(57)【要約】      （修正有）【課題】はっ水性が低下したり温度環境が制約されたりする、といったことのないはっ水処理を実施可能とする。【解決手段】少なくとも平均粒径５０μｍ以下の粒子群を固化してなる平面状の対象物に対し、その表面にはっ水処理を施すはっ水処理装置であって、前記対象物をなす材料を溶融または蒸発させるためのエネルギーとして、１９０ｍＪ／ｃｍ２以下のエネルギー密度によりレーザ光を出力するレーザ出力手段と、前記レーザ出力手段に出力されるレーザ光を前記対象物における処理領域全域にわたって走査させる走査手段と、を備える。【選択図】図１
2020142252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも平均粒径５０μｍ以下の粒子群を固化してなる平面状の対象物に対し、その表面にはっ水処理を施すはっ水処理装置であって、
前記対象物をなす材料を溶融または蒸発させるためのエネルギーとして、１９０ｍＪ／ｃｍ２以下のエネルギー密度によりレーザ光を出力するレーザ出力手段と、
前記レーザ出力手段に出力されるレーザ光を前記対象物における処理領域全域にわたって走査させる走査手段と、を備え、
前記走査手段が前記処理領域に対して複数回レーザ光を走査させることで、前記処理領域の表面に位置する粒子それぞれの一部または全部を溶融または蒸発させ、該表面に位置する粒子群による凹凸を露出させることによって、少なくとも処理後における前記処理領域の表面積を処理前における前記処理領域の表面積よりも大きくする、はっ水処理装置。
【請求項２】
前記レーザ出力手段は、１９ｍＪ／ｃｍ２以上のエネルギー密度でレーザ光を出力する、
請求項１に記載のはっ水処理装置。
【請求項３】
前記対象物が１０μｍ以下の粒子群を固化した対象物である場合において、
前記レーザ出力手段は、６０ｍＪ／ｃｍ２以下のエネルギー密度でレーザ光を出力する、
請求項１または請求項２に記載のはっ水装置。
【請求項４】
前記レーザ出力手段は、フェムト秒のパルス幅でレーザ光を出力する、
請求項１から３のいずれか１項に記載のはっ水処理装置。
【請求項５】
前記走査手段は、前記レーザ出力手段に出力されるレーザ光を反射させるガルバノスキャナと、前記ガルバノスキャナから前記処理領域に至るレーザ光の光路上に配置されたｆθレンズと、からなる、
請求項１から４のいずれか１項に記載のはっ水処理装置。
【請求項６】
少なくとも平均粒径５０μｍ以下の粒子群を固化してなる平面状の対象物に対し、その表面にはっ水処理を施すはっ水処理方法であって、
前記対象物をなす材料を溶融または蒸発させるためのエネルギーとして、１９０ｍＪ／ｃｍ２以下のエネルギー密度によりレーザ光を出力するレーザ出力手順と、
前記レーザ出力手順にて出力されるレーザ光を前記対象物における処理領域全域にわたって走査させる走査手順と、を有し、
前記走査手順では、前記処理領域に対して複数回レーザ光を走査させることで、前記処理領域の表面に位置する粒子それぞれの一部または全部を溶融または蒸発させ、該表面に位置する粒子群による凹凸を露出させることによって、少なくとも処理後における前記処理領域の表面積を処理前における前記処理領域の表面積よりも大きくする、
はっ水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の表面にはっ水処理を施すはっ水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、対象物の表面にはっ水性を持たせるためには、その表面に別材料をコーティングすることが行われている。例えば、対象物の表面を正負一方に帯電した後、ここに正負他方に帯電した電解質ポリマーを塗布する、といった工程の繰り返しではっ水性膜を生成する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許３５３３６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した技術では、対象物の表面に別材料をコーティングしているため、使用環境に応じてコーティング材料の剥離によるはっ水性の低下が生じやすい。また、対象物の融点よりもコーティング材料の融点が低いと、はっ水処理後の温度環境が制約されてしまう。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、はっ水性が低下したり温度環境が制約されたり、といったことのないはっ水処理を実施可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
対象物におけるはっ水性は、その対象物と水滴との接触角が所定角度（１２０度）以上となり両者の接触面積が小さくなることで実現されるところ、所定角度以上の接触角とするためには、対象物の表面に微細な凹凸を形成し、この凹凸上に位置する水滴が表面張力で凹凸内に浸透できなくなるような状況をつくり出す必要がある。
【０００７】
この点、本願出願人は、１０μｍ以下の周期で凹凸が形成されている場合に所定角度以上の接触角となることを発見し、そのような微細加工の手段としてレーザに着目した。ただ、レーザによる微細加工では、対象物の表面に高精度でレーザ光を走査させる必要があるため、より現実的な手段としてレーザ側のパラメータだけでなく、対象物側も適切なものを選択するという思想に至り、創意工夫の結果、上記第１局面の技術に想到した。
【０００８】
このような経緯による第１局面は、上記課題を解決するためのものとして、少なくとも平均粒径５０μｍ以下の粒子群を固化してなる平面状の対象物に対し、その表面にはっ水処理を施すはっ水処理装置であって、前記対象物をなす材料を溶融または蒸発させるためのエネルギーとして、１９０ｍＪ／ｃｍ２以下のエネルギー密度によりレーザ光を出力するレーザ出力手段と、前記レーザ出力手段に出力されるレーザ光を前記対象物における処理領域全域にわたって走査させる走査手段と、を備え、前記走査手段が前記処理領域に対して複数回レーザ光を走査させることで、前記処理領域の表面に位置する粒子それぞれの一部または全部を溶融または蒸発させ、該表面に位置する粒子群による凹凸を露出させることによって、少なくとも処理後における前記処理領域の表面積を処理前における前記処理領域の表面積よりも大きくする。
【０００９】
この第１局面では、処理領域に対して複数回レーザ光を走査させることで、処理領域の表面に位置する粒子それぞれの一部または全部が溶融または蒸発し、これにより、表面に位置する粒子群による凹凸を露出させることになる。なお、対象物は、粒子群を固化したものであるため、レーザ光のエネルギー密度を１９０ｍＪ／ｃｍ２以下と低くしても、処理領域の表面に位置する粒子それぞれの一部または全部が溶融または蒸発させることができる。
【００１０】
そして、本願出願人は、対象物として、平均粒径５０μｍ以下の粒子群を固化してなるものを用いると、１０μｍ以下の周期で凹凸が形成されることを発見し、後述のように、こうして処理の施された処理領域がはっ水性を持つようになることを確認した。
【００１１】
この局面では、以下に示す第２局面のように、前記レーザ出力手段は、１９ｍＪ／ｃｍ２以上のエネルギー密度でレーザ光を出力する、してもよい。
【００１２】
また、対象物が１０μｍ以下の粒子群を固化した対象物である場合、以下に示す第３局面のように、前記対象物が１０μｍ以下の粒子群を固化した対象物である場合において、前記レーザ出力手段は、６０ｍＪ／ｃｍ２以下のエネルギー密度でレーザ光を出力する、ようにしてもよい。
【００１３】
このように、上記各局面では、対象物の処理領域にはっ水性を持たせることができる。この処理領域は、別部材をコーティングしたものではないため、使用環境に応じてコーティング材料が剥離することはなく、それによるはっ水性の低下は生じることはない。当然、対象物の融点のみに着目すればよいため、コーティング材料の融点により温度環境が制約されるといったこともない。
【００１４】
また、上記各局面においては、第４局面のようにしてもよい。
【００１５】
第４局面において、前記レーザ出力手段は、フェムト秒のパルス幅でレーザ光を出力する。
【００１６】
この局面では、フェムト秒のパルス幅でレーザ光が出力されるため、レーザ光による極短時間でのエネルギー投入が可能となる結果、レーザ光の照射された部位の周辺に無用な温度上昇を発生させることなく、その部位のみを蒸発させることができる。
【００１７】
また、上記各局面においは、第５局面のようにしてもよい。
【００１８】
第５局面において、前記走査手段は、前記レーザ出力手段に出力されるレーザ光を反射させるガルバノスキャナと、前記ガルバノスキャナから前記処理領域に至るレーザ光の光路上に配置されたｆθレンズと、からなる。
【００１９】
この局面では、ガルバノスキャナおよびＦθレンズにより、レーザ光を対象物の処理領域にまで導くことができる。
【００２０】
また、上記課題を解決するための第６局面は、少なくとも平均粒径５０μｍ以下の粒子群を固化してなる平面状の対象物に対し、その表面にはっ水処理を施すはっ水処理方法であって、前記対象物をなす材料を溶融または蒸発させるためのエネルギーとして、１９０ｍＪ／ｃｍ２以下のエネルギー密度によりレーザ光を出力するレーザ出力手順と、前記レーザ出力手順にて出力されるレーザ光を前記対象物における処理領域全域にわたって走査させる走査手順と、を有し、前記走査手順では、前記処理領域に対して複数回レーザ光を走査させることで、前記処理領域の表面に位置する粒子それぞれの一部または全部を溶融または蒸発させ、該表面に位置する粒子群による凹凸を露出させることによって、少なくとも処理後における前記処理領域の表面積を処理前における前記処理領域の表面積よりも大きくする。
【００２１】
この局面では、上記各局面によるはっ水処理を施すのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明におけるはっ水処理装置の全体像を示す図
【図２】本発明における対象物の表面に形成された微細な凹凸を示す図
【図３】本発明における液滴と対象物との接触角を示す図
【図４】本発明におけるエネルギー密度に応じた接触角の測定結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
【００２４】
（１）装置構成
【００２５】
はっ水処理装置１は、平面状の対象物１００の表面にはっ水処理を施すための装置であって、図１に示すように、レーザ光を出力するレーザ出力手段１０と、レーザ出力手段１０に出力されるレーザ光を対象物１００の表面に沿って走査させる走査手段２０と、はっ水処理装置１における各部の動作を制御する制御部３０と、対象物１００を設置するステージ４０と、を備えている。
【００２６】
対象物１００としては、少なくとも平均粒径５０μｍ以下の粒子群を固化してなるものであり、本実施形態では粒子群を焼結してなる焼結体（具体的には、グラファイト、アルミナなど）が用いられる。
【００２７】
レーザ出力手段１０は、制御部３０からの指令を受けて発振するレーザ光源を内蔵しており、このレーザ光源を介して１９０ｍＪ／ｃｍ２以下の領域から選択されたエネルギー密度、かつ、フェムト秒のパルス幅にてレーザ光を出力する。
【００２８】
このレーザ光のエネルギー密度Ｅは、対象物１００をなす材料を溶融または蒸発させるのに必要なエネルギーとして設定されたものであり、対象物１００をなす材料を溶融または蒸発させるのに必要な下限エネルギーを「Ｅ０」、レーザ光の波長および材料の光吸収係数に応じて決まる減衰定数を「α」とすると、「Ｅ＞Ｅ０／（１−α）」で規定される。ここでは、対象物１００が粒子群を固化したものであることに起因して、エネルギー密度Ｅが、１９〜１９０ｍＪ／ｃｍ２以下という低い領域から選択される。
【００２９】
走査手段２０は、レーザ出力手段１０の出力するレーザ光を反射させる一対のガルバノスキャナ２１と、ガルバノスキャナ２１から対象物１００に至る光路上に配置されたｆθレンズ２３と、からなる。ここでは、対象物１００の表面のうち、はっ水性を持たせるべき領域である処理領域が制御部３０側であらかじめ設定されており、走査手段２０は、制御部３０からの指令を受け、この処理領域をレーザ光が走査するようにガルバノスキャナ２１が駆動される。
【００３０】
この一対のガルバノスキャナ２１は、一方のガルバノスキャナ２１がレーザ出力手段１０からのレーザ光を他方のガルバノスキャナ２１に向けて反射させ、他方のガルバノスキャナ２１がｆθレンズ２３に向けて反射させる。これにより、レーザ光は、対象物１００の処理領域１１０に沿って拡がるｘ−ｙ平面視で、一方のガルバノスキャナ２１によりｘ軸方向に走査させられ、他方のガルバノスキャナ２１によりｙ軸方向に走査させられる。
【００３１】
なお、ガルバノスキャナ２１による反射の向きは、それぞれを回転させる駆動部２５（具体的にはモータなど）により駆動される。
【００３２】
このはっ水処理装置１では、走査手段２０が対象物１００の処理領域１１０に対して複数回レーザ光を走査させることで、処理領域１１０の表面に位置する粒子それぞれの一部または全部を溶融または蒸発させ、この表面に位置する粒子群による凹凸を露出させる。これにより、少なくとも処理後における処理領域１１０の表面積Ｓａを処理前における処理領域１１０の表面積Ｓｂよりも大きくする、具体的にいえば表面積Ｓａと表面積Ｓｂとの比「Ｓａ／Ｓｂ」が「１」を超えるようにする。
【００３３】
（２）はっ水性の評価
【００３４】
対象物におけるはっ水性は、その対象物と水滴との接触角が所定角度（１２０度）以上となり両者の接触面積が小さくなることで実現されるところ、所定角度以上の接触角とするためには、対象物の表面に微細な凹凸を形成し、この凹凸上に位置する水滴が表面張力で凹凸内に浸透できなくなるような状況をつくり出す必要がある。
【００３５】
本願出願人は、１０μｍ以下の周期で凹凸が形成されている場合に所定角度以上の接触角となることを発見している。本発明において、１０μｍ以下の周期による凹凸の形成は、微細加工の手段としてのレーザ側のパラメータと対象物側の選択とにより実現される。
【００３６】
まず、粒子群を固化してなる対象物では、その表面が平面状に加工されているとしても、周期的に粒子が配置されているとともに、隣接する粒子間に凹凸が形成されているため、これを表面に露出させることができれば、対象物の表面が微細な凹凸の形成された状態となる。
【００３７】
このような対象物の処理にレーザを使用する場合、大きな溝が形成されてしまうことのないよう、そのエネルギー密度を充分に低くする必要がある。これについて、「１９．０」「５７．１」「１１４．２」「１９０」（単位はいずれもｍＪ／ｃｍ２）それぞれのエネルギー密度のレーザ光を、グラファイトの焼結体からなる対象物１００に対して同じ部位に１００回ずつレーザ光が照射されるように走査させたところ、図２に示すように、いずれのエネルギー密度においても、大きな溝が形成されることなく、対象物１００の表面に１０μｍ程度の周期で微細な凹凸が形成されることが確認された。ここでは、平均粒径１０μｍの炭素粒子群からなる対象物を用いた例を示しているが、平均粒径５０μｍの炭素粒子群からなる対象物を用いた場合も、大きな溝が形成されることなく、対象物の表面に同周期で微細な凹凸が形成されていることが確認されている。
【００３８】
次に、平均粒径１０μｍの炭素粒子群からなるグラファイトに対し、「０（レーザ光を照射していない）」「１９．０」「５７．１」（単位はいずれもｍＪ／ｃｍ２）それぞれのエネルギー密度のレーザ光を、同じ部位に１００回ずつレーザ光が照射されるように走査させた対象物１００について、はっ水性の評価を行った。
【００３９】
具体的には、室温において対象物１００の処理領域１１０に微量（ここでは９μＬ）の純水を滴下し、図３に示すように、その直後における液滴と処理領域１１０表面との接触角を測定し、１２０度以上となっているかを確認した。その結果、図４に示すように、レーザ光を照射していない対象物１００の接触角が１１０度未満であるのに対し、「１９．０」「５７．１」のエネルギー密度でレーザ光を照射した対象物１００はいずれも接触角が１２０度を超えており、はっ水性が具備されたことが確認された。
【００４０】
そして、上述した「１９．０」「５７．１」のエネルギー密度でレーザ光を照射した対象物１００について、処理後における処理領域１１０の表面積Ｓａと、処理前における処理領域１１０の表面積Ｓｂと、をそれぞれ算出し、表面積Ｓａと表面積Ｓｂとの比「Ｓａ／Ｓｂ」を確認したところ、いずれの対象物１００においても「１」を超えており、この比が１を超えるようにレーザ光を照射することではっ水性が具備されることが確認された。
【００４１】
（３）変形例
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００４３】
例えば、上記実施形態においては、走査手段２０が、ガルバノスキャナ２１とｆθレンズ２３と、からなる構成を例示した。しかし、この走査手段２０は、レーザ光を対象物１００において処理領域１１０全域にわたって走査させることができればよく、これら以外の構成を採用できることはいうまでもない。
【００４４】
（４）作用，効果
【００４５】
上記実施形態によれば、対象物１００の処理領域１１０に対して複数回レーザ光を走査させることで、処理領域１１０の表面に位置する粒子それぞれの一部または全部が溶融または蒸発し、これにより、表面に位置する粒子群による凹凸が露出する。
【００４６】
そして、対象物１００として、平均粒径５０μｍ以下の粒子群を固化してなるものを用いることにより、１０μｍ以下の周期で凹凸が形成され、こうして処理の施された処理領域１１０がはっ水性を発揮するようになる。
【００４７】
こうして、上記実施形態では、対象物１００の処理領域１１０にはっ水性を持たせることができる。この処理領域１１０は、別部材をコーティングしたものではないため、使用環境に応じてコーティング材料が剥離することはなく、それによるはっ水性の低下は生じることはない。当然、対象物１００の融点のみに着目すればよいため、コーティング材料の融点により温度環境が制約されるといったこともない。
【００４８】
また、上記実施形態では、フェムト秒のパルス幅でレーザ光が出力されるため、レーザ光による極短時間でのエネルギー投入が可能となる結果、レーザ光の照射された部位の周辺に無用な温度上昇を発生させることなく、その部位のみを蒸発させることができる。
【００４９】
また、上記実施形態では、ガルバノスキャナ２１およびＦθレンズ２３により、レーザ光を対象物１００の処理領域１１０にまで導くことができる。
【符号の説明】
【００５０】
１…はっ水処理装置、１０…レーザ出力手段、２０…走査手段、２１…ガルバノスキャナ、２３…レンズ、２５…駆動部、３０…制御部、４０…ステージ、１００…対象物、１１０…処理領域。
【図１】
2020142252.tif 000003
【図２】
2020142252.tif 000004
【図３】
2020142252.tif 000005
【図４】
2020142252.tif 000006