特許 7061617 走査型光出力装置及びその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-20

(45)【発行日】2022-04-28

(54)【発明の名称】走査型光出力装置及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20220421BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20220421BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20220421BHJP

【ＦＩ】

G02B26/10 109Z

G02B26/08 F

G02B26/10 C

B23K26/00 B

B23K26/00 M

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2019549220

(86)(22)【出願日】2018-10-10

(86)【国際出願番号】 JP2018037696

(87)【国際公開番号】W WO2019078058

(87)【国際公開日】2019-04-25

【審査請求日】2020-03-12

(31)【優先権主張番号】P 2017201846

(32)【優先日】2017-10-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】若山 雄貴

【審査官】堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１３１６４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０８６８４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－１６４９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２３１６４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００８－０５２００７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１２５９７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－００８９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１７９５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１５６６６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／０３６７９５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２６／１０ － ２６／１０

Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０

Ｇ０９Ｇ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光素子と、
該発光素子から出力される光を導波させるための光ファイバと、
該光ファイバの両端部のうち前記発光素子と逆側の端近傍に接続された少なくとも２つ以上の光ファイバ駆動機構と、
前記発光素子の駆動電流制御回路と、
前記光ファイバ駆動機構の駆動電圧制御回路と、
前記発光素子と前記光ファイバ駆動機構のタイミング制御回路を備え、
前記駆動電流制御回路が前記発光素子の光出力強度を調整し、
前記駆動電圧制御回路が複数の前記光ファイバ駆動機構に入力される電気信号の大きさを調整し、
前記タイミング制御回路が、前記発光素子の光出射タイミングと、前記光ファイバ駆動機構に入力される電気信号間の位相差を調整し、
前記光ファイバから出力された光の一部を分岐するための光分岐器と、
該光分岐器で分岐された一方の光を入力するための受光器と、
該受光器と電気的に接続されたビーム位置検出回路とを備え、
該ビーム位置検出回路が、ビームの走査軌跡と、走査振幅と、前記光ファイバ駆動機構への入力電気信号波形と光ファイバ振動波形との位相遅れの少なくとも１つを算出し、
該算出した信号を前記駆動電流制御回路と、前記駆動電圧制御回路と、前記タイミング制御回路に入力し、
前記受光器が、受光部が少なくとも２つ以上に分割された分割型受光器であり、
前記ビーム位置検出回路が、前記分割型受光器のそれぞれの受光部からの出力される電気信号波形の位相差からビーム走査軌跡を算出し、該受光部からの出力される電気信号波形の立ち上がり時間から走査振幅を算出し、前記算出した走査軌跡と走査振幅から光ファイバ振動波形を推定することで、前記光ファイバ駆動機構への入力電気信号波形と光ファイバ振動波形との位相遅れを算出することを特徴とする走査型光出力装置。

【請求項2】

請求項１に記載の走査型光出力装置であって、
前記光ファイバと前記光分岐器の光路上に少なくとも１枚のレンズと、
該レンズが光軸方向の位置を調整するためのレンズ駆動機構と、
該レンズ駆動機構の制御回路を備え、
前記ビーム位置検出回路が、
前記分割型受光器のそれぞれの受光部から出力される電気信号の大きさからビーム径を算出し、
算出した信号を前記レンズ駆動機構の制御回路に入力することを特徴とする走査型光出力装置。

【請求項3】

請求項１に記載の走査型光出力装置であって、
前記光分岐器が、透過する光量と反射する光量の分岐比率が光の入射角度に依存する可変式光分岐器であることを特徴とする走査型光出力装置。

【請求項4】

請求項１に記載の走査型光出力装置であって、
前記受光器が、受光面の位置を調整するための受光器駆動機構を備えることを特徴とする走査型光出力装置。

【請求項5】

請求項１に記載の走査型光出力装置であって、
前記光分岐器が、反射面の角度と位置を調整するための光分岐器駆動機構を備えることを特徴とする走査型光出力装置。

【請求項6】

請求項１に記載の走査型光出力装置であって、
前記光分岐器と走査された光を照射するための対象物間に少なくとも１枚のレンズを備え、
該レンズがレンズから出射される主光線が光軸に対して略平行であるテレセントリックレンズであることを特徴とする走査型光出力装置。

【請求項7】

請求項１に記載の走査型光出力装置であって、
前記光ファイバから出力された光を反射するための反射鏡と、
該反射鏡で分岐された光を入力するための受光器と、
該受光器と電気的に接続されたビーム位置検出回路とを備え、
該ビーム位置検出回路が、
走査振幅と、前記光ファイバ駆動機構への入力電気信号波形と光ファイバ振動波形との位相遅れの少なくとも１つを算出し、
該算出した信号を前記駆動電流制御回路と、前記駆動電圧制御回路と、前記タイミング制御回路に入力することを特徴とする走査型光出力装置。

【請求項8】

発光素子と、該発光素子から出力される光を導波させるための光ファイバと、該光ファイバの端近傍に接続された光ファイバ駆動機構と、前記光ファイバから出力された光の一部を分岐するための光分岐器と、該光分岐器で分岐された一方の光を入力するための受光器と、該受光器と電気的に接続されたビーム位置検出回路とを備えた走査型光出力装置の制御方法であって、
前記受光器、または前記光分岐器の位置を調整し、前記受光器の中心と光ビームの重心を略一致させるための原点補正工程と、
前記光ファイバの振動の共振周波数を算出し、前記光ファイバ駆動機構の制御周波数を共振周波数近傍に設定する制御周波数設定工程と、
光走査軌跡を算出し、前記光ファイバ駆動機構の印加電圧の振幅、位相差を調整する走査軌跡補正工程と、
前記光ファイバ駆動機構の印加電圧と前記光ファイバの振動の位相差を検出する位相遅れ検出工程と、
前記発光素子の光出力強度と光出射タイミングを調整する発光素子制御工程からなることを特徴とする走査型光出力装置の制御方法。

【請求項9】

請求項８に記載の走査型光出力装置の制御方法であって、
前記発光素子制御工程において、
前記光ファイバの振動の振幅を検出する工程と、
該光ファイバの振動の振幅が許容範囲内か判断する工程を有し、
該光ファイバの振動の振幅が許容範囲内でない場合は、前記光ファイバ駆動機構の制御周波数を微調整することを特徴とする走査型光出力装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、走査型光出力装置及びその制御方法に関し、特に、生産ライン上で高速に移動する物体に対し賞味期限やバーコード等を印字するためのレーザマーキング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

食品、医薬品、工業製品などに賞味期限やロット番号などを印字する方法として、レーザ光を製品表面に照射することで表面を加工するレーザマーキング方式が知られている。レーザマーキング方式は製品に非接触で、高精細な像を印字できる利点がある。ただし、レーザ光を走査し印字するには比較的時間がかかるため、生産ラインで使用する場合は、高速なラインには適していない。また、光の走査用ミラーとしてガルバノミラーやポリゴンミラーが用いられるが、比較的サイズが大きいため、光走査ヘッドのサイズが大型であり、配置できる場所には制約が生じる。

【0003】

これらの課題を解決するための手段として、例えば、複数の光ファイバから同時に光を出射するパラレル方式のレーザマーキング装置が知られている。この場合は、光の走査が不要であるため高速に印字が出来る利点がある。しかし、パラレル化する本数だけのレーザ光源が必要であり、レーザは一般的に高価であり、それにより装置コストが増大する課題がある。またパラレル化することでレーザのみではなく、光ファイバ、電源、冷却源等もそれぞれ部品点数が増大するため、装置が複雑化、大型化する課題がある。また消費電力が高い課題がある。

【0004】

そこで、他の解決手段として、光ファイバ先端を振動させ走査するファイバスキャナを用いたレーザマーキング装置がある。光ファイバ先端を振動させ走査するファイバスキャナについての背景技術として特許文献１がある。特許文献１には、光ファイバ先端を振動させ走査するファイバスキャナが開示されており、その適用例としてはファイバスコープ内視鏡が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表２００８－５０４５５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１では、ファイバスコープ内視鏡を前提に記載されているため、ファイバスキャナ技術をレーザマーキング装置に適用した場合の、印字対象物の移動における高品質印字について、考慮されていない。

【0007】

すなわち、従来のファイバスキャナ技術をレーザマーキング装置に適用した場合、印字対象物の移動により高品質に印字することが難しい。レーザマーキング装置は生産ラインで使われるため、一般的には印字対象物が高速に移動する。またファイバスキャナの光走査方式として、一般的には光の軌跡が螺旋状となるような螺旋スキャン方式が用いられる。高速に移動する対象物に螺旋スキャン方式で印字した場合、対象物の移動方向に対し字が歪むことがあるという課題がある。

【0008】

また、他の課題として、ファイバスキャナを工場の生産ラインで使用する場合は長期安定性に懸念がある。ファイバスキャナは共振現象を利用するため、特性が温度、湿度などの環境変化に敏感である可能性がある。安定化させるためには定期的なキャリブレーションが有効であるが、生産ラインの装置ではキャリブレーションを行う頻度や時間に制約がある。

【0009】

そこで、本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、高品質化または長期安定化が可能な走査型光出力装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、走査型光出力装置であって、発光素子と、発光素子から出力される光を導波させるための光ファイバと、光ファイバの両端部のうち発光素子と逆側の端近傍に接続された少なくとも２つ以上の光ファイバ駆動機構と、発光素子の駆動電流制御回路と、光ファイバ駆動機構の駆動電圧制御回路と、発光素子と光ファイバ駆動機構のタイミング制御回路を備え、駆動電流制御回路が発光素子の光出力強度を調整し、駆動電圧制御回路が複数の光ファイバ駆動機構に入力される電気信号の大きさを調整し、タイミング制御回路が、発光素子の光出射タイミングと、光ファイバ駆動機構に入力される電気信号間の位相差を調整するように構成する。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、高品質化または長期安定化が可能な走査型光出力装置及びその制御方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例１における走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。

【図2】実施例１における光ファイバと光ファイバ駆動機構の斜視図と、光ファイバ振動を概念的に示す図である。

【図3】実施例１における走査型光出力装置を用いたレーザマーキングシステムを概念的に示す図である。

【図4】実施例１における走査型光出力装置を用いた理想的な走査軌跡と光照射位置を概念的に示す図である。

【図5】実施例１における走査型光出力装置を用いた一般的な走査軌跡と光照射位置を概念的に示す図である。

【図6】実施例１における光ファイバ振動の周波数応答特性を概略的に示す図である。

【図7】実施例２における走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。

【図8】実施例２における位置検出受光器の斜視図である。

【図9】実施例２における分割型受光器の斜視図である。

【図10】実施例２における分割型受光器を用いた走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。

【図11】実施例２における走査軌跡補正方法を概略的に示す図である。

【図12】実施例２における光ファイバ駆動機構への入力電気信号波形と光ファイバ振動波形との位相遅れを概略的に示す図である。

【図13】実施例２における光走査振幅算出方法を概略的に示す図である。

【図14】実施例２における発光素子の光出力強度と、光出射タイミングの調整方法を概略的に示す図である。

【図15】実施例２における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の斜視図である。

【図16】実施例２における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の一例の断面図である。

【図17】実施例２における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の他の一例の断面図である。

【図18】実施例２における走査型光出力装置の制御フローチャートを示す図である。

【図19】実施例３における走査型光出力装置の制御フローチャートを示す図である。

【図20】実施例４における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の断面図である。

【図21】実施例５における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の断面図である。

【図22】実施例６における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の断面図である。

【図23】実施例６における走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。

【図24】実施例７における走査型光出力装置の光走査ヘッド部の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。

【実施例1】

【0014】

図１は、本実施例における走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、走査型光出力装置は発光素子を有する光源１０と、光源１０から出力される光を導波させるための光ファイバ１１と、光ファイバの一方の端近傍に接続された光ファイバ駆動機構１２と、発光素子の駆動電流を制御する駆動電流制御回路１８と、光ファイバ駆動機構１２の駆動電圧を制御する駆動電圧制御回路１９と、発光素子の駆動電流と光ファイバ駆動機構１２の駆動電圧のタイミングを制御するタイミング制御回路１７と、データ入力用のデータ入力インターフェース１６からなる。また光源１０と、駆動電流制御回路１８と、駆動電圧制御回路１９と、タイミング制御回路１７と、データ入力インターフェース１６は制御装置本体１３に格納されており、光ファイバ駆動機構１２は先端の光走査ヘッド部１５に格納されている。制御装置本体１３と光走査ヘッド部１５は光ファイバを含む配線ケーブル１４で接続されている。

【0015】

本実施例における走査型光出力装置の第１の特徴は、駆動電流制御回路１８が発光素子の光出力強度を調整することが可能であり、駆動電圧制御回路１９が複数の光ファイバ駆動機構に入力される電気信号の大きさを調整することが可能であり、タイミング制御回路１７が、発光素子の光出射タイミングと、光ファイバ駆動機構１２に入力される電気信号間の位相差を調整することが可能であることである。

【0016】

次に、本実施例における走査型光出力装置の第２の特徴を説明するために、光ファイバ駆動機構１２の一例について図２を用いてより詳しく説明する。図２において、光ファイバ駆動機構は電圧を印加したときに歪が生じるピエゾ素子を用いている。図２ではピエゾ素子２３の周回に沿って４つのピエゾ素子電極２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂが配置された光ファイバ駆動機構の斜視図を示している。ピエゾ素子２３の中心穴には光ファイバ２４が通されている。ピエゾ素子電極２１ａ、２１ｂは、横方向（ｘ方向）の変位量調整用の電極であり、ピエゾ素子電極２２ａ、２２ｂは、縦方向（ｙ方向）の変位量調整用の電極である。そのため、光ファイバ駆動機構１２は、ｘ方向ｙ方向に歪を生じさせることが可能であり、光ファイバの出射端面２５と略水平な２次元面内において光を走査することが可能である。

【0017】

以上の特徴により本実施例における走査型光出力装置は、食品、医薬品、工業製品などに賞味期限やロット番号などを印字するレーザマーキング装置に好適である。

【0018】

レーザマーキング装置とは、レーザを使ってさまざまな製品に文字・記号・マークなどを印字する装置であり、例えば、レーザにより表面を溶かす、焦がす、表面層をはがす、削るなどの物理的変化で印字を行なうものや、レーザにより表面を酸化させる、変色させる、または、レーザにより色相や濃度が調整可能なインクの塗布による化学的変化で印字を行なうものがある。

【0019】

図３に、本実施例における走査型光出力装置を用いて印字するイメージ図を示す。図３において、３２は制御装置本体、３３はディスプレイ、３４は配線ケーブル、３５は光走査ヘッド部、３６は印字されたラベル、３０は製造用ベルトコンベアである搬送装置、３１ａ、ｂ、ｃは印字対象物である。本実施例における走査型光出力装置は、光の走査方式としてピエゾ素子を使った光ファイバの偏向方向制御を用いているため、光走査ヘッド部３５が非常に小型であり、搬送装置３０上を移動する印字対象物３１ａ、ｂ、ｃの所定の印字領域の近くに光走査ヘッド部３５を近づけて印字することが可能である。また、光走査ヘッド部３５と制御装置本体３２は配線ケーブル３４で接続されているため、製造ラインと物理的に干渉しない位置に制御装置本体３２を配置することが可能であり、製造ラインの種類に対する柔軟性が高い。

【0020】

次に、本実施例における走査型光出力装置を用いて理想的な印字をするときの光の走査軌跡と光照射タイミングについて図４を用いて説明する。製造ラインにおいては一般的には印字対象物が高速に移動しているため、走査軌跡は移動方向と略垂直方向がより好ましい。そのため、光ファイバ先端の変位が時間に対し正弦関数で変化している場合、図４に示すように、印字対象物における光の走査軌跡４０は破線で示したように正弦関数となる。走査軌跡の山と谷の部分は間隔が狭くなるため、その部分では光を出射しないことが好ましい。そのため、図４に示すように、全体の走査領域のうち中心から７割程度の部分のみ光照射領域として光を照射すれば、黒丸で示す光照射位置４１の間隔が略等しくなり高精度な印字が可能となる。

【0021】

以上のように本実施例によれば、小型化が可能で、高速化かつ高品質化が可能な走査型光出力装置を提供することが可能となる。

【実施例2】

【0022】

本実施例は、より高品質な印字が可能であり、さらに長期安定化が高い走査型光出力装置について説明する。

【0023】

まず、図５と図６を用いて印字品質が劣化する要因と長期安定性を損ねる要因について説明する。

【0024】

上述したように走査軌跡は印字対象物の移動方向と略垂直方向が好ましいが、ピエゾ素子を図４に示したような方向に制御した場合でも、ピエゾ素子の製造ばらつきや、光ファイバのピエゾ素子への実装誤差により、不要な方向、すなわち印字対象物の移動方向にもわずかに振動をする。すなわち、走査軌跡が厳密には直線ではなく楕円形状となる。楕円形状で走査した場合の、印字対象物における光の走査軌跡を図５に示す。破線が走査軌跡５０、黒丸が光照射位置５１である。直線走査した場合と同じタイミングで光を照射したときの光照射位置５１は、図５に示すように、走査軌跡同士が重なりあうことで照射位置も重なりあい、これが印字品質を劣化する要因となる。

【0025】

次に、図６を用いて長期安定性を損ねる要因について説明する。図６は光ファイバ振動の周波数応答特性を概略的に示している。ある特定の周波数（光ファイバ振動の共振周波数）でピエゾ素子を駆動した場合、振幅が最大となる。この共振周波数は、温度や湿度など環境変化によってシフトする。図６において、実線が初期状態の周波数応答特性６２であり、破線が環境変化時の周波数応答特性６３を示している。このため、ピエゾ素子の駆動周波数である光ファイバ駆動機構の制御周波数が一定値６４（初期状態での共振周波数）である場合、初期状態の振幅６０は初期状態の周波数応答特性６２の最大値であるのに対し、環境変化時の振幅６１は、環境変化時の周波数応答特性６３と一定値周波数６４との交わる点となり、環境変化によって振幅が劣化する。これが長期安定性が損なわれる要因である。

【0026】

以下、上記課題を解決するための本実施例について説明する。図７は、本実施例における走査型光出力装置の概略構成を示すブロック図である。図７において、図１と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図７において図１と異なる点は、光分岐器７０と位置検出用受光器７１とビーム位置検出回路７２を備えた点である。

【0027】

図７において、光ファイバ１１から出射された光は光分岐器７０に入力され、分岐された一方の光は位置検出用受光器７１に入力される。位置検出用受光器７１から出力される電気信号は制御装置本体１３のビーム位置検出回路７２に入力される。ビーム位置検出回路７２は、ビームの走査軌跡を検出する走査軌跡検出回路７３と、ビームの走査振幅を検出する走査振幅検出回路７５と、光ファイバ駆動機構への入力電気信号波形と光ファイバ振動波形との位相遅れを検出するための位相遅れ検出回路７４から構成されており、それらが検出した信号が駆動電流制御回路１８と、駆動電圧制御回路１９と、タイミング制御回路１７に入力される。

【0028】

この構成により、位置検出用受光器７１で検出した信号をもとにフィードバック制御が可能であり、走査軌跡を最適化することで、印字品質を高めることや、温度や湿度など環境変化が生じた場合においても安定して駆動することが可能である。

【0029】

次に、位置検出用受光器の一例について図８を用いて説明する。図８において、位置検出用受光器８０は、高抵抗半導体層８１の上面にｐ型コンタクト層８２と、下面にｎ型コンタクト層８３を備えたＰＳＤ（Position Sensitive Detector）である。ｐ型コンタクト層８２の表面には抵抗層８６が形成されており、抵抗層８６周辺のそれぞれの辺には４つのアノード電極８４が、ｎ型コンタクト層８３の裏面にはカソード電極層８５が形成されている。抵抗層８６の面内において光が入射された位置に依存して、４つのアノード電極８４には電位が生じる。この電位を解析することで、入射されたビームの重心位置を検出することが可能である。

【0030】

次に、位置検出用受光器の別形態について図９を用いて説明する。図９において、位置検出用受光器９０は受光部が少なくとも２つ、より好ましくは、図９に示すように、４つに分割された分割型受光部９１ａ、ｂ、ｃ、ｄを有する分割型受光器である。図９には一例として入射ビーム９２とビーム走査軌跡９３をあわせて示す。ビームの位置により電位が発生する受光部が異なることで、ビームがどの受光部に位置するかを算出することが可能である。また本実施例のようにビームの走査軌跡が直線や、楕円形状のどちらかであり、可変パラメータを用いて定式化できる場合は、それぞれの受光部の電位波形の位相差や、立ち上がり時間の測定と、フィッティングモデルを組み合わせ合わせることで入射されたビームの重心位置やビーム径状を検出することが可能である。４分割型受光器はＰＳＤと比較しより安価で、高精度に位置を検出できる点でより好ましい。

【0031】

次に、図１０に、４分割受光器を用いた本実施例における走査型光出力装置の概略構成のブロック図を示す。図１０において、図７と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図１０において図７と異なる点は、ビーム位置検出回路７２に替えてビーム位置検出回路１００を備えた点である。ビーム位置検出回路１００は、ビーム位置検出回路７２の走査軌跡検出回路７３と走査振幅検出回路７５と位相遅れ検出回路７４に加えて、位相差検出回路１０１と、立上時間検出回路１０２を有している。

【0032】

図１０において、ビーム位置検出回路１００が、分割型受光器のそれぞれの受光部から出力される電気信号波形の位相差から、位相差検出回路１０１と走査軌跡検出回路７３によってビーム走査軌跡を算出し、受光部からの出力される電気信号波形の立ち上がり時間から、立上時間検出回路１０２と走査振幅検出回路７５によって走査振幅を算出し、算出した走査軌跡と走査振幅から光ファイバ振動波形を推定することで、光ファイバ駆動機構の駆動電圧と光ファイバ振動波形との位相遅れを算出することが可能である。

【0033】

次に、算出した走査軌跡から光ファイバ駆動機構の駆動電圧を制御し、走査軌跡を理想的な直線化する、駆動電圧制御回路１９の制御について、図１１を用いて説明する。図１１において、上段の３つの図は光ファイバ駆動機構の駆動電圧の時間変化を示しており、実線は光ファイバをｙ方向に変位させるための電圧、破線はｘ方向に変位させるための電圧である。下段の３つの図はそれぞれ上段の駆動電圧波形電圧を印加したときの走査軌跡を示す。理想的には、図１１（ａ）に示すように、ｙ方向に変位させるための電圧のみを印加したときは、ｙ方向のみに変位する。また、図１１（ｂ）に示すように、ｘ方向とｙ方向に変位させるための電圧の大きさを制御したときは、走査軌跡の傾きが変化する。また、図１１（ｃ）に示すように、ｘ方向とｙ方向に変位させるための電圧の大きさと位相差を制御したときは、走査軌跡が楕円軌跡となる。このように、電圧波形を制御することで、走査軌跡を任意に調整することが可能である。逆に言えば、製造誤差や実装ばらつきにより無制御状態において楕円軌跡ならば、電圧の大きさと位相差を適切に制御することで走査軌跡を直線化することも可能である。

【0034】

次に、位相遅れ検出回路７４の機能について、図１２を用いてより詳しく説明する。図１２において、実線は、光ファイバ駆動機構の駆動電圧の時間変化を示す。また、破線は、走査軌跡検出回路７３で検出したビームの走査軌跡と、走査振幅検出回路７５で検出したビームの走査振幅とから得られるビーム位置の時間変化を示す。位相遅れ検出回路７４によって、光ファイバ駆動機構の駆動電圧と、光ファイバから出射される光のビーム位置との位相差１２０を検出する。この検出した位相差をもとに、発光素子の駆動電流と光ファイバ駆動機構の駆動電圧を制御する。

【0035】

次に、立上時間検出回路１０２と走査振幅検出回路７５の機能について、図１３を用いてより詳しく説明する。図１３には振幅が３通りであるときのシミュレーション結果を示す。図１３に示すように、振幅が大きいほど立ち上がり時間が短いことが分かる。このように振幅と立ち上がり時間には１対１の対応関係があるため、立ち上がり時間を測定することで振幅を推定することが可能である。振幅を推定するには、立ち上がり時間と振幅との関係式を予め走査振幅検出回路７５に入力しておくか、立ち上がり時間と振幅の対応関係が記述されたルックアップテーブルを予め用意し、走査振幅検出回路７５が内容を読み出すことで実現できる。

【0036】

次に、駆動電流制御回路１８による発光素子の駆動電流制御について図１４を用いて説明する。図１４において、横軸は光ファイバ振動の半周期分の時間を示しており、縦軸は発光素子の駆動電流の相対値を示している。濃い実線が初期状態の駆動電流波形を示し、初期状態の光照射間隔Ｔを１４２で示し、初期状態の光照射時間領域を１４０で示す。また、薄い実線が環境変化時の駆動電流波形であり、環境変化時の光照射間隔Ｔ‘を１４３で示し、環境変化時の光照射時間領域を１４１で示す。環境変化により走査振幅が小さくなった場合においても、図１４に示すように、光照射間隔を大きくすれば、印字対象物の同一の位置に、歪なく同一のサイズで印字することができる。さらに、図１４に示すように、環境変化時に、光照射時間を長くすると同時に駆動電流のピーク値を抑制し、発光素子から出射される光のエネルギー量が常に一定となるように制御すれば、環境変化前と同一の品質で印字することができる。

【0037】

次に、光走査ヘッド部１５の詳細について説明する。図１５は、光走査ヘッド部１５の斜視図である。図１５において、１５１は光ファイバ用筐体、１５２は光入力部、１５３は光分岐器用筐体、１５４は走査レンズ用筐体、１５５は光出力部、１５６は位置検出用受光器用筐体である。

【0038】

図１６は、図１５の内部構成であり、光走査ヘッド部１５の第１の例を示す断面図である。図１６おいて、１６１は光ファイバ駆動機構、１６２は光ファイバ、１６３はコリメートレンズ、１６４はビームスプリッタ、１６５は分岐光、１６６は位置検出用受光器、１６７は受光器位置調整機構、１６８は透過光、１６９が光走査レンズである。ここで、光走査レンズ１６９は、出射される主光線が光軸に対して略平行であるテレセントリックレンズである。また、図１６においては、ビームスプリッタ１６４が図７の光分岐器７０に対応し、位置検出用受光器１６６が図７の位置検出用受光器７１に対応する。

【0039】

また、図１７に、光走査ヘッド部１５の第２の例である断面図を示す。図１７おいて図１６と異なる点は、ビームスプリッタ１６４に替えて、平板型ビームスプリッタ１７１を設けた点である。平板型ビームスプリッタ１７１は、透過する光量と反射する光量の分岐比率が光の入射角度に依存する可変式光分岐器である。

【0040】

図１６と図１７の相違の特徴としては、例えば、分岐比率を１対１０００等の大きな値とする場合は、図１６のビームスプリッタ１６４では難しく、図１７の平板型ビームスプリッタ１７１が有利である。ただし、図１６の構成では、光軸がずれないというメリットがあるが、図１７の構成では、光軸がずれるため、その補正のためには補正部品が必要となる。

【0041】

図１８は、本実施例における走査型光出力装置の制御フローである。図１８においては、大きく３つの処理ステップからなり、ビーム位置原点補正フロー１８０、初期のキャリブレーションである光ファイバ駆動機構の制御周波数設定とビーム走査軌跡補正フロー１８１、発光素子制御フロー１８２からなる。

【0042】

まず、ビーム位置原点補正フロー１８０では、図１６で示す受光器位置調整機構１６７によりステージ上のｘ、ｙ方向で位置検出受光器１６６の位置の微調整を行ない、ビーム位置が位置検出受光器の中心となるように調整を行なう。

【0043】

次に、初期のキャリブレーションであるステップ１８１では、光ファイバ駆動機構の制御周波数設定として、光ファイバ振動の共振周波数を抽出し、光ファイバ駆動機構の制御周波数を共振周波数近傍に設定する。そして、光ファイバ駆動機構の印加電圧の振幅、位相差を調整し、所望の走査軌跡となるように調整を行なう。そして、図１２に示した光ファイバ駆動機構の印加電圧と光ファイバ振動の位相差を検出する。

【0044】

そして、発光素子制御フロー１８２として、光源の駆動電流、発光タイミングを調整して、光ファイバ振動の振幅が許容範囲内でない場合は、再度、ステップ１８１に戻り、初期のキャリブレーションを行う。

【0045】

以上のように、本実施例によれば、より高品質な印字が可能であり、さらに長期安定化が高い走査型光出力装置を実現できる。

【実施例3】

【0046】

本実施例は、より長期に安定して動作することができる走査型光出力装置について説明する。

【0047】

図１９は本実施例における走査型光出力装置の制御フローである。図１９において、実施例２の図１８と異なる点は、発光素子制御フロー１８２が発光素子制御フロー１９２となった点であり、その他は同じであるので、異なる部分についてのみ説明し、他は省略する。

【0048】

図１９において、発光素子制御フロー１９２は、光ファイバ振動の振幅が許容範囲内でない場合は、光ファイバ駆動機構制御周波数を微調整することを特徴としている。共振周波数シフトが極わずかな場合は、図１８のようにキャリブレーションをやり直す必要性が無いためより長時間にわたって安定して動作することが可能となる。具体的には、例えば、図６において、光ファイバ駆動機構の制御周波数６４を移動させて周波数を微調整することに対応している。

【0049】

これにより、より長期に安定して動作することができる走査型光出力装置を提供できる。

【実施例4】

【0050】

本実施例は、光分岐器の分岐比率を調整するための機構を設けた走査型光出力装置について説明する。

【0051】

図２０は、本実施例における走査型光出力装置の光走査ヘッド部１５の断面図である。図２０において、図１７と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２０において図１７と異なる点は、平板型ビームスプリッタ１７１が反射面の角度と位置を調整するためのビームスプリッタ位置調整機構２０１を備える点である。ビームスプリッタ位置調整機構２０１により、分岐比率を調整できるため、例えば、キャリブレーション時は受光器に入力される光量を大きくすることでキャリブレーション精度を上げ、実際に印字する時は透過光量を大きくすることで装置の省電力化を図ることが可能となる。

【実施例5】

【0052】

本実施例は、ビーム位置検出のための原点補正するための別形態について説明する。

【0053】

図２１は、本実施例における走査型光出力装置の光走査ヘッド部１５の断面図である。図２１において、図１７と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２１において図１７と異なる点は、受光器位置調整機構１６７の代わりに、光ファイバ駆動機構１６１に光ファイバ光軸調整用駆動機構２１１を設けた点である。

【0054】

本実施例によれば、ビーム位置検出のための原点補正と同時に、コリメートレンズ１６３と、光走査レンズ１６９に入力するビームの位置も調整することが可能であるため、より高精度に印字することが可能となる。

【実施例6】

【0055】

本実施例は、ビーム径を調整するための機構を設けた走査型光出力装置について説明する。

【0056】

図２２は、本実施例における走査型光出力装置の光走査ヘッド部１５の断面図である。図２２において、図１７と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２２において図１７と異なる点は、コリメートレンズ１６３の光軸方向の位置を調整するためのコリメートレンズ位置調整機構２２１を設けた点である。

【0057】

また、図２３は、本実施例における走査型光出力装置の概略構成のブロック図である。図２３において、図１０と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２３において図１０と異なる点は、コリメートレンズ位置調整機構２２１と、ビーム径検出回路２３０と、コリメートレンズ位置調整機構２２１の駆動電圧制御回路２３１を備えた点である。

【0058】

図２２、図２３に示すように、コリメートレンズ１６３が、光軸方向の位置を調整するためのコリメートレンズ位置調整機構２２１と、コリメートレンズ位置調整機構２２１の駆動電圧制御回路２３１と、ビーム径検出回路２３０を備えており、フィードバック制御によりビーム径の最適化が可能である。これにより印字内容により解像度を柔軟に変更することが可能となる。

【実施例7】

【0059】

図２４を用いて本実施例における走査型光出力装置について説明する。

【0060】

図２４は、本実施例における走査型光出力装置の光走査ヘッド部１５の断面図である。図２４において、図１６や１７と同じ機能については同じ符号を付し、その説明は省略する。図２４において図１６や１７と異なる点は、光分岐器であるビームスプリッタ１６４や平板型ビームスプリッタ１７１の代わりに、反射鏡２４２を設けた点である。

【0061】

図２４に示すように、光ファイバ１６２から出力された印字用ビーム２４３とは別の位置検出用ビーム２４１が反射鏡２４２で反射され、反射された光は位置検出用受光器１６６で検出され、ビーム位置検出回路が、走査振幅と、光ファイバ駆動機構の駆動電圧波形と光ファイバ振動波形との位相遅れの少なくとも１つを算出し、算出された信号が発光素子の駆動電流制御回路と、光ファイバ駆動機構の駆動電圧制御回路と、タイミング制御回路に入力される。

【0062】

実施例１から６の構成では、走査領域に対し印字領域が極端に小さく、一回の走査に対しレーザ光が出射される時間が極端に短い場合においては、位置検出用受光器で検出光として検出されない可能性がある。しかし、本実施例においては、キャリブレーション用の位置検出用ビームを一回の走査で必ず一回照射するので、必ず位置検出用受光器で検出可能となる特徴がある。このように、本実施例によれば、通常の印字中にも印字用ビームとは別のフィードバック制御用の特定の位置検出用ビームを照射することで、印字内容に依存せず、より確実に安定してより高品質な印字が可能となる。

【0063】

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例の構成の一部を他の構成に置き換えることも可能である。

【符号の説明】

【0064】

１０：光源、１１：光ファイバ、１２：光ファイバ駆動機構、１３：制御装置本体、１４：配線ケーブル、１５：光走査ヘッド部、１６：データ入力インターフェース、１７：タイミング制御回路、１８：駆動電流制御回路、１９：駆動電圧制御回路、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ：ピエゾ素子電極、２３：ピエゾ素子、２４：光ファイバ、７０：光分岐器、７１，１６６：位置検出用受光器、７２、１００：ビーム位置検出回路、７３：走査軌跡検出回路、７４：位相遅れ検出回路、７５：走査振幅検出回路、１０１：位相差検出回路、１０２：立上時間検出回路、１６４：ビームスプリッタ、１７１：平板型ビームスプリッタ、２０１：ビームスプリッタ位置調整機構、２１１：光ファイバ光軸調整用駆動機構、２２１：コリメートレンズ位置調整機構、２３０：ビーム径検出回路、２３１：コリメートレンズ位置調整機構の駆動電圧制御回路、２４１：位置検出用ビーム、２４２：反射鏡、２４３：印字用ビーム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】