JP2938336B2

JP2938336B2 - Apparatus and method for laser engraving on steel plate

Info

Publication number: JP2938336B2
Application number: JP6035253A
Authority: JP
Inventors: 敦史杉橋; 勝宏南田; 哲生清藤; 一郎古賀
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-02-09
Filing date: 1994-02-09
Publication date: 1999-08-23
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: JPH07214348A

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and a method for engraving a steel surface using a laser beam.

【０００２】[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。2. Description of the Related Art As a method of engraving a product number, a company mark, an inspection institution mark, etc. on a steel sheet surface, there are a method of engraving manually by using a hammer or the like and an automatic engraving machine by a hammer drop type. . However, manual work has the disadvantages that the working environment is poor and it takes a long time, and that the automatic stamping machine cannot deal with noise, consumption of the stamp, and changes in the character size and the stamp direction. For these reasons, laser engraving that has a clear and uniform engraving state and is easy to automate has been studied. Laser-engraved steel sheets are required to have a depth that does not disappear by exposure to air, shot blasting, heat treatment, and the like, and generally have a depth of about 100 μm or more. Therefore, a high-output pulse laser having energy on the order of J per pulse is required. As a laser marking device for steel materials, there is a method of performing marking by scanning a movable carriage equipped with an optical system with a motor as proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 57-142785.

【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。[0003] However, such a method has a problem that it takes time to move the mobile trolley, and it takes time to engrave.
A marking device using a galvano scan mirror and a laser has already been put to practical use for ICs and the like. However, the character size is small, the marking depth is about several μm using a Q-switched laser, and this is used as a steel material. It is impossible to use it for engraving. Further, since a Q-switch laser capable of high repetition is used, characters and symbols to be engraved are represented as a dot pattern.
The method of engraving while taking the timing of laser oscillation with a scanning device such as a galvano scan mirror for every one dot as proposed in Japanese Patent Publication No. 4 is adopted, and this method complicates data exchange and repeats. There is a problem that it takes too much time to perform engraving using a normal pulse laser having a low speed.

【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。Further, in the above-described method using a trolley, there is a condition that there is a large space for installing the optical system in front of the engraved portion of the steel material, and engraving is performed on the side surface of the steel plate, the back surface of the steel plate, or the side surface of the roll material or the bar material. It is difficult. In addition, since the beam transmission is performed by a mirror, the optical path of the entire marking device becomes rigid, and not only requires laborious installation work to provide the marking device to the existing equipment, but also clean environment that is inherently clean. There is a restriction that the laser oscillator body that requires the above is installed in the vicinity of a production line of a dusty or vibrating steel plate or the like, which is one of the causes of frequent device failures.

【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。As another example using an optical fiber, as in Japanese Patent Publication No. 62-13117, the laser beam is divided, transmitted by a fiber, collected in a focusing head, and engraved by moving the focusing head. Devices have also been proposed. However, also in the present invention, beam scanning for forming a character is a method in which engraved dots are formed by moving a processing head, and the engraving speed is slow, which is not practical. It is the same as the invention of the above.

【０００６】[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。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for easily and clearly performing laser engraving on a free portion of the surface of a steel material such as a steel plate or a roll material or a bar material.

【０００７】[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。The gist of the present invention for solving the above-mentioned problems is to provide a beam scanning system including a normal pulse laser and a set of galvano scan mirrors for scanning a laser beam. A drive system for driving a galvano scan mirror and fθ for condensing a laser beam
A lens or a mirror, a tapered optical fiber having a smaller exit core diameter for transmitting a beam than the entrance core diameter,
An incident optical system for inputting a laser beam into the tapered optical fiber, a collimating optical system for collimating the laser beam at the tapered optical fiber exit, a control computer for processing marking information, the beam scanning system and the normal pulse A laser marking device comprising: a pulse control system for independently controlling laser oscillation.
And in the method of laser engraving on steel by the above device, the characters to be engraved, the symbol is recognized as a set of line segments,
In addition, at the intersection of a line segment in a character or a symbol, another line segment except one of the intersecting line segments is constituted by a pattern interrupted before and after the intersection, and the galvano scan mirror forms a line constituting each character and symbol. The scanning is performed based on the information of the two points of the start point and the end point of the minute, and the drive signal of the galvano scan mirror is
Assuming that the actual movement of the galvano scan mirror is delayed with respect to the drive signal, a certain waiting time is inserted in advance to scan the beam spot without confirming the position of the galvano scan mirror, and use the normal pulse laser. The pulse control system stops the oscillation only at the interval between each line segment from the end point to the start point of the line segment in the set of line segments at a timing determined in advance according to the galvano scan mirror. Is a laser engraving method for steel material that enables high-speed and clear marking on steel material by independently oscillating independently without recognizing information on the scanning position of the laser beam by the laser beam.

【０００８】[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。FIG. 1 schematically shows a laser marking device used in the present invention. A laser beam 2 emitted from a normal pulse laser oscillator 1 is condensed by an optical system incident on an optical fiber and transmitted by a tapered optical fiber. At the exit of the tapered optical fiber, there is a beam collimating optical system that collimates the output beam, and the laser beam that has exited the tapered optical fiber is collimated into substantially parallel light.
The collimated laser light is guided to a high-speed and high-precision beam scanning system 9 using two sets of galvano scan mirrors 3 and 4. The galvano scan mirrors 3 and 4 include a drive system 10
The laser beam is moved two-dimensionally, and the laser beam is focused on the steel plate surface by the fθ lens (or mirror) 5.

【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。On the other hand, the control computer 6 and the pulse control system 7 are for processing the marking information and controlling the laser oscillator 1. The side nozzle 8 is for blowing a gas such as dry air or argon to a processing point to promote evaporation during processing and to remove a melt. The information of the engraving is composed of the engraving parameters and the engraving data input to the control computer. The engraving parameter specifies the size of the character and the position of the character, and the engraving data specifies the array of characters to be laser-engraved. In response to the two pieces of information and the engraving start command, the control computer operates a pre-made character formation program to convert engraved characters and symbols into patterned data, and drives the galvano scan mirror 3 through the drive system 10. , 4
Scan. The laser oscillator 1 first has a frequency,
After the output is set, an oscillation start signal is received from the control computer through the pulse control system at the start point of the marking, and oscillation is started.

【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。Next, transmission of a laser beam by a tapered optical fiber will be described. FIG. 2 schematically shows a state of a beam when a laser beam emitted from an optical fiber is collimated and then condensed by a condenser lens.
Assuming that the core diameter of the optical fiber exit is d1, the focal length of the collimating optical system is f1, the focal length of the condenser lens is f2, the diameter of the collimated beam is D1, and the diameter of the focused beam spot is d2, the light is condensed. The size d2 of the beam spot diameter is expressed as follows.

【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。D2 = d1 × f1 / f2 When an optical fiber is used as shown in the above equation, the diameter of the focused beam spot is proportional to the diameter of the exit core of the optical fiber. Therefore, when it is desired to condense the beam spot small and make a deeper mark on the steel plate, it is necessary to reduce the exit diameter of the optical fiber. However, since the pulse laser used for engraving on steel materials has a large output and oscillates in multimode, it is difficult to focus the beam.Therefore, there is a limit when the laser beam is incident on the optical fiber. Optical fibers having the same core diameter can transmit data up to a minimum core diameter of about 0.6 mm.

【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。Also, when laser engraving is performed on a steel material, the engraving is usually performed in a range of several tens to hundreds of mm square as a normal engraving range. 100 as the focal length of the lens
mm or more.

【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。Accordingly, f2 in the above equation is about 100 mm. If the fiber core diameter is assumed to be 0.6 mm, the condensing spot diameter required for deep engraving 1.
In order to obtain about 0 mm or less, the focal length f1 of the collimating optical system needs to be as long as about 70 mm or more. Here, the collimated beam diameter D1 in FIG. 6 is expressed as follows by the NA of the optical fiber and the focal length f1 of the collimating light collecting system.

【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。D1 = 2 × NA × f1 The NA of an optical fiber currently used for a high-power pulse laser is about 0.2. Therefore, when the above-mentioned numbers are substituted into the above equation, D1 becomes about 28 mm or more. Such a beam is condensed using an fθ lens. An fθ lens having a focal length of about 100 mm has an effective diameter such that a laser beam having a beam diameter as large as described above is scanned due to its lens configuration. Therefore, it is difficult to manufacture an optical fiber. Therefore, an optical fiber having the same diameter of a normal exit core diameter and an entrance core diameter is used for a laser marking device for scanning a beam with a galvano scan mirror and an fθ lens of the present invention. Is difficult.

【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。The tapered optical fiber which is a component of the present invention has an entrance diameter smaller than an exit core diameter. Therefore, even when transmitting a high-output pulse YAG laser used for engraving a steel material, the diameter of the exit core of the fiber is 0.1 mm.
The diameter of the exit core can be about 1 to 0.4 mm. In the transmission of the laser beam, the diameter of the exit core of about half or less can be used as compared with the optical fiber having the same diameter of the exit core and the entrance core. is there.

【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。In this case, even when a fθ lens having a focal length of about 100 mm is used as described above, if the focused beam spot diameter is to be about 1.0 mm or less, the focal length f1 of the collimating optical system should be up to about 25 mm. Can be shorter. Then, the collimated beam diameter D1 can be set to about 10 mm. With this beam diameter, the effective diameter of the fθ lens having a focal length of about 100 mm can be sufficiently reduced, and deep and clear marking can be formed on the steel material surface at high speed.

【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。Next, the actual operation will be described with reference to the timing chart of the signal at the time of engraving shown in FIG. FIG. 3 (a)
(B) is a signal sent from the drive system to the galvano scan mirror based on a command from the control computer, (c) is a signal sent from the control computer to the pulse control system, (d)
Is the signal sent from the pulse control system to the laser oscillator,
(E) is the output of the laser oscillator, and (f) is the actual marking. The control computer anticipates that the actual moving speed of the galvano scan mirror is slower than the moving command speed, and the control computer sets a predetermined waiting time (~,
~, ~, ~) Are incorporated and a pattern command for engraving is transmitted to the drive system. This waiting time is a fixed time set in advance, and when the movement pattern of the beam spot changes, such as the character or symbol to be engraved, the trajectory of the beam spot by the galvano scan mirror passes exactly where it should be engraved It is time to set it up. The galvano scan mirror scans the beam spot according to this signal, and generates
A signal for confirming that the beam spot has certainly arrived at the n / off position is not transmitted. The control computer transmits laser oscillation start and stop instructions to the pulse control system at a predetermined time based on an operation signal to the galvano scan mirror at a location where marking is required and at a location where marking is not required. The pulse control system transmits a signal of a pulse cycle corresponding to laser repetition to the laser oscillator in accordance with the laser oscillation start and end signals. As can be seen, the control computer only unilaterally sends commands to the drive system and the pulse control system, and oscillates and stops the laser without confirming the position of the beam spot by scanning the galvano scan mirror. Proceed with engraving.

【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。In such a method in which the position of the beam spot during engraving is not sensed and controlled sequentially, when there is an intersection in the engraved character or symbol as shown in FIG. 4, the laser beam may be hit twice at the intersection. There is. Alternatively, it is conceivable that the engraved dots partially overlap even if they do not completely overlap. Many of the steel materials to be symmetrical according to the present invention are used for special applications, and their properties are strictly controlled.The depth and curvature of the stamped dot shape are also specified to prevent deterioration of the steel sheet properties. May have been. Therefore, in the present invention, in order to avoid such overlapping of dots, when creating data of characters and symbols to be engraved, as shown in FIG. Use a method that creates a line segment before and after an intersection.
As a result, it is possible to perform marking with uniform dots without changing the depth and shape of the marking dots due to double hitting or partial overlap.

【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。In the conventional engraving method (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 58-5 / 1983)
No. 3444) Characters are decomposed into all dot information, and laser irradiation is performed after confirming that the galvano scan mirror has moved to a predetermined dot each time. Therefore, the number of times of transmission / reception becomes extremely large, resulting in marking. The time required for signal exchange in the system increased, and the time required for engraving became longer. On the other hand, in the present invention, since the control computer unilaterally sends a command and independently controls the galvano scan mirror and the laser oscillator, the time required for these can be greatly reduced, and high-speed marking can be performed. Since the distance between dots forming characters and symbols to be engraved is determined by the frequency and the speed of the galvanomirror, the number of pulses is determined according to the size of the character so as not to impair visibility. Generally, this distance is sufficient if the distance between the dot centers is within about 0.2 to 2 times the dot diameter. At this time, the depth of one dot is required to be about 100 μm or more so as not to be lost by shot blasting or the like. Therefore, the energy of the laser pulse is required to be about 1 J or more, and the pulse repetition rate is about 30 Hz or more in consideration of practical use. Is required. Due to such oscillation conditions, engraving on steel is impossible with a Q-switch pulse laser, and it is desirable to use a normal pulse laser.

【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。Although each signal in FIG. 3 is shown as a voltage signal for convenience, it is of course possible to use a non-voltage signal such as TTL.

【００２１】[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。FIG. 6 is a block diagram of the marking device used in the embodiment. In the embodiment, the pulse control system 7 is constituted by the pulse generator 11 and the gate controller 12. Instead of directly controlling the oscillation frequency of the YAG laser oscillator 1 by the pulse generator 11, the control computer 6 sends a laser on / off signal to the gate controller 12, and the gate controller 12 gates the signal of the pulse generator. To produce the signal shown in FIG. 2D, and the laser oscillator was controlled. The galvano scan mirror driving system 10 includes a galvano scan mirror controller 13 and a galvano scan mirror driver 14. The drive signal from the control computer is D / A-converted in the galvano scan mirror controller 13 and sent to the galvano scan mirror driver 14 to generate the signals shown in FIGS. The galvano scan mirror 4 was driven. The control system of the present invention can be constituted by such a simple combination of controllers, and one of its features is that the device can be easily manufactured.

【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。In the above laser marking device, the laser oscillator is a normal pulse Y having a maximum rated output of 400 W.
Using an AG laser oscillator, pulse energy 3 J / P,
Marking was repeatedly performed under the condition of 130 pps. The optical system has an entrance core diameter of a tapered optical fiber of 1.0 mm, an exit diameter of 0.3 mm, and a focal length f1 of the collimating optical diameter of f1 = 30 m.
, and a collimated laser beam having a collimated beam diameter of about 12 mm was transmitted to a beam scanning system using a galvano scan mirror. An fθ lens with f = 100 mm was used as a condenser lens.

【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。Using the apparatus having the above configuration, 9 letters of the alphabet “ABCDEFGHI” are put on the side of the roll material,
When engraved with each character size 8mm square, engraving time is about 2.
The stamping was completed in 5 seconds. The laser irradiation mark forming each stamped character has a hole diameter of 500 μm and a hole depth of 500 μm, and sufficiently satisfies the conditions required for stamping a steel sheet.
Furthermore, no overlapping of dots was observed near the intersection of the line segments of the characters, and marking with uniform dots was realized. When the same marking is performed by decomposing the character into dot information, confirming the position of the galvano scan mirror for each dot, and irradiating the laser beam using the marking method used in a conventional IC or the like, the marking is performed. The time is about 8 seconds. According to the present invention, a high-speed engraving three times or more as compared with the conventional engraving technique can be realized.

【００２４】[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。According to the present invention, high-speed and clear laser engraving on steel can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】レーザ刻印装置概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of a laser marking device.

【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。FIG. 2 is a conceptual diagram of a beam focusing state in the case of optical fiber transmission.

【図３】本発明のレーザ刻印方法概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram of a laser marking method according to the present invention.

【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。FIG. 4 is a conceptual diagram in a case where imprint dots are not uniform at an intersection.

【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。FIG. 5 is a conceptual diagram of a method for avoiding imprinted dot non-uniformity at an intersection according to the present invention.

【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。FIG. 6 is a configuration diagram of a laser marking device used in an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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５ｆθ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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Normal pulse YAG laser oscillator 2 Laser beam 3, 4 Galvano scan mirror 5 fθ lens (mirror) 6 Control computer 7 Pulse control system 8 Side nozzle 9 Beam scanning system 10 Galvano scan mirror drive system 11 Pulse generator 12 Gate controller 13 Galvano Scan mirror control system 14 Galvano scan mirror driver 15 Incident optical system 16 Tapered optical fiber 17 Collimating optical system

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者清藤哲生福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 新日本製鐵株式会社機械・プラント事業部内 (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 (56)参考文献特開昭60−106686（ＪＰ，Ａ) 特開平２−299786（ＪＰ，Ａ) 特開平３−178462（ＪＰ，Ａ) 特開平１−224192（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/18 ──────────────────────────────────────────────────続き Continued on the front page (72) Inventor Tetsuo Seito 46-59 Ohara Nakahara, Tobata-ku, Kitakyushu-shi, Fukuoka Nippon Steel Corporation Machinery & Plant Business Department (72) Inventor Ichiro Koga 5 Fuchinobe Sagamihara-shi, Kanagawa Prefecture −10-1 Nippon Steel Corporation Electronics Research Laboratory (56) References JP-A-60-106686 (JP, A) JP-A-2-299786 (JP, A) JP-A-3-178462 (JP, A) JP-A-1-224192 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. ⁶ , DB name) B23K 26/00-26/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims]

【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。1. An apparatus for engraving a steel material with a laser, comprising: a normal pulse laser; a beam scanning system including a pair of galvano scan mirrors for scanning a laser beam; a driving system for driving the galvano scan mirror; A fθ lens or mirror for condensing the beam, a tapered optical fiber having an exit core diameter smaller than the entrance core diameter for transmitting the beam, an incident optical system for inputting a laser beam into the tapered optical fiber, A collimating optical system for collimating a laser beam at an optical fiber exit, a control computer for processing marking information, and a pulse control system for independently controlling the oscillation of the beam scanning system and the normal pulse laser are provided. Laser marking device.

【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。2. A method for performing laser engraving on a steel material by a laser engraving apparatus according to claim 1, wherein the laser engraving is performed by a normal pulse laser and a scanning optical system of the laser beam comprising a galvano scan mirror and an fθ optical system. Characters and symbols are recognized as a set of line segments, and at points where lines in a character or a symbol intersect, other lines except one intersecting line are constituted by a pattern interrupted before and after the intersection, Galvano scan mirror for each character,
Scanning is performed based on the information on the two points, the start point and the end point, of the line constituting the symbol, and it is assumed that the actual movement of the galvano scan mirror is delayed with respect to the drive signal of the galvano scan mirror. By inputting a certain waiting time in advance, the beam spot is scanned without confirming the position of the galvano scan mirror, and the line segment set by the pulse control system at the timing determined in advance with the normal pulse laser matched to the galvano scan mirror Oscillation is stopped only at the interval between each line segment from the end point of the line segment to the start point, and free oscillation is performed independently without encouraging any information on the scanning position of the laser beam by the galvano scan mirror during engraving. A laser engraving method for steel that enables high-speed and clear marking on steel.