JP7647433B2 - レーザーマーキング装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザーマーキング装置に関する。

従来より、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）ボトル等の収容器として、名称、成分、賞味期限、バーコード等の像を表示するラベルが貼付けされたものが知られている。一方、最近、世界的にプラスチックごみによる汚染をなくしていく動きが活発化しており、収容器の循環型リサイクルへの要求が高まっている。ここで、収容器の循環型リサイクルとは、分別回収された使用済みの収容器をリサイクル業者が収容器の原料となるフレークに変え、再度収容器を製造することをいう。

このような循環型リサイクルを円滑に進めるには、収容器又はラベル等の材質毎に分別回収を徹底することが好ましいが、分別回収のために収容器からラベルを剥がす作業は手間がかかり、分別回収を徹底させるための制約の１つになっている。

これに対して、透明樹脂等の透明な対象物をレーザー光で加工する方法として、例えば、ＣＯ_２レーザー等による赤外波長１０．６μｍによる加工、又は紫外波長３５５ｎｍによる加工が知られている。
赤外波長を用いた加工では、ビームスポット径を十分に絞ることができないため、紫外波長を用いてビームスポット径を絞ることにより、解像度の高い描画を実現している。ただし、加工しきい値を超えたパルスエネルギー（レーザーの平均出力を繰り返し周波数から定まる）が必要となるため、高パルスエネルギーを得るためには低周波数となり、１パルスで１ｄｏｔ加工できたとしても、生産性はレーザーの繰り返し周波数に大きく依存してしまう。一方、高周波数とすると、低パルスエネルギーとなるため、１パルスで１ｄｏｔ加工できなくなるので複数パルスが必要になる。その結果、１ｄｏｔを形成するための周波数は低くなってしまい、生産性を高めることが困難になるという問題がある。

上記問題点を解決するため、複数のレーザーを同一の光学系にて走査し、集光させることによって、加工エリアを搭載したレーザー数で分割することにより、加工速度を上げつつ、低コスト化、小型化したレーザー加工装置として、例えば、複数ビームを、同一の２次元走査手段、及びｆθレンズを用いて、それぞれ異なる入射角度でｆθレンズに入射させるレーザー印字装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

本発明は、複数のレーザー光を同一光学系にて走査し集光させる光学系において、光学部品の損傷を防ぎつつ、光量低下を抑制できるレーザーマーキング装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段としての本発明のレーザーマーキング装置は、同一の走
査手段とレンズを用いて、複数のレーザーが物体表面を走査して加工するレーザーマーキ
ング装置であって、前記走査手段が第一の方向に走査させる第一の走査手段と、前記第一
の方向に略直交する方向に走査させる第二の走査手段と、を有し、前記第一の走査手段が
前記複数のレーザーの光路が収束する光路中に位置し、前記複数のレーザーが時間的に出力制御できる構成であり、それぞれのレーザーの出力タイミングをずらすように制御する。

本発明によると、複数のレーザー光を同一光学系にて走査し集光させる光学系において、光学部品の損傷を防ぎつつ、光量低下を抑制できるレーザーマーキング装置を提供することができる。

図１Ａは、第１の実施形態のレーザーマーキング装置の一例を示す概略図である。 図１Ｂは、第１の実施形態のレーザーマーキング装置の他の一例を示す概略図である。 図２は、複数レーザーによる光線の構成を説明するための図である。 図３Ａは、走査レンズに入射するビーム径と像面上ビームスポット径との関係を示すグラフである。 図３Ｂは、走査レンズに入射するビーム径とビームウエスト径に対するビーム径偏差との関係を示すグラフである。 図３Ｃは、入射ビーム径と像面上ビーム径との関係を示すグラフである。 図４は、走査手段における有効半径とビームスポット径の位置関係を説明するための図である。 図５Ａは、走査手段におけるエネルギー分布を説明するための図であり、レーザーの強度分布をガウス分布で近似できるものと仮定した場合である。 図５Ｂは、走査手段におけるエネルギー分布を説明するための図であり、実際には、走査手段の中心からのシフト量が含まれる場合である。 ビーム半径と走査手段上のビームスポットの位置ずれ量に対する有効半径の関係を説明するための図である。 図７は、２つのビームを積算した際のエネルギー分布状態を説明するための図である。 図８Ａは、２つのレーザーの出力タイミングと積算エネルギーの関係を説明するための図であり、２つのレーザーによる出力タイミングが揃っている場合である。 図８Ｂは、２つのレーザーの出力タイミングと積算エネルギーの関係を説明するための図であり、２つのレーザーによる出力タイミングがずれている場合である。 図９は、２つのレーザーの交差角度と走査手段の最大振り角の関係を説明するための図である。 図１０Ａは、２つのレーザーを分割する方向を説明するための図であり、収容器の移動制御方向に対して水平方向に描画領域を分割した場合である。 図１０Ｂは、２つのレーザーを分割する方向を説明するための図であり、収容器の移動制御方向に対して垂直方向に描画領域を分割した場合である。 図１１Ａは、第１の実施形態の変形例に係るレーザーマーキング装置の一例を示す概略図である。 図１１Ｂは、図１１ＡのＡ方向から見た光線方向を示す図である。 図１１Ｃは、図１１ＡのＧＭ１上のスポットを示す図である。 図１１Ｄは、図１１ＡのＧＭ２上のスポットを示す図である。 図１２Ａは、第２の実施形態に係るレーザーマーキング装置の一例を示す概略図である。 図１２Ｂは、第２の実施形態に係るレーザーマーキング装置の他の一例を示す概略図である。 図１２Ｃは、第２の実施形態において３つのレーザーを分割する方向を説明するための図であり、収容器の移動制御方向に対して水平方向に描画領域を分割した場合である。 図１２Ｄは、第２の実施形態において３つのレーザーを分割する方向を説明するための図であり、収容器の移動制御方向に対して垂直方向に描画領域を分割した場合である。 図１３Ａは、第３の実施形態に係るレーザーマーキング装置の一例を示す概略図である。 図１３Ｂは、第３の実施形態に係るレーザーマーキング装置の他の一例を示す概略図である。 図１３Ｃは、第３の実施形態において４つのレーザーを分割する方向を説明するための図であり、収容器の移動制御方向に対して水平方向に描画領域を分割した場合である。 図１３Ｄは、第３の実施形態において４つのレーザーを分割する方向を説明するための図であり、収容器の移動制御方向に対して垂直方向に描画領域を分割した場合である。 図１４Ａは、第３の実施形態の変形例に係るレーザーマーキング装置の一例を示す概略図である。 図１４Ｂは、第３の実施形態の変形において４つのレーザーを分割する方向を説明するための図である。 図１５Ａは、パターンとしての微細構造におけるドット部の走査型電子顕微鏡写真であり、上面方向から視た斜視図である。 図１５Ｂは、パターンとしての微細構造におけるドット部の走査型電子顕微鏡写真であり、図１５ＡのＤ－Ｄ矢視断面方向から視た斜視図である。 図１６は、収容器におけるパターンの具体的な実施形態を示す概略図である。

（レーザーマーキング装置）
本発明のレーザーマーキング装置は、同一の走査手段とレンズを用いて、複数のレーザーが物体表面を走査して加工するレーザーマーキング装置であって、前記走査手段が第一の方向に走査させる第一の走査手段と、前記第一の方向に略直交する方向に走査させる第二の走査手段と、を有し、前記第一の走査手段が前記複数のレーザーの光路が収束する光路中に位置する。

従来技術である特許文献１（特開平１１－１５６５６７号公報）では、複数のレーザー光が光学素子上で重なることによって、光学部品が損傷するという問題がある。また、光学部品上でビームが重ならないように光線レイアウトを設定した場合、光学部品の有効範囲からビームスポットが外れることによる光量低下で加工できなくなるという問題がある。また、上記特開平１１－１５６５６７号公報の図１では、走査手段の手前側で複数のビームの光路が交差し、走査手段に近づくにつれて光路の間隔がより拡大する構成となっており、複数の光路の交差位置から離れるに従って、走査手段の大型化に伴って装置全体が大型化してしまうという問題がある。

本発明においては、上記従来技術と異なり、複数のレーザーと複数の走査手段の光学素子に対して、走査手段の光路間でレーザーを交差させ、光学素子上にて複数のビームをずらすことにより、光学素子への損傷を抑制することができると共に、光学素子からの位置ずれ量を最小化することにより光学部品の有効範囲からビームスポットが外れてしまうことによる光量低下を抑制することができる。

本発明の一態様において、複数のレーザーによる光路の交差位置が、第一の走査手段と第二の走査手段の間にある。このため、レーザーマーキング装置は、２つの走査手段上でのビームスポット位置ずれ量を最小化できるため、光線ケラレによる光量低下を抑制できる。この態様によると、レーザーマーキング装置において、複数のレーザーを同一の走査手段を用いて印字する場合、複数領域を同時に描画することができるため、生産性向上及び省スペース化を実現できる。

本発明の一態様において、複数のレーザーによる光路の交差角度半角θ_１［ｄｅｇ］は、次式、０．５ｄｅｇ＜θ_１＜２９．５ｄｅｇ、を充たすことが好ましい。この態様によると、走査レンズに入射するビームスポットが重ならなくなるため、走査レンズの損傷を抑制できる。

本発明の一態様において、次式、１．２２（ｂ＋ｘ）＜ｒ、を充たすことが好ましい。
ただし、前記式中、ｒは走査手段における光学素子の有効範囲、ｂはレーザースポット半径、ｘは走査手段における光学素子の中央からのレーザースポットのシフト量をそれぞれ表す。
この態様によると、走査手段の光学素子（例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー）上での光量低下を抑制できる。なお、上記式中の係数１．２２は効率９５％以上を達成する場合であり、効率９９％以上を達成する場合には係数は１．５２となる。

本発明の一態様において、走査手段のいずれかと同一方向に、物体が移動制御される。この態様によると、走査手段のいずれかと同一方向に物体を移動制御することによって、走査手段の振り角を低減することができ、生産性の向上が図れる。

本発明の一態様において、複数のレーザーが時間的に出力制御できる構成であり、それぞれのレーザーの出力タイミングをずらすように制御することにより、光学部品の損傷を抑制することができる。

本発明の一態様において、次式、θ_１＜θ_ｓｃａｎ、を充たすことが好ましい。
ただし、前記式中、θ_１は複数のレーザーによる光路の交差角度半角、θ_ｓｃａｎは走査手段による最大振り角半角をそれぞれ表す。

本発明の一態様において、走査手段のいずれかと同一方向に移動制御された物体に印字する構成であり、移動制御された方向に対して略垂直方向に分割する方向に、複数のレーザーの光路が交わっている。この態様によると、印字する物体の移動制御方向に対して略垂直方向に描画範囲を分割する（主分割）ことによって、主走査方向の走査時間を短縮でき、生産性の向上が図れる。

ここで、本発明のレーザーマーキング装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また、下記構成部材の数、位置、形状などは本実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好ましい数、位置、形状などにすることができる。

＜レーザーマーキング装置の第１の実施形態＞
図１Ａ及び図１Ｂは、第１の実施形態に係るレーザーマーキング装置１００の一例を示す概略図である。図１Ａ及び図１Ｂのレーザーマーキング装置１００は、レーザー光源部から走査光学系部２０と、容器搬送部２１とを備えている。

レーザー光源部から走査光学系部２０は、レーザー光源１ａ,１ｂと、ビームエキスパンダー２ａ,２ｂと、ミラー３ａ,３ｂと、レンズ５と、同期検知部８ａ,８ｂとを備えている。ここで、ミラー３ａ,３ｂとしては、例えば、ポリゴンスキャナ等の回転多面鏡などが挙げられる。

レーザー光源１ａ,１ｂはレーザー光を射出するパルスレーザーである。レーザー光源１ａ,１ｂは、被加工物である収容器６の容器本体の表面又は内部の少なくともいずれかの性状を変化させるために好適な出力（光強度）のレーザー光を射出する。
レーザー光源１ａ,１ｂは、レーザー光の射出のオン又はオフの制御、射出周波数の制御、及び光強度制御等が可能になっている。レーザー光源１ａ,１ｂの一例として、波長が３５５ｎｍで、レーザー光のパルス幅が１０ピコ秒、平均出力３０Ｗ～５０Ｗのレーザー光源を用いることができる。収容器６における容器本体の性状を変化させる領域でのレーザー光の直径は１μｍ以上で２００μｍ以下であることが好ましい。

図１Ａ及び図１Ｂの第１の実施形態に係るレーザーマーキング装置においては、レーザー光源が２つである場合を示したが、３つ以上のレーザー光源で構成されてもよい。複数のレーザー光源を用いる場合、レーザー光源毎にオン又はオフの制御、射出周波数の制御及び光強度制御等を独立に行えるようにしてもよい。特に、複数のビームスポットが重なることで、光学部品の損傷のリスクが高まることから、射出周波数の制御及び光強度制御は独立に行えるようにして、出力タイミングをそれぞれのレーザーでずらすことが好ましい。

レーザー光源１ａ,１ｂから射出された平行光のレーザー光は、ビームエキスパンダー２ａ,２ｂにより直径が拡大され、ミラー３ａに入射する。
ミラー３ａ,３ｂは、モータ等の駆動部により反射角度を変化させる機能を備えている。ミラー３ａ,３ｂによる反射角度を変化させることで、入射するレーザー光をＹ方向に走査する。ミラー３ａ,３ｂとしては、例えば、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラーなどを用いることができる。

第１の実施形態のレーザーマーキング装置は、ミラー３ａ,３ｂがレーザー光をＹ方向に一次元走査する例を示すが、これに限定されるものではない。ミラー３ａ,３ｂは、直交する２方向に反射角度を変化させる走査ミラーを用いてレーザー光をＸＹ方向に二次元走査してもよい。
ただし、円筒状の収容器６の表面にレーザー光を照射する場合は、ＸＹ方向に二次元走査すると、Ｘ方向への走査に応じて収容器６の表面上でのビームスポット径が変化するため、このような場合は一次元走査のほうが好ましい。

ミラー３ａ,３ｂにより走査されるレーザー光は、加工レーザービーム１１として収容器６の容器本体の表面又は内部の少なくとも一方に照射される。
レンズ５は、ミラー３により走査される加工レーザービーム１１ａ,１１ｂの走査速度を一定にするとともに、収容器６の容器本体の表面又は内部の少なくとも一方の所定位置に、加工レーザービーム１１ａ,１１ｂを収束させるレンズである。このレンズ５としては、走査速度を一定に保つｆθレンズ、アークサインレンズなどを用いることができる。
収容器６の容器本体の性状を変化させる領域で、加工レーザービーム１１ａ,１１ｂのビームスポット径が最小になるようにレンズ５と収容器６が配置されることが好ましい。なお、レンズ５は複数のレンズの組み合わせにより構成されてもよい。
同期検知部８ａ,８ｂは、加工レーザービーム１１ａ,１１ｂの走査角度とレーザー出力とを同期させるために用いられる同期検知信号を出力する。同期検知部８ａ,８ｂは、受光した光強度に応じた電気信号を出力するフォトダイオードを備えており、このフォトダイオードによる電気信号を同期検知信号としてレーザー光線１ａ,１ｂの制御部に出力する。

容器搬送部２１は、矢印Ａ方向に搬送される収容器６と、光源から見て走査位置より手前側に容器検知用光源９と、光源から見て走査位置より奥側に容器検知用センサ１０とを備えている。なお、図１Ａ及び図１Ｂの第１の実施形態では、透過型センサの一例を図示しているが、反射型のセンサを用いてもよい。センサ位置と走査位置間の距離は、あらかじめ既知のパラメータとなるため、搬送速度とセンサ位置－走査位置間の距離から、書き出しタイミングを決定できる。

図１Ａ及び図１Ｂの第１の実施形態に係るレーザーマーキング装置１００において、複数のレーザーを同一の走査手段を用いて印字する場合、複数領域を同時に描画することができるために、生産性向上及び省スペース化を実現できる。
しかしながら、光学部品に複数のレーザーが入射することによって、光学部品が損傷してしまうおそれがある。このため、図２及び図３Ａ～図３Ｃに示すように、光学部品上で複数のレーザースポット位置をずらす必要がある。ただし、レーザースポットの位置ずれ量を広げすぎると、光学部品の有効範囲から外れてしまい、光量が低下してしまう。特に、走査手段の光学的有効範囲は大きさに制約があるため、レーザースポットの位置をずらして損傷を防ぎつつ、走査手段の光学的有効範囲から外れない範囲にレーザースポット位置のシフト量を抑える必要がある。

同じ出力ワット数のレーザーを用いた場合、光学部品に入射するビーム径が小さくなるほどエネルギー密度が高くなり、光学部品を損傷させてしまうリスクが高まる（ビーム径が１／２になると、エネルギー密度は４倍となる）。レーザーの入射直径１．５ｍｍ（５０Ｗ、１００ｋＨｚ、１０ｐｓ）の場合、エネルギー密度は約２８ｍＪ／ｃｍ^２となる。
これに対して、高出力レーザーに対応した光学部品の損傷しきい値は、０．１１０ｍＪ／ｃｍ^２～１０ｍＪ／ｃｍ^２のオーダーであるものが多い。このため、レーザー耐力の観点から、光学部品への入射ビーム径を１．５ｍｍ以下にしてしまうと、光学部品の損傷しきい値に対して２倍以上のエネルギー密度となり、光学部品が損傷するリスクが高まることから、光学部品への入射ビーム径は１．５ｍｍを超えることが要求される。

ガウシアンビームのデフォーカス特性は、走査レンズに入射するビーム径に依存し、入射ビーム径が大きくなるほど深度余裕（デフォーカスに対するビーム径の偏差）が小さくなる。例えば、被加工物がペットボトルである場合、ペットボトルの形状誤差、及び搬送位置の誤差により、デフォーカス方向に±２ｍｍ程度の描画位置がばらつくことが想定される。例えば、波長３５５ｎｍにおけるビームウエスト位置ｘ＝０としたときの、ビーム径ｗを図３Ａに示す。
これに対して、デフォーカスに伴うビーム径の偏差を図３Ｂに示す。デフォーカスによるビーム径の変化は描画品質に直結するため、要求される画素密度に対して、１／５以下とすることが好ましく、１／１０以下とすることがより好ましい。

ペットボトルの印刷物に要求される画素密度は、一般的に２００ｄｐｉ～６００ｄｐｉ程度であるため、１ドットあたりのサイズは４２μｍ～１２７μｍとなり、ビーム径偏差は８μｍ以上２５μｍ以下とすることが好ましく、４μｍ以上１３μｍ以下とすることがより好ましい。この場合、図３Ｂに示すように、像面上のビーム径は少なくともΦ３０μｍ以上にすることが要求される。
更に、像面上のビーム径３０μｍ以上を実現するためには、走査レンズの焦点距離と、走査レンズに入射するビーム径との組み合わせは、図３Ｃのようになる。走査レンズの焦点距離は装置サイズに寄与するため、ｆ１０００ｍｍ以下が好ましい。このため、ｆ１０００ｍｍ以下、かつ像面上ビーム径ｗ０’＝３０μｍ以上とするためには、走査レンズに入射するビーム径は最大ｗ０＝１７．５ｍｍ以下とする必要がある。

一般的にミラーに比べてレンズの方が光の吸収率が高いために、レーザーによる損傷リスクはレンズの方が高くなる。このため、走査手段上で複数のビームを重ねないことが要求される。一般に走査手段のサイズ制約から、走査手段において複数のレーザーの光路を近づけることで、走査手段から光線が外れることによる光線ケラレを抑制する。このため、走査手段から最も近い走査レンズ第１面は、複数のレーザーの光路が最も近づくため、複数のレーザーによるビームスポットが重なることによる、損傷リスクが最も高くなる。

ここで、第１の実施形態のレーザーマーキング装置で想定される焦点距離範囲について説明する。
第１の実施形態のレーザーマーキング装置では、被加工物としてペットボトルを想定しており、レーザーマーキング装置は食料品メーカーの工場に設置することを想定している。工場内ではスペースの制約上、レーザーマーキング装置の小型化の要求が高い。特に、第１の実施形態のレーザーマーキング装置では、高出力レーザーを想定しているため、レーザー単体だけでも１,０００ｍｍ～２,０００ｍｍの長さがあるために、レーザーマーキング装置全体を小型化するためには、光学系を小型化することが要求される。光学的に走査レンズの焦点距離が長くなるほど、ワーキングディスタンスは長くなり、レーザーマーキング装置の大型化につながるため、焦点距離を短くする必要がある。ただし、焦点距離を短くすると、像面上の走査スピードが低下するため、生産性が低減してしまうという問題がある。そこで、レーザーマーキング装置の制約、生産性の観点から、走査レンズの焦点距離は１００ｍｍ～１,０００ｍｍの範囲であることが好ましい。

上記焦点距離の場合、走査レンズの走査手段から走査レンズの第１面までの長さＬは、走査レンズで要求される光学性能及び外形サイズの制約から、Ｌ＝１５ｍｍ～８５ｍｍである。走査レンズ上での複数のレーザーを重ねないためには、次式を満たす必要がある。

したがって、上記記載したビーム半径：ｂ１，ｂ２＝０．７５～８．５ｍｍ（ビーム径：１．５～１７．５ｍｍ）、Ｌ＝１５～８５ｍｍから、複数のレーザーによる光路の交差角度半角θ_１［ｄｅｇ］は、次式、０．５ｄｅｇ＜θ_１＜２９．５ｄｅｇ、を充たすことが、走査レンズに入射するビームスポットが重ならなくなるため、走査レンズの損傷を抑制できる点から好ましい。

図５Ａに示すように、レーザーの強度分布をガウス分布で近似できるものと仮定した場合、投入される全エネルギーは、下記式で表される。

走査手段における光学素子の有効範囲ｒの間に投入されるエネルギーをＷ’とすると、下記式で表される。

投入されるエネルギーに対する、走査手段における光学素子の有効範囲ｒの間に投入されるエネルギー比は、下記式で表される。

Ｗ’／Ｗ_０＝０．９５（効率９５％以上）とした場合、レーザースポット半径ｂに対する有効半径ｒは、ｒ＞１．２２である。
実際には、走査手段の中心からのシフト量が含まれる（図５Ｂ）。このため、走査手段における光学素子の有効範囲ｒに対して、効率９５％以上を用いるためには、次式、ｒ＞１．２２（ｂ＋ｘ）を充たすことが、走査手段の光学素子上での光量低下を抑制できる点から好ましい。なお、ｘは走査手段における光学素子の中央からのレーザースポットのシフト量である。

また、像面上の光量低減を抑制するためには、Ｗ’／Ｗ_０＝０．９９（効率９９％以上）であることが好ましい。この場合は、レーザースポット半径ｂに対する走査手段における光学素子の有効範囲ｒは、ｒ＞１．５２である。
実際には、走査手段中心からのシフト量が含まれる（図５Ｂ）。このため、走査手段における光学素子の有効範囲ｒに対して、効率９９％以上を用いるためには、次式、ｒ＞１．５２（ｂ＋ｘ）を充たすことが好ましい。なお、ｘは走査手段における光学素子の中央からのレーザースポットのシフト量である。

第１の実施形態のレーザーマーキング装置において、像面上の光量低下によって、被加工物の必要エネルギー密度を下回った場合、加工できなくなってしまう。このため、走査手段における効率は９５％以上が好ましく、効率は９９％以上がより好ましい。

ここで、図６は、ビーム半径と走査手段上のビームスポットの位置ずれ量に対する有効半径の関係を説明するための図である。この図６によると、効率９５％を達成するためには、効率９５％（ｙ＝１．２２ｘ）の直線より、大きい有効半径ｒを設定する必要があることがわかる。また前述したように、効率は高いほど生産性向上に有利であるため、効率９９％（ｙ＝１．５２ｘ）の直線以上の範囲で、大きい有効半径ｒを設定することが好ましい。なお、図６中ハッチング部分Ａが、次式、１．２２（ｂ＋ｘ）＜ｒ、を充たす範囲である。

図７は、２つのビームを積算した際のエネルギー分布状態を説明するための図である。
この図７によると、φ／ｘ≒３．５あたりからビームが２つに割れるため、φ／ｘを３．５以下にしてもエネルギー密度低減効果はなくなる。なお、２ビームを用いてもφ／ｘを３．５以下にした場合、１ビームあたりの強度分布の最大値と同等になる。

図８Ａ及び図８Ｂは、２つのレーザーの出力タイミングと積算エネルギーの関係を説明するための図である。
図８Ａに示すように、２つのレーザーによる出力タイミングが揃っている場合、光学部品に与えられる最大エネルギーはＥ１＋Ｅ２となり、光学部品に損傷を与えてしまう可能性がある。一方、図８Ｂに示すように、２つのレーザーによる出力タイミングがずれている場合、光学部品に与えられる最大エネルギーはＥ１又はＥ２の最大値となり、光学部品に損傷を与えるリスクを低減することができる。ここでは、説明を簡易化するため２つのレーザーである場合を示したが、３つ以上の複数レーザーを使用した場合でも同様である。

図９は、２つのレーザーの交差角度と走査手段の最大振り角の関係を説明するための図である。図９に示すように、複数のレーザーによる描画範囲の隙間をなくすために、次式、θ_１＜θ_ＳＣＡＮ（又はθ_２＜θ_ＳＣＡＮ）を充たすことが好ましい。
ただし、式中、θ_１（又はθ_２）は複数のレーザーによる光路の交差角度半角、θ_ＳＣＡＮは走査査手段による最大振り角半角である。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、収容器における描画領域の構成を説明するための図である。
図１Ａの第１の実施形態に係るレーザーマーキング装置１００は、被加工物である収容器６の移動制御方向Ａに対して、水平方向に描画領域を分割した場合を示しており、描画領域の２分割構成（赤色と青色）は図１０Ａに対応している。
図１Ｂの第１の実施形態に係るレーザーマーキング装置１００は、被加工物である収容器６の移動制御方向Ａに対して、垂直方向に描画領域を分割した場合を示しており、描画領域の２分割構成（赤色と青色）は図１０Ｂに対応している。
なお、図１Ａ～図１Ｂと図１０Ａ～図１０Ｂでは、説明を簡易化するために、ビームが２つある場合を示したが、ビームは３つ以上あってもよい。ビームを分割するほど１つのビームあたりの描画面積は低減するため、生産性の向上が図れる。

＜レーザーマーキング装置の第１の実施形態の変形例＞
図１１Ａは、第１の実施形態の変形例にかかるレーザーマーキング装置１０１の一例を示す概略図である。なお、第１の実施形態の変形例において、既に説明した第１の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
図１１Ｂは、図１１ＡのＡ方向から見た光線方向を示す図である。図１１Ｃは、図１１Ａのガルバノミラー（ＧＭ）１上のスポットを示す図である。図１１Ｄは、図１１Ａのガルバノミラー（ＧＭ）２上のスポットを示す図である。

図１Ａ及び図１Ｂの第１の実施形態では簡易化のため、二次元平面で光路が交差している例を示しているが、図１１Ａに示す第１の実施形態の変形例では、立体的に見ると交差していない構成であるが、「光路の交差」の定義には、図１１Ａの場合も含む。ただし、図１１Ａの場合、２つの光路間の距離が離れている構成となるため、走査手段以降の走査レンズの入射瞳径が、２つの光路間の距離とビームスポット径より小さい場合、結像レンズで光線ケラレが発生して、像面上の光量が低減してしまう。このため、２つの光路が交差しており、交差している位置に、走査レンズの入射瞳を有する構成が好ましい。

＜レーザーマーキング装置の第２の実施形態＞
図１２Ａ及び図１２Ｂは、３つのレーザー光源１ａ～１ｃからの３つのビームを有する第２の実施形態に係るレーザーマーキング装置１０２を示す概略図である。なお、第２の実施形態において、既に説明した第１の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
図１２Ａでは被加工物である収容器６の移動制御方向Ａに対して、水平方向に描画領域を分割した場合を示しており、描画領域の３分割構成（赤色と緑色と青色）は図１２Ｃに対応している。
一方、図１２Ｂでは被加工物である収容器６の移動制御方向Ａに対して、垂直方向に描画領域を分割した場合を示しており、描画領域の３分割構成（赤色と緑色と青色）は図１２Ｄに対応している。
この第２の実施形態によると、第１の実施形態に比べて、１つのビームあたりの描画面積は低減するため、生産性の向上が図れる。

＜レーザーマーキング装置の第３の実施形態＞
図１３Ａ及び図１３Ｂは、４つのレーザー光源１ａ～１ｄからの４つのビームを有する第３の実施形態に係るレーザーマーキング装置１０３を示す概略図である。なお、第３の実施形態において、既に説明した第１の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
この第３の実施形態は、４つのレーザー光源を使用し、同じ方向に４分割したものである。
図１３Ａでは被加工物である収容器６の移動制御方向Ａに対して、水平方向に描画領域を分割した場合を示しており、描画領域の４分割構成（緑色と赤色と青色と橙色）は図１３Ｃに対応している。
一方、図１３Ｂでは被加工物である収容器６の移動制御方向Ａに対して、垂直方向に描画領域を分割した場合を示しており、描画領域の４分割構成（緑色と赤色と青色と橙色）は図１３Ｄに対応している。
この第３の実施形態によると、第１の実施形態に比べて、１つのビームあたりの描画面積は低減するため、生産性の向上が図れる。

＜レーザーマーキング装置の第３の実施形態の変形例＞
図１４Ａは、図１３Ａ及び図１３Ｂの第３の実施形態の変形例に係るレーザーマーキング装置１０４を示す概略図である。なお、第３の実施形態の変形例において、既に説明した第１の実施の形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
この第３の実施形態の変形例は、４つのレーザー光源を使用し、主走査方向と副走査方向に２×２で分割したものである。
図１４Ａでは被加工物である収容器６の移動制御方向Ａに対して、水平方向と垂直方向にそれぞれ２つずつ分割した場合を示しており、画像領域の分割構成は図１４Ｂに対応している。
この第３の実施形態の変形例によると、第１の実施形態に比べて、１つのビームあたりの描画面積は低減するため、生産性の向上が図れる。

（収容器）
本発明の収容器は、本発明のレーザーマーキング装置を用いて製造された収容器であって、容器本体と、容器本体に視認可能領域とを有し、視認可能領域により像が容器本体に形成されており、視認可能領域がパターンの集合体により形成されている。

＜容器本体＞
容器本体としては、その材質、形状、大きさ、構造、色などについて特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
容器本体の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、樹脂、ガラスなどが挙げられる。これらの中でも、透明な樹脂又は透明なガラスがより好ましく、透明な樹脂が特に好ましい。
容器本体の樹脂としては、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリブチレンアジペート又はテレフタレート（ＰＢＡＴ）、ポリエチレンテレフタレートサクシネート、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロビレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリウレタン、エポキシ、バイオポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）、ポリ乳酸ブレンド（ＰＢＡＴ）、スターチブレンドポリエステル樹脂、ポリブチレンテレフタレートサクシネート、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリヒドロキシプチレート／ヒドロキシヘキサノエート（ＰＨＢＨ）、ポリヒドロキシアルカン酸（ＰＨＡ）、バイオＰＥＴ３０、バイオポリアミド（ＰＡ）６１０，４１０，５１０、バイオＰＡ１０１２，１０Ｔ、バイオＰＡ１１Ｔ，ＭＸＤ１０、バイオポリカーポネート、バイオポリウレタン、バイオＰＥ、バイオＰＥＴ１００、バイオＰＡ１１、バイオＰＡ１０１０などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、環境負荷の点から、ポリビニルアルコール、ポリブチレンアジペート／テレフタレート、ポリエチレンテレフタレートサクシネート等の生分解樹脂が好ましい。

容器本体の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ボトル状、円柱状、四角柱状、箱状、錐体状などが挙げられる。これらの中でも、ボトル状が好ましい。
ボトル状の容器本体は、口部と、口部に連結された肩部と、肩部に連結された胴部と、胴部に連結された底部とを備えている。
容器本体の大きさとしては、特に制限はなく、容器の用途に応じて適宜選定することができる。
容器本体の構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、単層構造であっても複数層構造であっても構わない。
容器本体の色としては、例えば、無色透明、有色透明、有色不透明などが挙げられる。

＜視認可能領域＞
視認可能領域により像が視認可能に容器本体に形成される。
像とは、例えば、文字、記号、図形、画像、コード等を含み、具体的には、名称、成分、識別番号、製造業者名、製造日時、賞味期限、バーコード、ＱＲコード（登録商標）、リサイクルマーク、又はロゴマークなどの情報を意味する。
像を書き込むレーザーの波長は、紫外から近赤外光（波長：３００ｎｍ～２,５００ｎｍ）の波長が好ましい。
視認可能領域はパターンの集合体により形成される。ここで、集合体とは、複数の要素が集まったものを意味する。
パターンの集合体は、容器本体が溶融して形成された凹部もしくは凹部及び凹部と連続した凸部を含む構造であることが好ましい。

（収容体）
本発明の収容体は、本発明の収容器と、該収容器に収容されている被収容物と、を有し、密閉手段を有することが好ましい。
本発明の収容体によると、像の内容と被収容物の内容とを紐付けて認識することができる。

＜被収容物＞
被収容物としては、例えば、液体、気体、粒状固形物などが挙げられる。液体としては、水、お茶、コーヒー、紅茶、清涼飲料水などが挙げられる。被収容物が液体飲料である場合には、透明、白色、黒色、茶色、又は黄色等の色を有していることが多い。

＜密閉手段＞
密閉手段は、被収容物を収容器内に密閉する手段であり、「容器のキャップ」と称することもある
密閉手段は、その材質、形状、大きさ、構造、色などについて特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。

密閉手段の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、樹脂、ガラス、金属、セラミックスなどが挙げられる。これらの中でも、成形性の点から樹脂が好ましい。
密閉手段の樹脂としては、上記容器の本体の樹脂を同様なものを用いることができる。
密閉手段の色としては、例えば、有色不透明、有色透明などが挙げられる。
密閉手段の形状及び大きさとしては、容器本体の開口部を封じる（閉封する）ことができる形状及び大きさであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。

ここで、本発明の収容器及び収容体におけるパターンの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、パターンとしての微細構造におけるドット部１１０の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真であり、図１５Ａは上面方向から視た斜視図、図１５Ｂは図１５ＡのＤ－Ｄ矢視断面方向から視た斜視図である。図１５Ａでは、複数のドット部１１０のうちの２つの全体が観察され、またＹ軸正方向側に２つのドット部１１０の一部が僅かに観察され、Ｙ軸負方向側に２つのドット部１１０の一部が僅かに観察されている。また、ドット幅は約１００μｍ程度で形成されている。

図１５Ａに示すように、ドット部１１０は、凹部１１１と、凸部１１２とを含んで構成されている。凹部１１１は、第１の傾斜面１１１１（斜線ハッチング部分）と、底部１１１２（黒塗り潰し部分）とを含み、椀状の形状に形成されている。凹部幅Ｄｃは凹部１１１の幅を表し、深さｄｐは、非パターン領域１２の表面に対する底部１１１２の高さ（Ｚ軸方向の長さ）を表している。

また、凸部１１２は、頂部１１２１（縦線ハッチング部分）と、第２の傾斜面１１２２（梨地ハッチング部分）とを含み、円環面状に形成されている。なお、円環面とは円周を回転して得られる回転面をいう。円環幅Ｄｒは、凸部１１２の円環面部分の半径方向の幅を表し、高さｈは、非パターン領域の表面に対する頂部１１２１の高さ（Ｚ軸方向の長さ）を表している。

ドット幅Ｗは、ドット部１１０全体の幅を表している。第１の傾斜面１１１１と第２の傾斜面１１２２は連続した面である。連続した面は、同じ材質で段差がなく繋がった面を意味する。

また、図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、凹部１１１及び凸部１１２のそれぞれを構成する面には、微小な凹凸部１１３が形成され、表面が荒れている。この凹凸部１１３は、所定の形状より小さい凹部及び凸部からなる凹凸部の一例である。凹凸部１１３はドット部１１０のドット幅Ｗより小さい幅の凹部と凸部からなり、典型的には１μｍ乃至１０μｍ程度の幅の凹部と凸部からなる。

また、図１５Ａに示すように、各ドット部１１０間の領域にも、ドット部１１０を加工した際の加工片が飛散しており、これらによっても面が荒れている。パターン領域１３では、凹凸部１１３や加工片による表面の荒れにより、非パターン領域と比較して表面粗さが大きくなる。

ドット部１１０は、例えば、容器本体７に対してレーザー光を照射し、容器本体７の表面を変性させることで形成できる。１つのドット部１１０は、レーザー光を容器本体７上の１点に集光させることで形成される。また、このレーザー光を２次元走査することで、複数のドット部１１０が形成される。或いは、アレイ化した複数のレーザー光源のそれぞれから射出された複数のレーザーによっても形成できる。さらに各ドット部１１０の位置に対応した複数の光透過開口を有するマスク部材に、拡大したレーザー光を照射し、マスク部材の各光透過開口を透過した複数の透過レーザー光群のそれぞれにより、複数のドット部１１０を１回の露光で並行して形成することもできる。

図１６の（ａ）～（ｄ）は、パターンの別の具体的な実施形態を示す。
図１６の（ａ）は、収容器の容器本体７を蒸散させて形成した凹部形状を示し、図１６の（ｂ）は、収容器の容器本体７を溶融させて形成した凹部形状を示している。図１６の（ｂ）の場合、図１６の（ａ）に対して凹部の周縁部が盛り上がった形状になる。
また、図１６の（ｃ）は、収容器の容器本体７の表面の結晶化状態の変化を示し、図１６の（ｄ）は、収容器の容器本体７の表面下の発泡状態の変化を示している。

収容器の容器本体の表面の形状を変化させたり、容器本体の表面の結晶化状態、又は容器本体表面下の発泡状態等の性質を変化させたりすることにより、容器本体の表面にドット部の集合体により構成されるパターンを形成できる。
容器本体の表面を蒸散させて凹部形状を形成する方法として、例えば、波長が３５５ｎｍ～１０６４ｎｍ、パルス幅が１０ｆｓから５００ｎｍ以下のパルスレーザーを照射する。これにより、レーザービームが照射された部分の容器本体の表面が蒸散し、表面に微小な凹部が形成される。
また、波長が３５５ｎｍ～１０６４ｎｍのＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザーを照射することによって、容器本体の表面を溶融させて凹部を形成することも可能である。更に、容器本体の表面が溶融した後も、レーザーを照射し続けると、容器本体の表面又は表面下が発泡し、白濁化させることができる。

結晶化状態を変化させるためには、例えば、容器本体をポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）とし、波長が３５５ｎｍ～１０６４ｎｍのＣＷレーザーを照射して、容器本体の温度を一気に上げ、その後、パワーを弱くしていく等により徐冷することにより、容器本体のＰＥＴを結晶化状態にすることができ、白濁化させることができる。なお、温度を上げた後、レーザービームを消灯する等により急冷すると、ＰＥＴは非晶質状態になり、透明になる。

また、収容器の容器本体の性状の変化は、図１６の（ａ）から（ｄ）に示したものに限定されるものではない。樹脂材料で構成された容器本体の黄変や酸化反応、表面改質等により容器本体の性状を変化させてもよい。
また、照射されたレーザー光を吸収して光エネルギーを熱エネルギーに変換する吸収剤（変換材）を事前に容器本体に塗布し、吸収剤により変換された熱エネルギーにより、容器本体に凹部又は凸部を形成する加熱制御を行うこともできる。

以上のパターンは、レーザー照射によって変性痕となってごく小さなドットが形成されるが、このドットの間隔を変えて密度を変えたり、あるいは、知覚できるサイズ未満でドット形状を変化させたりしている。パターンは微小な略円形状で例を示したが、これに限らない。楕円でもよいし、小判型でもよいし、線状でも構わない。パターンそのものの形状は肉眼では認識しづらいものであればいずれの形状でも構わない。微小幅の細線の集合体であっても構わない。

本発明の態様としては、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 同一の走査手段とレンズを用いて、複数のレーザーが物体表面を走査して加工するレーザーマーキング装置であって、
前記走査手段が第一の方向に走査させる第一の走査手段と、前記第一の方向に略直交する方向に走査させる第二の走査手段と、
を有し、
前記第一の走査手段が前記複数のレーザーの光路が収束する光路中に位置することを特徴としたレーザーマーキング装置である。
＜２＞ 前記複数のレーザーによる光路の交差位置が、前記第一の走査手段と前記第二の走査手段との間にある、前記＜１＞に記載のレーザーマーキング装置である。
＜３＞ 前記複数のレーザーによる光路の交差角度半角θ_１［ｄｅｇ］が、次式、０．５ｄｅｇ＜θ_１＜２９．５ｄｅｇ、を充たす、前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載のレーザーマーキング装置である。
＜４＞ 次式、１．２２（ｂ＋ｘ）＜ｒ、を充たす、前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載のレーザーマーキング装置である。
ただし、前記式中、ｒは走査手段における光学素子の有効範囲、ｂはレーザースポット半径、ｘは走査手段における光学素子の中央からのレーザースポットのシフト量をそれぞれ表す。
＜５＞ 前記走査手段のいずれかと同一方向に物体が移動制御される、前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載のレーザーマーキング装置である。
＜６＞ 前記複数のレーザーが時間的に出力制御できる構成であり、それぞれのレーザーの出力タイミングをずらすように制御する、前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載のレーザーマーキング装置である。
＜７＞ 次式、θ_１＜θ_ｓｃａｎ、を充たす、前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載のレーザーマーキング装置である。
ただし、前記式中、θ_１は複数のレーザーによる光路の交差角度半角、θ_ｓｃａｎは走査手段による最大振り角半角をそれぞれ表す。
＜８＞ 前記走査手段のいずれかと同一方向に移動制御された物体に印字する構成であり、
前記移動制御された方向に対して略垂直方向に分割する方向に、前記複数のレーザーの光路が交わっている、前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載のレーザーマーキング装置である。
＜９＞ 前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載のレーザーマーキング装置により製造された収容器であって、
容器本体と、前記容器本体に視認可能領域とを有し、
前記視認可能領域により像が前記容器本体に形成されており、
前記視認可能領域がパターンの集合体により形成されていることを特徴とする収容器である。
＜１０＞ 前記＜９＞に記載の収容器と、
前記収容器に収容されている被収容物と、を有することを特徴とする収容体である。

前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載のレーザーマーキング装置、前記＜９＞に記載の収容器、及び前記＜１０＞に記載の収容体によると、従来における諸問題を解決し、本発明の目的を達成することができる。

１ａ レーザー光源
１ｂ レーザー光源
１ｃ レーザー光源
１ｄ レーザー光源
２ａ ビームエキスパンダー
２ｂ ビームエキスパンダー
２ｃ ビームエキスパンダー
２ｄ ビームエキスパンダー
３ａ ミラー
３ｂ ミラー
５ レンズ
６ 収容器
７ 容器本体
８ａ 同期検知部
８ｂ 同期検知部
９ 容器検知用光源
１０ 容器検知センサ
１１ａ 加工レーザービーム
１１ｂ 加工レーザービーム
１１ｃ 加工レーザービーム
１１ｄ 加工レーザービーム
１３ パターン領域
２０ レーザー光源部から走査光学系部
２１ 容器搬送部
１００ レーザーマーキング装置
１０１ レーザーマーキング装置
１０２ レーザーマーキング装置
１０３ レーザーマーキング装置
１０４ レーザーマーキング装置

特開平１１－１５６５６７号公報

Claims (6)

1. 同一の走査手段とレンズを用いて、複数のレーザーが物体表面を走査して加工するレーザーマーキング装置であって、
   前記走査手段が第一の方向に走査させる第一の走査手段と、
   前記第一の方向に略直交する方向に走査させる第二の走査手段と、
   を有し、
   前記第一の走査手段が前記複数のレーザーの光路が収束する光路中に位置し、
   前記複数のレーザーが時間的に出力制御できる構成であり、それぞれのレーザーの出力タイミングをずらすように制御することを特徴としたレーザーマーキング装置。
2. 前記複数のレーザーによる光路の交差位置が、前記第一の走査手段と前記第二の走査手段との間にある、請求項１に記載のレーザーマーキング装置。
3. 前記複数のレーザーによる光路の交差角度半角θ_１［ｄｅｇ］が、次式、０．５ｄｅｇ＜θ_１＜２９．５ｄｅｇ、を充たす、請求項１から２のいずれかに記載のレーザーマーキング装置。
4. 次式、１．２２（ｂ＋ｘ）＜ｒ、を充たす、請求項１から３のいずれかに記載のレーザーマーキング装置。
   ただし、前記式中、ｒは走査手段における光学素子の有効範囲、ｂはレーザースポット半径、ｘは走査手段における光学素子の中央からのレーザースポットのシフト量をそれぞれ表す。
5. 前記走査手段のいずれかと同一方向に物体が移動制御される、請求項１から４のいずれかに記載のレーザーマーキング装置。
6. 次式、θ_１＜θ_ｓｃａｎ、を充たす、請求項１から５のいずれかに記載のレーザーマーキング装置。
   ただし、前記式中、θ_１は複数のレーザーによる光路の交差角度半角、θ_ｓｃａｎは走査手段による最大振り角半角をそれぞれ表す。