JP2005319501A

JP2005319501A - 薄膜レーザーマーキング方法及びその装置並びにフィルム材

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Publication number: JP2005319501A
Application number: JP2004141133A
Authority: JP
Inventors: Koji Ito; 康治伊藤; Hiroyasu Hasebe; 洋泰長谷部; Masao Sato; 雅夫佐藤
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】合成樹脂からなるフィルムに対し、ＣＯ_２レーザー光を照射して鮮明なパターンをマーキングすることを目的とする。
【解決手段】厚さ１０〜３０μｍ以下のＰＥＴ，ＰＡ等からなる第１薄膜層Ｌ１と、単位長当たりのレーザー光吸収率が第１薄膜層よりも低いＰＰ，ＰＥ等からなる第２薄膜層Ｌ２が形成された厚さ１００μｍ以下の合成樹脂からなるターゲットフィルム５に対し、第１薄膜層Ｌ１側から波長９．３又は９．６μｍのＣＯ_２レーザー光を照射し、ターゲットフィルム５にマーキングを行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、薄膜レーザーマーキング方法及びその装置、並びに、フィルム材に係り、更に詳しくは、包装用フィルムなどの合成樹脂からなるターゲット薄膜に対してレーザー光を照射し、ターゲット薄膜に文字や図形などのパターンをマーキングする方法及びその装置、並びに、当該方法によってマーキングされたフィルム材に関する。

レーザー光を照射してターゲット表面に文字や図形などのパターンをマーキングするレーザーマーキング装置が従来から知られている（例えば、特許文献１，２）。レーザーマーキングは、非接触で印字できるため自動化に適しており、また、ドライかつクリーンに印字することができる。このため、例えば、半導体パッケージ、プリント基板などにロット番号などをマーキングするマーキング装置として広く普及している。また、最近では、ペットボトル、ＣＤＲ、食品の包装箱などのような幅広いターゲットに対して使用されている。
特開２０００−２２２５１号公報実開平７−３６４６４号公報

一般に、食料品のパッケージは、内容物が箱又は容器に収容され、これらの箱又は容器が更にフィルムによって包装されているものが多い。また、生鮮食料品であれば、透明性のフィルムにより包装されて販売される場合が少なくない。このような食料品の場合、製造年月日、賞味期限、消費期限、ロット番号などの固体ごとの個別情報は、上記包装フィルム上にインクジェットプリンタによってマーキングされていたが、印字面に水が付いていれば鮮明にマーキングできず、また、印字後も擦ればマーキングが消えてしまうなどの問題があった。

このような食料品のパッケージへのマーキングには、非接触で印字することができ、また、インクを用いることなく衛生的に印字することができるレーザーマーキングが適していると考えられる。しかしながら、この種の包装フィルムは、ＰＥＴ、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの合成樹脂からなり、厚みが数十μｍ〜百数十μｍ程度という薄い可撓性フィルムであることから、従来のレーザーマーキング装置を用いてマーキングするのは容易ではなかった。

本願発明者の実験によれば、このような合成樹脂フィルムにレーザー光を照射し、その熱エネルギーによって合成樹脂を溶融させただけでは、マーキングしたいパターン部分を十分に掘り下げることができない。従って、フィルム上に鮮明なパターンをマーキングするためには、フィルム表面の合成樹脂を気化（昇華）させなければならず、十分な熱エネルギーがレーザー光によって与えなければならない。

ところが、レーザー出力を増大させると、溶融部分が本来のパターンの周辺部に広がって、フィルムが波打ったような状態に変形してしまう。また、レーザー出力を増大させれば、フィルムに孔が開いてしまう。このようにして、合成樹脂からなる薄いフィルムについて、その形状や美観を損ねることなく、鮮明にレーザーマーキングを行うことは容易ではなかった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、合成樹脂からなるターゲット薄膜に対し、文字や図形などのパターンをマーキングすることができるレーザーマーキング方法を提供することを目的とする。特に、ターゲット薄膜の形状や美感を著しく損なうことなく、明瞭なマーキングを行うことができるレーザーマーキング方法を提供することを目的とする。また、このようなレーザーマーキング方法を実現可能なレーザーマーキング装置、及び、このような方法によりレーザーマーキングされたフィルム材を提供することを目的とする。

第１の本発明による薄膜レーザーマーキング方法は、ＣＯ_２レーザー発振器を用いて、波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を生成するレーザー生成ステップと、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）からなる第１薄膜層及びポリプロピレン（ＰＰ）又はポリエチレン（ＰＥ）からなる第２薄膜層が形成されたターゲット薄膜に対し、第１薄膜層側から上記レーザー光を照射するレーザー照射ステップと、上記レーザー光を偏向させてターゲット薄膜上で２次元方向にスキャンさせるレーザースキャンステップとを備えて構成される。

上記素材からなる第１薄膜層及び第２薄膜層が形成されたターゲット薄膜に対し、第１薄膜側から波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を照射させることにより、薄いターゲット薄膜に対し、その形状や美感を著しく損なうことなく、鮮明なレーザーマーキングを行うことができる。また、波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光は、比較的安価なＣＯ_２レーザー発振器を用いて生成することができるため、安価にレーザーマーキングを行うことができる。

第２の本発明による薄膜レーザーマーキング方法は、上記構成に加えて、上記ターゲット薄膜が、厚さ１００μｍ以下からなり、上記第１薄膜層が、厚さ３０μｍ以下からなる。この様な構成により、薄いターゲット薄膜に対し、鮮明なパターンをレーザーマーキングすることができる。

第３の本発明による薄膜レーザーマーキング方法は、上記構成に加えて、上記第１薄膜が、上記ターゲット薄膜の表層からなる。この様な構成により、より鮮明なパターンをレーザーマーキングすることができる。

第４の本発明による薄膜レーザーマーキング方法は、レーザー光を生成するレーザー生成ステップと、合成樹脂からなる第１薄膜層及び単位長当たりのレーザー光吸収率が第１薄膜層よりも低い合成樹脂からなる第２薄膜層が形成されたターゲット薄膜に対し、第１薄膜層側から上記レーザー光を照射するレーザー照射ステップと、上記レーザー光を偏向させてターゲット薄膜上で２次元方向にスキャンさせるレーザースキャンステップとを備えて構成される。

第１薄膜層及び第２薄膜層の素材には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）の他、様々な合成樹脂を用いることができる。ただし、レーザー光が照射される側の第１薄膜層の素材には、第２薄膜層の素材に比べて、レーザー光の単位長当たりの吸収率が高いものが使用されている。このため、第１薄膜層に対し、レーザー光による熱エネルギーが局所的かつ効果的に供給され、第１薄膜層のレーザー照射部を容易に気化させることができる。従って、ターゲット薄膜の形状や美感を著しく損なうことなく、鮮明なパターンをマーキングすることができる。さらに、マーキング可能なレーザーパワーの範囲として、広い範囲を確保することができる。

第５の本発明による薄膜レーザーマーキング方法は、上記構成に加えて、上記レーザー生成ステップでは、ＣＯ_２レーザー発振器を用いて波長９．３μｍのレーザー光を生成し、上記第１薄膜層が、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）からなる。

ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）の場合、波長１０μｍ以上のレーザー光に比べ、波長１０μｍ未満のレーザー光の方が吸収率が高い。このため、比較的安価なＣＯ_２レーザー発振器を用いて、波長１０．６μｍの次に高出力が得られる９．３μｍのレーザー光を生成し、ターゲット薄膜に照射すれば、安価にレーザーマーキングを行うことができる。なお、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）は、上記レーザー光の単位長当たりの吸収率がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）よりも低い合成樹脂の一例である。

本発明によれば、第１薄膜層がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）、第２薄膜層がポリプロピレン（ＰＰ）又はポリエチレン（ＰＥ）からなるターゲット薄膜に対し、第１薄膜層側から波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を照射している。このため、ターゲット薄膜に対し、文字や図形などのパターンをマーキングすることができる。特に、ターゲット薄膜の形状や美感を著しく損なうことなく、鮮明にマーキングすることができる。また、レーザーパワーとして広い範囲を確保することができる。さらに、従来の方法に比べて、より薄いターゲット薄膜に対してもマーキングすることが可能になる。

また、本発明によれば、ターゲット薄膜が、合成樹脂からなる第１薄膜層及び第２薄膜層を有し、単位長当たりのレーザー光吸収率のより低い素材からなる第１薄膜層側からレーザー光を照射している。このため、様々な素材からなるターゲット薄膜に対して、パターンを鮮明にマーキングすることができる。

図１は、本発明によるレーザーマーキング装置を含むレーザーマーキングシステムの一構成例を示した図である。図中の１はレーザーマーキング装置、２はマーキング制御装置、３は端末装置、４はターゲット検出器、５はターゲット、６は自動搬送装置である。レーザーマーキング装置１は、レーザー光を生成してターゲット５へ照射するレーザー照射器であり、ターゲット５の対向面上でレーザー光をスキャンさせることによって所定パターンをマーキングしている。このマーキング動作はマーキング制御装置２によって制御される。

端末装置３は、印字パターンや、印字位置や、印字速度又はレーザ出力による印字濃度などのマーキング条件がユーザによって操作入力される装置、例えばパーソナルコンピュータであり、入力されたマーキング条件はマーキング制御装置２へ入力される。また、ターゲット検出器４は、自動搬送装置６上を移動するターゲット５を検出するセンサであり、その検出信号はマーキング制御装置２へ入力される。

マーキング制御装置２は、上記マーキング条件や検出信号に基づいて、レーザーマーキング装置１に対し、印字信号及び走査信号を出力している。印字信号は、レーザー照射のオンオフを切り替えるＰＷＭ信号であり、この印字信号に基づいて、レーザーマーキング装置１はレーザー光の間欠照射を行っている。走査信号は、レーザー光の照射方向を指定する信号であり、レーザーマーキング装置１は、この走査信号に基づいて、ターゲット５のマーキング面上においてレーザー光を２次元方向にスキャンさせている。

図２は、図１のレーザーマーキング装置１の内部構成の一例を示した図であり、ＣＯ_２レーザー発振器及びビームスキャン光学系からなる。ＣＯ_２レーザー発振器を構成するレーザーチューブ１０内には、炭酸ガスＣＯ_２が窒素ガスＮ_２やヘリウムガスＨｅとともに充填され、一対の電極１１，１２が対向配置されている。このため、マーキング制御装置２からの印字信号に基づいて、電源回路１５が電極１１，１２間に所定電圧を印加すれば、所定の波長を有するレーザー光がレーザーチューブ１０内で生成される。このレーザー光は、出力ミラー１３及び反射ミラー１４間の往復により増幅され、その一部が出力ミラー１３から出射される。

出力ミラー１３は特定波長のレーザ光のみを選択して出射し、このレーザ光がビームスキャン光学系に入射される。この光学系において、ガルバノミラー２０，２１により反射され、集光レンズ２２を通過したレーザー光が、ターゲット５へ向けて、レーザーマーキング装置１から出射される。ガルバノミラー２０，２１の向きは、往復運動を行うガルバノモータ２４、２５により、マーキング制御装置２からの走査信号に基づいて駆動され、レーザー光をマーキング面上でＸ方向、Ｙ方向にそれぞれスキャンさせる。集光レンズ２２は、マーキング面上において数百μｍ径のスポットを形成するようにレーザー光を集光させている。

ＣＯ_２レーザー発振器の場合、原子は基底状態のままで、各原子間の結合エネルギーのレベル差に相当する波長のレーザー光が生成される。最も大きな出力が得られる波長は１０．６μｍであることから、ほとんどのＣＯ_２レーザー発振器では、波長１０．６μｍのレーザー光が利用されている。ＣＯ_２レーザー発振器において次に大きな出力が得られる波長が９．３μｍであり、さらに１０．３μｍ、９．６μｍでも出力があり、その他の波長については、ごく微少な出力しか得られない。従って、ＣＯ_２レーザー発振器によって得られる工業的に利用可能な波長は上記４波長が主であり、その中でも、効率的に得られる波長は１０．６μｍ及び９．３μｍに限定される。

上記レーザーマーキング装置１では、１０μｍ以下のレーザー光をターゲット５へ照射するため、出力ミラー１３において、レーザーチューブ１０から出力されるレーザー光のうち、波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を取り出し、ビームスキャン光学系へ出射している。

マーキングを行うターゲット５は合成樹脂を主成分とするフィルム材である。図１では、自動搬送装置６上の製品が、外装材としての包装用フィルムを有しており、レーザーマーキング装置１は、この包装用フィルムに対してマーキングを行っている。ただし、包装前の単体のフィルム材に対するマーキングであっても、全く同様にして行うことができる。

図３は、ターゲット５（フィルム材）の断面の一例を示した図である。このフィルム材は、合成樹脂からなる包装フィルムであり、少なくとも第１薄膜層Ｌ１及び第２薄膜層Ｌ２を有している。包装時には第１薄膜層Ｌ１が外側、第２薄膜層Ｌ２が内側となるように用いられ、包装後にマーキングする場合には、レーザー光が外表面である第１薄膜層Ｌ１側から照射される。図中の（ａ）は、この包装用フィルムにレーザー光が照射されている様子を示した図である。

第１薄膜層Ｌ１及び第２薄膜層Ｌ２は、ともに合成樹脂からなり、第１薄膜層Ｌ１には、第２薄膜層Ｌ２に比べ、単位長当たりのレーザー光吸収率のより高い素材が用いられている。換言すれば、第１薄膜層Ｌ１は、単位長当たりのレーザー光の透過率が、第２薄膜層Ｌ２の場合よりも低い素材からなる。なお、レーザー光吸収率は、レーザー光の波長に応じて異なることから、照射されるレーザー光の波長について上記関係が成立しているものとする。

この様なフィルム材に対してレーザー光を照射した場合、照射面側に形成され、かつ、レーザー光吸収率の高い第１薄膜層Ｌ１では、多くのレーザー光が吸収され、熱エネルギーに変わる。このため、第１薄膜層Ｌ１には、局所的に十分な熱エネルギーが与えられ、合成樹脂が気化し、レーザースポット内の第１薄膜層Ｌ１を除去することができる。

このとき、レーザー照射面とは反対側に形成された第２薄膜層Ｌ２には、第１薄膜層Ｌ１を透過した弱いレーザー光しか到達しない。しかも、第２薄膜層Ｌ２はレーザー光吸収率が低いため、吸収されずに透過するレーザー光が少なくない。従って、第２薄膜層Ｌ２が溶融することによって、フィルム材に孔が開いたり、波打つような形状の変化は比較的生じにくい。図中の（ｂ）は、この様なマーキングの様子を模式的に示した図である。

ここで、第１薄膜層Ｌ１の素材が、照射された波長のレーザー光について、十分な吸収率を有しておらず、レーザー光を照射しても気化させることができなければ、第１薄膜層Ｌ１を十分に除去することはできない。図中の（ｃ）は、比較例として、第１薄膜層Ｌ１を十分に気化させることができなかった場合の様子が模式的に示されている。第１薄膜層Ｌ１においてレーザー光が十分に吸収されない場合、熱エネルギーが徐々に供給されて第１薄膜層Ｌ１が溶融し、その一部が気化するだけとなる。このため、一気に気化させた場合の様に深く掘り下げることはできず、鮮明にマーキングすることはできない。

この様な場合に、レーザーパワーを増大させ、あるいは、レーザー照射時間を長くすることによって、第１薄膜層Ｌ１に与える熱エネルギーの総量を増大させたとすれば、熱伝導によりレーザー照射部の周辺における温度も上昇させ、周辺の第１薄膜層Ｌ１を溶融させて鮮明なパターンをマーキングできない。さらに、第１薄膜層Ｌ１に与える熱エネルギーの増大に応じて、第２薄膜層Ｌ２に与える熱エネルギーも増大することから、第２薄膜層Ｌ２を溶融させてしまう。その結果、フィルムに孔が開いたり、波打つような形状の変化が生じ、美感を損ねてしまう。また、包装用フィルムによって気密性を保持しているターゲット５の場合であれば、その気密性を損ねてしまう。

次に、第１薄膜層Ｌ１及び第２薄膜層Ｌ２の素材について具体的に説明する。本願発明者の実験によれば、第１薄膜層が、厚さ１０〜３０μｍ以下のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）からなる場合、波長１０．６μｍのレーザー光を照射すれば、図３の（ｃ）の状態となり、第１薄膜層Ｌ１を十分に除去することはできなかった。これに対し、波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を適切な出力レベルで照射した場合には、図３の（ｂ）の状態となり、第１薄膜層Ｌ１を良好に除去することができた。

また、第２薄膜層Ｌ２が、厚さ２０μｍ〜８０μｍのポリエチレン（ＰＥ）又はポリプロピレン（ＰＰ）からなる場合、第１薄膜層Ｌ１を除去可能な出力レベルで、波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を照射すれば、図３の（ｂ）の状態となり、孔が開いたり、波打つような形状の変化は生じなかった。なお、第２薄膜層Ｌ２に用いるポリエチレン（ＰＥ）には、直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）又は低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）が適している。

この様にして、３０μｍ以下の第１薄膜層Ｌ１と、２０μｍ以上の第２薄膜層Ｌ２からなるフィルム材に対し、９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を照射すれば、全体の厚さが１００μｍ以下の薄いフィルム材に対し、従来は不可能であったレーザーマーキングを良好に行うことができた。なお、第２薄膜Ｌ２は上記膜厚よりもさらに厚くてもよい。その場合には、フィルム材全体の厚さが２００μｍ以下であってもよいが、フィルム材全体の厚さが１００μｍ以下の場合に特に好適である。

図４及び図５には、レーザー光を照射したフィルム材の深さ方向のエネルギー吸収分布についてシミュレーションを行った結果が示されている。このシミュレーションは、単一の素材からなるフィルム材に対し、レーザー光を照射した場合に、透過率の差が深さ方向のエネルギー吸収分布に与える影響をシミュレーションしたものである。

図４は、厚さ１μｍ当たりのレーザー光の透過率が９５％及び８５％の場合について、フィルム材表面からの深さ１μｍごとに、そこへ到達するエネルギーと、そこで吸収されるエネルギーとを求めたものである。つまり、第１薄膜層Ｌ１における厚さ１μｍ当たりの透過率が、波長１０．６μｍの場合が９５％、波長９．３μｍの場合が８５％と仮定してシミュレーションを行ったものである。その際、単位面積当たりのレーザーパワー（出力レベルとスキャンスピードによって決まる照射エネルギー）は、波長１０．６μｍの場合が８０ｍＪ／ｍｍ^２、波長１０．６μｍの場合が４０ｍＪ／ｍｍ^２と仮定している。

図５は、図４における深さ１μｍごとの吸収エネルギーをグラフ化した図である。波長１０．６μｍの場合には、吸収される熱エネルギーが深さ方向に広く分散してしまうのに対し、波長９．３μｍの場合には、吸収される熱エネルギーが表面付近に集中していることがわかる。従って、単位長当たりの透過率が低い（つまり、単位長当たりの吸収率が高い）波長９．３μｍのレーザー光を使用すれば、第１薄膜層の表面付近を一気に高温にして、気化させることができる。逆に、波長１０．６μｍのレーザー光を使用すれば、表面付近を十分に加熱することができず、液化させ、あるいは、一部が気化して気泡を発生させることになる。それだけでなく、深いところまで液化させることにより、フィルムを変形させ、美感も損われる。

以上のシミュレーションから明らかになったように、単位長当たりの吸収率が高くなる第１薄膜層Ｌ１の素材及びレーザー光の波長の組み合わせを採用することにより、薄いフィルムに対し、レーザーマーキングを良好に行うことができる。

なお、本実施の形態では、ターゲットとなるフィルム材が、２層構造の場合について説明したが、本発明は、２層構造のフィルム材へのレーザーマーキングには限定されない。すなわち、少なくともレーザー照射面側に第１薄膜層Ｌ１が形成され、上記照射面とは反対側に第２薄膜層Ｌ２が形成されていれば、本発明による上記効果を得ることができる。例えば、第１薄膜層Ｌ１及び第２薄膜層Ｌ２間に、あるいは、第２薄膜層の更に外側に顔料層や、他の合成樹脂からなる層が設けられた３層以上を有するフィルム材であってもよい。

また、本実施の形態では、望ましい形態として、レーザー照射されるフィルム材の表面（表層）が、第１薄膜層Ｌ１である場合について説明したが、本発明は、この様な場合には限定されない。すなわち、第１薄膜層Ｌ１は、第２薄膜層Ｌ２よりもレーザー照射面側に配置されていればよく、必ずしも表層でなくてもよい。例えば、第１薄膜層Ｌ１の外側に顔料層が設けられていてもよい。

また、本実施の形態では、第１薄膜層Ｌ１及び第２薄膜層Ｌ２が、それぞれ単一の層からなる場合の例について説明したが、本発明は、この様な場合には限定されない。すなわち、第１薄膜層Ｌ１が２以上の層からなり、あるいは、第２薄膜層Ｌ２が２以上の層からなる場合であっても、本発明による上記効果を得ることができる。

図６は、以下の各実験に使用したＣＯ_２レーザーマーキング装置の波長及び出力レベルとレーザーパワーとの関係を示した図である。このレーザーマーキング装置は、波長１０．６μｍの場合で最大３２．０Ｗ、波長９．３μｍの場合で最大１７．８Ｗのレーザー光を出力することができ、また、その出力レベルを調整することができる。例えば、波長９．３μｍで出力レベル５０％の場合であれば、１１．８Ｗの出力となる。

図７〜図１０は、レーザーマーキングの実験例を示した図である。マーキングターゲットは、いずれも同じフィルム材が用いられており、第１薄膜層Ｌ１が厚さ１２μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、第２薄膜層Ｌ２が厚さ３０μｍのポリプロピレン（ＰＰ）からなる。

図７は、波長９．３μｍのレーザー光を１０００ｍｍ／ｓのスピードでスキャンさせながらターゲットフィルムに照射してマーキングを行った結果が示されている。図中の（ａ）〜（ｅ）は、出力レベルを１０％〜６０％とした場合の印字結果である。出力レベル１０％ではほとんど印字できないが、出力レベル２０％〜５０％では綺麗に印字することができた。ただし、出力レベルを６０％以上にした場合には、印字パターンの一部に孔が開いてしまっている。

図８は、波長９．３μｍのレーザー光を２０００ｍｍ／ｓのスピードでスキャンさせてマーキングを行った結果が示されている。図中の（ａ）〜（ｅ）は、出力レベルを２０％〜１００％とした場合の印字結果である。出力レベル２０％では十分に印字できていないが、出力レベル３０％〜１００％の広いパワーレンジにおいて綺麗に印字することができた。

図９は、波長１０．６μｍのレーザー光を１０００ｍｍ／ｓのスピードでスキャンさせてマーキングを行った結果が示されている。図中の（ａ）〜（ｄ）は、出力レベルを２０％〜５０％とした場合の印字結果である。出力レベル２０％ではほとんど印字できていない。また、４０％では、印字部分の周囲、特に線の屈曲部や近接部において、滲みのような模様が現われ、美感を損ねている（同様の滲みは３０％でも既に発生している）。出力レベルをさらに上げて５０％にすれば、上記滲みは更に悪化し、ターゲットフィルムは波打ったような状態に変形するとともに、印字部分の一部に孔が開いてしまっている。

図１０は、波長１０．６μｍのレーザー光を２０００ｍｍ／ｓのスピードでスキャンさせてマーキングを行った結果が示されている。図中の（ａ）〜（ｄ）は、出力レベルを４０％〜７０％とした場合の印字結果である。出力レベル４０％では十分に印字できていないが、出力レベル５０％では、印字部分の周囲に滲みが現われ、美感を損ねている。その後、更に出力レベルを上げると、上記滲みは更に悪化し、フィルムが波打ったような形状に変形した。

図７〜図１０を比較すれば、第１薄膜層Ｌ１が厚さ１２μｍのＰＥＴ、第２薄膜層Ｌ２が厚さ３０μｍのＰＰからなるターゲットフィルムへのマーキングには、波長１０．６μｍよりも波長９．３μｍの方が適していることがわかる。つまり、波長１０．６μｍレーザー光を照射した場合、綺麗に印字できるレーザーパワーは存在しないか、あるいは、極めて狭い範囲に限定されている。これに対し、波長９．３μｍレーザー光を照射した場合には、綺麗に印字できるレーザーパワーとして広い範囲を確保することができる。

図１１は、図８と同じ条件（ＰＥＴ＋ＰＰ、９．３μｍ、２０００ｍｍ／ｓ）による印字結果の一部を拡大して示した図であり、文字「期」の左上部分が示されている。同様にして、図１２は、図１０と同じ条件（ＰＥＴ＋ＰＰ、１０．６μｍ、２０００ｍｍ／ｓ）による印字結果の一部を拡大して示した図である。

波長１０．６μｍを使用した図１２では、十分に印字することができない出力レベル４０％の状態においても、文字の周辺部においてフィルムが溶融し、上記滲みが既に発生していることがわかる。一方、波長９．３μｍを使用した図１１では、レーザーパワーを上げても、このような滲みが全く発生していないことがわかる。

つまり、波長１０．６μｍのレーザー光を照射した場合には、レーザー光を吸収して得られた熱エネルギーが照射位置以外の周辺部にも伝導して広がってしまうのに対し、波長９．３μｍのレーザー光を照射した場合には、このような現象が抑制されていることがわかる。

図１３は、図７及び図９と同じ条件（ＰＥＴ＋ＰＰ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線について、拡大した断面図及び平面図を示した図である。図中の（ａ）は、波長９．３μｍ、出力レベル５０％の場合であり、断面図及び平面図ともに、レーザー光の照射部において第１薄膜層Ｌ１が完全に除去されていることがわかる。なお、平面図において、線の両側にある鱗状の模様は、円形のレーザースポットを所定幅ずつステップ移動させながらスキャンしているために生ずる形状であり、線の中央部が深く掘り下げられていることがわかる。

図中の（ｂ）は、波長１０．６μｍ、出力レベル３０％の場合であり、断面図をみれば、レーザー光の照射部においてほとんど掘り下げられていないことがわかる。また、図中の（ｃ）は、波長１０．６μｍ、出力レベル５０％の場合であり、断面図では掘り下げが十分でないことがわかり、平面図ではレーザー照射部において気泡が発生していることがわかる。

つまり、波長９．３μｍのレーザー光を照射した場合には、照射部の第１薄膜層Ｌ１を気化させて除去し、深く掘り下げることができるのに対し、波長１０．６μｍのレーザー光を照射した場合には、レーザーパワーを上げても、第１薄膜層Ｌ１を気化させるのに十分な熱エネルギーを与えることができず、液化したものの一部のみが気化するために泡が発生していると考えられる。

図１４及び図１５は、レーザーマーキングの他の実験例を示した図である。マーキングターゲットは、いずれも同じフィルム材が用いられており、第１薄膜層Ｌ１は、厚さがそれぞれ１５μｍの２層のポリアミド（ＰＡ）、第２薄膜層Ｌ２が厚さ６０μｍのポリエチレン（ＰＥ）からなる。また、第１薄膜層Ｌ１の２層の間には顔料（白色）を含む数μｍの薄い層が形成されている。

図１４は、波長９．３μｍのレーザー光を１０００ｍｍ／ｓのスピードでスキャンさせながらターゲットフィルムに照射してマーキングを行った結果が示されている。出力レベル４０％以下では十分に印字できていないが、出力レベル５０％〜１００％の広いパワーレンジにおいて鮮明に印字することができた。

図１５は、波長１０．６μｍのレーザー光を１０００ｍｍ／ｓのスピードでスキャンさせてマーキングを行った結果が示されている。出力レベル６０％以下では十分に印字できておらず、出力レベル７０％以上の場合でも十分に印字濃度を上げることができなかった。

図１６は、図１４と同じ条件（ＰＡ＋ＰＥ、９．３μｍ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線について、拡大した断面図及び平面図を示した図である。図中の（ａ）は、出力レベル８０％の場合であり、（ｂ）は、出力レベル１００％の場合である。いずれの場合も、断面図から、レーザー光の照射部において第１薄膜層Ｌ１の２層がほぼ除去されていることがわかる。また、平面図において鱗状の模様が見られ、線の中央部が深く掘り下げられていることがわかる。

図１７は、図１５と同じ条件（ＰＡ＋ＰＥ、１０．６μｍ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線について、拡大した断面図及び平面図を示した図である。図中の（ａ）は、出力レベル８０％の場合であり、その断面図から、レーザー光の照射部において第１薄膜層Ｌ１の２層目が十分に除去されていないことがわかる。また、平面図では鱗状の模様が見られず、深く掘り下げられていないことがわかる。また、図中の（ｂ）は、出力レベル１００％の場合における断面図及び平面図であり、線の中央部付近の一部を除き、第１薄膜層Ｌ１の２層目が十分に除去されていないことがわかる。

図１８〜図２０は、上記条件によりレーザーマーキングされた線について幅及び深さの関係を測定した結果を示した図である。

図１８の（ａ）には、図７と同じ条件（ＰＥＴ＋ＰＰ、９．３μｍ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線についての測定結果が示されている。波長９．３μｍのレーザー光を用いた場合、出力レベルの増大に応じて線の幅は拡大しているが、線の深さは、出力レベルが増大してもほとんど変化せず、概ね１０μｍ前後である。すなわち、出力レベル２０％〜１００％という広いパワーレンジにおいて、第１薄膜層Ｌ１（厚さ１２μｍ）をほぼ除去するとともに、第２薄膜層Ｌ２をほとんど除去していないことがわかる。

図１８の（ｂ）には、図９と同じ条件（１０．６μｍ、ＰＥＴ＋ＰＰ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線についての測定結果が示されている。出力レベルの増大に応じて線の幅と深さがともに増大している。

図１９の（ａ）には、図１４と同じ条件（ＰＡ＋ＰＥ、９．３μｍ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線についての測定結果が示されている。波長９．３μｍのレーザー光を用いた場合、出力レベル４０％〜１００％という広いパワーレンジにおいて、出力レベルが増大しても、線の深さは、２３〜３０μｍ程度であり、第１薄膜層Ｌ１（厚さ３０μｍ）をほぼ除去するとともに、第２薄膜層Ｌ２をほとんど除去していないことがわかる。

図１９の（ｂ）には、図１５と同じ条件（ＰＡ＋ＰＥ、１０．６μｍ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線についての測定結果が示されている。波長１０．６μｍのレーザー光を用いた場合、出力レベルの増大に応じて線の深さも増大しているが、出力レベル１００％の場合でも深さは２０μｍ以下であり、第１薄膜層Ｌ１（厚さ３０μｍ）を十分に除去することができないことがわかる。

図２０には、ターゲットまでの距離が集光レンズの焦点距離からはずれている場合についての測定結果を示している。ともに図１８の（ａ）と同じ条件（ＰＥＴ＋ＰＰ、９．３μｍ、１０００ｍｍ／ｓ）により測定されており、（ａ）は、ターゲットを焦点位置から３ｍｍ遠ざけた場合（ＷＤ（Work Distance）＝＋３ｍｍ）、（ｂ）は５ｍｍ遠ざけた場合（ＷＤ＝＋５ｍｍ）における測定結果が示されている。この測定結果より、ターゲットが焦点距離から数ｍｍ程度ずれても、広いパワーレンジにおいて１０μｍ前後の深さを維持できることがわかる。

本発明によるレーザーマーキング装置を含むレーザーマーキングシステムの一構成例を示した図である。図１のレーザーマーキング装置１の内部構成の一例を示した図である。ターゲット５（フィルム材）の断面の一例を示した図である。レーザー光を照射したフィルム材の深さ方向のエネルギー吸収分布についてシミュレーションを行った結果を示した図である。図４における深さ１μｍごとの吸収エネルギーをグラフ化した図である。実験に使用したＣＯ_２レーザーマーキング装置の波長及び出力レベルとレーザーパワーとの関係を示した図である。ＰＥＴ＋ＰＰからなるターゲットに対し、波長９．３μｍのレーザー光を１０００ｍｍ／ｓのスピードでスキャンさせながら照射してマーキングを行った結果が示されている。ＰＥＴ＋ＰＰからなるターゲットに対し、波長９．３μｍのレーザー光を２０００ｍｍ／ｓのスピードでスキャンさせながら照射してマーキングを行った結果が示されている。ＰＥＴ＋ＰＰからなるターゲットに対し、波長１０．６μｍのレーザー光を１０００ｍｍ／ｓのスピードでスキャンさせながら照射してマーキングを行った結果が示されている。ＰＥＴ＋ＰＰからなるターゲットに対し、波長１０．６μｍのレーザー光を２０００ｍｍ／ｓのスピードでスキャンさせながら照射してマーキングを行った結果が示されている。図８と同じ条件（ＰＥＴ＋ＰＰ、９．３μｍ、２０００ｍｍ／ｓ）による印字結果の一部を拡大して示した図であり、文字「期」の右上部分が示されている。図１０と同じ条件（ＰＥＴ＋ＰＰ、１０．６μｍ、２０００ｍｍ／ｓ）による印字結果の一部を拡大して示した図である。図７及び図９と同じ条件（ＰＥＴ＋ＰＰ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線について、拡大した断面図及び平面図を示した図である。ＰＡ＋ＰＥからなるターゲットに対し、波長９．３μｍのレーザー光を照射してマーキングを行った結果が示されている。ＰＡ＋ＰＥからなるターゲットに対し、波長１０．６μｍのレーザー光を照射してマーキングを行った結果が示されている。図１４と同じ条件（ＰＡ＋ＰＥ、９．３μｍ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線について、拡大した断面図及び平面図を示した図である。図１５と同じ条件（ＰＡ＋ＰＥ、１０．６μｍ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線について、拡大した断面図及び平面図を示した図である。図７及び図９と同じ条件（ＰＥＴ＋ＰＰ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線について幅及び深さの関係を測定した結果を示した図である。図１４及び図１５と同じ条件（ＰＡ＋ＰＥ、１０００ｍｍ／ｓ）により印字された線についての測定結果が示されている。図２０には、ターゲットまでの距離が集光レンズの焦点距離からはずれている場合について幅及び深さの関係を測定した結果を示した図である。

符号の説明

１レーザーマーキング装置
５ターゲット
１０レーザーチューブ（レーザー発振手段）
２０，２１ガルバノミラー（２次元スキャン手段）
２２集光レンズ
Ｌ１第１薄膜層
Ｌ２第２薄膜層

Claims

ＣＯ_２レーザー発振器を用いて、波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を生成するレーザー生成ステップと、
ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）からなる第１薄膜層及びポリプロピレン（ＰＰ）又はポリエチレン（ＰＥ）からなる第２薄膜層が形成されたターゲット薄膜に対し、第１薄膜層側から上記レーザー光を照射するレーザー照射ステップと、
上記レーザー光を偏向させてターゲット薄膜上で２次元方向にスキャンさせるレーザースキャンステップとを備えたことを特徴とする薄膜レーザーマーキング方法。
上記ターゲット薄膜が、厚さ１００μｍ以下からなり、
上記第１薄膜層が、厚さ３０μｍ以下からなることを特徴とする請求項１に記載の薄膜レーザーマーキング方法。
上記第１薄膜が、上記ターゲット薄膜の表層であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜レーザーマーキング方法。
レーザー光を生成するレーザー生成ステップと、
合成樹脂からなる第１薄膜層及び単位長当たりのレーザー光吸収率が第１薄膜層よりも低い合成樹脂からなる第２薄膜層が形成されたターゲット薄膜に対し、第１薄膜層側から上記レーザー光を照射するレーザー照射ステップと、
上記レーザー光を偏向させてターゲット薄膜上で２次元方向にスキャンさせるレーザースキャンステップとを備えたことを特徴とする薄膜レーザーマーキング方法。
上記レーザー生成ステップでは、ＣＯ_２レーザー発振器を用いて波長９．３μｍのレーザー光を生成し、
上記第１薄膜層が、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）からなることを特徴とする請求項４に記載の薄膜レーザーマーキング方法。
レーザー照射面側にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）からなる第１薄膜層が形成され、レーザー照射面とは反対側にポリプロピレン（ＰＰ）又はポリエチレン（ＰＥ）からなる第２薄膜層が形成されたターゲット薄膜に対し、波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を２次元方向にスキャンさせながら照射することを特徴とする薄膜レーザーマーキング装置。
レーザー照射面側に合成樹脂からなる第１薄膜層が形成され、レーザー照射面とは反対側に単位長当たりのレーザー光吸収率が第１薄膜層よりも低い合成樹脂からなる第２薄膜層が形成されたターゲット薄膜に対し、レーザー光を２次元方向にスキャンさせながら照射することを特徴とする薄膜レーザーマーキング装置。
波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を生成するＣＯ_２レーザー発振器を備え、
上記第１薄膜層が、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）からなることを特徴とする請求項７に記載の薄膜レーザーマーキング装置。
少なくともポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリアミド（ＰＡ）からなる厚さ３０μｍ以下の第１薄膜層と、ポリプロピレン（ＰＰ）又はポリエチレン（ＰＥ）からなる第２薄膜層とを有し、全体の厚さが１００μｍ以下からなり、第１薄膜層側から波長９．３μｍ又は９．６μｍのレーザー光を照射してマーキングされたことを特徴とするフィルム材。