(57)【要約】【課題】パルスレーザアブレーション蒸着（ＰＬＤ−パルスレーザ蒸着）の方法、及び移動する基材をコーティングするために、移動ターゲットのアブレーションによって最適な表面品質を生ずること。【解決手段】本発明は、金属、ガラス、又はプラスチック製の部材をコーティングする方法に関し、可能な限り均一な品質を有する表面を作り出すために、前記部材を移動ターゲットからアブレーションされた材料プラズマファン中を移動させつつ、部材がレーザアブレーションによってコーティングされる。本発明はまた、当該方法によって生産される製品に関する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属、ガラス、岩石、又はプラスチックの部材をコーティングする方法であって、可能な限り均一な品質を有するコーティングを達成するために、移動ターゲットからアブレーションされた材料プラズマファン中を移動させつつ、前記部材をレーザアブレーションによってコーティングする方法。
【請求項２】
前記レーザアブレーションは、パルスレーザを使用して行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アブレーションのために使用されるレーザ装置は、ピコ秒レーザなどのコールドアブレーションレーザである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザアブレーションは、１０−６〜１０−１２気圧の真空下で行われる、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記コーティングは、コーティングされる前記部材を連続して２つ以上の材料プラズマファンを通過させることによって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記コーティングされる部材と前記ターゲットとの間の距離は、３０ｍｍ〜１００ｍｍ、好ましくは３５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ターゲットと前記コーティングされる部材との間の距離は、アブレーション工程全体にわたってほぼ一定に維持される、請求項１及び６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記ターゲットの材料は、グラファイト、焼結炭素、金属、金属酸化物、又はポリシロキサンである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記金属は、アルミニウム、チタン、銅、亜鉛、クロム、ジルコニウム、又はスズである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
真空室のガス雰囲気の中に酸素を導入することによって、コーティングされる構造の上に酸化物コーティングが形成される、請求項１又は８に記載の方法。
【請求項１１】
前記ガス雰囲気は、酸素及び希ガス、好ましくはヘリウム又はアルゴン、最も有利にはヘリウムからなる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
可能な限り均一な品質を有するコーティングを達成するために、移動ターゲットからアブレーションされた材料プラズマファン中を移動しつつ、レーザアブレーションによってコーティングされる、金属、ガラス、又はプラスチック部材。
【請求項１３】
前記レーザアブレーションは、パルスレーザを用いて行われる、請求項１２に記載のプラスチック部材。
【請求項１４】
前記レーザアブレーションのために使用されるレーザ装置は、ピコ秒レーザなどのコールドアブレーションレーザである、請求項１３に記載の部材。
【請求項１５】
前記レーザアブレーションは、１０−６〜１０−１２気圧の真空下で行われる、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の部材。
【請求項１６】
前記コーティングは、前記部材を連続して２つ以上の材料プラズマファンを通過させることによって行われる、請求項１２に記載の部材。
【請求項１７】
前記部材と前記ターゲットとの間の距離は、３０ｍｍ〜１００ｍｍ、好ましくは３５ｍｍ〜５０ｍｍである、請求項１６に記載の部材。
【請求項１８】
前記ターゲットと前記コーティングされる部材との間の距離は、アブレーション工程全体にわたってほぼ一定に維持される、請求項１２及び１７のいずれか１項に記載の部材。
【請求項１９】
前記ターゲットの材料は、グラファイト、焼結炭素、金属、金属酸化物、又はポリシロキサンである、請求項１２に記載の部材。
【請求項２０】
前記金属は、アルミニウム、チタン、銅、亜鉛、クロム、ジルコニウム、又はスズである、請求項１９に記載の部材。
【請求項２１】
真空室内のガス雰囲気の中に酸素を導入することによって、コーティングされる構造の上に酸化物コーティングが形成される、請求項１２又は１９に記載の部材。
【請求項２２】
前記ガス雰囲気は、酸素及び希ガス、好ましくはヘリウム又はアルゴン、最も有利にはヘリウムからなる、請求項１０に記載の部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスレーザアブレーション蒸着（ＰＬＤ−パルスレーザ蒸着（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））の方法、及び移動する基材をコーティングするために、移動ターゲットのアブレーションによって最適な表面品質を生ずることを意図した製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ技術は、近年にわたって著しい進歩を遂げており、現在では、半導体ファイバに基づくレーザシステムを、例えば、コールドアブレーション用に許容できる効率で出力することができる。コールドアブレーション用のレーザには、ピコ秒レーザ及びフェムト秒（ｐｈｅｍｔｏ−ｓｅｃｏｎｄ）レーザがある。例えば、ピコ秒レーザでは、コールドアブレーション範囲は、１００ピコ秒以下の持続時間を有するパルス長である。ピコ秒レーザは、パルス持続時間及び繰返し周波数の両方に関してフェムト秒レーザとは異なり、最近の市販のピコ秒レーザは１〜４ＭＨｚの範囲の繰返し周波数を有するのに対して、フェムト秒レーザはキロヘルツレベルの測定繰返し周波数で運用される。最適な場合では、コールドアブレーションにより、アブレーションされる材料そのものを熱移動に曝すことなく、材料のアブレーションを可能にする。言い換えると、各パルスによってアブレーションされる材料は、パルスエネルギーのみに曝される。
【０００３】
完全ファイバ・ベース・ダイオード励起半導体レーザの他にも、ランプ励起（ｌａｍｐ−ｐｕｍｐｅｄ）レーザ源があり、この場合はレーザ光線が最初にファイバに照射された後、作業場所（ｗｏｒｋ  ｓｉｔｅ）に照射される。本願優先日までの出願人の情報によると、現在では、これらのファイバベースのレーザシステムは、工業規模によらずレーザアブレーションにより製品を提供する唯一の手段である。
【０００４】
現在のファイバレーザのファイバ、及びその結果としての固定ビーム効果により、アブレーションできる材料の選択の幅が制限される。アルミニウムは、適当なパルス効果を用いてアブレーションできるが、一方で、銅及びタングステンなどの、よりアブレーションしにくい材料は、より高いパルス効果を必要とする。第２の従来技術の特徴は、レーザ光線の走査幅である。直線走査は、ミラーフィルム（ｍｉｒｒｏｒ  ｆｉｌｍ）スキャナにおいて一般的に使用されており、一般的には３０ｍｍ〜７０ｍｍの範囲の走査線の幅である。
【０００５】
本出願の優先日までに出願人が知る限りでは、既知のコールドアブレーション用のパルスレーザ装置の効率は、わずか１０Ｗ程度であった。この場合には、ピコ秒レーザでは、約４ＭＨｚのパルス周波数となる。しかしながら、コールドアブレーション用の秒パルスレーザでは、キロヘルツレベルのパルス周波数でしかなく、例えば種々の切断用途において、その動作速度は、ピコ秒レーザよりも低い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特にコーティング用途においてコールドアブレーションレーザを用いて良好な結果を得るためには、一般的に少なくとも１０−６気圧の真空値を必要である。気相における材料の量が多いほど、基材からアブレーションされる材料で形成される材料プラズマファン（プラズマの扇状の広がり）の品質が低下し、不良になる。適切な真空レベルでは、そのような材料プラズマファンは、約３０ｍｍ〜７０ｍｍの高さを有する（米国特許第６，３７２，１０３号参照）
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、金属、ガラス、又はプラスチック製の部材をコーティングする方法に関し、可能な限り均一な品質を有する表面を作り出すために、部材を移動ターゲットからアブレーションされた材料プラズマファン中を移動させつつ、レーザアブレーションによってコーティングされる。
【０００８】
本発明はまた、可能な限り均一な品質を有する表面を作り出すために移動ターゲットからアブレーションされた材料プラズマファン中に置かれる、レーザアブレーションによってコーティングされた金属、岩石、ガラス、又はプラスチック製の部材に関する。
【０００９】
本発明は、コーティングされるべき目標物（基材）を、移動するターゲットからアブレーションされた材料プラズマファン中を移動させる場合に、平面又は任意の三次元の構造を有する金属、プラスチック、岩石、又はガラス製の部材を、均一な品質でコーティングすることができるという驚くべき観察結果に基づいている。本発明は、レーザアブレーションを使用することによって、そのような部材上で、ＤＬＣコーティング、金属コーティング、及び金属酸化物コーティングの沈着を可能にする。
【００１０】
本発明は、金属、ガラス、又はプラスチック製の部材をコーティングする方法に関し、可能な限り均一な品質を有する表面を作り出すために、移動ターゲットからアブレーションされた材料プラズマファン中を移動しつつ、部材がレーザアブレーションによってコーティングされる。
【００１１】
ここで、部材とは、種々の平面及び三次元の構造を意味する。かかる構造は、例えば、屋根板、室内装飾及び建築板、鋳造物、及び窓枠、台所の流し、蛇口、オーブン、金属硬貨、宝石類、道具及びその部品、自動車及び他の車両のエンジン及びそれらのエンジンの部品、自動車及び他の車両のめっき及び塗装された金属コーティング、船舶、ボート、及び航空機に使用されるめっきされた部材、飛行機用タービン、及び燃焼機関、ベアリング、フォーク、ナイフ、及びスプーン、ハサミ、さやナイフ、回転刃、ノコギリ及び全ての種類のめっきされたカッター、スクリュー、及びナット、めっきされた反応器、ポンプ、蒸留塔、容器、及び軸組構造などの、化学工業において使用される金属製の処理装置、オイルパイプ、ガスパイプ、及び化学パイプ、及び種々のバルブ及び制御ユニット、石油掘削装置における部品及びカッター、水搬送パイプ、武器及びその部品、弾丸、及び薬包、抄紙機においてアブレーションにさらされる部品などの、摩耗にさらされる金属ノズル（例えばコーティングペーストを塗布する手段）、雪踏みぐわ（ｓｎｏｗ  ｓｐａｄｅ）、踏みぐわ、及び遊び場の玩具における金属部品、ガードレール（ｒｏａｄｓｉｄｅ  ｒａｉｌｉｎｇ）、交通標識、及び交通ポール（ｔｒａｆｆｉｃ  ｐｏｌｅ）、金属の缶及び容器、手術器具、人工関節及びインプラント、及び器具、酸化作用及び他の摩耗にさらされる電子デバイスの金属部品、カメラの金属部品及びガラスレンズ及びプラスチックレンズ、及び摩擦及び高熱に耐える宇宙船の内層ソリューション（ｌｉｎｉｎｇ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を含む宇宙船のような種々の金属製品及びそれらのコーティングを含む。
【００１２】
本発明に従って生産される物品はまた、腐食性の化合物に耐えるコーティング及び三次元材料、自浄式表面、さらに種々のレンズソリューションにおける反射防止表面（例えば、紫外線防護コーティング、及び水、溶液、又は空気の浄化に使用される紫外線作用性（ＵＶ  ａｃｔｉｖｅ）コーティングでもよい。
【００１３】
本発明によれば、岩石材料は、酸化による最終的なコーティング形成前に、顔料又は着色剤を加えることによって所望の色に着色することができる。岩石製品を着色するコーティングは、本発明のレーザアブレーションによって実施することができる。金属酸化物又は酸素相（ｏｘｉｇｅｎ  ｐｈａｓｅ）における金属をアブレーションすることによって、岩石材料の上に、自浄式の二酸化チタンコーティング、又は例えば強化抗引っかき性（ａｎｔｉ−ｓｃｒａｔｃｈ）酸化アルミニウムコーティングを形成することも可能である。これにより、耐性のある岩石製品が提供され、前記岩石製品は自浄式であり、所望により調整可能な色さえも有する。例えば砂岩は、煤煙の影響を非常に受けやすく、この理由によって、特に建築物の面に使用される砂岩上の自浄式コーティングは、大きな経済的影響力を有する。
【００１４】
岩石材料は、任意の天然岩石、又は本発明の一実施態様におけるセラミックであってもよい。コーティングされる代表的な岩石の種類は、大理石及び砂岩などの外観を被覆する石を含むが、本方法は、花崗岩、片麻岩、珪岩、粘板岩などの他の種類の岩石のコーティングにも適用される。
【００１５】
ダイヤモンドコーティングは、金属の酸化を防止し、したがって金属の装飾機能又は他の機能の破壊を防止する。さらに、ダイヤモンド表面は、下部の層を酸及び塩基から保護する。本発明のダイヤモンドコーティングは、下部の層を機械的摩耗から保護するのみならず、化学反応からも保護する。ダイヤモンドコーティングは、金属の酸化を防止し、したがって金属の装飾機能又は他の機能の破壊を防止する。一部の用途において、装飾的めっきが所望される。本発明により特に装飾的なターゲットとして使用可能な金属及び金属化合物は、金、銀、クロム、白金、タンタル、チタン、銅、亜鉛、アルミニウム、鉄、鋼鉄、亜鉛黒、ルテニウム黒（ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ  ｂｌａｃｋ）、コバルト、バナジウム、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化チタン炭素（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ｃａｒｂｏｎ  ｎｉｔｒｉｄｅ）、窒化ジルコニウム、窒化クロム、炭化チタン珪素（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ）、及び炭化クロムでよい。これらの化合物は、耐摩耗性のコーティング、又は酸化又は他の化学反応に対する防護を提供するコーティングなどの、他の特性も必然的に提供する。
【００１６】
さらに、本発明のある好ましい実施態様により、種々のガラス製品及びプラスチック製品（レンズ、大型ディスプレイシールド、車両及び不動産における窓ガラス、研究用及び家庭用のガラス）における硬くて引っかきのない表面の形成を可能になる。ここで、特に好ましい光学コーティングは、ＭｇＦ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３を含む。
【００１７】
本発明の特に好ましい実施態様において、コーティングは、パルスレーザを用いたレーザアブレーションによって行われる。レーザアブレーション用のレーザ装置は、好ましくはピコ秒レーザなどのコールドアブレーションレーザでよい。
【００１８】
前記装置は、フェムト秒レーザでもよいが、コーティングのためにはピコ秒レーザを使用したほうが好ましい。
【００１９】
コーティングは、好ましくは１０−６〜１０−１２気圧の真空下で行われる。
【００２０】
本発明の好ましい実施態様において、コーティングは、コーティングされる部材を、連続して２以上の材料プラズマファンを通過させることによって行われる。これにより、コーティング速度を増加し、工業用途によりふさわしいコーティングプロセスを得る。コーティングされる構造とターゲットとの間の典型的な距離は、３０ｍｍ〜１００ｍｍであり、３５ｍｍ〜５０ｍｍが好ましい。
【００２１】
本発明の特に有利な実施態様において、ターゲットとコーティングされる部材との間の距離は、アブレーション工程全体にわたってほぼ一定に維持される。
【００２２】
特に好ましいターゲット材料は、グラファイト、焼結炭素、金属、金属酸化物、及びポリシロキサンを含む。グラファイト又は炭素のアブレーションにより、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）コーティング、又はより高いｓｐ３／ｓｐ２比を有するダイヤモンドコーティングの形成が可能になる。ターゲット材料が金属である場合には、金属は、アルミニウム、チタン、銅、亜鉛、クロム、ジルコニウム、又はスズが好ましい。
【００２３】
金属酸化物のコーティングを形成することが望ましい場合には、金属酸化物の直接的なアブレーションによって実施することができる。本発明の第２の実施態様において、金属酸化物のコーティングは、酸素を含むガス雰囲気中で金属をアブレーションすることによって形成することができる。酸素は、通常の酸素又は反応性酸素でよい。本発明の実施態様において、ガス雰囲気は酸素及び希ガスであり、ヘリウム又はアルゴンが好ましく、ヘリウムが最も好ましい。
【００２４】
本発明はまた、金属、プラスチック、又はガラス製の部材に関し、可能な限り均一な品質を有するコーティングを達成するために、移動ターゲットからアブレーションされた材料プラズマファン中を移動しつつ、部材がレーザアブレーションによってコーティングされる。
【００２５】
かかる部材は、パルスレーザを用いてレーザアブレーションを行うことによってコーティングされるのが好ましい。アブレーション用のレーザ装置は、ピコ秒レーザなどのコールドアブレーションレーザが好ましい。
【００２６】
本発明の部材は、１０−６〜１０−１２気圧の真空下でコーティングされるのが好ましい。
【００２７】
本発明のさらに好ましい実施態様において、部材は、コーティングされるプラスチックケーシング及び／又はレンズを連続して２以上の材料プラズマファンを通過させることによってコーティングされる。コーティングされるべき構造とターゲットとの間の典型的な距離は、３０ｍｍ〜１００ｍｍであり、３５ｍｍ〜５０ｍｍが好ましい。
【００２８】
本発明の特に有利な実施態様において、ターゲットとコーティングされる構造との間の距離がアブレーション工程全体にわたってほぼ一定に維持されて部材がコーティングされる。好ましいターゲット材料の多くは、グラファイト、焼結炭素、金属、金属酸化物、及びポリシロキサンを含む。
【００２９】
好ましい金属は、アルミニウム、チタン、銅、亜鉛、クロム、ジルコニウム、又はスズを含む。
【００３０】
部材は、酸素が導入されたガス雰囲気中で金属をアブレーションすることによっても、酸化物層によってコーティングすることができる。そのようなガス雰囲気は、酸素及び希ガスであり、ヘリウム又はアルゴンが好ましく、ヘリウムが最も好ましい。
【実施例】
【００３１】
本発明の方法及び製品は、本発明を所与の実施例に限定することなく、以下に説明する。
【００３２】
Ｃｏｒｅｌａｓｅ  Ｏｙにより出力されるＸ−レーズ（Ｘ−ｌａｓｅ）１０Ｗピコ秒レーザ、及びＣｏｒｅｌａｓｅ  Ｏｙにより出力されるＸ−レーズ（Ｘ−ｌａｓｅ）１０Ｗピコ秒レーザの両方を使用してコーティングを形成した。パルスエネルギーは、１平方センチメートルの面積上に入射するパルスエネルギーを意味し、光学素子によって所望のサイズの面積上に焦点を合わせる。
【００３３】
実施例１
本実施例において、ポリカーボネートプレートを、（焼結炭素の）ダイヤモンドコーティングによってコーティングした。レーザ装置は、以下の性能パラメータを有した。
電力１０Ｗ
繰返し周波数４ＭＨｚ
パルスエネルギー２．５μＪ
パルス持続時間２０ｐｓ
ターゲットと基材との間の距離３５ｍｍ
真空レベル１０−７
ポリカーボネートプレートは、約２００ｍｍの厚さを有するＤＬＣコーティングによって、コーティングされた。
【００３４】
実施例２
本実施例において、ロースター（ｒｏｓｔｅｒ）製の骨ねじを、チタンコーティングによってコーティングした。レーザ装置は以下の性能パラメータを有し、コーティングは焼結炭素をアブレーションによって形成した。
電力１０Ｗ
繰返し周波数４ＭＨｚ
パルスエネルギー２．５μＪ
パルス持続時間２０ｐｓ
ターゲットと基材との距離３７ｍｍ
真空レベル１０−８
形成されたダイヤモンドコーティング（ＤＬＣ）は、約１００ｍｍの厚さを有する。
【００３５】
実施例３
本実施例において、ガラス片及びポリカーボネートプレートの両方を、二酸化チタンコーティングによってコーティングした。レーザ装置は以下の性能パラメータを有した。
電力１０Ｗ
繰返し周波数４ＭＨｚ
パルスエネルギー２．５μＪ
パルス持続時間２０ｐｓ
ターゲットと基材との距離３５ｍｍ
真空レベル１０−８
約１０ｎｍの厚さを有する透明な二酸化チタンコーティングが、グラス片及びポリカーボネートプレートの両方の上に形成された。
【００３６】
実施例４
本実施例において、大理石を二酸化チタンコーティングによってコーティングした。レーザ装置は以下の性能パラメータを有し、二酸化チタンを直接アブレーションすることによってコーティングが形成した。
電力１０Ｗ
繰返し周波数４ＭＨｚ
パルスエネルギー２．５μＪ
パルス持続時間２０ｐｓ
ターゲットと基材との間の距離２８ｍｍ
真空レベル１０−６
約１００ｎｍの厚さを有する二酸化チタンコーティングが、大理石プレート部材の上に形成した。
【００３７】
実施例５
本実施例において、大理石をダイヤモンドコーティングによってコーティングした。大理石に含まれる湿気のほとんどを除去するために、石は約１時間にわたってオーブン（１１０℃）の中で乾燥した。レーザ装置は以下の性能パラメータを有し、焼結炭素を直接アブレーションすることによってコーティングが形成した。
電力１０Ｗ
繰返し周波数４ＭＨｚ
パルスエネルギー２．５μＪ
パルス持続時間２０ｐｓ
ターゲットと基材との間の距離３０ｍｍ
真空レベル１０−６
約２００ｎｍの厚さを有するダイヤモンドコーティングが、大理石プレート部材の上に形成した。大理石の薄い色は、薄いベージュの色合いに変化し、ここで形成した色つきのコーティングを通して、天然の岩石パターンを視認できた。
【００３８】
実施例６
本実施例において、未処理の砂岩を二酸化チタンによってコーティングした。レーザ装置は以下の性能パラメータを有し、二酸化チタンを直接アブレーションすることによってコーティングが形成した。
電力１０Ｗ
繰返し周波数４ＭＨｚ
パルスエネルギー２．５μＪ
パルス持続時間２０ｐｓ
ターゲットと基材との間の距離３０ｍｍ
真空レベル１０−６
平均約６０ｎｍの厚さを有する二酸化チタンコーティングが、砂岩の上に形成した。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、アブレーションされる材料の上のホットアブレーション及びコールドアブレーションの効果を示す。
【図２】図２は、本発明に従ってコーティングされた種々の医療器具を示す。
【図３】図３は、本発明に従ってコーティングされた種々の医療器具を示す。
【図４】図４は、本発明に従ってコーティングされた種々の光学製品を示す。
【図５】図５は、本発明に従って作り出された材料プラズマファンを示す。
【図６】図６は、本発明のコーティング方法を示す。本図は、材料プラズマファン（１７）に対して、コーティングされる部材（基材）の運動の方向（１６）を示す。コーティングされる部材とターゲット（アブレーションべき材料）との間の距離は７０ｍｍであり、ターゲットの材料部材上のレーザ光線の入射角は斜めである。
【符号の説明】
【００４０】
１６  コーティングされる部材（基材）の運動の方向
１７  材料プラズマファン
【図５】
2008531845.tif 000002
【図６】
2008531845.tif 000003
【図１】
2008531845.tif 000004
【図２】
2008531845.tif 000005
【図３】
2008531845.tif 000006
【図４】
2008531845.tif 000007
【国際調査報告】
2008531845.tif 000008
2008531845.tif 000009
2008531845.tif 000010
2008531845.tif 000011