JP2008012869A

JP2008012869A - レーザマーキング方法

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Publication number: JP2008012869A
Application number: JP2006188703A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Jitsuno; 孝久實野; Hiroyasu Ueda; 浩安植田; Yoshio Maejima; 義夫前嶋; Kiyoshi Miura; 清三浦; Yutaka Tsujimoto; 裕辻本; Keiu Tokumura; 啓雨徳村
Original assignee: Shikibo Ltd; Shizuoka Prefecture
Current assignee: Shikibo Ltd; Shizuoka Prefecture
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2026-07-07
Also published as: JP4782626B2

Abstract

【課題】低いエネルギのレーザ光によって、微細な予め定める文字または図柄を鮮明にかつ高い堅牢性で形成することができるレーザマーキング方法を提供する。
【解決手段】熱可塑性材料から成る基材Ｗの表面６に、色料を分散した状態で含有する色料含有層２７を形成し、スポットサイズを２μｍ以上、３μｍ以下に集光したレーザ光を照射する。半導体レーザなどの比較的低い出力のレーザ照射装置によって発振されるレーザ光を、２μｍ以上、３μｍ以下という微小なスポットサイズに集光して照射面上での集光スポットのエネルギ密度を高くし、色料含有層２７の色料を軟化または昇華させて基材Ｗの表面に転写する。色料含有層２７のレーザ光が照射された部分は、照射されたレーザ光のエネルギによって加熱され、その熱によって基材Ｗの表面も加熱されて軟化して混在化し、そこへ転写されてきた色料が付着し、温度の低下とともに付着した色料は軟化した基材Ｗとともに硬化し、定着する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細な文字および図柄などのマーキング形状を、鮮明にかつ高い堅牢性で基材の表面に形成することができるレーザマーキング方法に関する。

典型的な従来技術は、たとえば特許文献１に記載されている。この従来技術では、鮮明で変色し難いマーク部をレーザマーキングによって形成するために、染色可能なプラスチック基材上の表面側にレーザ光と反応可能な着色剤を含む反応着色層を形成し、染色によって前記着色層に地色を濃色化する組合せ色で染色層を形成し、レーザ光を照射してマーキングすることが記載されている。

前記反応着色層および染色層の厚さは、３０μｍ以下に選ばれる。前記反応着色層の厚さを３０μｍ以下に選ぶことによって、レーザ光が照射されるマーク部のレーザ照射による劣化を低減するとともに、厚さが大きいことによる基材からの反応着色層の剥離を防止している。また、前記染色層の厚さが３０μｍに以下に選ばれることによって、反応着色層に対する彩度を向上し、厚い反応着色層がマーク部に残らないようにし、マーク部の反応着色層の地色に対するコントラストを高くして、マーク部の識別性を向上している。

他の従来技術は、たとえば特許文献２に記載されている。この従来技術では、樹脂成形体の表面に、高エネルギパルスレーザを照射して、任意形状の模様、文字または記号をマーキングするレーザマーキング方法であって、無機粒子を含有する樹脂粉末を、前記樹脂成形体の表面に塗布し、マーキング形状に対応してレーザ光を１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚのパルスで照射することによって、樹脂成形体の表面に明瞭にマーキング形状を発現させることが提案されている。

前記レーザ光は、集光レンズによって照射面上に０．１ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下に集光し、無機粒子を、樹脂粉末をバインダとして、表面に固定または定着させる。照射するレーザ光の１パルスあたりのエネルギは、３×１０^８Ｊ／ｃｍ^２または５×１０^８Ｊ／ｃｍ^２であり、走査速度は１ｍｍ／ｓ〜４００ｍｍ／ｓの範囲で可変であり、波長１０６４ｎｍのレーザ光をマルチモードで発振することができるレーザ照射装置を用いて、０．２ｍｍの文字幅でマーキング形状を形成している。

このような特許文献１，２に記載される各従来技術では、マーキング形状の鮮明性および堅牢性が低いという問題がある。

特開２００５−２９７３２６号公報特開平８−１７４２６３号公報

本発明の目的は、基材の表面に予め定める文字または図柄などのマーキング形状を、鮮明にかつ高い堅牢性で形成することができるレーザマーキング方法を提供することである。

本発明は、熱可塑性材料から成る基材の表面に、色料を分散した状態で含有する色料含有層を形成し、この色料含有層に予め定めるマーキング形状に沿ってレーザ光を照射して、前記レーザ光を照射した部分の基材を軟化させ、この軟化した部分に前記色料含有層の色料を混在させることによって、基材の表面に前記予め定めるマーキング形状を発現させることを特徴とするレーザマーキング方法である。

本発明に従えば、基材の表面に、色料を分散した状態で含有する色料含有層を形成し、この色料含有層に集光したレーザ光を照射することによって、半導体レーザなどの比較的低い出力のレーザ照射装置によって発振されるレーザ光を、たとえば１μｍ以上、２０μｍ以下、好ましくは２μｍ以上、３μｍ以下という微小なスポットサイズに集光して照射面上でのエネルギ密度を高くし、前記色料含有層の色料を基材の表面に転写することができる。

このような色料の基材への転写は、色料含有層の前記レーザ光が照射された部分が、照射されたレーザ光のエネルギによって加熱され、その熱によって基材の表面も加熱されて軟化し、そこへ色料含有層中で軟化または昇華によって遊離した色料の色素が付着して基材に混在し、温度の低下とともに付着した色素は基材とともに硬化し、基材の表面内に定着する。このようにして幅１００μｍ〜２００μｍ程度の微細な文字または図柄であっても、希望する色相で鮮明にかつ高い堅牢性で発現させることができる。

また本発明は、前記色料は、染料からなることを特徴とする。
本発明に従えば、色料として染料を用いることによって、レーザ光の照射によって軟化した基材の表面に、前記軟化または昇華した染料の色素が付着すると、その色素は基材に浸透して基材を染色し、温度が低下するにつれて軟化または溶融した部分が硬化して、色素は基材の表面内に定着する。このように色料として染料を用いることによって、基材のレーザ光の照射によって染色された部分が基材の表面内で硬化し、洗浄および摩耗などに対して高い堅牢性で鮮明なマーキング形状を発現させることができる。

さらに本発明は、前記色料は、顔料からなることを特徴とする。
本発明に従えば、色料として顔料を用いることによって、レーザ光の照射によって軟化した基材の表面に、前記軟化または昇華した顔料の色素が付着すると、その色素は基材の軟化した表面中に混在した状態でとどまり、温度が低下するにつれて軟化または溶融した部分が硬化して、基材の表面内に定着する。このように色料として顔料を用いることによって、基材の表面の軟化した部分に顔料が転写されて基材中に混在した状態で定着するので、染料に比べてレーザ光照射部分の周囲に対して高いコントラストを得ることができ、洗浄および摩耗などに対して高い堅牢性で鮮明なマーキング形状を発現させることができる。

さらに本発明は、前記基材の表面には、界面活性剤が塗布されることを特徴とする。
本発明に従えば、基材の表面に界面活性剤が塗布されるので、色料含有層の基材に対する密着性が向上され、基材の表面におけるレーザ光のスポット径がたとえば１μｍ〜２０μｍの微小なものであっても、色料の色素を基材の表面内に確実に転移させて、明瞭で堅牢なマーキング形状を形成することができる。

さらに本発明は、前記予め定めるマーキング形状に沿って前記色料含有層に照射されるレーザ光は、精密集光されていることを特徴とする。

本発明に従えば、色料含有層に精密集光されたレーザ光が照射されることによって、レーザ光照射部位のエネルギ密度を高密度化し、そのエネルギ密度の高い部分で色料を昇華させて、基材の溶融した部分に混在化させ、色料の色を変化させずにそのまま発色させ、微細な文字・図柄を明瞭に希望する色で発現させることができる。

本発明によれば、微細な文字または図柄などの予め定めるマーキング形状を、希望する色相で鮮明にかつ高い堅牢性で発現させることができる。

また本発明によれば、色料として染料を用いることによって、洗浄および摩耗などに対して高い堅牢性を得ることができる。

さらに本発明によれば、色料として顔料を用いることによって、基材の表面に顔料が転写され、高いコントラストで鮮明で堅牢なマーキング形状を形成することができる。

さらに本発明によれば、基材の表面に界面活性剤が塗布されることによって、微細なマーキング形状であっても明瞭な高い堅牢性のマーキングを達成することができる。

さらに本発明によれば、レーザ光が精密集光されることによって、高いエネルギ密度でレーザ光をレーザ光照射部位に照射し、色料の色を変化させずにそのまま発色させ、微細な文字・図柄を明瞭に希望する色で発現させることができる。

図１は本発明の実施の一形態のレーザマーキング方法を実施するために用いられるレーザ照射装置１の概略的構成の一例を示す系統図である。本実施の形態のレーザマーキング方法を実施するために、レーザ照射装置１が用いられる。このレーザ照射装置１は、レーザマーカとも呼ばれ、レーザ光発生手段２から出力されたレーザビーム３をビームスプリッタ４によってほぼ直角に反射し、対物レンズ５を通過させて、基材Ｗの表面６に集光して照射することができるように構成される。

基材Ｗは、ビームスプリッタ４によって反射されたレーザビームの光軸７に表面６が垂直となるようにＸＹステージ８に搭載されて保持される。ＸＹステージ８は、搭載した基材Ｗを水平なＸＹ平面上で直交するＸ方向およびＹ方向に移動させて、レーザビームの光軸７が表面６に対して垂直となるように、基材Ｗをレーザビームの照射位置に正確に位置決めすることができるように構成される。

前記基材Ｗは、後述する基材Ｗ１〜Ｗ８などを含む熱可塑性材料から成り、一例としては、一様な厚みのポリエステル製板状体によって実現されるが、これに限るものではなく、レーザ光の照射によって、その照射部分が溶融または軟化する材料であればよい。基材Ｗの表面６は、平坦状であって、予め定める文字または図柄などのマーキング形状が形成される。前記対物レンズ５は、ＸＹステージ８に搭載された基材Ｗの表面６の高さ位置に焦点を調整するため、Ｚステージ９によってＺ方向に高精度で移動可能に保持される。

前記レーザ照射手段２は、レーザ発振器２１から出射される拡散光をコリメートレンズ２２によって平行光に変換し、その平行光を後段の対物レンズ５によって精密集光するために補正板２３を透過させ、レーザビームの波面収差が集光性能を得るために必要な値、たとえば波長λ／４以下となるように波面補正したレーザビーム３を出射する。前記レーザ発振器２１は、波長４０５ｎｍの青紫色レーザを発振するレーザダイオード（Laser
Diode、略称ＬＤ）によって実現される。

前記ビームスプリッタ４は、可視帯域のガイド用レーザ光をたとえば９０％以上の高反射率で反射し、波長が約４５０ｎｍ以下のレーザ光を透過するハーフミラーによって実現される。

前記補正板２３は、合成樹脂製の位相補償板によって実現される。このような補正板２３を用いるのは、ＬＤの出射光の発散角が大きく、小さいＦ値（＝ビーム径／焦点距離）の対物レンズ５を用いて、対物レンズ５とＬＤの位置との関係を敏感に反映させる必要があるが、対物レンズ５自体の光学的性能およびＬＤに対する取付け精度を高くするには限界があり、この限界を克服するために補正板２３によって波面収差を、たとえば波長λ／４以下に抑えるためである。

このような補正板２３によってコリメータレンズ２２を経て平行光に変換されたレーザビーム３を波面補正するので、レーザ発振器２１の出力エネルギが０．１Ｗであるとき、スポットサイズを２μｍ以上、３μｍ以下に集光したスポット内でのパワー強度のピーク値を、０．１ＭＷ／ｃｍ^２〜１ＭＷ／ｃｍ^２という高い集光密度を達成し、単峰性の強度分布のレーザビーム３を得ることができる。前記対物レンズ５は、焦点距離がたとえば３００ｍｍの集光レンズによって実現される。

前記レーザビーム３の基材Ｗへの集光状態を計測するために、ビームスプリッタ４の背後には、計測手段１３が設けられる。前記計測手段１３は、基材Ｗへ照射されたレーザビーム３の反射光をレンズ１４によって撮像カメラ１５の受光面に結像し、基材Ｗへの照射状態を観察するとともに、必要な場合にはレンズ５を調整し、最良の集光パターンを維持することに使用できる。前記撮像カメラ１５は、電荷結合素子（Charge Coupled
Device；略称ＣＣＤ）を含む。

また、前記演算処理手段１６は、パーソナルコンピュータによって実現され、その表示画面１７には、基材Ｗの表面６または色料含有層２７（後述の図２参照）のレーザ照射領域の様子が拡大表示され、肉眼でレーザ照射によるマーキング状態を観察することができる。

図２は基材Ｗのレーザビーム照射位置付近の拡大断面図である。前記基材Ｗは、その表面６に、色料を分散状態で含有する色料含有層２７が形成される。前記色料含有層２７を形成する色料含有物は、染料または顔料を糊料に混合した液体によって実現される。

基材Ｗにレーザ光を照射してマーキング形状が発現する現象としては、基材Ｗの発泡、凝縮、炭化および化学変化の４種類に大別されるが、本実施の形態のレーザマーキング方法では、化学変化、特に色料の熱による昇華が主として支配的であると考えられ、いわば昇華熱転写によって色料が基材Ｗ内部に混在した結果、予め定める文字・図柄などに対応するレーザ光照射部分が周囲と異なる色相、彩度および明度で発色して、外見上マーキング形状の発現として認識されるものと考えられる。このようなマーキング形状の発色は、可視光の反射であってもよく、後述のように蛍光発色などのように紫外光の照射による発色であってもよく、さらに赤外線吸収剤によってパターニングしてもよい。

このような昇華熱転写とは、分散染料が有する昇華染色性を利用した一種の気相染色であり、分散染料を前述の色料含有層２７として基材Ｗの表面６に、１０μｍ〜５００μｍの厚さΔＴに均一に塗布した後、乾燥させ、ＸＹステージ８を５ｍｍ／ｓｅｃの速度でＸ方向およびＹ方向へ移動させながら、レーザ光をパルス照射した。レーザ光の照射によって色料含有層２７内の分散染料が基材Ｗの表面６上でガス化し、接触している基材Ｗの表面自体もレーザ光照射によって加熱されて溶融またはそれに近い状態に軟化し、その軟化した部分の内部に染料が浸透して転写される。このような昇華熱転写は、有機溶剤廃液などの産業廃棄物が発生せず、空気も水も汚染されることはなく、環境汚染を生じないという利点がある。

本実施の形態において、前記分散染料に代えて顔料が用いられてもよい。顔料は、染料と異なり、粒子自身が発色し、粒径５０ｎｍ〜３μｍの粒子として溶媒中に分散した状態で存在する。顔料は、ビヒクル（糊料ともいう）に顔料を分散させ、基材Ｗの表面６に貼着する。顔料は粒子が大きいために光を乱反射し、混色による彩度の低下が染料よりも大きい。染料は基材Ｗへの浸透性が高く、顔料の基材Ｗへの浸透性は低いが、染料および顔料のいずれも、基材Ｗの表面およびその近傍のレーザ光が照射された部分が軟化または溶融し、染料または顔料がいわば分散した状態で基材Ｗ内へ浸透し、レーザ光の照射されなくなると、その照射部分に染料または顔料が混在した状態で硬化し、基材Ｗ側へ転移した染料または顔料が基材Ｗの表面６内に定着する。

本件発明者は、波面補正によって精密集光したレーザビームを照射したときのマーキング結果の評価実験を行なった。

［実験方法］
（実験装置）
図１および図２に示すレーザ照射装置１において、レーザ発振器２１には紫色半導体レーザ（ＶＬＤ）を用い、コリメートレンズおよび波面補正した補正板を組み込み、ユニット化したレーザ照射手段２を用いた。出射光はビームスプリッタ４によって直角に下方へ反射され、対物レンズ５によって基材Ｗの表面６に集光して照射し、そのとき表面６の照射部位の様子を計測手段１３によって観察した。

（使用した分散染料と処方）
捺染用糊剤に粉末の染料約１０重量％を混練したものを、ポリエステル製の基材Ｗの表面６に塗布し、前記レーザ照射装置１によってレーザ光を照射し、未固着の染料はアルコールによって拭き取った。染料には、赤色染料（DyStar社製 Dianix RedAC）、青色染料（DyStar社製 Dianix BLUE-SG）、黄色染料（DyStar社製 Dianix YellowGFS）、蛍光染料（チバスペシャルティケミカルズ（株）社製 UNITEX ERN-P250%）を使用した。

（微細マーキング）
文字幅が２００μｍと１００μｍの文字「ＨＭ」を基材Ｗおよび繊維へマーキングした。描画文字が微細であるため、レーザ光はパルス化して照射した。

（レーザの照射条件）
紫色半導体レーザの出力は３０ｍＷとし、連続（ＣＷ）とパルス駆動（ＰＷ）とを実施した。ＸＹステージ８の移動速度は５ｍｍ／ｓｅｃとし、パルス周波数は３０Ｈｚとし、パルス幅のデューティ比は１／６とした。

（顔料を用いた固着試験）
分散染料に比べて耐光性が高い顔料を固着するための試験を行った。ここで用いた顔料は液状であり、青（林化学工業（株）社製、HI-COLOR-BLUE NB）、赤（林化学工業（株）社製、HI-COLOR-PINK NB）、黄（林化学工業（株）社製、HI-COLOR-YELLOW NB）を捺染糊料に２０重量％を添加し、混練してよく分散させたものを使用した。

（マーキングのターゲット）
基材Ｗとして、次の［表１］に示される８種類の基材Ｗ１〜Ｗ８を用いた。

［実験結果］
（分散染料）
基材Ｗの表面６に分散染料を含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１〜Ｓ３のマーキング結果を図３（１）〜図３（３）に示す。図３（１）は白色の基材Ｗ１に青色の分散染料を塗布した試料Ｓ１のマーキング結果を示す写真であり、図３（２）は基材Ｗ１に赤色の分散染料を塗布した試料Ｓ２のマーキング結果を示す写真であり、図３（３）は基材Ｗ１に黄色の分散染料を塗布した試料Ｓ３のマーキング結果を示す写真である。図３（１）〜図３（３）はいずれもマーキングした領域の拡大写真であって、図３(１)の試料Ｓ１では、文字幅１００μｍの文字「ＨＭ」が青色で鮮明に発現し、図３(２)の試料Ｓ２では、文字幅１００μｍの文字「ＨＭ」が赤色で鮮明に発現し、図３(３)の試料Ｓ３では、文字幅１００μｍの文字「ＨＭ」が黄色で鮮明に発現することが確認できた。

基材Ｗの表面６に蛍光分散染料を含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ４，Ｓ５のマーキング結果を図４に示す。図４（１）は白色の基材Ｗ１に蛍光分散染料を含有する色料含有層２７を塗布して形成した試料Ｓ４のマーキング結果を示す写真であり、図４（２）は透明な基材Ｗ２に蛍光分散染料を含有する色料含有層２７を塗布して形成した試料Ｓ５のマーキング結果を示す写真である。図４(１)の試料Ｓ４では、紫外線ランプで紫外光を照射すると、マーキングした凹状模様の描画が明瞭に発現し、図４(２)の試料Ｓ５においても、マーキングした凹状模様の描画が明瞭に発現することが確認できた。また、紫外光を照射していない状態では、試料Ｓ４，Ｓ５のいずれも描画の発現は視認されず、蛍光染料が基材Ｗ１，Ｗ２に転移していることが確認できた。

前記紫外線ランプは、たとえばブラックライト蛍光ランプを用いることができる。この蛍光ランプは、光化学作用と蛍光作用の強い３１５ｎｍ〜４００ｎｍの波長域（ＵＶ−Ａ）を放射するランプであって、可視光を吸収し、この波長域の紫外線を効率よく透過する濃青色のフィルタガラスと、フィルタガラスに塗布され、紫外線３６０ｎｍ付近に発光スペクトルのピークをもつ蛍光体とを含んで構成される。

前記蛍光分散染料は、アルミン酸ストロンチウム（ＳｒＡｌ_２Ｏ_４）を含有する組成物によって実現されてもよい。

基材Ｗの表面６に分散染料を含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ６〜Ｓ８によって微細化を確認するためのマーキング結果を図５に示す。図５（１）は基材Ｗ１に青色の分散染料を含有する色料含有層２７を塗布して文字幅１００μｍ，２００μｍで文字「ＨＭ」をマーキングした試料Ｓ６のマーキング結果を示す写真であり、図５（２）は基材Ｗ７に青色の分散染料を含有する色料含有層２７を塗布した試料Ｓ７のマーキング結果を示す写真であり、図５（３）は基材Ｗ７に赤色の分散染料を含有する色料含有層２７を塗布した資料Ｓ８のマーキング結果を示す写真である。図５（１）の試料Ｓ６では、文字幅２００μｍの文字「ＨＭ」と、文字幅１００μｍの文字「ＨＭ」とが明瞭にマーキングされることが確認できた。また、図５（２）および図５（３）では、基材Ｗ７として直径０．３ｍｍのポリエステル製モノフィラメントを用い、図５（２）の試料Ｓ７は、前記基材Ｗ７の表面に青色の分散染料を含有する色料含有層２７を塗布したものであり、図５（３）の試料Ｓ８は、前記基材Ｗ７の表面に赤色の分散染料を含有する色料含有層２７を塗布したものである。このように幅の狭い糸条に対しても、１００μｍおよび２００μｍの狭い文字幅で青色および赤色でマーキング文字が明瞭に発現することが確認された。

基材Ｗの表面６に蛍光剤を含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ９によって微細化を確認するためのマーキング結果の写真を図６に示す。同図から明らかなように、直径０．３ｍｍの黒色ポリエステル製モノフィラメントから成る基材Ｗ８の表面に、蛍光塗料を塗布して色料含有層２７を形成した試料Ｓ９にレーザ光を照射した。この場合においても、文字幅２００μｍのマーキング文字「ＨＭ」が明瞭に発現することが確認された。

（顔料の固着性）
次に、青、赤、黄の３種類の蛍光顔料を含有する色料含有層２７を基材Ｗ１の表面６に形成した試料Ｓ１０によってマーキング文字の固着試験を行った結果を図７に示す。図７（１）は基材Ｗ１に青色の蛍光顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１０のマーキング結果を示す写真であり、図７（２）は基材Ｗ１に赤色の蛍光顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１１のマーキング結果を示す写真であり、図７（３）は基材Ｗ１に黄色の蛍光顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１２のマーキング結果を示す写真である。

図７（１）〜図７（３）から明らかなように、前述と同様なブラックライトを各試料Ｓ１１，Ｓ１２に照射すると青、赤、黄の各色が明瞭に発現することが確認された。また、本件発明者が青色を発色させた図７（１）の試料Ｓ１０の断面を確認した結果、青色顔料が基材Ｗ１の内部へ浸透していることが判明し、蛍光顔料が基材Ｗ１に対して高い固着性を有することが確認された。

（透明材料へのマーキング性）
青、赤、黄の３種類の顔料を用いて分散染料と同じ処方で基材Ｗ３へのマーキングを行った結果を図８に示す。図８（１）は基材Ｗ３に青色の顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１３のマーキング結果を示す写真であり、図８（２）は基材Ｗ３に赤色の顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１４のマーキング結果を示す写真であり、図８（３）は基材Ｗ３に黄色の顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１５のマーキング結果を示す写真である。

無色でかつ可視光に対する透光性の高い透明材料としてポリカーボネート（略称ＰＣ）製の基材Ｗ３を用い、この基材Ｗ３に、青、赤、黄の３色の顔料を分散状態で含有する分散顔料を塗布してマーキングを行ったところ、青、赤、黄の３色とも十分に発色させることができることが確認された。

また、黒色のアクリル板からなる基材Ｗ６を用い、この基材Ｗ６に、青、赤、黄、白の４色の顔料を固着させる実験を行った結果、基材Ｗ６の表面６が溶けるという熱的な変化は認められたが、顔料による発色の確認はできなかったが、表面６上に溶融によるマーキングは形成された。白色については、レーザ光の吸収がほとんどないと考えられるが、基材Ｗ６の吸収によって、表面６は他の色と同様に溶けるものの、発色は確認できなかった。

［まとめ］
（分散染料）
補正板によって精密集光することができるレーザ照射装置１を用いて、ポリエステル、ポリカーボネートなどの合成樹脂製の基材Ｗ１〜Ｗ８の表面６に、染料または顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成して、前記精密集光されたレーザ光を照射し、微細なマーキング文字を、吸収剤などを使用せずに、青、赤、黄のレーザ光の直接照射によって固着することが確認できた。また基材Ｗは、白色だけでなく、透明材に対しても微細な文字・図柄をマーキングできることが確認された。

（微細化）
前記合成樹脂からなる基材Ｗに１００μｍおよび２００μｍの微小な文字幅で文字・図柄をマーキングできることが確認された。

（透明材へのマーキング性）
基材Ｗとして、ポリエステルだけでなく、プラスチック材料として周知のポリカーボネート（略称ＰＣ）およびアクリルからなる透明材に対しても、微細な文字・図柄をレーザマーキングによって形成可能であることが確認された。

本実施の形態によれば、基材Ｗの表面６に、染料または顔料によって実現される色料を分散した状態で含有する色料含有層を形成し、この色料含有層にスポットサイズを２μｍ以上、３μｍ以下に集光したレーザ光を照射することによって、半導体レーザなどの比較的低い出力のレーザ照射装置によって発振されるレーザ光を、前記２μｍ以上、３μｍ以下という微小なスポットサイズに集光して照射面上でのエネルギ密度を高くし、前記色料含有層の色料を軟化または昇華させて基材Ｗの表面６に転写することができる。

また、色料含有層の前記レーザ光が照射された部分は、照射されたレーザ光のエネルギによって加熱され、その熱によって基材Ｗの表面６も加熱されて軟化し、そこへ転写されてきた色料が付着し、温度の低下とともに付着した色料は軟化した基材Ｗとともに硬化し、定着する。このようにして幅１００μｍ〜２００μｍ程度の微細な文字または図柄を、希望する色相で鮮明にかつ高い堅牢性で発現させることができる。

また、色料として染料を用いることによって、レーザ光の照射によって軟化した基材Ｗの表面６に、前記軟化または昇華した色料が付着すると、色料は基材Ｗに浸透して基材Ｗを染色し、温度が低下するにつれて定着する。このように色料として染料を用いることによって、基材Ｗは染色され、洗浄および摩耗などに対して高い堅牢性を得ることができる。

さらに、色料として顔料を用いることによって、レーザ光の照射によって軟化した基材Ｗの表面６に、前記軟化または昇華した色料が付着すると、色料は基材Ｗの表面６にとどまり、温度が低下するにつれて硬化し、固着した状態で定着する。このように色料として顔料を用いることによって、基材Ｗの表面６に顔料が転写され、高いコントラストを得ることができる。

さらに、基材Ｗの表面６に界面活性剤が塗布されるので、色料含有層の基材Ｗに対する密着性が向上され、色料を基材Ｗの表面６に確実に付着させて混在化し、明瞭なマーキングを達成することができる。

図９は本発明の実施の他の形態のレーザマーキング方法を説明するための図であり、図９（１）は顔料を分散状態で基材Ｗの表面６に積層した試料Ｓ１６の一部の断面を示す拡大写真であり、図９（２）は試料Ｓ１６の断面構造を模式的に示す図である。本実施の形態では、基材Ｗの表面６に顔料だけを均一な厚さに分散した色料含有層２７として積層し、上方から透明な厚さ１ｍｍのポリエステル製の板状体３０を乗載した。基材Ｗは厚さ１ｍｍの白色のポリエステル製である。この板状体３０は、断面写真を撮影する際に試料Ｓ１６を樹脂に埋め込んで断面を研磨するため、この研磨する際に撮影する部分を保護するためのものであり、レーザ光の照射時には板状体３０を外した状態でレーザ光を照射した。

図１０は図９の試料Ｓ１６にレーザ光を照射したときのマーキング結果を示す図であり、図１０（１）は試料Ｓ１６のレーザ光照射後の断面写真であり、図１０（２）は試料Ｓ１６の断面構造を模式的に示す図であり、図１０（３）は図１０（１）に示される試料Ｓ１６の一部の拡大写真であり、図１０（４）は図１０（１）に示される試料Ｓ１６を上方から見た平面写真である。これらの写真から明らかなように、レーザ光照射部分に顔料が内部に浸透して固着されていることが確認された。これは、レーザ光の照射によって基材Ｗ１の表面が溶融し、顔料が混在した状態で固着しているものと思われる。

図１１は基材Ｗ１の表面６に分散染料を塗布して透明なポリエステル製板状体３１を乗載した試料Ｓ１７の断面写真を示し、図１１（１）は試料Ｓ１７のレーザ光照射前の断面写真であり、図１１（２）は試料Ｓ１７の断面構造を模式的に示す図である。基材Ｗ１の表面６に色料含有層２７として分散染料を均一な厚さに分散した状態で積層し、その上に前述と同様に撮影断面を保護するために厚さ１ｍｍの透明なポリエステル製板状体３１を乗載して、試料Ｓ１７を作製した。

図１２は図１１に示される試料Ｓ１７のレーザ光照射後の断面写真であり、図１２（２）はレーザ光照射後の試料Ｓ１７の断面構造を模式的に示す図であり、図１２（３）はレーザ光照射後の試料Ｓ１７を上方から見た平面写真である。このような試料Ｓ１７においても、レーザ光照射部分に分散染料が基材Ｗ１の表面６内に浸透して固着している状態が確認された。このような状態もまた、前述の試料Ｓ１６と同様に、レーザ光の照射によって溶融した基材Ｗ１の表面６に分散染料が混在化して固着したものと考えられる。

分散染料が固着している領域は、顔料に比べて広く、線幅が大きいことが判る。その理由としては、レーザ光の照射による発熱によって、基材Ｗ１の表面６も溶融し、染料および顔料の双方とも基材Ｗ１に混在化するが、材料が溶融するまでに温度が上がっていない領域では、分散染料の基材Ｗ１に対する親和性によって染色されたものと考えられる。

図１３は摩擦堅牢性を確認するための試料Ｓ１８の摩擦前の拡大写真であり、図１４は図１３に示される試料Ｓ１８の摩擦後の拡大写真である。試料Ｓ１９は、基材Ｗ１に青色顔料を分散させた分散顔料を塗布し、連続した直線の繰り返し模様をマーキングによって形成した。試料Ｓ１８を摩擦するための材料としては、「かなきん３号」の綿布を用い、試料Ｓ１８に２００ｇの重りを乗せた状態で、試料Ｓ１８をそれぞれ２０００回往復させて、摩擦した。

図１３および図１４から明らかなように、各試料Ｓ１８のマーキング部分には変化はなく、また染料または顔料の綿布への転移も認められず、高い摩擦堅牢性でマーキングされていることが確認された。

本発明の実施のさらに他の形態では、基材Ｗの表面６に界面活性剤を塗布し、色料含有層の基材Ｗに対する密着性を向上するようにしてもよい。これによって色料を基材Ｗの表面６に確実に付着させて混在させ、明瞭で摩擦堅牢なマーキングを達成することができる。

本発明のレーザマーキング方法を実施可能な基材Ｗの熱可塑性材料としては、たとえばポリエステル、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル、ウレタン樹脂、フッ素樹脂、セルロイド、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、およびシリコーンゴムなどを挙げることができる。

本発明の実施の一形態のレーザマーキング方法を実施するために用いられるレーザ照射装置１の概略的構成の一例を示す系統図である。基材Ｗのレーザビーム照射位置付近の拡大断面図である。基材Ｗの表面６に分散染料を含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１〜Ｓ３のマーキング結果を示す図であり、図３（１）は基材Ｗ１に青色の分散染料を塗布した試料Ｓ１のマーキング結果を示す写真であり、図３（２）は基材Ｗ１に赤色の分散染料を塗布した試料Ｓ２のマーキング結果を示す写真であり、図３（３）は基材Ｗ１に黄色の分散染料を塗布した試料Ｓ３のマーキング結果を示す写真である。基材Ｗの表面６の蛍光分散染料を含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ４，Ｓ５のマーキング結果を示す図であり、図４（１）は白色の基材Ｗ１に蛍光分散染料を含有する色料含有層２７を塗布して形成した試料Ｓ４のマーキング結果を示す写真であり、図４（２）は透明な基材Ｗ２に蛍光分散染料を含有する色料含有層２７を塗布して形成した試料Ｓ５のマーキング結果を示す写真である。基材Ｗの表面６に分散染料を含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ６〜Ｓ８によって微細化を確認するためのマーキング結果を示す図であり、図５（１）は基材Ｗ１に青色の分散染料含有する色料含有層２７を塗布して文字幅１００μｍ，２００μｍで文字「ＨＭ」をマーキングした試料Ｓ６のマーキング結果を示す写真であり、図５（２）は基材Ｗ７に青色の分散染料を含有する色料含有層２７を塗布した試料Ｓ７のマーキング結果を示す写真であり、図５（３）は基材Ｗ７に赤色の分散染料を含有する色料含有層２７を塗布した資料Ｓ８のマーキング結果を示す写真である。基材Ｗの表面６に蛍光剤を含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ９によって微細化を確認するためのマーキング結果を示す図である。青、赤、黄の３種類の蛍光顔料を含有する色料含有層２７を基材Ｗ１の表面６に形成した試料Ｓ１０によってマーキング文字の固着試験を行った結果を示す図であり、図７（１）は基材Ｗ１に青色の蛍光顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１０のマーキング結果を示す写真であり、図７（２）は基材Ｗ１に赤色の蛍光顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１１のマーキング結果を示す写真であり、図７（３）は基材Ｗ１に黄色の蛍光顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１２のマーキング結果を示す写真である。青、赤、黄の３種類の顔料を用いて分散染料と同じ処方で基材Ｗ３へのマーキングを行った結果を示す写真であり、図８（１）は基材Ｗ３に青色の顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１３のマーキング結果を示す写真であり、図８（２）は基材Ｗ３に赤色の顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１４のマーキング結果を示す写真であり、図８（３）は基材Ｗ３に黄色の顔料を分散状態で含有する色料含有層２７を形成した試料Ｓ１５のマーキング結果を示す写真である。本発明の実施の他の形態のレーザマーキング方法を説明するための図であり、図９（１）は顔料を分散状態で基材Ｗの表面６に積層した試料Ｓ１６の一部の断面を示す拡大写真であり、図９（２）は試料Ｓ１６の断面構造を模式的に示す図である。図９の試料Ｓ１６にレーザ光を照射したときのマーキング結果を示す図であり、図１０（１）は試料Ｓ１６のレーザ光照射後の断面写真であり、図１０（２）は試料Ｓ１６の断面構造を模式的に示す図であり、図１０（３）は図１０（１）に示される試料Ｓ１６の一部の拡大写真であり、図１０（４）は図１０（１）に示される試料Ｓ１６を上方から見た平面写真である。基材Ｗ１の表面６に分散染料を塗布して透明なポリエステル製板状体３１を乗載した試料Ｓ１７の断面写真を示し、図１１（１）は試料Ｓ１７のレーザ光照射前の断面写真であり、図１１（２）は試料Ｓ１７の断面構造を模式的に示す図である。基材Ｗ１の表面６に分散顔料を均一な厚さに分散した状態で積層し、その上に厚さ１ｍｍの透明なポリエステル製板状体３１を乗載して、試料Ｓ１７を作製した。図１１に示される試料Ｓ１７のレーザ光照射後の断面写真であり、図１２（２）はレーザ光照射後の試料Ｓ１７の断面構造を模式的に示す図であり、図１２（３）はレーザ光照射後の試料Ｓ１７を上方から見た平面写真である。摩擦堅牢性を確認するための試料Ｓ１８の摩擦前の拡大写真である。図１３に示される試料Ｓ１８の摩擦後の拡大写真である。

符号の説明

１レーザ照射装置
２レーザ光発生手段
３レーザビーム
４ビームスプリッタ
５対物レンズ
６表面
７光軸
８ＸＹステージ
９Ｚステージ
１３計測手段
１４レンズ
１５撮像カメラ
１６演算処理手段
１７表示画面
２１レーザ発振器
２２コリメートレンズ
２３補正板
２７色料含有層
Ｗ基材

Claims

熱可塑性材料から成る基材の表面に、色料を分散した状態で含有する色料含有層を形成し、この色料含有層に予め定めるマーキング形状に沿ってレーザ光を照射して、前記レーザ光を照射した部分の基材を軟化させ、この軟化した部分に前記色料含有層の色料を混在させることによって、基材の表面に前記予め定めるマーキング形状を発現させることを特徴とするレーザマーキング方法。
前記色料は、染料からなることを特徴とする請求項１記載のレーザマーキング方法。
前記色料は、顔料からなることを特徴とする請求項１記載のレーザマーキング方法。
前記基材の表面には、界面活性剤が塗布されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザマーキング方法。
前記予め定めるマーキング形状に沿って前記色料含有層に照射されるレーザ光は、精密集光されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のレーザマーキング方法。