(57)【要約】【課題】エキシマレーザのようなハロゲンガスを使用せず、安価で小型化が可能なメガネ用透明プラスチック表面のマーキング装置とその方法を提供する。【解決手段】メガネ用透明プラスチックＬのレーザマーキング装置１であって、波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器２と、ファイバーレーザ発振器２から発振されたレーザ光を偏向するガルバノミラー３と、偏向されたレーザ光を集光するＦθレンズ４と、Ｆθレンズ４で集光されたレーザ光の焦点位置にメガネ用透明プラスチックを少なくとも高さ方向に走査するステージ５とからなることを特徴とするメガネ用透明プラスチックＬのレーザマーキング装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メガネ用透明プラスチックのレーザマーキング装置であって、波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器と、前記ファイバーレーザ発振器から発振されたレーザ光を偏向するガルバノミラーと、前記偏向されたレーザ光を集光するＦθレンズと、前記Ｆθレンズで集光されたレーザ光の焦点位置にメガネ用透明プラスチックを少なくとも高さ方向に走査するステージとからなることを特徴とするメガネ用透明プラスチックのレーザマーキング装置。
【請求項２】
前記ファイバーレーザ発振器のレーザ光のパルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓであることを特徴とする請求項１に記載のレーザマーキング装置。
【請求項３】
更に、前記メガネ用透明プラスチック表面に不活性ガスを吹き付けるガス噴射手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザマーキング装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のレーザマーキング装置において、同一点でのレーザパルス照射回数を５回以上にすることを特徴とするメガネ用透明プラスチックのレーザマーキング方法。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック製品のレーザマーキング装置及びその方法に関するものであり、特にメガネ用透明プラスチックのレーザマーキング装置及びその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、メガネ用透明プラスチック表面のレーザマーキングを行う装置としてエキシマレーザ及びＣＯ2レーザによる装置が用いられている。エキシマレーザは、波長が短くフォトン1個のエネルギーが高く、プラスチック材料を昇華させるため、熱影響の影響が小さく、プラスチック製品表面のレーザマーキングに綺麗な加工が可能である。ＣＯ2レーザは、波長が１０．６μｍと長く、フォトン1個のエネルギーが低く、プラスチック材料を溶融-蒸散させるため、熱影響の影響が大きく、プラスチック製品表面のレーザマーキング周辺に熱だれの影響が残る。
【０００３】
したがって、メガネ用透明プラスチック表面のレーザマーキングを綺麗に行うには、ＣＯ2レーザより、エキシマレーザを用いた方が良いが、エキシマレーザは、有毒で耐食性の強いハロゲンガスを含むため、装置が大がかりとなり高価になり、また保守管理も大変である。そのため、エキシマレーザのようにプラスチック製品表面レーザマーキングに綺麗な加工が可能であるが、毒性がなく、安価で、保守管理も簡単な装置の開発が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９-７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、エキシマレーザのようなハロゲンガスを使用せず、安価で小型化が可能なメガネ用透明プラスチック表面のレーザマーキング装置とその方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、メガネ用透明プラスチックのレーザマーキング装置であって、波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器と、前記ファイバーレーザ発振器から発振されたレーザ光を偏向するガルバノミラーと、前記偏向されたレーザ光を集光するＦθレンズと、前記Ｆθレンズで集光されたレーザ光の焦点位置にメガネ用透明プラスチックを少なくとも高さ方向に走査するステージとからなることを特徴とするメガネ用透明プラスチックのレーザマーキング装置である。
【０００７】
波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器を用いることにより、有毒なハロゲンガスを用いなくてすみ、かつ安価に小型化が可能で、また集光性が高く、微細で高精度のマーキングが可能である。ここで波長が２μｍ帯とは、１．８μｍ以上から２．２μｍ以下の波長を言う。この波長帯は希土類系のドープファイバーをゲイン媒体に用いたもので、後述するようにプラスチックに大部分の波長が吸収される領域である。
【０００８】
パルスエネルギーを０．０５ｍＪ〜１ｍJに限定した理由は、パルスエネルギーが０．０５ｍJ未満であるとプラスチックにマーキングするために必要な単位面積当たりのエネルギーに到達しないためであり、パルスエネルギーが1ｍＪ超であるとプラスチックに与える単位面積当たりのエネルギーが大きすぎてマーキングされるプラスチックの表面又は周辺部にクラックが発生するためである。
【０００９】
また、本発明は、更に前記ファイバーレーザ発振器のレーザ光のパルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓであることを特徴とするレーザマーキング装置に限定するものである。
【００１０】
パルス幅を更に好適な０．１ｎｓ〜３００ｎｓに限定した理由は、３００ｎｓ超では、単位時間当たりのエネルギーが不足で、マーキングが不良になる恐れがあり、０．１ｎｓ未満では単位時間当たりのエネルギーが大きくなり、装置が大型化して、高額になるためである。
【００１１】
また本発明は、更に、前記メガネ用透明プラスチック表面に不活性ガスを吹き付けるガス噴射手段を備えたことを特徴とする前記のレーザマーキング装置である。
【００１２】
本発明によれば、メガネ用透明プラスチックに含まれる成分がレーザ光で蒸散して酸化物となって再付着したりすることを不活性ガスを吹き付けるガス噴射手段を更に備えることによって防止することが可能である。不活性ガスとしては、反応性の低い窒素ガスや希ガス類のアルゴンガス等を用いると良い。
【００１３】
また本発明は、上記に記載のレーザマーキング装置において、同一点でのレーザパルス照射回数を５回以上にすることを特徴とするメガネ用透明プラスチックのレーザマーキング方法である。
【００１４】
本発明によれば、波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJのレーザパルス又は更にパルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓのレーザパルスの照射回数を同一点で５回以上にすると溶融したプラスチックの蒸散量が多くなり、エッジの形成がシャープになって、メガネ用透明プラスチックに更に綺麗なレーザマーキングが可能になる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJのレーザ光、更に好適にはパルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器を用いるとメガネ用透明プラスチックに対して、この帯域での透過率が低く、吸収率が高く、プラスチック材料が溶融して蒸散量が増加するため、熱影響部が小さく、エキシマレーザを用いたような綺麗な表面レーザマーキングができると言う利点がある。また、エキシマレーザのような毒性のハロゲンガスを使用せず、安価で小型化が図れると言う利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明装置の概略図である。
【図２】図２は、メガネ用透明プラスチックの光の波長に対する透過率（％）を示す図である。
【図３】図３は、レーザ照射とゲート信号の関係を示す図である。図３（ａ）は連続照射、図３（ｂ）はゲート信号、図３（ｃ）はゲート信号によるパルス群照射の例である。
【図４】図４は、メガネ用透明プラスチックへのレーザマーキングの位置を示す図である。
【図５】図５は、レーザマーキングのドット表示とライン表示を示す図である。図５（ａ）はドット表示、図５（ｂ）はライン表示を示す。
【図６】図６は、本発明のレーザ照射回数とメガネ用透明プラスチックのドット断面形状の模式図である。
【図７】図７は、従来のCO2レーザによるメガネ用透明プラスチックのドットの断面形状の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図面に従って、本件発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明装置の概略図である。本発明の実施形態の一つであるレーザマーキング装置１は、波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJ、パルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器２と、ファイバーレーザ発振器２から発振されたレーザ光を偏向するガルバノミラー３と、偏向されたレーザ光を集光するＦθレンズ４と、Ｆθレンズ４で集光されたレーザ光の焦点位置にメガネ用透明プラスチックLを少なくとも高さ方向に走査するステージ５とから構成されている。
【００１９】
波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJ、パルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器２から発振されたレーザ光は、Ｚ軸方向に回転するガルバノミラー３により偏向され、Ｆθレンズ４上に設置された更にＹ軸方向に回転するガルバノミラー３により偏向されてＦθレンズ４に集光される。Ｆθレンズ４は、入射角θとワーク面上の像高ｈをｈ＝ｆθと言う一定の関係で結ぶもので、θを変えることにより走査速度を一定にできる特徴がある。
【００２０】
Ｆθレンズ４の焦点距離は一定であり、メガネ用透明プラスチックＬには、曲率がついているので、焦点距離までの表面高さ方向の調整が必要であり、少なくともメガネ用透明プラスチックＬを高さ方向（Ｚ軸方向）に走査するステージ５が備えられている。なお、ステージ５は、メガネ用透明プラスチックＬの位置及び曲率のデータが入力されたコンピュータ（図示せず）によって制御されているため、焦点の位置でレーザマーキングを行うことができる。
【００２１】
本発明の別の実施形態として、メガネ用透明プラスチック表面に不活性ガスを吹き付けるガス噴射管６（ガス噴射手段）を更に備えるレーザマーキング装置構成も可能である。ガス噴射手段があれば、メガネ用透明プラスチックＬに含まれる成分がレーザ光で蒸散して酸化物となって再付着したりすることを不活性ガスを吹き付けることによって防止することができる。ガス噴射管６は、ステージ５の周りに対象に設置され、マーキングの直前にメガネ用透明プラスチック表面を不活性ガスで覆い、蒸散するメガネ用透明プラスチックＬに含まれる成分の酸化を防止して、酸化物の生成を防止することができる。
【００２２】
図２は、メガネ用透明プラスチックＬの光の波長に対する透過率（％）を示す図である。波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJ、パルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓのファイバーレーザ光の透過率は３０％から１０％であり、吸収率は７０％から９０％となり、プラスチック材料が熱影響で溶融して蒸散量が増加するため、熱影響部が小さく、エッジが綺麗になると考えられる。
【００２３】
図３は、レーザ照射とゲート信号の関係を示す図である。図３（ｂ）のようにゲート信号５Ｖを印加する時間Ｔｘを調整することにより、図３（ｃ）のように必要なパルス群を照射可能にしている。このパルス群により所望の深さのドットを形成することができる。なお、レーザ光の発振周波数が２０ｋＨｚのときは、図３(a)のパルス間隔ｔ０は５０μｓである。
【００２４】
図7は、従来のCO2レーザによるメガネ用透明プラスチックＬのドットの断面形状の模式図である。CO2レーザはメガネ用透明プラスチックＬへの吸収率が高く、集光ビームの拡がりのため、熱影響部及び過大な溶融物による突起部Ｒが形成し、レンズの破損に繋がる。
【００２５】
図６は、本発明のレーザ照射回数とメガネ用透明プラスチックＬのドット断面形状の模式図である。波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJ、パルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器２の発振周波数を２０ｋＨｚ、パルスエネルギーが０．５ｍJ、パルス幅を３００ｎｓとして、焦点距離１００ｍｍのＦθレンズ４に集光し、同一点でのパルス照射回数を変えてレーザ照射することで形成した。（１）は1回のレーザパルス照射であり、メガネ用透明プラスチックＬが加熱され、冷却されて、熱影響部Ｈが残る。（２）は、４回のレーザパルス照射であり、メガネ用透明プラスチックＬが加熱され、溶融部Ｍが発生し、その後冷却される。（３）は、５回のレーザパルス照射であり、メガネ用透明プラスチックＬが加熱され、溶融し、更に蒸散する。その後冷却されるので溶融部Ｍと熱影響部Ｈを含むドットの形成が行われる。（４）は、７回のレーザパルス照射であり、メガネ用透明プラスチックＬが加熱され、溶融し、更に蒸散するが、投入エネルギーが、蒸散に主に使われるようになるので、冷却後はドットが大きくなり、溶融部Ｍと熱影響部Ｈは小さくなるようなドット形成が行われる。（５）は、１０回のレーザパルス照射であり、メガネ用透明プラスチックＬが加熱され、溶融し、更に蒸散するが、投入エネルギーが、更に蒸散に使われるようになるので、冷却後は更にドットが大きくなり、溶融部Ｍと熱影響部Ｈは更に小さくなるようなドット形成が行われる。
【００２６】
本構成のメガネ用透明プラスチックＬのレーザマーキング装置１の実施例について説明する。図４は、メガネ用透明プラスチックＬに品質保証マークＭＱ及び製品番号ＭＨをレーザマーキングする位置を示す図である。レーザマーキング方法として、図５（ａ）に示すようにドット表示と図５（ｂ）に示すようにライン表示の方法があり、例えばＰと言う文字のドット表示Ｄ-ｘとライン表示Ｌ-ｘ表示を行うことができる。
【００２７】
図５（ａ）のドット表示Ｄ-0は、波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器２の発振周波数を２０ｋＨｚ、パルスエネルギーが０．５ｍJ、パルス幅を２００ｎｓとして、焦点距離１００ｍｍのＦθレンズ４に集光し、平均出力８Ｗ、同一点でのパルス照射回数１０回をレーザ照射することで形成した。  形成されたドット径は５５μｍ、深さ１０μｍであり、ドットエッジが形成され、熱だれの無いドットを形成することができた。このドット表示を繰り返して、ドット表示Ｄ-ｘを得ることができた。
【００２８】
また、パルス幅の変更についても検討したが、パルス幅が３００ｎｓまでは、ドットエッジが形成されるが、パルス幅が４００ｎｓになると単位時間当たりのエネルギーが不足で、熱だれの影響が見受けられた。レーザ光のエネルギーとプラスチックの熱伝導度との関係と思われるため、レーザ光照射時間を３００ｎｓ以下にすることを規定した。
【００２９】
図５（ｂ）のライン表示Ｌ-0は、波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJ、パルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器２の発振周波数を２０ｋＨｚ、パルスエネルギーが０．３ｍJ、パルス幅を２００ｎｓとして、両方のガルバノミラー３を１００ｍｍ/ｓの速度で走査し、焦点距離１００ｍｍのＦθレンズ４に集光し、平均出力６Ｗのレーザ光をレーザ照射することで形成した。  形成されたライン幅は８０μｍ、深さ１０μｍであり、ラインエッジが形成され、熱だれの無いラインを形成することができた。このライン表示を繰り返して、ライン表示Ｌ-ｘを得ることができた。
【００３０】
本実施例では、メガネ用透明プラスチックＬへのレーザマーキングについて記載したが、本装置及び方法は、波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJのファイバーレーザ光、又は更にパルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓのファイバーレーザ光に対して同様の吸収特性を示すプラスチック製品や色つきのプラスチック製品のレーザマーキングにも適用が可能なものである。また、ステージ５は高さ方向（Ｚ軸方向）に走査される実施例であったが、３次元的な方向のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に走査される仕様も可能である。このような場合には、製品表面へのレーザマーキングの自由度をより増すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、エキシマレーザのようなハロゲンガスを使用せず、波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器を用いることにより、安価で小型化が可能なプラスチック製品表面のレーザマーキング装置とその方法に貢献するものである。特に、メガネ用透明プラスチックのレーザマーキング装置とその方法に貢献するものである。
【符号の説明】
【００３２】
１    レーザマーキング装置
２    波長が２μｍ帯で、パルスエネルギーが０．０５ｍＪ〜１ｍJ、パルス幅が０．１ｎｓ〜３００ｎｓのレーザ光を発振可能なファイバーレーザ発振器
３    ガルバノミラー
４    Ｆθレンズ
５    ステージ
６    ガス噴射管
Ｈ    熱影響部
Ｌ    メガネ用透明プラスチック
Ｍ    溶融部
Ｒ    突起部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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