JPH0330476B2 - - Google Patents

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JPH0330476B2
JPH0330476B2 JP60070174A JP7017485A JPH0330476B2 JP H0330476 B2 JPH0330476 B2 JP H0330476B2 JP 60070174 A JP60070174 A JP 60070174A JP 7017485 A JP7017485 A JP 7017485A JP H0330476 B2 JPH0330476 B2 JP H0330476B2
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beams
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lasers
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • B23K26/0613—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams having a common axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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    • B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K1/00—Methods or arrangements for marking the record carrier in digital fashion
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06K15/1261—Arrangements for producing a permanent visual presentation of the output data, e.g. computer output printers using printers by photographic printing, e.g. by laser printers simultaneously exposing more than one point on more than one main scanning line using an array of light sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/0975—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は移動する物品（又は物体）のマーキン
グを行うための装置に関し、特に、多種多様な材
料上に清浄な永久的マーキングを行うのに使用す
るレーザマーキング装置に関する。かかる装置は
食品及び日用品の包装、飲料容器、びん閉成部
材、ラベル、及び基板又は基材（サブストレー
ト）において使用される大抵の材料にマーキング
するのに特に好適である。かかるマーキングには
日付又はバツチコード、単語、数、商標及び社
名、社章等が含まれる。ノン・インパクト・マー
キング又はコーデイング装置は当業者には周知で
あり、インクジエツトコーダを備えており、一例
として本件出願人の米国特許第4121222号がある。
他のインクジエツト装置が米国特許第3982251号
明細書に記載されており、それにおいては基板が
インクジエツトヘツドを通過する際多数のパルス
モードインクジエツトにより基板上に文字マトリ
ツクスを形成するようにする。後者の米国特許で
は、インク小滴がインクジエツトヘツドからマー
キングされた物品へ移行する際レーザエネルギー
を選択的に当てることによりインク小滴を無色透
明状態から所望の如き可視着色状態に変換する。
インクジエツトマーキングにより多くの用途、例
えば、紙ラベル並びに金属及びプラスチツク表面
のマーキングにおいて十分満足できるマーキング
装置が得られるが、あらかじめ印字（プリント）
されたラベルの背景によりインクマーキングのコ
ントラストが低減される場合、または非多孔質表
面に対するインクの十分でない付着によりマーキ
ングの保持又は存在がおびやかされる場合にはイ
ンクジエツトプリンテイングは不適当である。更
に、高品位インクジエツトプリンタには、インク
ジエツト過程に共通のインク及び溶剤の適正な保
持及び移動を確実に行うため必然的に精密な流体
式導管、弁、液留部その他の装置を合体される。
本発明は、インクジエツトマーキングの上記制
御を除去する、物品及び基板の直接レーザマーキ
ングに関する。特に本発明のレーザマーキング装
置は表面仕上げ、塗装又は色とは無関係に大抵の
材料上への高速永久マーキングを提供する。更
に、インクジエツト技術に代えレーザ技術を使用
することにより一層解像度が高くかつ一層寸法の
小さい文字のマーキングを行い得るようにする。
レーザ励起形マーキング装置は一般に、当業者
には既知である。米国特許第3965476号及び同第
4219721号明細書に記載されている如くかかるレ
ーザマーキング装置はレーザ光源のレーザビーム
を、マーキングすべき対象物上へ通過させる文字
開口マスクを使用している。これに対し本発明の
装置では物品又は基板を光学集束ヘツドに隣接し
た直線状トラツクに沿つて移動する際、複数の個
別に変調されたレーザを物品又は基板上に尖鋭に
集束することによりドツトマトリツクス文字フオ
ントを発生させるようにする。
レーザ書込に常用される他の技術には、振動又
は回転ミラーに対して１個又は複数個のレーザ源
を指向させることによる対象物表面の走査が含ま
れる。例えば、米国特許第4404571号では回転多
面ミラーを用いて感光面を効果的に走査するもの
が記載されている。他の例として米国特許第
4024545号においては、直交軸の周りでそれぞれ
揺動自在に配設した１対のミラーを用いて単一の
被変調レーザ源により長方形表面区域を走査でき
るようにしている。また先に述べた米国特許第
3965476号においても、複数の固定されかつ移動
可能なミラーと、親ねじ構体とを合体してレーザ
源を適正紙面に指向させるようにしている。しか
しこれら書込構造の各々は、組込及び保守をする
のに高価で動作が遅い複雑な移動機械素子を含
み、かつ一般に、形成された文字の精度及び鮮明
度が低い。
更に、アイビーエム・テクニカル・デイスクロ
ージヤ・ブルチン・ボリユーム20、ナンバー６
（IBM Technical Disclosure Bulletin、
Volume20、Number6）1977年11月に記載された
従来の装置では、複数のGaAsレーザからの光出
力を光導波路を用いて合成し、光フアイバチヤン
ネルを介してレーザヘツドへ転送する。数個の光
フアイバチヤンネルがこの態様で形成され、レー
ザヘツドに平行方向において配設して文字ドツト
マトリツクス列の印字を容易ならしめている。し
かし光フアイバはエネルギー処理能力が制限され
ており、更に、本発明のCO2レーザからの比較的
波長の長いエネルギーを伝送するためには使用で
きない。更に、数個の光フアイバを平行配置する
構成では、マーキングをすべき物品又は基板の表
面を焦点面ではなく像平面に配置する必要があ
り、これにより利用できるマーキングエネルギー
密度が低下する。この従来の平行光フアイバレー
ザベツドと共に使用する出口レンズは文字マトリ
ツクスの列全体を含む幅広く分離された光フアイ
バからの各光ビームを遮光するに十分な横方向寸
法にする必要があつた。これに対し本発明では適
正行間隔が、出口レンズの共通中心軸に沿つてそ
れぞれ集束される複数のビームの入射角の関数と
なるようにする。
本発明のレーザマーキング装置では複数の個別
レーザを合体し、即ち複数ビームを有する単一ユ
ニツトを構造が最も簡単で最終的に移動部を有し
ないものとして構成する。各レーザ源からのレー
ザビームは固定ミラーにより単一の出口レンズを
介して、マーキングをすべき表面上に指向させ
る。個々のレーザミラーは、装置の初期アライン
メントのためには調整可能であるが、通常の作動
に当つては移動されず静止状態に維持される。マ
ーキングをすべき対象物の表面は普通のコンベア
その他の装置上に配置し、レーザ出力ヘツドに隣
接する直線状通路に沿つて移動させる。各レーザ
は実際上コリメートされたビーム源を構成し、そ
のビームを出口レンズにより所定の小さい寸法の
ドツトに集束して、物品の表面がほぼ出口レンズ
の焦点面において出力ヘツドを通過する際物品の
表面に精密なマーキングを施す。出口レンズ上へ
の各レーザ源の入射角は最初、光ドツトの垂直列
を規定する複数の近接配置及び集束されたバツト
を発生するよう調整し、物品又は基板が出口レン
ズを通過する際これらドツトを変調することによ
り通常の英数字を得ることができるようにする。
かかる態様において高価なビーム走査機構を不要
ならしめる。
また本発明の装置はレーザマスク装置に関連す
る経費及び複雑な構造を不要ならしめ、更に、文
字マスクによつて規定される特定フオントに限定
されなくなる。実際上、本発明によればドツト又
は線マトリツクスによつて規定できる如向なる文
字その他の記号をも発生しマーキングすることが
できる。個別に変調されるレーザによつて個々の
列のドツトを規定することにより、振動、移動又
は回転ミラーを除去することによつて得られる構
造の複雑さの軽減に加えて他の種々の利点が得ら
れる。第１に、各ビームによつては文字マトリツ
クスの単一スポツト又はドツト行だけの書込を行
わせるに過ぎないため本発明装置の所要ビームエ
ネルギーが少なくて足りることに起因して遥に安
価なレーザを使用できる。これに対し単一レーザ
走査装置では文字マトリツクスに対する全てのド
ツトを書込むに十分なエネルギー出力を有するレ
ーザを使用する必要がある。本発明の他の利点
は、各レーザにより各文字の小さい部分だけの書
込を行わせるので文字書込速度が増大することで
ある。同様に、本発明においては最大レーザ変調
周波数が使用するレーザの個数（好適な実施例で
は７）に対応する係数だけ低減される一方、従来
のものに匹敵するマーキング速度が達成される。
そこで本発明の目的は、紙ラベル、他の基板、
印刷物、プラスチツク、塗装された表面等のマー
キング（又はコーデイング）をするに好適なレー
ザマーキング装置を提供するにある。本発明のレ
ーザマーキング装置は所定数のドツク行のマトリ
ツクス内で規定できる任意の記号又は文字を再生
するのに使用される。文字の高さは出口レンズの
焦点距離、及びレーザ源の間の入射角によつて設
定される。複数のレーザを設け、記号表示マトリ
ツクスの垂直列を規定する各ドツトに対し１個の
レーザを対応させるようにすると好適である。本
発明の他の目的は、レーザビーム位置決め装置の
機械的複雑さ及び関連する価格を最小にし、従つ
て例えば、振動及び回転多面ミラー並びに溝付親
ねじ装置を含む高級なビーム走査装置を不要なら
しめるレーザマーキング装置を提供するにある。
特に本発明の目的はマーキングをすべき物品がマ
ーキング用レーザヘツドを近接通過するようにす
るレーザマーキング装置を提供するにある。本発
明の他の目的は、遥かに小さいエネルギー出力及
び変調帯域幅を有する比較的安価なレーザを使用
できるレーザマーキング装置を提供するにある。
そして種々のレーザビームを適正角度方向におい
て出口レンズ上に指向させるために必要なミラー
を設け、出口レンズによりレーザビームを、マー
キングをすべき物品上に離散点として集束する。
更に、かかるミラーを用いて隣接レーザ間の間隔
を圧縮することができ、このようにすることによ
り所定最小レーザ間隔及び入射光ビーム角度に対
するレーザ光路を容易に短縮できる。
次に図面につき本発明の実施例を説明する。
本発明の装置は移動中の物品の表面上に英数字
その他の記号をマークとして付するか又は記入す
るいわゆるマーキングを行うのに使用される。特
に、複数のレーザビームを物品の表面上に、物品
の移動方向を横切る直線に沿うを可とする離散点
（ドツト）として集束する。この直線により、マ
ーキングすべき単一の文字又は記号列が規定され
る。マーキングすべき物品がレーザヘツドを通過
する際、各レーザは物品表面上にトラツク又はラ
インを描き、これによりマーキングされた文字の
対応する行が規定される。本発明の好適な構成で
は集束されたレーザドツトを均等に離間して、等
間隔の平行文字行が形成されるようにする。
以下に述べるように文字はレーザを選択的かつ
同期方式でパルスモードで作動させることにより
１個の文字又は記号を規定する垂直線上離間ドツ
トが発生するようにするのが好適である。物品が
レーザヘツド及び集束されたビームに対して移動
する際、このパルスモード動作を逐次繰り返して
隣接する列を形成する。かかる態様において普通
のドツトマトリツクス文字を印字することができ
る。代案として、パルスの持続時間を延長して、
移動物品上の関連する行内に複数の線分（ライン
セグメント）を規定するようにすることもでき
る。
第１及び２図において本発明のレーザマーキン
グ装置はほぼ下側のレーザ室１２および上側のミ
ラー室１４によつて規定される主容器１０を備え
ている。レーザ室１２には数個のレーザを収納
し、特にこのレーザ室は無線周波しや断作用によ
り、無線周波レーザ励起源からの不要放射線を阻
止する。主容器１０のミラー室１４にレーザヘツ
ド１６を堅固に取付ける。このレーザヘツドは水
平伝送管１８及び垂直伝送管２０と、レーザミラ
ー２４を内蔵する直角相互連結部材２２と、出口
レンズ２６とを備え、この出口レンズは垂直伝送
管２０内での望遠鏡方式での集束運動のためレン
ズ管２８の下部に保持する。
好適な実施例では７個の水冷CO2ガスレーザ３
０ａ〜３０ｇをレーザ室１２内に垂直に配設し、
それぞれのレーザの出力即ちその一部がミラー端
３１を第１図の上向きに送出される。これらレー
ザからの光ビームは隔壁３４に設けた開口３２を
通過してそれぞれの指向ミラー３６ａ〜３６ｇに
当たる。レーザ３０は、後で詳細に説明する目的
のため、２群即ち３０ａ〜３０ｄ及び３０ｅ〜３
０ｇに分けて配設する。第１群のレーザ３０ａ〜
３０ｄの光軸はミラー３６ａ〜３６ｄの中心軸線
３８（第２図）とほぼ整列関係にありかつこの中
心軸線に垂直な平面を規定するようにする。同様
に、第２群のレーザ３０ｅ〜３０ｇの光軸はミラ
ー３６ｅ〜３６ｇの中心軸線４０に沿つた平面を
規定するようにする。
レーザ３０ａ〜３０ｇにより約５ミリラジアン
（0.29度）に発散させたほぼコリメートされた光
ビームをミラー３６ａ〜３６ｇに指向させ、これ
らミラーは入射した光ビームを反射して伝送管１
８、ミラー２４、伝送管２０を介して出口レンズ
２６に入射せしめる。レーザ３０ａから被マーキ
ング物品４６に至る光ビームの通路を破線４８で
示してある。従来の装置の複雑な構造に対して本
発明ではミラー３６及び２４並びにレンズ２６を
含む光路全体が堅固に装着され、通常のマーキン
グ動作に当り移動することがない。ミラー３６ａ
〜３６ｇは装置の初期アラインメントに対し個別
に調整することができるが、この調整後は通常そ
れ以上の移動を必要とすることはない。レンズ２
６は光学的に透明な（10.6ミクロンエネルギー）
セレン化亜鉛材料で構成するのが好適である。ミ
ラー３６及び２４はその前面を金又はアルミニウ
ムと共に作製し、かつ当業者には周知の如く反射
効率を改善するため誘電体被膜を備えることがで
きる。
レーザ３０は約20ワツト平均の出力を有すると
共に約50ワツトのピーク出力を発生できる連続波
CO2ガスレーザの任意のものを使用する。かかる
電力レベルにおいて適正作動温度を維持するため
７個のレーザを相互連結する水冷ジヤケツト及び
ライン４２が必要である。かかる点につき本例の
CO2レーザによれば他のレーザ源に比べ著しく高
い動作効率が得られ、これにより所要電力及び冷
却要件が軽減されるという利点がある。本例のレ
ーザは、例えば、YAGレーザの１〜２％の電力
変換効率に比べ約16％の電力変換効率で作動す
る。ここではCO2ガスレーザを想定したが、本発
明では異なる電力及び波長のレーザも使用できる
こと勿論である。
各レーザ３０には、発光駆動用のパルスモード
無線周波エネルギー源（図示せず）に接続した電
極４４を設ける。この目的に対し約27MHzの周波
数を使用する。以下に詳細に述べるように、各レ
ーザをパルスモードで作動させて文字マトリツク
スを規定する表面上に一連のドツトを発生するよ
うにするのが好適である。各ドツト発生パルスの
持続時間及び強度並にパルス繰り返し周波数はマ
ーキングすべき表面材料、マーキングすべき物品
を移動するコンベアのレーザヘツド通過速度、及
びレーザ冷却条件によつて決まる。代案として、
レーザパルスの持続時間を延長して、文字マトリ
ツクスの行に沿つた複数の任意長さの線分によつ
て規定される文字又は記号を発生させることもで
きる。20ワツトのバルスエンベロープ電力及び衝
撃係数50％、即ち10ワツトの平均レーザ電力にお
ける個々のレーザの動作により、レーザの冷却要
件を不当に厳しくすることなく高いマーキング速
度が得られる。しかし、十分なレーザ冷却が行わ
れる場合には、電力を一層増大することができ
る。かかる大電力は、一層高いマーキングエネル
ギーを必要とする表面のレーザコーデイングに当
り所望される。本例の無線周波励起連続波CO2レ
ーザの最大変調周波数即ち最大パルス周波数は約
10KHzである。しかし、多数のレーザを使用する
ことにより７万ドツト／秒の全マトリツクスドツ
ト書込速度が可能になる。これは１ｍ／秒のコン
ベア速度に対し0.14mmの列間隔に対応する。行間
隔は、後述するように、隣接レーザビーム入射角
及び出口レンズの焦点距離によつて決まる。
表面にマーキングするに必要なエネルギー（平
方ミリメートルに当りミリジユール単位で測定さ
れ、mj／mm2で表される）は表面吸収その他材料
の特性の関数である。例えば印刷されたラベルは
一般にはドツトマーキングに約10mj／mm2しか必
要としない特殊な印刷インクを使用しないならば
約20及び40mj／mm2の間のエネルギーを必要とす
る。ある種々のプラスチツクには20mj／mm2程度
の小さいエネルギーでマーキングできるがプラス
チツク表面は150mj／mm2までのエネルギーを必要
とする。金属表面のマーキングはCO2レーザから
の比較的長い波長10.6ミクロンを有する光出力に
対する金属の高反射のために難かしい。これに対
して、反射により失われるレーザエネルギーを考
慮して露光持続時間を増大する必要がある。
例えば、上述したレーザを衝撃係数50％パルス
電力20ワツト、10Kドツト／秒／レーザ及びドツ
ト直径0.254mmで作動させたと仮定すると、ドツ
ト当りのマーキングエネルギーは次の如く算出で
きる。
スポツト面積＝3.14×（ｄ／２）2 但しｄ＝直径＝5.1×10-2mm2 スポツト当りのエネルギー ＝スポツト接続時間×レーザ電力 ＝（0.5）／104秒×20ワツト ＝1mj スポツトエネルギー密度 ＝スポツト当りのエネルギー／スポツト面積 ＝１／（5.10×10-2） ＝19.6mj／mm2 従つて本例装置はほぼその最大速度で作動させ
て種々の共通表面上に毎秒70000×0.254ミリドツ
トまでのドツトを発生させることができる。
しかしエネルギー密度はドツト直径の二乗の逆
数と共に減少するので、これに相応してパルス持
続時間及びパルス繰り返し周波数を調整する必要
がある。例えば、適切なマーキングを行うため
に、上に算出した如く19.6mj／mm2のエネルギー密
度が必要であり、かつドツトの直径を２倍の
0.508mmに増大したと仮定すると、パルス接続時
間は４倍の0.2ｍ秒に増大する必要があり、かつ
パルス繰り返し周波数は1/4の2500ドツト／秒／
レーザ（合計17500ドツト／秒）に低減する必要
がある。代案として、十分に冷却された場合80ワ
ツトのパルスエンベローブ電力を有するレーザを
前者のパルス繰り返し周波数10Kドツト／秒にお
いて使用することができた。
本発明の要点は構造の複雑さ及び運動部分を最
小ならしめ、更に、小形化した構造のマーキング
装置にある。後述するように、かかるマーキング
装置は種々の事項を組合わせることによつて達成
され、その場合多数の個別のレーザビームを物品
の移動方向を横切る直線に沿つて一様かつ所定の
間隔のドツトとして指向及び集束させる。特に、
個々のミラー３６は、部分的に、有効又は実効ビ
ーム相互間隔を減少するように作動し、これに対
応してビーム路長さ及び装置全体の寸法を著しく
減少せしめる。更に、ミラー及びレーザをいわゆ
る間挿形態において配設してビームシヤドウイン
グの発生を防止する一方、小形構造の装置におけ
る所定のドツト間隔を達成するために必要な接近
したビーム分離を維持するようにする。
個々のレーザビームは横断方向即ち垂直方向に
おいて整列配置して、選択されたドツト又は行間
隔が得られるようにし、更に、横方向即ち長手方
向においては同期されたレーザから共線的なドツ
ト列が生ずるようにする。次に上述した構造につ
き横断方向及び横方向の両方のドツトアラインメ
ントを説明する。
第５図は本例装置により所定瞬時に記入した単
一列を含む７個の隣接ドツト５０〜５６を示す。
先に示したようにマーキング中の物品がマーキン
グ装置を通過する際逐次の隣接列を記入して文字
マトリツクスを形成することができる。ドツト５
０〜５６の各々は移動物品上に記入される明確な
文字行内の一点を含んでいる。
第５図の各ドツト及び各ドツトによつて示され
る行はレーザ３０ａ〜３０ｇの一つによつて書込
まれる。後述するように、隣接ドツト５０〜５６
は図示の順序における隣接レーザ３０ａ〜３０ｇ
によつて形成されるのではない。それぞれのレー
ザ群は適切に間挿態様で配設して所定のレーザ群
が垂直文字列に沿つて一つおきのドツトを書込む
ようにする。従つてドツト５０〜５６はレーザ３
０ａ，３０ｅ，３０ｂ，３０ｆ，３０ｃ，３０ｇ
及び３０ｄによつてそれぞれ書込まれる。これ
は、第３図において明らかなようにミラーの左か
ら右への順序に対応する。
第４図は焦点距離Ｆを有する出口レンズ２６に
関する光学関係を示す。通常の作動においては物
品４６がレーザヘツドに近接してこれを通過する
際マーキングすべき表面６０は出口レンズのほぼ
焦点面内に配置されるようにする。実線６２は一
組のいずれかの所定のレーザ３０及び３６からの
光ビームを示し、一方、破線は第３図において左
から右への方向において示した次の隣接するレー
ザ及びミラー組からの同様な光ビームを示す。従
つて、例えば、実線６２がミラー３６ｂから生ず
る光ビームを示している場合、破線６４はミラー
３６ｅ又は３６ｆからの光ビームを示す。
出口レンズ２６は、普通の態様で入射平行光線
を焦点面における単一点に集束する一方、このレ
ンズ上に集束する入射光を同一相対角度において
発散する。従つて、平行光線として示した光線６
２は表面６０の単一ドツト即ち点６６を照射する
一方、このレンズ上に角度θで収束する光線６２
及び６４はこのレンズから同じ角度で発散する。
従つて隣接ドツト間の間隔は、円弧の長さが円弧
の半径及び円弧の角度の積に等しくなるという周
知の関係によつて次式 垂直ドツト間隔＝Ｆ・θ （但しＦはレンズの円弧半径即ち焦点距離、θは
ラジアンで表わした円弧の角度）で決定され、ド
ツト間隔は円弧長の積にほぼ等しい（第４図）。
文字フオントは適切な焦点距離の出口レンズと交
換することによつて容易に変更することができ
る。
更に述べたように、横断即ち垂直方向のドツト
相互間隔は入口レンズに入射する隣接レーザビー
ム間の相対入射角θの関数である。この角度は上
で考察した同じ円弧／半径長さ関係により次式 θ＝ｄ／ｌ （但しｄは所定の円弧半径即ちビーム長さにおけ
る隣接レーザビーム間の横方向長さ、ｌはそのビ
ーム長さ）で近似することができる。本発明によ
るビーム短縮が欠如している場合には、隣接ビー
ム間の最小間隔はレーザの物理的直径によつて決
定され、これにより所定入射角θに対して対応す
る最小ビーム長さｌが得られる。しかし本例のミ
ラー装置の特徴は横方向ビーム間隔ｄが皮相的に
圧縮されることであり、これに対応してビーム路
の全長を減少することができる。ミラーを第２及
び３図に示した如く配設することにより、実際の
レーザ相互間の配設距離とは無関係に隣接ビーム
間の間隔５８を相対的に近づけることができる。
かかる態様において、入射光源の所望角度関係と
の妥協を要することなく光路長４８を著しく減少
することができる。ミラー３６ａ〜３６ｇは垂直
方向に距離５８で一様に離間されているので、文
字ドツト列が一様に離間される（第３図参照）。
先に述べたように、レーザ及び関連するミラー
は第１群ａ〜ｄ及び第２群ｅ〜ｇに分割し、各群
においてはレーザ及びミラーの軸が所定平面内に
位置するようにする。この構成は隣接レーザビー
ムに対するミラーのシヤドウイングを軽減するた
めに必要であり、７個のミラーすべてを単一軸に
沿つて配置するとかかるシヤドウイングが生ず
る。第３図では７個のミラーが２つの平面内にあ
るというミラー相互間の関係が分る。従つて７個
のミラーを単一行即ち平面内に併合すべき場合に
はミラーの著しいオーバーラツプ及びこれに付随
するビームシヤドウイングが起る。
ミラーはオーバーラツプを避けるため物理的に
分離することはできるが、かかる直線間隔の増大
により、これに対応して必然的に隣接光ビーム間
の入射角θが増大し、これが先に説明したよう
に、文字高さの比例関係での増大に変換される。
先に述べたように、レーザ及び関連するミラー
を複数平面内に配置することにより装置全体の寸
法を容易に減少できると同時に、ミラーを近接配
置することに起因して起るビームシドウイングが
防止される。しかし出口レンズ２６はその軸の周
りで円対称であり、従つてビームの不注意な横方
向角度変位によつては、ビームの意図的な垂直方
向オフセツトにより垂直方向のドツト間隔が生ず
るのと同一態様で横方向のアラインメント誤りが
誘発されることに注意する必要がある。共通線上
垂直文字列を達成することが所望されるので、横
方向のドツトオフセツトは補正するか又は除去す
る必要がある。
これを補正しない場合には、ミラー中心軸３８
及び４０の間の横方向オフセツトにより第６図の
列ドツトパターンが生じる。ドツト７０は軸３８
の平面におけるレーザ及びミラーによつて形成さ
れ、一方、ドツト７２は軸４０によつて規定され
る対応する光源から生じる。水平方向の補正を行
うに好適な構成例を第７図に示し、本例ではは光
線７４は一般に軸３８に沿つて光源から入射する
レーザビームを示し、一方、光線７６は同様に軸
４０に沿つて光源から入射するレーザビームを示
す。レーザビームは、収束態様でレンズの中心に
指向されず、意図的に垂直面に対し平行関係で整
列され、従つてレンズの水平軸に沿つてレンズに
垂直軸の左及び右にそれぞれ入射する。光線７４
及び７６は垂直面に対し平行関係にあるから、こ
れら光線は出口レンズ２６により単一垂線に沿つ
て集束され、共通文字列が規定される。
代案として、レーザを出口レンズの中心上に集
束し、それぞれのレーザ群をそのアラインメント
を行わせるよう調時された順序においてパルスモ
ードで作動されるようにすることもできる。従つ
て、第２レーザ群は、先に第１ドツト群でマーキ
ングされた物品が移動して第１ドツト群が第２ド
ツト群を規定する垂直軸と共線整例状態になるま
で、パルスによつて駆動されない。前者の構成
は、パルスによりレーザを同時に駆動することを
可能ならしめることにより逐次タイミング回路を
必要ならしめかつアラインメントの問題を克服す
るから好適である。
レーザ３０からの光出力は高度にコリメートさ
れているが絶対平行ではなく、約５ミリラジアン
である既知の小さい角度φにおいて発散する。従
つて、所定のレーザ３０からの光は無限小寸法の
点には集束せず、有利なことは有限ドツト即ち可
視寸法のスポツトに集束される。各ドツトの直径
はドツト間隔を規定する同一関係によつて決定さ
れ、即ちドツトの直径はビーム発散角度φ及び焦
点距離の積として次式 ドツト直径＝F.φ となる。例えば、典型的な焦点距離5.08cm及びビ
ーム発散角度５ミリラジアンの場合、0.254mmの
ドツト直径が下記の如く ドツト直径＝5.08cm×0.005 ラジアン＝0.254mm が得られる。第５図においては個々のドツト５０
〜５６を隣接関係で示してあり、これにおいては
ドツト相互の間隔はドツト直径に等しい。かかる
配置関係においては相対レーザ収束角度θを、選
択されたレーザの個々のビーム発散角度θに等し
く設定する必要がある。
所要に応じ、ドツト相互の間隔を、隣接関係を
代え、離間又はオーバーラツプするドツトを発生
するように選定することができる。
なお、小形で機械的に合理化された本発明マー
キング装置の範囲内には上述した実施例の変形と
して、例えば、異なる個数もしくは形式のレー
ザ、一層大きいかもしくは一層小さいレーザ／ミ
ラー面、又は異なるレーザヘツド伝送管構造を有
するものも含まれること勿論である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のレーザマーキング装置の実施
例を示す側面断面図、第２図は第１図の２−２線
上断面図、第３図は第２図の３−３線上断面図、
第４図は本発明におけるレーザの光学的動作関係
を説明するための略線図、第５図は本発明におい
てレーザ集束ドツトが適正寸法及び適正相互間隔
の直線状関係で発生した状態を拡大して示す図、
第６図は水平方向アラインメント補正が行われな
い場合のドツトパターンを示す図、第７図は水平
方向アラインメント補正を説明するための略線図
である。 １０……主容器、１２……レーザ室、１４……
ミラー室、１６……レーザヘツド、１８，２０…
…伝送管、２２……直角相互連結部材、２４……
レーザミラー、２６……出口レンズ、２８……レ
ンズ管、３０ａ〜３０ｇ……炭酸ガスレーザ、３
１……一部送出ミラー端、３２……開口、３４…
…隔壁、３６ａ〜３６ｇ……指向ミラー、４２…
…冷却ジヤケツト及びライン、４４……電極、４
６……被マーキング物品、５０〜５６……隣接ド
ツト、６０……物品の表面、７０，７２……ドツ
ト、７４，７６……光線。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に記号をマーキングするレーザ装置で
    あつて、 (a) 基板表面を永久変化させてマーキングするに
    十分なエネルギーを有するコヒーレントエネル
    ギービームをそれぞれ発生する複数のレーザ
    と、 (b) これらエネルギービームを通過走行させる伝
    送管と、 (c) 伝送管のレーザとは反対側の端部に配置され
    たレンズであつて、これに指向されたエネルギ
    ービームをレンズ焦点面に位置する基板上に集
    束する出口レンズと、 (d) レーザからのエネルギービームを出口レンズ
    に指向させる手段であつて、エネルギービーム
    間の間隔を減少させてビーム通路の長さ及び伝
    送管の対応する長さを最小にする手段を含む反
    射手段とを具えていることを特徴とするレーザ
    マーキング装置。 ２ 文字を基板上にその表面の永久変化によりマ
    ーキング又は書き込むレーザ装置であつて、 (a) 焦点距離を有する出口レンズと、 (b) それらのエネルギー出力ビームがほぼ平行関
    係になるよう配置された複数個のレーザと、 (c) これらレーザからの出力ビームを出口レンズ
    の中心に、所定のビーム相互間角度にて指向さ
    せて出口レンズの焦点面に位置する基板上にビ
    ームスポツトの列を形成させる手段とを具え、
    基板上のこれらスポツトの位置がビーム相互間
    の角度差により決まるようにしたことを特徴と
    するレーザマーキング装置。 ３ レーザからの出力ビームを所定の角度に指向
    させる手段は各レーザのビーム通路に沿つて位置
    させた鏡を具え、これら鏡を、レーザからの出力
    ビームを所定の角度に反射させる向きに配置した
    ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の装
    置。 ４ 基板上に記号をマーキングするレーザ装置で
    あつて、 (a) 基板表面を永久変化させてマーキングするの
    に十分な強度を有するコヒーレントエネルギー
    をそれぞれ発生する複数個のレーザを具え、こ
    れらレーザを少くとも２群に分け、各群からの
    エネルギービームが平面を成すようにし、且つ (b) これらエネルギービームの通路内に配置され
    たレンズであつて、これに指向されたエネルギ
    ービームをその焦点距離に位置する基板上に集
    束させる出口レンズと、 (c) これらエネルギービームを出口レンズの中心
    に、所定のビーム相互間角度にて指向させて、
    基板上にビームスポツトの列を形成させる手段
    とを具え、基板上のこれらスポツトの位置がビ
    ーム相互間の角度の差により決まり、出口レン
    ズが各群のビームをその焦点面に１列のスポツ
    トに集束するようにしたことを特徴とするレー
    ザマーキング装置。
JP60070174A 1984-04-05 1985-04-04 レーザーマーキング装置 Granted JPS60227988A (ja)

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