(57)【要約】【課題】光の干渉によらず、見る方向や角度によって色が異ならない安定的な発色を実現し、プロセスが比較的シンプルな金属表面加工方法を提供する。【解決手段】金属表面へのレーザ照射方法を変更している。具体的には、レーザ光として赤外域の光を高い繰り返し数、好ましくは波長１μm程度で繰り返し３０kHzの光を、大気中でエネルギー密度100mJ/cm2以上、好ましくは400mJ/cm2以上のエネルギー密度で走査スポットが重なるように照射する行為を数回重ねる、好ましくはこのエネルギー密度で3回以上重ねて色を形成している。そして、金属表面への酸化膜形成を少なくとも５０nm以上、好ましくは１００nm以上形成した上で、さらにエネルギー密度400mJ/cm2未満の弱いレーザ光を数回照射する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属表面にレーザ光を照射し、前記金属表面の少なくとも一部に着色加工を施す金属表面加工方法であって、
エネルギー密度が４００mJ/cm2 以上のレーザ光を前記金属表面に少なくとも３回の重ね回数で照射する工程を備えることを特徴とする金属表面加工方法。
【請求項２】
さらに、着色加工する金属の種類及び着色の種類に応じて、前記金属表面への前記レーザ光の照射の重ね回数及びエネルギー密度を含むレーザ照射条件を設定する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の金属表面加工方法。
【請求項３】
さらに、エネルギー密度４００mJ/cm2 未満のレーザ光を前記金属表面に複数の重ね回数で照射する工程を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属表面加工方法。
【請求項４】
さらに、前記レーザ光の照射前に前記金属表面を鏡面研磨する工程を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の金属表面加工方法。
【請求項５】
前記レーザ光は、その波長が１μmのパルスレーザであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の金属表面加工方法。
【請求項６】
前記レーザ光の照射は、金属表面に対して大気中下で実行されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の金属表面加工方法。
【請求項７】
さらに、加工対象の金属表面に酸素ガスを吹き付ける工程を備え、
前記レーザ光の照射は、前記酸素ガスが吹き付けられた状態で実行されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の金属表面加工方法。
【請求項８】
前記金属表面には、所定の元素が分散されており、
前記所定の元素が存在する部分と存在しない部分とでは、前記レーザ光の照射によって異なる色が着色されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の金属表面加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属表面加工方法に関し、例えば、金属表面に熱を加えることにより表面に着色する加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金属を電気炉などで加熱すると酸化し虹色や金色、黒色などに金属表面が着色されることは知られている。加熱の方法として、接合切断に用いるガストーチやプラズマ、レーザ、電子線などがあることも知られている。
【０００３】
中でもレーザは、エネルギー制御がしやすく、かつ、局所的な加熱が大気中で可能であることから、金属表面に着色加工をしやすい。そして、その手法とメカニズムについていくつかの提案がなされている。例えば、金属表面に微細な溝を刻み、溝の上部と底部の光の反射による干渉色を得ることにより恰も着色しているかのように見せる方法（例えば特許文献１）や、金属表面に酸化膜を形成し、その酸化膜と酸化膜の下にある金属母材表面との光の干渉によって様々な色を見せる方法（例えば特許文献２及び３）が知られている。
【０００４】
特に、特許文献１は、金属表面にレーザで微細な凹凸を形成する技術に関し、レーザによる表面のアブレージョンや熱による変形などを有効に利用するものである。なお、特許文献１では、この微細な凹凸に反応性ガスとの反応による膜形成とその膜と金属母材表面の反射光の干渉による虹色発色についても言及されている。
【０００５】
また、特許文献２には、レーザによる着色ならびにパターンニング方法に関し、レーザの照射条件を変えることによって多彩な色（具体的には、青色やオレンジ色）を発現可能であることが開示されている。この着色方法においても、金属母材とその上に形成する酸化皮膜との間の光の干渉により発色していることが明記されている。
【０００６】
さらに、特許文献３でも、金属表面へのレーザ照射による酸化皮膜形成でのパターン着色（カラーマーキング）方法が提案されている。この方法によれば、着色した色を再加熱による還元作用により変化させることが可能である。特許文献３においても発色の原理は、金属母材表面と酸化皮膜の光の干渉によることが明記されている。そして、金属材料としては、ステンレス鋼やＮｉ−Ｃｒ合金、チタンなどを挙げ、これらの表面に形成する膜として厚さ１００−２００オングストロームの酸化膜又はチッ化膜を挙げている。なお、発色効果を高める方法として、レーザ照射面を電気炉によって加熱することが示されている。また、使用するレーザの波長域は赤外から可視域としている。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２１２４５１号公報
【特許文献２】特開平７−６１１９８号公報
【特許文献３】特開２００４−２５０７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、何れの特許文献による金属表面加工方法でも、光の干渉を利用して虹色発色させる、若しくは光の当たり方によって色の見え方を異ならせるに過ぎない。また、これらで実現される酸化皮膜の厚さは非常に薄く、膜が破損（物理的な破損や酸化膜の厚さの経時的変化）しやすいという欠点がある。よって、例えば物の識別マークとして着色を施したい場合等には上述の加工方法は不適切である。
【０００９】
また、特許文献３では、色をコントロールする目的で様々なガスを用いて電気炉内で再加熱や還元雰囲気による再加工を行わなければならないので、余分な工程が増え、プロセスが煩雑な上にガスの管理が必要である。また、加熱に弱い製品（電気製品等）の表面への着色加工が不可能である。
【００１０】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、光の干渉によらず、見る方向や角度によって色が異ならない安定的な発色を実現し、プロセスが比較的シンプルな金属表面加工方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明では、金属表面へのレーザ照射方法を変更している。具体的には、レーザ光として赤外域の光を高い繰り返し数、好ましくは波長１μm程度で繰り返し３０kHzの光を、大気中でエネルギー密度100mJ/cm2以上、好ましくは400mJ/cm2以上のエネルギー密度で走査スポットが重なるように照射する行為を数回重ねる、好ましくはこのエネルギー密度で3回以上重ねて色を形成している。
【００１２】
そして、金属表面への酸化膜形成を少なくとも５０nm以上、好ましくは１００nm以上形成した上で、さらにエネルギー密度400mJ/cm2未満の弱いレーザ光を数回照射する。
【００１３】
また、金属表面への酸化膜形成を加速させるため、酸素ガスを金属試験片に吹きかけながらレーザ照射を行ってもよい。酸素ガスは金属表面近傍に容器や筒などで囲いを作って漂わせてもよい。なお、酸素濃度が大気中の酸素濃度より高い方が、早く酸化層を形成することができる。
【００１４】
即ち、本発明による金属表面加工方法は、金属表面にレーザ光を照射し、金属表面の少なくとも一部に着色加工を施す金属表面加工方法であって、エネルギー密度が４００mJ/cm2 のレーザ光を前記金属表面に少なくとも３回の重ね回数で照射する工程を備えることを特徴とする。
【００１５】
上記金属表面加工方法は、さらに、着色加工する金属の種類及び着色の種類に応じて、金属表面へのレーザ光の照射の重ね回数及びエネルギー密度を含むレーザ照射条件を設定する工程を備える。また、さらに、レーザ照射前に前記金属表面を鏡面研磨する工程を備えてもよい。さらに、レーザ光として、波長が１μｍのパルスレーザを用いてもよい。
【００１６】
また、本発明では、レーザ光の照射は、金属表面に対して大気中下で実行される。
さらに、金属表面には、所定の元素が分散されるように処理され、所定の元素が存在する部分と存在しない部分とでは、レーザ光の照射によって異なる色が着色される。
【００１７】
さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光の干渉によらず、見る方向や角度によって色が異ならない安定的な発色を実現し、プロセスが比較的シンプルな金属表面加工を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態及び実施例について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
【００２０】
＜金属表面加工装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態による金属表面加工装置１００の概略構成を示す図である。図１に示されるように、金属表面加工装置１００は金属板６の表面に着色加工を施す装置であって、レーザ光７を発射するレーザ発振装置１と、レーザの出力や照射範囲や回数を制御するためのレーザ発振出力制御装置２と、設定された照射範囲に対応してレーザ照射を金属表面上で走査するためのガルバノスキャナー３と、金属板の表面にレーザを集光させるための集光レンズ４と、レンズ４へのレーザ光反射防止及びレンズ４の表面を保護するためのレンズ保護カバー５と、酸素ガスボンベ８１と酸素ガスノズル８２を有し、酸素ガス８３を金属板６に吹き付けて金属表面の酸化を促進させるための酸化促進装置８と、を備えている。
【００２１】
金属表面加工装置１００では、レーザ発振出力制御装置２に金属板６の表面に、例えば、描画データ等の着色する範囲及び色の種類を示すデータ入力される。そのデータに基づいてガルバノミラー３の走査範囲やレーザ光６を金属板６の表面のどこに何回照射するか等が決定される。
【００２２】
レーザ発振装置１は、加工の種類によって４００mJ/cm2 以上のエネルギー密度のレーザ光とそれ未満のエネルギー密度の光とを選択的に発射できるようになっているのが好ましい。即ち、着色加工の種類によって、４００mJ/cm2のレーザ光の照射回数と、それ未満のレーザ光の照射回数を制御し、所望の着色を金属表面に施すようにする。また、レーザ光として、赤外領域から紫外領域まで波長の光を用いることができるが、１μm程度の赤外域の光で、１０kHz（より好ましくは３０kHz）以上のパルスレーザ光を用いるのが好ましい。１μｍ程度の赤外域の光は、金属表面にマーキングするための現存するレーザ装置によって実現することができるので、本発明は、現存する装置を用いて好適な着色加工を実現することができるのである。
【００２３】
＜着色加工の手順＞
図２は、図１に示される金属表面加工装置１００を用いて金属板６の表面に対する着色加工の手順を説明するためのプロセス図である。まず、着色加工の対象である金属板（金属片）６が用意される（プロセスＰ１）。着色加工の対象となる金属板６としては、例えばステンレス鋼等の鉄系金属や銅、クロム合金やニッケル合金等を用いることができる。また、金属原料に所定の元素（インジウム、スズ、亜鉛やチタン等）を混ぜて作製した合金を用いたり、金属表面に所定の元素を分散（例えば、PVD、CVDやイオン注入法等によって）させた金属を用いてもよい。このような合金や表面に元素分散させた金属を用いれば、通常酸化膜生成が困難なアルミニウム等の表面にも着色加工することができる。
【００２４】
続いて、プロセス１で用意された金属板６の加工表面を鏡面研磨する（プロセス２）。鏡面加工した方が金属表面に吸収されるエネルギーを均一にすることができ、きれいに仕上げることができる。ただし、このプロセス２は必須のものではなく、鏡面仕上げをしなくても着色加工することはできる。さらに、用意された金属板を洗浄して、金属板に付着した塵や油、研磨くず等を取り除く（プロセス３）。
【００２５】
また、必要に応じて酸素ガスフローを準備し、金属板６に対して酸素ガスを噴射する（プロセス４）。酸素ガスは、酸化膜生成を促進するために噴射されるものであるので、プロセス４も必須のプロセスではない。そして、パルスレーザを立ち上げ、金属板６の厚さに応じて光学系を調整し（レンズ４から金属板６の表面までの距離を所定距離に合わせる）する。また、どの位のエネルギー密度で何回レーザ照射するか等のレーザ照射条件を決定する（プロセス５）。酸化の進み具合によって色が異なってくるので、所望の色によってレーザ光のエネルギー密度や照射回数が異なってくるのである。
【００２６】
プロセス５で決定したレーザ照射条件で金属板６の表面に対してレーザ照射する（プロセス６）。エネルギー密度が低すぎると、金属表面に不導体膜のような酸化物が形成されてしまい、それ以上レーザを照射しても金属表面における酸化が進まなくなってしまう。このような場合、従来の光の干渉による虹色着色は可能だが、見る角度によって色が異ならない安定的な着色は実現できない。そこで、最初の何回か（好ましくは着色する色によって３〜４回）は４００mJ/cm2 以上のエネルギー密度でレーザ照射するのが好ましい。
【００２７】
以上のような加工によって、金属板６の表面の指定した領域・部分に、５０nm或いはそれ以上の厚さの酸化膜（酸化層）を形成することができる。この程度の厚さの酸化膜であれば、破損の可能性は非常に低くなる。
【００２８】
[実施例１]
図１の金属表面加工装置１００を使用し、鏡面研摩したＳＵＳ３０４に大気中にてＹＶＯ４レーザのパルス光を照射し、茶、紫、オレンジ、紺、緑などの色を発色させた。このとき照射するレーザのエネルギー密度は４００mJ/cm2以上であり、これを３０ｋＨｚの繰り返し数で発振させながらミラー（ガルバノスキャナー３）により走査させた。これを３〜４回繰り返すことにより表面に着色加工した。
【００２９】
この着色加工の結果が表１の（１）及び（２）に示されている。結果（１）及び（２）は、それぞれ茶と青を着色する加工例を示したものである。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
[実施例２]
図１の金属表面加工装置１００を使用し、鏡面研摩したＳＵＳ３０４に大気中にてエネルギー密度は４００mJ/cm2以上の光を３０ｋＨｚの繰り返し数で発振させながらミラー（ガルバノスキャナー３）により走査させることを３〜４回繰り返した後に、４００mJ/cm2未満のエネルギー（表では、mWとなっているので注意を要する）を同様に照射させることで、鮮やかに茶、紫、オレンジ、紺、緑などの色を発色させた。なお、２回の重ね照射では、酸化膜の厚さが充分ではなく、所望の色を出すことができない。よって、３回以上重ねて照射することが望ましい。
【００３２】
この着色加工の結果が表１の（３）乃至（６）に示されている。結果（３）乃至（６）は、それぞれオレンジ、紫、青緑、若草色を着色する加工例を示したものである。
【００３３】
[実施例３]
図１の金属表面加工装置１００を使用し、ＳＵＳ３０４の他にＳＵＳ３１６やＳＵＳ３１０、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４１６、ＳＵＳ４０３、ＳＳ４００、Ｃｒめっき材に大気中にて上記レーザ光をエネルギー密度は４００mJ/cm2程度で数回照射することにより、赤（酸化鉄）、黄（酸化クロム）、緑（酸化クロム、酸化ニッケル）などを基調とした着色領域を金属表面に形成した。このように、本発明の金属表面加工方法を用いれば、同じ加工方法であっても金属成分が異なれば発色が異なってくるのである。
【００３４】
[実施例４]
図１の金属表面加工装置１００を使用し、鏡面研摩したＳＵＳ３０４に大気中にて酸素ガスを吹き付けながら（０．１Mpa）、エネルギー密度４００mJ/cm2程度の光を３０ｋＨｚの繰り返し数で照射後、それよりも弱いエネルギー密度のレーザ光を照射することによって、前述の条件よりも低いエネルギーで茶、紫、オレンジ、紺、緑などの色を発色させた。
【００３５】
この着色加工の結果が表１の（７）及び（８）に示されている。結果（７）及び（８）は、紫と緑を着色する加工例を示したものである。なお、特に緑を着色加工する場合には、１４００mWのレーザの照射回数を半減させて色出しすることができた（全体でも１／２〜２／３の時間）。
【００３６】
＜まとめ＞
以上説明したように、本発明は、着色部の見る方向や光の当たる方向によって色が変わらない着色でありながら、塗布する方法と異なり容易に剥離することが困難な着色層を形成する技術であり、作業現場に用いる表示・プレートなどとして用いることが極めて有用なものである。
【００３７】
そして、本発明は、装飾工芸品（例えば、プレート）や機械部品（例えば、自動車やオートバイの部品）などに応用可能であり、特に機械部品の一部に応用することで、他の既製品と差別化が可能となる。また、各種プレートなど個体の識別に応用が可能であり、これまでの単一色のパターンニングでは区別が困難であった、もしくは、区別のために長くなる標記が簡素化でき、また、パターンによる誤認を減少させることが可能である。さらには、機能性酸化物を形成させることにより、複数の光で異なる発色を行うことも可能であり、バーコードなどに変わる新たな識別ツールを提供することができる。
【００３８】
本発明では、金属表面、特に鉄系金属やクロム合金やニッケル合金などの表面にレーザ光を、表面に十分な厚さの酸化層が形成されるような光エネルギー密度での照射を行い、この酸化層にさらにレーザ光によるエネルギー照射を行う。これにより、光の当たり方や光の種類によらない着色酸化層を形成する着色加工を実現することができる。ここで、十分な酸化層とは酸化膜の厚さが５０nm程度もしくはそれ以上の厚さであることが好ましく、これを３回から４回のレーザ光走査で形成可能なエネルギー密度で実施することを特徴とする。その後にもレーザ光照射を行うことが好ましいが、この場合にはエネルギー密度をそれまで比較して下げることが望ましい。さらに、本発明によれば、酸化層形成において局所的に高いエネルギー密度の照射を必要としないため、表面の熱ひずみなどによる微細な割れの形成が抑制され、耐久性の高い酸化着色層を形成可能である。
【００３９】
また、金属表面着色加工に使用するレーザ光の波長は、赤外域から紫外域まで可能であるが、好ましくは１マイクロメートル程度の赤外域の光で１秒間に１０００回（１０kHz）以上の発振（好ましくは３０kHz以上）が可能なレーザ光が好ましい。照射する光のエネルギー密度は４００mJ/cm2以上で走査スポットが重なるように照射する行為を数回（好ましくは３回以上）重ねることが望ましい。これにより、強度的に充分な膜厚の酸化膜を短時間に形成し、見る方向によって色が異ならない着色加工を実現することができる。また、酸化物内の酸素欠陥が少なく、劣化が大気中照射の場合と比較して少ない着色層の形成が可能である。
【００４０】
レーザ光を金属表面に照射する際に大気中で実施し、レーザ以外の熱源によるヒータ加熱や冷凍機などを使用した冷却など行わず、室温と同じ温度での加工を行うことを特徴とする着色加工で、レーザの発振状態を同じにするために、いつも同程度の室温条件になるように環境を整えることが望ましい。本発明によれば、加熱工程を実行するための電気炉が必要ないので、着色加工プロセスをシンプルにすることができる。また、加熱に弱い製品（電気製品等）の金属部分に簡単に着色加工することができる。
【００４１】
また、照射するレーザ光のエネルギー密度や総エネルギー量を制御することによって金属表面に形成する酸化物の種類などを変化させ、その酸化物の組み合わせの違いによって異なる色を発現させる。好ましくは、レーザの照射時に金属表面近傍の酸素濃度を大気中よりも高濃度にし、酸化物の形成や異なる酸化物が生成されやすくなるようにしている。これにより、安定的にかつ短時間に着色加工を実行することができる。
【００４２】
さらに、生成する複数の酸化物は、同一の金属酸化物で異なる価数を持った酸化物や酸素欠陥のある酸化物ばかりでなく、異なる金属の酸化物やその酸素欠陥のある酸化物である。このために異なる色を発することができ、また、与えるエネルギー量によって異なる酸化物が形成されることを利用して、絵や文字やその他のパターンを描画することができるようになる。
【００４３】
また、導電性や光触媒性のある金属酸化物を同時に生成させるため、金属表面にインジウムやスズ、亜鉛やチタンなど複数の金属を膜状もしくは粒子状、又は金属化合物として存在させ（所定の元素を分散させる）、これにパルスレーザ光を照射させるようにしてもよい。パルスレーザを用いることによって、発振していないパルスの期間において、積極的に金属表面の熱を逃がすことができる。また、所定の元素を分散させる処理を金属に施すことにより、様々な色を金属表面に着けることができ、アルミニウムのような単体では着色することが困難な金属に対しても着色加工することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態による金属表面加工装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態による金属表面加工方法のプロセス手順を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    レーザ発振装置
２    レーザ発振出力制御装置
３    ガルバノスキャナー
４    集光レンズ
５    レンズ保護カバー
６    金属板
７    レーザ光
８１  酸素ガスボンベ
８２  酸素ガスノズル
８３  酸素ガス
１１  電気配線
【図１】
2008255400.tif 000004
【図２】
2008255400.tif 000005