CN102497992A - 激光打标方法和激光打标系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用激光在提供有激光感应区域的基板上激光打标的方法。所述激光感应区域适于在达到阈值能量水平(T)时被激活，该方法包括如下步骤：通过供能元件辐射整个激光感应区域给激光感应区域供能，并且将所述激光感应区域的一部分暴露在所述激光辐射中，其中该供能元件设置为发射集中在特定波长的辐射，并且其中辐射的结合导致能量超过所述阈值能量水平(T)，从而在组合的辐射发生部分激光感应区域被激活。本发明也涉及到激光打标系统的实施方法。

Description

激光打标方法和激光打标系统

技术领域

本发明涉及激光打标方法和激光打标系统。

背景技术

用字母数字编号或代号、二维条码、标志、文字、图片等对诸如包装材料等基板进行打标有不同的方式。其中一种方式是用激光技术；也就是用激光和激光感应的(laser sensitive)墨、涂料或颜料。在下文中这样的技术称作“激光打标”。

已公布的文件SE 0800601介绍了在具有核心纸层或纸板的包装材料上的激光打标。

激光感应的墨或涂料，在下文中称作“墨”，是由激光吸收剂和成色剂混合而成的。当暴露在激光下时，墨中的激光吸收剂吸收光子能量并且产生热量，热量使成色剂改变颜色。

像包装材料这样的基板上可以设置激光感应区，即设置有这种激光感应的墨、涂料或颜料的区域，然后打标设备通过激光给包装材料的每个部位打上独特的印记或标志和/或可以立即改变的印记。

优选地，这种打标机或打标设备需要能够执行高速地且高分辨率地打印。如今的灌装机使包装材料基材以每秒1.2米的速度运行。

目前市场上出现了不同的激光打标系统。然而，这些设备速度太慢或分辨率太低。为了在高分辨率下高速打标，激光二极管阵列似乎是最好的选择。不过，目前在市场上的激光二极管阵列是有效功率低于或在0.5瓦左右的低能量激光。这些已经被证明是不能满足需要的。人们已经意识到在高于一米每秒的速度下这样的功率已经不足以打标了。

进而，除了激光二极管阵列，激光设备还需要反光(reflection)装置，比如高速扫描器(Galvanometer scan)。这个设备也会限制打标速度和分辨率。目前，含有高速扫描器的设备不适用于在每秒1.2米的高速度下打标。

如今没有任何高能量激光二极管阵列(有效功率在0.5瓦以上的激光)可以在市场上买到。激光二极管阵列可以变成高能激光，但是由于二极管在单片阵列中不能彼此充分靠近地安装，导致其只能提供低分辨率。另一个问题是激光的冷却装置问题。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种在有激光感应区域的基板上进行激光打标的方法。所述激光感应区域能用低能量激光在阈值能量水平激活。本方法提供了一种能在高速高分辨率的情况下打标的可能。本方法包括通过供能元件辐射整个激光感应区域给激光感应区域供能，并且将所述激光感应区域的一部分暴露在所述激光辐射中的步骤，其中该供能元件配置成发射集中在特定波长的辐射，并且其中组合的(combined)辐射导致能量超过所述阈值能量水平，从而使得激光感应区域在组合的辐射出现的部分被激活。

本创造性方法会在权利要求2-8中进一步定义。

本发明也涉及到激光打标系统。

激光打标系统会在从属权利要求10-16中进一步定义。

附图说明

将参考附图对实施方式进行更详细的描述，

图1是显示根据本发明的能量水平的示意图，并且

图2是目前优选的实施方式的示意图。

具体实施方式

开头提到的激光感应的墨或涂料，在下文中指称“墨”，通常是由激光吸收剂和成色剂混合而成的。当暴露在激光下时，墨中的光吸收剂吸收光子能量并且产生热量，该热量激发或激活成色剂改变其颜色。通过这种方法可以在基板上打标。

一些激光感应的墨是热感应型的，通过热量来激活，还有一些是波长感应型的，如果暴露在某些波长下其会被激活。在具体实施方式的说明中会用到词语“辐射”，并且应理解该词语同时包含热辐射形式的辐射和特定波长辐射形式的辐射，这取决于提供辐射的源。

激活墨，也就是使墨改变颜色，需要一定数量的能量。图1中，显示了给基板的激光感应区域提供能量的基本原理。优选地，基板还包含不感应激光辐射的区域，这样激光标志可以打在基板的特定的和预定的区域上。在阈值水平T时颜色会开始发生变化。例如高速灌装机在达到大约1.2米每秒的速度下运行包装材料基材时，就会发现用如今的低能量激光很难提供必要的能量。

本发明中解决该问题的方法是通过供能元件辐射给激光感应区域供能(energize)，并将所述激光感应区域暴露在激光辐射下的步骤解决的。辐射的组合导致能量通过所述阈值能量水平T，这样发生组合辐射的激光感应区域就会被激活。

图1中所示的实施方式中，激光感应区域预供能至少于阈值能量水平T的能量水平。这意味着激光感应的墨“预装载”了必要能量的主要部分。然而，整个感应区域将被供能，而不仅仅是被标志的点。因此最好不要全程提供达到阈值水平T的能量，而要与该水平保持差距。

预供能步骤之后，激光感应区域可暴露在辐射下以正式进行打标。因此，激光会提供至少能够超过阈值能量水平T所需额外(rest)能量，即激活激光感应区域所需的额外能量。在图1中这数量的能量由L表示。这些能量只辐照在激光感应区域中颜色需要改变的那些点上，即需要进行打标的地方。激光提供了足够超过阈值能量水平T的能量，优选足够超过该水平的程度显著以确保会发生颜色改变，并形成标志和背景之间所需的对比度。

基板激光感应区域在预供能步骤吸收的能量不会存留在材料中，而是会很快消失。因此，如果预供能以后立即将基板暴露在激光下，则是有利的。

运用本发明中的方法时，可以使用几种类型的激光以进行高速和高分辨率的打标。一种可以使用的激光类型是近红外线的，比如激光二极管阵列，纤维耦合二极管阵列，或纤维激光。激光二极管阵列，是由数个二极管紧密结合而制成的，可以在波长为650-5500纳米的范围内工作。进而，CO₂激光可以替代使用，Nd:YAG激光也是这样。

根据该方法，供能步骤是通过供能元件进行的。例如，供能可以通过以下任何源进行：红外线辐射源，或激光。其他供能元件也是可以的，比如热空气或热流体。当选择供能元件时，一方面，应当优选能将能量均匀散布在激光感应区域的供能元件。另一方面，供能元件所提供的能量是可控制的，这样不会导致意外的超过阈值能量水平T。总的来说，选择供能元件应当考虑激光感应的墨的成分、将被供能的基板的结构和感应度。如果使用波长感应墨，则供能元件优选宽激光束或红外线光源。

在优选的实施方式中，红外线光源可用作为供能元件。这种红外线光源可以提供狭窄频率区间的电磁辐射，其中射出能量的主要部分集中在峰值波长上。比如，商用红外线发光二极管的峰值波长为2.6微米，这种能量根据高斯分布图(Gaussian profile)在1.9和3.3微米之间。被设计为有不同的峰值波长和不同的FWHM的其他红外线光源在本技术领域也是公知的。

红外线加热是以电磁波的形式转变为热能。热源，比如石英灯，石英管或金属棒，会通过电子震动和旋转产生电磁辐射。该源对物体发出峰值波长的辐射。该物体能吸收某些波长的辐射并且反射或重新发出其他波长的辐射。所吸收的辐射在物体内部产生热量。这种类型的加热器的效率可超过80％。红外线加热有不同的效率，波长和反射率。这些特点将这种类型与其他加热器区分，并使这种类型的加热器中的一些在某些应用上比其他加热器更有效率。红外线加热器有用的波长范围在电磁波谱中为0.7-10微米内并且被分为三组：短波长(0.72-1.5微米)，中波长(1.5-5.6微米)和长波长(5.6-10微米)。已发现，短波长和中波长红外线源可以与二极管阵列激光和纤维耦合二极管激光适当组合，纤维耦合二极管激光发射的辐射的波长范围在0.65-5.6微米(μm)内。

激光感应的墨已经说明了。然而，应了解激光感应区域中的激光感应不需要依靠施加墨和涂料来提供。激光感应区域可以通过在基板上施加激光感应颜料来提供。以具有核心纸层或纸板和聚合物的外层为例，可以提供激光感应的墨或涂料以便其被最外层的聚合物层保护。在使用颜料的情况下，颜料可以替代地嵌入包装层压板的聚合物保护层中。因此，在两个例子中，激光感应区域都是通过聚合物层来保护的。既然可以选择供能元件以便红外线源的峰值发射波长穿过外层聚合物而不被吸收，因而这样的实施方式是更加有利的。由此，在聚合物层中没有或只有少量热量会流失，并且所发出的能量中的主要部分将被激光感应区域中的活性成分吸收。因此，使供能元件的峰值波长与激活或激发激光感应的墨的活性成分所需的波长相匹配，或与保护性聚合物层的透射光谱相匹配，这可能是优选的。这种特定的实施方式有助于整体上降低在基板上打标所耗费的能量。

例如，如果保护性聚合物层是由低密度聚乙烯制成的，则这种层增加了例如对在大约3-3.5微米范围的波长的吸收。因此，在选择所需设备，包括选择激光感应的墨时，应避免那些波长。如果保护层是由聚丙烯制成的，也同样适用。

按照特定的实施方式，提供了用激光102在基板上激光打标的方法。基板103被提供有激光感应区，该激光感应区由至少对一种波长有显著吸收率的聚合物层保护的激光感应区域，所述激光感应区域在阈值能量水平T时可以激活。本方法包括如下步骤：

所述激光感应区域通过供能元件101辐射整个激光感应区域来供能，和

将所述激光感应区域的一部分暴露在所述激光102的辐射下，

其中所述供能元件被配置成辐射集中在特定波长的辐射，所述特定波长与保护层吸收波长不同，并且其中组合的辐射形成穿过所述阈值能量水平T的能量，从而在发生组合辐射的部分激光感应区域会被激活。

供能元件发出的特定波长可以接近或等于激光的发射波长。词语“接近”在本文中可以看作为供能元件发出的辐射在某种程度上与激光的发射波长是重叠的。

本发明还包括激光打标系统，该激光打标系统用于对提供有激光感应区域的基板进行激光打标。图2中示意性的示出了该设备。该设备是用来实现前述方法的，并且将不会进行详细描述。前述方法已有涉及。

简言之，本设备的实施方式包括供能元件101，其用于给激光感应区域预供能至低于阈值能量水平T的能量水平。进而，这个设备包括能提供至少超过阈值能量水平T所需的额外能量的激光102以便激活激光感应区域。

供能元件101和激光102相互关联放置，以便诸如包装材料基材之类基板103在通过供能元件101以后立即通过激光102。基材的运动方向由箭头X表示。

下面，会描述两个不同的实验作为一些实施方式中激光打标方法的例子。在两个步骤中，具有峰值发射波长为1000纳米的红外线卤素灯会被作为供能元件，并且以峰值波长为1070纳米的激光运行的激光被用在打标系统中。用两种不同的激光感应的墨，两者都可以通过吸收1070纳米的辐射而被激活。激活由颜色从透明变为黑色表示。两个实验的进行都参考了背景测量结果，其中光密度测量时不用红外线卤素灯。

例子1：

在基板8*7毫米的区域内涂上墨A。激光能量密度分别设为1.4和2.0焦耳/平方厘米，红外线卤素灯功率密度被设为0.79瓦/平方厘米。对应于不同激光能量密度下红外线曝光时间测量光密度。测试结果表明，利用1.4焦耳/平方厘米的激光能量密度连同红外线供能元件，得到0.6的光密度。这相当于使用了2.6焦耳/平方厘米的背景激光能量密度，即打标所需的激光能量减少了46％。

进而，测试结果表明，利用2.0焦耳/平方厘米的激光能量密度连同红外线供能元件，得到0.75的光密度。这相当于使用了2.8焦耳/平方厘米的背景激光能量密度，即打标所需的激光能量减少了29％。

例子2：

在基板8*7毫米的区域内涂上墨B。激光能量密度分别设为0.38和0.6焦耳/平方厘米，红外线卤素灯功率被设为0.79瓦/平方厘米。然后对应于在不同激光能量密度下的红外线曝光时间测量光密度。测试结果表明，利用0.38焦耳/平方厘米的激光能量密度连同红外线供能元件，得到1.0的光密度。这相当于使用了0.6焦耳/平方厘米的背景激光能量密度，即打标所需的激光能量减少了36％。

进而，测试结果表明，利用0.6焦耳/平方厘米的激光能量密度连同红外线供能元件，得到2.2的光学密度。这相当于使用了1.4焦耳/平方厘米的背景激光能量，即打标所需的激光能量减少了57％。

虽然本发明根据当前的优选实施方式进行了描述，但是应当理解可以做出各种修改和变化而不背离如所附权利要求中所定义的本发明的目标和范围。

文中已经描述了在基板103暴露于激光102前先由供能元件101进行供能的步骤。然而，应该理解步骤可以替代为在基板103暴露于激光102后，再给供能元件101进行供能。这个可以通过扭转图2中的箭头X来表示，使得基板103向相反方向移动。另一个选择是供能元件101和激光102同时辐射激光感应区域，或来自每个各自的源的辐射至少部分地适时彼此重叠。激光打标系统当然可以做出相应的改变。

实施方式中已经描述了基板是包装材料基材。其当然可以是任何其他类型的物品，比如包装物，货盘，次级包装物，套件包装(包括多个包装物)，或者任何其他类型的产品。在这些情况下，激光感应区域可以设置成为斑块或其他合适的形式。

此外，文中已经描述了基板正在快速运行，并且打标也在飞快进行。当然作为替代，用来打标的基板可以保持固定，慢速移动或通过引导按次逐步移动。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.用激光(102)在提供有激光感应区域的基板(103)上进行激光打标的方法，所述激光感应区域包含激光感应的墨或涂料或颜料并且适于在阈值能量水平(T)时被激活，该方法包括如下步骤：

通过供能元件(101)辐射整个激光感应区域给所述激光感应区域供能，并且

将所述激光感应区域的一部分暴露在来自所述激光(102)的辐射中。

其中所述供能元件设置为发射集中在特定波长中的辐射，并且其中组合的所述辐射导致超过所述阈值能量水平(T)的能量，从而使得所述激光感应区域在组合的辐射发生的所述部分被激活。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述基板(103)暴露于所述激光(102)前进行用所述供能元件(101)供能的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光(102)属于近红外线类型。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述激光(102)是二极管阵列激光。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述激光(102)是纤维激光。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述供能元件(101)是红外线辐射源或激光束。

7.根据权利要求6所述的方法，其中供能的所述步骤利用红外线辐射源进行，所述红外线辐射源被设置为发射波长范围在0.65-5.6微米(μm)之间的辐射，并且其中所述激光(102)被设置为发射波长范围在0.65-5.6微米(μm)之间的辐射。

8.在提供有激光感应区域的基板(103)上进行激光打标的激光打标系统，所述激光感应区域包括激光感应的墨或涂料或颜料并且适于在阈值能量水平(T)被激活，该设备包括：

适于辐射整个激光感应区域的供能元件(101)，和

适于辐射所述激光感应区域的部分的激光(102)，其中组合的所述辐射导致超过所述阈值能量水平(T)的能量，从而使得所述激光感应区域在组合的辐射发生的所述部分被激活。

9.根据权利要求8所述的激光打标系统，其中所述激光(102)属于近红外线类型。

10.根据权利要求8所述的激光打标系统，其中所述激光(102)是二极管阵列激光。

11.根据权利要求8所述的激光打标系统，其中所述激光(102)是纤维激光或纤维耦合二极管阵列激光。

12.根据权利要求8所述的激光打标系统，其中所述供能元件(101)可以是下面任一种：红外线光源、激光束、闪光灯、热空气或热流体。

13.根据前述权利要求8-12中任一项所述的激光打标系统，其中属于包装材料基材的所述基板(103)设置为以每秒0.2-15米范围内的速度通过所述激光打标系统。

14.根据前述权利要求8-13中任一项所述的激光打标系统，其中所述供能元件(101)和所述激光(102)相互关联设置，使得所述基板(103)在通过所述供能元件(101)后随即通过所述激光(102)。

Claims (16)

1.用激光(102)在提供有激光感应区域的基板(103)上进行激光打标的方法，所述激光感应区域适于在阈值能量水平(T)时被激活，该方法包括如下步骤：

通过供能元件(101)辐射整个激光感应区域给所述激光感应区域供能，并且

将所述激光感应区域的一部分暴露在来自所述激光(102)的辐射中。

其中所述供能元件设置为发射集中在特定波长中的辐射，并且其中组合的所述辐射导致超过所述阈值能量水平(T)的能量，从而使得所述激光感应区域在组合的辐射发生的所述部分被激活。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述基板(103)暴露于所述激光(102)前进行用所述供能元件(101)供能的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光(102)属于近红外线类型。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述激光(102)是二极管阵列激光。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述激光(102)是纤维激光。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述供能元件(101)是红外线辐射源或激光束。

7.根据权利要求6所述的方法，其中供能的所述步骤利用红外线辐射源进行，所述红外线辐射源被设置为发射波长范围在0.65-5.6微米(μm)之间的辐射，并且其中所述激光(102)被设置为发射波长范围在0.65-5.6微米(μm)之间的辐射。

8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述激光感应区域包括激光感应的墨或涂料或颜料。

9.在提供有激光感应区域的基板(103)上进行激光打标的激光打标系统，所述激光感应区域适于在阈值能量水平(T)被激活，该设备包括：

适于辐射整个激光感应区域的供能元件(101)，和

适于辐射所述激光感应区域的部分的激光(102)，其中组合的所述辐射导致超过所述阈值能量水平(T)的能量，从而使得所述激光感应区域在组合的辐射发生的所述部分被激活。

10.根据权利要求9所述的激光打标系统，其中所述激光(102)属于近红外线类型。

11.根据权利要求9所述的激光打标系统，其中所述激光(102)是二极管阵列激光。

12.根据权利要求9所述的激光打标系统，其中所述激光(102)是纤维激光或纤维耦合二极管阵列激光。

13.根据权利要求9所述的激光打标系统，其中所述供能元件(101)可以是下面任一种：红外线光源、激光束、闪光灯、热空气或热流体。

14.根据前述权利要求9-13中任一项所述的激光打标系统，其中所述激光感应区域包括激光感应的墨或涂料或颜料。

15.根据前述权利要求9-14中任一项所述的激光打标系统，其中属于包装材料基材的所述基板(103)被设置为以每秒0.2-15米范围内的速度通过所述激光打标系统。

16.根据前述权利要求9-15中任一项所述的激光打标系统，其中所述供能元件(101)和所述激光(102)相互关联设置，使得所述基板(103)在通过所述供能元件(101)后随即通过所述激光(102)。

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