JP4267068B2 - レーザ彫刻機 - Google Patents
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Description
【0001】
この発明は素材の表面を彫刻するためのレーザ彫刻機に関する。
【背景技術】
【0002】
このレーザ彫刻機は第1のレーザビーム源を有し、この第1のレーザビーム源のビームの通路内に変調器と、この変調器に続いて光学系を備え、この光学系は前記素材の表面から間隔を開けて保持されている。前記光学系と前記素材とは互に相対的に動かされ、制御装置は第1の制御信号によって前記変調器を駆動する。その結果、前記素材の表面に衝突する出力放射は前記第1の制御信号によって変調され、それに応じた深さに前記素材の表面が削られる。そして、第2のレーザビーム源は第2の制御信号を持った前記制御装置によって駆動される。
【0003】
こうしたレーザ彫刻機のいくつかが既に知られている。レーザビーム源は一般的に炭酸ガスレーザで構成され、この炭酸ガスレーザは制御信号を持った制御装置によって駆動される。そして、前記制御信号は素材の表面の所望の加工断面に依存する。前記素材の表面は前記光学系と互に相対的に動かされる。前記素材は一般的に、例えば、ゴム或いはプラスチック製の円筒体である。この円筒体はレーザ彫刻機の中に固定され、このレーザ彫刻機の中で回転され、同時に、その回転軸に平行して横方向に移動する。従って、前記光学系によって前記素材の表面にその焦点が合わされたレーザビームは前記素材の表面を走査し、前記制御信号に従って対応するビームの強度を変えて、その強弱に応じて前記素材の表面を深くもしくは浅く除去する。
【0004】
図1は部分的に従来技術に対応したレーザ彫刻機を示している。
素材2はゴムから成る又はゴム表面22を有する円筒体である。前記素材2は回転され、矢印の方へ横方向に動かされる。
【0005】
静止したレーザ彫刻機4は信号発生器及び制御装置として、インターフェースを有するPC(パーソナルコンピュータ)を含んでいる。制御装置6は第1の炭酸ガスレーザ8へ制御信号S1を伝達する。この制御信号S1は第1の炭酸ガスレーザ8が出力レーザ放射を音響光学変調器12へ印加するようにさせる。前記第1の炭酸ガスレーザ8の出力レーザ放射は直線偏光され、一定不変の振幅を有している。
【0006】
制御装置6のインターフェースIFを介して、制御信号S3は前記音響光学変調器12へ印加され、その結果、前記第1の炭酸ガスレーザ8からのレーザビームは、前記制御信号S3の強弱に伴って変化するよう、前記音響光学変調器12によって前記制御信号S3の信号の変化に従って変調される。
【0007】
音響光学変調器12の構造と用途は既に公知であり、音響光学変調器12は水晶と圧電素子を含んでいるのが特徴的である。そして、圧電素子が駆動されると、音波が水晶へ送られ、それに伴い、前記水晶の光学的特性が影響を受ける。前記音響光学変調器を通過したレーザビームは前記音波の周波数に従って回折される。即ち、前記音響光学変調器12からの出力ビームのパワー若しくは強度が変調される。それにより、前記音響光学変調器から現れる有効なビームは前記音響光学変調器による1次回折のビームになる。
【0008】
前記音響光学変調器12からの出力レーザビームは光学系18を通過し、この光学系18にてビームの放射の焦点が素材の表面22の上に合わされる。
その結果、前記素材の表面22に衝突するレーザビームのパワーは制御信号S3に従って変化する。そして、このレーザビームは前記素材の表面22を一定速度で走査するので、前記制御信号S3に対応した断面が前記素材の表面22に現出する。強いビームパワーは大きな刻削深度を引き起こし、弱いビームパワーは小さな刻削深度を引き起こす。
【0009】
ドイツ国公報DE 42 12 390 A1にて知られるように、前述したようなレーザ彫刻機は次のように構成される。即ち、レーザビーム源からの2つのレーザビームは素材の表面に至る別々の光路を介して素材の前に向けられている。この構成により前記素材の表面に数々のビームの正確な重複により凝縮されたビーム点や、あるいは数々の部分的なビームが一部は重複したり或いは全く重複のない一定の形態に結合された多要素ビーム点が現出するように為される。合衆国特許公報US4947023はレーザ彫刻機を開示している。このレーザ彫刻機では、2つのレーザビームがそれらのレーザビームの個々の光路の一部の領域から同軸状に光学系の前に案内されている。もし双方のレーザが循環作業期間中に交換されれば、素材の中に2倍の刻削深度を得ることができるので、この効果が達成されるよう、このレーザ彫刻機は意図されている。
【0010】
ドイツ国公報DE 37 14 504 A1は異なる波長の二つのレーザビームを利用したレーザ彫刻機を開示している。前記異なる波長の二つのレーザビームは一つの加工点へ共にもたらされる。
【0011】
素材の表面22の上に所望の加工断面を得るために制御装置6の支援の下で動作する第1のレーザ8の動作を直接変調することは公知である。しかしながら、代表的な炭酸ガスレーザは最高限度変調周波数がキロヘルツ程度に限られる。そのために、少なくとも所望の断面が非常に細かい構造を持つときには、素材の表面の素速い加工ができなくなってしまう。
【0012】
音響光学変調器を用いると、より速い、且つ、より細かな素材の表面の加工が可能になる。それは、レーザの動作を直接変調する場合とは違って、代表的な音響光学変調器は最高限度変調周波数がメガヘルツ程度の高周波域になるからである。
【0013】
しかしながら、音響光学変調器は、通常、最大限電力100ワットまでのレーザビームしか変調できないために、この点で、音響光学変調器の使用は制限を受ける。応用の多くの場合において、例えば、圧搾機の円筒に目盛りを付ける場合、一定の刻削深度を得ることが絶対的に必要になる。変調器のために最高電力を制限して設定したり、素材の表面22に形成される刻削面の底面に最小限度の刻削深度を設定したりすると、加工速度は、結果として、制限を受ける。それは、素材の表面に必要とする刻削深度を得るために、素材の表面にレーザビームを介していくらかの最低限度のエネルギーを供給しなければならないからである。当然の結果として、最高電力が制限されたレーザビームは素材の表面を横切って比較的ゆっくりとしか動かすことはできないのである。
【発明の開示】
【0014】
本発明は前述した類のレーザ彫刻機を提供することを目的とし、本発明に係るレーザ彫刻機は、素材の表面を素速く加工しながら、一方で、繊細な輪郭線を形成することができ、他方で、一定の最小限度の刻削深度を得ることができる。
【0015】
この問題は以下に説明する類のレーザ彫刻機における本発明により解決される。即ち、第2のレーザビーム源からの出力レーザ放射は変調器からの出力レーザ放射と共に光学系の前の共通のビーム軸にもたらされ、第1及び第2の制御信号は、第1の制御信号が所望の断面の繊細な構造を特定し、一方、第2のレーザビーム源に供給される第2の制御信号は前記断面の深い部分に対応すると言った態様で形成される。
【0016】
レーザビーム源を駆動するために用いられる制御信号は矩形波ではなく傾斜する立ち上がり端を有する。即ち、それら(制御信号)は最高値と最低値との間でレベルが次第に変る。繊細な構造の端部を形成するためにのみ変調器のための第1の制御信号の信号レベルの中には急速な変化がある。それ故、変調器からの出力レーザ放射も同じように急変する。而して、変調されたレーザビームは繊細な輪郭線を素材の表面に形成する。レーザビームが、その後、素材の表面を横切って、さらに案内されると、前記レーザビームのパワーが増加する。それに応じて、素材の表面に作られる断面はだんだん深くなる。一方、彫刻される領域の最初の部分が変調器によって放射されたレーザビームによって独自に形成されると、次いで、第2のレーザビーム源からのレーザビームが加えられる。この追加のレーザビームは素材の表面に衝突するレーザビームの全パワーを大きくさせる。即ち、その程度は好ましくは変調器からの出力レーザビームのみにより伝達されたパワーよりも数倍大きくさせる。
【0017】
繊細な輪郭は音響光学変調器の比較的高い変調周波数に基づいて作られる一方で、所望の断面の深い領域は前記第2のレーザビーム源を結合させることにより形成される。深い領域は比較的長く(素材の表面の走査線に沿って見えるように)なっている断面部分内でのみ作られるので、キロヘルツ程度の最高変調周波数は第2のレーザビーム源にとって十分である。
【0018】
従って、この発明における応用は、一方で、音響光学変調器の高い最高変調周波数を利用する。他方で、断面の深い領域を作らなければならないときに、第2のレーザビーム源を結合させた最大レーザパワーによってその制約を補う。
【0019】
本発明は基本的に二つの別々のレーザ、例えば、炭酸ガスレーザを有することで実現可能である。実用的な実施例にあっては、二つのレーザ管を持った一つのレーザが利用され、一つのレーザ管は一定振幅のレーザビームを伝達し、一方、他のレーザ管のレーザビームは音響光学変調器を介して案内される。
【0020】
第1及び第2のレーザビーム源から放射されたレーザビームが互いに直線偏光されている場合には、実用上特に好ましい実施例が得られる。直線偏光された第1のレーザビームは音響光学変調器に与えられ、これにより、高い変調周波数で変調される。この変調器から出力されたレーザビームは、そのビーム経路中に45°の角度で配置された選択ミラーに与えられる。変調器からの上記レーザビームは、これの入射する上記ミラー面に対して約45°の角度をなす変調ベクトルを有している。このレーザビームは上記ミラーを透過する。もう一方のレーザビームは上記ミラーに対して他方の側から入射するが、その変調ベクトルは上記変調ベクトルに対して直角をなし、上記ミラー面に対して平行になっている。これにより、第2のレーザビーム源からのレーザビームは上記ミラーで反射される。このように透過されたレーザビームと反射されたレーザビームとは、それぞれ直線偏光のままで結合されて1本の共通のレーザビームとなって光学系へ導かれ、この光学系により素材の表面上に集束される。
【0021】
この技術分野における既知の方法によれば、そのようなレーザ彫刻機の制御装置は、主にPC(パーソナルコンピュータ)とそれに対応するインターフェースIFとによって構成されている。彫刻すべき素材表面の所望の断面データがメモリ内に格納されている。これらのデータはPCによって処理され、制御信号に変換される。ここで、制御信号とは2つのレベル間で時間的に変化する信号であり、その信号レベルは基本的には素材表面上の走査ラインに沿った所望の断面に対応している。この制御信号は、本発明に従えば、音響光学変調器に供給される第1の制御信号と、第2のレーザビーム源に供給される第2の制御信号とに分割される。上記変調器から出力されるレーザパワーは、第2のレーザビーム源から出力されるレーザパワーと同様、当該制御信号の有する振幅に本質的に比例する。第1の制御信号と第2の制御信号とを加えると、PCから最初に提供された制御信号が得られる。第1及び第2の制御信号は、PCで作られた制御信号を適当に引き算分離した結果として得られる。
【0022】
上記変調器は、レーザの後段に配置された音響光学変調器であることが好ましい。しかしながら、それと同様な動作モードは、その他の変調器を使用しても達成される。また、レーザ共振器内のQスイッチを使用しても、素材表面を加工するためのレーザ光に所望の変調をかけることが可能である。
【0023】
第1のレーザビーム源と第2のレーザビーム源とは、必ずしも同じ波長のレーザ光を出力する必要はない。第1のレーザと第2のレーザとで異なる波長を用いてもよい。その場合は、レーザ彫刻機の光学系の前段に波長選択ミラーを配置する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
以下に、図面を参照しながら、本発明の幾つかの実施例についてより詳細に説明する。
図1に示された本発明のレーザ彫刻機4は、先に述べた既知のレーザ彫刻機の構成要素、すなわち、PC及びインターフェースIFからなる制御装置6、第1のレーザ8、音響光学変調器12、及び、この音響光学変調器(AOM)12から出力されたレーザビームを彫刻対象のゴム製円筒体である素材2の表面22上に集束させる光学系18、を備えている。
【0025】
図1には、ここで参照すべき追加部分が、深部彫刻用の追加部分16として鎖線によって示されている。この深部彫刻用の追加部分は選択ミラー14と第2のレーザ10とを備えている。
【0026】
制御装置6は、第1のレーザ8が直線偏光かつ一定パワーのレーザビームを音響光学変調器12へ与えるよう、第1のレーザ8に対して制御信号S1を出力する。音響光学変調器12は、素材表面22の所望の断面の微細な輪郭を定める制御信号S3を制御装置6から受け取る。音響光学変調器12から出力された上記と同じ直線偏光のレーザビームは選択ミラー14を透過し、光学系18を介して素材表面22上へ導かれる。
【0027】
第2のレーザ10はPC6から制御信号S2を受け取って、直線偏光されたレーザビームを出力するが、この第2のレーザ10から出力されたレーザビームの偏光ベクトルは変調器12から出力されたレーザビームの偏光ベクトルに垂直である。これらの偏光ベクトルが図1中にそれぞれ短線と点で示されていることからわかるように、選択ミラー14は変調器12から出力されたレーザビームを透過させ、第2のレーザ10から出力されたレーザビームを反射させる。その結果、互いに垂直な偏光ベクトルを有する2つのレーザビームが1本の共通のビーム経路内で1つに統合され、光学系18を介して素材表面22へ到達する。
【0028】
制御信号S1は一定の振幅を有し、従って第1のレーザ8から出力されるレーザビームもまた一定のパワーを有するけれども、第1の制御信号S3と第2の制御信号S2とは、素材表面22上におけるレーザビームの走査ラインに沿った所望の断面に対応して時間的に変化する。変調器12と第2のレーザ10とから出力されるレーザビームのパワーは、それぞれ制御信号S3,S2の振幅にほぼ比例する。
【0029】
図2のA)には、素材2の表面22の断面が示されている。素材表面上におけるレーザビームの走査ラインに沿った断面形状の変化過程は、レーザビームが素材表面を横切って移動する走査スピードと関係している。よって、素材表面22内の断面形状の局所的な変化は、音響光学変調器12に供給される(第1の)制御信号S3の時間変化の割合と、制御装置6から第2のレーザ10へ供給される(第2の)制御信号S2の時間変化の割合とに対応する。制御信号S1,S3,S2は図2のB),C),D)に示されている。
【0030】
素材表面22上におけるレーザビームの走査ラインに沿った断面形状の変化過程と、制御信号、特に制御信号S3,S2、の時間変化との関係が上述の通りであるため、図2A)に示される断面中の個々の場所を制御信号の変化過程中における時刻t1からt6と関係づけることができる。
【0031】
第1のレーザ8に供給される制御信号S1は、レーザ8が一定パワーのレーザビームを音響光学変調器12へ出力するよう、一定の(最大の)振幅を有している。
以下では、音響光学変調器12へ与えられる第1の制御信号S3の変化過程(図2C)について考える。時刻t1で、制御信号S3のレベルが或る一定値へ急激に立ち上り、それにつれて変調器12からのレーザビームのパワーが突然増大するため、結果的に、素材表面22には急な段差が形成される。時刻t1と時刻t2との間では、制御信号S3のレベルが徐々に最大値まで上昇し、それに応じて素材表面22の断面が徐々に深さを増していく。時刻t2で、制御信号S3が最大レベルに達し、従って音響光学変調器12から出力されるレーザビームが最大パワーに達すると、制御信号S2のレベルが上昇し始める。制御信号S2のレベルと制御信号S3のレベルとの合計値に従って、選択ミラー14で1つに統合されたレーザビームのパワーが素材表面上で増大し、その結果、断面の深さが増していく。時刻t3では、制御信号S2のレベルがその最大値に達する。これは最大の断面深さTGに対応する。合計の断面深さTGは、2つの制御信号S2,S3の最大振幅を加えた結果として得られる。
【0032】
時刻t4では、制御信号S2のレベルが下がり始め、それに応じて素材表面内の断面深さが減少し始める。時刻t2と時刻t5との間では制御信号S3がその最大レベルを維持し、時刻t5で制御信号S2が再びゼロレベルに戻ると、その後、制御信号S3は減少し始め、時刻t6で制御信号S3のレベルがゼロに落ちる。時刻t6の後は、レーザビームは素材表面上に導かれることはなく、何の彫刻も起こらない。
【0033】
制御信号S3と制御信号S2とを比較することにより、第2のレーザ10へ供給される第2の制御信号S2は、断面が図2A)中の所定の断面深さXよりも深い時にのみ“作動”させられることがわかる。従って、第2のレーザ10に要求される“変調周波数”は音響光学変調器12の変調周波数よりも低い。よって、変調器12から出力されるレーザビームにより、微細な輪郭が確実に形成される。この変調器12から出力されるレーザビームだと、最大加工深さTM(図2A参照)を得ることができる。それ以上の深さでは、第2のレーザ10が結合される。
【0034】
図3には、レーザ彫刻機の更なる特別な実施例が示されている。図1の実施例は基本的に2つの別個のレーザ、例えば2つの炭酸ガスレーザ、を使用するものであるが、図3の実施例は2本のレーザ管を有する1つのレーザ30を使用するものであって、2本のレーザ管のそれぞれが直線偏光されたレーザ光を出力し、それら2つの偏光ベクトルは互いに垂直である。レーザ30の出力には、垂直な2成分を有するレーザ光が現れる。このレーザ光は、傾斜ミラーM1,M2で繰り返し偏向させられることにより、図1中のミラー14に相当する選択ミラーM3上に導かれる。図3中に点で示されている、直線偏光を有するレーザ光は、ミラーM3により光学系18上へ反射される。これに対して垂直に偏光されたレーザ光は、更なる傾斜ミラーM4を介して音響光学変調器12へ達する。そこから出力されたレーザ光は、更なる傾斜ミラーM5,M6を介しミラーM3を透過して光学系18上へ導かれる。ミラーM5上では、ゼロ次回折の最大値がほとんど存在しない。このレーザ光の一部は吸収器20によって吸収される。1次回折の最大値は、その後段のミラーや光学系18を介して素材2の表面へ到達する。
【0035】
以上に記載した実施例は本発明の保護範囲内で変更可能である。
図3中のミラーM3の代わりに、図4中にB3で示されるように、ビーム制御のための多少異なった幾何学的配列を持つブルースター窓を使用することも可能である。
【0036】
更には、波長選択ミラーを用いて、異なる波長の2つのレーザビームを重ねるようにしてもよい。この実施例は図示されていない。しかしながら、この実施例においては、2つのレーザビーム源が波長の異なるレーザビームを出力するものであることは明らかである。
【0037】
図1の実施例においては、音響光学変調器12が第1のレーザ8の後段に配置されている。しかしながら、レーザ光の変調はQスイッチ付のレーザによっても達成可能である。既に知られているように、このQスイッチはレーザの共振器内に設けられる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】図1はレーザ彫刻機の概略図である。
【図2】図2は幾つかの制御信号パターンをその対応する素材表面の断面形状と共に示すパルス図である。
【図3】図3は本発明のレーザ彫刻機の更なる実施例を概略的に示す図である。
【図4】図4は図3に変更を加えてなる実施例を概略的に示す図である。
Claims (3)
- 素材表面(22)を彫刻するためのレーザ彫刻機(4)であって、第1のレーザビーム源(8)と、該第1のレーザビーム源(8)のビーム経路中にある音響光学変調器(12)と、その後段に前記素材表面(22)から間隔を置いて配置され、素材とは相互に動く関係にある光学系(18)と、前記音響光学変調器(12)を第1の制御信号(S3)で駆動することにより、前記素材表面(22)上に入射する前記音響光学変調器の出力レーザ光が前記第1の制御信号(S3)に従って変調されると共にそれに応じた深さに前記素材表面(22)を加工するようにした制御装置(6)と、該制御装置(6)により第2の制御信号(S2)で駆動される第2のレーザビーム源(10)とを備える、レーザ彫刻機(4)において、
前記第2のレーザビーム源(10)からの出力レーザ光が、前記音響光学変調器(12)からの出力レーザ光と共に、前記光学系(18)の前の1つの共通のビーム軸上に導かれること、及び、
前記制御装置(6)は、
彫刻すべき前記素材表面(22)の断面データを格納するメモリと、
該断面データを、該断面データによって示される断面深さに対応して変化する振幅レベルを有する1つのオリジナル制御信号に変換する手段と、
前記音響光学変調器(12)の出力レーザ光で加工可能な所定の断面深さ(X)に対応する振幅レベルを基準として、前記オリジナル制御信号の振幅レベルが前記基準の振幅レベルよりも小さい場合には、その場合のオリジナル制御信号をそのまま前記第1の制御信号とし、一方、前記オリジナル制御信号の振幅レベルが前記基準の振幅レベル以上である場合には、前記基準の振幅レベルを前記第1の制御信号の振幅レベルとすると共に、その場合のオリジナル制御信号の振幅レベルから前記基準の振幅レベルを減じたものを前記第2の制御信号の振幅レベルとすることで、1つの前記オリジナル制御信号から前記第1及び第2の制御信号を作成する手段とを備えること、並びに、
前記音響光学変調器(12)の出力レーザ光と前記第2のレーザビーム源(10)の出力レーザ光のパワーは、それぞれ前記第1の制御信号と前記第2の制御信号の有する振幅レベルに比例すること、
を特徴とするレーザ彫刻機。 - 前記第1及び第2のレーザビーム源(8、10)はそれぞれ実質的に垂直な偏光ベクトルを有する直線偏光の光を出力すること、及び、前記音響光学変調器(12)からの出力レーザ光と前記第2のレーザビーム源(10)からの出力レーザ光とは選択ミラー(14)又はブルースター窓(B3)に異なる側から与えられ、その透過光と反射光が前記光学系に共通に与えられることを特徴とする請求項1に記載のレーザ彫刻機。
- 前記第1及び第2のレーザビーム源は異なる波長のレーザ光を出力し、これら2つのレーザビームは波長選択ミラーを介して前記光学系に与えられることを特徴とする請求項1に記載のレーザ彫刻機。
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