JP4267068B2

JP4267068B2 - レーザ彫刻機

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Publication number: JP4267068B2
Application number: JP52017697A
Authority: JP
Inventors: ジーヴェルス，ヴォルフガング
Original assignee: エスコ−グラフィックスイメージングゲーエムベーハー
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2016-11-28
Also published as: DE59606916D1; JPH11500962A; DE19544502C1; EP0830188B1; EP0830188A1; WO1997019783A1; US6150629A

Description

【技術分野】
【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ＤＥ４２１２３９０Ａ１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ＤＥ３７１４５０４Ａ１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

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。