(57)【要約】【技術課題】マーキングシステムのコスト全体を削減し、よりコンパクトで便利なシステムを作製し、印字速度を増大させ、個別レーザ出力要件を軽減し、かつシステムの使用に必要な基板の単位コストの削減でマーキングのコスト全体を削減することによって、従来技術の教示に優る顕著な利点を提供するシステムを導入すること。【解決手段】レーザマーキング・システムが、基板上の１つまたは複数の点にレーザ放射光を透過する手段を備え、基板およびレーザ光放射源を相互に対して変位する手段を有し、基板は、この基板をマーキングする反応が前記１つまたは複数の点で行われるように、放射光に対して十分に敏感であるように選択されており、レーザ光放射源がレーザのアレイを含むという特徴的構成を特徴とする。【選択図】図１
2007511390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の１つまたは複数の点にレーザ放射光を透過する手段を備え、前記基板およびレーザ光放射源を相互に対して変位する手段を有し、前記基板は、前記基板をマーキングする反応が前記１つまたは複数の点で行われるように、前記放射光に対して十分に敏感であるように選択されており、前記レーザ光放射源がレーザのアレイを含むという特徴的構成を特徴とするレーザマーキング・システム。
【請求項２】
使用に際して光を放射するレーザのアレイと、前記放射された光を基板上の１つまたは複数の点に透過する手段と、前記基板および前記アレイを相互に対して変位する手段と、前記基板をマーキングするために前記レーザのアレイによって供給される必要があるエネルギーが最小限になるように、前記基板を照射する前に前記基板を加熱することが主要機能である加熱器とを備えるレーザマーキング・システム。
【請求項３】
前記加熱器は、前記レーザのアレイおよび／または駆動電子機器によって発生した熱を前記基板に移動するために熱交換器を使用する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記加熱器は発光体である、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
使用に際して光を放射するレーザのアレイと、前記放射された光を基板上の１つまたは複数の点に透過する手段と、前記基板および前記アレイを相互に対して変位する手段と、別の発光体であって、前記レーザのアレイが放射するときに前記レーザアレイと前記別の発光体との組合せ効果によってマーキング閾値を超えるように、前記基板を前記マーキング閾値に近づけるために、前記レーザアレイに対して位置決めされて十分な光を供給するようになっている別の発光体とを備えるレーザマーキング・システム。
【請求項６】
前記発光体はレーザ照射点と実質的に一致する点で前記基板を照射する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記システムは、赤外または近赤外スペクトルで光を放射するレーザを備え、前記基板は可視赤外または近赤外放射に敏感であるように選択される、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記システムは、マークの着色スケールが実現できるように前記透過光のパルスおよび／または振幅を経時的に変えることによって、前記基板のそれぞれの点に供給されるエネルギーを変える手段をさらに備える、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
１つまたは複数の光学要素が前記１つおよび／または複数のレーザと前記基板との間に配置される、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の光学要素は、単一のバルクレンズ、および／または微小レンズのアレイ、および／または導波管、および／または屈折率分布型レンズ、および／または回折光学要素、および／または反射体を組み込む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記システムは、複数の放射出力口と、選択された出力口に対して放射経路を切り換える手段とを組み込む、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記システムは前記放射を複数の方向に誘導する手段を組み込む、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
前記システムは、機械的に変位可能な光学要素、および／または電子的に切換え可能な回折要素、および／または分岐導波管を組み込む、請求項１１または１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記１つまたはそれぞれのレーザが一時的にパルス化される、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
添付の本文および／または図を参照して以上に実質的に説明され、かつ／またはそれらの任意適切な組合せで例示されたレーザマーキング・システム。                                                                                
【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・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】米国特許第６０７５２２３号  米国特許第６０７５２２３号が、感受性インク（感受性インクの１つの従来技術の実施例は微小カプセルに封入したインクである）を使用して金属、プラスチック、セラミックの基板にレーザマーキングを行う従来技術による方法を開示する。この従来技術の文献では、それは照射点においてインクと基板との間に化学結合を引き起こすために、インクによって吸収されるべき波長を放射するようになっている単一のレーザエネルギー源の使用を開示するので、この従来技術の文献を本発明に対する有用な背景技術として選択した。
【０００３】
【特許文献２】欧州特許第０７８２９３３号  単一レーザマーキング・システムの他の従来技術の実施例は、紙系の基板上で使用される。この技術の応用例は、主として生産ラインにおける日付およびロット符号用に行われてきた。１つの具体的な応用例（日本化薬株式会社の欧州特許第０７８２９３３号）では、単一のレーザが、紙と発色反応物質の両方を含む特殊基板と組み合わせて使用される。この従来技術による応用例では、レーザは、紙が視認可能にマーキングされるように十分なエネルギーを供給する。
【０００４】
従来技術によるレーザマーキング・システムは、以下の広範にわたる欠点を有する。
・  一般的に使用されるＣＯ2レーザシステムは、従来技術で開示および推奨されている  が、そのサイズが限定され、したがってコンパクトなエネルギー源を提供するように小  型化することが容易にできない。
・  ＣＯ2分子のアレイを作成することは不可能であり、したがって２次元画像を作成す  るためにはレーザ光線を走査するための追加的な走査システムが必要である。
・  それらは高い単位原価の複雑なシステムでもある。
・  これらの従来技術の１つの主要な欠点は、それらの実現可能なマーキング速度が相対  的に遅いことである。
・  従来技術の別の欠点は、それらの相対的に大きな電力消費量である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、マーキングシステムのコスト全体を削減し、よりコンパクトで便利なシステムを作製し、印字速度を増大させ、個別レーザ出力要件を軽減し、かつシステムの使用に必要な基板の単位コストの削減でマーキングのコスト全体を削減することによって、このような従来技術の教示に優る顕著な利点を提供するシステムの導入を含む。
【０００６】
本発明の他の目的は、上で論じた従来技術に関連する欠点および問題点に対する別法による解決策を提案することであり、すべてが、「感受性基板上の１つまたは複数の点に光を透過するレーザマーキング・システムを改良する」という単一の進歩的構想の一部を構成するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の広範な独立態様では、本発明は、基板上の１つまたは複数の点にレーザ放射光を透過する手段を備え、基板およびレーザ光放射源を相互に対して変位する手段を有し、基板は、この基板をマーキングする反応が前記１つまたは複数の点で行われるように、放射光に対して十分に敏感であるように選択されており、レーザ光放射源がレーザのアレイを含むという特徴的構成を特徴とするレーザマーキング・システムを提供する。
【０００８】
このような構成は、それがより大きなコンパクト性を実現し、より大きな信頼性を有し、より便利であるばかりでなく、他方ではより低い電力水準を利用してより高いマーキング速度を実現し、しかも全体的に低コストであるので有利である。それは、レーザアレイを使用することによって、同時に多点のマーキングが実現できるので特に有利である。これは、基板のマーキングに要する時間の短縮に寄与する。この構成では、それぞれのレーザを個別にアドレス指定することも可能であり、それは、異なる画素が基板上に実質的に同時にマーキングされるように異なる着色水準のマーキングを許容し得る。
【０００９】
第２の広範な独立態様では、本発明は、使用に際して光を放射するレーザのアレイと、放射された光を基板上の１つまたは複数の点に透過する手段と、基板および前記アレイを相互に対して変位する手段と、基板をマーキングするためにレーザのアレイによって供給される必要があるエネルギーが最小限になるように、基板を照射する前に基板を加熱することが主要機能である加熱器とを備えるレーザマーキング・システムを提供する。
【００１０】
この構成は、それがマーキング過程時に基板上に反応を引き起こすために要する必要なレーザ出力を低減させる効果を有するので特に有益である。この構成の１つの具体的な利点は、それが相対的に低い出力のレーザによって比較的低い感受性の紙基板をマーキングすることが可能であり、したがって紙およびシステムのコストが削減されることである。この構成の他の利点は、それが幾つかの応用例でマーキング速度の増大を実現可能にするものである。
【００１１】
本発明の第２の最も広範な態様に係る従属態様では、加熱器はレーザのアレイによって発生した熱を基板に移動するために熱交換器を使用する。
【００１２】
この構成は、それがレーザアレイの過熱と照射前の基板の予熱の問題をいずれも同時に解決することに寄与するので特にエネルギー効率がよい。この構成は特に費用対効果も大きくなり得る。
【００１３】
本発明の第２の最も広範な態様に係る他の従属的な態様では、加熱器は発光体である。
【００１４】
発光体を加熱器として利用することによって、加熱開始時間がほとんどまたは全く不要である利点を特に有し、したがってこのような特徴的構成を組み込むレーザマーキング・システムは、連続的ではなく散発的に使用される応用例では特に利点がある。
【００１５】
第３の広範な独立態様では、本発明は、使用に際して光を放射するレーザのアレイと、放射された光を基板上の１つまたは複数の点に透過する手段と、基板および前記アレイを相互に対して変位する手段と、別の発光体であって、レーザのアレイが放射するときにレーザアレイとこの別の発光体との組合せ効果によってマーキング閾値を超えるように、基板をマーキング閾値に近づけるために、レーザアレイに対して位置決めされて十分な光を供給するようになっている別の発光体とを備えるレーザマーキング・システムを提供する。
【００１６】
この構成は、マーキングを実現するために必要なレーザ出力を大幅に低減する効果を有するこのような光を使用して基板をマーキング閾値に近づけるので、基板が光化学反応によってマーキングされるときに特に有利である。
【００１７】
第３の広範な態様に係る従属態様では、発光体はレーザ照射点と実質的に一致する点で基板を照射する。
【００１８】
本発明の広範な独立態様のいずれかに係る従属態様では、本システムは、赤外または近赤外スペクトルで光を放射するレーザを備え、基板は赤外または近赤外放射に敏感であるように選択される。
【００１９】
レーザおよび基板がこのような種類であるとき、以上の態様に関して概説した利点が大幅に増強される。
【００２０】
広範な独立態様のいずれかに係る他の従属態様では、本システムは、マークの着色スケールが実現できるように透過光のパルスおよび／または振幅を経時的に変えることによって、基板のそれぞれの点に供給されるエネルギーを変える手段をさらに備える。
【００２１】
この構成は、基板上にいわゆる無彩色スケールのマーキングを実現するために特に利点を有する。
【００２２】
他の従属態様では、１つまたは複数の光学要素が１つおよび／または複数のレーザと基板との間に配置される。これによって、レーザを基板から適切に離間することが可能になり、かつ放射の形状を制御することが可能になる。
【００２３】
他の従属態様では、前記１つまたは複数の光学要素は、単一のバルクレンズ、および／または微小レンズのアレイ、および／または導波管、および／または屈折率分布型レンズ、および／または回折光学要素、および／または反射体を組み込む。単一のバルクレンズの組込みは、公差の点で特に利点を有する。微小レンズのアレイの組込みは、軽量かつコンパクトな配置を実現可能にする。導波管の組込みは、公差の点および整形に関する電位の点で微小レンズに優る利点を有する。屈折率分布型レンズの組込みも公差の点で特に利点を有する。回折光学要素の組込みは、整形の点で特に利点を有する。反射体組込みは、それが放射方向を変更できる点で特に利点を有する。
【００２４】
他の従属態様では、本システムは、複数の放射出力口と、選択された出力口に対して放射経路を切り換える手段とを組み込む。これによって使用すべきレーザ要素の数を削減することができる。
【００２５】
他の従属態様では、本システムは、放射を複数の方向に誘導する手段を組み込む。これによっても、使用すべきレーザ要素の数を削減することができる。
【００２６】
他の従属態様では、本システムは、機械的に変位可能な光学要素、および／または電子的に切換え可能な回折要素、および／または分岐導波管を組み込む。
【００２７】
他の従属態様では、前記１つまたはそれぞれのレーザが一時的にパルス化される。これは、より効率的なマーキングを実現可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本出願で使用する「熱交換器」という用語は、例えば、その意味範囲に受動的な熱交換器および熱ポンプのような能動的な熱交換器を包含することによって広義に解釈されるべきである。
【００２９】
図１は、参照符号１によって全体的に示されているレーザマーキング・システムを示す。レーザマーキング・システム１は、１対の駆動輪４および５によってロール３から引き出される基板２を備える。基板２は、幾つかの個別にアドレス指定された要素（具体的に図で例示せず）を組み込むレーザアレイ６の直下に配置される。レーザアレイ６によって放射された光は、透過光を基板上の点に合焦するために、このレーザアレイと基板との間に間隔を空けて配置されたレンズ７を介して基板２に透過される。
【００３０】
基板がレーザアレイに接近すると基板がそのマーキング閾値に近づくように、熱または光エネルギーを基板に移動するために、基板に隣接して配置される予熱バー８がレーザアレイ６の上流側に設けられている。予熱バーの幾何学形状は基板の幅全体に亘るように設計されている。この予熱バーは、伝導もしくは放射によって動作する加熱要素を組み込む抵抗加熱器または光放射の吸収によって加熱する光源などの多様な形態を取り得る。
【００３１】
予熱バーの加熱特徴も、例えば、システム中の基板位置、その環境、その幾何学形状、および／またはその材料特性のために、基板の幾つかの点においてより大きな熱損失が予期されるところに、より高いまたはより低いエネルギーを供給することによって特定の応用例に合わせた調整が可能である。
【００３２】
当業者ならば、半導体レーザダイオードのアレイを含み得る知られた別法からレーザアレイ６を選択することができる。レーザ光のエネルギーは、紙によって吸収されるときにマークが得られる化学反応を起こさせるように選択される。
【００３３】
またレーザアレイは、レーザスポットが合焦される基板上の水平位置を制御する手段に関連するレーザ要素の組込みを少ない数のみで済ますことができるように企図される。これは、例えば、光学要素の機械的な動きによって、電子的に切換え可能な回折要素によって、または切換え構成要素を有する分岐導波管（マッハ−ツェンダー干渉計のような）によって実現可能である。
【００３４】
参照符号７として上で示した光透過手段は、単一のレンズもしくはより複雑な微小レンズのアレイ、導波管、屈折率分布型レンズ、回折光学要素、または平らな反射鏡を含み得る。
【００３５】
基板は、レーザ光に対する反応、すなわち、主として光学反応、主として化学的もしくは光化学的反応、および／または熱開始反応を含む熱反応、ならびに／またはこれらの反応の任意の組合せおよび／もしくは一連の反応を引き起こす紙または合成紙もしくは樹脂フィルムなどの他のシート形態であるように、当業者ならば選択可能である。１つの好ましい形態では、紙およびレーザはそれぞれに、赤外スペクトルで放射し、赤外スペクトルで化学的または光学的に反応するように選択されることが企図されている。
【００３６】
図２は参照符号９で全体的に示されているレーザマーキング・システムを示すが、簡潔にするために、図１の例示で使用した構成要素と同様のものは同じ参照符号を保持している。図１に提示した構成に対する主要な追加は、レーザアレイ６と予熱器８との間で熱交換を可能にする熱ポンプ１０を追加するものである。同様の様態では、システム中の、例えば、駆動電子機器からの他の廃熱を予熱器で使用することができる。当業者ならば、熱移動効率を高めるために、例えば、レーザと予熱器との間に配置した熱電装置を熱ポンプとして選択することができる。
【００３７】
参照符号１１によって全体的に示されているレーザマーキング・システムを示す図３では、同一の構成要素は同一の参照符号を保持する。マーキング機構が本質的に光化学的であれば、前図の両方を参照して説明した予熱構想を使用して反応を増強するか、またはその速度を増大させることができる。光化学反応を利用する別法による方法は、図３に示しかつ参照符号１２を付けたような明るい均一光源を使用して紙基板を照明し、マーキング閾値をほんの少し下回る光学密度を実現するのに必要な光の基準面を追加する。このレーザアレイは、明るい均一光源と同じ位置で紙上に光を放射するように示されている。この追加的な光源は、例えば、適宜に放電ランプまたはレーザであるように当業者によって選択される。
【００３８】
紙の非線形的な性質はいずれも紙の閾値を低下させる可能性も与える。紙にマークを付けるのに必要なエネルギーは、当該エネルギーが供給される経過時間に依存する。このような非線形性は、元来光学的または熱的であり得る。熱非線形性の１つの実施例は、レーザが入射する紙上のスポットから熱が経時的に離れていくように伝導する場合である。光非線形性の１つの実施例は、光子が経時的に吸収される場合である。本システムは、その動作をこの種の非線形性に関して微調整するように、数多くの調整を可能にする制御手段の組込みを企図するものである。当業者ならば、特定の非線形性に対処するために、例えば、特定の紙の使用を選択することも可能であり、例えば、当業者ならば、熱非線形性の場合では、相対的に低い熱伝導性を有する紙を選択することができる。
【００３９】
レーザアレイの光学的な出力能に対する主要な制約はレーザアレイが発生させる熱負荷であり、それには受動的なまたは随意選択的に能動的な冷却手段によって実現できるレーザからの熱除去が必要である。１つの好ましい手法は、高い出力であるが短い限定的な時間の間レーザを動作させる制御手段を設ける。このような様態では、レーザ上の熱負荷は同じままであるが、紙は入射熱をそれほど急速には遠くに伝導できず、したがってより効率的なマーキングをもたらす。
【００４０】
さらには、より高い閾値の紙を使用して印字の速度を依然として実現する方法は、紙上のマーキング点間の間隔を広げる手段をシステムに設ける。例えば、１００ミクロンのピッチで印字するが、５０ミクロンのレーザスポット・サイズでマーキングのみを行う。紙がより高度の熱絶縁を行うように選択される場合には、これによってマーク間の間隔が得られ、かつ印字の不透明度が減少することになる。これは、幾つかの応用例、例えば、受領書の印字に許容可能である。
【００４１】
本発明は、マーキングの着色スケールを実現するように、透過光のパルスおよび／または振幅を変更することによって基板のそれぞれの点に供給されるエネルギーを変更する手段も企図する。パルス幅変調または振幅変調を適用することによって、本システムは無彩色スケールマーキングに特に適切であり得る。
【００４２】
また本発明は、このような技術のコストは依然としてかなりのものであるが、レーザアレイとレーザアレイから上流側の紙基板の一区間との間に、熱交換器としての役割をするようなペルチエクーラなどの特化した半導体熱ポンプも企図する。
【００４３】
第１の２つの実施形態は、基板がレーザアレイに掛けられる前に熱エネルギーを補充するために加熱器の使用を提示し、第３の実施形態は光学的なバイアス光源を組み合わせたレーザアレイの使用を提示するが、本システムは、随意選択的にこれらの両方の実施形態の混成体として構成可能であり、そこでは基板が予熱されると共に、レーザアレイからの放射に加えてバイアス光源によっても放射を受ける。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザマーキング・システムを模式的に示す側面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るレーザマーキング・システムを模式的に示す側面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るレーザマーキング・システムをさらに模式的に示す側面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  レーザマーキング・システム
２  基板
３  ロール
４  駆動輪
５  駆動輪
６  レーザアレイ
７  レンズ
８  予熱バー
９  レーザマーキング・システム
１０  熱ポンプ
１１  レーザマーキング・システム
１２  明るい均一光源
【図１】
2007511390.tif 000003
【図２】
2007511390.tif 000004
【図３】
2007511390.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成18年2月9日(2006.2.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紙、合成紙、または樹脂フィルムの形態にある基板をマーキングするためのレーザマーキング・システムであって、
レーザ光放射源を備え、
前記レーザ光放射源からの光を基板上の少なくとも１つの点に透過する手段を備え、前記基板は、使用に際して、前記基板をマーキングする反応が前記少なくとも１つの点で行われるように、前記放射された光に対して十分に敏感であり、
前記基板および前記レーザ光放射源を相互に対して変位する手段を備え、
前記レーザ光放射源は、同時に多点をマーキングするように配置されたレーザのアレイを含むこと、および
前記レーザは赤外または近赤外スペクトルで光を放射する半導体レーザダイオードであり、前記基板は前記基板をマーキングすべき赤外または近赤外放射に対して十分敏感であることを特徴とするレーザマーキング・システム。
【請求項２】
前記システムは、前記基板をマーキングするために前記レーザのアレイによって供給される必要があるエネルギーが最小限になるように、前記基板を照射する前に前記基板を加熱することが主要機能である加熱器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記加熱器は、前記レーザのアレイおよび／または駆動電子機器によって発生した熱を前記基板に移動するために熱交換器を使用する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記加熱器は発光体である、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記システムは、別の発光体であって、前記レーザのアレイが放射するときに前記レーザアレイと前記別の発光体との組合せ効果によってマーキング閾値を超えるように、前記基板を前記マーキング閾値に近づけるために、前記レーザアレイに対して位置決めされて十分な光を供給するようになっている別の発光体を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記発光体はレーザ照射点と実質的に一致する点で前記基板を照射する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記システムは、マークの着色スケールが実現できるように前記透過光のパルスおよび／または振幅を経時的に変えることによって、前記基板のそれぞれの点に供給されるエネルギーを変える手段を備える、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
１つまたは複数の光学要素が前記レーザと前記基板との間に配置される、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記１つまたは複数の光学要素は、単一のバルクレンズ、および／または微小レンズのアレイ、および／または導波管、および／または屈折率分布型レンズ、および／または回折光学要素、および／または反射体を組み込む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記システムは、複数の放射出力口と、選択された出力口に対して放射経路を切り換える手段とを組み込む、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
前記システムは、前記放射を複数の方向に誘導する手段を組み込む、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記システムは、機械的に変位可能な光学要素、および／または電子的に切換え可能な回折要素、および／または分岐導波管を組み込む、請求項１０または１１に記載のシステム。
【請求項１３】
それぞれの前記レーザがパルス化される、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
【国際調査報告】
2007511390.tif 000006
2007511390.tif 000007