JP7027700B2

JP7027700B2 - フィルムの加工方法

Info

Publication number: JP7027700B2
Application number: JP2017094548A
Authority: JP
Inventors: 俊輔矢島
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2022-03-02
Anticipated expiration: 2037-05-11
Also published as: JP2018188593A

Description

本発明は、フィルムの加工方法に関するものである。

２軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム等の２軸延伸ポリエステルフィルムは、強度、耐熱性、寸法安定性、耐薬品性、保香性等に優れることから、各種の包装用素材として有用である。そこで、このようなフィルムどうしをヒートシールして形成したフレキシブルパウチ等の包装袋が期待されている。

しかしながら、配向性を有するフィルムは、ヒートシール性に乏しい。そこで例えば、特許文献１には、電磁波を２軸延伸ポリエステルフィルムの表面に短パルス照射し、表面を改質することによりヒートシール性を付与する方法が開示されている。

特公平４－２６３３９号公報

特許文献１が開示する短パルス照射方法は、２軸延伸ポリエステルフィルムの内部配向性を損なわないようにするため、キセノンガスランプ等を用いて高出力の短パルスを発生させる必要がある。キセノンガスランプはエネルギー効率が低く、また、電磁波が広範囲に射出されるため安全性の確保が困難である。このため、２軸延伸ポリエステルフィルムにヒートシール性を付与する方法として、キセノンガスランプより高効率で安全性が高い赤外線レーザー光を照射しながら走査することにより、２軸延伸ポリエステルフィルムの結晶化度を低下させる方法が挙げられる。

照射パターンが点形状の赤外線レーザー光を走査する場合、所定範囲を走査するのに時間がかかり、非効率的である。そのため、照射パターンを光学素子を用いて線や２次元図形の形状に整形して照射を効率化することが考えられるが、このような効率化にあたって、加工ムラを少なくしてヒートシール性のばらつきを小さくする、高品質化の取り組みが十分なされていなかった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、２軸延伸ポリエステルフィルムにヒートシール性を付与するための、加工ムラが少ない加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の一局面は、赤外線レーザー発振器から出力された赤外線レーザー光を、分岐回折光学素子を含む光学素子を用いて分岐して、等間隔に整列する複数の点形状を含む１本の直線状の照射パターンに整形し、整形された赤外線レーザー光を、２軸延伸ポリエステルの層の単体または２軸延伸ポリエステルの層を表面に含む積層体からなるフィルムにおいて、前記直線状の照射パターンを走査方向に対して傾斜させて走査させることで所定の領域に照射し、直線状の照射パターンをフィルムの所定の領域に照射した、照射面における２軸延伸ポリエステルの層の結晶化度を照射前に比べて低下させる、フィルム加工方法である。

本発明によれば、赤外線レーザー光を分岐ＤＯＥを用いて分岐することにより、均等に分散したエネルギーを安定的に２軸延伸ポリエステルフィルムに照射できるので、加工ムラが少ない加工方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係る赤外線レーザー加工装置の概念図本発明の一実施形態に係る赤外線レーザー光の整形の様子を示す概念図本発明の一実施形態に係る赤外線レーザー光の整形の様子および照射強度分布を示す概念図比較例に係る赤外線レーザー光の整形の様子および照射強度分布を示す概念図本発明の一実施形態に係る赤外線レーザー光のスポット形状および整形後の照射パターンの例を示す図本発明の一実施形態に係るフィルムへの加工方法を示す図本発明の実施例および比較例に係るフィルムの加工跡を示す図

図１に、一実施形態に係るレーザー加工装置１０の概念図を示す。レーザー加工装置１０は、赤外線レーザー発振器２０と、赤外線レーザー発振器２０から出力された赤外線レーザー光６０を所定の形状に整形して、被加工物である２軸延伸ポリエステルの層単体フィルムまたは２軸延伸ポリエステルの層を表面に含む積層体フィルム７０（以下、フィルム７０という）に照射する光学素子３０とを含む。また、フィルム７０を載置するフィルム載置部４０を備えてもよい。また、光学素子３０以外のミラー等の光学素子をさらに備えてもよい。フィルム載置部４０、赤外線レーザー発振器２０、光学素子３０のいずれかを移動させる駆動手段を備えてもよい。このようなレーザー加工装置１０を用いて、フィルム７０に光学素子３０を透過した赤外線レーザー光６２を照射して走査することにより、フィルム７０の２軸延伸ポリエステルフィルムの結晶化度を、照射前より低下させる（非晶化する）ことができる。この結晶化度の低下により、ヒートシール性が発現する。

赤外線レーザー発振器２０として、炭酸ガスレーザー発振器のような周知のレーザー発振器を用いることができる。赤外線波長を含むレーザー光を用いることで、エネルギーが効率的にフィルム７０に吸収される。赤外線レーザー発振器２０は、赤外線レーザー光６０の出力等を調整して出力することができる。一例として波長１０．６μｍ、出力１０Ｗ以上の炭酸ガスレーザー発振器を好適に用いることができる。

光学素子３０は、赤外線レーザー発振器２０から出力された赤外線レーザー光６０を所定の形状に整形する。光学素子３０は、分岐ＤＯＥ（回折光学素子）３１および集光レンズ３２とを含む。光学素子３０によって、赤外線レーザー光６０のエネルギーを分散させ、フィルム７０への照射強度の調整や均一化を図ることができる。

図２は、光学素子３０による赤外線レーザー光６０の整形方法の一例を示す模式図である。分岐ＤＯＥ３１は、回折パターンが表面に形成されており、入射した赤外線レーザー光６０を互いに等しい強度の複数の光線に分岐する。分岐された赤外線レーザー光６１は、集光レンズ３２によって向きが平行となるよう揃えられる。向きが揃えられた赤外線レーザー光６２は、フィルム７０に照射される。光学素子３０は、例えば、赤外線透過性能に優れたＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）製のものを用いるのが好ましい。

分岐ＤＯＥ３１を用いる利点を以下に説明する。図３の（ａ）に光学素子３０に入射する赤外線レーザー光６０の入射位置が変化した場合の、光の経路の変化を示す。実線で示すのが、赤外線レーザー光６０が中心位置Ａに入射した場合の経路である。点線で示すのが、中心位置Ａからずれた位置Ｂに入射した場合の経路である。図３の（ｂ）に集光レンズ３２から出射した赤外線レーザー光６２のフィルム７０の照射面上の強度分布を示す。実線で示すのが、赤外線レーザー光６０が中心位置Ａに入射した場合の強度分布である。点線で示すのが、位置Ｂに入射した場合の強度分布である。分岐ＤＯＥ３１は、回折パターンが比較的単純であり、入射位置が変化しても、分岐された赤外線レーザー光６１、６２の各分岐光の強度への影響は小さく、各分岐光の強度が等しい状態が維持される。このため、分岐ＤＯＥ３１を用いることにより、赤外線レーザー光６０の光学素子３０に対する光路ずれによる、フィルム７０へ照射される赤外線レーザー光６２の照射強度の均一性への影響を小さくすることができ、ムラのない高品質な加工を行うことができる。

比較のため、分岐ＤＯＥ３１の代わりに、入射した赤外線レーザー光６０を線分形状に整形するＤＯＥ９３１を用いる場合を説明する。図４の（ａ）に光学素子９３０に入射する赤外線レーザー光６０の入射位置が変化した場合の、光の経路の変化を示す。実線で示すのが、赤外線レーザー光６０が中心位置Ａに入射した場合の経路である。点線で示すのが、中心位置Ａからずれた位置Ｂに入射した場合の経路である。図４の（ｂ）に集光レンズ９３２から出射した赤外線レーザー光６２のフィルム７０の照射面上の強度分布を示す。実線で示すのが、赤外線レーザー光６０が中心位置Ａに入射した場合の強度分布である。点線で示すのが、位置Ｂに入射した場合の強度分布である。ＤＯＥ９３１は、赤外線レーザー光６０が中心位置Ａに入射した場合は、線分形状に整形された赤外線レーザー光６１の強度は均一である。ＤＯＥ９３１は、回折パターンが複雑であり、入射位置の変化による、赤外線レーザー光６１の強度分布への影響が大きく、各部分の強度が等しい状態が維持されにくい。このため、ＤＯＥ９３１を用いると、赤外線レーザー光６０の光学素子９３０に対する光路ずれが発生した場合、フィルム７０へ照射される赤外線レーザー光６２の照射強度が均一でなくなり、加工ムラが発生するおそれがある。

図５の（ａ）に、赤外線レーザー発振器２０から出力された赤外線レーザー光６０のスポット形状Ｓの例を示し、図５の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に、光学素子３０により整形された赤外線レーザー光６２の照射パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３の例を示す。図５の（ｂ）に示す例では、照射パターンは、１つの直線Ｌ１上に存在する複数の点形状である。あるいは、図５の（ｃ）、（ｄ）に示すように、２つ以上の互いに平行な直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、…上に存在する複数の点形状であってもよい。一例として、各点形状は各直線上に等間隔に並ぶ。また、各点形状を各直線に平行な直線Ｌ’に正投影すると、各投影点が、等間隔に並ぶ。このようにすると、直線の延伸方向に対して、赤外線レーザー光６２の照射エネルギー密度を均一化することができる。ここで点形状とは、実際には一定の面積を有する略円形状の形状であり、直径は、例えば約２００μｍである。

図６に、フィルム７０の加工方法を示す。整形された赤外線レーザー光６２の照射パターンＰを、フィルム７０に照射しながら走査することで、走査した範囲の２軸延伸ポリエステルフィルムの結晶化度を低下（非晶化）させる。走査した領域には、典型的には、白化したり、凹凸が生じたりして、加工跡８０が残る。このような領域どうしを重ね合わせて加熱押圧すると、シールすることができる。図６において走査方向を矢印で示す。図６の（ａ）に示す例では、照射パターンの延伸方向に対して走査方向がなす角θは９０°であるが、図６の（ｂ）に示す例のように４５°でもよいし、これら以外の角でもよい。θを調整することで、照射エネルギー密度を調整することができる。また、θ＝４５°とすると、走査の方向を９０°変えるのみで、分岐ＤＯＥ３１を回転させることなく、例えばフィルム７０上の縦方向から横方向に同一幅、同一エネルギー密度の照射パターンで照射を継続して行うことができ、効率的に照射を行うことができる。

このようにしてヒートシール性を付与されたフィルム７０は、１枚を折り重ねまたは２枚以上を重ね合わせて、ヒートシール性を付与された領域どうしをシールすることにより、包装袋等を製造することができる。

以下のように２軸延伸ポリエステル層を表面に含む積層体フィルムを用意し、赤外線レーザー光を照射し、実施例、比較例に係るフィルムを作成した。実施例では、分岐ＤＯＥを用いて、それぞれ非晶化するのに十分なエネルギー密度となるよう、赤外光レーザー発振器２０の出力や走査速度を調整して、赤外線レーザー光を照射および走査した。比較例では、線分形状に整形するＤＯＥを用いて、同様のエネルギー密度となるよう出力および走査速度を調整して、赤外線レーザー光を照射および走査した。なお、非晶化の進行の程度は、２軸延伸ポリエステルフィルムの赤外吸収スペクトルの所定の波数における吸光度のピークにおける吸光度の変化によって測定することができる。そのため、非晶化するのに十分なエネルギー密度は、例えば、照射前後の吸光度を測定することによって実験的に適切な値を定めることができる。なお、いずれの実施例、比較例においても、光学素子以外は同一の装置を用い、光学素子に入射する赤外線レーザー光の光路の位置決め精度が同程度となるようにした。

（実施例１）
ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）１２μｍ／ＡＬ（アルミニウム）７μｍ／ＰＥＴ１２μｍの層構成の積層フィルムを用意した。赤外線レーザー光を、分岐ＤＯＥを用いて、図５の（ｂ）に示すような、点形状が一直線上に等間隔に並ぶ照射パターンに整形し、直線の延伸方向と４５°の角度をなす方向を走査方向として、フィルム上の１０ｍｍの幅の領域を走査した。点形状の個数は３４個とした。

（実施例２）
第１のＰＥＴ１２μｍ／ＮＹ（ナイロン）１５μｍ／ＡＬ７μｍ／ＰＥ（ポリエチレン）３０μｍ／第２のＰＥＴ１２μｍの層構成の積層フィルムを用意した。赤外線レーザー光を、第２のＰＥＴ側から、実施例１と同様に走査した。

（実施例３）
ＰＥＴ１２μｍ／ＰＥ５０μｍ／透明蒸着ＰＥＴ（バリア層を蒸着形成したＰＥＴ）１２μｍの層構成の積層フィルムを用意した。赤外線レーザー光を、透明蒸着ＰＥＴ側から、実施例１と同様に照射した。

（実施例４）
第１のＰＥＴ１２μｍ／ＰＥ２７０μｍ／第２のＰＥＴ１２μｍの層構成の積層フィルムを用意した。赤外線レーザー光を、第２のＰＥＴ側から、実施例１と同様に走査した。

（実施例５）
第１のＰＥＴ１２μｍ／ＡＬ７μｍ／ＰＥ３０μｍ／第２のＰＥＴ１２μｍの層構成の積層フィルムを用意した。赤外線レーザー光を、分岐ＤＯＥを用いて、図５の（ｃ）に示すような、点形状が２つの直線上に等間隔に並ぶ照射パターンに整形し、直線の延伸方向と９０°の角度をなす方向を走査方向として、フィルム上の１０ｍｍの幅の領域を走査した。点形状の個数は各直線上に２１個ずつ、合計４２個とした。

（実施例６）
第１のＰＥＴ１２μｍ／ＰＥ３０μｍ／第２のＰＥＴ１２μｍの層構成の積層フィルムを用意した。赤外線レーザー光を、第２のＰＥＴ側から、実施例５と同様に走査した。

（実施例７）
ＰＥ２７０μｍ／透明蒸着ＰＥＴ１２μｍの層構成の積層フィルムを用意した。赤外線レーザー光を、透明蒸着ＰＥＴ側から、実施例５と同様に照射した。

（比較例１～７）
それぞれ実施例１～７と同じ層構成の積層フィルムを用意し、赤外線レーザー光を線分形状に整形するＤＯＥを用いて線分形状の照射パターンに整形し、線分の延伸方向と４５°の角度をなす方向を走査方向として、フィルム上の１０ｍｍの幅の領域を走査した。

（評価）
上述の実施例１～７、比較例１～７に係る赤外線レーザー光を照射したフィルムについて、外観の評価を行った。また、各フィルムの赤外線レーザー光を照射した領域どうしを、温度１７０℃、圧力０．２ＭＰａ、時間１．０秒の条件でヒートシールし、それぞれ１０箇所においてシール強度を測定し、ヒートシール性のばらつきを評価した。

評価結果を表１に示す。外観については、加工跡にムラが視認されない場合を「良好」とし、視認される場合を「不良」とした。ヒートシール性のばらつきについては、シール強度の最大値と最小値との差が１０Ｎ／１５ｍｍ以下の場合を「小」とし、１０Ｎ／１５ｍｍより大きい場合を「大」とした。

実施例１～７ではいずれも、図７の（ａ）に示す加工跡８０のように、加工跡にムラがなく、また、シール強度のばらつきが小さく、総合評価を「○（良）」とした。これに対して、比較例１～７ではいずれも、図７の（ｂ）に示す加工跡９８０のように、加工跡にムラがあり、また、シール強度のばらつきが大きく、総合評価を「×（不良）」とした。

比較例１～７では、光学素子に入射する赤外線レーザー光の光路ずれによって、フィルムに照射される線分形状の赤外線レーザー光のエネルギー密度分布が均等でなかったため、エネルギーの高い部分と低い部分とでは、フィルム表面の非晶化の程度が異なり、加工跡のムラやシール強度のばらつきが発生した。これに対して、実施例１～７では、光学素子に入射する赤外線レーザー光の光路ずれが比較例と同程度に発生しても、分岐された赤外線レーザー光がフィルムに均等なエネルギー密度で照射されたため、フィルム表面の非晶化の程度も均等となり、加工跡のムラがなく、シール強度のばらつきを小さくすることができた。

以上のように、本発明によれば、赤外線レーザー光を分岐ＤＯＥを用いて分岐し２軸延伸ポリエステルフィルムに照射することにより、光路の位置決め精度を緩和しても、均等に分散したエネルギーを安定的に照射することができ、ムラなくヒートシール性を付与することができる。

本発明は、フィルム等へのレーザー加工に有用である。

１０赤外線レーザー加工装置
２０赤外線レーザー発振器
３０、９３０光学素子
３１分岐ＤＯＥ
３２、９３２集光レンズ
４０フィルム載置部
６０、６１、６２赤外線レーザー光
Ｓ赤外線レーザー光のスポット形状
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３赤外線レーザー光の照射パターン
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ’ 直線
７０フィルム
８０加工跡
９３１ＤＯＥ

Claims

赤外線レーザー発振器から出力された赤外線レーザー光を、分岐回折光学素子を含む光学素子を用いて分岐して、等間隔に整列する複数の点形状を含む１本の直線状の照射パターンに整形し、
前記整形された赤外線レーザー光を、２軸延伸ポリエステルの層の単体または前記２軸延伸ポリエステルの層を表面に含む積層体からなるフィルムにおいて、前記直線状の照射パターンを走査方向に対して傾斜させて走査させることで所定の領域に照射し、
前記直線状の照射パターンを前記フィルムの前記所定の領域に照射した、照射面における前記２軸延伸ポリエステルの層の結晶化度を照射前に比べて低下させる、フィルム加工方法。
前記分岐回折光学素子はセレン化亜鉛製である、請求項１に記載のフィルム加工方法。