JPS58188595A - ぎざぎざ縁付き紙を製造する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザを用いて紙を切断し、ぎざぎざ縁の付い
た紙を製造する方法及び装置に関する。

レーザ装置は画像やパターンを木やその他の材料にエツ
チング加工する手段として広く用いられている。特に最
近においてレーザエネルギは紙を切断することに向けら
れてきた。ある種の紙製品、例えばグリーテイングカー
ドや便せん用紙には、不規則な端縁形状を有することに
より年数を経た印象や端縁に沿って引きちぎられたよう
な印象を学えるように作られたものがある。この種の端
縁をここでは「ぎざぎざ縁」と呼ぶことにする。

ぎざぎざ縁を形成するための現在の技法はコスト高で時
間のかかるものとなっている。現在の方法では最初に特
殊な紙の形状を創作する。そしてこの不規則な端縁を作
るために紙と物理的に接触する機械的手段を用いる結果
、通常の紙製造プロセスの標？ｑｉ時間と比べて非常に
遅い加］−速度しか７１）られない。

従って本発明の目的は、紙の上にぎざぎざ縁を形成する
ための新規で改良されたレーザ装置とレーザの使用方法
を提供することにある。

本発明の他の目的は、２枚の紙の上に同時にぎざぎざ縁
を形成するための新規で改良されたレーザ装置とレーザ
の使用方法を提供することにある。

本発明のさらに他の１」的は、紙の上にぎざぎざ縁τ形
成するためのゎｊ規で改良された非接触形のレーザ装置
とレーザの使用方法を提供することにある。

本発明の他の「１的、特徴及び利点は、添付図１川の実
施例を参照した以下の記載によって明らかとなろう。添
付図において同種の符号は同種の９素を表わしている。

第１図は本発明によるレーザ装置、第２図は紙の上に衝
突するレーザビームのエネルギの分布状態、第３図はレ
ーザて切断した紙の端縁をそれぞれ表わしている。

次に重要な用語についての定義を示しておく。

（１）レーザ出力密度・・・特定の点及び時間における
レーザビームの出力をワット／Ｃｍ２　て表わしたもの （２）臨界出力密度・・・物質の許容可能な糸発が始ま
る実験的に定められたレーザ出力密度（３）レーザエネ
ルギ密度・・・特定の領域−にに落下するレーザ光のエ
ネルギ？ジュール／Ｃｍ２で表わしたもの （４）有効レーザエネルギ密度・・・臨界出力密度を超
過した時にだけ用いられるレーザエネルギ密度の合計 一般に、焦点に集められたレーザビームは紙にシャープ
てきれいな切断部を形成し、この切ｕノを部は剪断によ
る切り１」と容易には見分けがつかないものであること
は当業者に良く知られている。この［１的のため各種の
レーザを使用てきるが、炭酸ガスレーザが望ましい。炭
酸ガスレーザは長い赤外線波長の光を放出し、これは紙
に強力に吸収される。ｎＪ視光の波長を著しく反射する
白い紙であっても、炭酸ガスレーザからの光エネルギは
ほとんとすべてが強力に吸収される。通常の紙切断例で
は、１００ワツトの炭酸ガスレーザが代表的寸法の装置
に対して用いられる。

レーザ切断ては１１ツノ収されたエネルギが紙を加熱す
る。レーザ光が数百乃至数千ワラ）　／　ｃ　ｍ２　　
の出力汁、゛度範囲に焦点合せされると、紙片を横切る
かかるレーザの走査（スキャン）は焼は焦げた茶かつ色
の外観を紙に生じさせる。レーザビームをさらに焦点合
せすると出力密度が増大し、ついに臨界出力密度に到達
し、紙の場合には１００００ワット／Ｃｍ２　を超える
と許容可能な蒸発が始まる。紙を完全に貫通して切断す
るのに必要な有効レーザエネルギ密度は、紙の厚さと密
度に比例する。例えば、厚さＱ、　ｌ　ｍ　ｍの標準の
紙シートを＆１通してきれいに蒸発させるためには、約
４０ジユール／　ｃ　ｒｎ２　　の有効レーザエネルギ
密度を投入する必要がある。従って、レーザビームが４
００００ワット／Ｃｍ２　の出力密度にまで焦点合せさ
れた時は、線上のある点においてビームが１０００分の
１秒だけ停留しその点に４０ジユール／　ｃ　ｍ２だけ
のエネルギ密度を投入するような率で、レーザビームを
紙の表面に沿って走査しなければならない。この時間的
長さの間にレーザビームは厚さＱ、１ｍｍの紙の単シー
トをかろうじて貫通切断することになる。

最適には、紙の切断をより確実にするため、レーザビー
ムと紙との相対移動速度を遅らせて所定の点での停留時
間を長くすることができる。逆に−えば、より少ないエ
ネルギを投入すれば、レーザビームは紙を完全には貫通
せず、紙を部分的に浸食することになる。紙をレーザ切
断する実験を行なった結果、紙には非均質な特性がある
ことが判明した。すなわち、所定のエネルギ密度と走査
率て切断した場合、紙が完全に貫通切断される領域と完
全には除去されない他の領域とが存在することが判明し
た。このことは例えばある種の紙ては、紙の厚さをし１
通するのに３０ジユール／　ｃ　ｎｉ２しか必要としな
い微小領域が存在し、他の領域では３０乃至４０ジユー
ル／　ｃ　ｍ２　　の中間的な量のエネルギ密度が必・
υだということになる。この相兄点は紙におけるランダ
ムな密度変化として探り出すことができる。

本発明の装置及び方法は、物理的接触なしに紙にぎざぎ
ざ縁を急速に形成させるために、紙のこの非均質な特性
を利１１１シている。要約すれば本発明Ｌ／）装ｆｉ’
？及び方法は、紙との接触点において、走査されたレー
ザビームを横切るエネルギ密度勾配が供給されるように
レーザビームを形成することを主眼としている。ある領
域において有効エネルギ密度は、紙の最大密度領域さえ
も完全に貫通蒸発させるに必要な量を超えるようになる
。この走査された帯域が切断端縁となる。切断線から離
れるにつれてエネルギ密度は減少する。この少ないエネ
ルギ密度の帯域は、紙の均質性の不足と結合さ２ｔで、
ある部分が部分的に切落されたぎざぎざの端縁な作り出
すようになる。大ざなシートをその中間で切断した場合
は、輪郭づけられたレーザビームが対称的な形状をして
い、Ｉ’Ｌば、２つのぎざぎざ縁が同時に形成される。

紙が茶色に焦げることを阻止するためには、走査された
ビームの集積エネルギ密度が糺を完全に貫通蒸発させる
には不十分である領域においても、ぎれいな蒸発に必要
とされる臨界出力密度を超えることが必・恩となる。

ある帯域においてレーザビームの出力密度か臨界出力密
度以下に降下することは事実であるが、実際のところか
かる帯域は十分に小さいので焦げた状態は［」には写ら
ない。

第１図において、本発明によるレーザ装置はレーザビー
ム１２を平らな鏡１４に向けて指向させるレーザ源１０
を備え、鏡１４はビーム１２を凹面鏡１６へと反射させ
、鏡１６はビームを静止プレート２０により好適に支持
された紙１８に向けて反射する。静止プレート２０には
、その内１１１１に紙１８上のビーム１２の焦点となる
線（こ沿って孔２２が設けられている。

通常の紙切断方法では、レーザビームは紙との接触点に
おいて丸い有限直径の焦点にされる。しかしながら本発
明ではそうはならない。凹面鏡１６はレーザビーム１２
の軸線からオフセットされた球面鏡−Ｃあり、レーザビ
ーム１２の入射角と反射角との間には角度差がある。鏡
１６に衝突するレーザビーム１２の入射角と反射角との
角度差は、球面鏡に固有のものであり概ね望ましくない
とされる球面収差の効果を意図的に増大させるように作
られている。本つｔｊ明ではこの望ましくない効果をビ
ームを輪郭づける利点として用いている。入射するビー
ムの角度と反射するビームの角度の差が約１０°を超え
ると、球面収差の効果は肉眼でも観察できるようになる
。この角度差が２０°を超えると明瞭な焦点がなくなり
、むしろ２つの焦点領域が存在するようになる。第１の
焦点領域は第１図において紙１８の平面の外側乞延伸す
る線状焦点となり、第２の焦点領域は第１の領域よりや
や下方にあって紙１８の平面内に横たわる第２の線状焦
点となる。すなわち、球面収差特性を利用することによ
りレーザビームを円形焦点で番よなく線状焦点とするこ
とが可能になる。線状焦点の長さは、鏡１６に入射する
レーザビームの直径と、オフセットされた凹面鏡により
導入される収差の程度と、線状焦点までの凹面鏡の焦点
距離とによって定まる。

第１図において、凹面鏡１６の表面で反射されたレーザ
ビーム１２は紙１８の平面内のある点へと収れんするよ
うに描かれており、この点は線状焦点を端面から見たと
ころであり、すなわち線状焦点の方向は図面の平面に垂
直に延びている。紙１８は第１図に１３いて右から左へ
と動かされている。第１図は紙１８の切断線の端縁な効
果的に表わしている。

次に第２図、第３図を参照しながら切断作業の結果につ
いて詳細に説明する。第２図に示すように、線状に焦点
合せされたレーザビームを用いるとエネルギ密度勾配が
得られ、これらのエネルギ密度帯域は水平１」盛で中央
のＯ（レーザビーム１２の中・Ｕ）から±３（ビームの
中心からの距離で（）１位Ｉｎ　ｍ　）までにセットさ
れている。焦点合せされたビームの幅は第１図の図面の
平面に垂直な方向に５ｍｍ１第１図の紙１８の移動方向
に０．５　＋＋＋ｍである。第２図の垂直目盛は０〜４
０ジユール／（Ｙ■２　の有効エネルギ密度に校正され
ている。第３図は、レーザビーム１２が走査されるにつ
れて紙］８の特定の部分」二に衝突するエネルギ密度に
ついて論じるため、第２図の符号Ａ−Ｄの帯域に対応す
るように符号が付されている。

前述したように、紙１８が厚さＱ、　ｌ　ｍ　ｍの単一
シートであれば、全体の蒸発はエネルギ密度が４０ジユ
ール／ＣｌＴ１２　　以上で発生する。これは帯域Ａに
対応し、第２図に示すようにそのエネルギ密度の量は紙
１８の部分を完全に除去し、第３図に示す如く紙を部分
１８ａと１８ｂに分割する。第２図の曲線の中心の両側
にある帯域Ｂは、紙１８に゛衝突する３０乃至４０ジユ
一ル／Ｃｍ”　　の強度のエネルギ密度を供給する。こ
の場合、第３図にボすようにシー）１８ａ、ｔｓｂの帯
域Ｂでは、衝突するレーザビームのこの特定のエネルギ
密度のために、紙１８の非均質性に起因して不規則な貫
通が行なわれぎざぎざ縁が形成される。

シー）１８ａ、１８ｂ内の領域Ｃでは、衝突するエネル
ギ密度はＯから３０ジユール／　Ｑ　ｍ”　　まで変化
する。このエネルギは紙を貫通するには不十分であるが
、紙をエツチング加工したり紙の厚さを減少させるには
十分である。帯域りではレーザビームは衝突せず、この
帯域内の紙は元の厚さのままである。帯域Ｃでは、ビー
ムの中心からの距離に依存してエネルギ密度が変化する
ことと、紙の非均質性とに基づきある範囲内で紙の厚さ
が変化する。第３図に示すように、シートｔｓａ。

１８ｂ上に概略対称的な形状の２つのぎざぎざ縁が同時
に作られる。

第２図のエネルギ音度曲線に関し、ここに描かれている
曲線は、特定の光学手段、すなわち線状焦点が得られる
ように収差を考慮に入れレーザビーム１２の軸線からオ
フセットした軸線を有する球面鏡１６を用いた結果であ
ることを理解されたい。この代りに、ビームに開孔な適
用することによってもビームの追加加工が可能である。

例えばビームがダイヤモンド形の孔を通過させられる場
合は、集積エネルギ密度の分布曲線はより二角形に近い
形状になる。さらに広い幅にわたるあるいは異なる形状
のエネルギ分布パターンを達成するために他の開孔や技
法を用いることは、当業者にとって容易なことである。

また線状焦点はレンズ特に円柱レンズやあるいは円柱形
鏡を用いても作ることができる。線状焦点の使用は絶対
的に必要というものではないが、紙をきれいに蒸発させ
るために１００００ワツト／　Ｑ　ｒｎ２　　を超える
出力密度を利用し、同時に第２図に示すような広い密度
曲線を達成するｌこめには、最も実用的な方法で２ｉ＞
る。例えば丸い直径５　ｍ　ｍのビームを使用した場合
、必要となる合計レーザ出力は３０００ワット以上でな
ければならない。前述した０、　５　ｍ　Ｊｕｌ　Ｘ　
６１１１１１の線状焦点を用いれば、３００ワツトのレ
ーザビームで十分である。

円形焦点をある線に沿って前後に非常に早く走査するこ
とによっても線状焦点に均等なものが得られる。走査率
が十分に高ければ、結果として細長い線状焦点のように
見えはじめる。これが起るために達成すべき走査周波数
は次式のようになる。

ｐ＝Ｈ ここにＦは走査周波数、Ｓはレーザビームに対する紙の
移動速度、Ｗは紙の移動方向におけるレーザビームスポ
ットの幅である。

ぎざぎざ縁の形成において論じたその不規則性は、大部
分が紙自身の非均質性に基づくものであることに留意さ
れたい。もしも時間的に変化する動きをレーザビームに
導入することができれば、端縁の不規則性をさらに強調
することが可能になる。これはレーザビーム１２に小さ
、よ角度で走査する動きを与えて達成することが最も容
易である。

すなわちレーザビームが完全に停止して紙が動くのでは
なく、むしろレーザビームもまた紙の動ぎと垂直に端か
ら端へとわずかに移動することが望ましい。これらの動
きは例えば鏡１４又は鏡１６のわずかな走査によって達
成することができる。

もしもこれらの振れがランダムな性質を有していれば、
その効果はぎざぎざ緑の不規則性を強調することになる
。この振れが繰返して起る性質であれば、周Ｊ９１的な
パターンがぎざぎざ縁内に導入される。この例では線状
焦点が得られるが、実際には」二連の公式で定義される
臨界周波数以下の周波数で線状焦点が走査されているこ
とになる。加えて、ビームが上述の臨界走査周波数以上
と以下の周波数成分て走査されれば、点焦点を用いるこ
とができる。これは同様に不規則性を強調したぎざぎざ
縁となる。

いずれにしてもレーザビーム１２は紙１８との暫突点で
輪郭づけられ、エネルギ密度が紙１８を完全に貫通切断
して蒸発させる数十分な最大帯域から、エネルギ密度が
紙を少なくとも部分的に浸食して蒸発させるに十分な１
つ又はそれ以上の中間帯域へと有効エネルギ密度勾配を
供給する。中間帯域でのエネルギは紙の厚さを減少させ
、紙の非均質性を利点として不規則なぎざぎざ縁を供給
する。−例としてエネルギ密度勾配は球面鏡１６の使用
により光学的に供給され、他の例として鏡又はレーザビ
ームを紙の移動方向に垂直な方向に走査することによっ
て供給される。走査方法によれば線状焦点に均等なもの
が容易に得られる。いずれの場合でも不規則性は、臨界
周波数以下のビームを紙の移動方向と垂直に走査するこ
とによって強調される。

上述の例において、紙とレーザビームとの間の相対移動
は主として紙を動かすことによって達成した。しかしな
がら、紙を静止させて走査をレーザビームの動きだけに
よって達成することもできる。

本発明は好適な実施例〉参照しながら説明してきンこが
、本発明の精神及び範囲から離れることなく他の修正を
加えることができることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザ装置Ｎの側断面図、第２図
は紙の上に衝突するレーザビームのエネルギの分布状態
を表わすグラフ、第３図はレーザで切断したぎざぎざ縁
を表わす平面図である。 １０・・俸レーザ源　１２・・・レーザビーム１４・・
・平面鏡　　１６・・・凹面鏡１８・・・紙　　　　２
０・・・プレート特許出願人　　ジョン・アラン・マツ
ケン代理人　　弁理士　　二　宮　正　孝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　レーザを用いて紙を切断する装置において、明断
   される紙を支持する手段と、 レーザビームをη、１出するレーザ源と、紙とＡｉＩ記
   レーザビームとの間に相対移動を起させる手段と、 レーザビームを紙の上に焦点合せし紙の表面に前記相対
   移動の方向と概ね垂直の方向へのエネルギ密度勾配を生
   じさせる手段とを備え、前記エネルギ密度勾配は紙を完
   全に蒸発させる第１領域と紙の少なくとも一部を除去す
   る少なくとも１つの第２領域とを有し、これにより不規
   則なぎざぎざ縁を形成することを特徴とするレーザ装置
   。 ２、前記焦点合せ用手段は紙の表面に線状焦点を供給す
   るための光学手段を含む特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ３、　前記光学手段は［」１■記線状焦点を供給するた
   めに軸線からオフセットした位置でレーザビームを捕捉
   する曲面鏡である特許請求の範囲第２項記載の装置。 ４、前記曲面鏡は球面鏡である特許請求の範囲第３項記
   載の装置。 ５、前記焦点合せ用手段は、 レーザビームを紙の移動方向と概ね垂直な方向に走査す
   る手段と、 レーザビームを紙の上に少なくとも１００００ワツ）　
   ／　ｃ　ｍ２．の出力密度で焦点合せする手段とを有し
   、 前記第１領域は紙を貫通して完全に蒸発させられ、前記
   第２領域は厚さが減少し紙の部分的浸食にととまる特徴
   を有する特許請求の範囲第１項記載の装置。 ６　前記走査手段は小さな角度範囲を走査する鏡である
   特許請求の範囲第５項記載の装置。 ７、　レーザビームを供給するレーザ源と、前記レーザ
   ビームを途中で捕捉する球面状鏡であってその先軸がレ
   ーザビームの軸中心からオフセットしていて所定の平面
   内に線状焦点を供給する珪面状鏡と、 前記所定の平面内に紙のシートを支持する手段と、 １）１■記紙とレーザビームとの間に前記線状焦点の方
   向と概ね垂直方向の相対移動を行なわせて前記紙を切断
   しかつ紙の上に不規則な端縁を形成する手段とを備える
   ことを特徴とするレーザ装置。 ８、　レーザを用いて紙を切断しぎざぎざの端縁を形成
   する方法において、 レーザビームを供給する段階と、 紙の表面に有限幅にわたりレーザビームの形状の輪郭を
   描き、紙を完全に蒸発させるに十分なエネルギ密度を有
   する第１領域と紙の少なくとも一部を除去するに十分な
   エネルギ密度を有する第２の隣接領域とを供給する段階
   と、 レーザビームと紙との間にビームの幅に概ね垂直な方向
   への相対移動を起させて紙を切断しこれによりぎざぎざ
   縁を形成させる段階とを包含することを特徴とするレー
   ザ切断方法。 ９、　７４１記輪郭を描く段階には、レーザビームの軸
   線からオフセットした点でレーザビームを捕捉する球面
   状に屈曲した鏡を耐荷し、紙の表面上に線状焦点を形成
   する工程を含んでいる特許請求の範囲第８項記載の方法
   。 １０、前記輪郭を描く段階には、前記相対移動の方向を
   横切る方向に小さな角度でレーザビームを走査する工程
   を含んでいる特許請求の範囲第８項記載の方法。