基礎知識編

レーザマーカに関する基本的な疑問を解決。"レーザとは何か?"から学べるQ&A全集の"基礎知識編"です。

基礎知識編vol.1

Q1. 「レーザ」ってなんですか?

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationの略で、誘導放射による光の増幅の意味。

レーザの性質として、

  1. 単色性に優れる=純粋な1つの光の波長。
  2. 指向性に優れる=平行光で広がりなく進む。
  3. 干渉性が高い=光の位相が揃っている。

という特徴があります。

通常光とレーザ光の比較

まず、レーザからは指向性が高い光ビームが発せられ、ほとんど広がることなくまっすぐに進みます。これに対し普通の光源からは四方八方に広がる光が発せられます。次にレーザはひとつの色で出来ていて、これを単色性と言います。普通の光は一般にいくつかの色の混ざったもので、蛍光灯のように白く見えるものがその一例です。さらにレーザは光の波同士の山と谷のそろい方が時間的にきっちりそろっていて、レーザ同士を重ね合わせるときれいに山同士・谷同士が強め合い干渉縞が現われる可干渉性という特徴を持っています。

  通常光 レーザ光
指向性
(直進性)
電球電球 レーザーレーザー
単色性 波長がバラバラ波長がバラバラ 波長一定波長一定
可干渉性
(コヒーレンス)
位相がバラバラ位相がバラバラ 山と谷がそろっている山と谷がそろっている

Q2. YVO4レーザとCO2レーザは何が違うのですか?

レーザは大きく「気体レーザ」・「個体レーザ」・「液体レーザ」の3つに大別されます。
以下にそれぞれの代表的な媒体を記載します。

気体 固体 液体
  • CO2
    主に、加工機、マーキング用途に使用
  • He-Ne(ヘリウムネオン)
    主に、形状測定など、測定器用途に使用
  • Ar(アルゴン)
    主に、バイオ関係など理化学用途に使用
  • YAG※
    主に、汎用マーキング用途に使用
  • YVO4
    主に、精細マーキング用途に使用
  • LD(半導体レーザ)
    主に、励起源・可視レーザとして使用
  • Dye
    主に、理化学用用途に使用

レーザマーカの用途で、主に使用される媒体

CO2レーザマーカとYVO4レーザマーカ/YAGレーザマーカの違い

レーザ光の波長が違うため、印字ができる対象物が変わります。
また印字の仕上がり感も変わりますので目的によって選定機種が変わります。

CO2レーザマーカとYVO4レーザマーカ/YAGレーザマーカの違い
レーザマーカとしての主な使い分け
CO2レーザマーカ(波長10.6μm)
紙・樹脂・ガラス・セラミックへのマーキングに良く使用されます。透明体へも吸収される長のため、フィルムへのマーキングなどにも使用されます。高出力化の実現により、成型品のゲートカット・PETシートの切断などにも利用可能です。
YVO4レーザマーカ(波長1.06μm) / YAGレーザマーカ(波長1.06μm)
金属・樹脂・セラミックへのマーキングに良く使用されます。樹脂材へ発色性が良く、視認性の高い印字が可能です。これまではハイパワーが必要な用途にはYAGレーザ、ローパワーで微細印字が必要な印字ではYVO4レーザが選ばれていましたが、YVO4レーザのハイパワー化によりYAGレーザからYVO4レーザへの置き換えも可能です。

Q3. レーザマーカって危ないのですか?

IECによるレーザのクラス分けはClass1~Class4までに分類されており、当社のレーザマーカは全てClass4のカテゴリに該当します。
法令で定められた安全対策を正しく実行して頂くことが非常に重要です。

IECによるクラス分けと要求事項の要約
レーザクラス
クラスの位置付け
Class 1
通常の操作条件(合理的に予見可能な操作条件)の下で、安全なレーザとみなされています。
Class 1M
波長範囲302.5~4000nmのレーザ光で、光学機器を用いて直接レーザ光を観察することは潜在的に危険であるとみなされています。レーザの放射レベルはClass 1と同基準です。
Class 2
波長範囲400~700nmのレーザ光で、通常の目の嫌悪反応(瞬き)により十分目の保護がなされる可視レーザ光が分類されるクラスです。
Class 2M
波長範囲400~700nmのレーザ光で、Class 2と同様、通常の目の嫌悪反応(瞬き)により十分目の保護がなされる可視レーザ光が分類されるクラスです。ただし、光学機器を用いて直接レーザ光を観察することは潜在的に危険であるとみなされています。
Class 3R
302.5nm~106nmの波長範囲のレーザ光で、直接ビームを見ることが潜在的に危険であるとみなされています。
Class 3B
直接レーザ光を見ること自体が常に危険であるとみなされています。ただし、拡散反射光に関しては通常安全であるとみなされています。
Class 4
一時的であっても、直接ビーム光を皮膚や目にさらすことが危険とみなされているだけではなく、拡散反射光であっても、皮膚や目に障害をもたらすとみなされている。火災を引き起こす原因ともなると考えられています。

また当社ではレーザの安全管理についての冊子を用意して、導入頂くお客様へ安全規格などについてのレクチャーも行なっています。

Q4. レーザマーカの原理はどうなっているのですか?

レーザ光は発振器内の反射ミラー間を往復して増幅されます。
増幅されたレーザ光は出力側のミラーから放射されfθレンズを通して対象物の表面で集光されます。
この集光ポイントをX軸・Y軸・Z軸それぞれのスキャナで動かすことによりマーキングを行います。

レーザマーカの原理(図示)

Q5. レーザマーカで発色させることはできるのですか?

対象の材質によっては、基材を発色させてマーキングすることが可能です。
樹脂との相性もありますが、CO2レーザよりもYAG/YVO4レーザの方が発色性が良い傾向にあります。

レーザマーキングの分類

アイスクリーム
アイスクリーム
印刷面剥離
印刷面剥離

ワーク表面の塗装や印刷を剥離させて基材色とのコントラストを出します。

ビデオテープ
ビデオテープ
表面層剥離
表面層剥離

ワーク表面層を削り、彫り込みます。

配線器具
配線器具
発色
発色

ワークそのものが発色し、コントラストが出ます。

  • バッテリパック
    バッテリパック
  • 樹脂筐体
    樹脂筐体
  • ICパッケージ
    ICパッケージ

Q6. レーザ光は眼に見えますか?

レーザ光自体は実は眼に見えません。レーザは指向性の高いことが特徴なので光の軌跡は見ることができません。
通常眼に見えるのは、レーザ光が何かに当たって拡散反射した光が見えているに過ぎません。
また大気中に霧などの細かい粒子が舞っている環境下であれば、その粒子に光が当たって拡散反射するため、光の軌跡を眼でみることができます。

目には入ってこない
目には入ってこない=見えない
物体に当たった光が見える
物体に当たった光が見える

Q7. レーザマーキングした文字は消えないのですか?

対象物を「掘り込み」・「発色」などで物理的に加工するため、通常は半永久的に印字が消えることはありません。

レーザーマーカによる物理的加工の例
加工内容 主な対象物の材質
表面を溶かす 樹脂
焦がす 紙・樹脂
表面層をはがす メッキを施した金属・印刷を施した紙
表面を酸化させる 金属
削る ガラス・金属
表面を変色させる 樹脂

樹脂の種類により反応が変わります。
レーザ方式はCO2・YAGの限定をせず記載しています。

半永久的に消えない印字
ハーネス
ハーネス
プリント基板
プリント基板
ベアリング
ベアリング

基礎知識編vol.2

Q8. レーザマーキングできないものはありますか?

基本的にはあらゆるものへマーキングできますが、使用するレーザマーカの種類によりマーキングできないものがあります。
結果として、対象物・目的により使用するレーザマーカの種類が決定されます。
それぞれのレーザマーカで「印字できない」代表例を以下に紹介します。

CO2レーザマーカ(30Wクラス)で印字が困難なもの

金属全般・ジルコニア系セラミック

CO2レーザの波長がほとんど吸収されず、良好な印字ができません。
これらにマーキングする場合には、YVO4レーザマーカやYAGレーザマーカが適しています。

CO2レーザ加工機など(例:100W超)では、金属の切断などのレーザ加工が可能です。

3-Axis CO2レーザマーカ ML-Zシリーズ

3-Axis CO2レーザマーカ ML-Zシリーズ

ハイブリッド レーザマーカ MD-Xシリーズ

ハイブリッド レーザマーカ
MD-Xシリーズ

YVO4 / YAGレーザマーカで印字が困難なもの

透明な物体

YVO4 / YAGレーザマーカの波長では透明体を透過してしまうためマーキングが出来ません。
透明体表面へのマーキングにはCO2レーザマーカをご使用ください。

3-Axis CO2レーザマーカ ML-Zシリーズ

3-Axis CO2レーザマーカ ML-Zシリーズ

ハイブリッド レーザマーカ MD-Xシリーズ

ハイブリッド レーザマーカ
MD-Xシリーズ

透明体への印字例(CO2 レーザマーカ使用)
ガラスびん
ペットボトル

Q9. どうしてレーザマーキングで発色するのですか?

発色の原理は、4つに大別されます。
  1. 発泡によるマーキング
  2. 凝縮によるマーキング(添加剤を添加)
  3. 炭化によるマーキング(添加剤を添加)
  4. 化学的効果によるマーキング
携帯電話バッテリパック
携帯電話バッテリパック

透明な物体

1. 発砲
発砲

レーザ光を照射すると、熱効果により基材内でガス泡が発泡します。ガス化して蒸発した気泡が、基材内の表面層で封じ込められ白っぽく隆起します。特に濃色の基材では視認性もよく「薄い基材色」になります。

例)赤→ピンクに発色

2. 凝縮
凝縮

基材に含まれる「顔料成分」にレーザのエネルギーが吸収されると、その熱効果により顔料の分子密度が上がり、凝縮されることにより濃色に変化します。

3. 炭化
炭化

高いエネルギーを照射し続けると顔料周辺の素材の高分子が炭化して、黒く発色します。

4. 化学変化
化学変化

基材中の顔料成分には必ず金属イオンが含まれます。レーザ照射により、このイオンの結晶構造の変化や結晶中の水和量が変化することにより、その成分の組成そのものが化学的に変化して顔料の濃度が増加して発色する現象がおこります。

Q10. ランニングコストはどれくらい掛かりますか?

ゼロです。
といっても日常の電気代は掛かります。その他は基本的に一切掛かりません。
光で印字するため、「消耗品不要」「ロングライフ」がレーザマーカの大きな特徴です。
インク・ラベルのコストがゼロになるのはもちろん、それらの資材管理の工数等も大幅削減できます。

ランニングコスト比較(イメージ)

電気代を含みません。

ラベル・インク方式
ラベル・インク方式
レーザマーカ
レーザマーカ

Q11. レーザ光を直接見てはいけないのですか?

レーザ光、鏡面反射光、および拡散反射光を直接見ないでください。

レーザ光が直接目に入ると失明する恐れがあります。
装置を使用する際には、作業者の目を保護するために専用の保護メガネの着用を義務付けてください。

保護メガネを着用する
直接見ない

Q12. マーキングスペースとは何ですか?

これは、従来のレーザマーカが基本仕様欄に「マーキングエリア」という記載であったのに対し、3次元制御レーザマーカが「マーキングスペース」という記載になったことにより頂く質問です。
従来のレーザマーカは、平面上にしかマーキングが出来なかったのに対して、3次元制御レーザマーカは焦点を可変できるため「空間」の概念を持っています。
これにより、「エリア」でなく「スペース」という表記を使用しています。

従来(2次元制御)レーザマーカ

従来(2次元制御)レーザマーカ

マーキングエリア : 120×120mm(例)

平面上でのみしか焦点を合わせることができない。

3次元制御レーザマーカ

マーキングスペース : 120×120×42mm(例)

空間内で自在に焦点を合わせることが可能。

3次元制御レーザマーカ
3次元制御レーザマーカ

基礎知識編vol.3

Q13. レーザマーカはどうやって文字を書くのですか?

増幅されたレーザ光を対象物の表面で集光してエネルギーを加えます。
この集光ポイントを「スキャナミラー」と呼ばれるミラーで走査することによって、一筆書きの要領で文字を書いていきます。
従来はX軸スキャナ・Y軸スキャナの2軸制御だったため、平面状でしかレーザ光を走査することができませんでしたが、当社の最新モデルではZ軸スキャナによる高さ制御も可能になり、あらゆる立体形状へ鮮明なマーキングが可能になりました。

Z軸のスキャナの搭載により、立体形状へ鮮明マーキングを実現!

Q14. レーザマーカはどのような業界で使用されているのですか?

電気・電子部品業界や金属業界だけでなく、樹脂成型業界・金型業界・食品業界・印刷業界など、あらゆる業種・業界で今や幅広くレーザマーカを導入頂いています。

アイスクリーム
アイスクリーム
化粧品
化粧品
ラベル作成(ハーフカット)
ラベル作成(ハーフカット)

Q15. 化粧箱へマーキングするには、レーザマーカとインクジェットプリンタのどちらが適していますか?

印字品質・ランニングコスト・メンテナンス性どれを取っても「レーザマーカの方が優位」と言えます。
レーザマーカで化粧箱へマーキングする際には、印字部分に印刷ベタを施すとより視認性の高い印字が可能です。白地部分に印字する場合には、レーザマーカで焦がす印字も可能です。

印刷部分へのマーキング
印刷部分へのマーキング
白字部分へのマーキング
白字部分へのマーキング

Q16. レーザマーカで印字したものは消すことができますか?

消せません。何と言っても「半永久的に消えない印字」が売り物です。
対象物を物理的に加工するため、インクと違って消したくても消すことができませんのでご注意下さい。
最近では改ざん防止の目的で採用されるケースも増えて来ています。

マーキングにより、確実な管理を実現できるのが「レーザマーカ」です。

文字サイズ(代表例)
文字サイズ(代表例)
漢字
漢字
ロゴマーク
ロゴマーク
バーコード
バーコード
2次元コード
2次元コード
RSSコード
RSSコード
BMP、JPEGデータ
BMP、JPEGデータ

Q17. シングルモードとはなんですか?どんなメリットがあるのですか?

レーザ光の断面が1点で集光されていて、かつ点対称になる横モード特性を持つレーザビームのことです。
パワー分布が不均一なマルチモードビームと比較すると微細で高品質なマーキングを実現します。

MD-Xシリーズ:スーパーシングルモード

ビームの中心一点にパワーのピークが集中しています。さらに超ショートパルスで印字するため、余計なストレスをかけず、今までにない美しい印字が可能です。

MD-Vパワー分布
超美麗印字・超微細加工の実現
  • パーティクルが発生しにくい
  • ムラのない印字
  • 発色性の向上
MD-V印字写真

従来YAG:マルチモード

ビームの中に、パワーのピークがランダムに発生します。低いパワーをたくさんかけて印字するイメージで、均一な印字は困難です。

従来YAGパワー分布
従来YAG印字写真

Q18. レーザを使った加工にはマーキング以外にどんなものがあるのですか?

レーザ加工の種類

大別すると、除去加工・接合加工・表面改質の3つに分かれます。

除去

表面温度が、沸点より高くなり蒸発が起こる状態

  • 切断
    金属・非金属などの薄板の切断
  • 穴あけ
    繊細な穴あけ加工
  • スクライビング
    セラミックなど、ICチップの溝切り分離
    (=分割し易いように、材行に割り傷を付ける方法を言う)
  • トリミング
    半導体の抵抗微調のための薄膜抵抗の一部除去
    (整形する、微小量除去加工)
  • マーキング
接合

表面温度が、融点より高くなり溶融が起こる状態

  • 溶接
    金属体の高速溶接
改質

表面温度が、融点以下の状態

  • 焼入れ
    耐摩耗性や強度向上のため
  • 蒸着
    耐摩耗性や耐蝕性向上のため

レーザマーカでの加工例

主に当社のレーザマーカはその名の通り、マーキングに使用されていますが近頃ではレーザマーカの認知度も高まり、「加工用途」でもレーザマーカを採用頂くケースが非常に多くなっています。
以下にレーザマーカでの加工例を一部ご紹介します。

CO2レーザ

CO2レーザマーカでの加工は主に切断・穴あけなどの用途で使用されています。

フィルム加工
フィルム加工
電線被覆カット
電線被覆カット
レンズの穴あけ
レンズの穴あけ
不織布の切断
不織布の切断
ラベルのハーフカット
ラベルのハーフカット
ゲートカット
ゲートカット
YVO4レーザ

YVO4レーザマーカでの加工は主に加工精度を要求される剥離用途で使用されています。

デジカメ筐体のアース取り(アルマイト)
デジカメ筐体のアース取り
(アルマイト)
インパネスイッチ(立体形状への印字)
インパネスイッチ
(立体形状への印字)

基礎知識編vol.4

Q19. ピークパワーとは何ですか?

レーザ1 パルスのエネルギーをパルス幅で割った値です。表示単位は「W」

ピークパワーが高い>金属掘り込み・樹脂発色に有利。 パルス幅が短い>対象物への熱影響が少ない。

Q20. レーザマーカは赤外線レーザですか?

CO2レーザマーカ・YAG/YVO4レーザマーカはともに赤外線レーザです。これはどちらもレーザ光の波長が780nmよりも長いため赤外線レーザに含まれます。但しレーザマーカにはいろいろな波長が存在します。可視光領域(380n~780nm)の波長を利用したレーザもありますし、紫外線領域の波長を利用したレーザも存在します。

可視光領域(380n~780nm)の波長を利用したレーザ

Q21. スキャン方式とマスク方式の違いを教えて下さい。

Q13で紹介したように、1本のレーザ光をスキャナで走査させて一筆書きするのが「スキャン方式」レーザマーカです。対して液晶マスクやメタルマスクなどにレーザ光を面で照射して、マスクを透過した部分だけ対象物に印字される方式が「マスク式レーザ」です。最近ではスキャニングレーザの高速に伴い、スキャン方式のネック点がカバーされているため印字の自由度が高いスキャン方式が一般的になってきています。

スキャン方式

スキャン方式
  • 印字の内容を都度可変させることができるため、ロットやシリアルを印字することができる。
  • 品種が頻繁に変わる場合も登録データの書き換えのみで段取り替えが不要。
  • 移動体にも追従させながら印字を書くことができる。
  • 印字内容が増えると印字の時間も長くなる。

マスク方式

マスク方式
  • 同じ内容を連続的に行なう場合には高速で印字が可能。
  • 解像度が高い。
  • アシストガスを必要とするケースが多く、ランニングコストが高い。
  • 移動体に印字ができない。
  • マスク(ステンシル)が必要。
  • 装置が比較的大きい。

Q22. YVO4とはなんですか?

Y:イットリウム+VO4:バナデート(4酸化バナジウム)のことです。YVO4レーザはこの結晶にNd(ネオジウム)を混合したものをレーザ媒質として使用しています。ランプやLDなどを光源として、媒体であるYVO4結晶に特定波長の光をあてると1064nmの光を発生します。これがYVO4レーザといわれるものです。以前はYVO4結晶でなく、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)を媒体として1064nmのレーザを発振させるケースが多く「YAG(ヤグ)レーザ」というカテゴリで呼ばれていました。

Q23. 半導体レーザとはなんですか?

半導体材料で作るレーザのこと。
pn接合の間に活性層という光が出る層があり、p側のホールとn側の電子が結合するとレーザ光を発光します。

半導体材料で作るレーザのこと
半導体材料で作るレーザのこと

構造はダイオードと全く一緒です。
母体をGaAsに変えるだけで、エネルギーが熱から光に代わりLEDになります。

光の増幅を行う半導体結晶の中心部(活性層)は光が全反射して外にもれないような構造になっています。
一般的には、半導体レーザは、通信用、光ディスク用以外にレーザ励起源として利用されています。

Q24. 3次元制御レーザとは何ですか?

その名の通り、「3次元形状」の対象物に鮮明に印字ができるレーザマーカです。
これまでのレーザマーカはX軸とY軸のみの制御だったため、平面上(2次元)しか印字ができませんでした。
対して3次元制御レーザマーカならば、X/Yに加えて「Z軸制御」がプラスされてています。
これにより円柱・円錐・段差・斜面などあらゆる形状に対して思い通りの印字が可能になりました。

  • 段差
  • 傾斜面
  • 円柱
  • 円錐

またこれまではfθレンズを使用して印字エリアの端に焦点を合わせていましたが、3次元レーザマーカならば、Z軸制御でエリアの隅々まで焦点を合わせることが出来るため、平面印字においても高精度印字に大きく貢献します。

問題
従来方式(Fθレンズ)では…端部では焦点がぼける。入射角度によりスポット形状も変形する。
エリア端部では・・・
  • 焦点がぼけ加工できない
  • 位置制度が悪くなる
  • スポットが楕円になる
エリア端部では・・・
焦点位置が固定なので・・・
  • 段差や曲面には印字できない
  • スポットサイズを可変できない
焦点位置が固定なので・・・
解決
3-Axis
3次元制御
広いエリアの端部でも焦点が合い、中心部と同等レベルの品質を実現。

ワイドエリア&3D印字中心端部
330mm以上のワイドエリアや立体形状にも、焦点をコントロールし自在に印字

ワイドエリア&3D印字中心端部。330mm以上のワイドエリアや立体形状にも、焦点をコントロールし自在に印字。
ワイドエリア&3D印字中心端部。330mm以上のワイドエリアや立体形状にも、焦点をコントロールし自在に印字。
ワイドエリア&3D印字中心端部。330mm以上のワイドエリアや立体形状にも、焦点をコントロールし自在に印字。

3次元制御だからできること

3次元制御レーザマーカ 設定例
3次元制御レーザマーカ 設定例
3次元制御レーザマーカ 印字例
樹脂筐体(段差印字)
樹脂筐体(段差印字)
インパネスイッチ(立体形状への印字)
インパネスイッチ(立体形状への印字)
段取り替えの工数も大幅削減
従来
従来 ジグや高さ調整機構などが必要
ジグや高さ調整機構などが必要
ML-Z
ML-Z 42mm幅で焦点を可変し印字
42mm幅で焦点を可変し印字

マーキング学習塾 トップへ戻る