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JP7589111B2 - Laser Marking System - Google Patents

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JP7589111B2 JP2021100931A JP2021100931A JP7589111B2 JP 7589111 B2 JP7589111 B2 JP 7589111B2 JP 2021100931 A JP2021100931 A JP 2021100931A JP 2021100931 A JP2021100931 A JP 2021100931A JP 7589111 B2 JP7589111 B2 JP 7589111B2
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Description

本発明は、対象物をレーザビームによって加工するレーザマーキングシステムに関するものである。 The present invention relates to a laser marking system that processes an object using a laser beam.

賞味期限や製造番号などの情報を直接対象物に印字するレーザマーキングシステムのニーズが増大している。レーザマーキングは、インクジェットに比べて、直接対象物の表面を印字できるので、微細性、不滅性で優れているほか、インクを使用する必要がなく、環境面でメリットがある。 There is an increasing need for laser marking systems that can print information such as expiration dates and manufacturing numbers directly onto objects. Compared to inkjet printing, laser marking can print directly onto the surface of an object, so it is superior in terms of fineness and indelibility, and does not require the use of ink, which has environmental benefits.

レーザマーキングは、インクジェットに比べ印字速度について課題があり、普及の障害となっている。例えば特許文献1は、レーザマーキングの高速化に関する技術を記載している。同文献においては、印字パターンを使って複数点を同時に印字する手法が提案されている。 Laser marking has issues with printing speed compared to inkjet, which has been an obstacle to its widespread use. For example, Patent Document 1 describes technology for increasing the speed of laser marking. The document proposes a method for simultaneously printing multiple points using a printing pattern.

ES2192485(Spain)ES2192485 (Spain)

特許文献1のようにビームを2次元に広げると、原理的には印字速度が向上する一方で、印字パターンの印字点のビーム強度密度が小さくなる。したがって、印字パターンを利用しないものと比べると、ビームスポットの面積が大きくなった比率に相応する高出力な光源が必要になる。 When the beam is expanded two-dimensionally as in Patent Document 1, the printing speed is improved in principle, but the beam intensity density of the printing points of the printing pattern decreases. Therefore, compared to a method that does not use a printing pattern, a high-output light source is required that corresponds to the ratio of the increased area of the beam spot.

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、ビーム光源の出力を抑制しながら、2次元印字パターンと同等の高速化が可能なレーザマーキングシステムを提案するものである。 The present invention was made in consideration of the above problems, and proposes a laser marking system that can achieve the same high speed as a two-dimensional printing pattern while suppressing the output of the beam light source.

本発明に係るレーザマーキングシステムは、レーザビームを1次元方向に引き延ばし、引き延ばしたレーザビームのビームスポットの長軸方向における強度分布を変調する。 The laser marking system of the present invention stretches a laser beam in one dimension and modulates the intensity distribution in the major axis direction of the beam spot of the stretched laser beam.

本発明に係るレーザマーキングシステムによれば、ビーム光源の出力を抑制しながら、2次元印字パターンと同等に高速印字することができる。 The laser marking system of the present invention can print at a high speed equivalent to that of a two-dimensional print pattern while suppressing the output of the beam light source.

実施形態1に係るレーザマーキングシステム100の構成図である。1 is a configuration diagram of a laser marking system 100 according to a first embodiment. ビームスポットの変化過程を説明する模式図である。1A to 1C are schematic diagrams illustrating a process of change in a beam spot. 実施形態2に係るレーザマーキングシステム100の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a laser marking system 100 according to a second embodiment. ビームスポットの変化過程を説明する模式図である。1A to 1C are schematic diagrams illustrating a process of change in a beam spot. 実施形態2において2次元パターンを印字対象物5に対して加工する過程を説明する模式図である。11A to 11C are schematic diagrams illustrating a process of processing a two-dimensional pattern onto a printing object 5 in the second embodiment. ビーム変調部3による変調動作とビーム照射位置変更部8による照射位置変更動作を同期させることを示す模式図である。10 is a schematic diagram showing the synchronization of a modulation operation by a beam modulation unit 3 and an irradiation position changing operation by a beam irradiation position changing unit 8. FIG. 実施形態3に係るレーザマーキングシステム100の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a laser marking system 100 according to a third embodiment. ビーム方向調整部9が2次元パターンを照射する位置を調整した結果を示す模式図である。13 is a schematic diagram showing the result of adjustment of the position where the beam direction adjustment unit 9 irradiates the two-dimensional pattern. FIG. ビーム変調部3を構成するデバイスの具体例を示す。A specific example of a device constituting the beam modulation unit 3 will be described.

<実施の形態1>
図1は、本発明の実施形態1に係るレーザマーキングシステム100の構成図である。レーザマーキングシステム100は、印字対象物5に対してレーザビームによって文字列などを印字加工するシステムである。レーザマーキングシステム100は、光源1、ビーム整形部2、ビーム変調部3、ビーム照射部4、コントローラ110、GUI(Graphical User Interface)120を備える。
<First embodiment>
1 is a configuration diagram of a laser marking system 100 according to a first embodiment of the present invention. The laser marking system 100 is a system that uses a laser beam to print a character string or the like on a marking object 5. The laser marking system 100 includes a light source 1, a beam shaping unit 2, a beam modulation unit 3, a beam irradiation unit 4, a controller 110, and a GUI (Graphical User Interface) 120.

光源1は、レーザ光6を出射する。光波長は、印字対象物5の種別に応じて設定する。波長:種別の関係として以下の例が挙げられる。(a)紫外光:白色樹脂、透明樹脂、黒色樹脂、(b)1um帯赤外光:黒いもの、金属、水分を含んだもの、(c)10um帯光:ガラス、透明樹脂、紙、(d)緑光:黒色樹脂。 The light source 1 emits a laser beam 6. The light wavelength is set according to the type of the printing object 5. Examples of wavelength: type relationships include the following: (a) ultraviolet light: white resin, transparent resin, black resin; (b) 1 um band infrared light: black objects, metal, objects containing moisture; (c) 10 um band light: glass, transparent resin, paper; (d) green light: black resin.

ビーム整形部2は、ビームを1方向に広げる。1方向に広げるとは、例えばビームスポットの形状をXY平面上のいずれかの方向に伸長することを意味する。このように1次元方向に伸長したビームを、細線ビームと呼ぶ場合もある。ビーム整形部2は例えば、シリンドリカルレンズを組み合わせることによって構成することができる。さらに、ビームスポットの長手方向における強度分布が一様になるように、補正フィルタを用いてもよい。 The beam shaping unit 2 expands the beam in one direction. Expanding in one direction means, for example, extending the shape of the beam spot in one direction on the XY plane. A beam expanded in one dimension in this way is sometimes called a thin-line beam. The beam shaping unit 2 can be constructed, for example, by combining cylindrical lenses. Furthermore, a correction filter may be used so that the intensity distribution in the longitudinal direction of the beam spot is uniform.

ビーム変調部3は、細線ビームの長手方向における強度分布を変調する。変調の具体例については後述する。ビーム変調部3は例えば、デジタルミラーデバイスや液晶デバイスなど、マイクロディスプレイにおいて用いられるデバイスを用いて構成することができる。1次元のGLV(Grating Light Valve)を使うと、強度分布を高速に(例えば数GHz程度)変調することができる。 The beam modulation unit 3 modulates the intensity distribution in the longitudinal direction of the thin beam. Specific examples of modulation will be described later. The beam modulation unit 3 can be configured using devices used in microdisplays, such as digital mirror devices and liquid crystal devices. By using a one-dimensional GLV (Grating Light Valve), the intensity distribution can be modulated at high speed (for example, about several GHz).

ビーム照射部4は、印字対象物5に対して細線ビームを照射する。ビーム照射部4は例えば、ミラーやレンズなどのデバイスによって構成することができる。 The beam irradiation unit 4 irradiates a thin beam onto the printing object 5. The beam irradiation unit 4 can be configured, for example, with devices such as mirrors and lenses.

印字対象物5は、例えばベルトコンベアなどの搬送機構によって方向7に沿って移動している場合がある。この場合、レーザマーキングシステム100は、移動する印字対象物5に対してパターンを加工することになる。 The object to be printed 5 may be moving along the direction 7, for example, by a transport mechanism such as a belt conveyor. In this case, the laser marking system 100 processes a pattern on the moving object to be printed 5.

コントローラ110は、レーザマーキングシステム100が備える各構成要素(図1においては光源1とビーム変調部3、後述の実施形態においてはさらにビーム照射位置変更部8とビーム方向調整部9)を制御する。GUI120は、印字パターンや印字対象物5の種別などの情報をコントローラ110に対して入力するために用いるユーザインターフェースである。 The controller 110 controls each component of the laser marking system 100 (the light source 1 and the beam modulation unit 3 in FIG. 1, and further the beam irradiation position change unit 8 and the beam direction adjustment unit 9 in the embodiment described below). The GUI 120 is a user interface used to input information such as the printing pattern and the type of the printing object 5 to the controller 110.

図2は、ビームスポットの変化過程を説明する模式図である。光源1が出射するレーザ光のビームスポット11は、略円形である。ビーム整形部2がビームを1次元方向に拡大することにより、ビームスポット21のように長軸と短軸を有する細線ビームが形成される。ビームパワー密度はビームスポット21の長軸方向において均一であることが望ましい。ビーム変調部3がビームの強度分布を変調することにより、ビームスポット31のなかには、ビーム強度が強い領域31aと弱い領域31bが形成される。 Figure 2 is a schematic diagram explaining the process of changing the beam spot. The beam spot 11 of the laser light emitted by the light source 1 is approximately circular. The beam shaping unit 2 expands the beam in one dimension to form a thin beam having a major axis and a minor axis like the beam spot 21. It is desirable that the beam power density is uniform in the major axis direction of the beam spot 21. The beam modulation unit 3 modulates the intensity distribution of the beam, so that an area 31a with strong beam intensity and an area 31b with weak beam intensity are formed in the beam spot 31.

領域31aにおけるビーム強度は、印字対象物5に対してパターンを加工することができる程度に設定する。領域31bにおけるビーム強度は、印字対象物5を加工しない程度に設定する。例えば領域31bにおけるビーム強度は0であってもよい。ただしこれに限るものではなく、領域31aにおいて印字対象物5がレーザによって変質する量が、領域31bにおいてレーザによって変質する量よりも大きいことにより、印字加工の役割を果たすことができるのであれば、その限りにおいて本実施形態1の構成は有用である。 The beam intensity in region 31a is set to an extent that allows a pattern to be processed on the printing object 5. The beam intensity in region 31b is set to an extent that does not process the printing object 5. For example, the beam intensity in region 31b may be 0. However, this is not limited to this, and the configuration of this embodiment 1 is useful to the extent that the amount of alteration of the printing object 5 by the laser in region 31a is greater than the amount of alteration by the laser in region 31b, thereby fulfilling the role of printing processing.

ビームスポット11の1次元方向における拡大率をRとすると、ビームスポット21の強度はビームスポット11の1/R倍となる。これに対して特許文献1のようにビームスポットを2次元方向に拡大すると、ビーム強度は1/Rとなる。したがって本実施形態1によれば、ビームスポットを拡大することにともなうビーム強度の減少を、従来よりも抑制することができる。 If the expansion rate of the beam spot 11 in a one-dimensional direction is R, the intensity of the beam spot 21 is 1/R times that of the beam spot 11. In contrast, when the beam spot is expanded in a two-dimensional direction as in Patent Document 1, the beam intensity becomes 1/R 2. Therefore, according to the first embodiment, the decrease in beam intensity caused by expanding the beam spot can be suppressed more than in the past.

印字対象物5は方向7に沿って移動しているので、領域31aと31bの形状パターンを経時的に変化させることにより、印字対象物5に対して2次元パターンを加工することができる。ビームスポット31の短軸方向と方向7を一致させた場合は、矩形状の2次元パターンを加工することができる。両方向が一致していない場合は、両方向間の相対角度に沿って2次元パターンを加工することができる。 Since the printing object 5 moves along direction 7, a two-dimensional pattern can be processed on the printing object 5 by changing the shape pattern of areas 31a and 31b over time. When the minor axis direction of the beam spot 31 and direction 7 are aligned, a rectangular two-dimensional pattern can be processed. When the two directions do not match, a two-dimensional pattern can be processed along the relative angle between the two directions.

<実施の形態1:まとめ>
本実施形態1に係るレーザマーキングシステム100は、ビーム整形部2によってレーザ光6を1次元方向に引き延ばし、ビーム変調部3によってビームスポットの長軸方向における強度分布を変調する。これにより、ビーム強度を維持しつつ、伸長したビームスポット31によって効率的に印字加工を進めることができる。
<Embodiment 1: Summary>
In the laser marking system 100 according to the first embodiment, the beam shaping unit 2 stretches the laser light 6 in one dimension, and the beam modulation unit 3 modulates the intensity distribution in the major axis direction of the beam spot. This makes it possible to efficiently carry out the marking process using the stretched beam spot 31 while maintaining the beam intensity.

本実施形態1に係るレーザマーキングシステム100において、ビームスポット31のなかには、印字対象物5を加工できる程度の強度を有する領域31aと、加工しない程度の強度を有する領域31bとが形成される。加工する領域と加工しない領域をともに有することにより、印字対象物5に対して様々な形状パターンを加工することができる。さらにビームのパワーを領域31aへ振り向けることにより、ビーム強度を維持することができる。 In the laser marking system 100 according to the first embodiment, a region 31a having an intensity sufficient to process the marking object 5 and a region 31b having an intensity sufficient to not process the marking object 5 are formed in the beam spot 31. By having both a region to be processed and a region not to be processed, it is possible to process various shape patterns on the marking object 5. Furthermore, by directing the power of the beam to the region 31a, it is possible to maintain the beam intensity.

2次元に拡大する場合、印字対象物5の移動速度が変わると2個の印字パターンの重なりが変わるので、例えば重なった領域が増え印字パターンが可読できなくなる可能性があり、印字対象物5の移動速度を精密に制御する必要がある。これに対して、本実施形態1に係るレーザマーキングシステム100は、移動方向に印字パターンが圧縮または伸長するだけなので、印字対象物5の移動速度の変化に対して寛容である。 When enlarging in two dimensions, if the moving speed of the printing object 5 changes, the overlap of the two printing patterns will change, and for example, the overlapping area may increase and the printing patterns may become unreadable, so it is necessary to precisely control the moving speed of the printing object 5. In contrast, the laser marking system 100 of this embodiment 1 is tolerant of changes in the moving speed of the printing object 5, as the printing pattern only compresses or expands in the moving direction.

<実施の形態2>
印字対象物5を移動させることに代えてまたはこれと併用して、2次元のピクセルパターンに対してビームスポットを走査することにより、印字対象物5に対して2次元パターンを加工することもできる。本発明の実施形態2では、その構成例について説明する。
<Embodiment 2>
Instead of or in combination with moving the printing object 5, a two-dimensional pixel pattern can be scanned with a beam spot to process a two-dimensional pattern on the printing object 5. In the second embodiment of the present invention, a configuration example thereof will be described.

図3は、本実施形態2に係るレーザマーキングシステム100の構成図である。本実施形態2においては、実施形態1で説明した構成に加えて、ビーム整形部2とビーム変調部3との間にビーム照射位置変更部8を備える。その他の構成は実施形態1と同様である。 Figure 3 is a configuration diagram of a laser marking system 100 according to the second embodiment. In addition to the configuration described in the first embodiment, the second embodiment includes a beam irradiation position changing unit 8 between the beam shaping unit 2 and the beam modulation unit 3. The other configurations are the same as those in the first embodiment.

ビーム照射位置変更部8は、レーザビームの照射位置を変更することができる。例えばガルバノミラーやポリゴンミラーなどのデバイスによって、ビーム照射位置変更部8を構成することができる。 The beam irradiation position change unit 8 can change the irradiation position of the laser beam. For example, the beam irradiation position change unit 8 can be configured by a device such as a galvanometer mirror or a polygon mirror.

図4は、ビームスポットの変化過程を説明する模式図である。ビーム照射位置変更部8は、ビームスポット81の短軸方向に沿って、ビームスポットの照射位置を変化させることができる。 Figure 4 is a schematic diagram illustrating the process of changing the beam spot. The beam irradiation position changing unit 8 can change the irradiation position of the beam spot along the minor axis direction of the beam spot 81.

図5は、本実施形態2において2次元パターンを印字対象物5に対して加工する過程を説明する模式図である。ビーム変調部3は、印字対象物5に対して加工する2次元パターンを構成するピクセルごとに、ビーム強度を変調できるように構成されている。図5においては、右下がりの斜線パターンと右上がりの斜線パターンをそれぞれ構成するピクセルパターンを例示した。 Figure 5 is a schematic diagram illustrating the process of processing a two-dimensional pattern on a print target 5 in this embodiment 2. The beam modulation unit 3 is configured to be able to modulate the beam intensity for each pixel that constitutes the two-dimensional pattern to be processed on the print target 5. Figure 5 shows examples of pixel patterns that respectively constitute a downward-to-right diagonal line pattern and an upward-to-right diagonal line pattern.

ビーム変調部3は、例えばマイクロディスプレイデバイスによって構成することができる。マイクロディスプレイは、ピクセルごとにレーザビームをON/OFFすることができる。領域31aに対応するピクセルをONにし、領域31bに対応するピクセルをOFFにする。ビーム変調部3がピクセルのON/OFFを切り替えながら、ビーム照射位置変更部8がビームスポット81を短軸方向に沿って移動させることにより、ピクセルのON/OFFが表している2次元パターンが印字対象物5に対して印字される。 The beam modulation unit 3 can be configured, for example, by a microdisplay device. The microdisplay can turn the laser beam on and off for each pixel. It turns on the pixel corresponding to region 31a, and turns off the pixel corresponding to region 31b. While the beam modulation unit 3 switches the pixels on and off, the beam irradiation position change unit 8 moves the beam spot 81 along the minor axis direction, whereby a two-dimensional pattern represented by the pixels on and off is printed on the printing object 5.

マイクロディスプレイは、ピクセルのON/OFFを切り替える速度(フレームレート)によって、変調速度が規定される。フレームレート以上の速度でビームスポット81をマイクロディスプレイ上において走査することにより、マイクロディスプレイが2次元パターンを形成する速度と同等の速度で、印字対象物5に対してその2次元パターンを印字することができる。 The modulation speed of the microdisplay is determined by the speed at which pixels are switched on and off (frame rate). By scanning the beam spot 81 on the microdisplay at a speed equal to or faster than the frame rate, the two-dimensional pattern can be printed on the printing target 5 at a speed equivalent to the speed at which the microdisplay forms the two-dimensional pattern.

マイクロディスプレイは、典型的には10kHz程度のフレームレートで動作する。 Microdisplays typically operate at frame rates of around 10 kHz.

図6は、ビーム変調部3による変調動作とビーム照射位置変更部8による照射位置変更動作を同期させることを示す模式図である。ビーム変調部3を構成するデバイスのなかには、全てのピクセルのビーム強度を同時に切り替える(すなわち全てのピクセルのON/OFFを同時に切り替える)のではなく、切り替え速度にしたがって順次切り替えるように構成されているものがある。例えばマイクロディスプレイは、図6に示すX方向に沿って各ピクセルを順次切り替えるように構成されている。X方向は、ビームスポット81の短軸方向と一致している。図6の例においては、ビーム変調部3は初めにX座標が最も小さい第1列の各ピクセルのON/OFFを切り替え、次に第2列の各ピクセルのON/OFFを切り替え、第3列以降も同様に順次ON/OFFを切り替える。 Figure 6 is a schematic diagram showing the synchronization of the modulation operation by the beam modulation unit 3 and the irradiation position change operation by the beam irradiation position change unit 8. Some devices constituting the beam modulation unit 3 are configured to switch the beam intensity of all pixels sequentially according to a switching speed, rather than simultaneously switching (i.e., simultaneously switching ON/OFF of all pixels). For example, a microdisplay is configured to switch each pixel sequentially along the X direction shown in Figure 6. The X direction coincides with the minor axis direction of the beam spot 81. In the example of Figure 6, the beam modulation unit 3 first switches ON/OFF of each pixel in the first column with the smallest X coordinate, then switches ON/OFF of each pixel in the second column, and similarly switches ON/OFF sequentially from the third column onwards.

ビーム変調部3がこのように構成されている場合、ON/OFFの切り替えが完了した列から順に、ビームスポット81を照射する必要がある。図6の例においては、X座標が最も小さい第1列から順に、ビームスポット81を照射する。これにより、各X座標のON/OFFパターンが列ごとに印字対象物5に対して加工される。ビーム変調部3は、最後のX座標のピクセルに対してON/OFFを切り替え完了すると、最初のX座標に戻って第1列から順に改めてON/OFFを切り替える。 When the beam modulation unit 3 is configured in this way, it is necessary to irradiate the beam spot 81 in the order of columns for which ON/OFF switching has been completed. In the example of FIG. 6, the beam spot 81 is irradiated in the order of columns, starting from the first column with the smallest X coordinate. In this way, the ON/OFF pattern for each X coordinate is processed on the printing object 5 for each column. When the beam modulation unit 3 has completed ON/OFF switching for the pixel with the last X coordinate, it returns to the initial X coordinate and switches ON/OFF again, starting from the first column.

ビーム変調部3がピクセルのON/OFFパターンを切り替える動作と、ビーム照射位置変更部8がビームスポット81の照射位置を移動させる動作とを互いに同期させることにより、両動作間の待ち時間を抑制することができる。図6右図はこの様子を模式的に示したグラフである。 By synchronizing the operation of the beam modulation unit 3 to switch the pixel ON/OFF pattern with the operation of the beam irradiation position change unit 8 to move the irradiation position of the beam spot 81, it is possible to reduce the waiting time between the two operations. The graph on the right of Figure 6 shows this process.

ビーム変調部3がピクセルのON/OFFパターンを切り替える動作を、符号32によって示した。ビーム変調部3は、時刻t=0から開始して、第1列より順にピクセルパターンを切り替える。時刻が進行するのにともなって、X座標も進行する。 The operation of the beam modulation unit 3 to switch the ON/OFF pattern of pixels is indicated by the reference symbol 32. The beam modulation unit 3 starts from time t=0 and switches the pixel pattern in sequence starting from the first column. As time progresses, the X coordinate also progresses.

ビーム変調部3が印字パターンのX方向サイズの半分に対してピクセルパターンを更新完了した時点で、ビーム照射位置変更部8はビームスポット81をビーム変調部3に対して照射開始する。この動作を符号82によって示した。ビーム変調部3がピクセルパターンのX座標を進行させる速度と、ビーム照射位置変更部8がビームスポット81のX座標を移動させる速度は、略等しい。したがって符号32と82は傾きが略等しい。 When the beam modulation unit 3 has completed updating the pixel pattern for half the X-direction size of the print pattern, the beam irradiation position change unit 8 begins irradiating the beam modulation unit 3 with the beam spot 81. This operation is indicated by the reference numeral 82. The speed at which the beam modulation unit 3 advances the X-coordinate of the pixel pattern and the speed at which the beam irradiation position change unit 8 moves the X-coordinate of the beam spot 81 are approximately equal. Therefore, the inclinations of the reference numerals 32 and 82 are approximately equal.

ビーム変調部3が印字パターンの最後のX座標についてピクセルパターンを更新し終えると、最初のX座標に戻る。この時点においてビームスポット81は、印字パターンのX方向サイズの略半分の位置にある。さらにビーム変調部3が印字パターンのX方向サイズの半分に対してピクセルパターンを更新完了した時点で、ビーム照射位置変更部8は最後のX座標に対してビームスポット81を照射し、最初のX座標に戻る。その後の動作も同様である。 When the beam modulation unit 3 has finished updating the pixel pattern for the final X coordinate of the print pattern, it returns to the initial X coordinate. At this point, the beam spot 81 is at a position that is approximately half the X-direction size of the print pattern. Furthermore, when the beam modulation unit 3 has finished updating the pixel pattern for half the X-direction size of the print pattern, the beam irradiation position change unit 8 irradiates the beam spot 81 to the final X coordinate and returns to the initial X coordinate. Subsequent operations are similar.

以上の同期動作により、ビーム照射位置変更部8は、ビーム変調部3が全てのピクセルパターンを更新し終えるまで照射を待機する必要がないので、両者間の待ち時間を最小限に抑制することができる。 By performing the above-described synchronous operation, the beam irradiation position changing unit 8 does not need to wait for irradiation until the beam modulation unit 3 has finished updating all pixel patterns, so the waiting time between the two can be minimized.

図6において、符号32の動作速度と符号82の動作速度が同一であれば、両者の速度は同期しているといえるが、必ずしもこれに限らない。例えばビーム変調部3がピクセルパターンを更新する速度のほうがやや速いとしても、最初のX座標に戻るごとに、ビーム照射位置変更部8の動作が追いつくまでビーム変調部3が待機すればよい。この場合であっても、両者の動作は周期ごとに同期しているといえる。 In FIG. 6, if the operating speed of reference numeral 32 and the operating speed of reference numeral 82 are the same, the speeds of the two can be said to be synchronized, but this is not necessarily the case. For example, even if the speed at which the beam modulation unit 3 updates the pixel pattern is slightly faster, the beam modulation unit 3 can wait until the operation of the beam irradiation position change unit 8 catches up each time it returns to the initial X coordinate. Even in this case, the operations of the two can be said to be synchronized every cycle.

<実施の形態2:まとめ>
本実施形態2に係るレーザマーキングシステム100において、ビーム変調部3は、ビームスポット81の短軸方向(X方向)に沿ってピクセルパターンを順次更新する(ビームのON/OFFをピクセルごとに切り替える)ように構成されており、ビーム照射位置変更部8は同方向に沿ってビームスポット81を移動させる。これにより、ビーム変調部3が形成する2次元パターンを、印字対象物5に対して加工することができる。印字対象物5が移動するか否かによらず、この機能は実現可能である。
<Embodiment 2: Summary>
In the laser marking system 100 according to the second embodiment, the beam modulation unit 3 is configured to sequentially update the pixel pattern along the minor axis direction (X direction) of the beam spot 81 (switching the beam ON/OFF for each pixel), and the beam irradiation position change unit 8 moves the beam spot 81 along the same direction. This makes it possible to process the two-dimensional pattern formed by the beam modulation unit 3 onto the printing object 5. This function can be realized regardless of whether the printing object 5 moves or not.

本実施形態2に係るレーザマーキングシステム100は、ビーム変調部3が2次元パターンのピクセルをON/OFFする動作(すなわちビームスポット31のなかのビーム強度を変調する動作)と、ビーム照射位置変更部8がビームスポット81をビーム変調部3に対して照射する動作とを同期させる。これにより、両動作間の待ち時間を抑制し、高速印字を実現できる。 The laser marking system 100 according to the second embodiment synchronizes the operation of the beam modulation unit 3 to turn on/off the pixels of the two-dimensional pattern (i.e., the operation to modulate the beam intensity in the beam spot 31) with the operation of the beam irradiation position change unit 8 to irradiate the beam spot 81 onto the beam modulation unit 3. This reduces the waiting time between the two operations, enabling high-speed printing to be achieved.

<実施の形態3>
図7は、本発明の実施形態3に係るレーザマーキングシステム100の構成図である。本実施形態3においては、実施形態1または2で説明した構成に加えて、ビーム変調部3とビーム照射部4との間にビーム方向調整部9を備える。その他の構成は実施形態1または2と同様である。図7においては、実施形態2に加えてビーム方向調整部9を配置した例を示した。
<Third embodiment>
Fig. 7 is a configuration diagram of a laser marking system 100 according to a third embodiment of the present invention. In this third embodiment, in addition to the configuration described in the first or second embodiment, a beam direction adjustment unit 9 is provided between the beam modulation unit 3 and the beam irradiation unit 4. The other configuration is the same as in the first or second embodiment. Fig. 7 shows an example in which the beam direction adjustment unit 9 is provided in addition to the second embodiment.

ビーム方向調整部9は、ビーム変調部3が強度分布を変調したビームスポット31を照射する方向を調整する。具体的には、ビーム変調部3が形成する2次元パターンを印字対象物5に対して照射する位置を、ビームの方向付けによって調整する。これにより、印字対象物5上において2次元パターンが加工される位置を調整することができる。ビーム方向調整部9は例えば、1つ以上のガルバノミラーによって構成することができる。 The beam direction adjustment unit 9 adjusts the direction in which the beam spot 31, whose intensity distribution has been modulated by the beam modulation unit 3, is projected. Specifically, the position at which the two-dimensional pattern formed by the beam modulation unit 3 is projected onto the printing object 5 is adjusted by directing the beam. This makes it possible to adjust the position at which the two-dimensional pattern is processed on the printing object 5. The beam direction adjustment unit 9 can be configured, for example, by one or more galvanometer mirrors.

図8は、ビーム方向調整部9が2次元パターンを照射する位置を調整した結果を示す模式図である。ビーム変調部3が形成する2次元パターンのサイズは限られており、例えば図8のパターン51がこれに相当する。ビーム変調部3が形成する2次元パターンよりも大きいサイズのパターンを印字するためには、2次元パターンそのものの照射位置を走査する必要がある。ビーム方向調整部9は、ビームの方向付けによりこれを実現する。図8左図においては、パターン51を1行×5列=5個並べた例を示した。図8右図においては、パターン51を2行×5列=10個並べた例を示した。各パターンは同じでなくともよい。 Figure 8 is a schematic diagram showing the result of adjusting the position at which the beam direction adjustment unit 9 irradiates the two-dimensional pattern. The size of the two-dimensional pattern formed by the beam modulation unit 3 is limited, for example, pattern 51 in Figure 8. In order to print a pattern larger than the two-dimensional pattern formed by the beam modulation unit 3, it is necessary to scan the irradiation position of the two-dimensional pattern itself. The beam direction adjustment unit 9 achieves this by directing the beam. The left diagram in Figure 8 shows an example where five patterns 51 are arranged in one row x five columns. The right diagram in Figure 8 shows an example where ten patterns 51 are arranged in two rows x five columns. Each pattern does not have to be the same.

パターン51間の境界部分において、互いに重なり合う部分52を設けてもよい。部分52においては、例えば周辺画素の平均値を配置することにより、パターン間の境界の連続性を損ねることなく、外観上の違和感を軽減できる。なお、印字対象物5が移動する場合は、移動速度をモニタして、移動方向の重なりのエリアを制御する必要がある。 At the boundary between patterns 51, overlapping portions 52 may be provided. In portions 52, for example, the average value of the surrounding pixels may be placed, thereby reducing the sense of incongruity in appearance without impairing the continuity of the boundary between patterns. Note that if the printing target 5 moves, it is necessary to monitor the moving speed and control the overlapping area in the moving direction.

<実施の形態3:まとめ>
本実施形態3に係るレーザマーキングシステム100は、ビーム変調部3が形成した2次元パターンをビーム方向調整部9が方向づけることにより、複数の2次元パターンを並べて配置したパターンを、印字対象物5に対して加工することができる。これにより、ビーム変調部3が形成する2次元パターンよりも大きい2次元パターンであっても加工可能となる。
<Embodiment 3: Summary>
In the laser marking system 100 according to the third embodiment, the beam direction adjustment unit 9 orients the two-dimensional pattern formed by the beam modulation unit 3, so that a pattern in which a plurality of two-dimensional patterns are arranged side by side can be processed on the printing object 5. This makes it possible to process even two-dimensional patterns larger than the two-dimensional pattern formed by the beam modulation unit 3.

<実施の形態4>
図9は、ビーム変調部3を構成するデバイスの具体例を示す。図9上段はビーム変調部3としてDMD(Digital Micromirror Device)31を用いた例である。図9下段はビーム変調部3としてLCOS(Liquid Crystal On Silicon)32を用いた例である。ビーム照射位置変更部8としては例えばポリゴンミラーを用いることができる。
<Fourth embodiment>
Fig. 9 shows specific examples of devices constituting the beam modulation unit 3. The upper part of Fig. 9 shows an example in which a DMD (Digital Micromirror Device) 31 is used as the beam modulation unit 3. The lower part of Fig. 9 shows an example in which a LCOS (Liquid Crystal On Silicon) 32 is used as the beam modulation unit 3. A polygon mirror, for example, can be used as the beam irradiation position changing unit 8.

DMD31は、偏光フィルタが必要ないので、印字効率がよい。LCOS32は、偏光フィルム33を用いることにより、コントラストを向上できる利点がある。ただし光利用効率がDMDよりも小さい。紫外光に対してはDMD31のほうがLCOS32よりも耐久性が高い利点がある。 The DMD 31 has good printing efficiency because it does not require a polarizing filter. The LCOS 32 has the advantage of being able to improve contrast by using a polarizing film 33. However, its light utilization efficiency is lower than that of the DMD. The DMD 31 has the advantage of being more durable against ultraviolet light than the LCOS 32.

<本発明の変形例について>
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
<Modifications of the present invention>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modified examples. For example, the above-described embodiment has been described in detail to clearly explain the present invention, and is not necessarily limited to those having all of the configurations described. In addition, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. In addition, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.

実施形態2において、ピクセルごとにレーザビームをON/OFFすることにより、ピクセルパターンを印字することを説明した。この場合、各ピクセルは1ビットによって表現することができる。実施形態2はこれに限るものではなく、例えばピクセルごとに複数ビットによって表現される階調に対応するレーザビーム強度を用いて、その複数ビットによって表現されるピクセルパターンを印字することもできる。すなわち、ビームスポットの照射位置(ピクセル位置)ごとにビーム強度を変調することにより、様々な階調パターンを有するピクセルパターンを印字することができる。 In the second embodiment, it has been described that a pixel pattern is printed by turning the laser beam on and off for each pixel. In this case, each pixel can be expressed by one bit. The second embodiment is not limited to this, and for example, it is also possible to print a pixel pattern expressed by multiple bits for each pixel using a laser beam intensity corresponding to the gradation expressed by the multiple bits. In other words, by modulating the beam intensity for each irradiation position (pixel position) of the beam spot, it is possible to print pixel patterns having various gradation patterns.

コントローラ10は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアをCPU(Central Processing Unit)などの演算装置が実行することによって構成することもできる。GUI120は、例えばコントローラ110がディスプレイなどの表示デバイス上に操作画面を提示することによって構成することができる。 The controller 10 can be configured by hardware such as a circuit device that implements its functions, or by a computing device such as a CPU (Central Processing Unit) that executes software that implements its functions. The GUI 120 can be configured, for example, by the controller 110 presenting an operation screen on a display device such as a display.

1:光源
2:ビーム整形部
3:ビーム変調部
4:ビーム照射部
5:印字対象物
8:ビーム照射位置変更部
9:ビーム方向調整部
100:レーザマーキングシステム
110:コントローラ
120:GUI
1: Light source 2: Beam shaping section 3: Beam modulation section 4: Beam irradiation section 5: Printing object 8: Beam irradiation position change section 9: Beam direction adjustment section 100: Laser marking system 110: Controller 120: GUI

Claims (13)

対象物をレーザビームによって加工するレーザマーキングシステムであって、
前記レーザビームを出射する光源、
前記レーザビームを1次元方向に引き延ばすビーム整形部、
前記引き延ばしたレーザビームのビームスポットの長軸方向における強度分布を変調するビーム変調部、
前記変調したレーザビームを前記対象物に対して照射するビーム照射部、
を備え
前記レーザマーキングシステムは、移動する前記対象物を加工するように構成されており、
前記対象物が移動する方向は、前記ビームスポットの短軸方向である
ことを特徴とするレーザマーキングシステム。
A laser marking system for processing an object with a laser beam, comprising:
a light source that emits the laser beam;
A beam shaping unit that stretches the laser beam in one dimension;
a beam modulation unit that modulates an intensity distribution in a major axis direction of a beam spot of the elongated laser beam;
a beam irradiation unit that irradiates the modulated laser beam onto the object;
Equipped with
the laser marking system is configured to process the moving object;
The direction in which the object moves is the minor axis direction of the beam spot.
A laser marking system comprising:
対象物をレーザビームによって加工するレーザマーキングシステムであって、
前記レーザビームを出射する光源、
前記レーザビームを1次元方向に引き延ばすビーム整形部、
前記引き延ばしたレーザビームのビームスポットの長軸方向における強度分布を変調するビーム変調部、
前記変調したレーザビームを前記対象物に対して照射するビーム照射部、
を備え
前記ビーム変調部は、前記ビームスポット内において、ビーム強度が第1強度である第1領域と、ビーム強度が前記第1強度よりも小さい第2強度である第2領域とを構成するように、前記レーザビームを変調し、
前記ビーム変調部は、第1時刻においては、前記第1領域と前記第2領域を有するように前記レーザビームを変調し、
前記ビーム変調部は、第2時刻においては、前記第1強度を有する第3領域と前記第2強度を有する第4領域を有するように前記レーザビームを変調し、
前記レーザマーキングシステムはさらに、前記ビームスポットの照射位置を前記第1時刻と前記第2時刻との間で移動させることにより、前記第1領域、前記第2領域、前記第3領域、および前記第4領域によって構成された2次元パターンを前記対象物上に加工する、ビーム照射位置変更部を備える
ことを特徴とするレーザマーキングシステム。
A laser marking system for processing an object with a laser beam, comprising:
a light source that emits the laser beam;
A beam shaping unit that stretches the laser beam in one dimension;
a beam modulation unit that modulates an intensity distribution in a major axis direction of a beam spot of the elongated laser beam;
a beam irradiation unit that irradiates the modulated laser beam onto the object;
Equipped with
the beam modulation unit modulates the laser beam so as to form, within the beam spot, a first region having a beam intensity of a first intensity and a second region having a beam intensity of a second intensity smaller than the first intensity;
the beam modulation unit modulates the laser beam to have the first area and the second area at a first time;
the beam modulation unit modulates the laser beam to have a third region having the first intensity and a fourth region having the second intensity at a second time;
The laser marking system further includes a beam irradiation position changing unit that processes a two-dimensional pattern constituted by the first area, the second area, the third area, and the fourth area on the object by moving an irradiation position of the beam spot between the first time and the second time.
A laser marking system comprising:
対象物をレーザビームによって加工するレーザマーキングシステムであって、
前記レーザビームを出射する光源、
前記レーザビームを1次元方向に引き延ばすビーム整形部、
前記引き延ばしたレーザビームのビームスポットの長軸方向における強度分布を変調するビーム変調部、
前記変調したレーザビームを前記対象物に対して照射するビーム照射部、
を備え
前記レーザマーキングシステムはさらに、前記ビーム照射部が照射する前記レーザビームの方向を調整するビーム方向調整部を備え、
前記ビーム変調部は、前記ビームスポット内における前記レーザビームの強度分布を2次元領域内において変調できるように構成されており、
前記ビーム方向調整部は、前記2次元領域よりも大きい平面サイズの領域に対して前記レーザビームを方向づけることにより、前記2次元領域よりも大きい平面サイズの領域において前記レーザビームによって前記対象物を加工する
ことを特徴とするレーザマーキングシステム。
A laser marking system for processing an object with a laser beam, comprising:
a light source that emits the laser beam;
A beam shaping unit that stretches the laser beam in one dimension;
a beam modulation unit that modulates an intensity distribution in a major axis direction of a beam spot of the elongated laser beam;
a beam irradiation unit that irradiates the modulated laser beam onto the object;
Equipped with
The laser marking system further includes a beam direction adjustment unit that adjusts a direction of the laser beam emitted by the beam irradiation unit,
the beam modulation unit is configured to be able to modulate an intensity distribution of the laser beam within the beam spot within a two-dimensional area,
The beam direction adjustment unit processes the object with the laser beam in a region having a planar size larger than the two-dimensional region by directing the laser beam to the region having a planar size larger than the two-dimensional region.
A laser marking system comprising:
前記ビーム変調部は、前記ビームスポット内において、ビーム強度が第1強度である第1領域と、ビーム強度が前記第1強度よりも小さい第2強度である第2領域とを構成するように、前記レーザビームを変調する
ことを特徴とする請求項1または3記載のレーザマーキングシステム。
4. The laser marking system according to claim 1, wherein the beam modulation unit modulates the laser beam so as to form, within the beam spot, a first region having a beam intensity of a first intensity and a second region having a beam intensity of a second intensity smaller than the first intensity.
前記ビーム変調部は、前記対象物を第1量だけ変質させるビーム強度を有するように前記第1強度を構成するとともに、前記対象物を前記第1量よりも小さい第2量だけ変質させるビーム強度を有するように前記第2強度を構成する
ことを特徴とする請求項記載のレーザマーキングシステム。
5. The laser marking system of claim 4, wherein the beam modulation unit configures the first intensity to have a beam intensity that alters the object by a first amount, and configures the second intensity to have a beam intensity that alters the object by a second amount smaller than the first amount.
前記ビーム変調部は、前記レーザビームを遮断することにより、前記第2強度をゼロにする
ことを特徴とする請求項記載のレーザマーキングシステム。
The laser marking system according to claim 5 , wherein the beam modulating unit sets the second intensity to zero by blocking the laser beam.
前記ビーム照射位置変更部は、前記ビームスポットの短軸方向において、前記ビームスポットの照射位置を移動させる
ことを特徴とする請求項記載のレーザマーキングシステム。
3. The laser marking system according to claim 2 , wherein the beam irradiation position changing unit moves the irradiation position of the beam spot in a minor axis direction of the beam spot.
前記ビーム変調部は、2次元のピクセル領域ごとに前記レーザビームの強度を変調することができるように構成されており、
前記ビーム変調部は、前記ビームスポットの短軸方向に沿って、前記ピクセル領域における前記レーザビームの強度を順次更新するように構成されており、
前記ビーム照射位置変更部は、前記ビーム変調部が前記レーザビームの強度を更新した前記ピクセル領域から順に、前記ビームスポットが照射されるように、前記ビームスポットの照射位置を変更する
ことを特徴とする請求項記載のレーザマーキングシステム。
The beam modulation unit is configured to be able to modulate the intensity of the laser beam for each two-dimensional pixel region,
The beam modulation unit is configured to sequentially update the intensity of the laser beam in the pixel area along a minor axis direction of the beam spot,
The laser marking system according to claim 2, characterized in that the beam irradiation position changing unit changes the irradiation position of the beam spot so that the beam spot is irradiated in the order of the pixel areas for which the beam modulation unit has updated the intensity of the laser beam .
前記ビーム変調部は、前記短軸方向における前記2次元パターンの開始位置から順に、前記レーザビームの強度を前記短軸方向に沿って順次更新し、
前記ビーム照射位置変更部は、前記ビーム変調部が前記短軸方向における前記2次元パターンのサイズの半分に相当する領域に対して前記レーザビームの強度を更新完了した時点で、前記ビームスポットを照射開始するとともに、前記ビームスポットを前記短軸方向に沿って移動させ、
前記ビーム変調部は、前記短軸方向に沿って前記2次元パターン全体に対して前記レーザビームの強度を更新し終えると、前記開始位置に戻って改めて前記レーザビームの強度を前記短軸方向に沿って順次更新する
ことを特徴とする請求項8記載のレーザマーキングシステム。
the beam modulation unit sequentially updates the intensity of the laser beam along the minor axis direction in order from a start position of the two-dimensional pattern in the minor axis direction;
the beam irradiation position changing unit starts irradiating the beam spot and moves the beam spot along the short axis direction when the beam modulation unit completes updating the intensity of the laser beam for an area corresponding to half the size of the two-dimensional pattern in the short axis direction;
The laser marking system according to claim 8, characterized in that, when the beam modulation unit finishes updating the intensity of the laser beam for the entire two-dimensional pattern along the short axis direction, the beam modulation unit returns to the starting position and again sequentially updates the intensity of the laser beam along the short axis direction.
前記ビーム変調部が前記レーザビームの強度を更新する動作と、前記ビーム照射位置変更部が前記ビームスポットを移動させる動作は、同期している
ことを特徴とする請求項9記載のレーザマーキングシステム。
10. The laser marking system according to claim 9, wherein the operation of the beam modulation unit to update the intensity of the laser beam and the operation of the beam irradiation position change unit to move the beam spot are synchronized.
前記ビーム変調部は、第1時刻においては、前記ビームスポット内における前記レーザビームの強度分布が第1平面パターンを有するように、前記レーザビームを変調し、
前記ビーム変調部は、第2時刻においては、前記ビームスポット内における前記レーザビームの強度分布が第2平面パターンを有するように、前記レーザビームを変調し、
前記ビーム方向調整部は、前記対象物上の第1領域に対して前記第1平面パターンの前記レーザビームを照射するとともに、前記対象物上の第2領域に対して前記第2平面パターンの前記レーザビームを照射することにより、前記第1平面パターンと前記第2平面パターンを足し合わせた平面パターンを前記対象物上に加工する
ことを特徴とする請求項記載のレーザマーキングシステム。
the beam modulation unit modulates the laser beam at a first time such that an intensity distribution of the laser beam within the beam spot has a first planar pattern;
the beam modulation unit modulates the laser beam at a second time such that an intensity distribution of the laser beam within the beam spot has a second planar pattern;
The laser marking system of claim 3, characterized in that the beam direction adjustment unit irradiates the laser beam of the first planar pattern onto a first area on the object, and irradiates the laser beam of the second planar pattern onto a second area on the object, thereby processing a planar pattern on the object that is a sum of the first planar pattern and the second planar pattern.
前記対象物上に加工される前記第1平面パターンと、前記対象物上に加工される前記第2平面パターンは、両者の境界部分において一部重なり合っている
ことを特徴とする請求項1記載のレーザマーキングシステム。
The laser marking system of claim 11 , characterized in that the first planar pattern processed on the object and the second planar pattern processed on the object partially overlap at their boundary portion.
前記レーザマーキングシステムはさらに、前記光源、前記ビーム整形部、および前記ビーム変調部を制御することにより前記レーザマーキングシステムを制御するコントローラを備え、
前記レーザマーキングシステムはさらに、前記対象物上に加工する形状パターンを指示する指示入力を受け取るユーザインターフェースを備え、
前記コントローラは、前記ユーザインターフェースが受け取った前記形状パターンを前記対象物上に加工するように、前記レーザマーキングシステムを制御する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のレーザマーキングシステム。
The laser marking system further includes a controller that controls the laser marking system by controlling the light source, the beam shaping unit, and the beam modulation unit;
The laser marking system further includes a user interface for receiving an instruction input indicating a shape pattern to be processed on the object;
The laser marking system according to any one of claims 1 to 3 , wherein the controller controls the laser marking system so as to process the shape pattern received by the user interface on the object.
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