JP2873670B2

JP2873670B2 - レーザマーキング装置

Info

Publication number: JP2873670B2
Application number: JP7008840A
Authority: JP
Inventors: 正実田顔; 誠谷
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-01-24
Filing date: 1995-01-24
Publication date: 1999-03-24
Anticipated expiration: 2014-03-24
Also published as: JPH08197274A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を対象物体に
照射して識別マークを形成するレーザマーキング装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザマーキング装置の利用例として、
缶詰や缶飲料用の缶に識別マークを刻印する場合につい
て説明する。一般に、缶の製造工程は、アンコイラから
繰り出される原料の金属板を打ち抜いて大径浅底のカッ
プ状に形成する打抜き工程と、このカップ状の缶体を小
径深底の有底円筒状に形成する深絞りしごき工程と、こ
の缶体の開口端部を裁断するトリミング工程と、裁断さ
れた缶体を洗浄する洗浄工程と、洗浄された缶体の外面
にベースコーティングおよび印刷を施す印刷工程と、外
面に印刷を施された缶体の内面に内面塗装を施す内面塗
装工程と、内外面に印刷・塗装を施された缶体の開口端
部を縮径してフランジを形成するネッキング・フランジ
ング工程と、形成された缶体の検査を行う検査工程とか
ら構成されている。

【０００３】これらの工程においては、缶体は、スター
ホイールあるいはコンベア等の搬送手段によって高速で
搬送されながら各加工・処理を施されるようになってい
る。また、これらの工程のうち、深絞りしごき工程およ
び内面塗装工程は、１缶あたりに要する作業時間が他の
諸工程と比較して長くなるために、複数のＤＩプレスお
よび複数の塗装装置を使用して行われるのが一般的であ
る。

【０００４】すなわち、高速で大量に搬送されてくる缶
体は、深絞りしごき工程においては複数のＤＩプレスに
分岐され、内面塗装工程においても複数の各塗装装置に
分岐されて、各作業を施された後に、再度合流させられ
て搬送されるようになっている。これにより、各ＤＩプ
レスあるいは各塗装装置が作業を受け持つべき缶の数量
が減少させられるので、製造工程全体の製造速度を低下
させることなく、高速で多量の缶を製造することができ
るようになっている。

【０００５】ところで、上記製造工程のように複数のＤ
Ｉプレスあるいは塗装装置を使用する場合には、それら
の工程において実際にその缶に作業を施したＤＩプレ
ス、塗装装置をその後に特定し得るようにしておくこと
が望まれる。つまり、深絞りしごき工程においては、金
型の摩耗・欠損等、内面塗装工程においては、塗料供給
切れ、ノズルのつまり等、なんらかの不具合が発生した
場合に、その不具合が発生した号機を早急に究明するこ
とができるように、缶とＤＩプレスあるいは塗装装置と
を対応付けておく必要がある。

【０００６】従来、深絞りしごき加工された缶と、その
加工を施したＤＩプレスとの対応づけは、ＤＩプレスの
金型自体をＤＩプレスごとに異なる微小な凹凸を形成す
るように構成しておくことにより行われていた。これ
は、深絞りしごき工程の後段に配される印刷工程等が実
施された後においても、ＤＩプレスを特定し得るように
するためであり、凹凸は通常目立たない缶底等に設けら
れていた。

【０００７】しかしながら、内面塗装工程における複数
のうちの１つの塗装装置と、その塗装装置によって内面
塗装を施された缶体とを対応づけることは困難であっ
た。すなわち、塗装装置には、ＤＩプレスにおけるよう
な金型が存在しないために缶体に凹凸を形成することが
できないからである。また、塗装装置ごとに凹凸を設け
るような特別の工程を設けることも、工程短縮の見地か
ら困難であるため、缶体の製造速度に影響を与えないよ
うに、迅速かつ適格に識別マークを形成することが望ま
れる。

【０００８】このような要望に対し、本発明者は以下の
ような缶体レーザマーキング装置を提案した。これを図
５〜図８を参照して説明する。図５は本発明者によるレ
ーザマーキング装置により得られたレーザマーキング付
缶を示している。このレーザマーキング付缶３０は、有
底円筒状のアルミニウム缶３１（以下、単にアルミ缶と
いう。）であって、印刷を施されない缶底３２に識別マ
ーク３３を施したものである。

【０００９】この識別マーク３３は、例えば図６に示す
ように、直径約０．２ｍｍの微小な円形よりなる２個以
下の点記号３４により構成されており、図６（ａ）〜
（ｆ）に示すように、アルミ缶３１の半径方向に異なる
位置に刻印されることにより、６種類の缶体を形成する
ことができるようになっている。

【００１０】すなわち、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）の
レーザマーキング付缶３０は、１個の点記号３４よりな
る識別マーク３３を、缶底３２に設けられる円形のボト
ムリム部３５の内側に配したものである。これらの識別
マーク３３は、（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に、中心近
傍、中心とボトムリム部３５との中間位置近傍およびボ
トムリム部３５近傍にそれぞれ点記号３４が刻印される
ことにより構成されているものである。

【００１１】また、図６（ｄ），（ｅ），（ｆ）のレー
ザマーキング付缶３０は、２個の点記号３４よりなる識
別マーク３３を上述した１個の点記号３４よりなる識別
マーク３３と同等の位置に配することにより構成されて
いる。これらの点記号３４は、例えば中心間距離を約
０．７ｍｍとなるように設定されている。

【００１２】そして、これらのレーザマーキング付缶３
０によれば、６種類のものを一見して識別することがで
きる。また、無印のものを含めれば７種類のレーザマー
キング付缶３０を成形することができる。

【００１３】このようなレーザマーキング付缶３０は、
次のようにして製造される。すなわち、有底円筒状に形
成され、印刷工程において外面印刷を施されたアルミ缶
３１は、図７に示すように、マスコンベア３６により内
面塗装工程に大量に搬送されてくる。そして、マスコン
ベア３６に接続する複数の塗装装置４４に振り分けられ
るとともに、マスコンベア３６から塗装装置４４に向か
う搬送途中において、識別マーク３３を刻印されること
により製造される。

【００１４】識別マーク３３は、レーザマーキング装置
３７により刻印される。レーザマーキング装置３７は、
図７に示すように、マスコンベア３６と各塗装装置４４
とを接続する搬送路３８の側壁に搬送路３８内に向けて
レーザ光Ｌを出射するように取り付けられたマーカヘッ
ド３９と、例えば、ＹＡＧレーザのような複数のレーザ
発振器４０と、マーカヘッド３９とレーザ発振器４０と
を接続しレーザ発振器４０で発生されたレーザ光Ｌをマ
ーカヘッド３９に伝送する光ファイバ４１とから構成さ
れている。

【００１５】マーカヘッド３９には、図示しないシャッ
タが設けられており、必要に応じて、レーザ光Ｌの出射
・遮断を実施するようになっている。また、２個の点記
号３４よりなる識別マーク３３を刻印するレーザマーキ
ング装置３７は、図８に示すように、マーカヘッド３９
の内部に、光ファイバ４１からの拡散光を平行光に変換
する第１のレンズ３９−１と、平行光を２つのレーザ光
Ｌに分離するプリズム３９−２と、分離されたレーザ光
Ｌを結焦させる集光レンズ３９−３とからなる光学系を
具備している。

【００１６】このマーカヘッド３９から出射されるレー
ザ光Ｌは、マーカヘッド３９に対して所定間隔を空けて
配されるアルミ缶３１の缶底３２に、２つの焦点を形成
し、２個の点記号３４よりなる識別マーク３３を刻印す
るようになっている。

【００１７】塗装装置４４は、図７に示すように、その
内部に、スターホイールのようなターンテーブル４５と
図示しない吸着機構とを有し、各アルミ缶３１をターン
テーブル４５のポケット４５ａ内に収納した状態に吸着
機構によって保持しつつ間欠的に送るようになってい
る。そして、その間に、図示しない塗料噴射口からアル
ミ缶３１内に塗料を吹き付けて内面塗装を行うようにな
っている。

【００１８】したがって、マスコンベア３６と塗装装置
４４との間に配される搬送路３８内のアルミ缶３１も、
間欠的に搬送されることになるので、アルミ缶３１が停
止される瞬時の内にマーカヘッド３９からレーザ光Ｌを
出射することにより、缶底３２の所望の位置に識別マー
ク３３が形成されるようになっている。各塗装装置４４
に対するレーザマーキング装置３７では、それぞれ同一
位置に識別マーク３３が形成されるようになっている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シャッタと
しては、ロータリソレノイドを駆動部としたものが一般
的であるが、このようなシャッタは応答性が十分でな
く、寿命の点でも信頼性に欠けるという問題がある。

【００２０】また、上述した内面塗装工程では、複数の
塗装装置４４から非同期でそれぞれのマーカヘッド３９
にマーキング要求信号が出され、各マーカヘッド３９は
個別にシャッタを制御してレーザマーキング動作を行う
ために、レーザ発振器４０も複数台必要であった。

【００２１】上記のような問題点に鑑み、本発明の主た
る課題は、レーザ光の通過、遮断を高速で制御できるよ
うにして応答性の良好なシャッタ機構を備えたレーザマ
ーキング装置を提供することにある。

【００２２】本発明の他の課題は、複数のマーカヘッド
に対して１台のレーザ発振器で済むようなレーザマーキ
ング装置を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ光を加
工用集光光学系を通して対象物体に照射して識別マーク
を形成するマーカヘッドを備えたレーザマーキング装置
において、前記マーカヘッドは、前記加工用集光光学系
の前にレーザ光の中間集光系を有すると共に、この中間
集光系と前記加工用集光光学系との間には前記中間集光
系で絞り込まれたレーザ光の遮断、通過を行うシャッタ
機構を有し、該シャッタ機構を制御して前記レーザ光を
所望の周期で通過させるコントローラを備え、前記シャ
ッタ機構は、周方向に角度αの間隔をおいてレーザ光通
過用の複数の穴が設けられた回転円板と、該回転円板を
角度α／２ずつ回動させるステッピングモータとを備え
たことを特徴とする。

【００２４】

【００２５】また、前記回転円板は、前記レーザ光通過
用の複数の穴の他に、これらの穴の間の中間部に対応す
るように前記角度αの間隔をおいて設けた位置合わせ用
の複数の穴が設けられ、この位置合わせ用の穴を前記角
度α／２の整数倍の角度間隔をおいて配置した２つのフ
ォトセンサで交互に検出するようにしている。

【００２６】本発明によればまた、上記のレーザマーキ
ング装置において、複数のマーカヘッドを備え、各マー
カヘッドにはレーザ発振器からのレーザ光を複数に分岐
して供給し、前記コントローラは複数の前記シャッタ機
構を個別の周期で前記レーザ光を通過させるように制御
することを特徴とするレーザマーキング装置が得られ
る。

【００２７】

【実施例】図１を参照して本発明の一実施例を図７と同
じ、缶の塗装装置に適用した場合について説明する。そ
れ故、図１において、図７と同じ部分には同一番号を付
して説明は省略する。本実施例では、６台の塗装装置４
４を３台ずつの２グループに分け、各グループに対応し
て２台のレーザ発振器１１Ａ，１１Ｂを備え、各レーザ
発振器１１Ａ，１１Ｂからのレーザ光を２つのハーフミ
ラー１２−１，１２−２とミラー１３とで３分岐して３
台のマーカヘッド１４に供給するようにしている。レー
ザ発振器としては、ＹＡＧレーザ発振器が用いられる
が、これに限らない。各グループの塗装装置４４は個別
にそれぞれのグループのコントローラ１５Ａ，１５Ｂに
マーキング要求信号を送出する。各グループのコントロ
ーラ１５Ａ，１５Ｂは、マーキング要求信号に応答して
３台のマーカヘッド１４を個別に、すなわち非同期で制
御する。コントローラ１５Ａ，１５Ｂはまた、対応する
レーザ発振器１１Ａ，１１Ｂのレーザパルスの周波数を
制御可能である。

【００２８】図２を参照して、マーカヘッド１４につい
て説明する。マーカヘッド１４は、光ファイバ４１から
のレーザ光を平行光にするコリメーションレンズ１４−
１と、平行光をスポット光に収束するための屋根形プリ
ズム１４−２と集光レンズ１４−３とによる加工用の集
光光学系とを含む他に、コリメーションレンズ１４−１
と集光光学系との間に２つのレンズ１４−４と１４−５
とから成る１：１ビームエキスパンダ光学系を有する。
そして、中間集光系としてのレンズ１４−４によってレ
ーザ光が収束する直前の領域にシャッタとして機能する
回転円板１６を配置し、この回転円板１６をステッピン
グモータ１７で一定角度α／２ずつ回動させるようにし
ている。

【００２９】このようなマーカヘッド１４における光学
計算値は、光ファイバ４１のコア径φを４００（μ
ｍ）、コリメーションレンズ１４−１の焦点距離ｆ１を
１００（ｍｍ）、屋根形プリズム１４−２の偏向角度
θ、屈折率ｎ、集光レンズ１４−３の焦点距離ｆ２を５
０（ｍｍ）とすると、スポット光の直径φＤ、スポット
光の間隔ｄは次の式で表わされる。

【００３０】 φＤ＝φ×（ｆ２／ｆ１）＝４００×（５０／１００）＝２００（μｍ）ｄ＝２・ｆ２・ｔａｎδ（但し、δは（ｎ−１）θにほぼ等しい）図３は回転円板１６を示し、周方向に角度αの間隔をお
いて、ここでは１０個のレーザ光通過用の穴１６−１が
設けられている。図中、斜線を入れた円はレーザ光を遮
断する時にレーザ光が当たる領域を便宜上示したもの
で、隣り合う２つの穴１６−１の間の中間位置、すなわ
ち角度α／２に位置している。そして、これらの領域と
中心とを結ぶ線分上であってこれらの領域よりも外側の
箇所には角度αの間隔をおいて位置決め用のフォトセン
サのための***１６−２が設けられている。この***１
６−２を利用して回転円板１６の位置決めを行うため
に、***１６−２に対応し得る位置に第１，第２のフォ
トセンサ１８−１，１８−２が９０°の角度間隔をおい
て配置されている。

【００３１】これら第１，第２のフォトセンサ１８−
１，１８−２は、一方がある***１６−２を検出する位
置にある時に、他方は隣り合う２つの***１６−２の中
間位置にあって、回転円板１６がα／２だけ回動する毎
に交互に***１６−２を検出するようにして、回転円板
１６の位置決めが確実に行われていることを判別できる
ようにされている。それ故、第１，第２のフォトセンサ
１８−１，１８−２の角度間隔はα／２の整数倍であれ
ば良い。第１，第２のフォトセンサ１８−１，１８−２
の検出信号はコントローラ１５Ａ（あるいは１５Ｂ）に
送られ、回転円板１６の回転開始、回転停止のタイミン
グを決めるために利用される。

【００３２】図２に戻って、１：１ビームエキスパンダ
光学系はスポット光の径の大小に関与せず、これを用い
る理由は次の通りである。すなわち、回転円板１６を通
過するレーザ光を集光直前、すなわちレンズ１４−４の
焦点距離の直前でとらえ、穴１６−１の径をレーザ光が
平行の光束の時の径よりも小さくすることにある。レー
ザ光の通過する穴１６−１の径を小さくできることは、
穴１６−１の数を多くしてステッピングモータ１７で駆
動する回転円板１６の回動角度を小さくできることを意
味し、このことはまた応答性の良い高速シャッタを実現
できることを意味する。

【００３３】図１〜図３を参照してコントローラ１５Ａ
側の動作を説明する。いま、回転円板１６は遮断領域１
６−３でレーザ光を遮断する状態にあるものとする。こ
の時、第１のフォトセンサ１８−１からは***１６−２
の検出信号が出力されている。ある塗装装置４４からマ
ーキング要求信号が出力されると、これを受けたコント
ローラ１５Ａはマーキング要求信号を出力した塗装装置
４４のマーカヘッド１４のステッピングモータ１７に起
動信号を出力して回転円板１６を回動させる。角度α／
２だけ回動すると、第２のフォトセンサ１８−２から小
穴１６−２の検出信号が出力されることにより、コント
ローラ１５Ａはステッピングモータ１７を停止させる。
その結果、穴１６−１は図３の遮断領域１６−３の位置
に移りレーザ光が通過する。一定時間後、コントローラ
１５Ａは再び回転円板１６を角度α／２だけ回動させ
る。

【００３４】以上のような動作は、３台の塗装装置４４
から個別に非同期でマーキング要求信号が出力されるこ
とにより、コントローラ１５Ａはこれらのマーキング要
求信号に応答して個別に対応するマーカヘッド１４のス
テッピングモータ１７を制御する。例えば、各塗装装置
４４からは５（Ｈｚ）のタイミングで非同期でマーキン
グ要求信号が出力され、レーザ発振器１１Ａ，１１Ｂ側
では、１０（Ｈｚ）の周波数でパルス状レーザ光を出力
する。マーカヘッド１４では、コントローラ１５Ａ（１
５Ｂ）の制御下で５（Ｈｚ）のマーキング要求に同期す
るように回転円板１６を回動させてレーザ光を通過さ
せ、マーキングを行う。

【００３５】図５はマーカヘッドの他の例を示す。この
マーカヘッド１４′は、レーザ光を光ファイバを通して
ではなく、レーザ発振器から直接受けるためのものであ
り、図２に示したコリメーションレンズ１４−１を除い
た構成となっている。この場合のスポット光の径φＤ′
は、レーザ発振器からのレーザ光の拡がり角γを１０
（ｍｒａｄ）とし、集光レンズ１４−３の焦点距離ｆ２
を５０（ｍｍ）とすると、 φＤ′＝ｆ２・γ＝５００（μｍ）となる。

【００３６】以上、本発明を一実施例について説明した
が、本発明はこの実施例に限らず様々な変更が可能であ
り、適用分野も図１に示すような缶へのマーキングのみ
に限られない。

【００３７】

【発明の効果】本発明では、ステッピングモータと回転
円板との組み合わせによりシャッタを構成したことによ
り、ロータリソレノイド型のシャッタに比べて応答性が
良くて高速化が可能となり、寿命も長く信頼性が高いと
いう利点を有する。また、ステッピングモータは低コス
トで得られるうえに、設置スペースも小さくて済むとい
う利点を有する。また、本レーザマーキング装置は、複
数のマーカヘッドが非同期状態で動作する場合でもレー
ザ発振器が１台で済み、大幅なコストダウンを図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザマーキング装置を缶へのマ
ーキング加工に適用する場合の全体構成を示した図であ
る。

【図２】図１に示された本発明の要部であるマーカヘッ
ドの構成例を示した図である。

【図３】図２に示された回転円板一例を示した図であ
る。

【図４】図２に示されたマーカヘッドの他の構成例を示
した図である。

【図５】本発明のレーザマーキング装置により缶に形成
された識別マークを説明するための図である。

【図６】図５に示された識別マークの他の例を説明する
ための図である。

【図７】本発明者により提案されている缶へのマーキン
グ加工を説明するための全体構成図である。

【図８】図７に示されているマーカヘッドの構成を示し
た図である。

【符号の説明】

１２−１，１２−２ハーフミラー１３ミラー１４，３９マーカヘッド１４−１コリメーションレンズ１４−２屋根形プリズム１４−３集光レンズ１４−４，１４−５レンズ１６回転円板１７ステッピングモータ１８−１第１のフォトセンサ１８−２第２のフォトセンサ３６マスコンベア３７レーザマーキング装置３８搬送路４０レーザ発振器４４塗装装置４５ターンテーブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＢ４１Ｍ 5/26 Ｂ４１Ｍ 5/26 Ｓ (56)参考文献特開昭63−115688（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−163201（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/06 B41K 5/24 H01S 3/101

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を加工用集光光学系を通して対
象物体に照射して識別マークを形成するマーカヘッドを
備えたレーザマーキング装置において、前記マーカヘッ
ドは、前記加工用集光光学系の前にレーザ光の中間集光
系を有すると共に、この中間集光系と前記加工用集光光
学系との間には前記中間集光系で絞り込まれたレーザ光
の遮断、通過を行うシャッタ機構を有し、該シャッタ機
構を制御して前記レーザ光を所望の周期で通過させるコ
ントローラを備え、前記シャッタ機構は、周方向に角度
αの間隔をおいてレーザ光通過用の複数の穴が設けられ
た回転円板と、該回転円板を角度α／２ずつ回動させる
ステッピングモータとを備えていることを特徴とするレ
ーザマーキング装置。
【請求項２】請求項１記載のレーザマーキング装置に
おいて、前記回転円板は、前記レーザ光通過用の複数の
穴の他に、これらの穴の間の中間部に対応するように前
記角度αの間隔をおいて設けた位置合わせ用の複数の穴
が設けられ、この位置合わせ用の穴を前記角度α／２の
整数倍の角度間隔をおいて配置した２つのフォトセンサ
で交互に検出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。
【請求項３】請求項１あるいは２記載のレーザマーキ
ング装置において、複数のマーカヘッドを備え、各マー
カヘッドにはレーザ発振器からのレーザ光を複数に分岐
して供給し、前記コントローラは複数の前記シャッタ機
構を個別の周期で前記レーザ光を通過させるように制御
することを特徴とするレーザマーキング装置。