JP2012011689A - レーザーマーキング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基材を損傷することなく、簡単に、効率良く、フルカラーでマーキングすることを可能にするレーザーマーキング方法及び装置を提供する。
【解決手段】 樹脂成型品の表面部分にフルカラーに必要なインクをインクジェットによって塗布する工程と、赤外領域で波長選択可能な量子カスケードレーザーの波長を樹脂成型品の吸光度により選択する工程と、選択された波長のレーザー光線により、樹脂成型品の表面に塗布されたインクの塗布部をスキャン照射し、該樹脂成型品の表面部分で生じる発熱により、前記インクを該樹脂成型品の表面部分に拡散又は溶融固着させて定着させる工程と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザーを用いて加工物の表面にパーマネントなマーキングを施す方法及び装置に関する。

従来、加工物表面にレーザー光線による損傷や加工を行い、消すことの出来ないパーマネントマーキングをリアルタイムで書き入れるレーザーマーキング方法が知られている。しかしながら、このレーザーマーキング方法は、大型のレーザー発振器を使用し、高価なガルバノスキャナーや、Ｘ−Ｙステージを用いる必要があったため、レーザーマーキング装置が高価となっていた。また、書き込める色が単色で、多色カラー化できないという問題もあった。

装置の小型化と簡素化を実現するため、例えば、赤外線吸収剤を含む液滴を、インクジェットヘッドを用いて樹脂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の表面に定着するような照射条件で、レーザーヘッドから樹脂表面に赤外領域の波長のレーザー光線を照射し、赤外線吸収剤を樹脂表面に溶融定着させる方法が提案されている（特許文献１）。しかしながら、このレーザーマーキング方法も、書き込める色が単色で、多色カラー化できない点が大きな制約となっていた。

多色カラー化を可能にするレーザーカラーマーキングに関する技術として、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ー光線を照射して、前記レーザー光線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方法（特許文献２）が提案されている。しかしながら、色料含有層を基材表面の前面に均一に塗布してから、所望形状にレーザー光線を照射する方法であるので、多色化するには、何度も色料含有層を塗りなおさなければならず、手間がかかる。

また、捺染の分野において、熱可塑性合成樹脂からなる布地に、分散染料をパッティングした後、ＣＯ_２レーザー又は当該熱可塑性合成繊維の有効吸収波長域にある固体レーザーを照射して照射部分を発熱させ、乾燥と同時に分散染料を繊維内部に拡散染着する染色加工方法（特許文献３）等が知られている。ＣＯ_２レーザーは、１０．８μｍの波長をもっている。図２〜図７は、樹脂の種類ごとに波長と分光透過率との関係を示すグラフ（出典：「赤外吸光図説総覧」共立出版）であり、幾つかの樹脂材料は波長１０．８μｍでの分光透過率が低い（即ち、吸収がある）ことが分かるが、例えば、ポリエチレン・グリコール・テレフタレート（ＰＥＴ）やポリカーボネート等のように、波長１０．８μｍでは分光透過率が高い（即ち、吸収が小さい）樹脂が多く、これらの樹脂の場合、発熱させるためにはレーザー光線の出力を上げなければならず、エネルギー効率が良くない。

また、昇華性染料あるいはこれを含むインクを前記被染物に塗布し、前記被染物に可視光域の波長のレーザー光線を照射することで、レーザー光線を基材ではなく染料に吸収させ、基材を傷めないようにする発色方法が提案されている（特許文献４）。可視光レーザーのブルーレーザーは、多くの染料に吸収があるが、レーザーの出力が数百ｍＷと小さく、マーキング加工には高速化、大型化等において制限が生じる。また可視光レーザーのグリーンレーザーでは大出力が得られるが、黄色染料にはグリーン帯（４９０〜５７５ｎｍ）に吸収が小さく、黄色染料には不向きであり、フルカラーの定着には向かない。

特開２００８−１５５２３２号公報 特開２００８−１２８６９号公報 特開昭５９−１０６５８９号 特開２００６−２４９５９７号公報

本発明は、上記従来の問題に鑑みて、基材を損傷することなく、簡単に、効率良く、フルカラーでマーキングすることを可能にするレーザーマーキング方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るレーザーマーキング方法は、樹脂成型品の表面部分に、フルカラーに必要なインクをインクジェットによって塗布する工程と、赤外領域で波長選択可能な量子カスケードレーザーの波長を樹脂成型品の吸光度により選択する工程と、選択された波長のレーザー光線により、樹脂成型品の表面に塗布されたインクの塗布部をスキャン照射し、該樹脂成型品の表面部分で生じる発熱により、前記インクを該樹脂成型品の表面部分に拡散又は溶融固着させて定着させる工程と、を含むことを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明に係るレーザーマーキング装置は、インクジェットヘッドと、赤外領域で波長選択可能な量子カスケードレーザー発振器と、レーザーマーキングされるべき樹脂成型品を設置する設置部と、を備え、該設置部に対して前記インクジェットヘッド及び前記量子カスケードレーザー発振器が相対的に移動可能に構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、インクジェットプリンタで樹脂成型品上にパターニングが行われ、レーザー光線のスキャン照射により、樹脂成型品のパターンニングされた部分に染料又は顔料を定着させる。レーザー光線をパターンニング部分全体に照射できるため、従来のレーザーマーキングで必要であった、ガルバノスキャナーやＸ−Ｙステージが不要となり、装置の大幅な簡素化と低コスト化が実現される。使用するレーザーも色素又は顔料の定着が目的であるため、樹脂を損傷させる従来のレーザーマーキングで使用されているレーザーより２〜３桁小さい出力の半導体レーザー（量子カスケードレーザー）を使用できる。

また、照射するレーザー光線は、樹脂の種類に応じて吸収の大きい波長を選択して照射することができるため、樹脂への吸収効率を高めることができ、エネルギー効率を向上させることができる。

そして、樹脂表面に生じる熱で染料又は顔料を樹脂表面に拡散又は溶融固着させるが、吸収効率の高いレーザー光線をスキャン照射することにより短時間で照射することで、樹脂成型品の表面付近のみの温度を急速に高め、樹脂成型品に顕著な変形が生じる前に、インクの染料又は顔料を定着させることが可能となる。

図１は、本発明に係るレーザーマーキング装置の一実施形態を概略的に示す側面図である。 ポリメタアクリル酸メチルの分光透過率を示すグラフである。 メタアクリル酸メチル−スチレン共重合物の分光透過率を示すグラフである。 ポリメタアクリル酸ブチルの分光透過率を示すグラフである。 ポリウレタンの分光透過率を示すグラフである。 ポリカーボネートの分光透過率を示すグラフである。 ポリエチレン・グリコール・テレフタレート（ＰＥＴ）の分光透過率を示すグラフである。

本発明に係るレーザーマーキング方法及び装置について、以下、図１を参照して説明する。図１は、本発明に係るレーザーマーキング装置の一実施形態を工程別に概略的に示す正面図であり、図１（ａ）はインクを噴射する工程を示し、図１（ｂ）はレーザー光線を照射する工程を示している。

本発明に係るレーザーマーキングを施す対象物は、樹脂成型品Ｗであり、特に、熱可塑性樹脂成型品である。熱可塑性樹脂としては、汎用プラスチック、準汎用プラスチックの他、エンジニアリング・プラスチックも使用することができ、特に限定されるものではないが、たとえば、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリメチルペンテン，ポリブテン，結晶性ポリブタジエン，ポリスチレン，ポリブタジエン，スチレンブタジエン樹脂，ポリ塩化ビニル，ポリ酢酸ビニル，ポリ塩化ビニリデン，エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ，ＡＳ，ＡＢＳ，アイオノマー，ＡＡＳ，ＡＣＳ），ポリメチルメタクリレート（アクリル），ポリアセタール（ポリオキシメチレン），ポリアミド，ポリカーボネート，ポリフェニレンエーテル，ポリエチレンテレフタレート，ポリブチレンテレフタレート，ポリアリレート（Ｕポリマー），ポリスチレン，ポリエーテルスルホン，ポリイミド，ポリアミドイミド，ポリフェニレンスルフィド，ポリオキシベンゾイル，ポリエーテルエーテルケトン，ポリエーテルイミド，液晶ポリエステル，酢酸セルロース，酪酸セルロース，セロファン，セルロイド，熱可塑性エラストマーなどを例示することができる。

レーザーマーキング装置１は、インクジェットヘッド２と、赤外領域で波長選択可能な量子カスケードレーザー発振器３と、レーザーマーキングされるべき樹脂成型品を設置する設置部４と、を備えている。

インクジェットヘッド２は、図１に示す例では、図示都合上、複数個のインクジェットヘッドを１つのインクジェットヘッドのように図示しているが、ブラックインク用ヘッドと、シアン、イエロー、マゼンタ等の調色カラーインク用ヘッドとを並列に備えることができる。インクジェットヘッド２は、公知のものを採用することができ、表現する色彩等の必要に応じて調色カラーインクのインクジェットヘッドを増減することができる。

インクジェットヘッド２は、市販の家庭用インクジェットプリンタと同様に、図示しない外部の制御装置によって制御され、所望の文字、色彩、図柄等を、加工すべき樹脂成型品Ｗ上に印字、印画するように、駆動させることができる。

量子カスケードレーザー発振器３は、赤外領域（４〜１０μｍ）で任意の波長を選択することができる。量子カスケードレーザー発振器３から発振されたレーザー光線は、図示しない集光レンズ等の光学系によって、スポット状、ライン状等の所望形状のビームに集光され得る。

設置部４に対してインクジェットヘッド２及び量子カスケードレーザー発振器３は、相対的に移動可能に構成されている。

図１に示す例では、インクジェットヘッド２と量子カスケードレーザー発振器３とが図１の矢印Ｘで示す水平方向に往復動自在に支持され、Ｘ方向に垂直であって紙面に垂直な方向（Ｙ方向：図示せず。）に設置部４が直線往復移動可能に支持されている。また、インクジェットヘッド２と量子カスケードレーザー発振器３とは、図１に示すように、焦点合わせや、デフォーカスの調整等のために、矢印Ｚで示す鉛直上下方向に高さ調節可能に支持することができる。

なお、図１において、図示都合上、インクジェットヘッド２と量子カスケードレーザー発振器３とが別個の装置のように図示されているが、レーザーマーキング装置１は、インクジェットヘッド２と量子カスケードレーザー発振器３とを連結し、インクジェットヘッド２とともに量子カスケードレーザー発振器３が移動するように構成することができる。それによって、レーザーマーキング装置１は、インクジェットヘッド２からのインクの噴射と並行して、樹脂加工品１のインク塗布面にレーザー光３ａを照射しつつ移動させてスキャン照射することができる。

上記のようなレーザーマーキング装置を用いて、樹脂成型品にレーザーマーキングを施す方法について、以下に説明する。

まず、図１に示す設置部４上に、レーザーマーキングを施すべき樹脂成型品Ｗを設置する。そして、図示しない外部の制御装置からの制御信号に基づいて、設置部４とインクジェットヘッド２とを相対移動させつつ、樹脂成型品Ｗの平坦状表面Ｗａにインクジェットヘッド２からインク２ａを噴射して、所望の色彩で印字・印画を施す。

インクは、汎用のカラーインクジェットプリンタ用インクを使用することができ、染料インク、顔料インクの何れも使用可能である。なお、インクジェット用インクは、環境面から水性インクが好ましいが、油性インクを使用することもできる。インクジェットヘッドは、シアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの４色セットからなるインクの他、それらに淡色を加えた６色、７色等、用途に応じた色のインクに対応したインクジェットヘッドを用いることもできる。

図示しない外部の制御装置からの制御下で、インクの噴射と並行して、樹脂成型品Ｗの表面に塗布されたインク塗布部に、量子カスケードレーザー発振器３からレーザー光線３ａが照射される。互いに連結されたインクジェットヘッド２に連結された量子カスケードレーザー発振器３は、インクジェットヘッド２と共に移動しつつレーザー光をインク塗布部に照射することで、レーザー光がインク塗布部をスキャンするように照射（即ち、スキャン照射）される。

量子カスケードレーザー発振器３から照射されるレーザー光線の波長は、樹脂成型品Ｗの吸光度の大きい波長が選択される。具体的には、吸光度が０．６以上となる波長が、量子カスケードレーザー発振器から照射される光線の波長として選択される。樹脂成型品Ｗの吸光度は、樹脂の種類が予め分かっている場合は吸光度も既知であり、樹脂の種類が不明な場合は、分光測定器を用いて分光透過率を測定し、分光透過率と波長との関係を示すグラフから計算によって求めることができる。

例えば、図７を参照すれば、ポリエチレン・グリコール・テレフタレートの場合、波長５μｍ〜１０μｍの間に吸収極大を含む強い吸収帯が複数個所あり、これらの吸収極大のうち、例えば６μｍ付近に吸光度が０．６以上で最大となると考えられる波長がある。

樹脂成型品Ｗの吸光度が最大となる波長に、量子カスケードレーザーの波長を合わせることが最も好ましい選択である。しかしながら、例えば、吸光度が０．６以上あれば、図２〜７に示す何れの樹脂においてもかなりの吸収があり、そのような波長領域において量子カスケードレーザーの波長を選択することができる。

レーザー光線のスキャン照射によって樹脂成型品Ｗの表面に生じる熱により、樹脂成型品Ｗの表面にインク中の染料を拡散させ、或いは、樹脂成型品Ｗの表面を溶融させてそこにインク中の顔料を固着させ、その結果、樹脂成型品Ｗの表面にカラーマーキングが施される。

スキャン照射するレーザー光線は、樹脂成型品Ｗの表面付近のみを発熱させるようにスキャン速度とエネルギー密度の関係を制御する。そうすることにより、樹脂成型品Ｗの全体が発熱して樹脂成型品Ｗの全体形状が変形することを抑制する。例えば、スキャン照射するレーザー光線は、スキャン速度を０．３〜１ｍｍ／秒とし、エネルギー密度を５〜１０Ｗ／ｃｍ^２に制御することが好ましい。スキャン速度が遅すぎたりエネルギー密度が高すぎると、樹脂成型品Ｗの内部まで発熱し、樹脂成型品Ｗの全体形状を変形させることがある一方、スキャン速度が速すぎたりエネルギー密度が低すぎると、樹脂成型品Ｗの表面での発熱が不十分となり、マーキングが不十分となるからである。

レーザー光線は、必要に応じてデフォーカスすることにより、エネルギーの集中による樹脂成型品の変形を防止することができる。レーザー光線をデフォーカスしてスキャン照射する場合、部分的に重ね打ちすることもできる。すなわち、レーザー光線をデフォーカスした場合、周辺部のエネルギー密度が中心部のエネルギー密度に比較して低下するため、その低下分を補うため、レーザー光を重ね打ちしても良い。

また、樹脂成型品Ｗの内部の発熱を抑制するため、スキャン照射するレーザー光線をパルスレーザーとしても良い。この場合、パルスのデューティ比は、２０〜５０％が好ましい。

以下に実施例を示して本発明の特徴をより具体的に説明する。ただし、本発明の範囲は、実施例に限定されない。
実施例
実施例に於いては、図１に示す装置と同様の装置を用いた。

インクは、シアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの４色のインクジェット用昇華性分散染料インク（株式会社ティーシー製ＳＡインク）を用意した。

上記インクを、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの樹脂製プレート上にインクジェット方式により印字した。樹脂製プレートは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、アクリル、ポリカーボネート、塩化ビニル、ポリプロピレン、ＡＢＳ樹脂のそれぞれにて製作した。

インクジェットと並行して、波長を８μｍに設定した量子カスケードレーザー発振器（浜松ホトニクス社製試作品）から、印字された樹脂製プレートの表面にレーザー光線を照射した。この量子カスケードレーザーの出力は１２０ｍＷであり、集光して印刷面をスキャン照射した。スキャン速度は、０．５ｍｍ／秒でＹ軸方向への送りピッチを０．２ｍｍとした。レーザー照射後、アルコールにて照射面をふき取った。

レーザー照射後のインク馴染み性と耐溶剤性について評価した。インク馴染み性の評価は、印刷面を目視評価し、インクのハジキが見られず、かすれが無い場合を◎、ハジキが見られるがかすれが無い場合を○、ハジキ、かすれ、凝集が見られる場合を△と判定した。また、耐溶剤性の評価は、印字面をエチルアルコールでふき取っても色落ちしない場合を◎、やや色落ちした場合を△、完全に色落ちした場合を×と判定した。判定結果を下記表１に示す。

比較例
比較例として、レーザー光を照射しない以外は実施例と同じ条件で製作したサンプルを、１日間放置した後の印刷性と耐溶剤性を評価した。判定結果を表２に示す。

上記表１、表２から、本発明の実施例は、比較例よりもインク馴染み性及び耐溶剤性に優れていることが分かる。また、本発明の実施例では、樹脂内に染料が拡散染色されるため、樹脂表面にインク被膜を形成する比較例よりも印刷物の耐摩耗性に優れていた。また、実施例のサンプルは、目視で確認できる程度の変形もなかった。

１ レーザーマーキング装置
２ インクジェットヘッド
２ａ インク
３ 量子カスケードレーザー発振器
３ａ レーザー光線
４ 設置部

Claims (2)

1. 樹脂成型品の表面部分に、フルカラーに必要なインクをインクジェットによって塗布する工程と、
   赤外領域で波長選択可能な量子カスケードレーザーの波長を樹脂成型品の吸光度により選択する工程と、
   選択された波長のレーザー光線により、樹脂成型品の表面に塗布されたインクの塗布部をスキャン照射し、該樹脂成型品の表面部分で生じる発熱により、前記インクを該樹脂成型品の表面部分に拡散又は溶融固着させて定着させる工程と、
   を含むことを特徴とするレーザーマーキング方法。
2. インクジェットヘッドと、赤外領域で波長選択可能な量子カスケードレーザー発振器と、レーザーマーキングされるべき樹脂成型品を設置するための設置部と、を備え、該設置部に対して前記インクジェットヘッド及び前記量子カスケードレーザー発振器を相対的に移動可能に構成したことを特徴とするレーザーマーキング装置。