JP2009285693A - レーザマーキング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基準焦点距離調整範囲より狭い範囲でのレーザ印字をする際にスポット径を小さく変更でき、線幅が細くサイズの小さい微小印字を可能とするレーザマーキング装置を提供する。
【解決手段】制御装置２１は、第２入力装置２４にて設定した実遠点距離に対するレーザ光の焦点位置におけるスポット径を記憶装置２２から求めて、その求めたスポット径を基準スポット径ｄφより小径の新たな基準スポット径ｄφｋ１として、加工対象物の加工面の各位置にレーザ光を照射する。また、制御装置２１は、第１入力装置２３にて設定した基準スポット径ｄφより小径の目標スポット径ｄφｐに対する収束レンズの焦点距離を記憶手段から求め、その求めた焦点距離を前記最遠点距離よりも短い実調整遠点距離とし、求めた実調整遠点距離に対する第１入力装置２３にて設定した最小径よりも小径の目標スポット径ｄφｐにて、加工対象物の加工面の各位置にレーザ光を照射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザマーキング装置に関する。

レーザマーキング装置は、レーザ発振器からのレーザ光を収束レンズにて集光して加工対象物の加工面に照射することによって加工面に文字、記号、図形等を印字（マーキング）する。近年、３次元の加工面に印字（レーザマーキング）可能なレーザマーキング装置が種々提案されている（特許文献１、特許文献２）。

この種の３次元印字可能なレーザマーキング装置は、収束レンズから加工面までの距離（収束レンズの焦点距離）が各位置で変化するため、変化する距離に応じて収束レンズの焦点距離を変更している。この焦点距離を変更するのに、ビームエキスパンダが用いられている。ビームエキスパンダは、収束レンズの入射側に配置し、ビームエキスパンダに設けた一対のレンズの相対距離を変化させて、収束レンズを介して加工面に集光されるレーザ光の焦点位置（焦点距離）を、光軸方向（Ｚ軸方向）に移動させるものである。

詳述すると、ビームエキスパンダの一対のレンズの相対距離を変化させると、収束レンズから出射されるレーザ光の集光角を変化させることができ、レーザ光の光軸方向（Ｚ軸方向）に焦点位置（焦点距離）を移動させることができる。具体的には、集光角を小さくすると、焦点位置（焦点距離）が収束レンズから遠くなる。反対に、集光角が大きくなると、焦点位置（焦点距離）が収束レンズから近くなる。

ここで、図４に示すように、焦点距離Ｄｆにおけるレーザ光のビーム径、即ち、スポット径ｄφは、下記の関係式が成立し、集光角２θと反比例し、レーザ光の波長λに比例することが知られている。

ｄφ＝λ／πθ
従って、スポット径ｄφは、集光角２θが小さくなるほど、即ち、焦点位置が収束レンズから遠くなるほど大きくなる。反対に、スポット径ｄφは、集光角２θが大きくなるほど、即ち、焦点位置が収束レンズに近くなるほど小さくなる。

ところで、２次元表面と同様に、３次元表面においても、各位置において均一な文字、記号、図形が印字（マーキング）されることが印字品質を上げるうえで要求されている。
しかしながら、３次元表面では、各位置で焦点位置が相違すると、前記したようにスポット径ｄφも相違する。その結果、例えば、３次元表面に直線を印字した時、線幅に異なる直線が印字されることになる。つまり、収束レンズから遠い位置では太い線が、収束レンズから近い位置では細い線が印字されてしまい、３次元表面では均一な線幅の直線が印字できないことになる。

そこで、３次元印字可能なレーザマーキング装置では、常に、どの位置においても均一なサイズの文字、記号、図形等が印字されるために、どの位置においてもレーザ光のビーム径が同じになるようにしている。

具体的には、レーザマーキング加工装置は、光軸方向に印字できる加工面、つまり、最も収束レンズから遠い最遠点距離の加工面（最遠点加工面）と最も収束レンズから近い最近点距離の加工面（最近点加工面）との間の範囲（基準焦点距離調整範囲）において、収束レンズの焦点位置（焦点距離）をビームエキスパンダにて調整できるようになっている。そして、この範囲（基準焦点距離調整範囲）において、収束レンズから最も遠い最遠点加工面までの最遠点距離を最遠点焦点距離として、この最遠点焦点距離でのレーザ光のスポット径ｄφを、基準スポット径として、最遠点距離より短い各面に照射されるレーザ光のビーム径を、ビームエキスパンダにてディフォーカスして基準スポット径と同じになるようにしている。

ちなみに、最遠点焦点距離でのレーザ光のスポット径を基準スポット径としたのは、全ての位置においてレーザ光のビーム径を該基準スポット径（基準ビーム径）に形成することができるからである。つまり、最遠点焦点距離より短い焦点距離のスポット径を基準スポット径にすると、該焦点距離の加工面より遠い各位置の加工面においては基準スポット径と同じ径のビーム径をつくりだすことができず、基準スポット径より大きなスポット径しかできないからである。

従って、この種の３次元印字可能なレーザマーキング装置では、常にどんな場合でも、最遠点焦点距離でのレーザ光のスポット径で規定された基準スポット径に集光されたレーザ光が加工表面に照射され、同じサイズの均一な文字、記号、図形等が形成（マーキング）されることになる。
特開平０２−１７４１７３号公報 特開２００８−６２２５７号公報

しかしながら、上記した３次元印字可能なレーザマーキング装置においては、常にどんな場合でも、基準スポット径のレーザ光が加工面に照射されて、該基準スポット径を変更することができなかった。

従って、３次元印字可能なレーザマーキング加工装置は、前記基準焦点距離調整範囲以内であって最遠点距離よりも収束レンズに近い焦点位置の加工面しか持たない加工対象物に印字する場合でも、基準スポット径に集光されたレーザ光で印字していた。その結果、線幅が太くサイズの大きい文字、記号、図形等が印字されてしまい、線幅が細くサイズの小さい均一な文字、記号、図形等を印字することができなかった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、基準焦点距離調整範囲より狭い範囲でのレーザ印字をする際にスポット径を小さく変更でき、線幅が細くサイズの小さい印字品質の高い印字を可能とするレーザマーキング装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光の方向を変更する光走査手段と、前記光走査手段からのレーザ光を収束し出射する収束レンズと、前記レーザ光源と前記光走査手段との間に配置され、前記収束レンズへの前記レーザ光の入射角度を変更することで、前記収束レンズで収束されるレーザ光の焦点距離を変更する焦点距離調整手段とを備え、前記レーザ光を、前記焦点距離調整手段で調整される基準焦点距離調整範囲における最遠点距離において収束可能な最小径にして、加工対象物に照射するようにしたレーザマーキング装置であって、前記最小径よりも小径のスポット径の設定を可能とするスポット径設定手段を備えた。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザマーキング装置において、前記焦点距離調整手段で調整される基準焦点距離調整範囲において、予め前記収束レンズの焦点距離に応じた前記レーザ光の焦点位置におけるスポット径を記憶する記憶手段と、前記焦点距離調整手段での基準焦点距離調整範囲内において、前記最遠点距離よりも短い実遠点距離を設定可能な実遠点距離入力手段とを備え、前記スポット径設定手段は、前記実遠点距離入力手段にて設定した前記実遠点距離に対する前記レーザ光の焦点位置におけるスポット径を前記記憶手段から求めて、その求めたスポット径を前記最小径より小径のスポット径の設定を可能とする。

請求項３に記載の発明は請求項２に記載のレーザマーキング装置において、前記スポット径設定手段は、前記最小径よりも小径のスポット径にて、加工対象物の加工面の各位置にレーザ光を照射するように、前記焦点距離調整手段を駆動制御する。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載のレーザマーキング装置において、
前記スポット径設定手段は、前記記憶手段から求めたスポット径を小径のスポット径として、その小径のスポット径を表示手段に表示することを特徴とするレーザマーキング装置。

請求項５記載の発明は、請求項２乃至４のいずれか１項に記載のレーザマーキング装置において、前記実遠点距離入力手段は、前記実遠点距離入力手段にて設定した実遠点距離に対して前記記憶手段から求めた先のスポット径を微調整する微調整手段を備え、前記スポット径設定手段は、前記微調整手段にて微調整したスポット径が、前記記憶手段から求めた先のスポット径よりも小径のとき、その旨を報知手段にて報知する。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のレーザマーキング装置において、 前記スポット径設定手段は、前記微調整手段にて微調整したスポット径が、前記記憶手段から求めた先のスポット径よりも小径のとき、前記微調整手段で微調整したスポット径の設定を禁止する。

請求項７に記載の発明は、請求項１に記載のレーザマーキング装置において、前記焦点距離調整手段で調整される基準焦点距離調整範囲において、予め前記収束レンズの焦点距離に応じた前記レーザ光の焦点位置におけるスポット径を記憶する記憶手段と、前記最小径よりも小径のスポット径を目標スポット径として設定可能な目標スポット径入力手段とを備え、前記スポット径設定手段は、前記目標スポット径入力手段にて設定した前記目標スポット径に対する前記収束レンズの焦点距離を前記記憶手段から求め、その求めた焦点距離を前記最遠点距離よりも短い実調整遠点距離として表示手段に表示する。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のレーザマーキング装置において、前記スポット径設定手段は、求めた前記実調整遠点距離に対する前記目標スポット径入力手段にて設定した前記最小径よりも小径の目標スポット径にて、加工対象物の加工面の各位置にレーザ光を照射するように、前記焦点距離調整手段を駆動制御する。

請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載のレーザマーキング装置において、目標スポット径入力手段は、設定した目標スポット径に対する前記最遠点距離よりも短い実調整遠点距離を微調整する微調整手段を備え、前記スポット径設定手段は、前記微調整手段にて微調整した実調整遠点距離が、設定した目標スポット径に対する前記最遠点距離よりも短い実調整遠点距離よりも短いとき、その旨を報知手段にて報知する。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のレーザマーキング装置において、前記スポット径設定手段は、前記微調整手段にて微調整した実調整遠点距離が、設定した目標スポット径に対する前記最遠点距離よりも短い実調整遠点距離よりも短いとき、前記微調整手段で微調整した実調整遠点距離の設定を禁止する。

請求項１１記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のレーザマーキング装置において、前記レーザ光のパワーを変更可能にするパワー調整手段を備え、前記スポット径設定手段は、設定したスポット径に応じて、照射エネルギー密度が一定になるように前記パワー調整手段を介して前記レーザ光のパワーを変更する。

請求項１に記載の発明によれば、スポット径設定手段を設けたことにより、基準焦点距離調整範囲より狭い範囲でのレーザ印字をする際にスポット径を小さく変更でき、線幅が細くサイズの小さい印字品質の高い印字をおこなうことができる。

請求項２に記載の発明によれば、実遠点距離入力手段にて加工対象物の実遠点距離を設定入力にすると、スポット径設定手段は、その設定した実遠点距離に対するレーザ光の焦点位置におけるスポット径を最小径よりも小径の新たなスポット径が設定される。

従って、基準焦点距離調整範囲より狭い範囲の加工対象物の加工面にレーザ印字をする際に、実遠点距離を設定するだけで、スポット径を小さく変更でき、線幅が細くサイズの小さい微小印字をおこなうことができる。

請求項３に記載の発明によれば、前記加工対象物の加工面の各位置にその求めたスポット径を最小径より小径のスポット径としてレーザ光を照射する。
請求項４に記載の発明によれば、表示手段を見ることにより、加工面に照射されるレーザ光のスポット径が確認できる。

請求項５に記載の発明によれば、ユーザは、微調整したスポット径が、スポット径よりも小径のとき、その旨を報知手段にて知ることができる。
請求項６に記載の発明によれば、先に設定したスポット径を微調整したとき、微調整したスポット径が、スポット径よりも小径のとき、微調整したスポット径にできないとして設定を禁止する。

請求項７に記載の発明によれば、目標スポット径入力手段にて最小径よりも小径の目標スポット径を設定するだけで、その目標スポット径で印字可能な最遠点距離よりも短い実調整遠点距離が表示手段にて確認することができる。

請求項８に記載の発明によれば、目標スポット径入力手段にて最小径よりも小径の目標スポット径を設定入力すると、スポット径設定手段は、その目標スポット径に対する最遠点距離よりも短い実調整遠点距離の範囲で、目標スポット径入力手段で入力した目標スポット径で、レーザ印字ができる。

請求項９に記載の発明によれば、ユーザは、微調整手段にて微調整した実調整遠点距離が、設定した目標スポット径に対する前記最遠点距離よりも短い実調整遠点距離よりも短いとき、その旨を報知手段にて知ることができる。

請求項１０に記載の発明によれば、ユーザは、微調整手段にて微調整した実調整遠点距離が、先に設定した目標スポット径に対する最遠点距離よりも短い実調整遠点距離よりも短いとき、微調整した実調整遠点距離にできないとして設定を禁止する。

請求項１１に記載の発明によれば、スポット径設定手段は、設定したスポット径に応じて、レーザ光のパワーを変更して照射エネルギー密度が一定になるようにマーキングを行うことができる。従って、例えば、薄い加工対象物を損傷させることなくマーキング加工ができる。

以下、本発明を具体化した３次元印字が可能なレーザマーキング装置の一実施形態を図面に従って説明する。図１はレーザマーキング装置の概略構成図を示す。
図１に示すように、レーザマーキング装置１０は、レーザ光を出射するレーザ光源としてのレーザ発振器１１、レーザ光の焦点位置を調整する焦点距離調整手段としてのビームエキスパンダ１２、レーザ光をＸ方向及びＹ方向に走査する光走査手段としての走査部１３、レーザ光を集光して加工対象物Ｗの加工面Ｗｓに照射する収束レンズ１４を有している。

レーザ発振器１１は、励起光を出射する半導体レーザを備え、半導体レーザから出射された励起光を入射し該励起光に基づいて共振してレーザ光を出射する。レーザ発振器１１は、この励起光のパワーを調整することによってレーザ発振器１１から出射するレーザ光のパワーが制御される。レーザ発振器１１から出射されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１２に出射される。

ビームエキスパンダ１２は、レーザ光を入射する入射レンズ１２ａと、入射レンズ１２ａを通過したレーザ光を走査部１３に出射する出射レンズ１２ｂを備えている。入射レンズ１２ａ及び出射レンズ１２ｂは、互いに平行に配置されている。そして、入射レンズ１２ａは出射レンズ１２ｂに対して光軸方向に移動可能に配置され、入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂとの相対距離Ｄを変化させることができるようになっている。なお、入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂとの間に、複数の反射ミラーを配置して、入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂの間の光路長を変更してもよい。

入射レンズ１２ａは、焦点距離調整モータＭｆに駆動連結され、焦点距離調整モータＭｆを正逆回転させることにより光軸に沿って往復移動し、出射レンズ１２ｂとの相対距離Ｄを変化させることができるようになっている。レンズ１２ａ、１２ｂ間の相対距離Ｄを変化させると、収束レンズ１４を介して加工対象物Ｗへ集光されるレーザ光の焦点位置（収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆ）を、光軸方向に移動させることができる。

詳述すると、相対距離Ｄが変化すると、出射レンズ１２ｂから収束レンズ１４へ出射されるレーザ光の入射角度が変化し、レーザ光の光軸方向に焦点位置が移動し、収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆが変化する。

具体的には、相対距離Ｄが短くなると、入射角度（集光角２θ）が小さくなり、焦点距離Ｄｆが長くなって焦点位置が収束レンズ１４から遠くなる。反対に、相対距離Ｄが長くなると、入射角度（集光角２θ）が大きくなり、焦点距離Ｄｆが短くなって焦点位置が収束レンズ１４に近くなる。

本実施形態では、加工対象物Ｗに対して光軸方向（Ｚ軸方向）に印字できる加工面Ｗｓの最大許容範囲が予め決められている。つまり、収束レンズ１４から最も遠い距離の印字可能な加工面又は点（以下、総称して最遠点加工面Ｓｂという）と収束レンズから最も近い距離の印字可能な加工面又は点（以下、総称して最近点加工面Ｓｆという）とが、予め決められている。そして、この最遠点加工面Ｓｂから最近点加工面Ｓｆまでの範囲（基準焦点距離調整範囲Ｚｗ）内の各加工面において、そのＺ軸方向に垂直な各加工面毎にレーザ光が集光するように、ビームエキスパンダ１２は、入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂの相対距離Ｄを調整させることで収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆを調整することができるようになっている。

ちなみに、ここでは、収束レンズ１４から基準焦点距離調整範囲Ｚｗの最遠点加工面Ｓｂ（最遠点）における収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆを最遠点焦点距離Ｄｆｂとし、収束レンズ１４から基準焦点距離調整範囲Ｚｗの最近点加工面Ｓｆ（最近点）における収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆを最近点焦点距離Ｄｆｆとする。

ビームエキスパンダ１２を通過したレーザ光は走査部１３に出射される。走査部１３は、Ｘ軸ガルバノミラー１３ａ及びＹ軸ガルバノミラー１３ｂを備えている。
Ｘ軸ガルバノミラー１３ａは、回動して加工対象物Ｗに向けて照射するレーザ光を、加工対象物Ｗの加工面Ｗｓに対して、光軸に対して垂直の面の一方向（Ｘ方向）に走査させるミラーである。Ｘ軸ガルバノミラー１３ａは、Ｘ軸ガルバノモータＭｘの回転軸に固着され、Ｘ軸ガルバノモータＭｘの駆動により回動されて、加工対象物Ｗに向けて照射するレーザ光を、その加工面Ｗｓに対してＸ方向に走査させる。

Ｙ軸ガルバノミラー１３ｂは、回動して加工対象物に向けて照射するレーザ光を、加工対象物Ｗの加工面Ｗｓに対して、光軸に対して垂直の面のＸ方向に対して直交する方向（Ｙ方向）に走査させるミラーである。Ｙ軸ガルバノミラー１３ｂは、Ｙ軸ガルバノモータＭｙの回転軸に固着され、Ｙ軸ガルバノモータＭｙの駆動により回動されて、加工対象物Ｗに向けて照射するレーザ光を、その加工面Ｗｓに対してＹ方向に走査させる。

従って、加工対象物Ｗに向けて照射するレーザ光は、Ｘ軸ガルバノミラー１３ａ及びＹ軸ガルバノミラー１３ｂにより、加工対象物Ｗの加工面Ｗｓに対して、Ｘ方向及びＹ方向に走査される。

走査部１３のＸ軸ガルバノミラー１３ａ及びＹ軸ガルバノミラー１３ｂにてＸ及びＹ方向に走査されたレーザ光は、収束レンズ１４を介して集光されて加工対象物Ｗの加工面Ｗｓに照射される。収束レンズ１４は、走査部１３からのレーザ光を入射し加工対象物Ｗの加工面Ｗｓに集光する。このとき、収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆは、ビームエキスパンダ１２に設けた入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂの相対距離Ｄが変更されることにより、変更される。

次に、上記のように構成したレーザマーキング装置１０の電気的構成を図２に示す電気ブロック回路図に従って説明する。
図２において、レーザマーキング装置１０は、スポット径設定手段としての制御装置２１、記憶手段としての外部記憶装置２２、目標スポット径入力手段としての第１入力装置２３、実遠点距離入力手段としての第２入力装置２４、焦点距離調整手段を構成する焦点距離調整モータ駆動回路２５、光走査手段を構成するガルバノモータ駆動回路２６を備えている。

制御装置２１は、第１入力装置２３、第２入力装置２４、焦点距離調整モータ駆動回路２５、ガルバノモータ駆動回路２６と電気的に接続され、レーザマーキング装置１０全体を統括制御する。制御装置２１は、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ及びＲＡＭを備えたマイクロコンピュータよりなる。制御装置２１（ＣＰＵ）は、ＲＯＭ及びＲＡＭに記憶した制御プログラム及びアプリケーションプログラムに従って、レーザ発振器１１の発振動作制御、焦点距離調整モータＭｆの焦点距離調整動作制御、Ｘ軸ガルバノミラー１３ａ及びＹ軸ガルバノミラー１３ｂの走査動作制御をそれぞれ実行する。

外部記憶装置２２は、ビームエキスパンダ１２に備えた入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂとの相対距離Ｄを決めるための焦点距離・スポット径データ、基準焦点距離調整データを記憶している。

焦点距離・スポット径データは、ビームエキスパンダ１２に設けた入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂとの相対距離Ｄに対するその時の収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆとその時のスポット径ｄφのデータである。本実施形態では、基準焦点距離調整範囲Ｚｗ（即ち、最近点焦点距離Ｄｆｆから最遠点焦点距離Ｄｆｂまで）の焦点距離Ｄｆに対するスポット径ｄφと相対距離Ｄのデータが焦点距離・スポット径データとして外部記憶装置２２に記憶している。

従って、収束レンズ１４から加工面Ｗｓまでの距離（焦点距離Ｄｆ）がわかれば、その時の相対距離Ｄとスポット径ｄφが焦点距離・スポット径データから求めることができる。また、相対距離Ｄがわかれば、その時の焦点距離Ｄｆとスポット径ｄφが焦点距離・スポット径データから求めることができる。さらに、スポット径ｄφがわかると、その時の相対距離Ｄと焦点距離Ｄｆが焦点距離・スポット径データから求めることができる。

一方、基準焦点距離調整データは、基準焦点距離調整範囲Ｚｗにある各加工面に照射するレーザ光のビーム径が、最遠点加工面Ｓｂ（収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆが最遠点焦点距離Ｄｆｂ）で集光させるレーザ光のスポット径ｄφ（基準スポット径ｄφｋ）にするための各加工面に対する入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂとの相対距離Ｄのデータである。

つまり、基準焦点距離調整データは、最遠点加工面Ｓｂを除く基準焦点距離調整範囲Ｚｗにある全ての加工面Ｗｓに対する収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆをそれぞれ外して、全ての加工面に基準スポット径ｄφｋでレーザ光を照射するためのデータであって、収束レンズ１４から該加工面Ｗｓまでの距離に対する相対距離Ｄのデータである。

従って、収束レンズ１４から加工面Ｗｓの距離がわかれば、加工面Ｗｓに基準スポット径ｄφｋのビーム光を照射するための相対距離Ｄが基準焦点距離調整データから求めることができる。

第１入力装置２３は、ユーザが３次元の加工面Ｗｓを有する実際の加工対象物Ｗに照射するレーザ光のスポット径ｄφを適宜設定できる選択スイッチを有する入力装置である。
ユーザは、収束レンズ１４の最遠点焦点距離Ｄｆｂにおけるスポット径ｄφ（基準スポット径ｄφｋ）から、収束レンズ１４の最近点焦点距離Ｄｆｆにおけるスポット径ｄφまでの範囲の目的のスポット径ｄφ（目標スポット径ｄφｐ）を選択することができるようになっている。

ユーザは、実際に３次元印字を行う加工対象物Ｗについて、実際の加工対象物Ｗの加工面Ｗｓであって収束レンズ１４から最も遠い実際の加工面（実最遠点加工面）が、最遠点加工面Ｓｂより収束レンズ１４に近い場合であって、前記基準スポット径ｄφｋよりも小さい、スポット径ｄφ（目標スポット径ｄφｐ（＜ｄφｋ））で３次元印字したい場合に、第１入力装置２３を使用する。

これは、最遠点加工面Ｓｂから最近点加工面Ｓｆまでの基準焦点距離調整範囲Ｚｗ内を基準スポット径ｄφｋで３次元印字が可能なレーザマーキング装置１０が、収束レンズ１４からの距離が最遠点加工面Ｓｂの最遠点距離より実最遠点加工面の実遠点距離のほうが短い場合、その基準スポット径ｄφｋより短いスポット径ｄφ（目標スポット径ｄφｐ）を指定すれば、その目標スポット径ｄφｐで加工対象物Ｗに３次元印字を行うことができることを意味する。

つまり、第１入力装置２３にて目的のスポット径ｄφ（目標スポット径ｄφｐ）が選択されると、制御装置２１において、加工対象物Ｗの実最遠点加工面の収束レンズ１４までの実遠点距離が特定される。

第２入力装置２４は、ユーザが３次元の加工面Ｗｓを有する実際の加工対象物Ｗの加工面Ｗｓであって、収束レンズ１４から最も遠い実際の加工面Ｗｓ（実最遠点加工面）が、最遠点加工面Ｓｂより収束レンズ１４に近い場合であって、収束レンズ１４からその実最遠点加工面までの実遠点距離（実遠点焦点距離）を適宜設定できる選択スイッチを有する入力装置である。

ユーザは、加工対象物Ｗの実最遠点加工面が、最遠点加工面Ｓｂより収束レンズ１４に近い場合、収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆを実遠点焦点距離にして形成されるレーザ光のスポット径ｄφを新たな基準スポット径ｄφｋ１（＜ｄφｋ）としてその加工対象物Ｗの各加工面Ｗｓに印字を行いたい場合に、第２入力装置２４を使用する。

従って、実遠点焦点距離に収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆを設定したとき、実遠点焦点距離が最遠点焦点距離Ｄｆｂより短いため、最遠点焦点距離Ｄｆｂでの基準スポット径ｄφｋより小さい新たな基準スポット径ｄφｋ１で加工対象物Ｗの各加工面が印字される。

制御装置２１は、第１入力装置２３からの最小スポット径としての目標スポット径ｄφｐを入力すると、目標スポット径ｄφｐに対する実遠点距離（実遠点焦点距離）と相対距離Ｄを外部記憶装置２２に記憶した焦点距離・スポット径データから求める。

実遠点距離（実遠点焦点距離）が求まると、制御装置２１は、第１入力装置２３に設けた表示手段としてのディスプレイ２３ａに実遠点距離（実遠点焦点距離）を表示する。従って、ユーザは、目標スポット径ｄφｐを指定するだけで、ディスプレイ２３ａにて加工対象物Ｗに対する実遠点距離が視認でき、レーザ印字の準備作業を効率よく進めることができる。

続いて、制御装置２１は、実遠点距離（実遠点焦点距離）から最近点焦点距離Ｄｆｆまで、即ち、実最遠点加工面から最近点加工面Ｓｆまでの各加工面Ｗｓにおけるスポット径ｄφが、目標スポット径ｄφｐとなるための相対距離Ｄを各加工面Ｗｓ毎に求める。

詳述すると、実最遠点加工面では目標スポット径ｄφｐとなるが、他の加工面Ｗｓは実遠点距離（実遠点焦点距離）ではないため、目標スポット径ｄφｐにする必要がある。そのために、各加工面Ｗｓにおいて、その加工面Ｗｓに対する収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆを変更してその加工面Ｗｓから外れた点でレーザ光が集光するように、各加工面Ｗｓにおける相対距離Ｄを算出する。制御装置２１は、算出した目標スポット径ｄφｐに対する各加工面Ｗｓの相対距離Ｄを第１スポット径データとして外部記憶装置２２に記憶する。

そして、制御装置２１は、図示しない外部装置から加工対象物Ｗの加工面Ｗｓに印字する印字データと、印字される加工面Ｗｓの各位置の収束レンズ１４からの距離とが入力されると、印字される加工面Ｗｓの各位置における相対距離Ｄを、外部記憶装置２２に記憶した第１スポット径データから求めるようになっている。

各位置における相対距離Ｄが求まると、制御装置２１は、印字データと加工面Ｗｓの各位置での相対距離Ｄとに基づいて、各位置においてビームエキスパンダ１２の入射レンズ１２ａを移動制御して、入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂを求めた相対距離Ｄにするための制御駆動信号を生成し焦点距離調整モータ駆動回路２５に出力する。焦点距離調整モータ駆動回路２５は、制御駆動信号に応答して焦点距離調整モータＭｆを駆動して入射レンズ１２ａを移動させ入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂを求めた相対距離Ｄにする。

また、制御装置２１は、印字データと加工面Ｗｓの各位置での相対距離Ｄとに基づいて、Ｘ軸ガルバノミラー１３ａ及びＹ軸ガルバノミラー１３ｂを回動させるための制御駆動信号を生成しガルバノモータ駆動回路２６に出力する。ガルバノモータ駆動回路２６は、制御駆動信号に応答してＸ軸ガルバノモータＭｘ及びＹ軸ガルバノモータＭｙを駆動させＸ軸ガルバノミラー１３ａ及びＹ軸ガルバノミラー１３ｂを回動させる。

従って、ユーザが、目標スポット径ｄφｐを入力すると、レーザマーキング装置１０は、加工対象物Ｗの３次元加工面Ｗｓの各位置に、基準スポット径ｄφｋより小さい径の目標スポット径ｄφｐに集光されたレーザ光を照射して、均一な文字等の印字が行われる。しかも、線幅が細くサイズの小さい文字等を加工対象物Ｗの３次元加工面Ｗｓに印字することができる。

一方、制御装置２１は、第２入力装置２４からの実遠点距離（実遠点焦点距離）を入力すると、実遠点距離（実遠点焦点距離）に対する最小スポット径としての新たな基準スポット径ｄφｋ１（＜ｄφｋ）と相対距離Ｄを外部記憶装置２２に記憶した焦点距離・スポット径データから求める。

新たな基準スポット径ｄφｋ１が求まると、制御装置２１は、第２入力装置２４に設けた表示手段としてのディスプレイ２４ａに新たな基準スポット径ｄφｋ１を表示する。従って、ユーザは、実遠点距離（実遠点焦点距離）を指定するだけで、ディスプレイ２４ａにて加工対象物Ｗに照射されるレーザ光の新たな基準スポット径ｄφｋ１が視認でき、印字の出来上がりを予測することができる。

続いて、制御装置２１は、実遠点距離（実遠点焦点距離）から最近点焦点距離Ｄｆｆまで、即ち、実最遠点加工面から最近点加工面Ｓｆまでの各加工面Ｗｓにおけるスポット径ｄφが、新たな基準スポット径ｄφｋ１となるための相対距離Ｄを、前記と同様に、各加工面Ｗｓ毎に求める。つまり、前記と同様に、実最遠点加工面は実遠点焦点距離となるが、他の加工面は、実遠点焦点距離ではないので、新たな基準スポット径ｄφｋ１にする必要がある。

そのため、各加工面において、その加工面に対する収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆを変更して、その加工面から外れた点でレーザ光が集光するように、各加工面における相対距離Ｄを算出する。制御装置２１は、算出した新たな基準スポット径ｄφｋ１に対する各加工面Ｗｓの相対距離Ｄを第２スポット径データとして外部記憶装置２２に記憶する。

そして、制御装置２１は、前記と同様に、図示しない外部装置から加工対象物Ｗの加工面Ｗｓに印字する印字データと、印字される加工面Ｗｓの各位置の収束レンズ１４からの距離とが入力されると、印字される加工面Ｗｓの各位置における相対距離Ｄを、外部記憶装置２２に記憶した第２スポット径データから求めるようになっている。

各位置における相対距離Ｄを求めると、前記と同様に、制御装置２１は、印字データと加工面Ｗｓの各位置での相対距離Ｄとに基づいて、各位置においてビームエキスパンダ１２の入射レンズ１２ａを移動制御して、入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂを求めた相対距離Ｄにするための制御駆動信号を生成し焦点距離調整モータ駆動回路２５に出力する。焦点距離調整モータ駆動回路２５は、制御駆動信号に応答して焦点距離調整モータＭｆを駆動して入射レンズ１２ａを移動させ入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂを求めた相対距離Ｄにする。

また、制御装置２１は、印字データと加工面Ｗｓの各位置での相対距離Ｄとに基づいて、Ｘ軸ガルバノミラー１３ａ及びＹ軸ガルバノミラー１３ｂを回動させるための制御駆動信号を生成しガルバノモータ駆動回路２６に出力する。ガルバノモータ駆動回路２６は、制御駆動信号に応答してＸ軸ガルバノモータＭｘ及びＹ軸ガルバノモータＭｙを駆動してＸ軸ガルバノミラー１３ａ及びＹ軸ガルバノミラー１３ｂを回動させる。

従って、ユーザが、実遠点距離（実遠点焦点距離）を入力すると、レーザマーキング装置１０は、加工対象物Ｗの３次元加工面Ｗｓの各位置に、基準スポット径ｄφｋより小さい径の新たな基準スポット径ｄφｋ１に集光されたレーザ光を照射して、均一な文字等の印字が行われる。しかも、線幅が細くサイズの小さい文字等を加工対象物Ｗの３次元加工面Ｗｓに印字することができる。

次に、上記のように構成した実施形態の効果を以下に記載する。
（１）本実施形態によれば、目標スポット径ｄφｐを選択することができる第１入力装置２３を設け、制御装置２１は、第１入力装置２３にて設定した目標スポット径ｄφｐに対する収束レンズ１４の焦点距離Ｄｆを記憶装置２２から求めた。そして、制御装置２１は、その求めた焦点距離Ｄｆを最遠点距離よりも短い実調整遠点距離とし、求めた実調整遠点距離に対する基準スポット径ｄφｋよりも小径の目標スポット径ｄφｐにて、加工対象物Ｗの加工面Ｗｓの各位置にレーザ光を照射するようにした。

従って、目標スポット径ｄφｐを入力するだけで、基準焦点距離調整範囲Ｚｗより狭い範囲において、加工対象物Ｗの３次元加工面Ｗｓの各位置に、基準スポット径ｄφｋより小さい径の目標スポット径ｄφｐに集光されたレーザ光を照射して、線幅が細くサイズの小さい均一な文字等を加工対象物Ｗの３次元加工面Ｗｓに印字することができる。

（２）本実施形態によれば、実遠点距離（実遠点焦点距離）を選択することができる第２入力装置２４を設け、制御装置２１は、第２入力装置２４にて設定した実遠点距離に対するレーザ光の焦点位置におけるスポット径ｄφを記憶装置２２から求めた。そして、制御装置２１は、その求めたスポット径ｄφを基準スポット径ｄφｋより小径の新たな基準スポット径ｄφｋ１として、加工対象物Ｗの加工面の各位置にレーザ光を照射するようにした。

従って、実遠点距離（実遠点焦点距離）を入力するだけで、加工対象物Ｗの３次元加工面Ｗｓの各位置に、基準焦点距離調整範囲Ｚｗより狭い範囲において、基準スポット径ｄφｋより小さい径の新たな基準スポット径ｄφｋ１に集光されたレーザ光を照射して、線幅が細くサイズの小さい均一な文字等を加工対象物Ｗの３次元加工面Ｗｓに印字することができる。

（３）上記実施形態によれば、第１入力装置２３にディスプレイ２３ａを設け、そのディスプレイ２３ａに制御装置２１が求めた目標スポット径ｄφｐに対する実調整遠点距離を表示するようにした。従って。ユーザはディスプレイ２３ａにて加工対象物Ｗに対する実遠点距離を視認することにより、レーザ印字の準備作業を効率よく容易に進めることができる。

（４）上記実施形態によれば、第２入力装置２４にディスプレイ２４ａを設け、そのディスプレイ２４ａに制御装置２１が求めた実遠点距離（実遠点焦点距離）に対する新たな基準スポット径ｄφｋ１を表示するようにした。従って。ユーザはディスプレイ２３ａにて加工対象物Ｗに対する実遠点距離が視認でき、レーザ印字の準備作業を効率よく進めることができる。従って、ユーザは、ディスプレイ２４ａにて新たな基準スポット径ｄφｋ１を視認することにより、容易に出来上がりを予測することができる。

尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、第１入力装置２３と第２入力装置２４を備え、第１入力装置２３にて目標スポット径ｄφｐを入力することができ、第２入力装置２４にて、実遠点距離（実遠点焦点距離）を入力することができるようにした。これを、第２入力装置２４を省略し第１入力装置２３のみを備えたレーザマーキング装置に具体化したり、反対に、第１入力装置２３を省略し第２入力装置２４のみを備えたレーザマーキング装置に具体化したりしてもよい。

・上記実施形態では、第１入力装置２３と第２入力装置２４を別々に設けたが、１つの入力装置で具体化して実施してもよい。
・上記実施形態では、第１入力装置２３にディスプレイ２３ａを設けたが、ディスプレイ２３ａを省略して目標スポット径ｄφｐに対する実調整遠点距離を表示しなくて実施するようにしてもよい。

・上記実施形態では、第２入力装置２４にディスプレイ２４ａを設けたが、ディスプレイ２４ａを省略して実遠点距離（実遠点焦点距離）に対する新たな基準スポット径ｄφｋ１を表示しなくて実施するようにしてもよい。

・上記実施形態では、ビームエキスパンダ１２において、入射レンズ１２ａが出射レンズ１２ｂよりサイズが小さいことから移動させるのに大型化及び複雑化を避けるために、出射レンズ１２ｂを固定して入射レンズ１２ａを移動させるように構成したが、入射レンズ１２ａを固定した状態で出射レンズ１２ｂを移動させるように構成してもよい。さらに、入射レンズ１２ａ及び出射レンズ１２ｂの両方をそれぞれ移動させるようにして入射レンズ１２ａと出射レンズ１２ｂの相対距離Ｄを変更するように構成してもよい。

・上記実施形態では、収束レンズ１４を走査部１３のレーザ光の出射側に配置した。これを、収束レンズ１４を、走査部１３のレーザ光の入射側に配置して実施してもよい。
・上記実施形態では、設定されたスポット径ｄφに対するレーザ光のパワーは特に限定していなかったが、設定されたスポット径ｄφに応じて変更するようにして実施してもよい。例えば、図３に示すように、レーザ発振器１１に備えた励起光を出射する半導体レーザから出射された励起光のパワーを調整するレーザ駆動回路３１に対して、パワー調整手段としての制御装置２１は、設定したスポット径ｄφに対する予め設定したパワー値のレーザ光をレーザ発振器１１から出射させるための駆動制御信号を出力する。レーザ駆動回路３１は、この駆動制御信号に応答して半導体レーザから出射された励起光のパワーを調整し、そのレーザ発振器１１から出射されるレーザ光のパワーを調整するようにようにして実施してもよい。

この場合、設定したスポット径ｄφに関係なくレーザ光のパワーを変更して照射エネルギー密度が一定になるようにパワー値を設定すれば、常に均一なマーキング加工が行えるとともに、例えば、薄い加工対象物を損傷させることなくマーキング加工ができる。

・上記実施形態では、第１入力装置２３及び第２入力装置２４によって、設定されたスポット径ｄφ（新たな基準スポット径ｄφｋ１、目標スポット径ｄφｐ）にて集光されたレーザ光を照射するようにした。第１入力装置２３及び第２入力装置２４に微調整手段を設け、微調整手段にてそれぞれ設定されたスポット径ｄφ又は実遠点距離を微調整できるようにして実施してもよい。

そして、制御装置２１は、微調整手段にてそれぞれ微調整されたスポット径ｄφ又は実遠点距離が、それぞれ微調整前の先に設定されたスポット径ｄφ又は実遠点距離より小径又は短いとき、その微調整したスポット径ｄφ又は実遠点距離を新たなスポット径ｄφ又は実遠点距離としないように禁止する。

このとき、微調整したスポット径ｄφ又は実遠点距離を新たなスポット径ｄφ又は実遠点距離としないとき、報知手段を構成するディスプレイ２３ａ，２４ａに、微調整されたスポット径ｄφ又は実遠点距離が、先に設定されたスポット径ｄφ又は実遠点距離より小径又は短いから設定できない旨の表示を行いユーザに間違いを報知するようにしてもよい。ユーザは、これにより次の作業に素早く進むことができる。

レーザマーキング装置の概略構成図。 レーザマーキング装置の電気的構成を説明するための電気ブロック回路図。 レーザマーキング装置の別例を説明するための概略構成図。 焦点距離とスポット径の関係を説明するための説明図。

符号の説明

１０…レーザマーキング装置、１１…レーザ発振器、１２…ビームエキスパンダ、１２ａ…入射レンズ、１２ｂ…出射レンズ、１３…走査部、１３ａ…Ｘ軸ガルバノミラー、１３ｂ…Ｙ軸ガルバノミラー、１４…収束レンズ、２１…制御装置、２２…外部記憶装置、２３…第１入力装置、２４…第２入力装置、２５…焦点距離調整モータ駆動回路、２６…ガルバノモータ駆動回路、Ｄ…相対距離、Ｄｆ…焦点距離、Ｄｆｂ…最遠点焦点距離、Ｄｆｆ…最近点焦点距離、ｄφ…スポット径、Ｍｆ…焦点距離調整モータ、Ｍｘ…Ｘ軸ガルバノモータ、Ｍｙ…Ｙ軸ガルバノモータ、Ｓｂ…最遠点加工面、Ｓｆ…最近点加工面、Ｗ…加工対象物、Ｗｓ…加工面、Ｚｗ…基準焦点距離調整範囲。

Claims (11)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源からのレーザ光の方向を変更する光走査手段と、
   前記光走査手段からのレーザ光を収束し出射する収束レンズと、
   前記レーザ光源と前記光走査手段との間に配置され、前記収束レンズへの前記レーザ光の入射角度を変更することで、前記収束レンズで収束されるレーザ光の焦点距離を変更する焦点距離調整手段と
   を備え、前記レーザ光を、前記焦点距離調整手段で調整される基準焦点距離調整範囲における最遠点距離において収束可能な最小径にして、加工対象物に照射するようにしたレーザマーキング装置であって、
   前記最小径よりも小径のスポット径の設定を可能とするスポット径設定手段を備えたことを特徴とするレーザマーキング装置。
2. 請求項１に記載のレーザマーキング装置において、
   前記焦点距離調整手段で調整される基準焦点距離調整範囲において、予め前記収束レンズの焦点距離に応じた前記レーザ光の焦点位置におけるスポット径を記憶する記憶手段と、
   前記焦点距離調整手段での基準焦点距離調整範囲内において、前記最遠点距離よりも短い実遠点距離を設定可能な実遠点距離入力手段と
   を備え、
   前記スポット径設定手段は、前記実遠点距離入力手段にて設定した前記実遠点距離に対する前記レーザ光の焦点位置におけるスポット径を前記記憶手段から求めて、その求めたスポット径を前記最小径より小径のスポット径の設定を可能とすることを特徴とするレーザマーキング装置。
3. 請求項２に記載のレーザマーキング装置において、
   前記スポット径設定手段は、前記最小径よりも小径のスポット径にて、加工対象物の加工面の各位置にレーザ光を照射するように、前記焦点距離調整手段を駆動制御することを特徴とするレーザマーキング装置。
4. 請求項２又は３に記載のレーザマーキング装置において、
   前記スポット径設定手段は、前記記憶手段から求めたスポット径を小径のスポット径として、その小径のスポット径を表示手段に表示することを特徴とするレーザマーキング装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載のレーザマーキング装置において、
   前記実遠点距離入力手段は、前記実遠点距離入力手段にて設定した実遠点距離に対して前記記憶手段から求めた先のスポット径を微調整する微調整手段を備え、
   前記スポット径設定手段は、前記微調整手段にて微調整したスポット径が、前記記憶手段から求めた先のスポット径よりも小径のとき、その旨を報知手段にて報知することを特徴とするレーザマーキング装置。
6. 請求項５に記載のレーザマーキング装置において、
   前記スポット径設定手段は、前記微調整手段にて微調整したスポット径が、前記記憶手段から求めた先のスポット径よりも小径のとき、前記微調整手段で微調整したスポット径の設定を禁止することを特徴とするレーザマーキング装置。
7. 請求項１に記載のレーザマーキング装置において、
   前記焦点距離調整手段で調整される基準焦点距離調整範囲において、予め前記収束レンズの焦点距離に応じた前記レーザ光の焦点位置におけるスポット径を記憶する記憶手段と、
   前記最小径よりも小径のスポット径を目標スポット径として設定可能な目標スポット径入力手段と
   を備え、
   前記スポット径設定手段は、前記目標スポット径入力手段にて設定した前記目標スポット径に対する前記収束レンズの焦点距離を前記記憶手段から求め、その求めた焦点距離を前記最遠点距離よりも短い実調整遠点距離として表示手段に表示することを特徴とするレーザマーキング装置。
8. 請求項７に記載のレーザマーキング装置において、
   前記スポット径設定手段は、求めた前記実調整遠点距離に対する前記目標スポット径入力手段にて設定した前記最小径よりも小径の目標スポット径にて、加工対象物の加工面の各位置にレーザ光を照射するように、前記焦点距離調整手段を駆動制御することを特徴とするレーザマーキング装置。
9. 請求項７又は８に記載のレーザマーキング装置において、
   目標スポット径入力手段は、設定した目標スポット径に対する前記最遠点距離よりも短い実調整遠点距離を微調整する微調整手段を備え、
   前記スポット径設定手段は、前記微調整手段にて微調整した実調整遠点距離が、設定した目標スポット径に対する前記最遠点距離よりも短い実調整遠点距離よりも短いとき、その旨を報知手段にて報知することを特徴とするレーザマーキング装置。
10. 請求項９に記載のレーザマーキング装置において、
    前記スポット径設定手段は、前記微調整手段にて微調整した実調整遠点距離が、設定した目標スポット径に対する前記最遠点距離よりも短い実調整遠点距離よりも短いとき、前記微調整手段で微調整した実調整遠点距離の設定を禁止することを特徴とするレーザマーキング装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のレーザマーキング装置において、
    前記レーザ光のパワーを変更可能にするパワー調整手段を備え、
    前記スポット径設定手段は、設定したスポット径に応じて、照射エネルギー密度が一定になるように前記パワー調整手段を介して前記レーザ光のパワーを変更することを特徴とするレーザマーキング装置。

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