JP2005331464A - Laser light generating apparatus, line light generating optical system, and laser marking apparatus equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、線幅が細く、かつ極めて広がり角度が大きなライン光を発生することができるライン光発生光学系及びそれを搭載したレーザ墨出し装置に関するものである。 The present invention relates to a line light generating optical system capable of generating line light having a narrow line width and an extremely wide spread angle, and a laser marking device equipped with the line light generating optical system.
レーザ項を表示光として出力する装置として、レーザポインタとレーザ墨出し装置とが知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。
Laser pointers and laser marking devices are known as devices that output laser terms as display light (see, for example,
これらの装置ではレーザ光を表示光として用いる。目の安全のため、光強度を所定の値(例えば1mW)以下とする必要がある。レーザ墨出し装置では、ドット形状のレーザ光をライン状に引き伸ばして表示光として用いる。これらの場合には、ライン光の単位面積当たりの光強度は元のドット形状のレーザ光より小さいため、ライン光はドット光より認識しにくくなる。すなわち表示光の認識性は表示光の単位面積当たりの光強度に依存するため、レーザ墨出し装置の場合、ライン光の長さが長くなるほどライン光の面積が増大するため、単位面積当たりの光強度が小さくなり、認識性が低下する。ライン光の長さはレーザ墨出し装置から照射対象までの距離に比例して長くなる。すなわち、現行の墨出し装置では目視でライン光を認識できる距離が10m程度までであり、それ以上の距離を照射する場合はライン光を認識することが困難となるため、受光器を用いてライン光の照射位置を探し出し、墨出し作業を行うのが一般によく用いられる方法である。長距離で認識できるライン光を得るためには単位面積当たりの光強度が大きなドット光を回転させ照射対象物にラインの残像を描き、それを認識する方法がある(例えばトプコン製ローテーティングレーザー)。この場合は高精度に光源を回転させる機構が必要となり装置が大型化すると共に高価格化する。 In these apparatuses, laser light is used as display light. For the safety of the eyes, the light intensity needs to be a predetermined value (for example, 1 mW) or less. In the laser marking device, dot-shaped laser light is extended into a line shape and used as display light. In these cases, since the light intensity per unit area of the line light is smaller than the original dot-shaped laser light, the line light is more difficult to recognize than the dot light. That is, since the recognizability of the display light depends on the light intensity per unit area of the display light, in the case of a laser marking device, the area of the line light increases as the length of the line light increases. Intensity is reduced and recognition is reduced. The length of the line light increases in proportion to the distance from the laser marking device to the irradiation target. That is, in the current marking device, the distance at which line light can be visually recognized is up to about 10 m, and it is difficult to recognize line light when irradiating longer distances. It is a commonly used method to find out the light irradiation position and perform the ink marking work. In order to obtain line light that can be recognized over a long distance, there is a method of rotating the dot light with high light intensity per unit area to draw an afterimage of the line on the irradiation object and recognize it (eg Topcon rotating laser). . In this case, a mechanism for rotating the light source with high accuracy is required, which increases the size and cost of the apparatus.
なお、特許文献1のレーザポインタでは、連続点灯からパルス点灯に切り替えることができる。また、パルス点灯の周波数やパルス幅を切り替えることもできる。
In addition, in the laser pointer of
特許文献2のレーザポインタでは、半導体レーザを8〜16Hzの周波数で点滅させ、レーザ光を人間の目に認識し易くしている。
In the laser pointer of
また、特許文献3のレーザ墨出し装置では、半導体レーザをパルス状態と連続光状態とに切り替えることができる。半導体レーザのパルス周期を変化させることもできる。半導体レーザのオンデューティー比も変化させることができる。
Further, in the laser marking device of
従来のレーザポインタやレーザ墨出し装置のようなレーザ光を表示光として出力する装置は表示対象物までの距離をいろいろと変えて用いる。レーザポインタの場合、表示光の形状がドット形状であるため、表示対象物までの距離が長くなっても表示光の面積がほとんど変わらず、単位面積当たりの光強度に大きな変化がなく、認識性の低下はほとんど生じない。一方、レーザ墨出し装置の場合は表示光が扇状に拡がる光であって、それが対象物に照射された時にライン状になるため、照射距離に比例してライン光の長さが長くなる。すなわち、照射距離が長くなるとライン光の面積が増大し、単位面積当たりの光強度が低下し、認識性が低下する。そこで、認識性を向上させるためには元の光源の光出力を大きくし単位面積当たり光強度を増大させる必要がある。一方、法律により定められたレーザ機器安全基準に基づき目の安全のため、光強度を所定の値(例えば1mW)以下とする制約がある。そのため単位面積当たりの光強度に上限が設けられることになり、その結果、認識可能な照射距離が決まってしまう。すなわち、元の光源の出力を上げずに長距離照射を行い、ライン光が認識できるようなレーザ墨出し装置は無かった。 Conventional devices that output laser light as display light, such as laser pointers and laser marking devices, are used by changing the distance to the display object in various ways. In the case of a laser pointer, the display light has a dot shape, so even if the distance to the display object increases, the area of the display light hardly changes, the light intensity per unit area does not change greatly, and the recognizability There is almost no drop in. On the other hand, in the case of a laser marking device, the display light is a light that spreads in a fan shape and forms a line when it is irradiated onto the object, so that the length of the line light increases in proportion to the irradiation distance. That is, when the irradiation distance is increased, the area of the line light is increased, the light intensity per unit area is decreased, and the recognizability is decreased. Therefore, in order to improve the recognizability, it is necessary to increase the light output of the original light source and increase the light intensity per unit area. On the other hand, there is a restriction that the light intensity is set to a predetermined value (for example, 1 mW) or less for the safety of eyes based on the laser equipment safety standards defined by law. Therefore, an upper limit is set for the light intensity per unit area, and as a result, a recognizable irradiation distance is determined. That is, there has been no laser marking device that can perform long-distance irradiation without increasing the output of the original light source and recognize line light.
本発明は、このような従来の課題を解決し、安全基準を遵守しかつ長距離においても認識可能なレーザ墨出し装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve such a conventional problem and to provide a laser marking device that complies with safety standards and can be recognized over a long distance.
上記目的を達成するために本発明は、ライン光を点滅光にしたことに一つの特徴がある。一般に人間の網膜は、周波数が低いパルス光に対してちらつき(flicker)を感じる。しかしながら、周波数が臨界融合頻度(critical fusion frequency(以下、CFFという))以上になると、人間の網膜は、ちらつきが融合して連続光と同じように一様な明るさに感じるようになる。ここで、CFFの値は、個人によって異なり、一定の値には定まらないが、おおよそ80Hz以上100Hz以下の範囲(臨界融合頻度範囲CFFRという)内の周波数である。 In order to achieve the above object, the present invention has one feature in that the line light is a blinking light. In general, the human retina feels flicker against pulsed light having a low frequency. However, when the frequency is equal to or higher than the critical fusion frequency (hereinafter referred to as CFF), the human retina fuses with flickering and feels the same brightness as continuous light. Here, the value of CFF varies depending on the individual and is not fixed, but is a frequency within a range of approximately 80 Hz to 100 Hz (referred to as a critical fusion frequency range CFFR).
CFF以上の周波数で点滅する光のオンデューティ比、絶対的強さを、それぞれ、D、Iとすると、この点滅光の見かけの明るさI’は、Talbotの法則により、I’=I・Dで表される。Dは1未満であるので、I’<Iとなる。従って、ある電圧をレーザダイオードに印加してCFF以上で点滅させると、同一電圧を同一のレーザダイオードに印加して連続発振させる場合より暗く感じられる。 Assuming that the on-duty ratio and the absolute intensity of the light flashing at a frequency higher than CFF are D and I, respectively, the apparent brightness I ′ of the flashing light is expressed as I ′ = I · D according to Talbot's law. It is represented by Since D is less than 1, I ′ <I. Therefore, when a certain voltage is applied to the laser diode and blinked at CFF or higher, it feels darker than when the same voltage is applied to the same laser diode to cause continuous oscillation.
一方、CFFより小さい周波数で点滅する光の周波数、オンデューティ比、絶対的強さを、それぞれ、f、D、Iとすると、この点滅光の見かけの明るさI’は、点滅光の点灯時間τ(=(1/f)・D)の増大と共に大きくなり、絶対的強さIを有する連続光の見かけの明るさよりも大きくなってやがてピークに達する(ブロッカ・ザルツァー効果)。見かけの明るさI’は、点灯時間τが更に増大すると、今度は小さくなっていき、やがて絶対的強さIを有する連続光の見かけの明るさと等しい明るさで安定する。 On the other hand, if the frequency, on-duty ratio, and absolute intensity of the light flashing at a frequency smaller than CFF are f, D, and I, respectively, the apparent brightness I ′ of the flashing light is the lighting time of the flashing light. It increases with an increase in τ (= (1 / f) · D), and becomes larger than the apparent brightness of continuous light having an absolute intensity I, and eventually reaches a peak (Blocker Salzer effect). The apparent brightness I 'decreases as the lighting time τ further increases, and eventually stabilizes at a brightness equal to the apparent brightness of continuous light having the absolute intensity I.
ここで、ピークにおける見かけの明るさI’と絶対的強さIとの比(I’/I)を、ブロッカ・ザルツァー効果指数kと定義する。ピークとなる点灯時間τ、及び、ブロッカ・ザルツァー効果指数kは、以下の表1に示すように、絶対的明るさIの大きさによって、異なっていることが知られている(「視覚の心理物理学」167頁、池田光男著、森北出版、1975年5月5日発行)。 Here, the ratio (I ′ / I) between the apparent brightness I ′ and the absolute intensity I at the peak is defined as the blocker-Salzer effect index k. It is known that the peak lighting time τ and the blocker-Salzer effect index k differ depending on the magnitude of the absolute brightness I, as shown in Table 1 below (“visual psychology”). Physics ", page 167, Mitsuo Ikeda, Morikita Publishing, published on May 5, 1975).
表1より、例えば、絶対的強さI=200(トロランド(td))の場合には、見かけの明るさI’は、持続時間τ=0.03(s)でピークとなり、絶対的強さIの連続光の見かけの明るさの5.5倍となることが分かる。 From Table 1, for example, when the absolute intensity I = 200 (Toroland (td)), the apparent brightness I ′ peaks at the duration τ = 0.03 (s), and the absolute intensity It can be seen that the apparent brightness of I continuous light is 5.5 times.
表1によると、点灯時間τが0.03(s)から0.125(s)へと徐々に長くなっていくに従って、ブロッカ・ザルツァー効果指数kが徐々に低下しているのが分かる。換言すれば、点滅光の1回当りの点灯時間を約0.125(s)以下とすることで、kの値を1以上とすることができ、見かけ上の明るさを連続光の見かけ上の明るさより増大させることができるのが分かる。 According to Table 1, it can be seen that as the lighting time τ gradually increases from 0.03 (s) to 0.125 (s), the blocker-Salzer effect index k gradually decreases. In other words, by setting the lighting time per blinking light to about 0.125 (s) or less, the value of k can be set to 1 or more, and the apparent brightness is set to the appearance of continuous light. It can be seen that the brightness can be increased more than the brightness.
ここで、デューティ比D=50%とすると、持続時間τ=0.03(s)、0.04(s)、0.062(s)、0.1(s)、0.125(s)は、点滅周波数f=16.5(Hz)、12.5(Hz)、8.0(Hz)、5.0(Hz)、4.0(Hz)に対応している。したがって、レーザダイオード32を、4Hz以上の駆動周波数と50%以下のオンデューティ比との組み合わせで駆動すれば見かけ上の明るさを連続光の見かけ上の明るさより増大させることができることが分かる。
Here, assuming that the duty ratio D = 50%, the duration τ = 0.03 (s), 0.04 (s), 0.062 (s), 0.1 (s), 0.125 (s) Corresponds to the blinking frequency f = 16.5 (Hz), 12.5 (Hz), 8.0 (Hz), 5.0 (Hz), 4.0 (Hz). Therefore, it can be seen that the apparent brightness can be increased from the apparent brightness of continuous light by driving the
なお、ここで用いるトロランドとは、視覚系の実験でよく用いられる網膜照度の単位である。1トロランド(td)とは1cd・/ m2の輝度の面を1mm2の瞳孔面積で見た時の網膜照度である。また、網膜照度とは網膜上での単位面積当たりの光束の数を表す。 In addition, Toroland used here is a unit of retinal illuminance often used in visual system experiments. One Toroland (td) is retinal illuminance when a surface having a luminance of 1 cd · / m 2 is viewed with a pupil area of 1 mm 2 . The retinal illuminance represents the number of luminous fluxes per unit area on the retina.
本発明の特徴の一つは、ライン光発生用光源としてパルスレーザを用いてライン光を作り、レーザ点滅時におけるレーザ光1回当たりの点灯時間を125ms以下とすることで網膜照度を向上させることで、元の光源であるレーザ出力を安全基準の範囲に収めながら、ライン光の認識性を向上させたことにある。一般に人間の視覚は80Hzあたりまでの点滅光は認識できる場合がある。すなわち、レーザ光のパルス発振周波数を4〜80Hzの範囲内で適当に選ぶことにより、発生するライン光の認識性を向上させることが可能となる。すなわち本発明の他の特徴の一つは、発振周波数が4〜80Hzのパルスレーザ光をライン光発生光学系の光源に用いて、網膜照度を向上させ、ライン光の認識性を向上させたことにある。レーザ墨出し装置の場合、ライン光の拡がり角度は一定のためライン光の長さは照射距離に比例する。例えば照射距離が2倍になるとライン光の長さも2倍になる。ラインの線幅はほとんど変化しないため、ライン光の面積も2倍になる。その結果、単位面積当たりの光強度は1/2に低下するためライン光の認識性も低下する。しかしブロッカー・ザルツァー効果によりライン光の見掛け上の明るさを増大させることにより元の光源の光出力を変えることなくライン光の認識性を向上させることが可能となる。使用する照射距離全域においてブロッカー・ザルツァー効果に基づくライン光の見掛け上の明るさ増大効果を発揮させた場合、近距離ではライン光の見掛け上の明るさが大きくなり過ぎ、ライン光がぎらつくためかえって見にくくなる場合がある。そこで、レーザ墨出し装置に照射距離判別機能を付加することによりライン光の認識性が低下する照射距離である場合はブロッカー・ザルツァー効果に基づくライン光の見掛け上の明るさ増大効果を発生するようにしたところに本発明の他の特徴がある。 One of the features of the present invention is that line light is generated using a pulse laser as a light source for generating line light, and the illumination time per laser light when the laser is blinking is set to 125 ms or less to improve retinal illuminance. Thus, the line light recognition is improved while keeping the laser output as the original light source within the range of the safety standard. In general, human vision may recognize blinking light up to around 80 Hz. That is, it is possible to improve the recognizability of the generated line light by appropriately selecting the pulse oscillation frequency of the laser light within the range of 4 to 80 Hz. That is, another feature of the present invention is that pulsed laser light with an oscillation frequency of 4 to 80 Hz is used as a light source of the line light generation optical system, thereby improving retinal illuminance and improving line light recognition. It is in. In the case of a laser marking device, since the spread angle of the line light is constant, the length of the line light is proportional to the irradiation distance. For example, when the irradiation distance is doubled, the length of the line light is also doubled. Since the line width hardly changes, the area of the line light also doubles. As a result, since the light intensity per unit area is reduced to ½, the line light recognizability is also reduced. However, by increasing the apparent brightness of the line light by the blocker-Salzer effect, it becomes possible to improve the recognizability of the line light without changing the light output of the original light source. If the effect of increasing the apparent brightness of the line light based on the blocker-Salzer effect is exhibited over the entire irradiation distance used, the apparent brightness of the line light becomes too large at a short distance, causing the line light to be glaring. On the other hand, it may be difficult to see. Therefore, by adding an irradiation distance discriminating function to the laser marking device, an apparent brightness increase effect of the line light based on the blocker-Salzer effect is generated when the irradiation distance is such that the recognizability of the line light decreases. There are other features of the present invention.
本発明の他の特徴は、レーザ墨出し装置に距離測定機能を付加し、照射距離を測定し、照射距離に応じてライン光の認識性が一定となるようにライン光の見掛け上の明るさを最適化することにある。レーザ墨出し装置から発生するライン光の長さはレーザ墨出し装置から照射面までの距離に比例している。 Another feature of the present invention is that a distance measuring function is added to the laser marking device, the irradiation distance is measured, and the apparent brightness of the line light is constant so that the recognizability of the line light is constant according to the irradiation distance. Is to optimize. The length of the line light generated from the laser marking device is proportional to the distance from the laser marking device to the irradiation surface.
図5を用いて説明する。ライン光の拡がり角度をθとすると、距離Lだけ離れた照射面におけるライン光の全長は2L・tan(θ/2)となるため、ライン光長さがレーザ墨出し装置から照射面までの距離に比例して変化することは自明である。次にライン光の線幅はすべての照射距離においてほぼ一定になるようにレーザ墨出し装置を設計しているため、ライン光の面積もレーザ墨出し装置から照射面までの距離に比例することになる。また、レーザパワーは常に一定の値になるようにレーザ墨出し装置を設計しているため、ライン光の単位面積における光強度(以下光強度密度という)はレーザ墨出し装置から照射面までの距離に反比例して変化する。すなわち照射距離が長くなる程、ライン光の光強度密度は小さくなるためライン光を目視で認識しにくくなる。レーザパワーを増大させることでライン光の光強度密度を大きくすることができるが、レーザ墨出し装置の場合、レーザの安全基準上のレーザパワーの制約があり、ライン光の認識性を向上させる為にやたらとレーザパワーを上げる訳にはいかない。そこで、本発明ではレーザパワーは一定の値に維持したままで、ライン光の見掛け上の明るさを増大させることで対応している。 This will be described with reference to FIG. Assuming that the divergence angle of the line light is θ, the total length of the line light on the irradiated surface separated by the distance L is 2L · tan (θ / 2), so the line light length is the distance from the laser marking device to the irradiated surface. It is obvious that it changes in proportion to. Next, since the laser marking device is designed so that the line width of the line light is almost constant at all irradiation distances, the area of the line light is also proportional to the distance from the laser marking device to the irradiation surface. Become. Since the laser marking device is designed so that the laser power is always a constant value, the light intensity in the unit area of the line light (hereinafter referred to as the light intensity density) is the distance from the laser marking device to the irradiation surface. It changes in inverse proportion to. That is, as the irradiation distance becomes longer, the light intensity density of the line light becomes smaller, so that it becomes difficult to visually recognize the line light. By increasing the laser power, the light intensity density of the line light can be increased. However, in the case of a laser marking device, there is a restriction on the laser power based on the safety standards of the laser, so that the recognizability of the line light is improved. There is no reason to increase the laser power. Therefore, in the present invention, this is dealt with by increasing the apparent brightness of the line light while keeping the laser power at a constant value.
次に具体的方法について説明する。まず基準となるライン光強度密度(すなわち基準照射距離Ls)を設定する。次にレーザ墨出し装置から照射面までの距離L(ただしLs≦L)を測定する。距離Lにおけるライン光の見掛け上の明るさは基準照射位置でのライン光の見掛け上の明るさのLs/L倍となり明るさは減少する。 Next, a specific method will be described. First, a reference line light intensity density (that is, a reference irradiation distance Ls) is set. Next, the distance L (however, Ls ≦ L) from the laser marking device to the irradiation surface is measured. The apparent brightness of the line light at the distance L becomes Ls / L times the apparent brightness of the line light at the reference irradiation position, and the brightness decreases.
したがって見掛け上の明るさをL/Ls倍することで、照射距離Lにおけるライン光の見掛け上の明るさを基準位置でのそれに一致させることが可能となる。見掛け上の明るさを変化させるためのレーザ発振条件の求め方について説明する。図6にライン光の見掛け上の明るさ比とレーザ発振条件(発振周波数、オンデューティー比)の関係を示す概念図を示す。縦軸は基準位置でのライン光の見掛け上明るさに対する特定条件でのライン光を照射した場合の見掛け上明るさの比率(単位は無次元)を示しており、横軸はレーザの発振周波数(単位はHz)を示している。また、オンデューティー比を変えた場合の複数のグラフも同一チャート内に表示している。ブロッカ・ザルツァー効果によりある特定範囲内の周波数でレーザをパルス発振させると見掛け上の明るさが増大し最大ピークを持つ周波数条件が存在する。特定周波数範囲外でレーザをパルス発振させた場合は見掛け上明るさが減少し、一定値となる。またライン光の見掛け上の明るさはオンデューティー比の大きさに比例して変化する為、図6のような特性を示す。すなわち本発明のレーザ墨出し装置は電源投入と同時に照射面までの距離Lを測定し、図6に示すデータに基づいて基準照射距離Lsとの比率L/Lsとなるレーザ発振条件(発振周波数及びオンデューティー比)を選択し、その条件でライン光を照射する。このようにすることで照射距離に拘らず常に一定の明るさでライン光を照射することが可能となる。 Therefore, by multiplying the apparent brightness by L / Ls, it is possible to match the apparent brightness of the line light at the irradiation distance L to that at the reference position. A description will be given of how to obtain the laser oscillation condition for changing the apparent brightness. FIG. 6 is a conceptual diagram showing the relationship between the apparent brightness ratio of line light and laser oscillation conditions (oscillation frequency, on-duty ratio). The vertical axis shows the ratio of apparent brightness when the line light is irradiated under specific conditions to the apparent brightness of the line light at the reference position (unit is dimensionless), and the horizontal axis shows the laser oscillation frequency. (Unit is Hz). A plurality of graphs when the on-duty ratio is changed are also displayed in the same chart. When the laser is pulse-oscillated at a frequency within a certain range due to the Blocker-Salzer effect, the apparent brightness increases and there is a frequency condition having a maximum peak. When the laser is oscillated out of the specific frequency range, the apparent brightness decreases and becomes a constant value. Further, since the apparent brightness of the line light changes in proportion to the on-duty ratio, the characteristic shown in FIG. 6 is exhibited. That is, the laser marking device of the present invention measures the distance L to the irradiation surface at the same time as the power is turned on, and based on the data shown in FIG. 6, the laser oscillation condition (the oscillation frequency and the oscillation frequency and the ratio L / Ls with the reference irradiation distance Ls) is obtained. On-duty ratio) is selected, and the line light is irradiated under the conditions. In this way, it becomes possible to always irradiate the line light with a constant brightness regardless of the irradiation distance.
上述のように本発明のレーザ光発生装置によれば、ライン光照射距離に応じた最適な駆動周波数とオンデューティー比との組合わせでレーザが駆動されるため、従来のレーザ墨出し装置ではライン光の認識性が低下していた照射距離においてもライン光の見掛け上の明るさを増大させ、認識性を向上させることが可能となる。また、本発明のレーザ墨出し装置はライン光照射面までの距離データに応じてライン光の見掛け上の明るさを自在に増減する機能を有するため、任意の照射距離においてライン光の見掛け上の明るさを最適化し、照射距離全域においてライン光の見掛け上の明るさをほぼ一定に保つことが可能となる。 As described above, according to the laser beam generator of the present invention, the laser is driven by a combination of the optimum drive frequency and on-duty ratio according to the line light irradiation distance. It is possible to increase the apparent brightness of the line light and improve the recognizability even at the irradiation distance where the recognizability of light has been reduced. Further, the laser marking device of the present invention has a function to freely increase or decrease the apparent brightness of the line light according to the distance data to the line light irradiation surface, so that the apparent appearance of the line light at an arbitrary irradiation distance. It is possible to optimize the brightness and keep the apparent brightness of the line light almost constant over the entire irradiation distance.
本発明のレーザ墨出し装置について図1〜図7を参照しながら説明する。
図1にレーザ墨出し装置1を示す。レーザ墨出し装置1は、ライン光発生光学系2とライン光発生光学系2を水平に保つための支持機構部11とライン光発生光学系2と支持機構部11とを覆うケース16及び測長器100から構成されている。支持機構部11は公知のジンバル機構を用いている。ジンバル機構は支持フレーム12、大リング13、小リング14、装着台15を備えている。大リング13は、図示しない軸受により支持フレーム12に対して水平に延びる別のH2軸(H1軸に垂直であり、そのため、紙面に垂直な方向)の回りに揺動可能である。小リング14には、ライン光発生光学系2が搭載された装着台15が固定されている。かかる構成により、ライン光発生光学系2が搭載された装着台15は、水平を保持することが可能となる。
The laser marking device of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 shows a
次に測長器について説明する。測長器100には例えば超音波測長器やレーザ測長器などを用いる。測長器100はレーザ墨出し装置1に内蔵されたレーザ発振回路内にあるマイコンに測長データを入力できるのであれば、レーザ墨出し装置1に内蔵してもよいし、独立に存在してもよい。測長器100はレーザ墨出し装置1からライン光照射面までの距離を測定し、その距離データに応じて、ライン光の見掛け上の明るさを最適化する段階で用いるものである。
Next, the length measuring device will be described. As the
次に、ライン光発生光学系2を図2を参照して説明する。
ライン光発生光学系2は、レーザ光源モジュール3と、パルス発振回路4と、コリメータレンズ5と、ロッドレンズ6とを備えている。レーザ光源モジュール3は、本実施の形態では、グリーンレーザ光を発生する。より詳しくは、レーザ光源モジュール3は、レーザダイオード32と、波長変換光学素子34とを備えている。本実施の形態では、波長変換光学素子34は、波長808nmのレーザ光を波長532nm(緑色)のレーザ光に波長変換するためのSHG結晶からなる。
Next, the line light generating
The line light generation
コリメータレンズ5は、レーザ光源モジュール3から出射した光をコリメートして平行光に変換するためのものである。ロッドレンズ6は、コリメータレンズ5の光軸上に設けられており、コリメータレンズ5からのコリメータ光を透過してライン光に変換するためのものである。
The
レーザ光源モジュール3にはパルス発振回路4が接続されている。パルス発振回路4は、レーザダイオード32をパルス状の駆動信号で駆動して、レーザダイオード32をパルス発振させるためのものである。パルス発振回路4は、パルス発振の発振周波数とオンデューティー比とを制御する。レーザ光源モジュール3から発生した点滅パルス光は、コリメータレンズ5及びロッドレンズ6とにより、点滅するライン光に変換される。
A
パルス発振回路4の概略構成の一例を図3に示す。
パルス発振回路4は、マイコン44、電源47、レギュレータ48、モード切り替えスイッチ49、可変抵抗45及び46、トランジスタ42、抵抗43を備えている。マイコン44は、入力ポート52、CPU54、RAM56、ROM58、出力ポート60を備えている。入力ポート52、CPU54、RAM56、ROM58、出力ポート60は、バスにより互いに接続されている。
An example of a schematic configuration of the
The
電源47は、レギュレータ48を介して、マイコン44及びレーザダイオード32に接続されている。レギュレータ48は、電源47からの所定の安定電圧にしてマイコン44及びレーザダイオード32に供給するためのものである。
The power supply 47 is connected to the microcomputer 44 and the
出力ポート60は、抵抗43を介して、トランジスタ42のベースに接続されている。トランジスタ42はレーザダイオード32をオンオフ駆動するためのスイッチング素子である。マイコン44が所定の駆動周波数及び所定のオンデューティー比のパルス状の駆動電流を出力ポート60から抵抗43を介してトランジスタ42のベースに流す。トランジスタ42は、当該駆動周波数及びオンデューティー比にてオンオフ動作をして、レーザダイオード32に対して当該駆動周波数及びオンデューティー比のパルス電流を印加する。この結果、レーザダイオード32は当該駆動周波数及びオンデューティー比にてパルス発振する。ここで、パルス発振周波数をf(Hz)、1周期の動作に要する時間をT(s)、1周期のうちのオン区間とオフ区間の時間をそれぞれP,Qとすると、T=P+Q (1)、 f=1/T (2)である。オンデューティー比Dとは、周期Tに対するオン時間Pの割合、
すなわち、P=D・T=D・(1/f) (3)を満たすものとして定義される。
The
That is, it is defined as satisfying P = D · T = D · (1 / f) (3).
次に、測長データに基づいてライン光の見掛け上明るさを決める方法について説明する。
まず測長器100を用いてライン光照射面までの距離Lを測定する。基準照射距離がLsであるため、図7のグラフにおいて縦軸の値がL/Lsとなるべき周波数及びオンデューティー比をグラフから求める。本実施形態の場合、基準照射距離を5mとしており、例えば照射距離が20mであった場合は20/5=4となる。そこで図7のチャートにおいてL/Lsが4となる周波数及びオンデューティー比を求める。ここでは発振周波数40Hz、オンデューティー比80%あるいは発振周波数60Hz、オンデューティー比99%のレーザ発振条件が該当する。照射距離20mにおけるライン光の長さは基準距離5mでのライン光の長さに対して4倍の長さになるため、ライン光の面積も4倍になる。ここでライン光の光源であるレーザパワーは常に一定値を保っているため、面積が4倍に拡大した分、ライン光の光強度密度は1/4に低下する。しかし、上記の方法で見掛け上の明るさが4倍となるレーザ発振条件でレーザダイオード32を点灯させることができるため、1/4×4=1となり、照射距離20mにおけるライン光の見掛け上の明るさは基準距離5mでのライン光の見掛け上の明るさと同程度になる。同様に照射距離が15mであった場合、15/5=3となる。そこで図7からL/Lsが3となる周波数及びオンデューティー比を求める。この場合、(1)発振周波数40Hz、オンデューティー比60%(2)発振周波数55Hz、オンデューティー比70%(3)発振周波数60Hz、オンデューティー比80%(4)発振周波数70Hz、オンデューティー比99%のレーザ発振条件が該当する。したがって、レーザダイオード32を(1)〜(4)のいずれかの条件で発振させることにより照射距離15mにおけるライン光の見掛け上の明るさを準距離5mでのライン光の見掛け上の明るさと同程度とすることが可能となる。
Next, a method for determining the apparent brightness of the line light based on the length measurement data will be described.
First, the distance L to the line light irradiation surface is measured using the
なお、図7において40Hzよりも低い発振周波数でレーザダイオード32をパルス発振させた場合、ちらつき感が出るため40Hzより低い周波数でのデータは省略している。
In FIG. 7, when the
測長器100を用いて照射距離の測定データLを採取し、照射距離に見合ったライン光の明るさでライン光を照射するまでのプロセスを図3を用いて説明する。測長器100からの測定データLはマイコン44の入力ポート52を通じてマイコン44内に取り込まれる。ROM58には予め図7で示したようなレーザ発振条件と照射光の見掛け上の明るさ比のデータが格納されている。今照射光の見掛け上の明るさ比をΚnとすると、Κnに対応してレーザ駆動周波数fnα及びオンデューティー比Dnβのいくつかの組合せが存在する。そこでROM58にはいろいろなΚnとそれに対応したレーザ駆動周波数fnα及びオンデューティー比Dnβの組合せデータを予め格納しておく。次にマイコン44に取り込まれた照射距離データLはCPU54内で演算処理される。基準照射距離がLsであるためCPU54内ではまずL/Lsを算出する。つぎにΚn=L/LsとしROM58内に格納したレーザ駆動周波数fnα及びオンデューティー比Dnβの組合せデータの中からΚnに対応するデータを選択する。次にレーザダイオード32を当該駆動周波数及びオンデューティー比の組合せにてパルス発振させる。RAM56には、CPU54がレーザ発振プログラムを実行している最中に得られる計算結果等のデータが一時的に格納される。
The process from collecting measurement data L of the irradiation distance using the
以上オートモードによりライン光の見掛け上明るさを制御する方法について説明した。次にマニュアルモードにてライン光の見掛け上明るさを制御する方法について説明する。 The method for controlling the apparent brightness of the line light in the auto mode has been described. Next, a method for controlling the apparent brightness of the line light in the manual mode will be described.
モード切替スイッチ49はユーザが操作するためのスイッチである。モード切替スイッチ49は入力ポート52に接続されている。ユーザは、モード切替スイッチ49を操作することで、3つのモードすなわち近距離モード、中距離モード、長距離モードのうちの1つを選択することができる。
The
レーザ墨出し装置1をライン光照射距離の短い状況で使用する場合には、ライン光の単位面積当たりの光強度が大きくなるため、認識性が高くなり、目視による認識が容易となる。この場合はユーザは近距離モードを選択する。
一方、ライン光照射距離の長い状況で使用する場合は、ライン光の単位面積当たりの光強度が小さくなり、認識性が低下し、目視による認識が困難となる。この場合は、中、長距離モードを選択する。本実施形態においては照射距離が0m以上10m未満までを近距離モード、10m以上15m未満を中距離モード、15m以上20m未満を長距離モードとしている。
ROM58には、上記3つのモードのそれぞれに対応して、1つの駆動周波数及び1つのオンデューティー比Dの組み合わせのデータが予め格納されている。
When the
On the other hand, when used in a situation where the line light irradiation distance is long, the light intensity per unit area of the line light is reduced, the recognizability is lowered, and visual recognition is difficult. In this case, the middle and long distance mode is selected. In this embodiment, an irradiation distance of 0 m to less than 10 m is a short distance mode, a range of 10 m to less than 15 m is a medium distance mode, and a range of 15 m to less than 20 m is a long distance mode.
The ROM 58 stores in advance data of a combination of one drive frequency and one on-duty ratio D corresponding to each of the three modes.
より詳しくは、ROM58は、近距離モードに対応して、1つの駆動周波数fnと1つのオンデューティー比Dnとを格納している。
この例では駆動周波数fnは10kHzであり、オンデューティー比Dnは、50%に設定している。また、ROM58は、中距離モードに対応して、1つの駆動周波数ffと1つのオンデューティー比Dfとを格納している。駆動周波数ffは4Hz以上80Hz以下の内の一つの値であり、オンデューティー比Dfは、50%以上100%未満の内の一つの値に設定することが望ましい。本実施形態では中距離モードにおいて駆動周波数60Hz、オンデューティー比70%に設定している。また、長距離モードでも駆動周波数ffは4Hz以上80Hz以下の内の一つの値であり、オンデューティー比Dfは、50%以上100%未満の内の一つの値に設定することが望ましい。本実施形態では長距離モードにおいて駆動周波数40Hz、オンデューティー比80%に設定している。
More specifically, the ROM 58 stores one drive frequency f n and one on-duty ratio D n corresponding to the short distance mode.
In this example, the drive frequency f n is 10 kHz, and the on-duty ratio D n is set to 50%. Further, the ROM 58 stores one drive frequency f f and one on-duty ratio D f corresponding to the medium distance mode. The drive frequency f f is one value within a range from 4 Hz to 80 Hz, and the on-duty ratio D f is preferably set to one value within a range from 50% to less than 100%. In the present embodiment, the driving frequency is set to 60 Hz and the on-duty ratio is set to 70% in the medium distance mode. Even in the long distance mode, the driving frequency f f is one value within a range from 4 Hz to 80 Hz, and the on-duty ratio D f is preferably set to one value within a range from 50% to less than 100%. In the present embodiment, the driving frequency is set to 40 Hz and the on-duty ratio is set to 80% in the long distance mode.
次に各モードでの駆動周波数及びオンデューティー比の設定方法について説明する。レーザ墨出し装置1の製造作業者は、レーザ墨出し装置1の製造段階において、レーザ墨出し装置1を工場から出荷する前に、レーザ光源モジュール3の駆動試験を行い、データを設定する。
Next, a method for setting the drive frequency and the on-duty ratio in each mode will be described. The manufacturing operator of the
この駆動試験では、製造作業者は、まず、駆動周波数とオンデューティー比とを、駆動周波数範囲ff内及びオンデューティー比範囲Df内の様々な値に変更しながら、レーザ光源モジュール3を繰り返しパルス駆動する。製造作業者は、見掛け上の明るさが最も大きくなると判断した駆動周波数の値及びオンデューティー比の値を、駆動周波数範囲ff及びオンデューティー比範囲Dfとして設定する。ROM58には、図4を参照して後述するレーザ発振プログラムが予め格納されている。CPU54は、レーザ発振プログラムを実行することで、ユーザに所望の1つのモードを選択させ、対応する駆動周波数f及びオンデューティー比Dの組合わせをROM58から読み出し、レーザダイオード32を当該駆動周波数及びオンデューティー比の組み合わせにてパルス発振させる。
In this driving test, the manufacturer first repeats the laser
RAM56には、CPU54がレーザ発振プログラムを実行している最中に得られる計算結果等のデータが一時的に格納される。可変抵抗45及び46は、入力ポート52に接続されている。ユーザは可変抵抗45の抵抗値を調整することで、レーザダイオード32のオンデューティー比を微調整することができる。ユーザは可変抵抗46を調整することで、レーザダイオード32の駆動周波数を微調整することができる。
The RAM 56 temporarily stores data such as calculation results obtained while the CPU 54 is executing the laser oscillation program. The variable resistors 45 and 46 are connected to the input port 52. The user can finely adjust the on-duty ratio of the
次に、図4を参照して、レーザ発振動作について、説明する。
まず、電源47がオンすると(S0)、直ちに付属の測長器100を用いてレーザ墨出し装置1から照射面までの距離が計測される(S1)。計測データLと基準照射距離Lsとの比較が行われ、L/Ls値を算出する(S2)。次に見掛け上の明るさ比Κn=L/Lsとし、レーザ発振条件を選択する(S3)。選択した条件にてレーザダイオード32を発振させることで最適な明るさを有するライン光を発生させる(S4)。もしユーザがマニュアル操作によりライン光を照射したい場合はモード切り替えスイッチ49をオン(S5にてYES)するとマニュアル操作での近距離モードに切り替わる(S6)。CPU54は、S6にて近距離モードを設定する。CPU54はROM58から近距離モードに対向する駆動周波数とオンデューティー比との組み合わせのデータを読み出し、当該駆動周波数とオンデューティー比との組み合わせのパルス駆動電流をトランジスタ42に印加する。この結果、レーザダイオード32は、当該駆動周波数とオンデューティー比との組み合わせにてパルス発振する。モード切替スイッチ49が切り替えられると(S7にてYES)、CPU54は、中距離モードを設定する(S8)。CPU54はROM58から中距離モードに対応する駆動周波数とオンデューティー比との組み合わせのデータを読み出し、当該駆動周波数とオンデューティー比との組み合わせのパルス駆動電流をトランジスタ42に印加する。この結果、レーザダイオード32は、当該駆動周波数とオンデューティー比との組み合わせにてパルス発振する。さらにモード切替スイッチ49が切り替えられると(S9にてYES)、CPU54は長距離モードを設定する(S10)。CPU54はROM58から長距離モードに対応する駆動周波数とオンデューティー比との組み合わせのデータを読み出し、当該駆動周波数とオンデューティー比との組み合わせのパルス駆動電流をトランジスタ42に印加する。この結果、レーザダイオード32は、当該駆動周波数とオンデューティー比との組み合わせにてパルス発振する。さらにモード切替スイッチ49が切り替えられると(S11にてYES)、CPU54は再度オート照射モードに戻り(S1)、上記で説明した動作を繰り返す。動作を終了する場合はCPU54はS12、S13、S14、S15の各ステップにて電源のオンオフ判断を行い、オフされると(S12、S13、S14、S15にてYES)動作を終了する。
Next, the laser oscillation operation will be described with reference to FIG.
First, when the power supply 47 is turned on (S0), the distance from the
本発明のレーザ光発生装置は、ライン光発生光学系やレーザ墨出し装置のみならず、レーザ光を使用する他の装置に広く適用することができる。本発明のライン光発生光学系は、レーザ墨出し装置のみならず、ライン光を使用する他の装置に広く適用することができる。 The laser light generation apparatus of the present invention can be widely applied not only to a line light generation optical system and a laser marking apparatus, but also to other apparatuses that use laser light. The line light generating optical system of the present invention can be widely applied not only to a laser marking device but also to other devices using line light.
1:レーザ墨出し装置、2:ライン光発生光学系、3:レーザ光源モジュール、
4:パルス発振回路、5:コリメータレンズ、6:ロッドレンズ、11:支持機構部、12:支持フレーム、13:ジンバル大リング、14:ジンバル小リング、15:装着台、16:ケース、42:トランジスタ、43:抵抗、44:マイコン、45、46:可変抵抗、47:電源、48:レギュレータ、49:モード切換スイッチ、52:入力ポート、54:CPU、56:RAM、58:ROM、60:出力ポート、32:レーザダイオード、34:波長変換光学素子。
1: laser marking device, 2: line light generation optical system, 3: laser light source module,
4: pulse oscillation circuit, 5: collimator lens, 6: rod lens, 11: support mechanism, 12: support frame, 13: large gimbal ring, 14: small gimbal ring, 15: mounting base, 16: case, 42: Transistor: 43: resistor, 44: microcomputer, 45, 46: variable resistor, 47: power supply, 48: regulator, 49: mode selector switch, 52: input port, 54: CPU, 56: RAM, 58: ROM, 60: Output port, 32: laser diode, 34: wavelength conversion optical element.
Claims (10)
A laser marking device comprising a support mechanism for supporting the line light generating optical system according to claim 9.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004151914A JP2005331464A (en) | 2004-05-21 | 2004-05-21 | Laser light generating apparatus, line light generating optical system, and laser marking apparatus equipped with the same |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008224569A (en) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Hitachi Koki Co Ltd | Laser marker |
US10393521B2 (en) | 2016-10-13 | 2019-08-27 | Stanley Black & Decker Inc. | Laser line generating device |
-
2004
- 2004-05-21 JP JP2004151914A patent/JP2005331464A/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2008224569A (en) * | 2007-03-15 | 2008-09-25 | Hitachi Koki Co Ltd | Laser marker |
US10393521B2 (en) | 2016-10-13 | 2019-08-27 | Stanley Black & Decker Inc. | Laser line generating device |
US10989533B2 (en) | 2016-10-13 | 2021-04-27 | Stanley Black & Decker Inc. | Laser line generating device |
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