JP2520041B2

JP2520041B2 - レ―ザ印字装置

Info

Publication number: JP2520041B2
Application number: JP2161039A
Authority: JP
Inventors: 芳明黒田; 彰森
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1990-06-18
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPH03180285A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、レーザ光を用いて刻印面に文字や図形を刻
印するレーザ印字装置に関する。

［従来の技術］従来、レーザ印字装置としては、下記のものが知られ
ている。

（１）レーザ光を金属またはガラス等からなる文字や図
形をくり抜いたマスク面に直接、かつスポット的に照射
し、マスクを透過したレーザ光を刻印面に照射し、刻印
面の該照射部を蒸発させ、前記文字や図形を刻印するも
の。

（２）２枚のミラーをガルバノスキャナ等で縦横操作し
（即ち、Ｘ−Ｙ方向へ操作し）、レーザ光が文字や図形
を形成するように制御して、刻印面に文字や図形を刻印
するもの。

（３）偏光板と液晶とを用い、この液晶に任意の文字や
図形を形成させ、レーザ光を偏光板を介して液晶に照射
してコントラストを付与し、このレーザ光を刻印面に照
射することによって刻印面にこれらの文字や図形を刻印
するもの。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら上記従来のレーザ印字装置においては、
次に挙げるような問題点がある。すなわち、（１）金属またはガラス等のマスク方式は、マスク自体
を交換しないと、文字や図形を任意に刻印することがで
きない。そこで特開平２−15888号や特開平２−15887号
公報記載の技術のように、マスクを複数枚並べ、ミラー
で照射レーザ光を偏向して使用するマスクを選択するも
のもあるが、それでも文字や図形の種類はこれら複数枚
のマスクに設けた文字や図形に限られる。

（２）２枚のミラーをガルバノスキャナで操作する方式
は、任意の文字や図形を刻印しようとすると、ガルバノ
スキャナの縦横操作のための制御系が複雑になる。また
印字装置に用いるレーザ光発振器は比較的エネルギーが
大きく、大形かつ高価であるため、ハードウエア及びソ
フトウエアが大がかりになってしまう。

（３）偏光板と液晶とによる方式では、偏光板において
30〜40％の透過率ロスを生じるため、印字パワーが小さ
くなる。そのためロスパワーの分だけレーザ光発振器を
大形化する必要がある。その結果、装置全体が大形化
し、かつ高価になる。しかも大形化する際には、液晶マ
スクを損なわない程度の大形出力レーザ光発振器に限定
しなければならない。また、液晶の制御において走査に
おける残像のタイミングを合わせることが煩雑である。

本発明は上記従来の問題点に着目し、小容量のレーザ
光発振器を用いて、任意の文字や図形を、容易にかつ高
精度に刻印できるレーザ印字装置を提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するため、第１発明なるレーザ印字装
置は、レーザ光発振器からのレーザ光をＸ−Ｙスキャナ
によって文字や図形を表示した液晶マスクに照射し、こ
の液晶マスクに表示された文字や図形を反映したレーザ
光を被加工物に照射して前記文字や図形を被加工物に刻
印するレーザ印字装置において、ポリゴンミラースキャ
ナとミラースキャナ或いはシリンドリカル凹レンズとで
構成したＸ−Ｙスキャナと、前記ポリゴンミラースキャ
ナの回転位置を検出する検出手段と、この検出手段から
検出信号を受けて前記ミラースキャナ或いはシリンドリ
カル凹レンズの位置を制御する制御手段とを備えたこと
を特徴としている。

また、第２発明なるレーザ印字装置は、レーザシャッ
タを備えたレーザ光発振器からのレーザ光をＸ−Ｙスキ
ャナによって文字や図形を表示した液晶マスクに照射
し、この液晶マスクに表示された文字や図形を反映した
レーザ光を被加工物に照射して前記文字や図形を被加工
物に刻印するレーザ印字装置において、ポリゴンミラー
スキャナとミラースキャナ或いはシリンドリカル凹レン
ズとで構成したＸ−Ｙスキャナと、前記ポリゴンミラー
スキャナの回転位置を検出する検出手段と、この検出手
段からポリゴンミラーの各エッジ部直前の予め定めたレ
ーザ光被照射位置の検出信号を受けたとき、レーザシャ
ッタを閉じ、他方ポリゴンミラーの各エッジ部直後の予
め定めたレーザ光被照射相当位置の検出信号を受けたと
き、レーザシャッタを開く制御手段とを備えたことを特
徴としている。

さらにまた、第３発明なるレーザ印字装置は、レーザ
光発振器からのレーザ光をＸ−Ｙスキャナによって文字
や図形を表示した液晶マスクに照射し、この液晶マスク
に表示された文字や図形を反映したレーザ光を被加工物
に照射して前記文字や図形を被加工物に刻印するレーザ
印字装置において、Ｘ−Ｙスキャナにホログラムスキャ
ナを用いたことを特徴としている。

［作用］前記各従来技術よりレーザ印字装置としては、レーザ
光発振器からのレーザ光をＸ−Ｙスキャナによって文字
や図形を表示した液晶マスクに照射し、この液晶マスク
に表示された文字や図形を反映したレーザ光を被加工物
に照射して前記文字や図形を被加工物に刻印するように
構成することができる。ところがこのように構成したと
き、Ｘ−Ｙスキャナに、ポリゴンミラースキャナと、シ
リンドリカル凹レンズまたはガルバノミラースキャナと
を用いる場合、これらの制御を確実に行わないと次のよ
うな問題が起こる。

（１）レーザ光にYAGレーザ（波長1064nm）を用いる場
合、高反射率を得るためポリゴンミラーには、ガラスベ
ースに誘電体多層膜をコーティングしたものを使用する
のが有効であるが、ポリゴンミラーのエッジ部にレーザ
光が照射されると、誘電体多層膜の破損が起こりやす
い。また、ミラーのエッジ部にレーザ光が当たると、レ
ーザ光が散乱して安全上好ましくない。

（２）上記問題を解決するため、レーザ光をON/OFFする
ことが考えられる。しかし、レーザ光のON/OFFに遅れ時
間があるので、走査速度（ポリゴンミラー回転速度）に
可変性をもたせようとすると、煩雑な遅延回路、演算回
路が必要となり、装置が大形化するとともに、高価なも
のとなる。

そこでポリゴンミラースキャナの回転位置を検出する
手段（たとえばエンコーダ付きのDCパルスモータを使え
ば、エンコーダからの信号により回転位置を検出するこ
とができる）を設け、信号検出位置としてポリゴンミラ
ー各面において、ポリゴンミラー走査角度（この場合は
Ｘ軸走査角度）と一致する点、または僅かに大きい点
（各面に２点ある）を選択する。

この２点からの検出信号を利用してレーザ光のON/OFF
制御、Ｙ軸スキャナミラーの制御を行えば遅延回路や演
算回路を必要とせずに、精度のよい安全な走査を行うこ
とができる。

上記の場合、エンコーダの代わりにミラーエッジと同
期したスリット板を用いる位置検出であってもよい。

［実施例］以下に本発明に係るレーザ印字装置の実施例につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

第１図において、レーザ光発振器１から被加工物２に
至るレーザ光路上に、順に、ポリゴンミラースキャナ
３、シリンドリカル凹レンズ４、レーザ光整形用凸レン
ズ５、透過散乱形液晶マスク６、集光用凸レンズ７、印
字用対物レンズ８が配設されている。

ポリゴンミラースキャナ３は第２図に示すように、7,
500rpmのモータ軸に複雑枚のミラーをポリゴン（実施例
では10角形）に設けたものである。従って回転するポリ
ゴンミラーに入射したレーザ光は、第１図のＸ−Ｘ方向
に幅をもって反射し、シリンドリカル凹レンズ４に入射
する。シリンドリカル凹レンズ４は駆動装置によりＸ軸
を中心として回動しているので、このシリンドリカル凹
レンズ４を透過したレーザ光はＹ−Ｙ方向に幅をもつこ
とになり、ポリゴンミラースキャナ３とシリンドリカル
凹レンズ４とにより、Ｘ−Ｙ方向に照射される。そして
レーザ光整形用凸レンズ５を経て透過散乱形液晶マスク
６の全面域に照射される。透過散乱形液晶マスク６には
図示しない制御装置により任意の文字や図形が形成され
ており、これらの文字や図形に相当する部位を透過した
レーザ光は、集光用凸レンズ７と、印字用対物レンズ８
とによってサイズ、収差の補正が行われた上結像され、
刻印面にこれらの文字や図形を刻印する。

透過散乱形液晶マスク６において、文字や図形を形成
しない部位すなわちレーザ光を透過しない部位ではレー
ザ光は散乱し、被加工物２には影響を与えない。なお透
過散乱形液晶マスク６の電極への印加電圧を制御するこ
とによりレーザ光透過率を調節し、刻印深さ等を制御す
ることもできる。

第３図は、第１図におけるシリンドリカル凹レンズ４
に代えて、ガルバノミラースキャナ９を配設し、ポリゴ
ンミラースキャナ２によるＸ−Ｘ方向のレーザ反射光
を、このガルバノミラースキャナ９を用いてＹ−Ｙ方向
に反射させ、レーザ光整形用凸レンズ５を経て透過散乱
形液晶マスク６の全面域に照射させる構成としたもので
ある。透過散乱形液晶マスク６の文字や図形に相当する
部位を透過したレーザ光は集光用凸レンズ７によって集
光され、更に印字用対物レンズ８を経て被加工物２の刻
印面に至り、刻印面に文字や図形を刻印する。

第４図は、ポリゴンミラースキャナと、シリンドリカ
ル凹レンズまたはガルバノミラースキャナとに代えて、
ホログラムスキャナ10を設置したものである。レーザ光
はホログラムスキャナ10によってＸ−Ｙ方向に反射し、
レーザ光整形用凸レンズ５を経て透過散乱形液晶マスク
６の全面域に照射される。透過散乱形液晶マスク６の文
字や図形に相当する部位を透過したレーザ光は集光用凸
レンズ７によって集光され、更に印字用対物レンズ８を
経て被加工物２の刻印面に至り、刻印面に文字や図形を
刻印する。

第５図は、第１図における集光用凸レンズ７と印字用
対物レンズ８とを廃し、透過散乱形液晶マスク６の後面
に被加工物２を設置して、透過散乱形液晶マスク６を透
過したレーザ光を被加工物２の刻印面に直接照射する構
成としたものである。被加工物の刻印面の大きさによっ
てはこのような構成としてもよい。

第６図〜第９図はポリゴンミラースキャナとシリンド
リカル凹レンズまたはガルバノミラースキャナ等のミラ
ースキャナとを用いて、透過散乱形液晶マスク面上を走
査する場合の制御方法を説明する図である。第６図にお
いてポリゴンミラースキャナ３のミラー面数をｎとする
と、∠C₁OC₂（すなわちα＋θ＋α＝θ＋２α）は、360
°/n＝θ＋２αとなる。ここでθは液晶マスク面におけ
るＸ軸方向走査角度である。つまり、ポリゴンミラーの
一つの面θ＋２αのうちθ分を走査に使う。ポリゴンミ
ラー回転位置の検出は、このθ分に対応する位置、すな
わちa₁，a₂，a₃，a₄，……a_2nで行うことになる。第６
図では６面ポリゴンミラーの例を示しているが、この場
合は、a₁，a₂，……a₁₂（a₅〜a₁₂は図示せず）の12箇所
で位置検出を行う。回転位置の検出は、たとえばDCパル
スモータを使い、これに第７図および第８図に示すよう
にエンコーダを付加することによって容易に行うことが
できる。

第９図においてレーザ光がa₁の位置に来たとき、前記
エンコーダの検出信号によりレーザシャッタを開き（O
N）、Ｘ軸レーザ走査が開始される。ポリゴンミラース
キャナがθ回転してレーザ光がa₂の位置に来ると、検出
信号によりレーザシャッタが閉じられ（OFF）、レーザ
光の照射を停止する。a₂を検出すると、レーザシャッタ
OFF指令とともにＹ軸スキャナミラーの駆動指令が出さ
れる。

Ｙ軸スキャナミラーは、次の所定の走査ライン設定位
置まで駆動し、位置決めされ、次のＸ軸走査の準備が完
了する。

このＹ軸の駆動はa₂からa₃に至るまでに完了するよう
に設定される。つまり、ポリゴンミラーの回転数をNrps
とすると、Ｙ軸駆動時間t_Y＜２α/360N秒となるように
設定される。従ってＹ軸の駆動源としては、高速立ち上
がりのモータやガルバノ方式のモータなどが適当であ
る。

Ｙ軸の駆動が終り、a₃の位置に来ると、再びレーザシ
ャッタが開き、Ｘ軸走査が行われる。

a₂〜a₃の位置ではレーザ光は遮断されているので、C₂
部（ポリゴンミラーのエッジ部）にレーザ光は照射され
ず、誘電体多層膜が破壊されたり、エッジ部に当たった
レーザ光が散乱して周辺の機器にダメージを与えたり、
あるいは人体（特に眼）に誤って照射され失明するとい
うような事故を防止することができる。

レーザ光のON/OFFは高速で行う必要があり、レーザ光
としてYAGレーザを用いた場合、音響光学的Ｑスイッチ
素子（AOQスイッチ）やガルバノ方式のシャッタミラー
などを用いることができる。

レーザ光のシャッタリング時間については多少の遅れ
を伴う（上記方式を使えば数百μｓ以内）が、この遅れ
により実際にレーザが照射される位置がa₁〜a₂より多少
ずれる。このずれはシャッタリング遅れがほんの僅かで
あれば、なんら問題はない。すなわち、位置ずれを△β
とするとポリゴンミラーへの照射は、a₁＋△β〜a₂＋△
βの間に行われることになり、走査角度θは一定であ
る。ただし、マスク面上でのＸ軸走査開始位置と終了位
置とがシフトするが、シフト分を見込んで前もって位置
調整をしておくか、または走査角度θより僅かに小さい
角度内にマスク走査面が納まるようにしておけば、なん
ら問題はない。

次に、上記実施例を第10図を参照し具体的データで説
明する。

１）レーザ光発振器;YAGレーザ、波長1.06μｍ、AOQス
イッチ付き、発振周波数3kHz、ビーム径φ２２）ポリゴンミラー;12面（30°／面）１面30°のうち
エッジ部から３°のところにa₁、27°のところにa₂の二
つの検出位置を設けた。

走査角度は27°−３°＝24°である。

３）ポリゴンミラー駆動源;DCパルスモータ、位置検出
はエンコーダで行った。

４）ポリゴンミラー回転数;24°/20ms＝3.333rps＝200r
pm ５）Ｙ軸スキャナ駆動源;DCパルスモータ、位置設定時
間3ms（0.36°回転に要する位置決め時間）６）液晶マスク；散乱形液晶マスク、パターン部の大き
さ70×70mm ７）レーザシャッタリング；レーザ内蔵のＱスイッチを
用いてレーザシャッタリングを実施上記仕様で液晶マスク面の走査を行ったところ、Ｘ軸
はレーザ60パルス/70mm、Ｙ軸は43パルス/70mm（つまり
Ｘ軸を43行走査）であり、全体の走査時間は25ms×43＝
1.075秒であった。

レーザ光のON/OFFはＱスイッチ素子で行った。遅れ時
間は約0.6msであった。これはレーザ約２パルス分に相
当する。このずれはポリゴンミラー回転検出位置をa₁、
a₂より僅かにずらすことで簡単に補正することができ
る。ポリゴンミラーのエッジ部にはレーザ光が照射され
ないので、なんら問題は起こらなかった。またＹ軸の位
置決め時間は3msであり、レーザ光OFFからONまで（すな
わちa₂からa₃まで）が5msなので、次のＸ軸走査が始ま
るまでに位置決めが完了することになり、正確な走査が
行えることが確認できた。

このように本実施例では高速スキャナであるポリゴン
ミラースキャナ、シリンドリカル凹レンズスキャナ、ガ
ルバノミラースキャナあるいはホログラムスキャナを用
いて、透過散乱形液晶マスクにレーザ光を照射する構成
としたので、透過散乱形液晶マスクの全面域へのレーザ
光照射は数百回／分となる。かりにある図形が透過散乱
形液晶マスク上に１秒間だけ形成された場合でも、その
図形のどの部位に対しても、各々10回程度のレーザ照
射、いわゆる重ね打ちをすることができる。更に、透過
散乱形液晶マスクは偏光板や偏光ミラーを使用していな
いため、透過率の低下がない。従って出力の小さいレー
ザ光発振器であっても効率よく使用することができる。

ポリゴンミラースキャナと、シリンドリカル凹レンズ
スキャナまたはガルバノミラースキャナとの配列順位は
任意でよい。またポリゴンミラースキャナ２個を用いて
縦横方向に走査する構成としてもよい。

またポリゴンミラースキャナの回転位置を検出して、
レーザ光の照射をON/OFF制御するとともに、これに対応
してＹ軸走査用ミラースキャナの位置制御を行う構成と
したので、Ｘ−Ｙ走査を精度よく、かつ安全に行うこと
ができる。

［発明の効果］上記説明から明らかなように、本発明は、要すれば、
特許請求の範囲に記載の手段を講じたものであり、上記
説明から分かるように、小容量のレーザ光発振器を用い
て、任意の文字や図形を、容易にかつ高制度に刻印でき
る。詳しくは次の通りである。

（１）第１発明ポリゴンミラースキャナはその回転のまま放置するこ
とにした。但し、ミラースキャナあるいはシリンドリカ
ル凹レンズは、ポリゴンミラースキャナの回転に同期し
た作動する必要がある。そこで制御手段は、ポリゴンミ
ラースキャナの回転位置を検出する検出手段から検出信
号を受けて前記ミラースキャナ或いはシリンドリカル凹
レンズの位置（即ち、偏向角）を制御する。即ち第１発
明によれば、ポリゴンミラースキャナの回転を可変とし
た場合の煩雑な遅延回路や演算回路を不要となる。

（２）第２発明レーザ光発振器はレーザシャッタを備えることとし
た。このレーザシャッタとは、例えばＱスイッチであ
り、またレーザ光路上に備えたシャッタ板等である。そ
して制御手段は、ポリゴンミラースイッチの回転位置を
検出する検出手段からポリゴンミラーの各エッジ部直前
の予め定めたレーザ光被照射位置の検出信号を受けたと
き、レーザシャッタを閉じ、他方ポリゴンミラーの各エ
ッジ部直後の予め定めたレーザ光被照射相当位置の検出
信号を受けたとき、レーザシャッタを開くため、レーザ
光がポリゴンミラーのエッジに照射されることがなく、
従ってポリゴンミラーのガラスベースにコーティングさ
れている誘電体多層膜の破損や、エッジでのレーザ光の
散乱を無くすことができる。

（３）第３発明第３発明は、レーザ光を液晶マスクに対しラスタ照射
させるためのＸ−Ｙスキャナとして、従来技術において
ホログラムスキャナを用いたレーザ印字装置が見当たら
ないことに着目してなされたものである。即ち、ホログ
ラムスキャナは、それ自体がＸ−Ｙスキャナの機能を備
えているため、極めて簡単構造のレーザ印字装置とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例に係るレーザ印字装置の概略構成図、第
２図はポリゴンミラースキャナの説明図、第３図は実施
例に係るレーザ印字装置の概略構成図、第４図は実施例
に係るレーザ印字装置の概略構成図、第５図は実施例に
係るレーザ印字装置の概略構成図、第６図はポリゴンミ
ラースキャナの各面におけるレーザ光照射範囲の説明
図、第７図はエンコーダを装着したポリゴンミラースキ
ャナの平面図、第８図は第７図におけるＡ−Ａ断面図、
第９図はポリゴンミラースキャナの回転位置と、これに
対応するレーザ制御およびＹ軸制御の説明図、第10図は
第６図〜第９図に基づく走査制御を行うレーザ印字装置
の概略構成図である。１……レーザ光発振器３……ポリゴンミラースキャナ４……シリンドリカル凹レンズ５……レーザ光整形用凸レンズ６……透過散乱形液晶マスク７……集光用凸レンズ８……印字用対物レンズ９……ガルバノミラースキャナ 10……ホログラムスキャナ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光発振器からのレーザ光をＸ−Ｙス
キャナによって文字や図形を表示した液晶マスクに照射
し、この液晶マスクに表示された文字や図形を反映した
レーザ光を被加工物に照射して前記文字や図形を被加工
物に刻印するレーザ印字装置において、ポリゴンミラー
スキャナとミラースキャナ或いはシリンドリカル凹レン
ズとで構成したＸ−Ｙスキャナと、前記ポリゴンミラー
スキャナの回転位置を検出する検出手段と、この検出手
段から検出信号を受けて前記ミラースキャナ或いはシリ
ンドリカル凹レンズの位置を制御する制御手段とを備え
たことを特徴とするレーザ印字装置。
【請求項２】レーザシャッタを備えたレーザ光発振器か
らのレーザ光をＸ−Ｙスキャナによって文字や図形を表
示した液晶マスクに照射し、この液晶マスクに表示され
た文字や図形を反映したレーザ光を被加工物に照射して
前記文字や図形を被加工物に刻印するレーザ印字装置に
おいて、ポリゴンミラースキャナとミラースキャナ或い
はシリンドリカル凹レンズとで構成したＸ−Ｙスキャナ
と、前記ポリゴンミラースキャナの回転位置を検出する
検出手段と、この検出手段からポリゴンミラーの各エッ
ジ部直前の予め定めたレーザ光被照射位置の検出信号を
受けたとき、レーザシャッタを閉じ、他方ポリゴンミラ
ーの各エッジ部直後の予め定めたレーザ光被照射位置の
検出信号を受けたとき、レーザシャッタを開く制御手段
とを備えたことを特徴とするレーザ印字装置。
【請求項３】レーザ光発振器からのレーザ光をＸ−Ｙス
キャナによって文字や図形を表示した液晶マスクに照射
し、この液晶マスクに表示された文字や図形を反映した
レーザ光を被加工物に照射して前記文字や図形を被加工
物に刻印するレーザ印字装置において、Ｘ−Ｙスキャナ
にホログラムスキャナを用いたことを特徴とするレーザ
印字装置。