(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照射により被加工物に加工を施すレーザ加工における加工状態の検出方法において、前記被加工物は、レーザ吸収性の異なる樹脂フィルムを含む多層フィルムからなり、前記レーザの照射位置における前記被加工物の表面の温度を非接触で測定することにより前記各層の樹脂フィルムの溶融状態を検出することを特徴とするレーザ加工状態検出方法。
【請求項２】
レーザ照射により被加工物に加工を施すレーザ加工における加工状態の検出方法において、前記被加工物は、少なくとも一層以上にレーザ吸収性を有する樹脂フィルムを含む多層フィルムからなり、前記レーザの照射位置における前記被加工物の表面の温度を非接触で測定することにより前記各層の樹脂フィルムの溶融状態を検出することを特徴とするレーザ加工状態検出方法。
【請求項３】
前記レーザは炭酸ガスレーザであることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工状態検出方法。
【請求項４】
レーザ吸収性の異なる樹脂フィルムを含む多層フィルムからなる被加工物の樹脂フィルムに対して、レーザ照射によりレーザ加工を施すレーザ加工装置と、前記レーザの照射位置における前記被加工物の表面の温度を検出する温度検出装置と、前記温度検出装置の出力に応じて前記各層の樹脂フィルムの溶融状態を検出し、当該検出結果に基づいて前記レーザ加工装置におけるレーザの強度を制御する制御装置と、を備えることを特徴とするレーザ加工システム。
【請求項５】
前記レーザの強度は、所定の樹脂フィルムに対して所定の加工深さ又は加工幅を得られるように制御されることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工システム。
【請求項６】
少なくとも一層以上にレーザ吸収性を有する樹脂フィルムを含む多層フィルムからなる被加工物の樹脂フィルムに対して、レーザ照射によりレーザ加工を施すレーザ加工装置と、前記レーザの照射位置における前記被加工物の表面の温度を検出する温度検出装置と、前記温度検出装置の出力に応じて前記各層の樹脂フィルムの溶融状態を検出し、当該検出結果に基づいて前記レーザ加工装置におけるレーザの強度を制御する制御装置と、を備えることを特徴とするレーザ加工システム。
【請求項７】
前記レーザは炭酸ガスレーザであることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工の技術分野に属し、特に、レーザの照射により加工が行われる部分の加工状態を管理する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
包装材料の分野においては、樹脂フィルムなどの加工にレーザ加工が用いられる。具体的には、フィルムの切断、孔開けの他、フィルム上へ文字などを記録するマーキング、多層フィルムの一部の層を溶融させて切り溝を形成し、包装袋に易開封性を付与するいわゆるハーフカットなどにおいて、レーザ加工が使用される。
【０００３】
レーザ加工においては、レーザが被加工物に照射される状態、具体的にはレーザの強度、レーザの集光の程度（照射点におけるレーザスポット径）などにより加工の良否、精度が変化する。従って、精度のよい良好な加工を継続的に行うためには上記加工状態を検出、管理することが必要となる。従来、このレーザ加工における加工状態の評価は、２種類の手法により行われていた。
【０００４】
第１の方法は実際の加工後に被加工物の加工状態の良否、精度などを観察し、評価する方法である。また、第２の方法は、被加工物にレーザを集光照射するとともに、集光手段以前の光路においてレーザ光の一部をハーフミラー等により分岐させ、分岐したレーザを受光してその強度などを測定し、評価する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第１の方法は事後的であり、測定、評価結果をレーザ加工装置側に反映して良好な加工状態を得るまでに多数の不良品が製造されることが避けられない。また、被加工物のある数のサンプルについて加工部分を評価することとなるので、製造ラインの速度との関係からインラインにおいてリアルタイムに全数の測定、評価を行うことは困難となる。
【０００６】
一方、第２の方法は、レーザ光の一部を測定目的のために分岐して使用することとなるので、レーザ出力の損失が生じる。また、レーザ光の光路中にレーザ光を分岐するためのハーフミラーなどの光学素子を必要とするので、光学系の構成が複雑化する。更には、ミラーの汚れなどにより分岐出力が低下すると測定精度が低下し、ミラーのメインテナンスなども必要となる。また、分岐したレーザ光の測定はあくまでも間接的であり、実際に被加工物に照射されているレーザの状態を直接的に検出しているわけではない。よって、例えば、レーザ光を被加工物に集光させるレンズに曇り、汚れ等が生じて被加工物に照射されているレーザが不適当な状態にあったとしても、分岐したレーザ光からはその不具合を検知することはできない。
【０００７】
従って、上記いずれの方法によっても、被加工物に照射されるレーザ光の状態を直接的に、かつ、インラインでリアルタイムに検出することはできなかった。
【０００８】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、レーザ加工において、被加工物に対するレーザの加工状態を直接的、かつ、インラインでリアルタイムに検出し、管理することが可能なレーザ加工状態管理方法及びそのための装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１記載の発明は、レーザ照射により被加工物に加工を施すレーザ加工における加工状態の検出方法において、前記被加工物は、レーザ吸収性の異なる樹脂フィルムを含む多層フィルムからなり、前記レーザの照射位置における前記被加工物の表面の温度を非接触で測定することにより前記各層の樹脂フィルムの溶融状態を検出することを特徴とする。
【００１０】
上記のように構成された方法によれば、測定された被加工物表面の温度がレーザ強度を含む加工状態を表わすので、実際に加工が施される部分の加工状態を直接的に検出することができる。また、被加工物に影響を与えることなく加工が可能となる。また、樹脂フィルムのハーフカットなどの種々の加工が可能となる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、レーザ照射により被加工物に加工を施すレーザ加工における加工状態の検出方法において、前記被加工物は、少なくとも一層以上にレーザ吸収性を有する樹脂フィルムを含む多層フィルムからなり、前記レーザの照射位置における前記被加工物の表面の温度を非接触で測定することにより前記各層の樹脂フィルムの溶融状態を検出することを特徴とする。
【００１２】
上記のように構成された方法によれば、測定された被加工物表面の温度がレーザ強度を含む加工状態を表わすので、実際に加工が施される部分の加工状態を直接的に検出することができる。また、被加工物に影響を与えることなく加工が可能となる。また、樹脂フィルムのハーフカットなどの種々の加工が可能となる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２に記載のレーザ加工状態検出方法において、前記レーザは炭酸ガスレーザにより構成する。これにより、樹脂フィルムのレーザ加工が容易に可能となる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、レーザ吸収性の異なる樹脂フィルムを含む多層フィルムからなる被加工物の樹脂フィルムに対して、レーザ照射によりレーザ加工を施すレーザ加工装置と、前記レーザの照射位置における前記被加工物の表面の温度を検出する温度検出装置と、前記温度検出装置の出力に応じて前記各層の樹脂フィルムの溶融状態を検出し、当該検出結果に基づいて前記レーザ加工装置におけるレーザの強度を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
上記のように構成されたシステムによれば、測定された被加工物表面の温度がレーザ強度を含む加工状態を表わすので、加工部分の加工状態を直接的に検出し、これに応じてレーザ加工装置を適切に制御することができる。また、被加工物に影響を与えることなく加工が可能となる。また、樹脂フィルムのハーフカットなどの種々の加工が可能となる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項４記載のレーザ加工システムにおいて、前記レーザの強度は、所定の樹脂フィルムに対して所定の加工深さ又は加工幅を得られるように制御されることを特徴とする。これにより、樹脂フィルムのハーフカットなどの種々の加工が確実にできる。
【００１７】
請求項６記載の発明は、少なくとも一層以上にレーザ吸収性を有する樹脂フィルムを含む多層フィルムからなる被加工物の樹脂フィルムに対して、レーザ照射によりレーザ加工を施すレーザ加工装置と、前記レーザの照射位置における前記被加工物の表面の温度を検出する温度検出装置と、前記温度検出装置の出力に応じて前記各層の樹脂フィルムの溶融状態を検出し、当該検出結果に基づいて前記レーザ加工装置におけるレーザの強度を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
上記のように構成されたシステムによれば、測定された被加工物表面の温度がレーザ強度を含む加工状態を表わすので、加工部分の加工状態を直接的に検出し、これに応じてレーザ加工装置を適切に制御することができる。また、被加工物に影響を与えることなく加工が可能となる。また、樹脂フィルムのハーフカットなどの種々の加工が可能となる。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項６に記載のレーザ加工システムにおいて、前記レーザは炭酸ガスレーザにより構成する。これにより、樹脂フィルムのレーザ加工が容易に可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００２０】
先ず始めに、本発明におけるレーザ加工状態検出の原理について説明する。本発明においては、被加工物の加工は、レーザの照射による被加工物表面の溶融により行う。レーザ光の波長に吸収のある物体にレーザを照射すると、その物体はレーザのエネルギーにより溶融、蒸発する。レーザ照射部分の発熱（温度）は照射するレーザパワーにほぼ比例する。よって、レーザ照射の対象となる被加工物表面の加工状態を、その部分の発熱温度を検出することにより検出する。
【００２１】
本発明では、物体から放射されている放射エネルギーないしは電磁的性質を利用する方法で、非接触方式により温度を測定する。非接触方式の利点としては、▲１▼測定対象物に影響を与えず、光学系の適切な設計により微小面の測定が可能であること、▲２▼動体の測定が容易であること、▲３▼応答が早いこと、などが挙げられる。
【００２２】
いかなる物体でも絶対零度以上ならばある波長のエネルギーを放射している。この放射エネルギーは様々な波長をもっており、さらに温度によってもその放射強度は異なる。放射強度が最大となる波長は温度によって異なるため、そのピーク波長を検出することにより物体表面の温度測定が可能となる。本発明においては、温度の測定装置は非接触のものであれば特に限定されないが、常温〜１０００℃の範囲では放射エネルギーのピーク波長は赤外波長にあるため、赤外線カメラが好適である。
【００２３】
加工を行うためのレーザの種類については、上述のように非加工物の表面がレーザを吸収し、発熱、溶融することにより加工が行われるのであるから、その被加工物レーザを吸収する波長を考慮してレーザの種類を決定すればよい。例として挙げれば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ、アルゴンレーザなどが使用可能である。なお、以下に述べる実施形態においては被加工物として樹脂フィルムを使用しており、樹脂フィルムは波長１０．６μｍ付近に吸収があるため、炭酸ガスレーザを使用している。
【００２４】
以下の実施例においては、被加工物としては樹脂フィルムを採用しているが、それは単層であっても多層であっても構わない。単層の樹脂フィルムの場合は、レーザ加工の態様は切断、孔あけマーキングなどが挙げられる。また、レーザ吸収性の異なる樹脂フィルムを組み合わせた多層フィルムの場合は、包装袋などに易開封性を付与するためのハーフカット加工（一部の層のみを溶融させること）が挙げられる。なお、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの炭酸ガスレーザを殆ど透過するフィルムや、アルミ箔などの炭酸ガスレーザを殆ど反射させる材料をレーザ吸収性の高いフィルムと組み合わせて使用することにより、種々の性質の包装材料において所望のレーザ加工が可能となる。なお、以下の実施形態においては、多層樹脂フィルムのハーフカット加工を例にとって説明する。
【００２５】
図１に、本発明の実施形態にかかるレーザ加工装置及びそのライン管理装置の構成を模式的に示す。図１において、被加工物である樹脂フィルム１０は、ロール状態で供給され、矢印の方向に搬送される。樹脂フィルム１０の表面には、図示しない光源から放射されたレーザ光Ｌが対物レンズ４を通じて集光され、微小なレーザスポットが形成される。
【００２６】
樹脂フィルム１０は、本実施形態においては、図２（Ａ）に示すように、ＯＮｙ（延伸ナイロン）層とＬＬＤＰＥ（線状低密度ポリエチレン）層を有する２層フィルムとし、このＯＮｙ層側から発振波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザを集光照射してスポット径０．００４インチのレーザスポットを形成し、同時に、速度３０ｍ／分で樹脂フィルム１０を矢印の方向に搬送する。照射されるレーザ光のエネルギーによりＯＮｙ層が溶融し、ＯＮｙ層に切り溝１１が形成される。
【００２７】
図１に示すライン管理装置は赤外線カメラ２を有し、これによりレーザ光の照射される部分（レーザスポットの部分）の温度を検出する。この赤外線カメラ２は、測定点（即ち、レーザスポット）との距離２５０ｍｍの位置に配置し、測定視野φ１０ｍｍで測定する。
【００２８】
前述のように、ＯＮｙ層の溶融はレーザ照射による温度変化（発熱）の度合いに依存する。よって、照射レーザ強度が不十分であると樹脂フィルム１０のＯＮｙ層の溶融が不十分となり、切り溝が十分に形成されない。そのため、この樹脂フィルムにより包装袋を形成した場合、使用者が開封の際に当該切り溝に沿って袋を切り裂こうとしても、切り溝に沿って正しくフィルムが切断されない。即ち、切り溝から外れてフィルムが切り裂かれることが起き（「ガイド外れ」と呼ばれる）、包装袋の易開封性が確保されない。一方、照射レーザが強すぎると樹脂フィルム１０のＯＮｙ層のみならず、その下のＬＬＤＰＥ層までもが部分的に溶融してしまう。従って、開封は容易となるものの、逆に包装袋としての耐衝撃性が弱くなり、内容物の漏れなどの恐れが生じる。従って、レーザは、樹脂フィルム１０表面の照射部分において、ＯＮｙ層が十分に溶融し、かつ、その下のＬＬＤＰＥ層にまでは溶融が生じない程度の強度を有することが必要となる。
【００２９】
上記の点から、樹脂フィルム表面に照射するレーザ強度を変えて、照射レーザ強度と赤外線カメラ２により検出される樹脂フィルム表面の温度と多層フィルムの溶融状態とを比較検討した。図２（Ａ）に示すように、レーザ光Ｌを対物レンズ４により樹脂フィルム１０の表面にＯＮｙ層側から照射し、レーザ光Ｌの強度を２ワット（Ｗ）から１０ワットの間で変化させた。
【００３０】
図２（Ｂ）及び図３（Ａ）から（Ｃ）に示すように、照射レーザ出力が２ワットの場合は、ＯＮｙ層が十分に溶融せず、その結果形成される溝がＯＮｙ層とＬＬＰＤＥ層の境界まで達しない。従って、包装袋としての易開封性が不十分となる。
【００３１】
レーザ出力が４ワットから８ワットの間では、ＯＮｙ層は十分に溶融し、ＬＬＤＰＥ層との境界付近にまで至る溝が形成された。なお、２ワットから８ワットの範囲内では、レーザ強度が増加するにつれて形成される溝の幅（加工幅、図３（Ｂ）参照）が増加するが、ＬＬＤＰＥ層までの溶融は生じない。従って、この範囲内であれば包装袋としての易開封性は良好となる。
【００３２】
一方、レーザ強度が１０ワットにまで達すると、ＬＬＤＰＥ層の溶融が生じる。従って、包装袋としての強度、耐衝撃性などの面で問題が生じる。
【００３３】
図４（Ａ）に照射したレーザパワーとＯＮｙ層の加工幅との関係を示し、図４（Ｂ）にレーザパワーと加工深さ（図３（Ｃ）参照）との関係を示す。図４（Ａ）に示すように、ＯＮｙ層においては、レーザパワーが増加すると、加工幅はほぼ比例して増加する。また、図４（Ｂ）に示すように、レーザパワーを変化させると、４ワット付近でＯＮｙ層がＬＬＤＰＥ層との境界まで溶融する。その後８ワット付近までは加工深さは一定のまま、即ち、ＬＬＤＰＥ層までは溶融しない状態で加工幅が増加する。更にレーザパワーを増加させると、ＬＬＤＰＥ層の溶融が始まる。
【００３４】
次に、上記のようにしてハーフカット加工を施した多層フィルムから包装袋を製作し、開封試験及び落下衝撃試験を行った。具体的には、上記のようにハーフカット加工を施した多層フィルムのＬＬＤＰＥフィルム面を、形成された切り溝がパウチ表裏の同位置になるように対向させ、その周辺端部をシールして１２５ｍｍ×２５０ｍｍの包装袋を製作した。
【００３５】
開封試験として、この包装袋１０袋について、形成された開封用切れ目を利用して開封し、その時に切り口がガイド外れを起こした数を確認した。また、落下衝撃試験として、製作した包装袋に内容物として水５００ミリリットルを充填し、口部をヒートシールして包装体を製作した。そして、この包装体１０個を１２０ｃｍの高さからコンクリート面に対して垂直に２０回落下させてハーフカット加工を施した部分が衝撃により破れた包装体の個数を計数した。結果を図５（Ａ）に示す。
【００３６】
図５（Ａ）から分かるように、赤外線カメラ２で測定された温度が２ワットの場合、開封試験において、１０個の袋のうち、３個がガイド外れを起こした。これは、図３（Ａ）に示すように、２ワットのレーザ照射では、ＯＮｙ層が完全に溶融しないことによると推測される。一方、落下衝撃試験においては、１０ワットのレーザパワーの場合、１０個の袋のうち２個が落下の衝撃によりハーフカット加工部から破裂が生じた。これは、図３（Ｃ）に示すように、レーザパワーが強すぎてＬＬＤＰＥ層まで溶融が生じたために袋の耐衝撃性が低下したためと推測される。
【００３７】
以上の結果より、赤外線カメラ２で検出される温度としては、摂氏９０度から摂氏２０３度の範囲内が良好であることが分かる。従って、図１に示すレーザ加工装置に樹脂フィルムにハーフ加工を行いつつ、赤外線カメラ２で加工部の温度を検出し、検出温度が上記範囲を逸脱した場合に、ライン管理装置５がこれを検知して警告を発する、又はラインを自動的に停止するなどの処置を行う。
【００３８】
次に、図１に示すレーザ加工装置により、同一の樹脂フィルムを、レーザ出力を５ワットに固定し、搬送速度を１０メートル（ｍ）／分から５０ｍ／分の範囲で変化させてハーフカット加工を行った。そして、得られたフィルムから上記と同様に包装袋を製作し、同様の開封試験及び落下衝撃試験を実施した。その結果を図５（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）から分かるように、搬送速度が１０ｍ／分の場合、落下衝撃試験において１０袋のうち６袋が衝撃に耐えられず破裂した。これは、搬送速度１０ｍ／分の場合は搬送速度が遅いためにフィルム表面の単位面積に加えられるレーザのエネルギーが高く、ＬＬＤＰＥ層まで溶融が生じたことが原因と推測される。
【００３９】
以上のように、フィルムに対するレーザ加工は、レーザの照射によるフィルムの溶融により行われるので、照射するレーザ強度に応じてレーザ照射部分の温度は変化する。従って、レーザ強度を測定する代わりに、照射位置の被加工物の温度を検出することにより、レーザ加工状態を評価することが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発明によれば、測定された被加工物の表面の温度がレーザ強度を含む加工状態を表わすので、加工部分の加工状態を直接的に検出することができる。また、樹脂フィルムのハーフカットなどの種々の加工が可能となる。さらに、被加工物に影響を与えることなく加工状態の検出が可能となる。さらに、樹脂フィルムのレーザ加工が容易に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるレーザ加工装置及び管理装置の概略図である。
【図２】レーザ加工方法の例を示す図である。
【図３】レーザ加工による樹脂フィルム層の溶融状態を示す図である。
【図４】レーザ加工方法におけるレーザパワーと被加工物の状態との関係を示す図である。
【図５】レーザ加工された樹脂フィルムの包装袋の開封試験及び落下衝撃試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
２…赤外線カメラ
４…対物レンズ
５…ライン管理装置
１０…樹脂フィルム
Ｌ…レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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