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JP7599213B2 - Method for forming thin film portion using laser - Google Patents
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JP7599213B2 - Method for forming thin film portion using laser - Google Patents

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Description

特許法第30条第2項適用 「令和元年度ぎふ技術革新センター運営協議会共同研究助成事業助成金に係る事業実績報告書」に本願発明の「レーザーによる薄膜部の形成方法」を記載して、ぎふ技術革新センター運営協議会(岐阜県関市小瀬1288)に提出(令和3年2月1日) ウェブサイト(https://www.mdpi.com/2073-4360/13/9/1448)にて、本願発明の「レーザーによる薄膜部の形成方法」を公開(令和3年4月30日)Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applied. The "method of forming a thin film portion by laser" of the present invention was described in the "Report on business results related to the Gifu Technology Innovation Center Management Council Joint Research Subsidy Program Grant for FY2019" and submitted to the Gifu Technology Innovation Center Management Council (1288 Oze, Seki City, Gifu Prefecture) (February 1, 2021). The "method of forming a thin film portion by laser" of the present invention was published on the website (https://www.mdpi.com/2073-4360/13/9/1448) (April 30, 2021).

この発明は、被加工材にレーザー光線を照射して被加工材に薄膜部を形成する方法に関する。 This invention relates to a method for forming a thin film on a workpiece by irradiating the workpiece with a laser beam.

例えば、コンビニエンスストアやスーパーマーケット等で販売される加工食品を収容する食品用容器には、ポリプロピレン(PP)やポリエチレンテレフタレート(PET)等の合成樹脂シートの成形品が用いられる。近年、マイクロプラスチック問題が注目されており、環境負荷の低減を目的として、合成樹脂材料の使用の抑制や、再利用等が推奨されている。 For example, food containers for storing processed foods sold at convenience stores and supermarkets are made from molded synthetic resin sheets such as polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET). In recent years, the issue of microplastics has been attracting attention, and efforts to reduce the use of synthetic resin materials and reuse them are being recommended in order to reduce the environmental impact.

合成樹脂製の食品用容器では、使用後の廃棄、回収等の利便性を向上させる手段として、小容化(減容化)が有効である。合成樹脂製容器の小容化としては、例えば、容器の胴部に形成された複数の屈曲部により、容器が上方から押し込まれた際に屈曲部を変形させてつぶれやすくした構造が知られている(特許文献1参照)。このように、合成樹脂製の成形品を小容化するには、屈曲部等の力を加えることで容易に変形させることができる部位が設けられる。しかしながら、屈曲部では成形品の構造が複雑化するため、改善が求められていた。 For food containers made of synthetic resin, making them smaller (reducing the volume) is an effective way to improve the convenience of disposal and recovery after use. One known way to make synthetic resin containers smaller is to use a structure in which multiple bends are formed in the body of the container, making it easier to crush when the container is pushed in from above by deforming the bends (see Patent Document 1). In this way, to make synthetic resin molded products smaller, parts that can be easily deformed by applying force, such as bends, are provided. However, the bends make the molded product more complex in structure, so improvements were needed.

成形品を簡素な構造としつつ容易に変形させることが可能な手段として、例えば、変形部分にミシン目や薄膜部等を形成することが考えられる。ミシン目は、機械加工やレーザー加工等により容易に形成することが可能であるが、食品用容器に設けた場合、内容物の漏出や外部からの異物混入等が生じやすくなる。これに対して、薄膜部は、内容物の漏出や異物混入等のおそれがなく、適切な変形が可能であると考えられる。 One way to make a molded product easily deformable while still having a simple structure is, for example, to form perforations or thin film sections in the deformed parts. Perforations can be easily formed by mechanical processing or laser processing, but if they are provided in food containers, they can easily cause leakage of contents or entry of foreign matter from the outside. In contrast, thin film sections are thought to enable appropriate deformation without the risk of leakage of contents or entry of foreign matter.

ところで、レーザー加工は、合成樹脂の加工技術として高速かつ低コストで極めて有効であることが知られている。しかしながら、例えば合成樹脂シートは薄く、レーザー光線の照射により容易に溶断可能である一方において、貫通させずに適切な厚みの薄膜部を形成するようにレーザー加工を制御することは照射条件の変動もあり容易ではなかった。そこで、本発明者らは鋭意研究を重ね、被加工材にレーザー光線の照射加工するに際して、貫通させることなく薄膜部を安定して形成することができる方法を見出すに至った。 Laser processing is known to be an extremely effective synthetic resin processing technique that is fast and low cost. However, while synthetic resin sheets, for example, are thin and can be easily melted by irradiation with a laser beam, controlling the laser processing to form a thin film of an appropriate thickness without penetrating the material is not easy due to fluctuations in the irradiation conditions. Therefore, the inventors conducted extensive research and discovered a method that can stably form a thin film without penetrating the material when irradiating the material with a laser beam.

特開2016-141468号公報JP 2016-141468 A

本発明は、このような点に鑑みなされたものであり、被加工材に薄膜部を安定して形成することができるレーザーによる薄膜部の形成方法を提供するものである。 The present invention has been made in consideration of these points, and provides a method for forming a thin film portion using a laser that can stably form a thin film portion on a workpiece.

すなわち、請求項1の発明は、被加工材の表面側からレーザー光線を照射してレーザー加工を施すに際して、前記被加工材の裏面側に密着配置されたベース部材からなる温度上昇抑制手段により前記被加工材のレーザー照射位置の温度上昇を抑制して前記被加工材の裏面側の溶断を抑止し、これによって前記被加工材のレーザー照射位置に薄膜部を形成することを特徴とするレーザーによる薄膜部の形成方法に係る。 That is, the invention of claim 1 relates to a method for forming a thin film portion by a laser, characterized in that when a laser beam is irradiated from the front side of a workpiece to perform laser processing, a temperature rise suppression means consisting of a base member arranged in close contact with the back side of the workpiece suppresses the temperature rise at the laser irradiation position of the workpiece, thereby preventing melting of the back side of the workpiece, thereby forming a thin film portion at the laser irradiation position of the workpiece.

請求項2の発明は、前記温度上昇抑制手段が真空吸引により前記被加工材の裏面側に密着配置される請求項1に記載のレーザーによる薄膜部の形成方法に係る。 The invention of claim 2 relates to the method of forming a thin film portion by using a laser according to claim 1, wherein the temperature rise suppression means is placed in close contact with the back surface side of the workpiece by vacuum suction .

請求項3の発明は、前記ベース部材が金属板である請求項1又は2に記載のレーザーによる薄膜部の形成方法に係る。 The invention of claim 3 relates to the method of forming a thin film portion by using a laser according to claim 1 or 2, wherein the base member is a metal plate.

請求項4の発明は、前記金属板が、銅、アルミニウム、真鍮、鉄、ステンレス鋼のいずれかよりなる請求項3に記載のレーザーによる薄膜部の形成方法に係る。 The invention of claim 4 relates to the method of forming a thin film portion by laser according to claim 3, in which the metal plate is made of copper, aluminum, brass, iron, or stainless steel.

請求項5の発明は、前記被加工材が、合成樹脂材料を含むシート状物である請求項1ないし4のいずれか1項に記載のレーザーによる薄膜部の形成方法に係る。 The invention of claim 5 relates to a method for forming a thin film portion by a laser according to any one of claims 1 to 4, in which the workpiece is a sheet-like object containing a synthetic resin material.

請求項1の発明に係るレーザーによる薄膜部の形成方法によると、被加工材の表面側からレーザー光線を照射してレーザー加工を施すに際して、前記被加工材の裏面側に密着配置されたベース部材からなる温度上昇抑制手段により前記被加工材のレーザー照射位置の温度上昇を抑制して前記被加工材の裏面側の溶断を抑止し、これによって前記被加工材のレーザー照射位置に薄膜部を形成するため、被加工材の裏面側に対して温度上昇抑制効果を効率的に作用させることができてレーザー加工の照射条件が変動しても被加工材の裏面側が貫通されることなく、簡易かつ安定的に薄膜部を形成することができる。 According to the method for forming a thin film portion by a laser of the invention of claim 1, when a laser beam is irradiated from the front side of the workpiece to perform laser processing, a temperature rise suppression means consisting of a base member arranged in close contact with the back side of the workpiece suppresses the temperature rise at the laser irradiation position of the workpiece and prevents melting of the back side of the workpiece, thereby forming a thin film portion at the laser irradiation position of the workpiece, so that the temperature rise suppression effect can be efficiently applied to the back side of the workpiece, and even if the irradiation conditions for laser processing fluctuate, the back side of the workpiece will not be penetrated, and a thin film portion can be formed easily and stably.

請求項2の発明に係るレーザーによる薄膜部の形成方法によると、請求項1の発明において、前記温度上昇抑制手段が真空吸引により前記被加工材の裏面側に密着配置されるため、被加工材の裏面側にベース部材を密着させることができる。 According to the method of forming a thin film portion using a laser of the invention of claim 2, in the invention of claim 1, the temperature rise suppression means is positioned in close contact with the back side of the workpiece by vacuum suction, so that the base member can be closely attached to the back side of the workpiece.

請求項3の発明に係るレーザーによる薄膜部の形成方法によると、請求項1又は2の発明において、前記ベース部材が金属板であるため、高熱伝導率や高反射率を備えてベース部材として好適であるとともに、レーザー加工時にベース部材に損傷や変形等が発生しにくくなる。
According to the method for forming a thin film portion using a laser of the invention of claim 3, in the invention of claim 1 or 2, the base member is a metal plate, which has high thermal conductivity and high reflectivity and is suitable as a base member, and the base member is less likely to be damaged or deformed during laser processing.

請求項4の発明に係るレーザーによる薄膜部の形成方法によると、請求項3の発明において、前記金属板が、銅、アルミニウム、真鍮、鉄、ステンレス鋼のいずれかよりなるため、容易に入手できて取り扱いやすく、経済性もあり、工業的な利用に適している。 According to the method for forming a thin film portion by a laser according to the invention of claim 4, in the invention of claim 3, the metal plate is made of copper, aluminum, brass, iron, or stainless steel, which is easily available, easy to handle, economical, and suitable for industrial use.

請求項5の発明に係るレーザーによる薄膜部の形成方法によると、請求項1ないし4の発明において、前記被加工材が、合成樹脂材料を含むシート状物であるため、レーザー加工を容易に施すことができる。 According to the method for forming a thin film portion by a laser according to the invention of claim 5, in the inventions of claims 1 to 4, the workpiece is a sheet-like object containing a synthetic resin material, so that laser processing can be easily performed.

本発明の一実施例に係るレーザーによる薄膜部の形成方法の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a method for forming a thin film portion by using a laser according to an embodiment of the present invention. 被加工材の薄膜部の拡大概略断面図である。FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional view of a thin film portion of the workpiece. 銅板のベース部材を用いてレーザー加工を行った場合の薄膜部の厚さを測定した結果を表したグラフである。13 is a graph showing the results of measuring the thickness of a thin film portion when laser processing is performed using a copper plate base member. ベース部材を使用せずにレーザー加工を行った場合の薄膜部の厚さを測定した結果を表したグラフである。13 is a graph showing the results of measuring the thickness of a thin film portion when laser processing is performed without using a base member. アルミ板のベース部材を用いてレーザー加工を行った場合の薄膜部の厚さを測定した結果を表したグラフである。13 is a graph showing the results of measuring the thickness of a thin film portion when laser processing is performed using an aluminum plate as a base member. 真鍮板のベース部材を用いてレーザー加工を行った場合の薄膜部の厚さを測定した結果を表したグラフである。13 is a graph showing the results of measuring the thickness of a thin film portion when laser processing is performed using a brass plate as a base member. 鋼板のベース部材を用いてレーザー加工を行った場合の薄膜部の厚さを測定した結果を表したグラフである。13 is a graph showing the results of measuring the thickness of a thin film portion when laser processing is performed using a steel plate as a base member.

図1は、本発明の一実施例に係るレーザーによる薄膜部の形成方法を表した概略断面図である。この実施例は、シート状の被加工材10の表面側からレーザー光線Lを照射してレーザー加工を施すに際して、被加工材10のレーザー照射位置Pの温度上昇を抑制する手段20により、被加工材10の裏面側の溶断を抑止し、これによって被加工材10のレーザー照射位置Pに薄膜部15を形成するものである。 Figure 1 is a schematic cross-sectional view showing a method for forming a thin film portion by a laser according to one embodiment of the present invention. In this embodiment, when laser processing is performed by irradiating a laser beam L from the front side of a sheet-shaped workpiece 10, melting of the back side of the workpiece 10 is suppressed by means 20 for suppressing the temperature rise at the laser irradiation position P of the workpiece 10, thereby forming a thin film portion 15 at the laser irradiation position P of the workpiece 10.

レーザー加工は、CO2レーザー(炭酸ガスレーザー)等の適宜のレーザーを使用した公知の加工方法が挙げられる。また、レーザーの出力は、連続波(CW)レーザーやパルスレーザー等、特に限定されないが、高速処理が可能な連続波レーザーは大量生産等の工業的利用に適しており、好ましい。 The laser processing may be a known processing method using an appropriate laser such as a CO2 laser (carbon dioxide laser). The output of the laser is not particularly limited and may be a continuous wave (CW) laser or a pulsed laser, but a continuous wave laser capable of high-speed processing is suitable for industrial use such as mass production and is therefore preferred.

被加工材10は、レーザー光線Lの照射によるレーザー加工が容易な合成樹脂材料を含む素材からなるシート状物である。被加工材10としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の公知の合成樹脂材料からなるシート材等が挙げられる。これらの樹脂材料は、入手しやすく、成形性にも優れるため、工業的な利用に適している。また、環境負荷低減の観点から、タルク等の無機質充填材が含有された合成樹脂材料(フィラー入りポリプロピレン;PPF等)からなるシート材等を用いることも可能である。被加工材10の厚さは適宜であるが、例えば、0.2~1mm程度である。 The workpiece 10 is a sheet-like object made of a synthetic resin material that is easy to laser process by irradiation with the laser beam L. Examples of the workpiece 10 include sheet materials made of known synthetic resin materials such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), and polyethylene terephthalate (PET). These resin materials are easy to obtain and have excellent formability, making them suitable for industrial use. From the perspective of reducing the environmental load, it is also possible to use sheet materials made of synthetic resin materials containing inorganic fillers such as talc (filler-containing polypropylene; PPF, etc.). The thickness of the workpiece 10 is appropriate, but is, for example, about 0.2 to 1 mm.

薄膜部15は、被加工材10の表面側からのレーザー光線Lの照射によって被加工材10の厚みより薄く形成された部位である。この薄膜部15では、図2に示すように、レーザー光線の照射位置Pにおいて、被加工材10の表面側はレーザー照射により溝状に除去され、裏面側は溶断されずに所定の厚さ(T)が保持された非貫通部分となる。なお、薄膜部15の幅及び長さは設計された適宜のものとすることができる。 The thin film portion 15 is a portion formed by irradiating the workpiece 10 with a laser beam L from the front side of the workpiece 10, making it thinner than the thickness of the workpiece 10. As shown in FIG. 2, in this thin film portion 15, at the laser beam irradiation position P, the front side of the workpiece 10 is removed in a groove shape by the laser irradiation, and the back side is not melted and becomes a non-penetrating portion that maintains a specified thickness (T). The width and length of the thin film portion 15 can be appropriately designed.

被加工材10である合成樹脂を含むシート状物は、例えば、コンビニエンスストア等で販売される加工食品の容器等の成形体の材料等に好適に使用される。被加工材10を食品用容器として成形して用いる場合、薄膜部15は容器胴部に形成することが好ましい。このような容器では、容器の上方から押し込むことにより、複雑な構造なしで薄膜部15が変形部として機能して、容器の小容化(減容化)が可能となる。また、薄膜部15は非貫通部分であるから、容器として使用した場合に異物混入や内容物の漏出等のおそれがなく、容器としての強度が損なわれることがない。 The processed material 10, a sheet-like material containing synthetic resin, is suitable for use as a material for molded bodies such as containers for processed foods sold at convenience stores, etc. When the processed material 10 is molded and used as a food container, it is preferable that the thin film portion 15 is formed in the body of the container. In such a container, by pushing the container from above, the thin film portion 15 functions as a deforming portion without a complex structure, making it possible to make the container smaller (reduced in volume). In addition, since the thin film portion 15 is a non-penetrating portion, there is no risk of foreign matter being mixed in or the contents leaking when used as a container, and the strength of the container is not compromised.

温度上昇を抑制する手段20は、被加工材10のレーザー光線が照射される表面側とは反対側となる裏面側を、レーザー照射によって溶断される温度に到達しないようにして、被加工材10の裏面側の溶断を抑止するものである。 The means 20 for suppressing the temperature rise prevents the back side of the workpiece 10, which is the opposite side to the front side irradiated with the laser beam, from reaching a temperature at which the back side would be melted by the laser irradiation, thereby preventing melting of the back side of the workpiece 10.

レーザー加工に際して、被加工材10は、レーザー照射の加熱によりレーザー照射位置Pが溶解又は蒸発されて、表面側から裏面側に向かって除去される。この時、被加工材10のレーザー照射位置Pに対応する裏面側には、温度上昇抑制手段20によりレーザー照射の加熱を上回る温度上昇抑制効果が作用して、裏面側の所定厚さ(T)に相当する部分が溶断されない温度に保持されると考えられる。このように、被加工材10の裏面側は、レーザー照射時においても溶断温度に到達しないため、溶断が抑止される。そのため、被加工材10のレーザー照射位置Pは、表面側が除去されてその裏面側が貫通されていない薄膜部15となる。 During laser processing, the workpiece 10 is melted or evaporated at the laser irradiation position P due to the heat of the laser irradiation, and is removed from the front side toward the back side. At this time, the temperature rise suppression means 20 acts on the back side corresponding to the laser irradiation position P of the workpiece 10, and it is thought that the temperature rise suppression effect exceeds the heating of the laser irradiation, and the part corresponding to the specified thickness (T) on the back side is kept at a temperature that does not melt. In this way, the back side of the workpiece 10 does not reach the melting temperature even during laser irradiation, so melting is suppressed. Therefore, the laser irradiation position P of the workpiece 10 becomes a thin film portion 15 where the front side has been removed and the back side is not penetrated.

温度上昇抑制手段20としては、レーザー加工時に被加工材10の裏面側がレーザー照射による溶断温度に到達しないように制御可能な手段であれば特に限定されるものではない。例えば、実施例に示すような金属板等のベース部材の他、エアブローやアシストガス等の空冷手段、水冷手段、その他の適宜の温度調節装置等が挙げられる。 The temperature rise suppression means 20 is not particularly limited as long as it is a means capable of controlling the back side of the workpiece 10 not to reach the melting temperature caused by laser irradiation during laser processing. Examples include a base member such as a metal plate as shown in the examples, air cooling means such as air blowing or assist gas, water cooling means, and other suitable temperature adjustment devices.

温度上昇抑制手段20は、被加工材10の裏面側に密着配置されるベース部材20Aが好ましい。このベース部材20Aは、被加工材10が載置可能な平坦面を有する板状部材であり、被加工材10の裏面側が平坦面に密着配置されることにより、被加工材10の裏面側とベース部材20Aとの間で熱平衡状態を形成すると考えられる。そこで、ベース部材20Aは、被加工材の熱伝導率よりも格段に高い熱伝導率かつレーザー光線の反射率が高い(レーザー光線を吸収しにくい)素材で構成することが好ましい。 The temperature rise suppression means 20 is preferably a base member 20A that is placed in close contact with the back side of the workpiece 10. This base member 20A is a plate-like member with a flat surface on which the workpiece 10 can be placed, and it is believed that by placing the back side of the workpiece 10 in close contact with the flat surface, a state of thermal equilibrium is formed between the back side of the workpiece 10 and the base member 20A. Therefore, it is preferable that the base member 20A is made of a material that has a thermal conductivity that is significantly higher than the thermal conductivity of the workpiece and has a high reflectivity for laser beams (is less likely to absorb laser beams).

高熱伝導率のベース部材は、被加工材よりも高い熱伝導率を備えることにより、被加工材10の裏面に対してレーザー照射による温度上昇よりも熱平衡状態を保持するように機能すると考えられる。また、高反射率(低吸収率)のベース部材は、レーザー光線を吸収しにくいことから、レーザー光線の吸収による温度上昇が抑制されて、損傷や変形等を抑制することができ、製品の品質低下等を防止することができる。 The high thermal conductivity base member has a higher thermal conductivity than the workpiece, and is therefore thought to function to maintain a state of thermal equilibrium with respect to the rear surface of the workpiece 10 rather than increasing in temperature due to laser irradiation. In addition, the high reflectivity (low absorptivity) base member is less likely to absorb the laser beam, so the increase in temperature due to absorption of the laser beam is suppressed, and damage, deformation, etc. can be suppressed, preventing deterioration in product quality, etc.

ベース部材20Aには、金属板を用いることが実務上好ましい。金属板は、高熱伝導率や高反射率を備えるとともに、合成樹脂材料を含む被加工材10の昇華温度より高い溶融温度を有している。そのため、レーザー加工時に被加工材10のレーザー照射位置Pが昇華温度に加熱されても、ベース部材20Aに損傷や変形等が発生しにくい。金属板としては、銅、アルミニウム、真鍮、鉄、ステンレス鋼のいずれかよりなるものが好ましい。これらの金属板は、容易に入手できて、既存の設備をほとんど変更することなく設置可能で取り扱いやすいため、工業的な利用に適している。 In practice, it is preferable to use a metal plate for the base member 20A. A metal plate has high thermal conductivity and high reflectivity, and also has a melting temperature higher than the sublimation temperature of the workpiece 10, which contains a synthetic resin material. Therefore, even if the laser irradiation position P of the workpiece 10 is heated to the sublimation temperature during laser processing, the base member 20A is unlikely to be damaged or deformed. The metal plate is preferably made of copper, aluminum, brass, iron, or stainless steel. These metal plates are easily available, can be installed with little modification to existing equipment, and are easy to handle, making them suitable for industrial use.

被加工材10のベース部材20Aへの密着配置は、例えば、真空吸引等の適宜の手法によって行われる。実施例では、ベース部材20Aの複数個所に吸引孔21が形成されて、吸引孔21を介して被加工材10とベース部材20Aの間が真空吸引されて両者が密着される。被加工材10とベース部材20Aとが密着されることにより、被加工材10の裏面側に対して温度上昇抑制効果をより効率的に作用させることができる。 The workpiece 10 is placed in close contact with the base member 20A by an appropriate method such as vacuum suction. In this embodiment, suction holes 21 are formed in multiple locations on the base member 20A, and the workpiece 10 and base member 20A are vacuum-suctioned through the suction holes 21 to bring them into close contact. By bringing the workpiece 10 and base member 20A into close contact, the temperature rise suppression effect can be more efficiently applied to the back side of the workpiece 10.

本発明の薄膜部形成方法では、ベース部材20Aを用いることにより、レーザー照射のエネルギーが増大しても薄膜部15の厚さT(被加工材10の裏面側の残り厚さ)がほぼ一定に形成される。そのため、レーザー照射の条件を細かく制御することなく容易にかつ安定して薄膜部15を形成することができる。 In the thin film portion forming method of the present invention, by using the base member 20A, the thickness T of the thin film portion 15 (the remaining thickness on the back side of the workpiece 10) is formed to be almost constant even if the energy of the laser irradiation increases. Therefore, the thin film portion 15 can be formed easily and stably without finely controlling the conditions of the laser irradiation.

また、ベース部材20Aは、常温(室温)環境下で使用することが可能であるが、レーザー加工時に被加工材10の裏面側を溶断温度に到達させずに溶断を抑止できるのであれば、適宜加温や冷却等をしてもよい。なお、加温や冷却等によりベース部材20Aと接触する被加工材10の裏面側の温度を制御することによって、裏面側の温度上昇抑制を調整して薄膜部15の厚さを調節することが可能である。 Although the base member 20A can be used in a room temperature environment, it may be heated or cooled as appropriate if it is possible to prevent the back side of the workpiece 10 from reaching the melting temperature during laser processing and thereby prevent melting. By controlling the temperature of the back side of the workpiece 10 that comes into contact with the base member 20A through heating or cooling, it is possible to adjust the thickness of the thin film portion 15 by adjusting the suppression of temperature rise on the back side.

[薄膜部の形成]
スポットサイズ100μm、焦点距離111mmのCWCO2レーザー(パナソニック株式会社製;LP-431U)を使用し、真空吸引可能な厚さ10mmの銅板からなるベース部材に厚さ300μmの透明PPシート(被加工材)を載置して21kPaで真空吸引して透明PPシートの裏面側をベース部材に密着させ、透明PPシートの表面にレーザーの焦点を合わせて長さ10mmのスキャンを1回実行するようにレーザー光線を照射して、PPシート表面にレーザー加工を施した。レーザー照射の条件は、波長を10.6μm、出力を30Wに固定し、レーザースキャン速度を60~150mm/sとした。また、ベース部材に用いた銅板は、熱伝導率401W/m・K、波長10.6μmの吸収率1%、溶融温度1084℃である。
[Formation of thin film portion]
A CWCO2 laser (manufactured by Panasonic Corporation; LP-431U) with a spot size of 100 μm and a focal length of 111 mm was used, and a transparent PP sheet (workpiece) with a thickness of 300 μm was placed on a base member made of a copper plate with a thickness of 10 mm that can be vacuum-suctioned, and vacuum-suctioned at 21 kPa to bring the back side of the transparent PP sheet into close contact with the base member, and the laser was focused on the surface of the transparent PP sheet and irradiated with a laser beam so as to perform one scan of a length of 10 mm, thereby performing laser processing on the surface of the PP sheet. The conditions for laser irradiation were a wavelength of 10.6 μm, an output of 30 W, and a laser scan speed of 60 to 150 mm/s. The copper plate used as the base member had a thermal conductivity of 401 W/m·K, an absorptivity of 1% at a wavelength of 10.6 μm, and a melting temperature of 1084°C.

レーザー加工後、レーザー干渉計(株式会社キーエンス製;SI-F1000V及びSI-F80)を使用して、PPシートに形成された薄膜部の中心部分の厚さを測定した。測定結果について、表1にレーザースキャン速度ごとのエネルギーの線密度P/S(単位長さ当たりのエネルギー;J/m)と薄膜部の厚さ(μm)を示し、図3に横軸をエネルギーの線密度(P/S:単位はJ/m)、縦軸を薄膜部の厚さ(μm)としたグラフを示す。なお、エネルギーの線密度のPはレーザー出力(W)、Sはレーザー走査速度(mm/s)である。 After laser processing, a laser interferometer (Keyence Corporation; SI-F1000V and SI-F80) was used to measure the thickness of the center of the thin film formed on the PP sheet. Table 1 shows the measurement results, with the energy linear density P/S (energy per unit length; J/m) and the thickness (μm) of the thin film for each laser scanning speed, and Figure 3 shows a graph with the energy linear density (P/S: unit is J/m) on the horizontal axis and the thin film thickness (μm) on the vertical axis. In the energy linear density, P is the laser output (W) and S is the laser scanning speed (mm/s).

Figure 0007599213000001
Figure 0007599213000001

比較例として、被加工材の裏面側にベース部材を配置せず、被加工材の裏面側が空気となる従来のレーザー加工方法により、PPシート表面にレーザー加工を施した。レーザースキャン速度は115~600mm/sとした。測定結果は、表2及び図4のグラフに示した。 As a comparative example, laser processing was performed on the surface of a PP sheet using a conventional laser processing method in which no base member was placed on the back side of the workpiece, and the back side of the workpiece was air. The laser scan speed was 115 to 600 mm/s. The measurement results are shown in Table 2 and the graph in Figure 4.

Figure 0007599213000002
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[ベース部材の比較]
ベース部材として、銅板の代わりにアルミニウム板、真鍮板、鋼板(JIS SS400)をそれぞれ使用して、PPシート表面にレーザー加工を施した。各ベース部材の厚さや真空吸引の条件は銅板と同様であり、レーザースキャン速度は75~120mm/sとした。測定結果は、表3及び図5~7のグラフに示した。なお、アルミニウム板は、熱伝導率236W/m・K、波長10.6μmの吸収率1%、溶融温度660℃であり、真鍮板は、熱伝導率111W/m・K、波長10.6μmの吸収率2%、溶融温度930℃であり、鋼板は、熱伝導率50W/m・K、波長10.6μmの吸収率10%、溶融温度1500℃である。
[Comparison of base materials]
Instead of the copper plate, an aluminum plate, a brass plate, and a steel plate (JIS SS400) were used as base members, and laser processing was performed on the surface of the PP sheet. The thickness of each base member and the conditions of vacuum suction were the same as those of the copper plate, and the laser scanning speed was 75 to 120 mm/s. The measurement results are shown in Table 3 and the graphs in Figures 5 to 7. The aluminum plate has a thermal conductivity of 236 W/m·K, an absorptivity of 1% at a wavelength of 10.6 μm, and a melting temperature of 660°C, the brass plate has a thermal conductivity of 111 W/m·K, an absorptivity of 2% at a wavelength of 10.6 μm, and a melting temperature of 930°C, and the steel plate has a thermal conductivity of 50 W/m·K, an absorptivity of 10% at a wavelength of 10.6 μm, and a melting temperature of 1500°C.

Figure 0007599213000003
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[結果と考察]
まず、表2及び図4に示したベース部材を使用しない従来のレーザー加工方法による比較例では、エネルギーの線密度(P/S)の増加に伴って薄膜部の厚さが減少する(PPシートの加工部分が深くなる)傾向が確認され、エネルギーの線密度(P/S)が210~250J/mの時には薄膜部に部分的に貫通している箇所が見られた。また、エネルギー線密度(P/S)が260J/mの時には、レーザー加工部分が完全に貫通して薄膜部を形成することができなかった。
[Results and Discussion]
First, in the comparative example using the conventional laser processing method not using a base member shown in Table 2 and Figure 4, it was confirmed that the thickness of the thin film portion decreased (the processed portion of the PP sheet became deeper) as the energy linear density (P/S) increased, and when the energy linear density (P/S) was 210 to 250 J/m, there were some parts of the thin film portion that were partially penetrated. Also, when the energy linear density (P/S) was 260 J/m, the laser processed portion completely penetrated, and it was not possible to form a thin film portion.

これに対し、PPシートの裏面側に銅板をベース部材として密着配置させた場合では、表1及び図3から理解されるように、エネルギーの線密度(P/S)の増加に伴って薄膜部の厚さが減少し、エネルギーの線密度(P/S)が280J/m以上で薄膜部の厚さが50~60μmで安定して形成された。比較例との対比から理解されるように、従来方法では過剰にレーザー照射が行われるとPPシートのレーザー加工部分が貫通してしまうが、PPシートの裏面側に銅板(ベース部材)が密着配置されたことにより、過剰なレーザー照射が行われても、レーザー加工部分(薄膜部)が貫通せずにほぼ一定の厚さが保持されることがわかった。 In contrast, when a copper plate was placed in close contact with the back side of the PP sheet as a base member, as can be seen from Table 1 and Figure 3, the thickness of the thin film portion decreased with an increase in the energy linear density (P/S), and the thin film portion was stably formed at a thickness of 50 to 60 μm when the energy linear density (P/S) was 280 J/m or more. As can be seen from the comparison with the comparative example, in the conventional method, excessive laser irradiation would cause the laser-processed portion of the PP sheet to be penetrated, but by placing a copper plate (base member) in close contact with the back side of the PP sheet, it was found that even if excessive laser irradiation was performed, the laser-processed portion (thin film portion) would not be penetrated and an almost constant thickness was maintained.

また、銅板の代わりにアルミニウム板、真鍮板、鋼板をベース部材に用いた場合では、表3及び図5~7から理解されるように、銅板と同様に過剰なレーザー照射が行われてもほぼ一定の厚さで貫通していない薄膜部が形成された。銅板、アルミニウム板、真鍮板、鋼板は、熱伝導率がいずれもPPシートの熱伝導率(0.1~0.2W/m・K)より格段に高く、ベース部材として好適に使用できることがわかった。 In addition, when aluminum, brass, or steel plates were used as the base member instead of copper plates, as can be seen from Table 3 and Figures 5 to 7, a thin film portion with a nearly constant thickness that did not penetrate was formed even when excessive laser irradiation was performed, just like with copper plates. The thermal conductivity of copper, aluminum, brass, and steel plates is significantly higher than that of PP sheets (0.1 to 0.2 W/m·K), and it was found that they can be suitably used as base members.

以上図示し説明したように、本発明のレーザーによる薄膜部の形成方法は、被加工材の表面側からレーザー光線を照射してレーザー加工を施すに際して、被加工材のレーザー照射位置の温度上昇を抑制する手段により、被加工材の裏面側の溶断を抑止してレーザー照射位置に薄膜部を形成するため、レーザー加工の照射条件が変動して過剰なレーザー照射が行われても、被加工材の裏面側が貫通されることがなく所定の厚さを保持することができる。そのため、照射されるレーザー光線の出力等に誤差が生じても適切に薄膜部を形成することができる。つまり、レーザー照射を細かく制御しなくてもほぼ一定の厚さの薄膜部を安定して形成することができる。また、金属板のようなベース部材を被加工材の裏面側に密着配置すれば、より簡便かつ効率的に安定して薄膜部を形成することが可能となる。 As shown and explained above, in the method for forming a thin film portion by a laser of the present invention, when a laser beam is irradiated from the front side of a workpiece to perform laser processing, a means for suppressing a temperature rise at the laser irradiation position of the workpiece is used to suppress melting on the back side of the workpiece and form a thin film portion at the laser irradiation position. Therefore, even if the irradiation conditions for laser processing fluctuate and excessive laser irradiation is performed, the back side of the workpiece is not penetrated and a specified thickness can be maintained. Therefore, a thin film portion can be appropriately formed even if an error occurs in the output of the irradiated laser beam. In other words, a thin film portion of approximately constant thickness can be stably formed without finely controlling the laser irradiation. In addition, if a base member such as a metal plate is placed in close contact with the back side of the workpiece, a thin film portion can be formed more simply, efficiently and stably.

以上の通り、本発明のレーザーによる薄膜部の形成方法は、レーザー加工により複雑なレーザー制御をすることなく簡易かつ安定的に薄膜部を形成することができる。商用化可能な食品用容器の製造の他、様々な製品の加工に利用することが可能である。 As described above, the method for forming a thin film portion using a laser according to the present invention can easily and stably form a thin film portion using laser processing without complex laser control. In addition to manufacturing commercially available food containers, it can be used to process a variety of other products.

10 被加工材
15 薄膜部
20 温度上昇抑制手段
20A ベース部材(金属板)
21 吸引孔
L レーザー光線
P レーザー照射位置
T 薄膜部の厚さ
10 Workpiece 15 Thin film portion 20 Temperature rise suppression means 20A Base member (metal plate)
21 Suction hole L Laser beam P Laser irradiation position T Thickness of thin film portion

Claims (5)

被加工材の表面側からレーザー光線を照射してレーザー加工を施すに際して、前記被加工材の裏面側に密着配置されたベース部材からなる温度上昇抑制手段により前記被加工材のレーザー照射位置の温度上昇を抑制して前記被加工材の裏面側の溶断を抑止し、これによって前記被加工材のレーザー照射位置に薄膜部を形成することを特徴とするレーザーによる薄膜部の形成方法。 A method for forming a thin film portion by a laser, characterized in that, when laser processing is performed by irradiating a laser beam from the front side of a workpiece, a temperature rise suppression means consisting of a base member arranged in close contact with the back side of the workpiece suppresses the temperature rise at the laser irradiation position of the workpiece, thereby preventing melting of the back side of the workpiece, thereby forming a thin film portion at the laser irradiation position of the workpiece. 前記温度上昇抑制手段が真空吸引により前記被加工材の裏面側に密着配置される請求項1に記載のレーザーによる薄膜部の形成方法。2. The method for forming a thin film portion by using a laser according to claim 1, wherein the temperature rise suppression means is placed in close contact with the back surface of the workpiece by vacuum suction. 前記ベース部材が金属板である請求項1又は2に記載のレーザーによる薄膜部の形成方法。 3. The method for forming a thin film portion by using a laser according to claim 1, wherein the base member is a metal plate. 前記金属板が、銅、アルミニウム、真鍮、鉄、ステンレス鋼のいずれかよりなる請求項3に記載のレーザーによる薄膜部の形成方法。 The method for forming a thin film portion using a laser according to claim 3, wherein the metal plate is made of copper, aluminum, brass, iron, or stainless steel. 前記被加工材が、合成樹脂材料を含むシート状物である請求項1ないし4のいずれか1項に記載のレーザーによる薄膜部の形成方法。 The method for forming a thin film portion using a laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the workpiece is a sheet-like object containing a synthetic resin material.
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