JP4304037B2 - Laser marking device - Google Patents
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Description
本発明は、レーザマーキング装置に係り、特に、印字品質の向上を図ったものに関する。 The present invention relates to a laser marking apparatus, and more particularly to an apparatus for improving printing quality.
従来から、ガラスを透過しない波長以上の赤外線レーザ(具体的には、経済性等を考慮した波長10.6μmの炭酸ガスのCO2レーザ)を用いて、ガラスに文字、記号、図形等を印字するレーザマーキング装置がある。
ところで、図11に示すように、常温のガラス(以下、「ガラス製品900」という)に直接レーザ光910を照射すると、サーマルショック(熱ショック)で印字箇所の周りに微小なクラック901が発生し、印字品質を低下させてしまい、ひいてはそのガラス製品自体の品質を低下させてしまうことがある。そこで、このような問題を回避するために、に示すような方法が開示されている。これは、図12(A)に示すように、ガラス製品の製造過程内において、液体状の溶融ガラス920からの成形段階で、まだ高温で軟化状態にあるガラス930にレーザ光910を照射して印字を行う方法である。
Conventionally, a laser that prints characters, symbols, figures, etc. on glass using an infrared laser with a wavelength that does not pass through glass (specifically, a CO2 laser of carbon dioxide gas with a wavelength of 10.6 μm in consideration of economics). There is a marking device.
By the way, as shown in FIG. 11, when
しかしながら、上述した従来の方法においては、ガラス製品への印字は、ガラスの製造工程内で行う必要があり、ガラスの製造メーカでしか行えないことになってしまう。そこで、このような問題を解決するものとして、特開昭62-292655号公報には、図12(B)に示すように、ガラスの製造メーカから出荷されたガラス製品900を加熱装置によって再加熱して軟化した状態のガラス930に対して、レーザ光910により印字を行う方法が開示されている。
ところが、この方法では、どの部分に印字するか否かに拘わらずガラス製品900全体を加熱するから、それに要する時間がかかる。また、レーザマーキング装置に本来的に必要な構成とは別に加熱するための構成が必要であるから、これにより装置全体の大型化及びコストアップに繋がるといった問題があった。
尚、上記問題を解決すべく本願出願人は、特開2003−136259公報に開示されている方法を発明した。これによれば、ガラス製品にマーキングを行なったとしても、クラックが生じることなく高い印字品質を維持することができる。本願出願人は、これに加えて、印字処理の一層の高速化を図りたいと試行錯誤を繰り返した。
However, in this method, since the
In order to solve the above problem, the applicant of the present invention invented a method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-136259. According to this, even if marking is performed on a glass product, high print quality can be maintained without causing cracks. In addition to this, the applicant of the present application repeated trial and error in order to further speed up the printing process.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、被マーキング対象物(ガラス部材、超硬化材質部材)への直接の印字を可能にしつつ装置全体の大型化及びコストアップを回避することが可能なレーザマーキング装置を提供するところにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to avoid the increase in size and cost of the entire apparatus while enabling direct printing on an object to be marked (glass member, super-hardened material member). The present invention provides a laser marking apparatus capable of performing the above.
上記の目的を達成するための手段として、請求項1の発明は、レーザ光出射手段からのレーザ光をガルバノミラー装置及び収束レンズを介して被印字対象物の印字領域上に照射し、前記ガルバノミラー装置を動作させることにより前記レーザ光を前記印字領域上を走査して文字・記号・図形等のマーキング情報を前記印字領域上に印字するレーザマーキング装置において、
前記レーザ光出射手段は前記印字領域上において第1のスポット径で集光する第1のレーザ光と、同じく前記印字領域上においてマーキング不能なエネルギーフルエンスとされる第2のスポット径を有するとともに、前記第1のレーザ光の集光位置を包含する領域に照射される第2のレーザ光とを出射するように構成されており、かつ、前記第1又は第2のレーザ光におけるエネルギーフルエンスを前記マーキング情報における各線分要素の始点において、前記第1のレーザ光のスポット及び第2のレーザ光のスポットの重なる位置がマーキング不能な程度のエネルギーフルエンスからマーキング可能な程度のエネルギーフルエンスへ増大するように前記第1又は第2のレーザ光のエネルギーフルエンスを変更するエネルギーフルエンス変更手段を備えているところに特徴を有する。
As a means for achieving the above object, the invention of
The laser beam emitting means has a first laser beam condensed at a first spot diameter on the print area, and a second spot diameter that is also an energy fluence that cannot be marked on the print area, And a second laser beam that is irradiated onto a region including the condensing position of the first laser beam, and the energy fluence in the first or second laser beam is At the start point of each line segment element in the marking information, the overlapping position of the spot of the first laser beam and the spot of the second laser beam is increased from an energy fluence that cannot be marked to an energy fluence that can be marked. Energy fluence change for changing the energy fluence of the first or second laser beam Characterized in place and a stage.
請求項2の発明は、請求項1に記載のものにおいて、レーザ光出射手段はレーザ光源を1つ備え、前記エネルギーフルエンス変更手段は、前記レーザ光源のレーザ出力を変更するように構成されているところに特徴を有する。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the laser beam emitting means includes one laser light source, and the energy fluence changing means is configured to change the laser output of the laser light source. However, it has characteristics.
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載のものにおいて、前記エネルギーフルエンス変更手段は前記レーザ光源からのレーザ光の光軸を2光軸に分割することで前記第1及び第2のレーザ光を生成する分割手段と、
前記第1又は第2のレーザ光のうち一方のビーム径を変更するビーム径変更手段と、
前記第1及び第2のレーザ光を同一光軸上に配するとともに、前記ガルバノミラー装置に導く合成手段とから構成されているところに特徴を有する。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the energy fluence changing means divides an optical axis of the laser beam from the laser light source into two optical axes, so that the first and the first are changed. Splitting means for generating two laser beams;
Beam diameter changing means for changing one of the first and second laser beams;
The first and second laser beams are arranged on the same optical axis and are composed of combining means for guiding the first and second laser beams to the galvanometer mirror device.
請求項4の発明は、請求項1又は請求項2に記載のものにおいて、前記エネルギーフルエンス変更手段は、ビームエキスパンダと、異なる焦点距離を有する複合レンズとを備え、前記ビームエキスパンダと前記複合レンズとの距離又は前記ビームエキスパンダから出射されるレーザ光のビーム径を変更することで、前記複合レンズから出射される焦点距離の異なる第1及び第2のレーザ光のうち一方又は双方のエネルギーフルエンスを変更するように構成されているところに特徴を有する。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect, the energy fluence changing unit includes a beam expander and a composite lens having different focal lengths, and the beam expander and the composite By changing the distance to the lens or the beam diameter of the laser light emitted from the beam expander, the energy of one or both of the first and second laser lights having different focal lengths emitted from the compound lens It is characterized in that it is configured to change the fluence.
請求項5の発明は請求項3又は請求項4のいずれかに記載のものにおいて、前記エネルギーフルエンス変更手段は、前記第1のレーザ光の光軸又は前記第2のレーザ光の光軸のうち少なくとも一方の光軸上に配されてレーザ光を減衰させるレーザ光減衰手段により構成されているところに特徴を有する。 According to a fifth aspect of the present invention, the energy fluence changing means according to any one of the third or fourth aspect of the invention is characterized in that the optical axis of the first laser light or the optical axis of the second laser light. It is characterized in that it is constituted by laser light attenuating means that is arranged on at least one optical axis and attenuates the laser light.
請求項6の発明は、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のものにおいて、前記被マーキング対象物は、超硬化材質部材又はガラス部材であるところに特徴を有する。
The invention of claim 6 is characterized in that, in any of
本発明では、まず第2のレーザ光にて被印字対象物の集光位置(印字位置)及びその周辺をマーキングされない程度のエネルギーフルエンスにて照射することで印字位置を加熱し、第1又は第2のレーザ光のエネルギーフルエンスを徐々に増大させて第1及び第2のレーザ光が照射される印字位置にマーキング可能な程度のエネルギーフルエンスを有するレーザ光が照射されることでマーキング処理が行なわれる。このようにすれば、被印字対象物にクラックを生じさせることなく高い印字品質を維持することできる。また、加熱とマーキングとを同時的に行なっているからマーキング処理の時間を大幅に短縮することができる。
エネルギーフルエンスを変更するエネルギーフルエンス変更手段としては、具体的には第1又は第2のレーザ光のビーム径を変更するビーム径変更手段と、レーザ光を減衰させるレーザ光減衰手段と、レーザ光源のレーザ出力を変更する構成とが考えられる。
このうち、ビーム径変更手段はレーザ光のビーム径を拡大・縮小する収束レンズ・発散レンズ等により構成することができる。また、レーザ光減衰手段は具体的減衰フィルタ、液晶シャッタ等を用いて構成することができる。
また、炭素鋼等の鉄系材料などからなる超硬化材質部材、又はガラス材質からなるガラス部材などは特にクラックが生じやすいが、上記マーキング装置を適用することにより、このようなマーキングが行いにくいものにおいて効果的にマーキングが行える構成となる。
尚、「エネルギーフルエンス」とは、単位面積あたりのエネルギー量を示したもので、単位は、例えばJ/m2,J/cm2等があり、J/cm2がよく用いられている。
In the present invention, first, the print position is heated by irradiating the condensing position (print position) of the object to be printed (the print position) and its periphery with an energy fluence that is not marked with the second laser light, and the first or first The marking process is performed by gradually increasing the energy fluence of the laser beam 2 and irradiating the laser beam having an energy fluence sufficient to enable marking on the print position irradiated with the first and second laser beams. . In this way, high print quality can be maintained without causing cracks in the object to be printed. Moreover, since the heating and the marking are performed simultaneously, the time for the marking process can be greatly shortened.
Specifically, the energy fluence changing means for changing the energy fluence includes a beam diameter changing means for changing the beam diameter of the first or second laser light, a laser light attenuating means for attenuating the laser light, and a laser light source A configuration in which the laser output is changed can be considered.
Of these, the beam diameter changing means can be constituted by a converging lens, a diverging lens, or the like that enlarges or reduces the beam diameter of the laser beam. The laser light attenuating means can be configured using a specific attenuation filter, a liquid crystal shutter, or the like.
In addition, super-hardened material members made of iron-based materials such as carbon steel, or glass members made of glass materials are particularly susceptible to cracking, but it is difficult to perform such marking by applying the above marking device. In this configuration, marking can be effectively performed.
“Energy fluence” indicates the amount of energy per unit area, and the unit is, for example, J / m 2 or J / cm 2 , and J / cm 2 is often used.
<実施形態1>
本発明に係るレーザマーキング装置の一実施形態について図1乃至図5を参照しつつ説明する。図1は、第1実施形態のレーザマーキング装置の構成を概念的に示すブロック図である。この図におけるレーザマーキング装置1は、主として、例えば波長4.8μm以上のレーザ光を出射する赤外線レーザ等として構成されるレーザ光源210(本実施形態の例では、波長10.6μmの炭酸ガス(CO2)レーザ等が用いられる)と、レーザ光源210からのレーザ光の方向を変更するガルバノミラー220と、ガルバノミラー220からのレーザ光を収束させ、被マーキング対象物上にレーザスポットを形成する収束レンズ(fθレンズ800)とを備えた構成をなしている。さらに、レーザ光源210を駆動制御するとともに、ガルバノミラー220を駆動制御することにより、レーザスポットを走査して所定のマーキング動作を行うことで文字・記号・図形等のマーキング情報をマーキングするように構成されており、制御手段130がこのようなマーキング制御を行うマーキング制御手段に相当する。
<
An embodiment of a laser marking device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram conceptually showing the structure of the laser marking apparatus of the first embodiment. The
上記のレーザマーキング装置1は、主としてコントローラ部100とヘッド部200とからなり、以下、各々の構成について詳述する。
コントローラ部100には、被マーキング対象物として例えばガラス等のクラック発生材質からなるワーク300上にマーキングする文字・記号・図形等のマーキング情報を入力する入力手段110としてコンソール(パソコンのキーボードなどであってもよい)が設けられており、さらにこのコンソール(入力手段110)から入力されるマーキング情報に基づいて、複数の座標データを得るデータ生成手段120が設けられている。
The
The
さらに、コントローラ部100には、データ生成手段120で生成された複数の座標データを格納する記憶手段140が設けられており、制御手段130は、記憶手段140に格納される複数の座標データを順番に出力させると共に、それら複数の座標データが、始点および終点である端点の座標データであるか否かを認識し、複数の座標データの出力、および、レーザ光源のON/OFF等を制御するように構成されている。また、ヘッド部200と座標データ等の信号の送受信を行うためのラインドライバ及びラインレシーバ(以下ラインドライバ/レシーバ50Aと称する)が備えられている。
Further, the
一方、ヘッド部200には、コントローラ部100と座標データ等の信号の送受信を行うラインドライバ及びラインレシーバ(以下ラインドライバ/レシーバ50Bと称する)が設けられており、さらに、上述したレーザ光源210と、このレーザ光源210からのレーザ光のビーム径を拡大するビーム径拡大手段であるビームエキスパンダ710を備える光学系700と、ビームエキスパンダ710でビーム径を拡大されて出射されたレーザ光の方向を変える上述のガルバノミラー220と、このガルバノミラー220からのレーザ光をワーク300上に照射することによって、ワーク300上にレーザスポットを形成する収束レンズ(fθレンズ800)とが設けられている。また、コントローラ部100の記憶手段140からラインドライバ/レシーバ50Bを介して送られてきた複数の座標データを、それぞれに対応する電圧に変換するD/A変換手段230と、このD/A変換手段230からの電圧に基づいて、ガルバノミラー220を駆動制御するサーボ回路240とを備え、さらに、D/A変換手段230からの各座標データに対応する電圧及びガルバノミラー220の駆動量に対応する電圧に基づいて、端点の座標データに対する、レーザ光の照射位置の接近状態を検出する接近状態検出手段250を備えている。
On the other hand, the
ガルバノミラー220は、一方向にレーザ光の方向を変えるX軸ガルバノミラー220Xと、このX軸方向と直交する方向にレーザ光の方向を変えるY軸ガルバノミラー220Yとから構成されており、この2つのガルバノミラーを駆動することによりレーザ光を2次元方向に走査する構成をなしている。
The
次に、マーキング時における各部品の機能について説明する。
マーキング処理を行う場合には、マーキングする文字・記号・図形等のマーキング情報がコンソール(入力手段110)によって入力される。コンソールは入力手段110に加え、表示部を有する図示しない出力装置を兼ね備えており、入力されたマーキング情報が表示部によって確認できるので、この表示を見ながらマーキング情報を入力されることとなる。
Next, the function of each component at the time of marking will be described.
When the marking process is performed, marking information such as characters, symbols, and figures to be marked is input by the console (input unit 110). In addition to the input means 110, the console also has an output device (not shown) having a display unit. Since the input marking information can be confirmed by the display unit, the marking information is input while viewing this display.
コンソール110からマーキングデータ生成開始のトリガ信号が入力されると、このトリガ信号を受けて、データ生成手段120では、入力されたマーキング情報に対し、マーキング情報である文字・図形・記号を構成する線分要素に分解し、始点および終点の座標データを得る。また、この線分要素が直線であるのか曲線であるのかという線種の情報もこの座標データの中に含まれている。
When a trigger signal for starting the marking data generation is input from the
座標データを生成した後、制御手段130に格納開始信号を出力し、制御手段130はこの信号を受けて、記憶手段140内のメモリ142を座標データの書き込みが可能な状態(書き込みモード)にセットする。そして、データ生成手段120は、各線分要素を、始点から終点までの間を更に細かく分解し、始点及び終点とを含めた複数の軌跡点の座標データを演算して求め、それぞれの座標データにアドレスを付してメモリ142に順次格納していく。このとき生成された軌跡点の座標データには、それが始点の座標データであるのか、終点の座標データであるのか、あるいは、中点の座標データであるのかという点データの情報も含まれている。
After the coordinate data is generated, a storage start signal is output to the
そして、制御手段130は、図示しない、外部からのマーキング開始のトリガ信号が入力されることに伴い、メモリ142に格納されたこれら座標データを出力する際に、メモリ142をデータを読み出し可能な状態(読み出しモード)にセットすると共に、記憶手段140内にあるカウンタ141にカウンタ制御信号を出力する。カウンタ141はこの制御信号を受けてメモリ142のアドレスを順次カウントしていき座標データを読み出し、出力する。メモリ142から出力された座標データは、コントローラ部100のラインドライバ/レシーバ50Aからヘッド部200のラインドライバ/レシーバ50Bを介して、D/A変換手段230へ送出されると共に、制御手段130にも送出される。
The
制御手段130では、ラインドライバ/レシーバ50Aから送出された座標データが、始点の座標データであるのか、終点の座標データであるのかに基づき、後述するレーザ制御信号であるON/OFF信号をレーザ光源210へ出力し、レーザ光源210はこの制御信号を受けてレーザ光をON/OFFさせる。D/A変換手段230では、送出されてきた座標データを電圧に変換してサーボ回路240へ出力すると共に、接近状態検出手段250に備えられた、第1の判別手段であるウィンドウコンパレータ253にも出力している。
In the control means 130, an ON / OFF signal, which will be described later, is used as a laser light source based on whether the coordinate data sent from the line driver / receiver 50 </ b> A is start point coordinate data or end point coordinate data. In response to this control signal, the
サーボ回路240ではこの電圧を受けて回路を駆動させるとともに、ガルバノミラー220の角度制御を行っており、これによってガルバノミラー220の角度が変化して、レーザ光源210からのレーザ光の方向を制御することで、ワーク300上に照射されるレーザ光を2次元的に走査する。サーボ回路240内には角度検出手段251が備えられており、この角度検出手段251はガルバノミラー220の角度を検出して、この角度に対応した電圧をサーボ回路240内にフィードバックすると共に、この電圧をウィンドウコンパレータ253にも出力している。
The
また、サーボ回路240内には速度検出手段である微分回路252も備えられており、この微分回路252は角度検出手段251からの電圧をガルバノミラー220の走査速度に対応した電圧に変換して、サーボ回路240内にフィードバックすると共に、この電圧を接近状態検出手段250に備えられている第2の判別手段であるコンパレータ254にも出力している。
The
ウィンドウコンパレータ253では、入力されたD/A変換手段230からの電圧に対する、角度検出手段251からの電圧の差を、所定の第1の基準電圧と比較し、その結果を第1の2値化信号で出力し、この第1の2値化信号はヘッド部200のラインドライバ/レシーバ50Bからコントローラ部100のラインドライバ/レシーバ50Aを介して制御手段130へと入力される。また、コンパレータ254では、入力された微分回路252からの電圧が所定の第2の基準電圧と比較し、その結果を第2の2値化信号で出力し、この第2の2値化信号もヘッド部200のラインドライバ/レシーバ50Bからコントローラ部100のラインドライバ/レシーバ50Aを介して制御手段130へと入力される。
The
制御手段130では、メモリ142からラインドライバ50Cを介して送出された座標データが、始点及び終点の座標データであった場合に、この2値化信号を受け入れて、D/A変換手段230からの電圧に対する角度検出手段251からの電圧の差が所定の第1の基準電圧以内であって、かつ、微分回路252からの電圧が所定の第2の基準電圧以内の時に、順次座標データを送出するようにして、それ以外の判別結果の時は、メモリ142のアドレスをカウントしているカウンタ141をこの始点、或いは終点の座標データのアドレスで繰り返しカウントさせるようにする。
When the coordinate data sent from the
また、制御手段130では、メモリ142からラインドライバ/レシーバ50Aを介して送出された座標データが、始点の座標データであった場合には、この2値化信号を受け入れて、D/A変換手段230からの電圧に対する角度検出手段251からの電圧の差が所定の第1の基準電圧以内であって、かつ、微分回路252からの電圧が所定の第2の基準電圧以内の時に、順次座標データを送出するわけだが、この際に、メモリ142のアドレスをカウントアップして、次の座標データを送出すると共に、レーザ光源210にレーザ制御信号(ON信号)を与え、レーザ光を出射させる。一方、メモリ142からラインドライバ50を介して送出された座標データが、終点の座標データであった場合には、この2値化信号を受け入れて、D/A変換手段230からの電圧に対する角度検出手段251からの電圧の差が所定の第1の基準電圧以内であって、かつ、微分回路252からの電圧が所定の第2の基準電圧以内の時に、レーザ光源210にレーザ制御信号(OFF信号)を与え、レーザ光をOFFする。
Further, when the coordinate data sent from the
次に、図2を参照しつつ光学系700について説明する。
本実施形態の光学系700はレーザ光源210からのレーザ光のビーム径を変更するビームエキスパンダ710と、このビームエキスパンダ710を出射したレーザ光から第1及び第2のレーザ光L1,L2を生成し、第2のレーザ光L2のビーム径B2を変更する補助光学系720とから構成されている。
Next, the
The
ビームエキスパンダ710は図2に示すように周知の構造をなしており、発散レンズ711とコリメータレンズ712との間隔を変えることにより、ビーム径を変更することができる。
補助光学系は、ハーフミラー721,722と、全反射ミラー723,724と、発散レンズ725とを一体的に備えた光学ユニットとして構成されている。
ビームエキスパンダ710からのレーザ光はハーフミラー721により2光軸LC1,LC2に分岐され、一方(第1のレーザ光L1)がハーフミラー722に向かい、他方(第2のレーザ光L2)が全反射ミラー723,724を反射して発散レンズ725に向かう。ハーフミラー721及び発散レンズ725を通過した第1及び第2のレーザ光L1,L2はハーフミラー722により同一光軸上に配されてガルバノミラー220に向かう。
The
The auxiliary optical system is configured as an optical unit integrally including half mirrors 721 and 722, total reflection mirrors 723 and 724, and a diverging
The laser beam from the
発散レンズ725は制御手段130からの駆動信号に基づいて光軸LC2に沿った方向に移動可能なアクチュエータ(図示せず)に搭載されており、このアクチュエータの動作に伴って発散レンズ725が光軸LC2上を移動することができるようになっている。従って、発散レンズ725の位置によってワーク300の印字領域MA上における第2のレーザ光L2のビーム径B2が変化するようになっている。
The diverging
また、ハーフミラー721,722は、制御手段130からの制御信号に基づいて第1のレーザ光L1の光軸LC1と直交する方向へこれらハーフミラー721,722を移動するアクチュエータ(図示せず)に搭載されており、例えば、ガラス等にマーキング処理を施す場合には光軸LC1上へ進入した位置(進入位置)に配され、クラックの生じない部材にマーキング処理を施す場合には光軸LC1からずれた位置(待避位置)に配されるようになっている。
Further, the half mirrors 721 and 722 are actuators (not shown) that move the half mirrors 721 and 722 in a direction orthogonal to the optical axis LC1 of the first laser light L1 based on a control signal from the
以下、本発明の動作について説明する。
炭素鋼の鉄系材料からなる超硬化材質やガラス等にマーキング処理を施す際において、マーキング可能なエネルギーフルエンス(以下、「フルエンス」という)を有するレーザ光をいきなり印字領域MA上に照射すると、サーマルショックによりクラックが生じる虞がある。そこで、本実施形態では、まず、印字位置M及びその周辺を加熱し、昇温したところでマーキング処理を施すことによりサーマルショックを回避している。
尚、「エネルギーフルエンス」とは、単位面積あたりのエネルギー量を示したもので、単位は、例えばJ/m2,J/cm2等があり、J/cm2がよく用いられている。
The operation of the present invention will be described below.
When marking a super-hardened material made of carbon steel, such as iron-based material, or glass, a laser beam with a markable energy fluence (hereinafter referred to as “fluence”) is suddenly applied to the print area MA. There is a risk of cracking due to shock. Therefore, in the present embodiment, first, the printing position M and its surroundings are heated, and when the temperature rises, a marking process is performed to avoid thermal shock.
“Energy fluence” indicates the amount of energy per unit area, and the unit is, for example, J / m 2 or J / cm 2 , and J / cm 2 is often used.
本実施形態では、発散レンズ725をミラー724側からハーフミラー722側へ徐々に移動させて、第2のレーザ光L2の印字領域上におけるビーム径B2を小さくすることによりフルエンスを増大させている。具体的には、印字開始時において第1のレーザ光L1の集光位置(印字位置M)のフルエンスφ0がマーキング不能な程度のフルエンスとされている。即ち第1のレーザ光L1と第2のレーザ光L2とのフルエンスφ1,φ2の和φ0がマーキング不能なフルエンスφa以下とされる。そして、時間経過とともに、発散レンズ725をハーフミラー722側へ移動させると、第2のレーザ光L2のビーム径B2が小さくなり、第2レーザ光L2の印字領域MA上におけるフルエンスφ0が増大する。所定時間(加熱時間Ta)経過後には、印字位置Mにおけるフルエンスφ0がマーキング可能なフルエンスφa以上となってマーキング処理が施されることとなる。そして、所定のフルエンスφbを維持する(図3及び図4参照)。
従って、上記の加熱時間Taをワーク300にサーマルショックを生じさせない程度の時間となるように、発散レンズ725の移動速度を調整するようにすれば良いのである。この加熱時間Taはワーク300の材質に基づいて理論的に想定される時間に設定しても良く、実際にワーク300にレーザ光L1,L2を照射して実験的に設定しても良い。あるいは、理論的に想定される時間に設定しておき、その後は実際にレーザを照射することにより加熱時間Taを設定しても良い。
In this embodiment, the fluence is increased by gradually moving the diverging
Therefore, the moving speed of the diverging
また、レーザ光源14の出力を増大させることによりフルエンスφ0を増大させる方法を講じても良い(図5参照)。この場合にも、上記のように、理論値、実験値、又は双方に基づいた加熱時間Taを設定することができる。
さらには、発散レンズ725を移動させつつレーザ光源14の出力を増大させてフルエンスを増大させるようにしても良い。
Further, a method of increasing the fluence φ0 by increasing the output of the laser light source 14 may be taken (see FIG. 5). Also in this case, as described above, the heating time Ta based on the theoretical value, the experimental value, or both can be set.
Furthermore, the fluence may be increased by increasing the output of the laser light source 14 while moving the diverging
また、上記動作においては、ハーフミラー721,722を進入位置に配して、第1及び第2のレーザ光L1,L2を出射させるようにしていたが、サーマルショックによりクラックが生じないワークWにマーキング処理を施す場合には、これらハーフミラー721,722を待避位置に配して第1のレーザ光を出射させて加熱動作を行なうことなくマーキング処理を施すことができる。 Further, in the above operation, the half mirrors 721 and 722 are arranged at the approach positions so that the first and second laser beams L1 and L2 are emitted. However, the workpiece W is free from cracks due to thermal shock. When the marking process is performed, the half mirrors 721 and 722 are arranged at the retracted positions, and the marking process can be performed without performing the heating operation by emitting the first laser beam.
また、別の構成として、ハーフミラー722を偏光ビームスプリッタに換装し、ハーフミラー721と全反射ミラー723との間に1/4波長板726を配するとともに、P偏光のみを透過させる偏光ビームスプリッタと全反射ミラー726との間に1/4波長板726を配するように構成しても良い。
このような構成では、直線偏光(例えばP偏光)とされるレーザ光がハーフミラー721を通過すると、第1及び第2のレーザ光とに分岐する。このうち、第1のレーザ光はP偏光であるから、偏光ビームスプリッタを透過する。一方、第2のレーザ光は1/4波長板を2回透過することによりS編波とされるから、偏光ビームスプリッタで反射して、第1のレーザ光の光軸LC1と同一光軸上に配されることとなる。このような構成とすると、ハーフミラー722で構成した場合に比べて第1のレーザ光及び第2のレーザ光の損失が極めて小さくなり、省電力化に寄与することとなる。
また、1/4波長板726を全反射ミラー723又は724のいずれか一方の光反射面上に設けるようにしてもよい。このようにすると、全反射ミラー723(724)に入射する前に1/4波長板を透過し、さらに全反射ミラー723(724)を反射した後に1/4波長板を透過してP偏光とされて偏光ビームスプリッタで反射することとなる。
As another configuration, the
In such a configuration, when laser light that is linearly polarized light (for example, P-polarized light) passes through the
Further, the
上記実施形態によれば、まず第1及び第2のレーザ光L1,L2をマーキングされない程度のフルエンスにてワーク300に照射することで印字位置M及びその周辺を加熱し、第1及び第2のレーザ光L1,L2が照射される印字位置Mにはマーキング可能な程度のフルエンスを有するレーザ光L1,L2を照射することによりマーキングが行なわれる。このようにすれば、ワーク300にクラックを生じさせることなく高い印字品質を維持することできる。また、加熱処理とマーキングとを同時的に行なっているからマーキング処理の時間を大幅に短縮することができる。
さらに、各線分のマーキングにおいて終点まで達したときに、エネルギーフルエンスφa以下のマーキング不能状態として除冷期間を設けるようにすればなお良い。
According to the embodiment, first, the print position M and its surroundings are heated by irradiating the
Furthermore, when the end point is reached in the marking of each line segment, it is preferable to provide a cooling period as a marking impossible state having an energy fluence φa or less.
<実施形態2>
本実施形態は図6及び図7に示すように、光学系700をビームエキスパンダ710及び円盤形状をなす複合レンズ730により構成しているところが実施形態1と相違している。その他の構成は上記実施形態と同一であるから、相違する部分についてのみ説明する。
複合レンズ730はその中心部分に収束機能を有する収束レンズ部731が形成されており、その周囲は入射した光をそのまま透過させる光透過部732とから構成されている。
ビームスプリッタ710からのレーザ光が複合レンズ730を入射すると、収束レンズ部731に入射した成分は収束光(第2のレーザ光L2)とされて途中で集光し、その後発散しつつガルバノミラー装置220に向かう。一方、光透過部732に入射した成分はそのまま透過して平行光(第1のレーザ光L1)としてガルバノミラーに向かう。
<Embodiment 2>
As shown in FIGS. 6 and 7, the present embodiment is different from the first embodiment in that the
The
When the laser beam from the
従って、この複合レンズ830をビームエキスパンダ710側からガルバノミラー装置220側へ移動させつつレーザ光を出射するようにすれば良い。そうすると、第2レーザ光L2の集光位置がガルバノミラー装置220側へ移動するから、ワークWの印字領域MA上における第2レーザ光L2のビーム径B2が縮小されてフルエンスφ2が増大する。この結果、第1のレーザ光L1の照射位置(印字位置M)におけるフルエンスφ0がマーキング不能な程度のフルエンスφa以下からマーキング可能な程度のフルエンスφa以上に増大し、もってマーキング処理が行なわれることとなる。
Therefore, it is only necessary to emit laser light while moving the compound lens 830 from the
また、ビームエキスパンダ710から出射されるレーザ光のビーム径を増大させることにより印字位置におけるフルエンスφ0を増大させることもできる。
例えば、印字開始時に発散レンズ711とビームエキスパンダ712との距離をd1に設定し、加熱時間Ta経過後にd1よりも長いd2とする。そうすると、距離d1のときにはビーム径がw1とされ、距離d2のときにはビーム径w1よりも大きいw2とされる。また、ビーム径w1のときの第1のレーザ光L1と第2のレーザ光L2との比率(複合レンズ730を透過したときの断面積の比率A。「比率A=第1のレーザ光の断面積/第2のレーザ光の断面積」と定義する。)がA1とされ、ビーム径w2のときの比率がA1よりも大きいA2とされる。この比率AがA2となるときのフルエンスφ0がマーキング可能なフルエンスφa以上とされるように設定し、比率がA1からA2に移行する時間を加熱時間Taとなるようにビームエキスパンダ710を制御すれば良いのである。
また、比率がA1からA2に変化する過程で、第1レーザ光L1のビーム径は大きくなるから、これにより、印字位置Mにおけるスポット径B1が縮小することは周知の事実である。具体的には、ビーム径が大きくなるに従ってスポット径B1が小さくなるという逆比例の関係となる。従って、ビームエキスパンダ710と複合レンズ730との距離を一定としておき、ビームエキスパンダ710から出射されるレーザ光のビーム径を増大させるように制御することで、上記と同様の動作が行なわれることとなる(図7参照)。
尚、レーザ光源210の出力のみを増大させる方法でも良いし、上記の方法と併用するようにしても良いことは勿論である。
Further, the fluence φ0 at the printing position can be increased by increasing the beam diameter of the laser light emitted from the
For example, the distance between the diverging
Further, since the beam diameter of the first laser beam L1 is increased in the process of changing the ratio from A1 to A2, it is a well-known fact that the spot diameter B1 at the printing position M is thereby reduced. Specifically, an inversely proportional relationship is established in which the spot diameter B1 decreases as the beam diameter increases. Therefore, the distance between the
Of course, a method of increasing only the output of the
<実施形態3>
本実施形態は実施形態1においてハーフミラー721,722間及びミラー723,724間にレーザ光減衰手段727を配した構成とされている。
このレーザ光減衰手段727は、例えば液晶シャッタあるいは減衰率を可変することができる減衰フィルタ等により構成することができ、上記実施形態と連動させてこれらを動作させるようにすることができる(図8参照)。
また、図9に示すように、ハーフミラー731,732間にのみレーザ光減衰手段727を設ける構成でも良く、あるいは、図10に示すように、ミラー723,724間にレーザ光減衰手段を設けるように構成してもよい。
<Embodiment 3>
In the present embodiment, laser light attenuation means 727 is arranged between the half mirrors 721 and 722 and between the
The laser light attenuating means 727 can be constituted by, for example, a liquid crystal shutter or an attenuating filter that can vary the attenuation factor, and can be operated in conjunction with the above embodiment (FIG. 8). reference).
Further, as shown in FIG. 9, the laser light attenuating means 727 may be provided only between the half mirrors 731 and 732, or the laser light attenuating means may be provided between the
<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
(1)本実施形態では、マーキング動作終了後に、出力レベルを落として再度、マーキング箇所を走査する冷却期間を設けていたが、この限りではなく、この冷却期間を設けない構成であっても良い。ただし、冷却期間を設けていれば、マーキング動作によりマーキングされた文字・記号・図形等の部分が急激に冷やされることがないから、クラックの発生を防止する効果を更に向上することができる。
(2)本実施形態では、レーザ光源に、ガラスを透過しない波長4.8μm以上の赤外線レーザを例として、経済性等も配慮した波長10.6μmの炭酸ガスのCO2レーザを用いる構成であったが、この限りではなく、ガラスを透過しないレーザであればよく、波長の非常に短い領域の紫外線領域のレーザ光を用いても良い。
(3)上記実施形態におけるハーフミラー721、722は例えば、透過率と反射率との比が8:2であるとか、又は7:2のように種々の比に変更するようにしても良い。特に第1のレーザ光はマーキング処理を行なう上でエネルギーフルエンスが第2レーザ光のエネルギーフルエンスよりも大きくされることが望ましいから、上述の構成は極めて有用である。
(4)また、第3実施形態において、液晶シャッタは外部からの制御信号に基づいてその透過率を変更するように構成しても良い、このようにすれば、エネルギーフルエンスの変更方向の選択枝が増えるから、最適な調整を行なうことが期待できる。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiments described with reference to the above description and drawings. For example, the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention, and further, within the scope not departing from the gist of the invention other than the following. Various modifications can be made.
(1) In this embodiment, after the marking operation, the output level is lowered and the cooling period for scanning the marking portion is provided again. However, the present invention is not limited to this, and the cooling period may not be provided. . However, if a cooling period is provided, characters, symbols, figures, and the like marked by the marking operation are not rapidly cooled, and the effect of preventing the occurrence of cracks can be further improved.
(2) In the present embodiment, the laser light source uses a CO2 laser of carbon dioxide gas having a wavelength of 10.6 μm in consideration of economy and the like, taking an infrared laser having a wavelength of 4.8 μm or more that does not pass through glass as an example. However, the present invention is not limited to this, and any laser that does not transmit glass may be used, and laser light in an ultraviolet region having a very short wavelength may be used.
(3) The half mirrors 721 and 722 in the above embodiment may be changed to various ratios such as a ratio of transmittance to reflectance of 8: 2 or 7: 2. In particular, since the energy fluence of the first laser beam is preferably larger than the energy fluence of the second laser beam in performing the marking process, the above-described configuration is extremely useful.
(4) In the third embodiment, the liquid crystal shutter may be configured to change its transmittance based on a control signal from the outside. In this case, the selection direction of the direction of changing the energy fluence is selected. Therefore, optimal adjustment can be expected.
210…レーザ光源
220…ガルバノミラー装置
300…ワーク
710…ビームエキスパンダ
720…補助光学系
800…収束レンズ
MA…印字領域
M…印字位置
L1…第1のレーザ光
L2…第2のレーザ光
LC1…第1のレーザ光の光軸
LC2…第2のレーザ光の光軸
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記レーザ光出射手段は前記印字領域上において第1のスポット径で集光する第1のレーザ光と、同じく前記印字領域上においてマーキング不能なエネルギーフルエンスとされる第2のスポット径を有するとともに、前記第1のレーザ光の集光位置を包含する領域に照射される第2のレーザ光とを出射するように構成されており、かつ、前記第1又は第2のレーザ光におけるエネルギーフルエンスを前記マーキング情報における各線分要素の始点において、前記第1のレーザ光のスポット及び第2のレーザ光のスポットの重なる位置がマーキング不能な程度のエネルギーフルエンスからマーキング可能な程度のエネルギーフルエンスへ増大するように前記第1又は第2のレーザ光のエネルギーフルエンスを変更するエネルギーフルエンス変更手段を備えていることを特徴とするレーザマーキング装置。 The laser light from the laser light emitting means is irradiated onto the print area of the object to be printed via the galvano mirror device and the converging lens, and the galvano mirror device is operated to scan the laser light on the print area. In a laser marking device that prints marking information such as characters, symbols, figures, etc. on the printing area,
The laser beam emitting means has a first laser beam condensed at a first spot diameter on the print area, and a second spot diameter that is also an energy fluence that cannot be marked on the print area, And a second laser beam that is irradiated onto a region including the condensing position of the first laser beam, and the energy fluence in the first or second laser beam is At the start point of each line segment element in the marking information, the overlapping position of the spot of the first laser beam and the spot of the second laser beam is increased from an energy fluence that cannot be marked to an energy fluence that can be marked. Energy fluence change for changing the energy fluence of the first or second laser beam Laser marking apparatus characterized by comprising a stage.
前記第1又は第2のレーザ光のうち一方のビーム径を変更するビーム径変更手段と、
前記第1及び第2のレーザ光を同一光軸上に配するとともに、前記ガルバノミラー装置に導く合成手段とから構成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のレーザマーキング装置。 The energy fluence changing means splits the optical axis of the laser light from the laser light source into two optical axes to generate the first and second laser lights, and
Beam diameter changing means for changing one of the first and second laser beams;
3. The laser marking according to claim 1, wherein the first and second laser beams are arranged on the same optical axis and are composed of a combining unit that guides the first and second laser beams to the galvanometer mirror device. 4. apparatus.
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