ビームステアリングレーザー

ビームステアリングレーザー

重要ポイント

• 動くのはミラーであり、レーザーや部品ではありません。これが高速マーキングを可能にしています。
• ガルバノミラーを軸ごとに1枚、計2枚使い、マーキング範囲内でビームを動かします。
• フラットフィールドレンズがビームを集光し、フィールド全域で高いパワー密度を実現します。
• スキャン速度、視野、ビーム品質の3つが、スキャンヘッドで可能なことの限界を決めます。

ビームステアリングレーザー

ビームステアリング方式のレーザーマーキングシステムは、部品やレーザー自体を動かすのではなく、高速でコンピュータ制御されるミラーによって、集光したレーザースポットを静止した部品上で移動させます。ガルバノモーターに搭載された軽量ミラー2枚がビームをX方向とY方向に振り、フラットフィールドレンズがマーキング領域全体で焦点を保ちます。部品は静止したままで、動くのはビームだけです。

これは現代の産業用マーキングのほぼすべてに採用されている構成であり、レーザーマーキングが高速な量産ラインで実用化できた理由でもあります。

光学系の仕組み

• ビームエキスパンダー。元のビームを拡大し、集光レンズがより小さなスポットを作れるようにします。レンズに入るビームが大きいほど、焦点は小さく絞れます。
• X軸・Y軸ガルバノミラー。閉ループ制御のガルバノモーターで駆動される低慣性のミラーで、1ミリ秒未満で位置を切り替えられます。
• fθレンズ。最も重要な部品です。通常のレンズは曲面上に焦点を結ぶため、中心から離れるとマークの焦点がずれます。fθレンズは焦点面が平坦になり、変位がスキャン角に比例するよう補正されているため、形状が歪みません。

フィールドサイズ、スポットサイズとトレードオフ

fθレンズの焦点距離がマーキングフィールドを決めますが、何の代償もなく選べるわけではありません。

フィールドを大きくすると、必ず解像度とパワー密度が犠牲になります。放射照度はパワーをスポット面積で割った値であり、スポットが大きくなると同じ出力がより薄く広がります。吸収がぎりぎりのポリマーでは、これがマークできるかどうかの分かれ目になり得ます。「柔軟性のため」にフィールドを大きめに指定するのは、よくあるうえコストのかかる失敗です。

3軸およびダイナミックフォーカス

標準的な2軸システムは、平面上にマーキングします。ガルバノの前に電動フォーカスモジュール（第3の軸）を追加すると、焦点高さをリアルタイムで変えられるため、曲面、段差、円筒形のプラスチック部品でも全面でピントの合ったマーキングが可能になります。抜き勾配や曲率の大きい成形部品では、これはオプションではなく必須であることが少なくありません。

オペレーターが制御するパラメータ

• マーキング速度。ミラーの移動速度で、出力や繰り返し周波数とともに、単位長さあたりに与えるエネルギーを決めます。
• ジャンプ速度と遅延。マーキングしない区間でビームが移動する速さです。ジャンプ、マーク、ポリゴンの各遅延が不適切だと、角の焼け、ベクトルの始点・終点の丸まりといった典型的な不良が発生します。
• ハッチパターンとライン間隔。塗りつぶし領域で、見た目と累積入熱の両方を左右します。
• 焦点オフセット。スポットを広げてマークを柔らかくするため、意図的にデフォーカスすることがあります。

プラスチックでは、これらのタイミングパラメータが金属より重要です。遅延設定が悪いと局所的に熱が蓄積しますが、ポリマーは金属に比べてその影響に非常に弱いためです。トラブルシューティングについては、プラスチックのレーザー彫刻でよくある不具合のトラブルシューティングにまとめています。

遅延パラメータとマークが歪む理由

ガルバノミラーには質量があるため、指令信号に対して遅れが生じます。そのためすべてのスキャンヘッドには、ミラーの動きに対してレーザーの発振を同期させる遅延パラメータがあります。マークの幾何学的な不良の大半はこれらの設定に起因しますが、工場出荷時の初期値のまま使われていることが多くあります。

これらはマーキング速度と相互に影響するため、ある速度で調整したレシピは、速度が変わると角や線端に不良が出ます。遅延を機械の固定値として扱わず、マーキング速度が大きく変わるたびに再調整してください。

フィールドの校正と歪み補正

fθレンズはミラーの振れ角を平坦な焦点面に対応づけますが、その対応は完全ではなく、フィールドの端ほど精度が落ちます。

• 補正ファイルはレンズごとに固有です。スキャンヘッドは、装着されたレンズに合わせた歪み補正テーブルを適用します。焦点距離の異なるレンズに交換して対応する補正ファイルを読み込まないと、中心では正しく見えても、フィールドの端で寸法が狂ったマークになります。
• 樽型歪みと糸巻き型歪みは、フィールド外周付近で直線が湾曲して現れます。これは機械的な問題ではなく、校正の問題です。
• 確認は部品ではなくグリッドで行います。フィールド全面のグリッドをマーキングして測定すると、中心に小さくマークしただけでは決して分からないスケール誤差、スキュー、歪みが分かります。
• 作業領域は定格フィールドの内側に収めてください。精度、スポットサイズ、焦点はいずれも端ほど劣化するため、フィールド端に置いた部品は、中心に置いた同じ部品よりマーキング品質が低下します。
• 光学系を変更したら必ず再校正してください。レンズ、保護ウィンドウ、ヘッドのいずれを交換した場合も、改めてグリッドで確認する必要があります。

スキャンヘッド起因の不具合のトラブルシューティング

関連用語と参考情報

• プラスチックのレーザーマーキングソリューション
• レーザー放射照度
• レーザーでプラスチックにマーキングする方法
• トレーサビリティのためのレーザーマーキングとマシンビジョンコード

実際の生産での活用

The Sabreen Groupは、ガルバノ式マーキングシステムの仕様策定、フィールド選定、パラメータ開発について、独立した立場でエンジニアリング支援を提供しています。プロセスの仕様策定、材料の適格性評価、生産上のトラブルの解決など、お困りの際は当社のエンジニアリングサービスチームがお手伝いします。お客様の用途についてのご相談は、お問い合わせください。

よくあるご質問

ビームステアリングレーザーとは何ですか？

ガルバノミラーやMEMSスキャナーなどの動的な光学部品を用い、レーザー光源やワークを動かさずに、ビームの位置を高速で制御するレーザーシステムです。産業用マーキングの標準的な構成です。

ビームステアリングは実際にどのように動作しますか？

可動ミラーが傾く、または回転することでビームの向きが変わります。X軸とY軸を1台ずつのガルバノが受け持ち、マーキングフィールド内でビームを動かします。その後、フラットフィールドレンズ系が光を集光し、表面で高いパワー密度を得ます。

なぜビームステアリングは、部品を動かすより高速なのですか？

ミラーの質量が、ワークやレーザーヘッドに比べてはるかに小さいためです。ビームを素早く動かせるので、機械的な駆動方式では到達できない処理速度で、彫刻、マーキング、切断、積層造形を行えます。

スキャンヘッドの性能を制限する要因は何ですか？

ミラーまたはスキャナーの動きに関するスキャン速度と加速度の限界が、処理速度の上限を決めます。視野は、ミラーの角度範囲と光学構成で決まります。さらに、フィールド全体でビームの焦点を維持できるかどうかが、達成可能な品質を左右します。

フラットフィールドレンズは何のためにありますか？

マーキングフィールド全体で高いパワー密度を保つためのものです。ステアリングされたビームは、そのままでは各点までの距離が異なり、フィールドの端ほど焦点がずれてしまいますが、それを補正します。

文字のストロークの端にダマができるのはなぜですか？

レーザーオンとレーザーオフの遅延が適切に調整されていないためです。ガルバノミラーには質量があり、指令信号に遅れるため、ヘッドにはミラーの動きに対してビームを同期させる遅延パラメータが必要です。ダマができるのは、ミラーがまだほぼ静止している間にビームが発振しているからです。これはタイミングの不具合なので、出力を下げてもマーク全体が薄くなるだけで、解決しません。

マーキング速度が変わったら、スキャンヘッドの遅延を再調整する必要がありますか？

はい、変化が大きい場合は必要です。遅延はミラーの整定を補うためのもので、必要な整定時間はミラーの駆動速度に応じて変わります。ある速度で調整したレシピは、別の速度では角が丸まり、線端に不良が出ます。工場出荷時の遅延のままだと、ある案件では許容できるマークになり、次の案件では不良になるのはこのためです。

フィールドの中央では寸法が正しいのに、端では狂うのはなぜですか？

ほとんどの場合、装着したレンズと合わない補正ファイルを使っていることが原因です。スキャンヘッドは、装着された焦点距離に固有の歪み補正テーブルを適用します。対応するファイルを読み込まずにレンズを交換すると、中心は正確でも端が湾曲し、位置がずれます。誤差は中心に単一のマークを付けただけでは分からないため、フィールド全面のグリッドで確認してください。

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