JP2005014089A - Laser marking method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガルバノミラーを使用してレーザ光を走査し、金属、ガラスおよび樹脂等の表面、あるいは、ガラスや樹脂のような透明材料の内部にパターンをマーキングする、即ち、図形を描画するレーザマーキング装置を用いてのレーザマーキング方法に関する。特に、結像手段である集光レンズにより集光したレーザ光を用いて被加工物に図形を描画するレーザマーキング装置を用いてのレーザマーキング方法に関する。 The present invention scans a laser beam using a galvanometer mirror and marks a pattern on the surface of a metal, glass, resin, or the like, or inside a transparent material such as glass or resin, that is, a laser for drawing a figure. The present invention relates to a laser marking method using a marking device. In particular, the present invention relates to a laser marking method using a laser marking apparatus that draws a figure on a workpiece using laser light condensed by a condenser lens that is an imaging means.
レーザマーキング方法については、特許文献1および特許文献2等により知られている。
The laser marking method is known from Patent Document 1,
例えば、特許文献1において、ガルバノミラーを使用したレーザマーキング装置およびレーザ走査位置の補正処理方法について開示されている。しかしながら、特許文献1に記載の補正処理方法は、一般的なガルバノミラーを使用することにより発生する糸巻き形歪曲および樽形歪曲、あるいは、パターンの回転量を補正する方法、言い換えれば、平面内の走査位置の補正処理方法であり、マーキング対象である被加工物が曲面形状をなす場合の表面の凹凸、あるいは、透明材料の内部にマーキングする際の屈折の影響によりマーキング位置が本来のマーキング位置からズレることの補正方法については開示されていない。また、特許文献1に記載の補正処理方法は、レーザ集光位置の光軸方向のズレに対する補正方法については、開示されていない。 For example, Patent Document 1 discloses a laser marking device using a galvano mirror and a laser scanning position correction processing method. However, the correction processing method described in Patent Document 1 is a method for correcting pincushion distortion and barrel distortion generated by using a general galvanometer mirror, or the amount of pattern rotation, in other words, in a plane. This is a scanning position correction processing method. The marking position is different from the original marking position due to surface irregularities when the workpiece to be marked has a curved shape, or the influence of refraction when marking inside the transparent material. There is no disclosure of a method for correcting misalignment. Further, the correction processing method described in Patent Document 1 does not disclose a correction method for the deviation of the laser focusing position in the optical axis direction.
従来技術によるガルバノミラーを使用したレーザマーキング装置では、レーザ光がミラーの中心を起点として放射状に走査されるために、例えば、特許文献1のように、被加工物表面の形状および透明材料に入射する際の屈折等を考慮しない場合、マーキングされたパターンが被加工物の凹凸や屈折を反映して歪んでしまうという問題があった。更に、集光位置を補正しないために、表面の凹凸がレーザ光の加工可能領域から外れマーキングされない部分が生じる問題があった。 In a laser marking apparatus using a galvanometer mirror according to the prior art, the laser beam is scanned radially from the center of the mirror, so that it is incident on the shape of the workpiece surface and the transparent material as in Patent Document 1, for example. If refraction and the like are not taken into consideration, there is a problem that the marked pattern is distorted reflecting the unevenness and refraction of the workpiece. Further, since the light condensing position is not corrected, there is a problem in that the surface unevenness is deviated from the laser beam processable region and a portion that is not marked is generated.
また、特許文献2において、ガルバノミラーと直交するX方向およびY方向の2方向に移動可能なステージを組み合わせたレーザマーキング装置におけるレーザ光の集光位置の補正方法について開示されている。しかし、特許文献2に記載のマーキング装置は、移動可能なステージに固定された1個のガルバノミラーが面内を移動してレーザ光を走査する方式であって、集光位置の補正量は、ガルバノミラーのX方向の移動量とY方向の移動量に対して求められるものであり、被加工物の表面の形状に応じた集光位置の補正方法については開示されてはいない。
特許文献2に記載の補正方法において、被加工物表面の形状を考慮しない場合、特許文献2のレーザマーキング装置は被加工面に対して決まった方向からレーザ光を照射するためにマーキングされるパターンが極端に歪むことは避けられるが、表面の凹凸がレーザ光の加工可能領域から外れマーキングされない部分が生じるという問題があった。更に、レーザ光の走査をガルバノミラーの回転でビームを振るのではなく、ガルバノミラー自体の平行移動により行うため、マーキング速度をガルバノミラーの回転による走査方式ほどに上げることが困難であるという問題があった。
従来のレーザマーキング装置において、前述の補正方法を行い、曲面の被加工物の表面に沿って平面図形を描画しようとした場合、レーザ光はXミラーの中心を起点とし放射状に走査されるため、被加工物の表面曲率の影響で、被加工物表面上において加工される点の座標は、元の図形データの座標に一致しない。一致しないために、マーキングされる図形が被加工物表面に投影されたものではなくなり、被加工物表面の表面曲率の影響を受けて歪んでしまうという問題があった。 In the conventional laser marking apparatus, when the above correction method is performed and a plane figure is drawn along the surface of the curved workpiece, the laser beam is scanned radially from the center of the X mirror. Due to the influence of the surface curvature of the workpiece, the coordinates of the points processed on the workpiece surface do not match the coordinates of the original graphic data. Since they do not match, there is a problem that the figure to be marked is not projected onto the surface of the workpiece and is distorted due to the influence of the surface curvature of the surface of the workpiece.
更に、被加工物の表面曲率が大きくなると、レーザ光の加工可能領域から外れマーキングされない部分が生じるという問題があった。 Furthermore, when the surface curvature of the workpiece increases, there is a problem that a part that is not marked out of the laser beam processable region is generated.
更に、透明な被加工物の内部に平面図形を描画しようとした場合において、レーザ光がミラーの中心を起点とし放射状に走査される場合、レーザ光は透明材料に入射する際に屈折し、その屈折する角度は描画位置が原点から離れ入射角が大きくなるにつれて大きくなり、かつ、レーザ光の集光位置の軌跡も平面とならない。平面とはならないために、マーキングされる図形は、被加工物内部に投影されたものではなく、原点からの距離に応じて歪んでしまうという問題があった。 Furthermore, when a plane figure is to be drawn inside a transparent workpiece, when the laser beam is scanned radially from the center of the mirror, the laser beam is refracted when entering the transparent material. The angle of refraction increases as the drawing position moves away from the origin and the incident angle increases, and the locus of the laser beam condensing position does not become flat. Since the figure does not become a flat surface, the figure to be marked is not projected inside the workpiece, but has a problem that it is distorted according to the distance from the origin.
本発明は、前述した従来の制御方法に加えて、被加工物における描画面の形状を考慮することで、従来のように平面のみでなく、新たに曲面の被加工物の表面に投影した平面図形を、または透明な被加工物の内部に投影した平面図形を、歪みなく高速で描画するレーザマーキング方法を提供することを目的とする。 In addition to the conventional control method described above, the present invention takes into account the shape of the drawing surface on the workpiece, so that not only a conventional plane but also a newly projected plane on the surface of the workpiece An object of the present invention is to provide a laser marking method for drawing a figure or a planar figure projected on the inside of a transparent workpiece at high speed without distortion.
本発明のレーザマーキング方法は、従来のレーザマーキング方法において、ミラーや集光レンズを制御するためのデータの作成方法を解析し、該データを本発明のレーザマーキング方法により補正することで、従来のように平面のみならず、新たに曲面の被加工物への描画を可能としたものである。 The laser marking method of the present invention is a conventional laser marking method in which a method for creating data for controlling a mirror and a condenser lens is analyzed, and the data is corrected by the laser marking method of the present invention. Thus, not only a plane but also a new curved surface can be drawn on the workpiece.
本発明のレーザマーキング方法は、光源手段から出射したレーザ光を直交する二方向に関して二次元的に走査する一対のガルバノメータとターゲット面上に結像させる結像手段とを有し、描画する平面図形データを投影した被加工物上の点を描画する際にレーザ光が通過する基準平面上の座標を求め、その座標を使ってXミラーとYミラーの振り角および集光位置を補正するための補正データを算出することを特徴とする。 The laser marking method of the present invention comprises a pair of galvanometers that scan laser light emitted from a light source means two-dimensionally in two orthogonal directions and an imaging means that forms an image on a target surface, and a planar figure to be drawn When drawing the point on the workpiece onto which the data is projected, the coordinates on the reference plane through which the laser beam passes are obtained, and using these coordinates, the swing angle and the focusing position of the X mirror and the Y mirror are corrected. Correction data is calculated.
本発明のレーザマーキング方法において、ガルバノメータのXミラーとYミラーの制御については、算出した必要な振り角に応じた信号をXミラーとYミラーの駆動装置へ送信することで、前記結像手段である、例えば、集光レンズについて、焦光位置のズレを求め、言い換えれば、補正データを求め、該補正データを信号に変換し駆動装置に送信し、集光レンズを移動させることを特徴とする。 In the laser marking method of the present invention, for the control of the X mirror and Y mirror of the galvanometer, a signal corresponding to the calculated required swing angle is transmitted to the drive device for the X mirror and Y mirror, so that the imaging means For example, with respect to a condensing lens, the shift of the focal position is obtained, in other words, correction data is obtained, the correction data is converted into a signal, transmitted to the driving device, and the condensing lens is moved. .
即ち、本発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を、描画する図形データに基づきガルバノミラーと結像手段の動作を制御することで被走査面上に結像させながら走査して所定の図形を描画するレーザマーキング方法において、被加工物の描画面の形状より算出された補正データにより、平面図形を被加工物の表面に投影した図形として描画するために前記ガルバノミラーおよび結像手段の動作を制御することを特徴とするレーザマーキング方法である。 That is, the present invention scans a laser beam emitted from a laser light source while forming an image on a surface to be scanned by controlling operations of a galvano mirror and an image forming unit based on drawing data to be drawn. In the laser marking method for drawing, the operation of the galvanometer mirror and the imaging means for drawing a plane figure as a figure projected on the surface of the workpiece by correction data calculated from the shape of the drawing surface of the workpiece It is a laser marking method characterized by controlling.
更に、本発明は、上記の補正データは、光学系から決まる基準平面と図形を描画する被走査面の形状とを比較して求めた値に基いて算出されることを特徴とする上記のレーザマーキング方法である。 Further, according to the present invention, the correction data is calculated based on a value obtained by comparing a reference plane determined from an optical system and a shape of a surface to be scanned for drawing a figure. It is a marking method.
更に、本発明は、被加工物の屈折率に基いて算出された補正データにより、透明な被加工物の内部に平面図形を描画するためにガルバノミラーおよび結像手段の動作を制御することを特徴とするレーザマーキング方法である。 Furthermore, the present invention controls the operation of the galvanometer mirror and the imaging means to draw a plane figure inside the transparent workpiece by using correction data calculated based on the refractive index of the workpiece. This is a characteristic laser marking method.
本発明のレーザマーキング方法を用いると、従来のレーザマーキング装置におけるレーザマーキング方法、即ち、制御方法に加えて、被加工物における描画面の形状を考慮することで、従来のように平面のみでなく、新たに曲面の被加工物の表面に投影した平面図形を、または透明な被加工物の内部に投影した平面図形を、歪ませることなく高速に描画される。 By using the laser marking method of the present invention, in addition to the laser marking method in the conventional laser marking apparatus, that is, the control method, the shape of the drawing surface on the workpiece is taken into consideration, so that not only the flat surface as in the past. A plane figure newly projected on the surface of a curved workpiece or a plane figure projected inside a transparent workpiece can be drawn at high speed without distortion.
本発明のレーザマーキング方法を用いれば、二式の直交するガルバノミラーと光軸に沿って移動可能な集光レンズを使用してレーザ光を走査するレーザ描画装置において、従来のように平面のみならず、新たに曲面の被加工物の表面や透明な被加工物内に平面図形を投影した図形を歪みなく高速に描画される。 With the laser marking method of the present invention, in a laser drawing apparatus that scans laser light using two orthogonal galvanometer mirrors and a condensing lens that can move along the optical axis, if only a flat surface is used as in the prior art. First, a newly projected figure of a plane figure on the surface of a curved workpiece or a transparent workpiece is drawn at high speed without distortion.
最初に本発明の基幹をなす従来のレーザマーキング方法について説明する。 First, a conventional laser marking method forming the basis of the present invention will be described.
図6は、平面描画のみを行う従来のレーザマーキング方法を用いた平面描画におけるレーザ集光位置の軌跡を説明するための説明図である。また、図6は、従来のレーザマーキング方法を説明するための図で、集光レンズを動かさない場合のレーザ集光位置の軌跡が曲面となることを説明するための説明図である。 FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a locus of a laser focusing position in planar drawing using a conventional laser marking method in which only planar drawing is performed. FIG. 6 is a diagram for explaining the conventional laser marking method, and is an explanatory diagram for explaining that the locus of the laser condensing position when the condensing lens is not moved is a curved surface.
図6に示すように、平面を対象とした2つのガルバノミラーと自動集光レンズを使用したレーザマーカーでは、レーザ光源1から出射したレーザ光をX方向に走査するためのXミラー2とY方向に走査するためのYミラー3を配置し、該レーザ光は、X方向についてはXミラー2の回転軸を中心とて、Y方向についてはYミラー3の回転軸を中心として、図形データに基づくパターンを基準平面6上に形成するように走査される。また、ビームを走査した場合のレーザ集光位置の軌跡は、集光レンズ4と対物レンズ5の配置によりXミラー2から基準平面6までの光路長の変化に無関係にガルバノミラー側に中心を持ち基準平面6の中心Oを頂点とした凸状の曲面7となるため、レーザ集光位置は、CADデータ等を用いて描画する図形データに基づくXミラー2およびYミラー3の動きに連動して集光レンズ4の位置を調整することで、その軌跡が曲面7から基準平面6となるように制御される。制御装置は、光学系のデータを基に、平面図形を描画するためのXミラー2とYミラー3の振り角および集光位置のズレを算出し、更に集光位置のズレから集光レンズ4の移動量を算出し、Xミラー2、Yミラー3および集光レンズ4を制御する。描画においては、Xミラー2とYミラー3の振り角および集光レンズ4の移動量を順次計算して描画する場合と、予め作成されたXミラー2とYミラー3の振り角および集光レンズ4の移動量を順次呼び出して描画する場合がある。
As shown in FIG. 6, in a laser marker using two galvanometer mirrors and an automatic condenser lens for a plane, an
図7は、平面描画のみが行える従来のレーザマーキング装置におけるガルバノミラーおよび結像手段の動作の制御方法の説明図である。また、図7は、従来のレーザマーキング方法における、ミラーの振り角および集光位置のズレ、即ち、補正データを算出を説明するための説明図である。 FIG. 7 is an explanatory diagram of a method for controlling the operation of the galvanometer mirror and the image forming means in a conventional laser marking apparatus capable of only plane drawing. FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the deviation of the mirror swing angle and the condensing position, that is, calculation of correction data in the conventional laser marking method.
次いで、平面図形を描画するためのガルバノミラーの振り角に関する補正データの一般的な算出方法について説明する。被加工物の表面を基準平面6とし、レーザ光が基準平面6に対して垂直に入射し、またその集光位置が基準平面6の中心Oと一致する場合を、Xミラー2、Yミラー3および集光レンズ4の基準位置として考える。図形データを表示するための座標系は、基準平面6の中心Oを原点に、直交座表系(X,Y,Z)とする。ただし、基準平面6上の点のZ座標は全て0であるため、ここでは省略して考えて良い。Xミラー2とYミラー3の中心をそれぞれAおよびBとすると、Xミラー2とYミラー3の中心間距離はAB、Yミラー3と基準平面6の中心間距離はBOとなる。Xミラー2とYミラー3の回転によるレーザ光の振れ角をそれぞれθx、θyとすれば、基準平面6上の点Pを描画するためのXミラー2とYミラー3の回転によるレーザ光の振れ角は、次の数1の式および数2の式で表される。補正データとしての、Xミラー2の振り角がθx、Yミラーの振り角がθyである。
Next, a general calculation method of correction data relating to the swing angle of the galvanometer mirror for drawing a plane figure will be described. The case where the surface of the workpiece is the
また、平面図形を描画するために曲面7上の点P'から基準平面6上の点Pへ、集光レンズ4を移動させて補正すべきレーザの集光位置のズレ、PP’は、数3の式となる。
Further, the displacement of the condensing position of the laser to be corrected by moving the condenser lens 4 from the point P ′ on the
次いで、本発明のレーザマーキング装置を用いたマーキング方法について説明する。 Next, a marking method using the laser marking device of the present invention will be described.
本発明のマーキング方法により被加工面に投影した平面図形を描画するための装置は、レーザ発振器1から照射されたレーザ光が、光軸に沿って移動可能な図示しないリニアトランスレータに搭載された集光レンズ4と対物レンズ5を通り、走査のためのXミラー2およびYミラー3を経て、加工すべき被加工面上に集光されるように構成される。図形を描画するために必要なXミラー2とYミラー3の振り角および集光位置としての補正データは、与えられた平面図形の座標、言い換えれば、描画する図形データに対し、描画装置の光学系と平面図形を投影する被加工面の形状を基に算出される。
An apparatus for drawing a plane figure projected on a work surface by the marking method of the present invention is a collection mounted on a linear translator (not shown) in which the laser light emitted from the laser oscillator 1 can move along the optical axis. It is configured to pass through the optical lens 4 and the objective lens 5, pass through the
次いで、前述の算出方法に加え、被加工物における描画面の形状を考慮することで、曲面の被加工物の表面に投影した平面図形を、または透明な被加工物の内部に投影した平面図形を、歪みなく高速にマーキングするための、本発明のレーザマーキング方法における平面図形を曲面の被加工物の表面に投影した図形を描画する場合の、描画する図形データに対するXミラーとYミラーの振れ角と集光位置のズレ、即ち、補正データの算出方法について説明する。 Next, in addition to the calculation method described above, a plane figure projected onto the surface of the curved workpiece by taking into account the shape of the drawing surface of the workpiece, or a plane figure projected inside the transparent workpiece In the laser marking method of the present invention for marking an image at a high speed without distortion, the deflection of the X mirror and the Y mirror with respect to the graphic data to be drawn when drawing a figure obtained by projecting a plane figure onto the surface of a curved workpiece A method of calculating the deviation between the corner and the light converging position, that is, the correction data will be described.
図1が、曲面の被加工物の表面に投影した平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量の算出方法を説明するための図であり、基準平面の中心に取った直交座標系のY方向に沿って見た正面図である。 FIG. 1 is a diagram for explaining a calculation method of a swing angle of a galvanometer mirror and a moving amount of a condensing lens when drawing a plane figure projected on the surface of a curved workpiece. It is the front view seen along the Y direction of the taken orthogonal coordinate system.
図2が、曲面の被加工物表面に投影した平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量としての補正データを算出方法を説明するための図であり、同座標系のX方向に沿ってみた側面図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining a method of calculating correction data as a swing angle of a galvanometer mirror and a moving amount of a condensing lens when drawing a plane figure projected on a curved workpiece surface. It is the side view seen along the X direction of the system.
描画する平面図形データの座標を(x,y)、その位置をZ方向に投影した被加工物上の点Qの基準平面6からの距離をzとすると、図形データ描画点である被加工面8上の点はQ(x,y,z)となり、点Qを描画するレーザ光が基準平面6と交差する点がP(X,Y,0)となる。点PのXおよびY座標を被加工物上の点Qの座標を使って表示すると、下記の数4の式および数5の式で表される。尚、aは、Xミラー2とYミラー3の中心間の距離であり、平面に描画する従来のマーキング装置におけるABに相当する距離である。bは、Yミラー3と基準平面6の中心間の距離であり、平面に描画する従来のマーキング装置におけるBOに相当する距離である。
If the coordinate of the plane graphic data to be drawn is (x, y) and the distance from the
この座標を使用することで、被加工物上の点Qを描画するためのXミラー2とYミラー3によるレーザ光の振れ角θxとθyは、従来の平面描画のみが行えるレーザマーキング装置の場合と同様に考えられ、数6の式および数7の式で表される。
By using these coordinates, the deflection angles θx and θy of the laser beam by the
また、レーザ光の集光位置のズレQP'についても同様に考えられ、数8の式により求められる。 Further, the deviation QP ′ of the condensing position of the laser beam can be considered in the same manner, and is obtained by the equation (8).
図形を描画するために必要なXミラー2とYミラー3の振り角は、レーザ光の振れ角θxとθyの1/2として、集光レンズの移動量は、集光位置のズレに対応する集光レンズの変位量として制御装置で処理する。
The swing angle of the
次いで、本発明のレーザマーキング方法における平面図形を透明な被加工物の内部に描画する場合の、図形データに対するXミラーとYミラーの振り角および集光位置のズレとしての補正データの算出方法を示す。 Next, a method for calculating correction data as a deviation of the swing angle and the condensing position of the X mirror and the Y mirror with respect to the graphic data in the case of drawing a planar graphic in the transparent workpiece in the laser marking method of the present invention. Show.
図3が、透明な被加工物の内部に平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量の算出方法を説明するための図であり、基準平面の中心に取った直交座標系のY方向に沿って見た正面図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining a calculation method of the swing angle of the galvanometer mirror and the amount of movement of the condenser lens when drawing a plane figure inside the transparent workpiece, and is taken at the center of the reference plane. It is the front view seen along the Y direction of a rectangular coordinate system.
図4が、透明な被加工物の内部に平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量の算出方法を説明するための図であり、基準平面の中心に取った直交座標系のX方向に沿って見た正面図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining a calculation method of the swing angle of the galvanometer mirror and the amount of movement of the condenser lens when drawing a plane figure inside the transparent workpiece, and is taken at the center of the reference plane. It is the front view seen along the X direction of a rectangular coordinate system.
図3および図4に示すように、透明板は、基準平面6に表面を一致させて配置する。
As shown in FIGS. 3 and 4, the transparent plate is arranged so that the surface thereof coincides with the
ある平面図形データの座標を(x,y)、その位置を被加工物の表面からZ方向に深さzに位置する平面9上に投影すると、平面9上の点はQ(x,y,z)となる。点Qを加工するレーザ光は、透明な被加工物の表面である基準平面6上の点P(X,Y,0)で屈折して点Qを通過するとすると、レーザ光の光路は被加工物への入射においてスネルの法則に従うため、透明な被加工物の屈折率をnとする。
When the coordinates of a certain plane graphic data are (x, y) and the position is projected on the plane 9 located at a depth z in the Z direction from the surface of the workpiece, the point on the plane 9 is Q (x, y, z). When the laser beam for processing the point Q is refracted at the point P (X, Y, 0) on the
図5は、透明な被加工物の内部における点の座標と基準平面6上における点の座標の関係を説明するための説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the coordinates of the points inside the transparent workpiece and the coordinates of the points on the
図5に示すように、数9の式で表す関係が成り立つ。 As shown in FIG. 5, the relationship represented by Equation 9 is established.
また、数9の式を基準平面6上の点Pと図形を投影する平面9上の点Qの座標を使って表示すると数10の式で表わす関係が成り立つ。
Further, when the formula 9 is displayed using the coordinates of the point P on the
更に、レーザ光の入射面において、基準平面6上の点Pと図形を投影する平面9上の点Qの座標について、数11の式で表す関係が成り立つ。
Further, on the laser light incident surface, the relationship represented by the equation (11) is established for the coordinates of the point P on the
したがって、数10よび数11の式を満たす基準平面6上の点Pの座標XおよびYを求め、この座標を使用することで、透明な被加工物内部の投影面上の点Qを描画するためのXミラー2とYミラー3によるレーザ光の振れ角θxとθyは、平面描画のみが行える従来のレーザマーキング装置の場合と同様に考えられ、数6および数7の式により求められる。
Accordingly, the coordinates X and Y of the point P on the
また、レーザ光の集光位置の補正量QP'については、透明な被加工物の内部において集光位置が空気中に比べて屈折率nの分だけ伸びることを考慮したこと以外は、従来の平面描画のみが行えるレーザマーキング装置の場合と同様に考えられるため、数12の式により計算される。 The correction amount QP ′ of the laser beam condensing position is the same as that of the prior art except that the condensing position is increased by the refractive index n in the transparent workpiece compared to the air. Since it can be considered in the same manner as in the case of a laser marking apparatus that can perform only planar drawing, it is calculated by the formula (12).
図形を描画するために必要なXミラー2とYミラー3の振り角は、レーザ光の振れ角θxとθyの1/2として、集光レンズの移動量は、集光位置のズレに対応する集光レンズの移動量として制御装置で処理する。
The swing angle of the
また、投影面が平面の被加工物内部に平面図形を描画する際は、屈折率に基づいて算出された補正データにより、ガルバノミラーおよび結像手段の動作を制御して描画を行う。被加工物内部に投影した平面図形を描画する際は、描画する図形データに対する被加工物の投影面の形状より算出された補正データに、更に、被加工物の屈折率を加味して算出された補正データ、即ち、XミラーおよびYミラーの振り角、集光位置のズレにより、ガルバノミラーおよび結像手段の動作を制御して描画を行うことが好ましい。 Further, when drawing a plane figure inside the workpiece having a flat projection surface, the drawing is performed by controlling the operation of the galvanometer mirror and the imaging means based on the correction data calculated based on the refractive index. When drawing a planar figure projected inside the workpiece, it is calculated by adding the refractive index of the workpiece to the correction data calculated from the shape of the projection surface of the workpiece relative to the figure data to be drawn. It is preferable to perform drawing by controlling the operation of the galvanometer mirror and the image forming means based on the correction data, that is, the deviation of the swing angle and condensing position of the X mirror and Y mirror.
実施例1
UVパルスレーザー、XミラーとYミラーの2枚を組み合わせたガルバノミラーおよび結像手段からなるレーザマーキング装置を使用して、CADで処理した描画する図形データに基づいた図形を投影した形状に曲面ガラスの表面に描画した。UVパルスレーザの描画条件は、パルスエネルギー90μJ、繰り返し周波数25kHz、走査速度65mm/sとした。曲面ガラスは、半径2000mmの球面の一部で、表面、200×200mmの範囲に図形を描画した。光学系のレイアウトは、XミラーとYミラーの中心間の距離を30mm、そしてYミラーの中心から球面ガラスの頂点までの距離を270mmとした。レーザ光を集光するための、集光レンズとして、集光距離500mmの平凸レンズを使用し、該レンズは、集光位置を調整するために光軸に沿って移動可能なリニアトランスレータに取り付けた。
Example 1
Using a laser marking device consisting of a UV pulse laser, a galvanometer mirror that combines two mirrors, an X mirror and a Y mirror, and imaging means, curved glass is projected into a shape based on the graphic data drawn by CAD processing. Draw on the surface. The UV pulse laser drawing conditions were a pulse energy of 90 μJ, a repetition frequency of 25 kHz, and a scanning speed of 65 mm / s. The curved glass was a part of a spherical surface having a radius of 2000 mm, and a figure was drawn on the surface in a range of 200 × 200 mm. The layout of the optical system was such that the distance between the center of the X mirror and the Y mirror was 30 mm, and the distance from the center of the Y mirror to the apex of the spherical glass was 270 mm. As a condensing lens for condensing laser light, a plano-convex lens having a condensing distance of 500 mm is used, and this lens is attached to a linear translator that can move along the optical axis in order to adjust the condensing position. .
x方向、−100mm〜100mm、y方向、−100mm〜100mmにおける基準平面とガラス形状のz方向の差は、照射範囲において表1の値となる。X座標、Y座標および集光位置のズレをそれぞれ表2、表3および表4のように計算した。表1は基準平面と曲面のz方向の差(mm)である。表2は描画する図形データの座標(x、y)に基づいて補正したX座標であり、前述の数4の式により計算した。表3は座標(x、y)に基づいて補正したY座標であり、前述の数5の式で補正した。表4は座標(x、y)に基づいて補正した集光位置であり、前述の数8の式で補正した。 The difference between the reference plane in the x direction, −100 mm to 100 mm, the y direction, and −100 mm to 100 mm and the z direction of the glass shape is the value shown in Table 1. The deviations of the X coordinate, Y coordinate, and condensing position were calculated as shown in Table 2, Table 3, and Table 4, respectively. Table 1 shows the difference (mm) between the reference plane and the curved surface in the z direction. Table 2 shows X coordinates corrected based on the coordinates (x, y) of the graphic data to be drawn. Table 3 shows the Y coordinate corrected based on the coordinates (x, y), and was corrected by the above equation (5). Table 4 shows the condensing position corrected based on the coordinates (x, y), and was corrected by the above-described equation (8).
CADから送られた描画する図形の座標(x、y)と予め数4および数5の式で算出した表2〜4のX座標、Y座標、集光位置のズレを比較し、表2に示した座標間のデータに対しては直線補完しながら、表2に示すX座標となるようにXミラーの振り角、表3に示すY座標となるようにYミラーの振り角、および表4に示す集光位置のズレとなるように集光レンズの移動量を制御した。即ち、(x、y)の座標群からなる図形データを描画するためのXミラー、Yミラーの振り角の制御は、CADから送られたxおよびyデータをそのまま使用せず、座標(x、y)から算出した補正座標(X、Y)を数6および数7の式に代入してレーザ光の振れ角θxおよびθyを計算し制御することで、球面ガラスに平面図形を歪みなく投影した図形として描画された。 The coordinates (x, y) of the figure to be drawn sent from the CAD are compared with the deviations of the X coordinate, the Y coordinate, and the condensing position in Tables 2 to 4 calculated in advance using the equations (4) and (5). With respect to the data between the indicated coordinates, while performing linear interpolation, the X mirror swing angle to be the X coordinate shown in Table 2, the Y mirror swing angle to be the Y coordinate shown in Table 3, and Table 4 The amount of movement of the condensing lens was controlled so that the converging position shown in FIG. That is, the control of the swing angle of the X mirror and Y mirror for drawing graphic data consisting of the coordinate group of (x, y) does not use the x and y data sent from the CAD as it is, and coordinates (x, y By substituting the corrected coordinates (X, Y) calculated from y) into the equations (6) and (7) and calculating and controlling the deflection angles θx and θy of the laser beam, a plane figure is projected onto the spherical glass without distortion. It was drawn as a figure.
実施例2
実施例1と同様に、UVパルスレーザー、XミラーとYミラーの2枚を組み合わせたガルバノミラーおよび結像手段からなるレーザマーキング装置を使用して、CADで処理した描画するデータに基づいた図形を平面ガラスの内部に描画した。厚さ15mmで100×100mmの平板ガラスを対象とし、表面から5mm内部に入った位置に平面図形を描画した。UVパルスレーザー照射条件や光学系のレイアウトは実施例1と同じとした。
Example 2
As in Example 1, using a laser marking device comprising a UV pulse laser, a galvano mirror that combines two mirrors, an X mirror and a Y mirror, and an imaging means, a figure based on data to be drawn processed by CAD is used. Draw inside the flat glass. A flat glass with a thickness of 15 mm and a size of 100 × 100 mm was drawn, and a plane figure was drawn at a position 5 mm from the surface. The UV pulse laser irradiation conditions and the optical system layout were the same as in Example 1.
ガラスの屈折率は1.52として計算に使用し、照射範囲において、X座標、y座標および集光位置のズレを、それぞれ表5、表6および表7のように計算した。表5は、描画する図形データとしての座標(x、y)に基づいて補正したX座標で、表6は座標(x、y)に基づいて補正したY座標であり、補正データX座標およびY座標は、前述の数10および数11の式を同時に満たす値として求めた。表7は座標(x、y)に基づいて補正した集光位置のズレであり、前述の数12の式で補正した。 The refractive index of the glass was used as 1.52, and the deviation of the X coordinate, the y coordinate, and the condensing position was calculated as shown in Table 5, Table 6, and Table 7, respectively, in the irradiation range. Table 5 shows X coordinates corrected based on coordinates (x, y) as graphic data to be drawn, and Table 6 shows Y coordinates corrected based on coordinates (x, y). The coordinates were obtained as values satisfying the above equations (10) and (11) at the same time. Table 7 shows the deviation of the condensing position corrected based on the coordinates (x, y), and was corrected by the above equation (12).
CADから送られた描画する図形データとしての座標(x、y)と、予め算出した表5〜表7のX座標、Y座標、集光位置のズレを比較し、表に示した座標間のデータに対しては直線補完しながら、表5のX座標となるようにXミラーの振り角、表6のY座標となるようにYミラーの振り角および表7の集光位置のズレで集光レンズの位置を制御した。すなわち、(x、y)の座標群からなる図形データを描画するための制御量は、CADから送られたxおよびyデータをそのまま使用せず、座標(x、y)から算出したX座標、Y座標を数6および数7の式に代入してレーザ光の振れ角θxおよびθyを算出し制御することで、平面ガラスの内部に歪みなく投影した図形が描画された。 The coordinates (x, y) as graphic data to be drawn sent from the CAD are compared with the deviations of the X, Y, and condensing positions calculated in advance in Tables 5 to 7, and the coordinates shown in the table are compared. The data is collected by linear interpolation, with the X mirror swing angle as shown in Table 5, the Y mirror swing angle as shown in Table 6, and the converging position deviation in Table 7. The position of the optical lens was controlled. That is, the control amount for drawing the graphic data composed of the coordinate group of (x, y) does not use the x and y data sent from the CAD as it is, and the X coordinate calculated from the coordinates (x, y), By substituting the Y coordinate into the equations (6) and (7) and calculating and controlling the deflection angles θx and θy of the laser beam, a figure projected without distortion on the inside of the flat glass was drawn.
1 レーザ発振器
2 Xミラー
3 Yミラー
4 集光レンズ
5 対物レンズ
6 基準平面
7 集光レンズをその原点に固定したときのレーザ集光位置の軌跡
8 曲面の被加工物の表面
9 透明な被加工物の一定深さに位置する平面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser oscillator 2 X mirror 3 Y mirror 4 Condensing lens 5
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