JP6293310B2 - レーザビームを用いてワークピース上にデータマトリックスコードをマーキングするための方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを用いてワークピース上に、それぞれｓ×ｔ個のブライト又はダークピクセルマトリックス（ｓ，ｔ≧１）からなるブライト及びダークセルからｎ×ｍ個のセルマトリックス（ｎ，ｍ≧２）の形態でデータマトリックスコード（以下ＤＭＣとも称する）をマーキングするための方法に関しており、レーザビームをワークピースに配向するレーザ加工ユニットは、マーキングすべきワークピース領域を、ピクセル行毎にそれぞれ一定のマーキング速度で、及び交互に逆方向に掃引し、掃引中にレーザビームの一時的なスイッチオンにより、ブライトピクセル及び／又はダークピクセルが、ワークピース上にマーキングされる。

ＤＭＣの場合、複数の情報が非常にコンパクトに、正方形又は長方形の面において、ブライト及びダークセルのパターンとして符号化され、各セルは、唯一つのピクセルによって、又はピクセルマトリックスによって形成されている。

公知のマーキング方法の場合、ＤＭＣは、レーザビームをワークピースに配向するレーザ加工ユニットが、ＤＭＣの隣接するピクセル行を順次連続してそれぞれ逆方向に掃引し、その際レーザビームの一時的なスイッチオンにより、ダークピクセルが、ブライトワークピース表面上にマーキングされることによってワークピース上にもたらされる。１つの行から直接隣接する次のピクセル行までの移行の際には、レーザ加工ユニットは、その移動方向の反転のために、ほとんど停止状態まで減速されなければならず、その後は再びマーキング速度まで加速されなければならない。この、大抵においてスムーズではない改行毎の制動及び加速過程には時間がかかり、全体的にＤＭＣのマーキング持続時間の増大につながる。

それに対して、本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の方法において、ＤＭＣを、より短縮された時間でワークピース上にもたらすことである。

この課題は、本発明により、レーザ加工ユニットが、既に掃引したピクセル行から、その曲線直径がピクセル行間隔の少なくとも２倍であるアーチ状又はループ状の曲線上を、次の掃引すべきピクセル行まで誘導されることによって解決される。好ましくは、前記曲線直径は、ピクセル行間隔の少なくとも５倍、特に好ましくは少なくとも１０倍である。

本発明による、少なくとも２倍のピクセル行間隔の大きな曲線直径は、レーザ加工ユニットに、行移行の際の速い速度の維持を可能にさせ、それによって、改行時間の最短化を可能にさせる。直接連続するピクセル行を伴うピクセル行毎の処理の場合には、２つのピクセル行間の行移行がループ状の曲線を介して行われる。これは、２つの直接隣接するピクセル行間のループなしの行移行に比べて、確かにそれよりも長い距離となるが、しかしながら、著しく速い速度でスムーズに掃引することが可能となり、このことは全体的に、より短縮されたマーキング持続時間の結果をもたらす。直接連続しないピクセル行を伴うピクセル行毎の処理の場合には、２つのピクセル行間の行移行がアーチ状、特に半円状の曲線を介して行われる。これは、２つの直接隣接するピクセル行間の行移行に比べて、確かにそれよりも長い距離となるが、しかしながら、著しく速い速度でスムーズに掃引することが可能となり、このことは全体的に、より短縮されたマーキング持続時間の結果をもたらす。

好ましくは、レーザ加工ユニットは、既に掃引したピクセル行から半円状の曲線上をセルマトリックスの次に掃引すべきピクセル行まで誘導される。

好ましくは、曲線に沿ったレーザ加工ユニットのコーナリング速度は、一定のマーキング速度の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも９０％である。

特にアーチ状又は円弧状の行移行の場合には、レーザ加工ユニットは、セルマトリックスのピクセル行を、好ましくはそれぞれ行対毎に逆方向に掃引し、各行対の２つの行は、それぞれ２以上の行間隔分だけ、特に常に同じ行間隔分だけ、相互に離れている。特に好ましくは、列方向において、行対の第１の行は、それぞれ相互に接続され、及び／又は、行対の第２の行は、それぞれ相互に接続される。このマーキング過程は、例えばＤＭＣの最上位のピクセル行において開始され、その後、半円が、逆方向に掃引される中間のピクセル行まで移動する。引き続き半円は、２番目の上位ピクセル行まで戻り、そこから半円を介して次に低位の中間ピクセル行まで移動する。このローテーション式処理戦略は、ＤＭＣの最後のピクセル行まで継続する。

これらのピクセルは、それぞれドット又はラインとして、ワークピース上にマーキング可能であり、その際、丸いピクセルドットは、その良好なプロセス安定性に基づいて、材料誤差及び表面品質の点でピクセルラインよりも優遇される。

本発明によるマーキング方法は、様々な出力クラスにおける、全ての一般的波長のビーム源、例えば固体レーザ（例えば０．５μｍ乃至１μｍの波長）又はＣＯ_２レーザ（１０．６μｍの波長）を用いて変換することが可能である。

本発明のさらなる態様は、レーザマーキング機械（「マーキング用レーザ」）にも関しており、これは、レーザビーム発生器と、レーザビームをワークピースに配向する、Ｘ及びＹ方向に移動及び／又は旋回可能なレーザ加工ユニットと、機械制御部とを備え、この機械制御部は、本発明による方法に従ってレーザ加工ユニットの運動を制御するようにプログラミングされている。

本発明は最終的にコンピュータプログラム製品にも関しており、これは、プログラムが、レーザマーキング機械の機械制御部上で実行される場合に、本発明によるマーキング方法の全てのステップの実施のために適合化されたコード手段を含んでいる。

本発明の態様のさらなる利点及び有利な構成は、明細書、図面及び特許請求の範囲から明らかとなる。また前記の特徴及び以下でさらに説明する特徴は、各特徴自体でもあるいは複数の任意の組み合わせにおいても適用可能である。図面に示し以下で説明する実施形態は、最終的な構成の列挙として理解されるべきではなく、むしろ本発明の説明のための例示的な特徴を備えたものである。

本発明によるマーキング方法の実施に適したマーキング用レーザ。 ブライト及びダークピクセルからなる２２×２２セルマトリックスの例におけるデータマトリックスコード。 ワークピース上へデータマトリックスコードをもたらすための本発明による第１のマーキング方法の個々の方法ステップ。 ワークピース上へデータマトリックスコードをもたらすための本発明による第１のマーキング方法の個々の方法ステップ。 ワークピース上へデータマトリックスコードをもたらすための本発明による第１のマーキング方法の個々の方法ステップ。 ワークピース上へデータマトリックスコードをもたらすための本発明による第１のマーキング方法の個々の方法ステップ。 ワークピース上へデータマトリックスコードをもたらすための本発明による第１のマーキング方法の個々の方法ステップ。 ワークピース上へデータマトリックスコードをもたらすための本発明による第１のマーキング方法の個々の方法ステップ。 ワークピース上へデータマトリックスコードをもたらすための本発明による第２のマーキング方法の個々の方法ステップ。 ワークピース上へデータマトリックスコードをもたらすための本発明による第２のマーキング方法の個々の方法ステップ。 ワークピース上へデータマトリックスコードをもたらすための本発明による第２のマーキング方法の個々の方法ステップ。 ワークピース上へデータマトリックスコードをもたらすための本発明による第２のマーキング方法の個々の方法ステップ。 ピクセルドットからなるデータマトリックスコード。 ピクセルラインからなるデータマトリックスコード。

以下の図面に基づく説明において、同じ又は機能的に同じ構成要素には同一の参照符号が使用される。

図１にフラットベッド型機械として透視図で示されたマーキング用レーザ１は、例えばＣＯ_２レーザ、ダイオードレーザ又は固体レーザとして実施されるレーザビーム発生器２と、Ｘ及びＹ方向に移動可能なレーザ加工ユニット３と、ワークピース載置台４とを含んでいる。レーザビーム発生器２では、レーザビーム５が生成され、このレーザビームは、光ファイバケーブル（図示せず）又は偏向ミラー（図示せず）を用いて、レーザビーム発生器２からレーザ加工ユニット３まで誘導される。レーザビーム５は、レーザ加工ユニット３内に配置された集束光学系を用いて、ワークピース載置台４に載置されたワークピース６に配向される。このマーキング用レーザ１には、さらにプロセスガス７、例えば酸素と窒素が供給される。このプロセスガス７は、レーザ加工ユニット３のプロセスガスノズル８に供給され、そこからレーザビーム５と一緒に放出される。

マーキング用レーザ１は、レーザビーム５を用いてワークピース６上に二次元データマトリックスコード（ＤＭＣ）９をもたらすために用いられる。図２に示されているように、このＤＭＣ９は、例えばブライト及びダークセルからなるｎ×ｍ個のセルマトリックス（ｎ，ｍ＝２２）であり、この場合、各セルは、単一のブライト若しくはダークピクセルによって、又はｓ×ｔ個（ｓ，ｔ≧１）のブライト若しくはダークピクセルマトリックスによって形成されていてもよい。以下では、単なる簡略化の理由から、各セルは単一のピクセル１０ａ，１０ｂによって形成されているものとする。すなわち、ｓ，ｔ＝１である。

図３ａ乃至図３ｆには、本発明によるマーキング方法の個々の方法ステップが示されている。ここではレーザ加工ユニット３が、マーキングすべきワーク領域を、ピクセル行毎に、それぞれ一定のマーキング速度ｖで、交互に逆方向に掃引し、この掃引中にレーザビーム５の一時的なスイッチオンにより、ダークピクセル１０ｂが、ワークピース６上にマーキングされる。

マーキング過程は、レーザ加工ユニット３が、ＤＭＣ９の最上位の１番目のピクセル行１１−１を、一定のマーキング速度ｖで掃引することによって開始される。その際、レーザビーム５の一時的なスイッチオンによって、ダークピクセル１０ｂが、ワークピース６上にマーキングされる（図３ａ）。

その後半円状の曲線１２が、ＤＭＣ９の１２番目のピクセル行１１−１２まで移動し、それにより曲線直径ｄは、１１個のピクセル行間隔になる。１２番目のピクセル行１１−１２は、１番目のピクセル行１１−１とは逆方向に、一定のマーキング速度ｖで掃引され、その際、レーザビーム５の一時的なスイッチオンによって、ダークピクセル１０ｂが、ワークピース６上にマーキングされる（図３ｂ）。

その後半円状の曲線１２は、ＤＭＣ９の２番目のピクセル行１１−２まで戻され、それによって曲線直径ｄは、ここにおいて１０個のピクセル行間隔になる。この２番目のピクセル行１１−２は、１番目のピクセル行１１−１と同じ方向に一定のマーキング速度で掃引され、その際、レーザビーム５の一時的なスイッチオンによって、ダークピクセル１０ｂが、ワークピース６上にマーキングされる（図３ｃ）。

その後半円状の曲線１２は、ＤＭＣ９の１３番目のピクセル行１１−１３まで移動し、それによって曲線直径ｄは、１１個のピクセル行間隔になる。この１３番目のピクセル行１１−１３は、１２番目のピクセル行１１−１２と同じ方向に一定のマーキング速度ｖで掃引され、その際、レーザビーム５の一時的なスイッチオンによって、ダークピクセル１０ｂが、ワークピース６上にマーキングされる（図３ｄ）。

その後半円状の曲線１２は、ＤＭＣ９の３番目のピクセル行１１−３まで戻され、それによって曲線直径ｄは、１０個のピクセル行間隔になる。この３番目のピクセル行１１−３は、１番目のピクセル行１１−１と同じ方向に一定のマーキング速度ｖで掃引され、その際、レーザビーム５の一時的なスイッチオンによって、ダークピクセル１０ｂが、ワークピース６上にマーキングされる（図３ｅ）。

このローテーション式処理戦略は、下方に向けて列方向１３で、最終的にＤＭＣ９の最後のピクセル行、すなわち最下位の２２番目のピクセル行１１−２２もマーキングされるまで、継続する（図３ｆ）。

レーザ加工ユニット３の、半円状の曲線１２に沿ったコーナリング速度は、いずれにせよ、それによって、２つの直接隣接するピクセル行間の狭い行移行と比較して、それよりも長い曲線距離にもかかわらず、マーキング持続時間が大幅に短縮される位に高速である。このコーナリング速度は、例えば、一定のマーキング速度ｖの少なくとも５０％であり得る。「スキップ改行」即ち曲線直径は、必ずしもＤＭＣ９の第１のピクセル行から中間ピクセル行までジャンプする位の大きさである必要はなく、ただ、レーザ加工ユニット３の速いコーナリング速度を維持するために必要とされる大きさであれば十分である。

図４ａ乃至図４ｄには、図３に対して変更された本発明によるマーキング方法の個々の方法ステップが示されており、ここではレーザ加工ユニット３が、マーキングすべきワークピース領域を、ピクセル行毎にそれぞれ一定のマーキング速度ｖで交互に逆方向に掃引し、この掃引中にレーザビーム５の一時的なスイッチオンにより、ダークピクセル１０ｂが、ワークピース６上にマーキングされる。

このマーキング過程は、レーザ加工ユニット３が、ＤＭＣ９の最上位の１番目のピクセル行１１−１を、一定のマーキング速度ｖで掃引することによって開始される。ここでは、レーザビーム５の一時的なスイッチオンによって、ダークピクセル１０ｂが、ワークピース６上にマーキングされる（図４ａ）。

その後ループ状の曲線１４が、ＤＭＣ９の２番目のピクセル行１１−２まで移動し、この場合、曲線直径ｄは、約１０個のピクセル行間隔である。この２番目のピクセル行１１−２は、１番目のピクセル行１１−１とは逆方向に、一定のマーキング速度ｖで掃引され、その際、レーザビーム５の一時的なスイッチオンによって、ダークピクセル１０ｂが、ワークピース６上にマーキングされる（図４ｂ）。

その後同じ曲線直径ｄの同じループ状の曲線１４は、ＤＭＣ９の３番目のピクセル行１１−３まで移動する。この３番目のピクセル行１１−３は、１番目のピクセル行１１−１と同じ方向に一定のマーキング速度ｖで掃引され、その際、レーザビーム５の一時的なスイッチオンによって、ダークピクセル１０ｂが、ワークピース６上にマーキングされる（図４ｃ）。

このスイング式処理戦略は、下方に向けて列方向１３で、最終的にＤＭＣ９の最後のピクセル列、すなわち最下位の２２番目のピクセル行１１−２２もマーキングされるまで、継続する（図４ｄ）。

レーザ加工ユニット３の、ループ円状の曲線１４に沿ったコーナリング速度は、いずれにせよ、それによって、２つの直接隣接するピクセル行間のループなしの行移行と比較して、それよりも長い曲線距離にもかかわらず、マーキング持続時間が大幅に短縮される位に高速である。この「ループ状の改行」は、行間隔よりも大きな曲線直径を移動するために、２つの直接隣接していないピクセル行間でも可能である。

図５ａは、それらのダークセルが、それぞれ、各１つのレーザパルスでパルス制御されたレーザマーキングによって、丸いピクセル１０ｂとして形成されている、１２×１２個のセルマトリックス９の形態のデータマトリックスコードを示している。図５ｂもまた、それらのダークセルが、１つの行内で相互に隣接する複数のレーザパルスでパルス制御されたレーザマーキングによって、ピクセルライン１０ｂとして形成されている、１２×１２個のセルマトリックス９を示している。

図１に示すように、レーザ加工機械１は、さらに、上述したマーキング方法に従ったレーザ加工ユニット３の掃引運動を制御するようにプログラミングされた機械制御部１５を含んでいる。

レーザ加工ユニット３は、図１に示されているようにＸ及びＹ方向に掃引可能な代わりに、例えばレーザビーム５をＸ及びＹ方向に偏向するスキャナ光学系を用いて、Ｘ及びＹ方向に旋回可能に構成されていてもよい。

Claims (9)

1. レーザビーム（５）を用いてワークピース（６）上に、それぞれｓ×ｔ個のブライト又はダークピクセルマトリックスからなるブライト及びダークセルからｎ×ｍ個のセルマトリックス（９）の形態でデータマトリックスコードをマーキングするための方法であって、
   前記レーザビーム（５）を前記ワークピース（６）に配向するレーザ加工ユニット（３）は、マーキングすべきワークピース領域を、ピクセル行毎にそれぞれ一定のマーキング速度（ｖ）で交互に逆方向に掃引し、
   前記掃引中に前記レーザビーム（５）の一時的なスイッチオンにより、ブライトピクセル（１０ａ）及び／又はダークピクセル（１０ｂ）が、前記ワークピース（６）上にマーキングされる、方法において、
   前記レーザ加工ユニット（３）が、既に掃引したピクセル行から、その曲線直径（ｄ）がピクセル行間隔の少なくとも２倍であるアーチ状又はループ状の曲線（１２，１４）上を、次に掃引すべきピクセル行まで誘導されることを特徴とする方法。
2. 前記レーザ加工ユニット（３）は、既に掃引したピクセル行から、半円状の曲線（１２）上を、前記セルマトリックス（９）の次に掃引すべきピクセル行まで誘導される、請求項１記載の方法。
3. 前記曲線（１２，１４）に沿った前記レーザ加工ユニット（３）のコーナリング速度は、前記一定のマーキング速度（ｖ）の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも９０％である、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記レーザ加工ユニット（３）は、既に掃引したピクセル行から、前記セルマトリックス（９）の、２以上のピクセル行間隔分だけ離れたピクセル行まで動かされる、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記レーザ加工ユニット（３）は、前記セルマトリックス（９）の前記ピクセル行を、それぞれ行対毎に逆方向に掃引し、前記各行対の２つの行は、それぞれ２以上の行間隔分だけ、好ましくは常に同じ行間隔分だけ、相互に離れている、請求項１から４いずれか１項記載の方法。
6. 列方向（１３）において、前記行対の第１の行は、それぞれ相互に接続され、及び／又は、前記行対の第２の行は、それぞれ相互に接続される、請求項５記載の方法。
7. 前記ワークピース（６）上で前記ピクセル（１０ａ，１０ｂ）はそれぞれ、ドットとして又はラインとして、マーキングされる、請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. レーザビーム発生器（２）と、
   レーザビーム（５）をワークピース（６）に配向する、Ｘ及びＹ方向に移動及び／又は旋回可能なレーザ加工ユニット（３）と、
   機械制御部（１５）と、
   を備えたレーザマーキング機械（１）であって、
   前記機械制御部（１５）が、請求項１から７いずれか１項記載の方法に従って前記レーザ加工ユニット（３）の運動を制御するようにプログラミングされていることを特徴とする、レーザマーキング機械（１）。
9. プログラムが、レーザマーキング機械（１）の機械制御部（１５）上で実行される場合に、請求項１から７いずれか１項記載の方法の全てのステップの実施のために適合化されたコード手段を含んでいる、コンピュータプログラム製品。

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