JP4611828B2

JP4611828B2 - レーザ印字方法およびレーザ印字装置

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Publication number: JP4611828B2
Application number: JP2005208442A
Authority: JP
Inventors: 隆之荻野
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-07-19
Also published as: JP2007021543A

Description

本発明は、レーザ印字方法に関し、特に微小間隔で平行に照射されるレーザ光により曲面（非平面）に印字するレーザ印字方法に関する。

本出願人は、内視鏡関連部品の表面に明瞭に印字するため、該関連部品の外皮に、レーザ光が照射されたとき、レーザエネルギによって発色する特定の発色剤を含有させた発明を提案した（特許文献１）。この発明によれば、レーザ光を印字情報に応じてオンオフ変調することにより、高い視認性で印字することができる。
特開２００４-１９５０３０号公報

このようなレーザ印字は、スキャニング技術により、レーザ光を微小間隔で平行に照射するのが一般的である。ところが、内視鏡関連部品は、曲面が多いため、単に微小間隔で平行に照射すると、曲面のきつい部分では照射間隔が広がってしまい、明瞭な印字が得られないことが分かった。
従って本発明は、曲面に対してレーザ光のエネルギで明瞭に印字できるレーザ印字方法を得ることを目的とする。

本発明のレーザ印字方法は、軸直交断面における接線が、基準平面に対して交差する曲面印刷面であって、該曲面印刷面上の異なる点における該接線と基準平面との交差角が変化する曲面印刷面に、前記基準平面に直交する方向からレーザ光を照射して印字するレーザ印字方法であって、前記曲面印刷面の曲面形状データを入力するステップ；入力された曲面形状データを利用して、前記基準平面と該基準平面に対して交差する曲面印刷面の各接線との交差角を算出し、算出した交差角に応じて、前記基準平面における隣り合うレーザ光の照射間隔を、前記曲面印刷面における隣り合うレーザ光の照射間隔が略等間隔となるように設定するステップ；及び設定された照射間隔に従い、前記曲面印刷面に対してレーザ光を互いに平行に照射しながら、印字情報に応じてオンオフ変調して印字するステップ；を有することを特徴としている。

本発明のレーザ印字装置は、軸直交断面における接線が、基準平面に対して交差する曲面印刷面であって、該曲面印刷面上の異なる点における該接線と基準平面との交差角が変化する曲面印刷面に、前記基準平面に直交する方向からレーザ光を照射して印字するレーザ印字装置であって、前記曲面印刷面にレーザ光を照射するレーザユニット；前記曲面印刷面の曲面形状データを入力する形状データ入力手段；前記形状データ入力手段に入力された曲面形状データを利用して、前記基準平面と該基準平面に対して交差する曲面印刷面の各接線との交差角を算出し、算出した交差角に応じて、前記基準平面における隣り合うレーザ光の照射間隔を、前記曲面印刷面における隣り合うレーザ光の照射間隔が略等間隔となるように設定する照射間隔設定手段；及び前記照射間隔設定手段により設定された照射間隔に従い、前記レーザユニットに、前記曲面印刷面に対してレーザ光を互いに平行に照射しながら、印字情報に応じてオンオフ変調して印字させる制御手段；を有することを特徴としている。

印字媒体は、例えば、合成樹脂材料に、レーザ光が照射されたとき発色する発色剤を含有させたものを用いることができる。

発色剤は、ＴｉＮｘＯｙ（ただし、０．１≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．９）であることが好ましい。

合成樹脂材料は、少なくとも、ポリウレタン系、ポリスチレン系、ポリエステル系、ポリオレフィン系の熱可塑性エラストマー、ポリエチレン、ポリプロピレンのいずれかを用いることができる。

このような合成樹脂材料と発色剤を組み合わせた印字媒体は、例えば、内視鏡の断面円筒形の体内挿入部の表面に用いることができる。

別の態様によると、レーザ光と印字媒体の種類は、レーザ光が照射されたときに、印字媒体の表面が変色する（印字媒体表面にレーザエネルギによる微細な凹凸が生じ、外観上色が違って見える）組合せであれば自由に選択することができる。このような印字媒体は、合成樹脂または金属とすることができる。

レーザ光は、例えば、炭酸ガスレーザ、Ｈｅ‐Ｎｅレーザ、ルビーレーザ、半導体レーザ、アルゴンレーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザのいずれかを用いることができる。

本発明によれば、曲面に対してレーザ光のエネルギで明瞭に印字できるレーザ印字方法を得ることができる。

図３、図４は、本発明によるレーザ印字方法を適用する内視鏡１０を示している。この内視鏡１０は、体腔内に挿入される可撓性を有する断面円筒形の体内挿入部１１と、この体内挿入部１１の基端部に接続され、術者が把持して内視鏡１０全体を操作する操作部１２と、この操作部１２に接続されたユニバーサルチューブ（不図示）と、ユニバーサルチューブの先端部に接続されたコネクタ部（不図示）とを有している。操作部１２には、第１操作ノブ１３、第２操作ノブ１４がそれぞれ独立に回動自在に設けられている。

体内挿入部１１は、基端側から順に、可撓管部２０と、可撓管部２０の先端部に設けられる湾曲可能な湾曲部２１とを有している。操作部１２上の操作ノブ１３、１４を回転操作すると、体内挿入部１１内に配設されたワイヤが牽引されて、湾曲部２１が湾曲して、その方向を変えることができる。

湾曲部２１の先端部内側には、観察部位における被写体像を撮像する図示しない撮像素子（ＣＣＤ）が設けられており、この撮像素子は、体内挿入部１１、操作部１２、及びユニバーサルチューブの内側に連続して配設された画像信号ケーブル（不図示）を介して、コネクタ部から突設された画像信号用コネクタ（不図示）に接続している。画像信号用コネクタは、画像処理等を行う光源プロセッサ装置（不図示）に着脱可能に接続している。光源プロセッサ装置にはモニタ装置（不図示）が接続されており、撮像素子によって撮像された被写体像がモニタ装置上に映し出される。

図４に示すように、体内挿入部１１の外表面には、その体腔内への挿入深さを表示する目盛り（視認マーカ）Ｍが付されている。体内挿入部１１を体腔内に挿入する際に、この目盛りＭを視認しつつ操作することにより、体内挿入部１１の先端を、所望の位置に確実に誘導することができる。本実施形態は、この目盛りＭをレーザ光で印字する態様に本発明を適用したものである。

体内挿入部１１（印字媒体）の外表面は、合成樹脂を主材料とし、レーザ光の照射により発色する発色剤を含有する材料で構成されている。この合成樹脂材料は、可撓性（柔軟性）を有するものであればよく、特に限定されないが、特に、ポリウレタン系、ポリスチレン系、ポリエステル系、ポリオレフィン系の熱可塑性エラストマー、ポリエチレン、ポリプロピレンであるのが好ましい。これらのものは、耐薬品性に優れるため、内視鏡１０へ繰り返し施される洗浄、消毒、滅菌処理（特に機器へのダメージの大きい高温高圧蒸気滅菌（オートクレーブ処理））に対する耐久性を向上させることができる。

発色剤は、ＴｉＮｘＯｙ（ただし、０．１≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．９）を用いることができる。ここで、ＴｉＮｘＯｙにおいて、ｘが０．１未満のものは、発色が良好に起こらないおそれがあり、１．０を超えるＮを含有することは困難である。一方、ＴｉＮｘＯｙにおいて、ｙが１．９を超えるものは、良好な色調が得られない。また、ＴｉＮｘＯｙにおいて、Ｏ／Ｎ重量比は０．２〜８程度であるのが好ましく、０．５〜７程度であるのがより好ましい。

この発色剤は、例えば、粒子状、顆粒状、ペレット状、鱗片状等のいかなるものであってもよいが、特に、粒子状のものであるのが好ましい。これにより、発色剤を外表面（外表面の構成材料）中へより均一に混合（分散）させることができる。なお、外表面の構成材料中には、必要に応じて、着色剤、及びその他の添加剤が添加（混合）されていてもよい。

レーザ光は、少なくとも、炭酸ガスレーザ、Ｈｅ-Ｎｅレーザ、ルビーレーザ、半導体レーザ、アルゴンレーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザを用いることができる。特に、ＹＡＧレーザは、波長が１．０６μｍであり、印字媒体である合成樹脂に、エネルギが実質的に吸収されない。このため、合成樹脂の燃焼や気化が起こり難く、蝕刻され難くすることができる。

本実施形態では、体内挿入部１１の外表面の色彩は、レーザ光を照射する前には、ＴｉＮｘＯｙ（黒色）を含有し、黒色または暗色を呈している。レーザ光を体内挿入部１１の外表面に照射すると、ＴｉＮｘＯｙ（黒色）が高温酸化反応によりＴｉＯ２（白色）に変化する。これにより、印字される目盛りＭの色彩は、白色または明色を呈する。

図１は、本発明によるレーザ印字方法を実現するためのレーザ印字装置３０の一例を示すブロック図である。レーザ印字装置３０には、レーザユニット３１と、体内挿入部１１の印字すべき外表面（曲面印刷面１１ａ）の形状データ（径または曲率（半径））を入力する形状データ入力手段３２と、印刷に関する各種データを入力する印刷データ入力手段３３と、印刷実行を指示する印刷実行ボタン３４と、各種入力データに基づきレーザユニット３１の印刷動作を制御する制御系とが備えられている。形状データ入力手段３２、印刷データ入力手段３３及び印刷実行ボタン３４は、操作者によって操作される。

レーザユニット３１は、体内挿入部１１の外表面（曲面印刷面１１ａ）にレーザ光を照射するスキャンヘッド３１Ａと、このスキャンヘッド３１Ａを図１のＸＹ方向（体内挿入部１１の延長方向と該延長方向に直交する方向）へ移動させるヘッド移動機構３１Ｂと、スキャンヘッド３１Ａが備えたレーザ素子を、印刷データ入力手段３３から入力した絵・記号・文字データに基づいてオンオフするレーザ駆動手段３１Ｃとを有している。スキャンヘッド３１Ａは、一定（例えば１００ｍｍ×１００ｍｍ）の照射範囲であれば、該ヘッドを移動させることなく、レーザ光を平行に微小間隔で照射（スキャン）できる周知のものである。すなわち、レーザ光を体内挿入部１１上をその延長方向（図１のＸ方向）に往復運動させながら、体内挿入部１１の延長方向に直交する方向（図１、図２のＹ方向）に微小間隔で連続的に移動させることによって、体内挿入部１１の曲面印刷面１１ａのスキャニングを行う。

レーザ印字装置３０の制御系は、印刷データ入力手段３３から入力した印刷幅データに対応するスキャンヘッド３１Ａの走査開始位置と走査終了位置を設定する印刷位置設定手段３６と、形状データ入力手段３２から入力した形状データ及び印刷位置設定手段３６が設定した走査開始・終了位置に基づきスキャンヘッド３１Ａの走査間隔（照射間隔）を設定する走査間隔設定手段（照射間隔設定手段）３７と、レーザ印字装置を総括的に制御する制御手段３５とを有している。制御手段３５は、印刷実行ボタン３４が操作者によって操作されると、レーザ駆動手段３１Ｃを介してスキャンヘッド３１Ａのレーザ素子をオンオフ制御し、必要ならヘッド移動機構３１Ｂを介してスキャンヘッド３１Ａの移動を制御しながら、印刷位置設定手段３６が設定した走査開始位置から走査終了位置まで、走査間隔設定手段３７が設定した走査間隔でレーザ光を走査させる。

本実施形態のレーザ印字装置３０のレーザ印字方法について説明する。図２は、体内挿入部１１（内視鏡１０）の曲面印刷面１１ａに例えば数字「４」を印字する場合のスキャンヘッド３１Ａの走査軌跡を描いたものである。レーザ光の照射方向に直交する平面を基準平面Ａとしたとき、体内挿入部１１の軸線方向は基準平面Ａと平行なＸ方向に設定されている。図２の上半部は、基準平面Ａと直交する方向から見た図であり、下半部は体内挿入部１１の軸線に直交する断面模式図である。破線はスキャンヘッド３１Ａのレーザ素子をオフした範囲（レーザ非照射範囲）を示し、実線は同レーザ素子をオンした範囲（レーザ照射範囲）を示している。

先ず、操作者は、基準平面Ａに対してレーザ光の照射方向を直交して配置し、図示しない固定部材によって体内挿入部１１を固定する。

次に、操作者は、体内挿入部１１の曲面印刷面１１ａの形状データを形状データ入力手段３２を介して入力するとともに、印刷に関する各種データを印刷データ入力手段３３を介して入力する。曲面印刷面１１ａの形状データ（曲面印刷面データ）は、曲面印刷面１１ａの径や曲率データである。印刷に関する各種データには、曲面印刷面１１ａに実際に印刷する絵・文字・記号データや、印字位置及び印字範囲を指定する印字幅データが含まれている。図２に示すように数字「４」を印刷する場合には、絵・文字・記号データとして「４」が入力される。

印刷データ入力手段３３を介して印刷データが入力されると、該印刷データのうち、曲面印刷面１１ａに印刷する絵・文字・記号データはレーザユニット３１のレーザ駆動手段３１Ｃに与えられ、印字位置及び印字範囲を指定する印刷幅データが印刷位置設定手段３６に与えられる。印刷位置設定手段３６は、入力した印刷幅データに応じてスキャンヘッド３１Ａの走査開始位置と走査終了位置を設定する。この走査開始・終了位置データは、走査間隔設定手段３７と制御手段３５の両方に出力される。

形状データ入力手段３２を介して曲面印刷面データが入力されると、走査間隔設定手段３７は、曲面印刷面データを利用して、基準平面Ａとこの基準平面Ａに対して交差する曲面印刷面１１ａ上の各接線Ｓとの交差角θを算出する。本実施形態では、曲面印刷面１１ａを、交差角θが連続して変化する曲面として考える。そして、走査間隔設定手段３７は、算出した交差角θに応じたレーザ光の走査間隔Ｌ１（またはＬ２）を設定する。すなわち、基準平面Ａにおける隣り合うレーザ光の走査間隔（照射間隔）Ｌ１を、断面円筒形の体内挿入部１１の曲面印刷面１１ａ上における隣り合うレーザ光の走査間隔Ｌ２が略等間隔になるように、交差角θが小さい部分より大きい部分において狭めるように設定する。走査間隔設定手段３７が設定した走査間隔データは、制御手段３５へ出力される。

続いて、操作者は、印刷実行ボタン３４をオン操作し、レーザ印字装置３０による印刷を開始させる。

印刷実行ボタン３４がオン操作されると、制御手段３５は、走査制御信号をスキャンヘッド３１Ａに出力し、印刷位置設定手段３６が設定した走査開始位置から走査終了位置まで、走査間隔設定手段３７が設定した走査間隔でレーザ光をスキャンさせる。同時に、レーザ駆動開始指令をレーザ駆動手段３１Ｃに出力し、該レーザ駆動手段３１Ｃを介して、印刷データ入力手段３３から入力した絵・文字・記号データに基づいてスキャンヘッド３１Ａのレーザ素子をオンオフ制御する。これにより、スキャンヘッド３１Ａから照射されるレーザ光は設定された微小な走査間隔Ｌ２で曲面印刷面１１ａ上を平行に走査し、所望の絵・文字・記号が曲面印刷面１１ａに印字される。

このように、レーザ光のスキャニング技術とオンオフ変調技術を利用し、基準平面Ａにおける隣り合うレーザ光の走査間隔（照射間隔）Ｌ１を、断面円筒形の体内挿入部１１の曲面印刷面１１ａ上における隣り合うレーザ光の走査間隔Ｌ２が略等間隔になるように、交差角θが小さい部分より大きい部分において狭めることにより、曲面印刷面１１ａ上に明瞭に印字することができる。曲面印刷面１１ａ上における隣り合うレーザ光の走査間隔Ｌ２は、曲面印刷面１１ａ上の交差角θが大きい位置ほど、狭くなるように設定することもできる.

図５は、比較例として、基準平面Ａにおけるレーザ光の走査間隔Ｌ１を等間隔として同様に数字「４」を曲面印刷面１１ａに印字する態様を示している。基準平面における走査間隔が等間隔であると、曲面印刷面１１ａ上におけるレーザ光の走査間隔Ｌ２は、交差角θの大きい部分ほど広くなる。したがって、基準平面と直交する方向から印字された数字「４」を観察すると、中心部に比べ左右側の印字が薄く観察され、明瞭な印字が得られない。

本発明のレーザ印字方法は、体内挿入部１１の外表面に限らず曲面であれば適用可能であり、例えば、操作ノブ１３、１４上に印字することもできる。具体的には、操作ノブ１３、１４の回転操作に伴う湾曲部２１の湾曲方向が、いずれの方向であるのかを簡略化して示す「ΔＵ、ΔＤ」なる記号（視認マーカ）を本発明方法によって印字することができる。

以上の実施形態では、印字媒体として、合成樹脂材料に発色剤を含有させたものを用いたが、発色剤を含有させない印字媒体にも本発明は適用可能である。すなわち本発明は、レーザ光が照射されたとき印字媒体の表面が変色するレーザ光と印字媒体の組合せであれば、レーザ光と印字媒体を任意に選択することができる。具体的には、レーザ光が炭酸ガスレーザ、Ｈｅ-Ｎｅレーザ、ルビーレーザ、半導体レーザ、アルゴンレーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザのいずれかであるとき、印字媒体は、合成樹脂材料の他、鉄、アルミニウム、ステンレス、黄銅などの金属材料から構成できる。印字媒体上には、レーザ光エネルギにより微小凹凸が形成され、その微小凹凸部分が他の部分とは異なる色として視認されるため、発色剤を用いることなく印字媒体に印字することができる。

本発明によるレーザ印字方法を実行するためのレーザ印字装置のブロック図である。本発明によるレーザ印字方法による印字例を示す説明図である。本発明によるレーザ印字方法を適用する内視鏡全体の正面図である。図３の内視鏡の体内挿入部の印字例を示す図である。比較例として示す図２に対応する説明図である。

符号の説明

１０内視鏡
１１体内挿入部
１２操作部
１３第１操作ノブ
１４第２操作ノブ
２０可撓管部
２１湾曲部
３０レーザ印字装置
３１レーザユニット
３１Ａスキャンヘッド
３１Ｂヘッド移動機構
３１Ｃレーザ駆動手段
３２形状データ入力手段
３３印刷データ入力手段
３４印刷実行ボタン
３５制御手段
３６印刷位置設定手段
３７走査間隔設定手段（照射間隔設定手段）
Ａ基準平面
Ｌ１Ｌ２走査間隔
Ｍ目盛り
Ｓ接線

Claims

軸直交断面における接線が、基準平面に対して交差する曲面印刷面であって、該曲面印刷面上の異なる点における該接線と基準平面との交差角が変化する曲面印刷面に、前記基準平面に直交する方向からレーザ光を照射して印字するレーザ印字方法であって、
前記曲面印刷面の曲面形状データを入力するステップ；
入力された曲面形状データを利用して、前記基準平面と該基準平面に対して交差する曲面印刷面の各接線との交差角を算出し、算出した交差角に応じて、前記基準平面における隣り合うレーザ光の照射間隔を、前記曲面印刷面における隣り合うレーザ光の照射間隔が略等間隔となるように設定するステップ；及び
設定された照射間隔に従い、前記曲面印刷面に対してレーザ光を互いに平行に照射しながら、印字情報に応じてオンオフ変調して印字するステップ；
を有することを特徴とするレーザ印字方法。
請求項１記載のレーザ印字方法において、印字媒体は、合成樹脂材料に、レーザ光が照射されたとき発色する発色剤を含有させたものであるレーザ印字方法。
請求項２記載のレーザ印字方法において、発色剤は、ＴｉＮｘＯｙ（ただし、０．１≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．９）であるレーザ印字方法。
請求項２または３記載のレーザ印字方法において、合成樹脂材料は、ポリウレタン系、ポリスチレン系、ポリエステル系、ポリオレフィン系の熱可塑性エラストマー、ポリエチレン、ポリプロピレンのいずれかであるレーザ印字方法。
請求項２ないし４のいずれか１項記載のレーザ印字方法において、印字媒体は、内視鏡の断面円筒形の体内挿入部の表面であるレーザ印字方法。
請求項１記載のレーザ印字方法において、レーザ光と印字媒体の種類は、レーザ光が照射されたとき該印字媒体の表面が変色する組合せであるレーザ印字方法。
請求項６記載のレーザ印字方法において、印字媒体は、合成樹脂または金属であるレーザ印字方法。
請求項１ないし７のいずれか１項記載のレーザ印字方法において、レーザ光は、炭酸ガスレーザ、Ｈｅ‐Ｎｅレーザ、ルビーレーザ、半導体レーザ、アルゴンレーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザのいずれかであるレーザ印字方法。
軸直交断面における接線が、基準平面に対して交差する曲面印刷面であって、該曲面印刷面上の異なる点における該接線と基準平面との交差角が変化する曲面印刷面に、前記基準平面に直交する方向からレーザ光を照射して印字するレーザ印字装置であって、
前記曲面印刷面にレーザ光を照射するレーザユニット；
前記曲面印刷面の曲面形状データを入力する形状データ入力手段；
前記形状データ入力手段に入力された曲面形状データを利用して、前記基準平面と該基準平面に対して交差する曲面印刷面の各接線との交差角を算出し、算出した交差角に応じて、前記基準平面における隣り合うレーザ光の照射間隔を、前記曲面印刷面における隣り合うレーザ光の照射間隔が略等間隔となるように設定する照射間隔設定手段；及び
前記照射間隔設定手段により設定された照射間隔に従い、前記レーザユニットに、前記曲面印刷面に対してレーザ光を互いに平行に照射しながら、印字情報に応じてオンオフ変調して印字させる制御手段；
を有することを特徴とするレーザ印字装置。