JPH08243765A - レーザ刻印装置 - Google Patents

レーザ刻印装置

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JPH08243765A
JPH08243765A JP7047382A JP4738295A JPH08243765A JP H08243765 A JPH08243765 A JP H08243765A JP 7047382 A JP7047382 A JP 7047382A JP 4738295 A JP4738295 A JP 4738295A JP H08243765 A JPH08243765 A JP H08243765A
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JP
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liquid crystal
crystal element
incident
optical system
reflective liquid
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JP7047382A
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Akira Mori
彰 森
Hideaki Okubo
英明 大久保
Yoshinori Saitou
伊徳 斎藤
Misao Kato
操 加藤
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Komatsu Ltd
Original Assignee
Komatsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】入射光学系と出射光学系とからなる光学系の省
スペース化を図る。液晶素子に直接、冷却手段を接触さ
せることを可能として、冷却手段の省スペース化、冷却
効率および冷却均一性の向上を図る。 【構成】入射光学系20と、出射光学系30とが、反射
型液晶素子5のレーザ光Lの入射面側に配置される。そ
して、入射光学系20を介してレーザ光Lが、その光軸
が反射型液晶素子5の入射面に対して略垂直となるよう
に、当該反射型液晶素子5に入射される。反射型液晶素
子5で反射されたレーザ光Lは出射光学系30を介して
被刻印物15に導かれる。また、反射型液晶素子5を冷
却する冷却手段17が、反射型液晶素子5の入射面とは
反対側の面に接触して配置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、被刻印物の表面に、液
晶マスクの印字パターンを刻印するレーザ刻印装置に関
する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】レー
ザ光を光源とし、液晶素子を印字パターンマスクとする
レーザ刻印装置は、特開昭60ー174671号公報等
によって既に公知となっている。この種のレーザ刻印装
置では、レーザ光源で発振されたレーザ光を入射光学系
を介して液晶マスクの入射面に入射させるようにしてい
るが、液晶マスクを透過したレーザ光は、液晶マスクの
両面のうち、上記入射面とは反対側の面から出射される
ことになる。
【0003】このため、出射されたレーザ光を被刻印物
に導く出射光学系としては、液晶マスクを挟んで上記入
射光学系とは反対側に配置するか、あるいは、液晶マス
クから出射された光を多数の光学素子を介して入射光学
系が配置されている側にターンさせて、入射光学系と出
射光学系からなる光学系が空間的に左右に拡がることを
防止しようとしている。
【0004】しかし、上記いずれの方法をとったとして
も、入射光学系と出射光学系とから光学系は、左右方向
にも上下方向にも場積が重むことになっていた。
【0005】とりわけ、液晶マスクを透過し出射された
レーザ光を入射光学系が配置されている側にターンさせ
る方法をとった場合には、ミラー、プリズム等の多数の
光学素子を必要とする。このため、コストがかかること
にもなっていた。
【0006】さらに、液晶マスクは、刻印むらを防止す
るために、液晶画面の各画素に温度むらが生じないよう
にする必要がある。また、液晶マスクは、温度が低すぎ
ると液晶の表示書換えに時間を要することになり、逆に
温度が高すぎるとコントラストが悪化するので、適温と
いうものが存在する。このため、液晶マスクを、入射面
とは反対側の裏面より温度が均一となるよう、しかも適
温となるよう冷却する必要がある。
【0007】しかし、従来のレーザ刻印装置では、液晶
マスクの片面にレーザ光が入射され、液晶マスクを透過
したレーザ光が他方の面から出射されるという構成をと
っていたため、液晶マスク面に直接、冷却手段を接触配
置させることはできなかった。
【0008】したがって、冷却ファン等により空気等を
媒介として間接的にしか冷却を行うことができなかっ
た。
【0009】しかし、このような冷却方法をとった場合
には、冷却装置のための設置スペースを必要とするとと
もに、冷却効率および冷却の均一性の点でも問題があっ
た。本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであ
り、入射光学系と出射光学系とからなる光学系の省スペ
ース化を図るとともに、光学素子の数を減少させて低コ
スト化を図ることを第1の目的とするものである。
【0010】また、本発明は、液晶素子に直接、冷却手
段を接触させることを可能として、省スペース化、冷却
効率および冷却均一性の向上を図ることを第2の目的と
するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】そこで、この発明の第1
発明では、レーザ光源で発振されたレーザ光を入射光学
系を介して液晶マスクに入射させ、この液晶マスクを透
過し出射されたレーザ光を出射光学系を介して被刻印物
に導き、当該被刻印物の表面に、前記液晶マスクの印字
パターンを刻印するようにしたレーザ刻印装置におい
て、前記液晶マスクとして、反射型の液晶素子を使用
し、前記入射光学系によって前記反射型液晶素子に入射
されるレーザ光の光軸が、前記反射型液晶素子の入射面
に対して略垂直となるように、前記入射光学系と、前記
反射型液晶素子で反射されたレーザ光を前記被刻印物に
導く前記出射光学系とを、前記反射型液晶素子の前記入
射面側に配置している。
【0012】また、この発明の第2発明では、前記反射
型液晶素子の前記入射面とは反対側の面に、当該反射型
液晶素子を冷却する冷却手段を接触配置している。
【0013】
【作用】上記第1発明の構成によれば、図1に示すよう
に、入射光学系20と、出射光学系30とが、反射型液
晶素子5のレーザ光Lの入射面側に配置される。そし
て、入射光学系20を介してレーザ光Lが、その光軸が
反射型液晶素子5の入射面に対して略垂直となるよう
に、当該反射型液晶素子5に入射される。反射型液晶素
子5で反射されたレーザ光Lは出射光学系30を介して
被刻印物15に導かれる。
【0014】このため、入射光学系20と出射光学系3
0が、反射型液晶素子5の入射面側に集中して配置され
ることになり、光学系の左右方向の空間的な拡がりが抑
えられる。また、レーザ光Lの光軸が反射型液晶素子5
の入射面に対して略垂直となるように、光学系が配置さ
れるので、光学系の上下方向の空間的な拡がりが抑えら
れる。
【0015】また、上記第2発明の構成によれば、入射
光学系20と出射光学系30が反射型液晶素子5の入射
面側に集中して配置されるので、当該反射型液晶素子5
の入射面とは反対側の面には、何ら光学素子は配置され
ることはなくなる。このため、反射型液晶素子5を冷却
する冷却手段17を当該反射型液晶素子5の入射面とは
反対側の面に接触して配置することが可能となる。
【0016】
【実施例】以下、図面を参照して本発明に係るレーザ刻
印装置の実施例について説明する。
【0017】図1に示すように、実施例のレーザ刻印装
置は、大きくは、刻印すべき印字パターンを表示する液
晶マスクである反射型液晶素子5と、Qスイッチ付きの
YAGレーザ発振器1から発振されたレーザ光Lを、反
射型液晶素子5の入射面の垂直軸に対し所定の微小角δ
の傾斜をもって当該入射面に入射させる入射光学系20
と、反射型液晶素子5で反射されたレーザ光Lを被刻印
物15の刻印面15aに照射させる出射光学系30とか
ら構成されている。
【0018】すなわち、まず、最初に、ワーク15の刻
印面15a上に印字すべき原画像のデータが外部CPU
(上位コンピュータ)からレーザ刻印装置の内部制御部
に転送され、メモリに記憶される。すなわち、内部制御
部は外部CPUから送られてきた原画像を示すコード番
号を記憶する。
【0019】YAGレーザ発振器1は、コントロールパ
ネルの発振スタートボタンが押されるとオンされ、連続
発振を開始する。Qスイッチが作動されていないときに
は、反射型液晶素子5にはレーザ光Lは照射されない。
【0020】ここで、反射型液晶素子5としては、たと
えば高分子複合体液晶が使用され、液晶の各画素(ドッ
ト)が電圧によって駆動される。
【0021】すなわち、液晶5は、電圧が加えられた画
素(ドット)部分で光を反射し、電圧が加えられていな
い画素(ドット)部分を散乱させて、反射させない性質
を有している。液晶5の各画素は時分割的に駆動される
場合もあり、スタティック駆動される場合もある。
【0022】反射型液晶素子5は、液晶部6と、ミラー
部7とからなっており、ミラー部7によって光が反射さ
れる。反射型液晶素子5の内部構造については、後述す
る。つぎに、刻印スタートボタンが押されると、内部制
御部によってポリゴンミラー2、スキャンミラー3を駆
動するモータが初期位置まで駆動され、モータの初期設
定が行われるとともに、当該反射型液晶素子5の初期設
定が行われる。また、この初期設定がなされている間
に、上記メモリに記憶された原画像を分割する処理が内
部制御部によってなされ、表示すべき分割画像の印字パ
ターンデータが反射型液晶素子5に送られる。
【0023】すなわち、内部制御部は、原画像を示すコ
ード番号を、分割した画像ごとのコード番号に変換する
処理を行い、さらにこのコード番号を反射型液晶素子5
の電極に印加すべき電極印加信号に変換し、この電極印
加信号を反射型液晶素子5に加える。
【0024】上記モータおよび反射型液晶素子5の初期
設定が終了した時点で、反射型液晶素子5がオンされ、
反射型液晶素子に時分割的に加えられる電極印加信号に
よって反射型液晶素子5の各画素が駆動され、反射型液
晶素子5上に分割画像が表示されるとともに、上記モー
タが駆動され、反射型液晶素子5上の走査が開始され
る。
【0025】さらに、反射型液晶素子5の表示画素と非
表示画素の反射率が安定した時点で、内部制御部は、Y
AGレーザ発振器1のQスイッチにトリガ信号を加え、
予め設定された周波数でYAGレーザ発振器1のパルス
発振を開始させ、レーザ光Lを反射型液晶素子5の入射
面に照射させる。
【0026】すなわち、YAGレーザ発振器1から出力
されたレーザ光Lは、ポリゴンミラー2、スキャンミラ
ー3、反射型液晶素子5の入射面直前に配置された大口
径のフィールドレンズ4を介して反射型液晶素子5の入
射面上にピンポイント入射される。ここで、フィールド
レンズ4は、入射されるレーザ光Lの光軸を、反射型液
晶素子5の入射面に対し垂直にする機能を果たす光学素
子である。
【0027】内部制御部は、ポリゴンミラー2、スキャ
ンミラー3の回転を制御し、レーザ光Lが反射型液晶素
子5の各画素部分に照射されるよう、ラスタ走査を実行
する。
【0028】反射型液晶マスク5のミラー部7で反射さ
れたレーザ光Lは、反射型液晶素子5の垂直軸に関し入
射光軸と対称な出射光軸をもって、フィールドレンズ4
から出射される。そして、出射レーザ光Lは、フィール
ドレンズ4で生じた歪を補正するためのフィールド補正
レンズ8、X方向移動用ミラー9、X方向リレーレンズ
10、ミラー11、Y方向リレーレンズ12、Y方向移
動用ミラー13、結像レンズ14を介して、ワーク15
の刻印面15aまで導かれ、当該刻印面15a上に分割
画像の印字パターン(反射型液晶素子5で表示された印
字パターンと相似形のもの)を刻印する。
【0029】こうして、ある分割画像のパターンの刻印
が終了すると、つぎの分割画像を刻印すべく、上記モー
タおよび反射型液晶素子5の初期設定が同様になされる
とともに、つぎに表示すべき分割画像の刻印パターンデ
ータが反射型液晶素子5に転送され、以下、同様にして
反射型液晶素子5上のラスタ走査によりワーク15の刻
印面15a上に、つぎの分割画像の印字パターンが印字
される。
【0030】ある分割画像の印字パターンからつぎの分
割画像の印字パターンへの刻印へ移る際には、X方向移
動用ミラー9の回動軸9aおよびY方向移動用ミラー1
3の回転軸13aが、それぞれ矢印に示すように、つぎ
の分割画像印字パターンの印字位置に応じた移動量だけ
駆動される。
【0031】この結果、ワーク15の刻印面15aの2
次元XーY平面上には、各分割画像の印字パターンが、
それぞれ対応する座標位置(X、Y)に、順次刻印さ
れ、最終的に原画像の印字パターンが刻印されることに
なる。
【0032】なお、YAGレーザ発振器1のQスイッチ
は、最初に作動された後は、そのまま作動を続け、反射
型液晶素子5上へのレーザ光照射を継続する。
【0033】つぎに、図2を参照して、液晶面上での走
査を行わない場合の実施例について説明する。なお、図
1と同一符号は同一機能を有するものであり、説明は省
略し、異なる点のみを説明する。
【0034】すなわち、図2の入射光学系20´ではレ
ーザ光Lを走査させる光学素子を設ける代わりに、パル
ス式のレーザ発振器1´から発振されたレーザ光Lの断
面ビーム形状を、反射型液晶素子5の入射面に応じた形
状、大きさに整形、拡大するビーム拡大整形レンズ16
を設けるようにしている。
【0035】このビーム拡大整形レンズ16を通過した
レーザ光Lは、反射型液晶素子5の入射面全面に入射さ
れ、全画素が一括照射される。
【0036】各分割画像の印字パターンを順次、反射型
液晶素子5に表示させるとともに、全画素の一括照射を
順次、行うことによって、刻印が順次行われ、図1に示
す実施例で必要であった分割画像毎の走査は不要とな
る。
【0037】なお、図1、図2の実施例ともに、フィー
ルドレンズ4を補正するフィールド補正レンズ8を設け
るようにしているが、歪が問題とならない場合には、こ
のフィールド補正レンズ8の配設を省略するようにして
もよい。
【0038】また、図1、図2の実施例ともに、フィー
ルドレンズ4を設けるようにしているが、仮にレーザ光
Lが、反射型液晶素子5の入射面に垂直に入射されなく
ても問題がない場合には、フィールドレンズ4自体の配
設を省略してもよい。
【0039】このように、これら図1、図2の実施例に
よれば、入射光学系20と出射光学系30、30´が、
反射型液晶素子5の入射面側に集中して配置されること
になるので、光学系の左右方向の空間的な拡がりを抑え
ることができる。また、レーザ光Lの光軸が反射型液晶
素子5の入射面に対して略垂直となるように、光学系が
配置されているので、光学系の上下方向の空間的な拡が
りも抑えることができる。
【0040】また、反射型液晶素子5自体が入射したレ
ーザ光Lを元の方向に反射させる機能を備えているの
で、従来のように、入射したレーザ光Lを元の方向にタ
ーンさせるための光学素子を別途設ける必要がなくな
り、コストの低減が図られる。
【0041】このように、この実施例によれば、光学系
の省スペース化、低コストが図られる。
【0042】さらに、これら図1、図2の実施例によれ
ば、入射光学系20と出射光学系30、30´が反射型
液晶素子5の入射面側に集中して配置されるので、当該
反射型液晶素子5の入射面とは反対側の面には、何ら光
学素子は配置されることはなくなる。このため、反射型
液晶素子5の入射面とは反対側の面に、冷却手段17
(たとえばヒートシンクやペルチェ冷却素子が使用され
る)を接触配置させることが可能となる。
【0043】このように接触型の冷却手段17を使用す
ることができるので、冷却手段17の設置スペースの省
スペース化が図られるとともに、冷却効率および冷却均
一性が飛躍的に向上する。
【0044】また、反射型液晶素子5は、所定の適温と
なるように維持する制御する必要がある。
【0045】さらに、反射型液晶素子5は、印字品質を
安定化させるために、反射率を所定値に維持する必要が
ある。
【0046】図1は、コントローラ40は、こうした制
御を行うために設けられている。
【0047】すなわち、計測用レーザ光源41からは計
測用のレーザ光が反射型液晶素子5の入射面に入射され
る。そして、反射型液晶素子5によって反射された計測
用レーザ光は、光センサ42で検出される。
【0048】ここで、コントローラ40は、計測用レー
ザ光源41から常に一定パワーのレーザ光が発振される
よう、駆動指令信号V1をレーザ光源41に加える。光
センサ42では、反射レーザ光のパワーが検出され、こ
の検出信号S1がコントローラ40に入力される。
【0049】コントローラ40では、検出信号S1の大
きさから、反射率の大きさが計測される。そこで、例え
ば、反射率が低くなったと計測された場合には、反射型
液晶素子5の駆動電圧を大きくするよう、駆動指令信号
V3を反射型液晶素子5に加え、反射率を高くさせる。
逆に反射率が高くなったと計測された場合には、反射型
液晶素子5の駆動電圧を小さくするよう、駆動指令信号
V3を反射型液晶素子5に加え、反射率を低くさせる。
こうして反射型液晶素子5の反射率は、所定の目標値に
維持される。
【0050】つぎに、温度制御について説明すると、反
射型液晶素子5の入射面とは反対側には、液晶面の温度
を検出する温度センサ43が配設されており、この温度
センサ43で検出された液晶温度S2がコントローラ4
0に入力される。そこで、コントローラ40は、所定の
目標温度が得られるよう、上記温度センサ43の検出温
度S2をフィードバック量として、冷却手段17に対し
て駆動指令信号V2を出力し、温度のフィードバック制
御を行う。こうして反射型液晶素子5の温度は、所定の
目標温度に維持される。
【0051】図2についても、図示してはいないが、同
様の制御が行われる。
【0052】なお、実施例では、レーザとしてYAGレ
ーザを想定しているが、これに限定されるわけではな
く、例えばYAG第2高調波を発光するレーザ、半導体
レーザ、アルゴンレーザ等を使用することができる。
【0053】また、実施例では、反射型液晶素子とし
て、駆動電圧を大きくすると、反射率が高くなる液晶素
子を想定しているが、これに限定されるわけでなく、駆
動電圧を低くすると、反射率が高くなる液晶素子を使用
することができる。
【0054】つぎに、反射型液晶素子5の内部構造につ
いて図3、図4、図5を参照して説明する。
【0055】図3は、液晶部6の入射面とは反対側の面
に、単層膜または複数の膜の積層膜から成る全反射コー
ティング7´を施すことで、この全反射コーティング部
7´で、レーザ光Lを反射させるようにしたものであ
る。
【0056】この全反射コーティングの材質としては、
例えば金属膜を使用することができる。また、金属膜以
外でも、入射レーザ光を反射する特性を有するものあれ
ば、任意の物質膜を使用することができる。また、膜厚
を所定の厚さに設定することで、入射レーザ光を反射さ
せる性質を有するような、透明の物質膜を使用すること
もできる。
【0057】図4(a)は、2枚のガラス6a、6bに
よって液晶が挟まれた構造の反射型液晶素子5である。
つまり、図4(a)に示される、ガラス6a、6bによ
って挟まれた部分Aを図4(b)に拡大して示すよう
に、レーザ光入射側により、順に、ガラス6a、導電性
物質膜6d、液晶6c、全反射機能付導電性物質膜6
e、ガラス6bという構造となっている。ここで、全反
射機能を導電性物質膜6eに持たせることにより、レー
ザ光Lを反射させるようにしている。例えば、6eの全
反射機能は、その膜厚を所定の厚さに設定することで得
るようにしている。図5は、同様に2枚のガラス6a、
6bによって液晶6cが挟まれた構造の反射型液晶素子
5を示している。
【0058】この場合は、2つの導電性物質膜6d、6
dのうち、レーザ光入射側とは反対側の導電性物質膜6
dと液晶6cの境界面B、または同導電性物質膜6dと
ガラス6bとの境界面Cに、単層膜または複数の膜の積
層膜から成る全反射コーティングを施すようにしてい
る。この全反射コーティング部B,Cによって、レーザ
光Lが反射される。
【0059】この全反射コーティングの材質としては、
例えば金属膜を使用することができる。また、金属膜以
外でも、入射レーザ光を反射する特性を有するものあれ
ば、任意の物質膜を使用することができる。また、膜厚
を所定の厚さに設定することで、入射レーザ光を反射さ
せる性質を有するような、透明の物質膜を使用すること
もできる。
【0060】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ刻印装置において、入射光学系と出射光学系との
省スペース化が図られる。また、レーザ光をターンさせ
るための光学素子が不要となり、コストが低減される。
【0061】また、反射型液晶素子の入射面とは反対側
の面に、冷却手段を接触配置させることが可能となり、
冷却手段の設置スペースの省スペース化が図られるとと
もに、冷却効率および冷却均一性が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係るレーザ刻印装置の実施例
の構成を示す図である。
【図2】図2は、他の実施例を示す図である。
【図3】図3は図1および図2に示す実施例に使用され
る反射型液晶素子の構造を示す図である。
【図4】図4(a)は図1および図2に示す実施例に使
用される反射型液晶素子の構造を示す図であり、図4
(b)は、図4(a)のA部拡大図である。
【図5】図5は図1および図2に示す実施例に使用され
る反射型液晶素子の構造を示す図である。
【符号の説明】
1、1´ レーザ発振器 5 反射型液晶素子 15 ワーク 15a 刻印面 17 冷却手段 20 入射光学系 30 出射光学系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 操 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ光源で発振されたレーザ光を
    入射光学系を介して液晶マスクに入射させ、この液晶マ
    スクを透過し出射されたレーザ光を出射光学系を介して
    被刻印物に導き、当該被刻印物の表面に、前記液晶マス
    クの印字パターンを刻印するようにしたレーザ刻印装置
    において、 前記液晶マスクとして、反射型の液晶素子を使用し、 前記入射光学系によって前記反射型液晶素子に入射され
    るレーザ光の光軸が、前記反射型液晶素子の入射面に対
    して略垂直となるように、前記入射光学系と、前記反射
    型液晶素子で反射されたレーザ光を前記被刻印物に導く
    前記出射光学系とを、前記反射型液晶素子の前記入射面
    側に配置したレーザ刻印装置。
  2. 【請求項2】 前記反射型液晶素子の前記入射面と
    は反対側の面に、当該反射型液晶素子を冷却する冷却手
    段を接触配置した請求項1記載のレーザ刻印装置。
  3. 【請求項3】 前記反射型液晶素子は、高分子複合
    体液晶である請求項1記載のレーザ刻印装置。
  4. 【請求項4】 液晶素子の両面のうち、前記入射面
    とは反対側の面に全反射コーティングを施すことにより
    前記反射型液晶素子を構成するようにした請求項1記載
    のレーザ刻印装置。
  5. 【請求項5】 液晶素子を構成する導電性物質の膜
    にレーザ光を反射させる機能を持たせることで前記反射
    型液晶素子を構成するようにした請求項1記載のレーザ
    刻印装置。
  6. 【請求項6】 液晶素子を構成する導電性物質の膜
    に、レーザ光反射膜が接触配置されて、前記反射型液晶
    素子が構成されている請求項1記載のレーザ刻印装置。
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