【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを走査することでガラスの内部に立体像を描画するガラスの描画方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料にレーザビームを走査してレーザマーキングする方法については、特許文献１、特許文献２または特許文献３公報等にて知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１にて、液晶または、プラズマディスプレイパネル、即ち、ＰＤＰパネルのガラス基板等の工業製品へ日付や製造番号等の情報を持つ文字、数字、バーコード等をマーキングするマーキング方法が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法においては、レーザビームによる熱が走査後にも被加工物に残り、次に、この高温になった部分にマーキングを行うと、先に形成した部分と大きさや形状が異なったマーキングになって、形成された文字、図形または記号の視認性が非常に悪くなるといった問題があった。
【０００４】
また、特許文献２にて、工場出荷品の包装やラベル等の記録体の表面に入力される商品名、ロット番号、バーコード等任意のパターンを炭酸ガスレーザでマーキングする方法が開示されている。しかしながら、特許文献２に記載のレーザマーキング方法においては、比較的高エネルギー密度のレーザビームが記録体に損傷を与え、レーザマーキングされた文字、図柄等が脱落する、製品表面に傷がつく等の問題があった。
【０００５】
更に、特許文献３にて、構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスにレーザ描画装置によりレーザビームを走査して非架橋酸素ホールセンタを形成して着色し、該着色部により描画することを特徴とするガラスの描画方法が開示されている。しかしながら、特許文献３に記載のレーザマーキング方法においては、ガラスの装飾性をより高めるためにガラスの内部に立体像を描画すること方法は開示されていない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１７８１７３号公報
【特許文献２】
特許３２８２０９４号
【特許文献３】
特開２００３−７３１４８公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１および特許文献２に記載の方法は、ガラス等の材料に文字、図柄等をレーザマーキングする方法であるが、レーザビームを集光させたことによる熱で、マーキングした文字や図形が歪んだり、材料が損傷を受けたりする問題があった。特にガラス材料では、ガラスにクラックが発生する、甚だしい場合はレーザビームを走査した部位が脱落する問題があった。
【０００８】
また、ガラスの内部にクラックを発生させて立体像を描画した場合は、ガラスの強度が低下し、ガラスが破壊する恐れがあった。
【０００９】
更に、ガラスの内部にクラックを発生させて立体像を描画した場合は、着色がクラックの光散乱による白濁色に限定されるという問題もあった。
【００１０】
即ち、レーザビームを走査してガラスの内部を着色させて立体像を描画する場合に、レーザビームのエネルギーであるパルスエネルギーによって描画部にクラックを発生させ難いガラスの描画方法を提供することが本発明の課題である。
【００１１】
更に、描画された立体像の着色は、ガラス内部にレーザビームを走査し非架橋ホールセンタを生成することによって着色されるので、クラックによる白濁色とは異なる色調を与えるガラスの描画方法を提供することが本発明の課題である。
【００１２】
更に、立体像の着色が、非架橋ホールセンタを多数生成することによって、より濃い褐色を呈するようなガラスの描画方法を提供することが本発明の課題である。
【００１３】
更に、ガラスの内部に形状に歪みがない立体像を描画する方法を提供することが本発明の課題である。
【００１４】
更に、加熱することによって容易に消色でき、リサイクル可能な、内部に立体像を描画したガラスの描画方法を提供することが本発明の課題である。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザビームをガラスに走査して、可視光を吸収する非架橋酸素ホールセンタを生成させて着色させることで、ガラスにクラック等のダメージを与えることなくガラスの内部に立体像を精緻に描画するガラスの描画方法である。
【００１６】
即ち、本発明は、構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスの内部にレーザビームを走査して非架橋酸素ホールセンタを形成して着色し、該着色部によりガラスの内部に立体像を描画することを特徴とするガラスの描画方法である。
【００１７】
更に、本発明は、前記立体像の描画プロセスが、立体像の３次元ＣＡＤデータの作成、基準立体像の３次元ＣＡＤデータの作成、立体像と基準立体像を一体化した３次元ＣＡＤデータの作成、立体像と基準立体像を一体化した３次元ＣＡＤデータのスライス、およびスライスした平面図に含まれる不要な線の削除からなることを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００１８】
更に、本発明は、前記スライスした平面図の２次元ＣＡＤデータから基準図形の２次元ＣＡＤ上の位置とサイズデータを読み取って、複数のスライスした平面図の描画フィールド上における位置と縮尺を統一する機能をレーザ描画制御プログラムに付加したことを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００１９】
更に、本発明は、前記スライスした同一の平面図を複数回重ねて描画することを特徴とする上記の請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガラスの描画方法である。
【００２０】
更に、本発明は、前記スライスした同一の平面図を複数回描画するときに、平面図の位置をずらせて描画することを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００２１】
更に、本発明は、上記のガラスの描画方法であって、ガルバノメータミラーを有するレーザ描画装置によって、構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスにガラスの内部にレーザビームを走査して非架橋酸素ホールセンタを形成して着色し、該着色部によりガラスの内部に立体像を描画することを特徴とするガラスの描画方法である。
【００２２】
更に、本発明は、上記のガラスの描画方法であって、水平方向および／または垂直方向に移動可能なステージを有する描画装置によって、構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスにレーザ描画装置によりガラスの内部にレーザビームを走査して非架橋酸素ホールセンタを形成して着色し、該着色部によりガラスの内部に立体像を描画することを特徴とするガラスの描画方法である。
【００２３】
更に、本発明は、上記のガラスの描画方法であって、レーザ描画装置を構成するレーザ発振器が炭酸ガスレーザ発振器、ＹＡＧレーザ、グリーンＤＰＳＳレーザ発振器またはＵＶパルスレーザ発振器であり、用いるレーザビームの種類が赤外光、近赤外光、可視光、または紫外光であることを特徴とするガラスの描画方法である。
【００２４】
更に、本発明は、前記シリケートガラスがＡｇ、Ｓｎおよび／またはＥｕを微量成分として含み、Ａｇを含む場合は、その含有量がＡｇ２Ｏに換算して０．００５〜０．５ｗｔ％、Ｓｎを含む場合は、その含有量がＳｎＯ２に換算して０．０１〜１ｗｔ％、Ｅｕを含む場合は、その含有量がＥｕ２Ｏ３に換算して０．０１〜１ｗｔ％を含むことを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００２５】
更に、本発明は、上記のガラスの描画方法によって、シリケートガラスの内部に立体像が描画されていることを特徴とするガラスである。
【００２６】
更に、本発明は、上記のガラスの描画方法によって、シリケートガラスの内部が着色されていることを特徴とするガラスである。
【００２７】
更に、本発明は、上記のガラスを、加熱することによって着色部を消色する方法である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明は、構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスにレーザ描画装置によりガラスの内部にレーザビームを走査して非架橋酸素ホールセンタを形成して着色し、該着色部により描画することを特徴とするガラスの描画方法である。
【００２９】
更に、本発明は、立体像の描画プロセスが、立体像の３次元ＣＡＤデータの作成、基準立体像の３次元ＣＡＤデータの作成、立体像と基準立体像を一体化した３次元ＣＡＤデータの作成、立体像と基準立体像を一体化した３次元ＣＡＤデータのスライス、およびスライスした平面図に含まれる不要な線の削除からなることを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００３０】
最初に、スライスした平面図を作成する作業の流れについて説明する。
【００３１】
図１は、スライスした平面図を作成する作業のフローチャートである。
【００３２】
立体モデルを作成した後、コンピュータエイジドデザイン、即ち、ＣＡＤにて、基準立体像を作成し、３次元ＣＡＤソフトでスライスした平面図を保存し、不要線を削除した後、更に、スライスした平面図をヒューレット・パッカード・グラフィック・ランゲージによりフォーマット変換、即ち、ＨＰ―ＧＬフォーマット変換したデータを用い、レーザ描画装置により描画する。
【００３３】
基準立体像は、作成した複数のスライスした平面図の描画フィールド上に占める位置と縮尺を統一するために必要であり、立体像よりも大きく、立体像を取り囲むように作成することが好ましい。尚、描画フィールドとは、集光したレーザビームによって２次元の平面図を描画するガラス内部の平面領域のことである。
【００３４】
基準立体像は、例えば、直方体や円柱であり、基準立体像をスライスした複数の２次元の平面図における切断面の輪郭線の形状が変化しないような立体像を選ぶことが好ましい。
【００３５】
３次元ＣＡＤデータは、立体像と基準立体像を一体化したデータとして作成することが好ましい。
【００３６】
また、スライスした平面図には切断面の輪郭線のほかに、３次元ＣＡＤソフト独特の不要な線が現れることがあるため、スライスした平面図作成プログラムには、これを選択して削除するプログラムも必要である。立体像のスライスとスライスした平面図の保存および前記不要線の削除は、市販の３次元ＣＡＤソフトとそのマクロ機能を使って行える。また、３次元ＣＡＤソフト固有のフォーマットで保存したスライスした平面図は、ＨＰ−ＧＬフォーマットに変換することで、ガルバノメータの制御プログラムが読み取れる。また、前記変換作業は、３次元ＣＡＤソフトの機能を使って自動的に行える。以上の手順で、一つの立体像について複数のスライスした平面図を得るための２次元ＣＡＤデータを作成する。
【００３７】
更に、本発明は、スライスした平面図の２次元ＣＡＤデータから２次元ＣＡＤ上の基準立体像の位置とサイズデータを読み取って、複数のスライスした平面図の描画フィールド上における位置と縮尺を統一する機能をレーザ描画制御プログラムに付加したことを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００３８】
次いで、該描画方法について説明する。
【００３９】
図２は、複数のスライスした平面図の描画フィールド上における位置と縮尺を統一する作業のフローチャートである。
【００４０】
図２に示すように、レーザ描画制御プログラムにより、２次元ＣＡＤ上における基準図形のオフセット座標と全体サイズを読み取った後に、基準図形を描画フィールドの中心に配置するためのオフセット座標の計算を行い、描画フィールドにおける基準図形の全体座標の計算を行う。
【００４１】
レーザ描画制御プログラムは、スライスした平面を表す２次元ＣＡＤデータに含まれる基準立体像の位置と全体サイズを読み込んで、基準立体像、即ち、スライスした平面図の全体を、決められたサイズの描画フィールドの中心に配置し、描画フィールド上に占める基準立体像のサイズを統一することによって、描画フィールド上における複数のスライスした平面図の位置と縮尺を統一する。
【００４２】
更に、本発明は、スライスした同一の平面図を複数回重ねて描画する機能をレーザ描画制御プログラムに付加したことを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００４３】
次いで、該描画方法について説明する。
【００４４】
構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスの内部に、レーザビームを走査することによって形成した非架橋酸素ホールセンタによる着色は、一般的に着色濃度が薄い。着色濃度を濃くしようとして、走査するレーザビームのパルスエネルギー密度を大きくすると、ガラス内部に非架橋酸素ホールセンタだけでなく、屈折率が異なるガラス相や微細なクラックが発生し、光散乱により白く着色する。走査するレーザビームのパルスエネルギー密度が、屈折率が異なるガラス相や微細なクラックが発生する閾値以下であって、非架橋酸素ホールセンタによる着色濃度を大きくするためには、非架橋酸素ホールセンタを多数生成することが効果的である。そのためには、スライスした同一の平面図を複数回重ねて描画することが好ましい。
【００４５】
更に、本発明は、スライスした同一の平面図を複数回描画するときに、平面図の位置をずらせて描画することを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００４６】
次いで、該描画方法について説明する。
【００４７】
構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスの内部に、レーザビームを走査することによって形成した非架橋酸素ホールセンタによる着色は、一般的に着色濃度が薄い。走査するレーザのパルスエネルギー密度が、屈折率が異なるガラス相や微細なクラックが発生する閾値以下であって、スライスした同一の平面図を複数回重ねて描画すると、先に生成した非架橋酸素ホールセンタが、後から重ねて走査したレーザビームによって、屈折率が異なるガラス相や微細なクラックに変化することがある。このため、着色濃度を濃くするために非架橋酸素ホールセンタを多数生成させて、同一のスライス平面図形を複数回重ねて描画する。この場合、先に生成した非架橋酸素ホールセンタが屈折率の異なるガラス相や微細なクラックに変化することを避けるために、レーザビームの走査位置は、５μｍ以上離すことが好ましい。スライスした平面図のずれが大き過ぎると、描画した立体像がボケてしまい見え難くなり、１０００μｍ以上だと、図形の判別がおぼつかない。
【００４８】
更に、本発明は、ガルバノメータミラーでレーザビームを走査することによって、構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスにレーザ描画装置によりガラスの内部にレーザビームを走査して非架橋酸素ホールセンタを形成して着色し、該着色部によりガラスの内部に立体像を描画することを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００４９】
次いで、該描画方法について説明する。
【００５０】
レーザ描画装置は、レーザ発振器、光変調器、自動焦点レンズ、対物レンズ、ガルバノメータミラー、およびＸＹＺ軸ステージから構成する。または、レーザ描画装置は、レーザ発振器、光変調器、ガルバノメータミラー、ｆθレンズ、およびＸＹＺ軸ステージから構成する。
【００５１】
レーザビームの走査にガルバノメータミラーを使用すると、ガルバノメータミラーによってレーザビームを自在に走査し連続した着色部により精緻描画が行える。ガルバノメータミラーは、向きを変えることが可能な複数のミラー、通常、Ｘミラー、Ｙミラーからなり、向き、即ち、ミラーの角度を変えてレーザビームの光軸を振ることが可能である。Ｘミラー、Ｙミラーの角度を制御しつつ操作調整し、光軸を振って対象物であるガラスへのレーザビームの走査位置を移動させて、精度よくガラスを着色することができ、結果としてガラスに文字、図柄またはバーコード等が描画できる。例えば、ガラスに製造番号、製造日、メーカー名等の文字情報、または１次元および２次元バーコード等を容易に書き込むことができるばかりでなく、レーザビームを絞り込むことで、１ｍｍの間隔内に数１０本以上の線を書き込むことのできる分解能を要し、精緻描画が行える。
【００５２】
次いで、光変調器について説明する。
【００５３】
光変調器は例えば、音響光学変調器（以下、ＡＯＭと略す）または電気光学変調器（以下、ＥＯＭと略す）である。本発明のガラスの描画方法に使用するレーザ描画装置の構成物である光変調器は、スイッチング素子としての役割を果たす。即ち、レーザビームの進行方向を変えるか、遮蔽と透過を切り替えることで、加工物に対してレーザビームの走査のＯＮ／ＯＦＦを正確に制御するものである。ＯＮ／ＯＦＦを行うことで、文字、作画が非連続となり様々な描画に対応できる。光変調器には、音響光学変調器（以後、ＡＯＭと略する）または電気光学変調器（以後、ＥＯＭと略する）のいずれを用いても構わない。
【００５４】
ＡＯＭは、ＯＮの状態では、無線周波数域のＲＦ波を超音波に変える圧電素子、即ち、トランスデューサにより石英ガラスに超音波を伝搬させ、 石英ガラスの密度揺らぎにより回折格子を形成してレーザビームを回折させ、その光路を変化させる、ＯＦＦの状態では、レーザビームを石英ガラス内に直進させるスイッチング素子である。
【００５５】
ＥＯＭは、レーザビームに電圧を掛け偏光方向を変えることで、偏光板によりレーザビームを通過または遮蔽させるスイッチング素子である。
【００５６】
また、本発明のガラスの描画方法に使用するレーザ描画装置の構成物である、自動焦点レンズと対物レンズ、またはｆθレンズは、ガルバノメータミラーによって円弧状に走査されたレーザビームの焦点位置を補正し、平面上に集光させ描画の解像度を上げる役割を果たす。
【００５７】
更に、本発明は、水平方向および／または垂直方向に移動可能なステージによって、構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスにレーザ描画装置によりガラスの内部にレーザビームを走査して非架橋酸素ホールセンタを形成して着色し、該着色部によりガラスの内部に立体像描画することを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００５８】
次いで、該描画方法について説明する。
【００５９】
レーザ描画装置は、レーザ発振器、ガルバノメータミラー、対物レンズ、およびＸＹＺ軸ステージからなる。
【００６０】
前記ＸＹＺ軸ステージは、水平方向および／または垂直方向に移動可能なステージであり、例えば、走査面に対し水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージを組み合わせたＸＹＺ軸ステージである。ＸＹＺステージの駆動には、ステッピングモーターやリニアモーターが使われる。ステージを高速で移動するためには、ステッピングモーターよりもリニアモーターの方が有利である。
【００６１】
本発明のガラスの描画方法において、ガラスをＸＹＺ軸ステージに搭載し、スライスした平面図の１層をガラス内部に描画した後、ＸＹＺ軸ステージの移動によってガラスの位置を変えて、スライスした平面図の次の層をガラス内部に描画することが好ましい。複数のスライスした平面図についてこの操作を繰り返すことによって、一つの立体像をガラスの内部に描画する。前述の理由で、隣接するスライスした平面図の層間隔は、５μｍ以上である。
【００６２】
スライスした平面図の１層をガラス内部に描画した後、ＸＹＺ軸ステージの移動によってガラスの位置を変えて、スライスした平面図の次の層をガラス内部に描画する。複数のスライスした平面図についてこの操作を繰り返すことによって、一つの立体像をガラスの内部に描画する。隣接するスライスした平面図の層間隔は、５μｍ以上である。
【００６３】
更に、本発明は、レーザ発振器が炭酸ガスレーザ発振器、ＹＡＧレーザ、グリーンＤＰＳＳレーザ発振器またはＵＶパルスレーザ発振器であり、用いるレーザビームの種類が赤外光、近赤外光、可視光または紫外光であることを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００６４】
該描画方法について説明する。
【００６５】
本発明のガラスの描画方法に使用するレーザ描画装置の構成物であるレーザ発振器には、連続的にレーザビームを発光する連続レーザ発振器、パルス状にレーザビームを発光するパルスレーザ発振器のどちらを用いても構わない。本発明のガラスの描画方法において、高出力なレーザ光を発行する炭酸ガスレーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器、グリーンＤＰＳＳレーザ発振器またはＵＶパルスレーザ発振器を用いることが好ましい。尚、ＹＡＧレーザ発振器は、イットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザ発振器の略であり、グリーンＤＰＳＳレーザ発振器は、グリーン・ダイオード・ポンプト・ソリッド・ステートレーザ発振器の略であり、また、ＵＶパルスレーザ発振器は、紫外光パルスレーザ発振器の略である。
【００６６】
レーザビームの種類は、赤外光、近赤外光、可視光または紫外光が挙げられ、波長１００ｎｍ以上、１ｍｍ（１０６ｎｍ）以下の光を使用することができる。
【００６７】
更に、本発明は、前記シリケートガラスがＡｇ、Ｓｎおよび／またはＥｕを微量成分として含み、Ａｇを含む場合は、その含有量がＡｇ２Ｏに換算して０．００５〜０．５００ｗｔ％、Ｓｎを含む場合は、その含有量がＳｎＯ２に換算して０．０１０〜１．０００ｗｔ％、Ｅｕを含む場合は、その含有量がＥｕ２Ｏ３に換算して０．０１０〜１．０００ｗｔ％を含むことを特徴とする上記のガラスの描画方法である。
【００６８】
次いで、該描画方法について説明する
本発明のガラスの描画方法に使用するガラスは、構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスであればよく、例えばフロート法で製造されたフロート板ガラスを含むソーダライムシリケートガラス等を使用することができる。
【００６９】
構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスにレーザビームを走査することで、ガラス中に可視光を吸収するカラーセンタである非架橋酸素ホールセンタを生成させることができるが、非架橋酸素ホールセンタによる着色が、長時間安定であり、退色しないためには、電子捕獲中心となる元素を微量ガラス中に含有させることが好ましい。
【００７０】
該元素としては、銀、即ちＡｇ、錫、即ちＳｎ、および／またはユーロピウム、即ちＥｕが挙げられ、Ａｇを含む場合は、その含有量がＡｇ２Ｏに換算して０．００５〜０．５００ｗｔ％、好ましくは０．０１０〜０．２００ｗｔ％、より好ましくは０．０１０〜０．１００ｗｔ％、Ｓｎを含む場合は、その含有量がＳｎＯ２に換算して０．０１０〜１．０００ｗｔ％、好ましくは０．０２０〜０．８００ｗｔ％、より好ましくは０．０２０〜０．４００ｗｔ％、Ｅｕを含む場合は、その含有量がＥｕ２Ｏ３に換算して０．０１０〜１．０００ｗｔ％、好ましくは０．０２０〜０．８００ｗｔ％、より好ましくは０．０２０〜０．４００ｗｔ％、非架橋酸素を有するガラスに含有させることで、非架橋酸素ホールセンタによる着色を長時間安定とし、退色を抑制することが可能となる。
【００７１】
本発明により描画されたガラスは、１００℃以上に加熱することで消色するので、繰返し消去書き込みが可能である。
【００７２】
次いで、本発明のガラスの描画方法に好適に使用できる描画装置について好適に説明する。
【００７３】
図３は、レーザビームの焦点位置の制御に自動焦点レンズおよび対物レンズを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【００７４】
図３に示すレーザ発振器１は、ＹＡＧレーザ発振器、または、グリーンＤＰＳＳレーザ発信器、または紫外、即ち、ＵＶパルスレーザ発振器である。ＵＶパルスレーザ発振器には、通常、ＡＯＭまたはＥＯＭからなる光変調器が、通称、Ｑスイッチとして既に組み込まれている。自動焦点レンズ２を光軸上で動かすことによって、ターゲット６であるシリケートガラスの内部における集光位置を制御する。
【００７５】
ＹＡＧレーザ発振器、または、グリーンＤＰＳＳレーザ発振器、またはＵＶパルスレーザ発振器より発光させたレーザビームは、自動焦点レンズ２、次いで対物レンズ３を通過した後、ガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５により反射し、その後、ターゲット６であるシリケートガラスの内部に走査させて、該シリケートガラス内部のレーザビーム走査部を着色し描画する。
【００７６】
コンピューター８に入力したデジタルコマンドデータは、スキャニングコントローラー９に受信されて、スキャニングコントローラー９が、自動焦点レンズ２、ガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５の動作を制御しつつ駆動させ、シリケートガラス内部のレーザビームの走査位置を移動させる。シリケートガラス内部へのレーザ走査による描画は、このような動作によって行われ、微細な書き込みが可能である。書き込み内容は、前記デジタルコマンドデータを変更することで、容易に変えられる。
【００７７】
ＸＹＺ軸ステージ７に搭載したガラスは、スライスした平面図の１層をガラス内部に描画した後、ＸＹＺ軸ステージ７の移動によってガラスの位置を変えて、スライスした平面図の次の層をガラス内部に描画する。スライスした平面図の層を替えるためのステージ移動は通常、Ｚ軸ステージだけで行う。複数のスライスした平面図についてこの操作を繰り返すことによって、一つの立体像をガラスの内部に描画する。隣接するスライスした平面図の層間隔は、５μｍ以上である。
【００７８】
非架橋酸素ホールセンタによる着色濃度を大きくするためには、同一のスライス平面図形を複数回描画することが有効である。この場合、スライス平面図形は通常、Ｚ軸ステージを固定して複数回重ねて描画するが、先に生成した非架橋酸素ホールセンタが屈折率の異なるガラス相や微細なクラックに変化することを避けるために、ＸＹ軸ステージによってスライス平面図の位置を５μｍ以上ずらすことが好ましい。
【００７９】
図４は、レーザビームの焦点位置の制御にｆθレンズを用いた本発明に使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【００８０】
レーザ発振器１であるグリーンＤＰＳＳレーザ発振器、または、ＹＡＧレーザ発振器により発光したレーザビームは、スイッチング素子であるＡＯＭ１０を通過した後、ガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５により反射し、ｆθレンズ１１を透過した後、ターゲット６であるシリケートガラスの内部に走査させて、該シリケートガラス内部のレーザビーム走査部を着色する。ｆθレンズ１１は、ガルバノメータミラーによって走査されるレーザビームをターゲット６であるシリケートガラスの内部に集光する。
【００８１】
コンピューター８に入力したデジタルコマンドデータは、スキャニングコントローラー９に受信され、スキャニングコントローラー９がＡＯＭ１０とガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５の動作を制御しつつ駆動させ、シリケートガラス内部のレーザビームの走査位置を移動させる。なお、ターゲット６であるシリケートガラス内部のレーザビームによる書き込み内容は、前記デジタルコマンドデータを変更することで、容易に変えられる。
【００８２】
ＸＹＺ軸ステージ７に搭載したガラスは、スライスした平面図の１層をガラス内部に描画した後、ＸＹＺ軸ステージ７の移動によってガラスの位置を変えて、スライスした平面図の次の層をガラス内部に描画する。スライスした平面図の層を替えるためのステージ移動は通常、Ｚ軸ステージだけで行う。複数のスライスした平面図についてこの操作を繰り返すことによって、一つの立体像をガラスの内部に描画する。隣接するスライスした平面図の層間隔は、５μｍ以上である。
【００８３】
非架橋酸素ホールセンタによる着色濃度を大きくするためには、同一のスライス平面図形を複数回描画することが有効である。この場合、スライス平面図形は通常、Ｚ軸ステージを固定して複数回重ねて描画するが、先に生成した非架橋酸素ホールセンタが屈折率の異なるガラス相や微細なクラックに変化することを避けるために、ＸＹ軸ステージによってスライス平面図の位置を５μｍ以上ずらすことが好ましい。
【００８４】
図５は、走査面に対し水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージからなるＸＹＺ軸ステージ７によって、ステージ７を移動させつつ、該銀イオン含有ガラス上にレーザビームを走査させるレーザ描画装置の一例の説明図である。
【００８５】
レーザ描画装置は、図５に示すようにステージ７以外に、ＵＶパルスレーザ１、ミラー１２、ＸＹＺ軸ステージ７、対物レンズ１３、およびコンピューター８等から構成する。ＸＹＺ軸ステージ７は、ＸＹ２軸自動制御のサーフェイス・スライダー１４と手動Ｚ軸ステージ１５を組み合わせ、その上にサンプルホルダー１６を搭載した。サーフェイス・スライダーは、圧縮空気でベース上に浮上したスライダー１７を図示しないリニアモーターによって制動する。
【００８６】
スライス平面図形を表す２次元ＣＡＤデータは、パルスコントローラ１８が読み取ることのできるフォーマットに変換してコンピューター８に入力する。パルスコントローラ１８は、コンピューター８に入力した２次元ＣＡＤデータを読み取って、図示しないリニアモーターを駆動しスライダー１７を制動する。コンピューター８は、レーザ発振のためのゲート信号をファンクション・ジェネレーター１９に送信する。ファンクション・ジェネレーター１９は、レーザパルス発振のためのレーザ変調信号を図示しないレーザーコントローラに送信する。その結果、変調されたＵＶパルスレーザがレーザヘッド１から出力される。なお、ターゲット６であるシリケートガラス内部のレーザビームによる書き込み内容は、前記２次元ＣＡＤデータを変更することで、容易に変えられる。
【００８７】
ＸＹＺ軸ステージ７に搭載したガラスは、スライスした平面図の１層をガラス内部に描画した後、ＸＹＺ軸ステージ７の移動によってガラスの位置を変えて、スライスした平面図の次の層をガラス内部に描画する。スライスした平面図の層を替えるためのステージ移動は通常、Ｚ軸ステージ１５だけで行う。複数のスライスした平面図についてこの操作を繰り返すことによって、一つの立体像をガラスの内部に描画する。隣接するスライスした平面図の層間隔は、５μｍ以上である。
【００８８】
非架橋酸素ホールセンタによる着色濃度を大きくするためには、同一のスライス平面図形を複数回描画することが有効である。この場合、スライス平面図形は通常、Ｚ軸ステージを固定して複数回重ねて描画するが、先に生成した非架橋酸素ホールセンタが屈折率の異なるガラス相や微細なクラックに変化することを避けるために、ＸＹ軸ステージによってスライス平面図の位置を、５μｍ以上ずらすことが好ましい。
【００８９】
本発明のガラスの描画方法は、従来のガラス内部の立体像描画方法であるレーザの集光部にクラックを生じさせることに比べ、ヘーズが小さく、ガラスにダメージを与えることなく耐久性に優れるとともに、黄色〜褐色に着色した立体像を作製することができる。
【００９０】
【実施例】
実施例１
３次元ＣＡＤデータとして、図１に示すように板ガラスの内部に描画する立体像（人頭像）と、立体像の全体サイズを表す基準立体像（直方体）の二つを作成した。直方体のサイズは、９０ｍｍ×９０ｍｍ×１５ｍｍとした。切断面の輪郭線の他にスライスした平面図に現れた不要な線は、選択して削除した。また、３次元ＣＡＤソフト固有のフォーマットで保存したスライスした平面図は、ＨＰ−ＧＬフォーマットに変換し、ガルバノメータの制御プログラムが読み取れるようにした。このような一連の作業によって、この立体像について９９層のスライス平面図の２次元ＣＡＤデータを作成した。
【００９１】
図３は、レーザビームの焦点位置の制御に自動焦点レンズおよび対物レンズを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【００９２】
図３に示すように、レーザ描画装置は、レーザ発振器１であるＵＶパルスレーザ発振器、自動焦点レンズ２、対物レンズ３、ガルバノメータ内のＸミラー４、Ｙミラー５、水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージからなるＸＹＺ−ステージ７とＸＹＺ−ステージ７に付設されたホルダーからなり、ホルダーにターゲット６であるシリケートガラスを取り付けた。シリケートガラスのサイズは、１００ｍｍ×１００ｍｍ×１５ｍｍとした。
【００９３】
ＵＶパルスレーザは、波長、３５５ｎｍ、パルス幅、２０ｎｓ、パルスエネルギー、２３μＪ、平均出力、０．５８Ｗ、繰り返し周波数、２５ｋＨＺで発振させた。レーザビームの集光ビーム径を、８μｍに調整した。このレーザビームは、自動焦点レンズ２と対物レンズ３によって絞り、レーザビームとし、Ｘミラー４とＹミラー５とで反射させて、ホルダーに取り付けられた板厚、１５ｍｍ、サイズ、１００ｍｍ角のターゲット６である組成ＳｉＯ２、７２ｗｔ％、Ｎａ２Ｏ、１６ｗｔ％、ＣａＯ、１０ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３、２ｗｔ％のシリケートガラスの内部に集光した。このレーザビームは、ＵＶパルスレーザ発振器に組み込まれたＱスイッチのＯＮ／ＯＦＦと、Ｘミラー４およびＹミラー５の角度を操作して、レーザビームの光軸を振ることによって、前記シリケートガラスの内部で走査速度６１ｍｍ／ｓｅｃで走査した。
【００９４】
最初に、第１層のスライス平面図形の２次元ＣＡＤデータがコンピューター８に読み取られる。次いで、ガルバノメータの制御プログラムが、各スライスした平面図の２次元ＣＡＤデータから基準図形の位置とサイズデータを読み取り、数値処理を行うことによってターゲット６であるシリケートガラスの内部における複数のスライスした平面図の位置と縮尺を統一する。その後、スライス平面図形の２次元ＣＡＤデータがターゲット６であるシリケートガラスの内部に描画される。
【００９５】
次いで、Ｚ軸ステージを１００μｍ降下させて、停止する。次いで、第２層のスライス平面図形の２次元ＣＡＤデータがコンピューター８に読み取られて、同じ数値処理を行った後、ターゲット６であるシリケートガラスの内部に描画される。次いで、Ｚ軸ステージを１００μｍ降下させて、停止する。この動作を９９層のスライス平面図形の２次元ＣＡＤデータについて繰り返した。
【００９６】
このようにして、サイズ１００ｍｍ×１００ｍｍ×１５ｍｍのソーダライムガラスの内部に非架橋ホールセンターの着色によって立体像を描画した。
【００９７】
このようにして着色した該ガラス６は、３００℃で３０分の加熱によって色が消え、透明板ガラスとして再利用することができた。
実施例２
実施例１と同じようにして９９層のスライス平面図形の２次元ＣＡＤデータを作成した。用いた装置も実施例１と同じであった。ホルダにターゲット６に取り付けたシリケートガラスのサイズも、実施例１と同じ１００ｍｍ×１００ｍｍ×１５ｍｍとした。
【００９８】
ＵＶパルスレーザの走査条件も実施例１と同じ、波長３５５ｎｍ、パルス幅、２０ｎｓ、パルスエネルギー、２３μＪ、平均出力、０．５８Ｗ、繰り返し周波数、２５ｋＨＺ、集光ビーム径、８μｍ、走査速度、６１ｍｍ／ｓｅｃとした。
【００９９】
まず、Ｚ軸ステージを１００μｍ降下させ、次に、Ｘ軸ステージを１００μｍ移動して、停止した。
【０１００】
第１層のスライス平面図形の２次元ＣＡＤデータがコンピューター８に読み取られて、ガルバノメータの制御プログラムが、各スライスした平面図の２次元ＣＡＤデータから基準図形の位置とサイズデータを読み取り、数値処理を行うことによってターゲット６であるシリケートガラスの内部における複数のスライスした平面図の位置と縮尺を統一した。その後、スライスした平面図の２次元ＣＡＤデータをターゲット６であるシリケートガラスの内部に描画した。
【０１０１】
次いで、Ｙ軸ステージを１００μｍ移動させて、停止した。次いで、前述のように、第１層のスライス平面図形の２次元ＣＡＤデータをターゲット６であるシリケートガラスの内部に描画した。次いで、Ｘ軸ステージを−１００μｍ移動させて、停止した。次いで、前述のように、第１層のスライス平面図形の２次元ＣＡＤデータをターゲット６であるシリケートガラスの内部に描画した。次いで、Ｙ軸ステージを−１００μｍ移動させて、停止した。次いで、前述のように、第１層のスライス平面図形の２次元ＣＡＤデータをターゲット６であるシリケートガラスの内部に描画した。
【０１０２】
前述の作業を９９回繰り返すことによって、９９層のスライス平面図形をターゲット６であるシリケートガラスの内部に描画し、その結果、実施例１よりも濃く着色した褐色の立体像をシリケートガラスの内部に表示した。
【０１０３】
このようにして着色した該ガラス６は、３００℃で３０分の加熱によって色が消え、透明板ガラスとして再利用することができた。
【０１０４】
【発明の効果】
本発明のガラスの描画方法は、レーザビーム走査によって着色可能な構造中に非架橋酸素を有するシリケートガラスの内部に非架橋酸素ホールセンタを形成して褐色に着色し、該着色部によりガラスの内部に立体像形成する方法であり、ガラスの内部にクラックを発生させず、またガラスが破壊する恐れもなく、精緻に描画することができる。
【０１０５】
本発明のガラスの描画方法に用いたレーザ描画装置を用いれば、前記ガラスの内部全体を非架橋酸素ホールセンタで充填して着色することができる。
【０１０６】
本方法で着色されたガラスは３００〜５５０℃に加熱すると、形状を変形させることなく消色して、無色透明に戻るので、リサイクルが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】スライスした平面図を作成する作業のフローチャートである。
【図２】複数のスライスした平面図の描画フィールド上における位置と縮尺を統一する作業のフローチャートである。
【図３】レーザビームの焦点位置の制御に自動焦点レンズおよび対物レンズを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【図４】レーザビームの焦点位置の制御にｆθレンズを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【図５】ガラスの高速移動にＸＹＺ軸ステージを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器
２ 自動焦点レンズ
３ 対物レンズ
４ Ｘミラー
５ Ｙミラー
６ ターゲット（ガラス）
７ ＸＹＺ軸ステージ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a glass drawing method for drawing a three-dimensional image inside glass by scanning a laser beam.
[0002]
[Prior art]
A method of performing laser marking by scanning a material with a laser beam is known from Patent Literature 1, Patent Literature 2, Patent Literature 3, and the like.
[0003]
For example, Patent Document 1 discloses a marking method for marking characters, numbers, bar codes, and the like having information such as date and serial number on an industrial product such as a glass substrate of a liquid crystal or a plasma display panel, that is, a PDP panel. Have been. However, in the method described in Patent Literature 1, heat generated by a laser beam remains on a workpiece even after scanning, and when marking is performed on the heated portion, the size and shape of the previously formed portion are reduced. Have different markings, and the visibility of the formed characters, figures or symbols is very poor.
[0004]
Patent Document 2 discloses a method of marking an arbitrary pattern such as a product name, a lot number, and a bar code input on the surface of a recording medium such as a package or a label of a factory shipment with a carbon dioxide gas laser. However, in the laser marking method described in Patent Literature 2, a laser beam having a relatively high energy density damages a recording medium, causing the laser-marked characters and patterns to fall off, and scratching the product surface. There was a problem.
[0005]
Further, according to Patent Document 3, a laser beam is scanned on a silicate glass having non-crosslinked oxygen in a structure by a laser drawing apparatus to form a non-crosslinked oxygen hole center, which is colored, and drawn by the colored portion. Is disclosed. However, the laser marking method described in Patent Document 3 does not disclose a method of drawing a three-dimensional image inside glass to further enhance the decorativeness of the glass.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-178173 A
[Patent Document 2]
Patent No. 3282094
[Patent Document 3]
JP 2003-73148 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The methods described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 are methods of laser marking characters, designs, and the like on a material such as glass. However, the heat caused by condensing the laser beam may cause the marked characters or graphics to be distorted. And the material was damaged. In particular, in the case of a glass material, there is a problem that cracks occur in the glass, and in a severe case, a portion scanned by the laser beam falls off.
[0008]
Further, when a three-dimensional image is drawn by generating cracks inside the glass, the strength of the glass is reduced and the glass may be broken.
[0009]
Further, when a three-dimensional image is drawn by generating a crack inside the glass, there is a problem that coloring is limited to a cloudy color due to light scattering of the crack.
[0010]
That is, it is an object of the present invention to provide a glass drawing method in which a laser beam is scanned to color the inside of the glass and draw a three-dimensional image. It is the subject of the invention.
[0011]
Further, since the coloring of the drawn three-dimensional image is performed by scanning the inside of the glass with a laser beam to generate a non-crosslinked hole center, a glass drawing method that provides a color tone different from cloudy color due to cracks is provided. This is the subject of the present invention.
[0012]
It is a further object of the present invention to provide a method for drawing a glass in which the coloring of a three-dimensional image gives a darker brown color by generating a large number of non-crosslinked hole centers.
[0013]
It is a further object of the present invention to provide a method for drawing a three-dimensional image having no distortion in the shape of glass.
[0014]
It is a further object of the present invention to provide a method for drawing a glass having a three-dimensional image drawn therein, which can be easily erased by heating and can be recycled.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention uses a laser beam to scan a glass to generate and color a non-crosslinked oxygen hole center that absorbs visible light, so that a three-dimensional image can be refined inside the glass without causing damage such as cracks to the glass. This is a method of drawing glass on the surface.
[0016]
In other words, the present invention forms a non-crosslinked oxygen hole center by scanning a laser beam inside a silicate glass having non-crosslinked oxygen in the structure to color the glass, and draws a three-dimensional image inside the glass by the colored portion. A glass drawing method characterized by the following.
[0017]
Further, in the present invention, the drawing process of the three-dimensional image includes creating three-dimensional CAD data of a three-dimensional image, creating three-dimensional CAD data of a reference three-dimensional image, and creating three-dimensional CAD data in which the three-dimensional image and the reference three-dimensional image are integrated. The above-described glass drawing method is characterized in that the method comprises: creating, slicing three-dimensional CAD data in which a three-dimensional image and a reference three-dimensional image are integrated, and deleting unnecessary lines included in the sliced plan view.
[0018]
Further, the present invention reads the position and size data of the reference figure on the two-dimensional CAD from the two-dimensional CAD data of the sliced plan view, and unifies the positions and scales of the plurality of sliced plan views on the drawing field. The above-described glass drawing method, wherein a function is added to a laser drawing control program.
[0019]
Furthermore, the present invention is the glass drawing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the same sliced plan view is drawn by overlapping a plurality of times.
[0020]
Furthermore, the present invention is the above-described glass drawing method, wherein, when drawing the same sliced plan view a plurality of times, the position of the plan view is shifted.
[0021]
Furthermore, the present invention provides the above-described glass drawing method, wherein a laser drawing apparatus having a galvanometer mirror scans a silicate glass having non-crosslinked oxygen in the structure with a laser beam inside the glass to form a non-crosslinked oxygen hole. A glass drawing method characterized in that a center is formed and colored, and a three-dimensional image is drawn inside the glass by the colored portion.
[0022]
Further, the present invention provides the above-described glass drawing method, wherein the drawing apparatus having a stage movable in a horizontal direction and / or a vertical direction is applied to a silicate glass having non-crosslinked oxygen in a structure by a laser drawing apparatus. The glass drawing method is characterized in that a non-crosslinked oxygen hole center is formed by scanning a laser beam inside the glass and colored, and a three-dimensional image is drawn inside the glass by the colored portion.
[0023]
Further, the present invention is the above-described glass drawing method, wherein the laser oscillator constituting the laser drawing device is a carbon dioxide laser oscillator, a YAG laser, a green DPSS laser oscillator or a UV pulse laser oscillator, and the type of laser beam used is A glass drawing method characterized by being infrared light, near infrared light, visible light, or ultraviolet light.
[0024]
Further, in the present invention, when the silicate glass contains Ag, Sn and / or Eu as a trace component, and when Ag is contained, the content is Ag. 2 0.005 to 0.5 wt% in terms of O, and when Sn is contained, the content is SnO 2 When Eu is contained in an amount of 0.01 to 1 wt% in terms of Eu, the content is Eu. 2 O 3 The method for drawing a glass according to the above, wherein the glass is contained in an amount of 0.01 to 1% by weight in terms of.
[0025]
Further, the present invention is a glass characterized in that a three-dimensional image is drawn inside the silicate glass by the above-described method for drawing glass.
[0026]
Further, the present invention is a glass characterized in that the inside of the silicate glass is colored by the above-described glass drawing method.
[0027]
Further, the present invention is a method for decoloring a colored portion by heating the above glass.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention is characterized in that a non-crosslinked oxygen hole center is formed on a silicate glass having non-crosslinked oxygen in a structure by scanning a laser beam inside the glass with a laser drawing device and colored, and drawing is performed by the colored portion. Is a drawing method of glass.
[0029]
Further, in the present invention, the three-dimensional image drawing process includes the steps of creating three-dimensional CAD data of a three-dimensional image, creating three-dimensional CAD data of a reference three-dimensional image, and creating three-dimensional CAD data integrating a three-dimensional image and a reference three-dimensional image. The method of drawing glass according to the above, comprising: slicing the three-dimensional CAD data in which the three-dimensional image and the reference three-dimensional image are integrated, and deleting unnecessary lines included in the sliced plan view.
[0030]
First, an operation flow for creating a sliced plan view will be described.
[0031]
FIG. 1 is a flowchart of an operation for creating a sliced plan view.
[0032]
After creating a three-dimensional model, create a reference three-dimensional image by computer-aided design, that is, CAD, save a plan view sliced with three-dimensional CAD software, delete unnecessary lines, and further slice the plan view. Is converted by a Hewlett-Packard Graphic Language, that is, drawn by a laser drawing apparatus using the data converted into the HP-GL format.
[0033]
The reference three-dimensional image is necessary to unify the positions and scales of the plurality of sliced plan views in the drawing field, and is preferably larger than the three-dimensional image and created so as to surround the three-dimensional image. The drawing field is a plane area inside the glass in which a two-dimensional plan view is drawn by the focused laser beam.
[0034]
The reference three-dimensional image is, for example, a rectangular parallelepiped or a cylinder, and it is preferable to select a three-dimensional image that does not change the shape of the outline of the cut surface in a plurality of two-dimensional plan views obtained by slicing the reference three-dimensional image.
[0035]
The three-dimensional CAD data is preferably created as data in which the three-dimensional image and the reference three-dimensional image are integrated.
[0036]
In addition, in the sliced plan view, unnecessary lines unique to the three-dimensional CAD software may appear in addition to the outline of the cut plane. Is also necessary. The storage of the slice of the stereoscopic image and the sliced plan view and the deletion of the unnecessary line can be performed using commercially available three-dimensional CAD software and its macro function. Further, the control program of the galvanometer can be read by converting the sliced plan view stored in the format unique to the three-dimensional CAD software into the HP-GL format. Further, the conversion operation can be automatically performed using the function of the three-dimensional CAD software. With the above procedure, two-dimensional CAD data for obtaining a plurality of sliced plan views for one stereoscopic image is created.
[0037]
Further, the present invention reads the position and size data of the reference stereoscopic image on the two-dimensional CAD from the two-dimensional CAD data of the sliced plan view, and unifies the positions and scales of the plurality of sliced plan views on the drawing field. The above-described glass drawing method, wherein a function is added to a laser drawing control program.
[0038]
Next, the drawing method will be described.
[0039]
FIG. 2 is a flowchart of an operation for unifying the positions and scales of a plurality of sliced plan views on the drawing field.
[0040]
As shown in FIG. 2, after the offset coordinates and the overall size of the reference graphic on the two-dimensional CAD are read by the laser drawing control program, the offset coordinates for arranging the reference graphic at the center of the drawing field are calculated. Calculate the overall coordinates of the reference figure in the drawing field.
[0041]
The laser drawing control program reads the position and overall size of the reference stereoscopic image included in the two-dimensional CAD data representing the sliced plane, and renders the reference stereoscopic image, that is, the entire sliced plan view, into a predetermined size. By arranging them at the center of the field and unifying the size of the reference stereoscopic image occupying the drawing field, the positions and scales of the plurality of sliced plan views on the drawing field are unified.
[0042]
Furthermore, the present invention is the above-described glass drawing method, wherein a function of drawing the same sliced plan view a plurality of times is added to the laser drawing control program.
[0043]
Next, the drawing method will be described.
[0044]
Coloring by a non-crosslinked oxygen hole center formed by scanning a laser beam inside a silicate glass having non-crosslinked oxygen in its structure generally has a low coloring concentration. If the pulse energy density of the scanning laser beam is increased in order to increase the coloring density, not only non-crosslinked oxygen hole centers, but also glass phases with different refractive indices and fine cracks are generated inside the glass, and they are colored white by light scattering. I do. When the pulse energy density of the laser beam to be scanned is equal to or lower than a threshold value at which a glass phase having a different refractive index or a fine crack is generated, the non-crosslinked oxygen hole center is required to increase the coloring density by the non-crosslinked oxygen hole center. It is effective to generate a large number. For this purpose, it is preferable to draw the same sliced plan view in a plurality of times.
[0045]
Further, the present invention is the above-described glass drawing method, wherein, when drawing the same sliced plan view a plurality of times, the position of the plan view is shifted.
[0046]
Next, the drawing method will be described.
[0047]
Coloring by a non-crosslinked oxygen hole center formed by scanning a laser beam inside a silicate glass having non-crosslinked oxygen in its structure generally has a low coloring concentration. When the pulse energy density of the laser to be scanned is equal to or less than a threshold value at which a glass phase having a different refractive index or a fine crack is generated, and the same sliced plan view is drawn a plurality of times, the previously generated non-crosslinked oxygen holes The center may change into a glass phase having a different refractive index or a fine crack due to a laser beam that is scanned after being overlapped later. For this reason, a large number of non-crosslinked oxygen hole centers are generated in order to increase the coloring density, and the same slice plane figure is drawn a plurality of times. In this case, the scanning position of the laser beam is preferably separated by 5 μm or more in order to prevent the previously generated non-crosslinked oxygen hole center from changing into a glass phase having a different refractive index or a fine crack. If the deviation of the sliced plan view is too large, the drawn three-dimensional image is blurred and difficult to see, and if it is 1000 μm or more, the figure cannot be clearly distinguished.
[0048]
Furthermore, the present invention forms a non-crosslinked oxygen hole center by scanning a laser beam on a silicate glass having non-crosslinked oxygen in the structure by scanning the laser beam with a galvanometer mirror inside the glass with a laser drawing apparatus. And drawing a three-dimensional image inside the glass by the colored portion.
[0049]
Next, the drawing method will be described.
[0050]
The laser drawing apparatus includes a laser oscillator, an optical modulator, an autofocus lens, an objective lens, a galvanometer mirror, and an XYZ axis stage. Alternatively, the laser drawing apparatus includes a laser oscillator, an optical modulator, a galvanometer mirror, an fθ lens, and an XYZ axis stage.
[0051]
When a galvanometer mirror is used for scanning the laser beam, the laser beam can be freely scanned by the galvanometer mirror, and fine drawing can be performed with a continuous colored portion. The galvanometer mirror is composed of a plurality of mirrors whose directions can be changed, usually an X mirror and a Y mirror, and can change the direction, that is, the angle of the mirror, to change the optical axis of the laser beam. By controlling and adjusting the angles of the X mirror and the Y mirror, the scanning position of the laser beam on the glass as an object is moved by shaking the optical axis, and the glass can be colored with high accuracy. , A character, a design, a bar code, or the like can be drawn. For example, it is possible to easily write character information such as a manufacturing number, a manufacturing date, a manufacturer name, or a one-dimensional or two-dimensional barcode on glass, and also to narrow a laser beam to a number within a 1 mm interval. It requires a resolution capable of writing ten or more lines, and can perform fine drawing.
[0052]
Next, the optical modulator will be described.
[0053]
The optical modulator is, for example, an acousto-optic modulator (hereinafter abbreviated as AOM) or an electro-optic modulator (hereinafter abbreviated as EOM). The optical modulator, which is a component of the laser writing apparatus used in the glass writing method of the present invention, serves as a switching element. That is, by changing the traveling direction of the laser beam or by switching between shielding and transmission, ON / OFF of the scanning of the laser beam with respect to the workpiece is accurately controlled. By performing ON / OFF, characters and drawing become discontinuous, and it is possible to cope with various drawing. Either an acousto-optic modulator (hereinafter abbreviated as AOM) or an electro-optic modulator (hereinafter abbreviated as EOM) may be used as the optical modulator.
[0054]
In the ON state, the AOM is a piezoelectric element that converts RF waves in a radio frequency range into ultrasonic waves, that is, a transducer transmits ultrasonic waves to quartz glass and forms a diffraction grating by density fluctuations of the quartz glass to form a laser beam. A switching element that diffracts and changes its optical path, and in the OFF state, directs the laser beam straight into the quartz glass.
[0055]
The EOM is a switching element that allows a laser beam to pass or shield by applying a voltage to the laser beam to change the polarization direction.
[0056]
Further, an autofocus lens and an objective lens, or an fθ lens, which are components of the laser drawing apparatus used in the glass drawing method of the present invention, correct the focal position of the laser beam scanned in an arc shape by the galvanometer mirror. Plays a role in increasing the resolution of drawing by condensing light on a plane.
[0057]
Further, the present invention provides a non-crosslinked oxygen hole center by scanning a laser beam into a silicate glass having non-crosslinked oxygen in a structure by using a laser drawing device by a stage movable in a horizontal direction and / or a vertical direction. Is formed and colored, and a three-dimensional image is drawn inside the glass by the colored portion.
[0058]
Next, the drawing method will be described.
[0059]
The laser drawing apparatus includes a laser oscillator, a galvanometer mirror, an objective lens, and an XYZ axis stage.
[0060]
The XYZ-axis stage is a stage movable in the horizontal direction and / or the vertical direction. For example, an X-Y-axis stage movable horizontally in a scanning plane and a Z-axis stage movable vertically can be combined. XYZ axis stage. To drive the XYZ stage, a stepping motor or a linear motor is used. To move the stage at high speed, a linear motor is more advantageous than a stepping motor.
[0061]
In the glass drawing method of the present invention, the glass is mounted on an XYZ-axis stage, and after drawing one layer of the sliced plan view inside the glass, the position of the glass is changed by moving the XYZ-axis stage to obtain a sliced plan view. Is preferably drawn inside the glass. By repeating this operation for a plurality of sliced plan views, one stereoscopic image is drawn inside the glass. For the foregoing reasons, the layer spacing between adjacent sliced plan views is greater than or equal to 5 μm.
[0062]
After drawing one layer of the sliced plan view inside the glass, the position of the glass is changed by moving the XYZ axis stage, and the next layer of the sliced plan view is drawn inside the glass. By repeating this operation for a plurality of sliced plan views, one stereoscopic image is drawn inside the glass. The layer spacing between adjacent sliced plan views is at least 5 μm.
[0063]
Further, in the present invention, the laser oscillator is a carbon dioxide laser oscillator, a YAG laser, a green DPSS laser oscillator or a UV pulse laser oscillator, and the type of laser beam used is infrared light, near infrared light, visible light, or ultraviolet light. The above-described glass drawing method is characterized in that:
[0064]
The drawing method will be described.
[0065]
As the laser oscillator which is a component of the laser writing apparatus used in the glass writing method of the present invention, either a continuous laser oscillator which emits a laser beam continuously or a pulse laser oscillator which emits a laser beam in a pulsed manner is used. It does not matter. In the glass drawing method of the present invention, it is preferable to use a carbon dioxide laser, a YAG laser, a green DPSS laser, or a UV pulse laser that emits high-power laser light. The YAG laser oscillator is an abbreviation for an yttrium aluminum garnet laser oscillator, the green DPSS laser oscillator is an abbreviation for a green diode pumped solid state laser oscillator, and the UV pulse laser oscillator is an ultraviolet Abbreviation for optical pulse laser oscillator.
[0066]
The type of laser beam includes infrared light, near-infrared light, visible light, or ultraviolet light, and has a wavelength of 100 nm or more and 1 mm (10 mm). 6 nm) or less.
[0067]
Further, in the present invention, when the silicate glass contains Ag, Sn and / or Eu as a trace component, and when Ag is contained, the content is Ag. 2 0.005 to 0.500 wt% in terms of O, and when Sn is contained, the content is SnO 2 0.010 to 1.000 wt% in the case of containing Eu, the content is Eu 2 O 3 The glass drawing method as described above, wherein the glass content is 0.010 to 1.000 wt% in terms of.
[0068]
Next, the drawing method will be described.
The glass used in the glass drawing method of the present invention may be a silicate glass having non-crosslinked oxygen in the structure, and for example, a soda lime silicate glass including a float plate glass manufactured by a float method can be used. .
[0069]
By scanning a silicate glass with non-crosslinked oxygen in the structure with a laser beam, a non-crosslinked oxygen hole center, which is a color center that absorbs visible light in the glass, can be generated. In order that coloring is stable for a long time and does not fade, it is preferable that an element serving as an electron capture center is contained in a trace amount of glass.
[0070]
Examples of the element include silver, that is, Ag, tin, that is, Sn, and / or europium, that is, Eu. When Ag is contained, the content is Ag. 2 0.005 to 0.500 wt%, preferably 0.010 to 0.200 wt%, more preferably 0.010 to 0.100 wt% in terms of O, and when Sn is contained, its content is SnO 2 0.010 to 1.000 wt%, preferably 0.020 to 0.800 wt%, more preferably 0.020 to 0.400 wt%, and when Eu is contained, its content is Eu. 2 O 3 0.010 to 1.000 wt%, preferably 0.020 to 0.800 wt%, more preferably 0.020 to 0.400 wt% in terms of non-crosslinked oxygen. It is possible to stabilize coloring by the oxygen hole center for a long time and to suppress fading.
[0071]
The glass drawn by the present invention loses its color when heated to 100 ° C. or higher, and thus can be repeatedly erased and written.
[0072]
Next, a drawing apparatus which can be suitably used for the glass drawing method of the present invention will be described in detail.
[0073]
FIG. 3 is an explanatory diagram of an example of a laser drawing apparatus used in the present invention using an auto-focus lens and an objective lens for controlling the focal position of a laser beam.
[0074]
The laser oscillator 1 shown in FIG. 3 is a YAG laser oscillator, a green DPSS laser oscillator, or an ultraviolet, ie, UV pulse laser oscillator. In the UV pulse laser oscillator, an optical modulator composed of AOM or EOM is usually already incorporated as a so-called Q switch. By moving the autofocus lens 2 on the optical axis, the light condensing position inside the silicate glass as the target 6 is controlled.
[0075]
A laser beam emitted from a YAG laser oscillator, a green DPSS laser oscillator, or a UV pulse laser oscillator passes through an autofocus lens 2 and then an objective lens 3 and is then passed through an X mirror 4 and a Y mirror 5, which are galvanometer mirrors. The light is reflected, and then the inside of the silicate glass as the target 6 is scanned to color and draw the laser beam scanning portion inside the silicate glass.
[0076]
The digital command data input to the computer 8 is received by the scanning controller 9, and the scanning controller 9 drives the autofocus lens 2 and the X mirror 4 and the Y mirror 5, which are galvanometer mirrors, while controlling the operations of the silicate glass. The scanning position of the internal laser beam is moved. Drawing by laser scanning inside the silicate glass is performed by such an operation, and fine writing is possible. The written contents can be easily changed by changing the digital command data.
[0077]
The glass mounted on the XYZ axis stage 7 draws one layer of the sliced plan view inside the glass, then changes the position of the glass by moving the XYZ axis stage 7, and transfers the next layer of the sliced plan view to the inside of the glass. To draw. Stage movement for changing layers in the sliced plan view is usually performed only on the Z-axis stage. By repeating this operation for a plurality of sliced plan views, one stereoscopic image is drawn inside the glass. The layer spacing between adjacent sliced plan views is at least 5 μm.
[0078]
In order to increase the coloring density by the non-crosslinked oxygen hole center, it is effective to draw the same slice plane figure a plurality of times. In this case, the slice plane figure is usually drawn a plurality of times with the Z-axis stage fixed, but it is avoided that the previously generated non-crosslinked oxygen hole center changes to a glass phase having a different refractive index or a fine crack. Therefore, it is preferable to shift the position of the slice plan view by 5 μm or more by the XY axis stage.
[0079]
FIG. 4 is an explanatory diagram of an example of a laser drawing apparatus used in the present invention using an fθ lens for controlling the focal position of a laser beam.
[0080]
A laser beam emitted by a green DPSS laser oscillator as a laser oscillator 1 or a YAG laser oscillator passes through an AOM 10 as a switching element, and then is reflected by an X mirror 4 and a Y mirror 5 as galvanometer mirrors. Then, the laser beam is scanned inside the silicate glass as the target 6 to color the laser beam scanning portion inside the silicate glass. lens 11 focuses the laser beam scanned by the galvanometer mirror inside the silicate glass as the target 6.
[0081]
The digital command data input to the computer 8 is received by the scanning controller 9, and the scanning controller 9 drives the AOM 10 and the X mirror 4 and the Y mirror 5, which are galvanometer mirrors, while controlling the operations thereof. Move the scanning position. The contents written by the laser beam inside the silicate glass as the target 6 can be easily changed by changing the digital command data.
[0082]
The glass mounted on the XYZ axis stage 7 draws one layer of the sliced plan view inside the glass, then changes the position of the glass by moving the XYZ axis stage 7, and transfers the next layer of the sliced plan view to the inside of the glass. To draw. Stage movement for changing layers in the sliced plan view is usually performed only on the Z-axis stage. By repeating this operation for a plurality of sliced plan views, one stereoscopic image is drawn inside the glass. The layer spacing between adjacent sliced plan views is at least 5 μm.
[0083]
In order to increase the coloring density by the non-crosslinked oxygen hole center, it is effective to draw the same slice plane figure a plurality of times. In this case, the slice plane figure is usually drawn a plurality of times with the Z-axis stage fixed, but it is avoided that the previously generated non-crosslinked oxygen hole center changes to a glass phase having a different refractive index or a fine crack. Therefore, it is preferable to shift the position of the slice plan view by 5 μm or more by the XY axis stage.
[0084]
FIG. 5 shows an XYZ-axis stage 7 composed of an XY-axis stage movable in the horizontal direction and a Z-axis stage movable in the vertical direction with respect to the scanning surface, while moving the stage 7 on the silver ion-containing glass. FIG. 2 is an explanatory diagram of an example of a laser drawing apparatus for causing a laser beam to scan.
[0085]
As shown in FIG. 5, the laser drawing apparatus includes a UV pulse laser 1, a mirror 12, an XYZ axis stage 7, an objective lens 13, a computer 8, and the like, in addition to the stage 7. The XYZ-axis stage 7 is a combination of a surface slider 14 of XY 2-axis automatic control and a manual Z-axis stage 15, and a sample holder 16 is mounted thereon. The surface slider brakes the slider 17 floating on the base with compressed air by a linear motor (not shown).
[0086]
The two-dimensional CAD data representing the slice plane figure is converted into a format readable by the pulse controller 18 and input to the computer 8. The pulse controller 18 reads the two-dimensional CAD data input to the computer 8 and drives a linear motor (not shown) to brake the slider 17. The computer 8 sends a gate signal for laser oscillation to the function generator 19. The function generator 19 transmits a laser modulation signal for laser pulse oscillation to a laser controller (not shown). As a result, the modulated UV pulse laser is output from the laser head 1. The contents written by the laser beam inside the silicate glass as the target 6 can be easily changed by changing the two-dimensional CAD data.
[0087]
The glass mounted on the XYZ axis stage 7 draws one layer of the sliced plan view inside the glass, then changes the position of the glass by moving the XYZ axis stage 7, and transfers the next layer of the sliced plan view to the inside of the glass. To draw. The stage movement for changing the layer in the sliced plan view is usually performed only by the Z-axis stage 15. By repeating this operation for a plurality of sliced plan views, one stereoscopic image is drawn inside the glass. The layer spacing between adjacent sliced plan views is at least 5 μm.
[0088]
In order to increase the coloring density by the non-crosslinked oxygen hole center, it is effective to draw the same slice plane figure a plurality of times. In this case, the slice plane figure is usually drawn a plurality of times with the Z-axis stage fixed, but it is avoided that the previously generated non-crosslinked oxygen hole center changes to a glass phase having a different refractive index or a fine crack. Therefore, it is preferable to shift the position of the slice plan view by 5 μm or more by the XY axis stage.
[0089]
The glass drawing method of the present invention has a smaller haze and is more durable without damaging the glass, as compared to a conventional method for drawing a three-dimensional image inside glass, in which cracks are generated in a laser condensing portion. And a three-dimensional image colored yellow to brown.
[0090]
【Example】
Example 1
As the three-dimensional CAD data, as shown in FIG. 1, two images, a three-dimensional image (head image) drawn inside the glass sheet and a reference three-dimensional image (rectangular solid) representing the entire size of the three-dimensional image, were created. The size of the rectangular parallelepiped was 90 mm × 90 mm × 15 mm. Unnecessary lines appearing in the sliced plan view in addition to the outline of the cut surface were selected and deleted. The sliced plan view stored in a format unique to the three-dimensional CAD software was converted into the HP-GL format so that the control program of the galvanometer could be read. Through such a series of operations, two-dimensional CAD data of a slice plan view of 99 layers was created for this three-dimensional image.
[0091]
FIG. 3 is an explanatory diagram of an example of a laser drawing apparatus used in the present invention using an auto-focus lens and an objective lens for controlling the focal position of a laser beam.
[0092]
As shown in FIG. 3, the laser drawing apparatus includes a UV pulse laser oscillator, which is a laser oscillator 1, an auto-focus lens 2, an objective lens 3, an X mirror 4, a Y mirror 5 in a galvanometer, and an X-ray movable in a horizontal direction. An XYZ-stage 7 composed of a Y-axis stage and a Z-axis stage movable in the vertical direction, and a holder attached to the XYZ-stage 7, and a silicate glass as a target 6 was attached to the holder. The size of the silicate glass was 100 mm × 100 mm × 15 mm.
[0093]
The UV pulse laser was oscillated at a wavelength of 355 nm, a pulse width of 20 ns, a pulse energy of 23 μJ, an average output of 0.58 W, a repetition frequency of 25 kHz. The focused beam diameter of the laser beam was adjusted to 8 μm. This laser beam is squeezed by the auto-focus lens 2 and the objective lens 3, turned into a laser beam, reflected by the X mirror 4 and the Y mirror 5, and is attached to a holder 6. Having the composition SiO 2 , 72 wt%, Na 2 O, 16 wt%, CaO, 10 wt%, Al 2 O 3 Light was condensed inside a 2 wt% silicate glass. The laser beam is turned on / off by a Q switch incorporated in a UV pulse laser oscillator, and the angles of the X mirror 4 and the Y mirror 5 are operated to deflect the optical axis of the laser beam. Scanning at a scanning speed of 61 mm / sec.
[0094]
First, the computer 8 reads the two-dimensional CAD data of the slice plane figure of the first layer. Next, the control program of the galvanometer reads the position and size data of the reference figure from the two-dimensional CAD data of each sliced plan view, and performs numerical processing to perform a plurality of sliced plan views inside the silicate glass as the target 6. Unify the position and scale. After that, the two-dimensional CAD data of the slice plane figure is drawn inside the silicate glass as the target 6.
[0095]
Next, the Z-axis stage is lowered by 100 μm and stopped. Next, the computer 8 reads the two-dimensional CAD data of the slice plane figure of the second layer, performs the same numerical processing, and draws the inside of the silicate glass as the target 6. Next, the Z-axis stage is lowered by 100 μm and stopped. This operation was repeated for the two-dimensional CAD data of the slice plane figure of 99 layers.
[0096]
In this way, a three-dimensional image was drawn inside the soda lime glass having the size of 100 mm × 100 mm × 15 mm by coloring the non-crosslinked hole center.
[0097]
The glass 6 thus colored disappeared by heating at 300 ° C. for 30 minutes, and could be reused as a transparent plate glass.
Example 2
In the same manner as in Example 1, two-dimensional CAD data of a 99-layer slice plane figure was created. The apparatus used was the same as in Example 1. The size of the silicate glass attached to the target 6 on the holder was also 100 mm × 100 mm × 15 mm as in Example 1.
[0098]
The scanning conditions of the UV pulse laser were the same as those in Example 1, wavelength 355 nm, pulse width, 20 ns, pulse energy, 23 μJ, average output, 0.58 W, repetition frequency, 25 kHz, focused beam diameter, 8 μm, scanning speed, 61 mm / sec.
[0099]
First, the Z-axis stage was lowered by 100 μm, and then the X-axis stage was moved by 100 μm and stopped.
[0100]
The computer 8 reads the two-dimensional CAD data of the slice plane figure of the first layer, and the control program of the galvanometer reads the position and size data of the reference figure from the two-dimensional CAD data of each sliced plan view, and performs numerical processing. By doing so, the positions and scales of a plurality of sliced plan views inside the silicate glass as the target 6 were unified. After that, the two-dimensional CAD data of the sliced plan view was drawn inside the silicate glass as the target 6.
[0101]
Next, the Y-axis stage was moved by 100 μm and stopped. Next, as described above, the two-dimensional CAD data of the slice plane figure of the first layer was drawn inside the silicate glass as the target 6. Next, the X-axis stage was moved by -100 μm and stopped. Next, as described above, the two-dimensional CAD data of the slice plane figure of the first layer was drawn inside the silicate glass as the target 6. Next, the Y-axis stage was moved by -100 μm and stopped. Next, as described above, the two-dimensional CAD data of the slice plane figure of the first layer was drawn inside the silicate glass as the target 6.
[0102]
By repeating the above operation 99 times, a slice plane figure of 99 layers is drawn inside the silicate glass which is the target 6, and as a result, a brown solid image which is more deeply colored than in Example 1 is put inside the silicate glass. displayed.
[0103]
The glass 6 thus colored disappeared by heating at 300 ° C. for 30 minutes, and could be reused as a transparent plate glass.
[0104]
【The invention's effect】
In the glass drawing method of the present invention, a non-crosslinked oxygen hole center is formed inside a silicate glass having non-crosslinked oxygen in a structure that can be colored by laser beam scanning, and the glass is colored brown, and the inside of the glass is colored by the colored portion. In this method, a fine image can be drawn without generating cracks inside the glass and without breaking the glass.
[0105]
By using the laser drawing apparatus used in the glass drawing method of the present invention, the entire inside of the glass can be filled and colored with a non-crosslinked oxygen hole center.
[0106]
When the glass colored by the present method is heated to 300 to 550 ° C., the glass is erased without deforming its shape and returns to colorless and transparent, so that recycling is easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart of an operation for creating a sliced plan view.
FIG. 2 is a flowchart of an operation of unifying the positions and scales of a plurality of sliced plan views on a drawing field.
FIG. 3 is an explanatory diagram of an example of a laser drawing apparatus used in the present invention using an auto-focus lens and an objective lens for controlling a focal position of a laser beam.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an example of a laser drawing apparatus used in the present invention using an fθ lens for controlling the focal position of a laser beam.
FIG. 5 is an explanatory diagram of an example of a laser drawing apparatus used in the present invention using an XYZ axis stage for high-speed movement of glass.
[Explanation of symbols]
1 Laser oscillator
2 Autofocus lens
3 Objective lens
4 X mirror
5 Y mirror
6 target (glass)
7 XYZ axis stage
