい形状の長方形
にする役目を果たす、第５図はパルスＹＡＧレーザを用
いた例で、このレーザｌからのレーザビームＬＢは小径
の円形断面をもつから、まずレーザビームをエキスパン
ダ・レンズ４により径が拡大された平行光束に変換した
上で前の例と同様にシリンドリカルレンズ２に与える以
下の構成は第４図の場合と同様である。なお、上記の２
例中Ｃ０８レーザはレーザ光の波長が１０．６−なので
対象物がプラスチック等の場合は有効であるが金属の場
合は反射率が高すぎて有効でなく、この点ＹＡＧレーザ
のレーザ光波長は１．０６μと約１７１０であるので、
対象物が金属の場合にも有効である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のいずれの従来装置も対象物にやや差はあるものの
高速マーキングが可能で大量処理に適する長所があるが
、レーザ発振器１と残余の光学系との光軸合わせが厄介
であるという問題がある。

上記の構成かられかるようにレーザの光軸と光学系の光
軸は極力厳密に合わせないと、僅かな光軸のずれが光学
系の出側では大きく拡大されてレーザビームが傾いたり
その断面形状が変わって来て、対象物へのマーキングの
位置がずれたりマーキングが正規になされないようにな
ってしまう。

また光軸をうまく合わせて置いても振動や衝撃に−対し
て過敏なので、レーザと光学系とを剛性が大きい共通の
架台等に取り付けねばならず、装置がどうしても大形に
なってしまう。

もう一つの問題点はレーザビーム中の径方向の光強度分
布が一様でなく、場所によりマーキングにむらが生じる
ことである。上記のＣｏｔ　レーザおよびＹＡＧレーザ
のいずれについても、それが発生するレーザビームはそ
の断面の中央部で光強度が大で周辺部で小になる傾向が
あり、この光強度のむらは光学系を通った後のレーザビ
ームにも残るので、マーキングされた対象物をよく観察
するとパターン中央部で濃く周辺部で淡くなるマーキン
グのむらが認められる。実際の対象物の表面は必ずしも
平面とは限らず円筒面のように曲率をもつ場合もあり、
この濃淡のむらはマーキング面の曲率によりさらに増幅
されてしまう、もちろん、これが前述の光軸合わせ上の
誤差と重なると、マーキングの賞がかなり低下してしま
う。

かかる問題点を解決するため、本発明はレーデ発振器と
光学系の光軸合わせが容易で、かつ型板が持つパターン
を対象物上に高い賞でマーキングないしは転写できるレ
ーザ転写装置を得ることを目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明は、レーザ転写装置をレーザ発振器と、該レーザ
発振器が発するレーザ光を入口端に受けて出口端に伝達
する単一の光ファイバからなる可撓性の光伝達手段と、
該光伝達手段の出口端から発しられる発散性のレーザ光
束を受けそれをほぼ平行な光束に変換して型板に投射す
る光集束手段と、型板を透過したレーザ光を受は該レー
ザ光が持つ型板のパターン像を対象物上に結像させる光
学的結像手段とにより構成して、上記の目的を達成する
ものである。

〔作用〕

上記の構成にいうように、本発明においてはレーザ発振
器と光学系である光集束手段を従来のように共通台板を
介して機械結合することをやめて、両者を可撓性の光フ
ァイバである光伝達手段によって光学的に結合すること
によって光軸合わせを容易にする０本発明における光軸
合わせは、レーザ発振器から光ファイバを通じて伝達さ
れて来るレーザ光が出射される光ファイバの出口端と光
集束手段の光軸とを合わせることでよいから、例えば光
集束手段を収納するケースに正確に明けられた穴に光フ
ァイバの出口端を挿し込んで係止するだけで光軸合わせ
を済ませることができる。これによって光軸合わせが簡
単になるだけでなく、振動や衝撃を受けても光軸が狂う
心配がずっと少なくなる。また、この光伝達手段は可撓
性であるから、レーザ発振器は光集束手段に対する相対
位置を余り考慮することなく、装置の全体配置上都合の
よい位置にすることが許され、共通架台を設ける必要も
なくなるので、装置の配置が合理的にできかつ全体寸法
を小さくできる。ただし、レーザ光を小径の光ファイバ
を介してレーザ発振器から光集束手段に伝達するには、
レーザ発振器からのレーザビームを光ファイバの入口端
に集光させるレンズをレーザ発振器に組み込み、逆に光
ファイバの出口端から出てくる細いレーザビームのａを
拡ケるためのエキスパンダ・レンズを光集束手段に組み
入れる要があるが、いずれも小径のレンズですみ組み込
みにもとくに困難はない。

またこの光伝達手段は単一の光ファイバからなるので、
レーザ発振器からのレーザビームがその断面の中央部と
周辺部とで光強度に差があっても、光ファイバの出口端
からのレーザビームはかかる光強度の差は平均化されて
しまってその断面についてほぼ一様な光強度分布を持っ
ている。この一様性は光集束手段を遣ってレーザビーム
が拡大された後で維持されており、従って本発明により
マーキングないしは転写の質を従来技術によるよりも高
めることができる。この光強度分布の均一化はどの光フ
ァイバによっても得られるが、実験の結果ではステップ
インデックス形の光ファイバが成績が良く、そのコア径
については通常よりもややコア径の大きなものを用いる
のが望ましい。

本発明の有利な実施態様やその効果については次項以下
で説明する。

〔実施例〕

以下、図を参照しながら本発明の詳細な説明する。第１
図は本発明の実施例としてのレーザマーキング装置の構
成を示すものである。

この実施例における対象物１０は例えば小形の半導体素
子例えば集積回路やトランジスタであって、そのプラス
チックモールドの表面に型板２０がもつ文字等のパター
ンがレーザ光により焼付けないしは堀込みによりマーキ
ングされる。型板としてはふつうのステンシルでもよい
が、いわゆるホトマスクのように透明なガラス板上に薄
い金属膜を蒸着等により形成して所定のパターンをホト
エツチング等により抜いたものを用いる方がパターンを
より鮮明にマーキングすることができる。ただし大量の
ワンシッソトマーキング用には、この型板がレーザ光に
より余り加熱されないよう、金属膜に光に対する反射率
の高い金、Ｉ！、アルミ等を用いるのがよい０図示の型
板１０にはこのようにして前と同様に２文字のｒＨＴＪ
のパターンが作られているものとする。

このレーザマーキング装置はワンショットマーキング方
式であるから、レーザ発振器３０としては図で符号３１
で示されたパルスＹＡＧレーザまたはＴＥＡＣＯ＊　レ
ーザが用いられる。この例のようにマーキングを小形部
品のプラスチックモールド表面にする場合は、レーザ出
力は１パルス当たり５ジ工−ル程度で充分であり、その
発振の繰り返えしはかなりの大量処理時でも毎秒ｌＯパ
ルス程度で充分である。１パルスの持続時間はｌａＳ程
度以下であるから、対象物１０がコンベア上で移動して
いても充分鮮明なマーキングが可能である。上述のレー
ザ３１から発振されたパルスレーザビームは集光レンズ
３２により光伝達手段としての光フアイバ４００人口端
４０ａに集光されて該光フアイバ内に注入される。光フ
ァイバ４０としては前述のようにステップインデックス
形のものがよいが、それ以外に特殊なものを選ぶ必要は
とくにない、レーザ３１、集光レンズ３２および光ファ
イバの入口端４０ａは図で一点鎖線で囲んで示したよう
に１個の容器内に、納められ、図示の残余の部分と多少
離して装置の全体配置上都合のよい場所に取り付けられ
る。

その下側に示された光集束手段５０は同様に一点鎖線で
示されたように１個の光学的容器内に納められ、図の左
端に導入された光ファイバの出口端４０ｂから細いレー
ザビームＬＯを受ける。この入射レーザビームＬＯはあ
る広がり角をもつ円形断面のものであるから、まず凸な
球面レンズ５１またはエキスパンダ・レンズによりビー
ム径が拡大された平行光束Ｌｌに変換される。この平行
光束Ｌ１ももちろん円形断面をもつが、この実施例では
ついで１対のシリンドリカルレンズ５２．５３によって
型板２゜がもつ図示のようにやや扁平なパターンに適合
する楕円断面の平行なレーザビームに変換される。

シリンドリカルレンズ５１は凸なシリンドリカルレンズ
で、円形断面の平行光束Ｌ１を図のＸ方向には平行光で
あるがｙ方向には収斂光である楕円断面の収斂光束Ｌ２
に変換する。この楕円断面の光束Ｌ２を従来のようにそ
のまま型板２ｏに投射することもできるが、本発明にお
いてはこの収斂光束Ｌ２をさらに凹なシリンドリカルレ
ンズ５３によって楕円断面をもつ平行光束Ｌ３に集束し
て型板２ｏに投射する。

これら２個のシリンドリカルレンズ５１．５２は、図か
られかるようにそれらのシリンダ軸の方向を揃えて配置
される。

上述のように本発明における光集束手段５０から型板２
０に投射されるレーザビームは平行光束なので、光集束
手段４０と型板２０との間の距離は任意であってよい、
型板２０は対象物１０が変わると切り換える要があるの
で、マーキング作業の能率化を図る上では型板の自動交
換装置を用いるのが望ましい、従来技術においては前の
第４図ないし第５図かられかるように、型板２０をシリ
ンドリカルレンズ２の焦点距離内に配置しなければなら
ず、シリンドリカルレンズと型板との間隔が狭くて型板
の取り付は取り外しに必要な固定治具の形状や寸法に制
約があったが、本発明ではこの制約がないので型板の固
定治具や自動交換装置に使い勝手のよいものを採用して
、マーキング作業の能率化を図ることができる。また、
前に述べたようにレーザ発振器からのレーザビームは光
フアイバ４０内を伝達している間にその断面についての
光強度分布が均一化されるが、容易にわかるようにこの
分布状態は光集束手段５０内でレーザビームの断面形状
が楕円になっても変わらないので、型板は均一な光強度
分布を持つレーザビームにより投射される。

光学的結像手段６０は図示のように単一の結像レンズで
あってよく、従来と同様に型板のパターンを透過したレ
ーザ光を受けて該パターンを対象物１０に結像させるの
で、対象物１０は型板の持つパターンのとおりにマーキ
ングされる。

第２図はコンベア８０上に乗せられているトランジスタ
等の対象物１０上にマーキングを行なう際の第１図にお
ける光集束手段５０と光学的結像手段６０の部分の実用
的な構造例を示すものである。光集束手段５０と光学的
結像手段６０とは従来どおり光軸を合わせる要があるの
で、両者は簡単な取付脚７０ａに取り付けられて１個の
マーキングヘッド７０にまとめられ、図示のようにコン
ベア８０上の適宜の位置にセットされる。光ファイバ４
０は光集束手段５０のケースの上蓋を貫通して導入され
ている。その出口端４０ｂから出射されるレーザビーム
は図示のように発散性で前述のように凸レンズ５１によ
りビーム径が広がった平行光に変換されるが、その発散
角度が小さな場合にはレンズ５１をエキスパンダ・レン
ズとの複合レンズ構成とするのが望ましい。

光集束手段５０と光学的結像手段６０との間には型板２
０が図の矢印Ｐで示した方向に挿脱されるスリットが設
けられており、そこに型板２０を押し込むと簡単なリー
フスプリング６２によりその図の前後の個所で光集束手
段５０の方に押し付けられて係止されるようになってい
る。型板２０は図の右側に示されたように、型板２１上
に薄い金属膜２２を蒸着して所定のパターンを抜いたも
のである。多種のマーキングを行なう際には、この型板
を自動交換できるようにすることが望ましいが、光集束
手段５０の凹なシリンドリカルレンズ５３からのレーザ
ビームは平行光であるから、光集束手段と光学的結像手
段との間隔を図示の場合よりも思い切りて離すことがで
き、この間隔に自動交換装置の全部ないし一部を配置す
ればよい、光学的結像手段６０は簡単な筒状のケース内
に焦点Ｆをもつ結像レンズ６１を取り付けたもので、図
示しない微調整機構によりその位置を図の矢印への上方
に上下させることにより、結像レンズ６１と型板２０と
の距離を微調整して対象物１０へのパターンの結像状態
を合わせ得るようになっている。

このマーキングヘッド７０で対象物１０上のマーキング
をする際、コンベア８０はあまり高速でない限り矢印Ｑ
により示されているように移動中であってよく、対象物
１０の位置の検出信号と同期させてレーザ発振器にレー
ザパルスを発しさせれば、１−８以内の短時間内に鮮明
なマーキングをすることができる。

第３図は本発明の異なる実施例を示すもので、この実施
例では１台のレーザ発振器３０により複数個１図では３
個のマーキングヘッド７１〜７３が駆動される。このた
めレーザ発振器３０に付属して光分割ユニット９０が設
けられている。この光分割ユニット９０にはレーザ発振
器３０からのレーザビームを２：１に分割するビームス
プリッタ９０ａとｌ：１に分割するビームスプリッタ９
０ｂとが設けられており、これらのビームスプリッタに
よりレーザビームは３等分されてそれぞれ小レンズ９１
〜９３を介して光ファイバ４１〜４３に与えられる。こ
れらの分割されたレーザビームを受けるマーキングヘッ
ド７１〜７３に１よそれぞれ型板挿脱用のスリット７１
ａ〜７３ａを持っており、コンベア８１〜８３上のそれ
ぞれ異なる対象物１１〜１３にマーキングすべきパター
ンを持つ型板をそこにセットできる。この実施例におい
ては、レーザ発振器３０のパルス発振との同期を取るた
め、対象９７８１〜８３をマーキング時に図示しないス
トッパ等の手段によりコンベア上で一時的に停止させる
ようにすることが必要である。

本発明は以上説明した実施例のほか種々の態様で実施を
することができる０例えば上記では光学的な手段はすべ
てレンズとしたがミラーであってもよい、また、実施例
はすべてマーキング装置として説明したが、冒頭に述べ
たようにレーザ光の照射により溶融、蒸発、加熱、ｎ光
等の種々の作。

業を行なわせることができるのであるから、本発明はマ
ーキング装置に限らず広くレーザ転写装置に適用するこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上の記載からすでに明らかなように、本発明では型板
が持つ文字１図形等のパターンをレーザ光を介して対象
物上に転写する装置において、レーザ発振器と型板に対
して転写のためのレーザビームを投射する光集束手段と
の間を光ファイバからなる可撓性の光伝達手段により光
学的に結合したので、従来のようにレーザ発振器と光集
束手段との光軸合わせをする要がなく、かつ両者を共通
架台等により機械結合する要もなくなるので、装置の組
立てが容易になり、振動や衝撃を受けても動作の狂いが
生じるおそれが少なく、レーザ発振器と光集束手段の関
係位置を自由に選択して装置の全体配置を合理化でき、
その全体寸法も縮少できるなどの利点が生まれる。また
、この光伝達手段は単一の光ファイバから構成されるの
で、レーザ発振器の発生するレーザビームがその断面の
中央部と周辺部とで光強度上のむらがあっても、光伝達
手段を経て光集束手段に与えられるレーザビームはその
断面についての光強度分布が均一化され、従って均一な
光強度分布をもつレーザビームが型板に投射されるので
、転写ないしはマーキングの質を従来よりも格段に向上
させることができる。さらには光集束手段はレーザビー
ムをは哄平行先に集束させた上で型板に投射するので、
光集束手段と型板との間隔には従来のような制約がなく
なり、型板の設定位置を自由に選択しあるいは型板の自
動交換を図るなど装置の使い勝手を向上して実用性を高
めることができる。

また、本発明の有利な実施態様として、光集束手段によ
りレーザビームを楕円断面にすれば、型板が多くの場合
にもつ扁平なパターンにレーザビーム断面形状を適合さ
せて、レーザ光の利用効率を上げることができる。レー
ザ発振器として短波長のレーザ光を発振できるＹＡＧレ
ーザを用いればプラスチックモールド品などの非金属材
料のほか対象物が金属である場合にも適用が可能になり
、装置の応用分野を拡大することができる。

このような特長をもつ本発明によるレーザ転写装置は、
電子部品や半導体素子など比較的小形の部品へのワンシ
ッットマーキングにとくに有利で、その動作の高速性、
使いやすさ、高品質のマーキング性能などの利点を最も
よ（活かすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図までが本発明に関するもので、第１図
は本発明によるレーザ転写装置の構成例を示す斜視図、
第２図は本発明装置中の光集束手段と光学的結像手段と
を含む部分の具体構造例を示す縦断面図、第３図は本発
明の異なる実施例を示す構成図である。第４図および第
５図は従来技術に関するもので、それぞれＴＥＡ方式の
ＣＯ，レーザとＹＡＧレーザを用いた従来のレーザマー
キング装置の構成を示す斜視図である０図において、１
：ＣＯｌ　レーザ、２；凸なシリンドリカルレンズ、３
：結像レンズ、４：エキスパンダ・レン、ズ、１０〜１
３：対象物、２０：型板ないしはステンシル、２１ニガ
ラス板、２２：金属膜、３０；レーザ発振器、３１：レ
ーザ、３２：集光レンズ、４０〜４３：光伝達手段ない
しは光ファイバ、４０ａ　：光ファイバの入口端・４０
ｂ：光ファイバの出口端、５０８光集束手段、５１：凸
レンズないしはエキスパンダ・レンズ％５２：凸なシリ
ンドリカルレンズ、５３：凹なシリンドリカルレンズ、
６０：光学的結像手段、６１：結像レンズ、６２：リー
フスプリング、７０〜７３：マーキングヘッド、７０ａ
：取付脚、７１ａ〜７３ａニスリツト、８０〜８３：コ
ンベア、９０：光分割ユニット、９０ａ、９０ｂ：ビー
ムスプリフタ、９１〜９３：集光用小レンズ、Ａ：光学
的結像手段の位置調整方向、Ｆ：結像レンズ（Ｄｆｉ点
、Ｌｌｌ：レーザビーム、ＬＯ：発散性のレーザビーム
、ＬＩ：レーザビームの拡大された平行光束、Ｌｌレー
ザビームの楕円断面をもつ収斂光束、Ｌ３：レーザビー
ムの楕円断面をもつ平行光束、Ｐ：型板の挿脱方間、Ｑ
：コンベアの移動方向、である。 代理人イｉ理士山　口　　巖　゛０ 第１図 第２図 第３ｖ！Ｊ１１　　１２　　１ｓ 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）型板が持つ文字、図形等のパターンをレーザ光を介
   して対象物上に転写する装置であって、レーザ発振器と
   、該レーザ発振器が発するレーザ光を入口端に受けて出
   口端に伝達する単一の光ファイバからなる可撓性の光伝
   達手段と、該光伝達手段の出口端から発しられる発散性
   のレーザ光束を受けそれをほぼ平行な光束に変換して型
   板に投射する光集束手段と、型板を透過したレーザ光を
   受け該レーザ光が持つ型板のパターン像を対象物上に結
   像させる光学的結像手段とを備えてなるレーザ転写装置
   。 ２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、光伝達
   手段の光ファイバとしてステップインデックス形の光フ
   ァイバが用いられることを特徴とするレーザ転写装置。 ３）特許請求の範囲第２項記載の装置において、光ファ
   イバの出口端からのレーザ光束が一様な断面光強度分布
   を有するように光ファイバのコア径が選定されることを
   特徴とするレーザ転写装置。 ４）特許請求の範囲第１項記載の装置において、光集束
   手段がレーザ光束を楕円断面をもつ平行光束に変換する
   ことを特徴とするレーザ転写装置。 ５）特許請求の範囲第３項記載の装置において、光集束
   手段が発散性のレーザ光束を受けてそれを平行光束に集
   束する凸レンズと、該凸レンズからの平行光束を受ける
   凸なシリンドリカルレンズと、該凸なシリンドリカルレ
   ンズからの収斂性の光束を受けてそれをほぼ平行な楕円
   断面光束に変換する凸なシリンドリカルレンズと同軸方
   向の凹なシリンドリカルレンズとを備えることを特徴と
   するレーザ転写装置。 ６）特許請求の範囲第１項記載の装置において、レーザ
   発振器がパルスレーザ発振器であり、レーザ転写装置が
   型板のもつパターンをパルスレーザ光を介して対象物上
   にマーキングするマーキング装置であることを特徴とす
   るレーザ転写装置。 ７）特許請求の範囲第６項記載の装置において、パルス
   レーザ発振器がＹＡＧレーザ発振器であることを特徴と
   するレーザ転写装置。 ８）特許請求の範囲第６項記載の装置において、型板と
   して金属性のステンシルが用いられることを特徴とする
   レーザ転写装置。 ９）特許請求の範囲第６項記載の装置において、型板と
   して透明なガラス板上に所定のパターンをもつ金属膜が
   設けられたものが用いられることを特徴とするレーザ転
   写装置。 １０）特許請求の範囲第９項記載の装置において、金属
   膜の材料として金、銀およびアルミの内のいずれかが用
   いられることを特徴とするレーザ転写装置。 １１）特許請求の範囲第６項記載の装置において、対象
   物がプラスチックモールド品であることを特徴とするレ
   ーザ転写装置。