JP2019037993A - レーザー加工方法、加工物、加工材料 - Google Patents

Abstract

【課題】経年劣化や改竄の可能性が低いコードを形成するレーザー加工方法を提供する。【解決手段】光透過性材料内部の所定位置にレーザーを照射し、所定情報が記録されたコードを形成する工程を有するレーザー加工方法。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザー加工方法、加工物、及び加工材料に関する。

レーザーを用いて材料表面を加工する技術が知られている。たとえば、非特許文献１には、レーザー加工により、材料表面にバーコードやデータマトリクス等（以下、「コード」）を形成する例が記載されている。

"レーザーマーキング加工"、［ｏｎｌｉｎｅ］、大和電機工業株式会社、［平成２９年７月５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.yamato-elec.co.jp/tech/＞

しかしながら、材料表面にコードを形成した場合、経年劣化によって認識できなくなったり、第三者によって改竄される恐れがある。

本発明の目的は、経年劣化や改竄の可能性が低いコードを形成するレーザー加工方法、及び当該方法を用いてコードを形成した加工物や加工材料を提供することにある。

上記目的を達成するための一の発明は、光透過性材料内部の所定位置にレーザーを照射し、所定情報が記録されたコードを形成する工程を有するレーザー加工方法である。
本発明の他の特徴については、本明細書の記載により明らかにする。

本発明によれば、経年劣化や改竄の可能性が低いコードを形成できる。

第１実施形態に係る加工システムの構成を示す模式図である。 第１実施形態に係る加工物を模式的に示した図である。 第１実施形態に係る加工物を模式的に示した図である。 第１実施形態に係るレーザー加工方法を示すフローチャートである。

＜第１実施形態＞
図１〜図４を参照して本実施形態に係るレーザー加工方法について説明を行う。本実施形態に係るレーザー加工方法は、光透過性材料内部の所定位置にレーザーを照射し、所定情報が記録されたコードを形成する。このようなレーザー加工方法は、加工システム１００により実施できる。図１は、加工システム１００及びＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００を示した図である。

＝＝加工システム＝＝
加工システム１００は、レーザーを用いて加工材料Ｍを加工することで加工物やコードを形成する。レーザーを用いることにより、加工材料Ｍに対して非接触での加工が可能となる。加工システム１００は、加工装置１及びコンピューター２を有する。但し、コンピューター２の果たす機能を加工装置１で実現することによって、加工システム１００が加工装置１単体で構成されてもよい。

加工材料Ｍは、レーザーを透過する材料（光透過性材料）を用いる。具体的には、ガラス材料や光透過性の高い樹脂材料（たとえば、アクリル樹脂）を用いる。加工材料Ｍの光透過率は１００％（透明）である必要はなく、材料内部の加工領域（後述）や所定位置（後述）までレーザーが届き、且つ材料内部に形成されるコード（後述）の読み取りが可能な程度の値であればよい。

加工物は、加工材料Ｍの加工領域にレーザーを照射することにより得られる。加工システム１００は、予め作成された加工データ（後述）に基づいて、加工材料Ｍの加工を行う。加工領域は、加工物の形成時にレーザーを照射する材料表面または材料内部の所定領域である。

本実施形態では、加工物としてマイクロ流体デバイスを例に説明を行う。マイクロ流体デバイスは、バイオ・生化学分野や化学工学において広く利用されている。マイクロ流体デバイスは、流体（たとえば、血液や試薬）をデバイス内に供給するためのポートや流体をデバイス外に排出するポート、及びそれらのポート間を連通する流路を備える。

図２は、３つのポートＰ１〜Ｐ３及び二股の流路部分Ｆを有するマイクロ流体デバイスＤの斜視図である。図２において、マイクロ流体デバイスＤの長手方向（奥行方向）をＸ方向とし、短手方向（幅方向）をＹ方向とし、縦方向（高さ方向）をＺ方向とする。

加工に使用するレーザーは特に限定されないが、材料内部の加工を行う際には超短パルスレーザーを用いることが好ましい。超短パルスレーザーは、一のパルス幅が数ピコ秒〜数フェムト秒のレーザーである。超短パルスレーザーを材料内部に短時間照射することにより、アブレーション加工（非熱加工）を行うことができる。アブレーション加工は、レーザーの照射により材料を溶融させる方法である。溶融した材料は、瞬時に蒸発、飛散し除去されるため、レーザーが照射された位置には空洞が形成される。アブレーション加工は、一般的な熱加工と比べ、熱による加工部分の損傷が少なく、またレーザーを照射が照射された位置のみを選択的に加工できる。

コードは、所定情報が記録された識別子である。コードは、たとえばバーコード、二次元のコード（ＱＲコード（登録商標）等）やデータマトリクス、或いは三次元コードである。所定情報は、たとえば加工物に関する加工情報である。具体的には、加工物の使用条件、加工物の取り扱いに関する注意事項等である。加工システム１００は、予め作成されたコード加工データ（後述）に基づいてレーザーを照射することにより、加工材料Ｍ内部の所定位置にコードを形成する。所定位置は、コードの加工時にレーザーを照射する材料内部の所定領域である。図３は、図２のマイクロ流体デバイスＤに対して二次元のコードＣが形成された例を示す。

利用者は、加工物に形成されたコードを公知の手法により読み取ることでコードに記録された情報を参照できる。たとえば、コードがＱＲコードの場合、利用者が所有する携帯端末にインストールしたＱＲコード読み取り用のアプリケーションソフトウエアを利用することでコードに記憶された情報を携帯端末上で確認できる。或いは、コードが微小な場合、顕微鏡等でコードを拡大した画像を取得し、その画像を携帯端末で読み取ることも可能である。

本実施形態に係る加工装置１は、５軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ回転軸（Ｘ軸回りの回転軸）、Ｂ回転軸（Ｙ軸回りの回転軸））の駆動軸を有する。加工装置１は、加工データやコード加工データに基づいて加工材料Ｍにレーザーを照射することにより加工材料Ｍ（加工材料Ｍの内部）をアブレーション加工する。図１に示すように、加工装置１は、照射部１０、調整部２０、保持部３０、及び駆動機構４０を含む。

照射部１０は、加工材料Ｍに対してレーザーを照射する。照射部１０は、レーザーの発振器１０ａ、及び発振器１０ａからのレーザー光を加工材料Ｍに集光させるためのレンズ群１０ｂ等を含む。レーザーの発振器１０ａは、加工装置１の外部に設けられていてもよい。

調整部２０は、レーザーの照射パターンを調整する。調整部２０は、たとえば、ガルバノミラー、フレネルレンズ、回折光学素子（ＤＯＥ）、フラグメンテーション加工用のビーム整形手段、空間光位相変調器（ＬＣＯＳ−ＳＬＭ）等の部材である。調整部２０は、照射部１０内において、たとえば、発振器１０ａとレンズ群１０ｂとの間に配置される。ある加工装置において使用できる照射パターンは、各装置が備える調整部２０の構成により決定される。

保持部３０は加工材料Ｍを保持する。加工材料Ｍを保持する方法は、保持された加工材料Ｍを５軸に沿って移動・回転させることができれば、特に限定されるものではない。

駆動機構４０は、照射部１０（調整部２０）及び保持部３０を相対的に移動させる。駆動機構４０は駆動用のサーボモータ等を含む。

コンピューター２は、加工装置１が備える各種構成の動作を制御する。具体的に、コンピューター２は、コード加工データに基づき、材料内部の所定位置にレーザーを照射してアブレーション加工を行い、コードを形成するよう照射部１０及び駆動機構４０を制御する。また、コンピューター２は、加工データに基づき、材料表面または材料内部の加工領域にレーザーを照射してアブレーション加工を行い、加工物を形成するよう照射部１０及び駆動機構４０を制御する。この際、コンピューター２は、コードの所定位置が加工領域と重複しないようレーザーの照射を行う。

なお、加工物またはコードの加工が可能であれば、加工システム１００は５軸である必要はない。たとえば、照射部１０をＺ方向に駆動させる駆動軸、保持部３０をＸ方向及びＹ方向に駆動させる駆動軸の３軸の加工装置を用いることも可能である。また、調整部２０は必須の構成ではない。調整部２０がない場合、照射部１０から照射されるレーザーは単焦点となるため、加工領域や所定位置に対して点として照射される。このように加工領域や所定位置の加工を点（点群）で行う場合、調整部２０を有する場合に比べ加工時間を要するが、より細かい加工が可能となるため、高精度の加工物や、読み取り精度の高いコードを形成することができる。

＝＝ＣＡＤ／ＣＡＭシステム＝＝
ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、加工システム１００で使用するコード加工データ及び加工データを作成する。

コード加工データは、材料内部の所定位置に、所定情報が記録されたコードを形成する際に加工システム１００で用いられるデータである。

具体的に、コード加工データは、コードの画像データをドットに変換（２値化）したものである。各ドットは、材料内部におけるコードの形成位置（所定位置）を示すＸＹＺの座標値で特定される。たとえば、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、加工材料Ｍの形状データを参照し、加工材料Ｍ内部における各ドットの位置（座標値）を調整することで、コード加工データを作成する。

なお、コード加工データの元となる画像データの作成は、バーコードやＱＲコード等の画像データを作成する際に用いられる公知の手法により実施できる。

また、材料内部に形成されたコードを読み取る際、その背面にレーザー加工された領域（加工領域に相当する領域）があると、コードが読み取り難くなる場合がある。そこで、コード加工データを作成する際、コードの所定位置が加工領域と重複しないようコードの座標値を調整することが好ましい。この際、コードの読み取り方向において、コードと加工領域が重複しないようにすることがより好ましい。たとえば、図３に示すような２次元のコードＣであれば、Ｚ方向から読み取りを行うことが一般的である。この場合、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、Ｚ方向から見た場合にコードＣと加工領域（流路部分Ｆ及びポートＰ１〜Ｐ３に相当する領域）が重複しないように、コードＣの座標値を調整する。すなわち、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、コードＣのＸＹの座標値と加工領域のＸＹの座標値が重ならないよう調整する。

また、図３の例では、マイクロ流体デバイスＤのＸＹ平面と平行になるようにコードＣが形成されているが、コードＣは、特定の平面と平行である必要は無い。たとえば、図３の例において、コードＣがＺ方向に所定の傾き（コードＣの読み取りが可能な範囲の傾き）をもって形成されていてもよい。

加工データは、材料を加工して加工物を得る際に加工システム１００で用いられるデータである。

具体的に、加工データは、加工領域を特定するためのデータである。加工領域は、加工材料に対するレーザー照射位置を示すＸＹＺの座標値で特定される。たとえば、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、図２に示したマイクロ流体デバイスＤの流路部分Ｆ及びポートＰ１〜Ｐ３の形状データに基づいて加工領域を抽出し、加工データを作成する。

なお、コード加工データ及び加工データは、照射パターンデータを含んでいてもよい。照射パターンデータは、所定位置や加工領域に対するレーザーの照射方法を決定するためのデータである。また、コード加工データ及び加工データは、照射パターン以外のレーザーの出力に関する情報（レーザーの照射時間、強度等）や加工精度に関する情報、加工後の仕上げ処理に関する情報を含んでいてもよい。

ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、上述の流路部分Ｆ及びポートＰ１〜Ｐ３の形状データ（流路部分Ｆ及びポートＰ１〜Ｐ３のＸＹＺ方向における座標値、形状、直径等）や、マイクロ流体デバイスＤの元となる加工材料Ｍの形状データを予め有している。これらのデータは、たとえば、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００で作成されてもよいし、他のコンピューターで作成されたデータをＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００に転送することでもよい。

ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、作成したコード加工データ及び加工データを加工システム１００に出力する。出力されるデータの形式は、加工システム１００で使用できるものであれば特に限定されない。

＝＝加工システムによる加工＝＝
以下、図４を参照して、本実施形態に係るレーザー加工方法の具体例について説明する。この例では、加工材料Ｍを加工して図２に示すマイクロ流体デバイスＤを形成する際に、当該デバイス内部にコードを形成する例について述べる。マイクロ流体デバイスＤの加工データ及びコード加工データはＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００により予め作成されている。レーザー加工方法は、加工システム１００によって実行される。このようなレーザー加工方法は、専用の加工プログラムとして、加工システム１００に予めインストールされている。

まず、使用する加工材料Ｍを選択し、加工装置１の保持部３０にセットする（加工材料のセット。Ｓ１０）。加工材料Ｍは、加工データ等を作成する際に使用した形状データ（外形）に対応する形状であることが好ましい。

コンピューター２は、マイクロ流体デバイスＤの加工データに基づいて、加工装置１に加工材料Ｍの加工を実行させる。

具体的には、コンピューター２は、加工データに基づいて、加工領域に対してレーザーの照射を行うよう加工装置１を制御する（加工領域へレーザーを照射。Ｓ１１）。

コンピューター２は、レーザーの焦点位置が加工領域に合うよう調整を行う。具体的には、コンピューター２は、照射部１０及び駆動機構４０の相対的な位置を調整したり、照射部１０に含まれるレンズ群の向きや角度、調整部２０の状態等を調整する。なお、焦点位置等の調整は、加工材料の屈折率を考慮して行われることが好ましい。レーザーの焦点位置と加工領域とを一致させた後、コンピューター２は、加工領域に対して所定の照射パターンでレーザーを照射させる。

全ての加工領域へのレーザー照射を行うことにより、内部に空洞（流路部分Ｆ及びポートＰ１〜Ｐ３）が形成されたマイクロ流体デバイスＤが得られる（加工物の完成。図２参照。Ｓ１２）。

次に、コンピューター２は、コード加工データに基づいて、Ｓ１２で完成したマイクロ流体デバイスＤの内部にコードを形成するよう、加工装置１を制御する。加工装置１は、コード加工データが示す所定位置に対してレーザーを照射する（所定位置にレーザーを照射。Ｓ１３）。その結果、マイクロ流体デバイスＤの内部にコードが形成される（コードの形成。図３参照。Ｓ１４）。

なお、コード加工データにおいてコードの所定位置が加工領域と重複しないよう調整されている場合、コンピューター２は、Ｓ１２で完成したマイクロ流体デバイスＤの流路部分Ｆ及びポートＰ１〜Ｐ３とコードとが重複しないよう、加工装置１を制御する。加工装置１は、コードの所定位置が流路部分Ｆ及びポートＰ１〜Ｐ３に相当する加工領域と重複しないようレーザーの照射を行う。

また、上記例では、マイクロ流体デバイスＤを形成した後、コードＣを形成する例について述べたが、先にコードＣを形成した後、マイクロ流体デバイスＤを形成することでもよい。

このように、本実施形態に係るレーザー加工方法によれば、光透過性の加工材料Ｍ内部の所定位置にレーザーを照射し、所定情報が記録されたコードを形成することができる。加工材料Ｍの内部に形成されたコードは、加工物の管理状態や保存状態の影響を受け難く、また第三者が直接触れることが困難である。すなわち、本実施形態に係るレーザー加工方法によれば、加工材料に形成されるコードの経年劣化や改竄の可能性を低減できる。

また、加工物に関する加工物情報を所定情報としてコードに記録することにより、加工物に関する各種情報を加工物と一体で管理できる。このようなコードを読み取るだけで、作業者は、加工物の使用条件や使用時の注意事項等を容易に把握できる。

また、本実施形態に係るレーザー加工方法によれば、コードを形成する工程において、コードの所定位置が加工領域と重複しないようレーザーの照射を行うことができる。このようにコードが形成される位置を加工領域と重複しないようにすることで、レーザー加工された領域の影響でコードを読み取れないという問題が生じない。

また、本実施形態に係るマイクロ流体デバイスＤ（加工物）は、光透過性の加工材料Ｍを加工した加工物であって、加工材料Ｍ内部の所定位置に所定情報が記録されたコードＣが形成されている。このようにマイクロ流体デバイスＤの内部に形成されたコードＣは、経年劣化や改竄される可能性が低い。

＜変形例＞
なお、本実施形態では、加工システム１００により形成された加工物に対してコードを形成する例について述べたがこれに限られない。たとえば、市販されている光透過性材料で形成された加工物（マイクロ流体デバイス等）に対し、加工システム１００を用いて所定情報が記憶されたバーコードを形成してもよい。また、加工物は、レーザー加工により得られたもので無くともよい。たとえば一般的な切削加工により得られた加工物に対し、本実施形態に係るレーザー加工方法によって、コードを形成することも可能である。

また、たとえば、図２に示すようなマイクロ流体デバイスＤを実際の医療現場や研究室で使用した場合、使用日時や使用の有無、或いは検査結果等の情報を記録しておく必要がある。この際、当該情報をコンピューター等で別途管理する方法や、当該情報をマイクロ流体デバイスＤの表面に直接書き込む方法等が用いられる。しかし、コンピューターで管理する方法の場合、情報とマイクロ流体デバイスＤとの対応関係を別途識別ＩＤ等で管理する必要があり煩雑である。また、マイクロ流体デバイスＤに直接書き込む方法では、記入するスペースの問題や、記入された情報が劣化したり、改竄される可能性がある。

そこで、上記実施形態のレーザー加工方法を用い、加工物を使用した際に得られた使用情報を記録したコードを加工物内部に形成することも可能である。使用情報は、たとえば、使用日時、使用状態（使用の有無等）、検体や患者を識別する情報、検査結果や測定結果等である。使用情報は「所定情報」の一例である。

使用情報を記録したコードは、加工物内部において、加工領域と重複しない部分に形成されることが好ましい。また、たとえば、図３に示したマイクロ流体デバイスＤのように、既にコードが形成されている加工物に対して新たに使用情報を記録したコードを形成することも可能である。この場合、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００は、既に形成されているコードと重複しない位置に使用情報を記録したコードが形成されるよう調整を行ったコード加工データを作成する。

このように、光透過性の加工材料Ｍの加工領域にレーザーを照射することにより得られる加工物を使用した際に得られた使用情報を所定情報としてコードに記録することにより、加工物の使用に関する各種情報を加工物と一体で管理できる。このようなコードを読み取るだけで、作業者は加工物の使用状況等を容易に把握できる（所謂、トレーサビリティーが向上する）。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るレーザー加工方法について説明を行う。第１実施形態では、加工物に対してコードを形成する例について述べた。一方、加工する前の加工材料に対してコードを形成し、当該コードを読み取ることで加工物を形成することも可能である。以下、本実施形態の具体例について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については詳細な説明を省略する。

本実施形態に係るレーザー加工方法は、光透過性材料内部の所定位置にレーザーを照射し、加工情報が記録されたコードを形成する工程を有する。

加工情報は、光透過性材料の加工領域にレーザーを照射することにより得られる加工物を形成するための情報である。加工情報は、加工物を形成するための加工データ（第１実施形態参照）、加工時の注意点、加工材料の材質や物性等、材料の加工に必要な工具等、加工物の形成に使用する情報である。加工情報は「所定情報」の一例である。

このように、加工材料に加工情報を示すコードが形成されている場合、加工システム１００は、当該コードを読み取り、コードに記録された加工情報に基づいて加工物を形成することができる。

この場合、加工装置１は、コードを読み取るための機構を備える。また、コンピューター２は、読み取ったコードを解析し、加工材料の加工を行うよう加工装置１を制御する。加工装置１は、加工データが示す加工領域に対してレーザーを照射し、加工物を形成する。

このように、加工物を形成するための加工情報を所定情報としてコードに記録することにより、加工材料自体に加工データ等を持たせることができる。また、本実施形態に係るレーザー加工方法によれば、加工情報に基づいて光透過性材料の加工領域にレーザーを照射し、加工物を形成することができる。従って、ＣＡＤ／ＣＡＭシステム２００側で新たな加工データ等を作成する必要が無い。

また、本実施形態に係る加工材料は、加工物の形成に使用される光透過性材料であって、材料内部の所定位置に、加工物を形成するための加工情報が記録されたコードが形成されている。このように加工材料の内部に形成されたコードは、経年劣化や改竄される可能性が低い。

なお、加工材料に形成されたコードを読み取って加工することにより得られた加工物に対し、第１実施形態及びその変形例で説明した所定情報（加工物情報、使用情報）が記録されたコードを形成することも可能である。

＝＝その他＝＝
上記実施形態のレーザー加工方法を実施する加工プログラムが記憶された非一時的なコンピューター可読媒体（non-transitory computer readable medium with an executable program thereon）を用いて、コンピューターにプログラムを供給することも可能である。なお、非一時的なコンピューターの可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）等がある。

上記実施形態は、発明の例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。上記の構成は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 加工装置
２ コンピューター
１０ 照射部
２０ 調整部
３０ 保持部
４０ 駆動機構
１００ 加工システム
Ｃ コード
Ｄ マイクロ流体デバイス

Claims (8)

1. 光透過性材料内部の所定位置にレーザーを照射し、所定情報が記録されたコードを形成する工程を有するレーザー加工方法。
2. 前記所定情報は、前記光透過性材料の加工領域にレーザーを照射することにより得られる加工物に関する加工物情報を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザー加工方法。
3. 前記所定情報は、前記光透過性材料の加工領域にレーザーを照射することにより得られる加工物を使用した際に得られた使用情報を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザー加工方法。
4. 前記所定情報は、前記光透過性材料の加工領域にレーザーを照射することにより得られる加工物を形成するための加工情報を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザー加工方法。
5. 前記加工情報に基づいて前記加工領域にレーザーを照射し、前記加工物を形成する工程を有することを特徴とする請求項４記載のレーザー加工方法。
6. 前記コードを形成する工程において、前記コードの所定位置が前記加工領域と重複しないようレーザーの照射を行うことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載のレーザー加工方法。
7. 光透過性材料を加工した加工物であって、
   光透過性材料内部の所定位置に所定情報が記録されたコードが形成されている加工物。
8. 加工物の形成に使用される光透過性材料であって、
   光透過性材料内部の所定位置に、前記加工物を形成するための加工情報が記録されたコードが形成されている加工材料。

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