JP2010125489A - レーザマーカ及びレーザマーキングシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】印字すべきパターンとして、あらかじめ線分毎に始点,終点と線種情報とをメモリ部21に記憶させておく。マーキング時にはメモリ部21より順次データを読み出し、直線であれば設定されたスキャン速度でスキャニングを行う。円弧の場合にはスキャン速度を低下させると共に、低下させたスキャン速度に応じたレーザパワーとなるようにレーザ光源の出力レベルを低下させてマーキングを行う。
【選択図】図1
Description
図1は本発明の第1の実施の形態によるレーザマーキングシステム100の構成を示すブロック図である。本図に示すようにレーザマーキングシステム100は、ユーザが設定データを入力するための入力装置10、レーザ制御部20、レーザ出力部30を含んで構成されている。レーザ制御部20とレーザ出力部30はレーザマーカを構成している。以下、各部について詳細に説明する。
入力装置10は、レーザマーキングシステム100の動作に関する様々な設定データをユーザが入力するための入力装置である。入力装置10はキーボード、タッチパネルを操作部とする専用の入力装置であってもよく、あらかじめデータ設定用のアプリケーションプログラムが動作するパーソナルコンピュータ等を用いてもよい。入力装置10には、入力した設定データを確認したり、レーザ制御部20の状態等を表示するための表示部が設けられている。ユーザは、レーザマーキングシステム100の動作条件や印字パターンなどを入力装置10より設定データとして入力し、この設定データは入力装置10からレーザ制御部20へ出力される。本実施の形態では、ユーザが印字パターンに加えてスキャン速度、レーザパワーやその補正レベルを入力装置10より入力するものとする。
レーザ制御部20は、レーザ出力部30の動作を制御する制御装置であり、メモリ部21、制御部22、励起光発生部23及び電源24によって構成される。メモリ部21は、入力装置10から入力された文字等の印字パターンのデータやその他の制御データを保持する記憶手段であり、例えばROM、RAMなどの半導体メモリが用いられる。
レーザ出力部30はレーザ光を2次元スキャニングさせることができるレーザ照射装置であり、レーザ発振部31、ミラー32、ガルバノミラー33a,33b、ガルバノモータ34a,34b及び集光レンズ35、スキャナ駆動回路36を含んで構成されている。レーザ発振部31はレーザ制御部20から与えられる励起光によりレーザ発振するレーザ光源である。レーザ光は、ミラー32、ガルバノミラー33a,33bを介して集光レンズ35によってワークWに向けて照射される。ガルバノミラー33a,33b、ガルバノモータ34a,34b及びスキャナ駆動回路36は、レーザ光をその光軸に垂直な面内で移動させる2次元の走査部37を構成している。集光レンズ35にはfθレンズが用いられる。以下、各部についてより詳細に説明する。
次に本実施の形態によるレーザマーキングシステムの動作について説明する。まずユーザは入力装置10を通じてワークWにマーキングする文字等を入力する。ここでは同一サイズの文字「A」,「B」,「C」,「D」を線分を組み合わせて4つの印字パターンを入力し、ワーク上でのマーキング位置も入力する。こうして4文字を一連に構成して、印字ブロック「ABCD」とする。入力装置10より入力された印字パターンがレーザ制御部20のメモリ部21に線分毎にテーブルとして保持される。図3はこのテーブルの一例を示す図である。各印字パターンは線分と線種及び位置情報が保持される。即ち、線種が直線の場合には、位置情報として始点と終点が記録され、線種が円弧である場合には、位置情報として始点,終点及び半径が記録される。例えば印字パターン「A」は線分No.1〜No.3の3つの直線によって構成され、印字パターン「B」は線分No.1の直線と線分No.2,No.3の円弧によって構成される。
(1)ユーザによる設定
このスキャン速度の設定は、前述したようにユーザが固定値となる減速率を設定する方法である。減速率が大きくなれば印字品質は向上するが、印字時間が長くなる。このためユーザは印字速度と印字品質とを考慮して、任意の減速率を設定することができる。
これは線種が円弧の場合に減速率をあらかじめ決めておき、半径にかかわらず常にこの値を採用することによって、ユーザの設定を不要として入力操作を簡略化できるようにしたものである。デフォルト値としては例えば−50%など値があらかじめ不揮発性のメモリに設定されている。
ユーザがあらかじめ選択した減速率やデフォルト値をそのまま適用することに代えて、線分の半径に応じて減速率を設定することが考えられる。この計算式による設定では、半径に応じて最適な減速率を所定の関数を用いて設定する。例えばスキャン速度の減速率ΔVは線分の半径Rの関数として次式のように決定する。
ΔV=f(R) ・・・(1)
この関数は半径が小さくなれば減速率を大きく、半径が大きくなれば減速率を小さくするように減速率を算出するものとする。又この関数をあらかじめ計算しておき、半径に応じた減速率を参照テーブルに保持しておきてもよい。
ユーザがあらかじめ複数の補正レベルを選択しておき、それに基づいてスキャン速度を決定するようにしてもよい。例えば補正レベル0〜3をユーザが内回りによる縮退を許容できる最大速度に対応させて以下のように設定する。
補正レベル0 補正無し
補正レベル1 1000mm/s
補正レベル2 2000mm/s
補正レベル3 3000mm/s
そして基準倍率を次式で設定する。
基準倍率(1/mm)=縮退無しの最大速度/第1のスキャン速度 ・・・(2)
最終倍率=基準倍率×円弧の直径 ・・・(3)
第2のスキャン速度=最終倍率×第1のスキャン速度 ・・・(4)
第1の比較例は図6A(a)に示すように、スキャン速度を直線印字の時間帯T1,T3に対し曲線印字の時間帯T2の間に低下させた場合、これに応じて励起光のパワーを低下させる方法である。この例では図6A(c)に示すように、Qスイッチのスイッチング周波数Qswは常に一定で40kHzとし、デューティ比も常に一定とする。円弧部分を印字する時間帯T2において励起光発生部23のPWM制御によって励起光のパワーのみを80%から40%に低下させた場合に、図6A(d)にレーザパワーの変化、図6Bに印字パターン「D」の印字例を示す。図示のように円弧部分のスキャン速度が遅いにもかかわらずQスイッチの制御波形は同一であるため、円弧部分でドットが詰まってしまい、ドット間隔が密となる。このため例え励起光のパワーを低下させていたとしても、文字のドット間隔が場所や文字によって異なるため、印字品質が低下してしまうこととなる。
第2の比較例は図7A(a)に示すように、スキャン速度を直線印字の時間帯T1,T3に対し円弧部分を印字するT2の間に低下させる場合に、これに応じてQスイッチのスイッチング周波数を低下させる方法である。この例では図7A(c)に示すように、Qスイッチのスイッチング周波数Qswは時間帯T1,T3では40kHz、時間帯T2では20kHzとする。励起パワーは図7A(b)に示すように一定とする。この場合にはスイッチング周波数をスキャン速度の低下に合わせて低下させているため、図7A(d)にレーザパワー、図7Bに印字パターン「D」の印字例を示すように、ドット間隔は直線と円弧部分とで同一となる。しかしQスイッチを閉じている間、即ち図7(c)の時間t1, t2などHレベルの間はエネルギーの蓄積時間である。時間帯T2ではこのエネルギー蓄積時間t2が時間帯T1,T3でのエネルギー蓄積時間t1に比べて長くなるため、Qスイッチが開かれたときのピークパワーが図7A(d)に示すように大きくなり、円弧部分での印字のレベルが深くなったり、ドットの形状が大きくなったりする。この場合も直線部分と円弧部分とで印字品質が異なり、印字品質が低下するという欠点がある。
(1)第1の設定例
第1の設定例では図8A(a)に示すようにスキャン速度を直線印字の時間帯T1,T3に対し曲線印字の時間帯T2の間に低下させる場合、これに応じてQスイッチのスイッチング周波数を低下させるものとする。この例では図8A(c)に示すように、スイッチング周波数は時間帯T1,T3では40kHz、時間帯T2では20kHzとする。これに伴い時間帯T2ではレーザ光源のパルス発振周波数も20kHzとなる。これに加えて時間帯T1,T3のQスイッチのスイッチング波形のHレベルとなっているエネルギー蓄積時間t1と時間帯T2のエネルギー蓄積時間t3が同一となるように、デューティ比を変化させる。尚図7A(b)に示すように励起光のパワーについては常に一定とする。こうすれば図7A(d)に示すように、各ドットのエネルギー蓄積時間は直線部分と円弧部分とで同一となるため、ピークパワーも同一となり、同一のドットの深さ及び間隔で印字することができる。又円弧部分ではスキャン速度を低下させているため、内回り現象も解決する。
第2の設定例は図9A(a)に示すようにスキャン速度を直線印字の時間帯T1,T3に対し曲線印字の時間帯T2の間に低下させる場合、図9A(c)に示すようにスキャン速度に応じてスイッチング波形を変化させるものである。時間帯T1,T2,T3の間のQスイッチのスイッチング周波数は常に一定で40kHzとする。直線部分の時間帯T1,T3では、Qスイッチのスイッチング波形のHレベルとなっているエネルギー蓄積時間t1は一定である。一方時間帯T2では、図9A(c)に示すようにエネルギー蓄積時間t4, t5を交互に変化させる。エネルギー蓄積時間t5の後半はQスイッチを徐々に開放する。このようにエネルギーをあらかじめ開放すれば、印字には寄与しなくなる。一方エネルギー蓄積時間t4の直後の立下りによってQスイッチを急激に開放することにより、印字に寄与することができる。ここで印字に寄与する発振の周波数をパルス発振周波数とすると、図9A(d)に示すように、時間帯T2ではパルス発振周波数は20kHzとなる。即ち、時間帯T2全体でエネルギー蓄積時間t4のパルス数、即ち印字に寄与するパルス数及びそのピークパワーは図8A(d)に示す第1の設定例の場合と同様であり、同一の効果が得られる。
次に本発明の第2の実施の形態について図10のフローチャートを参照しつつ説明する。前述した第1の実施の形態では、描画線分データが直線でなければ、全てステップS4において第2のスキャン速度を設定している。第2の実施の形態では、線分データが直線でなければステップS11に進んで円弧の半径が閾値Rthを超えているかどうかを判別する。この閾値Rth以下であればステップS12に進んで設定した第1のスキャン速度が閾値Sthを超えているかどうかを判別する。円弧の場合の半径が十分大きい場合、又は設定された第1のスキャン速度が十分に低い場合には内回りが生じることがない。このような場合にはスキャン速度を低下させてスキャニングする必要がないため、図10のステップS2に進み、直線データと同様にスキャニングする。半径が小さい場合、及び第1のスキャン速度が閾値Sthを超えている場合に、ステップS4に進んで前述した処理を行う。こうすればタクトタイムをあまり低下させることなく、マーキングを行うことができる。
10 入力装置
20 レーザ制御部
21 メモリ部
22 制御部
23 励起光発生部
24 電源
30 レーザ出力部
31 レーザ発振部
32 ミラー
33a,33b ガルバノミラー
34a,34b ガルバノモータ
35 集光レンズ
36 スキャナ駆動回路
37 走査部
41 入射レンズ
42 入射ミラー
43 レーザ媒質
44 Qスイッチ
45 アパチャ
46 出力ミラー
47 外部共振器
Claims (10)
- レーザ光を用いて加工対象の表面にマーキングを行うレーザマーカであって、
レーザ光を発生させるレーザ光源と、
前記レーザ光源で得られるレーザ光を印字対象物の面上で少なくとも2次元で走査する走査手段と、
マーキングすべきパターンについて、該パターンを構成する線分が直線か曲線かを示す線種、及びマーキングの位置情報を含むパターンテーブルを保持するメモリ部と、
前記メモリ部に保持された線分が直線のときに、第1のスキャン速度でスキャニングするように前記走査手段を制御し、前記メモリ部に保持された線分が曲線のときに、前記第1のスキャン速度以下の第2のスキャン速度で走査するように制御すると共に、前記レーザ光源の出力レベルをスキャン速度の低下に合わせて低下させるよう制御する制御手段と、を具備するレーザマーカ。 - 前記制御手段は、曲線の線分の走査時に、前記第1のスキャン速度にあらかじめ設定された減速率を乗じた第2のスキャン速度で走査するように前記走査手段を制御する請求項1記載のレーザマーカ。
- 前記メモリ部は、線種が直線のときの第1のスキャン速度と、マーキングすべきパターンの線分の線種が曲線のときにその曲率を示すパラメータを保持するものであり、
前記制御手段は、曲線の線分の走査時に、そのパラメータに合わせて算出された前記第2のスキャン速度により前記走査手段を制御する請求項1記載のレーザマーカ。 - 前記メモリ部は、線種が直線のときの第1のスキャン速度と、スキャニングの縮退を許容するレベルと、マーキングすべきパターンの線分の線種が曲線のときにその曲率を示すパラメータを保持するものであり、
前記制御手段は、曲線の線分の走査時に、前記第1のスキャン速度と、縮退を許容するレベルと、前記曲線の線分のパラメータとに基づいて、前記第2のスキャン速度を算出する請求項1記載のレーザマーカ。 - 前記レーザ光源は、レーザ光をパルス発振するレーザ光源であり、
前記制御手段は、曲線の線分の走査時に前記レーザ光源のパルス発振周波数と当該レーザ光源から出力されるレーザパワーのピーク値を前記第2のスキャン速度に合わせて変化させることにより、前記レーザパワーのピーク値とマーキングのライン長当たりのパルス発振数とを夫々直線の線分の走査時と略同一になるよう制御する請求項1〜4のいずれか1項記載のレーザマーカ。 - 前記制御手段は、曲線の線分の走査時に前記レーザ光源のパルス発振におけるデューティ比を前記第2のスキャン速度に合わせて変化させることにより、前記レーザパワーのピーク値を夫々直線の線分の走査時と略同一になるよう制御する請求項5記載のレーザマーカ。
- 前記レーザ光源は、Qスイッチ又はシャッターを利用したパルスレーザ、又は変調制御が可能な半導体レーザを光源としたパルスレーザである請求項5又は6記載のレーザマーカ。
- 前記レーザ光源は、Qスイッチ又はシャッターを利用したパルスレーザ、又は変調制御が可能な半導体レーザを光源としたパルスレーザであり、
前記制御手段は、前記Qスイッチの開閉によるレーザ光のエネルギー蓄積量を制御することにより、前記レーザパワーのピーク値を夫々直線の線分の走査時と略同一になるよう制御する請求項5記載のレーザマーカ。 - 前記レーザ光源は、連続してレーザ光を発振する連続発振レーザ光源である請求項1〜4のいずれか1項記載のレーザマーカ。
- 請求項1〜9のいずれか1項記載のレーザマーカと、
前記レーザマーカのメモリ部にパターンテーブルを入力する入力装置と、を具備するレーザマーキングシステム。
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