JP2009226445A - Scanning type laser beam machining apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the high speed performance and reproducibility of multipoint simultaneous machining in a scanning type laser beam machining apparatus. <P>SOLUTION: A plurality of galvano control parts 22(1), 22(2), ..., used for a plurality of galvanometer scanners 14(1), 14(2), ..., respectively are connected in parallel to the main control part 20. Each galvano control part 22(n) is provided with a field programmable gate array (FPGA) 50(n) of one chip, digital-analog conversion circuits (DAC) 60(n), 62(n) for X axis and Y axis, and galvano driving circuits 64(n), 66(n) for X axis and Y axis. In the FPGA 50(n), an FIFO 52(n), a correcting register 54(n), a computing circuit 56(n), and an output control circuit 58(n) are configured. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、一台のレーザ発振器に複数台のガルバノメータ・スキャナを光学的に並列接続して、同一のパターンを異なる被加工物または被加工領域に同時に形成するスキャニング方式のレーザ加工装置に関する。   The present invention relates to a scanning laser processing apparatus in which a plurality of galvanometer scanners are optically connected in parallel to a single laser oscillator, and the same pattern is formed simultaneously on different workpieces or processing regions.

スキャニング式のレーザ加工は、レーザ光をスキャニング(走査)して被加工物表面上でレーザ光のビームスポットを二次元的に移動させ、ビームスポットが当たった被加工物表面の微小部分をレーザエネルギーで瞬間的に蒸発または変色させることによって、被加工物上に文字、図形、記号等の所望のパターンを形成し、マーキングまたは他の表面加工を施す技術である。   In scanning laser processing, the laser beam is scanned (scanned) to move the laser beam spot two-dimensionally on the surface of the workpiece, and a small portion of the workpiece surface hit by the beam spot is subjected to laser energy. In this technique, a desired pattern of characters, figures, symbols, etc. is formed on a workpiece by instantaneous evaporation or discoloration, and marking or other surface processing is performed.

一般に、スキャニング式レーザ加工装置は、レーザ光を発振出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器より出力されたレーザ光をスキャニングしながら被加工物に向けて集光照射するガルバノメータ・スキャナと、レーザ発振器およびガルバノメータ・スキャナの各動作(レーザ発振動作、スキャニング動作)を制御する制御部とを備えている。   In general, a scanning laser processing apparatus includes a laser oscillator that oscillates and outputs laser light, a galvanometer scanner that focuses and irradiates a workpiece while scanning the laser light output from the laser oscillator, a laser oscillator, and And a control unit that controls each operation (laser oscillation operation, scanning operation) of the galvanometer scanner.

ガルバノメータ・スキャナは、スキャニングヘッド等とも称され、レーザ光を2次元的にスキャニングするためのX軸回転ミラーおよびY軸回転ミラーを有し、制御部より所望のスキャニング位置に応じた座標位置指令信号またはミラー振れ角指令信号を受けて各回転ミラーを、たとえばサーボモータを用いて回転(首振り)駆動するように構成されている。   The galvanometer scanner is also called a scanning head or the like, and has an X-axis rotating mirror and a Y-axis rotating mirror for two-dimensionally scanning laser light, and a coordinate position command signal corresponding to a desired scanning position from the control unit. Alternatively, each rotating mirror is driven to rotate (swing) by using, for example, a servo motor in response to a mirror deflection angle command signal.

従来より、多点同時加工を行えるスキャニング式レーザ加工装置が知られている(たとえば特許文献1の図6参照)。多点同時加工型のスキャニング式レーザ加工装置は、一台のレーザ発振器にレーザ分岐部および伝送用の光ファイバ等を介して複数台のガルバノメータ・スキャナを接続し、該レーザ発振器より発振出力された1本のレーザ光を複数本の分岐レーザ光に分割して、それら複数本の分岐レーザ光をそれぞれ対応するガルバノメータ・スキャナによりスキャニングしながら異なる加工位置に照射して、文字、記号または図形等からなる所望のパターンを異なる被加工物または被加工領域に同時に形成するようにしている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a scanning laser processing apparatus that can perform multi-point simultaneous processing is known (see, for example, FIG. 6 of Patent Document 1). The scanning laser processing device of the multi-point simultaneous processing type connected to a plurality of galvanometer scanners via a laser branching unit and a transmission optical fiber etc. to one laser oscillator, and oscillated and output from the laser oscillator A single laser beam is divided into a plurality of branched laser beams, and the plurality of branched laser beams are irradiated to different processing positions while being scanned by the corresponding galvanometer scanners. The desired pattern is formed simultaneously on different workpieces or regions.

従来のスキャニング式レーザ加工装置は、レーザ発振動作およびスキャニング動作を制御するための制御系をCPU(中央処理装置)と周辺回路(主に駆動回路)とで構成し、制御に必要な演算はすべてCPUで実行しており、上記のような多点同時加工型のものにおいてもその点に変わりはなかった。
特開2007−190560
In the conventional scanning laser processing equipment, the control system for controlling the laser oscillation operation and the scanning operation is composed of a CPU (central processing unit) and peripheral circuits (mainly drive circuits), and all calculations necessary for control are performed. Even in the multi-point simultaneous machining type as described above, the point was not changed.
JP2007-190560

しかしながら、多点同時加工型の場合、複数台のガルバノメータ・スキャナを同時に並列動作させるため、スキャニング動作に必要な演算が膨大であり、従来のこの種のスキャニング式レーザ加工装置ではCPU(ソフトウェア)がそれに対応しきれていなかった。   However, in the case of the multi-point simultaneous machining type, since a plurality of galvanometer scanners are operated in parallel at the same time, the computation required for the scanning operation is enormous. In this type of conventional scanning laser processing apparatus, the CPU (software) is It was not able to cope with it.

すなわち、ガルバノメータ・スキャナには、X軸回転ミラーおよびY軸回転ミラーだけでなくスキャナ取付部、fθレンズ等に様々な光学的歪または誤差があり、これらの歪や誤差を補正しないままユーザの設定入力したパターンの座標位置に基づいてスキャニングを行うと、被加工物上にマーキングパターンが歪んで形成され、たとえば本来ならば矩形であるはずのパターンが樽形のパターンとなってマーキングされてしまう。そこで、そのようなガルバノメータ・スキャナ内の光学的歪を補償するための種種の補正パラメータをあらかじめ用意しておいて、ユーザの設定したパターン情報を記憶しておくメモリからスキャニング動作中に逐次読み出される各スキャニング位置または座標位置を補正パラメータで補正する演算が必要となる。この補正演算は、主に乗算と加減算であるが、演算式や演算回数が非常に多く、CPUが多数のマシンサイクルを繰り返しながら演算命令を多数回実行するとなると、一台のガルバノメータ・スキャナ分だけでも相当の演算時間を要する。   In other words, the galvanometer scanner has various optical distortions or errors not only in the X-axis rotating mirror and Y-axis rotating mirror but also in the scanner mounting section, fθ lens, etc., and these settings are not corrected by the user. When scanning is performed based on the coordinate position of the input pattern, the marking pattern is distorted and formed on the workpiece. For example, a pattern that is supposed to be rectangular is marked as a barrel pattern. Therefore, various correction parameters for compensating for optical distortion in such a galvanometer scanner are prepared in advance, and sequentially read out from a memory storing pattern information set by the user during a scanning operation. An operation for correcting each scanning position or coordinate position with a correction parameter is required. This correction calculation is mainly multiplication and addition / subtraction, but the calculation formula and the number of calculations are very large, and if the CPU executes a number of calculation instructions many times while repeating a number of machine cycles, only one galvanometer scanner is required. But it takes a lot of computation time.

多点同時加工型の場合、この問題がより深刻になる。すなわち、複数台のガルバノメータ・スキャナを使用する場合、光学的歪にスキャナ間のばらつきや機差もあり、加工精度を上げるには、各々のガルバノメータ・スキャナ毎に独立した補正演算が必要となる。   In the case of a multi-point simultaneous machining type, this problem becomes more serious. That is, when a plurality of galvanometer scanners are used, there are variations in optical distortion between scanners and machine differences, and in order to increase the processing accuracy, an independent correction calculation is required for each galvanometer scanner.

従来のこの種のレーザ加工装置は、上記のようにCPU(ソフトウェア)の演算処理速度に限界があることから、この点の機能が十分ではなく、一点加工型の装置に比して加工速度に著しい低下を来たしたり、多量の演算を必要とする高精度な補正演算を行えなくて(結果的に、ガルバノメータ・スキャナの光学的歪を十全に補償しきれなくて)加工品質の再現性が良くないなどの課題があった。   This type of conventional laser processing apparatus has a limitation in the processing speed of the CPU (software) as described above, so this function is not sufficient, and the processing speed is higher than that of a one-point processing type apparatus. The reproducibility of the machining quality is not possible because it is not possible to perform high-precision correction calculations that require a significant amount of calculations or result in significant degradation (as a result, the optical distortion of the galvanometer scanner cannot be fully compensated). There were problems such as bad.

本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するものであり、多点同時加工の高速性および再現性を向上させるスキャニング式レーザ加工装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a scanning laser processing apparatus that improves the high speed and reproducibility of multi-point simultaneous processing.

上記の目的を達成するために、本発明のスキャニング式レーザ加工装置は、一台のレーザ発振器にN台(Nは2以上の整数)のガルバノメータ・スキャナを光学的に接続し、前記レーザ発振器より発振出力されたレーザ光をN個の分岐レーザ光に分割して、それらの分岐レーザ光をそれぞれ対応する前記ガルバノメータ・スキャナにより走査しながら所望の走査位置に照射して、所望のパターンを複数の被加工物または被加工領域に同時に形成するスキャニング式レーザ加工装置であって、前記レーザ発振器のレーザ発振動作および前記N台のガルバノメータ・スキャナのそれぞれの走査の動作を統括的に制御する単一の主制御部と、前記主制御部の統括制御の下で前記N台のガルバノメータ・スキャナの走査の動作をそれぞれ局所的に制御するN個のスキャナ制御部とを備える。そして、各々の前記スキャナ制御部が、当該ガルバノメータ・スキャナに対して前記走査位置を指示するために前記主制御部より与えられた位置データを記憶する第1のデータ記憶部と、当該ガルバノメータ・スキャナの光学的歪を補正するために前記主制御部より与えられた補正パラメータのデータを記憶する第2のデータ記憶部と、前記第1のデータ記憶部および前記第2のデータ記憶部より読み出される前記位置データおよび前記補正パラメータデータに基づいて、前記走査位置に対応する当該ガルバノメータ・スキャナに固有の補正位置を演算によって求める演算部と、前記演算部で求められた前記補正位置のデータに基づいて、前記ガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを前記走査位置に対応する振れ角に回転駆動するガルバノ駆動部とを有する。   In order to achieve the above object, the scanning laser processing apparatus of the present invention optically connects N galvanometer scanners (N is an integer of 2 or more) to one laser oscillator. The laser beam that has been oscillated and output is divided into N branch laser beams, and these branch laser beams are irradiated to a desired scanning position while being scanned by the corresponding galvanometer scanner, and a desired pattern is applied to a plurality of laser beams. A scanning-type laser processing apparatus for simultaneously forming a workpiece or a processing region, wherein the laser oscillation operation of the laser oscillator and the scanning operation of each of the N galvanometer scanners are collectively controlled. The scanning operation of the N galvanometer scanners is locally controlled under the overall control of the main control unit and the main control unit. That includes an N-number of the scanner control unit. Each of the scanner control units stores a first data storage unit for storing position data given by the main control unit to instruct the galvanometer scanner for the scanning position, and the galvanometer scanner. Read out from the first data storage unit and the second data storage unit, the second data storage unit storing the correction parameter data given from the main control unit to correct the optical distortion of Based on the position data and the correction parameter data, a calculation unit that calculates a correction position specific to the galvanometer scanner corresponding to the scanning position by calculation, and based on the correction position data obtained by the calculation unit The galvanometer that rotationally drives the rotating mirror of the galvanometer scanner to the deflection angle corresponding to the scanning position. And a dynamic part.

上記の装置構成においては、複数台のガルバノメータ・スキャナにそれぞれスキャナ制御部が充てられ、主制御部の統括制御の下で各スキャナ制御部が当該ガルバノメータ・スキャナを局所的または直接制御する。各スキャナ制御部は、当該ガルバノメータ・スキャナに対して主制御部より与えられた走査位置のデータを記憶または格納するために特化した第1のデータ記憶部と、当該ガルバノメータ・スキャナの光学的歪を補正するために主制御部より与えられた補正パラメータのデータを記憶するために特化した第2のデータ記憶部と、走査位置に対応する当該ガルバノメータ・スキャナに固有の補正位置を演算するのに特化した演算部とを備えることにより、当該ガルバノメータ・スキャナの光学的歪を適格に補償しながら短時間でガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを走査位置に対応する振れ角に回転駆動することができる。装置全体としては、複数のスキャナ制御部が同時的または並列的に演算処理を実行し、複数台のガルバノメータ・スキャナの走査の動作をそれぞれ制御するので、多点同時加工の効率性、高速性および生産性が向上する。   In the above apparatus configuration, a plurality of galvanometer scanners are each provided with a scanner control unit, and each scanner control unit locally or directly controls the galvanometer scanner under the overall control of the main control unit. Each scanner control unit includes a first data storage unit specialized for storing or storing data of a scanning position given from the main control unit to the galvanometer scanner, and an optical distortion of the galvanometer scanner. A correction data specific to the galvanometer scanner corresponding to the scanning position, and a second data storage unit specialized for storing correction parameter data given by the main control unit for correcting The rotation mirror of the galvanometer scanner can be rotationally driven to the deflection angle corresponding to the scanning position in a short time while adequately compensating for the optical distortion of the galvanometer scanner. . As the entire system, multiple scanner control units execute arithmetic processing simultaneously or in parallel, and control the scanning operations of multiple galvanometer scanners, respectively. Productivity is improved.

本発明の好適な一態様においては、主制御部が中央処理装置を含み、この中央処理装置が走査の位置データおよび補正パラメータデータをそれぞれ第1のデータ記憶部および第2のデータ記憶部に直接書き込む。第1のデータ記憶部は先入れ先出しメモリ、いわゆるFIFO(First-In First-Out)メモリが好ましく、第2のデータ記憶部はレジスタが好ましい。演算部にはディジタル信号処理回路を好適に使用できる。   In a preferred aspect of the present invention, the main control unit includes a central processing unit, and the central processing unit directly transmits the scanning position data and the correction parameter data to the first data storage unit and the second data storage unit, respectively. Write. The first data storage unit is preferably a first-in first-out memory, so-called FIFO (First-In First-Out) memory, and the second data storage unit is preferably a register. A digital signal processing circuit can be suitably used for the arithmetic unit.

好適な一態様においては、第1のデータ記憶部、第2のデータ記憶部および演算回路が1チップのフィールドプログラマブル・ゲートアレイ(FPGA:Field Programable Gate Arrey)内に構築される。さらに好適には、各々のスキャナ制御部が、演算部で求められた補正位置のデータを所定のタイミングでガルバノ駆動部に与えるための出力制御部を更に有し、第1のデータ記憶部、第2のデータ記憶部、演算部および出力制御部が1チップのフィールドプログラマブル・ゲートアレイ内に構築される。このようにフィールドプログラマブル・ゲートアレイを利用することで、回路設計の合理化と低コスト化もはかれる。   In a preferred embodiment, the first data storage unit, the second data storage unit, and the arithmetic circuit are constructed in a one-chip field programmable gate array (FPGA). More preferably, each scanner control unit further includes an output control unit for supplying the correction position data obtained by the calculation unit to the galvano drive unit at a predetermined timing, and the first data storage unit, Two data storage units, a calculation unit and an output control unit are built in a one-chip field programmable gate array. By using a field programmable gate array in this way, circuit design can be rationalized and costs can be reduced.

また、好適な一態様においては、ガルバノ駆動部が、演算部より補正位置データとして出力されるディジタルの補正位置信号をアナログの補正位置信号に変換するディジタル−アナログ変換器と、アナログの補正位置信号に基づいてガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを回転駆動するためのミラー駆動電流を生成するガルバノ駆動回路とを有する。   In a preferred aspect, the galvano drive unit converts a digital correction position signal output as correction position data from the calculation unit into an analog correction position signal, and an analog correction position signal. And a galvanometer drive circuit for generating a mirror drive current for rotationally driving the rotary mirror of the galvanometer scanner.

好適な一態様において、ガルバノメータ・スキャナがfθレンズを有する場合は、当該ガルバノメータ・スキャナの原点(つまり、スキャナ設置時(ミラー振れ角0度)のときの座標点)に対するfθレンズの原点(つまり当該レンズの中心)のオフセット(つまり位置的誤差)を補正するための補正パラメータが設定され、あるいはfθレンズやスキャナの回転ミラー等といった光学部品の影響による樽型歪を補正するための補正パラメータが設定される。また、該ガルバノメータ・スキャナの取り付け誤差を補正するための補正パラメータや、当該ガルバノメータ・スキャナの駆動上のゲインを補正するための補正パラメータが設定される。   In a preferred embodiment, when the galvanometer scanner has an fθ lens, the origin of the fθ lens relative to the origin of the galvanometer scanner (that is, the coordinate point when the scanner is installed (mirror deflection angle is 0 degree)) Correction parameters for correcting the offset (that is, positional error) of the center of the lens are set, or correction parameters for correcting barrel distortion due to the influence of optical components such as the fθ lens and the rotating mirror of the scanner are set. Is done. In addition, a correction parameter for correcting an attachment error of the galvanometer scanner and a correction parameter for correcting a driving gain of the galvanometer scanner are set.

また、好適な一態様においては、各々のガルバノメータ・スキャナにおける回転ミラーが、レーザ光を相直交する方向でそれぞれ走査するためのX軸回転ミラーおよびY軸回転ミラーを含む。この場合、主制御部よりガルバノメータ・スキャナに対しては、所望の走査位置としてX軸座標位置およびY軸座標位置のデータが与えられる。   In a preferred aspect, the rotating mirror in each galvanometer scanner includes an X-axis rotating mirror and a Y-axis rotating mirror for scanning the laser light in directions orthogonal to each other. In this case, X-axis coordinate position data and Y-axis coordinate position data are given to the galvanometer scanner from the main control unit as desired scanning positions.

また、レーザ発振器はQスイッチ型が好ましく、光学的に対向して配置される一対のミラーからなる光共振器と、この光共振器内の光路上に配置される活性媒質と、この活性媒質を連続的に励起する活性媒質励起部と、光共振器内で活性媒質と同一の光路上に配置されたQスイッチと、主制御部の制御の下でQスイッチを駆動するQスイッチ駆動部とを有する。この場合、好ましくは、レーザ発振器が光ファイバを有し、この光ファイバのコアを活性媒質としてよい。活性媒質励起部は、好ましくは、励起光を連続発振で出力するレーザダイオードと、このレーザダイオードを光ファイバに光学的に結合する光学レンズとを有する。   Further, the laser oscillator is preferably a Q-switch type, and an optical resonator composed of a pair of mirrors disposed optically opposite to each other, an active medium disposed on an optical path in the optical resonator, and the active medium An active medium excitation unit that continuously excites, a Q switch disposed on the same optical path as the active medium in the optical resonator, and a Q switch drive unit that drives the Q switch under the control of the main control unit Have. In this case, the laser oscillator preferably has an optical fiber, and the core of the optical fiber may be used as the active medium. The active medium excitation unit preferably includes a laser diode that outputs excitation light in a continuous oscillation and an optical lens that optically couples the laser diode to an optical fiber.

本発明のスキャニング式レーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、多点同時加工の高速性および再現性を向上させることができる。   According to the scanning type laser processing apparatus of the present invention, the high speed and reproducibility of multi-point simultaneous processing can be improved by the configuration and operation as described above.

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1に、本発明の一実施形態におけるスキャニング式レーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置は、同時多分岐たとえば同時3分岐のファイバ伝送方式を用いて、3箇所の加工テーブル10(1),10(2),10(3)上で同時に3個の被加工物W(1),W(2),W(3)に同一または同種のスキャニング式レーザ加工たとえばレーザマーキングを施す多点同時加工型のシステム形態を採っている。   FIG. 1 shows the configuration of a scanning laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. This laser machining apparatus uses three simultaneous workpieces W on three machining tables 10 (1), 10 (2), 10 (3) using a simultaneous multi-branch, for example, simultaneous three-branch fiber transmission system. (1), W (2), W (3) adopts the same or the same type of scanning laser processing, for example, a multi-point simultaneous processing type system form in which laser marking is applied.

このレーザ加工装置は、レーザ光学系として、Qスイッチパルスのレーザ光LBを発振出力する1台のQスイッチ型ファイバレーザ発振器12と、各加工テーブル10(1),10(2),10(3)の上方に配置される3台のスキャニングヘッドまたはガルバノメータ・スキャナ14(1),14(2),14(3)と、ファイバレーザ発振器12より発振出力された1本の原レーザ光LBを3本の分岐レーザ光LB(1),LB(2),LB(3)に分割するレーザ分岐部16と、このレーザ分岐部16からそれらの分岐レーザ光LB(1),LB(2),LB(3)をガルバノメータ・スキャナ14(1),14(2),14(3)までそれぞれ伝送する3本の光ファイバ18(1),18(2),18(3)とを備えている。   This laser processing apparatus has, as a laser optical system, one Q-switch type fiber laser oscillator 12 that oscillates and outputs a laser beam LB of a Q switch pulse, and each processing table 10 (1), 10 (2), 10 (3 ) 3 scanning heads or galvanometer scanners 14 (1), 14 (2), 14 (3) disposed above the 3) and one original laser beam LB oscillated and output from the fiber laser oscillator 12. The laser branching section 16 that splits the branched laser beams LB (1), LB (2), and LB (3), and the branched laser beams LB (1), LB (2), LB from the laser branching section 16 Three optical fibers 18 (1), 18 (2), and 18 (3) for transmitting (3) to the galvanometer scanners 14 (1), 14 (2), and 14 (3), respectively, are provided.

また、このレーザ加工装置は、制御系として、システム内の各部の動作を統括制御する単一の主制御部20と、この主制御部20の統括制御の下でガルバノメータ・スキャナ14(1),14(2),14(3)のスキャニング動作をそれぞれ局所的または直接的に制御する3個のスキャナ制御部22(1),22(2),22(3)とを有する。さらに、主制御部20の制御の下でファイバレーザ発振器12に励起用の電力を供給するレーザ電源24を有している。   In addition, this laser processing apparatus has a single main control unit 20 that performs overall control of operations of each unit in the system as a control system, and a galvanometer scanner 14 (1), under the overall control of the main control unit 20. Three scanner control units 22 (1), 22 (2), and 22 (3) for locally or directly controlling the scanning operations 14 (2) and 14 (3), respectively. Further, a laser power source 24 that supplies pumping power to the fiber laser oscillator 12 under the control of the main control unit 20 is provided.

ファイバレーザ発振器12は、発振用の光ファイバ(以下「発振ファイバ」と称する。)26と、この発振ファイバ26の一端面にポンピング用の励起光EBを照射する電気光学励起部28と、発振ファイバ26を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー30,32とを有している。   The fiber laser oscillator 12 includes an oscillation optical fiber (hereinafter referred to as “oscillation fiber”) 26, an electro-optic excitation unit 28 that irradiates one end surface of the oscillation fiber 26 with pumping excitation light EB, and an oscillation fiber. And a pair of optical resonator mirrors 30 and 32 which are optically opposed to each other via the H.26.

電気光学励起部28は、レーザダイオード(LD)34および集光用の光学レンズ36を有している。LD34は、レーザ電源24からの励起電流によって発光駆動され、励起用のレーザ光またはLD光EBを連続発振で出力する。光学レンズ36は、LD34からの励起用LD光EBを発振ファイバ26の一端面に集光入射させる。LD34と光学レンズ36との間に配置される光共振器ミラー30は、LD34側から入射した励起用LD光EBを透過させ、発振ファイバ26側から入射した発振光線を光共振器の光軸上で全反射するように構成されている。   The electro-optical excitation unit 28 includes a laser diode (LD) 34 and a condensing optical lens 36. The LD 34 is driven to emit light by an excitation current from the laser power source 24, and outputs laser light for excitation or LD light EB by continuous oscillation. The optical lens 36 condenses and enters the excitation LD light EB from the LD 34 onto one end face of the oscillation fiber 26. The optical resonator mirror 30 disposed between the LD 34 and the optical lens 36 transmits the excitation LD light EB incident from the LD 34 side, and transmits the oscillation light beam incident from the oscillation fiber 26 side on the optical axis of the optical resonator. It is configured to totally reflect.

発振ファイバ26は、図示省略するが、発光元素としてたとえば希土類元素のイオンをドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝播光路としている。上記のようにして発振ファイバ26の一端面に入射した励起用LD光EBは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ26の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中の希土類元素イオンを光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー30,32の間を何度も行き来して共振増幅される。   Although not shown, the oscillation fiber 26 has a core doped with, for example, rare earth ions as a light emitting element, and a clad surrounding the core coaxially. The core is used as an active medium, and the clad is used as a propagation of excitation light. The light path. The excitation LD light EB incident on one end face of the oscillation fiber 26 as described above propagates in the oscillation fiber 26 in the axial direction while being confined by total reflection at the outer peripheral interface of the clad, and the core passes during the propagation. The rare earth element ions in the core are photoexcited by crossing the core. In this way, an oscillating light beam having a predetermined wavelength is emitted in the axial direction from both end faces of the core, and this oscillating light beam travels between the optical resonator mirrors 30 and 32 many times and is resonantly amplified.

光共振器ミラー30,32の間の光路上には、たとえば音響光学スイッチからなるQスイッチ40が配置されている。Qスイッチドライバ42は、主制御部20の制御の下で所定の周期で一時中断する高周波電気信号によりQスイッチ40を駆動する。このQスイッチングにより、高周波電気信号が中断する度毎にピークパワーの極めて高いQスイッチパルスまたはジャイアントパルスのレーザ光LBがファイバレーザ発振器12より発振出力される。   On the optical path between the optical resonator mirrors 30 and 32, for example, a Q switch 40 composed of an acousto-optic switch is disposed. The Q switch driver 42 drives the Q switch 40 by a high frequency electrical signal that is temporarily interrupted at a predetermined cycle under the control of the main control unit 20. By this Q switching, every time the high-frequency electrical signal is interrupted, the laser light LB of the Q switch pulse or the giant pulse having an extremely high peak power is oscillated and output from the fiber laser oscillator 12.

ファイバレーザ発振器12内において、光学レンズ36,38は、発振ファイバ26の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして光共振器ミラー30,32へ通し、光共振器ミラー30,32で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ26の端面に集光させる。   In the fiber laser oscillator 12, the optical lenses 36 and 38 collimate the oscillation light beam emitted from the end face of the oscillation fiber 26 into parallel light and pass it to the optical resonator mirrors 30 and 32, and the optical resonator mirrors 30 and 32. The oscillating light beam reflected and returned by is condensed on the end face of the oscillating fiber 26.

図示の構成例におけるレーザ分岐部16は、同時3分岐型であり、ファイバレーザ発振器12の光軸の延長上に所定の間隔を置いて3つの分岐用ミラー44(1),44(2),44(3)をそれぞれ所定角度(たとえば45度)斜めに傾けて一列に配置している。このうち、初段と次段の2つの分岐用ミラー44(1),44(2)は部分反射透過ミラーまたはビームスプリッタからなり、最後段のミラー44(3)は全反射ミラーからなる。同時3分岐のパワー分割比をたとえば1:1:1に選ぶ場合は、初段ビームスプリッタ44(1)の分岐比が約33/67に選ばれ、次段ビームスプリッタ44(2)の分岐比が約50/50に選ばれる。   The laser branching unit 16 in the illustrated configuration example is a simultaneous three-branching type, and includes three branching mirrors 44 (1), 44 (2), and a predetermined interval on the extension of the optical axis of the fiber laser oscillator 12. 44 (3) are inclined at a predetermined angle (for example, 45 degrees) and arranged in a line. Of these, the first-stage and next-stage branching mirrors 44 (1), 44 (2) are made of partially reflecting / transmitting mirrors or beam splitters, and the last-stage mirror 44 (3) is made of a totally reflecting mirror. For example, when the power split ratio of the simultaneous three branches is set to 1: 1: 1, the branch ratio of the first stage beam splitter 44 (1) is selected to be about 33/67, and the branch ratio of the next stage beam splitter 44 (2) is selected. About 50/50 is selected.

このレーザ分岐部16において、ファイバレーザ発振器12から空中をまっすぐ伝搬してきたファイバレーザ光LBは、最初に初段ビームスプリッタ44(1)に入射し、そこで一部が所定方向へ反射し、残りがまっすぐ透過する。ビームスプリッタ44(1)で得られる反射光つまり第1の分岐レーザ光LA(1)は、第1の入射ユニット46(1)を介して第1の伝送用光ファイバ(以下「伝送ファイバ」と称する。)18(1)の一端面に入射する。   In this laser branching section 16, the fiber laser beam LB propagating straight from the fiber laser oscillator 12 into the air first enters the first stage beam splitter 44 (1), where a part thereof is reflected in a predetermined direction and the rest is straight. To Penetrate. The reflected light obtained by the beam splitter 44 (1), that is, the first branched laser light LA (1) is transmitted through the first incident unit 46 (1) to the first transmission optical fiber (hereinafter referred to as “transmission fiber”). It is incident on one end face of 18 (1).

初段ビームスプリッタ44(1)を透過したレーザ光LB'は次段ビームスプリッタ44(2)に入射し、そこで一部が所定方向へ反射し、残りがまっすぐ透過する。ビームスプリッタ44(2)で得られる反射光つまり第2の分岐レーザ光LB(2)は、第2の入射ユニット46(2)を介して第2の伝送ファイバ18(2)の一端面に入射する。   The laser beam LB ′ that has passed through the first stage beam splitter 44 (1) is incident on the next stage beam splitter 44 (2), where a part of the laser light LB ′ is reflected in a predetermined direction and the rest is transmitted straight. The reflected light obtained by the beam splitter 44 (2), that is, the second branched laser beam LB (2) is incident on one end face of the second transmission fiber 18 (2) through the second incident unit 46 (2). To do.

次段ビームスプリッタ44(2)を透過したレーザ光LB"は、終端の全反射ミラーで所定方向へ全反射し、第3の分岐レーザ光LB(3)として第3の入射ユニット46(3)を介して第3の伝送ファイバ18(3)の一端面に入射する。   The laser beam LB "that has passed through the next-stage beam splitter 44 (2) is totally reflected in a predetermined direction by the terminal total reflection mirror, and is converted into a third incident unit 46 (3) as a third branched laser beam LB (3). Then, the light enters the one end face of the third transmission fiber 18 (3).

各入射ユニット46(1),46(2),46(3)内には、各分岐レーザ光LB(1),LB(2),LB(3)を各伝送ファイバ18(1),18(2),18(3)の一端面に集光させる集光レンズ48(1),48(2),48(3)が設けられている。なお、各伝送ファイバ18(1),18(2),18(3)には、たとえばSI(ステップインデックス)形ファイバが用いられる。   In each incident unit 46 (1), 46 (2), 46 (3), each branched laser beam LB (1), LB (2), LB (3) is transmitted to each transmission fiber 18 (1), 18 ( 2) and condensing lenses 48 (1), 48 (2) and 48 (3) for condensing light are provided on one end face of 18 (3). For example, SI (step index) type fibers are used for the transmission fibers 18 (1), 18 (2), and 18 (3).

第1、第2および第3の伝送ファイバ18(1),18(2),18(3)の他端または終端は、第1、第2および第3のガルバノメータ・スキャナ14(1),14(2),14(3)にそれぞれ接続されている。   The other ends or terminations of the first, second and third transmission fibers 18 (1), 18 (2), 18 (3) are connected to the first, second and third galvanometer scanners 14 (1), 14 They are connected to (2) and 14 (3), respectively.

各々のガルバノメータ・スキャナ14(n)(ただしn=1,2,3、以下他の構成要素でも同様の表記を用いる。)は、図示省略するが、ユニット筐体内にコリメートレンズ、X軸回転ミラー、Y軸回転ミラーおよびfθレンズを光学的にこの順序で所定位置に配置している。コリメートレンズは、各対応する伝送ファイバ18(n)の終端面より放射状に射出されたレーザ光LB(n)を平行光にコリメートする。X軸回転ミラーは、スキャニング位置に応じた振れ角に回転駆動され、コリメートレンズからの平行光のレーザ光LB(n)をX軸方向で被加工物W(n)上の目標位置に向けて反射する。Y軸回転ミラーも、スキャニング位置に応じた振れ角に回転駆動され、X軸回転ミラーからのレーザ光LB(n)をY軸方向で被加工物W(n)上の目標位置に向けて反射する。X軸回転ミラーおよびY軸回転ミラーの回転(首振り)動作は、後に詳述するように、主制御部20の統括制御の下で直接的には当該ガルバノ制御部22(n)によって制御される。fθレンズは、任意のスキャニング位置に対してスキャニング速度を一定にする作用(fθ特性)を有し、Y軸回転ミラーからのレーザ光LB(n)を被加工物W(n)上の目標位置に集光する。   Each galvanometer scanner 14 (n) (where n = 1, 2, 3, the same notation is used for other components below), although not shown, a collimator lens and an X-axis rotating mirror are provided in the unit housing. The Y-axis rotating mirror and the fθ lens are optically arranged at predetermined positions in this order. The collimating lens collimates the laser beam LB (n) emitted radially from the end face of each corresponding transmission fiber 18 (n) into parallel light. The X-axis rotating mirror is rotationally driven at a deflection angle corresponding to the scanning position, and directs the parallel laser beam LB (n) from the collimating lens toward the target position on the workpiece W (n) in the X-axis direction. reflect. The Y-axis rotating mirror is also rotationally driven at a deflection angle corresponding to the scanning position, and reflects the laser beam LB (n) from the X-axis rotating mirror toward the target position on the workpiece W (n) in the Y-axis direction. To do. The rotation (swinging) operation of the X-axis rotating mirror and the Y-axis rotating mirror is directly controlled by the galvano controller 22 (n) under the overall control of the main controller 20, as will be described in detail later. The The fθ lens has an effect of making the scanning speed constant with respect to an arbitrary scanning position (fθ characteristic), and the laser beam LB (n) from the Y-axis rotating mirror is used as a target position on the workpiece W (n). Condensed to

図示の例では、加工テーブル10(1),10(2),10(3)上の被加工物W(1),W(2),W(3)に第1、第2および第3のガルバノメータ・スキャナ14(1),14(2),14(3)より第1、第2および第3の分岐レーザ光LB(1),LB(2),LB(3)が同時に集光照射され、被加工物W(1),W(2),W(3)上に同一のマーキングパターンが同時に形成される。   In the illustrated example, the workpieces W (1), W (2), and W (3) on the machining tables 10 (1), 10 (2), and 10 (3) are first, second, and third. The first, second and third branched laser beams LB (1), LB (2) and LB (3) are simultaneously condensed and irradiated from the galvanometer scanners 14 (1), 14 (2) and 14 (3). The same marking pattern is simultaneously formed on the workpieces W (1), W (2), and W (3).

図2に、この実施形態における制御系の構成、特に各ガルバノ制御部22(n)の回路構成を示す。ガルバノ制御部22(1),22(2),22(3)は、ハードウェア的には同一の構成を有している。したがって、図2では、図解の簡略化のために、第1および第2のガルバノ制御部22(1),22(2)のみを示しており、第3のガルバノ制御部22(3)を省略している。   FIG. 2 shows the configuration of the control system in this embodiment, particularly the circuit configuration of each galvano controller 22 (n). The galvano control units 22 (1), 22 (2), and 22 (3) have the same configuration in terms of hardware. Therefore, in FIG. 2, only the first and second galvano control units 22 (1) and 22 (2) are shown to simplify the illustration, and the third galvano control unit 22 (3) is omitted. is doing.

図2に示すように、主制御部20にガルバノ制御部22(1),22(2),・・が並列に接続される。各ガルバノ制御部22(n)は、1個(1チップ)のフィールドプログラマブル・ゲートアレイ(FPGA)50(n)と、X軸およびY軸用の一対のディジタル−アナログ変換回路(DAC)60(n),62(n)と、X軸およびY軸用の一対のガルバノ駆動回路64(n),66(n)とを有している。FPGA50(n)の中には、ハードウェア上にプログラミング(配線設計)された機能ブロックとして、FIFO52(n)、補正レジスタ54(n)、演算回路56(n)および出力制御回路58(n)を搭載または構築している。   As shown in FIG. 2, the galvano control units 22 (1), 22 (2),... Are connected to the main control unit 20 in parallel. Each galvano controller 22 (n) includes one (one chip) field programmable gate array (FPGA) 50 (n) and a pair of digital-analog conversion circuits (DAC) 60 for the X and Y axes. n), 62 (n) and a pair of galvano drive circuits 64 (n), 66 (n) for the X-axis and Y-axis. In the FPGA 50 (n), FIFO 52 (n), correction register 54 (n), arithmetic circuit 56 (n) and output control circuit 58 (n) are provided as functional blocks programmed on hardware (wiring design). Equipped with or built.

主制御部20はCPU(中央処理装置)を含み、CPUの転送命令や入出力命令等を実行してFPGA50(n)内の各機能ブロックにデータまたは制御信号を直接与えるようになっている。図3に、この実施形態におけるメモリマップおよびI/Oマップ(メモリマップドI/O方式)の一例を示す。   The main control unit 20 includes a CPU (central processing unit), and executes data transfer commands, input / output commands, and the like, and directly provides data or control signals to each functional block in the FPGA 50 (n). FIG. 3 shows an example of a memory map and an I / O map (memory mapped I / O method) in this embodiment.

より詳細には、FIFO52(n)には、レーザマーキングの実行中に、主制御部20のCPUより全てのガルバノメータ・スキャナ14(1),14(1),14(3)に共通な所望のスキャニング位置座標としてX軸座標およびY座標のデータ(Xin,Yin)が先入れ先出し方式で書き込まれる。 More specifically, the FIFO 52 (n) has a desired common to all galvanometer scanners 14 (1), 14 (1), 14 (3) from the CPU of the main controller 20 during execution of laser marking. X-axis coordinate and Y-coordinate data (X in , Y in ) are written in a first- in first-out manner as scanning position coordinates.

補正レジスタ54(n)には、レーザマーキングの実行前あるいは初期化の際に、主制御部20のCPUより当該ガルバノメータ・スキャナ14(n)に固有の光学的歪を補償するための各種補正パラメータのデータが書き込まれる。この実施形態では、下記のような補正パラメータ(A)〜(D)が設定される。   In the correction register 54 (n), various correction parameters for compensating optical distortion inherent in the galvanometer scanner 14 (n) from the CPU of the main control unit 20 before execution of laser marking or at the time of initialization. Data is written. In this embodiment, the following correction parameters (A) to (D) are set.

(A)XY軸オフセット補正パラメータ(Xofs,Yofs
当該ガルバノメータ・スキャナ14(n)におけるfθレンズの原点とガルバノメータ・スキャナの原点とのオフセット(ずれ)を補正するためのもので、XofsはX軸座標用の定数パラメータ、YofsはY軸座標用の定数パラメータである。
(A) XY axis offset correction parameters (X ofs , Y ofs )
For correcting the offset (deviation) between the origin of the fθ lens and the origin of the galvanometer scanner in the galvanometer scanner 14 (n), X ofs is a constant parameter for the X axis coordinate, and Y ofs is the Y axis coordinate. Is a constant parameter for

(B)XY軸交差角度補正パラメータ(Ang)
当該ガルバノメータ・スキャナ14(n)の取り付け誤差を補正するための係数パラメータである。
(B) XY axis crossing angle correction parameter (Ang)
This is a coefficient parameter for correcting the mounting error of the galvanometer scanner 14 (n).

(C)XY軸ゲイン調整パラメータ(Xgain,Ygain
当該ガルバノメータ・スキャナ14(n)の各軸ゲインを調整するためのもので、XgainはX軸用の係数パラメータ、YgainはY軸用の係数パラメータである。
(C) XY axis gain adjustment parameters (X gain , Y gain )
This is for adjusting the gain of each axis of the galvanometer scanner 14 (n). X gain is a coefficient parameter for X axis, and Y gain is a coefficient parameter for Y axis.

(D)fθレンズ歪補正パラメータ(Xdis,Ydis
当該ガルバノメータ・スキャナ14(n)におけるfθレンズの樽型歪を補正するためのもので、XdisはX軸歪補正係数パラメータ、YdisはY軸歪補正係数パラメータである。
(D) fθ lens distortion correction parameter (X dis , Y dis )
For correcting barrel distortion of the fθ lens in the galvanometer scanner 14 (n), X dis is an X axis distortion correction coefficient parameter, and Y dis is a Y axis distortion correction coefficient parameter.

なお、一部または全部のガルバノメータ・スキャナ14(1),14(2),14(3)の間で上記補正パラメータ(A)〜(D)のいずれかの値を同一にする(共通化する)ことも可能である。   It should be noted that the value of any one of the correction parameters (A) to (D) is made the same among some or all of the galvanometer scanners 14 (1), 14 (2), and 14 (3). It is also possible.

演算回路56(n)は、レーザマーキングの実行中に主制御部20のCPUからの指示を受けて所要の演算処理を実行する。すなわち、FIFO52(n)より逐次読み出される座標位置データ(Xin,Yin)と補正レジスタ54(i)に格納されている上記補正パラメータデータとに基づいて、各スキャニング位置に対応する当該ガルバノメータ・スキャナに固有の補正座標位置(Xout,Yout)を演算によって求める。この実施形態においては、一例として下記の演算式を演算する。 The arithmetic circuit 56 (n) receives a command from the CPU of the main control unit 20 during execution of laser marking and executes a required arithmetic process. That is, based on the coordinate position data (X in , Y in ) sequentially read out from the FIFO 52 (n) and the correction parameter data stored in the correction register 54 (i), the galvanometer corresponding to each scanning position. A correction coordinate position (X out , Y out ) specific to the scanner is obtained by calculation. In this embodiment, the following arithmetic expression is calculated as an example.

1=Xin+Xofs ・・(1) Y1=Yin+Yofs ・・(2)
2=X1+Ang×Y1 ・・(3) Y2=Y1 ・・(4)
3=X2×Xgain ・・(5) Y3=Y2×Ygain ・・(6)
out=X3+Xdis×Y3×Y3×X3×2-48 ・・(7)
out=Y3+Ydis×X3×X3×Y3×2-48 ・・(8)
X 1 = X in + X ofs (1) Y 1 = Y in + Y ofs (2)
X 2 = X 1 + Ang × Y 1 (3) Y 2 = Y 1 (4)
X 3 = X 2 × X gain (5) Y 3 = Y 2 × Y gain (6)
X out = X 3 + X dis × Y 3 × Y 3 × X 3 × 2 −48 (7)
Y out = Y 3 + Y dis × X 3 × X 3 × Y 3 × 2 -48 (8)

図4に、上記の演算式を演算するための演算回路56(n)の回路構成を示す。図4において、加算器100は、上記の式(1)を演算する。加算器102は、上記の式(2)を演算する。乗算器104および加算器106は、上記の式(3)を演算する。乗算器108は、上記の式(5)を演算する。乗算器110は、上記の式(6)を演算する。乗算器112〜118および加算器120は、上記の式(7)を演算する。乗算器122〜128および加算器130は、上記の式(8)を演算する   FIG. 4 shows a circuit configuration of the arithmetic circuit 56 (n) for calculating the above arithmetic expression. In FIG. 4, the adder 100 calculates the above equation (1). The adder 102 calculates the above equation (2). The multiplier 104 and the adder 106 calculate the above equation (3). The multiplier 108 calculates the above equation (5). The multiplier 110 calculates the above equation (6). The multipliers 112 to 118 and the adder 120 calculate the above equation (7). The multipliers 122 to 128 and the adder 130 calculate the above equation (8).

演算回路56(n)における上記加算器および乗算器(100〜130)は、全部ハードウェアの加算回路および乗算回路で構成することも可能であるが、ディジタル信号処理回路(DSP:Digital Signal Processor)によって実現することも可能である。上記のように、演算回路56(n)によって実行される演算の種類は加算と乗算だけである反面、演算回数は膨大である。したがって、この種の演算には専用のハードウェア回路あるいはDSPによる演算処理が高速化に向いており、CPUに比して格段に高速のスキャニング位置補正演算処理を実現することができる。   The adders and multipliers (100 to 130) in the arithmetic circuit 56 (n) can all be constituted by hardware adder circuits and multiplier circuits, but a digital signal processor (DSP) is also possible. Can also be realized. As described above, the types of calculations executed by the calculation circuit 56 (n) are only addition and multiplication, but the number of calculations is enormous. Therefore, a dedicated hardware circuit or DSP is suitable for speeding up this type of computation, and scanning position correction computation processing that is much faster than a CPU can be realized.

しかも、この実施形態では、複数台のガルバノメータ・スキャナ14(1),14(2),14(3)にそれぞれ充てられたガルバノ制御部22(1),22(2),22(3)内の演算回路56(1),56(2),56(3)が同時的または並列的に演算処理を実行するので、ガルバノメータ・スキャナ14(1),14(2),14(3)の台数に関係なく(いくら多くても)、各スキャナ毎の光学的歪を適格に補償するのに必要な補正演算を十分余裕をもって高速(短時間)に行うことが可能である。   Moreover, in this embodiment, the galvano control units 22 (1), 22 (2), and 22 (3) in the galvanometer scanners 14 (1), 14 (2), and 14 (3) respectively are used. Since the arithmetic circuits 56 (1), 56 (2), 56 (3) perform arithmetic processing simultaneously or in parallel, the number of galvanometer scanners 14 (1), 14 (2), 14 (3) Regardless of (however), it is possible to perform the correction calculation necessary to adequately compensate for the optical distortion of each scanner at a high speed (short time) with a sufficient margin.

なお、FIFO52(n)に格納される座標位置データ(Xin,Yin)が一定の基準量よりも少なくなった時は、その時点でFIFO52(n)から主制御部20のCPUへ “空き状態”を知らせる割り込み信号が送られ、これを受けてCPUからFIFO52(n)に後続の座標位置データ(Xin,Yin)がブロック単位で新たに書き込まれる。 When the coordinate position data (X in , Y in ) stored in the FIFO 52 (n) is less than a certain reference amount, the FIFO 52 (n) sends “free” to the CPU of the main control unit 20 at that time. In response to this, an interrupt signal informing the state is sent, and the subsequent coordinate position data (X in , Y in ) is newly written from the CPU to the FIFO 52 (n) in units of blocks.

上記のようにして演算回路56(n)より演算結果として得られた補正座標位置(Xout,Yout)のデータは出力制御回路58(n)に送られる。出力制御回路58(n)は、補正座標位置(Xout,Yout)のデータを一時的に格納するバッファを有しており、主制御部20のCPUより与えられる制御信号にしたがってX軸補正座標位置XoutおよびY軸補正座標位置Youtのデータを一定周期のタイミングで両DAC60(n),62(n)にそれぞれ振り分けて出力する。 The data of the corrected coordinate position (X out , Y out ) obtained as a calculation result from the calculation circuit 56 (n) as described above is sent to the output control circuit 58 (n). The output control circuit 58 (n) has a buffer for temporarily storing the data of the correction coordinate position (X out , Y out ), and corrects the X axis according to a control signal given from the CPU of the main control unit 20. both DAC 60 (n) at the timing of a constant period the data on the coordinate position X out and Y-axis corrected coordinate position Y out, and outputs the distributed respectively 62 (n).

DAC60(n)は、ディジタル信号として入力したX軸補正座標位置XoutのデータをアナログのX軸補正座標位置信号に変換する。一方、DAC62(n)は、ディジタル信号として入力したY軸補正座標位置YoutのデータをアナログのY軸補正座標位置信号に変換する。 DAC 60 (n) converts the data inputted as a digital signal X axis correction coordinates X out the X-axis correction coordinate analog position signal. On the other hand, DAC 62 (n) converts the data inputted as a digital signal Y axis correction coordinate position Y out into analog Y-axis correction coordinate position signal.

X軸ガルバノ駆動回路64(n)は、DAC60(n)からのX軸補正座標位置信号を入力し、その入力した信号に対応するX軸ミラー駆動電流を出力する。一方、Y軸ガルバノ駆動回路66(n)は、DAC62(n)からのY軸補正座標位置信号を入力し、その入力信号に対応するY軸ミラー駆動電流を出力する。   The X-axis galvano drive circuit 64 (n) receives an X-axis correction coordinate position signal from the DAC 60 (n) and outputs an X-axis mirror drive current corresponding to the input signal. On the other hand, the Y-axis galvano drive circuit 66 (n) receives the Y-axis correction coordinate position signal from the DAC 62 (n) and outputs a Y-axis mirror drive current corresponding to the input signal.

ガルバノメータ・スキャナ14(n)は、図示しない電気機械的なミラー回転駆動機構(たとえば駆動コイル、回転子等)を備えており、X軸回転ミラー68(n)およびY軸回転ミラー70(n)をそれぞれX軸ミラー駆動電流およびY軸ミラー駆動電流に応じたX軸方向およびY軸方向の振れ角に回転駆動(首振り)する。   The galvanometer scanner 14 (n) includes an electromechanical mirror rotation drive mechanism (for example, a drive coil, a rotor, etc.) not shown, and includes an X-axis rotation mirror 68 (n) and a Y-axis rotation mirror 70 (n). Are rotationally driven (swinged) to swing angles in the X-axis direction and Y-axis direction corresponding to the X-axis mirror drive current and the Y-axis mirror drive current, respectively.

主制御部20は、レーザマーキングの実行中、ガルバノ制御部22(1),22(2),22(3)に対しては、それぞれのFIFO52(1),52(2),52(3)からの割り込みに応じてX軸座標およびY軸座標のデータ(Xin,Yin)をブロック単位で与え、かつそれぞれの演算回路56(1),56(2),56(3)および出力制御回路58(1),58(2),58(3)に所要の制御信号を与えるだけで済みので、スキャニング動作以外の制御、つまりレーザ電源24やレーザ発振器12等に対する制御や外部装置(図示せず)との情報のやりとりに十分多くの時間を費やすことが可能であり、装置全体の性能を向上させることができる。 During the execution of the laser marking, the main control unit 20 sends the FIFOs 52 (1), 52 (2), 52 (3) to the galvano control units 22 (1), 22 (2), 22 (3). X-axis coordinate and Y-axis coordinate data (X in , Y in ) are given in block units in response to an interrupt from the CPU, and the respective arithmetic circuits 56 (1), 56 (2), 56 (3) and output control Since it is only necessary to supply the necessary control signals to the circuits 58 (1), 58 (2), 58 (3), control other than the scanning operation, that is, control of the laser power source 24, the laser oscillator 12, etc., and an external device (not shown) It is possible to spend a sufficient amount of time for exchanging information with the device, and the performance of the entire apparatus can be improved.

そして、上記のように複数のガルバノメータ・スキャナ14(1),14(2),14(3)毎の光学的歪を適格に補償しながら高速の並列スキャニング動作を行えるので、多点同時加工の高速性および再現性を大幅に向上させることができる。   As described above, a high-speed parallel scanning operation can be performed while adequately compensating for the optical distortion for each of the plurality of galvanometer scanners 14 (1), 14 (2), 14 (3). High speed and reproducibility can be greatly improved.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, embodiment mentioned above does not limit this invention. Those skilled in the art can make various modifications and changes in specific embodiments without departing from the technical idea and technical scope of the present invention.

たとえば、Qスイッチ型レーザ発振器内の活性媒体として、発振ファイバ26のコアの代わりにYAGロッドを用いることも可能である。また、上記した実施形態において用いた補正パラメータや補正用の上記演算式(1)〜(8)は一例であり、他の補正パラメータあるいは演算式も使用可能であり、使用する演算式に応じて演算回路56(n)の回路構成も変形してよい。また、上記実施形態におけるFPGA50(n)内の回路構成も種種の変形が可能である。   For example, a YAG rod can be used instead of the core of the oscillation fiber 26 as an active medium in a Q-switch type laser oscillator. Further, the correction parameters used in the above-described embodiment and the calculation formulas (1) to (8) for correction are examples, and other correction parameters or calculation formulas can also be used, depending on the calculation formula used. The circuit configuration of the arithmetic circuit 56 (n) may be modified. In addition, the circuit configuration in the FPGA 50 (n) in the above embodiment can be modified in various ways.

本発明の一実施形態におけるスキャニング式レーザ加工装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the scanning type laser processing apparatus in one Embodiment of this invention. 実施形態におけるスキャナ制御部の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the scanner control part in embodiment. 実施形態におけるメモリマップおよびI/Oマップを示す図である。It is a figure which shows the memory map and I / O map in embodiment. 実施形態においてスキャナ制御部に含まれる演算回路の回路構成例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a circuit configuration example of an arithmetic circuit included in a scanner control unit in the embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

12 ファイバレーザ発振器
14(1),14(2),14(3) ガルバノメータ・スキャナ
16 レーザ分岐部
18(1),18(2),18(3) 伝送用の光ファイバ(伝送ファイバ)
20 主制御部
22(1),22(2),22(3) スキャナ制御部
24 レーザ電源
30,32 光共振器ミラー
34 励起用レーザダイオード(LD)
40 Qスイッチ
42 Qスイッチドライバ
50(1),50(2) FPGA(フィールドプログラマブル・ゲートアレイ)
52(1),52(2) FIFO(先入れ先出しメモリ)
54(1),54(2) 補正レジスタ
56(1),56(2) 演算回路
58(1),58(2) 出力制御回路
60(1),62(1), ディジタル−アナログ変換回路(DAC)
60(2),62(2) ディジタル−アナログ変換回路(DAC)
64(1),66(1), X軸ガルバノ駆動回路
60(2),62(2) Y軸ガルバノ駆動回路
68(1),70(1) X軸回転ミラー
68(2),70(2) Y軸回転ミラー
12 Fiber laser oscillator 14 (1), 14 (2), 14 (3) Galvanometer scanner 16 Laser branching unit 18 (1), 18 (2), 18 (3) Optical fiber for transmission (transmission fiber)
20 Main Control Unit 22 (1), 22 (2), 22 (3) Scanner Control Unit 24 Laser Power Supply 30, 32 Optical Resonator Mirror 34 Excitation Laser Diode (LD)
40 Q switch 42 Q switch driver 50 (1), 50 (2) FPGA (field programmable gate array)
52 (1), 52 (2) FIFO (first-in first-out memory)
54 (1), 54 (2) Correction register 56 (1), 56 (2) Arithmetic circuit 58 (1), 58 (2) Output control circuit 60 (1), 62 (1), digital-analog conversion circuit ( DAC)
60 (2), 62 (2) Digital-analog conversion circuit (DAC)
64 (1), 66 (1), X-axis galvano drive circuit 60 (2), 62 (2) Y-axis galvano drive circuit 68 (1), 70 (1) X-axis rotating mirror 68 (2), 70 (2 ) Y-axis rotating mirror

Claims (15)

一台のレーザ発振器にN台(Nは2以上の整数)のガルバノメータ・スキャナを光学的に接続し、前記レーザ発振器より発振出力されたレーザ光をN個の分岐レーザ光に分割して、それらの分岐レーザ光をそれぞれ対応する前記ガルバノメータ・スキャナにより走査しながら所望の走査位置に照射して、所望のパターンを複数の被加工物または被加工領域に同時に形成するスキャニング式レーザ加工装置であって、
前記レーザ発振器のレーザ発振動作および前記N台のガルバノメータ・スキャナのそれぞれの走査の動作を統括的に制御する単一の主制御部と、
前記主制御部の統括制御の下で前記N台のガルバノメータ・スキャナの走査の動作をそれぞれ局所的に制御するN個のスキャナ制御部と
を備え、
各々の前記スキャナ制御部が、
当該ガルバノメータ・スキャナに対して前記走査位置を指示するために前記主制御部より与えられた位置データを記憶する第1のデータ記憶部と、
当該ガルバノメータ・スキャナの光学的歪を補正するために前記主制御部より与えられた補正パラメータのデータを記憶する第2のデータ記憶部と、
前記第1のデータ記憶部および前記第2のデータ記憶部より読み出される前記位置データおよび前記補正パラメータデータに基づいて、前記走査位置に対応する当該ガルバノメータ・スキャナに固有の補正位置を演算によって求める演算部と、
前記演算部で求められた前記補正位置のデータに基づいて、前記ガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを前記走査位置に対応する振れ角に回転駆動するガルバノ駆動部と
を有するスキャニング式レーザ加工装置。
N galvanometer scanners are optically connected to one laser oscillator, and the laser beam oscillated and output from the laser oscillator is divided into N branch laser beams. A scanning laser processing apparatus that simultaneously forms a desired pattern on a plurality of workpieces or processing regions by irradiating a desired scanning position while scanning each of the branched laser beams with the corresponding galvanometer scanner. ,
A single main control unit for comprehensively controlling the laser oscillation operation of the laser oscillator and the scanning operations of the N galvanometer scanners;
And N scanner control units for locally controlling the scanning operations of the N galvanometer scanners under overall control of the main control unit,
Each of the scanner control units
A first data storage unit for storing position data given by the main control unit for instructing the scanning position to the galvanometer scanner;
A second data storage unit for storing correction parameter data given by the main control unit in order to correct optical distortion of the galvanometer scanner;
A calculation for calculating a correction position specific to the galvanometer scanner corresponding to the scanning position by calculation based on the position data and the correction parameter data read from the first data storage unit and the second data storage unit And
A scanning laser processing apparatus comprising: a galvano driving unit that rotationally drives a rotating mirror of the galvanometer scanner to a deflection angle corresponding to the scanning position based on the correction position data obtained by the arithmetic unit.
前記主制御部が中央処理装置を含み、
前記中央処理装置が前記位置データおよび前記補正パラメータデータをそれぞれ前記第1のデータ記憶部および前記第2のデータ記憶部に直接書き込む請求項1に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
The main control unit includes a central processing unit,
The scanning laser processing apparatus according to claim 1, wherein the central processing unit directly writes the position data and the correction parameter data in the first data storage unit and the second data storage unit, respectively.
前記第1のデータ記憶部が先入れ先出しメモリからなる請求項1または請求項2に記載のスキャニング式レーザ加工装置。   The scanning laser processing apparatus according to claim 1, wherein the first data storage unit is a first-in first-out memory. 前記第2のデータ記憶部がレジスタからなる請求項1〜3のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。   The scanning laser processing apparatus according to claim 1, wherein the second data storage unit includes a register. 前記演算部がディジタル信号処理回路からなる請求項1〜4のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。   The scanning laser processing apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit includes a digital signal processing circuit. 前記第1のデータ記憶部、前記第2のデータ記憶部および前記演算部が1チップのフィールドプログラマブル・ゲートアレイ内に構築される請求項1〜5のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。   The scanning laser processing according to any one of claims 1 to 5, wherein the first data storage unit, the second data storage unit, and the arithmetic unit are built in a one-chip field programmable gate array. apparatus. 各々の前記スキャナ制御部が、前記演算部で求められた前記補正位置のデータを所定のタイミングで前記ガルバノ駆動部に与えるための出力制御部を更に有し、
前記第1のデータ記憶部、前記第2のデータ記憶部、前記演算部および前記出力制御部が1チップのフィールドプログラマブル・ゲートアレイ内に構築される請求項1〜5のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
Each of the scanner control units further includes an output control unit for supplying the correction position data obtained by the calculation unit to the galvano drive unit at a predetermined timing,
The said 1st data storage part, the said 2nd data storage part, the said calculating part, and the said output control part are constructed | assembled in the field programmable gate array of 1 chip | tip. Scanning laser processing equipment.
前記ガルバノ駆動部が、
前記演算部より前記補正位置データとして出力されるディジタルの補正位置信号をアナログの補正位置信号に変換するディジタル−アナログ変換器と、
前記アナログの補正位置信号に基づいて前記ガルバノメータ・スキャナの回転ミラーを回転駆動するためのミラー駆動電流を生成するガルバノ駆動回路と
を有する請求項5〜7のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
The galvo drive unit is
A digital-analog converter for converting a digital correction position signal output as the correction position data from the arithmetic unit into an analog correction position signal;
A scanning laser according to claim 5, further comprising: a galvano drive circuit that generates a mirror drive current for rotationally driving a rotary mirror of the galvanometer scanner based on the analog correction position signal. Processing equipment.
前記ガルバノメータ・スキャナがfθレンズを有し、
前記補正パラメータは、当該ガルバノメータ・スキャナの原点に対する前記fθレンズの原点のオフセットを補正するためのパラメータを含む請求項1〜8のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
The galvanometer scanner has an fθ lens;
The scanning laser processing apparatus according to claim 1, wherein the correction parameter includes a parameter for correcting an offset of an origin of the fθ lens with respect to an origin of the galvanometer scanner.
前記ガルバノメータ・スキャナがfθレンズを有し、
前記補正パラメータは前記fθレンズの樽型歪を補正するためのパラメータを含む請求項1〜9のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
The galvanometer scanner has an fθ lens;
The scanning laser processing apparatus according to claim 1, wherein the correction parameter includes a parameter for correcting barrel distortion of the fθ lens.
前記補正パラメータは当該ガルバノメータ・スキャナの取り付け誤差を補正するためのパラメータを含む請求項1〜10のいずれか一項記載のスキャニング式レーザ加工装置。   The scanning laser processing apparatus according to claim 1, wherein the correction parameter includes a parameter for correcting an attachment error of the galvanometer scanner. 前記補正パラメータは当該ガルバノメータ・スキャナの駆動上のゲインを補正するためのパラメータを含む請求項1〜11のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。   The scanning laser processing apparatus according to claim 1, wherein the correction parameter includes a parameter for correcting a gain in driving the galvanometer scanner. 各々の前記ガルバノメータ・スキャナにおける前記回転ミラーが、前記レーザ光を相直交する方向でそれぞれ走査するためのX軸回転ミラーおよびY軸回転ミラーを含み、
前記主制御部より前記ガルバノメータ・スキャナに対して、前記所望の走査位置に対応するX軸座標位置およびY軸座標位置のデータが与えられる請求項1〜12のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
The rotating mirror in each of the galvanometer scanners includes an X-axis rotating mirror and a Y-axis rotating mirror for scanning the laser light in directions orthogonal to each other;
The scanning type according to claim 1, wherein data of an X-axis coordinate position and a Y-axis coordinate position corresponding to the desired scanning position is given from the main control unit to the galvanometer scanner. Laser processing equipment.
前記レーザ発振器は、
光学的に対向して配置される一対のミラーからなる光共振器と、
前記光共振器内の光路上に配置される活性媒質と、
前記活性媒質を連続的に励起する活性媒質励起部と、
前記光共振器内で前記活性媒質と同一の光路上に配置されたQスイッチと、
前記主制御部の制御の下で前記Qスイッチを駆動するQスイッチ駆動部と
を有する請求項1〜13のいずれか一項に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
The laser oscillator is
An optical resonator composed of a pair of mirrors arranged optically opposite to each other;
An active medium disposed on an optical path in the optical resonator;
An active medium excitation unit for continuously exciting the active medium;
A Q switch disposed on the same optical path as the active medium in the optical resonator;
The scanning laser processing apparatus according to claim 1, further comprising: a Q switch driving unit that drives the Q switch under the control of the main control unit.
前記レーザ発振器が光ファイバを有し、
前記活性媒質は前記光ファイバのコアであり、
前記活性媒質励起部は、励起光を連続発振で出力するレーザダイオードと、このレーザダイオードを前記光ファイバに光学的に結合する光学レンズと、を有する請求項14に記載のスキャニング式レーザ加工装置。
The laser oscillator has an optical fiber;
The active medium is a core of the optical fiber;
The scanning laser processing apparatus according to claim 14, wherein the active medium excitation unit includes a laser diode that outputs excitation light by continuous oscillation, and an optical lens that optically couples the laser diode to the optical fiber.
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