(57)【要約】【課題】レーザマーカの焦点合わせをフレキシブルにし、修理交換作業の時間の短縮、熱レンズ効果の克服、マーキング対象物に堆積する粉塵の除去、及び光源として連続照射レーザパルスの使用を可能にすること。【解決手段】連続照射ができるレーザ光源と、前記レーザ光源は発生するレーザ光の方向を制御するビーム方向制御手段と、前記ビーム方向制御手段によって制御されたレーザ光を基端部で受光し、先端部から照射する中空ファイバを具備したレーザマーカ装置であって、前記ビーム方向制御手段により導かれたレーザ光が、ドット数に応じた本数のファイバ群を一次元配列した中空ファイバの基端となる受光部に入射され、他方の先端から出射されるレーザを、マーキング対象物に照射することを特徴とするレーザマーカ装置を提供する。【選択図】　　　　図２
2004106033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続照射可能なレーザ光源と、
前記レーザ光源は発生するレーザ光の方向を制御するビーム方向制御手段と、
前記ビーム方向制御手段によって制御されたレーザ光を基端部で受光し、先端部から照射する中空ファイバを具備したレーザマーカ装置であって、
前記ビーム方向制御手段により導かれたレーザ光が、ドット数に応じた本数のファイバ群を一次元配列した中空ファイバの基端となる受光部に入射され、他方の先端から出射されるレーザを、マーキング対象物に照射することを特徴とするレーザマーカ装置。
【請求項２】
前記レーザ光源は炭酸ガスレーザである請求項１に記載のレーザマーカ装置。
【請求項３】
前記一次元配列された隣接するファイバの中空部が近接するように中空ファイバを覆うガラス部を部分的に除去する請求項１または２に記載のレーザマーカ装置。
【請求項４】
さらに、前記中空ファイババンドルに連結されて中空ファイバの中空部にガスを送出するガス送出装置を具備し、ファイババンドルの先端部から当該ガスを吐出することができる請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザマーカ装置。
【請求項５】
さらに、前記ビーム方向制御手段とファイバ受光部との間、若しくは、ファイバのレーザ出力先端部とマーキング対象物との間の少なくとも一箇所にレーザを収束させる集光レンズを設けた請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザマーカ装置。
【請求項６】
前記中空ファイババンドルの先端部は、基端部に対して自在に動かすことができる請求項１ないし５のいずれかに記載のレーザマーカ装置。
【請求項７】
前記中空ファイババンドルの先端部は、対象物または対象物の保持手段に対して着脱可能に構成されたカセットに固定されている請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザマーカ装置。
【請求項８】
前記マーキング対象物は、前記中空ファイババンドルの先端部から照射されるレーザ光の光軸方向と実質的に直交する面内を、レーザマーカ装置に対して相対的に移動し、前記中空ファイバの一次元配列の方向は、マーキング対象物の移動方向に対して実質的に直交する方向である請求項１ないし７のいずれかに記載のレーザマーカ装置。
【請求項９】
前記マーキング対象物は、前記中空ファイババンドルの先端部から照射されるレーザ光の光軸方向と実質的に直交する面内を、レーザマーカ装置に対して相対的に移動し、前記中空ファイバの一次元配列の方向は、マーキング対象物の移動方向に対して直交しない方向である請求項１または７に記載のレーザマーカ装置。
【請求項１０】
前記中空ファイババンドルを構成する中空ファイバのうちの少なくとも１つの先端部は、マーキング対象物に対してレーザ光を照射しないものである請求項１ないし９のいずれかに記載のレーザマーカ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はレーザ光によってマーキング対象物のマーキングを行うマーカ装置に関し、特に、中空ファイババンドルを用いてマーキングを行うレーザマーカ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献】
特開２０００−２２５４７８号公報
従来、マーキング対象物にレーザ光を照射して文字や図形などの印字を行うレーザマーカ装置は公知であり、例えば、マーキング対象物として缶の表面に製造年月日を印字して所望の文字や図形を印字することは実現している。
【０００３】
図１は従来技術を用いたマーキング対象物４に印字する装置を例示している。レーザ発生手段であるレーザ光源１は主にパルスレーザ発振器が用いられ、前記レーザ光源１から出力されたレーザはビーム方向制御手段２に入射される。ビーム方向制御手段はＸＹ軸方向に関して２次元的に位置決めを行うガルバノメータを用いた機械的手段や電子的なビーム方向制御手段などを用いることによって前記ビーム方向制御手段から出力されたビームを集光レンズ３によって屈折させてマーキング対象物４に照射して印字を行う。
【０００４】
しかし、従来のレーザマーカ装置には以下のような問題点があった。
第１にマーキング対象物に対してレーザ光を所定の位置に焦点を結ぶように精確に照射位置を設定しなければならず、実際の箱型のレーザマーカ装置は１ｍ３程度と大型である。そのため、移動位置調整は容易でなく、逆にマーキング対象側はマーキング対象物搬送機構がさらに大型であるために通常は固定されている。
第２にレーザマーカ装置又はマーキング対象物搬送装置の故障、マーキング対象物の破損が発生した場合は、レーザ装置の配置を再調整する必要性が生じるために修復又は交換作業に多大な時間を消費する。
第３にビーム方向制御手段又はビーム伝達手段に集光レンズを設けた場合には熱レンズ効果が生じて焦点距離が変動するため、数十ミリ秒程度の照射時間が経過するとマーキング濃度が劣化する。熱レンズ効果とは、レーザビームが透過する透明・固体材料にわずかなエネルギー吸収があるときにその材料の屈折率の温度依存性に起因して生じる光の異常屈折現象をいう。
第４にレーザ光の照射によりマーキングされると、焼付けの際に照射表面にマーキング対象物の基材から成る粉塵が発生するが、この粉塵は集光レンズ近傍に滞留するとレーザ光の障害となる。
第５に光源にパルスレーザ発振器が採用されているため、光源のパルス繰返し動作でドット印字速度が制限されるという不具合があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来のレーザマーカ装置が有する上記の課題を解消することであるが、解決しようとする課題を要約すると以下のとおりである。すなわち、第１の目的は、レーザの焦点を所定の位置に容易に設定できるようにすることである。第２の目的は、レーザマーカ装置又はマーキング対象物搬送装置の故障、マーキング対象物の破損の際に修理及び交換作業を容易にすることである。第３の目的は、熱レンズ効果を有するビーム方向制御手段を使用した場合でも、該熱レンズ効果によるマーキング劣化を生じさせないことである。第４の目的は、マーキングの際にマーキング対象物から生じる粉塵が堆積してレーザ光の障害となることを防止することである。第５の目的は、光源に連続照射レーザを採用してドット印字速度を向上させることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の課題を解決するために、
連続照射可能なレーザ光源と、
前記レーザ光源は発生するレーザ光の方向を制御するビーム方向制御手段と、
前記ビーム方向制御手段によって制御されたレーザ光を基端部で受光し、先端部から照射する中空ファイバを具備したレーザマーカ装置であって、
前記ビーム方向制御手段により導かれたレーザ光が、ドット数に応じた本数のファイバ群を一次元配列した中空ファイバの基端となる受光部に入射され、他方の先端から出射されるレーザを、マーキング対象物に照射することを特徴とするレーザマーカ装置を提供する。
【０００７】
当該構成によった場合には、ビーム方向制御手段から出力されたレーザを中空ファイバの基端において受光するので、ビームは基本的に中空ファイバの中空部に照射されることのみが条件となり、レーザ光が焦点を結ぶ位置の軸方向の誤差は問題とならないので、レーザ光をマーキング対象物に対して直接照射する場合等に比較して、ビーム方向制御手段から照射されるビームの方向および焦点位置に関する許容誤差を大きくすることができる。他方、中空ファイバの中空部を伝送されたレーザ光を、中空ファイバの先端部から出力する構成なので、当該先端部とマーキング対象物との距離が適切な範囲に維持されていさえすれば、レーザ光は対象物の表面で加工に十分な照射エネルギー密度を与えるが、必要であれば、中空ファイバの先端部とマーキング対象物との間に集光のためのレンズを設けることもできる。
さらに、中空ファイバは可撓性を有するので、レーザマーカ装置本体及びマーキング対象物搬送装置は固定した状態で、レーザ光の照射位置をマーキング対象物に対して容易に調節することができる。
中空ファイバは一次元配列されているので、そのままでは一次元の図形を印字することができるのみであるが、マーキング対象物がレーザマーカ装置に対して移動する場合には、対象物の移動と一次元配列された中空ファイバによって二次元の文字や図形を印字することも可能になる。
【０００８】
別の実施形態によれば、前記レーザマーカ装置の前記レーザ光源は炭酸ガスレーザである。
【０００９】
光源であるレーザ媒体はマーキング対象物の光吸収特性に応じて選択される。例えば、マーキング対象物がポリエチレンテフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）やエチレンテレフタレート−フロロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などは９μｍ帯の光を主に吸収するので、波長の中に当該波長を有する炭酸ガスレーザ（９〜１１μｍ）を使用することが好ましい。
【００１０】
さらに別の実施形態によれば、前記一次元配列された隣接するファイバの中空部が近接するように中空ファイバを覆うガラス部を部分的に除去する。
【００１１】
中空ファイバの典型的形状としては、中空部、ガラス壁（コート材含む）から成り、前記一次元配列された中空ファイバをバンドル状に配列すると、光照射に関してはガラス壁はデッドスペースとなる、つまり、マーキング対象物のガラス壁に対向する部分にはレーザ光が照射されない。そこで、このデッドスペースを小さくするために、中空ファイバのガラス壁の内、少なくとも隣りあうファイバと接触する部分の近傍を研磨、研削あるいは化学処理してガラス壁を薄肉化すれば、デッドスペースを小さくすることができる。このことによって、ドットの集合ではなく、実質的に連続した線によって図形を描くことができるようになる。
【００１２】
さらに別の実施形態によれば、レーザマーカ装置は、前記中空ファイババンドルに連結されて中空ファイバの中空部にガスを送出するガス送出装置を具備し、ファイババンドルの先端部から当該ガスを吐出することができる。
【００１３】
ファイババンドルの先端部から十分な強さでガスを吐出すれば、マーキング対象物の焼付け又は加工の際に生じる粉塵を対象物の表面から吹き飛ばすことができ、マーキング対象物の照射対象部に生じる前記粉塵がレーザ光の障害となることを防止する。全てのファイバにガスを通すことが最も効果的であるが、ファイバのうちの一部にのみガスを吐出させることによっても粉塵除去が可能となる。
【００１４】
さらに別の実施形態によれば、前記マーカ装置の前記ビーム方向制御手段とファイバ受光部との間、若しくは、ファイバのレーザ出力先端部とマーキング対象物との間の少なくとも一箇所にレーザを収束させる集光レンズを設ける。
【００１５】
レーザ光の収束によりエネルギーの高いレーザ光が得られ、マーキング対象物に対しても安定したマーキングを供給することができ、微細な印字を可能とする。
【００１６】
さらに別の実施形態によれば、前記レーザマーカ装置の中空ファイババンドルの先端部は、基端部に対して自在に動かすことができるように構成されている。
【００１７】
中空バンドルは可撓性を有するため、先端出力部を自由に照射部上に設置及び固定することができるため、レーザマーカ装置本体及びマーキング対象物搬送機構を移動する必要はない。この出力先端部を印字中にマーキング対象物上で動かすことで印字範囲を拡大することもできる。
【００１８】
さらに別の実施形態によれば、前記レーザマーカ装置の中空ファイババンドルの先端部は、マーキング対象物またはその支持手段に対して着脱可能に構成されたカセットに保持されている。
【００１９】
上記の構成によれば、レーザマーカ装置本体又はマーキング対象物の故障の際に修理交換作業が容易にでき、作業後の当該位置合わせも容易にできる。
【００２０】
さらに別の実施形態によれば、前記マーキング対象物は、前記一次元配列された中空ファイババンドルの先端部から照射されるレーザ光の光軸方向と実質的に直交する面内を、レーザマーカ装置に対して相対的に移動し、前記中空ファイバの一次元配列の方向は、マーキング対象物の移動方向に対して実質的に直交する方向である。
【００２１】
前記一次元配列された中空ファイババンドルの基端部に入力されるレーザは所定のファイバに入射され、各ファイバから出力されるレーザがマーキング対象物の移動方向と直交方向に配列されているので、マーキング対象物が移動すれば、当該移動と一次元配列されたファイバとを用いて二次元図形を描画することができる。
【００２２】
さらに別の実施形態によれば、中空ファイババンドルは、マーキング対象物の移動方向とは直交しておらず、当該直交方向とはゼロで無い一定の角度をなしている。
ビーム方向制御手段から出力されたレーザビームが、各中空ファイバを順次照射する際は、マーキング対象物に照射されるレーザ光は、ファイバ毎に微小な時間差を生じることになる。マーキング対象物が高速で移動している場合には、この時間差に起因して傾斜した図形がマーキングされることになるが、中空ファイバをマーキング対象物の移動方向とは予め傾斜した方向、つまり直交しない方向に配列しておくことによって、移動する対象物に対しても一次元配列バンドルを用いて直立した図形を書くことができる。
【００２３】
例えば、各ファイバへのレーザ入力が次のドットへ移動するために必要な時間が１μＳであり、ドット一点を焼付ける時間は１０μＳであれば、移動時間を含めたドットの焼付時間は１１μＳとなる。一方、その間、マーキング対象物が、３０ｍ／Ｓで移動しているとすれば、対象物の上に２つのドットが描かれる間に、対象物は０．３３ｍｍだけ移動していることになる。したがって、隣接する中空ファイバが０．３３ｍｍだけ対象物の移動方向にずれるように配置しておけば、描画上の傾斜を補償することができる。この傾斜の程度は、マーキング対象物の移動速度に応じて調節可能にしておくこともできる。
【００２４】
さらに別の実施形態によれば、前記中空ファイババンドルを構成する中空ファイバのうちの少なくとも１つの先端部は、マーキング対象物に対してレーザ光を照射しないものである。
【００２５】
光源は連続照射のレーザ光であるため、マーキング対象物に印字を所望しない場合は、マーキング対象物にレーザ光を照射しないような手段を設ける必要があり、それは、例えば、ファイバの入力基端部に入射されたレーザを吸収するもの、或いは、マーキング対象物の範囲外に照射する手段であってもよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の概略図を例示した実施形態である。マーキング対象物４は波長９μｍ帯を選択吸収するフロロカーボン系塗料を塗った基板材料を選定し、前記波長を有する光源１は連続照射ＣＯ２レーザ発生器である。ビーム方向制御手段２は音響光学偏向器（ＡＯ　Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）を用い、音響光学偏光器からの出力レーザを受光するファイバは、ＣＯ２レーザの波長を効率よく伝送することができる中空ファイバ７を選定し、７本の中空ファイバをバンドル化する。この場合、ドット数は７である。当該レーザは前記ファイババンドルの基端部８から受光され、バンドル内を伝送して先端部９から出力される。レーザを出力するファイババンドル先端部９は対象物に対して照射するように固定される。ただし、印字しない場合、レーザはマーキング対象物以外の方向に照射されるか、或いは、吸収手段により吸収される。（図３において、通常、集光レンズ３はＡＯ　Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ内に具備されるが、説明を簡潔にするため分離して表示している。）
【００２７】
光源１を運転すると、時間の経過と共に、ＡＯ　Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ内の集光レンズは熱レンズ効果によってレンズの焦点に変化が生じる。しかし、ファイババンドルの基端部８の受光部は焦点位置の変化を大幅に許容するため、安定したレーザ光が他方の先端部９から出力される。その結果、マーキング対象物への印字濃度を安定供給することができる。
また、レンズ効果を軽減するために用いられた従来のパルスレーザを使用する必要が無くなり、連続照射パルスレーザの使用が可能となることにより印字速度の向上が図れる。
【００２８】
図３はレーザ光を出力するファイババンドル先端面９の拡大図である。前記ファイババンドルは７本の光ファイバが一次元配列され、マーキング対象物の移動方向軸面に対して直交するレーザ光が所定の対象部に照射される。一般的な中空ファイバの寸法は、一例を挙げれば、中空部の直径が４００μｍ、コート材を含むガラス壁の厚さが１５０μｍ、外径７００μｍであり、この中空ファイバが一次元配列されていれば、隣接するファイバのガラス壁を含む中空部間には１５０μｍ×２＝３００μｍのデッドスペース（ファイバ先端部から照射されるレーザ光が拡散しないと仮定すれば、レーザ光が照射されない部分）を生じる。そこで、ファイバのガラス壁の少なくとも隣り合うファイバと接触する部分の近傍を研磨、研削、或いは、化学処理によって薄肉化すれば、このデッドスペースを小さくすることができる。
【００２９】
図４ａ及び図４ｂはファイババンドル出力端（二重円部）とマーキング対象物に印字されるドット（黒円部）との関係を図示したものである。図４ａは一次元配列されたファイバの方向軸Ｘとマーキング対象物の移動方向軸Ｙから成るＸＹ軸が直交する場合を図示している。レーザの流れに対してマーキング対象物がＹ軸方向に高速移動すると、マーキング対象物に印字されるドット列は図示したようにＸ軸に対して平行にはならない。Ｘ軸との成す角をθとすると、図４ｂにおいて印字前に予め一次元配列されたファイバをＸ軸に対して補償角θで一次元配列しておけば、ドット列はＸ軸と平行に印字される。さらに、ファイバを覆う隣接し合うガラス厚の合計の厚み（図４ａにおいては幅ａ、図４ｂにおいては幅ｂ）は、Ｘ軸と平行に一次元配列されたファイバの隣接し合うガラス厚のｃｏｓθ倍縮小される。したがって、ドット幅を縮小することが可能となり、より極め細かい印字が可能となる（図４ａ及びｂを参照してｂ＝ａｃｏｓθ）。
【００３０】
図５は、ガス供給管から各中空内にガスを挿通できるように一次元配列された７本の中空ファイババンドルの構成図である。ファイババンドル内は７本のファイバ１０が一次元配列されており、各ファイバ間の隙間部は斜線部で示された溶着剤１３等がファイバ基端部８の入力端の近傍まで充填されている。また、ファイババンドル先端部は光透過性材質１５で覆われており、ファイババンドル先端空間部１４は密封状態である。ガス供給装置を運転するとガス供給装置に接続されたガス管１２の内部からガスがファイババンドル内１４に流入する。ガス流は各ファイバの中空部に流入して他方の出射端から吐出される。これによりマーキング対象物の焼付けの際に生じる基材の粉塵をガス圧によって除去することできる。好ましくは、ファイババンドルの先端とマーキング対象物が極めて近接している場合に有効である。
【発明の効果】
以上説明したように本発明は従来のレーザマーカ装置の課題を克服している。本発明は好適な実施形態について図面を参照して具体的に説明したが、図面及び上記の説明は例示であり、本発明はこの実施例に制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来のレーザマーカ装置の概略図である。
【図２】図２は本発明のファイババンドルを用いたレーザマーカ装置の概略図である。
【図３】図３は中空ファイババンドルの出力部の拡大図である。
【図４】図４ａは補正前のマーキング図である。図４ｂは補正後のマーキング図である。
【図５】図５はガス供給管から各中空内にガスを挿通できるように一次元配列された７本の中空ファイババンドルの構成図である。
【符号の説明】
１　　レーザ光源
２　　ビーム方向制御手段
３　　集光レンズ
４　　マーキング対象物
７　　中空ファイババンドル
８　　中空ファイババンドル入力基端部
９　　中空ファイババンドルの出力先端部
１０　中空ファイバ
１２　ガス供給部
１３　溶着剤
１４　ファイババンドル先端部の空間部
１５　光透過性材
【図１】
2004106033.tif 000003
【図２】
2004106033.tif 000004
【図３】
2004106033.tif 000005
【図４】
2004106033.tif 000006
【図５】
2004106033.tif 000007