JP2004352562A - ガラスの着色方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザビームを照射してガラスを着色させる場合に、レーザビームの照射によって着色した着色部にクラックを発生させず、また該着色部を脱落させないガラスの着色方法を提供する。
【解決手段】銀イオンを含有したガラス表面にレーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のガラス表面より隆起してなる高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とするガラスの着色方法である。
【選択図】図１
【解決手段】銀イオンを含有したガラス表面にレーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のガラス表面より隆起してなる高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とするガラスの着色方法である。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを照射することでガラスを着色するガラスの着色方法に関する。更に、本発明のガラスの着色方法を用い、ガラス表面にレーザビームを走査することでガラスを着色し、着色部によりガラス表面に描画およびマーキングを行ったガラスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
被写体にレーザ光を照射してマーキングを行うレーザマーキング法については、例えば、特許文献１および特許文献２にて知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、液晶またはプラズマディスプレイパネルのガラス基板等の工業製品へ日付や製造番号等の情報を持つ文字、数字、バーコード等をマーキングするマーキング方法が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法においては、レーザ光による熱が照射後にも被加工物に残り、次に、この高温になった部分にマーキングを行うと、先に形成した部分と大きさや形状が異なったマーキングになって、形成された文字、図形若しくは記号の視認性が悪くなる、言い換えれば、見難くなるといった問題があった。
【０００４】
また、特許文献２には、工場出荷品の包装やラベル等の記録体の表面に入力される商品名、ロット番号、バーコード等任意のパターンを炭酸ガスレーザでマーキングする方法が開示されている。しかしながら、特許文献２に記載のレーザマーキング方法においては、比較的高エネルギー密度のレーザ光が記録体に損キズを与え、レーザマーキングされた文字、図柄等が脱落する、製品表面にキズがつく等の問題があった。
【０００５】
特許文献１および特許文献２に記載の方法は、ガラス等の材料に文字、図柄等をレーザマーキングする方法であるが、レーザ光を集光させたことによる熱で、マーキングした文字や図形が歪む、材料が損キズを受ける問題があった。特にガラス材料では、ガラスにクラックが発生する。甚だしい場合はレーザを照射した部位が脱落する等の問題があった。
【０００６】
また、通常、着色ガラスは、遷移金属を着色源としてガラス原料に添加することで、遷移金属イオンにより着色されている、また、着色膜付きガラスは、無機顔料または金属酸化物をシリカ、チタニア等の透明マトリックスに分散させた着色膜をコートして製造される。この様に、着色ガラスおよび着色膜付きガラスは、遷移金属イオンまたは金属酸化物等金属によって、着色されているので、リサイクルすることが難しい。すなわち、溶融しても色が残り、色の違うガラスは同じ溶融窯で溶融することができずリサイクルできない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１７８１７３号公報
【特許文献２】
特許第３２８２０９４号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
銀イオンを含有したガラス表面、言い換えれば銀イオン含有ガラスの表面にレーザビームを照射して、銀イオンを凝集させた銀微粒子を析出させれば、析出した銀微粒子のコロイド共鳴吸収により、銀微粒子が析出した面、あるいは反対側の面から見て、銀微粒子析出部が褐色または茶色に呈色する。例えば、フロート法によって製造した板ガラスのボトム面にイオン交換法によって銀イオンを含有させ、そこにレーザビームを照射すると、銀イオンを凝集させた銀微粒子が析出し、析出した銀微粒子のコロイド共鳴吸収により、銀微粒子が析出した面、あるいは反対側の面から見て、銀微粒子析出部が褐色または茶色に呈色する。
【０００９】
即ち、銀イオン含有ガラスに、レーザ発振器から発光したレーザ光をレーザビームにして照射することで、銀イオンを凝集させた銀微粒子が析出する際に、銀微粒子が析出した部位は、ガラスが急激に加熱され膨張することで、ガラス面より隆起した着色部が形成する。このレーザビームのエネルギーが高密度でありすぎると、形成した着色部にクラックが発生すること、および着色部が脱落することがあった。
【００１０】
レーザビームを照射してガラスを着色させる場合に、レーザビームの照射によって着色した着色部にクラックを発生させず、また該着色部を脱落させないガラスの着色方法を提供することが本発明の課題である。
【００１１】
更に、レーザビームを走査することで、前記着色部により描画およびマーキングし、微細な書き込みが行ったガラスの着色方法を提供することが、本発明の課題である。
【００１２】
更に、本発明の着色方法で着色したガラスを消色する方法を提供することが本発明の課題である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、銀イオンを含有したガラス表面にレーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のガラス表面より隆起してなる高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とするガラスの着色方法である。
【００１４】
更に、本発明は、銀塩を加熱溶解してなる銀溶融塩中に浸漬することによって銀イオンを含有したガラス表面に、レーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のガラス表面より隆起してなる高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とする上記のガラスの着色方法である。
【００１５】
更に、本発明は、フロート法によって製造した板ガラスのボトム面に銀イオンを含有させた後にレーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のボトム面より隆起してなる高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とする上記のガラスの着色方法である。
【００１６】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法であって、レーザビームに使用するレーザ光の種類が赤外光、近赤外光、可視光、または紫外光であることを特徴とするガラスの着色方法である。
【００１７】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法であって、前記レーザ光を発振するレーザ発振器が炭酸ガスレーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器、ＵＶパルスレーザ発振器またはグリーンパルスレーザ発振器であることを特徴とするガラスの着色方法である。
【００１８】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法であって、銀イオンを含有したガラスの表面に、ガルバノメータでレーザビームを走査し銀イオンを凝集させた銀微粒子により着色された隆起してなる着色部によって着色することを特徴とするガラスの着色方法である。
【００１９】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法であって、レーザビームの走査中に、水平方向および／または垂直方向に移動可能なステージによって、銀イオンを含有したガラスを移動させ、銀イオンを凝集させた銀微粒子により着色された隆起してなる着色部によって着色することを特徴とするガラスの着色方法である。
【００２０】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法によって、着色されていることを特徴とするガラスである。
【００２１】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法によって、文字、図柄、またはバーコードが描画されていることを特徴とするガラスである。
【００２２】
更に、本発明は、上記のガラスを、軟化点以上に加熱することによって着色部を消色する方法である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
始めに、レーザビームを照射してガラスを着色させる場合に、レーザパルスによって着色した着色部にクラックを発生せず、また着色部が脱落しない本発明のガラスの着色方法について説明する。
【００２４】
銀塩を加熱溶解させた銀溶融塩に浸漬させ、ガラス内部のナトリウムイオンと溶融塩の銀イオンをイオン交換した銀イオン含有ガラスは透明であるが、該ガラスに高エネルギーのレーザビームとして照射することによって、表面に銀微粒子を凝集させれば、銀微粒子のコロイド共鳴吸収により、銀微粒子が析出した面、あるいは反対側の面から見て、銀微粒子析出部が褐色または茶色に呈色する。銀イオン含有ガラスとして、例えば、モル％で表して、銀塩としての硝酸銀、２０％、硝酸ソーダ、８０％の組成からなる混合物を３５０℃に加熱し溶解させた銀溶融塩にガラス基板を浸漬し、１５分間、イオン交換したガラスを用いることができる。
【００２５】
また、銀塩を加熱溶解させた銀溶融塩中に、スズイオン、セリウムイオン、銅イオン等の還元性イオンを与える金属塩等の金属化合物を添加すると、銀溶融塩中に浸漬することで、ガラス中に還元性イオンが含有され着色が促進されるので、添加することが好ましい。これは、銀イオンを含有したガラス面に含有する還元イオンが還元剤となって、銀粒子の生成を促進したためと思われる。尚、金属化合物としては、金属スズ、即ち、Ｓｎ、酸化スズ、即ち、ＳｎＯ、金属銅、即ち、Ｃｕ、硝酸銅、即ち、Ｃｕ（ＮＯ３）・３Ｈ２０、硝酸セリウム、即ち、Ｃｅ（ＮＯ３）３・３Ｈ２０、Ｃｅ（ＮＯ３）４、および塩化セリウム、即ち、ＣｅＣｌ３等が挙げられる。
【００２６】
また、フロート法によって製造した板ガラスのボトム面に前述のイオン交換法で銀イオンを含有させた場合、トップ面に含有させた場合と比較して、レーザビームを照射した際に光学濃度が大きい濃い着色が得られる。例えば、トップ面に銀イオンを含有させ、ビーム径２ｍｍφ、繰返し周波数２５ｋＨｚ、パルスエネルギーが０．８ｍＪ〜１．１ｍＪの炭酸ガスレーザビームを照射した場合、照射部の着色は無色〜薄茶色であり、可視光透過率は、８４％〜８９％であった。一方、ボトム面に銀イオンを含有させ、同様の炭酸ガスレーザビームを照射した場合、照射部の着色は薄茶色〜褐色で、可視光透過率は、６２％〜８６％であった。これは、ボトム面に含有するスズが還元剤となって、銀粒子の生成を促進したためと思われる。
【００２７】
尚、トップ面とは、透明板ガラスを製造するとき、フロートバス内の溶融金属スズの上に浮かんだ溶融ガラスが自らの表面張力で形成した面である。一方、ボトム面とは、溶融ガラスが溶融金属スズと接触してその自由表面をうつしとった面である。
【００２８】
レーザビーム照射によって、照射部のガラスが急激に加熱される際、体積膨脹を起こし前述の着色部として隆起する。着色部の隆起の大きさは、例えば、ビーム径、２ｍｍφで繰返し周波数、２５ｋＨｚ、パルスエネルギーが、０．８ｍＪ〜１．１ｍＪの炭酸ガスレーザビームを照射した場合、広がりが、約０．２ｍｍで、高さが、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。
【００２９】
照射したレーザビームのパルスエネルギーを大きくするに連れて、ガラス表面よりの着色部の隆起は高くなるが、隆起の高さが、５０ｎｍより高くなると着色部にクラックが発生し始め、１００ｎｍより高くなると着色部が脱落することさえあった。前記クラックは、レーザビームの照射によりガラスが急激に加熱された後、レーザビーム照射終了後に雰囲気、言い換えれば大気により急冷されることに伴う局所的な体積膨脹および収縮が原因となって発生する。
【００３０】
即ち、着色部の隆起の高さを、ガラス表面より、１００ｎｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ以下になるようにレーザビームのビーム径、パルスエネルギー等の照射条件を調整することによって、着色部にクラックが発生することを抑制できる。
【００３１】
尚、本発明における着色部の隆起の高さは、ガラス表面より１ｎｍ以上である。１ｎｍより低いと、レーザビーム照射により銀イオンが凝集し銀微粒子が析出する効果が小さく着色が得られない。
【００３２】
本発明のガラスの着色方法において、ガラス表面よりの着色部の隆起の高さは、表面粗さ計を用いて測定する。測定原理は、ＪＩＳ Ｂ ０６５１、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９８２）に準ずる。
【００３３】
また、銀イオン含有ガラス全体を、加熱炉等で３００℃以上、軟化点以下の温度に輻射加熱すると銀イオン含有部全体が着色するが、着色部による微細な書き込みは行えない。一方、レーザビームを照射することは照射部を、銀イオン含有ガラス中の銀イオンを凝集させて銀微粒子を析出させた部分的に着色可能となる。更に、レーザビームをガラスに対して走査し着色することで微細な描画が可能となる。
【００３４】
次いで、本発明のガラスの着色方法を実施するためのレーザビームの種類、レーザ発振器、レーザビームの操作方法について説明する。
【００３５】
本発明のガラスの着色方法に使用するレーザ描画装置を構成するレーザ発振器には、連続的にレーザ光を発光する連続レーザ発振器、パルス状にレーザ光を発光するパルスレーザ発振器のどちらを用いても構わない。本発明のガラスの着色方法においては、高出力レーザ発振器である、炭酸ガスレーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器（イットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザ発振器の略である）、ＵＶパルスレーザ発振器またはグリーンパルスレーザ発振器等が好適に用いられる。尚、ＹＡＧレーザ発振器はイットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザ発振器の略であり、ＵＶパルスレーザ発振器は紫外光レーザ発振器の略である。
【００３６】
また、本発明のガラスの着色方法に用いるレーザ光の種類には、赤外光、近赤外光、可視光または紫外光が挙げられ、波長１００ｎｍ以上、１ｍｍ（１０６ｎｍ）以下の光が好適に使用できる。
【００３７】
本発明のガラスの着色方法において、レーザビームの照射にガルバノメータミラーを使用すると、ガルバノメータミラーによってレーザビームを自在に走査し連続した着色部により精緻描画が行える。ガルバノメータミラーは、向きを変えることが可能な複数のミラー、通常、Ｘミラー、Ｙミラーからなり、向き、即ち、ミラーの角度を変えてレーザ光のビームを自在に振ることが可能であり、Ｘミラー、Ｙミラーの角度を制御しつつ操作調整し、光軸を振って対象物であるガラスへのレーザビームの照射位置を移動させて、言い換えれば走査して、精度よくガラスを着色することができ、結果としてガラスに文字、図柄またはバーコード等が描画できる。
【００３８】
例えば、ガラスに製造番号、製造日、メーカー名等の文字情報、または１次元および２次元バーコード等を容易に書き込むことができるばかりでなく、レーザ光を絞り込むことで、１ｍｍの間隔内に数１０本以上の線を書き込むことのできる分解能を要し、精緻描画が行える。
【００３９】
尚、本発明のガラスの着色方法において、水平方向および／または垂直方向に移動可能なステージ、例えば、照射面に対し水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージにレーザビームを照射する銀イオン含有ガラスをセットすれば、高速でレーザビームを走査する際、ガラスを移動させることによりガラスの着色を効率よく行うことができる。また、移動可能なステージに取り付けられたガラスを一定間隔で移動させた後、静止させて、前述のガルバノメータミラーによりレーザ光を走査してガラスを着色して描画を行うことで、等間隔で複数描画することができる。
【００４０】
次いで、本発明のガラスの着色方法に用いられるレーザ描画装置の好ましい態様について図を用いて、詳細に説明する。
【００４１】
図１は、レーザ光の焦点位置の制御に自動焦点レンズおよび対物レンズを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【００４２】
図１に示すレーザ発振器１は、炭酸ガスレーザ発振器、または、紫外、即ち、ＵＶパルスレーザ発振器である。ＵＶパルスレーザ発振器には、通常、音響光学変調器（以下、ＡＯＭと略する）または電気光学変調器（以下、ＥＯＭと略する）からなる光変調器が、通称、Ｑスイッチとして既に組み込まれている。
【００４３】
自動焦点レンズ２および対物レンズ３のうち、自動焦点レンズ２を光軸上で動かすことによって、ターゲット６である銀イオン含有ガラス６の照射面におけるレーザビーム径を制御する。
【００４４】
炭酸ガスレーザ発振器、またはＵＶパルスレーザ発振器より発光させたレーザビームは、自動焦点レンズ２、次いで対物レンズ３を通過した後、ガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５により反射し、その後、ターゲット６である銀イオン含有ガラス６に照射させて、該銀イオン含有ガラス６へのレーザビーム照射部を着色する。前記銀イオン含有ガラス６の着色は、照射面に対し水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージからなるＸＹＺ軸ステージ７に載せて、ステージ７を移動させつつ銀イオン含有ガラス６上にレーザ光を走査させて行える。
【００４５】
コンピュータ８に入力したデジタルコマンドデータは、スキャニングコントローラー９に受信されて、スキャニングコントローラー９が、自動焦点レンズ２、ガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５の動作を制御しつつ駆動させ、銀イオン含有ガラス６上のレーザビームの照射位置を移動させる。尚、銀イオン含有ガラス６へのレーザビーム照射による着色部により、微細な書き込みが可能で、書き込み内容は、前記デジタルコマンドデータを変更することで、容易に変えられる。
【００４６】
図２は、レーザ光の焦点位置の制御にｆθレンズを用いた本発明に使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【００４７】
レーザ発振器１である、グリーンパルスレーザ発振器により発光したレーザ光は、レーザビームとしてスイッチング素子であるＡＯＭ１０を通過した後、ガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５により反射し、ｆθレンズ１１を透過した後、ターゲット６である銀イオン含有ガラス６に照射させて、該銀イオン含有ガラス６へのレーザ光照射部を着色する。ｆθレンズ１１は、ガルバノメータミラーによって走査されるレーザビームをターゲット６である銀イオン含有ガラス６に集光する。
【００４８】
該銀イオン含有ガラス６の着色は、照射面に対し水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージからなるＸＹＺ軸ステージ７によって、ステージ７を移動させつつ、該銀イオン含有ガラス６上にレーザビームを走査させて行うこともできる。
【００４９】
コンピュータ８に入力したデジタルコマンドデータは、スキャニングコントローラー９に受信され、スキャニングコントローラー９がＡＯＭ１０とガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５の動作を制御しつつ駆動させ、銀イオン含有ガラス６上のレーザビームの照射位置を移動させる。尚、ターゲット６である銀イオン含有ガラス６へのレーザ光による書き込み内容は、前記デジタルコマンドデータを変更することで、容易に変えられる。
【００５０】
次いで、前述のレーザ描画装置で使用する光変調器について説明する。
【００５１】
尚、本発明のガラスの着色方法に使用するレーザ描画装置の構成する光変調器は、スイッチング素子としての役割を果たす。すなわち、レーザビームの進行方向を変えるか、遮蔽と透過を切り替えることで、加工物に対してレーザビームの照射のＯＮ／ＯＦＦを正確に制御する。ＯＮ／ＯＦＦを行うことで、文字、作画が非連続となり様々な描画に対応する。光変調器には、ＡＯＭ１０または電気光学変調器ＥＯＭのいずれを用いても構わない。
【００５２】
ＡＯＭ１０は、ＯＮの状態では、無線周波数域のＲＦ波を超音波に変える圧電素子、すなわち、トランスデューサにより石英ガラスに超音波を伝搬させ、 石英ガラスの密度揺らぎにより回折格子を形成してレーザビームを回折させ、その光路を変化させる、ＯＦＦの状態では、レーザビームを石英ガラス内に直進させるスイッチング素子である。
【００５３】
ＥＯＭは、レーザビームに電圧を掛け偏光方向を変えることで、偏光板によりレーザビームを通過または遮蔽させるスイッチング素子である。
【００５４】
次いで、前述のレーザ描画装置で使用する自動焦点レンズ２と対物レンズ３、ｆθレンズ１１について説明する
本発明のガラスの着色方法に使用するレーザ描画装置を構成する、自動焦点レンズ２と対物レンズ、またはｆθ１１レンズは、ガルバノメータミラーによって円弧状に走査されたレーザビームの焦点位置を補正し、平面上に集光させ描画の解像度を上げる役割を果たす。
【００５５】
次いで、本発明のガラスの着色方法で使用するのに好適なレーザ描画装置について説明する。
【００５６】
図３は、本発明のガラスの着色方法で使用するガラスの高速移動にＸＹＺ軸ステージを用いたレーザ描画装置の一例の説明図である。
【００５７】
図３に示すように、照射面に対し水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージからなるＸＹＺ軸ステージ７によって、ステージ７を移動させつつ、該銀イオン含有ガラス上にレーザビームを走査させる。
【００５８】
レーザ装置は、炭酸ガスレーザ１、ミラー１２、ＸＹＺ軸ステージ７、対物レンズ１３、およびコンピュータ８から構成する。ＸＹＺ軸ステージ７は、Ｘ方向、Ｙ軸方向、２軸自動制御のサーフェイス・スライダー１４と手動Ｚ軸ステージ１５を組み合わせ、その上にサンプルホルダー１６を搭載した。サーフェイス・スライダー１４は、圧縮空気でベース上に浮上したスライダー１７の動作を図示しないリニアモーターによって制御する。停止したスライダー１７は設定速度になるまでＸ軸方向に加速され、設定速度で所定距離を移動した後、減速して停止する。板ガラスの全面着色は、スライダーをＸ軸方向とＹ軸方向交互に移動することによって行える。
【００５９】
尚、本発明の着色方法により着色されるガラスは、銀イオン含有ガラス６である。該銀イオン含有ガラス６は、例えば、銀塩としての硝酸銀および硝酸ナトリウムの混合物を加熱溶解させてなる銀溶融塩に浸漬させて、ガラス内部のナトリウムイオンと銀イオンとをイオン交換させて、ガラス中に銀イオンを含有させて得られ透明である。該銀イオン含有ガラス６はレーザビームを照射することで着色され、ガラス面側から見た透過色と照射面側から見た反射色は、茶色〜褐色となる。
【００６０】
本発明のガラスの着色方法は、従来のガラスのマーキング方法であるレーザの集光部にクラックを生じさせることに比べ、ヘーズが小さく、ガラスにダメージを与えることなく耐久性に優れるとともに照射していない部分とのコントラストに優れ、本発明に用いるレーザ描画装置の精緻描画により、記録媒体にも適用できる可能性がある。
【００６１】
次いで、本発明のガラスの着色方法について、用いるレーザ光の違いによる作用の違いについて説明する。
【００６２】
紫外光レーザは可視光レーザよりも照射径が小さく、レーザビームを走査した際のトレースラインの線幅をより細くし、一層の精緻描画が可能である。
【００６３】
一方、可視光は一般的にガラスを透過するので、感光材を含有するガラスは、可視光レーザによって内部を着色することができる。
【００６４】
また、赤外光はガラスに吸収されるので、感光剤を含有するガラスは、赤外光レーザによって表面を着色することができる。赤外光レーザは一般的に高出力であり、スポット径が大きいため、大面積のガラスを高速で着色することができる。
【００６５】
レーザの種類は、ガラスの光透過性と吸収性を勘案して適宜最適なタイプを選択することが好ましい。
【００６６】
レーザビーム照射によって着色した銀イオン含有ガラス６を軟化点以上に加熱することによって、表面に凝集してできた着色部中の銀微粒子がガラス内部に拡散し消色する。本発明に使用する銀イオン含有ガラス６の銀イオンは、ガラス表面に極微量、存在しているだけなので、着色させたガラス部位は軟化点以上に加熱し加熱溶融させると無色透明に戻るので、着脱色のリサイクルが容易である。
【００６７】
尚、本発明に使用する銀イオン含有ガラス６は、板ガラスに限らず瓶ガラスでもよく形状は問わない。
【００６８】
【実施例】
レーザ発振器１に炭酸ガスレーザ発振器を装着した図３に示すレーザ描画装置を用い、銀イオン含有ガラス６の着色を行った。
【００６９】
該銀イオン含有ガラス６は、板厚、５ｍｍ、サイズ、１００ｍｍ角の組成、ＳｉＯ２、７２ｗｔ％、Ｎａ２Ｏ、１６ｗｔ％、ＣａＯ、１０ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３、２ｗｔ％のフロート法によるソーダライムシリケートガラス基板を用い、ＡｇＮＯ３とＮａＮＯ３をモル比１：４で混合し温度３５０℃とし加熱溶解させてなる銀溶融塩に１５分間浸漬し、ガラス表面のＮａイオンを銀イオンとイオン交換することで作製し、無色透明である。
【００７０】
次いで、ターゲット６である銀イオン含有ガラス６を、サンプルホルダー１６に取り付けた。
【００７１】
炭酸ガスレーザ発振器より、波長、１０６００ｎｍ、繰り返し周波数、２５ｋＨｚ、パルスエネルギー、０．８１ｍＪから１．０６ｍＪで発振させたレーザ光の光径を対物レンズ１３により絞って、ビーム径、２ｍｍφのレーザビームとし、サンプルホルダーに取り付けた板厚、５ｍｍ、サイズ、１００ｍｍ角のターゲット６である前記銀イオン含有ガラス６の表面に線間隔、５００μｍ、走査速度、８００ｍｍ／ｓｅｃで走査し、走査部に黄色〜茶色に着色したサイズ、１０ｍｍ×８０ｍｍの長方形を描画した。
【００７２】
トップ面またはボトム面に銀イオンを含有する銀イオン含有ガラス６にパルスエネルギーを変えて炭酸ガスレーザを照射したときの着色部のサイズ、クラックの有無、色、および可視光透過率Ｔｖ％とヘーズＨ％の結果を表１に示す。
【００７３】
表１に示すように、銀イオン含有ガラス６は、イオン交換面がフロート法によるガラスのトップ面とボトム面のどちらでも、炭酸ガスレーザを照射することによって黄色または茶色に着色した。しかしながら、パルスエネルギーが同レベルの場合、着色はトップ面に比較してボトム面の方が濃く、Ｔｖ％で示した可視光透過率が小さかった。パルスエネルギーが大きくなるにつれて、着色部の広がり（幅）は、０．１４ｍｍ〜０．２５ｍｍであり変化は少ないが、着色部の高さは５ｎｍから７１ｎｍへと次第に高くなった。着色部の高さが、５０ｎｍ未満の場合、着色部にクラックは発生しなかったが、着色部の高さが５０ｎｍ以上では、クラックが発生し、クラックの発生が多くなる１００ｎｍ以上では、着色部が脱落することがあった。
【００７４】
【表１】
【００７５】
着色部の高さは、表面粗さ計として高精度微細形状測定器（小坂研究所製、、型番、Ｓｕｒｅｆｃｏｒｄｅｒ ＥＴ４０００Ａ）を用い、測定原理は、ＪＩＳ
Ｂ ０６５１、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９８２）に準じて求めた。
【００７６】
可視光透過率は、分光光度計（日立製作所製、Ｕ−４０００型自記）で波長３４０〜１８００ｎｍの間の透過率を測定し、ＪＩＳ Ｒ ３１０６（１９９８）に準拠して求めた。
【００７７】
このようにして、着色した該ガラス６をソーダライムシリケートガラスの軟化点以上に加熱し溶融させたところ全面消色した。
【００７８】
【発明の効果】
本発明のガラスの着色方法は、レーザビーム照射によって着色可能な銀イオン含有ガラスの表面に精度よくレーザビームを照射して着色する方法であり、着色部の隆起の高さを、ガラス表面より、１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下としたことで、着色部にクラックを発生せず、着色部が脱落することがない。更に、銀イオン含有ガラスを本発明で用いたレーザ描画装置により部分的に着色することによって、ガラスに文字、図柄またはバーコード等が、精緻描画できる。
【００７９】
また、本発明のガラスの着色方法は、レーザビームの照射により銀イオン含有ガラスを着色させるので、エネルギーロスが少なく実生産においてタクトタイムが短く経済生産に優れる。例えば、本発明に用いたレーザ描画装置は、前記ガラス全面にレーザビームを高速スキャンニングしつつ走査することでガラス全面を着色することができる。特に、レーザ発振器に炭酸ガスレーザ発振器を用いた場合は、レーザビーム照射によって透明なガラスを短時間で黄色〜褐色に着色することが可能となり、大面積の板ガラスを短時間で着色させられる。
【００８０】
本方法で着色された銀イオン含有ガラスは軟化点以上に加熱し溶融すると着色部が無色透明に戻るので、リサイクルが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ光の焦点位置の制御に自動焦点レンズおよび対物レンズを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【図２】レーザ光の焦点位置の制御にｆθレンズを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【図３】本発明のガラスの着色方法で使用するガラスの高速移動にＸＹＺ軸ステージを用いたレーザ描画装置の一例の説明図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器
２ 自動焦点レンズ
３ 対物レンズ
４ Ｘミラー
５ Ｙミラー
６ ターゲット（銀イオン含有ガラス）
７ ＸＹＺ軸ステージ
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを照射することでガラスを着色するガラスの着色方法に関する。更に、本発明のガラスの着色方法を用い、ガラス表面にレーザビームを走査することでガラスを着色し、着色部によりガラス表面に描画およびマーキングを行ったガラスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
被写体にレーザ光を照射してマーキングを行うレーザマーキング法については、例えば、特許文献１および特許文献２にて知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、液晶またはプラズマディスプレイパネルのガラス基板等の工業製品へ日付や製造番号等の情報を持つ文字、数字、バーコード等をマーキングするマーキング方法が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法においては、レーザ光による熱が照射後にも被加工物に残り、次に、この高温になった部分にマーキングを行うと、先に形成した部分と大きさや形状が異なったマーキングになって、形成された文字、図形若しくは記号の視認性が悪くなる、言い換えれば、見難くなるといった問題があった。
【０００４】
また、特許文献２には、工場出荷品の包装やラベル等の記録体の表面に入力される商品名、ロット番号、バーコード等任意のパターンを炭酸ガスレーザでマーキングする方法が開示されている。しかしながら、特許文献２に記載のレーザマーキング方法においては、比較的高エネルギー密度のレーザ光が記録体に損キズを与え、レーザマーキングされた文字、図柄等が脱落する、製品表面にキズがつく等の問題があった。
【０００５】
特許文献１および特許文献２に記載の方法は、ガラス等の材料に文字、図柄等をレーザマーキングする方法であるが、レーザ光を集光させたことによる熱で、マーキングした文字や図形が歪む、材料が損キズを受ける問題があった。特にガラス材料では、ガラスにクラックが発生する。甚だしい場合はレーザを照射した部位が脱落する等の問題があった。
【０００６】
また、通常、着色ガラスは、遷移金属を着色源としてガラス原料に添加することで、遷移金属イオンにより着色されている、また、着色膜付きガラスは、無機顔料または金属酸化物をシリカ、チタニア等の透明マトリックスに分散させた着色膜をコートして製造される。この様に、着色ガラスおよび着色膜付きガラスは、遷移金属イオンまたは金属酸化物等金属によって、着色されているので、リサイクルすることが難しい。すなわち、溶融しても色が残り、色の違うガラスは同じ溶融窯で溶融することができずリサイクルできない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１７８１７３号公報
【特許文献２】
特許第３２８２０９４号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
銀イオンを含有したガラス表面、言い換えれば銀イオン含有ガラスの表面にレーザビームを照射して、銀イオンを凝集させた銀微粒子を析出させれば、析出した銀微粒子のコロイド共鳴吸収により、銀微粒子が析出した面、あるいは反対側の面から見て、銀微粒子析出部が褐色または茶色に呈色する。例えば、フロート法によって製造した板ガラスのボトム面にイオン交換法によって銀イオンを含有させ、そこにレーザビームを照射すると、銀イオンを凝集させた銀微粒子が析出し、析出した銀微粒子のコロイド共鳴吸収により、銀微粒子が析出した面、あるいは反対側の面から見て、銀微粒子析出部が褐色または茶色に呈色する。
【０００９】
即ち、銀イオン含有ガラスに、レーザ発振器から発光したレーザ光をレーザビームにして照射することで、銀イオンを凝集させた銀微粒子が析出する際に、銀微粒子が析出した部位は、ガラスが急激に加熱され膨張することで、ガラス面より隆起した着色部が形成する。このレーザビームのエネルギーが高密度でありすぎると、形成した着色部にクラックが発生すること、および着色部が脱落することがあった。
【００１０】
レーザビームを照射してガラスを着色させる場合に、レーザビームの照射によって着色した着色部にクラックを発生させず、また該着色部を脱落させないガラスの着色方法を提供することが本発明の課題である。
【００１１】
更に、レーザビームを走査することで、前記着色部により描画およびマーキングし、微細な書き込みが行ったガラスの着色方法を提供することが、本発明の課題である。
【００１２】
更に、本発明の着色方法で着色したガラスを消色する方法を提供することが本発明の課題である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、銀イオンを含有したガラス表面にレーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のガラス表面より隆起してなる高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とするガラスの着色方法である。
【００１４】
更に、本発明は、銀塩を加熱溶解してなる銀溶融塩中に浸漬することによって銀イオンを含有したガラス表面に、レーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のガラス表面より隆起してなる高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とする上記のガラスの着色方法である。
【００１５】
更に、本発明は、フロート法によって製造した板ガラスのボトム面に銀イオンを含有させた後にレーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のボトム面より隆起してなる高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とする上記のガラスの着色方法である。
【００１６】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法であって、レーザビームに使用するレーザ光の種類が赤外光、近赤外光、可視光、または紫外光であることを特徴とするガラスの着色方法である。
【００１７】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法であって、前記レーザ光を発振するレーザ発振器が炭酸ガスレーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器、ＵＶパルスレーザ発振器またはグリーンパルスレーザ発振器であることを特徴とするガラスの着色方法である。
【００１８】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法であって、銀イオンを含有したガラスの表面に、ガルバノメータでレーザビームを走査し銀イオンを凝集させた銀微粒子により着色された隆起してなる着色部によって着色することを特徴とするガラスの着色方法である。
【００１９】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法であって、レーザビームの走査中に、水平方向および／または垂直方向に移動可能なステージによって、銀イオンを含有したガラスを移動させ、銀イオンを凝集させた銀微粒子により着色された隆起してなる着色部によって着色することを特徴とするガラスの着色方法である。
【００２０】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法によって、着色されていることを特徴とするガラスである。
【００２１】
更に、本発明は、上記のガラスの着色方法によって、文字、図柄、またはバーコードが描画されていることを特徴とするガラスである。
【００２２】
更に、本発明は、上記のガラスを、軟化点以上に加熱することによって着色部を消色する方法である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
始めに、レーザビームを照射してガラスを着色させる場合に、レーザパルスによって着色した着色部にクラックを発生せず、また着色部が脱落しない本発明のガラスの着色方法について説明する。
【００２４】
銀塩を加熱溶解させた銀溶融塩に浸漬させ、ガラス内部のナトリウムイオンと溶融塩の銀イオンをイオン交換した銀イオン含有ガラスは透明であるが、該ガラスに高エネルギーのレーザビームとして照射することによって、表面に銀微粒子を凝集させれば、銀微粒子のコロイド共鳴吸収により、銀微粒子が析出した面、あるいは反対側の面から見て、銀微粒子析出部が褐色または茶色に呈色する。銀イオン含有ガラスとして、例えば、モル％で表して、銀塩としての硝酸銀、２０％、硝酸ソーダ、８０％の組成からなる混合物を３５０℃に加熱し溶解させた銀溶融塩にガラス基板を浸漬し、１５分間、イオン交換したガラスを用いることができる。
【００２５】
また、銀塩を加熱溶解させた銀溶融塩中に、スズイオン、セリウムイオン、銅イオン等の還元性イオンを与える金属塩等の金属化合物を添加すると、銀溶融塩中に浸漬することで、ガラス中に還元性イオンが含有され着色が促進されるので、添加することが好ましい。これは、銀イオンを含有したガラス面に含有する還元イオンが還元剤となって、銀粒子の生成を促進したためと思われる。尚、金属化合物としては、金属スズ、即ち、Ｓｎ、酸化スズ、即ち、ＳｎＯ、金属銅、即ち、Ｃｕ、硝酸銅、即ち、Ｃｕ（ＮＯ３）・３Ｈ２０、硝酸セリウム、即ち、Ｃｅ（ＮＯ３）３・３Ｈ２０、Ｃｅ（ＮＯ３）４、および塩化セリウム、即ち、ＣｅＣｌ３等が挙げられる。
【００２６】
また、フロート法によって製造した板ガラスのボトム面に前述のイオン交換法で銀イオンを含有させた場合、トップ面に含有させた場合と比較して、レーザビームを照射した際に光学濃度が大きい濃い着色が得られる。例えば、トップ面に銀イオンを含有させ、ビーム径２ｍｍφ、繰返し周波数２５ｋＨｚ、パルスエネルギーが０．８ｍＪ〜１．１ｍＪの炭酸ガスレーザビームを照射した場合、照射部の着色は無色〜薄茶色であり、可視光透過率は、８４％〜８９％であった。一方、ボトム面に銀イオンを含有させ、同様の炭酸ガスレーザビームを照射した場合、照射部の着色は薄茶色〜褐色で、可視光透過率は、６２％〜８６％であった。これは、ボトム面に含有するスズが還元剤となって、銀粒子の生成を促進したためと思われる。
【００２７】
尚、トップ面とは、透明板ガラスを製造するとき、フロートバス内の溶融金属スズの上に浮かんだ溶融ガラスが自らの表面張力で形成した面である。一方、ボトム面とは、溶融ガラスが溶融金属スズと接触してその自由表面をうつしとった面である。
【００２８】
レーザビーム照射によって、照射部のガラスが急激に加熱される際、体積膨脹を起こし前述の着色部として隆起する。着色部の隆起の大きさは、例えば、ビーム径、２ｍｍφで繰返し周波数、２５ｋＨｚ、パルスエネルギーが、０．８ｍＪ〜１．１ｍＪの炭酸ガスレーザビームを照射した場合、広がりが、約０．２ｍｍで、高さが、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。
【００２９】
照射したレーザビームのパルスエネルギーを大きくするに連れて、ガラス表面よりの着色部の隆起は高くなるが、隆起の高さが、５０ｎｍより高くなると着色部にクラックが発生し始め、１００ｎｍより高くなると着色部が脱落することさえあった。前記クラックは、レーザビームの照射によりガラスが急激に加熱された後、レーザビーム照射終了後に雰囲気、言い換えれば大気により急冷されることに伴う局所的な体積膨脹および収縮が原因となって発生する。
【００３０】
即ち、着色部の隆起の高さを、ガラス表面より、１００ｎｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ以下になるようにレーザビームのビーム径、パルスエネルギー等の照射条件を調整することによって、着色部にクラックが発生することを抑制できる。
【００３１】
尚、本発明における着色部の隆起の高さは、ガラス表面より１ｎｍ以上である。１ｎｍより低いと、レーザビーム照射により銀イオンが凝集し銀微粒子が析出する効果が小さく着色が得られない。
【００３２】
本発明のガラスの着色方法において、ガラス表面よりの着色部の隆起の高さは、表面粗さ計を用いて測定する。測定原理は、ＪＩＳ Ｂ ０６５１、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９８２）に準ずる。
【００３３】
また、銀イオン含有ガラス全体を、加熱炉等で３００℃以上、軟化点以下の温度に輻射加熱すると銀イオン含有部全体が着色するが、着色部による微細な書き込みは行えない。一方、レーザビームを照射することは照射部を、銀イオン含有ガラス中の銀イオンを凝集させて銀微粒子を析出させた部分的に着色可能となる。更に、レーザビームをガラスに対して走査し着色することで微細な描画が可能となる。
【００３４】
次いで、本発明のガラスの着色方法を実施するためのレーザビームの種類、レーザ発振器、レーザビームの操作方法について説明する。
【００３５】
本発明のガラスの着色方法に使用するレーザ描画装置を構成するレーザ発振器には、連続的にレーザ光を発光する連続レーザ発振器、パルス状にレーザ光を発光するパルスレーザ発振器のどちらを用いても構わない。本発明のガラスの着色方法においては、高出力レーザ発振器である、炭酸ガスレーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器（イットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザ発振器の略である）、ＵＶパルスレーザ発振器またはグリーンパルスレーザ発振器等が好適に用いられる。尚、ＹＡＧレーザ発振器はイットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザ発振器の略であり、ＵＶパルスレーザ発振器は紫外光レーザ発振器の略である。
【００３６】
また、本発明のガラスの着色方法に用いるレーザ光の種類には、赤外光、近赤外光、可視光または紫外光が挙げられ、波長１００ｎｍ以上、１ｍｍ（１０６ｎｍ）以下の光が好適に使用できる。
【００３７】
本発明のガラスの着色方法において、レーザビームの照射にガルバノメータミラーを使用すると、ガルバノメータミラーによってレーザビームを自在に走査し連続した着色部により精緻描画が行える。ガルバノメータミラーは、向きを変えることが可能な複数のミラー、通常、Ｘミラー、Ｙミラーからなり、向き、即ち、ミラーの角度を変えてレーザ光のビームを自在に振ることが可能であり、Ｘミラー、Ｙミラーの角度を制御しつつ操作調整し、光軸を振って対象物であるガラスへのレーザビームの照射位置を移動させて、言い換えれば走査して、精度よくガラスを着色することができ、結果としてガラスに文字、図柄またはバーコード等が描画できる。
【００３８】
例えば、ガラスに製造番号、製造日、メーカー名等の文字情報、または１次元および２次元バーコード等を容易に書き込むことができるばかりでなく、レーザ光を絞り込むことで、１ｍｍの間隔内に数１０本以上の線を書き込むことのできる分解能を要し、精緻描画が行える。
【００３９】
尚、本発明のガラスの着色方法において、水平方向および／または垂直方向に移動可能なステージ、例えば、照射面に対し水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージにレーザビームを照射する銀イオン含有ガラスをセットすれば、高速でレーザビームを走査する際、ガラスを移動させることによりガラスの着色を効率よく行うことができる。また、移動可能なステージに取り付けられたガラスを一定間隔で移動させた後、静止させて、前述のガルバノメータミラーによりレーザ光を走査してガラスを着色して描画を行うことで、等間隔で複数描画することができる。
【００４０】
次いで、本発明のガラスの着色方法に用いられるレーザ描画装置の好ましい態様について図を用いて、詳細に説明する。
【００４１】
図１は、レーザ光の焦点位置の制御に自動焦点レンズおよび対物レンズを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【００４２】
図１に示すレーザ発振器１は、炭酸ガスレーザ発振器、または、紫外、即ち、ＵＶパルスレーザ発振器である。ＵＶパルスレーザ発振器には、通常、音響光学変調器（以下、ＡＯＭと略する）または電気光学変調器（以下、ＥＯＭと略する）からなる光変調器が、通称、Ｑスイッチとして既に組み込まれている。
【００４３】
自動焦点レンズ２および対物レンズ３のうち、自動焦点レンズ２を光軸上で動かすことによって、ターゲット６である銀イオン含有ガラス６の照射面におけるレーザビーム径を制御する。
【００４４】
炭酸ガスレーザ発振器、またはＵＶパルスレーザ発振器より発光させたレーザビームは、自動焦点レンズ２、次いで対物レンズ３を通過した後、ガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５により反射し、その後、ターゲット６である銀イオン含有ガラス６に照射させて、該銀イオン含有ガラス６へのレーザビーム照射部を着色する。前記銀イオン含有ガラス６の着色は、照射面に対し水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージからなるＸＹＺ軸ステージ７に載せて、ステージ７を移動させつつ銀イオン含有ガラス６上にレーザ光を走査させて行える。
【００４５】
コンピュータ８に入力したデジタルコマンドデータは、スキャニングコントローラー９に受信されて、スキャニングコントローラー９が、自動焦点レンズ２、ガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５の動作を制御しつつ駆動させ、銀イオン含有ガラス６上のレーザビームの照射位置を移動させる。尚、銀イオン含有ガラス６へのレーザビーム照射による着色部により、微細な書き込みが可能で、書き込み内容は、前記デジタルコマンドデータを変更することで、容易に変えられる。
【００４６】
図２は、レーザ光の焦点位置の制御にｆθレンズを用いた本発明に使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【００４７】
レーザ発振器１である、グリーンパルスレーザ発振器により発光したレーザ光は、レーザビームとしてスイッチング素子であるＡＯＭ１０を通過した後、ガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５により反射し、ｆθレンズ１１を透過した後、ターゲット６である銀イオン含有ガラス６に照射させて、該銀イオン含有ガラス６へのレーザ光照射部を着色する。ｆθレンズ１１は、ガルバノメータミラーによって走査されるレーザビームをターゲット６である銀イオン含有ガラス６に集光する。
【００４８】
該銀イオン含有ガラス６の着色は、照射面に対し水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージからなるＸＹＺ軸ステージ７によって、ステージ７を移動させつつ、該銀イオン含有ガラス６上にレーザビームを走査させて行うこともできる。
【００４９】
コンピュータ８に入力したデジタルコマンドデータは、スキャニングコントローラー９に受信され、スキャニングコントローラー９がＡＯＭ１０とガルバノメータミラーであるＸミラー４およびＹミラー５の動作を制御しつつ駆動させ、銀イオン含有ガラス６上のレーザビームの照射位置を移動させる。尚、ターゲット６である銀イオン含有ガラス６へのレーザ光による書き込み内容は、前記デジタルコマンドデータを変更することで、容易に変えられる。
【００５０】
次いで、前述のレーザ描画装置で使用する光変調器について説明する。
【００５１】
尚、本発明のガラスの着色方法に使用するレーザ描画装置の構成する光変調器は、スイッチング素子としての役割を果たす。すなわち、レーザビームの進行方向を変えるか、遮蔽と透過を切り替えることで、加工物に対してレーザビームの照射のＯＮ／ＯＦＦを正確に制御する。ＯＮ／ＯＦＦを行うことで、文字、作画が非連続となり様々な描画に対応する。光変調器には、ＡＯＭ１０または電気光学変調器ＥＯＭのいずれを用いても構わない。
【００５２】
ＡＯＭ１０は、ＯＮの状態では、無線周波数域のＲＦ波を超音波に変える圧電素子、すなわち、トランスデューサにより石英ガラスに超音波を伝搬させ、 石英ガラスの密度揺らぎにより回折格子を形成してレーザビームを回折させ、その光路を変化させる、ＯＦＦの状態では、レーザビームを石英ガラス内に直進させるスイッチング素子である。
【００５３】
ＥＯＭは、レーザビームに電圧を掛け偏光方向を変えることで、偏光板によりレーザビームを通過または遮蔽させるスイッチング素子である。
【００５４】
次いで、前述のレーザ描画装置で使用する自動焦点レンズ２と対物レンズ３、ｆθレンズ１１について説明する
本発明のガラスの着色方法に使用するレーザ描画装置を構成する、自動焦点レンズ２と対物レンズ、またはｆθ１１レンズは、ガルバノメータミラーによって円弧状に走査されたレーザビームの焦点位置を補正し、平面上に集光させ描画の解像度を上げる役割を果たす。
【００５５】
次いで、本発明のガラスの着色方法で使用するのに好適なレーザ描画装置について説明する。
【００５６】
図３は、本発明のガラスの着色方法で使用するガラスの高速移動にＸＹＺ軸ステージを用いたレーザ描画装置の一例の説明図である。
【００５７】
図３に示すように、照射面に対し水平方向に移動可能なＸ−Ｙ軸ステージと垂直方向に移動可能なＺ軸ステージからなるＸＹＺ軸ステージ７によって、ステージ７を移動させつつ、該銀イオン含有ガラス上にレーザビームを走査させる。
【００５８】
レーザ装置は、炭酸ガスレーザ１、ミラー１２、ＸＹＺ軸ステージ７、対物レンズ１３、およびコンピュータ８から構成する。ＸＹＺ軸ステージ７は、Ｘ方向、Ｙ軸方向、２軸自動制御のサーフェイス・スライダー１４と手動Ｚ軸ステージ１５を組み合わせ、その上にサンプルホルダー１６を搭載した。サーフェイス・スライダー１４は、圧縮空気でベース上に浮上したスライダー１７の動作を図示しないリニアモーターによって制御する。停止したスライダー１７は設定速度になるまでＸ軸方向に加速され、設定速度で所定距離を移動した後、減速して停止する。板ガラスの全面着色は、スライダーをＸ軸方向とＹ軸方向交互に移動することによって行える。
【００５９】
尚、本発明の着色方法により着色されるガラスは、銀イオン含有ガラス６である。該銀イオン含有ガラス６は、例えば、銀塩としての硝酸銀および硝酸ナトリウムの混合物を加熱溶解させてなる銀溶融塩に浸漬させて、ガラス内部のナトリウムイオンと銀イオンとをイオン交換させて、ガラス中に銀イオンを含有させて得られ透明である。該銀イオン含有ガラス６はレーザビームを照射することで着色され、ガラス面側から見た透過色と照射面側から見た反射色は、茶色〜褐色となる。
【００６０】
本発明のガラスの着色方法は、従来のガラスのマーキング方法であるレーザの集光部にクラックを生じさせることに比べ、ヘーズが小さく、ガラスにダメージを与えることなく耐久性に優れるとともに照射していない部分とのコントラストに優れ、本発明に用いるレーザ描画装置の精緻描画により、記録媒体にも適用できる可能性がある。
【００６１】
次いで、本発明のガラスの着色方法について、用いるレーザ光の違いによる作用の違いについて説明する。
【００６２】
紫外光レーザは可視光レーザよりも照射径が小さく、レーザビームを走査した際のトレースラインの線幅をより細くし、一層の精緻描画が可能である。
【００６３】
一方、可視光は一般的にガラスを透過するので、感光材を含有するガラスは、可視光レーザによって内部を着色することができる。
【００６４】
また、赤外光はガラスに吸収されるので、感光剤を含有するガラスは、赤外光レーザによって表面を着色することができる。赤外光レーザは一般的に高出力であり、スポット径が大きいため、大面積のガラスを高速で着色することができる。
【００６５】
レーザの種類は、ガラスの光透過性と吸収性を勘案して適宜最適なタイプを選択することが好ましい。
【００６６】
レーザビーム照射によって着色した銀イオン含有ガラス６を軟化点以上に加熱することによって、表面に凝集してできた着色部中の銀微粒子がガラス内部に拡散し消色する。本発明に使用する銀イオン含有ガラス６の銀イオンは、ガラス表面に極微量、存在しているだけなので、着色させたガラス部位は軟化点以上に加熱し加熱溶融させると無色透明に戻るので、着脱色のリサイクルが容易である。
【００６７】
尚、本発明に使用する銀イオン含有ガラス６は、板ガラスに限らず瓶ガラスでもよく形状は問わない。
【００６８】
【実施例】
レーザ発振器１に炭酸ガスレーザ発振器を装着した図３に示すレーザ描画装置を用い、銀イオン含有ガラス６の着色を行った。
【００６９】
該銀イオン含有ガラス６は、板厚、５ｍｍ、サイズ、１００ｍｍ角の組成、ＳｉＯ２、７２ｗｔ％、Ｎａ２Ｏ、１６ｗｔ％、ＣａＯ、１０ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３、２ｗｔ％のフロート法によるソーダライムシリケートガラス基板を用い、ＡｇＮＯ３とＮａＮＯ３をモル比１：４で混合し温度３５０℃とし加熱溶解させてなる銀溶融塩に１５分間浸漬し、ガラス表面のＮａイオンを銀イオンとイオン交換することで作製し、無色透明である。
【００７０】
次いで、ターゲット６である銀イオン含有ガラス６を、サンプルホルダー１６に取り付けた。
【００７１】
炭酸ガスレーザ発振器より、波長、１０６００ｎｍ、繰り返し周波数、２５ｋＨｚ、パルスエネルギー、０．８１ｍＪから１．０６ｍＪで発振させたレーザ光の光径を対物レンズ１３により絞って、ビーム径、２ｍｍφのレーザビームとし、サンプルホルダーに取り付けた板厚、５ｍｍ、サイズ、１００ｍｍ角のターゲット６である前記銀イオン含有ガラス６の表面に線間隔、５００μｍ、走査速度、８００ｍｍ／ｓｅｃで走査し、走査部に黄色〜茶色に着色したサイズ、１０ｍｍ×８０ｍｍの長方形を描画した。
【００７２】
トップ面またはボトム面に銀イオンを含有する銀イオン含有ガラス６にパルスエネルギーを変えて炭酸ガスレーザを照射したときの着色部のサイズ、クラックの有無、色、および可視光透過率Ｔｖ％とヘーズＨ％の結果を表１に示す。
【００７３】
表１に示すように、銀イオン含有ガラス６は、イオン交換面がフロート法によるガラスのトップ面とボトム面のどちらでも、炭酸ガスレーザを照射することによって黄色または茶色に着色した。しかしながら、パルスエネルギーが同レベルの場合、着色はトップ面に比較してボトム面の方が濃く、Ｔｖ％で示した可視光透過率が小さかった。パルスエネルギーが大きくなるにつれて、着色部の広がり（幅）は、０．１４ｍｍ〜０．２５ｍｍであり変化は少ないが、着色部の高さは５ｎｍから７１ｎｍへと次第に高くなった。着色部の高さが、５０ｎｍ未満の場合、着色部にクラックは発生しなかったが、着色部の高さが５０ｎｍ以上では、クラックが発生し、クラックの発生が多くなる１００ｎｍ以上では、着色部が脱落することがあった。
【００７４】
【表１】
着色部の高さは、表面粗さ計として高精度微細形状測定器（小坂研究所製、、型番、Ｓｕｒｅｆｃｏｒｄｅｒ ＥＴ４０００Ａ）を用い、測定原理は、ＪＩＳ
Ｂ ０６５１、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（１９８２）に準じて求めた。
【００７６】
可視光透過率は、分光光度計（日立製作所製、Ｕ−４０００型自記）で波長３４０〜１８００ｎｍの間の透過率を測定し、ＪＩＳ Ｒ ３１０６（１９９８）に準拠して求めた。
【００７７】
このようにして、着色した該ガラス６をソーダライムシリケートガラスの軟化点以上に加熱し溶融させたところ全面消色した。
【００７８】
【発明の効果】
本発明のガラスの着色方法は、レーザビーム照射によって着色可能な銀イオン含有ガラスの表面に精度よくレーザビームを照射して着色する方法であり、着色部の隆起の高さを、ガラス表面より、１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下としたことで、着色部にクラックを発生せず、着色部が脱落することがない。更に、銀イオン含有ガラスを本発明で用いたレーザ描画装置により部分的に着色することによって、ガラスに文字、図柄またはバーコード等が、精緻描画できる。
【００７９】
また、本発明のガラスの着色方法は、レーザビームの照射により銀イオン含有ガラスを着色させるので、エネルギーロスが少なく実生産においてタクトタイムが短く経済生産に優れる。例えば、本発明に用いたレーザ描画装置は、前記ガラス全面にレーザビームを高速スキャンニングしつつ走査することでガラス全面を着色することができる。特に、レーザ発振器に炭酸ガスレーザ発振器を用いた場合は、レーザビーム照射によって透明なガラスを短時間で黄色〜褐色に着色することが可能となり、大面積の板ガラスを短時間で着色させられる。
【００８０】
本方法で着色された銀イオン含有ガラスは軟化点以上に加熱し溶融すると着色部が無色透明に戻るので、リサイクルが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ光の焦点位置の制御に自動焦点レンズおよび対物レンズを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【図２】レーザ光の焦点位置の制御にｆθレンズを用いた本発明で使用するレーザ描画装置の一例の説明図である。
【図３】本発明のガラスの着色方法で使用するガラスの高速移動にＸＹＺ軸ステージを用いたレーザ描画装置の一例の説明図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器
２ 自動焦点レンズ
３ 対物レンズ
４ Ｘミラー
５ Ｙミラー
６ ターゲット（銀イオン含有ガラス）
７ ＸＹＺ軸ステージ
Claims (10)
- 銀イオンを含有したガラス表面にレーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のガラス表面より隆起してなる高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とするガラスの着色方法。
- 銀塩を加熱溶解してなる銀溶融塩中に浸漬することによって銀イオンを含有したガラス表面に、レーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のガラス表面より隆起してなる高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のガラスの着色方法。
- フロート法によって製造した板ガラスのボトム面に銀イオンを含有させた後にレーザビームを照射することで、銀イオンを凝集させて銀微粒子とし着色させることを特徴とするガラスの着色方法であって、レーザビームを照射することで銀イオンが凝集した銀微粒子により着色された着色部のボトム面より隆起してなるの高さが、１ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガラスの着色方法。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガラスの着色方法であって、レーザビームに使用するレーザ光の種類が赤外光、近赤外光、可視光、または紫外光であることを特徴とするガラスの着色方法。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のガラスの着色方法であって、前記レーザ光を発振するレーザ発振器が炭酸ガスレーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器、ＵＶパルスレーザ発振器またはグリーンパルスレーザ発振器であることを特徴とするガラスの着色方法。
- 請求項５に記載のガラスの着色方法であって、銀イオンを含有したガラスの表面に、ガルバノメータでレーザビームを走査し銀イオンを凝集させた銀微粒子により着色された隆起してなる着色部によって着色することを特徴とするガラスの着色方法。
- 請求項５または請求項６に記載のガラスの着色方法であって、レーザビームの走査中に、水平方向および／または垂直方向に移動可能なステージによって、銀イオンを含有したガラスを移動させ、銀イオンを凝集させた銀微粒子により着色された隆起してなる着色部によって着色することを特徴とするガラスの着色方法。
- 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のガラスの着色方法によって、着色されていることを特徴とするガラス。
- 請求項１乃至請求項８いずれか１項に記載のガラスの着色方法によって、文字、図柄、またはバーコードが描画されていることを特徴とするガラス。
- 請求項８または請求項９に記載のガラスを、軟化点以上に加熱することによって着色部を消色する方法。
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|---|---|---|---|
| JP2003152197A JP2004352562A (ja) | 2003-05-29 | 2003-05-29 | ガラスの着色方法 |
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| JP2003152197A Pending JP2004352562A (ja) | 2003-05-29 | 2003-05-29 | ガラスの着色方法 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011519338A (ja) * | 2008-05-01 | 2011-07-07 | コーニング インコーポレイテッド | 透明基板上の隆起特徴構造および関連方法 |
| WO2016191904A1 (zh) * | 2015-05-29 | 2016-12-08 | 华为技术有限公司 | 在玻璃上绘制图案的方法 |
| US10315276B2 (en) * | 2014-12-12 | 2019-06-11 | Schott Ag | Method for producing a glass ceramic element with patterned coating |
-
2003
- 2003-05-29 JP JP2003152197A patent/JP2004352562A/ja active Pending
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