JPH0434723B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ装置、特に木、プラスチツク、
紙等の有機材料にレーザ彫刻による画像を現出せ
しめる非接触型レーザ彫刻の装置及び方法に関す
る。

木、紙あるいは類似の材料から成る工作物に彫
刻を施すためにレーザ装置を利用することはよく
知られている。かかるレーザ装置は、通常レーザ
ビームを30000ワツト／cm²の出力密度にまで焦点
合せする手段を備えた炭酸ガスレーザ等であり、
この焦点合せされたビームは工作物の上を走査さ
れ、その上には一般に打抜かれたテンプレートが
配置される。このテンプレートには打抜かれた孔
の形状として画像が描かれる。レーザビームはテ
ンプレートの全領域にわたつて走査され、打抜孔
の中を通つたレーザビームは工作物に衝突してそ
の表面を蒸発せしめ、工作物上にテンプレートの
画像を再現化する。テンプレートは銅又は真ちゆ
うのような好適な材料で作られる。かかる金属の
テンプレートにはある種の制限があり、１つの制
限として形成できる画像の詳細度に限界がある。
一般のテンプレートを作る場合の基本的手段であ
る型抜き方法では、完成した画像として細線が要
求される場合にテンプレートに金属の細いストラ
ンドを安定して取付けなければならないという困
難さが限界の要因となる。加えて、テンプレート
中に細線が存在する場合には、テンプレートの取
扱中及び使用中に細線がねじれたりゆがんだり曲
げられたりすることが起る。さらに他の制限とし
て、テンプレートには通常金属が用いられるの
で、レーザビームがテンプレート上を走査する時
には、工作物の露出した部分が蒸発していくにつ
れて煙と共に熱が発生するようになる。煙が発生
すると濃縮された煙が金属の表面を暗黒にしテン
プレートに吸収性を与える。この結果、レーザビ
ームが衝突した部分は急速に加熱及び冷却され、
金属のかかる熱負荷が結局テンプレートをゆがめ
ることになり、使用寿命を制御することになる。

レーザ彫刻として時おり用いられる他の方法は
変調方式を採用し、電子的に変調されたレーザビ
ームで工作物を走査し、ビームを点滅させること
によつて一点一点を所要の画像に解像させるよう
になつている。この方式は非常に高価で複雑な変
調装置を必要とするという経済的な欠陥がある。
加えて、炭酸ガスレーザと共に用いられる現在の
変調方式では、製紙工業のように急速に走行する
物体を大量生産するのに適した十分に高い変調週
波数を実現することができない。

非接触型レーザ彫刻装置は、これまでのところ
木で作られた物体を彫刻するのに用いられてき
た。かかる装置の一例が米国特許第4156124号に
「画像移送レーザ彫刻」という名称で開示されて
いる。この特許の装置では、テンプレートと工作
物が同期して動かされ、その間レーザビームと光
学手段とは相互に相対的に静止したままである。

本発明の目的は、新規で改良されたレーザ装置
を提供することにある。

本発明の他の目的は、木や紙のような製品をレ
ーザ彫刻するための新規で改良された装置及び方
法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、打抜型を用いずに
経済的で解像力に優れたレーザ彫刻を達成するた
めの新規で改良されたレーザ装置及び方法を提供
することにある。

本発明のさらに他の目的は、円筒形鏡のその上
又はその付近に散漫的に反射する図案画像が設け
られている円筒形鏡を用いたレーザ彫刻装置を提
供することにある。

本発明の前述した目的及び他の目的は、レーザ
ビームを放出し、レーザビームをある線に沿つて
走査するために捕捉する走査機構の形状をした走
査手段を備えたレーザ装置によつて達成される。
走査されたビームは円筒形反射面を有する鏡へと
指向され、この円筒形反射面にはその表面又はそ
の付近に散漫的に反射する図案画像が設けられ、
反射されたビームはそれから工作物の表面に焦点
合せされた点を供給するための他の光学装置を通
過する。画像に対して工作物を走査線に直角な方
向に動かして連続的な画像を工作物上に再現化す
るために必要に応じて並進運動機構が設けられ
る。本発明の効果を達成するために３つの実施例
の装置が後述される。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面
の実施例を参照した以下の記載によつて明らかと
なろう。添付図において同種の符号は同種の要素
を表わしている。

第１図、第２図は円筒形鏡を用いた第１の実施
例、第３図はその変形例である第２実施例、第４
図は最初の光学要素の位置に鏡を用いた第３の実
施例である。

第１図、第２図の装置において、レーザ源１０
はレーザビーム１２を放出し、レーザビーム１２
は集束レンズ１４で捕捉され、走査機構１８によ
つて駆動される走査鏡（ミラー）１６へと指向さ
れる。鏡１６は図面の平面に対し概ね垂直な線に
沿い前後方向へと走査（スキヤン）を行なう。集
束された走査ビームはそれから円筒形鏡２０に衝
突する。円筒形鏡２０の上面又はその付近には鏡
２０に比べてやや減少した反射度を有する図案画
像が後に詳述する方法で形成されている。

鏡２０の鏡面及び図案は共に第１図では下向き
になつている。実際、円筒形鏡２０の軸線はレー
ザビームの走査方向と直交している。並進運動機
構２２が鏡２０に連結され、鏡２０は鏡の軸線に
概ね平行な方向、すなわち走査線と直交する方向
に動かすことができる。レンズ１４と鏡２０の位
置は、レーザ光が工作物をきれいに蒸発させるに
十分な高い出力密度にまで集中できるように設定
されている。これは一般にレーザビームが鏡２０
の表面で焦点合せされることを必要とする。走査
されたレーザビームは鏡２０から集束レンズ２４
を通つて工作物２６の表面上の地点へと指向され
る。工作物２６は適当な並進運動機構により鏡２
０の運動平面と平行な平面内を動かされ、この運
動は鏡２０の運動と関連して、例えば所定の比率
になるように制御される。鏡２０の曲率半径と角
度方向は、走査鏡１６から反射された光がほとん
どあるいは全く変位することなくレンズ２４の概
ね中心を通過するように選ばれる。第１図の装置
では、工作物２６は機構２８により円筒形鏡２０
の運動方向と反対方向に動かされ、鏡２０上の光
学的画像を追跡するような速度で動かされる。

次に第２図を参照しながら円筒形鏡と図案画像
について詳述する。第２図においては第１図で下
向きとなつている鏡面部分を示すためにいくらか
図を回転させている。第２図のこの鏡面には工作
物２６上に再現化すべき所定の画像３０が含まれ
ている。鏡は金属製でその凹み部分は高い反射率
の鏡面であることが望ましい。一方、図案画像３
０は、散漫的に反射するかあるいは吸収性のある
画像パターンを供給するように公知の各種の技巧
を用いて作られる。最も単純な方法として、画像
３０は、鏡２０の鏡面に塗料を付与することによ
り周囲の鏡面の度合よりも低品位の反射面を有す
る画像領域を作ることによつて形成できる。

例えば黒の塗料を用いて画像３０の図案を作つ
た場合には、図案に衝突する走査ビームからの光
は黒の塗料により吸収されて熱に変る。この熱は
鏡の構造によつて消散されなければならない。鏡
２０の塗料が付着していない他のセクシヨンに衝
突する走査ビームは、鏡面反射されてレンズ２４
の中心へと通過する。レンズ２４はこの光学的シ
ステムにおいて走査による並進運動が概ね無視で
きる程度にまで減少した位置にある。黒の塗料の
代りに白の塗料が用いられた時は異なる原理が働
くことになる。選定された白の塗料な用いられる
レーザの波長で散漫的に反射する。この場合は、
白の塗料で描かれた画像３０に衝突する際に走査
ビームは吸収されずその代りに散漫的に反射さ
れ、一方鏡２０の塗料なし部分に衝突する光は鏡
面反射されるようになる。

レンズ２４を通過する光だけが工作物上に集中
されて画像化されるので、レンズ２４はこの光学
システムにおける限定孔となる。この設計配置の
主眼点は、彫刻に必要な光はレンズ２４を通過せ
しめるが他の光は排除することにある。この凹面
鏡で鏡面反射された全ての光はレンズ２４を通過
し、一方散漫的に反射された光はまき散らされほ
んのわずかの量しかレンズ２４を通過しない。こ
れにより所望のコントラストが得られる。鏡２０
上の画像領域３０で散漫的に反射された光は、工
作物２６上にほとんどあるいは全く蒸発を起させ
ない。

しかしながら、図案画像３０を作るための媒体
としての塗料には一定の限界がある。通常これま
で述べてきた型式の彫刻装置では100ワツト以上
の出力を有する炭酸ガスレーザが用いられる結
果、塗料それ自身が鏡２０上に焦点合せされるレ
ーザビームによつて蒸発させられることである。
かかる条件下においては画像３０の媒体として塗
料を用いることは最適ではない。好適には、鏡２
０は鏡面を呈するように研摩されたアルミニウム
等の金属で作り、炭酸ガスレーザの10.6ミクロン
波長を吸収する層として鏡面上に陽極酸化層を設
けることが望ましい。陽極酸化による画像３０は
化学的及び写真用技術を用いる陽極酸化プロセス
により容易に形成することができ、打抜かれたテ
ンプレートでは容易に得られない微細部分や解像
度を得ることができる。

他の方法として、画像３０は鏡２０の鏡面を選
択的に粗面とすることにより形成できる。例え
ば、図案の形状を残したマスクをかぶせた上から
鏡２０の鏡面上にサンドブラストをかければ、マ
スクからの画像３０が金属上に所望の粗面を生じ
させることになる。加えて、従来技術である化学
的エツチング法を用いて金属の表面に散漫的反射
面を作ることも可能である。図案画像３０は円筒
形鏡２０の凹面に直接付与することが望ましい
が、実際には、レーザビームが画像の周囲の領域
を通過しなければならないという光学的要件を考
慮しながら、他の材料を鏡に接近させて保持又は
固定してもよい。鏡２０の表面上又はその付近に
画像を形成するにはさらに多くの方法がある。

第１図のように鏡２０上又はその付近に画像３
０を形成するためには、部品の間に一定の関係が
成立する。まずパラメータを次のように定義す
る。

Ｂ＝走査鏡１６と円筒形鏡２０との間の光学的経
路長 Ｃ＝鏡２０とレンズ２４との間の光学的経路長 Ｄ＝レンズ２４と工作物２６との間の光学的経路
長 Ｚ＝レンズ２４の焦点距離 Ｒ＝円筒形鏡２０の曲率半径 Ｖ＝鏡２０の並進運動速度 Ｗ＝工作物２６の並進運動速度 Ｇ＝鏡２０の位置でのレーザビームの面積 Ｐ＝レーザ出力 Ｍ＝工作物２６をきれいに蒸発又は好適に加工す
るのに必要な臨界レーザ出力密度 ここでレーザビーム１２が平行であると仮定す
ると、次のような数学的関係が近似的に成立す
る。

２／Ｒ＝１／Ｂ＋１／Ｃ １／Ｚ＝１／Ｃ＋１／Ｄ Ｖ×Ｄ＝−Ｗ×Ｃ Ｐ／Ｇ＞DM／Ｃ この光学的配置の望ましい例としては次のよう
な関係があげられる。

Ｂ＝Ｃ＝Ｄ＝Ｒ＝2Z Ｖ＝−Ｗ Ｙ＝レンズ１４と反射鏡２０との間の光学的経路
長 本発明によるこの設計の複雑性を図解するため
に、各要素の物理的寸法を数値例で表わせば次の
ようになる。まず仮定として、 Ｂ＝Ｃ＝Ｄ＝Ｒ＝2Z＝50cm レーザビーム１２の直径＝２cm レンズ２４の直径＝５cm レーザ出力＝10.6ミクロン波長で1000ワツト 臨界レーザ出力密度＝30000ワツト／cm²鏡２０の
位置に焦点合せされたレーザビームの面積＝
0.18cm²とする。

もしも図案画像３０が幅10cmであれば、画像３
０の幅10cmを完全にカバーするためにはこの鏡で
反射された光がプラス又はマイナス方向に5.7°の
角度で走査される必要があり、鏡２０はプラス又
はマイナス方向に2.85°の角度で走査しなければ
ならない。この数値例では走査鏡１６は円筒形鏡
２０の軸線上に位置しているので、円筒形鏡２０
で鏡面反射された光は、円筒形鏡２０の軸線上の
１点に戻つた時にはその走査移動運動が失われて
いる。第１図のようにこれはレンズ２４の中心点
で起ることになる。この点においてレーザビーム
は、直径５cmのレンズ２４の位置で再び直径２cm
の原直径にまで拡大する。しかしながら、画像３
０を形成する図案の端縁は幾何学的円すいの外側
に出る角度で光を回折し、この回折された光の大
部分は工作物２６内に彫刻すべき画像に対し良好
な解像度を与えるように捕捉されねばならないこ
とに注意されたい。この例で得られる解像度は、
レーザのスポツトサイズよりも1500倍以上も小さ
な面積のスポツトサイズであり、この光学システ
ムに発生する情報は平行に伝達されるように図示
されていることを強調しなければならない。

前述の数値例において、レンズ２４はＦ値10で
光の円すいを捕捉する。図案画像３０が散漫的に
反射すれば、この図案を形成する光のいくらかは
レンズ２４によつて捕捉される。しかしながら、
散漫的反射の場合にはF10レンズは鏡面反射によ
つてレンズ２４を通過して送られる場合の光のう
ち約1/300だけを捕捉するにすぎない。従つて、
図案画像３０が散漫的反射を行なつても、工作物
２６上へと通過する光の中にきわめて大きな差異
を現出できることは明らかである。

第１図の数値例にさらに関連して、工作物２６
がくるみ材で所望の切断深さが1.5mmであれば、
鏡２０と工作物２６が反対方向に動く並進運動の
速度は２mm／秒になる。もしも工作物２６が厚さ
約0.01cmの紙であれば、紙を貫通切断するための
運動速度は2.5cm／秒になる。上述の例において、
レーザビームが円筒形鏡２０の表面で直径1.5mm
のスポツトサイズにまで焦点合せされると、くる
み材の工作物２６のための所望最小走査時間は３
サイクル／秒になり、紙の工作物の場合は約40サ
イクル／秒になる。実際上はより早い走査率の方
が望ましい。これらの走査率の値は、走査を行な
う場合レーザビームの直径の少なくとも半分がオ
ーバーラツプするような走査が望ましいという要
件によつて定められる。この例では走査運動は両
方向に直線的であると仮定した。これまでは円筒
形の鏡を参照して説明してきたが、球面を薄くカ
ツトした鏡であつてもその鏡の実用部分が円筒形
と見なせる限りにおいて利用することができる。
もつともこの例では、所要の数学的関係を満足す
るような鏡の有効面積を考慮すると共に、球面鏡
の直径をも考慮に入れなければならない。

第３図、第４図は本発明の範囲内におけるレー
ザ装置の他の実施例を表わしている。第３図のレ
ーザ装置では鏡２０と工作物２６とが組立体とし
て取付けられており、１つの並進運動機構により
両方の部品が同一方向に同時移動し、これにより
装置が単純化されている。この図では第１図と対
応する部品には同一の符号が付されている。レー
ザ源１０は集束レンズ１４に向けてレーザビーム
１２を放出し、レンズ１４はビームを走査機構１
８によつて駆動される走査鏡１６へと指向させ、
走査鏡１６はレーザビームを円筒形鏡２０の位置
で直線的に走査する。鏡２０と工作物２６は、工
作物２６上に鏡２０上の画像３０を再現化するた
めに相互に好適な配列となるようにテーブル２５
に好適に取付けられている。ビームは鏡２０の表
面で一部が鏡面反射され、一部は散漫的に反射さ
れ、折りたたみ鏡３２によつて反射された後レン
ズ３４を通り、他方の折りたたみ鏡３６で反射さ
れて工作物２６に向う。折りたたみ鏡３２，３６
は少なくともその反射面は平坦な形状をしている
平面鏡である。鏡３２，３６はレーザビームを再
指向させることに加えて投射された画像を反転す
る役割を果し、工作物２６と円筒形鏡２０とを同
一平面内に配置することを可能にすると同時に、
両者が取付けられているプレート又はテーブル２
５に連結された並進運動機構３８によつて両者が
同一方向に動かされることを可能にしている。

機能的に見れば、図面の平面に垂直な平面内で
走査が行なわれているから、鏡３２，３６は、走
査運動の端部でもビームを捕捉するように、この
方向に十分な幅がなければならない。第１図と第
３図とを比較すると、両者が類似していることに
気付くであろう。例えば、レンズ１４、走査機構
１８、走査鏡１６、円筒形鏡２０は両図において
同じである。レンズ３４は、１つの並進運動機構
２２が除去され２つの折りたたみ鏡３２，３６が
追加された点を除けばレンズ２４に対応してい
る。しかしながら、機構２２を除去しかつ折りた
たみ鏡３２，３６によつて幾何学的画像の反転を
行なわせ、鏡２０と工作物２６の両方を同時に並
進運動させることによる画像追従の方式は、レー
ザ彫刻における主要な問題である追従性の点を解
決したのである。並進運動は図面の平面に垂直な
方向に沿う走査線に直交する方向、すなわち第３
図において右から左又は左から右へと行なわれ
る。

第１図と第３図との１つの相異点は、第３図で
は通常の並進運動機構のため部品２０と２６とで
は画像のサイズが１対１に対応しなければならな
いことである。このことは部品２０から３４まで
の光学的経路長が部品３４から２６までの光学的
経路長に等しいことを必要とする。またこれらの
光学的経路長全体はレンズ３４の焦点距離の２倍
に等しくなければならない。

レーザ彫刻装置においてレンズは、その出力保
持能力に限界があることや破損しやすい性質のた
めに、しばしば望ましくないものとされる。従つ
て一般には反射要素だけを用いることが望まし
い。かかる観点に基づく本発明の装置の例が第４
図示されており、この装置は第１図の装置の本質
的特徴を備えている。第４図においても構造的及
び機能的に同一の要素には第１図と同じ符号が付
されている。レーザ源１０から放出されたビーム
１２は鏡４０へと指向される。鏡４０は、図面の
平面に垂直な方向に線走査を行なう走査機構４２
によつて駆動される凹形の球面走査鏡である。鏡
４０はまた本質的に第１図のレンズ１４と走査鏡
１６にとつて代る焦点合せ用光学装置でもある。
鏡４０から出たビームは、平坦な折りたたみ鏡４
４により画像３０がその上に設けられている円筒
形鏡２０の表面へと再指向され、鏡２０の表面上
の点で焦点合せされかつ図面の平面に垂直な方向
に走査される。鏡２０から出たビームは別の折り
たたみ鏡４６へと再指向され、それから凹形の球
面集束鏡５０へと向い、鏡５０はビームをさらに
第３の折りたたみ鏡４８へと指向させ、鏡４８か
ら出たビームは工作物２６へと再指向される。工
作物２６は、第１図と同様に鏡２０の並進運動平
面と平行な平面内を並進運動させられるが、注目
すべき相異点がある。すなわち、工作物２６と鏡
２０は折りたたみ鏡４６，４８により達成される
幾何学的反転に基づき、同一方向に並進運動させ
られることである。工作物２６、第１図、第３図
の装置と同様に円筒形鏡２０上の図案画像が再現
化される平面内にある。

第４図の装置においては、円筒形鏡２０と鏡５
０との間の光学的経路長は工作物２６と鏡５０と
の間の光学的経路長に等しいことが望ましい。さ
らにこれらの距離は共に鏡５０及び円筒形鏡２０
の両方の曲率半径に等しくなければならない。こ
れらの拘束に基づき、さらに鏡５０上でのビーム
の入射光と反射光との間の角度ができるだけ小さ
く保たれる限り、鏡５０に起因する球面収差はき
わめて小さくなる。これは球面の中心にあるもの
自身の上に点を投影する際には、球面反射器が理
想的な光学面となるからである。第４図の装置に
おける投影では、画像及び対象物体を共にできる
だけ鏡５０の球面の中心近くに保つことを試みて
いる。

第１図に関連して述べた数学的関係が第３図、
第４図に対しても同様に適用できることは当業者
等には明らかであろう。これらの関係が前述した
ような１対１の比率から逸脱する時には、球面反
射器又は鏡５０を適当な形状の楕円反射器に変形
する必要が生じるであろう。

本発明に従い数値の実施例について図示し説明
してきたように、本発明によれば工作物から離れ
た点に配置した図案画像を有する非接触型レーザ
彫刻装置が提供され、打抜かれたテンプレートを
利用する場合の欠点のいくつかを除去することが
できる。加えて、本発明によれば、高解像度の化
学的及び写真用技術を用いて図案の細部にわたる
画像形成が可能となり、彫刻された工作物に優れ
た解像度の画像を与えることができる。

本発明を好適な実施例について図示し説明して
きたが、本発明の精神及び範囲から離れることな
く各種を修正を施すことができることを理解され
たい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザ彫刻装置の第１実
施例の側面図、第２図は円筒鏡上の図案を表わす
斜視図、第３図は第２実施例の斜視図、第４図は
第３実施例の側面図である。 １０……レーザ源、１２……レーザビーム、１
４，２４，３４……レンズ、１６……走査鏡、１
８……走査機構、２０……円筒鏡、２６……工作
物、２２，２８，３８……運動機構。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザビームを放出する手段と、 前記レーザビームを走査する手段と、 概ね円筒形の鏡であつて、走査されたレーザビ
   ームが該鏡に衝突しかつ走査されたレーザビーム
   の並進運動が概ね無視できる程度にまで減少する
   空間内の領域へと該レーザビームが反射するよう
   な曲率、方向及び位置を有している鏡と、 前記鏡の反射面と少なくとも近似しているがや
   や減少した反射度を有する図案画像手段と、 工作物と、 前記図案画像手段と工作物との間に配置され該
   図案画像を工作物の表面に画像化させる第１の焦
   点合せ手段とを備え、前記焦点合せ手段は走査さ
   れたレーザビームの並進運動が概ね無視できる程
   度にまで減少する空間内の領域又はその付近に位
   置しており、前記の如く焦点合せされたレーザビ
   ームは前記工作物に所要の物理的変化を起させる
   に十分な出力を有しているレーザ彫刻装置。 ２ 前記レーザ放出手段と前記鏡との間に配置さ
   れレーザビームを該鏡の表面上に集中させる第２
   の焦点合せ手段を有する特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ３ 前記走査手段は前記レーザビームを所定の線
   に沿つて走査し、該レーザ彫刻装置はさらに前記
   反射手段と前記工作物の少なくとも一方を前記走
   査線に概ね垂直な方向へと相対的に並進運動させ
   る手段を有している特許請求の範囲第２項記載の
   装置。 ４ 前記円筒形鏡及び前記工作物は概ね平行な平
   面内に位置している特許請求の範囲第３項記載の
   装置。 ５ 前記第１及び第２の焦点合せ手段は少なくと
   も１つの鏡又はレンズを有している特許請求の範
   囲第２項記載の装置。 ６ レーザビームを用いて工作物に画像を彫刻す
   る方法であつて、 レーザビーム源を供給する段階と、 レーザビームを所定の線に沿い第１の方向へと
   走査する段階と、 走査されたレーザビームを第１の平面内の一点
   へと焦点合せする段階と、 円筒形鏡手段であつて該円筒形鏡手段の反射面
   に対し少なくとも近似した関係で図案画像手段が
   設けられている円筒形鏡手段を前記第１の平面内
   に配置する段階と、 前記工作物と前記円筒形鏡手段とを概ね同一平
   面上に配置し、前記円筒形鏡手段から反射された
   レーザビームを工作物の表面がある平面内の一点
   へと焦点合せする段階と、 前記円筒形鏡手段と前記工作物の少なくとも一
   方をレーザビームの走査線に対し直角方向に相対
   並進運動させる段階とを包含するレーザによる画
   像彫刻方法。 ７ 前記焦点合せする段階の少なくとも１つは前
   記図案画像手段からの画像を反転させる工程を含
   んでいる特許請求の範囲第６項記載の方法。