WO2019078058A1 - 走査型光出力装置及びその制御方法 - Google Patents

走査型光出力装置及びその制御方法 Download PDF

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WO2019078058A1
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scanning
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雄貴 若山
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株式会社日立産機システム
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09G—ARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G3/00—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes
    • G09G3/02—Control arrangements or circuits, of interest only in connection with visual indicators other than cathode-ray tubes by tracing or scanning a light beam on a screen

Definitions

  • the present invention relates to a scanning light output device and a control method thereof, and more particularly to a laser marking device for printing a shelf life, a bar code or the like on an object moving at high speed on a production line.
  • a laser marking method which processes the surface by irradiating the product surface with a laser beam.
  • the laser marking method has the advantage of being able to print high definition images without contacting the product.
  • it since it takes a relatively long time to scan and print laser light, it is not suitable for high-speed lines when used on a production line.
  • a galvano mirror or a polygon mirror is used as a light scanning mirror, since the size is relatively large, the size of the optical scanning head is large and places where it can be placed are restricted.
  • a parallel-type laser marking device which emits light simultaneously from a plurality of optical fibers.
  • laser light sources as the number to be parallelized are required, and lasers are generally expensive, which causes a problem of increasing the cost of the apparatus.
  • the parallelization increases not only the laser but also the optical fiber, the power supply, the cooling source, and the like, and the number of parts increases, so there is a problem that the apparatus becomes complicated and enlarged. There is also the issue of high power consumption.
  • Patent Document 1 discloses a fiber scanner that vibrates and scans an optical fiber tip, and a fiberscope endoscope is disclosed as an application example thereof.
  • the conventional fiber scanner technology when the conventional fiber scanner technology is applied to the laser marking device, it is difficult to print with high quality due to the movement of the printing object. Since the laser marking device is used on the production line, generally the object to be printed moves at high speed. Further, as an optical scanning method of a fiber scanner, generally, a helical scanning method in which a locus of light has a spiral shape is used. When printing is performed on an object moving at high speed by the spiral scan method, there is a problem that the character may be distorted in the moving direction of the object.
  • this invention is made in view of the said subject, and an object of this invention is to provide the scanning-type light output apparatus which can be high-quality-ized or long-term stabilization, and its control method.
  • the present invention is a scanning light output device, for example, a light emitting element, an optical fiber for guiding light output from the light emitting element, and light At least two or more optical fiber drive mechanisms connected near the end opposite to the light emitting element of both ends of the fiber, a drive current control circuit for the light emitting element, a drive voltage control circuit for the optical fiber drive mechanism, and light emission
  • the device and timing control circuit of the optical fiber drive mechanism are provided, and the drive current control circuit adjusts the light output intensity of the light emitting element, and the drive voltage control circuit adjusts the magnitude of the electric signal input to the plurality of optical fiber drive mechanisms
  • the timing control circuit is configured to adjust the phase difference between the light emission timing of the light emitting element and the electric signal input to the optical fiber drive mechanism.
  • a scanning light output device capable of achieving high quality or long-term stabilization, and a control method thereof.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a scanning light output apparatus in Embodiment 1.
  • FIG. 3A is a perspective view of an optical fiber and an optical fiber drive mechanism in Example 1 and a view conceptually showing an optical fiber vibration.
  • FIG. 1 is a view conceptually showing a laser marking system using a scanning light output device in Example 1.
  • FIG. 8 is a diagram conceptually showing an ideal scanning locus and a light irradiation position using the scanning light output apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram conceptually showing a general scanning locus and a light irradiation position using the scanning light output apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing frequency response characteristics of optical fiber vibration in Example 1.
  • FIG. 1 is a view conceptually showing a laser marking system using a scanning light output device in Example 1.
  • FIG. 8 is a diagram conceptually showing an ideal scanning locus and a light irradiation position using the scanning light output apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of a scanning light output device in a second embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view of a position detection light receiver in Embodiment 2.
  • FIG. 10 is a perspective view of a split-type light receiver in Embodiment 2.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of a scanning light output device using a split light receiver in a second embodiment.
  • FIG. 8 is a view schematically showing a scanning locus correction method in Embodiment 2.
  • FIG. 10 is a view schematically showing phase delays of an input electric signal waveform to an optical fiber drive mechanism and an optical fiber vibration waveform in Example 2.
  • FIG. 8 is a view schematically showing a method of calculating an optical scanning amplitude in Embodiment 2.
  • FIG. 10 is a perspective view of a position detection light receiver in Embodiment 2.
  • FIG. 10 is a perspective view of a split-type light receiver in Embodiment 2.
  • FIG. 8 is a
  • FIG. 7 is a view schematically showing a method of adjusting the light output intensity of the light emitting element and the light emission timing in Example 2.
  • FIG. 10 is a perspective view of an optical scanning head unit of the scanning light output apparatus in the second embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of an example of the light scanning head unit of the scanning light output apparatus in the second embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of another example of the light scanning head unit of the scanning light output apparatus in the second embodiment.
  • FIG. 7 is a control flowchart of the scanning light output apparatus in the second embodiment.
  • FIG. 14 is a control flowchart of the scanning light output apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the light scanning head portion of the scanning light output device in the fourth embodiment.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the light scanning head unit of the scanning light output apparatus in the fifth embodiment.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the light scanning head portion of the scanning light output apparatus in the sixth embodiment.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a schematic configuration of a scanning light output device in a sixth embodiment.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of the light scanning head portion of the scanning light output device in Example 7;
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a scanning light output apparatus in the present embodiment.
  • the scanning light output device comprises a light source 10 having a light emitting element, an optical fiber 11 for guiding light output from the light source 10, and an optical fiber drive connected near one end of the optical fiber Mechanism 12, a drive current control circuit 18 for controlling the drive current of the light emitting element, a drive voltage control circuit 19 for controlling the drive voltage of the optical fiber drive mechanism 12, a drive current for the light emitting element and drive of the optical fiber drive mechanism 12 It comprises a timing control circuit 17 for controlling the timing of voltage and a data input interface 16 for data input.
  • the light source 10, the drive current control circuit 18, the drive voltage control circuit 19, the timing control circuit 17, and the data input interface 16 are stored in the control device body 13, and the optical fiber drive mechanism 12 It is stored in the head unit 15.
  • the control device body 13 and the light scanning head unit 15 are connected by a wiring cable 14 including an optical fiber.
  • the first feature of the scanning light output device in this embodiment is that the drive current control circuit 18 can adjust the light output intensity of the light emitting element, and the drive voltage control circuit 19 can be used for a plurality of optical fiber drive mechanisms. It is possible to adjust the magnitude of the input electric signal, and the timing control circuit 17 adjusts the phase difference between the light emission timing of the light emitting element and the electric signal input to the optical fiber drive mechanism 12 Is possible.
  • FIG. 2 shows a perspective view of an optical fiber drive mechanism in which four piezo element electrodes 21a, 21b, 22a, 22b are arranged along the circumference of the piezo element 23. As shown in FIG. An optical fiber 24 is passed through the central hole of the piezo element 23.
  • the piezoelectric element electrodes 21a and 21b are electrodes for adjusting the amount of displacement in the lateral direction (x direction), and the piezoelectric element electrodes 22a and 22b are electrodes for adjusting the amount of displacement in the vertical direction (y direction). Therefore, the optical fiber drive mechanism 12 can generate distortion in the x direction and y direction, and can scan light in a two-dimensional plane substantially horizontal to the emission end face 25 of the optical fiber.
  • the scanning light output apparatus in the present embodiment is suitable for a laser marking apparatus that prints a shelf life, a lot number, and the like on food, medicines, industrial products, and the like.
  • a laser marking device is a device that uses laser to print characters, symbols, marks, etc. on various products, and for example, it is printed by physical change such as melting, burning, peeling, scraping, etc. of the surface by laser.
  • the surface is oxidized or discolored by a laser, or printing is performed by chemical change by the application of an ink whose hue and density can be adjusted by a laser.
  • FIG. 3 shows an image diagram printed using the scanning light output apparatus in this embodiment.
  • 32 is a control device body
  • 33 is a display
  • 34 is a wiring cable
  • 35 is an optical scanning head
  • 36 is a printed label
  • 30 is a transport device which is a manufacturing belt conveyor
  • 31a, b, c are It is an object to be printed.
  • the scanning type light output apparatus in this embodiment uses the deflection direction control of the optical fiber using a piezo element as a light scanning method, so the light scanning head unit 35 is very small, and It is possible to print by bringing the optical scanning head unit 35 close to a predetermined printing area of the moving printing objects 31a, b, c. Further, since the optical scanning head unit 35 and the control device main body 32 are connected by the wiring cable 34, the control device main body 32 can be disposed at a position which does not physically interfere with the manufacturing line. Flexibility against
  • the scanning locus is more preferably in the direction substantially perpendicular to the moving direction. Therefore, when the displacement of the tip of the optical fiber changes in a sine function with respect to time, as shown in FIG. 4, the scanning locus 40 of the light on the printing object becomes a sine function as indicated by a broken line. It is preferable not to emit light at the portion between the peak and the valley of the scanning locus because the distance is narrow. Therefore, as shown in FIG.
  • the present embodiment describes a scanning light output device capable of higher quality printing and further having high long-term stability.
  • the scanning locus is preferably in a direction substantially perpendicular to the moving direction of the printing object, but even when the piezoelectric element is controlled in the direction as shown in FIG. Due to the mounting error, it slightly vibrates in the unnecessary direction, that is, the moving direction of the printing object. That is, the scanning locus is strictly not a straight line but an elliptical shape.
  • the scanning locus of light on the printing object in the case of scanning in an elliptical shape is shown in FIG.
  • the broken line indicates the scanning locus 50
  • the black circle indicates the light irradiation position 51.
  • FIG. 5 in the light irradiation position 51 when light is irradiated at the same timing as in the case of linear scanning, as the scanning loci overlap each other, the irradiation positions also overlap, which causes deterioration of the printing quality. .
  • FIG. 6 schematically shows the frequency response characteristic of the optical fiber vibration.
  • the amplitude is maximum.
  • the resonance frequency shifts due to environmental changes such as temperature and humidity.
  • the solid line represents the frequency response characteristic 62 in the initial state
  • the broken line represents the frequency response characteristic 63 when the environment changes. Therefore, when the control frequency of the optical fiber drive mechanism, which is the drive frequency of the piezoelectric element, is a constant value 64 (resonance frequency in the initial state), the amplitude 60 in the initial state is the maximum value of the frequency response characteristic 62 in the initial state.
  • the amplitude 61 at the time of environmental change is a point where the frequency response characteristic 63 at the time of environmental change intersects with the constant value frequency 64, and the amplitude is degraded by the environmental change. This is a factor that impairs long-term stability.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a schematic configuration of a scanning light output apparatus in the present embodiment.
  • the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. 7 differs from FIG. 1 in that the light branching device 70, the position detection light receiver 71, and the beam position detection circuit 72 are provided.
  • the light emitted from the optical fiber 11 is inputted to the light branching device 70, and one of the branched lights is inputted to the position detection light receiver 71.
  • the electric signal output from the position detection light receiver 71 is input to the beam position detection circuit 72 of the controller main body 13.
  • the beam position detection circuit 72 detects a scanning locus of a beam, a scanning locus detection circuit 73, a scanning amplitude detection circuit 75 detecting a scanning amplitude of the beam, an input electric signal waveform to an optical fiber drive mechanism, and an optical fiber vibration waveform And a signal detected by them is input to the drive current control circuit 18, the drive voltage control circuit 19 and the timing control circuit 17.
  • the position detection light receiver 80 is a PSD (Position Sensitive Detector) provided with a p-type contact layer 82 on the upper surface of the high resistance semiconductor layer 81 and an n-type contact layer 83 on the lower surface.
  • Resistive layer 86 is formed on the surface of p-type contact layer 82, and four anode electrodes 84 are formed on each side around resistive layer 86, and cathode electrode layer 85 is formed on the back surface of n-type contact layer 83. It is done.
  • a potential is generated at the four anode electrodes 84. By analyzing this potential, it is possible to detect the barycentric position of the incident beam.
  • the position detecting light receiver 90 is a split type having at least two light receiving portions, and more preferably four split light receiving portions 91a, b, c, d as shown in FIG. It is a light receiver.
  • FIG. 9 shows the incident beam 92 and the beam scanning locus 93 together as an example. It is possible to calculate in which light receiving portion the beam is positioned by the fact that the light receiving portion where the potential is generated is different depending on the position of the beam.
  • the scanning trajectory of the beam is either a straight line or an elliptical shape as in the present embodiment and can be formulated using variable parameters, measurement of the phase difference of the potential waveform of each light receiving unit and the rise time It is possible to detect the position of the center of gravity of the incident beam and the shape of the beam diameter by combining the fitting models.
  • the four-split light receiver is more preferable in that it is cheaper than PSD and can detect the position with high accuracy.
  • FIG. 10 shows a block diagram of a schematic configuration of a scanning light output apparatus in the present embodiment using a four-divided light receiver.
  • the same functions as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • 10 differs from FIG. 7 in that a beam position detection circuit 100 is provided instead of the beam position detection circuit 72.
  • the beam position detection circuit 100 has a phase difference detection circuit 101 and a rise time detection circuit 102 in addition to the scanning locus detection circuit 73, the scanning amplitude detection circuit 75 and the phase delay detection circuit 74 of the beam position detection circuit 72. ing.
  • the beam position detection circuit 100 calculates the beam scanning locus by the phase difference detection circuit 101 and the scanning locus detection circuit 73 from the phase difference of the electric signal waveform outputted from each light receiving portion of the split type light receiver.
  • the scan amplitude is calculated by the rise time detection circuit 102 and the scan amplitude detection circuit 75 from the rise time of the electric signal waveform output from the light receiving unit, and the optical fiber vibration waveform is estimated from the calculated scan locus and scan amplitude.
  • the drive voltage control circuit 19 which controls the drive voltage of the optical fiber drive mechanism from the calculated scanning locus and makes the scanning locus ideal linear
  • the upper three figures show the time change of the drive voltage of the optical fiber drive mechanism
  • the solid line is the voltage for displacing the optical fiber in the y direction
  • the broken line is the voltage for displacing in the x direction is there.
  • the lower three figures each show a scanning locus when the drive voltage waveform voltage of the upper stage is applied.
  • FIG. 11A when only a voltage for displacing in the y direction is applied, it is displaced in only the y direction. Further, as shown in FIG.
  • the phase delay detection circuit 74 detects the phase difference 120 between the drive voltage of the optical fiber drive mechanism and the beam position of the light emitted from the optical fiber. Based on the detected phase difference, the drive current of the light emitting element and the drive voltage of the optical fiber drive mechanism are controlled.
  • FIG. 13 shows simulation results when the amplitude is three. As shown in FIG. 13, it can be seen that the rise time is shorter as the amplitude is larger. As described above, since there is a one-to-one correspondence between the amplitude and the rise time, it is possible to estimate the amplitude by measuring the rise time. In order to estimate the amplitude, the relational expression between the rise time and the amplitude is previously input to the scan amplitude detection circuit 75, or a lookup table in which the correspondence between the rise time and the amplitude is described is prepared in advance. This can be realized by the detection circuit 75 reading the contents.
  • the horizontal axis indicates the time of a half cycle of the optical fiber vibration
  • the vertical axis indicates the relative value of the drive current of the light emitting element.
  • a dark solid line indicates the driving current waveform in the initial state
  • a light irradiation interval T in the initial state is indicated by 142
  • a light irradiation time region in the initial state is indicated by 140.
  • a thin solid line is a drive current waveform at the time of environmental change, a light irradiation interval T ⁇ at environmental change is indicated by 143, and a light irradiation time area at environmental change is indicated by 141.
  • FIG. 15 is a perspective view of the light scanning head unit 15.
  • 151 is an optical fiber casing
  • 152 is a light input unit
  • 153 is a light branching device casing
  • 154 is a scanning lens casing
  • 155 is a light output unit
  • 156 is a position detection light receiver casing. is there.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view showing a first example of the optical scanning head unit 15, which is the internal configuration of FIG.
  • 161 is an optical fiber drive mechanism
  • 162 is an optical fiber
  • 163 is a collimating lens
  • 164 is a beam splitter
  • 165 is a branched light
  • 166 is a position detection light receiver
  • 167 is a light receiver position adjustment mechanism
  • 168 is a light detector.
  • Transmitted light 169 is a light scanning lens.
  • the light scanning lens 169 is a telecentric lens in which the chief ray emitted is substantially parallel to the optical axis.
  • the beam splitter 164 corresponds to the light splitter 70 in FIG. 7
  • the position detection light receiver 166 corresponds to the position detection light receiver 71 in FIG. 7.
  • FIG. 17 shows a cross-sectional view of a second example of the light scanning head unit 15. 17 differs from FIG. 16 in that a flat beam splitter 171 is provided instead of the beam splitter 164.
  • the flat beam splitter 171 is a variable light splitter in which the splitting ratio of the transmitted light amount and the reflected light amount depends on the incident angle of light.
  • FIG. 16 As a feature of the difference between FIG. 16 and FIG. 17, for example, when the branching ratio is set to a large value such as 1: 1000, it is difficult with the beam splitter 164 of FIG. 16 and the flat plate beam splitter 171 of FIG. .
  • the configuration of FIG. 16 has an advantage that the optical axis does not shift, in the configuration of FIG. 17, since the optical axis shifts, a correction component is required for the correction.
  • FIG. 18 is a control flow of the scanning light output apparatus in the present embodiment.
  • the beam position origin correction flow 180 the control frequency setting of the optical fiber drive mechanism which is the initial calibration
  • the beam scanning locus correction flow 181 the light emitting element control flow 182.
  • the position of the position detection light receiver 166 is finely adjusted in the x and y directions on the stage by the light receiver position adjustment mechanism 167 shown in FIG. Make adjustments to be at the center.
  • step 181 which is an initial calibration
  • the resonance frequency of the optical fiber vibration is extracted, and the control frequency of the optical fiber drive mechanism is set near the resonance frequency.
  • the amplitude and phase difference of the applied voltage of the optical fiber drive mechanism are adjusted, and adjustment is performed so as to obtain a desired scanning locus.
  • the phase difference between the applied voltage of the optical fiber drive mechanism shown in FIG. 12 and the optical fiber vibration is detected.
  • the drive current of the light source and the light emission timing are adjusted, and if the amplitude of the optical fiber vibration is not within the allowable range, the process returns to step 181 again to perform initial calibration.
  • the present embodiment describes a scanning light output device that can operate stably for a longer period of time.
  • FIG. 19 is a control flow of the scanning light output apparatus in the present embodiment. 19 is different from FIG. 18 of the second embodiment in that the light emitting element control flow 182 becomes the light emitting element control flow 192, and the other parts are the same, so only the different parts will be described, and the other parts will be omitted. Do.
  • the light emitting element control flow 192 is characterized in that the optical fiber drive mechanism control frequency is finely adjusted when the amplitude of the optical fiber vibration is not within the allowable range.
  • the resonance frequency shift is very slight, it is possible to operate stably for a longer time because there is no need to re-calibrate as shown in FIG. Specifically, for example, in FIG. 6, the control frequency 64 of the optical fiber drive mechanism is moved to finely adjust the frequency.
  • a scanning light output device provided with a mechanism for adjusting the branching ratio of the light branching device will be described.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of the light scanning head unit 15 of the scanning light output apparatus in the present embodiment.
  • the same functions as those of FIG. 17 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • a point different from FIG. 17 in FIG. 20 is that the flat beam splitter 171 includes a beam splitter position adjusting mechanism 201 for adjusting the angle and position of the reflecting surface.
  • the branch ratio can be adjusted by the beam splitter position adjustment mechanism 201. For example, the calibration accuracy is increased by increasing the light amount input to the light receiver during calibration, and the transmitted light amount is increased when actually printing. Thus, power saving of the device can be achieved.
  • the present embodiment describes another mode for performing origin correction for beam position detection.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of the light scanning head unit 15 of the scanning light output apparatus in the present embodiment.
  • the same functions as those of FIG. 17 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. 21 differs from FIG. 17 in that the optical fiber drive mechanism 161 is provided with an optical fiber optical axis adjustment drive mechanism 211 instead of the light receiver position adjustment mechanism 167.
  • the present embodiment it is possible to adjust the position of the beam input to the collimator lens 163 and the light scanning lens 169 simultaneously with the origin correction for detecting the beam position, so printing can be performed with higher accuracy. Is possible.
  • a present Example demonstrates the scanning-type light output apparatus which provided the mechanism for adjusting a beam diameter.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view of the light scanning head unit 15 of the scanning light output apparatus in the present embodiment.
  • the same functions as those in FIG. 17 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • a point different from FIG. 17 in FIG. 22 is that a collimating lens position adjusting mechanism 221 for adjusting the position of the collimating lens 163 in the optical axis direction is provided.
  • FIG. 23 is a block diagram of a schematic configuration of a scanning light output apparatus in the present embodiment.
  • the same functions as those of FIG. 10 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • 23 is different from FIG. 10 in that a collimator lens position adjustment mechanism 221, a beam diameter detection circuit 230, and a drive voltage control circuit 231 of the collimator lens position adjustment mechanism 221 are provided.
  • a collimator lens 163 adjusts the position in the optical axis direction, a collimator lens position adjustment mechanism 221, a drive voltage control circuit 231 of the collimator lens position adjustment mechanism 221, and beam diameter detection.
  • a circuit 230 is provided, and feedback control enables optimization of the beam diameter. This makes it possible to flexibly change the resolution according to the print content.
  • the scanning light output apparatus in the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of the light scanning head unit 15 of the scanning light output apparatus in the present embodiment.
  • the same functions as those of FIGS. 16 and 17 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • a difference from FIGS. 16 and 17 in FIG. 24 is that a reflecting mirror 242 is provided instead of the beam splitter 164 and the flat beam splitter 171 which are light splitters.
  • the position detection beam 241 different from the printing beam 243 output from the optical fiber 162 is reflected by the reflecting mirror 242, and the reflected light is detected by the position detection light receiver 166,
  • the beam position detection circuit calculates at least one of the scanning amplitude and the phase delay between the drive voltage waveform of the optical fiber drive mechanism and the optical fiber vibration waveform, and the calculated signal is the drive current control circuit of the light emitting element, and light It is input to the drive voltage control circuit of the fiber drive mechanism and the timing control circuit.
  • the detection light is detected by the position detection light receiver. It may not be detected.
  • the position detection beam for calibration is always irradiated once in a single scan, there is a feature that the position detection light receiver can always detect.

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Abstract

高品質化または長期安定化が可能な走査型光出力装置及びその制御方法を提供することを目的とする。 本発明の走査型光出力装置は、発光素子と、発光素子から出力される光を導波させるための光ファイバ（１１）と、光ファイバの両端部のうち発光素子と逆側の端近傍に接続された少なくとも２つ以上の光ファイバ駆動機構（１２）と、発光素子の駆動電流制御回路（１８）と、光ファイバ駆動機構の駆動電圧制御回路（１９）と、発光素子と光ファイバ駆動機構のタイミング制御回路（１７）を備え、駆動電流制御回路が発光素子の光出力強度を調整し、駆動電圧制御回路（１９）が複数の光ファイバ駆動機構（１２）に入力される電気信号の大きさを調整し、タイミング制御回路（１７）が、発光素子の光出射タイミングと、光ファイバ駆動機構に入力される電気信号間の位相差を調整するように構成する。

Description

走査型光出力装置及びその制御方法
　本発明は、走査型光出力装置及びその制御方法に関し、特に、生産ライン上で高速に移動する物体に対し賞味期限やバーコード等を印字するためのレーザマーキング装置に関する。
　食品、医薬品、工業製品などに賞味期限やロット番号などを印字する方法として、レーザ光を製品表面に照射することで表面を加工するレーザマーキング方式が知られている。レーザマーキング方式は製品に非接触で、高精細な像を印字できる利点がある。ただし、レーザ光を走査し印字するには比較的時間がかかるため、生産ラインで使用する場合は、高速なラインには適していない。また、光の走査用ミラーとしてガルバノミラーやポリゴンミラーが用いられるが、比較的サイズが大きいため、光走査ヘッドのサイズが大型であり、配置できる場所には制約が生じる。
　これらの課題を解決するための手段として、例えば、複数の光ファイバから同時に光を出射するパラレル方式のレーザマーキング装置が知られている。この場合は、光の走査が不要であるため高速に印字が出来る利点がある。しかし、パラレル化する本数だけのレーザ光源が必要であり、レーザは一般的に高価であり、それにより装置コストが増大する課題がある。またパラレル化することでレーザのみではなく、光ファイバ、電源、冷却源等もそれぞれ部品点数が増大するため、装置が複雑化、大型化する課題がある。また消費電力が高い課題がある。
　そこで、他の解決手段として、光ファイバ先端を振動させ走査するファイバスキャナを用いたレーザマーキング装置がある。光ファイバ先端を振動させ走査するファイバスキャナについての背景技術として特許文献１がある。特許文献１には、光ファイバ先端を振動させ走査するファイバスキャナが開示されており、その適用例としてはファイバスコープ内視鏡が開示されている。
特表２００８－５０４５５７号公報
　特許文献１では、ファイバスコープ内視鏡を前提に記載されているため、ファイバスキャナ技術をレーザマーキング装置に適用した場合の、印字対象物の移動における高品質印字について、考慮されていない。
　すなわち、従来のファイバスキャナ技術をレーザマーキング装置に適用した場合、印字対象物の移動により高品質に印字することが難しい。レーザマーキング装置は生産ラインで使われるため、一般的には印字対象物が高速に移動する。またファイバスキャナの光走査方式として、一般的には光の軌跡が螺旋状となるような螺旋スキャン方式が用いられる。高速に移動する対象物に螺旋スキャン方式で印字した場合、対象物の移動方向に対し字が歪むことがあるという課題がある。
　また、他の課題として、ファイバスキャナを工場の生産ラインで使用する場合は長期安定性に懸念がある。ファイバスキャナは共振現象を利用するため、特性が温度、湿度などの環境変化に敏感である可能性がある。安定化させるためには定期的なキャリブレーションが有効であるが、生産ラインの装置ではキャリブレーションを行う頻度や時間に制約がある。
　そこで、本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、高品質化または長期安定化が可能な走査型光出力装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
　本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、走査型光出力装置であって、発光素子と、発光素子から出力される光を導波させるための光ファイバと、光ファイバの両端部のうち発光素子と逆側の端近傍に接続された少なくとも２つ以上の光ファイバ駆動機構と、発光素子の駆動電流制御回路と、光ファイバ駆動機構の駆動電圧制御回路と、発光素子と光ファイバ駆動機構のタイミング制御回路を備え、駆動電流制御回路が発光素子の光出力強度を調整し、駆動電圧制御回路が複数の光ファイバ駆動機構に入力される電気信号の大きさを調整し、タイミング制御回路が、発光素子の光出射タイミングと、光ファイバ駆動機構に入力される電気信号間の位相差を調整するように構成する。
　本発明によれば、高品質化または長期安定化が可能な走査型光出力装置及びその制御方法を提供できる。
実施例１における走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。 実施例１における光ファイバと光ファイバ駆動機構の斜視図と、光ファイバ振動を概念的に示す図である。 実施例１における走査型光出力装置を用いたレーザマーキングシステムを概念的に示す図である。 実施例１における走査型光出力装置を用いた理想的な走査軌跡と光照射位置を概念的に示す図である。 実施例１における走査型光出力装置を用いた一般的な走査軌跡と光照射位置を概念的に示す図である。 実施例１における光ファイバ振動の周波数応答特性を概略的に示す図である。 実施例２における走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。 実施例２における位置検出受光器の斜視図である。 実施例２における分割型受光器の斜視図である。 実施例２における分割型受光器を用いた走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。 実施例２における走査軌跡補正方法を概略的に示す図である。 実施例２における光ファイバ駆動機構への入力電気信号波形と光ファイバ振動波形との位相遅れを概略的に示す図である。 実施例２における光走査振幅算出方法を概略的に示す図である。 実施例２における発光素子の光出力強度と、光出射タイミングの調整方法を概略的に示す図である。 実施例２における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の斜視図である。 実施例２における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の一例の断面図である。 実施例２における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の他の一例の断面図である。 実施例２における走査型光出力装置の制御フローチャートを示す図である。 実施例３における走査型光出力装置の制御フローチャートを示す図である。 実施例４における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の断面図である。 実施例５における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の断面図である。 実施例６における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の断面図である。 実施例６における走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。 実施例７における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の断面図である。
　以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
　図１は、本実施例における走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、走査型光出力装置は発光素子を有する光源１０と、光源１０から出力される光を導波させるための光ファイバ１１と、光ファイバの一方の端近傍に接続された光ファイバ駆動機構１２と、発光素子の駆動電流を制御する駆動電流制御回路１８と、光ファイバ駆動機構１２の駆動電圧を制御する駆動電圧制御回路１９と、発光素子の駆動電流と光ファイバ駆動機構１２の駆動電圧のタイミングを制御するタイミング制御回路１７と、データ入力用のデータ入力インターフェース１６からなる。また光源１０と、駆動電流制御回路１８と、駆動電圧制御回路１９と、タイミング制御回路１７と、データ入力インターフェース１６は制御装置本体１３に格納されており、光ファイバ駆動機構１２は先端の光走査ヘッド部１５に格納されている。制御装置本体１３と光走査ヘッド部１５は光ファイバを含む配線ケーブル１４で接続されている。
　本実施例における走査型光出力装置の第１の特徴は、駆動電流制御回路１８が発光素子の光出力強度を調整することが可能であり、駆動電圧制御回路１９が複数の光ファイバ駆動機構に入力される電気信号の大きさを調整することが可能であり、タイミング制御回路１７が、発光素子の光出射タイミングと、光ファイバ駆動機構１２に入力される電気信号間の位相差を調整することが可能であることである。
　次に、本実施例における走査型光出力装置の第２の特徴を説明するために、光ファイバ駆動機構１２の一例について図２を用いてより詳しく説明する。図２において、光ファイバ駆動機構は電圧を印加したときに歪が生じるピエゾ素子を用いている。図２ではピエゾ素子２３の周回に沿って４つのピエゾ素子電極２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂが配置された光ファイバ駆動機構の斜視図を示している。ピエゾ素子２３の中心穴には光ファイバ２４が通されている。ピエゾ素子電極２１ａ、２１ｂは、横方向（ｘ方向）の変位量調整用の電極であり、ピエゾ素子電極２２ａ、２２ｂは、縦方向（ｙ方向）の変位量調整用の電極である。そのため、光ファイバ駆動機構１２は、ｘ方向ｙ方向に歪を生じさせることが可能であり、光ファイバの出射端面２５と略水平な２次元面内において光を走査することが可能である。
　以上の特徴により本実施例における走査型光出力装置は、食品、医薬品、工業製品などに賞味期限やロット番号などを印字するレーザマーキング装置に好適である。
　レーザマーキング装置とは、レーザを使ってさまざまな製品に文字・記号・マークなどを印字する装置であり、例えば、レーザにより表面を溶かす、焦がす、表面層をはがす、削るなどの物理的変化で印字を行なうものや、レーザにより表面を酸化させる、変色させる、または、レーザにより色相や濃度が調整可能なインクの塗布による化学的変化で印字を行なうものがある。
　図３に、本実施例における走査型光出力装置を用いて印字するイメージ図を示す。図３において、３２は制御装置本体、３３はディスプレイ、３４は配線ケーブル、３５は光走査ヘッド部、３６は印字されたラベル、３０は製造用ベルトコンベアである搬送装置、３１ａ、ｂ、ｃは印字対象物である。本実施例における走査型光出力装置は、光の走査方式としてピエゾ素子を使った光ファイバの偏向方向制御を用いているため、光走査ヘッド部３５が非常に小型であり、搬送装置３０上を移動する印字対象物３１ａ、ｂ、ｃの所定の印字領域の近くに光走査ヘッド部３５を近づけて印字することが可能である。また、光走査ヘッド部３５と制御装置本体３２は配線ケーブル３４で接続されているため、製造ラインと物理的に干渉しない位置に制御装置本体３２を配置することが可能であり、製造ラインの種類に対する柔軟性が高い。
　次に、本実施例における走査型光出力装置を用いて理想的な印字をするときの光の走査軌跡と光照射タイミングについて図４を用いて説明する。製造ラインにおいては一般的には印字対象物が高速に移動しているため、走査軌跡は移動方向と略垂直方向がより好ましい。そのため、光ファイバ先端の変位が時間に対し正弦関数で変化している場合、図４に示すように、印字対象物における光の走査軌跡４０は破線で示したように正弦関数となる。走査軌跡の山と谷の部分は間隔が狭くなるため、その部分では光を出射しないことが好ましい。そのため、図４に示すように、全体の走査領域のうち中心から７割程度の部分のみ光照射領域として光を照射すれば、黒丸で示す光照射位置４１の間隔が略等しくなり高精度な印字が可能となる。
　以上のように本実施例によれば、小型化が可能で、高速化かつ高品質化が可能な走査型光出力装置を提供することが可能となる。
　本実施例は、より高品質な印字が可能であり、さらに長期安定化が高い走査型光出力装置について説明する。
　まず、図５と図６を用いて印字品質が劣化する要因と長期安定性を損ねる要因について説明する。
　上述したように走査軌跡は印字対象物の移動方向と略垂直方向が好ましいが、ピエゾ素子を図４に示したような方向に制御した場合でも、ピエゾ素子の製造ばらつきや、光ファイバのピエゾ素子への実装誤差により、不要な方向、すなわち印字対象物の移動方向にもわずかに振動をする。すなわち、走査軌跡が厳密には直線ではなく楕円形状となる。楕円形状で走査した場合の、印字対象物における光の走査軌跡を図５に示す。破線が走査軌跡５０、黒丸が光照射位置５１である。直線走査した場合と同じタイミングで光を照射したときの光照射位置５１は、図５に示すように、走査軌跡同士が重なりあうことで照射位置も重なりあい、これが印字品質を劣化する要因となる。
　次に、図６を用いて長期安定性を損ねる要因について説明する。図６は光ファイバ振動の周波数応答特性を概略的に示している。ある特定の周波数（光ファイバ振動の共振周波数）でピエゾ素子を駆動した場合、振幅が最大となる。この共振周波数は、温度や湿度など環境変化によってシフトする。図６において、実線が初期状態の周波数応答特性６２であり、破線が環境変化時の周波数応答特性６３を示している。このため、ピエゾ素子の駆動周波数である光ファイバ駆動機構の制御周波数が一定値６４（初期状態での共振周波数）である場合、初期状態の振幅６０は初期状態の周波数応答特性６２の最大値であるのに対し、環境変化時の振幅６１は、環境変化時の周波数応答特性６３と一定値周波数６４との交わる点となり、環境変化によって振幅が劣化する。これが長期安定性が損なわれる要因である。
　以下、上記課題を解決するための本実施例について説明する。図７は、本実施例における走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。図７において、図１と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図７において図１と異なる点は、光分岐器７０と位置検出用受光器７１とビーム位置検出回路７２を備えた点である。
　図７において、光ファイバ１１から出射された光は光分岐器７０に入力され、分岐された一方の光は位置検出用受光器７１に入力される。位置検出用受光器７１から出力される電気信号は制御装置本体１３のビーム位置検出回路７２に入力される。ビーム位置検出回路７２は、ビームの走査軌跡を検出する走査軌跡検出回路７３と、ビームの走査振幅を検出する走査振幅検出回路７５と、光ファイバ駆動機構への入力電気信号波形と光ファイバ振動波形との位相遅れを検出するための位相遅れ検出回路７４から構成されており、それらが検出した信号が駆動電流制御回路１８と、駆動電圧制御回路１９と、タイミング制御回路１７に入力される。
　この構成により、位置検出用受光器７１で検出した信号をもとにフィードバック制御が可能であり、走査軌跡を最適化することで、印字品質を高めることや、温度や湿度など環境変化が生じた場合においても安定して駆動することが可能である。
　次に、位置検出用受光器の一例について図８を用いて説明する。図８において、位置検出用受光器８０は、高抵抗半導体層８１の上面にｐ型コンタクト層８２と、下面にｎ型コンタクト層８３を備えたＰＳＤ（Position Sensitive Detector）である。ｐ型コンタクト層８２の表面には抵抗層８６が形成されており、抵抗層８６周辺のそれぞれの辺には４つのアノード電極８４が、ｎ型コンタクト層８３の裏面にはカソード電極層８５が形成されている。抵抗層８６の面内において光が入射された位置に依存して、４つのアノード電極８４には電位が生じる。この電位を解析することで、入射されたビームの重心位置を検出することが可能である。
　次に、位置検出用受光器の別形態について図９を用いて説明する。図９において、位置検出用受光器９０は受光部が少なくとも２つ、より好ましくは、図９に示すように、４つに分割された分割型受光部９１ａ、ｂ、ｃ、ｄを有する分割型受光器である。図９には一例として入射ビーム９２とビーム走査軌跡９３をあわせて示す。ビームの位置により電位が発生する受光部が異なることで、ビームがどの受光部に位置するかを算出することが可能である。また本実施例のようにビームの走査軌跡が直線や、楕円形状のどちらかであり、可変パラメータを用いて定式化できる場合は、それぞれの受光部の電位波形の位相差や、立ち上がり時間の測定と、フィッティングモデルを組み合わせ合わせることで入射されたビームの重心位置やビーム径状を検出することが可能である。４分割型受光器はＰＳＤと比較しより安価で、高精度に位置を検出できる点でより好ましい。
　次に、図１０に、４分割受光器を用いた本実施例における走査型光出力装置の概略構成のブロック図を示す。図１０において、図７と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図１０において図７と異なる点は、ビーム位置検出回路７２に替えてビーム位置検出回路１００を備えた点である。ビーム位置検出回路１００は、ビーム位置検出回路７２の走査軌跡検出回路７３と走査振幅検出回路７５と位相遅れ検出回路７４に加えて、位相差検出回路１０１と、立上時間検出回路１０２を有している。
　図１０において、ビーム位置検出回路１００が、分割型受光器のそれぞれの受光部から出力される電気信号波形の位相差から、位相差検出回路１０１と走査軌跡検出回路７３によってビーム走査軌跡を算出し、受光部からの出力される電気信号波形の立ち上がり時間から、立上時間検出回路１０２と走査振幅検出回路７５によって走査振幅を算出し、算出した走査軌跡と走査振幅から光ファイバ振動波形を推定することで、光ファイバ駆動機構の駆動電圧と光ファイバ振動波形との位相遅れを算出することが可能である。
　次に、算出した走査軌跡から光ファイバ駆動機構の駆動電圧を制御し、走査軌跡を理想的な直線化する、駆動電圧制御回路１９の制御について、図１１を用いて説明する。図１１において、上段の３つの図は光ファイバ駆動機構の駆動電圧の時間変化を示しており、実線は光ファイバをｙ方向に変位させるための電圧、破線はｘ方向に変位させるための電圧である。下段の３つの図はそれぞれ上段の駆動電圧波形電圧を印加したときの走査軌跡を示す。理想的には、図１１（ａ）に示すように、ｙ方向に変位させるための電圧のみを印加したときは、ｙ方向のみに変位する。また、図１１（ｂ）に示すように、ｘ方向とｙ方向に変位させるための電圧の大きさを制御したときは、走査軌跡の傾きが変化する。また、図１１（ｃ）に示すように、ｘ方向とｙ方向に変位させるための電圧の大きさと位相差を制御したときは、走査軌跡が楕円軌跡となる。このように、電圧波形を制御することで、走査軌跡を任意に調整することが可能である。逆に言えば、製造誤差や実装ばらつきにより無制御状態において楕円軌跡ならば、電圧の大きさと位相差を適切に制御することで走査軌跡を直線化することも可能である。
　次に、位相遅れ検出回路７４の機能について、図１２を用いてより詳しく説明する。図１２において、実線は、光ファイバ駆動機構の駆動電圧の時間変化を示す。また、破線は、走査軌跡検出回路７３で検出したビームの走査軌跡と、走査振幅検出回路７５で検出したビームの走査振幅とから得られるビーム位置の時間変化を示す。位相遅れ検出回路７４によって、光ファイバ駆動機構の駆動電圧と、光ファイバから出射される光のビーム位置との位相差１２０を検出する。この検出した位相差をもとに、発光素子の駆動電流と光ファイバ駆動機構の駆動電圧を制御する。
　次に、立上時間検出回路１０２と走査振幅検出回路７５の機能について、図１３を用いてより詳しく説明する。図１３には振幅が３通りであるときのシミュレーション結果を示す。図１３に示すように、振幅が大きいほど立ち上がり時間が短いことが分かる。このように振幅と立ち上がり時間には１対１の対応関係があるため、立ち上がり時間を測定することで振幅を推定することが可能である。振幅を推定するには、立ち上がり時間と振幅との関係式を予め走査振幅検出回路７５に入力しておくか、立ち上がり時間と振幅の対応関係が記述されたルックアップテーブルを予め用意し、走査振幅検出回路７５が内容を読み出すことで実現できる。
　次に、駆動電流制御回路１８による発光素子の駆動電流制御について図１４を用いて説明する。図１４において、横軸は光ファイバ振動の半周期分の時間を示しており、縦軸は発光素子の駆動電流の相対値を示している。濃い実線が初期状態の駆動電流波形を示し、初期状態の光照射間隔Ｔを１４２で示し、初期状態の光照射時間領域を１４０で示す。また、薄い実線が環境変化時の駆動電流波形であり、環境変化時の光照射間隔Ｔ‘を１４３で示し、環境変化時の光照射時間領域を１４１で示す。環境変化により走査振幅が小さくなった場合においても、図１４に示すように、光照射間隔を大きくすれば、印字対象物の同一の位置に、歪なく同一のサイズで印字することができる。さらに、図１４に示すように、環境変化時に、光照射時間を長くすると同時に駆動電流のピーク値を抑制し、発光素子から出射される光のエネルギー量が常に一定となるように制御すれば、環境変化前と同一の品質で印字することができる。
　次に、光走査ヘッド部１５の詳細について説明する。図１５は、光走査ヘッド部１５の斜視図である。図１５において、１５１は光ファイバ用筐体、１５２は光入力部、１５３は光分岐器用筐体、１５４は走査レンズ用筐体、１５５は光出力部、１５６は位置検出用受光器用筐体である。
　図１６は、図１５の内部構成であり、光走査ヘッド部１５の第１の例を示す断面図である。図１６おいて、１６１は光ファイバ駆動機構、１６２は光ファイバ、１６３はコリメートレンズ、１６４はビームスプリッタ、１６５は分岐光、１６６は位置検出用受光器、１６７は受光器位置調整機構、１６８は透過光、１６９が光走査レンズである。ここで、光走査レンズ１６９は、出射される主光線が光軸に対して略平行であるテレセントリックレンズである。また、図１６においては、ビームスプリッタ１６４が図７の光分岐器７０に対応し、位置検出用受光器１６６が図７の位置検出用受光器７１に対応する。
　また、図１７に、光走査ヘッド部１５の第２の例である断面図を示す。図１７おいて図１６と異なる点は、ビームスプリッタ１６４に替えて、平板型ビームスプリッタ１７１を設けた点である。平板型ビームスプリッタ１７１は、透過する光量と反射する光量の分岐比率が光の入射角度に依存する可変式光分岐器である。
　図１６と図１７の相違の特徴としては、例えば、分岐比率を１対１０００等の大きな値とする場合は、図１６のビームスプリッタ１６４では難しく、図１７の平板型ビームスプリッタ１７１が有利である。ただし、図１６の構成では、光軸がずれないというメリットがあるが、図１７の構成では、光軸がずれるため、その補正のためには補正部品が必要となる。
　図１８は、本実施例における走査型光出力装置の制御フローである。図１８においては、大きく３つの処理ステップからなり、ビーム位置原点補正フロー１８０、初期のキャリブレーションである光ファイバ駆動機構の制御周波数設定とビーム走査軌跡補正フロー１８１、発光素子制御フロー１８２からなる。
　まず、ビーム位置原点補正フロー１８０では、図１６で示す受光器位置調整機構１６７によりステージ上のｘ、ｙ方向で位置検出受光器１６６の位置の微調整を行ない、ビーム位置が位置検出受光器の中心となるように調整を行なう。
　次に、初期のキャリブレーションであるステップ１８１では、光ファイバ駆動機構の制御周波数設定として、光ファイバ振動の共振周波数を抽出し、光ファイバ駆動機構の制御周波数を共振周波数近傍に設定する。そして、光ファイバ駆動機構の印加電圧の振幅、位相差を調整し、所望の走査軌跡となるように調整を行なう。そして、図１２に示した光ファイバ駆動機構の印加電圧と光ファイバ振動の位相差を検出する。
　そして、発光素子制御フロー１８２として、光源の駆動電流、発光タイミングを調整して、光ファイバ振動の振幅が許容範囲内でない場合は、再度、ステップ１８１に戻り、初期のキャリブレーションを行う。
　以上のように、本実施例によれば、より高品質な印字が可能であり、さらに長期安定化が高い走査型光出力装置を実現できる。
　本実施例は、より長期に安定して動作することができる走査型光出力装置について説明する。
　図１９は本実施例における走査型光出力装置の制御フローである。図１９において、実施例２の図１８と異なる点は、発光素子制御フロー１８２が発光素子制御フロー１９２となった点であり、その他は同じであるので、異なる部分についてのみ説明し、他は省略する。
　図１９において、発光素子制御フロー１９２は、光ファイバ振動の振幅が許容範囲内でない場合は、光ファイバ駆動機構制御周波数を微調整することを特徴としている。共振周波数シフトが極わずかな場合は、図１８のようにキャリブレーションをやり直す必要性が無いためより長時間にわたって安定して動作することが可能となる。具体的には、例えば、図６において、光ファイバ駆動機構の制御周波数６４を移動させて周波数を微調整することに対応している。
　これにより、より長期に安定して動作することができる走査型光出力装置を提供できる。
　本実施例は、光分岐器の分岐比率を調整するための機構を設けた走査型光出力装置について説明する。
　図２０は、本実施例における走査型光出力装置の光走査ヘッド部１５の断面図である。図２０において、図１７と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２０において図１７と異なる点は、平板型ビームスプリッタ１７１が反射面の角度と位置を調整するためのビームスプリッタ位置調整機構２０１を備える点である。ビームスプリッタ位置調整機構２０１により、分岐比率を調整できるため、例えば、キャリブレーション時は受光器に入力される光量を大きくすることでキャリブレーション精度を上げ、実際に印字する時は透過光量を大きくすることで装置の省電力化を図ることが可能となる。
　本実施例は、ビーム位置検出のための原点補正するための別形態について説明する。
　図２１は、本実施例における走査型光出力装置の光走査ヘッド部１５の断面図である。図２１において、図１７と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２１において図１７と異なる点は、受光器位置調整機構１６７の代わりに、光ファイバ駆動機構１６１に光ファイバ光軸調整用駆動機構２１１を設けた点である。
　本実施例によれば、ビーム位置検出のための原点補正と同時に、コリメートレンズ１６３と、光走査レンズ１６９に入力するビームの位置も調整することが可能であるため、より高精度に印字することが可能となる。
　本実施例は、ビーム径を調整するための機構を設けた走査型光出力装置について説明する。
　図２２は、本実施例における走査型光出力装置の光走査ヘッド部１５の断面図である。図２２において、図１７と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２２において図１７と異なる点は、コリメートレンズ１６３の光軸方向の位置を調整するためのコリメートレンズ位置調整機構２２１を設けた点である。
　また、図２３は、本実施例における走査型光出力装置の概略構成のブロック図である。図２３において、図１０と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２３において図１０と異なる点は、コリメートレンズ位置調整機構２２１と、ビーム径検出回路２３０と、コリメートレンズ位置調整機構２２１の駆動電圧制御回路２３１を備えた点である。
　図２２、図２３に示すように、コリメートレンズ１６３が、光軸方向の位置を調整するためのコリメートレンズ位置調整機構２２１と、コリメートレンズ位置調整機構２２１の駆動電圧制御回路２３１と、ビーム径検出回路２３０を備えており、フィードバック制御によりビーム径の最適化が可能である。これにより印字内容により解像度を柔軟に変更することが可能となる。
　図２４を用いて本実施例における走査型光出力装置について説明する。
　図２４は、本実施例における走査型光出力装置の光走査ヘッド部１５の断面図である。図２４において、図１６や１７と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２４において図１６や１７と異なる点は、光分岐器であるビームスプリッタ１６４や平板型ビームスプリッタ１７１の代わりに、反射鏡２４２を設けた点である。
　図２４に示すように、光ファイバ１６２から出力された印字用ビーム２４３とは別の位置検出用ビーム２４１が反射鏡２４２で反射され、反射された光は位置検出用受光器１６６で検出され、ビーム位置検出回路が、走査振幅と、光ファイバ駆動機構の駆動電圧波形と光ファイバ振動波形との位相遅れの少なくとも１つを算出し、算出された信号が発光素子の駆動電流制御回路と、光ファイバ駆動機構の駆動電圧制御回路と、タイミング制御回路に入力される。
　実施例１から６の構成では、走査領域に対し印字領域が極端に小さく、一回の走査に対しレーザ光が出射される時間が極端に短い場合においては、位置検出用受光器で検出光として検出されない可能性がある。しかし、本実施例においては、キャリブレーション用の位置検出用ビームを一回の走査で必ず一回照射するので、必ず位置検出用受光器で検出可能となる特徴がある。このように、本実施例によれば、通常の印字中にも印字用ビームとは別のフィードバック制御用の特定の位置検出用ビームを照射することで、印字内容に依存せず、より確実に安定してより高品質な印字が可能となる。
　以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部を他の構成に置き換えることも可能である。
１０：光源、１１：光ファイバ、１２：光ファイバ駆動機構、１３：制御装置本体、１４：配線ケーブル、１５：光走査ヘッド部、１６：データ入力インターフェース、１７：タイミング制御回路、１８：駆動電流制御回路、１９：駆動電圧制御回路、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ：ピエゾ素子電極、２３：ピエゾ素子、２４：光ファイバ、７０：光分岐器、７１，１６６：位置検出用受光器、７２、１００：ビーム位置検出回路、７３：走査軌跡検出回路、７４：位相遅れ検出回路、７５：走査振幅検出回路、１０１：位相差検出回路、１０２：立上時間検出回路、１６４：ビームスプリッタ、１７１：平板型ビームスプリッタ、２０１：ビームスプリッタ位置調整機構、２１１：光ファイバ光軸調整用駆動機構、２２１：コリメートレンズ位置調整機構、２３０：ビーム径検出回路、２３１：コリメートレンズ位置調整機構の駆動電圧制御回路、２４１：位置検出用ビーム、２４２：反射鏡、２４３：印字用ビーム

Claims (13)

  1. 発光素子と、
    該発光素子から出力される光を導波させるための光ファイバと、
    該光ファイバの両端部のうち前記発光素子と逆側の端近傍に接続された少なくとも２つ以上の光ファイバ駆動機構と、
    前記発光素子の駆動電流制御回路と、
    前記光ファイバ駆動機構の駆動電圧制御回路と、
    前記発光素子と前記光ファイバ駆動機構のタイミング制御回路を備え、
    前記駆動電流制御回路が前記発光素子の光出力強度を調整し、
    前記駆動電圧制御回路が複数の前記光ファイバ駆動機構に入力される電気信号の大きさを調整し、
    前記タイミング制御回路が、前記発光素子の光出射タイミングと、前記光ファイバ駆動機構に入力される電気信号間の位相差を調整することを特徴とする走査型光出力装置。
  2. 請求項１に記載の走査型光出力装置であって、
    前記光ファイバから出力された光の一部を分岐するための光分岐器と、
    該光分岐器で分岐された一方の光を入力するための受光器と、
    該受光器と電気的に接続されたビーム位置検出回路とを備え、
    該ビーム位置検出回路が、ビームの走査軌跡と、走査振幅と、前記光ファイバ駆動機構への入力電気信号波形と光ファイバ振動波形との位相遅れの少なくとも１つを算出し、
    該算出した信号を前記駆動電流制御回路と、前記駆動電圧制御回路と、前記タイミング制御回路に入力することを特徴とする走査型光出力装置。
  3. 請求項２に記載の走査型光出力装置であって、
    前記受光器が、受光部が少なくとも２つ以上に分割された分割型受光器であることを特徴とする走査型光出力装置。
  4. 請求項３に記載の走査型光出力装置であって、
    前記ビーム位置検出回路が、
    前記分割型受光器のそれぞれの受光部からの出力される電気信号波形の位相差からビーム走査軌跡を算出し、
    該受光部からの出力される電気信号波形の立ち上がり時間から走査振幅を算出し、
    前記算出した走査軌跡と走査振幅から光ファイバ振動波形を推定することで、前記光ファイバ駆動機構への入力電気信号波形と光ファイバ振動波形との位相遅れを算出することを特徴とする走査型光出力装置。
  5. 請求項３に記載の走査型光出力装置であって、
    前記光ファイバと前記光分岐器の光路上に少なくとも１枚のレンズと、
    該レンズが光軸方向の位置を調整するためのレンズ駆動機構と、
    該レンズ駆動機構の制御回路を備え、
    前記ビーム位置検出回路が、
    前記分割型受光器のそれぞれの受光部から出力される電気信号の大きさからビーム径を算出し、
    算出した信号を前記レンズ駆動機構の制御回路に入力することを特徴とする走査型光出力装置。
  6. 請求項２に記載の走査型光出力装置であって、
    前記受光器が、高抵抗半導体基板の少なくとも一方の面に抵抗層を備え、該抵抗層の端部に少なくとも一対の電極が備えられた位置検出受光器であることを特徴とする走査型光出力装置。
  7. 請求項２に記載の走査型光出力装置であって、
    前記光分岐器が、
    透過する光量と反射する光量の分岐比率が光の入射角度に依存する可変式光分岐器であることを特徴とする走査型光出力装置。
  8. 請求項２に記載の走査型光出力装置であって、
    前記受光器が、
    受光面の位置を調整するための受光器駆動機構を備えることを特徴とする走査型光出力装置。
  9. 請求項２に記載の走査型光出力装置であって、
    前記光分岐器が、反射面の角度と位置を調整するための光分岐器駆動機構を備えることを特徴とする走査型光出力装置。
  10. 請求項２に記載の走査型光出力装置であって、
    前記光分岐器と走査された光を照射するための対象物間に少なくとも１枚のレンズを備え、
    該レンズがレンズから出射される主光線が光軸に対して略平行であるテレセントリックレンズであることを特徴とする走査型光出力装置。
  11. 請求項１に記載の走査型光出力装置であって、
    前記光ファイバから出力された光を反射するための反射鏡と、
    該反射鏡で分岐された光を入力するための受光器と、
    該受光器と電気的に接続されたビーム位置検出回路とを備え、
    該ビーム位置検出回路が、
    走査振幅と、前記光ファイバ駆動機構への入力電気信号波形と光ファイバ振動波形との位相遅れの少なくとも１つを算出し、
    該算出した信号を前記駆動電流制御回路と、前記駆動電圧制御回路と、前記タイミング制御回路に入力することを特徴とする走査型光出力装置。
  12. 発光素子と、該発光素子から出力される光を導波させるための光ファイバと、該光ファイバの端近傍に接続された光ファイバ駆動機構と、前記光ファイバから出力された光の一部を分岐するための光分岐器と、該光分岐器で分岐された一方の光を入力するための受光器と、該受光器と電気的に接続されたビーム位置検出回路とを備えた走査型光出力装置の制御方法であって、
    前記受光器、または前記光分岐器の位置を調整し、前記受光器の中心と光ビームの重心を略一致させるための原点補正工程と、
    前記光ファイバの振動の共振周波数を算出し、前記光ファイバ駆動機構の制御周波数を共振周波数近傍に設定する制御周波数設定工程と、
    光走査軌跡を算出し、前記光ファイバ駆動機構の印加電圧の振幅、位相差を調整する走査軌跡補正工程と、
    前記光ファイバ駆動機構の印加電圧と前記光ファイバの振動の位相差を検出する位相遅れ検出工程と、
    前記発光素子の光出力強度と光出射タイミングを調整する発光素子制御工程からなることを特徴とする走査型光出力装置の制御方法。
  13. 請求項１２に記載の走査型光出力装置の制御方法であって、
    前記発光素子制御工程において、
    前記光ファイバの振動の振幅を検出する工程と、
    該光ファイバの振動の振幅が許容範囲内か判断する工程を有し、
    該光ファイバの振動の振幅が許容範囲内でない場合は、前記光ファイバ駆動機構の制御周波数を微調整することを特徴とする走査型光出力装置の制御方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020095114A (ja) * 2018-12-11 2020-06-18 株式会社日立製作所 光走査装置及び光走査方法
WO2024013930A1 (ja) * 2022-07-14 2024-01-18 株式会社ニコン 造形システム、加工システム、造形方法及び加工方法
EP4158400A4 (en) * 2020-06-02 2024-06-19 The Commonwealth Of Australia METHOD AND DEVICE FOR MOVING A FIBER TIP

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11179579A (ja) * 1997-12-22 1999-07-06 Sony Corp 光軸補正方法、装置及びそれを利用した露光加工装置
JP2000131640A (ja) * 1998-10-23 2000-05-12 Sony Corp 画像表示装置
JP2008052007A (ja) * 2006-08-24 2008-03-06 Canon Inc 光走査装置及び走査型画像表示装置
JP2010008948A (ja) * 2008-06-30 2010-01-14 Shinko Electric Ind Co Ltd 走査型光投影装置
JP2010164954A (ja) * 2008-12-15 2010-07-29 Ricoh Co Ltd ２次元光走査装置及び光走査型画像表示装置
WO2011086849A1 (ja) * 2010-01-13 2011-07-21 日本電気株式会社 映像投影装置および映像投影方法
WO2013156664A1 (en) * 2012-04-20 2013-10-24 Upm-Kymmene Corporation A method and an apparatus for producing markings on a moving web
WO2015125976A1 (ja) * 2014-02-21 2015-08-27 オリンパス株式会社 光の走査軌跡の算出方法及び光走査装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8946637B2 (en) 2010-11-23 2015-02-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Compact fiber-based scanning laser detection and ranging system
DE102016010236A1 (de) 2016-08-23 2018-03-01 Blickfeld GmbH Lidar-system mit beweglicher faser

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11179579A (ja) * 1997-12-22 1999-07-06 Sony Corp 光軸補正方法、装置及びそれを利用した露光加工装置
JP2000131640A (ja) * 1998-10-23 2000-05-12 Sony Corp 画像表示装置
JP2008052007A (ja) * 2006-08-24 2008-03-06 Canon Inc 光走査装置及び走査型画像表示装置
JP2010008948A (ja) * 2008-06-30 2010-01-14 Shinko Electric Ind Co Ltd 走査型光投影装置
JP2010164954A (ja) * 2008-12-15 2010-07-29 Ricoh Co Ltd ２次元光走査装置及び光走査型画像表示装置
WO2011086849A1 (ja) * 2010-01-13 2011-07-21 日本電気株式会社 映像投影装置および映像投影方法
WO2013156664A1 (en) * 2012-04-20 2013-10-24 Upm-Kymmene Corporation A method and an apparatus for producing markings on a moving web
WO2015125976A1 (ja) * 2014-02-21 2015-08-27 オリンパス株式会社 光の走査軌跡の算出方法及び光走査装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020095114A (ja) * 2018-12-11 2020-06-18 株式会社日立製作所 光走査装置及び光走査方法
JP7084293B2 (ja) 2018-12-11 2022-06-14 株式会社日立製作所 光走査装置及び光走査方法
EP4158400A4 (en) * 2020-06-02 2024-06-19 The Commonwealth Of Australia METHOD AND DEVICE FOR MOVING A FIBER TIP
WO2024013930A1 (ja) * 2022-07-14 2024-01-18 株式会社ニコン 造形システム、加工システム、造形方法及び加工方法

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