JP3925969B2 - パターンニング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、CD、DVDやIDカードのアルミ蒸着膜等の金属皮膜にレーザ光を照射してバーエレメント幅数μmの微細なバーコードを形成するパターンニングの処理を行うパターンニング装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
記録体のアルミ蒸着膜へのパターンニング装置の従来例を図11に示す。従来のパターンニング装置は、図11に示すように、記録体2にレーザ光を照射するレーザ光出射手段と、記録体をバー読取方向bに移動させる移動手段49と、バーコードの情報を持ちそれに基づいてレーザ光の出射を制御する図示しない制御手段とを有する。
【0003】
レーザ光出射手段は、レーザ光を発振するYAGレーザ媒体41と、これに励起光を照射して励起するランプ42と、このランプ42からの励起光をYAGレーザ媒体41の中心線上に集光する励起光学系48と、YAGレーザ媒体41の光軸上の後側に配設したレーザ光を全反射するリアミラー43と、YAGレーザ媒体41の光軸上の出射側に配設したQスイッチ素子45と、レーザ光を一部透過し残りを反射してYAGレーザ媒体41を発振させる出力ミラー44と、この出力ミラー44から出射されたレーザ光を記録体2にバー幅方向aのラインとなるように集光する光学系47とを有する。
【0004】
制御手段は、バーコードの情報に基づき、ランプ42を点灯させる直流電源50と、Qスイッチ素子45への電圧印加をON/OFFする高周波回路51とを有し、この両者を制御してレーザ光を出射させる。
【0005】
一般にランプ42を数十μ秒の時間単位でON/OFF制御することは困難であるので、ランプ42を直流電源50により連続点灯させてYAGレーザ媒体41を励起してポンピングしつつ、YAGレーザ媒体41の光軸上に配設されたQスイッチ素子45を用いて、このQスイッチ素子45へ印加する高周波回路51からの印加電圧を制御することにより、その透過率を変化させることによってレーザ光出射のON/OFFを制御するのである。
【0006】
次に、パターンニングの手順を説明する。
【0007】
ランプ42を連続点灯させてYAGレーザ媒体41を励起してポンピングし、高周波回路51をONにすると、Qスイッチ素子45への印加電圧がONのとき、Qスイッチ素子45がレーザ光を封じ込め、印加電圧がOFFのとき、前記Qスイッチ素子45がレーザ光を透過することにより出力ミラー44を通して瞬間的なパルスとして一気に出射する。このQスイッチ素子45により、ポンピングされたレーザ光を瞬間的なパルスとして一気に出射することを以降Q動作と称することがある。出射されたレーザ光は、光学系47によって記録体2にバー方向aのラインとなるように集光され、表面のアルミ蒸着膜を蒸発させてバーエレメントを形成する。制御手段は、バーコードの情報に基づき、この印加電圧のON/OFFを制御することにより、パルス間の時間を変えることができる。以上の動作を繰り返し、この出力ミラー44を透過したレーザ光をシリンドリカルレンズ等を含む光学系47でバー幅方向aのラインとなるように集光し、移動手段49によりバー読取方向bに移動させられる記録体2のアルミ蒸着膜上にパターンニングする。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のパターンニング装置では、下記の2つの問題がある。
【0009】
第1の問題点は、一般にYAGレーザ媒体41の中心線上で最も励起光の強度が大きくなるように励起光学系48が構成されているので、YAGレーザ媒体41からの出射光は、図12(a)に示す図11のA−A断面のように、その中心線上で最高強度となりこの中心線から離れるにつれ徐々に強度が小さくなる強度分布を示す。このようなレーザ光を光学系47によってラインとなるように集光すると、図12(b)に示す図11のB−B断面のように、一つのバーエレメントの中央部から両端部に向かって照射量が徐々に低下し、バーエレメントの太さが不均一になるので、バーコードリーダによる読み取りが困難になることである。
【0010】
第2の問題点は、上記に説明したように、YAGレーザ媒体41はランプ32により連続して励起されポンピングされるので、Qスイッチへ印加している高周波回路51のOFFまでの時間が変化すると、出射前にポンピングされて蓄積されたレーザ光量が変化してしまい、特にその時間が長くなると、図13に示すように、Q動作により発生するレーザ光の強度が所望のものよりかなり大きなものとなり、所望のものより幅の大きなバーエレメントが形成されてしまい、パターンニング不良となることである。
【0011】
本発明は、かかる問題を解決するため、金属皮膜等の記録体に、バーエレメントの場所による太さのムラが無く、バーエレメントの太さの再現性のよい微細なバーコードパターンを形成することができるパターンニング装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本願発明のパターンニング装置は、上記目的を達成するため、複数のレーザダイオードチップを一列に等間隔に配置してなるLDアレイと、このLDアレイのON/OFFを制御する制御手段と、前記レーザダイオードチップからの出射光を集光する前記LDアレイの長手方向と平行な方向に母線を配した第1のシリンドリカルレンズと、前記第1のシリンドリカルレンズの母線と直交する方向に母線を配した第2のシリンドリカルレンズとを有し、前記レーザダイオードチップの長手方向と前記LDアレイの長手方向が平行であるパターンニング装置であって、前記レーザダイオードチップの夫々からの出射光の結像が記録体上で前記バー幅方向に前記結像のピッチの2倍以上の長さに拡大されるようにスムージング用シリンドリカルレンズを備えたことを特徴とする。
【0013】
本願発明のパターンニング装置によれば、一列に等間隔に配置したLDチップからの出射光が前記LDアレイの長手方向と平行な方向に母線を配した第1のシリンドリカルレンズと、前記第1のシリンドリカルレンズの母線と直交する方向に母線を配した第2のシリンドリカルレンズとにより、LDアレイの長手方向とこれに直交する方向とに集光されたバーエレメントを形成することができる。又、LDチップは数十μ秒程度の所望の時間でON/OFFさせることができるので、バーコードを構成する各バーエレメントを所望の太さと間隔とにすることができる。又、LDチップの夫々からの出射光の結像が記録体上で前記バー幅方向に前記結像のピッチの2倍以上の長さに拡大されるようにスムージング用シリンドリカルレンズを備えているので、LDチップが個々に故障しても、その両隣のLDチップが正常ならば、連続線の途切れないバーエレメントを形成することができる。
【0014】
本願発明のパターンニング装置において、第1のシリンドリカルレンズの凸面と第2のシリンドリカルレンズの凸面とが同じ向きとすることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面に基づいて以下に説明する。
【0025】
本発明のパターンニング装置の第1の実施形態は、図1に示すように、膜厚0.1μmのアルミ蒸着膜を形成した記録体2にレーザ光をバー幅方向aのラインとなるように集光するレーザ光出射手段1と、記録体2をバー読取方向bに一定速度で移動させる移動手段3と、バーコードの情報を持ちそれに基づいてレーザ光の出射を制御する制御手段4とを有する。
【0026】
レーザ光出射手段1は、入射側から出射側に向けて順に、波長809nmのレーザ光を発振する出力0.1Wのレーザダイオードチップ(LDチップ)5を50個バー幅方向aに一列に配置したLDアレイ6と、レーザ光を記録体2に集光する光学系を構成する2個の凸状のシリンドリカルレンズ8、9及び凹状のスムージング用シリンドリカルレンズ7とが光軸上に固定され鏡筒10に収納されている。 LDアレイ6は、図2に示すように、夫々のLDチップ5の出射部の長手方向がLDアレイ6の長手方向に向くように等間隔に配置され、全てのLDチップ5が同時にON/OFFされるように構成されている。
【0027】
光学系は、図3に示すように、夫々のLDチップ5からの出射光を、互いに直行した方向に母線を配した2個のシリンドリカルレンズ8、9で結像することができ、更にバー読取方向bに母線を配したスムージング用シリンドリカルレンズ7を付加して、夫々のLDチップ5からの出射光の結像が前記バー読取方向bにのみこの結像のピッチの2倍となるようにスムージングすることにより、LDアレイ6からの結像をバー幅方向aの連続線とすることができる。
【0028】
制御手段4は、バーコードの情報に基づきLDアレイ6のON/OFFを数十μ秒の時間単位で下記のように制御する。
【0029】
すなわち、バーエレメント形成時のLDアレイ6の点灯時間をt1 、このバーエレメントの太さのn倍の太さをもつバーエレメントを形成するときのLDアレイ6の点灯時間をt2 、集光されたレーザ光のバー読取方向bの長さをw、移動手段3のレーザ光集光点に対する移動速度をv、バー形成周期をT、バーエレメントのデューティ比をdとするとき、バーエレメント幅をDとすると、
図4に示すように、前記点灯時間t1 、t2 が下記関係式、
D=d×T×v=w+t2 ×v=n×(w+t1 ×v)、
を満たすように各バーエレメントに対するLDアレイ6のON/OFFを制御する。
【0030】
上記構成により、LDアレイ6のON/OFFを制御し、レーザ光を前記光学系でバー幅方向aのラインとなるように集光し、移動手段3によりそのラインに直角なバー読取方向bに一定速度で移動させられる記録体2のアルミ蒸着膜上に所望のバーコードをパターンニングすることができる。
【0031】
得られたバーエレメントの例は、前記長さwが40μm、前記移動速度vが100mm/s、バー形成周期Tが2000μsであるときに、前記点灯時間t1 、t2 を夫々100μs、600μsとすると、細い方のバーエレメントのデューティ比dが0.25となり、2種類のバーエレメントはバーエレメント幅Dが夫々50μm、100μm(n=2)、バーピッチが200μmとなった。なお、バーエレメント長さすなわちバー幅長さは3mmであった。
【0032】
又、光学系にスムージング用シリンドリカルレンズ7を付加することにより、LDチップ5の夫々からの出射光の結像が、記録体2上でバー幅方向aに結像のピッチの2倍以上の長さに拡大されるので、LDチップ5が個々に故障しても、その両隣のLDチップが正常ならば、連続線の途切れないバーエレメントを形成することができる。
【0033】
上記実施形態において、LDアレイ6からの結像を連続線とするためには、スムージング用シリンドリカルレンズ7を、夫々のLDチップ5からの出射光の結像がバー幅方向aにその結像の1ピッチ以上に拡大されるように構成すればよい。
【0034】
以下に本発明の他の実施形態を説明するが、上記第1の実施形態のものと同じものや説明済のものは、それらと同じ符号で示し、細かい説明を省略する。
【0035】
本発明のパターンニング装置の第2の実施形態は、図5、図6に示すように、記録体2にレーザ光をバー幅方向aのラインとなるように集光するレーザ光出射手段11と、記録体2をバー読取方向bに一定速度で移動させる移動手段3と、バーコードの情報を持ちそれに基づいてレーザ光の出射を制御する制御手段12とを有する。
【0036】
レーザ光出射手段11は、入射側から出射側に向けて順に、50個のLDチップ5をバー幅方向aに一列に配置したLDアレイ6と、LDアレイ6からのレーザ光をYAGレーザ媒体16の励起レーザ光として集光する励起光学系を構成するロッドレンズ13及びシリンドリカルレンズ14と、レーザ発振系を構成するリアミラー15、YAGレーザ媒体16、Qスイッチ素子17及び出力ミラー18と、YAGレーザ媒体16から出射されたレーザ光を記録体2に集光する非球面レンズ19とが光軸上に固定され鏡筒20に収納されている。
【0037】
励起光学系は、LDアレイ6のバー幅方向aに母線を配したロッドレンズ13と、これに直角なバー読取方向bに母線を配したシリンドリカルレンズ14とを有し、LDアレイ6からの励起レーザ光をリアミラー15を通してYAGレーザ媒体16の入射側端面に集光して端面励起させる。
【0038】
レーザ発振系は、LDアレイ6からの波長809nmの励起レーザ光を全透過しYAGレーザ媒体16が発振する波長1064nmのレーザ光を全反射するリアミラー15と、YAGレーザ媒体16と、レーザ発振をON/OFFするQスイッチ素子17と、波長1064nmのレーザ光を一部透過する出力ミラー18とを有し、出射側端面から波長1064nmのレーザ光を出射する。
【0039】
制御手段12は、バーコードの情報に基づき、LDアレイ6のON/OFFと、このLDアレイ6のOFF動作に同期させたQスイッチ素子17の動作とを数十μ秒の時間単位で制御する。
上記構成により、励起レーザ光をYAGレーザ媒体16の入射側端面にバー幅方向aのラインとなるように集光して、YAGレーザ媒体16を端面励起させるので、位相が揃い平行度が著しく優れたレーザ光を発振することができ、光学系によりその回折限界近くまで集光することができる。そしてLDアレイ6のON/OFFを制御して、所望量だけポンピングして、Qスイッチ素子17によりQ動作させるので、強度の揃った瞬間的なパルス状のレーザ光を出射することができる。従って、バーエレメント幅が数μm程度のマイクロバーエレメントを高速に形成することができる。
【0040】
得られたバーエレメントの例は、バーエレメント幅が4μm、バーピッチが40μmとなった。なお、バーエレメント長さは200μmであった。
【0041】
上記実施形態において、レーザ発振系からリアミラー15を除き、YAGレーザ媒体16の入射側端面を平滑かつ光軸に垂直に研磨し、この面に波長809nmの励起レーザ光を全透過し波長1064nmのレーザ光を全反射するコーティングを施してもよい。
【0042】
又、上記実施形態において、Qスイッチ素子17と出力ミラー13との間の光軸上に、非線形光学結晶素子21を付加して、YAGレーザ媒体16からのレーザ光の周波数を逓倍して高調波を発生させ、図10に示すように、銅、ニッケルが吸収し易い波長532nmのグリーン光や銀が吸収し易い波長355nmの紫外光にして出射することにより、銀、銅、ニッケル等の皮膜上に容易にパターンニングすることもできる。
【0043】
本発明のパターンニング装置の第3の実施形態は、図7、図8に示すように、記録体2にレーザ光をバー幅方向aのラインとなるように集光すると共に記録体2からの反射光を検出するレーザ光出射手段23と、記録体2をバー読取方向bに一定速度で移動させる移動手段3と、バーコードの情報と記録体2からの反射光の強度とに基づいてレーザ光の出射を制御する制御手段24とを有する。
【0044】
レーザ光出射手段22は、50個のLDチップ5をバー幅方向aに一列に配置したLDアレイ6と、励起光学系を構成するロッドレンズ13及びシリンドリカルレンズ14と、レーザ発振系を構成するYAGレーザ媒体25、及び出力ミラー18と、非球面レンズ19とが入射側から出射側に向けて前記順序で光軸上に固定され、レーザ光検出系を構成する偏光ビームスプリッタ26及びλ/4板27が、この順序でYAGレーザ媒体25と出力ミラー18との間の光軸上に配設され、前記偏光ビームスプリッタ26の反射面から前記光軸の側方に分岐される反射光を受光する受光素子28が鏡筒30の側方に配設され、それら全てが鏡筒30に固定され収納されている。なお、LDアレイ6において、各LDチップ5bからの励起レーザ光がバー読取方向bに偏光するように全LDチップ5bが配置されている。
【0045】
励起光学系は、LDアレイ6からの励起レーザ光を、ロッドレンズ13とシリンドリカルレンズ14とで、YAGレーザ媒体25の入射側端面に集光して端面励起させる。
【0046】
レーザ発振系は、LDアレイ6からの波長809nmの励起レーザ光を全透過しYAGレーザ媒体16が発振する波長1064nmのレーザ光を全反射するコーティングを片面に施したYAGレーザ媒体25と、波長1064nmのレーザ光を一部透過する出力ミラー18とを有し、出射側に波長1064nmのレーザ光を出射する。
【0047】
レーザ光検出系は、バー読取方向bに偏光した入射レーザ光を、偏光ビームスプリッタ26が全透過し、λ/4板27を1回通過させ記録体2に反射させてもう1回λ/4板27を通過させることにより、その偏光方向が光軸回りに90度回転してバー幅方向aに偏光した反射レーザ光にして、偏光ビームスプリッタ26の反射面でほぼ全反射させて、受光素子28に入射させる。このことにより、記録体2へのレーザ光の照射強度を検出することができる。
【0048】
制御手段24は、バーコードの情報に基づき、LDアレイ6のON/OFF動作を数十μ秒の時間単位で制御すると共に、受光素子28が受光した記録体2からの反射光の強度をモニターしたり、これに基づいてLDアレイ6への供給電力を調整したりして、パターンニングを制御することができる。又、既にバーコードが形成されている記録体2を、アルミ蒸着膜が損傷しない程度の弱い連続光を照射して走査することにより、その記録済バーコードを読み出すこともできるように構成されている。
【0049】
上記実施形態において、制御手段24に、受光素子28が受光した反射光の強度の時間変化を記録し、それに基づいて記録体2に自動的に焦点を合わせるオートフォーカス手段を設けることもできる。
【0050】
本発明のパターンニング装置の第4の実施形態は、図9に示すように、記録体2にレーザ光をバー読取方向bに一列に並んだ点状に集光するレーザ光出射手段31と、記録体2をバー幅方向aに一定速度で移動させる移動手段33と、バーコードの情報を持ちそれに基づいてレーザ光の出射を制御する制御手段32とを有する。
【0051】
レーザ光出射手段31は、入射側から出射側に向けて順に、波長809nmのレーザ光を発振する出力0.3WのLDチップ34を30個バー読取方向bに一列に配置したLDアレイ35と、夫々にLDアレイ35に対応したマイクロレンズが30個配置されたマイクロレンズ群36と、両端面が平滑かつ平行に研磨され入射側端面に波長809nmの励起レーザ光を全透過し波長1064nmのレーザ光を全反射するコーティングを施し出射側端面に波長1064nmのレーザ光を一部透過するコーティングを施したYAGレーザ媒体37と、出射されたレーザ光を記録体2に集光するシリンドリカルレンズ38とが光軸上に固定され鏡筒39に収納されている。
【0052】
制御手段32は、バーコードの情報に基づいて、各バーエレメントに対応するLDチップ34全てを、個々にON/OFFさせると共にその強度を対応する各バーエレメントのバーエレメント幅によって段階的に可変させる。
【0053】
上記構成により、LDチップ34の夫々からの励起レーザ光を夫々に対応したマイクロレンズ群36によりYAGレーザ媒体37の片端面に集光して、YAGレーザ媒体37を端面励起させるので、位相が揃い平行度が優れたレーザ光を発振し、シリンドリカルレンズ38により容易に所望のバーピッチに集光することができる。そしてバーコードの情報に基づいて、個々のLDアレイ34のON/OFFと強度を制御することにより、移動手段33によりバー幅方向aに一定速度で移動させられる記録体2に、所望のバーエレメント幅の微細なバーエレメントを高速に形成することができる。又、一つのバーエレメントをLDチップ1個の連続点灯による連続した出射光により形成することができるので、バーエレメント上の場所によるムラの無い均一なバーエレメントを容易に形成することできる。
【0054】
【発明の効果】
本願発明のパターンニング装置によれば、一列に等間隔に配置したLDチップからの出射光が前記LDアレイの長手方向と平行な方向に母線を配した第1のシリンドリカルレンズと、前記第1のシリンドリカルレンズの母線と直交する方向に母線を配した第2のシリンドリカルレンズとにより、LDアレイの長手方向とこれに直交する方向とに集光されたバーエレメントを形成することができる。又、LDチップは数十μ秒程度の所望の時間でON/OFFさせることができるので、バーコードを構成する各バーエレメントを所望の太さと間隔とにすることができる。又、LDチップの夫々からの出射光の結像が記録体上で前記バー幅方向に前記結像のピッチの2倍以上の長さに拡大されるようにスムージング用シリンドリカルレンズを備えているので、LDチップが個々に故障しても、その両隣のLDチップが正常ならば、連続線の途切れないバーエレメントを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す概略斜視図。
【図2】LDアレイの実施形態を示す概略斜視図。
【図3】本発明の第1の実施形態の光学系を説明する概略図。
【図4】本発明の第1の実施形態におけるバーエレメント形成方法を説明する線図。
【図5】本発明の第2の実施形態を示す概略斜視図。
【図6】本発明の第2の実施形態の光学系を説明する概略図。
【図7】本発明の第3の実施形態を示す概略斜視図。
【図8】本発明の第3の実施形態の光学系を説明する概略図。
【図9】本発明の第4の実施形態を示す概略斜視図。
【図10】各種金属における照射光の波長と反射率との関係を示す線図。
【図11】従来例を示す概略斜視図。
【図12】従来例のレーザ光の強度分布を説明する概略図。
【図13】従来例のバーエレメントの強度変化を説明する概略図。
【符号の説明】
2 記録体
4、12、24、32 制御手段
5 レーザダイオードチップ(LDチップ)
6、35 LDアレイ
7 スムージング用シリンドリカルレンズ
8、9、14、38 シリンドリカルレンズ
13 ロッドレンズ
16、25、37 YAGレーザ媒体
17 Qスイッチ素子
19 非球面レンズ
26 偏光ビームスプリッタ
28 受光素子
36 マイクロレンズ群
a バー幅方向
b バー読取方向
Claims (2)
- 複数のレーザダイオードチップを一列に等間隔に配置してなるLDアレイと、このLDアレイのON/OFFを制御する制御手段と、前記レーザダイオードチップからの出射光を集光する前記LDアレイの長手方向と平行な方向に母線を配した第1のシリンドリカルレンズと、前記第1のシリンドリカルレンズの母線と直交する方向に母線を配した第2のシリンドリカルレンズとを有し、前記レーザダイオードチップの長手方向と前記LDアレイの長手方向が平行であるパターンニング装置であって、前記レーザダイオードチップの夫々からの出射光の結像が記録体上で前記バー幅方向に前記結像のピッチの2倍以上の長さに拡大されるようにスムージング用シリンドリカルレンズを備えたことを特徴とするパターンニング装置。
- 第1のシリンドリカルレンズの凸面と第2のシリンドリカルレンズの凸面とが同じ向きとしていることを特徴とする請求項1記載のパターンニング装置。
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