(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
文字、図形の打刻を行うために必要な極小さな範囲に対し、レーザ光を所定幅に揺動させてワークの被加工面を走査し、該被加工面の微小な凹凸形状や自由曲面形状を測定する測定手段と、
圧縮空気の圧力及びスプリングの付勢力によって駆動される打点ピンを備える打刻ペンと、
該測定結果に基づいて前記打刻ペンと前記被加工面との距離を一定に保つように該打刻ペンの移動軌跡を決定する制御手段と、該制御手段の指令に基づき、前記被加工面と前記打刻ペンとの距離を一定に保つように前記打刻ペンを移動させる駆動手段とを有することを特徴とする刻印装置。
【請求項２】
前記測定手段を前記打刻ペンと共通の駆動手段に設けたことを特徴とする請求項１記載の刻印装置。
【請求項３】
前記測定手段を前記打刻ペンと別個の駆動手段に設けたことを特徴とする請求項１記載の刻印装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、文字、図形等の打刻を行うために必要な小さな範囲における面の状態を正確に把握し、該面状態に沿って打刻ペンを移動させることにより、文字の深さ、幅を一定に保つ刻印装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
製品の表面に打刻ペンで文字等を刻印する際に、文字等を構成する線の深さ、幅等を所望の値に保つために必要な条件の１つとして、打刻ペンと被加工面との距離を常時一定に保つことが挙げられる。そこで、従来よりこの条件を満たす為の考案がなされている。その一例として、打刻ペンの負荷を直接的に検出する負荷センサを有し、刻印作業時に前記打刻ペンに係る負荷の変化に基づいて、打刻ペンと被加工面との距離を一定に調節するという手法が用いられている。例えば、打刻ペンが一定の高さでかつ一定の傾斜をなす被加工面の上を移動する場合を考えると、打刻ペンと被加工面との距離が減少すれば、前記打刻ペンにかかる負荷は増加する。また、打刻ペンと被加工面との距離が増加すれば、前記負荷は減少する。この負荷の増減を前記負荷センサで検出し、打刻ペンが受ける負荷を一定値に調整するべく、打刻ペンを被加工面に対し離間接近させる。上記従来例としては、特公平3-27397 号公報、実開平4-128899号公報等にその詳細が開示されている。
【０００３】
また、マーキングペンとは独立して被加工面の状態を検出する手段を設け、該検出手段に基づいてマーキングペンの位置を操作する手法が考案されている。その一例としては、特開平8-141946号公報にその詳細が開示されている。その内容を簡単に説明すると、被加工面に直接密着するローラ等の追従手段を有し、該追従手段によってマーキングペンを支持する。そして、該追従手段が被加工面上を走行する際に被加工面の状態変化を拾い、マーキングペンに対しその変化を直接的に伝達するというものである。
【０００４】
さらに、図９、図10に示すように、タッチセンサを用いて打刻ペンと被加工面との距離を一定に保つ手法も考案されている。簡単に説明すると、タッチセンサ１は、打刻ペン２と共に支持アーム３に取付けられている。支持アーム３は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の動作を各軸のアクチュエータ４によって自在に行うことが可能となっている。刻印作業を行う際には、まず、図９のごとくタッチセンサ１をワーク５の被加工面５ａに当接させる。そして、支持アーム３と被加工面５ａとの位置関係を把握する。続いて図10のごとく支持アーム３を移動し、打刻ペン２が被加工面５ａに対して適切な距離となるよう位置決めする。被加工面が傾斜角一定の斜面である場合には、離間した２点にタッチセンサ１を当接させ、２点の関係から傾斜面の状態を演算して、打刻ペン２が被加工面５ａに対して適切な距離となるように、各軸のアクチュエータ４の制御データを作成する。そして、打点ピン２ａを出没させつつ打刻ペン２を該傾斜面に沿って移動させることにより、文字等の刻印を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成をなす従来の刻印装置は、以下のような欠点を有していた。まず、文字の深さ、幅を一定に保つために、打刻ペンの負荷を直接的に検出し、該負荷を一定値に調整するべく、打刻ペンを被加工面に対し離間接近させる手法は、打刻ペンが受ける負荷の変化に対して打刻ペンの位置を変化させるものであり、いわゆる受動的対応をしているにすぎない。よって、被加工面の状態変化に対する打刻ペンの変位の遅れが生じ易いものであった。
【０００６】
また、ローラ等の追従手段を被加工面に直接密着させ、該追従手段によって被加工面の状態変化を拾い、マーキングペンに対しその変化を直接的に伝達する手法は、追従手段の形態（ローラ径、ローラ幅等）によって、面状態を検出する際の分解能が左右されるものであり、字、図形等のマーキングを行うために必要な小さな範囲の面において、微小の凹凸があるような場合には、面状態を正確に把握するには不向きであった。また、前記追従手段が直接被加工面に当接する為に、被加工面を痛めるおそれがあった。
【０００７】
さらに、タッチセンサを用いて打刻ペンと被加工面との距離を一定に保つ手法によると、タッチセンサは点の測定を主とするものである。よって、面の測定には不向きであることから、自由曲面や微小の凹凸面のような場合には、複数の測定点の測定データに基づき複雑な演算処理をする必要があり、面状態を正確に把握することが困難、かつ、多くの時間を要することになる。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、様々な形状をなす被加工面に対し、文字等の刻印を高品質に行うことにある。特に、文字、図形等の打刻を行うために必要な小さな範囲における面の状態を正確に把握することにより、打刻ペンの動作をより適切に行い、高品質の刻印文字を得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する為の本発明に係る刻印装置は、文字、図形の打刻を行うために必要な極小さな範囲に対し、レーザ光を所定幅に揺動させてワークの被加工面を走査し、該被加工面の微小な凹凸形状や自由曲面形状を測定する測定手段と、圧縮空気の圧力及びスプリングの付勢力によって駆動される打点ピンを備える打刻ペンと、該測定結果に基づいて前記打刻ペンと前記被加工面との距離を一定に保つように該打刻ペンの移動軌跡を決定する制御手段と、該制御手段の指令に基づき、前記被加工面と前記打刻ペンとの距離を一定に保つように前記打刻ペンを移動させる駆動手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明によると、レーザ光を用いる測定手段によって被加工面の微小な凹凸形状や自由曲面形状を把握し、該測定結果に基づいて打刻ペンの移動軌跡を決定することにより、文字の刻印作業の間、打刻ペンと前記被加工面との距離を一定に保つ。よって、前記被加工面が凹凸形状や自由曲面形状を有する場合でも、前記打刻ペンは被加工面に沿った移動を行い、該打刻ペンによる刻印深さを常に一定に保つ。
【００１１】
本発明においては、前記測定手段を前記打刻ペンと共通の駆動手段に設け、測定手段と打刻ペンとの駆動手段を共用する。また、前記測定手段を前記打刻ペンと別個の駆動手段に設けた場合には、被加工面の形状測定作業と、文字の刻印作業とを並行して行う。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、従来例と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
【００１３】
図１ないし図３には、本発明の第１の実施の形態に係る刻印装置の正面図、平面図、側面図を夫々示している。この刻印装置は、打刻ペン２を移動させるための駆動手段として、ベース６に対してＹ軸方向に移動可能なコラム７と、Ｘ軸方向に延びコラム７に支持されるクロスビーム８と、クロスビーム８上をＸ軸方向に移動可能なブラケット９とを有する。また、打刻ペン２はブラケット９に対しＺ軸方向に移動可能に取付けられている。コラム７をＹ軸方向に移動させる動力源として、サーボモータ10がベース６に設けられている。また、ブラケット９をＸ軸方向に移動させる動力源として、クロスビーム８の一端部にサーボモータ11が設けられている。さらに、ブラケット９に対し打刻ペン２をＺ軸方向に移動させる動力源として、ブラケット９にはサーボモータ12が設けられている。なお、ベース６はワーク取付ベース６ａを有している。
【００１４】
また、クロスビーム８には、クロスビーム８上をＸ軸方向に移動可能なセンサブラケット13を設け、センサブラケット13にレーザセンサ14を固定している。そして、クロスビーム８に対しセンサブラケット13をＸ軸方向に移動させる動力源として、クロスビーム８の他端部にサーボモータ15が設けられている。上記各サーボモータ10，11，12，15は、同時にまたは独立して作動可能となっている。また、クロスビーム８は、ハンドル16を回転させることにより、コラム７に対して昇降するようになっている。
【００１５】
図４には、打刻ペン２の単体を図示している。打刻ペン２は圧縮空気によって打点ピン２ａを駆動するものである。圧縮空気は図示しないエア回路から、内部のシリンダ室に供給される。そして、打点ピン２ａを駆動するピストンが前記シリンダ室内で前記供給エアの圧力を受けて往復運動をすることにより、打点ピン２ａを打刻ペン２の先端部から出没させることができる。なお、ピストンの往復運動の一方向についてはスプリング等を用い、該スプリングの付勢力に対向するようにエアの圧力を加えることによって、ピストンを駆動することができる。そして、エアの供給を断続することにより打点ピン２ａの出没動作を高速で行いつつ、打刻ペン２が文字形状をトレースするよう移動させることにより、各打点が連続して所望の文字形状となる。
【００１６】
さて、打点ピン２ａは被加工面５ａに食い込む必要があるので、打点ピン２ａの先端は図示のごとく尖っている。このため、打点ピン２ａは許容値を越える力を受けると、その先端が変形もしくは欠損するおそれがある。しかしながら、本実施の形態では、後述のごとく被加工面と打刻ペン２との距離を一定に保つことが可能であり、打点ピン２ａは許容値を越える力を受けることはない。したがって、打点ピン２ａが変形もしくは欠損することもない。
【００１７】
図５には、レーザセンサ14を示している。このレーザセンサ14は、（ａ）に示すようにレーザ光22を左右に所定幅だけ振ることができる。そして、レーザ光22の振り方向と直交する方向へと移動させることにより、レーザ光22は（ｃ）に示すような移動軌跡を描き、一度の走査で前記所定幅の帯状の範囲を測定することが可能となる。また、このレーザセンサ14は、（ｂ）に示すように被加工面５ａからの拡散光を捕らえて測定を行う方式のものであり、測定範囲が広く面測定に適している。
【００１８】
ここで、本実施の形態に係る刻印装置によって製品の表面に文字等を刻印する手順を、図１ないし図３を参照しながら各ステップ毎に説明する。
(1) ワーク５をワーク取付ベース６ａに固定する。
(2) ハンドル16を回転させてクロスビーム８を昇降させ、おおよそ打刻ペン２が刻印に適した位置となるよう調節する。
(3) ブラケット９をクロスビーム８の一端部（図１に示すクロスビーム８の右端）に移動させる。また、センサブラケット13をワーク５の被加工面５ａ上に移動させる。
(4) 被加工面５ａの文字等を刻印する位置に、図６に示すようにレーザセンサ14のレーザ光22を照射し、表面形状を測定する。実際には、被加工面５ａは更に微小の凹凸を有する場合が多いが、レーザセンサ14はこの微小の凹凸も検出可能である。また、文字等の打刻がより広範囲に渡る場合には、コラム７のＹ軸方向の移動も行い測定する。
(5) 刻印装置の制御手段（図示省略）では、ステップ(4) の測定結果に基づいて、打刻ペン２と被加工面５ａとの距離を一定に保つように、打刻ペン２の移動軌跡を決定する。
(6) ステップ(5) で決定された移動軌跡を打刻ペン２がトレースするように、サーボモータ10，11，12を制御し、同時に打刻ペン２から打点ピン２ａを高速で出没させることにより、被加工面５ａに所望の文字形状を刻印する。
【００１９】
ところで、本実施の形態に係る打刻装置は、被加工面の測定作業と刻印作業との手順としては、次のいずれも実施可能である。
▲１▼全ての刻印範囲を測定した後に、全ての文字をまとめて打刻する。
▲２▼刻印範囲一部分（例えば１文字分）の測定の後、直ちにその部分の文字のみを打刻する。
▲１▼の手法は、レーザセンサ14による測定時には打刻ペン２は停止しているので、レーザセンサ14の測定結果に打刻ペン２の振動が影響しないという利点がある。▲２▼の手法は、測定作業と打刻作業とが平行して行われるので、▲１▼の手法に比べて全刻印時間が短くなるという利点がある。しかし、レーザセンサ14に防振対策を施す必要がある。また、レーザセンサ14による測定速度と打刻ペン２による刻印速度とが異なることから、刻印速度は測定速度に規制される。したがって、いずれの手法を採用するかは打刻装置に要求される諸条件によって決定する。
【００２０】
上記構成をなす本発明の第１の実施の形態より、次のような作用効果が得られる。本実施の形態に係る刻印装置は、文字、図形等の打刻を行うために必要な極小さな範囲（文字の大きさは、８mm角程度であることが多く、したがって、打刻に必要な範囲は、幅８mm程度の帯状の範囲となる）における被加工面５ａの状態が、微妙な凹凸形状や自由曲面形状をなしている場合でも、レーザセンサ14によって面状態を高い分解能で測定し、該測定結果に基づいて打刻ペンを２を移動させながら、刻印深さが一定の文字、図形等の刻印をすることが可能となる。すなわち、刻印される文字品質が被加工面の状態に影響されることなく、常に一定品質の文字を刻印することができる。また、打点ピン２ａに無理な力を加えることがないので、打刻ペン２の寿命を延ばすことができる。さらに、レーザセンサ14は、レーザ光22を所定幅だけ振りながら面測定を行うので、所定幅の帯状の範囲を測定することが可能となる。よって、測定に要する時間を短縮し、全刻印時間の短縮を図ることができる。もちろん、文字の打刻範囲がより広範囲に渡る場合や、より大きな文字等を刻印するような場合でも、レーザセンサ14の測定範囲を広げることによって、同様の作用効果を得ることが可能である。
【００２１】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る刻印装置を図７、図８に基づいて説明する。ここで、第１の実施の形態と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
【００２２】
第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる部分は、刻印ペン２の駆動手段とレーザセンサ14の駆動手段とを、夫々専用に持つ点にある。打刻ペン２を移動させるための駆動手段（２ｓｔ：第２ステージ）としては、ベース６に固定されたコラム７と、コラム７に対してＹ軸方向に移動可能なスライド７ａと、スライド７ａに固定されるクロスビーム８と、クロスビーム８上をＸ軸方向に移動可能なブラケット９とを有する。打刻ペン２はブラケット９に対しＺ軸方向に移動可能に取付けられている。そして、スライド７ａをＹ軸方向に移動させる動力源として、スライド７ａにはサーボモータ10が設けられている。また、ブラケット９をＸ軸方向に移動させる動力源として、クロスビーム８にはサーボモータ11が設けられている。
【００２３】
レーザセンサ14の駆動手段（１ｓｔ：第１ステージ）もこれとほぼ同様であるが、ブラケット９に替えてセンサブラケット13を有する。また、センサブラケット13の動力源として、クロスビーム８にはサーボモータ15が設けられている。そして、レーザセンサ14はセンサブラケット13に固定されている。さらに、ベース６にはＹ軸方向にレール23が敷設されている。ワーク５は図示しないパレット等に載置され、レール23上を図８の上方から下方へと移動することができる。
【００２４】
本発明の第２の実施の形態に係る刻印装置では、まず、第１ステージのレーザセンサ14によりワーク５の被加工面５ａの状態を測定する。次に、測定が終了したワーク５と共に被加工面５ａの状態データを第２ステージに送り、打刻ペン２と被加工面５ａとの距離を一定に保つように、打刻ペン２を作動させる。
【００２５】
本実施の形態のごとく、刻印ペン２の駆動手段（１ｓｔ）とレーザセンサ14の駆動手段（２ｓｔ）とを夫々専用に持ち、これらの間をつなぐレール23等の搬送手段を設けることにより、レーザセンサ14による測定作業と打刻ペン２による刻印作業とを同時進行で行うことが可能となる。よって、生産量が多い場合に、全体の刻印時間を大きく短縮することができる。そのほか、第１の実施の形態と同様の作用効果については、ここでの説明を省略する。
【００２６】
【発明の効果】
本発明はこのように構成したので、以下のような効果を有する。本発明の請求項１に係る刻印装置によると、測定手段によって文字、図形等の打刻を行うために必要な小さな範囲における面の状態を正確に把握し、該測定結果に基づいて打刻ペンを移動させることにより、該打刻ペンと前記被加工面との距離を一定に保つことができる。よって、前記被加工面の状態に左右されず、該打刻ペンによる刻印深さを常に一定に保つことが可能となり、常に高品質の打刻文字を得ることが可能となる。また、打刻ペンに無理な力を加えることがないので、打刻ペンの寿命を延ばすことができる。
【００２７】
また、本発明の請求項２に係る刻印装置によると、前記測定手段を前記打刻ペンと共通の駆動手段に設け、測定手段と打刻ペンとの駆動手段を共用することにより、設備費を抑えることができる。また、さまざまな生産環境に対して汎用性を持たせることができる。
【００２８】
さらに、本発明の請求項３に係る刻印装置によると、前記測定手段を前記打刻ペンと別個の駆動手段に設けた場合には、被加工面の形状測定作業と、文字の刻印作業とを並行して行うことが可能となり、生産量が多い場合に、全体の刻印時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る刻印装置の正面図である。
【図２】図１に示す刻印装置の平面図である。
【図３】図１に示す刻印装置の側面図である。
【図４】図１に示す刻印装置に用いられる打刻ペンの単体図である。
【図５】図１に示す刻印装置に用いられるレーザセンサと、該レーザセンサから被加工面へと照射されるレーザ光の様子を示しており、（ａ）はレーザセンサの正面を、（ｂ）はレーザセンサの側面を、（ｃ）はレーザセンサから照射されるレーザ光の軌跡を示す図である。
【図６】図１に示す刻印装置のレーザセンサの移動軌跡を示す摸式図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る刻印装置の正面図である。
【図８】図８に示す刻印装置の平面図である。
【図９】従来の刻印装置の正面図であり、被加工面の測定作業時の様子を示す摸式図である。
【図１０】従来の刻印装置の正面図であり、刻印作業時の様子を示す摸式図である。
【符号の説明】
２  打刻ペン
５  ワーク
５ａ  被加工面
６  ベース
６ａ  ワーク取付ベース
７  コラム
８  クロスビーム
９  ブラケット
13  センサブラケット
14  レーザセンサ
【図１】
0003911323.tif 000002
【図２】
0003911323.tif 000003
【図３】
0003911323.tif 000004
【図４】
0003911323.tif 000005
【図５】
0003911323.tif 000006
【図６】
0003911323.tif 000007
【図７】
0003911323.tif 000008
【図８】
0003911323.tif 000009
【図９】
0003911323.tif 000010
【図１０】
0003911323.tif 000011