JPS63239059A - レ−ザマ−キング方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、レーザを用いて被加工物である物品に、迅
速かつ鮮明なレーザマーキングを施す方法に関する。

［従来の技術］ 従来、被加工物である物品の表面に、メーカ名、社章、
物品形名、製造年月日、端子名等をレーザを用いてマー
キングする場合には、マーキングをしたい場所に、マス
ク転写方式により瞬時に複数個の文字や記号をマーキン
グしたり、又は上記場所にレーザな集光させながら描き
たい文様形状にレーザを走査することにより、レーザ照
射された場所の物品の表面に数μ（ミクロン）の凹凸を
形成させてマーキングを行なっていた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記のような従来のレーザマーキング方
法では、異なった呈色によるマーキングは不可能であり
、又、単一色でのマーキングの場合のマーキングすべき
被加工物のレーザ照射部の昇温の程度としては、例えば
プラスチック材料では約５００℃、セラミック材料では
約２０００℃まで高温にして、これにより局部的に蒸発
又は燃焼を起こさせて所定の文様を刻印していた。

したがって、被加工物を高温にするために大きなレーザ
出力パワーが必要であり、一方、被加工物である半導体
等の電子部品が局部的に高温に加熱されることから熱変
化を起こし、品質を低下させるとともに、マーキング時
に発生する粉塵や煙等が、上記半導体等の被加工物表面
に付着して製品を汚染するという問題点があった。

また、マーキングが局部的な蒸発や燃焼によるものであ
るため、滑らかな被加工物の表面に凹凸が生じてしまい
、また出来上がった文様も不鮮明であるという問題点も
あった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、マーキングされた文様が鮮明で、かつ、マーキン
グ対象部品である被加工物の温度上昇が抑制され、しか
も必要レーザパワーの低減化を実現できるレーザマーキ
ング方法を得ることを目的とする。

また、この発明の別の発明は、上記目的に加えて、文様
を複数色に色分けしてマーキングできるレーザマーキン
グ方法を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係るレーザマーキング方法は、マーキングを
施す被加工物の表面に、所定の温度以上で変色する顔料
を、混合又は塗布すること等により被着させた後、マー
キングすべき文様、形状にレーザを該被加工物の表面に
照射し、この照射された部分の顔料の変色によりマーキ
ングを施すようにしたものである。

また、この発明の別の発明に係るレーザマーキング方法
は、マーキングを施す被加工物の表面に、異なった所定
の温度でそれぞれ異なった色彩を呈する顔料を、混合又
は塗布すること等により被着させた後、マーキングすべ
き文様、形状にレーザを該被加工物の表面に温度を異な
らせて照射し、この照射された部分の顔料の異なった呈
色によりマーキングを施すようにしたものである。

［作用］ この発明においては、被加工物の表面に被着された顔料
が、所定の温度以上で内部構造を変化させて変色する性
質を有するから、レーザを被加工物の表面に照射すれば
、該表面のレーザ照射部分の温度上昇により、該部分の
顔料が変色する。

また、この発明の別の発明においては、被加工物の表面
に被着された顔料が、レーザ照射量の変化等により異な
った所定の温度以上で内部構造を変化させてそれぞれ異
なった色彩を呈する性質を有するから、レーザを被加工
物の表面に照射すれば、該表面のレーザ照射部分の温度
上昇により、該部分の顔料がそれぞれ異なった色彩に変
色する。

［実施例］ 以下この発明の第１実施例を図面を参照しながら説明す
る。第２図はマスク転写方式によるＴＥＡＣ０２レーザ
マーキング装置を用いてレーザマーキングをする方法の
原理を示す説明図であり、図において、（１）はレーザ
（２）を射出するレーザ発振器、（３）はレーザ発振器
（１）から射出されたレーザ（２）を集光レンズ（４）
に向けて反射する反射鏡、（５）は所定のマーキングパ
ターン（５ａ）が形成されたマスク板であり、この図で
は文字の部分のみレーザ（２）が透過する様に文字「Ａ
」のマーキングパターン（５ａ）の部分がくり抜いであ
る。（６）はマーキングを施すべき被加工物である。

第１図は、この原理を用いた装置の斜視図であり、図に
おいて、（１ａ）はレーザ発振器（１）のレーザ（２）
射出部のシャッタ、（７）は内部にマスク板（５）が収
納されたマスク保持部、（８）は内部に集光レンズ（４
）が収納された集光部である。この図では被加工物（６
）としての電磁開閉器のマーキング部（９）に、所定の
マーキングを施す場合を示している。

次にこの発明に係るレーザマーキング方法について説明
すると、まず、被加工物（６）の表面のマーキング部（
９）に、所定の温度以上で内部構造が変化して変色する
顔料を予め被着させておく。この被着させる手段として
は、顔料をマーキング部（９）に予め塗布してもよいが
、被加工物（６）の材質が例えばプラスチックス等であ
れば、上記顔料を、被加工物の成型前に該被加工物自体
の原料に予め混合して着色しておき、しかる後被加工物
（６）を成型するようにしてもよい。

次いで、レーザ発振器（１）、反射鏡（３）、マスク板
（５）、集光レンズ（４）、被加工物（６）の位置関係
を、集光レンズ（４）に対してマスク板（５）が物点、
被加工物（６）の集光レンズ側表面が実像点となる様に
調整する。しかる後、レーザ発振器（１）からレーザ（
２）を、マーキングパターン（５ａ）をもつマスク板（
５）、集光レンズ（４）　を経て被加工物（６）表面の
マーキング部（９）に照射する。すると、レーザ照射を
受けた部分の顔料は、瞬時に所定温度以上に昇温して、
その内部構造を変化させて変色する。こうしてマーキン
グ部（９）には、地色とは異なった色彩を呈する目的の
文様が鮮明にマーキングされる。

次に、レーザ照射に基づく昇温による顔料の準不可逆的
又は不可逆的な内部構造変化による変色の原理について
説明する。この発明に使用する顔料としては、例えば、
第１に、所定の温度以上で、熱分解を起こし、Ｈ２Ｏ、
ＣＯ２等の分子がとばされて、半永久的に顔料の分子構
造が変化し、レーザ照射部と著しく異なった呈色をする
もの、第２に、所定の温度以上にまで昇温することによ
って、ガラス化等結晶構造が変化して変色するもの等が
ある。

上記顔料を用いた場合の番号１〜２０の実施例のハ料の
分類を第１表に、第１表の各実施例における変色温度、
色の変化を第２表にそれぞれ示す。

なお、第２表中の備考欄には他の変色温度と変色を示し
ている。また実施例番号６〜２０のものは、熱分解によ
る色変化であることが明らかとなって次に、上記第１表
、第２表中の実施例のうち、実施例番号６について発明
者の行なった実験１について説明する。この実験１では
顔料として粒子直径２μｍ以下に粉砕したリン酸コバル
ト８水塩（Ｃ０３（ＰＯ４）　２・８Ｈ２０）を含む下
記混合組成の塗料を用いて、該塗料を被加工物である板
厚５ｍｍのフェノール樹脂表面に厚さ約３０μ０前後、
スプレー塗装し、これを約−昼夜放置して室温乾燥した
後、レーザ照射して、レーザ照射部の色変化の度合いを
テストした。

（塗料の成分と重量混合割合） リン酸コバルト８水塩　　３０％ タルク　　　　　　　　　　４％ エチルセルロースラッカー３３％ （樹脂分１５％） シンナー　　　　　　　　３３％ 第１図に示した構成のレーザマーキング実験装置を用い
て、ＴＥＡＣＯ２レーザ発振器（１）から放射されたパ
ルス幅１μ秒以下の短パルスレーザ光を上記塗装面に照
射した。その結果、塗装面でのレーザ照射エネルギー密
度が１．ＯＪ　（ジュール）７ｃｍ２以上であれば、塗
装面のピンク色の原色が一様に青色に変色して、マスク
保持部（７）の内部の銅板製マスクに打抜かれた文字高
さ１．２ｍｍ　　（転写時）のオルタネートゴシック体
の算用数字１６個が被加工物上に鮮明に転写された。し
かし、レーザ照射エネルギー密度が０．６Ｊ／ｃｍ　２
以下になると字体に部分的に不完全な変色部分が生じ、
転写像の判読が困難になった。この色変化はリン塩コバ
ルトの８個の結晶水の一部分がレーザ照射によって遊離
し、青色を呈する含水量不明のリン酸コバルト（ＣＯ３
（ＰＯ４）　２　・ＸＨ２Ｏ（１≦Ｘ　≦７））に変化
するためであると推測される（下記（１）式参照）。な
お、無水塩であるＣ、ｓ　（ＰＯ４）　２は赤色である
から、結晶水の量は１≦Ｘ　≦７と限定される。

また、参考のために上記塗料を塗布する前のフェノール
樹脂板に上述の場合と同一の装置を用いてレーザ照射し
たところ、転写された算用数字を判読しつるために必要
なレーザ照射のエネルギー密度は４Ｊ／ｃｍ２以上であ
った。この時地色が黒色の原色に対して転写数字の色は
灰色であり、色調が不鮮明であった。

次いで、鉄化合物の顔料を用いた場合の実施例について
、顔料の種類、色変化を含めて下式（２）。

（３）に示す。

・・・（３） したがって、上記のように構成されたこの発明のレーザ
マーキング方法においては、レーザの照射による顔料の
昇温によって該顔料の内部構造のみが変化するのである
から、マーキングによる粉塵、煙等を生じることなく、
被加工物である半導体その他電子部品に清浄に文様のマ
ーキングを施すことができるとともに、該文様は地色と
色彩が異なるから、コントラストがよくなって鮮明とな
り、しかも被加工物表面に凹凸が生じることがない。ま
た、使用する顔料の種類によっては、レーザ照射部の昇
温温度を例えば７０℃以下にすることができて、熱的に
不安定な被加工物であっても該被加工物の品質を損なう
ことなくマーキングを施すことができる。さらに、この
発明では、従来の局部的な蒸発又は燃焼方式と比較して
、低温でのマーキングができるので、必要レーザ出力パ
ワーを大幅に（例えば数分の１以下に）低減することが
できる。

次にこの発明に係るレーザマーキング方法の第２実施例
について第１図、第２図に基づいて説明すると、まず、
被加工物（６）の表面のマーキング部（９）に、異なっ
た所定の温度以上になると内部構造が変化してそれぞれ
異なった色彩を呈する顔料を予め被着させておく。この
被着の手段としては、顔料をマーキング部（９）　に予
め塗布してもよいが、被加工物（６）の材質が例えばプ
ラスチックス等であれば、上記顔料を、被加工物の成型
前に該被加工物自体の原料に予め混合して着色しておき
、しかる後被加工物（６）を成型するようにしてもよい
。また、上記顔料は、変色温度の異なる複数の顔料を混
合して構成してもよい。

次いで、レーザ発振器（１）、反射鏡（３）、マスク板
（５）、集光レンズ（４）、被加工物（６）の位置関係
を、集光レンズ（４）に対してマスク板（５）が物点、
被加工物（６）の集光レンズ側表面が実像点となる様に
調整する。しかる後、レーザ発振器（１）からレーザ（
２）を、マーキングパターン（５ａ）をもつマスク板（
５）、集光レンズ（４）を経て被加工物（６）表面のマ
ーキング部（９）に照射する。すると、レーザ照射を受
けた部分の顔料は、瞬時に所定の第１番目の温度以上に
昇温して、その内部構造を変化させて変色する。すると
、マーキング部（９）には、地色とは異なった第１番目
の色彩を呈する文様がマーキングされる。

次いで、上記第１番目の温度より高い温度（第２番目の
温度）になる様にレーザ（２）をマーキング部（９）に
照射する。すると、レーザ照射を受けた部分の顔料は、
瞬時に所定の第２番目の温度以上に昇温しで、その内部
構造を変化させて変色する。すると、マーキング部（９
）には、上記第１番目の色彩とは異なった色彩を呈する
文様がマーキングされる。こうして、マーキング部（９
）には第１番目及び第２番目の２色に色分けされた目的
の文様が鮮明にマーキングされる。

なお、上記方法では温度が２点であって、この各温度に
対応させて２色に色分けする場合について説明したが、
少なくとも２点以上の温度であればよく、温度が３点以
上で、それぞれの温度に対応させて３色以上に色分けす
る場合についても上記と同様の方法で実現できる。

ところで、上記マーキング部（９）の昇温温度を変化さ
せるには、レーザ照射強度、照射時間、照射回数等を調
節することにより行なえばよく、これによりレーザ照射
部の顔料の呈色を選択制御することができ、マーキング
部（９）を所定の色彩に変色させることができる。

次に、レーザ照射に基づく昇温による顔料の卓子可逆的
又は不可逆的な内部構造変化による変色の原理について
説明すると、例えば、第１に、所定の温度以上で、熱分
解を起こし、）１２０　、　ｃｏ２等の分子がとばされ
て、半永久的に顔料の分子構造が変化し、レーザ照射前
と著しく異なった呈色をする場合、第２に、顔料を所定
の温度以上にまで昇温することによって、ガラス化等結
晶構造が変化して変色する場合等がある。

上記顔料を用いた場合の１〜２０の実施例の顔料の分類
を示す第１表と、この第１表の各実施例における変色温
度及び色の変化を示す第２表に関しては、上述した第１
実施例の場合と同様である。

しかして、上記表のうち実施例番号５．１１，１２゜１
４．１７．１９のような、１種類の顔料が、異なった所
定の温度でそれぞれ異なった色彩を呈するものを用いて
もよいが、実施例番号１〜４．６〜１０，１３゜１５〜
１Ｂ、１８．２０のような顔料を複数混合することによ
り、異なった所定の温度で、それぞれ異なった色彩を呈
するものを用いてもよいことになる。

次に、発明者の行なった実験２について説明する。この
実験２では顔料として粒子直径２μ■以下に粉砕したメ
タバナジン酸アンモニウム（Ｎ）Ｉ４ＶＯ３）を含む下
記混合組成の塗料を用いて、該塗料を被加工物である板
厚５ｍｍのフエ、ノール樹脂表面に厚さ約３０μｍ前後
スプレー塗装し、これを約−昼夜放置して室温乾燥した
後、レーザ照射して、レーザ照射部の色変化の度合いを
テストした。

（塗料の成分と重量混合割合） メタバナジン酸アンモニウム　２５％ タルク　　　　　　　　　　　　４％ エチルセルロースラッカー　　３３％ （樹脂分１５％） シンナー　　　　　　　　　　３８％ 第１図に示した構成のレーザマーキング装置を用いて、
ＴＥＡＣＯ２レーザ発振器（１）から放射されたパルス
幅１μ秒以下の短パルスレーザ光を上記塗装面に照射し
た。その結果、塗装面でのレーザ照射エネルギー密度が
１．ＩＪ／ｃｍ２ないし１．８Ｊ／ｃｍ”であれば、塗
装面の白色の原色が一様に褐色（第１番目の色彩）に変
色して、マスク保持部（７）の内部の銅板製マスクに打
抜かれた文字高さ１．２ｎｖ　　（転写時）のオルタネ
ートゴシック体の算用数字１６個が被加工物上に鮮明に
転写された。しかし、レーザ照射エネルギー密度が（１
，ＢＪ／ｃｍ２以下になると転写字体に部分的に不完全
な変色部分が生じ、転写像の判読が困難になった。この
色変化はメタバナジン酸アンモニウムがレーザ照射によ
）て下記の化学式（４）のように水の分子とアンモニア
分子を放出して五酸化バナジウムに変化するためである
と推測される。

次いで、塗装面へのレーザ照射エネルギー密度を１．８
Ｊ／ｃｍ”ないし５．ＯＪ／ｃｍ２（実験上限値）にま
で上昇させると、塗装面のレーザ照射部の色彩は、白色
の原色が一様に黒色（第２番目の色彩）に変色して、マ
スク板転写文字が被加工物上に黒色に鮮明に転写された
。こうして、被加工物（６）上マーキング部（９）に、
レーザ照射された部分の顔料の異なった呈色（褐色と黒
色）によりマーキングを施すことができる。

また、参考のために上記塗料を塗布する前のフェノール
樹脂板に上述の場合と同一の装置を用いてレーザ照射し
たところ、転写された算用数字を判読しつるために必要
なレーザ照射のエネルギー密度は４Ｊ／ｃｍ”以上であ
った。この時地色が黒色の原色に対して転写数字の色は
灰色であり、色調が不鮮明であった。

さらに発明者の行なった実験３について説明する。この
実験３では顔料として塩化ニッケルへキサメチレンテト
ラミン（ＮｉＣＩ１２・２Ｃ６）１１２Ｎ４・１０Ｈ２
０）を含む下記混合組成のものを混練した塗料を用いて
、該塗料を被加工物であるアルミニウム板表面に厚さ約
３０μｍ前後塗布し、これを約２４時間放置して室温乾
燥した後、炭酸ガスレーザを照射して、レーザ照射部の
色変化の度合いをテストした。

（塗料の成分と重量混合割合） 塩化ニッケルへキサメチレンテトラミン　２５％タルク
　　　　　　　　　　　　　　　　５％エチルセルロー
スラッカー　　　　　　　４０％シンナー　　　　　　
　　　　　　　　　　３０％炭酸ガスレーザを１，５ｍ
秒間、２５０Ｗ／ｃｍ２のレーザ照射エネルギー密度で
マーキング部に照射したら、レーザ照射部の色は照射前
の緑色から黄緑色（第１番目の色彩）に変色した。更に
、マーキング部のうち上記レーザ照射部とは異なる場所
に、炭酸ガスレーザを３，０１秒間、２５０Ｗ／ｃｍ２
のレーザ照射エネルギー密度で照射したら、レーザ照射
部の色は照射前の緑色から淡青紫色（第２番目の色彩）
に変色した。この場合の顔料の色変化は、それぞれ次式
（５）　、　（６）のような結晶水の放出によるためで
あると推測される。

こうして、レーザ照射された部分の顔料の異なった呈色
（黄緑色と淡青紫色）によりマーキングを施すことがで
きる。

したがって、上記のように構成されたこの発明のレーザ
マーキング方法においては、顔料の種類とレーザ照射部
の温度を選択することによって、任意の複数の色彩を呈
するマーキングをすることができる。またこの方法は、
レーザの照射による顔料の昇温によって該顔料の内部構
造のみが変化するのであるから、マーキングによる粉塵
、煙等を生じることなく、被加工物である半導体その他
覚子部品に清浄に文様のマーキングを施すことができる
とともに、該文様は地色と色彩が異なるから、コントラ
ストがよくなって鮮明となり、しかも被加工物表面に凹
凸が生じることがない。また、使用する顔料の種類によ
っては、レーザ照射部の昇温湿度を例えば７０℃以下に
することができて、熱的に不安定な被加工物であっても
該被加工物の品質を損なうことなくマーキングを施すこ
とができる。しかも、この発明では、従来の局部的な蒸
発又は燃焼方式と比較して、低温でのマーキングができ
るので、必要レーザ出力パワーを大幅に（例えば数分の
１以下に）低減することができる。

次に第３図はさらに他の実施例を示しており、パルスレ
ーザとポリゴンミラーを組合せたレーザドツトインパク
トマーキング方式によるレーザマーキング装置を示す斜
視図であフて第１図相当図、第４図は該装置を用いてレ
ーザマーキングする方法の原理を示す説明図であって第
２図相当図である。この装置は上記第１、第２実施例の
両者に適用できる。またこの方式では、第４図に示すよ
うに、矢印六方向に揺動可能なスキャンニングミラ−（
３ａ）とＢ方向に揺動可能なスキャンニングミラ−（３
ｂ）と、をそれぞれ設け、コントローラ（２０）により
制御信号（２１）を介してこれらスキャンニングミラー
（３ａ）　、　（３ｂ）をプログラム制御するようにし
ている。この原理に基づく第３図に示す装置では、スキ
ャンニングミラーの代りに多角形のポリゴンミラー（３
Ｃ）を使用し、被加工物（６）も矢印Ｃ方向に移動させ
るようにしている。即ち、被加工物（６）がＣ方向に８
勤し、パルスレーザ（２）がＣ方向に直交する方向に走
査されるから、被加工物（６）の表面のマーキング部（
９）に所定の文様のマーキングを施すことができる。こ
の場合も、該被加工物（６）の表面のマーキング部（９
）に上記説明の顔料を被着させる点は上記第１図、第２
図の説明の場合と同様である。

なお、上記各説明ではＴＥＡＣＯ２レーザを用いた場合
について説明したが、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いても上
述と同様の効果を奏する。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、予め、被加工物の表面
に、所定の温度以上で変色する顔料を被着させた後レー
ザを照射するという構成をとったことから、昇温によっ
て顔料が変色することとなり、小さなレーザ出力パワー
でも、凹凸のない鮮明なマーキングができるという効果
がある。

また、この発明の別の発明は、予め被加工物の表面に、
異なった所定の温度でそれぞれ異なった色彩を呈する顔
料を被着させた後、レーザを温度を異ならせて照射する
という構成をとったことから、昇温によって顔料が異な
った色彩に変色することとなり、小さなレーザ出力パワ
ーでも、凹凸がなく、複数色に色分けされた鮮明なマー
キングができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１、第２実施例を示す斜視図、第
２図は同じく説明図、第３図はこの発明のさらに他の実
施例を示す斜視図、第４図は同じく説明図である。 図において （２）はレーザ、 （６）は被加工物。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）マーキングを施す被加工物の表面に、所定の温度
   以上で変色する顔料を被着させた後、レーザを該被加工
   物の表面に照射し、照射された部分の顔料の変色により
   マーキングを施すようにしたことを特徴とするレーザマ
   ーキング方法。
2. （２）マーキングを施す被加工物の表面に、異なった所
   定の温度でそれぞれ異なった色彩を呈する顔料を被着さ
   せた後、レーザを該被加工物の表面に温度を異ならせて
   照射し、照射された部分の顔料の異なった呈色によりマ
   ーキングを施すようにしたことを特徴とするレーザマー
   キング方法。
3. （３）上記顔料は、変色温度の異なる複数の顔料を混合
   して構成されることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載のレーザマーキング方法。