JP2004250786A - レーザによるカラーマーキング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属表面・非金属裏面・非金属内面に、自動的に高能率・高階調・精細なカラーマーキング又は発光を平面的・立体的に行う表現または表示を行う方法を提供する。
【解決手段】
レーザの連続発振、パルス発振を用い、熱処理炉による加熱、雰囲気ガスの反応、金属板、金属箔、金属粉、金属線、ガラスファイバーの埋め込み、金属蒸着等を利用して、金属表面・内部又は非金属内部・表面・裏面へカラーマーキング又は発光を行う。レーザの発振条件、雰囲気ガス、熱処理条件を変えることにより、金属はその種類を変えることにより、ガラスファイバーには導入する波長を変えることにより多彩な色調で表現・表示することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属および非金属の表面または内部にレーザを用いて色彩模様を形成させ、あるいは芸術的な紋様を製作する方法に関するものである。

金属表面、又は透明又は半透明のガラス、又はプラスチック、又はセラミックス等へ文字、模様などの加工で色を付ける加工方法は、従来から例えば刻印を施されたものにインク等の液体を入れ込む、塗装、印刷、エッチング、ブラスト、などの方法がある。

金属表面等に火炎、レーザ等の熱源を加えれば該金属表面が変色することは公知である。従来の技術では、公開特許公報平６−２１２４５１にあるように、金属表面にレーザを照射し更に該照射表面を反応性ガス中で熱処理する方法がある。また、公開特許公報平４−４１６６２にあるように、窒素を含む空気中でレーザを純チタンの金属表面上に照射して発色・模様形成させる方法がある。また、基盤表面上にチタンを蒸着し同チタン被膜を酸化処理してその一部を酸化チタン被膜にした上、レーザ照射して該表面を模様化する方法がある。

また、素地の上に下地層と上部層の二層を施し、その上部層のみをレーザによって昇華させ下地層を表面に出すことによりレーザを照射した部分のみ別な色（下地層の色）を表現する方法がある。

更に、ガラス等の内部にレーザ光を収斂させて焦点で気泡を発生させて紋様を発生させる方法がある。

一方、金属の発色については、陽極酸化による酸化膜の形成がすでに知られているが、このような原理を用いて或る文字、模様等を表現するには、表現部以外の部分を樹脂膜等でマスキングを施した上で、これを電解質溶液中に漬けて電流を流す必要があり、特に実用性の点で問題がある。
公開特許公報平６−２１２４５１ 公開特許公報平４−４１６６２

金属表面、又は透明又は半透明のガラス、又はプラスチック、又はセラミックス等へ文字、模様などの加工で色を付ける加工方法は、従来から例えば刻印を施されたものにインク等の液体を入れ込む、塗装、印刷、エッチング、ブラスト、などの方法があるが、これらの作業は手作業によるものが殆どで、その量産性や品質の均一性などの点で難がある。

公開特許公報平６−２１２４５１にあるように、金属表面にレーザを照射し更に該照射表面を反応性ガス中で熱処理する方法がある。この方法では、金属表面にレーザを照射した効果が反応性ガス中での熱処理で一部分減じることがある。

また、公開特許公報平４−４１６６２にあるように、窒素を含む空気中でレーザを照射して発色・模様形成させる方法がある。この方法は、単に純チタンの金属表面上にレーザを照射するだけなので微妙な色彩が表現できないという欠点がある。

また、素地の上に下地層と上部層の二層を施し、その上部層のみをレーザによって昇華させ下地層を表面に出すことによりレーザを照射した部分のみ別な色（下地層の色）を表現することも可能であるが手間、コストがかかる欠点がある。

更に、ガラス等の内部にレーザ光を収斂させて焦点で気泡を発生させて紋様を発生させる方法があるが、色彩を出すことが難しいし、ガラス内にバリウム・ストロンチューム、銅等の発色元素を入れてガラス内部に発色させる方法があるがコスト高になるという問題がある。また、ガラス等の裏面に効果的に色彩を出す方法が無いという問題がある。また、加工処理したものを内部から発光させる方法がないという問題もある。

本発明は、このような従来の問題を解決しようとするもので、色彩模様を安価に細やかに表現できることが出来る。

本発明は、レーザ光、熱処理炉、ガス成分、レーザ処理方法を組み合わせることにより、効果的に安価に良い色彩紋様が得られるよう、上記課題を解決することが出来る。

従来技術の課題を解決するため、この発明ではレーザ加工機から全表面或いはその一部を変色させた金属表面にレーザ光を照射し、照射した部分に酸化皮膜を形成し、この酸化皮膜と素地金属との屈折率の差に起因した光の干渉作用を利用して所望の色を発色させるレーザによるカラーマーキング方法において、レーザ加工機から与えるレーザ光の発振出力、照射時間、繰返し回数、ビームスポットサイズ、焦点距離、パルス周波数等を所定の値に選ぶことにより、所定の色を発色させることを特徴としている。レーザ光の波長は、炭酸ガスレーザ・ＹＡＧレーザ・エキシマレーザ・ＹＶＯ４レーザ又はこれらのレーザを変調させたものを用いる。更に、連続又はパルスレーザを照射する時間的・空間的間隔、照射強度またはその両方を変化させることにより一度に何色も所望の色を発色させることを特徴としている。このようなカラーマーキングは、色別文字・図柄、模様、芸術的表現を行うことが出来る。また、非加工物の内部から発光させることも特徴とする。

また、水素、アルゴン、アンモニア、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素又はこれらの組合せのガスの雰囲気で、全表面或いはその一部を変色させた金属表面に、レーザ光を照射することにより変色させた金属表面の色を還元させることを特徴としている。

また、透明又は半透明のガラス、又はプラスチック、又はセラミックスの裏面又は内部に、金属板、金属箔、金属粉、金属線、又はガラスファイバーを接触、又は非接触で接近させ又は埋め込み又は挟み込み、表面からレーザを照射することにより、該裏面又は内部にカラーマーキングをするカラーマーキング方法において、金属の選定、金属とガラス、プラスチック、セラミックス等の距離、またレーザの電流値、照射時間、繰返し回数、ビームスポットサイズ、焦点距離、パルス周波数、レーザ波長等を変化させることにより、表面蒸着・移着、又は表面除去をし、カラーマーキングすることを特徴としている。

レーザを１回乃至複数回照射することにより、自動で効率的に複雑な紋様を低コストで金属表面上に描くことが出来る。
レーザを１回乃至複数回照射することにより、自動で効率的に複雑な紋様を低コストで、透明又は半透明のガラス、又はプラスチック、又はセラミックスの裏面又は内部に描くことが出来る。
上記１から２の利点により、カラーマーキングによる多様で且つ精細な色彩により製品の付加価値を高めることが出来る。

請求項１に係る発明においては、図１に示すように、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、クローム、チタニウム、アルミニウム、銅及びそれらの合金などの金属６の表面にレーザ５ｄを照射し、該表面の全域或いはその一部を変色させた後、該変色部分内に更にレーザ５ｄを照射して所定の色に変色させることを特徴とする金属のカラーマーキング方法である。本方法では、レーザ光を金属表面上に２回以上の複数回照射することにより、彩度が高く色階調の多い複雑な紋様を金属表面に描くことが可能になる。金属の形態としては、板、箔、ブロック、等が利用可能である。また、金属の表面形態としては、通常のグラインダー、サンドブラスト、グリッドブラスト仕上げ、砥粒又は電解研磨、陽極酸化による鏡面仕上げにおいて施工可能である。本発明の方法において、レーザ照射を高出力で行ったのち、２回目以降のレーザ照射を高出力・同出力又は低出力で行うことにより、より彩度の高い紋様を得ることが出来る。また、該２回目以降のレーザ照射の焦点距離を同じか又は少し変えることにより、見る方向により色が変わる虹色の彩色が可能になる。

請求項２に係る発明においては、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、クローム、チタニウム、アルミニウム、銅及びそれらの合金などの金属を室温よりも２００℃以上、望むらくは３００℃から９００℃の高温に保持した熱処理炉中に挿入して保持し、該金属表面をモノクロおよびカラーで変色させた後、更に一回又は複数回レーザ照射し所定のモノクロおよびカラーに変色させることを特徴とする、金属表面上へのカラーマーキング方法である。本方法を用いることによりレーザによる金属表面上へのカラーマーキングのバックグランドへの均一な色づけを可能にすることが出来る。金属の表面形態としては、通常のグラインダー、サンドブラスト、グリッドブラスト仕上げ、砥粒、陽極酸化、又は電解研磨による鏡面仕上げにおいて施工可能である。

請求項３に係る発明においては、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、クローム、チタニウム、アルミニウム、銅及びそれらの合金などの金属を室温よりも高い温度２００℃以上、望むらくは２００℃から９００℃の炉中に挿入・保持し、該金属を一様にモノクロおよびカラーで変色させた後、水素、アルゴン、窒素、アンモニア、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素、又はこれらの組合せのガスの雰囲気でレーザ照射し、該変色を還元させて変色程度を減少させてカラーマーキングする方法である。金属の形態としては、板、箔、ブロック等が利用可能である。本発明の特徴の一つは、熱処理炉の利用とレーザによる色の還元作用を利用することである。金属の表面形態としては、通常のグラインダー、サンドブラスト、グリッドブラスト仕上げ、砥粒、陽極酸化、又は電解研磨による鏡面仕上げにおいて施工可能である。

請求項４に係る発明においては、請求項３を実施した後、該変色部分内に更にレーザを照射して所定の色に変色させることを特徴とする金属のカラーマーキング方法である。炉中で該金属表面をモノクロおよびカラーで変色させた後、更に一回又は複数回レーザ照射し所定のモノクロおよびカラーに変色させることを特徴とする、金属表面上へのカラーマーキング方法である。本方法を用いることにより、色階調の多い複雑な紋様を金属表面に描くことを可能にし、レーザによる金属表面上へのカラーマーキングのバックグランドへの均一な色づけを可能にすることが出来る。

請求項５に係る発明においては、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、クローム、チタニウム、アルミニウム、銅及びそれらの合金などの金属６の表面にパルスレーザ５ｄを照射する時間的・空間的間隔、その照射強度またはそれらの組み合わせ変化させることにより、該金属表面に連続的な色相の変化をもたらすことを特徴としたカラーマーキング方法である。金属の表面形態としては、通常のグラインダー、サンドブラスト、グリッドブラスト仕上げ、砥粒又は電解研磨による鏡面仕上げにおいて施工可能である。

請求項６に係る発明においては、請求項１．２．３．４において請求項５のカラーマーキングを行う方法である。これらの組み合わせにより更に多彩な色彩を得ることが出来る。

請求項７に係る発明においては、図３で、透明又は半透明のガラス、プラスチック、又はセラミックス材料の裏面に、金属板、金属箔、又は金属粉７を接触又は非接触で接近させ、該材料表面からレーザを照射することにより、該裏面にカラーマーキングを行う方法である。本発明の方法は、金属板、金属箔、又は金属粉のレーザによる蒸着・移着作用を利用することに特徴がある。この場合、大気圧の空気中で施工すること及び減圧容器中で実施することも可能である。また、大気圧及び減圧中の雰囲気を、アルゴン、ヘリウム、水素、窒素、アンモニア、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素又はこれらの組合せのガスのもとで行うことが可能で、多彩な色調を得ることが可能になる。

請求項８に係る発明においては、透明又は半透明の材料６の中に、金属板、又は金属箔、金属粉、金属線又はグラスファイバーを埋め込み又は挟み込み、該材料表面からレーザ５ｄを照射することにより、該材料内にカラーマーキングを行う方法である。本発明の方法は、透明又は半透明のガラス、又はプラスチック、又はセラミックス材料自身、又はこの中に閉じこめられたガス成分と金属と反応して、多彩な色調を立体的に得ることが可能になる。金属板、又は金属箔、又は金属粉を挟み込む場合は、挟み込む材料を複数個とする事が出来るし、裏面側材料を不透明の材料とすることも出来る。

請求項９に係る発明においては、透明又は半透明の、ガラス、プラスチック、又はセラミックス材料の中に、金属板、金属箔、金属粉、金属線、又はガラスファイバーを埋め込み又は挟み込み、該材料表面から又はガラスファイバーを通じてレーザを照射又は可視光線を照射することにより、該材料内にカラーマーキングを行うか又は該材料を発光させる方法である。本発明の方法は、透明又は半透明のガラス、又はプラスチック、又はセラミックス材料自身、又はこの中に閉じこめられたガス成分と金属と反応して、多彩な色調を立体的に得ることが可能になる。金属板、又は金属箔、金属粉、金属線又はガラスファイバーを挟み込む場合は、挟み込む材料を複数個とする事が出来るし、裏面側材料を不透明の材料とすることも出来る。金属線又はガラスファイバーを中空にすることもできる。また、中実又は中空金属線又はガラスファイバーを該材料内に適用する前又は後に金属線又はガラスファイバーに傷を付けてその中を通るレーザ又は可視光線を漏れさせ発光させることも出来る。

炉中に研磨＃４００のＳＵＳ３０４ステンレス鋼を８００℃で２分から５分間熱処理すると表面は青色になり、更に特定の部分にレーザを照射することにより照射した部分だけ炉中処理部分と異なる色を発色させることが出来る。

炉中で一様に濃く変色させた後、大気中、水素雰囲気中、窒素雰囲気中でのレーザ照
射で色を抜くことができる。

表面機械研磨した場合、表面グラインダー研磨した場合、表面電解研磨した場合、サンドブラスト、ショットブラストした場合では、色彩の光沢等で異なる色調が得られる。

請求項７の実施例として非金属裏面の照射部分である金属の表面蒸着、スクライビング・トリミングなどの表面除去、又は反応させることによりカラーマーキングを行う。又は、上記の処理を行うことにより表面に高い導電性や熱伝導性特性を持たせることも可能である。

請求項７の実施例として、金属板、金属箔、又は金属粉を熱処理した後、請求項７の方法を用いてカラーマーキングを行い、レーザ照射後、再度熱処理を行うことも可能である。

請求項８の実施例として、金属板、金属箔、金属粉、金属線、ガラスファイバー等の材料を熱処理した後、請求項８の方法を用いてレーザによるカラーマーキングを行い、立体的な像を該材料内に得ることも可能である。

請求項９の実施例として、プラスチック中に埋め込んだガラスファイバーに、レーザを照射するか又は埋め込む前のガラスファイバーに傷をつけて外部から可視光を導入することにより、プラスチック内に像を形成することができる。グラスファイバー内に導入する光線の波長を変えることにより多種類のカラーを出して表現・表示することが可能である。

本発明に係る金属等へのカラーマーキング実施例を示す概要図である。 本発明に係る金属等の表面にカラーマーキング実施例を示す詳細概要図である。 本発明に係る非金属等の裏面にカラーマーキング実施例を示す詳細概要図である。

符号の説明

１ 入力編集装置（パソコン）
２ レーザのコントローラ
３ 光ファイバー
４ ケーブル
５ レーザ発振器
５ａ レーザ媒質
５ｂ Ｑスイッチ
５ｃ ミラー
５ｄ レーザ光
５ｅ ガルバノスキャナ
５ｆ ｆθレンズ
６ ワーク
７ 金属板又は金属箔又は金属粉
８ 作業テーブル
９ ガラスファイバー

Claims (9)

1. 金属表面にレーザ照射し、該表面の全域或いはその一部を変色させた後、該変色部分内に更にレーザを照射して所定の色に変色させることを特徴とする金属のカラーマーキング方法。
2. 金属を室温よりも高温に保持した熱処理炉中に挿入し保持し、該金属表面を変色させた後、更にレーザ照射し所定の色に変色させることを特徴とする金属表面上へのカラーマーキング方法。
3. 金属を室温よりも高い温度で炉中に挿入保持し、該金属を一様に変色させた後、水素、アルゴン、窒素、アンモニア、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン等の炭素・水素化合物またはこれらの組合せのガスの雰囲気でレーザ照射し、該変色を還元させて変色程度を減少させてカラーマーキングする方法。
4. 請求項３を実施した後、該変色部分内に更にレーザを照射して所定の色に変色させることを特徴とする金属のカラーマーキング方法。
5. 金属表面にパルスレーザを照射する時間的・空間的間隔、焦点距離、照射強度またはそれらの組み合わせを変化させることにより、該金属表面に連続的な色相の変化をもたらすことを特徴としたカラーマーキング方法。
6. 請求項１．２．３．４において請求項５のカラーマーキングを行う方法。
7. 透明又は半透明のガラス、又はプラスチック、又はセラミックス材料の裏面に、金属板、又は金属箔、又は金属粉を接触、又は非接触で接近させ、該材料表面からレーザを照射することにより、該裏面にカラーマーキングを行う方法。
8. 透明又は半透明の、ガラス、プラスチック、又はセラミックス材料の中に、金属板、金属箔、金属粉、金属線、又はガラスファイバーを埋め込み又は挟み込み、該材料表面からレーザを照射することにより、該材料内にカラーマーキングを行う方法。
9. 透明又は半透明の、ガラス、プラスチック、又はセラミックス材料の中に、金属板、金属箔、金属粉、金属線、又はガラスファイバーを埋め込み又は挟み込み、該材料表面から又はガラスファイバーを通じてレーザを照射又は可視光線を照射することにより、該材料内にカラーマーキングを行うか又は該材料を発光させる方法。
   
   
   
   
   

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