JP2024081837A - Laser irradiation device and laser irradiation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザー照射装置、及びレーザー照射方法に関する。 The present invention relates to a laser irradiation device and a laser irradiation method.
レーザーを用いて加工する技術が知られている。一例として、製品に製品コードを印刷するレーザー装置がある(特許文献1参照)。 Processing techniques using lasers are known. One example is a laser device that prints product codes on products (see Patent Document 1).
本発明は、レーザー照射のトータル時間を短縮すると同時に、レーザー照射の照射精度を維持することができるようにすることを目的とする。 The objective of the present invention is to shorten the total time of laser irradiation while at the same time maintaining the accuracy of laser irradiation.
本発明のレーザー照射装置は、レーザー光を照射する照射手段と、照射手段により照射されたレーザー光を走査する走査手段と、を備えるレーザー照射装置において、2以上の照射領域と、照射領域に挟まれた非照射領域を走査手段が走査する際、照射領域内では一定の速度で走査し、かつ、非照射領域内では走査速度を変更するように照射手段及び走査手段を制御する制御部を有している。 The laser irradiation device of the present invention is a laser irradiation device equipped with an irradiation means for irradiating laser light and a scanning means for scanning the laser light irradiated by the irradiation means, and has a control unit that controls the irradiation means and the scanning means so that when the scanning means scans two or more irradiation areas and non-irradiation areas sandwiched between the irradiation areas, the irradiation areas are scanned at a constant speed and the scanning speed is changed in the non-irradiation areas.
本発明によれば、レーザー照射のトータル時間を短縮すると同時に、レーザー照射の照射精度を維持することができる。 The present invention makes it possible to reduce the total time of laser irradiation while maintaining the accuracy of laser irradiation.
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that in this specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are given the same reference numerals, and duplicated descriptions will be omitted.
[実施形態]
<レーザー照射装置200の構成例>
まず、図1乃至図3を参照して、実施形態に係るレーザー照射装置200について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るレーザー照射装置200の構成例を示す上面図である。図2は、本発明の一実施形態に係るレーザー照射装置の構成例を示す側面図である。図3は図2の矢印D方向から収容器を視た図である。図1乃至3に示すレーザー照射装置200は、加工の一例として、レーザー光202を収容器1の照射面200に照射されることによりパターンを形成する。加工はパターン形成以外の例にも適宜適用可能である。
[Embodiment]
<Configuration example of laser irradiation device 200>
First, a laser irradiation device 200 according to an embodiment will be described with reference to Fig. 1 to Fig. 3. Fig. 1 is a top view showing a configuration example of a laser irradiation device 200 according to an embodiment of the present invention. Fig. 2 is a side view showing a configuration example of a laser irradiation device according to an embodiment of the present invention. Fig. 3 is a view of a container viewed from the direction of arrow D in Fig. 2. The laser irradiation device 200 shown in Figs. 1 to 3 forms a pattern by irradiating an irradiation surface 200 of a container 1 with a laser beam 202 as an example of processing. Processing can be appropriately applied to examples other than pattern formation.
まず、図1について説明する。レーザー照射装置200は、照射手段としてパルスレーザー21及びビームエキスパンダ22、走査手段としてガルバノミラー221、ポリゴンミラー231及びfθレンズ241を有する。また、レーザー照射装置200は、搬送検知部300と制御部6が接続されている。搬送検知部300は、搬送検知用発光素子301と、搬送検知用受光素子302が含まれる。 First, we will explain Figure 1. The laser irradiation device 200 has a pulse laser 21 and a beam expander 22 as irradiation means, and a galvanometer mirror 221, a polygon mirror 231, and an fθ lens 241 as scanning means. The laser irradiation device 200 is also connected to a transport detection unit 300 and a control unit 6. The transport detection unit 300 includes a transport detection light emitting element 301 and a transport detection light receiving element 302.
(照射手段)
照射手段は、レーザー光202を照射する。照射手段としてパルスレーザー21は細かい時間間隔で点滅を繰り返すことにより、レーザーを照射する。照射手段として、パルスレーザー21に代えて、連続発振レーザー(CW(Continuous Wave)レーザー)を用いても良い。連続発振レーザーはレーザー光を連続して発振するレーザーである。どちらのタイプのレーザーであっても、収容器1を構成する基材の表面または内部にレーザー光202を照射することにより、基材を熱変形させることができる。この結果、収容器1にパターンが形成される。
(Irradiation Means)
The irradiation means irradiates laser light 202. As the irradiation means, a pulsed laser 21 irradiates the laser by repeatedly blinking at short time intervals. As the irradiation means, a continuous wave laser (CW (Continuous Wave) laser) may be used instead of the pulsed laser 21. A continuous wave laser is a laser that continuously oscillates laser light. Regardless of the type of laser, the surface or inside of the base material constituting the container 1 can be irradiated with laser light 202 to thermally deform the base material. As a result, a pattern is formed in the container 1.
矢印A方向に搬送されるPETボトル等の収容器1を構成する基材の表面に、パルスレーザー21からのレーザー光202を照射する。また、レーザー光202を照射することにより収容器1の基材の表面の状態を変化させても良いし、基材の内部を変化させてもよい。 A laser beam 202 from a pulsed laser 21 is irradiated onto the surface of a base material constituting a container 1, such as a PET bottle, which is being transported in the direction of arrow A. In addition, by irradiating the laser beam 202, the state of the surface of the base material of the container 1 may be changed, or the inside of the base material may be changed.
パルスレーザー21は、レーザー光を射出する光源である。パルスレーザー21は、略平行のパルス状のレーザービームをY軸正方向に向けて射出する。またパルスレーザー21は、発振波長が1064ナノメートルの基本波と、発振波長が532ナノメートルの第2次高調波と、発振波長が355ナノメートルの第3次高調波の3つの発振波長のレーザー光を切り替えて射出可能である。 The pulsed laser 21 is a light source that emits laser light. The pulsed laser 21 emits a roughly parallel pulsed laser beam in the positive direction of the Y axis. The pulsed laser 21 can also switch between emitting laser light of three different oscillation wavelengths: a fundamental wave with an oscillation wavelength of 1064 nanometers, a second harmonic with an oscillation wavelength of 532 nanometers, and a third harmonic with an oscillation wavelength of 355 nanometers.
何れの発振波長においてもレーザー光のパルス幅は15ピコ秒以下である。レーザー光の繰り返し周波数は、シングルショットから200kHzまでの範囲で適宜選択可能である。レーザー光のビーム径は、基本波で略2.0mm、第2次高調波で略1.4mm、第3次高調波で略1.3mmである。 For all oscillation wavelengths, the pulse width of the laser light is 15 picoseconds or less. The repetition frequency of the laser light can be appropriately selected within a range from single shot to 200 kHz. The beam diameter of the laser light is approximately 2.0 mm for the fundamental wave, approximately 1.4 mm for the second harmonic, and approximately 1.3 mm for the third harmonic.
パルスレーザー21には、例えばファイバーレーザーをベースにしたコヒーレント社製のTalisker Ultra355-4等を適用可能である。但し、これに限定されるものではなく、他のパルスレーザーを用いることもできる。 The pulse laser 21 can be, for example, a fiber laser-based Talisker Ultra 355-4 manufactured by Coherent. However, it is not limited to this, and other pulse lasers can also be used.
またパルスレーザー21は、収容器1への形成されるパターンのパターンデータに基づき、射出(オン)と非射出(オフ)を切替え可能である。 The pulse laser 21 can also be switched between emission (on) and non-emission (off) based on the pattern data of the pattern to be formed on the container 1.
レーザー照射装置200は、照射手段として、パルスレーザー21またはCWレーザーに加え、ビームエキスパンダ22を用いてよい。ビームエキスパンダ22は、パルスレーザー21のY軸正方向側に配置される。ビームエキスパンダ22は、パルスレーザー21が射出するレーザー光のビーム径を所定の拡大倍率で拡大した略平行のレーザービームをY軸正方向側に出射する光学系である。 The laser irradiation device 200 may use a beam expander 22 as an irradiation means in addition to the pulsed laser 21 or CW laser. The beam expander 22 is disposed on the positive Y-axis side of the pulsed laser 21. The beam expander 22 is an optical system that emits a substantially parallel laser beam in the positive Y-axis direction, the beam diameter of the laser light emitted by the pulsed laser 21 being expanded by a predetermined expansion factor.
(走査手段)
走査手段は、照射手段により照射されたレーザー光202を走査する。走査手段としてガルバノミラー221、ポリゴンミラー231及びfθレンズ241を含む。これ以外の例として、走査手段は、ガルバノミラー221またはポリゴンミラー231のうち少なくとも1つを含めばよく、必要に応じて、fθレンズ241をさらに含ませてもよい。
(Scanning Means)
The scanning means scans the laser light 202 irradiated by the irradiation means. The scanning means includes a galvanometer mirror 221, a polygon mirror 231, and an fθ lens 241. As another example, the scanning means may include at least one of the galvanometer mirror 221 and the polygon mirror 231, and may further include an fθ lens 241 as necessary.
ガルバノミラー221は、ビームエキスパンダ22のY軸正方向側にガルバノミラー221を配置される。ガルバノミラー221は、ビームエキスパンダ22によりビーム径が拡大されたレーザー光を、Z軸正方向側に向けて偏向する。また、ガルバノミラー221はモータを駆動源にして矢印B方向に揺動することにより、ビームエキスパンダ22からのレーザー光を搬送方向に走査する。 The galvanometer mirror 221 is disposed on the Y-axis positive side of the beam expander 22. The galvanometer mirror 221 deflects the laser light, the beam diameter of which has been expanded by the beam expander 22, toward the Z-axis positive side. The galvanometer mirror 221 also uses a motor as a drive source to swing in the direction of arrow B, thereby scanning the laser light from the beam expander 22 in the transport direction.
ポリゴンミラー231は、ガルバノミラー221のY軸負方向側に配置される。ポリゴンミラー231は、回転することによりレーザー光を走査する。 Polygon mirror 231 is disposed on the negative Y-axis side of galvanometer mirror 221. Polygon mirror 231 scans the laser light by rotating.
ここで図2を参照して、ポリゴンミラー231を説明する。ポリゴンミラー231は、矢印C方向にレーザー光を走査する。ポリゴンミラー231は、モータ等を駆動源にして回転可能な回転多面鏡であり、複数の反射面を含んでいる。ポリゴンミラー231は、X軸と平行な軸回り(矢印B'方向)に回転して反射面の角度を変化させることで、ガルバノミラー221から入射されるレーザー光を矢印C方向に走査する。図2ではポリゴンミラー231の反射面が6つであるが、多面鏡であれば反射面の数は限定されない。 Now, referring to FIG. 2, the polygon mirror 231 will be described. The polygon mirror 231 scans the laser light in the direction of the arrow C. The polygon mirror 231 is a rotating polygonal mirror that can be rotated using a motor or the like as a drive source, and includes multiple reflective surfaces. The polygon mirror 231 rotates around an axis parallel to the X-axis (in the direction of the arrow B') to change the angle of the reflective surfaces, thereby scanning the laser light incident from the galvanometer mirror 221 in the direction of the arrow C. In FIG. 2, the polygon mirror 231 has six reflective surfaces, but the number of reflective surfaces is not limited as long as it is a polygonal mirror.
fθレンズ241は、ポリゴンミラー231による走査されたレーザー光202を、収容器1を構成する基材に照射する。fθレンズ241は、fθレンズ241の周辺部及び中心部を通過したレーザー光202の走査速度が略一定になるように設計及び製作されたレンズである。またfθレンズ241は、収容器1を構成して所定の位置に配置される基材上で、レーザー光を集光させるように設計及び製作されている。1つのレンズで構成されたfθレンズ241でもよく、複数のレンズを組合せてfθレンズ241の機能を実現してもよいし、ミラー等のレンズ以外の光学素子を含む構成でfθレンズ241の機能を実現してもよい。 The fθ lens 241 irradiates the laser light 202 scanned by the polygon mirror 231 onto the base material constituting the container 1. The fθ lens 241 is a lens designed and manufactured so that the scanning speed of the laser light 202 that passes through the peripheral and central parts of the fθ lens 241 is approximately constant. The fθ lens 241 is also designed and manufactured so as to focus the laser light on the base material that constitutes the container 1 and is placed at a predetermined position. The fθ lens 241 may be composed of a single lens, or the function of the fθ lens 241 may be realized by combining multiple lenses, or the function of the fθ lens 241 may be realized by a configuration including optical elements other than lenses such as mirrors.
レーザー照射装置200は、fθレンズ241のY軸正方向側に収容器1を配置し、収容器1におけるfθレンズ241に対向する被照射面400にレーザー光202を照射する。またレーザー照射装置200は、ベルトコンベア等の搬送部上に収容器1を載置し、Y軸と直交する矢印A方向(搬送方向)に搬送する。 The laser irradiation device 200 places the container 1 on the positive Y-axis side of the fθ lens 241, and irradiates the laser light 202 onto the irradiated surface 400 of the container 1 that faces the fθ lens 241. The laser irradiation device 200 also places the container 1 on a transport unit such as a belt conveyor, and transports it in the direction of arrow A (transport direction) perpendicular to the Y-axis.
(搬送検知部)
搬送検知部300は、収容器1にパターンを形成するタイミングを検知する。レーザー照射装置200は、矢印A方向の上流側に、搬送される収容器1を検知する搬送検知部300を設けている。搬送検知部300は、搬送検知用発光素子301と、搬送検知用受光素子302が含まれる。搬送検知用発光素子301が搬送検知用受光素子302に向けて照射する光を収容器1が遮光するタイミングを検知する。レーザー照射装置200は、この遮光タイミングと、レーザー光202の照射位置と搬送検知部300との間の距離情報とに基づいて、搬送される収容器1がレーザー光202の照射位置に進入するタイミングを検知し、搬送方向におけるパターン形成の開始タイミングを決定する。
(Transportation detection unit)
The transport detection unit 300 detects the timing of forming a pattern on the container 1. The laser irradiation device 200 is provided with the transport detection unit 300 on the upstream side in the direction of the arrow A, which detects the container 1 being transported. The transport detection unit 300 includes a transport detection light emitting element 301 and a transport detection light receiving element 302. The transport detection unit 300 detects the timing when the container 1 blocks the light that the transport detection light emitting element 301 irradiates toward the transport detection light receiving element 302. The laser irradiation device 200 detects the timing when the container 1 being transported enters the irradiation position of the laser light 202 based on this light blocking timing and distance information between the irradiation position of the laser light 202 and the transport detection unit 300, and determines the start timing of pattern formation in the transport direction.
またレーザー照射装置200は、ベルトコンベア等の搬送部により順次搬送される複数の収容器1のそれぞれの基材に、順次レーザー光を照射することができる。これによって収容器1の被照射面400にパターンを形成する。 The laser irradiation device 200 can also sequentially irradiate the base material of each of the multiple containers 1 that are sequentially transported by a transport unit such as a belt conveyor with laser light. This forms a pattern on the irradiated surface 400 of the container 1.
(制御部6)
制御部6は、レーザー照射装置200を制御する。具体的には、ソフトウェアが関連するさまざまな制御をつかさどっている。
(Control unit 6)
The control unit 6 controls the laser irradiation device 200. Specifically, the control unit 6 is responsible for various controls related to software.
次に、図2について説明する。レーザー照射装置200は、照射手段としてパルスレーザー21及びビームエキスパンダ22、走査手段としてガルバノミラー221、ポリゴンミラー231及びfθレンズ241を有する。レーザー照射装置200は、搬送検知部300と制御部6が接続されている。更に、図2は、同期検知部25を備え、同期検知用LD(Laser Diode)251と同期検知用PD(Photo Diode)252が含まれる。図2について図1と重複する構成については説明を省略する。 Next, FIG. 2 will be described. The laser irradiation device 200 has a pulse laser 21 and a beam expander 22 as irradiation means, and a galvanometer mirror 221, a polygon mirror 231, and an fθ lens 241 as scanning means. The laser irradiation device 200 is connected to a transport detection unit 300 and a control unit 6. Furthermore, FIG. 2 has a synchronous detection unit 25, which includes a synchronous detection LD (Laser Diode) 251 and a synchronous detection PD (Photo Diode) 252. Descriptions of configurations in FIG. 2 that overlap with FIG. 1 will be omitted.
ポリゴンミラー231は、矢印C方向にレーザー光を走査する。図1の矢印A方向は搬送方向に対応していたが、図2の矢印C方向は搬送方向に交差する交差方向に対応する。レーザー照射装置200は、矢印C方向へのレーザー202を照射し、収容器1にパターンを形成する。ポリゴンミラー231は、モータ等を駆動源にして回転可能な回転多面鏡であり、複数の反射面を含んでいる。ポリゴンミラー231は、X軸と平行な軸回り(矢印B'方向)に回転して反射面の角度を変化させることで、ガルバノミラー221から入射されるレーザー光を矢印C方向に走査する。ポリゴンミラー231の反射面が6つであるが、多面鏡であれば反射面の数は限定されない。 The polygon mirror 231 scans the laser light in the direction of the arrow C. The direction of the arrow A in FIG. 1 corresponds to the conveying direction, but the direction of the arrow C in FIG. 2 corresponds to the intersecting direction intersecting the conveying direction. The laser irradiation device 200 irradiates the laser 202 in the direction of the arrow C to form a pattern on the container 1. The polygon mirror 231 is a rotating polygonal mirror that can be rotated by a motor or the like as a drive source, and includes multiple reflective surfaces. The polygon mirror 231 rotates around an axis parallel to the X-axis (in the direction of the arrow B') to change the angle of the reflective surface, thereby scanning the laser light incident from the galvanometer mirror 221 in the direction of the arrow C. The polygon mirror 231 has six reflective surfaces, but the number of reflective surfaces is not limited if it is a polygonal mirror.
ポリゴンミラー231の近傍には同期検知部25が設けられている。同期検知部25は、同期検知用LD(Laser Diode)251と同期検知用PD(Photo Diode)252が含まれる。同期検知用LD251はポリゴンミラー231に向けてレーザー光を射出し、同期検知用PD252はポリゴンミラー231による反射光を受光する。レーザー照射装置200は、同期検知用PD252の受光信号に基づき、交差方向におけるパターン形成の開始タイミングを決定する。 A synchronous detection unit 25 is provided near the polygon mirror 231. The synchronous detection unit 25 includes a synchronous detection LD (Laser Diode) 251 and a synchronous detection PD (Photo Diode) 252. The synchronous detection LD 251 emits laser light toward the polygon mirror 231, and the synchronous detection PD 252 receives the reflected light from the polygon mirror 231. The laser irradiation device 200 determines the start timing of pattern formation in the intersecting direction based on the light receiving signal of the synchronous detection PD 252.
レーザー照射装置200は、搬送方向及び交差方向のそれぞれにおけるパターン形成の開始タイミングをトリガーにし、パターンデータに基づいてパルスレーザー21のオンとオフを制御しながら、搬送される収容器1に対し、矢印C方向に延伸するレーザー光202を照射する。 The laser irradiation device 200 is triggered by the start timing of pattern formation in both the conveying direction and the cross direction, and irradiates the container 1 being conveyed with laser light 202 extending in the direction of arrow C while controlling the on/off of the pulse laser 21 based on the pattern data.
次に、図3について説明する。図3について図1及び2と重複する構成については説明を省略する。 Next, we will explain Figure 3. We will omit the explanation of the configuration of Figure 3 that overlaps with Figures 1 and 2.
図3は、収容器1の被照射面400に、パターン401を形成された例を示している。 Figure 3 shows an example in which a pattern 401 is formed on the irradiated surface 400 of the container 1.
Lxはレーザー光202が照射される照射対象領域であるパターン401の収容器1の水平方向であるC方向における長さを示す。また、Lzは照射対象領域であるパターン401の収容器1の垂直方向(A方向)における長さを示す。 Lx indicates the length of the pattern 401, which is the irradiation target area irradiated with the laser light 202, in the horizontal direction C of the container 1. Furthermore, Lz indicates the length of the pattern 401, which is the irradiation target area, in the vertical direction (A direction) of the container 1.
<レーザー照射装置200によるパターン形成の生産性>
収容器1を構成する基材の表面または内部にレーザー光202を照射することにより、基材の熱変形によりパターン形成をする。レーザー光としてパルスレーザー21または連続発振レーザー(CWレーザー)のどちらのタイプあっても良い。しかしながら、パルスレーザー21の場合には細かい時間間隔で点滅を繰り返すレーザーであるため、パターン形成の生産性はレーザー光の射出の繰返し周波数に依存する。このような特徴を持つパルスレーザーである場合について、その生産性について説明をする。
<Productivity of Pattern Formation by Laser Irradiation Apparatus 200>
A pattern is formed by thermally deforming the substrate by irradiating the surface or interior of the substrate constituting the container 1 with laser light 202. The laser light may be either a pulsed laser 21 or a continuous wave laser (CW laser). However, since the pulsed laser 21 is a laser that repeatedly blinks at short time intervals, the productivity of pattern formation depends on the repetition frequency of the emission of the laser light. The productivity of a pulsed laser having such characteristics will be explained below.
容器サイズをW[mm]、搬送方向における複数の収容器1間の距離をd[mm]とし、パターン形成の生産性をX[個/分]とすると、収容器1の搬送速度V[mm/s]は次式で算出される。なお、搬送方向における複数の収容器1間の距離は、搬送方向における複数の基材間の距離に等しい。 If the container size is W [mm], the distance between multiple containers 1 in the transport direction is d [mm], and the productivity of pattern formation is X [pieces/min], the transport speed V [mm/s] of the container 1 is calculated using the following formula. Note that the distance between multiple containers 1 in the transport direction is equal to the distance between multiple substrates in the transport direction.
また画素密度をa[dpi]とし、生産性Xを確保するために、ポリゴンミラー231による1回の走査当たりに許容される時間Tは次式で算出される。 Also, assuming that the pixel density is a [dpi], the time T allowed per scan by the polygon mirror 231 to ensure productivity X is calculated using the following formula:
さらに、交差方向におけるパターン形成領域をLz[mm]とすると、生産性Xを確保するために、交差方向における1ドット当たりに許容される時間Δt[s]は、次式で算出される値になる。 Furthermore, if the pattern formation area in the intersecting direction is Lz [mm], the time Δt [s] allowed per dot in the intersecting direction to ensure productivity X is calculated using the following formula:
次に、レーザー光のフルエンスについて説明する。 Next, we will explain the fluence of laser light.
レーザー光のフルエンスFは次のように表すことができる。 The fluence F of laser light can be expressed as follows:
但し、P[W]はパルスレーザーの平均出力(光強度)を表し、E[J]はレーザー光の1パルス当たりのパルスエネルギーを表し、ν[Hz]はパルスレーザーによるレーザー光の射出の繰返し周波数を表す。F[J/cm2]はフルエンスを表し、S[cm2]はレーザービームスポットの面積を表す。 where P [W] represents the average output (light intensity) of the pulsed laser, E [J] represents the pulse energy per pulse of the laser light, ν [Hz] represents the repetition frequency of the laser light emission by the pulsed laser, F [J/cm 2 ] represents the fluence, and S [cm 2 ] represents the area of the laser beam spot.
フルエンスFは、パルスエネルギーをレーザービームスポットの面積で除算した値に対応する。収容器1を構成する基材におけるフルエンスは、パルスレーザー21の射出するレーザー光のパルスエネルギーを、収容器1を構成する基材上でのレーザービームスポットの面積で除算した値になる。 The fluence F corresponds to the value obtained by dividing the pulse energy by the area of the laser beam spot. The fluence at the substrate constituting the container 1 is the value obtained by dividing the pulse energy of the laser light emitted by the pulse laser 21 by the area of the laser beam spot on the substrate constituting the container 1.
レーザー照射装置200は、パルス幅がナノ秒スケールのレーザー光では、基材の吸光スペクトルに応じた熱変性によりパターンを形成する。一方、レーザー照射装置200は、パルス幅がピコ秒スケールのレーザー光では、吸光スペクトル及び多光子吸収のそれぞれに応じた熱変性でパターンを形成する。 When using laser light with a nanosecond-scale pulse width, the laser irradiation device 200 forms a pattern through thermal denaturation according to the absorption spectrum of the substrate. On the other hand, when using laser light with a picosecond-scale pulse width, the laser irradiation device 200 forms a pattern through thermal denaturation according to both the absorption spectrum and multiphoton absorption.
なお、多光子吸収とは、レーザー光が照射されることで、レーザー光の発振波長の1/2又は1/3に対応する波長の光で励起されたような状態になり、複数の光子が吸収されることで電子及び原子の状態が高いエネルギー準位に遷移する非線形現象をいう。パルス幅がピコ秒スケールのレーザー光を用いると、固体の状態から溶融状態を経ることなく基材を昇華し、基材に加工痕を形成できる。 Multiphoton absorption is a nonlinear phenomenon in which, when irradiated with laser light, a state is created in which the material is excited by light with a wavelength corresponding to 1/2 or 1/3 of the oscillation wavelength of the laser light, and multiple photons are absorbed, causing the state of electrons and atoms to transition to a higher energy level. By using laser light with a pulse width on the picosecond scale, the substrate can be sublimated from a solid state without passing through a molten state, and processing marks can be formed on the substrate.
このとき、収容器1の基材にレーザー光を照射するために要求されるフルエンスが、1パルスで1ドットのパターン形成が可能なパルスレーザー21を選定した場合、パターン形成周波数は繰り返し周波数であるν[Hz]となる。 In this case, if a pulsed laser 21 is selected that is capable of forming a pattern of one dot per pulse, the fluence required to irradiate the substrate of the container 1 with laser light is the repetition frequency ν [Hz].
一方、パルスレーザー21のフルエンスが小さく、1ドットのパターン形成にNパルスが必要になる場合には、パターン形成周波数はν/N[Hz]となるため、1ドットのパターン形成に必要な時間は、N/ν [s]となる。 On the other hand, if the fluence of the pulsed laser 21 is small and N pulses are required to form a one-dot pattern, the pattern formation frequency is ν/N [Hz], and the time required to form one dot pattern is N/ν [s].
この場合には、ΔtはN/ν[s]より大きい値しか許容されず、1回の走査によるパターン形成に許容される速度より速い速度で収容器1を搬送させることができない。つまり、1ドットのパターン形成に許容される時間が生産性の律速になる。 In this case, only values greater than N/ν [s] are allowed for Δt, and the container 1 cannot be transported at a speed faster than the speed allowed for pattern formation in one scan. In other words, the time allowed for pattern formation of one dot becomes the rate limiting factor for productivity.
これに対し、本実施形態では、ポリゴンミラー231は、収容器1の搬送方向における複数の位置で、レーザー光を交差方向に走査する。搬送方向における複数の位置の数を多くするほど、収容器1の見かけ上の搬送速度が遅くなるため、パターン形成時間を長くすることができる。 In contrast, in this embodiment, the polygon mirror 231 scans the laser light in the intersecting direction at multiple positions in the transport direction of the container 1. The more multiple positions in the transport direction there are, the slower the apparent transport speed of the container 1 becomes, and the longer the pattern formation time can be.
<レーザー照射装置の動作例> <Example of laser irradiation device in action>
図4は本発明の一実施形態に係るガルバノミラーの動作を示す図である。図4(a)はX軸正方向への走査の一例、図4(b)はX軸負方向への走査の一例を示す。ガルバノミラーを矢印Bに沿って揺動させることで、ポリゴンミラー231によるレーザー光202を矢印A方向に走査できる。図4(a)では、レーザー光202はX軸正方向側に走査され、図4(b)では、レーザー光202はX軸負方向側に走査される。つまり、ポリゴンミラー231は、搬送方向における2つの位置で、レーザー光202を交差方向に走査している。 Figure 4 is a diagram showing the operation of a galvanometer mirror according to one embodiment of the present invention. Figure 4(a) shows an example of scanning in the positive direction of the X-axis, and Figure 4(b) shows an example of scanning in the negative direction of the X-axis. By oscillating the galvanometer mirror along arrow B, the laser light 202 by the polygon mirror 231 can be scanned in the direction of arrow A. In Figure 4(a), the laser light 202 is scanned in the positive direction of the X-axis, and in Figure 4(b), the laser light 202 is scanned in the negative direction of the X-axis. In other words, the polygon mirror 231 scans the laser light 202 in intersecting directions at two positions in the transport direction.
このようにX軸方向はガルバノミラー221によりレーザー光202をA方向に、またZ軸方向はポリゴンミラー231によりレーザー光202をC方向にそれぞれ走査することで、被照射面400の任意の位置にレーザー光202を照射可能となる。 In this way, by scanning the laser light 202 in the A direction in the X-axis direction using the galvanometer mirror 221 and in the C direction in the Z-axis direction using the polygon mirror 231, it is possible to irradiate the laser light 202 at any position on the irradiated surface 400.
なお、A方向はガルバノミラー221がレーザー光202を走査する方向である一方、A方向は収容器1を搬送する方向である。このため、ガルバノミラー221によるA方向への走査の制御は、収容器1をA方向へ搬送する搬送速度を考慮した上で決定することが必要である。 Note that while the A direction is the direction in which the galvanometer mirror 221 scans the laser light 202, the A direction is also the direction in which the container 1 is transported. For this reason, the control of the scanning in the A direction by the galvanometer mirror 221 needs to be determined taking into consideration the transport speed at which the container 1 is transported in the A direction.
図5は、本発明の一実施形態に係るレーザー光の照射領域を示す図である。 Figure 5 shows the irradiation area of laser light according to one embodiment of the present invention.
以下、照射領域の一例として、収容器1がリブ付きのペットボトルについて説明する図5は、図3と説明が重複する内容については適宜説明を省略する。 In the following, Figure 5 explains a container 1 that is a PET bottle with ribs as an example of an irradiation area, and the explanation of the contents that overlap with the explanation of Figure 3 will be omitted as appropriate.
図5(a)は、被照射面400にレーザー光202を照射してパターン401を形成する例を示す。レーザー照射装置200は、A方向にペットボトルを搬送しながら、ガルバノミラー221によりレーザー光202をA方向に走査し、かつ、ポリゴンミラー231によりレーザー光202をC方向に走査する。これによって、被照射面400の任意の位置にレーザー光202を照射することができる。 Figure 5 (a) shows an example of forming a pattern 401 by irradiating a laser beam 202 onto an irradiated surface 400. While conveying a plastic bottle in the A direction, the laser irradiation device 200 scans the laser beam 202 in the A direction using a galvanometer mirror 221, and also scans the laser beam 202 in the C direction using a polygon mirror 231. This allows the laser beam 202 to be irradiated to any position on the irradiated surface 400.
図5(b)は、被照射面400にレーザー光202を照射する照射領域と、照射しない非照射領域を示す。収容器1としてリブ付きのペットボトルを用いる場合、凸部と、凹部が交互に含まれる例を示している。凸部はレーザー光202を照射する領域として適しており、凹部はレーザー光202を照射する領域として適していない。そこで、凸部をレーザー光202が照射される照射領域とし、凹部をレーザー光202が照射される非照射領域とする。 Figure 5 (b) shows irradiation areas on the irradiated surface 400 where the laser light 202 is irradiated, and non-irradiation areas where the laser light 202 is not irradiated. When a ribbed plastic bottle is used as the container 1, an example is shown in which convex parts and concave parts are alternately included. The convex parts are suitable as areas to be irradiated with the laser light 202, and the concave parts are not suitable as areas to be irradiated with the laser light 202. Therefore, the convex parts are considered as irradiation areas to be irradiated with the laser light 202, and the concave parts are considered as non-irradiation areas to be irradiated with the laser light 202.
図5(b)では、照射領域と非照射領域が交互に形成される。照射領域(1)と照射領域(2)の間に非照射領域(1ー2)があり、照射領域(2)と照射領域(3)の間に非照射領域(2ー3)がある。 In FIG. 5(b), irradiated and non-irradiated regions are formed alternately. A non-irradiated region (1-2) is present between irradiated region (1) and irradiated region (2), and a non-irradiated region (2-3) is present between irradiated region (2) and irradiated region (3).
以下、照射領域へ照射する場合の生産性の向上、および照射精度の確保について、詳細に説明する。 Below, we will explain in detail how to improve productivity and ensure irradiation accuracy when irradiating the irradiation area.
図6は、本発明の一実施形態に係るレーザー光の走査速度(v)と時間(t)との関係を示した図である。 Figure 6 shows the relationship between the scanning speed (v) of the laser light and time (t) in one embodiment of the present invention.
図6(a)は、一般的なレーザー光の走査速度(v)と時間(t)との関係を示した図である。図6(b)は、比較例におけるリブ付きのペットボトルにレーザー照射した場合におけるレーザー光の走査速度(v)と時間(t)との関係を示した図である。図6(c)は、本発明におけるレーザー光の走査速度(v)と時間(t)との関係を示した図である。 Figure 6(a) is a diagram showing the relationship between the scanning speed (v) of a typical laser beam and time (t). Figure 6(b) is a diagram showing the relationship between the scanning speed (v) of the laser beam and time (t) when a PET bottle with ribs is irradiated with a laser in a comparative example. Figure 6(c) is a diagram showing the relationship between the scanning speed (v) of the laser beam and time (t) in the present invention.
図6(a)は、まずレーザー光の走査速度(v)が、t(0-1)区間において加速され、速度v1に達する。その後、レーザー光の走査速度(v)をt(1)、t(1-2)、t(2)、およびt(3)の区間においては速度v1の等速で走査を行う。t(3)区間終了後は、t(1)からt(3)の区間を速度ゼロまで減速する。このように走査1ライン中の照射領域においては、レーザー光の走査速度(v)が一定であるのが一般的である。 In Figure 6(a), the scanning speed (v) of the laser light is first accelerated in the section t(0-1) and reaches a speed v1. Thereafter, the scanning speed (v) of the laser light is kept constant at the speed v1 in sections t(1), t(1-2), t(2), and t(3). After the end of section t(3), the speed is decelerated to zero in the section from t(1) to t(3). In this way, it is common for the scanning speed (v) of the laser light to be constant in the irradiation area during one scanning line.
図6(b)においても図6(a)と同様に、レーザー光の走査速度(v)は、t(0-1)区間において加速され、速度v1に達する。その後、レーザー光の走査速度(v)をt(1)、t(1-2)、t(2)、およびt(3)の区間においては速度v1の等速で走査を行う。t(3)区間終了後は、t(1)からt(3)の区間を速度ゼロまで減速する。 In FIG. 6(b), as in FIG. 6(a), the scanning speed (v) of the laser light is accelerated in the section t(0-1) and reaches a speed v1. Thereafter, the scanning speed (v) of the laser light is kept constant at a speed v1 in sections t(1), t(1-2), t(2), and t(3). After the end of section t(3), the speed is decelerated to zero in the section from t(1) to t(3).
このため、図5で示した収容器1は照射領域と非照射領域が含まれる。そこで、レーザー光の照射を制御する必要がある。 For this reason, the container 1 shown in Figure 5 includes irradiated and non-irradiated areas. Therefore, it is necessary to control the irradiation of the laser light.
図6(b)の距離A、距離B及び距離Cは、それぞれ照射領域(1)、照射領域(2)及び照射領域(3)においてレーザー光が走査した距離を表している。例えば、照射領域(1)にてレーザー光が照射をしながら走査したトータルな距離は、レーザー光の走査速度v1とその間の走査時間t(1)で囲まれる面積(=距離A)で表される。照射領域と非照射領域に関わらず、t(1)、t(1-2)、t(2)、およびt(3)の区間においては速度v1の等速で走査を行う。 Distances A, B, and C in Figure 6(b) represent the distances scanned by the laser light in irradiated area (1), irradiated area (2), and irradiated area (3), respectively. For example, the total distance scanned while irradiating irradiated area (1) with the laser light is represented by the area (= distance A) enclosed by the scanning speed v1 of the laser light and the scanning time t(1) during that time. Regardless of whether the area is irradiated or not, scanning is performed at a constant speed of v1 in the sections t(1), t(1-2), t(2), and t(3).
一方、図6(c)では、レーザー光の照射を制御として、2以上の照射領域と、照射領域に挟まれた非照射領域を走査する際、照射領域内では一定の速度で走査し、かつ、非照射領域内では走査速度を変更する。具体的には、図6(c)の非照射領域(1ー2)では、加速度aにてレーザー光の走査速度を加速している。この加速により、照射領域(2)での走査速度はv2にまで達している。 In contrast, in FIG. 6(c), when scanning two or more irradiation areas and a non-irradiation area sandwiched between the irradiation areas using the irradiation of laser light as control, scanning is performed at a constant speed in the irradiation areas, and the scanning speed is changed in the non-irradiation areas. Specifically, in the non-irradiation area (1-2) in FIG. 6(c), the scanning speed of the laser light is accelerated at acceleration a. Due to this acceleration, the scanning speed in the irradiation area (2) reaches v2.
レーザー走査により照射した距離は、速度×時間であらわされるが、図6(b)と比べ、図6(c)の場合照射領域(2)における同じ走査時間であるt(2)間に、「距離D」の分だけより多くの距離を走査している。 The distance irradiated by laser scanning is expressed as speed x time, but compared to Figure 6(b), in Figure 6(c) a greater distance is scanned by "distance D" during the same scanning time t(2) in the irradiation area (2).
図6(b)と図6(c)はトータルの走査時間が一定として前提で比較したものであり、これは一定時間内には図6(b)と比べて図6(c)の方が多くの距離を走査することができる。 Figures 6(b) and 6(c) are compared under the assumption that the total scanning time is constant, meaning that within a given time, Figure 6(c) can scan a greater distance than Figure 6(b).
言い換えるならば、図6(b)と図6(c)をトータルの走査距離を同一であるとした場合には、図6(b)に比べて図6(c)の方がトータルの走査時間が短くなり、生産性が向上する。 In other words, if the total scanning distance is the same in Figure 6(b) and Figure 6(c), the total scanning time is shorter in Figure 6(c) than in Figure 6(b), improving productivity.
図6は1ラインの走査速度の推移を表しているグラフであるため、その前提として走査開始時は速度ゼロであり、かつ、走査の終了時も速度ゼロである。 Figure 6 is a graph showing the progression of the scanning speed for one line, so the assumption is that the speed is zero when the scan begins, and is also zero when the scan ends.
図6(c)は、走査開始後に可能な限り大きな加速度aで加速し、次の非照射領域(1ー2)でも加速度aで加速するというように、加速を繰り返す。この場合の非照射領域の数には制限はない。 In FIG. 6(c), the laser accelerates at the highest possible acceleration a after scanning starts, and then accelerates at the acceleration a in the next non-irradiated area (1-2), repeating this process. There is no limit to the number of non-irradiated areas in this case.
その後の非照射領域(例えば非照射領域(2ー3))にて減速し、最終的には1ラインの終了時には速度をゼロとする。 Then, in the non-illuminated area (e.g., non-illuminated area (2-3)), the speed is decelerated, and finally, at the end of one line, the speed becomes zero.
このような場合にトータルの走査時間が最も短くなり、最も生産性が向上する。 In this case, the total scanning time is the shortest and productivity is improved the most.
言い換えるならば、走査速度が最速の照射領域(例えば図6(c)では照射領域(2))を特定の照射領域と仮定すると、その特定の照射領域より前に走査する照射領域(例えば図6(c)では照射領域(1))の走査速度は特定の照射領域の走査速度より小さく、かつ、特定の照射領域より後に走査する照射領域(例えば図6(c)では照射領域(3))の走査速度は特定の照射領域の走査速度より小さくなる。 In other words, if we assume that the irradiation area with the fastest scanning speed (e.g., irradiation area (2) in FIG. 6(c)) is the specific irradiation area, the scanning speed of the irradiation area scanned before the specific irradiation area (e.g., irradiation area (1) in FIG. 6(c)) will be slower than the scanning speed of the specific irradiation area, and the scanning speed of the irradiation area scanned after the specific irradiation area (e.g., irradiation area (3) in FIG. 6(c)) will be slower than the scanning speed of the specific irradiation area.
そのような1ライン中の走査速度の変化(速度プロファイル)が、最大限の生産性を生み出す。 Such variations in scanning speed (speed profile) within a line result in maximum productivity.
ここで照射領域にてレーザー光を照射し、または非照射領域にてレーザー光を照射しないこととする手段についてはどのような方法でもよい。例えば、照射領域内の走査速度の変更に基づいて、パルスレーザー21が照射するか、照射しないかを切り替えてもいい。また、例えばレーザー自体は連続的にレーザー光を発射する場合でも、レーザー光を遮断するシャッター等により遮断間隔として照射するか、照射しないかを切り替えてもいい。 Here, any method may be used to irradiate the irradiation area with laser light or not irradiate the non-irradiation area with laser light. For example, the pulse laser 21 may switch between irradiating and not irradiating based on a change in the scanning speed within the irradiation area. Also, for example, even if the laser itself emits laser light continuously, it may be possible to switch between irradiating and not irradiating at blocking intervals using a shutter or the like that blocks the laser light.
次に、照射精度の確保の点について説明をする。 Next, we will explain how to ensure irradiation accuracy.
図6(b)においても図6(c)においても、照射領域での走査速度は一定としている。 In both Figure 6(b) and Figure 6(c), the scanning speed in the irradiation area is constant.
これは、照射中に加減速をした場合のマーキングは等速走査中のマーキングよりも位置誤差が大きくなりやすいためである。 This is because marking when accelerating and decelerating during irradiation is more likely to result in larger position errors than marking during constant speed scanning.
本発明においては、照射領域では加減速せず、非照射領域においてのみ加減速をしているので、レーザー光の照射精度は確保できている。 In the present invention, the laser light does not accelerate or decelerate in the irradiated area, but only in the non-irradiated area, ensuring the accuracy of the laser light irradiation.
逆に言うと、照射領域では加減速せずにレーザー光の照射精度は確保しつつ、非照射領域においてのみ加減速をすることで、同時に生産性の向上も達成できる。 In other words, by ensuring the accuracy of laser light irradiation without accelerating or decelerating in the irradiated area, while accelerating or decelerating only in the non-irradiated area, it is possible to simultaneously achieve improved productivity.
ここでレーザー光走査速度の加速についてではあるが、レーザー光走査の加減速時に急峻な加速減を行うと共振を励起しやすくなることがわかっている。 Regarding the acceleration of the laser light scanning speed, it has been found that rapid acceleration and deceleration during laser light scanning makes it easier to excite resonance.
一般に、加減速の際に共振が発生しない加速度の最大値は、レーザー光を走査する走査機構やその制御手段等に基づいて決まってくる。 In general, the maximum acceleration value at which resonance does not occur during acceleration/deceleration is determined based on the scanning mechanism that scans the laser light and its control means, etc.
このため、レーザー光の照射精度は確保しつつ、生産性を最大にするためには、照射領域では加減速せずに、非照射領域における加速度を最大値とすることである。 Therefore, in order to maximize productivity while ensuring the accuracy of laser light irradiation, the acceleration in the non-irradiated areas should be maximized without accelerating or decelerating in the irradiated areas.
本発明においては、速度を制御することで、レーザー光の照射精度は確保しつつ、生産性を最大化している。 In the present invention, the speed is controlled to maximize productivity while ensuring the accuracy of laser light irradiation.
また、走査を速度ゼロから加速し、照射し、速度をゼロに戻すことで走査を終了する一ラインの走査において、最大の生産性を得られることについて説明する。 We also explain how maximum productivity can be achieved by scanning a single line by accelerating the scan from a zero speed, irradiating, and then returning the speed to zero to end the scan.
加減速の際に共振が発生しない加速度の最大値は、レーザー光を走査する走査機構やその制御手段等に基づいて決まってくる。 The maximum acceleration value at which resonance does not occur during acceleration/deceleration is determined based on the scanning mechanism that scans the laser light and its control means, etc.
このため、例えば図6(c)のように、非照射領域において共振が発生しない加速度の最大値で加速し、次の非照射領域で再び共振が発生しない加速度の最大値で加速するのが、全体の生産性を上げるためには必要である。 For this reason, in order to increase overall productivity, it is necessary to accelerate at the maximum acceleration at which resonance does not occur in the non-irradiated area, for example as shown in Figure 6 (c), and then accelerate at the maximum acceleration at which resonance does not occur again in the next non-irradiated area.
また、走査が終了する際には走査速度がゼロになっている必要がある。 Also, the scanning speed must be zero when the scan ends.
このため、例えば図6(c)の照射領域(2)の最大速度の領域を特定の照射領域とすると、特定の照射領域より前に走査する照射領域の走査速度は特定の照射領域の走査速度より小さく、かつ、特定の照射領域より後に走査する照射領域の走査速度は特定の照射領域の走査速度より小さくする必要がある。 For this reason, for example, if the area of maximum speed in the irradiation area (2) in Figure 6 (c) is taken as the specific irradiation area, the scanning speed of the irradiation area scanned before the specific irradiation area must be slower than the scanning speed of the specific irradiation area, and the scanning speed of the irradiation area scanned after the specific irradiation area must be slower than the scanning speed of the specific irradiation area.
必然的にレーザー光の走査速度(v)と時間(t)との関係は、図6(c)のように山なりとなる。 The relationship between the scanning speed (v) of the laser light and time (t) inevitably becomes hill-shaped, as shown in Figure 6 (c).
図7は、本発明の一実施形態に係る照射領域と非照射領域における加減速の応用例である。 Figure 7 shows an example of the application of acceleration and deceleration in illuminated and non-illuminated areas according to one embodiment of the present invention.
図7(a)は、照射領域は加減速せず、非照射領域を加減速する。図7(b)は、非照射領域の一部において加減速をせずに等速で走査する。図7(c)は、照射領域の一部において等速で走査せずに加減速する実施例となる。 In Fig. 7(a), the irradiated area is not accelerated or decelerated, but the non-irradiated area is accelerated or decelerated. In Fig. 7(b), part of the non-irradiated area is scanned at a constant speed without acceleration or deceleration. In Fig. 7(c), part of the irradiated area is accelerated or decelerated without being scanned at a constant speed.
図7(a)は図6(c)と同じであり、照射領域では加減速せずに、非照射領域においてのみ加減速をするものである。この照射領域では加減速せず、非照射領域においてのみ加減速をする。 Figure 7(a) is the same as Figure 6(c), and does not accelerate or decelerate in the illuminated area, but accelerates or decelerates only in the non-illuminated area. Figure 7(a) is the same as Figure 6(c), and does not accelerate or decelerate in the illuminated area, but accelerates or decelerates only in the non-illuminated area.
図7(a)と図7(b)は、非照射領域のうち、照射領域に隣接する部分である区間(E)及び(G)での制御が異なっている。 Figures 7(a) and 7(b) show different controls in sections (E) and (G), which are the non-illuminated areas adjacent to the illuminated area.
非照射領域から照射領域に達する少し前の区間(E)の非照射領域にて等速とする。また、照射領域から非照射領域に達してから少し後の区間(G)の非照射領域においても等速とする。 The speed is constant in the non-illuminated area in the section (E) just before the non-illuminated area is reached from the non-illuminated area to the illuminated area. The speed is also constant in the non-illuminated area in the section (G) just after the non-illuminated area is reached from the illuminated area.
このように照射領域の前後の非照射領域の一部である一定区間(E)及び(G)において、当該照射領域である区間(F)の走査速度と同一の走査速度とすることで、照射領域における照射精度がより安定する。 In this way, by setting the scanning speed in the certain sections (E) and (G), which are part of the non-irradiated area before and after the irradiated area, to be the same as the scanning speed in the section (F), which is the irradiated area, the irradiation accuracy in the irradiated area becomes more stable.
万が一、共振が発生してしまった場合でも、その共振が収まるまでの時間を確保することで、照射領域では確実な等速走査が可能となるというメリットもある。 Even if resonance does occur, there is an advantage in that it allows time for the resonance to subside, making it possible to perform reliable constant-speed scanning in the irradiation area.
このように、非照射領域での共振を防ぐために非照射領域での加減速は共振を励起しない範囲内としているが、照射領域の前後の非照射領域の一部の区間において、照射領域と同じ走査速度とすることで、照射領域ではより安定した等速走査が可能となる。 In this way, in order to prevent resonance in the non-irradiated area, the acceleration and deceleration in the non-irradiated area is set within a range that does not excite resonance, but by setting the scanning speed to the same as the irradiated area in some sections of the non-irradiated area before and after the irradiated area, more stable constant-speed scanning is possible in the irradiated area.
図7(a)と図7(c)は、照射領域のうち、非照射領域に隣接する部分である区間(H)及び(J)での制御が異なっている。 Figures 7(a) and 7(c) show different controls in sections (H) and (J), which are the illuminated areas adjacent to the non-illuminated areas.
非照射領域から照射領域に達してから少し後の区間(H)の非照射領域にて加減速をする。また、照射領域から非照射領域に達する少し前の区間(J)の非照射領域においても加減速をする。 Acceleration and deceleration occur in the non-illuminated area in the section (H) shortly after the non-illuminated area is reached from the non-illuminated area to the illuminated area. Acceleration and deceleration also occur in the non-illuminated area in the section (J) shortly before the non-illuminated area is reached from the illuminated area.
図7(c)は非照射領域の前後の照射領域の一部である一定区間(H)及び(J)において、当該照射領域のうち等速である区間(I)の走査速度とは異なった走査速度とすることで、図7(b)よりも生産性が向上できる。 Figure 7(c) shows that productivity can be improved compared to Figure 7(b) by setting a different scanning speed in certain sections (H) and (J) that are part of the irradiated area before and after the non-irradiated area from the scanning speed in section (I) of the irradiated area, which is a constant speed.
照射領域内であってもその縁に近い区間である区間(H)や(J)は、もともと照射を予定している区間(I)ではなく、照射位置調整のための余白として設定されているケースが多い。この場合、その空白区間については照射が予定されないため、加減速をしても照射精度の問題は発生しない。このようにすることで、安定した照射精度を維持しつつ、生産性を向上することができる。 In many cases, sections (H) and (J) that are close to the edge of the irradiation area are not sections (I) that are originally planned for irradiation, but are set as margins for adjusting the irradiation position. In this case, since irradiation is not planned for the blank sections, there are no problems with irradiation accuracy even if the machine is accelerated or decelerated. In this way, productivity can be improved while maintaining stable irradiation accuracy.
レーザー光の走査制御や照射制御は、レーザー照射装置200に含まれる制御部6により制御される。制御部6のハードウェア構成及び機能構成について、図8及び図9により説明をする。 The scanning control and irradiation control of the laser light are controlled by a control unit 6 included in the laser irradiation device 200. The hardware configuration and functional configuration of the control unit 6 will be described with reference to Figs. 8 and 9.
図8は、本発明の一実施形態に係る制御部のハードウェア構成を示すブロック図である。図9は、本発明の一実施形態に係る制御部の機能構成を示すブロック図である。制御部6を構成する各ハードウェアや各機能構成は、必ずしも全て備えなくても良い。レーザー照射装置200を利用する形態によって、具備しないハードウェアや機能構成があっても良い。また、制御部のハードウェアや機能構成すべてをレーザー照射装置200に備えても良いし、一部のハードウェアや機能構成をレーザー照射装置200の外に接続させてもよい。さらに、制御部6をレーザー照射装置200の外に接続させても良い。 Figure 8 is a block diagram showing the hardware configuration of a control unit according to one embodiment of the present invention. Figure 9 is a block diagram showing the functional configuration of a control unit according to one embodiment of the present invention. It is not necessary for all of the hardware and functional configurations that make up the control unit 6 to be provided. Depending on the form in which the laser irradiation device 200 is used, some hardware and functional configurations may not be provided. In addition, all of the hardware and functional configurations of the control unit may be provided in the laser irradiation device 200, or some of the hardware and functional configurations may be connected outside the laser irradiation device 200. Furthermore, the control unit 6 may be connected outside the laser irradiation device 200.
<制御部6のハードウェア構成>
制御部6はコンピュータまたはコンピュータに準ずる構成により構築されている。
<Hardware configuration of control unit 6>
The control unit 6 is constructed as a computer or a configuration equivalent to a computer.
図8に示す制御部6は、CPU(Central Processing Unit)501と、ROM(Read Only Memory)502と、RAM(Random Access Memory)503と、HD(Hard Disk)504と、HDD(Hard Disk Drive)コントローラ505と、ディスプレイ506とを備えている。また制御部6は、外部機器接続I/F(Interface)508と、ネットワークI/F509と、バスライン510と、キーボード511と、ポインティングデバイス512と、DVD-RW(Digital Versatile Disk Rewritable)ドライブ514と、メディアI/F516とを備えている。 The control unit 6 shown in FIG. 8 includes a CPU (Central Processing Unit) 501, a ROM (Read Only Memory) 502, a RAM (Random Access Memory) 503, a HD (Hard Disk) 504, a HDD (Hard Disk Drive) controller 505, and a display 506. The control unit 6 also includes an external device connection I/F (Interface) 508, a network I/F 509, a bus line 510, a keyboard 511, a pointing device 512, a DVD-RW (Digital Versatile Disk Rewritable) drive 514, and a media I/F 516.
CPU501はプロセッサであり、制御部6全体の動作を制御する。ROM502は、IPL(Initial Program Loader)等のCPU501の駆動に用いられるプログラムを記憶するメモリである。 The CPU 501 is a processor that controls the operation of the entire control unit 6. The ROM 502 is a memory that stores programs used to drive the CPU 501, such as an IPL (Initial Program Loader).
RAM503は、CPU501のワークエリアとして使用されるメモリである。HD504は、プログラム等の各種データを記憶するメモリである。HDDコントローラ505は、CPU501の制御に従ってHD504に対する各種データの読み出し又は書き込みを制御する。 RAM 503 is a memory used as a work area for CPU 501. HD 504 is a memory that stores various data such as programs. HDD controller 505 controls the reading and writing of various data from HD 504 under the control of CPU 501.
ディスプレイ506は、カーソル、メニュー、ウィンドウ、文字又は画像等の各種情報を表示する。外部機器接続I/F508は、各種の外部機器を接続するためのインターフェースである。この場合の外部機器は、パルスレーザー21、走査部23、同期検知部25、回転機構3、移動機構4及び集塵部5等である。但し、他にUSB(Universal Serial Bus)メモリやプリンタ等を接続することもできる。 The display 506 displays various information such as a cursor, a menu, a window, text, or an image. The external device connection I/F 508 is an interface for connecting various external devices. In this case, the external devices are the pulse laser 21, the scanning unit 23, the synchronization detection unit 25, the rotation mechanism 3, the movement mechanism 4, and the dust collection unit 5. However, other devices such as a USB (Universal Serial Bus) memory or a printer can also be connected.
ネットワークI/F509は、通信ネットワークを利用してデータ通信をするためのインターフェースである。バスライン510は、CPU501等の各構成要素を電気的に接続するためのアドレスバスやデータバス等である。 The network I/F 509 is an interface for data communication using a communication network. The bus line 510 is an address bus, a data bus, etc. for electrically connecting each component such as the CPU 501.
キーボード511は、文字、数値、各種指示等を入力するための複数のキーを備えた入力手段の一種である。ポインティングデバイス512は、各種指示の選択や実行、処理対象の選択、カーソルの移動等を行う入力手段の一種である。 The keyboard 511 is a type of input means equipped with multiple keys for inputting characters, numbers, various instructions, etc. The pointing device 512 is a type of input means for selecting and executing various instructions, selecting a processing target, moving the cursor, etc.
DVD-RWドライブ514は、着脱可能な記録媒体の一例としてのDVD-RW513に対する各種データの読み出し又は書き込みを制御する。なお、DVD-RWに限らず、DVD-R等であってもよい。メディアI/F516は、フラッシュメモリ等の記録メディア515に対するデータの読み出し又は書き込み(記憶)を制御する。 The DVD-RW drive 514 controls the reading and writing of various data from a DVD-RW 513, which is an example of a removable recording medium. Note that this is not limited to a DVD-RW, and may be a DVD-R or the like. The media I/F 516 controls the reading and writing (storing) of data from a recording medium 515, such as a flash memory.
これら制御部6を構成する各ハードウェアは、必ずしも全て備えなくても良い。レーザー照射装置200を利用する形態によって、具備しないハードウェアがあっても良い。 All of these pieces of hardware that make up the control unit 6 do not necessarily have to be provided. Depending on the form in which the laser irradiation device 200 is used, some of the hardware may not be provided.
<制御部6の機能構成>
次に、制御部6の機能構成について説明する。
<Functional configuration of control unit 6>
Next, the functional configuration of the control unit 6 will be described.
図9に示す制御部6は、照射データ入力部61、プロファイルデータ指定部62、格納部63と、制御データ生成部64と、レーザー照射制御部65と、レーザー走査制御部66とを備えている。 The control unit 6 shown in FIG. 9 includes an irradiation data input unit 61, a profile data designation unit 62, a storage unit 63, a control data generation unit 64, a laser irradiation control unit 65, and a laser scanning control unit 66.
制御データ生成部64、レーザー照射制御部65、レーザー走査制御部66のそれぞれの機能はCPU501が所定のプログラムを実行し、外部機器接続I/F508を介して制御信号を出力すること等により実現される。但し、制御部6のハードウェア構成にASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field-Programmable Gate Array)等の電子回路又は電気回路を追加し、各構成部の機能の一部又は全部を電子回路又は電気回路で実現してもよい。格納部63の機能は、HD504等により実現される。 The functions of the control data generation unit 64, the laser irradiation control unit 65, and the laser scanning control unit 66 are realized by the CPU 501 executing a predetermined program and outputting a control signal via the external device connection I/F 508, etc. However, some or all of the functions of each component may be realized by electronic or electric circuits such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or an FPGA (Field-Programmable Gate Array) by adding them to the hardware configuration of the control unit 6. The function of the storage unit 63 is realized by the HD 504, etc.
照射データ入力部61は、収容器1の被照射面400を照射する照射データをPC(Personal Computer)やスキャナー等の外部装置から入力する。照射データは、照射するパターン以外でもよい。照射するパターンに対応する、あらかじめ決められたバーコード、QRコード(登録商標)等のコードや文字、図形、写真等のパターンを示す情報であってもよい。 The irradiation data input unit 61 inputs irradiation data for irradiating the irradiated surface 400 of the container 1 from an external device such as a PC (Personal Computer) or a scanner. The irradiation data may be something other than the irradiation pattern. It may be information indicating a predetermined code such as a barcode or QR code (registered trademark) or a pattern of characters, figures, photographs, etc., that corresponds to the irradiation pattern.
但し、照射するパターンデータは、外部装置から入力されるものに限定はされない。レーザー照射装置200のユーザが制御部6のキーボード511やポインティングデバイス512を用いて生成した照射するパターンデータを入力することもできる。 However, the pattern data to be irradiated is not limited to data input from an external device. The user of the laser irradiation device 200 can also input the generated pattern data to be irradiated using the keyboard 511 or pointing device 512 of the control unit 6.
照射データ入力部61は、入力した照射データを制御データ生成部64及びプロファイルデータ指定部62のそれぞれに出力する。照射データ入力部61から入力した照射データは、格納部63に一時的に記憶するようにしてもよい。収容器1の形状等によっても照射データは異なるため、収容器1の種類に対応した照射データを事前に格納部63へ記憶するようにして利便性をよくしてもよい。 The irradiation data input unit 61 outputs the input irradiation data to each of the control data generation unit 64 and the profile data designation unit 62. The irradiation data input from the irradiation data input unit 61 may be temporarily stored in the storage unit 63. Since the irradiation data differs depending on the shape of the container 1, etc., irradiation data corresponding to the type of container 1 may be stored in advance in the storage unit 63 to improve convenience.
プロファイルデータ指定部62は、プロファイルデータを指定する。 The profile data specification unit 62 specifies the profile data.
ここでいうプロファイルデータとは、レーザー光を走査しながら照射する際の照射領域、非照射領域を決めたものであり、また走査速度を加速する際の加速度や加減速期間、等速期間を決めたものである。 The profile data referred to here determines the irradiated and non-irradiated areas when irradiating the laser light while scanning, and also determines the acceleration, acceleration/deceleration period, and constant speed period when accelerating the scanning speed.
また、プロファイルデータは格納部63に記憶されている。プロファイルデータ記憶するタイミングは事前でもいいし、走査及び照射する際に一時的な記憶手段としてもよい。 The profile data is also stored in the storage unit 63. The profile data may be stored in advance, or may be stored as a temporary storage means during scanning and irradiation.
制御データ生成部64は、照射データ入力部61からの照射データと、プロファイルデータ指定部62のプロファイルデータとに基づいて、制御データを生成する。 The control data generation unit 64 generates control data based on the irradiation data from the irradiation data input unit 61 and the profile data from the profile data specification unit 62.
また、制御データ生成部64は、レーザー照射制御部65およびレーザー走査制御部66に対し、生成した制御データを出力する。 In addition, the control data generation unit 64 outputs the generated control data to the laser irradiation control unit 65 and the laser scanning control unit 66.
レーザー照射制御部65は、光強度制御部651と、パルス制御部652とを備え、照射
条件データに基づき、パルスレーザー21による収容器1へのレーザー光202の照射を制御する。
The laser irradiation control unit 65 includes a light intensity control unit 651 and a pulse control unit 652, and controls the irradiation of the laser light 202 by the pulse laser 21 onto the container 1 based on the irradiation condition data.
またレーザー走査制御部66は、同期検知部25からの同期検知信号に基づき、走査部23を制御する。 The laser scanning control unit 66 also controls the scanning unit 23 based on the synchronization detection signal from the synchronization detection unit 25.
パルスレーザー21が複数のパルスレーザーで構成される場合は、レーザー照射制御部65は
複数のパルスレーザー毎に独立して制御を行う。
When the pulse laser 21 is composed of a plurality of pulse lasers, the laser irradiation control unit 65 controls each of the plurality of pulse lasers independently.
光強度制御部651は加工レーザービーム20の光強度を制御し、パルス制御部652は
加工レーザービーム20のパルス幅及び照射タイミングを制御する。
The light intensity control unit 651 controls the light intensity of the processing laser beam 20 , and the pulse control unit 652 controls the pulse width and irradiation timing of the processing laser beam 20 .
レーザー走査制御部66は、走査条件データに基づき、走査部23によるガルバノミラー221やポリゴンミラー231の走査を制御する。具体的にはルバノミラー221やポリゴンミラー231の駆動のオン又はオフの制御、駆動周波数の制御等を行う。 The laser scanning control unit 66 controls the scanning of the galvanometer mirror 221 and the polygon mirror 231 by the scanning unit 23 based on the scanning condition data. Specifically, it controls the on/off driving of the galvanometer mirror 221 and the polygon mirror 231, controls the driving frequency, etc.
図10は、本発明の一実施形態に係る加減速における共振の励起を抑制するための加減速軌道を示す図である。 Figure 10 shows an acceleration/deceleration trajectory for suppressing excitation of resonance during acceleration/deceleration in one embodiment of the present invention.
図10(a)は、S字カーブによる加減速を説明する図である。図10(a)では、2つの等速領域の間をつなぐ1つの加減速領域にて、S字加減速軌道として滑らかな曲線状のS字カーブで走査手段の走査速度を変化させる。これにより、加減速を緩やかに実行して、加減速時の共振の励起を抑制する。 Figure 10(a) is a diagram explaining acceleration and deceleration using an S-curve. In Figure 10(a), in one acceleration and deceleration region connecting two constant speed regions, the scanning speed of the scanning means is changed along a smooth curved S-curve as an S-curve acceleration and deceleration trajectory. This allows acceleration and deceleration to be performed gently, suppressing the excitation of resonance during acceleration and deceleration.
一例として、S字カーブの形状は次式によって決定できる。 As an example, the shape of the S-curve can be determined by the following formula:
ここでv(t)は加減速中の時間tにおける走査速度であり、v0は該加減速前の等速状態における走査速度、v1は該加減速によるv0からの速度変化量、kは該加減速の所要時間により決まる値である。尚、上式では加減速開始時をt=0、加減速終了時をt=0.5kと定めている。 Here, v(t) is the scanning speed at time t during acceleration/deceleration, v0 is the scanning speed at a constant speed before the acceleration/deceleration, v1 is the amount of speed change from v0 due to the acceleration/deceleration, and k is a value determined by the time required for the acceleration/deceleration. Note that in the above formula, the start of acceleration/deceleration is defined as t=0, and the end of acceleration/deceleration is defined as t=0.5k.
もっとも、この数式は一例であり、適宜他の数式を適用してもよい。 However, this formula is just an example, and other formulas may be applied as appropriate.
図10(b)は、共振フィルタを適用した加減速を説明する図である。 Figure 10(b) is a diagram explaining acceleration and deceleration using a resonant filter.
図10(b)では、一例として共振フィルタの一種であるノッチフィルタを1つ使って加減速軌道を作り出し、走査手段の走査速度を変更する。この共振フィルタを使った加減速軌道(以下「共振フィルタ加減速軌道」と呼ぶ。)では、共振が打ち消され、加減速中に速度が波打つような挙動を示しながら速度変化する。 In Figure 10(b), as an example, a notch filter, which is a type of resonant filter, is used to create an acceleration/deceleration trajectory and change the scanning speed of the scanning means. In an acceleration/deceleration trajectory using this resonant filter (hereinafter referred to as a "resonant filter acceleration/deceleration trajectory"), resonance is cancelled out, and the speed changes while exhibiting a wavy behavior during acceleration/deceleration.
なお、共振フィルタ加減速軌道を作り出すための共振フィルタは、ノッチフィルタ以外にも使用候補があり、フィルタの種類や使用個数を限定するわけではない。 Note that there are other resonant filters besides notch filters that can be used to create the resonant filter acceleration/deceleration trajectory, and there are no limitations on the type or number of filters used.
図11は、本発明の一実施形態に係るパルスレーザーによるレーザー光強度プロファイル及び加工痕形成の第一の構成例を示す図である。パルスレーザーを用いた時に走査速度に応じてレーザーパルス周波数を変化させない場合のレーザー光強度プロファイル及び加工痕形成結果である。 Figure 11 is a diagram showing a first example of a configuration for forming a laser light intensity profile and processing marks using a pulsed laser according to one embodiment of the present invention. This shows the laser light intensity profile and processing mark formation results when using a pulsed laser without changing the laser pulse frequency according to the scanning speed.
図11(a)は、照射領域(1)と照射領域(2)における走査速度が等速であり、照射領域(1)と照射領域(2)の走査速度が異なっている場合を示している。 Figure 11 (a) shows a case where the scanning speed in irradiation area (1) and irradiation area (2) is constant, and the scanning speed in irradiation area (1) and irradiation area (2) is different.
図11(b)は、照射領域(1)と照射領域(2)においてレーザーパルス周波数を変化させない状態を示している。このように走査速度に依らず一定周波数でレーザーパルスを出射した場合、図11(c)のように走査速度が遅い時と速い時で形成される加工痕の空間的な間隔は異なってしまう。パルス周波数を固定すると、走査速度が速いほど加工痕は粗に形成される。 Figure 11 (b) shows the state where the laser pulse frequency is not changed in irradiation area (1) and irradiation area (2). When laser pulses are emitted at a constant frequency in this way, regardless of the scanning speed, the spatial spacing of the machining marks formed when the scanning speed is slow and fast will differ, as shown in Figure 11 (c). When the pulse frequency is fixed, the faster the scanning speed, the coarser the machining marks will be formed.
図12は本発明の一実施形態に係るパルスレーザーによるレーザー光強度プロファイル及び加工痕形成の第二の構成例を示す図である。パルスレーザーを用いた時に走査速度に応じてレーザーパルス周波数を変化させる場合の、レーザー光強度プロファイル及び加工痕形成結果である。 Figure 12 is a diagram showing a second example of the configuration of the laser light intensity profile and the formation of processing marks by a pulsed laser according to one embodiment of the present invention. This shows the laser light intensity profile and the results of the formation of processing marks when the laser pulse frequency is changed according to the scanning speed when using a pulsed laser.
図12(a)は、照射領域(1)と照射領域(2)における走査速度が等速であり、照射領域(1)と照射領域(2)の走査速度が異なっている場合を示している。 Figure 12 (a) shows a case where the scanning speed in irradiation area (1) and irradiation area (2) is constant, and the scanning speed in irradiation area (1) and irradiation area (2) is different.
加工痕を常に一定間隔で形成したい場合は、図12(b)のように走査速度に応じてパルス周波数を調整すると、図12(c)のように走査速度に依らず加工痕を一定間隔で形成できる。 If you want to always create machining marks at regular intervals, you can adjust the pulse frequency according to the scanning speed as shown in Figure 12 (b), and you can create machining marks at regular intervals regardless of the scanning speed as shown in Figure 12 (c).
走査速度が等速の時、レーザーパルス周波数の設定方法は次式に従う。 When the scanning speed is constant, the laser pulse frequency is set according to the following formula.
ここで、fはレーザーパレス周波数、vは該当する等速状態での走査速度、pは形成したい加工痕の間隔である。ただし、加減速中に加工痕を形成する場合は上式に従わない。この場合は既定の走査速度プロファイルから予測される各時刻のレーザースポット位置を基にして、目標の加工痕それぞれの形成位置に最も近い位置をレーザースポットが通過予定の時刻にレーザーパルスを出射するよう、レーザーパルス周波数を変化させる。 Here, f is the laser pulse frequency, v is the scanning speed at the corresponding constant speed state, and p is the interval between the processing marks you want to form. However, if processing marks are to be formed during acceleration/deceleration, the above formula does not apply. In this case, based on the laser spot position at each time predicted from the default scanning speed profile, the laser pulse frequency is changed so that the laser pulse is emitted at the time the laser spot is scheduled to pass the position closest to the position where each of the target processing marks is to be formed.
尚、レーザーパルス周波数を変化させる代わりに、元々レーザーパルス周波数の高いレーザーを用いて、電子制御されたシャッターの開閉を繰り返すことで、出射するレーザーパルスの周波数を実効的に変化させてもよい。 Instead of changing the laser pulse frequency, a laser with a high original laser pulse frequency may be used, and the frequency of the emitted laser pulse may be effectively changed by repeatedly opening and closing an electronically controlled shutter.
図13は、本発明の一実施形態に係るCWレーザーによるレーザー光強度プロファイル及び加工痕形成の第一の構成例を示す図である。CWレーザーを用いた時に走査速度に応じてレーザー光強度を変化させない場合のレーザー光強度プロファイル及び加工痕形成結果である。 Figure 13 is a diagram showing a first example of a configuration for forming a laser light intensity profile and processing marks using a CW laser according to one embodiment of the present invention. This shows the laser light intensity profile and processing mark formation results when using a CW laser without changing the laser light intensity according to the scanning speed.
図13(a)は、照射領域(1)における走査速度はv1で走査し、照射領域(2)における走査速度はv2で走査している様子を表している。 Figure 13 (a) shows the state where the scanning speed in the irradiation area (1) is v1, and the scanning speed in the irradiation area (2) is v2.
図13(b)のように走査速度に依らず一定強度でレーザー光を出射した場合、図13(c)のように走査速度が遅い時と速い時で形成される加工痕の線幅は異なることになる。光強度を固定すると、速度が速いほど加工痕は細く形成される。 When laser light is emitted at a constant intensity regardless of the scanning speed as in Figure 13(b), the line width of the processed mark will differ when the scanning speed is slow and fast as in Figure 13(c). When the light intensity is fixed, the faster the speed, the thinner the processed mark will be.
図14は、本発明の一実施形態に係るCWレーザーによるレーザー光強度プロファイル及び加工痕形成の第二の構成例を示す図である。CWレーザーを用いた時に走査速度に応じてレーザー光強度を変化させる場合のレーザー光強度プロファイル及び加工痕形成結果である。 Figure 14 shows a second example of the configuration for the laser light intensity profile and the formation of processing marks using a CW laser according to one embodiment of the present invention. This shows the laser light intensity profile and the results of the formation of processing marks when the laser light intensity is changed according to the scanning speed when using a CW laser.
図14(a)は、照射領域(1)における走査速度はv1で走査し、照射領域(2)における走査速度はv2で走査している様子を表している。 Figure 14 (a) shows the state where the scanning speed in the irradiation area (1) is v1, and the scanning speed in the irradiation area (2) is v2.
加工痕の線幅を常に一定で形成したい場合は、図14(b)のように走査速度に応じて光強度を調整すると、図14(c)のように走査速度に依らず加工痕を一定線幅で形成できる。 If you want to always create a constant line width for the processed mark, you can adjust the light intensity according to the scanning speed as shown in Figure 14(b), and you can create a constant line width for the processed mark regardless of the scanning speed as shown in Figure 14(c).
一般的に、光強度と走査速度の関係は、加工対象とする材料の物性など加工条件に応じて変化するものの、概して光強度と走査速度は比例関係にある。 Generally, the relationship between light intensity and scanning speed varies depending on processing conditions such as the physical properties of the material being processed, but generally there is a proportional relationship between light intensity and scanning speed.
図15は、本発明の一実施形態に係る走査速度プロファイル生成のフローチャートである。 Figure 15 is a flowchart for generating a scanning speed profile according to one embodiment of the present invention.
この走査速度プロファイル生成は、主として制御データ生成部64にて行われる。 This scanning speed profile generation is mainly performed by the control data generation unit 64.
まず、制御部6に照射データが入力される(S100)。 First, irradiation data is input to the control unit 6 (S100).
次に、入力されたデータを、走査ライン1列毎に分割する(S101)。走査ライン1列分の中の照射領域および非照射領域に対応してどのように加減速を行うのかを決めるためである。 Next, the input data is divided into each scan line (S101). This is to determine how to accelerate and decelerate in accordance with the illuminated and non-illuminated areas within each scan line.
次に走査1列分パターン内に非照射領域は存在するか否かを判断する(S102)。入力されたデータがビットマップ画像の場合、空白が1ドット以上存在すれば、走査1列分パターン内に非照射領域は存在すると判断される。非照射領域が存在する場合は、S103へ進む。非照射領域が存在しない場合は、S114へ進む。1列全体を1つの等速領域として、等速走査速度とその前後の加減速で構成される、速度プロファイルを決定する(S114)。 Next, it is determined whether or not there is a non-irradiated area in the one scanning row pattern (S102). If the input data is a bitmap image, if there is one or more blank dots, it is determined that there is a non-irradiated area in the one scanning row pattern. If there is a non-irradiated area, proceed to S103. If there is no non-irradiated area, proceed to S114. The entire row is treated as a single constant speed area, and a speed profile consisting of a constant speed scanning speed and acceleration and deceleration before and after it is determined (S114).
次に、隣接する非照射領域同士の連結後のそれぞれを非照射領域と定義する(S103)。 Next, each of the adjacent non-illuminated regions after connection is defined as a non-illuminated region (S103).
非照射領域1つの長さは閾値L以上か否かを判断する(S104)。この非照射領域の長さを判定する閾値Lは、事前に定めた光学スキャナー加速度上限により決まる。非照射領域1つの長さは閾値L以上の場合、S105に進む。 非照射領域1つの長さは閾値L以上でない場合、S106に進む。 It is determined whether the length of one non-irradiated area is equal to or greater than threshold L (S104). The threshold L for determining the length of this non-irradiated area is determined by a predefined upper limit of the optical scanner acceleration. If the length of one non-irradiated area is equal to or greater than threshold L, proceed to S105. If the length of one non-irradiated area is not equal to or greater than threshold L, proceed to S106.
閾値L以上であれば、加減速が可能であるので、非照射領域を加減速を行う領域として定義する。(S105)。 If it is equal to or greater than the threshold L, acceleration/deceleration is possible, so the non-illuminated area is defined as the area in which acceleration/deceleration is performed (S105).
同様に、すべての非照射領域について長さを評価したか判断する(S106)。すべての非照射領域について長さを評価した場合はS107に進む。すべての非照射領域について長さを評価していない場合はS104に戻る。 Similarly, it is determined whether the length has been evaluated for all non-irradiated areas (S106). If the length has been evaluated for all non-irradiated areas, proceed to S107. If the length has not been evaluated for all non-irradiated areas, return to S104.
すべての非照射領域について長さを評価した場合は、走査1列分パターンの非照射領域以外を照射領域と定義する (S107)。 When the length has been evaluated for all non-irradiated areas, the area other than the non-irradiated area of the one scanning row pattern is defined as the irradiated area (S107).
次に、走査1列分パターンの、加速度を行う非照射領域の個数を算出する(S108)。 Next, the number of non-irradiated areas for which acceleration is to be performed in one scanning row pattern is calculated (S108).
走査1列分パターン内に、加減速を行う非照射領域は2以上存在するかを判断する(S109)。照射領域が2以上存在する場合はS110に進む。存在しない場合はS114へ進む。 It is determined whether there are two or more non-illuminated regions in which acceleration/deceleration is performed within one scanning row pattern (S109). If there are two or more illuminated regions, proceed to S110. If there are no illuminated regions, proceed to S114.
加減速を行う非照射領域が2以上存在する場合、個々の照射に等速領域とその直前直後の加減速領域を、非照射領域に残りの加減速領域を割り当てる(S110)。 If there are two or more non-irradiated areas that undergo acceleration/deceleration, a constant velocity area and the acceleration/deceleration areas immediately before and after it are assigned to each irradiation, and the remaining acceleration/deceleration areas are assigned to the non-irradiated areas (S110).
個々の加減速領域で加減速して実現可能な速度変化を算出する(S111)。 Calculate the achievable speed change by accelerating and decelerating in each acceleration/deceleration region (S111).
速度変化量の限界に収まり、かつ、1列の走査時間を短くする、各等速領域の速度と、それら前後の加減速の速度からなる、速度プロファイル1列分全体で決定する(S112)。 A speed profile consisting of the speed of each constant speed region and the acceleration/deceleration speeds before and after each constant speed region is determined for the entire row, within the speed change limit and shortening the scanning time for one row (S112).
全ての列の速度プロファイルを決定済みか否か判断する。(S113)。決定済みでない場合にはS102へ戻る。決定済みであれば、終了する。 Determine whether the speed profiles for all columns have been determined (S113). If they have not been determined, return to S102. If they have been determined, end the process.
なお実施例ではパターンデータ内の、加減速を行う非照射領域の長さはすべて同一の場合としている。パターンデータ内の位置によりそれぞれの非照射領域の長さが異なる場合には、それら長さに応じて適宜、該非照射領域での加減速プロファイルを算出する、または、該プロファイルとして適宜テーブルデータを当てはめることなる。 In the embodiment, it is assumed that all non-irradiated areas in the pattern data where acceleration and deceleration are performed are the same length. If the length of each non-irradiated area varies depending on the position in the pattern data, an acceleration/deceleration profile for the non-irradiated area is calculated appropriately according to the lengths, or table data is applied as the profile appropriately.
図16は、本発明の一実施形態に係る収容器の基材の性状変化を示す図である。 Figure 16 shows the change in properties of the base material of a container according to one embodiment of the present invention.
<基材の性状の変化例>
次に、レーザー光202の照射による収容器1の基材の性状変化について説明する。
<Examples of changes in the properties of the substrate>
Next, the change in properties of the base material of the container 1 caused by irradiation with the laser beam 202 will be described.
図16(a)は、収容器1の表面の基材を蒸散させて形成した凹部形状を示し、図16(b)は、収容器1の表面の基材を溶融させて形成した凹部形状を示している。図16(b)の場合、図16(a)に対して凹部の周縁部が盛り上がった形状になる。 Figure 16(a) shows a recess shape formed by evaporating the base material on the surface of the container 1, and Figure 16(b) shows a recess shape formed by melting the base material on the surface of the container 1. In the case of Figure 16(b), the periphery of the recess is raised compared to Figure 16(a).
また、図16(c)は、収容器1の基材表面の結晶化状態の変化を示し、図16(d)は、収容器1の基材内部の発泡状態の変化を示している。 Figure 16(c) shows the change in the crystallization state on the surface of the substrate of container 1, and Figure 16(d) shows the change in the foaming state inside the substrate of container 1.
このように、収容器1の表面の形状を変化させたり、基材表面の結晶化状態、又は基材内部の発泡状態等の性質を変化させたりすることで、収容器1の表面又は内部に第2パターンの集合体により構成される第1パターンを形成できる。 In this way, by changing the shape of the surface of the container 1, or by changing the properties such as the crystallization state of the substrate surface or the foaming state inside the substrate, a first pattern composed of an aggregate of second patterns can be formed on the surface or inside the container 1.
収容器1の表面の基材を蒸散させて凹部形状を形成する方法として、例えば、波長が355nm乃至1064nm、パルス幅が10fsから500ns以下のパルスレーザーを照射する。これによりレーザービームが照射された部分の基材が蒸散し、表面に微小な凹部が形成できる。 As a method for evaporating the base material on the surface of the container 1 to form a recessed shape, for example, a pulsed laser with a wavelength of 355 nm to 1064 nm and a pulse width of 10 fs to 500 ns or less is irradiated. This causes the base material in the area irradiated with the laser beam to evaporate, forming minute recesses on the surface.
また、波長が355nm乃至1064nmのCWレーザーを照射することで、機材を溶融させて凹部を形成することも可能である。また、基材が溶融した後も、レーザーを照射し続けると、基材の内部及び表面が発泡し、白濁化させることができる。 It is also possible to melt the substrate and form recesses by irradiating it with a CW laser with a wavelength of 355 nm to 1064 nm. Furthermore, if the laser continues to be irradiated even after the substrate has melted, the inside and surface of the substrate can be foamed and clouded.
結晶化状態を変化させるためには、例えば基材をポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate(PET))とし、波長が355nm乃至1064nmのCWレーザーを照射して、基材の温度を一気に上げ、その後、パワーを弱くしていく等により徐冷していくことで、基材のPETを結晶化状態にすることができ、白濁化させることができる。なお、温度を上げたあと、レーザービームを消灯する等により急冷すると、PETは非晶質状態になり、透明になる。 To change the crystallized state, for example, the substrate can be made of polyethylene terephthalate (PET), and a CW laser with a wavelength of 355 nm to 1064 nm can be irradiated to raise the temperature of the substrate in one go, and then the substrate can be gradually cooled by reducing the power, etc., to bring the PET substrate into a crystallized state and make it opaque. Note that if the substrate is cooled rapidly by turning off the laser beam after the temperature has been raised, the PET will become amorphous and transparent.
収容器1の基材性状の変化は、図16に示したものに限定されるものではない。樹脂材料で構成された基材の黄変や酸化反応、表面改質等により基材の性状を変化させてもよい。 The change in the base material properties of the container 1 is not limited to that shown in FIG. 16. The properties of the base material may be changed by yellowing of the base material made of a resin material, oxidation reaction, surface modification, etc.
(本発明の適用例)
本発明のレーザー照射装置200は、立体造形物を製造する方法や立体造形装置にも適用できる。
(Application example of the present invention)
The laser irradiation device 200 of the present invention can also be applied to a method for producing a three-dimensional object and a three-dimensional object forming device.
例えば、立体造形物を造形する方法の一つとして、粉末床溶融結合法が知られている。 For example, powder bed fusion is known as one method for creating three-dimensional objects.
粉末床溶融結合法は、粉末にレーザーを照射することで溶融結合させ、立体造形物を造形する方法である。具体的には、まず粉末材料を平らに敷き詰めて層を形成する。次に、層上の所望の位置にレーザーを照射して、粉末材料に含まれる粒子を選択的に焼結または溶融させて、粒子を結合させる(以下、焼結または溶融によって粒子が結合することを単に「溶融結合」ともいう。)。これによって、立体造形物を厚さ方向に分割した層(以下、単に「造形物層」ともいう。)として、1つの層を形成する。こうして形成された造形物層の上に、さらに粉末材料を敷き詰め、レーザーを照射して、次の造形物層を形成する。この手順を繰り返して、造形物層を積み上げていくことで、所望の形状の立体造形物が製造される。粉末材料は樹脂材料または金属材料等が含まれ、適宜、2種類以上を混合してもよく、添加剤をさらに添加してもよい。 The powder bed fusion method is a method of forming a three-dimensional object by irradiating a laser on the powder to melt and bond it. Specifically, first, the powder material is spread evenly to form a layer. Next, a laser is irradiated at a desired position on the layer to selectively sinter or melt the particles contained in the powder material to bond the particles (hereinafter, bonding of particles by sintering or melting is also simply referred to as "fusion bonding"). This forms one layer as a layer that divides the three-dimensional object in the thickness direction (hereinafter, simply referred to as "modeled object layer"). Further powder material is spread on the modeled object layer thus formed, and the next modeled object layer is formed by irradiating it with a laser. This procedure is repeated to stack the modeled object layers, and a three-dimensional object of the desired shape is manufactured. The powder material includes resin materials, metal materials, etc., and two or more types may be mixed as appropriate, and additives may be further added.
図17は、本発明の一実施形態に係る立体造形装置の構成例を示す側面図である。立体造形装置500は、造形ステージ310、層形成部320, 予備加熱部330、温度測定器335、レーザー照射装置200が含まれる。 Figure 17 is a side view showing an example of the configuration of a three-dimensional modeling apparatus according to one embodiment of the present invention. The three-dimensional modeling apparatus 500 includes a modeling stage 310, a layer forming unit 320, a pre-heating unit 330, a temperature measuring device 335, and a laser irradiation device 200.
造形ステージ310は、立体造形物が造形されるステージである。ステージ支持部350は、造形ステージ310を、その鉛直方向の位置を可変に支持する。造形ステージ310は、ステージ支持部350によって鉛直方向に精密に移動可能に構成されている。ステージ支持部350としては、種々の構成を採用できるが、例えば、造形ステージ310を保持する保持部材と、この保持部材を鉛直方向に案内するガイド部材と、ガイド部材に設けられたねじ孔に係合するボールねじ等で構成することができる。 The modeling stage 310 is a stage on which a three-dimensional object is modeled. The stage support unit 350 supports the modeling stage 310 so that its vertical position can be variably adjusted. The modeling stage 310 is configured so that it can be precisely moved in the vertical direction by the stage support unit 350. Various configurations can be used for the stage support unit 350, but for example, it can be configured with a holding member that holds the modeling stage 310, a guide member that guides the holding member in the vertical direction, and a ball screw that engages with a screw hole provided in the guide member.
層形成部320は、層を形成する。層形成部320は、粉末を供給する粉末供給部321と造形ステージ310の粉末を平坦化するリコータ322aが含まれる。層形成部320は、たとえば、造形ステージ310が昇降する開口の縁部と、水平方向にほぼ同一平面上にその縁部がある開口、開口から鉛直方向下方に延在する粉末材料収納部が含まれる。また、粉末供給部321は、粉末材料収納部の底部に設けられ開口内を昇降する供給ピストンを備える。 The layer forming unit 320 forms a layer. The layer forming unit 320 includes a powder supplying unit 321 that supplies powder and a recoater 322a that flattens the powder on the modeling stage 310. The layer forming unit 320 includes, for example, an edge of an opening through which the modeling stage 310 rises and falls, an opening whose edge is on approximately the same plane in the horizontal direction, and a powder material storage unit that extends vertically downward from the opening. The powder supplying unit 321 also includes a supply piston that is provided at the bottom of the powder material storage unit and rises and falls within the opening.
なお、粉末供給部321は、造形ステージ310に対して鉛直方向上方に設けられた粉末材料収納部、およびノズルを備えて、上記造形ステージと水平方向に同一の平面上に、粉末材料を吐出する構成としてもよい。 The powder supply unit 321 may also be configured to include a powder material storage unit disposed vertically above the modeling stage 310, and a nozzle, and to eject the powder material on the same plane horizontally as the modeling stage.
予備加熱部330は、層形成部320で形成された層を予備加熱する。層の表面のうち、少なくとも造形物層を形成すべき領域を加熱し、その温度を維持できるものであればよい。たとえば、予備加熱部330は、造形ステージ310上に形成された層の表面を加熱可能な第1のヒータ331aを備えた構成としてもよいし、造形ステージ上に供給される前の粉末材料を加熱する第2のヒータ332をさらに備えた構成としてもよい。また、予備加熱部330は、造形物層を形成すべき領域を選択的に加熱する構成であってもよいし、装置内の全体を加熱して、形成された層の表面を所定の温度に調温する構成であってもよい。 The preheating unit 330 preheats the layer formed by the layer forming unit 320. It is sufficient that the preheating unit 330 can heat at least the area of the surface of the layer where the model layer is to be formed and maintain that temperature. For example, the preheating unit 330 may be configured to include a first heater 331a capable of heating the surface of the layer formed on the modeling stage 310, or may further include a second heater 332 that heats the powder material before it is supplied to the modeling stage. The preheating unit 330 may be configured to selectively heat the area where the model layer is to be formed, or may be configured to heat the entire inside of the device and adjust the surface of the formed layer to a predetermined temperature.
第1のヒータ331は、層を上面から加熱するヒータ331aでもよいし、層を側面から加熱するヒータ331bでもよいし、層を底面から加熱するヒータ331cでもよいし、これらの任意の組み合わせでもよい。ただし、第1のヒータ331a、331bおよび331cの近傍では層の表面温度が高まりやすく、第1のヒータ331a、331bおよび331cから離れるほど層の表面温度は高まりにくい。そのため、層の表面に温度ムラを生じにくくして、層表面の温度ムラによる造形物層の変形を生じにくくする観点からは、第1のヒータ331は互いに離散して配置された複数のヒータを含むことが好ましい。このとき、複数配置された第1のヒータ331a同士、複数配置された第1のヒータ331b同士、および複数配置された第1のヒータ331c同士は、互いに等間隔に配置されることが好ましい。 The first heater 331 may be a heater 331a that heats the layer from the top, a heater 331b that heats the layer from the side, or a heater 331c that heats the layer from the bottom, or any combination of these. However, the surface temperature of the layer is likely to increase in the vicinity of the first heaters 331a, 331b, and 331c, and the surface temperature of the layer is less likely to increase the further away from the first heaters 331a, 331b, and 331c. Therefore, from the viewpoint of making it difficult for temperature unevenness to occur on the surface of the layer and making it difficult for deformation of the model layer due to temperature unevenness on the surface of the layer to occur, it is preferable that the first heater 331 includes a plurality of heaters that are arranged separately from each other. In this case, it is preferable that the first heaters 331a arranged in a plurality of positions, the first heaters 331b arranged in a plurality of positions, and the first heaters 331c arranged in a plurality of positions are arranged at equal intervals from each other.
温度測定器335は、層の温度を測定する。造形物層を形成すべき領域の表面温度を非接触で測定できるものであればよく、たとえば、赤外線センサまたは光高温計とすることができる。 The temperature measuring device 335 measures the temperature of the layer. Any device capable of measuring the surface temperature of the area where the model layer is to be formed in a non-contact manner may be used, for example an infrared sensor or an optical pyrometer.
レーザー照射装置200は、層にレーザーを照射する。レーザーの照射によって造形物層が形成される。レーザー照射装置200は、パルスレーザー21およびガルバノミラー221を備えている。パルスレーザー21は、CWレーザーでもよい。ガルバノミラー221は、パルスレーザー21から出射したレーザーを反射してレーザーを走査する。レーザー照射装置200は、レーザーを透過させるレーザー窓343を備えていてもよい。レーザー窓343は、レーザーを透過させる材料からなるものであればよい。 The laser irradiation device 200 irradiates the layer with a laser. A modeled object layer is formed by irradiating the laser. The laser irradiation device 200 includes a pulsed laser 21 and a galvanometer mirror 221. The pulsed laser 21 may be a CW laser. The galvanometer mirror 221 reflects the laser emitted from the pulsed laser 21 and scans the laser. The laser irradiation device 200 may include a laser window 343 that transmits the laser. The laser window 343 may be made of any material that transmits the laser.
立体造形装置500では予備加熱部330で加熱した予備温度にムラがあると、レーザーが照射された粉末の体積(比容積)変化率にもムラが生じてしまい、立体造形物の精度が低下してしまう。 In the 3D modeling device 500, if there is unevenness in the pre-heating temperature applied by the pre-heating unit 330, there will also be unevenness in the rate of change in the volume (specific volume) of the powder irradiated with the laser, resulting in a decrease in the accuracy of the 3D model.
そこで、温度測定器335にて温度を測定し、その温度結果に応じてレーザー照射装置200で照射されるレーザーのエネルギーを調整する。 Therefore, the temperature is measured using the temperature measuring device 335, and the energy of the laser irradiated by the laser irradiation device 200 is adjusted according to the temperature result.
具体的には予熱温度が低い場合にはレーザーから照射部分である粒子に与えるエネルギーを増やし、予熱温度が高い場合にはレーザーから照射部分である粒子に与えるエネルギーを減らすように制御をする。 Specifically, when the preheating temperature is low, the energy given from the laser to the particles in the irradiated area is increased, and when the preheating temperature is high, the energy given from the laser to the particles in the irradiated area is reduced.
レーザー照射装置200は、2以上の照射領域と、当該照射領域に挟まれた非照射領域を走査手段が走査する際、照射領域内では一定の速度で走査し、かつ、非照射領域内では走査速度を変更するように照射手段及び走査手段を制御する。つまり、レーザー照射によるエネルギーを増やしたり減らしたりするため、レーザー照射装置200は、レーザー走査の走査速度を変化させることで単位時間あたりに粒子が受けるレーザー照射によるエネルギーを制御する。 When the scanning means scans two or more irradiation regions and non-irradiation regions sandwiched between the irradiation regions, the laser irradiation device 200 controls the irradiation means and the scanning means so that the scanning speed is constant within the irradiation regions and the scanning speed is changed within the non-irradiation regions. In other words, in order to increase or decrease the energy due to the laser irradiation, the laser irradiation device 200 controls the energy due to the laser irradiation that the particle receives per unit time by changing the scanning speed of the laser scan.
本発明のレーザー照射装置200においては、照射領域ごとに走査速度を精度よく制御できるため、粉末粒子に与える焼結または溶解させるためのレーザーのエネルギーを精度よく制御することができる。その結果、予備温度のムラによる樹脂の体積(比容積)変化率を均一にすることができ、それによる立体造形物の精度低下を防ぐことができる。 In the laser irradiation device 200 of the present invention, the scanning speed can be precisely controlled for each irradiation area, so the laser energy applied to the powder particles for sintering or melting can be precisely controlled. As a result, the rate of change in the volume (specific volume) of the resin caused by unevenness in the preliminary temperature can be made uniform, and the resulting decrease in the accuracy of the three-dimensional object can be prevented.
●まとめ ●Summary
<1>本発明の一形態に係るレーザー照射装置200は、レーザー光を照射する照射手段と、照射手段により照射されたレーザー光を走査する走査手段と、を備えるレーザー照射装置において、2以上の照射領域と、照射領域に挟まれた非照射領域を走査手段が走査する際、照射領域内では一定の速度で走査し、かつ、非照射領域内では走査速度を変更するように照射手段及び走査手段を制御する制御部6を備える。 <1> A laser irradiation device 200 according to one embodiment of the present invention is a laser irradiation device including an irradiation means for irradiating laser light and a scanning means for scanning the laser light irradiated by the irradiation means, and includes a control unit 6 for controlling the irradiation means and the scanning means so that when the scanning means scans two or more irradiation areas and non-irradiation areas sandwiched between the irradiation areas, the irradiation areas are scanned at a constant speed and the scanning speed is changed in the non-irradiation areas.
これにより、レーザー照射装置200は、レーザーの照射精度を確保しつつ、同時に生産性も向上させることができる。 This allows the laser irradiation device 200 to ensure laser irradiation accuracy while simultaneously improving productivity.
<2>上記<1>において、本発明の一形態に係るレーザー照射装置200では、制御部6は、非照射領域のうち、照射領域に隣接する部分の走査速度を照射領域の走査速度と同一となるように制御する。 <2> In the above <1>, in the laser irradiation device 200 according to one embodiment of the present invention, the control unit 6 controls the scanning speed of the non-irradiated area adjacent to the irradiated area so that it is the same as the scanning speed of the irradiated area.
これにより、レーザー照射装置200は、レーザー照射においてさらに高い精度を確保できる。 This allows the laser irradiation device 200 to ensure even higher accuracy in laser irradiation.
<3>上記<1>において、本発明の一形態に係るレーザー照射装置200では、制御部6は、照射領域のうち、非照射領域に隣接する部分の走査速度を変更するように制御する。 <3> In the above <1>, in the laser irradiation device 200 according to one embodiment of the present invention, the control unit 6 controls the scanning speed of the portion of the irradiation area adjacent to the non-irradiation area to be changed.
これにより、レーザー照射装置200は、レーザー照射においてさらに高い生産性を確保できる。 This allows the laser irradiation device 200 to ensure even higher productivity in laser irradiation.
<4>上記<1>乃至<3>において、本発明の一形態に係るレーザー照射装置200では、制御部6は、特定の照射領域より前に走査する照射領域の走査速度を特定の照射領域の走査速度より小さくし、かつ、特定の照射領域より後に走査する照射領域の走査速度を特定の照射領域の走査速度より小さくするように制御する。 <4> In the above items <1> to <3>, in the laser irradiation device 200 according to one embodiment of the present invention, the control unit 6 controls the scanning speed of the irradiation area scanned before the specific irradiation area to be slower than the scanning speed of the specific irradiation area, and controls the scanning speed of the irradiation area scanned after the specific irradiation area to be slower than the scanning speed of the specific irradiation area.
これにより、複数の照射領域とそれらの間の非照射領域全体として、照射精度を確保しつつ、同時にも生産性も最大限に向上することが可能となる。 This makes it possible to ensure irradiation accuracy across multiple irradiation areas and the non-irradiated areas between them, while at the same time maximizing productivity.
<5>上記<1>乃至<4>において、本発明の一形態に係るレーザー照射装置200では、制御部6は、走査手段の走査速度の変更を、S字加減速軌道となるように制御する。 <5> In the above items <1> to <4>, in the laser irradiation device 200 according to one embodiment of the present invention, the control unit 6 controls the change in the scanning speed of the scanning means so as to form an S-shaped acceleration/deceleration trajectory.
これにより、走査速度の変更時において、共振を防ぐと共に、照射精度を確保することができる。 This makes it possible to prevent resonance and ensure irradiation accuracy when changing the scanning speed.
<6>上記<1>乃至<4>において、本発明の一形態に係るレーザー照射装置200では、制御部6は、走査手段の走査速度の変更を、共振フィルタ加速度軌道となるように制御する。 <6> In the above items <1> to <4>, in the laser irradiation device 200 according to one embodiment of the present invention, the control unit 6 controls the change in the scanning speed of the scanning means so as to obtain a resonant filter acceleration trajectory.
これにより、走査速度の変更時において、共振を防ぐと共に、照射精度を確保することができる。 This makes it possible to prevent resonance and ensure irradiation accuracy when changing the scanning speed.
<7>上記<1>乃至<4>において、本発明の一形態に係るレーザー照射装置200では、制御部6は、照射手段がパルスレーザーである場合には、照射領域内の走査速度の変更に基づいて、パルスレーザーの遮断間隔を変更するように制御する。 <7> In the above items <1> to <4>, in the laser irradiation device 200 according to one embodiment of the present invention, when the irradiation means is a pulsed laser, the control unit 6 controls the change in the interruption interval of the pulsed laser based on the change in the scanning speed within the irradiation area.
これにより、走査速度が変更になった場合に、走査速度に応じてパルス周波数を調整することでパルス照射の間隔を一定とし、照射精度を確保することができる。 As a result, when the scanning speed is changed, the pulse frequency can be adjusted according to the scanning speed to keep the interval between pulse irradiation constant and ensure irradiation accuracy.
<8>上記<1>乃至<4>において、本発明の一形態に係るレーザー照射装置200では、制御部は、照射手段がCWレーザーである場合には、照射領域内の走査速度の変更に基づいて、CWレーザーの出力を変更するように制御する。 <8> In the above items <1> to <4>, in the laser irradiation device 200 according to one embodiment of the present invention, when the irradiation means is a CW laser, the control unit controls the output of the CW laser to be changed based on the change in the scanning speed within the irradiation area.
これにより、走査速度が変更になった場合に、走査速度に応じて光強度を調整することで加工痕の線幅を一定とし、照射精度を確保することができる。 As a result, when the scanning speed is changed, the light intensity can be adjusted according to the scanning speed to keep the line width of the processing marks constant and ensure irradiation accuracy.
<9>本発明の一形態に係るレーザー照射装置200による照射方法は、レーザー光を照射する照射ステップと、照射手段により照射されたレーザー光を走査する走査ステップと、2以上の隣り合う照射領域とそれらに挟まれた非照射領域を走査手段が走査する際、照射領域内では一定の速度で走査し、かつ、非照射領域内では走査速度を変更するように走査手段を制御する制御ステップを備える。 <9> The irradiation method using the laser irradiation device 200 according to one embodiment of the present invention includes an irradiation step of irradiating laser light, a scanning step of scanning the laser light irradiated by the irradiation means, and a control step of controlling the scanning means so that when the scanning means scans two or more adjacent irradiation areas and the non-irradiation areas sandwiched therebetween, the scanning speed is constant within the irradiation areas and the scanning speed is changed within the non-irradiation areas.
これにより、レーザー照射装置200は、レーザー光の照射精度を確保しつつ、同時に生産性も向上させることができる。 This allows the laser irradiation device 200 to ensure laser light irradiation accuracy while simultaneously improving productivity.
1 収容器
200 レーザー照射装置
202 レーザー光
21 パルスレーザー
22 ビームエキスパンダ
221 ガルバノミラー
23 走査部
231 ポリゴンミラー
241 fθレンズ
25 同期検知部
251 同期検知用LD
252 同期検知用PD
300 搬送検知部
301 搬送検知用発光素子
302 搬送検知用受光素子
310 造形ステージ
320 層形成部
321 粉末供給部
322a リコータ
330 予備加熱部
331、331a、331b、331c 第1のヒータ
332 第2のヒータ
335 温度測定器
343 レーザー窓
350 ステージ支持部
400 被照射面
401 2次元パターン
500 立体造形装置
501 CPU
502 ROM
503 RAM
504 HD
505 HDDコントローラ
506 ディスプレイ
508 外部機器接続I/F
509 ネットワークI/F
510 バスライン
511 キーボード
512 ポインティングデバイス
513 DVD-RW
514 DVD-RWドライブ
515 記録メディア
516 メディアI/F
6 制御部
61 照射データ入力部
62 プロファイルデータ指定部
63 格納部
64 制御データ生成部
65 レーザー照射制御部
651 光強度制御部
652 パルス制御部
66 レーザー走査制御部
A 搬送方向
B ガルバノミラー揺動方向
C C方向
D D方向
Lx パターンの搬送方向におけるサイズ
Lz パターンの交差方向におけるサイズ
REFERENCE SIGNS LIST 1 container 200 laser irradiation device 202 laser light 21 pulsed laser 22 beam expander 221 galvanometer mirror 23 scanning unit 231 polygon mirror 241 fθ lens 25 synchronous detection unit 251 LD for synchronous detection
252 Synchronous detection PD
300 Transport detection unit 301 Transport detection light emitting element 302 Transport detection light receiving element 310 Modeling stage 320 Layer forming unit 321 Powder supply unit 322a Recoater 330 Preheating unit 331, 331a, 331b, 331c First heater 332 Second heater 335 Temperature measuring device 343 Laser window 350 Stage support unit 400 Irradiated surface 401 Two-dimensional pattern 500 Three-dimensional modeling device 501 CPU
502 ROM
503 RAM
504 HD
505 HDD controller 506 Display 508 External device connection I/F
509 Network I/F
510 Bus line 511 Keyboard 512 Pointing device 513 DVD-RW
514 DVD-RW drive 515 Recording media 516 Media I/F
6 Control unit 61 Irradiation data input unit 62 Profile data designation unit 63 Storage unit 64 Control data generation unit 65 Laser irradiation control unit 651 Light intensity control unit 652 Pulse control unit 66 Laser scanning control unit
A Conveying direction
B Galvano mirror oscillation direction
C C direction
D D direction Lx Size of the pattern in the transport direction Lz Size of the pattern in the cross direction
Claims (9)
前記照射手段により照射されたレーザー光を走査する走査手段と、
を備えるレーザー照射装置において、
2以上の照射領域と、当該照射領域に挟まれた非照射領域を前記走査手段が走査する際、
前記照射領域内では一定の速度で走査し、かつ、前記非照射領域内では走査速度を変更するように前記照射手段及び前記走査手段を制御する制御部
を有するレーザー照射装置。 An irradiation means for irradiating a laser beam;
a scanning means for scanning the laser light irradiated by the irradiating means;
In a laser irradiation device comprising:
When the scanning means scans two or more irradiation areas and a non-irradiation area sandwiched between the irradiation areas,
A laser irradiation device having a control unit that controls the irradiation means and the scanning means so as to scan at a constant speed within the irradiation region and to change the scanning speed within the non-irradiation region.
前記制御部は、前記非照射領域のうち、前記照射領域に隣接する部分の走査速度を前記照射領域の走査速度と同一となるように制御する
ことを特徴とするレーザー照射装置。 In the laser irradiation device of claim 1,
The laser irradiation device according to claim 1, wherein the control unit controls a scanning speed of a portion of the non-irradiated region adjacent to the irradiated region so as to be equal to a scanning speed of the irradiated region.
前記制御部は、前記照射領域のうち、前記非照射領域に隣接する部分の走査速度を変更するように制御する
ことを特徴とするレーザー照射装置。 In the laser irradiation device of claim 1,
The laser irradiation device, wherein the control unit controls so as to change a scanning speed of a portion of the irradiation area adjacent to the non-irradiation area.
前記制御部は、特定の照射領域より前に走査する照射領域の走査速度を特定の照射領域の走査速度より小さくし、かつ、前記特定の照射領域より後に走査する照射領域の走査速度を特定の照射領域の走査速度より小さくするように制御する
ことを特徴とするレーザー照射装置。 In the laser irradiation device according to any one of claims 1 to 3,
The control unit controls the scanning speed of an irradiation area scanned before a specific irradiation area to be slower than the scanning speed of the specific irradiation area, and controls the scanning speed of an irradiation area scanned after the specific irradiation area to be slower than the scanning speed of the specific irradiation area.
前記制御部は、前記走査手段の走査速度の変更を、S字加減速軌道となるように制御する
ことを特徴とするレーザー照射装置。 The laser irradiation device according to any one of claims 1 to 3,
The laser irradiation device, wherein the control unit controls the change in the scanning speed of the scanning means so as to form an S-shaped acceleration/deceleration trajectory.
前記制御部は、前記走査手段の走査速度の変更を、共振フィルタ加速度軌道となるように制御する
ことを特徴とするレーザー照射装置。 The laser irradiation device according to any one of claims 1 to 3,
The laser irradiation device according to the present invention, wherein the control unit controls the change in the scanning speed of the scanning means so as to follow a resonance filter acceleration trajectory.
前記制御部は、前記照射手段がパルスレーザーである場合には、
前記照射領域内の走査速度の変更に基づいて、前記パルスレーザーの遮断間隔を変更するように制御する
ことを特徴とするレーザー照射装置。 In the laser irradiation device according to any one of claims 1 to 3,
When the irradiation means is a pulse laser, the control unit
A laser irradiation device characterized in that the interruption interval of the pulse laser is changed based on a change in a scanning speed within the irradiation area.
前記制御部は、前記照射手段が連続発振レーザーである場合には、
前記照射領域内の走査速度の変更に基づいて、前記連続発振レーザーの出力を変更するように制御する
ことを特徴とするレーザー照射装置。 In the laser irradiation device according to any one of claims 1 to 3,
When the irradiation means is a continuous wave laser, the control unit
A laser irradiation device characterized by controlling so as to change the output of the continuous wave laser based on a change in a scanning speed within the irradiation area.
前記照射手段により照射されたレーザー光を走査する走査ステップと、
2以上の隣り合う照射領域とそれらに挟まれた非照射領域を前記走査手段が走査する際、
前記照射領域内では一定の速度で走査し、かつ、前記非照射領域内では走査速度を変更するように前記走査手段を制御する制御ステップ
を有するレーザー照射方法。 an irradiation step of irradiating with laser light;
a scanning step of scanning the laser light irradiated by the irradiation means;
When the scanning means scans two or more adjacent irradiation areas and non-irradiation areas sandwiched therebetween,
A laser irradiation method comprising a control step of controlling the scanning means so as to scan at a constant speed within the irradiation region and to change the scanning speed within the non-irradiation region.
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| JP2022195301A JP2024081837A (en) | 2022-12-07 | 2022-12-07 | Laser irradiation device and laser irradiation method |
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