JP3579314B2

JP3579314B2 - レーザによるガラス印字方法及びガラス印字装置

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Publication number: JP3579314B2
Application number: JP31534599A
Authority: JP
Inventors: 真一荒谷; 朗赤坂; 知史阿部
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: JP2001139350A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザビームを用いてガラスまたはガラスの組成に近い材質の被印字物に対して印字を行う印字方法、及びそのための印字装置に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ光発振器とレーザー光の照射位置を一筆書き方式（スキャン方式）の光学系を有するレーザー印字装置により、ガラスあるいはそれに類する材質の被印字物にレーザービームを照射し、レーザ光の照射位置を連続的に変えることにより文字などを印字することが行われている。
【０００３】
このような印字を行う印字装置としてはスキャナ方式のＣＯ_２レーザ印字装置がある。この印字装置はパソコンやその他の入力装置から文字や数字、ロゴマークなどの印字すべきキャラクター及びそれらの大きさやピッチに関するデータ、更にレーザー出力、印字速度等の印刷条件に関するデータに基づいて、スキャン印字を行うための座標データ（位置データ）を演算する。そしてこの座標データに基づいてスキャン印字のためのレーザ光照射位置の絶対移動量または相対移動量、及びレーザＯＮ／ＯＦＦタイミングを演算し、該演算結果にもとづいてレーザ光を振るためのＸ方向及びＹ方向ガルバノミラーを有するＸＹガルバノスキャナを駆動し、レーザ照射位置を連続的に変えながらレーザをＯＮ／ＯＦＦ制御することにより所望の印字を行うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなレーザ印字装置における印字の原理は熱によるものである。即ち現象的にはレーザ光は被印字材料表面で吸収され、熱エネルギーに変換され、被印字材料が急激に温度上昇し、溶融蒸発するというプロセスで印字が行われる。
【０００５】
この急激な温度上昇とその後の冷却の過程において、被印字物には熱応力が発生し、ガラスのようなアモルファス構造を持つ物質では、特にその冷却過程において印字部位（レーザが照射された部位）およびその周辺にクラックが発生するという問題がある。クラックが甚だしい場合には欠けが生ずることもある。この不具合は特に耐熱性が低いガラス（青板ガラス、白板ガラスなど）において顕著である。
【０００６】
ガラス基板にレーザ印字した際の、クラック発生の様子を図６に模式的に示す。図６において（ａ）は印字部を上方即ち印字面に垂直な方向からみた図であり、（ｂ）は（ａ）の線ｂ−ｂに沿った断面図である。これらの図に示すように、ガラス材質の被印字物では印字されて溶融蒸発した印字部の周囲に多くの細かなクラックが発生する。このクラックはそれ自体が視認性や美観の低下といった印字品質の劣化を招くばかりでなく、被印字物が印字後に更に製造工程内の処理を受ける場合に該クラックに起因する様々な不具合が生ずるという問題もあった。本発明はこのような問題に鑑みて、ガラスあるいはそれに類するアモルファス材質の被印字物に印字を行ってもクラックが生じないようなレーザ印字方法及びそのための装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のガラス印字方法は、レーザ光を用いてガラス材質の物品にパターンを印字する方法であって、印字すべきパターンを複数のドットで構成し、個々のドットをレーザ光スポットにより円弧状にスキャンすることによって印字を行うことを特徴とする。
【０００８】
より具体的には、
印字すべきパターンを表すデータを該パターンを構成する線に沿って配列されたドットを表すドットデータに変換し、
該ドットデータを用いて、前記ドットの各々をレーザ光スポットにより円弧状にスキャンして印字するための円弧配列データを生成し、
該円弧配列データに基づいてスキャン式のレーザヘッドを駆動して、円弧により描かれた複数のドットにより前記印字すべきパターンを構成するようにガラス材質の物品にレーザ印字を行う。
【０００９】
また本発明のガラス印字装置は
所望のタイミングでレーザ光の射出をＯＮ／ＯＦＦ制御可能なレーザ光発振器を有し、物品の被印字面上でのレーザ光スポット照射位置を自在に変えられるスキャン方式のレーザヘッドと、
所与の印字すべきパターンを表すデータを該パターンを構成する線に沿って配列された複数のドットを表すドットデータに変換するドットデータ変換手段と、前記ドットデータを用いて、前記ドットの各々をレーザ光スポットにより円弧状にスキャンして印字するための円弧配列データを生成する円弧配列データ生成手段と、
該円弧配列データを記憶する記憶手段と、
該記憶手段に記憶された円弧配列データに基づいて前記レーザヘッドを制御し印字すべきパターンを複数の円弧状のドットとしてスキャン印字させる制御手段と、
を有することを特徴とする。
【００１０】
以上のように本発明のガラス印字方法及びガラス印字装置はいずれも、印字すべきパターンを、該パターンに沿って配列された複数のドットで構成し、個々のドットを円弧ドットとしてスキャン印字するものである。ここで円弧ドットとしてスキャン印字するとは所定のサイズの円弧を描くように周状にスキャンすることによりドットを印字することを言う。これにより描かれた円弧ドットは中央が抜けた周状の形状となる。
【００１１】
このようにパターンを複数の円弧ドットとして描くことにより、レーザを用いてガラス素材の物品にレーザ印字を行っても、クラックの発生を従来の例に比して抑制することができる。
なお、ここで円弧ドットと称してはいるが、その形状は真円である必要はなく、近似的な円や多角形形状でもよく、またそれらを複数個同心に配置した形状としてもよい。従って本明細書において、円弧状、円弧ドットなどと言う場合以上のような形状も含む広い意味であることとする。
【００１２】
本発明のガラス印字方法及び装置は、文字又は数字パターン、ロゴマークや書記号さらにはバーコードパターンの印字に効果的に適用できる。
また本発明のガラス印字方法および装置はＣＯ_２レーザを用いたレーザ印字に適用すると特に効果的である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図１〜図５を参照して本発明の実施形態としてのバーコード印字用レーザ印字装置を説明する。
図２はレーザ印字装置のレーザヘッド１０の構成を概略的に示す斜視図である。この実施形態のレーザヘッド１０は、レーザ光を発振するＣＯ_２レーザ発振器１１、レーザビームを広げた平行光とするビームエキスパンダ１２、レーザ光によるＸ軸方向のスキャンを行うためのＸ軸ガルバノミラー１３、Ｙ軸方向のスキャンを行うためのＹ軸ガルバノミラー１４、レーザ光を収束させてスポット光とするためのｆθレンズ１５を有する。
【００１４】
このレーザヘッドは以下のように動作する。レーザ発振器１１は後述のレーザ発振器ドライバに接続されており、該ドライバにより所定のタイミングでＯＮ／ＯＦＦ駆動される。レーザ発振器１１より発せられたレーザ光のビームはビームエキスパンダ１２に入射して、これにより広げた平行光になされる。ビームエキスパンダ１２を出射したレーザ光はＸ軸ガルバノミラー１３、Ｙ軸ガルバノミラー１４で順次反射されてｆθレンズ１５に入射する。ｆθレンズ１５に入射したレーザ光はｆθレンズ１５によって収束せられ、スポット光となって被印字物１００に照射される。被印字物１００は不図示の印字ステージに置かれており、該印字ステージは装置座標系のＸ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面を規定している。
【００１５】
Ｘ軸ガルバノミラー１３は後に説明するＸ軸スキャナ１８（図１）に接続されており、該Ｘ軸スキャナ１８によって、装置の座標系のＹ方向に平行な所定の軸周りに高精度で回転駆動される。同様に、Ｙ軸ガルバノミラー１４は後述するＹ軸スキャナ１９（図１）に接続されており、該Ｙ軸スキャナ１９によって、装置の座標系のＸ方向に平行な軸周りに高精度で回転駆動される。Ｘ軸スキャナによりＸ軸ガルバノミラー１３を回転させることで、被印字物１００上のレーザスポットのＸ方向位置を変化させることができ、またＹ軸スキャナによりＹ軸ガルバノミラー１４を回転させることで、被印字物１００上のレーザスポットのＹ方向位置を変化させることができる。即ちＸ軸ガルバノミラー１３およびＹ軸ガルバノミラー１４を回転駆動することにより、被印字物１００上のレーザ光のスポット位置を任意にスキャンすることができる。
【００１６】
続いてバーコード印字用レーザ印字装置のブロック図である図１を参照してレーザ印字装置の制御系を含む全体的構成を説明する。
レーザ印字装置１は入力装置２０、出力装置３０、制御器４０および上に説明したレーザヘッド１０から構成される。
【００１７】
入力装置２０は外部から様々なデータや装置へのコマンドを印字装置に入力するための装置であり、オペレータが入力するためのタッチパネルあるいはキーボードなどのキー入力装置を有している。この入力装置２０は別途にパソコンで構成してもよい。入力装置により外部から入力されるデータはレーザ印字装置１によって印字すべき英数字などの文字列やロゴマークなどを示す印字入力データ、印字速度、レーザ出力、印字の大きさ、印字開始位置、などの諸設定に関する情報、などである。
【００１８】
装置は更に出力装置３０を備えており、該出力装置３０を介して、外部機器に様々な情報・信号を出力できる。たとえばレーザ印字装置に不具合が生じた時に出力装置３０を通じて外部のパトライトやブザー等を起動する信号を出力して警告を発することができる。またレーザ印字装置が生産ラインの一部に組み込まれている場合に、ライン内の他の機器にレーザ印字装置の状態を知らせる情報を送ることができる。具体的には上に述べたような装置の不具合や、レーザ印字装置による個々の被印字物への印字の開始、終了のタイミング等を他の機器に伝達することもできる。
【００１９】
制御器４０は装置全体の制御を司る部分であり、入力装置より入力された諸データに対して様々な演算処理を行う演算処理部４１、印字される文字やマークなどのフォントデータを記憶し、また得られたデータや演算処理結果を記憶できる記憶部４３、演算処理部４１において演算され記憶部４３に記憶されたデータに基づいてレーザヘッドのＸ軸、Ｙ軸スキャナやレーザ発振器の駆動制御を行い実際の印字プロセスを制御する制御処理部４２を有する。演算処理部４１および制御処理部４２はＣＰＵにより構成する。これは同一のＣＰＵにそれぞれの機能を持たせてもよいし、それぞれ別個のＣＰＵにより構成してもよい。また記憶部４３はフラッシュメモリ、ＲＯＭ等の不揮発性メモリにより構成する。
【００２０】
続いて以下においてレーザ印字装置の動作を説明する。
まず入力装置により印字すべき文字たとえばアルファベットのＡが入力されると、制御器４０の演算処理部４１は予め記憶部４３に記憶されているフォントデータ中の対応する文字のフォントデータを読み出す。
【００２１】
このフォントデータの一例として文字「Ａ」についてのフォントを図３の（ａ）に示す。これは図に示されているようにに連続線で構成されるフォントのデータである。本発明においてはこれを一筆書き方式でそのまま連続線で描くのではなく、連続線に沿って並んだ複数の円弧ドットにより描くものである。円弧ドットとは後に説明するが、スキャン印字により一重あるいは多重の同心円状に配置された円弧を描いたものである。
【００２２】
そのため本実施形態のレーザ印字装置はフォントデータを印字すべきフォントを形成する連続線に沿って配列されたドットを表すドットデータに変換する。このドットデータは即ち図３の（ｂ）に示すようなドットの集合を表すものであり、印字すべき文字に応じたドットの位置と半径とのデータである。
【００２３】
本発明では一つ一つのドットは図３の（ｃ）に示すように円弧（図示の例では２重の同心円）により形成する。従って演算処理部は上記ドットデータを更に円弧配列データに変換する。円弧配列データはドットの配置に関するドット配列データと、印字に際して一つ一つのドットを形成すべき円弧を何重で描くか（何重の同心円とするか）及びそれぞれの円弧をどのような半径とするかを示す円弧スキャンデータとの２つを含む。
【００２４】
ドットデータはフォントデータおよび装置固有の条件あるいは入力装置から設定された印字条件等の諸条件、即ちレーザ出力、レーザスポット径、印字速度、文字の印字サイズなどに応じて演算処理部４１が演算することにより決定される。ドットの配置を示すドット配列は隣接するドット間の距離、即ちドットピッチを定めれば、与えられたフォントデータに対して一意的に定まるが、このドットピッチを入力装置を介して任意の値に設定できるように構成することもできる。
【００２５】
ドットの半径（あるいは多重同心円の最外周円弧の半径）は印字文字サイズに主に依存する。当然印字サイズが大きいときはそれに応じてドット半径を大きくし、印字サイズが小さいときはドット半径は小さくすべきである。個々のドットを何重の円弧で構成するかは、上記ドット半径および実際の印字を行うレーザヘッドのレーザ光スポット径に主に依存する。ドット半径が大きい程多重にする必要があり、またレーザ光スポット径が小さいほど多重にすべきである。これはドット内を塗りつぶしに近い形で印字した方が視認性がよいためである。
【００２６】
これらデータの決定はまた、所望の印字品質及び印字速度にも相関的である。即ちドットピッチを大きくすれば文字を形成するドット数が少なくなるので印字速度を高めることができるが、反面視認性などの印字品質は低下する。印字品質を重視するならドットの直径とドットピッチを等しくすれば、ドットは隙間なく並ぶことになるので、優れた視認性が得られる。
【００２７】
以上のように円弧配列データの決定には様々な要素が関わっているので、ドットピッチや円弧径等の直接的パラメータを外部から入力装置を通じて設定できるようにしてもよいが、所望の印字品質と印字速度に応じてこれらパラメータを適切に設定するプログラムを設けておくと更に好適である。
円弧配列データを算出すると、演算処理部４１は得られた円弧配列データを記憶部４３に記憶させる。
【００２８】
その後、外部接続装置またはパソコンなどの入力装置から印字開始信号が与えられると、制御器１の制御処理部４２は記憶部４３から円弧配列データを読み出し、読み出したデータに従ってレーザヘッドを駆動して、印字を行う。具体的には制御処理部４２は、Ｘ軸スキャナ１８を介してＸ軸ガルバノミラー１３を回転駆動してＸ軸方向のレーザ照射位置（スポット位置）を移動させ、Ｙ軸スキャナ１９を介してＹ軸ガルバノミラー１４を駆動してＹ軸方向のレーザ照射位置（スポット位置）を移動させ、それらと同時にレーザ発振器をＯＮ／ＯＦＦ駆動することにより被印字物上への印字が行われる。
【００２９】
図４に、本実施形態の装置により本発明に従う円弧ドット方式の印字例を示す。図４の（ａ）はアルファベット文字パターンを通常の一筆書き方式で印字を行った場合の印字結果を図式的に示すものであるが、これに対して本発明による印字は図４の（ｂ）に示すように同じ文字パターンを複数の円弧ドットで構成するドット状の印字となる。図４（ｃ）はこの円弧ドットの一つを拡大して示すものである。このように、印字された各ドットは円弧状（図示の例では２重の同心円）に印字されている。各円弧ドットの印字にあたっては、図４（ｃ）に示すようにまず外側の円弧をスキャン印字し（▲１▼）、続いて内側の円弧をスキャン印字する（▲２▼）。
【００３０】
このように印字することにより、熱応力が円弧の中心にのみ集まり急冷効果を抑制するため、ガラスやそれに類する材質の被印字物に印字した場合にもクラックが発生しにくい。発明者らは本発明に従って円弧ドット状に印字した場合クラックの発生が少ないことを実際に確認しており、その様子を図４（ｄ）に模式的に示す。この図に示したように、本発明に従って円弧ドット状の印字を行うことにより、図６の（ｂ）に示したような従来の一筆書き印字により印字した場合に比べてクラックの発生を大幅に減少させることができる。これに対し、従来の一筆書き印字のように、ガラス材質の被印字物に対して印字すべき文字パターンのラインに沿って連続線状に印字した場合、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、レーザ照射部及びその周辺におけるクラックの発生を抑えることは困難である。
【００３１】
なお、図４に示した印字例では円弧ドットを２重の同心円としているが、これに限定されるものではなく、上にも述べたように何重の円弧とするかは諸条件を考慮して適宜決められる。
【００３２】
本発明の印字方式は上に説明した英数字などの文字パターンの印字に限らずバーコードパターンの印字に適用することもできる。そのような例を図５に示す。図５の（ａ）は２次元バーコードの一種であるＱＲコードのパターンの一例を示している。ＱＲコードはその３カ所の角隅にバーコード読みとりの基準となる切り出しシンボルを有する略正方形の領域内に多数の小さい正方形セルが配置されることにより構成される。上記実施形態のレーザ印字装置により、このＱＲコードパターンを、その一つセルを一つの円弧ドットにより円弧スキャン印字する事によって描くことができる。図５の（ｂ）にＱＲパターンの切り出しシンボル部を円弧ドットにより描いたドット配置の一例を示している。この円弧ドットの一つ一つは図５の（ｃ）のように２重の同心円状の円弧により描く。印字に当たっては上に述べた文字パターンの印字の場合と同様に、まず外側の円弧をスキャン印字し（▲１▼）、続いて内側の円弧をスキャン印字する（▲２▼）。
【００３３】
上記バーコード印字においては、円弧ドットの径はバーコードのセルサイズに応じて適宜決定する。またドットを何重の円弧により構成するかという点も、２重には限定されず、変更可能である。
またバーコードパターンは図５に示したＱＲコードに限らず、コード３９等の２次元バーコードパターン、及びその他の様々な規格のバーコードパターンの印字に適用可能である。
【００３４】
このようにバーコードパターンを本発明の円弧スキャン方式により印字することにより、ガラス材質の被印字物に印字した場合もクラックやそれに伴うガラス欠けが発生しないため、正確なパターンセルサイズで印字が可能であり、従って印字されたバーコードの読みとり精度を向上させることができる。
以上ある実施形態の装置に則して本発明を説明したが、本発明は上記の構成の細部に限定されるものではない。
【００３５】
上に説明した実施形態（文字パターン及びバーコードパターン）では円弧ドットを円により形成しているが、これは厳密な円である必要はなく、たとえば多角形によって構成してもクラック発生の防止という本発明の効果を得ることができる。要するに本発明においては、パターンを複数ドットの集合により構成し、個々のドットを一重あるいは多重の周状にスキャンするものである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の印字方法あるいは印字装置を用いることにより、レーザを用いてガラスあるいはガラスに類する材質の物品に文字などのパターンを印字した場合のクラックを発生を少なくなるので、高品位な印字が可能となると共にガラス欠けの発生もほとんど抑制することができる。
またガラスにクラックが非常に少ない印字が可能になるため、信頼性の要求される印字にもレーザ印字を適用できる。また印字工程後に組み立て工程や熱工程などがある場合でもレーザ印字が適用でき、レーザ印字の持つ多くの利点を広く享受できる。
【００３７】
また比較的安価なＣＯ_２スキャン方式のレーザマーカを用いてガラス印字が可能であるので、コスト面の利点もある。
本発明の印字方法あるいは印字装置を用いてガラスあるいはそれに類する素材にバーコードパターンの印字を行った場合、クラックやガラス欠けの発生を少なくすることができるので、読みとり精度の高い高品位なバーコードパターンを印字することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態であるＣＯ_２レーザ印字装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すレーザ印字装置のレーザヘッドの構成を概略的に示す斜視図である。
【図３】本発明に従って文字パターンを円弧ドット配列で表現した状態を示す図である。
【図４】本発明に従って文字パターンを印字した例を示す図である。
【図５】本発明に従ってバーコードパターンを印字した例を示す図である。
【図６】従来の方式でガラス素材にレーザ印字した場合のクラックの発生の様子を示す図である。
【符号の説明】
１レーザ印字装置
１０レーザヘッド
１１レーザ発振器
１２ビームエキスパンダ
１３Ｘ軸ガルバノミラー
１４Ｙ軸ガルバノミラー
１５ｆθレンズ
１８Ｘ軸スキャナ
１９Ｙ軸スキャナ
２０入力装置
３０出力装置
４０制御器
４１演算処理部
４２制御処理部
４３記憶部

Claims

レーザ光を用いてガラス材質の物品にパターンを印字する方法であって、印字すべきパターンを複数のドットで構成し、個々のドットをレーザ光スポットにより円弧状にスキャンすることによって印字を行うことを特徴とするガラス印字方法。
レーザ発振器を有するスキャン方式のレーザヘッドを用いてレーザ光によりガラス材質の物品にパターンを印字する方法であって、
印字すべきパターンを表すデータを該パターンを構成する線に沿って配列されたドットを表すドットデータに変換する工程と、
前記ドットデータを用いて、前記ドットの各々をレーザ光スポットにより円弧状にスキャンして印字するための円弧配列データを生成する工程と、
前記円弧配列データに基づいてスキャン式のレーザヘッドを駆動して、円弧により描かれた複数のドットにより前記印字すべきパターンを構成するようにガラス材質の物品にレーザ印字を行う工程と、
を含むガラス印字方法。
前記円弧状とは円及び多角形形状を含むことを特徴とする請求項１乃至２記載のガラス印字方法。
前記円弧状とはほぼ同心に配置された多重円弧を含むことを特徴とする請求項１乃至３記載のガラス印字方法。
前記印字すべきパターンは文字又は数字であることを特徴とする請求項１乃至４記載のガラス印字方法。
前記印字すべきパターンはバーコードパターンであることを特徴とする請求項１乃至４記載のガラス印字方法。
所望のタイミングでレーザ光の射出をＯＮ／ＯＦＦ制御可能なレーザ光発振器を有し、物品の被印字面上でのレーザ光スポット照射位置を自在に変えられるスキャン方式のレーザヘッドと、
所与の印字すべきパターンを表すデータを該パターンを構成する線に沿って配列された複数のドットを表すドットデータに変換するドットデータ変換手段と、前記ドットデータを用いて、前記ドットの各々をレーザ光スポットにより円弧状にスキャンして印字するための円弧配列データを生成する円弧配列データ生成手段と、
該円弧配列データを記憶する記憶手段と、
該記憶手段に記憶された円弧配列データに基づいて前記レーザヘッドを制御し印字すべきパターンを複数の円弧状のドットとしてスキャン印字させる制御手段と、
を有するガラス印字装置。
前記円弧状とは円及び多角形形状を含むことを特徴とする請求項７記載のガラス印字装置。
前記円弧状とはほぼ同心に配置された多重円弧を含むことを特徴とする請求項７乃至８記載のガラス印字装置。
前記印字すべきパターンは文字又は数字であることを特徴とする請求項７乃至９記載のガラス印字装置。
前記印字すべきパターンはバーコードパターンであることを特徴とする請求項７乃至９記載のガラス印字装置。