(57)【要約】【課題】赤外線レーザを利用したレーザマーキングの応用範囲を広げると同時に装置の小型化、簡素化を実現する。【解決手段】赤外線吸収剤を含む液滴１１を、インクジェットヘッド２００を用いて樹脂１０の表面に所定のパターンを形成するように塗布し、塗布した赤外線吸収剤が樹脂１０の表面に定着するような照射条件で、レーザヘッド３００から樹脂１０の表面に赤外領域の波長のレーザ光線を照射する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の表面に赤外線吸収剤を塗布し、前記赤外線吸収剤によるパターンを形成する第１の工程と、
前記被加工物の表面に赤外領域の波長のレーザ光線を照射し、前記赤外線吸収剤を前記被加工物の表面に定着させる第２の工程と、
を有するレーザマーキング方法。
【請求項２】
前記第１の工程では、インクジェットヘッドを用いて前記赤外線吸収剤の塗布を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザマーキング方法。
【請求項３】
前記レーザ光源は化合物半導体レーザであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザマーキング方法。
【請求項４】
前記被加工物は、樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザマーキング方法。
【請求項５】
前記被加工物は、金属であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザマーキング方法。
【請求項６】
赤外線吸収剤を含む液滴を、被加工物の表面に吐出する液滴吐出部と、
前記被加工物と前記液滴吐出部の相対位置関係を変化させる移動部と、
前記赤外線吸収剤を前記被加工物の表面に定着させるように、前記被加工物の表面に赤外領域の波長のレーザ光線を照射するレーザ照射部とを備えたレーザマーキング装置。
【請求項７】
前記レーザ照射部は、前記液滴吐出部に対して相対的に静止していることを特徴とする請求項６に記載のレーザマーキング装置。
【請求項８】
前記液滴吐出部と前記レーザ照射部が一体に形成されていることを特徴とする請求項７に記載のレーザマーキング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザマーキング方法およびレーザマーキング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザを用いた加工やマーキングにおいては、比較的安価な近赤外線レーザが用いられることが多かったが、一般に、赤外線レーザに対する物質の吸収係数は低く、その低い吸収係数を補うために大きな出力のレーザ装置が使用されてきた。このため、加工に使用できるレーザ装置が大型化し、装置全体の高コスト化を招き、加工装置の普及を阻害する原因となっていた。特に、ガラスや透明樹脂などは、近赤外線をほとんど吸収せず、基本的に加工は困難であるため、多くの樹脂製品などではレーザマーキングは使用されていなかった。
【０００３】
これらの困難を克服するため、樹脂に赤外線吸収剤を混入したり、加工物の表面にコーティングを施す、顔料やペイントを塗布するなどして、その表面にレーザ光を集光照射して加工特性を改善しようとする試みが行われてきたが、材料が高価になったり、工程が複雑になる他、ペイントの乾燥を待つ必要があるなどのため、特殊な用途以外には使用されていない。
【０００４】
被加工物の表面でのレーザ光の吸収効率を高め、加工特性を改善する工夫として、レーザ光線を吸収しやすい物質を被加工物の表面に塗布してからレーザ光を照射する方法が知られている。
例えば特許文献１には、透明体又はレーザ光線透過体からなる被マーキング材の表面に、レーザ光線を吸収する材質の膜又は付着物を形成し、その膜又は付着物にレーザ光線を照射して、膜又は付着物が被マーキング材から除去される過程で被マーキング材の表面に凹凸を形成することによりレーザマーキングを行う方法が開示されている。
【０００５】
また、他にレーザマーキングを利用した加工方法の例として、特許文献２には、昇華性染料あるいはこれを含むインクをインクジェットヘッドなどにより合成繊維を含む被染物に塗布し、この被染物を搬送装置で移動させながら、レーザ装置により可視光域の波長のレーザ光を照射することにより、レーザ光を昇華性染料に吸収させ、布地などの被染物を発熱させることなく被染物を浸染あるいは捺染する方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３１２９８３号公報
【特許文献２】特開２００６−２４９５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１では、レーザ光を照射することにより吸収剤を除去し、被マーキング材の表面に凹凸を形成することによりレーザマーキングを行っているが、吸収剤として赤外線吸収剤を適切に用い、吸収剤を除去せずに被マーキング材の表面に定着させることにより、応用範囲の広いマーキングが可能になる。赤外線吸収剤は赤外線によってのみ確認でき、可視光では確認できないため、通常の状態では透明で赤外線を用いれば確認できるマーキングが作成できるからである。
【０００８】
そこで本発明は、赤外線レーザを利用したレーザマーキングの応用範囲を広げると同時に装置の小型化、簡素化を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるレーザマーキング方法は、被加工物の表面に赤外線吸収剤を塗布し、前記赤外線吸収剤によるパターンを形成する第１の工程と、前記被加工物の表面に赤外領域の波長のレーザ光線を照射し、前記赤外線吸収剤を前記被加工物の表面に定着させる第２の工程とを有する。
被加工物の表面にあらかじめ赤外線吸収剤を塗布することにより、吸収係数の低い被加工物に対しても低い照射強度のレーザ光を効率よく吸収させることができるので、高い加工性を得ることが可能となる。また、赤外線吸収剤を所望のパターンに塗布してからレーザ光線を照射するため、これまでのレーザマーキングでは必須であった、パターンに沿った二次元掃引照射を行う必要がなく、一方向の走査を行えばよいので、装置の小型化、簡素化を実現することができる。
【００１０】
前記第１の工程では、インクジェットヘッドを用いて前記赤外線吸収剤の塗布を行うことが望ましい。
これにより、簡易に微細なパターンを形成することができる。
また、前記レーザ光源は化合物半導体レーザであることが望ましい。化合物半導体としては、ＧａＡｓ系化合物半導体等を用いることができる。
これにより、装置の低価格化を実現することができる。
また、被加工物として吸収係数の低い樹脂を用いる場合でも、低い照射強度のレーザ光で樹脂に対するレーザマーキングの加工性を向上させることができる。また、被加工物として金属を用いても良い。
【００１１】
本発明によるレーザマーキング装置は、赤外線吸収剤を含む液滴を、被加工物の表面に吐出する液滴吐出部と、前記被加工物と前記液滴吐出部の相対位置関係を変化させる移動部と、前記赤外線吸収剤を前記被加工物の表面に定着させるように、前記被加工物の表面に赤外領域の波長のレーザ光線を照射するレーザ照射部とを備えたものである。
被加工物の表面にあらかじめ赤外線吸収剤を塗布することにより、吸収係数の低い樹脂などに対しても低い照射強度のレーザ光を効率よく吸収させることができるので、高い加工性を得ることが可能となる。また、赤外線吸収剤を所望のパターンに塗布してからレーザ光線を照射するため、パターンに沿った二次元掃引照射を行う必要がなく、一方向の走査を行えばよいので、装置の小型化、簡素化を実現することができる。
【００１２】
また、前記レーザ照射部は、前記液滴吐出部に対して相対的に静止していることが望ましい。これにより、被加工物に吐出された液滴に対して効率のよいレーザ照射を行うことができる。特に、液滴吐出部とレーザ照射部を一体に形成すれば、装置をより小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明によるレーザマーキング装置１００の概略を示す斜視図である。
図１に示すように、レーザマーキング装置１００には、被加工物である樹脂１０を載置するステージ（移動部）１０１が設けられており、ステージ１０１は、基台１０２に設けられた案内溝１０３に沿ってＸ矢印方向に移動可能な直動機構を備えている。
【００１４】
また、レーザマーキング装置１００には案内溝１０５を有する案内部材１０４が架設されており、案内溝１０５に沿ってＹ矢印方向の移動を可能とする直動機構を備えたキャリッジ（移動部）１０６が取り付けられている。キャリッジ１０６の下側には、インクジェットヘッド（液滴吐出部）２００及びレーザヘッド（レーザ照射部）３００が設けられている。
【００１５】
図２は、インクジェットヘッド２００とレーザヘッド３００の構成を示す斜視図である。図の上側面が、図１において下側を向いている面である。
インクジェットヘッド２００はノズルプレート２０１を備えており、ノズルプレート２０１の下面（ノズル形成面２０１ａ）には、液滴１１を吐出するためのノズルＮが、Ｙ矢印方向に沿って一列に等間隔に形成されている。
また、レーザヘッド３００の下面（図１において下側を向いている面）には、ノズルＮの列に対応してレーザ出射口３０１の列が形成されている。
【００１６】
図３はレーザマーキング装置１００の要部の断面（Ａ−Ａ方向）を示す図である。図３を用いて、本実施形態によるレーザマーキング方法について説明する。
図３に示すように、赤外線吸収剤を含む溶液Ｆが、外部の供給手段からインクジェットヘッド２００内の供給路２０３、連通孔２０４を介して圧力室としてのキャビティ２０２に供給される。そして、圧電素子ＰＺが駆動制御信号を受けて収縮・伸張することにより振動板２０５がＺ矢印方向に上下し、それに伴ってキャビティ２０２内の容積が拡大・縮小し、縮小した容積に対応する溶液が、ノズルＮから液滴１１として吐出されるように構成されている。
【００１７】
吐出された液滴１１は樹脂１０の表面に着弾する。ステージ１０１がＸ矢印方向に移動し、かつキャリッジ１０６がＹ矢印方向に移動することによって、樹脂１０の表面の所望の位置Ｐａに液滴１１を着弾させることができる。
このように、樹脂１０の表面に、赤外線吸収剤が文字、図柄などの所望のパターンで塗布される。
【００１８】
次に、樹脂１０の表面にレーザ光線を照射し、赤外線吸収剤を樹脂１０の表面に溶融定着させる。
図３に示すように、レーザヘッド３００の内部には、レーザ出射口３０１に対応する半導体レーザダイオードＬＤが備えられ、レーザ光線Ｌを出力するようになっている。
【００１９】
半導体レーザダイオードＬＤから出射されたレーザ光線Ｌは、コリメータ３０２によって平行光束にされ、回折素子３０３によって予め設定された所定の位相変調が付与される。さらに、反射鏡３０４を介して対物レンズ３０５に導かれ、対物レンズ３０５は、レーザ光線Ｌを着弾位置Ｐａの領域で集光する。
【００２０】
レーザ光線Ｌは、例えば波長８０８ｎｍ（赤外領域）で、パワー密度１０Ｗ／ｍｍ2、照射時間は０．２５秒が望ましい。レーザの照射条件を塗布された赤外線吸収剤が蒸発しない程度の強度とすることにより、赤外線吸収剤を樹脂１０の表面に定着させることができる。
【００２１】
樹脂１０は、例えばポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリアセタール樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂等の透明合成樹脂である。このような透明樹脂は近赤外線をほとんど吸収せず、基本的にレーザマーキング加工は困難である。しかし、本実施形態のように表面に赤外線吸収剤を塗布することにより、レーザ光を樹脂１０の表面で効率よく吸収させることができるので、高い加工性を得ることが可能となる。
【００２２】
なお、レーザの照射条件については、理論上は以下のように説明できる。
被加工物の表面でレーザ光が吸収された後は、熱伝導Ｔ（ｘ，ｔ）は式（１）の関係に従う。
【数１】
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式（１）において、ＣpSは被加工物の比熱、ρSは被加工物の密度、Ｉ（ｔ）はレーザ光強度、ＲSは被加工物の表面でのレーザ光の反射率、αSはレーザ光の吸収係数、κSは被加工物の熱伝導率である。
ここで、ＲS＝０、αS＝∞とすると、１次元拡散の場合には熱拡散長ＬDが式（２）のように定義できる。
【００２３】
ＬD＝（Ｄτ）1/2  （２）
【００２４】
式（２）において、Ｄは熱拡散係数であり、Ｄ＝κS／ρSＣpSである。また、τはレーザパルス幅である。
例えば透明アクリル樹脂の場合、ＣpS＝１．４７Ｊ／ｇＫ、ρS＝１．１６ｇ／ｃｍ3、κS＝１．７Ｗ／ｍＫであり、レーザパルス幅τ＝１００μｓの場合、式（２）より熱拡散長ＬD＝１０μｍとなる。
【００２５】
ここで、例えばパワー密度４Ｗ、集光条件１０μｍ×２ｍｍ（２×１０-4ｃｍ2）、すなわち照射強度２×１０4Ｊ／ｓ・ｃｍ2の条件で照射する場合、熱拡散長ＬDが１０μｍ、透明アクリル樹脂の熱容量が１．７×１０-3Ｊ／Ｋであることから、樹脂において１０００℃の温度上昇が見込まれ、表面温度は２７００℃に到達する。
よって、理論上は例えば２ｍｍ幅のラインフォーカスを１０ｃｍ／ｓで走査すれば、液滴で形成されたパターンを定着させることが可能である。実際には、上記以外の条件等も考慮して最適な照射条件を決定することが望ましい。
【００２６】
また、被加工物をアルミニウム等の金属にしてもよい。この場合には、熱拡散長が透明樹脂と比較して大きいことから、表面温度の上昇が低く抑えられてしまうので、レーザ光のパワー密度を高めに設定する必要がある。
なお、被加工物としてアルミニウムを用いる場合、塗布する赤外線吸収剤に金属酸化物を添加しておくことにより、レーザ照射の際アルミニウムが金属酸化物を還元する。このとき発生する高熱により、還元された金属が融塊することを利用してアルミニウム表面にマーキングすることもできる。同様に、酸化や還元などの他の化学反応を用いたマーキングや、アルミハンダを添加して合金を形成することも可能である。
【００２７】
以上のように、実施の形態１によれば、被加工物である樹脂１０の表面にあらかじめ赤外線吸収剤を塗布することにより、吸収係数の低い樹脂などに対しても低い照射強度でのレーザマーキングが可能となる。このため、レーザ光源を大幅に小型化しても加工性の高いレーザマーキングを行うことができる。
【００２８】
また、赤外線吸収剤を所望のパターンに塗布してからレーザ光線を照射するため、パターンに沿った二次元掃引照射を行う必要がなく、一方向の単純な走査を行えばよい。よって、これまで多用されてきたガルバノスキャンのように複雑で大型な機構が不要となり、装置が簡素化、小型化され、低価格化が可能となる。
【００２９】
なお、塗布する液滴１１が赤外線吸収剤を含むため赤外線でのみ確認でき、可視光では確認できないマーキング、すなわち通常の状態では透明なマーキングを行うことが可能となる。また、液滴１１に紫外線蛍光剤を混ぜておけば、紫外線で確認できるマーキングも可能である。なお、液滴１１に可視光で確認可能な材料を混ぜておけば、通常の状態でも確認できるマーキングを行うことができる。
【００３０】
本発明により、レーザマーキングの応用範囲が広がると共に、装置の小型化、簡素化が可能になり、そのため装置の低価格化が実現される。特に、ＧａＡｓ、ＰｂＴｅ系化合物半導体などを光源とする赤外線波長域のレーザを用いればさらにコストダウンが図れるので、レーザの産業機器および民生用途への普及を促進することができる。特に、多品種少量生産への利用を促進することができる。
【００３１】
なお、レーザマーキング装置１００の構成は、図１〜図３に示すものに限られない。レーザヘッド３００が有する対物レンズ３０５は、レーザ光線Ｌを着弾位置Ｐａの領域で集光するように図示されており、これにより液滴着弾直後の液の濡れ広がりを抑制する効果があるが、その必要が無い場合は集光位置は特に着弾位置Ｐａの領域でなくとも良い。
例えば、レーザヘッド３００のレーザ出射口３０１は、図４に示すように、ライン状のものであってもよい。
また、レーザヘッド３００内の光学系の構成についても図３に示すものに限られない。図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、レーザヘッド３００の光学系の他の例を示す模式図である。図５（Ａ）の例では、レーザ光を樹脂１０に対して垂直に照射する構成となっており、反射鏡３０４は設けられていない。また、回折素子３０３によりレーザ光の強度分布が任意に設計可能であるが設けなくとも良い。樹脂１０に着弾した液滴１１は、レーザ光線Ｌを照射することによって樹脂１０の表面に定着する（１１ａ）。図５（Ｃ）の例のように平行光束としないような焦点のレンズを用いることで対物レンズ３０５を省いてもよい。
【００３２】
図５（Ｂ），（Ｃ）の例では、レーザダイオードＬＤ１，ＬＤ２を２つ並べた構成になっている。この例では、２段階に分けてレーザ光線を照射する。着弾した液滴１１には、まずＬＤ２からのレーザ光線Ｌ２が照射される。１回目の照射は液滴１１の乾燥を目的としている（１１ｂ）。そのためレーザ光線の照射強度は２回目よりも低めに設定する。よって、例えば対物レンズ３０５ｂとして凹レンズを用い、スポット系を広げて照射強度を弱めても良い。２回目はＬＤ１からのレーザ光線Ｌ１が照射される。２回目の照射により、液滴１１を樹脂１０の表面に定着させる（１１ａ）。
【００３３】
なお、図５（Ｂ），（Ｃ）の例において、１回目の照射を行う光学系を図３に示すような斜め方向から照射するものとしてもよい。また、回折素子３０３の設計により樹脂１０上での照射強度分布を調節し、強度の高いところと低いところができるようにすれば、図３に示す光学系単独でも、図５（Ｂ），（Ｃ）に示すような２段階照射と同様の効果を出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明によるレーザマーキング装置の概略を示す斜視図である。
【図２】図２は、インクジェットヘッドとレーザヘッドの構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、レーザマーキング装置の要部の断面を示す図である。
【図４】図４は、レーザヘッドの構成の他の例を示す斜視図である。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、レーザヘッドの光学系の他の例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  樹脂、１１，１１ａ，１１ｂ  液滴、１００  レーザマーキング装置、１０１  ステージ、１０２  基台、１０３  案内溝、１０４  案内部材、１０５  案内溝、１０６  キャリッジ、２００  インクジェットヘッド、２０１  ノズルプレート、２０１ａ  ノズル形成面、２０２  キャビティ、２０３  供給路、２０４  連通孔、２０５  振動板、３００  レーザヘッド、３０１  レーザ出射口、３０２，３０２ａ，３０２ｂ  コリメータ、３０３，３０３ａ，３０３ｂ  回折素子、３０４  反射鏡、３０５，３０５ａ，３０５ｂ  対物レンズ
【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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