レーザマーキング装置、及びレーザマーキングシステム
【課題】食品の表層にある水分に反応して蒸散されるため、食品の傷みを最小限にしつつ、食品表面に印字することができるレーザマーキング装置を提供する。
【解決手段】このレーザマーキングシステム１１０は、制御装置２８、冷却器５、及びレーザヘッド４で構成されるレーザマーキング装置と、物品２４を載置して所定速度で移動させるベルトコンベア（移動手段）２５と、ベルトコンベア２５上の物品２４の表面にレーザビーム１１を合焦させるレンズ（合焦手段）２０と、ベルトコンベア２５上の物品２４の有無を検出するセンサ（検出手段）２２と、を備えて構成されている。
【解決手段】このレーザマーキングシステム１１０は、制御装置２８、冷却器５、及びレーザヘッド４で構成されるレーザマーキング装置と、物品２４を載置して所定速度で移動させるベルトコンベア（移動手段）２５と、ベルトコンベア２５上の物品２４の表面にレーザビーム１１を合焦させるレンズ（合焦手段）２０と、ベルトコンベア２５上の物品２４の有無を検出するセンサ（検出手段）２２と、を備えて構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザマーキング装置、及びレーザマーキングシステムに関し、さらに詳しくは、食品、医薬品等のトレーサビリティを管理するために、レーザビームにより画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングする技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、食の安全性の観点から、生産者から消費者に流通する過程を遡及可能とするために、トレーサビリティといった考え方が普及している。これは、一般には工業製品や食品、医薬品などの商品・製品や部品、素材などを個別（個体）ないしはロットごとに識別して、調達、加工、生産、流通、販売、廃棄などの各行程にまたがって履歴情報を参照できるようにすること、又は、それを実現する制度やシステムをいう。このトレーサビリティを実現する上で重要なことは、商品・製品や部品、素材などに付与する履歴情報の構成と、マーキング技術の確立である。
特許文献１には、納豆製品におけるトレーサビリティを実施するため、生産者から消費者に到る流通過程における追跡履歴情報を容器本体又は蓋体にレーザ加工により印字する技術が開示されている。
また、特許文献２には、食品の表面に形成された可食体にレーザによりドットマーキングを施すレーザマーキング装置について開示されている。
また、特許文献３には、レーザビームにより卵の殻にマーキングを行なうマーキング方法について開示されている。
【特許文献１】特開２００８−３５８２８公報
【特許文献２】特開２００５−１３８１４０公報
【特許文献３】特開２０００−１６８１５７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、食品を収容する容器に追跡履歴情報を印字するに過ぎないため、食品が容器から出された場合、食品そのものの追跡調査が不可能になるといった問題がある。
また、特許文献２に開示されている従来技術によれば、食品に直接印字することは可能であるが、対象食品が比較的表面が柔らかいチョコレート等に限定されるため、適用範囲が狭いといった問題がある。
また、特許文献３に開示されている従来技術は、特許文献２とは逆に、対象食品となるのが比較的表面が固い卵の殻等であるため、柔らかい食品へ印字した場合、食品が不必要に傷つけられる虞がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、波長２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザを使用することにより、レーザ照射を受けた食品表面の部位が表層にある水分に反応して蒸散されるため、食品の傷みを最小限にしつつ、食品表面にマーキングすることが可能なレーザマーキング装置を提供することを目的とする。
また、他の目的は、このレーザマーキング装置を利用して、大量の食品へのマーキングを自動化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、レーザビームにより物品表面に画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングするレーザマーキング装置であって、前記レーザビームを出射するレーザヘッドと、該レーザヘッドに電力を供給するレーザ電源と、前記レーザビームを変調する変調部と、前記レーザヘッドから出射されるパワーをモニタするパワーモニタ部と、を備え、前記レーザビームの波長を２．６μｍ乃至３．５μｍ、又は５．６μｍ乃至６．８μｍ若しくは水の吸収が１０００ｃｍ-1、及びエネルギを３０ｍＪ乃至１５０ｍＪに設定することを特徴とする。
本発明のレーザマーキング装置の最も大きな特徴は、レーザの波長を２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザを使用した点である。このレーザによれば、物品の表層に含有されている水分に最も大きく反応して水を蒸散させることにより、物品の表層にだけビームが到達する。これにより、物品の傷みを最小限にしつつ、物品表面にマーキングすることができる。また、物品の種類に応じて最適なレーザビームのエネルギ（３０ｍＪ〜１５０ｍＪ）を選択することができる。また、Ｅｒ：ＹＡＧレーザに限らず、２．６μｍ乃至３．５μｍ、又は５．６μｍ乃至６．８μｍ若しくは水の吸収が１０００ｃｍ-1の条件を満足するレーザであれば使用が可能である。
【０００５】
請求項２は、前記変調部は、前記レーザビームを間欠的に出射するように動作することを特徴とする。
レーザビームは連続的に出射すると、レーザヘッドが過熱してレーザパワーが低下したりレーザヘッドを破損する虞がある。そこで本発明では、レーザビームを間欠的に出射するように変調部を構成する。例えば、デューティ５０％のパルスに変調すれば、発熱量は１／２になる。これにより、レーザヘッドの温度上昇を抑制することができる。
請求項３は、前記レーザヘッドが所定の温度を超えた場合に、該レーザヘッドを冷却する冷却部を備えたことを特徴とする。
デューティ５０％で変調しても、大量の物品に連続的にレーザビームを出射した場合、レーザヘッドの過熱は避けられない。そこで本発明では、レーザヘッドに温度センサを設け、この温度センサを監視することにより、レーザヘッドが所定の温度を超えた場合に、レーザヘッドを冷却できるように冷却部を備える。これにより、温度の過熱によるレーザヘッドの破損、又はレーザパワーの低下を防止することができる。
請求項４は、前記レーザヘッドは、複数のレーザビーム出射口がマトリックス状に配置されていることを特徴とする。
１本のレーザビームでマーキングする場合、レーザヘッドを動かすか、或いは物品を動かしてマーキングしなければならない。従って、マーキングの速度をあまり早くすることはできないので、マーキングに多くの時間を要してしまう。そこで本発明では、レーザヘッドに複数のレーザビーム出射口を備え、それらをマトリックス状に配置してコードをマーキングする。これにより、マーキングの速度を速めることができる。
【０００６】
請求項５は、請求項１乃至４の何れか一項に記載のレーザマーキング装置と、前記物品を載置して所定速度で移動させる移動手段と、該移動手段上の物品表面に前記レーザビームを合焦させる合焦手段と、前記移動手段上の物品を検出する検出手段と、制御手段と、を備えたレーザマーキングシステムであって、前記制御手段は、前記検出手段により前記移動手段上の物品を検出し、且つ前記合焦手段により前記物品の表面にレーザビームが合焦したことを検出したとき、前記レーザマーキング装置により所定の画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングすることを特徴とする。
本発明のシステムは、本発明のレーザマーキング装置を使用し、移動手段（例えばベルトコンベア等）に載置した物品にレーザによりマーキングする。そのとき、物品上の被照射部位の高さ位置は物品の部位により異なるため、常にレーザビームが物品の表面に合焦するように合焦手段を備える。合焦手段は例えば、カメラの自動焦点（ＡＦ）機能を利用してもよい。また、移動手段上に物品が有るか否かを検出する検出手段を備える。そして制御手段が、物品が移動手段上に有ることを検出し、且つ合焦手段により物品の表面にレーザビームが合焦したことを検出したとき、レーザマーキング装置により所定の画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングする。これにより、大量の物品へのマーキングを自動化することができる。
【０００７】
請求項６は、前記制御手段は、前記検出手段が所定の時間に亘って前記物品を検出しない場合、前記移動手段を停止することを特徴とする。
物品を載置した移動手段を駆動して順番に物品にマーキングしていく。しかし、移動手段に物品が載置されていない場合は、移動手段を無駄に駆動する必要はない。そこで本発明では、所定の時間に亘って物品を検出しない場合、移動手段を停止する。これにより、無駄な移動手段の駆動を無くすことができる。
請求項７は、前記制御手段は、前記検出手段により物品が検出された場合は、前記移動手段を一旦停止し、該物品表面に前記レーザビームを合焦して前記移動手段を再度駆動させながらマーキングを行なうことを特徴とする。
物品表面の合焦動作には所定の時間が必要となる。また、物品が移動したまま合焦動作を行なうことは難しい。そこで本発明では、合焦動作のときは、一旦移動手段を停止し、合焦が成立したら再び移動手段を駆動しながらレーザビームによりマーキングを行う。これにより、合焦動作とマーキングを確実に行うことができる。
【０００８】
請求項８は、前記所定のコードは、ｕコードにより構成されていることを特徴とする。
大量の物品のトレーサビリティを確実に行なうには、各物品にマーキングされたコードが全て１対１に対応していることが重要である。そのためには、コード体系が枯渇しないことが好ましい。それには、公知のｕコードが最適である。ｕコードの最大の特徴は、コード自体に意味を持たせず、コードを発行された対象に関する様々な属性情報は、ｕコードによって検索されるデータベースに全て格納されている点にある。これにより、コード体系を維持しながら大量の物品のトレーサビリティを実現することができる。
請求項９は、前記合焦手段は、前記レーザヘッドを移動するヘッド移動手段を備え、前記移動手段上の物品の高さに応じて前記ヘッド移動手段を上下に駆動することにより、前記移動手段上の物品表面に前記レーザビームを合焦させることを特徴とする。
物品はその種類により高さが異なる場合がある。そこで本発明では、レーザヘッドを上下に移動するヘッド移動手段を備え、物品の高さに対応してレーザヘッドを上下に移動して合焦を行なう。これにより、光学系の焦点深度を浅くすることができ、光学系のコストを安価にすることができる。
請求項１０は、前記レーザヘッドをＸＹ軸方向に移動させる軸方向移動手段を備え、前記移動手段上の物品が移動中に前記軸方向移動手段により前記レーザヘッドをＸＹ軸方向に移動することにより、前記物品表面にマーキングを行なうことを特徴とする。
移動手段を停止したままマーキングするのが一般的であるが、その結果、マーキングに要する時間が長くなり、生産性が低下する。そこで本発明では、移動手段を駆動したまま、ＸＹ軸方向にレーザヘッドを移動することによりマーキングを行なう。これにより、マーキングの速度を速めて生産性を高めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、レーザの波長を２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザを使用し、物品の表層に含有されている水分に最も大きく反応して、水を蒸散させることにより物品の表層だけレーザビームを到達させるので、物品の傷みを最小限にしつつ、食品表面にマーキングすることができると共に、物品の種類に応じて最適なレーザビームのエネルギ（３０ｍＪ〜１５０ｍＪ）を選択することができる。
また、レーザビームを間欠的に出射するように変調部を構成するので、レーザヘッドの温度上昇を抑制することができる。
また、レーザヘッドに温度センサを設け、この温度センサを監視することにより、レーザヘッドが所定の温度を超えた場合に、レーザヘッドを冷却する冷却部を備えるので、温度の過熱によるレーザヘッドの破損、又はレーザパワーの低下を防止することができる。
また、レーザヘッドに複数のレーザビーム出射口を備え、それらをマトリックス状に配置するので、マーキングの速度を速めることができる。
また、制御手段が、物品が移動手段上に有ることを検出し、且つ合焦手段により物品の表面にレーザビームが合焦したことを検出したとき、レーザマーキング装置により所定の画像、又は／及び、コード又は／及び、文字をマーキングするので、大量の物品へのマーキングを自動化して生産性を高めることができる。
【００１０】
また、所定の時間に亘って物品を検出しない場合、移動手段を停止するので、無駄な移動手段の駆動を無くすことができる。
また、合焦動作のときは、一旦移動手段を停止し、合焦が成立したらレーザビームによりマーキングを行い、再び移動手段を駆動して次の物品に移るので、合焦動作とマーキングを確実に行うことができる。
また、ｕコードを使用するので、コード体系を維持しながら大量の物品のトレーサビリティを実現することができる。
また、レーザヘッドを上下に移動するヘッド移動手段を備え、物品の高さに対応してレーザヘッドを上下に移動して合焦を行なうので、光学系の焦点深度を浅くすることができ、光学系のコストを安価にすることができる。
また、移動手段を駆動したまま、ＸＹ軸方向にレーザヘッドを移動することのよりマーキングを行なうので、マーキングの速度を速めて生産性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の一実施形態に係るレーザマーキング装置の構成を示すブロック図である。このレーザマーキング装置１００は、レーザビーム１１により物品表面に画像、又は／及び、コード又は／及び、文字をマーキングするレーザマーキング装置１００であって、レーザビーム１１を出射するレーザヘッド４と、レーザヘッド４に電力を供給するレーザ電源ユニット３と、レーザヘッド４の動作を制御するコントローラ２と、コントローラ２を操作するためのデータを入力する操作パネル１と、レーザヘッド４が所定の温度を超えた場合に、レーザヘッド４を冷却する冷却器（冷却部）５と、を備えて構成されている。尚、コントローラ２は、レーザビーム１１を変調する変調部２ａと、レーザヘッド４から出射されるレーザパワーをモニタするパワーモニタ部２ｂと、レーザヘッド４に取り付けた温度センサ１４によりレーザヘッド４の温度を検出する温度検出部２ｃと、を備えている。また、本実施形態では、操作パネル１、コントローラ２、及びレーザ電源ユニット３を総称して制御装置２８と呼ぶ。また、本実施形態に係るレーザマーキング装置１００のレーザビーム１１の波長を２．９４μｍ、エネルギを３０ｍＪ〜１５０ｍＪの範囲で設定可能とした。
即ち、本発明のレーザマーキング装置１００の最も大きな特徴は、レーザビーム１１の波長を２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザを使用した点である。このレーザは、物品の表層に含有されている水分に最も大きく反応して、水を蒸散させることにより物品の表層だけレーザビーム１１を到達させる。これにより、物品の傷みを最小限にしつつ、物品表面に画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字を印字することができる。また、物品の種類に応じて最適なレーザビームのエネルギ（３０ｍＪ〜１５０ｍＪ）を選択することができる。また、Ｅｒ：ＹＡＧレーザに限らず、２．６μｍ乃至３．５μｍ、又は５．６μｍ乃至６．８μｍ若しくは水の吸収が１０００ｃｍ-1の条件を満足するレーザであれば使用が可能である。
【００１２】
また、レーザビーム１１は連続的に出射すると、レーザヘッド４が過熱してレーザパワーが低下したりレーザヘッド４を破損する虞がある。そこで本発明では、レーザビーム１１を間欠的に出射するように変調部２ａを構成する。例えば、デューティ５０％のパルスであれば、発熱量は１／２になる。これにより、レーザヘッド４の温度上昇を抑制することができる。
また、デューティ５０％で変調しても、大量の物品に連続的にレーザビーム１１を出射した場合、レーザヘッド４の過熱は避けられない。そこで本発明では、レーザヘッド４に温度センサ１４を設け、この温度センサ１４を監視することにより、レーザヘッド４が所定の温度を超えた場合に、レーザヘッド４を冷却するための冷却器５を備える。これにより、温度の過熱によるレーザヘッド４の破損、又はレーザパワーの低下を防止することができる。
また、１本のレーザビームでマーキングする場合、レーザヘッド４を動かすか、物品を動かしてマーキングしなければならない。従って、マーキングの速度をあまり早くすることはできないので、マーキングに多くの時間を要してしまう。そこで本発明では、図示は省略するが、レーザヘッド４に複数のレーザビーム出射口を備え、それらをマトリックス状に配置する。これにより、マーキングの速度を速めることができる。
【００１３】
図２は本発明のレーザマーキング装置１００を使用して、大量の物品に自動的にマーキングするレーザマーキングシステム１１０の概略的な構成を示す図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。このレーザマーキングシステム１１０は、図１の制御装置２８、冷却器５、及びレーザヘッド４で構成されるレーザマーキング装置１００と、物品２４を載置して所定速度で移動させるベルトコンベア（移動手段）２５と、ベルトコンベア２５上の物品２４の表面にレーザビーム１１を合焦させるレンズ（合焦手段）２０と、ベルトコンベア２５上の物品２４の有無を検出するセンサ（検出手段）２２と、を備えて構成されている。尚、本実施形態では、合焦手段としてセンサ２１により物品２４の表面までの距離を測定して、その結果に基づいてレンズ２０を調整することにより物品２４のマーキング面までの焦点を算出する。また、レーザヘッド４は支柱２３により支持され、レーザヘッド４から出射したレーザビームがレンズ２０により合焦されて物品２４にマーキング可能としている。また、ベルトコンベア２５は、モータ３２が制御装置２８からの駆動信号３３のＯＮ／ＯＦＦによりスタート、ストップが制御される。
即ち、本発明のレーザマーキングシステム１１０は、本発明のレーザマーキング装置１００を使用し、ベルトコンベア２５に載置した物品２４にレーザビーム１１により画像、又は／及び、コード又は／及び、文字をマーキングする。そのとき、物品２４の高さ方向は物品により異なるため、常にレーザビーム１１が物品２４の表面に合焦するように、レンズ２０とセンサ２１を備える。合焦手段は例えば、カメラの自動焦点（ＡＦ）機能を利用してもよい。また、ベルトコンベア２５上に物品２４が有るか否かを検出するセンサ２２を備える。そして制御装置２８が、物品２４がベルトコンベア２５上に有ることを検出し、且つレンズ２０により物品の表面にレーザビーム１１が合焦したことを検出したとき、レーザマーキング装置１００により所定の画像、又は／及び、コード又は／及び、文字をマーキングする。これにより、大量の物品へのマーキングを自動化することができる。
【００１４】
図３は本発明に係るレーザマーキングシステムの動作を説明するフローチャートである。制御装置２８はセンサ２２から物品２４を検出したか否かを監視する（Ｓ１）。センサ２２が物品２４を検出しない場合は（Ｓ１でＮＯ）所定時間が経過したかを監視し（Ｓ１０）、所定の時間が経過しても物品２４を検出しない場合は（Ｓ１０でＹＥＳ）ベルトコンベア２５を停止する（Ｓ１１）。ステップＳ１０で所定時間が経過しなければ（Ｓ１０でＮＯ）ステップＳ１に戻って繰り返す。そして、制御装置２８はセンサ２２により物品２４を検出すると（Ｓ１でＹＥＳ）、ベルトコンベア２５を一旦停止し（Ｓ２）、当該物品のコードをメモリから読み出す（Ｓ３）。そして、そのコードを物品２４にマーキングするために、センサ２１によりレーザビーム１１が物品表面に焦点が合っているか否かをチェックする（Ｓ４）。焦点が合っていなければ、レンズ２０を移動して合焦点をさがす（Ｓ１２）。レーザビーム１１が合焦されると（Ｓ４でＹＥＳ）、停止したベルトコンベア２５を再び移動させる（Ｓ５）。そして読み出したコードに変調したレーザビーム１１をレーザヘッド４から出射する（Ｓ６）。このとき、物品２４はＸ軸方向に移動しているので、レーザヘッド４をＹ軸方向に移動することにより、コードをマーキングすることができる。或いは、レーザヘッド４を複数のドットマトリクスに構成してもよい。
ベルトコンベア２５上に物品２４が通過中は（Ｓ７でＮＯ）、温度センサ１４によりレーザヘッド４の温度を検出し、もし、規定の温度以上になった場合（Ｓ８でＮＯ）冷却器５から冷却水１０を供給して（Ｓ９）レーザヘッド４を冷却する。ベルトコンベア２５上の物品２４はそのまま移動し続けると、センサ２２が物品の後端を検出して移動が完了したことを認識するので（Ｓ７でＹＥＳ）、ステップＳ１に戻って次の物品のマーキングに移行する。
【００１５】
即ち、ベルトコンベア２５には物品２４が載置されていることで、ベルトコンベア２５を駆動して順番に物品２４にマーキングしていく。しかし、ベルトコンベア２５に物品２４が載置されていない場合は、ベルトコンベア２５を無駄に駆動する必要はない。そこで本発明では、所定の時間に亘って物品２４を検出しない場合（Ｓ１０でＹＥＳ）、ベルトコンベア２５を停止する（Ｓ１１）。これにより、無駄なベルトコンベア２５の駆動を無くすことができる。
また、物品２４表面の合焦動作には所定の時間が必要となる。また、物品２４が移動したまま合焦動作を行なうことは難しい。そこで本発明では、合焦動作のときは、一旦ベルトコンベア２５を停止し（Ｓ２）、合焦が成立したら再びベルトコンベア２５を駆動しながら（Ｓ５）レーザビーム１１によりマーキングを行う（Ｓ６）。これにより、合焦動作とマーキングを確実に行うことができる。
また、大量の物品のトレーサビリティを確実に行なうには、各物品にマーキングされたコードが全て１対１に対応していることが重要である。そのためには、コード体系が枯渇しないことが好ましい。それには、公知のｕコードが最適である。ｕコードの最大の特徴は、コード自体に意味を持たせず、コードを発行された対象に関する様々な属性情報は、ｕコードによって検索されるデータベースに全て格納されている点にある。これにより、コード体系を維持しながら大量の物品のトレーサビリティを実現することができる。
また、ステップＳ６でマーキングする場合、ベルトコンベア２５を停止したままマーキングするのが一般的であるが、その結果、マーキングに要する時間が長くなり、生産性が低下する。そこで本発明では、ベルトコンベア２５を駆動したまま、ＸＹ軸方向にレーザヘッド４を移動することによりマーキングを行なう。これにより、マーキングの速度を速めて生産性を高めることができる。このとき、ベルトコンベア２５の移動速度に比べてマーキングの速度を速くすることにより、画像の歪みを最小限にすることができる。
【００１６】
図４はレーザ波長と水に対する吸収スペクトルの関係を示す図である。縦軸に水への吸収性（１／ｍｍ）を示し、横軸にレーザ波長（μｍ）を示す。この図から明らかな通り、Ｅｒ：ＹＡＧレーザに限らず、２．６μｍ乃至３．５μｍ、又は５．６μｍ乃至６．８μｍ若しくは水の吸収が１０００ｃｍ-1の条件を満足するレーザであれば使用が可能であることが解る。
好適には、水の吸収性は波長２．９４μｍ（Ｅｒ：ＹＡＧＬＡＳＥＲ）のときが最大となることが解る。即ち、Ｅｒ：ＹＡＧＬＡＳＥＲは、水を含んだ生体組織に対する蒸散能力が高く、しかも、それは表層のみに起こると考えられている。この原理を利用して本発明では、水を含んだ食料品の表層にＥｒ：ＹＡＧＬＡＳＥＲによりマーキングを施す。
【００１７】
図５は図２のレーザマーキングシステムのレーザヘッドが物品表面に合焦する方法を説明する図である。図５では、レーザヘッド４は支柱２３に固定されており、レンズ２０を移動させることによりレーザビーム１１の焦点深度を変えている。即ち、図５（ａ）は物品２４の高さが高いため焦点深度ｄ１は浅くなっている。また、図５（ｂ）は物品２４の高さが低いため焦点深度ｄ２は深くなっている。その結果、物品の高さによりｄ１＞ｄ２の関係となる。また、図５（ｃ）は物品２４が包装袋３０に収容されている場合であり、包装袋３０が透明であれば、物品２４に焦点深度を合わせることにより、包装袋３０の外から物品２４のみにマーキングを行うことができる。
【００１８】
図６は図２のレーザマーキングシステムのレーザヘッドが物品表面に合焦する他の方法を説明する図である。図６では、レーザヘッド４の焦点深度は固定され、レーザヘッド４を支柱２３に沿って上下に移動させることにより、レーザビーム１１の焦点深度を変えている。即ち、図６（ａ）は物品２４の高さが高いためレーザヘッド４を殆ど移動させることなく焦点深度はｄ１となっている。また、図６（ｂ）は物品２４の高さが低いためレーザヘッド４を下方に移動することにより焦点深度ｄ２としている。その結果、物品の高さに関係なくｄ１＝ｄ２となる。また、図６（ｃ）は物品２４が包装袋３０に収容されている場合であり、包装袋３０が透明であれば、物品２４に焦点深度を合わせることにより、包装袋３０の外から物品２４のみにマーキングを行うことができる。
尚、物品を所定の大きさの箱等に梱包したり、或いは、大きさが均等な物品については、一定の焦点深度にレンズ２０を固定しておくことができるので、物品２４がベルトコンベア２５上に存在するか否かを検出するのみで、物品２４にマーキングすることができる。
【００１９】
図７（ａ）〜（ｃ）、図８（ａ）〜（ｃ）、図９（ａ）〜（ｃ）、は本発明のレーザマーキング装置１００により、手動で食品の表面にマーキングした実施例を説明する図である。各図に記す左側の数字は１秒間のパルス数を表し、右側の数字はエネルギ（ｍＪ）を表している。例えば、１０−１００は１秒間に１０回のパルス照射で１回のパルスのエネルギが１００ｍＪであることを表している。
図７（ａ）は茄子の表面に、１０−１００の条件で「なす」とマーキングした例である。同様に、図７（ｂ）はキュウリの表面に、１０−１００の条件で「キュウリ」とマーキングした例である。図７（ｃ）はピーマンの表面に、１０−１００の条件で「ピーマン」とマーキングした例である。図８（ａ）はスルメイカの表面に、１０−１００の条件で「イカ」とマーキングした例である。図８（ｂ）はコンブの表面に、１０−５０の条件で「コンブ」とマーキングした例である。図８（ｃ）はせんべいの表面に、１０−７０の条件で「せんべい」とマーキングした例である。図９（ａ）はネギの表面に、１０−１５０の条件で「ネギ」とマーキングした例である。以上は、食品の表面に直接マーキングした例を示したが、直接マーキングすると商品価値が低下する食品については、図９（ｂ）のような、透明な可食体（例えばイカシート）を食品の表面に貼付してマーキングすることも可能である。また、図９（ｃ）は、ポリプロピレンの袋で包装したせんべいに１０−７０の条件でマーキングした例である。レーザビームの焦点をせんべいに合焦することにより、袋には全く傷つけることなくマーキングすることができる。
即ち、波長が２．９４μｍのレーザは、水分に最も大きく反応することにより、物品表面の水分を蒸散して、物品の表層だけにレーザビームが到達する。従って、対象となる物品の表面に水分が含有することが好ましい。これにより、大部分の物品にレーザによりマーキングすることができる。
【００２０】
以上の説明では、マーキングの対象を食品に限って説明したが、表面に水分を含有する物品であれば、食品に限定されることなくマーキングが可能である。また、パルス数とレーザのエネルギは、マーキングする物品の種類により本実施例で説明した数値に限定されることなく、変更しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザマーキング装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のレーザマーキング装置１００を使用して、大量の物品に自動的にマーキングするレーザマーキングシステム１１０の概略的な構成を示す図である。
【図３】本発明に係るレーザマーキングシステムの動作を説明するフローチャートである。
【図４】レーザ波長と水に対する吸収スペクトルの関係を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は図２のレーザマーキングシステムのレーザヘッドが物品表面に合焦する方法を説明する図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は図２のレーザマーキングシステムのレーザヘッドが物品表面に合焦する他の方法を説明する図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明のレーザマーキング装置１００により、手動で食品の表面にマーキングした実施例を説明する図である（その１）。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は本発明のレーザマーキング装置１００により、手動で食品の表面にマーキングした実施例を説明する図である（その２）。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は本発明のレーザマーキング装置１００により、手動で食品の表面にマーキングした実施例を説明する図である（その３）。
【符号の説明】
【００２２】
１ 操作パネル、２ コントローラ、２ａ 変調部、２ｂ パワーモニタ部、２ｃ 温度検出部、３ レーザ電源ユニット、４ レーザヘッド、５ 冷却器、６ シャッタ制御信号、７ パワーモニタ信号、８ ＡＣ１００Ｖ、９ ランプ電圧、１０ 冷却水、１１ レーザビーム、冷却器制御信号、１３ 制御信号、１４ 温度センサ、２０ レンズ、２１、２２ センサ、２３ 支柱、２４ 物品、２５ ベルトコンベア、２８ 制御装置、１００ レーザビーム装置、１１０ レーザビームシステム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザマーキング装置、及びレーザマーキングシステムに関し、さらに詳しくは、食品、医薬品等のトレーサビリティを管理するために、レーザビームにより画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングする技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、食の安全性の観点から、生産者から消費者に流通する過程を遡及可能とするために、トレーサビリティといった考え方が普及している。これは、一般には工業製品や食品、医薬品などの商品・製品や部品、素材などを個別（個体）ないしはロットごとに識別して、調達、加工、生産、流通、販売、廃棄などの各行程にまたがって履歴情報を参照できるようにすること、又は、それを実現する制度やシステムをいう。このトレーサビリティを実現する上で重要なことは、商品・製品や部品、素材などに付与する履歴情報の構成と、マーキング技術の確立である。
特許文献１には、納豆製品におけるトレーサビリティを実施するため、生産者から消費者に到る流通過程における追跡履歴情報を容器本体又は蓋体にレーザ加工により印字する技術が開示されている。
また、特許文献２には、食品の表面に形成された可食体にレーザによりドットマーキングを施すレーザマーキング装置について開示されている。
また、特許文献３には、レーザビームにより卵の殻にマーキングを行なうマーキング方法について開示されている。
【特許文献１】特開２００８−３５８２８公報
【特許文献２】特開２００５−１３８１４０公報
【特許文献３】特開２０００−１６８１５７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、食品を収容する容器に追跡履歴情報を印字するに過ぎないため、食品が容器から出された場合、食品そのものの追跡調査が不可能になるといった問題がある。
また、特許文献２に開示されている従来技術によれば、食品に直接印字することは可能であるが、対象食品が比較的表面が柔らかいチョコレート等に限定されるため、適用範囲が狭いといった問題がある。
また、特許文献３に開示されている従来技術は、特許文献２とは逆に、対象食品となるのが比較的表面が固い卵の殻等であるため、柔らかい食品へ印字した場合、食品が不必要に傷つけられる虞がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、波長２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザを使用することにより、レーザ照射を受けた食品表面の部位が表層にある水分に反応して蒸散されるため、食品の傷みを最小限にしつつ、食品表面にマーキングすることが可能なレーザマーキング装置を提供することを目的とする。
また、他の目的は、このレーザマーキング装置を利用して、大量の食品へのマーキングを自動化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、レーザビームにより物品表面に画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングするレーザマーキング装置であって、前記レーザビームを出射するレーザヘッドと、該レーザヘッドに電力を供給するレーザ電源と、前記レーザビームを変調する変調部と、前記レーザヘッドから出射されるパワーをモニタするパワーモニタ部と、を備え、前記レーザビームの波長を２．６μｍ乃至３．５μｍ、又は５．６μｍ乃至６．８μｍ若しくは水の吸収が１０００ｃｍ-1、及びエネルギを３０ｍＪ乃至１５０ｍＪに設定することを特徴とする。
本発明のレーザマーキング装置の最も大きな特徴は、レーザの波長を２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザを使用した点である。このレーザによれば、物品の表層に含有されている水分に最も大きく反応して水を蒸散させることにより、物品の表層にだけビームが到達する。これにより、物品の傷みを最小限にしつつ、物品表面にマーキングすることができる。また、物品の種類に応じて最適なレーザビームのエネルギ（３０ｍＪ〜１５０ｍＪ）を選択することができる。また、Ｅｒ：ＹＡＧレーザに限らず、２．６μｍ乃至３．５μｍ、又は５．６μｍ乃至６．８μｍ若しくは水の吸収が１０００ｃｍ-1の条件を満足するレーザであれば使用が可能である。
【０００５】
請求項２は、前記変調部は、前記レーザビームを間欠的に出射するように動作することを特徴とする。
レーザビームは連続的に出射すると、レーザヘッドが過熱してレーザパワーが低下したりレーザヘッドを破損する虞がある。そこで本発明では、レーザビームを間欠的に出射するように変調部を構成する。例えば、デューティ５０％のパルスに変調すれば、発熱量は１／２になる。これにより、レーザヘッドの温度上昇を抑制することができる。
請求項３は、前記レーザヘッドが所定の温度を超えた場合に、該レーザヘッドを冷却する冷却部を備えたことを特徴とする。
デューティ５０％で変調しても、大量の物品に連続的にレーザビームを出射した場合、レーザヘッドの過熱は避けられない。そこで本発明では、レーザヘッドに温度センサを設け、この温度センサを監視することにより、レーザヘッドが所定の温度を超えた場合に、レーザヘッドを冷却できるように冷却部を備える。これにより、温度の過熱によるレーザヘッドの破損、又はレーザパワーの低下を防止することができる。
請求項４は、前記レーザヘッドは、複数のレーザビーム出射口がマトリックス状に配置されていることを特徴とする。
１本のレーザビームでマーキングする場合、レーザヘッドを動かすか、或いは物品を動かしてマーキングしなければならない。従って、マーキングの速度をあまり早くすることはできないので、マーキングに多くの時間を要してしまう。そこで本発明では、レーザヘッドに複数のレーザビーム出射口を備え、それらをマトリックス状に配置してコードをマーキングする。これにより、マーキングの速度を速めることができる。
【０００６】
請求項５は、請求項１乃至４の何れか一項に記載のレーザマーキング装置と、前記物品を載置して所定速度で移動させる移動手段と、該移動手段上の物品表面に前記レーザビームを合焦させる合焦手段と、前記移動手段上の物品を検出する検出手段と、制御手段と、を備えたレーザマーキングシステムであって、前記制御手段は、前記検出手段により前記移動手段上の物品を検出し、且つ前記合焦手段により前記物品の表面にレーザビームが合焦したことを検出したとき、前記レーザマーキング装置により所定の画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングすることを特徴とする。
本発明のシステムは、本発明のレーザマーキング装置を使用し、移動手段（例えばベルトコンベア等）に載置した物品にレーザによりマーキングする。そのとき、物品上の被照射部位の高さ位置は物品の部位により異なるため、常にレーザビームが物品の表面に合焦するように合焦手段を備える。合焦手段は例えば、カメラの自動焦点（ＡＦ）機能を利用してもよい。また、移動手段上に物品が有るか否かを検出する検出手段を備える。そして制御手段が、物品が移動手段上に有ることを検出し、且つ合焦手段により物品の表面にレーザビームが合焦したことを検出したとき、レーザマーキング装置により所定の画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングする。これにより、大量の物品へのマーキングを自動化することができる。
【０００７】
請求項６は、前記制御手段は、前記検出手段が所定の時間に亘って前記物品を検出しない場合、前記移動手段を停止することを特徴とする。
物品を載置した移動手段を駆動して順番に物品にマーキングしていく。しかし、移動手段に物品が載置されていない場合は、移動手段を無駄に駆動する必要はない。そこで本発明では、所定の時間に亘って物品を検出しない場合、移動手段を停止する。これにより、無駄な移動手段の駆動を無くすことができる。
請求項７は、前記制御手段は、前記検出手段により物品が検出された場合は、前記移動手段を一旦停止し、該物品表面に前記レーザビームを合焦して前記移動手段を再度駆動させながらマーキングを行なうことを特徴とする。
物品表面の合焦動作には所定の時間が必要となる。また、物品が移動したまま合焦動作を行なうことは難しい。そこで本発明では、合焦動作のときは、一旦移動手段を停止し、合焦が成立したら再び移動手段を駆動しながらレーザビームによりマーキングを行う。これにより、合焦動作とマーキングを確実に行うことができる。
【０００８】
請求項８は、前記所定のコードは、ｕコードにより構成されていることを特徴とする。
大量の物品のトレーサビリティを確実に行なうには、各物品にマーキングされたコードが全て１対１に対応していることが重要である。そのためには、コード体系が枯渇しないことが好ましい。それには、公知のｕコードが最適である。ｕコードの最大の特徴は、コード自体に意味を持たせず、コードを発行された対象に関する様々な属性情報は、ｕコードによって検索されるデータベースに全て格納されている点にある。これにより、コード体系を維持しながら大量の物品のトレーサビリティを実現することができる。
請求項９は、前記合焦手段は、前記レーザヘッドを移動するヘッド移動手段を備え、前記移動手段上の物品の高さに応じて前記ヘッド移動手段を上下に駆動することにより、前記移動手段上の物品表面に前記レーザビームを合焦させることを特徴とする。
物品はその種類により高さが異なる場合がある。そこで本発明では、レーザヘッドを上下に移動するヘッド移動手段を備え、物品の高さに対応してレーザヘッドを上下に移動して合焦を行なう。これにより、光学系の焦点深度を浅くすることができ、光学系のコストを安価にすることができる。
請求項１０は、前記レーザヘッドをＸＹ軸方向に移動させる軸方向移動手段を備え、前記移動手段上の物品が移動中に前記軸方向移動手段により前記レーザヘッドをＸＹ軸方向に移動することにより、前記物品表面にマーキングを行なうことを特徴とする。
移動手段を停止したままマーキングするのが一般的であるが、その結果、マーキングに要する時間が長くなり、生産性が低下する。そこで本発明では、移動手段を駆動したまま、ＸＹ軸方向にレーザヘッドを移動することによりマーキングを行なう。これにより、マーキングの速度を速めて生産性を高めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、レーザの波長を２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザを使用し、物品の表層に含有されている水分に最も大きく反応して、水を蒸散させることにより物品の表層だけレーザビームを到達させるので、物品の傷みを最小限にしつつ、食品表面にマーキングすることができると共に、物品の種類に応じて最適なレーザビームのエネルギ（３０ｍＪ〜１５０ｍＪ）を選択することができる。
また、レーザビームを間欠的に出射するように変調部を構成するので、レーザヘッドの温度上昇を抑制することができる。
また、レーザヘッドに温度センサを設け、この温度センサを監視することにより、レーザヘッドが所定の温度を超えた場合に、レーザヘッドを冷却する冷却部を備えるので、温度の過熱によるレーザヘッドの破損、又はレーザパワーの低下を防止することができる。
また、レーザヘッドに複数のレーザビーム出射口を備え、それらをマトリックス状に配置するので、マーキングの速度を速めることができる。
また、制御手段が、物品が移動手段上に有ることを検出し、且つ合焦手段により物品の表面にレーザビームが合焦したことを検出したとき、レーザマーキング装置により所定の画像、又は／及び、コード又は／及び、文字をマーキングするので、大量の物品へのマーキングを自動化して生産性を高めることができる。
【００１０】
また、所定の時間に亘って物品を検出しない場合、移動手段を停止するので、無駄な移動手段の駆動を無くすことができる。
また、合焦動作のときは、一旦移動手段を停止し、合焦が成立したらレーザビームによりマーキングを行い、再び移動手段を駆動して次の物品に移るので、合焦動作とマーキングを確実に行うことができる。
また、ｕコードを使用するので、コード体系を維持しながら大量の物品のトレーサビリティを実現することができる。
また、レーザヘッドを上下に移動するヘッド移動手段を備え、物品の高さに対応してレーザヘッドを上下に移動して合焦を行なうので、光学系の焦点深度を浅くすることができ、光学系のコストを安価にすることができる。
また、移動手段を駆動したまま、ＸＹ軸方向にレーザヘッドを移動することのよりマーキングを行なうので、マーキングの速度を速めて生産性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の一実施形態に係るレーザマーキング装置の構成を示すブロック図である。このレーザマーキング装置１００は、レーザビーム１１により物品表面に画像、又は／及び、コード又は／及び、文字をマーキングするレーザマーキング装置１００であって、レーザビーム１１を出射するレーザヘッド４と、レーザヘッド４に電力を供給するレーザ電源ユニット３と、レーザヘッド４の動作を制御するコントローラ２と、コントローラ２を操作するためのデータを入力する操作パネル１と、レーザヘッド４が所定の温度を超えた場合に、レーザヘッド４を冷却する冷却器（冷却部）５と、を備えて構成されている。尚、コントローラ２は、レーザビーム１１を変調する変調部２ａと、レーザヘッド４から出射されるレーザパワーをモニタするパワーモニタ部２ｂと、レーザヘッド４に取り付けた温度センサ１４によりレーザヘッド４の温度を検出する温度検出部２ｃと、を備えている。また、本実施形態では、操作パネル１、コントローラ２、及びレーザ電源ユニット３を総称して制御装置２８と呼ぶ。また、本実施形態に係るレーザマーキング装置１００のレーザビーム１１の波長を２．９４μｍ、エネルギを３０ｍＪ〜１５０ｍＪの範囲で設定可能とした。
即ち、本発明のレーザマーキング装置１００の最も大きな特徴は、レーザビーム１１の波長を２．９４μｍのＥｒ：ＹＡＧレーザを使用した点である。このレーザは、物品の表層に含有されている水分に最も大きく反応して、水を蒸散させることにより物品の表層だけレーザビーム１１を到達させる。これにより、物品の傷みを最小限にしつつ、物品表面に画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字を印字することができる。また、物品の種類に応じて最適なレーザビームのエネルギ（３０ｍＪ〜１５０ｍＪ）を選択することができる。また、Ｅｒ：ＹＡＧレーザに限らず、２．６μｍ乃至３．５μｍ、又は５．６μｍ乃至６．８μｍ若しくは水の吸収が１０００ｃｍ-1の条件を満足するレーザであれば使用が可能である。
【００１２】
また、レーザビーム１１は連続的に出射すると、レーザヘッド４が過熱してレーザパワーが低下したりレーザヘッド４を破損する虞がある。そこで本発明では、レーザビーム１１を間欠的に出射するように変調部２ａを構成する。例えば、デューティ５０％のパルスであれば、発熱量は１／２になる。これにより、レーザヘッド４の温度上昇を抑制することができる。
また、デューティ５０％で変調しても、大量の物品に連続的にレーザビーム１１を出射した場合、レーザヘッド４の過熱は避けられない。そこで本発明では、レーザヘッド４に温度センサ１４を設け、この温度センサ１４を監視することにより、レーザヘッド４が所定の温度を超えた場合に、レーザヘッド４を冷却するための冷却器５を備える。これにより、温度の過熱によるレーザヘッド４の破損、又はレーザパワーの低下を防止することができる。
また、１本のレーザビームでマーキングする場合、レーザヘッド４を動かすか、物品を動かしてマーキングしなければならない。従って、マーキングの速度をあまり早くすることはできないので、マーキングに多くの時間を要してしまう。そこで本発明では、図示は省略するが、レーザヘッド４に複数のレーザビーム出射口を備え、それらをマトリックス状に配置する。これにより、マーキングの速度を速めることができる。
【００１３】
図２は本発明のレーザマーキング装置１００を使用して、大量の物品に自動的にマーキングするレーザマーキングシステム１１０の概略的な構成を示す図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。このレーザマーキングシステム１１０は、図１の制御装置２８、冷却器５、及びレーザヘッド４で構成されるレーザマーキング装置１００と、物品２４を載置して所定速度で移動させるベルトコンベア（移動手段）２５と、ベルトコンベア２５上の物品２４の表面にレーザビーム１１を合焦させるレンズ（合焦手段）２０と、ベルトコンベア２５上の物品２４の有無を検出するセンサ（検出手段）２２と、を備えて構成されている。尚、本実施形態では、合焦手段としてセンサ２１により物品２４の表面までの距離を測定して、その結果に基づいてレンズ２０を調整することにより物品２４のマーキング面までの焦点を算出する。また、レーザヘッド４は支柱２３により支持され、レーザヘッド４から出射したレーザビームがレンズ２０により合焦されて物品２４にマーキング可能としている。また、ベルトコンベア２５は、モータ３２が制御装置２８からの駆動信号３３のＯＮ／ＯＦＦによりスタート、ストップが制御される。
即ち、本発明のレーザマーキングシステム１１０は、本発明のレーザマーキング装置１００を使用し、ベルトコンベア２５に載置した物品２４にレーザビーム１１により画像、又は／及び、コード又は／及び、文字をマーキングする。そのとき、物品２４の高さ方向は物品により異なるため、常にレーザビーム１１が物品２４の表面に合焦するように、レンズ２０とセンサ２１を備える。合焦手段は例えば、カメラの自動焦点（ＡＦ）機能を利用してもよい。また、ベルトコンベア２５上に物品２４が有るか否かを検出するセンサ２２を備える。そして制御装置２８が、物品２４がベルトコンベア２５上に有ることを検出し、且つレンズ２０により物品の表面にレーザビーム１１が合焦したことを検出したとき、レーザマーキング装置１００により所定の画像、又は／及び、コード又は／及び、文字をマーキングする。これにより、大量の物品へのマーキングを自動化することができる。
【００１４】
図３は本発明に係るレーザマーキングシステムの動作を説明するフローチャートである。制御装置２８はセンサ２２から物品２４を検出したか否かを監視する（Ｓ１）。センサ２２が物品２４を検出しない場合は（Ｓ１でＮＯ）所定時間が経過したかを監視し（Ｓ１０）、所定の時間が経過しても物品２４を検出しない場合は（Ｓ１０でＹＥＳ）ベルトコンベア２５を停止する（Ｓ１１）。ステップＳ１０で所定時間が経過しなければ（Ｓ１０でＮＯ）ステップＳ１に戻って繰り返す。そして、制御装置２８はセンサ２２により物品２４を検出すると（Ｓ１でＹＥＳ）、ベルトコンベア２５を一旦停止し（Ｓ２）、当該物品のコードをメモリから読み出す（Ｓ３）。そして、そのコードを物品２４にマーキングするために、センサ２１によりレーザビーム１１が物品表面に焦点が合っているか否かをチェックする（Ｓ４）。焦点が合っていなければ、レンズ２０を移動して合焦点をさがす（Ｓ１２）。レーザビーム１１が合焦されると（Ｓ４でＹＥＳ）、停止したベルトコンベア２５を再び移動させる（Ｓ５）。そして読み出したコードに変調したレーザビーム１１をレーザヘッド４から出射する（Ｓ６）。このとき、物品２４はＸ軸方向に移動しているので、レーザヘッド４をＹ軸方向に移動することにより、コードをマーキングすることができる。或いは、レーザヘッド４を複数のドットマトリクスに構成してもよい。
ベルトコンベア２５上に物品２４が通過中は（Ｓ７でＮＯ）、温度センサ１４によりレーザヘッド４の温度を検出し、もし、規定の温度以上になった場合（Ｓ８でＮＯ）冷却器５から冷却水１０を供給して（Ｓ９）レーザヘッド４を冷却する。ベルトコンベア２５上の物品２４はそのまま移動し続けると、センサ２２が物品の後端を検出して移動が完了したことを認識するので（Ｓ７でＹＥＳ）、ステップＳ１に戻って次の物品のマーキングに移行する。
【００１５】
即ち、ベルトコンベア２５には物品２４が載置されていることで、ベルトコンベア２５を駆動して順番に物品２４にマーキングしていく。しかし、ベルトコンベア２５に物品２４が載置されていない場合は、ベルトコンベア２５を無駄に駆動する必要はない。そこで本発明では、所定の時間に亘って物品２４を検出しない場合（Ｓ１０でＹＥＳ）、ベルトコンベア２５を停止する（Ｓ１１）。これにより、無駄なベルトコンベア２５の駆動を無くすことができる。
また、物品２４表面の合焦動作には所定の時間が必要となる。また、物品２４が移動したまま合焦動作を行なうことは難しい。そこで本発明では、合焦動作のときは、一旦ベルトコンベア２５を停止し（Ｓ２）、合焦が成立したら再びベルトコンベア２５を駆動しながら（Ｓ５）レーザビーム１１によりマーキングを行う（Ｓ６）。これにより、合焦動作とマーキングを確実に行うことができる。
また、大量の物品のトレーサビリティを確実に行なうには、各物品にマーキングされたコードが全て１対１に対応していることが重要である。そのためには、コード体系が枯渇しないことが好ましい。それには、公知のｕコードが最適である。ｕコードの最大の特徴は、コード自体に意味を持たせず、コードを発行された対象に関する様々な属性情報は、ｕコードによって検索されるデータベースに全て格納されている点にある。これにより、コード体系を維持しながら大量の物品のトレーサビリティを実現することができる。
また、ステップＳ６でマーキングする場合、ベルトコンベア２５を停止したままマーキングするのが一般的であるが、その結果、マーキングに要する時間が長くなり、生産性が低下する。そこで本発明では、ベルトコンベア２５を駆動したまま、ＸＹ軸方向にレーザヘッド４を移動することによりマーキングを行なう。これにより、マーキングの速度を速めて生産性を高めることができる。このとき、ベルトコンベア２５の移動速度に比べてマーキングの速度を速くすることにより、画像の歪みを最小限にすることができる。
【００１６】
図４はレーザ波長と水に対する吸収スペクトルの関係を示す図である。縦軸に水への吸収性（１／ｍｍ）を示し、横軸にレーザ波長（μｍ）を示す。この図から明らかな通り、Ｅｒ：ＹＡＧレーザに限らず、２．６μｍ乃至３．５μｍ、又は５．６μｍ乃至６．８μｍ若しくは水の吸収が１０００ｃｍ-1の条件を満足するレーザであれば使用が可能であることが解る。
好適には、水の吸収性は波長２．９４μｍ（Ｅｒ：ＹＡＧＬＡＳＥＲ）のときが最大となることが解る。即ち、Ｅｒ：ＹＡＧＬＡＳＥＲは、水を含んだ生体組織に対する蒸散能力が高く、しかも、それは表層のみに起こると考えられている。この原理を利用して本発明では、水を含んだ食料品の表層にＥｒ：ＹＡＧＬＡＳＥＲによりマーキングを施す。
【００１７】
図５は図２のレーザマーキングシステムのレーザヘッドが物品表面に合焦する方法を説明する図である。図５では、レーザヘッド４は支柱２３に固定されており、レンズ２０を移動させることによりレーザビーム１１の焦点深度を変えている。即ち、図５（ａ）は物品２４の高さが高いため焦点深度ｄ１は浅くなっている。また、図５（ｂ）は物品２４の高さが低いため焦点深度ｄ２は深くなっている。その結果、物品の高さによりｄ１＞ｄ２の関係となる。また、図５（ｃ）は物品２４が包装袋３０に収容されている場合であり、包装袋３０が透明であれば、物品２４に焦点深度を合わせることにより、包装袋３０の外から物品２４のみにマーキングを行うことができる。
【００１８】
図６は図２のレーザマーキングシステムのレーザヘッドが物品表面に合焦する他の方法を説明する図である。図６では、レーザヘッド４の焦点深度は固定され、レーザヘッド４を支柱２３に沿って上下に移動させることにより、レーザビーム１１の焦点深度を変えている。即ち、図６（ａ）は物品２４の高さが高いためレーザヘッド４を殆ど移動させることなく焦点深度はｄ１となっている。また、図６（ｂ）は物品２４の高さが低いためレーザヘッド４を下方に移動することにより焦点深度ｄ２としている。その結果、物品の高さに関係なくｄ１＝ｄ２となる。また、図６（ｃ）は物品２４が包装袋３０に収容されている場合であり、包装袋３０が透明であれば、物品２４に焦点深度を合わせることにより、包装袋３０の外から物品２４のみにマーキングを行うことができる。
尚、物品を所定の大きさの箱等に梱包したり、或いは、大きさが均等な物品については、一定の焦点深度にレンズ２０を固定しておくことができるので、物品２４がベルトコンベア２５上に存在するか否かを検出するのみで、物品２４にマーキングすることができる。
【００１９】
図７（ａ）〜（ｃ）、図８（ａ）〜（ｃ）、図９（ａ）〜（ｃ）、は本発明のレーザマーキング装置１００により、手動で食品の表面にマーキングした実施例を説明する図である。各図に記す左側の数字は１秒間のパルス数を表し、右側の数字はエネルギ（ｍＪ）を表している。例えば、１０−１００は１秒間に１０回のパルス照射で１回のパルスのエネルギが１００ｍＪであることを表している。
図７（ａ）は茄子の表面に、１０−１００の条件で「なす」とマーキングした例である。同様に、図７（ｂ）はキュウリの表面に、１０−１００の条件で「キュウリ」とマーキングした例である。図７（ｃ）はピーマンの表面に、１０−１００の条件で「ピーマン」とマーキングした例である。図８（ａ）はスルメイカの表面に、１０−１００の条件で「イカ」とマーキングした例である。図８（ｂ）はコンブの表面に、１０−５０の条件で「コンブ」とマーキングした例である。図８（ｃ）はせんべいの表面に、１０−７０の条件で「せんべい」とマーキングした例である。図９（ａ）はネギの表面に、１０−１５０の条件で「ネギ」とマーキングした例である。以上は、食品の表面に直接マーキングした例を示したが、直接マーキングすると商品価値が低下する食品については、図９（ｂ）のような、透明な可食体（例えばイカシート）を食品の表面に貼付してマーキングすることも可能である。また、図９（ｃ）は、ポリプロピレンの袋で包装したせんべいに１０−７０の条件でマーキングした例である。レーザビームの焦点をせんべいに合焦することにより、袋には全く傷つけることなくマーキングすることができる。
即ち、波長が２．９４μｍのレーザは、水分に最も大きく反応することにより、物品表面の水分を蒸散して、物品の表層だけにレーザビームが到達する。従って、対象となる物品の表面に水分が含有することが好ましい。これにより、大部分の物品にレーザによりマーキングすることができる。
【００２０】
以上の説明では、マーキングの対象を食品に限って説明したが、表面に水分を含有する物品であれば、食品に限定されることなくマーキングが可能である。また、パルス数とレーザのエネルギは、マーキングする物品の種類により本実施例で説明した数値に限定されることなく、変更しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザマーキング装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のレーザマーキング装置１００を使用して、大量の物品に自動的にマーキングするレーザマーキングシステム１１０の概略的な構成を示す図である。
【図３】本発明に係るレーザマーキングシステムの動作を説明するフローチャートである。
【図４】レーザ波長と水に対する吸収スペクトルの関係を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は図２のレーザマーキングシステムのレーザヘッドが物品表面に合焦する方法を説明する図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は図２のレーザマーキングシステムのレーザヘッドが物品表面に合焦する他の方法を説明する図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明のレーザマーキング装置１００により、手動で食品の表面にマーキングした実施例を説明する図である（その１）。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は本発明のレーザマーキング装置１００により、手動で食品の表面にマーキングした実施例を説明する図である（その２）。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は本発明のレーザマーキング装置１００により、手動で食品の表面にマーキングした実施例を説明する図である（その３）。
【符号の説明】
【００２２】
１ 操作パネル、２ コントローラ、２ａ 変調部、２ｂ パワーモニタ部、２ｃ 温度検出部、３ レーザ電源ユニット、４ レーザヘッド、５ 冷却器、６ シャッタ制御信号、７ パワーモニタ信号、８ ＡＣ１００Ｖ、９ ランプ電圧、１０ 冷却水、１１ レーザビーム、冷却器制御信号、１３ 制御信号、１４ 温度センサ、２０ レンズ、２１、２２ センサ、２３ 支柱、２４ 物品、２５ ベルトコンベア、２８ 制御装置、１００ レーザビーム装置、１１０ レーザビームシステム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームにより物品表面に画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングするレーザマーキング装置であって、前記レーザビームを出射するレーザヘッドと、該レーザヘッドに電力を供給するレーザ電源と、前記レーザビームを変調する変調部と、前記レーザヘッドから出射されるパワーをモニタするパワーモニタ部と、を備え、
前記レーザビームの波長を２．６μｍ乃至３．５μｍ、又は５．６μｍ乃至６．８μｍ若しくは水の吸収が１０００ｃｍ-1、及びエネルギを３０ｍＪ乃至１５０ｍＪに設定することを特徴とするレーザマーキング装置。
【請求項２】
前記変調部は、前記レーザビームを間欠的に出射するように動作することを特徴とする請求項１に記載のレーザマーキング装置。
【請求項３】
前記レーザヘッドが所定の温度を超えた場合に、該レーザヘッドを冷却する冷却部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザマーキング装置。
【請求項４】
前記レーザヘッドは、複数のレーザビーム出射口がマトリックス状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のレーザマーキング装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載のレーザマーキング装置と、前記物品を載置して所定速度で移動させる移動手段と、該移動手段上の物品表面に前記レーザビームを合焦させる合焦手段と、前記移動手段上の物品を検出する検出手段と、制御手段と、を備えたレーザマーキングシステムであって、
前記制御手段は、前記検出手段により前記移動手段上の物品を検出し、且つ前記合焦手段により前記物品の表面にレーザビームが合焦したことを検出したとき、前記レーザマーキング装置により所定の画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングすることを特徴とするレーザマーキングシステム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記検出手段が所定の時間に亘って前記物品を検出しない場合、前記移動手段を停止することを特徴とする請求項５に記載のレーザマーキングシステム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記検出手段により物品が検出された場合は、前記移動手段を一旦停止し、該物品表面に前記レーザビームを合焦して前記移動手段を再度駆動させながらマーキングを行なうことを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザマーキングシステム。
【請求項８】
前記所定のコードは、ｕコードにより構成されていることを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項に記載のレーザマーキングシステム。
【請求項９】
前記合焦手段は、前記レーザヘッドを移動するヘッド移動手段を備え、前記移動手段上の物品の高さに応じて前記ヘッド移動手段を上下に駆動することにより、前記移動手段上の物品表面に前記レーザビームを合焦させることを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載のレーザマーキングシステム。
【請求項１０】
前記レーザヘッドをＸＹ軸方向に移動させる軸方向移動手段を備え、前記移動手段上の物品が移動中に前記軸方向移動手段により前記レーザヘッドをＸＹ軸方向に移動することにより、前記物品表面にマーキングを行なうことを特徴とする請求項５乃至９の何れか一項に記載のレーザマーキングシステム。
【請求項１】
レーザビームにより物品表面に画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングするレーザマーキング装置であって、前記レーザビームを出射するレーザヘッドと、該レーザヘッドに電力を供給するレーザ電源と、前記レーザビームを変調する変調部と、前記レーザヘッドから出射されるパワーをモニタするパワーモニタ部と、を備え、
前記レーザビームの波長を２．６μｍ乃至３．５μｍ、又は５．６μｍ乃至６．８μｍ若しくは水の吸収が１０００ｃｍ-1、及びエネルギを３０ｍＪ乃至１５０ｍＪに設定することを特徴とするレーザマーキング装置。
【請求項２】
前記変調部は、前記レーザビームを間欠的に出射するように動作することを特徴とする請求項１に記載のレーザマーキング装置。
【請求項３】
前記レーザヘッドが所定の温度を超えた場合に、該レーザヘッドを冷却する冷却部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザマーキング装置。
【請求項４】
前記レーザヘッドは、複数のレーザビーム出射口がマトリックス状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のレーザマーキング装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載のレーザマーキング装置と、前記物品を載置して所定速度で移動させる移動手段と、該移動手段上の物品表面に前記レーザビームを合焦させる合焦手段と、前記移動手段上の物品を検出する検出手段と、制御手段と、を備えたレーザマーキングシステムであって、
前記制御手段は、前記検出手段により前記移動手段上の物品を検出し、且つ前記合焦手段により前記物品の表面にレーザビームが合焦したことを検出したとき、前記レーザマーキング装置により所定の画像、又は／及び、コード、又は／及び、文字をマーキングすることを特徴とするレーザマーキングシステム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記検出手段が所定の時間に亘って前記物品を検出しない場合、前記移動手段を停止することを特徴とする請求項５に記載のレーザマーキングシステム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記検出手段により物品が検出された場合は、前記移動手段を一旦停止し、該物品表面に前記レーザビームを合焦して前記移動手段を再度駆動させながらマーキングを行なうことを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザマーキングシステム。
【請求項８】
前記所定のコードは、ｕコードにより構成されていることを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項に記載のレーザマーキングシステム。
【請求項９】
前記合焦手段は、前記レーザヘッドを移動するヘッド移動手段を備え、前記移動手段上の物品の高さに応じて前記ヘッド移動手段を上下に駆動することにより、前記移動手段上の物品表面に前記レーザビームを合焦させることを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載のレーザマーキングシステム。
【請求項１０】
前記レーザヘッドをＸＹ軸方向に移動させる軸方向移動手段を備え、前記移動手段上の物品が移動中に前記軸方向移動手段により前記レーザヘッドをＸＹ軸方向に移動することにより、前記物品表面にマーキングを行なうことを特徴とする請求項５乃至９の何れか一項に記載のレーザマーキングシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２９９０９（Ｐ２０１０−２９９０９Ａ）
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９５２０８（Ｐ２００８−１９５２０８）
【出願日】平成２０年７月２９日（２００８．７．２９）
【出願人】（０００２２２０２６）東北電子産業株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２９日（２００８．７．２９）
【出願人】（０００２２２０２６）東北電子産業株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
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