專利名稱：激光打標方法和激光打標系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及激光打標方法和激光打標系統(tǒng)。
技術(shù)背景
用字母數(shù)字編號或代號、二維條碼、標志、文字、圖片等對諸如包裝材料等基板進行打標有不同的方式。其中一種方式是用激光技術(shù)；也就是用激光和激光感應的(laser sensitive)墨、涂料或顏料。在下文中這樣的技術(shù)稱作“激光打標”。
已公布的文件SE 0800601介紹了在具有核心紙層或紙板的包裝材料上的激光打標。
激光感應的墨或涂料，在下文中稱作“墨”，是由激光吸收劑和成色劑混合而成的。 當暴露在激光下時，墨中的激光吸收劑吸收光子能量并且產(chǎn)生熱量，熱量使成色劑改變顏色。
像包裝材料這樣的基板上可以設置激光感應區(qū)，即設置有這種激光感應的墨、涂料或顏料的區(qū)域，然后打標設備通過激光給包裝材料的每個部位打上獨特的印記或標志和 /或可以立即改變的印記。
優(yōu)選地，這種打標機或打標設備需要能夠執(zhí)行高速地且高分辨率地打印。如今的灌裝機使包裝材料基材以每秒1. 2米的速度運行。
目前市場上出現(xiàn)了不同的激光打標系統(tǒng)。然而，這些設備速度太慢或分辨率太低。 為了在高分辨率下高速打標，激光二極管陣列似乎是最好的選擇。不過，目前在市場上的激光二極管陣列是有效功率低于或在0. 5瓦左右的低能量激光。這些已經(jīng)被證明是不能滿足需要的。人們已經(jīng)意識到在高于一米每秒的速度下這樣的功率已經(jīng)不足以打標了。
進而，除了激光二極管陣列，激光設備還需要反光(reflection)裝置，比如高速掃描器(Galvanometer scan)。這個設備也會限制打標速度和分辨率。目前，含有高速掃描器的設備不適用于在每秒1. 2米的高速度下打標。
如今沒有任何高能量激光二極管陣列(有效功率在0. 5瓦以上的激光)可以在市場上買到。激光二極管陣列可以變成高能激光，但是由于二極管在單片陣列中不能彼此充分靠近地安裝，導致其只能提供低分辨率。另一個問題是激光的冷卻裝置問題。發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種在有激光感應區(qū)域的基板上進行激光打標的方法。 所述激光感應區(qū)域能用低能量激光在閾值能量水平激活。本方法提供了一種能在高速高分辨率的情況下打標的可能。本方法包括通過供能元件輻射整個激光感應區(qū)域給激光感應區(qū)域供能，并且將所述激光感應區(qū)域的一部分暴露在所述激光輻射中的步驟，其中該供能元件配置成發(fā)射集中在特定波長的輻射，并且其中組合的(combined)輻射導致能量超過所述閾值能量水平，從而使得激光感應區(qū)域在組合的輻射出現(xiàn)的部分被激活。
本創(chuàng)造性方法會在權(quán)利要求2-8中進一步定義。
本發(fā)明也涉及到激光打標系統(tǒng)。
激光打標系統(tǒng)會在從屬權(quán)利要求10-16中進一步定義。


將參考附圖對實施方式進行更詳細的描述，圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的能量水平的示意圖，并且圖2是目前優(yōu)選的實施方式的示意圖。具體實施方式

開頭提到的激光感應的墨或涂料，在下文中指稱“墨”，通常是由激光吸收劑和成色劑混合而成的。當暴露在激光下時，墨中的光吸收劑吸收光子能量并且產(chǎn)生熱量，該熱量激發(fā)或激活成色劑改變其顏色。通過這種方法可以在基板上打標。
一些激光感應的墨是熱感應型的，通過熱量來激活，還有一些是波長感應型的，如果暴露在某些波長下其會被激活。在具體實施方式

的說明中會用到詞語“輻射”，并且應理解該詞語同時包含熱輻射形式的輻射和特定波長輻射形式的輻射，這取決于提供輻射的源。
激活墨，也就是使墨改變顏色，需要一定數(shù)量的能量。圖1中，顯示了給基板的激光感應區(qū)域提供能量的基本原理。優(yōu)選地，基板還包含不感應激光輻射的區(qū)域，這樣激光標志可以打在基板的特定的和預定的區(qū)域上。在閾值水平T時顏色會開始發(fā)生變化。例如高速灌裝機在達到大約1. 2米每秒的速度下運行包裝材料基材時，就會發(fā)現(xiàn)用如今的低能量激光很難提供必要的能量。
本發(fā)明中解決該問題的方法是通過供能元件輻射給激光感應區(qū)域供能 (energize)，并將所述激光感應區(qū)域暴露在激光輻射下的步驟解決的。輻射的組合導致能量通過所述閾值能量水平T，這樣發(fā)生組合輻射的激光感應區(qū)域就會被激活。
圖1中所示的實施方式中，激光感應區(qū)域預供能至少于閾值能量水平T的能量水平。這意味著激光感應的墨“預裝載”了必要能量的主要部分。然而，整個感應區(qū)域?qū)⒈还┠?，而不僅僅是被標志的點。因此最好不要全程提供達到閾值水平T的能量，而要與該水平保持差距。
預供能步驟之后，激光感應區(qū)域可暴露在輻射下以正式進行打標。因此，激光會提供至少能夠超過閾值能量水平T所需額外(rest)能量，即激活激光感應區(qū)域所需的額外能量。在圖1中這數(shù)量的能量由L表示。這些能量只輻照在激光感應區(qū)域中顏色需要改變的那些點上，即需要進行打標的地方。激光提供了足夠超過閾值能量水平T的能量，優(yōu)選足夠超過該水平的程度顯著以確保會發(fā)生顏色改變，并形成標志和背景之間所需的對比度。
基板激光感應區(qū)域在預供能步驟吸收的能量不會存留在材料中，而是會很快消失。因此，如果預供能以后立即將基板暴露在激光下，則是有利的。
運用本發(fā)明中的方法時，可以使用幾種類型的激光以進行高速和高分辨率的打標。一種可以使用的激光類型是近紅外線的，比如激光二極管陣列，纖維耦合二極管陣列， 或纖維激光。激光二極管陣列，是由數(shù)個二極管緊密結(jié)合而制成的，可以在波長為650-5500 納米的范圍內(nèi)工作。進而，CO2激光可以替代使用，Nd:YAG激光也是這樣。
根據(jù)該方法，供能步驟是通過供能元件進行的。例如，供能可以通過以下任何源進行紅外線輻射源，或激光。其他供能元件也是可以的，比如熱空氣或熱流體。當選擇供能元件時，一方面，應當優(yōu)選能將能量均勻散布在激光感應區(qū)域的供能元件。另一方面，供能元件所提供的能量是可控制的，這樣不會導致意外的超過閾值能量水平T?？偟膩碚f，選擇供能元件應當考慮激光感應的墨的成分、將被供能的基板的結(jié)構(gòu)和感應度。如果使用波長感應墨，則供能元件優(yōu)選寬激光束或紅外線光源。
在優(yōu)選的實施方式中，紅外線光源可用作為供能元件。這種紅外線光源可以提供狹窄頻率區(qū)間的電磁輻射，其中射出能量的主要部分集中在峰值波長上。比如，商用紅外線發(fā)光二極管的峰值波長為2. 6微米，這種能量根據(jù)高斯分布圖(Gaussian profile)在1. 9 和3. 3微米之間。被設計為有不同的峰值波長和不同的FWHM的其他紅外線光源在本技術(shù)領域也是公知的。
紅外線加熱是以電磁波的形式轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。熱源，比如石英燈，石英管或金屬棒?會通過電子震動和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電磁輻射。該源對物體發(fā)出峰值波長的輻射。該物體能吸收某些波長的輻射并且反射或重新發(fā)出其他波長的輻射。所吸收的輻射在物體內(nèi)部產(chǎn)生熱量。 這種類型的加熱器的效率可超過80%。紅外線加熱有不同的效率，波長和反射率。這些特點將這種類型與其他加熱器區(qū)分，并使這種類型的加熱器中的一些在某些應用上比其他加熱器更有效率。紅外線加熱器有用的波長范圍在電磁波譜中為0. 7-10微米內(nèi)并且被分為三組短波長(0. 72-1. 5微米)，中波長(1. 5-5. 6微米)和長波長(5. 6-10微米)。已發(fā)現(xiàn)， 短波長和中波長紅外線源可以與二極管陣列激光和纖維耦合二極管激光適當組合，纖維耦合二極管激光發(fā)射的輻射的波長范圍在0. 65-5. 6微米(μ m)內(nèi)。
激光感應的墨已經(jīng)說明了。然而，應了解激光感應區(qū)域中的激光感應不需要依靠施加墨和涂料來提供。激光感應區(qū)域可以通過在基板上施加激光感應顏料來提供。以具有核心紙層或紙板和聚合物的外層為例，可以提供激光感應的墨或涂料以便其被最外層的聚合物層保護。在使用顏料的情況下，顏料可以替代地嵌入包裝層壓板的聚合物保護層中。 因此，在兩個例子中，激光感應區(qū)域都是通過聚合物層來保護的。既然可以選擇供能元件以便紅外線源的峰值發(fā)射波長穿過外層聚合物而不被吸收，因而這樣的實施方式是更加有利的。由此，在聚合物層中沒有或只有少量熱量會流失，并且所發(fā)出的能量中的主要部分將被激光感應區(qū)域中的活性成分吸收。因此，使供能元件的峰值波長與激活或激發(fā)激光感應的墨的活性成分所需的波長相匹配，或與保護性聚合物層的透射光譜相匹配，這可能是優(yōu)選的。這種特定的實施方式有助于整體上降低在基板上打標所耗費的能量。
例如，如果保護性聚合物層是由低密度聚乙烯制成的，則這種層增加了例如對在大約3-3. 5微米范圍的波長的吸收。因此，在選擇所需設備，包括選擇激光感應的墨時，應避免那些波長。如果保護層是由聚丙烯制成的，也同樣適用。
按照特定的實施方式，提供了用激光102在基板上激光打標的方法。基板103被提供有激光感應區(qū)，該激光感應區(qū)由至少對一種波長有顯著吸收率的聚合物層保護的激光感應區(qū)域，所述激光感應區(qū)域在閾值能量水平T時可以激活。本方法包括如下步驟所述激光感應區(qū)域通過供能元件101輻射整個激光感應區(qū)域來供能，和將所述激光感應區(qū)域的一部分暴露在所述激光102的輻射下，其中所述供能元件被配置成輻射集中在特定波長的輻射，所述特定波長與保護層吸收波長不同，并且其中組合的輻射形成穿過所述閾值能量水平T的能量，從而在發(fā)生組合輻射的部分激光感應區(qū)域會被激活。
供能元件發(fā)出的特定波長可以接近或等于激光的發(fā)射波長。詞語“接近”在本文中可以看作為供能元件發(fā)出的輻射在某種程度上與激光的發(fā)射波長是重疊的。
本發(fā)明還包括激光打標系統(tǒng)，該激光打標系統(tǒng)用于對提供有激光感應區(qū)域的基板進行激光打標。圖2中示意性的示出了該設備。該設備是用來實現(xiàn)前述方法的，并且將不會進行詳細描述。前述方法已有涉及。
簡言之，本設備的實施方式包括供能元件101，其用于給激光感應區(qū)域預供能至低于閾值能量水平T的能量水平。進而，這個設備包括能提供至少超過閾值能量水平T所需的額外能量的激光102以便激活激光感應區(qū)域。
供能元件101和激光102相互關(guān)聯(lián)放置，以便諸如包裝材料基材之類基板103在通過供能元件101以后立即通過激光102。基材的運動方向由箭頭X表示。
下面，會描述兩個不同的實驗作為一些實施方式中激光打標方法的例子。在兩個步驟中，具有峰值發(fā)射波長為1000納米的紅外線鹵素燈會被作為供能元件，并且以峰值波長為1070納米的激光運行的激光被用在打標系統(tǒng)中。用兩種不同的激光感應的墨，兩者都可以通過吸收1070納米的輻射而被激活。激活由顏色從透明變?yōu)楹谏硎?。兩個實驗的進行都參考了背景測量結(jié)果，其中光密度測量時不用紅外線鹵素燈。例子1
在基板8*7毫米的區(qū)域內(nèi)涂上墨A。激光能量密度分別設為1. 4和2. 0焦耳/平方厘米，紅外線鹵素燈功率密度被設為0. 79瓦/平方厘米。對應于不同激光能量密度下紅外線曝光時間測量光密度。測試結(jié)果表明，利用1.4焦耳/平方厘米的激光能量密度連同紅外線供能元件，得到0.6的光密度。這相當于使用了 2. 6焦耳/平方厘米的背景激光能量密度，即打標所需的激光能量減少了 46%。
進而，測試結(jié)果表明，利用2. 0焦耳/平方厘米的激光能量密度連同紅外線供能元件，得到0. 75的光密度。這相當于使用了 2. 8焦耳/平方厘米的背景激光能量密度，即打標所需的激光能量減少了四％。例子2
在基板8*7毫米的區(qū)域內(nèi)涂上墨B。激光能量密度分別設為0. 38和0. 6焦耳/平方厘米，紅外線鹵素燈功率被設為0. 79瓦/平方厘米。然后對應于在不同激光能量密度下的紅外線曝光時間測量光密度。測試結(jié)果表明，利用0. 38焦耳/平方厘米的激光能量密度連同紅外線供能元件，得到1. 0的光密度。這相當于使用了 0. 6焦耳/平方厘米的背景激光能量密度，即打標所需的激光能量減少了 36%。
進而，測試結(jié)果表明，利用0. 6焦耳/平方厘米的激光能量密度連同紅外線供能元件，得到2. 2的光學密度。這相當于使用了 1.4焦耳/平方厘米的背景激光能量，即打標所需的激光能量減少了 57%。
雖然本發(fā)明根據(jù)當前的優(yōu)選實施方式進行了描述，但是應當理解可以做出各種修改和變化而不背離如所附權(quán)利要求中所定義的本發(fā)明的目標和范圍。
文中已經(jīng)描述了在基板103暴露于激光102前先由供能元件101進行供能的步驟。然而，應該理解步驟可以替代為在基板103暴露于激光102后，再給供能元件101進行供能。這個可以通過扭轉(zhuǎn)圖2中的箭頭X來表示，使得基板103向相反方向移動。另一個選擇是供能元件101和激光102同時輻射激光感應區(qū)域，或來自每個各自的源的輻射至少部分地適時彼此重疊。激光打標系統(tǒng)當然可以做出相應的改變。
實施方式中已經(jīng)描述了基板是包裝材料基材。其當然可以是任何其他類型的物品，比如包裝物，貨盤，次級包裝物，套件包裝(包括多個包裝物)，或者任何其他類型的產(chǎn)品。在這些情況下，激光感應區(qū)域可以設置成為斑塊或其他合適的形式。
此外，文中已經(jīng)描述了基板正在快速運行，并且打標也在飛快進行。當然作為替代，用來打標的基板可以保持固定，慢速移動或通過引導按次逐步移動。
權(quán)利要求
1.用激光(10 在提供有激光感應區(qū)域的基板(10 上進行激光打標的方法，所述激光感應區(qū)域適于在閾值能量水平(T)時被激活，該方法包括如下步驟通過供能元件(101)輻射整個激光感應區(qū)域給所述激光感應區(qū)域供能，并且將所述激光感應區(qū)域的一部分暴露在來自所述激光(10 的輻射中。其中所述供能元件設置為發(fā)射集中在特定波長中的輻射，并且其中組合的所述輻射導致超過所述閾值能量水平(T)的能量，從而使得所述激光感應區(qū)域在組合的輻射發(fā)生的所述部分被激活。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述基板(10 暴露于所述激光(10 前進行用所述供能元件(101)供能的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激光(102)屬于近紅外線類型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述激光(10 是二極管陣列激光。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述激光(10 是纖維激光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述供能元件(101)是紅外線輻射源或激光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中供能的所述步驟利用紅外線輻射源進行，所述紅外線輻射源被設置為發(fā)射波長范圍在0. 65-5. 6微米(μπι)之間的輻射，并且其中所述激光 (102)被設置為發(fā)射波長范圍在0. 65-5. 6微米(μπι)之間的輻射。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述激光感應區(qū)域包括激光感應的墨或涂料或顏料。
9.在提供有激光感應區(qū)域的基板(10 上進行激光打標的激光打標系統(tǒng)，所述激光感應區(qū)域適于在閾值能量水平(T)被激活，該設備包括適于輻射整個激光感應區(qū)域的供能元件(101)，和適于輻射所述激光感應區(qū)域的部分的激光(102)，其中組合的所述輻射導致超過所述閾值能量水平(T)的能量，從而使得所述激光感應區(qū)域在組合的輻射發(fā)生的所述部分被激活。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光打標系統(tǒng)，其中所述激光(102)屬于近紅外線類型。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光打標系統(tǒng)，其中所述激光(10 是二極管陣列激光。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光打標系統(tǒng)，其中所述激光(10 是纖維激光或纖維耦合二極管陣列激光。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光打標系統(tǒng)，其中所述供能元件(101)可以是下面任一種紅外線光源、激光束、閃光燈、熱空氣或熱流體。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求9-13中任一項所述的激光打標系統(tǒng)，其中所述激光感應區(qū)域包括激光感應的墨或涂料或顏料。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求9-14中任一項所述的激光打標系統(tǒng)，其中屬于包裝材料基材的所述基板(10 被設置為以每秒0. 2-15米范圍內(nèi)的速度通過所述激光打標系統(tǒng)。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求9-15中任一項所述的激光打標系統(tǒng)，其中所述供能元件(101) 和所述激光(10 相互關(guān)聯(lián)設置，使得所述基板(10 在通過所述供能元件(101)后隨即通過所述激光(102)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用激光在提供有激光感應區(qū)域的基板上激光打標的方法。所述激光感應區(qū)域適于在達到閾值能量水平(T)時被激活，該方法包括如下步驟通過供能元件輻射整個激光感應區(qū)域給激光感應區(qū)域供能，并且將所述激光感應區(qū)域的一部分暴露在所述激光輻射中，其中該供能元件設置為發(fā)射集中在特定波長的輻射，并且其中輻射的結(jié)合導致能量超過所述閾值能量水平(T)，從而在組合的輻射發(fā)生部分激光感應區(qū)域被激活。本發(fā)明也涉及到激光打標系統(tǒng)的實施方法。
文檔編號B41J2/44GK102497992SQ201080041640
公開日2012年6月13日 申請日期2010年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者塞西莉亞·伯耶松, 阿布卡西姆·舒爾瓦茨 申請人:利樂拉瓦爾集團及財務有限公司