JP2021181112A - Laser color marking device - Google Patents
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Images
Abstract
Description
本発明は、金属表面にレーザーによってカラー図柄を加飾するレーザーカラーマーキング装置に関するものである。 The present invention relates to a laser color marking device for decorating a metal surface with a color pattern by a laser.
従来、レーザーマーキング技術は、約３５年前から存在し、技術開発が行われてきた経緯がある。例えば、特許文献１に記載されたレーザー加飾装置は、空間光変調器及び制御装置を備えており、空間光変調器は、複数の微小光学素子をアレイ状に配置してなり、入力されたレーザーの出力光の２次元における強度分布を変調する。また、制御装置は、柄を示す画像データによって生成されたレーザー照射用データに基づいて、個々の微小光学 素子から出力される出力光の強度を決定し、強度を決定した出力光の照射パターンに基づいて、出力光をワークの表面に照射させる制御を行っている。 Conventionally, laser marking technology has existed for about 35 years, and there is a history of technological development. For example, the laser decorating device described in Patent Document 1 includes a spatial light modulator and a control device, and the spatial light modulator is input by arranging a plurality of micro optical elements in an array. Modulates the intensity distribution of the laser output light in two dimensions. In addition, the control device determines the intensity of the output light output from each micro-optical element based on the laser irradiation data generated from the image data showing the pattern, and determines the intensity of the output light irradiation pattern. Based on this, control is performed to irradiate the surface of the work with output light.
しかしながら、レーザーマーキング技術の分野に参入している企業数は少なく、レーザーカラーマーキングが現在のところメジャーになっている状況にはない。 However, the number of companies entering the field of laser marking technology is small, and laser color marking is not currently a major player.
そこで、本発明は、包丁やナイフといった金属ワークに対して、ダイレクトに写真、絵画、文字等をレーザーによって色付け・印字を行うことのできるレーザーカラーマーキング装置を提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a laser color marking device capable of directly coloring and printing photographs, paintings, characters and the like with a laser on a metal work such as a kitchen knife or a knife.
前記目的を達成するために、本発明のレーザーカラーマーキング装置は、金属ワークにカラー図柄を描画するレーザーカラーマーキング装置であって、レーザービームを放出するレーザー発振器と、前記レーザービームを反射する、２軸又は３軸制御のガルバノミラーと、前記レーザービームを集光する集光レンズと、前記レーザー発振器及び前記ガルバノミラーを制御する制御部と、元画像から走査データを計算する画像計算部と、を備え、前記制御部は、前記レーザー発振器による前記レーザービームの周波数、及び／又は、出力、前記ガルバノミラーによるスキャニングスピードを調整することで、所望のカラーを発色させるようにされている。 In order to achieve the above object, the laser color marking device of the present invention is a laser color marking device that draws a color pattern on a metal work, and has a laser oscillator that emits a laser beam and a laser beam that reflects the laser beam. A galvano mirror with axis or 3-axis control, a condenser lens that collects the laser beam, a control unit that controls the laser oscillator and the galvano mirror, and an image calculation unit that calculates scanning data from the original image. The control unit is adapted to develop a desired color by adjusting the frequency and / or output of the laser beam by the laser oscillator and the scanning speed by the galvano mirror.
このように、本発明のレーザーカラーマーキング装置は、レーザー発振器と、ガルバノミラーと、集光レンズと、制御部と、画像計算部と、を備え、制御部は、レーザー発振器によるレーザービームの出力、集光距離、周波数、及び、ガルバノミラーによるスキャニングスピードを調整することで、所望のカラーを発色させるようにされている。このような構成であれば、金属ワークに対して、ダイレクトに写真、絵画、文字等をレーザーによって色付け・印字を行うことが可能となる。 As described above, the laser color marking device of the present invention includes a laser oscillator, a galvano mirror, a condenser lens, a control unit, and an image calculation unit, and the control unit outputs a laser beam by the laser oscillator. By adjusting the light collection distance, frequency, and scanning speed by the galvano mirror, the desired color is developed. With such a configuration, it is possible to directly color and print photographs, paintings, characters, etc. on a metal work by a laser.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施例に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the components described in the following examples are examples, and the technical scope of the present invention is not limited to them.
一般に、レーザーマーキングとは、対象物（ワーク）にレーザー光を照射して表面を溶かしたり、剥離したり、酸化させたりすることで、商品名やシリアル番号等を印字する手段である。このレーザーマーキングは「マスク式」と「スキャン式」の２種類に大別できる。 In general, laser marking is a means for printing a product name, a serial number, or the like by irradiating an object (work) with a laser beam to melt, peel, or oxidize the surface. This laser marking can be roughly divided into two types, "mask type" and "scan type".
このうち「スキャン式」は、１点のレーザー光を照射して、一筆書きの要領で印字していく方式である。より具体的には、以下に説明するように、レーザー発振器から照射されたレーザー光をスキャニングミラーで走査して対象物に印字するようになっている。ただし、本実施例では、従来の単色の文字だけでなく、カラー図柄を描画することができるようになっていることが特徴である。 Of these, the "scan type" is a method of irradiating a single point of laser light and printing in the manner of one-stroke writing. More specifically, as described below, the laser light emitted from the laser oscillator is scanned by the scanning mirror and printed on the object. However, the feature of this embodiment is that not only the conventional single-color characters but also color patterns can be drawn.
（構成）
はじめに、図１を用いて本発明のレーザーカラーマーキング装置１の全体構成を説明する。レーザーカラーマーキング装置１は、金属ワークＷにカラー図柄Ｐを描画するレーザーカラーマーキング装置１であって、レーザービームＬＢを放出するレーザー発振器２１と、レーザービームＬＢを反射する、少なくとも２軸制御のガルバノミラー２２、２３と、レーザービームＬＢを集光する集光レンズ２４と、レーザー発振器２１を制御する制御部２５と、元画像から走査データを計算する画像計算部２６と、を備えている。このうち、制御部２５は、レーザーコントローラードライバや空冷クーラーとともに、レーザー電源ユニットの一部として構成されるものである。また、画像計算部２６は、ディスプレイ、キーボード、マウス等が接続された汎用のコンピュータの機能部として構成されるものである。
(composition)
First, the overall configuration of the laser color marking device 1 of the present invention will be described with reference to FIG. The laser color marking device 1 is a laser color marking device 1 that draws a color pattern P on a metal work W, and is a galvano with at least two-axis control that reflects a laser oscillator 21 that emits a laser beam LB and a laser beam LB. It includes mirrors 22 and 23, a condenser lens 24 that collects the laser beam LB, a control unit 25 that controls the laser oscillator 21, and an image calculation unit 26 that calculates scanning data from the original image. Of these, the control unit 25 is configured as a part of the laser power supply unit together with the laser controller driver and the air-cooled cooler. Further, the image calculation unit 26 is configured as a functional unit of a general-purpose computer to which a display, a keyboard, a mouse, and the like are connected.
レーザー発振器２１は、ファイバレーザー、固体ロッドレーザー、固体ディスクレーザー、又は炭酸ガスレーザー等のガスレーザーとすることができる。金属表面を加飾するために、レーザー発振器２１は、パルスレーザーであることが好ましい。 The laser oscillator 21 can be a gas laser such as a fiber laser, a solid-state rod laser, a solid-state disk laser, or a carbon dioxide gas laser. In order to decorate the metal surface, the laser oscillator 21 is preferably a pulse laser.
ガルバノミラー２２、２３は、Ｘ軸及びＹ軸にビームをスキャニングする機構である。それぞれ、例えば、振り振り角最大２５度までのスキャニングができる。 The galvano mirrors 22 and 23 are mechanisms for scanning the beam on the X-axis and the Y-axis. For example, each can scan up to a swing angle of 25 degrees.
集光レンズ２４は、fθレンズを利用し、照射エリア全域を、一定焦点で集光する。このfθレンズは焦点深度を長く設計しているため、ワークの高さ変化に対し、同一条件で加工ができる。 The condensing lens 24 uses an fθ lens to condense the entire irradiation area at a constant focus. Since this fθ lens is designed with a long depth of focus, it can be processed under the same conditions against changes in the height of the work.
制御部２５は、高解像度ガルバのスキャナを使用しているため、微細な位置決めができ、製作画像を忠実な解像度と視認性を持って再現ができる。ソフトウエのアルゴリズムに工夫を凝らし、各色の再現性を正確に行うことが出来る重要部分である。 Since the control unit 25 uses a high-resolution galvanic scanner, fine positioning is possible, and the produced image can be reproduced with faithful resolution and visibility. It is an important part that can accurately reproduce each color by devising the algorithm of Softway.
画像計算部２６は、市販の画像ソフトウエアの変換（j-peg＆bitmap等）が容易であり、繊細画像の色バランスを忠実に再現することが出来るように設計されている。 The image calculation unit 26 is designed so that conversion (j-peg & bitmap, etc.) of commercially available image software is easy and the color balance of a delicate image can be faithfully reproduced.
ここにおいて、金属ワークＷとしては、例えば、チタン、ステンレス、又は、ニッケルクロム合金であってもよいし、より好ましくは、モリブデン鋼、又は、ダマスカス鋼の包丁やナイフであることが好ましい。 Here, the metal work W may be, for example, titanium, stainless steel, or a nickel-chromium alloy, and more preferably a kitchen knife or knife made of molybdenum steel or Damascus steel.
（効果）
次に、本発明のレーザーカラーマーキング装置１の奏する効果を列挙して説明する。
(effect)
Next, the effects of the laser color marking device 1 of the present invention will be listed and described.
（１）上述してきたように、本発明のレーザーカラーマーキング装置１は、金属ワークＷにカラー図柄Ｐを描画するレーザーカラーマーキング装置１であって、レーザービームＬＢを放出するレーザー発振器２１と、レーザービームＬＢを反射する、少なくとも２軸制御のガルバノミラー２２、２３と、レーザービームＬＢを集光する集光レンズ２４と、レーザー発振器２１及びガルバノミラー２２、２３を制御する制御部２５と、元画像から走査データを計算する画像計算部２６と、を備え、制御部２５は、レーザー発振器２１によるレーザービームＬＢの周波数、及び、ガルバノミラー２２、２３によるスキャニングスピードを調整することで、所望のカラーを発色させるようにされている。このような構成であるから、金属ワークＷに対して、ダイレクトに写真、絵画、文字等をレーザービームＬＢによって色付け・印字を行うことが可能となる。すなわち、本実施例のレーザーカラーマーキング装置１であれば、レーザーで色を付けることができる。つまり、組織に熱を入れ、酸化被膜の厚みによって色が変わるのである。 (1) As described above, the laser color marking device 1 of the present invention is a laser color marking device 1 that draws a color pattern P on a metal work W, and is a laser color marking device 1 that emits a laser beam LB and a laser. The galvano mirrors 22 and 23 that reflect the beam LB and are controlled by at least two axes, the condenser lens 24 that collects the laser beam LB, the control unit 25 that controls the laser oscillator 21 and the galvano mirrors 22 and 23, and the original image. The control unit 25 includes an image calculation unit 26 that calculates scanning data from the laser oscillator 21, and the control unit 25 adjusts the frequency of the laser beam LB by the laser oscillator 21 and the scanning speed by the galvano mirrors 22 and 23 to obtain a desired color. It is designed to develop color. With such a configuration, it is possible to directly color and print photographs, paintings, characters, etc. on the metal work W by the laser beam LB. That is, the laser color marking device 1 of the present embodiment can be colored with a laser. In other words, heat is applied to the tissue and the color changes depending on the thickness of the oxide film.
このようにして、本実施例のレーザーカラーマーキング装置１は、金属に対し、光の応用により、直接ビームをあてることでカラー色を再現できるようにした。レーザーカラーマーキング装置１を用いれば、何十回、何百回加工を行っても、同じ加工状態を再現することができる。また、ビームにて金属表層部位にカラー加飾を行うことにより、よりよい視認性を持もった衛生的なカラー加飾加工を実現する方法である。そして、カラー加飾した画像は、滲みや剥離などがなく、化学系塗料などを一切応用することがない技術である。 In this way, the laser color marking device 1 of the present embodiment can reproduce the color color by directly irradiating the metal with a beam by applying light. By using the laser color marking device 1, the same processing state can be reproduced even if processing is performed tens or hundreds of times. In addition, it is a method of realizing a hygienic color decoration process with better visibility by performing color decoration on the metal surface layer portion with a beam. The color-decorated image is a technology that does not cause bleeding or peeling and does not apply any chemical paint.
（２）また、制御部２５は、集光レンズ２４による焦点位置をさらに調整することで、所望のカラーを発色させるようにされている。このような構成であるから、焦点位置を変えることによって、金属ワークＷに対して、より多彩な図柄をレーザービームＬＢによって色付けできる。 (2) Further, the control unit 25 is adapted to develop a desired color by further adjusting the focal position of the condenser lens 24. With such a configuration, by changing the focal position, a wider variety of patterns can be colored with the laser beam LB for the metal work W.
（３）また、画像計算部２６は、レーザービームＬＢによって金属ワークＷの表面に形成される酸化被膜の厚みに基づいて、発色させるカラーを計算するようになっている。このように酸化被膜の厚みに基づいて走査データを計算することで、きわめて鮮明なカラー図柄を形成できる。 (3) Further, the image calculation unit 26 is adapted to calculate the color to be developed based on the thickness of the oxide film formed on the surface of the metal work W by the laser beam LB. By calculating the scanning data based on the thickness of the oxide film in this way, an extremely clear color pattern can be formed.
（４）さらに、画像計算部２６は、レーザービームＬＢによる金属ワークＷの表面の１点当たりの温度をコントロールすることで酸化被膜の厚みを調整するようになっていることが好ましい。 (4) Further, it is preferable that the image calculation unit 26 adjusts the thickness of the oxide film by controlling the temperature per point on the surface of the metal work W by the laser beam LB.
（５）また、レーザー発振器２１は、近赤外光を放出するようにされていることが好ましい。 (5) Further, it is preferable that the laser oscillator 21 is configured to emit near-infrared light.
（６）さらに、金属ワークＷは、チタン、ステンレス、又は、ニッケルクロム合金であることが好ましい。 (6) Further, the metal work W is preferably titanium, stainless steel, or a nickel-chromium alloy.
（７）さらに、金属ワークＷは、モリブデン鋼、又は、ダマスカス鋼であることが好ましい。 (7) Further, the metal work W is preferably molybdenum steel or Damascus steel.
（８）さらに、金属ワークＷは、ナイフ、又は、包丁であることが好ましい。 (8) Further, the metal work W is preferably a knife or a kitchen knife.
（その他の作用・効果）
加えて、本発明のレーザーカラーマーキング装置１には、さらに以下のような作用・効果が認められる。
(Other actions / effects)
In addition, the laser color marking device 1 of the present invention is further recognized to have the following actions and effects.
・チタン、ステンレス、ニッケルクロム合金等に対するレーザー発色を繊細に行うことにより将来的には、金属用レーザーカラープリンターにできる技術レベルまで高めた。レーザーのカラー発色においては、ある波長の光を非接触にて、集光レンズにて集光させ、集光させた状態で、指定スピードにて金属表面及び内部に酸化焼き入れを行うことにより、指定のカラーを発色させることを目的とする。最近の発見では、ダマスカス鋼に対するカラー発色がよいことを観察した。 -By delicately developing laser colors for titanium, stainless steel, nickel-chromium alloys, etc., we have raised the technical level to the level that can be used for laser color printers for metals in the future. In the color development of a laser, light of a certain wavelength is focused by a condenser lens in a non-contact manner, and in the condensed state, the metal surface and the inside are oxidatively hardened at a specified speed. The purpose is to develop a specified color. Recent discoveries have observed good color development for Damascus steel.
・レーザーによる白黒発色切り絵風マーキング技術について：
例えば、日本昔絵、浅草古来切り絵等を包丁の表面に黒色にマーキングすることを目的とする。日本文化を包丁に乗せ世界に発信することが大きな特徴となる。
・ About black-and-white color-cutting style marking technology by laser:
For example, the purpose is to mark the surface of a kitchen knife in black, such as old Japanese paintings and ancient Asakusa paper-cutting paintings. A major feature is that Japanese culture is put on a kitchen knife and transmitted to the world.
・猫・犬などのペットの写真レーザーカラーマーキングを、常に身近に感じるため、思い出として制作する。お城や寺院などの世界遺産などの画像を、金属商品に加飾することも期待される。 ・ Photographs of pets such as cats and dogs Laser color markings will always be familiar to you, so create them as memories. It is also expected that images of world heritage sites such as castles and temples will be displayed on metal products.
・本技術により、錆びない金属に対し、カラー加飾を行うことにより、写真画像や絵を長い時間記録として残すことができる。 -With this technology, photographic images and pictures can be recorded for a long time by color-decorating metal that does not rust.
・本技術応用による実際の加工写真を図２〜図３に示す。 -Figs. 2 and 3 show actual processed photographs by applying this technology.
・画像の加工範囲は任意に設定ができ、必要に応じ、加工範囲サイズの設定ができる。 -The processing range of the image can be set arbitrarily, and the processing range size can be set as needed.
（本技術によって得られるメリット全般について）
・非接触で光のみを金属表面に照射することで、金属表面に色を植え付ける（加飾）することができる。
・光のみの活用により、インクなどの消耗品は一切使用しない。
・光で直接金属に色を焼き付けることにより、保存性の良い印刷ができる。
・インクや焼き付け塗装とは違い、薄釣り的に剥げることがないため衛生的である。
(Overall benefits obtained by this technology)
-By irradiating the metal surface with only light without contact, it is possible to plant (decorate) the color on the metal surface.
-Use only light and do not use any consumables such as ink.
-By printing colors directly on metal with light, printing with good storage stability can be achieved.
-Unlike ink and baking finish, it is hygienic because it does not come off in a thin fishing manner.
以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and design changes to the extent that the gist of the present invention is not deviated are made in the present invention. included.
例えば、実施例では、ガルバノミラーは２軸であるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、３軸のガルバノミラーであっても本発明のレーザーカラーマーキング装置１を適用できる。 For example, in the embodiment, the galvano mirror has been described as having two axes, but the present invention is not limited to this, and the laser color marking device 1 of the present invention can be applied even to a three-axis galvano mirror.
また、実施例では、包丁にカラーの図柄Ｐを描画するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、他の金属製の物の表面にカラーの図柄Ｐを描画することももちろん可能である。 Further, in the embodiment, the color pattern P is drawn on the kitchen knife, but the present invention is not limited to this, and it is of course possible to draw the color pattern P on the surface of another metal object. Is.
また、応用品としてステンレスではなく、包丁に絵（浮世絵、富士山とか）を入れることが好ましい。 Also, as an applied product, it is preferable to put a picture (ukiyo-e, Mt. Fuji, etc.) on a kitchen knife instead of stainless steel.
さらに、近赤外光＝レーザー光は、１００ミクロン以下に絞ると、２０００度から３０００度になる。１点当たりの温度をコントロールすることで焼き具合を調整できる。これは１点あたりの温度を維持しにくいから難しい。ここにおいて、ここは青、ここは黄、などの計算をするのが画像ソフトであり、細かい点ごとに色を認識している。 Further, the near-infrared light = laser light becomes 2000 to 3000 degrees when it is narrowed down to 100 microns or less. The baking condition can be adjusted by controlling the temperature per point. This is difficult because it is difficult to maintain the temperature per point. Here, the image software calculates blue here, yellow here, and so on, and recognizes the color for each small point.
１ ：レーザーカラーマーキング装置
２１ ：レーザー発振器
２２ ：ガルバノミラー
２３ ：ガルバノミラー
２４ ：集光レンズ
２５ ：制御部
２６ ：画像計算部
ＬＢ ：レーザービーム
Ｐ ：カラー図柄
Ｗ ：金属ワーク
1: Laser color marking device 21: Laser oscillator 22: Galvano mirror 23: Galvano mirror 24: Condensing lens 25: Control unit 26: Image calculation unit LB: Laser beam P: Color pattern W: Metal work
Claims (8)
レーザービームを放出するレーザー発振器と、
前記レーザービームを反射する、少なくとも２軸制御のガルバノミラーと、
前記レーザービームを集光する集光レンズと、
前記レーザー発振器及び前記ガルバノミラーを制御する制御部と、
元画像から走査データを計算する画像計算部と、を備え、
前記制御部は、前記レーザー発振器による前記レーザービームの周波数、及び、前記ガルバノミラーによるスキャニングスピードを調整することで、所望のカラーを発色させるようにされている、レーザーカラーマーキング装置。 A laser color marking device that draws color patterns on metal workpieces.
A laser oscillator that emits a laser beam and
A galvano mirror with at least two axes that reflects the laser beam,
A condenser lens that collects the laser beam and
A control unit that controls the laser oscillator and the galvanometer mirror,
Equipped with an image calculation unit that calculates scanning data from the original image,
The control unit is a laser color marking device that develops a desired color by adjusting the frequency of the laser beam by the laser oscillator and the scanning speed by the galvano mirror.
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2020
- 2020-05-20 JP JP2020088394A patent/JP2021181112A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113977097A (en) * | 2021-11-26 | 2022-01-28 | 西安交通大学 | Method for preparing marking pattern on polyimide surface based on femtosecond laser processing |
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