(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】金属材料の反射率が減少する紫外領域のレーザ光を金属表面に照射することにより効率的に表面改質層の形成を行っている。つまり、照射するレーザ光は、その波長が１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の紫外領域にあるものであり、この紫外レーザ光を集光させ、集光されたレーザ光を、金属表面上を２次元状に走査しながら照射させて、金属表面に表面改質層を形成するようにしている。なお、紫外レーザ光の集光領域は互いに重なるように、走査されるのが好ましい。また、照射条件に含まれる照射エネルギーは、０．１Ｊ／ｃｍ２以上１０Ｊ／ｃｍ２以下であることが好ましい。【選択図】図１
2008280562.tif 000002
【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装置であって、
波長が１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である紫外領域のレーザ光を発するレーザ光源と、
前記レーザ光を集光させて集光領域を形成する集光レンズと、
前記集光レンズによって集光されたレーザ光を、前記金属表面上を２次元状に走査しながら照射するレーザ光走査手段と、を備え、
前記金属表面に表面改質層を形成することを特徴とする金属表面加工装置。
【請求項２】
前記レーザ光走査手段は、前記レーザ光の前記集光領域が互いに重なるように、前記レーザ光を走査することを特徴とする請求項１に記載の金属表面加工装置。
【請求項３】
さらに、前記金属表面に着色すべき色に応じて、前記レーザ光の照射エネルギーと前記レーザ光走査手段の走査回数を含む照射条件を制御する制御手段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装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記金属表面に着色すべき色に応じて、前記レーザ光走査手段の走査速度を含む照射条件を制御す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装置。
【請求項５】
さらに、前記金属表面に着色すべき色に対応する照射条件を規定する照射条件テーブルを備え、
前記制御手段は、前記照射条件テーブルから所望の色に対応する前記照射条件を取得することを特徴とする請求項３又は４に記載の金属表面加工装置。
【請求項６】
さらに、前記金属表面を人体に害のない所定の雰囲気ガスに晒す手段を備え、
前記前記レーザ光走査手段は、前記金属表面が前記所定の雰囲気ガスに晒された状態で、前記レーザ光を照射す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装置。
【請求項７】
前記照射条件に含まれる照射エネルギーは、０．１Ｊ／ｃｍ２以上１０Ｊ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項３に記載の金属表面加工装置。
【請求項８】
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、
波長が１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である紫外領域のレーザ光を発射する第１の工程と、
前記レーザ光を集光レンズで集光させて集光領域を形成する第２の工程と、
前記集光レンズによって集光されたレーザ光を、前記金属表面上を２次元状に走査しながら照射する第３の工程と、を備え、
前記金属表面に表面改質層を形成することを特徴とする金属表面加工方法。
【請求項９】
前記金属表面に着色すべき色に応じて、前記レーザ光の照射エネルギーと前記第３の工程におけるレーザ光走査の走査回数を含む照射条件が決定されることを特徴とする請求項８に記載の金属表面加工方法。
【請求項１０】
前記金属表面に着色すべき色に応じて、前記レーザ光走査の走査速度を含む照射条件が決定されることを特徴とする請求項９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、金属表面加工装置及び方法に関し、例えば、金属表面にレーザ光を照射して熱を加え、それによって表面を着色加工する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金属を電気炉などで加熱すると金属が酸化して虹色や金色、黒色といった色が金属表面に着く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。この中でもレーザは、エネルギー制御がしやすく、かつ、限定された領域に集光することで大気中において局所的な加熱を行うことが可能である。そのため、金属表面に表面改質層を形成して着色するなどの加工に利用することができ、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。
【０００３】
例えば、金属表面に微細な凹凸からなる周期構造を刻み、反射光の干渉によって、あたかも虹色に着色しているかのように見せる方法（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（特許文献２、３、４や非特許文献１、２等）が知られている。
【０００４】
また、ナノレベルのサイズを有する金属コロイドを含有する塗料（液体）を金属表面に塗布した後にレーザ光を照射し、該金属コロイドを凝集させ、金色を始め様々な発色をさせてマーキングとして活用するレーザカラーマーキング方法（特許文献５）も知られている。
【０００５】
さらに、パルスレーザーとガルバノ走査鏡からなるレーザ刻印機は多数販売されている。これらの装置では、通常、レーザによるアブレージョンを利用した表面層の除去や局所的な加熱溶融による変形などを利用して金属表面に凹凸構造を１次元的に並んだ状態で形成して刻印を行っている。
【０００６】
【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
【特許文献４】特開２００５−２００７３０号公報
【特許文献５】特開２００３−９４１８１号公報
【非特許文献１】相馬ら、表面技術、１９９４年、４５巻１号、６７−７２頁
【非特許文献２】田辺ら、日本機械学会論文集（Ｃ編）、２００３年、６９巻６８５号、２４６−２５１頁
【非特許文献３】旭川工業技術センター  センターだより、平成８年、１２号、３頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の各文献で示された金属表面の着色技術には様々な問題点がある。つまり、特許文献１に記載された、金属表面にレーザで微細な周期的な凹凸構造を形成する技術では、レーザによるアブレージョンを利用した表面層の除去や局所的な加熱による変形などを有効に利用しているが、この方法は金属表面に、回折格子として作用する周期的な凹凸構造を形成して虹色発色を付与するものであり、特定の発色を付与するものではない。なお、特許文献１ではレーザ光の種類は特定されておらず、実施例に赤外線領域に属する波長１．０６マイクロメートルのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いることが記載されている。
【０００８】
特許文献２もレーザによる着色ならびにパターンニング方法について触れている。この特許は、レーザの照射ではレーザ光の電流、繰り返し周波数、積算光量、照射時間、気温のそれぞれを所定の値とすることによって金属酸化被膜の干渉を利用した所望の着色を行う技術に関し、着色はレーザ刻印機によって形成される凹部に形成される。この特許においてもレーザ光の種類は特定されておらず、実施例に赤外線領域に属する波長１．０６マイクロメートルのＮｄ：ＹＡＧレーザを照射に用いることが記載されている。なお、この特許は、特許文献１とは所望の発色が得られることが異なっているが、そのために設定するべき条件の数が多く、複雑である。また、レーザによって形成される凹部に着色されている。このことは着色部位の形成時に表面層が除去されていることを示しており、着色処理時に飛散物が生じて周囲を汚染する問題がある。また、凹部には汚物等が溜まりやすい点も問題である。さらに、この着色方法においては、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。このような光の干渉を利用した着色においては、酸化皮膜の厚さが非常に薄く破損しやすい上に、照明光のあたる角度と、着色部分を見る角度によって色の見え方が変化する問題がある。
【０００９】
特許文献３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）方法を提案している。レーザによる着色の現象自体は、特許文献１、あるいは、非特許文献１、３などで既に開示されているが、この特許では、２００℃以上の熱処理によって一様に着色した金属表面の色を、レーザを照射して再加熱による還元作用により変化させることを特徴としている。また、この際に水素、アンモニア、一酸化炭素などの雰囲気ガスを用いる技術についても紹介されている。１次的な着色処理が必要であるため着色工程が多くなり、雰囲気ガスを用いる場合には雰囲気制御する装置が必要になる上、水素、アンモニア、一酸化炭素などの取り扱いは危険である。また、レーザ照射による還元を利用した発色であるため、一次処理によって生じる表面層の状態によって得られる発色状態が制限される問題がある。この特許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であることが明記されており、膜が破損しやすいこと、見る角度により見える色が変化するという問題を有する。
【００１０】
特許文献４では、金属表面に所望の厚さの酸化膜を作成するための条件をニューラルネットワークを利用して求める方法が開示されている。多くの照射条件を適切に管理して作成する膜厚の厳密な管理を可能にする技術が紹介されているが、設定するべき条件は求められるが、その条件の数が多い点については改善されていないため、複数の色からなるパターンを描画する場合の手順が複雑になる。同手法が紹介されている非特許文献２においては、レーザ光の走査速度、照射エネルギー、照射回数を複合的に制御して所望の着色を得ており、その発色のために６〜１６回の照射を行う必要が示されている。このように、照射回数を多くしなければならないのは、赤外レーザの金属に対する吸収率が悪いためである。
【００１１】
特許文献５ではナノレベルのサイズを有する金属コロイドを有する塗料を塗布した上で、レーザ光を照射することによる金属コロイドの凝集を利用したレーザカラーマーキング手法が紹介されている。しかし、この方法ではナノレベルのサイズを有する金属コロイドの調製、表面への塗布、レーザ処理後の凝集していない金属コロイドの除去が必要であり、工程数が多く、さらに廃液が多量に生じる点が問題である。
【００１２】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、光の回折や干渉によらず、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ものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明では、金属材料の反射率が減少する紫外領域のレーザ光を金属表面に照射することにより効率的に表面改質層の形成を行っている。つまり、照射するレーザ光は、その波長が１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の紫外領域にあるものであり、この紫外レーザ光を集光させ、集光されたレーザ光を、金属表面上を２次元状に走査しながら照射させて、金属表面に表面改質層を形成するようにしている。なお、紫外レーザ光の集光領域は互いに重なるように、走査される。
【００１４】
さらに、本発明では、金属表面に着色すべき色に応じて、紫外レーザ光の照射エネルギー、レーザ光の走査回数、レーザ光の走査速度を含む照射条件が制御される。例えば、この照射条件の制御は、金属表面に着色すべき色に対応する照射条件を規定する照射条件テーブルから所望の色に対応する照射条件を取得することによって実行される。
【００１５】
また、金属表面を人体に害のない所定の雰囲気ガスに晒した状態で、紫外レーザ光を照射するようにしてもよい。
【００１６】
なお、照射条件に含まれる照射エネルギーは、０．１Ｊ／ｃｍ２以上１０Ｊ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
【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、光の回折や干渉によらず、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することができる。また、本発明によれば、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】
本発明は、各種金属材料の表面にレーザビームを照射することのみによって表面に金属酸化物から成る層などの表面改質層を形成することで着色を施してマーキングを行うマーキング方法およびその装置に関するものである。
【００２０】
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。
【００２１】
＜本発明の概念＞
まず、本発明の概念について説明する。本発明では、各種金属、鉄、クロム、ニッケル、銅、錫、亜鉛、チタン、またはそれらからなる合金の表面、あるいは、他の材料の表面に形成されためっきなどの金属薄膜にレーザ光を、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、さらにその照射された領域を互いに重なりをもつように照射位置を２次元状に走査させることで特定の領域全体に対するレーザ照射を行い、表面改質層を形成する。
【００２２】
用いるレーザ光は金属表面にレーザ光の波長は、金属の反射率が減少することが知られている紫外領域に対応する、１００ｎｍ（より好ましくは１９０ｎｍ）以上４００ｎｍ以下の波長であることが好ましい。また、照射位置を２次元状に走査させることによって特定の領域全体を照射する場合、照射するパルス数が非常に多くなるため、１秒間に１０００回（１ｋＨｚ）以上の高いパルス繰り返し周波数でレーザ発振が可能なレーザ光源を利用することが好ましい。
【００２３】
改質層（酸化膜）形成に十分なエネルギー密度を得るためには、レーザ光をレンズ、または、ミラーを用いて集光する必要がある。集光するサイズは、レーザ光源で得られる照射エネルギーに依存するが、着色に用いる典型的なエネルギー密度は、０.１〜１０Ｊ／ｃｍ２である。エネルギー密度が高すぎるとアブレーションによる表面層の除去が起こり、照射部位が凹部となる場合があるため、エネルギー密度はアブレーションがおこる閾値以下に設定する必要がある。
【００２４】
また、レーザ光の走査は所望の着色が得られるように１回から５回行うが、プロセス時間を短くするためには２回の走査で多種類の着色が可能であるように、走査速度あるいはエネルギー密度によって着色を制御する条件を設定するのが好ましい。
【００２５】
＜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、金属試料板８の表面に着色加工を施す装置であって、紫外レーザ光１０を発射する紫外レーザ光源１と、レーザ光１０の出力や照射回数を変化させるための出力可変装置２と、レーザ照射の停止やレーザの照射範囲の設定を行うためのシャッター４と、設定されたレーザ照射範囲において金属表面をレーザ１０で走査するためのレーザ光走査装置（ガルバノ走査鏡）５と、出力装置２とシャッター４とレーザ光走査装置５を制御するための制御装置４と、レーザ光１０を集光するための集光レンズ６と、レンズ６へのレーザ光反射防止及びレンズ表面を保護するためのレンズ保護カバー７と、金属試料板８を載置するための金属試料板固定用ステージ９と、を備えている。
【００２６】
金属表面加工装置１００では、操作者によって、制御装置３に対して、金属試料板８の表面に描画データ等の着色する範囲や色の種類を示すデータが入力される。そして、制御装置３は、着色範囲、金属試料板８の金属の種類や着色すべき色のデータ等に基づいて、例えば、後述の各実施例の表（図示しないメモリに格納されたテーブル）を参照し、レーザ光１０の出力、照射範囲、照射回数、走査速度（集光スポットの移動速度）等を決定する。そして、これら決定されたレーザ照射条件を基に、レーザ光１０が金属試料板８の表面に照射され、酸化膜が形成され、表面着色が実現される。
【００２７】
なお、図１の金属表面加工装置１００では、集光位置の走査に関して、レーザ光１０を、ガルバノ走査鏡を用いて２次元的に走査させるようにしているが、別の態様として、図２に示されるように、レーザ光１０を動かさず、照射する金属試料を固定したステージ１１を移動することにより、試料上の集光位置を走査させる方法を用いても良い。このとき、金属表面加工装置２００では、金属試料を固定したステージによる集光位置を走査する速度は、外部の制御装置３によって制御される。
【００２８】
また、照射エネルギーは、上述のように、レーザの出力を一定にしておいて出力可変装置２によって照射エネルギーを制御することも可能であるが、レーザ光源１を構成する励起用のレーザーダイオード、あるいは、ランプに供給する電流値を制御して変えるようにしてもよい。また、Ｑスイッチ発振時にＱスイッチのタイミングを制御することによっても照射エネルギーを制御してもよい。
【００２９】
集光位置の走査は、集光領域が互いに重なりをもつ状態で２次元状に走査させることで表面改質層を形成させる領域全体に行う必要がある。この場合、図３に示したような走査を行うことができる。
【００３０】
＜着色加工の手順＞
図４は、図１又は２に示される金属表面加工装置１００又は２００を用いて金属試料板８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試料板（金属片）８が用意される（プロセスＰ１）。着色加工の対象となる金属試料板８としては、例えばステンレス鋼等の鉄系金属や銅、亜鉛、チタン、クロム、ニッケル、やそれらからなる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）させた金属や、他の材料の表面に上述の金属をめっき形成したものを用いてもよい。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。
【００３１】
続いて、プロセス１で用意された金属試料板８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）。
【００３２】
また、必要に応じて酸素ガスフローを準備し、金属試料板８に対して雰囲気ガス（酸素ガスや窒素ガスなど、人体に害を与えないガス）を噴射する（プロセス４）。雰囲気ガスは、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、紫外レーザ光源１を立ち上げ、金属試料板８の厚さに応じて光学系を調整し（レンズ６から金属試料板８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。このレーザ照射条件（照射エネルギー、照射回数、照射範囲、走査速度等を含む）は、後述の実施例で示される表（テーブル）を参照して決定される。
【００３３】
プロセス５で決定したレーザ照射条件で金属試料板８の表面に対してレーザ照射する（プロセス６）。
【００３４】
なお、紫外レーザは、赤外レーザに比べて、金属表面に対する吸収率が高いので、ある程度エネルギー密度が低くても酸化膜を金属表面に形成して着色することは可能である。しかし、あまり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、紫外レーザであってもある程度の密度、例えば、上述のように０．１Ｊ／ｃｍ２以上１０Ｊ／ｃｍ２以下のエネルギー密度でレーザ照射するのが好ましい。
【００３５】
また、プロセス４において、雰囲気ガスを噴射する場合には、金属加工装置１００又は２００は、図５に示される構成を備える必要がある。つまり、酸素ガス等の特定の雰囲気ガスの吹きつけを行う構成（図５Ａ）やレーザ光を透過する窓を有する雰囲気制御機構の内部に特定の雰囲気ガスを導入する構成（図５Ｂ）を採用することができる。このようにすることにより、雰囲気ガスとの反応を用いて、表面に単一もしくは複数の金属窒化物や金属酸化物などの表面改質層を形成することができる。
【００３６】
以上のような加工によって、金属試料板８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。
【００３７】
以下、本実施形態で説明した方法を用いて、実際に着色した結果を実施例として説明する。
【実施例１】
【００３８】
図１の装置を使用し、大気中で鏡面研摩したＳＵＳ３０４板に対しするレーザ光の照射を行った。レーザーダイオード励起ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ４レーザの第４高調波（波長２６６ｎｍ）のパルス光を３０ｋＨｚの繰り返し周波数で発振させながら、ガルバノ走査鏡により走査し、焦点距離３５０ｍｍの平凸レンズにより集光した。ＳＵＳ３０４板は約５０μｍ径の集光スポットが得られる場所に設置し、ＳＵＳ３０４板上で集光スポットを毎秒７６ｍｍから２４７ｍｍで移動させた。照射するレーザのエネルギー密度を３．１Ｊ／ｃｍ２に設定し、７ｍｍの直線状の移動を７．５μｍ間隔で移動方向と垂直な方向にずらしながら繰り返すことによって７ｍｍ角の四角形からなる領域の全体に対するレーザ照射を行った。この照射を２回繰り返すことにより表面に集光スポットの移動速度に応じて表１に示した着色が得られた。
【００３９】
【表１】
2008280562.tif 000003
【実施例２】
【００４０】
図１の装置を使用し、大気中で鏡面研摩したＳＵＳ３０４板に対しするレーザ光の照射を行った。レーザーダイオード励起ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ４レーザの第４高調波（波長２６６ｎｍ）のパルス光を３０ｋＨｚの繰り返し周波数で発振させながらガルバノ走査鏡により走査し、焦点距離４００ｍｍの平凸レンズにより集光した。ＳＵＳ３０４板は約５０μｍ径の集光スポットが得られる場所に設置した。ＳＵＳ３０４板上で集光スポットを毎秒９５ｍｍで移動させ、７ｍｍの直線状の移動を７．５μｍ間隔で移動方向と垂直な方向にずらしながら繰り返すことによって７ｍｍ角の四角形からなる領域の全体に対するレーザ照射を行った。この操作を２回繰り返し、照射するレーザのエネルギー密度を０．９Ｊ／ｃｍ２から３．１Ｊ／ｃｍ２まで変化させた。照射するエネルギー密度に応じて、表２に示した着色が得られた。
【００４１】
【表２】
2008280562.tif 000004
【実施例３】
【００４２】
図１の装置を使用し、図３の装置を用い、試料上の空間に約３Ｌの酸素ガスを流通させることによって形成した酸素雰囲気下において鏡面研摩したＳＵＳ３０４板に対しするレーザ光の照射を行った。その他照射条件は実施例１と同様。集光スポットの移動速度に応じて、表３に示した着色が得られた。
【００４３】
【表３】
2008280562.tif 000005
【実施例４】
【００４４】
図１の装置を使用し、大気中でＳＵＳ３０４板に対しするレーザ光の照射を行った。レーザーダイオード励起ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ４レーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）のパルス光を３０ｋＨｚの繰り返し周波数で発振させながら、ガルバノ走査鏡により走査し、作動距離１５ｃｍのｆ−θレンズにより集光した。ＳＵＳ３０４板は約１００μｍ径の集光スポットが得られる場所に設置し、ＳＵＳ３０４板上で集光スポットを毎秒５０ｍｍから２５０ｍｍで移動させた。照射するレーザのエネルギー密度を０．６Ｊ／ｃｍ２に設定し、７ｍｍの直線状の移動を７．５μｍ間隔で移動方向と垂直な方向にずらしながら繰り返すことによって７ｍｍ角の四角形からなる領域の全体に対するレーザ照射を行った。この照射を３回繰り返すことにより表面に集光スポットの移動速度に応じて、表４に示した着色が得られた。
【００４５】
【表４】
2008280562.tif 000006
【実施例５】
【００４６】
図１の装置を使用し、大気中で各種金属板に対しするレーザ光の照射を行った。レーザーダイオード励起ＱスイッチＮｄ：ＹＶＯ４レーザの第４高調波（波長２６６ｎｍ）のパルス光を３０ｋＨｚの繰り返し周波数で発振させながら、ガルバノ走査鏡により走査し、焦点距離４００ｍｍの平凸レンズにより集光した。ＳＵＳ３０４板は約７０μｍ径の集光スポットが得られる場所に設置し、ＳＵＳ３０４板上で集光スポットを毎秒２５４ｍｍで移動させ、７ｍｍの直線状の移動を９．５μｍ間隔で移動方向と垂直な方向にずらしながら繰り返すことによって７ｍｍ角の四角形からなる領域の全体に対するレーザ照射を行った。この操作を５回繰り返し、照射するレーザのエネルギー密度を０．８Ｊ／ｃｍ２から１．８Ｊ／ｃｍ２まで変化させた。照射するエネルギー密度に応じて、表５乃至表７に示した着色が得られた。尚、表６及び７において、（１）乃至（１０）の照射エネルギーは、表５の（１）乃至（１０）の照射エネルギーに対応するものである。
【００４７】
【表５】
2008280562.tif 000007
【００４８】
【表６】
2008280562.tif 000008
【００４９】
【表７】
2008280562.tif 000009
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、装飾工芸品の製造手法に利用できるのみならず、各種金属でできた、あるいは、各種金属でメッキされたプレートや部品等の表面に文字や模様などを様々な色によってマーキングすることで、金属製の部品や医療器具をはじめとする金属製道具類の識別や、作業現場の表示・プレートの製造に利用できる。また、従来からレーザカラーマーキングを用いている自動車産業、ＩＴ産業、電子部品産業などの広い分野で利用可能である。
【００５１】
＜まとめ＞
従来は、金属表面へのレーザ照射によって改質層の形成を誘起して所定の着色を得るためには、レーザ光の照射強度、走査速度、繰り返し周波数、照射回数、気温など多数の条件を複合的に設定する必要があった。このため、特に複数の色からなるパターンを描画する場合の手順が非常に複雑なものになっていた。
【００５２】
これに対して、本発明の方法では、波長が１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の紫外レーザを用いており、容易に制御が可能であるレーザ光の照射エネルギー、走査速度、及び／又は走査（照射）回数を制御するだけで、多彩な発色を得ることができるようになっている。照射エネルギー、走査回数、或いは走査速度の設定は、描画する図形の情報とともに、制御装置に入力することが可能であるため、複数の色から成る図形の描画を途中で設定値の入力、変更を行うことなく、自動で行うことが可能になり効率的なマーキングが可能になる。
【００５３】
また、本発明によって得られる着色は、充分な厚さを持った酸化膜によって実現されるので、照明光の当たる方向や見る方向によって着色は変わらない。
【００５４】
さらに、本発明では、予め表面層を形成するなどの前処理を必要とせず、また、強制加熱や冷却をすることなく金属表面に改質層を形成させることができる。よって、着色加工のプロセスも比較的シンプルにすることができる。
【００５５】
また、本発明では、紫外レーザ光を金属表面に照射する際に、金属材料を大気中、あるいは酸素、窒素など人体に害を与えない若しくは取り扱いが安全な特定の雰囲気の下におくことで、雰囲気ガスとの反応を利用して表面に単一もしくは複数の金属窒化物や金属酸化物などの表面改質層を形成するようにしている。そして、これらの表面改質層を着色層として利用することができる。そのため加工部位が凹部となくことなく、照明光のあたる角度、見る角度によって変化しない着色によって金属表面上に文字や絵、記号などのしるしをつけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【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】本発明の別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３】レーザ光を集光領域を互いに重なりをもつ状態で２次元状に走査させる方法の例を示す図である。
【図４】金属表面加工の手順を示す図である。
【図５】特定の雰囲気ガスとの反応を利用して表面改質層を形成する機構を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１    紫外レーザ光源
２    出力可変装置
３    制御装置
４    シャッター
５    レーザ光走査装置（ガルバノ走査鏡）
６    集光レンズ
７    レンズ保護カバー
８    金属試料板
９    金属試料板固定用ステージ
１０  レーザ光
１１  試料走査装置
１２  集光スポット
１３  表面改質層形成を行う領域
１４  ガスボンベ
１５  ガス輸送用チューブ
１６  ガス吹き出し口
１７  雰囲気ガス
１８  バルブ
１９  レーザ光透過窓
２０  ガス導入口
２１  ガス排出口
【図１】
2008280562.tif 000010
【図２】
2008280562.tif 000011
【図３】
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【図４】
2008280562.tif 000013
【図５】
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