JPH07214348A - 鋼板へのレーザ刻印装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鋼材表面にレーザ刻印を行う方法および装置
において、ショットブラスト加工等によって消えないよ
うな深い刻印を均一のドットパターンで簡潔、高速に行
うレーザ刻印方法ならびに装置を提供せんとするもので
ある。 【構成】 ノーマルパルスレーザと、レーザビームを走
査する１組のガルバノスキャンミラーからなるビーム走
査系と、該ガルバノスキャンミラーを駆動する駆動系
と、レーザビームを集光するｆθレンズあるいはミラー
と、ビームを伝送する出口コア径が入り口コア径よりも
小さなテーパ型光ファイバーと、該テーパ型光ファイバ
ーにレーザビームを投入するための入射光学系と、該テ
ーパ型光ファイバー出口でレーザビームをコリメートす
るコリメート光学系と、刻印情報を処理する制御コンピ
ュータと、該ビーム走査系と該ノーマルパルスレーザの
発振を独立に制御するパルス制御系とを備えたことを特
徴とする鋼材への高速鮮明な刻印を実現するレーザ刻印
装置および方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビームを使って
鋼材表面に刻印する装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼板表面上に製品番号、社標、検査機関
マークなどを刻印にて表示する方法としては、ハンマー
等を使って手作業で刻印する方法とハンマー落下式によ
る自動刻印機がある。しかし手作業では作業環境が悪い
上に時間が長くかかる、また自動刻印機は騒音や刻印ポ
ンチの消耗、文字サイズや刻印方向の変化に対応出来な
いといった欠点がある。このような事から、刻印状態が
鮮明で一様であり、自動化も容易であるレーザ刻印が検
討されてきた。レーザ刻印された鋼板は大気暴露、ショ
ットブラスト加工、熱処理等で消えないような深さが要
求され、一般的には１００μｍ程度以上の深さでなけれ
ばならない。そのためパルスあたりＪオーダのエネルギ
ーを持つ大出力のパルスレーザが必要となる。鋼材のレ
ーザ刻印装置としては特開昭５７−１４２７８５号公報
に提案されているような光学系を搭載した移動台車をモ
ータによってスキャンして刻印を行う方法がある。

【０００３】しかし、こうした方法は移動台車を動かす
のに時間がかかり、刻印に時間がかかる問題があった。
また、ガルバノスキャンミラーとレーザによる刻印装置
は既にＩＣ等へは実用化されているが、これは文字のサ
イズも小さく、Ｑスイッチレーザを使用し刻印深さも数
μｍ程度であり、これをそのまま鋼材の刻印に使うのは
不可能である。また、高繰り返しが可能なＱスイッチレ
ーザを用いているため、刻印する文字や記号等をドット
パターンとして表す方式であり、特開昭５８ー５３４４
４号公報に提案されている様な１ドットごとにガルバノ
スキャンミラー等のスキャン装置とレーザ発振のタイミ
ングを取りながら刻印する方法がとられており、この方
法だとデータのやり取りが複雑化し、繰り返しの遅いノ
ーマルパルスレーザを使用する刻印では時間がかかりす
ぎる問題があった。

【０００４】さらに前述した台車による方法では鋼材の
刻印部前面に光学系を設置するための広い空間があるこ
とが条件となり、鋼板側面や鋼板裏面または、ロール
材、棒材の側面などへの刻印は困難である。また、ビー
ム伝送をミラーで行うため刻印装置全体としての光路が
リジッドなものになり、既設の設備への刻印装置の付与
にあたり、手間のかかる取り付け作業が必要となるばか
りでなく、本来クリーンな環境を必要とするレーザ発振
器本体を粉塵や振動の激しい鋼板などの製造ライン付近
に設置するという制約が生じ、装置の故障が頻発する原
因の一因と成ってしまう。

【０００５】これとは別に光ファイバーを使用した例と
しては、特公昭６２ー１３１１７号公報のようにレーザ
ビームを分割しファイバーで伝送して集光ヘッドに集め
集光ヘッドを動かすことによって刻印を行う装置も提案
されている。しかし、この発明においても、文字を形成
するためのビーム走査は、加工ヘッドを動かすことで刻
印ドットを形成する方式であり、刻印速度が遅く、実用
的でないことは特開昭５７−１４２７８５号公報の発明
と同様である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、鋼板あるい
はロール材、棒材等の鋼材の表面の自由な箇所に簡単か
つ鮮明にレーザ刻印を行う方法および装置を提供せんと
するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の要旨とするところは、ノーマルパルスレー
ザと、レーザビームを走査する１組のガルバノスキャン
ミラーからなるビーム走査系と、該ガルバノスキャンミ
ラーを駆動する駆動系と、レーザビームを集光するｆθ
レンズあるいはミラーと、ビームを伝送する出口コア径
が入り口コア径よりも小さなテーパ型光ファイバーと、
該テーパ型光ファイバーにレーザビームを投入するため
の入射光学系と、該テーパ型光ファイバー出口でレーザ
ビームをコリメートするコリメート光学系と、マーキン
グ情報を処理する制御コンピュータと、該ビーム走査系
と該ノーマルパルスレーザの発振を独立に制御するパル
ス制御系とを備えたことを特徴とするレーザ刻印装置。
及び上記装置により鋼材へのレーザ刻印を行う方法にお
いて、刻印する文字、記号を線分の集合として認識し、
かつ文字あるいは記号中の線分の交差する箇所では交差
する線分の１本を除く他の線分を交差点の前後で中断し
たパターンにより構成し、ガルバノスキャンミラーを各
文字、記号を構成する線分の始点と終点の２点の情報を
基に走査し、該ガルバノスキャンミラーの駆動信号に、
駆動信号に対して実際のガルバノスキャンミラーの動き
が遅れる事を想定しそれに対応したある待ち時間をあら
かじめ入れる事によりガルバノスキャンミラーの位置を
確認する事無くビームスポットを走査し、かつノーマル
パルスレーザを該ガルバノスキャンミラーに合わせたあ
らかじめ求めたタイミングでパルス制御系により該線分
集合の中の線分の終点から始点への各線分間の切れ間の
部分だけを発振停止させ、刻印中にはガルバノスキャン
ミラーによるレーザビームの走査位置の情報を全く認識
する事無く、独立に自由発振させる事により、鋼材への
高速でかつ鮮明なマーキングを可能とする、鋼材へのレ
ーザ刻印方法である。

【０００８】

【作用】図１に本発明に使用するレーザ刻印装置の概略
を示す。ノーマルパルスレーザ発振器１から発したレー
ザビーム２は光ファイバーへの入射光学系により集光さ
れ、テーパ型光ファイバーによって伝送される。テーパ
型光ファイバーの出口には出射ビームをコリメートする
ビームコリメート光学系があり、テーパ型光ファイバー
を出たレーザビームはほぼ平行光にコリメートされる。
コリメートされたレーザ光は２組のガルバノスキャンミ
ラー３、４を利用した高速、高精度ビーム走査系９に導
かれる。ガルバノスキャンミラー３、４は、駆動系１０
によって２次元にレーザビームを移動させ、さらにレー
ザビームはｆθレンズ（あるいはミラー）５によって鋼
板表面上にスポットで集光される。

【０００９】一方、制御コンピュータ６およびパルス制
御系７は刻印情報の処理およびレーザ発振器１の制御を
行うためのものである。サイドノズル８は加工の際の蒸
発の促進、溶融物の除去のため乾燥空気、アルゴン等の
ガスを加工点に吹き付けるためのものである。刻印の情
報は、制御コンピュータに入力される刻印パラメータと
刻印データで構成される。刻印パラメータは、文字の大
きさ、文字の位置の指定であり、刻印データはレーザ刻
印する文字の配列を指定するものである。この２つの情
報と刻印開始命令により、制御コンピュータはあらかじ
め作られている文字形成のためのプログラムを動作さ
せ、刻印する文字、記号等をパターン化されたデータに
し、駆動系１０を通してガルバノスキャンミラー３、４
をスキャンさせる。レーザ発振器１は、最初に周波数、
出力の設定したあとは刻印の開始点で発振開始の信号を
制御コンピュータからパルス制御系を通して受信し、発
振を開始する。

【００１０】次にテーパ型光ファイバーによるレーザビ
ームの伝送について説明する。図２は光ファイバーから
でたレーザ光をコリメートした後、集光レンズにより集
光した際のビームの状況を模式的に表したものである。
光ファイバー出口のコア径をｄ１、コリメート光学系の
焦点距離をｆ１、集光レンズの焦点距離をｆ２，コリメ
ートされたビーム径をＤ１、集光されたビームスポット
の径をｄ２とすると、集光されるビームスポット径の大
きさｄ２は次のように表される。

【００１１】ｄ２＝ｄ１×ｆ１／ｆ２ 上記式に示すように光ファイバーを用いた場合、集光さ
れたビームスポット径は光ファイバーの出口コア径に比
例する。従ってビームスポットを小さく集光し、鋼板上
により深い刻印を施したい場合は、光ファイバーの出口
径を小さくすることが必要になる。しかし鋼材への刻印
に用いるパルスレーザは大出力のため、マルチモードで
発振しているのでビームを絞ることが難しいため光ファ
イバーへレーザビームを入射する際に制限があり、通常
の出口コア径と入口コア径の太さが同じである光ファイ
バーで伝送できるのはコア径が最小０．６ｍｍ程度迄の
ものである。

【００１２】また鋼材へのレーザ刻印を行う場合、通常
刻印範囲としては数十〜百ｍｍ角の範囲に刻印を行う場
合が多いが、こうした範囲を一度にｆθレンズでカバー
使用とした場合、ｆθレンズの焦点距離として、１００
ｍｍ以上程度のものを使用する必要がある。

【００１３】従って前記式でｆ２は約１００ｍｍという
ことになり、仮にファイバーコア径が０．６ｍｍとした
場合、深い刻印をするために必要な集光スポット径１．
０ｍｍ以下程度を得ようとした場合、コリメート光学系
の焦点距離ｆ１は７０ｍｍ以上程度の長い焦点距離のも
のを必要とする。ここで図６においてコリメートされた
ビーム径Ｄ１は光ファイバーのＮＡとコリメート集光系
の焦点距離ｆ１により次のように表される。

【００１４】Ｄ１＝２×ＮＡ×ｆ１ 現在使用されている大出力パルスレーザ用の光ファイバ
ーのＮＡは約０．２程度である。従って上記式に前述の
数字を代入するとＤ１は２８ｍｍ以上程度になる。この
様なビームをｆθレンズを用いて集光するわけである
が、焦点距離１００ｍｍ程度のｆθレンズはそのレンズ
構成上前記のような大きさのビーム径のレーザビームを
走査するような有効径のものを製造することは困難であ
り、従って本発明のガルバノスキャンミラーとｆθレン
ズによりビームを走査するレーザ刻印装置に、通常の出
口コア径と入口コア径の太さが同じである光ファイバー
を用いることは難しい。

【００１５】本発明の構成要素であるテーパ型光ファイ
バーは入口径が出口のコア径より小さくなっている。そ
のため鋼材の刻印に使用する大出力のパルスＹＡＧレー
ザを伝送する場合でも、ファイバーの出口コア径は０．
１〜０．４ｍｍ程度にすることができ、レーザビームの
伝送において、通常の出口コア径と入口コア径の太さが
同じである光ファイバーと比べて約半分以下の出口コア
径ものが使用可能である。

【００１６】この場合、前述したようなｆθレンズに焦
点距離１００ｍｍ程度のものを使用した場合でも集光ビ
ームスポット径を１．０ｍｍ以下程度にする場合はコリ
メート光学系の焦点距離ｆ１を２５ｍｍ程度まで短くす
ることができる。そうするとコリメートビーム径Ｄ１は
１０ｍｍ程度にできる。この程度のビーム径であれば焦
点距離１００ｍｍ程度のｆθレンズの有効径に充分おさ
まり、鋼材表面に深く鮮明な刻印を高速に加工すること
ができる。

【００１７】次に図３に示す刻印時の信号のタイミング
チャートを元に実際の動作を説明する。図３（ａ）
（ｂ）は制御コンピュータからの命令を元に駆動系から
ガルバノスキャンミラーに送られる信号、（ｃ）は制御
コンピュータからパルス制御系に送られる信号、（ｄ）
はパルス制御系からレーザ発振器に送られる信号、
（ｅ）はレーザ発振器の出力、（ｆ）は実際の刻印であ
る。制御コンピュータは移動命令速度に対して、実際の
ガルバノスキャンミラーの移動速度が遅れる事を見越し
て、ガルバノスキャンミラーの移動パターンの変化箇所
においてあらかじめ設定した一定の待ち時間（〜、
〜、〜、〜）を組み込んで刻印のパターン
命令を駆動系に送信する。この待ち時間はあらかじめ設
定された一定の時間であり、刻印する文字、記号の曲が
り、切れ目などビームスポットの移動パターンが変化す
る時にガルバノスキャンミラーによるビームスポットの
軌跡が正確に刻印すべき箇所を通過する様に設ける時間
である。ガルバノスキャンミラーはこの信号に従ってビ
ームスポットを走査し、の様にレーザ発振のｏ
ｎ／ｏｆｆの場所に確かにビームスポットが来た事をい
ちいち確認する信号を送信する事はしない。制御コンピ
ュータは、パルス制御系に向けてはレーザ発振開始、終
了の命令を刻印の必要箇所、不要箇所をガルバノスキャ
ンミラーへの動作信号に基づいてあらかじめ決めた時間
で送信する。パルス制御系はレーザ繰り返しに相当する
パルス周期の信号を前記レーザ発振開始、終了の信号に
合わせてレーザ発振器に送信する。これからわかる様
に、制御コンピュータは一方的に駆動系およびパルス制
御系に向けて命令を送信するのみであって、ガルバノス
キャンミラーのスキャンによるビームスポットの位置を
確認する事無くレーザを発振、停止させ刻印を進めてい
く。

【００１８】こうした、刻印中のビームスポットの位置
を逐次センシング・制御しない方法においては、図４に
示すように刻印文字、記号中に交差点がある場合、その
交差点にレーザビームを二度打ちする恐れがある。ある
いは完全に重ならなくとも部分的に刻印ドットが重なっ
てしまうことが考えられる。本発明が対称とする鋼鋼材
の中には特殊用途に用いるため、その特性が厳しく管理
されているものも多く、刻印のドット形状についても鋼
板特性の劣化を防ぐために、深さ、曲率が規定されてい
る場合がある。そこで本発明ではこのようなドットの重
なりを避けるため、刻印する文字、記号のデータを作成
する際に図５に示すようにあらかじめ交差点において
は、一本の線分を除き他の線分については交差点の前後
で線分が中断しているように作成しておく方法をとる。
これにより二度打ちや、部分的な重なりによる刻印ドッ
トの深さ、形状の変化がない、均一なドットによる刻印
が可能となる。

【００１９】従来の刻印法では（例えば特開昭５８ー５
３４４４号公報）文字を全てのドット情報に分解し、ガ
ルバノスキャンミラーが所定のドットに移動した事をそ
のつど確認してレーザ照射を行っていたため、送受信の
回数が非常に多くなり、その結果マーキングに占める信
号のやり取りの時間が多くなり、刻印に掛かる時間が長
くなっていた。これに対し、本発明は制御コンピュータ
が一方的に指令を送り、ガルバノスキャンミラーとレー
ザ発振器を独立に制御するため、これらに掛かる時間が
大幅に節約され、高速な刻印が可能となる。刻印される
文字、記号を構成するドット間の距離は周波数とガルバ
ノミラーの速度によって決定されるため、文字の大きさ
に応じて、視認性を損なわないようにパルス数を決定す
る。一般的にはこの距離はドットの中心間の距離をドッ
ト径の０．２〜２倍程度以内にすれば充分である。この
ときに１ドットの深さはショットブラスト加工等で消え
ないように１００μｍ程度以上が要求されるため、レー
ザパルスのエネルギーは１Ｊ程度以上が要求され、パル
ス繰り返し数も実用を考えると３０Ｈｚ程度以上が必要
とされる。こうした発振条件から鋼材への刻印にはＱス
イッチパルスレーザでは不可能で、ノーマルパルスレー
ザを使用する事が望ましい。

【００２０】また図３の各信号は便宜的に電圧信号で示
しているが、ＴＴＬ等の無電圧の信号を用いる事ももち
ろん可能である。

【００２１】

【実施例】図６は実施例で使用した刻印装置の構成図で
ある。実施例ではパルス制御系７をパルスジェネレータ
１１とゲート制御器１２により構成した。ＹＡＧレーザ
発振器１の発振周波数をパルスジェネレータ１１により
直接制御するのではなく、制御コンピュータ６からゲー
ト制御器１２に向けレーザ発振ｏｎ／ｏｆｆの信号を送
り、ゲート制御器１２によりパルスジェネレータの信号
にゲートを掛け図２の（ｄ）の信号を作り、レーザ発振
器の制御を行った。また、ガルバノスキャンミラー駆動
系１０はガルバノスキャンミラー制御器１３とガルバノ
スキャンミラードライバー１４で構成した。制御コンピ
ュータからの駆動信号をガルバノスキャンミラー制御器
１３内でＤＡ変換し、ガルバノスキャンミラードライバ
ー１４に送り、図２（ａ）（ｂ）の信号を作りＸ方向用
ガルバノスキャンミラー３とＹ方向用ガルバノスキャン
ミラー４を駆動した。本発明の制御系はこの様に簡単な
制御器の組み合わせにより構成する事ができ、装置の製
作が容易である事も特徴の一つである。

【００２２】上記のレーザマーキング装置において、レ
ーザ発振器は最大定格出力４００ＷのノーマルパルスＹ
ＡＧレーザ発振器を用い、パルスエネルギー３Ｊ／Ｐ、
繰り返し１３０ｐｐｓの条件で刻印を行った。光学系は
テーパ型光ファイバーの入口コア径１．０ｍｍ出口径
０．３ｍｍ、コリメート光学径の焦点距離ｆ１＝３０ｍ
ｍ、を用いてレーザビームを伝送し、コリメートビーム
径約１２ｍｍのコリメートされたレーザビームをガルバ
ノスキャンミラーによるビーム走査系へ伝送した。集光
レンズとしてｆ＝１００ｍｍのｆθレンズを使用した。

【００２３】上記構成の装置を用いて、ロール材側面
に”ＡＢＣＤＥＦＧＨＩ”のアルファベット９文字を、
各文字サイズ８ｍｍ角で刻印したところ刻印時間約２．
５秒で刻印を終了した。刻印された各文字を形成するレ
ーザ照射痕は、穴径５００μｍ、穴深さ５００μｍであ
り、鋼板の刻印に必要な条件を充分満たすものであり、
さらに文字の線分交差点付近におけるドットの重なりも
認められず均一なドットによる刻印が実現された。また
同様の刻印を文字をドット情報に分解し、１ドット毎に
ガルバノスキャンミラーの位置を確認してレーザビーム
を照射する従来のＩＣ等で使用されていたマーキング方
法を用いて行った場合、刻印時間は約８秒であり、本発
明により従来の刻印技術に比べ３倍以上の高速度刻印を
実現することができた。

【００２４】

【発明の効果】本発明により鋼材への高速で、鮮明なレ
ーザ刻印が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ刻印装置概念図である。

【図２】光ファイバー伝送の場合のビーム集光状態概念
図である。

【図３】本発明のレーザ刻印方法概念図である。

【図４】交差点における刻印ドット不均一の場合の概念
図である。

【図５】本発明の交差点での刻印ドット不均一発生回避
方法の概念図である。

【図６】本発明の実施例で使用したレーザ刻印装置の構
成図である。

【符号の説明】

１ ノーマルパルスＹＡＧレーザ発振器 ２ レーザビーム ３，４ ガルバノスキャンミラー ５ ｆθレンズ（ミラー） ６ 制御コンピュータ ７ パルス制御系 ８ サイドノズル ９ ビーム走査系 １０ ガルバノスキャンミラー駆動系 １１ パルスジェネレータ １２ ゲート制御器 １３ ガルバノスキャンミラー制御系 １４ ガルバノスキャンミラードライバー １５ 入射光学系 １６ テーパ型光ファイバー １７ コリメート光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古賀 一郎 神奈川県相模原市淵野辺５−10−１ 新日 本製鐵株式会社エレクトロニクス研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザにより鋼材に刻印を行う装置にお
   いて、 ノーマルパルスレーザと、レーザビームを走査する１組
   のガルバノスキャンミラーからなるビーム走査系と、該
   ガルバノスキャンミラーを駆動する駆動系と、レーザビ
   ームを集光するｆθレンズあるいはミラーと、ビームを
   伝送する出口コア径が入り口コア径よりも小さなテーパ
   型光ファイバーと、該テーパ型光ファイバーにレーザビ
   ームを投入するための入射光学系と、該テーパ型光ファ
   イバー出口でレーザビームをコリメートするコリメート
   光学系と、マーキング情報を処理する制御コンピュータ
   と、該ビーム走査系と該ノーマルパルスレーザの発振を
   独立に制御するパルス制御系とを備えたことを特徴とす
   るレーザ刻印装置。
2. 【請求項２】 ノーマルパルスレーザと、ガルバノスキ
   ャンミラーおよびｆθ光学系からなる該レーザビームの
   走査光学系により行う請求項１に記載のレーザ刻印装置
   により鋼材へのレーザ刻印を行う方法において、 刻印する文字、記号を線分の集合として認識し、かつ文
   字あるいは記号中の線分の交差する箇所では交差する線
   分の１本を除く他の線分を交差点の前後で中断したパタ
   ーンにより構成し、ガルバノスキャンミラーを各文字、
   記号を構成する線分の始点と終点の２点の情報を基に走
   査し、該ガルバノスキャンミラーの駆動信号に、駆動信
   号に対して実際のガルバノスキャンミラーの動きが遅れ
   る事を想定しそれに対応したある待ち時間をあらかじめ
   入れる事によりガルバノスキャンミラーの位置を確認す
   る事無くビームスポットを走査し、かつノーマルパルス
   レーザを該ガルバノスキャンミラーに合わせたあらかじ
   め求めたタイミングでパルス制御系により該線分集合の
   中の線分の終点から始点への各線分間の切れ間の部分だ
   けを発振停止させ、刻印中にはガルバノスキャンミラー
   によるレーザビームの走査位置の情報を全く認識する事
   無く、独立に自由発振させる事により、鋼材への高速で
   かつ鮮明なマーキングを可能とする、鋼材へのレーザ刻
   印方法。