JPH11156567A - レーザ印字装置 - Google Patents

レーザ印字装置

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JPH11156567A
JPH11156567A JP9331482A JP33148297A JPH11156567A JP H11156567 A JPH11156567 A JP H11156567A JP 9331482 A JP9331482 A JP 9331482A JP 33148297 A JP33148297 A JP 33148297A JP H11156567 A JPH11156567 A JP H11156567A
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JP
Japan
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beams
lens
laser
workpiece
mirror
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Application number
JP9331482A
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English (en)
Inventor
Masayuki Niitsuma
正行 新妻
Shinichi Origasa
親一 折笠
Shoichi Kamiya
正一 神谷
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】安価、小型軽量で、ビームスポット間隔を容易
に調整でき、かつ高速で加工できるレーザ印字装置を提
供する。 【解決手段】半導体レーザから出射された複数のレーザ
ビームL1等を、光軸角度調整手段であるレンズ7及びレ
ンズ8で、互いに角度の異なる複数のビームとし、それ
らのビームを、それぞれにガルバノスキャナで駆動され
るXミラー9及びYミラー10によって反射してレーザビ
ームL1a 等としてfθレンズ19a に入射し、fθレンズ
19a の焦点位置に置かれた被加工物20上のビームスポッ
ト位置P1等に集光し、被加工物20を加工する。ビームス
ポット位置P1等は上記の2つのミラーで走査され、ビー
ムスポット間の距離はビーム間の角度で調整される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、情報記録媒体の
カードや各種印刷物等に情報の記録や図形、文字等を印
字するレーザ印字装置に関する。
【0002】
【従来の技術】紙や半導体、金属、プラスチック等へレ
ーザを利用して情報の記録や図形、文字等を印字する手
段として従来から用いられている手段には、CO2 レー
ザやYAGレーザのビームを一次元または二次元に走査
する方法や、ビーム内部にマスクを配置してそのマスク
の形状を被加工物面に結像させる方法等がある。前者
は、Qスイッチ(QSW)やシャッタ、ゲート電圧制御
等でレーザビームをパルス化し、そのビームの光路を駆
動機構付きのXミラー及びYミラーによって変え、fθ
レンズを介して被加工物面へレーザビームを集光し、被
加工物面上に文字や図形等を加工する。一方、後者は、
マスクの像を結像レンズ及び対物レンズを介して被加工
物面に結像させ、パルス化または時間制御されたレーザ
ビームで加工する。
【0003】また、レーザビームを用いた同様の目的の
ための別の方法としては、レーザプリンタがある。上記
のレーザビームをスキャニングする印字加工の装置は、
1本のレーザビームを使用するものが主流であるが、X
ミラー及びYミラーの駆動系の位置決め速度でその加工
速度が制限される。このため、Xミラー及びYミラーの
駆動系の高速化、Xミラー及びYミラーの軽量化、対物
レンズの長焦点化で走査速度を高める等の手段が採られ
ている。
【0004】しかしながら、駆動系を高速化すると駆動
系自体やミラーの慣性のため指定した場所への位置決め
が不正確となり、位置決め誤差が大きくなる。ミラーを
軽量化して慣性モーメントを減らし高速位置決めしよう
としても、ミラーの大きさをビーム径以下まで小さくす
ることはできず、またミラーを薄くすると回転時に振動
が発生するので、ミラーの軽量化には限界がある。ま
た、長焦点の対物レンズは焦点におけるビームスポット
径が大きくなり、同時に位置分解能が低下する等の問題
点をもっている。
【0005】このような問題点を解決するために、複数
のビームを使って加工速度を高める方法が採られてい
る。その1つとしては、複数のビームを複数の光学系で
複数の加工ヘッドに伝送し加工する方法があるが、装置
が大型化し微細な加工は困難である。また、特開平6-79
487 号公報に開示されているような、複数の光ファイバ
からそれぞれに制御されたビームを照射して同時に多点
を加工する装置もある。しかし、この装置は被加工物を
搭載するテーブルを駆動するために高速化に限界があ
る。更には、特開平8-39283 号公報に開示されている装
置もある。この装置は図7に示すように構成されてお
り、レーザ装置11からのレーザビームLをレーザビーム
スプリッタ12で複数ビームに分割し、高速走査を必要と
する方向の走査を光変調器15a 等によって走査し、同時
にマスク16に設けたウインド16a との併用によって出力
も制御する。他方向の走査は反射ミラー18をガルバノス
キャナ17で駆動して行う。この装置によれば十分な高速
化は可能であると考えられる。しかし、この装置には、
部品点数が多く、高価であり、光変調器15a 等のために
出力の上限が限られ、かつレーザ出力がある程度低減さ
れて被加工物に照射されるという問題点がある。また、
両者とも被加工物上でのビームスポット間隔を簡単には
変更することはできない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、上
記の問題点を解決して、安価で、小型軽量で、ビームス
ポット間隔を容易に調整することができ、かつ高速で加
工できるレーザ印字装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明においては、複
数ビームを発生するレーザビーム発生手段と、それらの
ビームを2次元的に走査する走査手段と、走査されたビ
ームを被加工物上に集光する集光レンズとを備えている
レーザ印字装置において、複数ビームが、ある一次元方
向において、互いに異なる角度を有し、走査手段が、複
数ビームを同時に走査する、前記一次元方向用のミラー
及びそれに直交する方向用のミラーで構成され、集光レ
ンズが、複数ビームを同時に集光させる1つのfθレン
ズである(請求項1の発明)。
【0008】互いに異なる角度を有する複数のビームと
fθレンズとで、その角度差に応じた間隔をもつ複数の
ビームスポットが被加工物の表面に形成され、それらの
スポットが2つのミラーによって2次元的に被加工物の
表面上を走査される。また、複数ビームを発生するレー
ザビーム発生手段と、それらのビームを2次元的に走査
する走査手段と、走査されたビームを被加工物上に集光
する集光レンズとを備えているレーザ印字装置におい
て、複数ビームが、ある一次元方向において、互いに異
なる角度を有し、走査手段が、複数ビームを同時に走査
する前記一次元方向に直交する方向用のミラーと、被加
工物搬送手段とで構成され、集光レンズが、複数ビーム
を同時に集光させる1つのfθレンズである(請求項2
の発明)。
【0009】この発明の場合も請求項1の発明と同様
に、互いに異なる角度を有する複数のビームとfθレン
ズとで、その角度差に応じた間隔をもつ複数のビームス
ポットが被加工物の表面に形成され、それらのスポット
が、1つのミラーと被加工物搬送手段とによって2次元
的に被加工物の表面上を走査される。請求項1の発明ま
たは請求項2の発明において、レーザビーム発生手段と
走査手段との間に、複数ビーム間の光軸角度調整手段が
備えられている(請求項3の発明)。
【0010】光軸角度調整手段によって複数ビーム間の
光軸角度を調整することによって、ビームスポット間の
間隔を調整することができる。また、請求項1の発明か
ら請求項3の発明のいずれかにおいて、複数ビームを発
生するレーザビーム発生手段が、ビーム毎に、半導体レ
ーザとそれにカップリングされた光ファイバとで構成さ
れている(請求項4の発明)。
【0011】ビーム毎に、半導体レーザとそれにカップ
リングされた光ファイバとを備えているので、ビーム単
位で出力制御が可能であり、光ファイバの配置や角度に
よってビームの出力形態、例えば並び方や相互の角度や
距離等、を任意に選定することができる。また、半導体
レーザは小型軽量であり、ビームのパルス化が容易であ
る。
【0012】更に、請求項4の発明において、個々の半
導体レーザの出力が、走査手段の制御信号に同期させて
制御される(請求項5の発明)。個々の半導体レーザの
出力が独立に制御されるので、個々に制御される加工ス
ポットの数がビーム数倍になる。
【0013】
【発明の実施の形態】この発明によるレーザ印字装置の
実施の形態について実施例を用いて説明する。なお、従
来技術と同じ機能の部分には同じ符号を付している。 〔第1の実施例〕図1は、この発明によるレーザ印字装
置の第1の実施例の構成を示す概念斜視図であり、図2
はその電気回路の構成を示すブロック図である。
【0014】第1から第3の3つの半導体レーザ(以下
ではLDと略す)3a、3b及び3cには、それぞれに図示し
ていない光ファイバが結合されている。その光ファイバ
から出射される第1から第3のレーザビームL1、L2及び
L3は、第2のビームL2を基準にしてある角度をもってレ
ンズ7に入射されている。レンズ7から出射したそれぞ
れのビームは、レンズ8で所定の角度に調整され、Xミ
ラー9で反射され、更にYミラー10で反射され、レーザ
ビームL1a, L2a 及びL3a となって集光用のfθレンズ
19a に入射し、fθレンズ19a の焦点位置に置かれてい
る被加工物20の表面のビームスポット位置P1, P2及びP3
に集光され、被加工物20の表面を加工する。
【0015】ビームスポット位置P1, P2及びP3は、Xミ
ラー9及びYミラー10の向きを制御するための、図1に
は図示されていないガルバノスキャナ等の駆動装置、X
スキャナ6X及びYスキャナ6Y、で調整されて決められ
る。ビームスポット位置P1, P2及びP3の位置は、レーザ
ビームL1a, L2a 及びL3a のfθレンズ19a への入射角
θとその傾きの方向によって決定される。入射角θとそ
の傾きの方向は、レンズ7への入射ビームの入射角、レ
ンズ7及びレンズ8の焦点距離と両者の距離、Xミラー
9の向き及びYミラー10の向きによって決定される。f
θレンズ19a への入射角θのビームのビームスポット位
置は、fθレンズ19a の焦点距離をfとすると、fθレ
ンズ19a の焦点位置から、レーザビームが傾いている方
向に向かって、 D=f×θ で表される距離Dだけ離れた位置になる。
【0016】したがって、ビーム間の角度がδθである
とすると、ビームスポット間の距離は、f×δθとな
る。言い換えれば、δθを調節することによってビーム
スポット間の距離を調節することができる。なお、ビー
ム間の角度δθは、レンズ7への入射ビーム間の角度、
レンズ7及びレンズ8の焦点距離と両者の距離によって
決定される。すなわち、上記の光軸角度調整手段である
2つのレンズ7及び8とその距離を、例えば、レンズ7
の焦点距離を50mm、レンズ8の焦点距離を25mmとし、エ
キスパンダの構成に配置すると、入射ビーム間の角度が
2倍になってレンズ8から出射される。図1のように入
射ビーム間の角度より出射ビーム間の角度を小さくする
場合には、レンズ7とレンズ8との距離がエキスパンダ
の構成より離される。
【0017】図1の被加工物20上に示したように加工す
る場合には、Yミラー18以外を固定し、Yミラー18の角
度を変えて、3つのビームL1a, L2a 及びL3a をY方向
に走査する。第1のレーザビームL1を断続させることに
よって点線の加工ができ、第2のレーザビームL2の強度
を弱くすることによって薄い線となり、第3のレーザビ
ームL3の強度を強くすることによって濃い線となる。
【0018】なお、X方向にビームスポット位置P1, P2
及びP3を移動させる場合には、Xミラー9を所定の角度
だけ回転させる。次に、図2を用いて装置を駆動するた
めの電気回路の構成を説明する。タイミング信号発生器
1は、図示していない文字、図形入力装置及び出力装置
に接続されてその装置からの信号S1が入力され、第1か
ら第3のLDドライバ2a, 2b及び2cと、X方向用及びY
方向用位置信号D/A変換器4X及び4Yとに接続されて、
それらの装置にそれぞれの信号を出力する。第1から第
3のLDドライバ2a, 2b及び2cには、それぞれに第1か
ら第3のLD3a, 3b及び3cが接続されており、第1から
第3のLDドライバ2a, 2b及び2cは、それぞれの出力制
御信号S1a,S1b及びS1c をタイミング信号発生器1から
受け、それぞれに第1から第3のLD3a, 3b及び3cを駆
動する。また、X方向用及びY方向用位置信号D/A変
換器4X及び4Yには、それぞれにXスキャナドライバ5X及
びYスキャナドライバ5Yを介して、ガルバノスキャナ等
のXスキャナ6X及びYスキャナ6Yが接続されている。X
方向用及びY方向用位置信号D/A変換器4X及び4Yは、
タイミング信号発生器1からの信号に基づいて、それぞ
れにXスキャナドライバ5X及びYスキャナドライバ5Yに
それぞれの制御信号SX及びSYを送信し、その信号に基づ
いてXスキャナ6X及びYスキャナ6Yが駆動される。
【0019】図3は、これらの制御信号の一例を示すタ
イミングチャートであり、縦6ドット、横4ドットで
「F」の文字を印字する場合に相当する。Y方向駆動信
号(図3ではY駆動信号)SYにはランプ状の信号が用い
られ、X方向駆動信号(図3ではX駆動信号)SXにはス
テップ状の信号が用いられる。これらの信号に同期して
第1から第3のLD3a, 3b及び3cを駆動するための出力
制御信号S1a, S1b及びS1c がパルス状に出力されてい
る。
【0020】図4は、図3の制御信号によって加工され
た「F」の文字をモデル図として示したものである。図
4におけるA1からA5、B1とB2、及びC1からC4は、図3に
おけるそれらと対応している。〔第2の実施例〕この実
施例は、第1の実施例とは別の光軸角度調整手段に関す
るものであり、第1の実施例は2つの凸レンズを用いた
ものであったのに対して、凹レンズ7aと凸レンズ8aとを
用いている。
【0021】図5はその構成を示す説明図である。第1
から第3のLD3a, 3b及び3cから平行に出射された3つ
のビームの内の光軸を外れている2つのビームは、凹レ
ンズ7aで外側に曲げられ、次の凸レンズ8aでその曲がり
が元の方向に戻され、ビーム間の角度が所定の値に調整
される。ビーム間の角度は、凹レンズ7aの焦点距離と凸
レンズ8aの焦点距離と両レンズの距離によって定まる。
この場合には、レンズ間の距離が第1の実施例の場合よ
り短くできる。
【0022】第1の実施例においては、レンズ7に入射
される3つのビームが平行でなく間隔が狭まる場合を説
明し、第2の実施例においては、レンズ7aに入射される
3つのビームが平行である場合を説明したが、どちらの
実施例においてもそれに限定されるものではない。ビー
ム発生源の状況と必要なビーム間距離に応じて平行ある
いは拡がる方向あるい狭まる方向のビームを使い分けれ
ばよいのである。いずれの場合においてもレンズ間の距
離を調整することによって所望のビーム間角度を得るこ
とができる。
【0023】〔第3の実施例〕この実施例は、第1の実
施例とは別の2次元的に走査する走査手段に関するもの
であり、第1の実施例におけるXミラー9の機能を被加
工物20a の搬送装置にもたせたものである。図6はその
構成を示す概念斜視図である。レンズ8からのビーム
は、ミラー90で方向を変えられ、Yミラー10でY方向に
走査され、3つのレーザビームL1c, L2c及びL3c となっ
てfθレンズ19a に入射し、fθレンズ19a で集光され
て被加工物20a に照射される。一方、被加工物20a は、
タイミング信号発生器1からの信号によって駆動される
エンコーダ21によってX方向に搬送さる。この搬送と、
Yミラー10によるY方向へのビームの走査とを合わせる
ことによって、ビームスポットP1, P2及びP3は被加工物
20a 上を2次元的に走査され、必要な文字等が被加工物
20a に印字される。
【0024】以上の実施例においては3つのレーザビー
ムの場合を示したが、3つに限定されるものでないこと
は明白であろう。また、半導体レーザと光ファイバとを
対に組み合わせた例を説明したが、半導体レーザからの
ビームを直接にレンズに入射してもよいし、1つの半導
体レーザに複数の光ファイバを結合することもできる。
【0025】更に、半導体レーザを他のパルス化可能な
レーザ発生装置に置き換えることも可能であり、ガルバ
ノメータを使ったガルバノスキャナによるミラーの駆動
に代えてポリゴン用モータによるポリゴンミラーの駆動
を採用することもできる。
【0026】
【発明の効果】この発明によれば、複数ビームを発生す
るレーザビーム発生手段と、それらのビームを2次元的
に走査する走査手段と、走査されたビームを被加工物上
に集光する集光レンズとを備えているレーザ印字装置に
おいて、複数ビームが、ある一次元方向において、互い
に異なる角度を有し、走査手段が、複数ビームを同時に
走査する、前記一次元方向用のミラー及びそれに直交す
る方向用のミラーで構成され、集光レンズが複数ビーム
を同時に集光させる1つのfθレンズであるので、その
角度差に応じた間隔をもつ複数のビームスポットが被加
工物の表面に形成され、それらのスポットが2つのミラ
ーによって2次元的に被加工物の表面上を走査される。
したがって、高価な部品を必要とせず、高速で加工でき
るレーザ印字装置を提供することができる(請求項1の
発明)。
【0027】また、複数ビームを発生するレーザビーム
発生手段と、それらのビームを2次元的に走査する走査
手段と、走査されたビームを被加工物上に集光する集光
レンズとを備えているレーザ印字装置において、複数ビ
ームが、ある一次元方向において、互いに異なる角度を
有し、走査手段が、複数ビームを同時に走査する前記一
次元方向に直交する方向用のミラーと、被加工物搬送手
段とで構成され、集光レンズが、複数ビームを同時に集
光させる1つのfθレンズであるので、この発明の場合
も請求項1の発明と同様に、その角度差に応じた間隔を
もつ複数のビームスポットが被加工物の表面に形成さ
れ、それらのスポットが1つのミラーと被加工物搬送手
段とによって2次元的に被加工物の表面上を走査され
る。したがって、高価な部品を必要とせず、高速で加工
できるレーザ印字装置を提供することができる(請求項
2の発明)。
【0028】請求項1の発明または請求項2の発明にお
いて、レーザビーム発生手段と走査手段との間に、複数
ビーム間の光軸角度調整手段が備えられているので、光
軸角度調整手段によって複数ビーム間の角度を調整する
ことにより、ビームスポット間の間隔を調整することが
できる。したがって、高価な部品を必要とせず、ビーム
スポット間隔を容易に調整することができ、かつ高速で
加工できるレーザ印字装置を提供することができる(請
求項3の発明)。
【0029】また、請求項1の発明から請求項3のいず
れかの発明において、複数ビームを発生するレーザビー
ム発生手段が、ビーム毎に、半導体レーザとそれにカッ
プリングされた光ファイバとで構成されているので、ビ
ーム単位で出力制御が可能であり、光ファイバの配置や
角度によってビームの出力形態、例えば並び方や相互の
角度や距離等、を任意に選定することができる。また、
半導体レーザは小型軽量であり、ビームのパルス化が容
易である。したがって、高価な部品を必要とせず、装置
が小型化でき、ビームスポット間隔を容易に調整するこ
とができ、高速で加工でき、かつ設計の幅が広いレーザ
印字装置を提供することができる(請求項4の発明)。
【0030】更に、請求項4の発明において、個々の半
導体レーザの出力が、走査手段の制御信号に同期させて
制御されるので、個々に制御される加工スポットの数が
ビーム数倍に増加する。したがって、高価な部品を必要
とせず、装置が小型化でき、ビームスポット間隔を容易
に調整することができ、高速で加工でき、設計の幅が広
く、かつ個々のビームスポットに対応する細かい形状も
印字できるレーザ印字装置を提供することができる(請
求項5の発明)。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明によるレーザ印字装置の第1の実施例
の構成を示す概念斜視図
【図2】実施例の電気回路の構成を示すブロック図
【図3】制御信号の一例を示すタイミングチャート
【図4】印字例を示すモデル図
【図5】第2の実施例におけるビーム間角度の生成手段
の構成を示す説明図
【図6】第3の実施例の構成を示す概念斜視図
【図7】従来技術によるレーザ印字装置の一例の構成を
示す概念斜視図
【符号の説明】
1 タイミング信号発生器 2a 第1のLDドライバ 2b 第2のLDドライバ 2c 第3のLDドライバ 3a 第1のLD 3b 第2のLD 3c 第3のLD 4X, 4Y 位置信号D/A 変換器 5X Xスキャナドライバ 5Y Yスキャナドライバ 6X Xスキャナ 6Y Yスキャナ 7, 7a, 8, 8a レンズ 9 Xミラー 10 Yミラー 11 レーザ装置 12 レーザビームスプリッタ 13 制御装置 14a, 14b, 14c ドライバ 15a, 15b, 15c 光変調器 16 マスク 16a ウインド 17 ガルバノスキャナ 18 反射ミラー 19 集光レンズ 19a fθレンズ 20, 20a 被加工物 21 エンコーダ 90 ミラー L レーザビーム L1, L1a, L1b, L1c 第1のレーザビーム L2, L2a, L2b, L2c 第2のレーザビーム L3, L3a, L3b, L3c 第3のレーザビーム P1, P2, P3 ビームスポット位置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI B23K 26/08 B23K 26/08 K

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数ビームを発生するレーザビーム発生手
    段と、それらのビームを2次元的に走査する走査手段
    と、走査されたビームを被加工物上に集光する集光レン
    ズとを備えているレーザ印字装置において、 複数ビームが、ある一次元方向において、互いに異なる
    角度を有し、 走査手段が、複数ビームを同時に走査する、前記一次元
    方向用のミラー及びそれに直交する方向用のミラーで構
    成され、 集光レンズが、複数ビームを同時に集光させる1つのf
    θレンズであることを特徴とするレーザ印字装置。
  2. 【請求項2】複数ビームを発生するレーザビーム発生手
    段と、それらのビームを2次元的に走査する走査手段
    と、走査されたビームを被加工物上に集光する集光レン
    ズとを備えているレーザ印字装置において、 複数ビームが、ある一次元方向において、互いに異なる
    角度を有し、 走査手段が、複数ビームを同時に走査する前記一次元方
    向に直交する方向用のミラーと、被加工物搬送手段とで
    構成され、 集光レンズが、複数ビームを同時に集光させる1つのf
    θレンズであることを特徴とするレーザ印字装置。
  3. 【請求項3】レーザビーム発生手段と走査手段との間
    に、複数ビーム間の光軸角度調整手段が備えられている
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレー
    ザ印字装置。
  4. 【請求項4】複数ビームを発生するレーザビーム発生手
    段が、ビーム毎に、半導体レーザとそれにカップリング
    された光ファイバとで構成されていることを特長とする
    請求項1から請求項3のいずれかに記載のレーザ印字装
    置。
  5. 【請求項5】個々の半導体レーザの出力が、走査手段の
    制御信号に同期させて制御されることを特長とする請求
    項4に記載のレーザ印字装置。
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