JP2005014089A - レーザマーキング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被加工物における描画面の形状を考慮することで、平面のみならず曲面の被加工物の表面に投影した平面図形を、または透明な被加工物の内部に投影した平面図形を、歪みなく高速でマーキングする方法を提供する
【解決手段】 レーザ光源から出射されたレーザ光を、図形データに基づきガルバノミラーと結像手段の動作を制御することで被走査面上に結像させながら走査して所定の図形を描画するレーザマーキング方法において、被加工物の形状より算出された補正データにより、平面図形を被加工物の表面あるいは内部に投影した図形として描画するように前記ガルバノミラーおよび結像手段を制御することを特徴とするレーザマーキング方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガルバノミラーを使用してレーザ光を走査し、金属、ガラスおよび樹脂等の表面、あるいは、ガラスや樹脂のような透明材料の内部にパターンをマーキングする、即ち、図形を描画するレーザマーキング装置を用いてのレーザマーキング方法に関する。特に、結像手段である集光レンズにより集光したレーザ光を用いて被加工物に図形を描画するレーザマーキング装置を用いてのレーザマーキング方法に関する。

レーザマーキング方法については、特許文献１および特許文献２等により知られている。

例えば、特許文献１において、ガルバノミラーを使用したレーザマーキング装置およびレーザ走査位置の補正処理方法について開示されている。しかしながら、特許文献１に記載の補正処理方法は、一般的なガルバノミラーを使用することにより発生する糸巻き形歪曲および樽形歪曲、あるいは、パターンの回転量を補正する方法、言い換えれば、平面内の走査位置の補正処理方法であり、マーキング対象である被加工物が曲面形状をなす場合の表面の凹凸、あるいは、透明材料の内部にマーキングする際の屈折の影響によりマーキング位置が本来のマーキング位置からズレることの補正方法については開示されていない。また、特許文献１に記載の補正処理方法は、レーザ集光位置の光軸方向のズレに対する補正方法については、開示されていない。

従来技術によるガルバノミラーを使用したレーザマーキング装置では、レーザ光がミラーの中心を起点として放射状に走査されるために、例えば、特許文献１のように、被加工物表面の形状および透明材料に入射する際の屈折等を考慮しない場合、マーキングされたパターンが被加工物の凹凸や屈折を反映して歪んでしまうという問題があった。更に、集光位置を補正しないために、表面の凹凸がレーザ光の加工可能領域から外れマーキングされない部分が生じる問題があった。

また、特許文献２において、ガルバノミラーと直交するＸ方向およびＹ方向の２方向に移動可能なステージを組み合わせたレーザマーキング装置におけるレーザ光の集光位置の補正方法について開示されている。しかし、特許文献２に記載のマーキング装置は、移動可能なステージに固定された１個のガルバノミラーが面内を移動してレーザ光を走査する方式であって、集光位置の補正量は、ガルバノミラーのＸ方向の移動量とＹ方向の移動量に対して求められるものであり、被加工物の表面の形状に応じた集光位置の補正方法については開示されてはいない。

特許文献２に記載の補正方法において、被加工物表面の形状を考慮しない場合、特許文献２のレーザマーキング装置は被加工面に対して決まった方向からレーザ光を照射するためにマーキングされるパターンが極端に歪むことは避けられるが、表面の凹凸がレーザ光の加工可能領域から外れマーキングされない部分が生じるという問題があった。更に、レーザ光の走査をガルバノミラーの回転でビームを振るのではなく、ガルバノミラー自体の平行移動により行うため、マーキング速度をガルバノミラーの回転による走査方式ほどに上げることが困難であるという問題があった。
特開平２００２−３２１０７２号公報 特開平２０００−２０２６５５号公報

従来のレーザマーキング装置において、前述の補正方法を行い、曲面の被加工物の表面に沿って平面図形を描画しようとした場合、レーザ光はＸミラーの中心を起点とし放射状に走査されるため、被加工物の表面曲率の影響で、被加工物表面上において加工される点の座標は、元の図形データの座標に一致しない。一致しないために、マーキングされる図形が被加工物表面に投影されたものではなくなり、被加工物表面の表面曲率の影響を受けて歪んでしまうという問題があった。

更に、被加工物の表面曲率が大きくなると、レーザ光の加工可能領域から外れマーキングされない部分が生じるという問題があった。

更に、透明な被加工物の内部に平面図形を描画しようとした場合において、レーザ光がミラーの中心を起点とし放射状に走査される場合、レーザ光は透明材料に入射する際に屈折し、その屈折する角度は描画位置が原点から離れ入射角が大きくなるにつれて大きくなり、かつ、レーザ光の集光位置の軌跡も平面とならない。平面とはならないために、マーキングされる図形は、被加工物内部に投影されたものではなく、原点からの距離に応じて歪んでしまうという問題があった。

本発明は、前述した従来の制御方法に加えて、被加工物における描画面の形状を考慮することで、従来のように平面のみでなく、新たに曲面の被加工物の表面に投影した平面図形を、または透明な被加工物の内部に投影した平面図形を、歪みなく高速で描画するレーザマーキング方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザマーキング方法は、従来のレーザマーキング方法において、ミラーや集光レンズを制御するためのデータの作成方法を解析し、該データを本発明のレーザマーキング方法により補正することで、従来のように平面のみならず、新たに曲面の被加工物への描画を可能としたものである。

本発明のレーザマーキング方法は、光源手段から出射したレーザ光を直交する二方向に関して二次元的に走査する一対のガルバノメータとターゲット面上に結像させる結像手段とを有し、描画する平面図形データを投影した被加工物上の点を描画する際にレーザ光が通過する基準平面上の座標を求め、その座標を使ってＸミラーとＹミラーの振り角および集光位置を補正するための補正データを算出することを特徴とする。

本発明のレーザマーキング方法において、ガルバノメータのＸミラーとＹミラーの制御については、算出した必要な振り角に応じた信号をＸミラーとＹミラーの駆動装置へ送信することで、前記結像手段である、例えば、集光レンズについて、焦光位置のズレを求め、言い換えれば、補正データを求め、該補正データを信号に変換し駆動装置に送信し、集光レンズを移動させることを特徴とする。

即ち、本発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光を、描画する図形データに基づきガルバノミラーと結像手段の動作を制御することで被走査面上に結像させながら走査して所定の図形を描画するレーザマーキング方法において、被加工物の描画面の形状より算出された補正データにより、平面図形を被加工物の表面に投影した図形として描画するために前記ガルバノミラーおよび結像手段の動作を制御することを特徴とするレーザマーキング方法である。

更に、本発明は、上記の補正データは、光学系から決まる基準平面と図形を描画する被走査面の形状とを比較して求めた値に基いて算出されることを特徴とする上記のレーザマーキング方法である。

更に、本発明は、被加工物の屈折率に基いて算出された補正データにより、透明な被加工物の内部に平面図形を描画するためにガルバノミラーおよび結像手段の動作を制御することを特徴とするレーザマーキング方法である。

本発明のレーザマーキング方法を用いると、従来のレーザマーキング装置におけるレーザマーキング方法、即ち、制御方法に加えて、被加工物における描画面の形状を考慮することで、従来のように平面のみでなく、新たに曲面の被加工物の表面に投影した平面図形を、または透明な被加工物の内部に投影した平面図形を、歪ませることなく高速に描画される。

本発明のレーザマーキング方法を用いれば、二式の直交するガルバノミラーと光軸に沿って移動可能な集光レンズを使用してレーザ光を走査するレーザ描画装置において、従来のように平面のみならず、新たに曲面の被加工物の表面や透明な被加工物内に平面図形を投影した図形を歪みなく高速に描画される。

最初に本発明の基幹をなす従来のレーザマーキング方法について説明する。

図６は、平面描画のみを行う従来のレーザマーキング方法を用いた平面描画におけるレーザ集光位置の軌跡を説明するための説明図である。また、図６は、従来のレーザマーキング方法を説明するための図で、集光レンズを動かさない場合のレーザ集光位置の軌跡が曲面となることを説明するための説明図である。

図６に示すように、平面を対象とした２つのガルバノミラーと自動集光レンズを使用したレーザマーカーでは、レーザ光源１から出射したレーザ光をＸ方向に走査するためのＸミラー２とＹ方向に走査するためのＹミラー３を配置し、該レーザ光は、Ｘ方向についてはＸミラー２の回転軸を中心とて、Ｙ方向についてはＹミラー３の回転軸を中心として、図形データに基づくパターンを基準平面６上に形成するように走査される。また、ビームを走査した場合のレーザ集光位置の軌跡は、集光レンズ４と対物レンズ５の配置によりＸミラー２から基準平面６までの光路長の変化に無関係にガルバノミラー側に中心を持ち基準平面６の中心Ｏを頂点とした凸状の曲面７となるため、レーザ集光位置は、ＣＡＤデータ等を用いて描画する図形データに基づくＸミラー２およびＹミラー３の動きに連動して集光レンズ４の位置を調整することで、その軌跡が曲面７から基準平面６となるように制御される。制御装置は、光学系のデータを基に、平面図形を描画するためのＸミラー２とＹミラー３の振り角および集光位置のズレを算出し、更に集光位置のズレから集光レンズ４の移動量を算出し、Ｘミラー２、Ｙミラー３および集光レンズ４を制御する。描画においては、Ｘミラー２とＹミラー３の振り角および集光レンズ４の移動量を順次計算して描画する場合と、予め作成されたＸミラー２とＹミラー３の振り角および集光レンズ４の移動量を順次呼び出して描画する場合がある。

図７は、平面描画のみが行える従来のレーザマーキング装置におけるガルバノミラーおよび結像手段の動作の制御方法の説明図である。また、図７は、従来のレーザマーキング方法における、ミラーの振り角および集光位置のズレ、即ち、補正データを算出を説明するための説明図である。

次いで、平面図形を描画するためのガルバノミラーの振り角に関する補正データの一般的な算出方法について説明する。被加工物の表面を基準平面６とし、レーザ光が基準平面６に対して垂直に入射し、またその集光位置が基準平面６の中心Ｏと一致する場合を、Ｘミラー２、Ｙミラー３および集光レンズ４の基準位置として考える。図形データを表示するための座標系は、基準平面６の中心Ｏを原点に、直交座表系（Ｘ,Ｙ,Ｚ）とする。ただし、基準平面６上の点のＺ座標は全て０であるため、ここでは省略して考えて良い。Ｘミラー２とＹミラー３の中心をそれぞれＡおよびＢとすると、Ｘミラー２とＹミラー３の中心間距離はＡＢ、Ｙミラー３と基準平面６の中心間距離はＢＯとなる。Ｘミラー２とＹミラー３の回転によるレーザ光の振れ角をそれぞれθｘ、θｙとすれば、基準平面６上の点Ｐを描画するためのＸミラー２とＹミラー３の回転によるレーザ光の振れ角は、次の数１の式および数２の式で表される。補正データとしての、Ｘミラー２の振り角がθｘ、Ｙミラーの振り角がθｙである。

また、平面図形を描画するために曲面７上の点Ｐ'から基準平面６上の点Ｐへ、集光レンズ４を移動させて補正すべきレーザの集光位置のズレ、ＰＰ’は、数３の式となる。

次いで、本発明のレーザマーキング装置を用いたマーキング方法について説明する。

本発明のマーキング方法により被加工面に投影した平面図形を描画するための装置は、レーザ発振器１から照射されたレーザ光が、光軸に沿って移動可能な図示しないリニアトランスレータに搭載された集光レンズ４と対物レンズ５を通り、走査のためのＸミラー２およびＹミラー３を経て、加工すべき被加工面上に集光されるように構成される。図形を描画するために必要なＸミラー２とＹミラー３の振り角および集光位置としての補正データは、与えられた平面図形の座標、言い換えれば、描画する図形データに対し、描画装置の光学系と平面図形を投影する被加工面の形状を基に算出される。

次いで、前述の算出方法に加え、被加工物における描画面の形状を考慮することで、曲面の被加工物の表面に投影した平面図形を、または透明な被加工物の内部に投影した平面図形を、歪みなく高速にマーキングするための、本発明のレーザマーキング方法における平面図形を曲面の被加工物の表面に投影した図形を描画する場合の、描画する図形データに対するＸミラーとＹミラーの振れ角と集光位置のズレ、即ち、補正データの算出方法について説明する。

図１が、曲面の被加工物の表面に投影した平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量の算出方法を説明するための図であり、基準平面の中心に取った直交座標系のＹ方向に沿って見た正面図である。

図２が、曲面の被加工物表面に投影した平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量としての補正データを算出方法を説明するための図であり、同座標系のＸ方向に沿ってみた側面図である。

描画する平面図形データの座標を（ｘ，ｙ）、その位置をＺ方向に投影した被加工物上の点Ｑの基準平面６からの距離をｚとすると、図形データ描画点である被加工面８上の点はＱ（ｘ，ｙ，ｚ）となり、点Ｑを描画するレーザ光が基準平面６と交差する点がＰ（Ｘ，Ｙ，０）となる。点ＰのＸおよびＹ座標を被加工物上の点Ｑの座標を使って表示すると、下記の数４の式および数５の式で表される。尚、ａは、Ｘミラー２とＹミラー３の中心間の距離であり、平面に描画する従来のマーキング装置におけるＡＢに相当する距離である。ｂは、Ｙミラー３と基準平面６の中心間の距離であり、平面に描画する従来のマーキング装置におけるＢＯに相当する距離である。

この座標を使用することで、被加工物上の点Ｑを描画するためのＸミラー２とＹミラー３によるレーザ光の振れ角θｘとθｙは、従来の平面描画のみが行えるレーザマーキング装置の場合と同様に考えられ、数６の式および数７の式で表される。

また、レーザ光の集光位置のズレＱＰ'についても同様に考えられ、数８の式により求められる。

図形を描画するために必要なＸミラー２とＹミラー３の振り角は、レーザ光の振れ角θｘとθｙの１／２として、集光レンズの移動量は、集光位置のズレに対応する集光レンズの変位量として制御装置で処理する。

次いで、本発明のレーザマーキング方法における平面図形を透明な被加工物の内部に描画する場合の、図形データに対するＸミラーとＹミラーの振り角および集光位置のズレとしての補正データの算出方法を示す。

図３が、透明な被加工物の内部に平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量の算出方法を説明するための図であり、基準平面の中心に取った直交座標系のＹ方向に沿って見た正面図である。

図４が、透明な被加工物の内部に平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量の算出方法を説明するための図であり、基準平面の中心に取った直交座標系のＸ方向に沿って見た正面図である。

図３および図４に示すように、透明板は、基準平面６に表面を一致させて配置する。

ある平面図形データの座標を（ｘ，ｙ）、その位置を被加工物の表面からＺ方向に深さｚに位置する平面９上に投影すると、平面９上の点はＱ（ｘ，ｙ，ｚ）となる。点Ｑを加工するレーザ光は、透明な被加工物の表面である基準平面６上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，０）で屈折して点Ｑを通過するとすると、レーザ光の光路は被加工物への入射においてスネルの法則に従うため、透明な被加工物の屈折率をｎとする。

図５は、透明な被加工物の内部における点の座標と基準平面６上における点の座標の関係を説明するための説明図である。

図５に示すように、数９の式で表す関係が成り立つ。

また、数９の式を基準平面６上の点Ｐと図形を投影する平面９上の点Ｑの座標を使って表示すると数１０の式で表わす関係が成り立つ。

更に、レーザ光の入射面において、基準平面６上の点Ｐと図形を投影する平面９上の点Ｑの座標について、数１１の式で表す関係が成り立つ。

したがって、数１０よび数１１の式を満たす基準平面６上の点Ｐの座標ＸおよびＹを求め、この座標を使用することで、透明な被加工物内部の投影面上の点Ｑを描画するためのＸミラー２とＹミラー３によるレーザ光の振れ角θｘとθｙは、平面描画のみが行える従来のレーザマーキング装置の場合と同様に考えられ、数６および数７の式により求められる。

また、レーザ光の集光位置の補正量ＱＰ'については、透明な被加工物の内部において集光位置が空気中に比べて屈折率ｎの分だけ伸びることを考慮したこと以外は、従来の平面描画のみが行えるレーザマーキング装置の場合と同様に考えられるため、数１２の式により計算される。

図形を描画するために必要なＸミラー２とＹミラー３の振り角は、レーザ光の振れ角θｘとθｙの１／２として、集光レンズの移動量は、集光位置のズレに対応する集光レンズの移動量として制御装置で処理する。

また、投影面が平面の被加工物内部に平面図形を描画する際は、屈折率に基づいて算出された補正データにより、ガルバノミラーおよび結像手段の動作を制御して描画を行う。被加工物内部に投影した平面図形を描画する際は、描画する図形データに対する被加工物の投影面の形状より算出された補正データに、更に、被加工物の屈折率を加味して算出された補正データ、即ち、ＸミラーおよびＹミラーの振り角、集光位置のズレにより、ガルバノミラーおよび結像手段の動作を制御して描画を行うことが好ましい。

実施例１
ＵＶパルスレーザー、ＸミラーとＹミラーの２枚を組み合わせたガルバノミラーおよび結像手段からなるレーザマーキング装置を使用して、ＣＡＤで処理した描画する図形データに基づいた図形を投影した形状に曲面ガラスの表面に描画した。ＵＶパルスレーザの描画条件は、パルスエネルギー９０μＪ、繰り返し周波数２５ｋＨｚ、走査速度６５ｍｍ／ｓとした。曲面ガラスは、半径２０００ｍｍの球面の一部で、表面、２００×２００ｍｍの範囲に図形を描画した。光学系のレイアウトは、ＸミラーとＹミラーの中心間の距離を３０ｍｍ、そしてＹミラーの中心から球面ガラスの頂点までの距離を２７０ｍｍとした。レーザ光を集光するための、集光レンズとして、集光距離５００ｍｍの平凸レンズを使用し、該レンズは、集光位置を調整するために光軸に沿って移動可能なリニアトランスレータに取り付けた。

ｘ方向、−１００ｍｍ〜１００ｍｍ、ｙ方向、−１００ｍｍ〜１００ｍｍにおける基準平面とガラス形状のｚ方向の差は、照射範囲において表１の値となる。Ｘ座標、Ｙ座標および集光位置のズレをそれぞれ表２、表３および表４のように計算した。表１は基準平面と曲面のｚ方向の差（ｍｍ）である。表２は描画する図形データの座標（ｘ、ｙ）に基づいて補正したＸ座標であり、前述の数４の式により計算した。表３は座標（ｘ、ｙ）に基づいて補正したＹ座標であり、前述の数５の式で補正した。表４は座標（ｘ、ｙ）に基づいて補正した集光位置であり、前述の数８の式で補正した。

ＣＡＤから送られた描画する図形の座標（ｘ、ｙ）と予め数４および数５の式で算出した表２〜４のＸ座標、Ｙ座標、集光位置のズレを比較し、表２に示した座標間のデータに対しては直線補完しながら、表２に示すＸ座標となるようにＸミラーの振り角、表３に示すＹ座標となるようにＹミラーの振り角、および表４に示す集光位置のズレとなるように集光レンズの移動量を制御した。即ち、（ｘ、ｙ）の座標群からなる図形データを描画するためのＸミラー、Ｙミラーの振り角の制御は、ＣＡＤから送られたｘおよびｙデータをそのまま使用せず、座標（ｘ、ｙ）から算出した補正座標（Ｘ、Ｙ）を数６および数７の式に代入してレーザ光の振れ角θxおよびθｙを計算し制御することで、球面ガラスに平面図形を歪みなく投影した図形として描画された。

実施例２
実施例１と同様に、ＵＶパルスレーザー、ＸミラーとＹミラーの２枚を組み合わせたガルバノミラーおよび結像手段からなるレーザマーキング装置を使用して、ＣＡＤで処理した描画するデータに基づいた図形を平面ガラスの内部に描画した。厚さ１５ｍｍで１００×１００ｍｍの平板ガラスを対象とし、表面から５ｍｍ内部に入った位置に平面図形を描画した。ＵＶパルスレーザー照射条件や光学系のレイアウトは実施例１と同じとした。

ガラスの屈折率は１．５２として計算に使用し、照射範囲において、Ｘ座標、ｙ座標および集光位置のズレを、それぞれ表５、表６および表７のように計算した。表５は、描画する図形データとしての座標（ｘ、ｙ）に基づいて補正したＸ座標で、表６は座標（ｘ、ｙ）に基づいて補正したＹ座標であり、補正データＸ座標およびＹ座標は、前述の数１０および数１１の式を同時に満たす値として求めた。表７は座標（ｘ、ｙ）に基づいて補正した集光位置のズレであり、前述の数１２の式で補正した。

ＣＡＤから送られた描画する図形データとしての座標（ｘ、ｙ）と、予め算出した表５〜表７のＸ座標、Ｙ座標、集光位置のズレを比較し、表に示した座標間のデータに対しては直線補完しながら、表５のＸ座標となるようにＸミラーの振り角、表６のＹ座標となるようにＹミラーの振り角および表７の集光位置のズレで集光レンズの位置を制御した。すなわち、（ｘ、ｙ）の座標群からなる図形データを描画するための制御量は、ＣＡＤから送られたｘおよびｙデータをそのまま使用せず、座標（ｘ、ｙ）から算出したＸ座標、Ｙ座標を数６および数７の式に代入してレーザ光の振れ角θxおよびθｙを算出し制御することで、平面ガラスの内部に歪みなく投影した図形が描画された。

曲面の被加工物表面に投影した平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量の算出方法を説明するための図であり、基準平面の中心に取った直交座標系のＹ方向に沿って見た正面図である。 曲面の被加工物表面に投影した平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量の算出方法を説明するための図であり、同座標系のＸ方向に沿ってみた側面図である。 透明な被加工物の内部に平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量の算出方法を説明するための図であり、基準平面の中心に取った直交座標系のＹ方向に沿って見た正面図である。 透明な被加工物の内部に平面図形を描画する際のガルバノミラーの振り角および集光レンズの移動量の算出方法を説明するための図であり、基準平面の中心に取った直交座標系のＸ方向に沿って見た正面図である。 透明な被加工物の内部における点の座標と基準平面上における点の座標の関係を説明するための図である。 レーザ光集光位置の軌跡を説明するための図である。 従来の平面描画のみが行えるレーザマーキング装置におけるガルバノミラーおよび結像手段の動作の制御方法の説明図である。

符号の説明

１ レーザ発振器
２ Ｘミラー
３ Ｙミラー
４ 集光レンズ
５ 対物レンズ
６ 基準平面
７ 集光レンズをその原点に固定したときのレーザ集光位置の軌跡
８ 曲面の被加工物の表面
９ 透明な被加工物の一定深さに位置する平面

Claims (3)

1. レーザ光源から出射されたレーザ光を、描画する図形データに基づきガルバノミラーと結像手段の動作を制御することで被走査面上に結像させながら走査して所定の図形を描画するレーザマーキング方法において、被加工物の描画面の形状より算出された補正データにより、平面図形を被加工物の表面に投影した図形として描画するために前記ガルバノミラーおよび結像手段の動作を制御することを特徴とするレーザマーキング方法。
2. 請求項１に記載の補正データは、光学系から決まる基準平面と図形を描画する被走査面の形状とを比較して求めた値に基いて算出されることを特徴とする請求項１に記載のレーザマーキング方法。
3. 被加工物の屈折率より算出された補正データにより、透明な被加工物の内部に平面図形を描画するためにガルバノミラーおよび結像手段の動作を制御することを特徴とするレーザマーキング方法。

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