JP2007229778A - Marking method and apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウムの着色マーキング方法に係わり、詳しくはアルミニウム表面にレーザー照射を行うことにより複数の色調を呈する多色マーキング方法及び装置に関する。 The present invention relates to an aluminum coloring marking method, and more particularly, to a multicolor marking method and apparatus that exhibits a plurality of color tones by irradiating an aluminum surface with laser.
一般に、金属表面へのマーキングは、彫刻、硬質金属による打刻、機械切削、サンドブラスト処理、エッチング処理などが用いられている。しかし、これらの方法では、色調を変えるという要望には応えられず、他の方法が以下のように提案されている。 In general, for marking on a metal surface, engraving, engraving with a hard metal, mechanical cutting, sandblasting, etching, or the like is used. However, these methods cannot meet the demand for changing the color tone, and other methods have been proposed as follows.
一つは、エキシマレーザーやYAGレーザーなどの波長1μm前後又は1μm以下のレーザー光を照射することにより、金属表面又は塗装層、めっき層等の仕上げ層に物理的乃至化学的変化等を起こさせ、色調を変化させる方法である(例えば特許文献1参照)。
この方法では、いったん変化させた色調が長期に亘って安定した色調を呈し、この色調が変化した部分によって、にじみ、ゆがみ、かすれなどの不具合を生じることなくきれいな表示部を形成することができる。また、非常に細いレーザー光を用いることによって文字等の非常に細かい部分も鮮明に再現しうること、及び、金属の材質や仕上げ処理の種類などに応じてレーザー光の種類や波長、照射時間、ショット数などを種々選択することにより、色調変化によって得られる色合いを変えることができ、これによりマークの色合いを調節することができるという利点がある。
One is to cause physical or chemical changes to the metal surface or the finish layer such as the coating layer, plating layer, etc. by irradiating laser light with a wavelength of about 1 μm or less, such as excimer laser or YAG laser, This is a method of changing the color tone (see, for example, Patent Document 1).
In this method, the color tone once changed exhibits a stable color tone over a long period of time, and a clean display portion can be formed without causing problems such as blurring, distortion, and fading due to the changed color tone. Also, by using very thin laser light, very fine parts such as letters can be reproduced clearly, and the type and wavelength of laser light, irradiation time, etc. depending on the metal material and type of finishing treatment, etc. By selecting the number of shots and the like, there is an advantage that the hue obtained by changing the color tone can be changed, and thereby the hue of the mark can be adjusted.
また、もう一つは、アルミニウム及びアルミニウム合金材に陽極酸化処理を施した後、有機酸または無機酸もしくはこれらの塩を主体とする浴中で電解処理する中間電解処理を施し、次に金属塩を含む浴中で電解着色処理を施した後、樹脂固形分に対して0.6〜2.4重量%の白色顔料と0.04〜2.4重量%の黒色顔料を含有する塗料による電着塗装を施す方法である(例えば特許文献2参照)。
しかしながら、上記従来技術は単色の色調を呈する方法であり、2色以上の色調を呈することのできる簡便な方法が望まれている。 However, the above prior art is a method of exhibiting a single color tone, and a simple method capable of exhibiting two or more colors is desired.
そこで本発明は、以上のような実情に鑑み、簡便な多色マーキング方法及び装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a simple multicolor marking method and apparatus.
上述の目的を達成するため、本発明は、被加工物の表面に発振パルス幅が1ピコ秒以下である超短パルスレーザーを照射して、その照射部分に微細構造を形成することにより、前記被加工物の表面に、ある特定の色調をもったマーキングを行うことを特徴とする。
また、本発明は、前記超短パルスレーザーを照射する位置とレーザーパワーを変えることにより、異なる色調をもった複数色のマーキングを行うことを特徴とする。
In order to achieve the above-described object, the present invention irradiates the surface of a workpiece with an ultrashort pulse laser having an oscillation pulse width of 1 picosecond or less, and forms a microstructure in the irradiated portion. Marking having a specific color tone is performed on the surface of the workpiece.
In addition, the present invention is characterized in that marking of a plurality of colors having different color tones is performed by changing the position of irradiating the ultrashort pulse laser and the laser power.
本発明のマーキング方法及び装置によれば、超短パルスレーザーによるマーキングを行うことにより、レーザー光の種類や波長、照射時間、ショット数などを種々選択する必要がなく、また、各種の酸や顔料、電解処理を行う必要がなく、簡便に良質のマーキングを行うことができ、また、レーザーパワーを変えることで簡便に多色マーキングを行うことができる効果がある。 According to the marking method and apparatus of the present invention, it is not necessary to select various kinds of laser light, such as the type, wavelength, irradiation time, and number of shots by marking with an ultrashort pulse laser, and various acids and pigments. There is no need to perform electrolytic treatment, and good quality marking can be easily performed, and multicolor marking can be easily performed by changing the laser power.
図1は、本発明の実施の形態にかかる超短パルスレーザーによるアルミニウムの多色マーキング方法を実施するための装置の一例を示す概略図である。
X、Yステージ4は、アルミニウム製の被加工物5を位置決め保持し、これをX、Y方向に移動制御するものであり、フェムト秒レーザー装置1は、超短パルスレーザーとしてのフェムト秒レーザーを偏光制御して照射する。
対物レンズ3は、フェムト秒レーザー装置1からのレーザー光をX、Yステージ4に保持された被加工物5の面に収束させる。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of an apparatus for carrying out a multicolor marking method for aluminum using an ultrashort pulse laser according to an embodiment of the present invention.
The X and Y stages 4 position and hold the workpiece 5 made of aluminum and control the movement of the workpiece 5 in the X and Y directions. The femtosecond laser apparatus 1 uses a femtosecond laser as an ultrashort pulse laser. Irradiate with polarization control.
The
次に、図1に示す装置で実施するマーキング方法の技術的原理について説明する。
まず、本発明の先行技術として、1ピコ秒以下の超短パルスレーザーを金属材料の表面加工などに用いることが近年になって提唱されるようになった。特に、多光子吸収や熱緩和時間よりも短時間の現象であることなどにより、非熱加工が可能であること、また、非線形応答のため加工分解能は光の回折限界以下であり、高い精度の加工が可能であることは公知である。
Next, the technical principle of the marking method performed by the apparatus shown in FIG. 1 will be described.
First, as a prior art of the present invention, it has recently been proposed to use an ultrashort pulse laser of 1 picosecond or less for surface processing of a metal material. In particular, non-thermal processing is possible due to the fact that it is a phenomenon shorter than the multiphoton absorption and thermal relaxation time, and the processing resolution is below the diffraction limit of light due to non-linear response. It is known that processing is possible.
また、低フルーエンスの加工では、照射レーザー波長より小さい微細な周期構造が得られることが報告されている(特開2001−212796号公報参照)。
この報告では、固体材料表面に低フルーエンスの超短パルスレーザー(フェムト秒レーザー)を偏光制御して照射することで、照射したレーザーの波長より小さいサイズの微細構造を形成する。
そして、超短パルスレーザーを直線偏光させて固体材料表面に照射することで、偏光方向とは直交する方向に沿って細長い突起部からなる微細構造を形成でき、また、円偏光させて照射することで粒状の突起部からなる微細構造を形成できる。こうした微細構造のサイズは、照射するレーザーの波長と正の相関関係があり、波長を選択することで微細構造のサイズを制御することができるという提案である。
In addition, it has been reported that a fine periodic structure smaller than the irradiation laser wavelength can be obtained by low fluence processing (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-212796).
In this report, the surface of a solid material is irradiated with a low-fluence ultrashort pulse laser (femtosecond laser) with a polarization controlled to form a microstructure smaller than the wavelength of the irradiated laser.
Then, by irradiating the surface of the solid material with linearly polarized ultrashort pulse laser, it is possible to form a fine structure consisting of elongated protrusions along the direction orthogonal to the polarization direction, and to irradiate with circular polarization A fine structure composed of granular protrusions can be formed. The size of such a microstructure has a positive correlation with the wavelength of the laser to be irradiated, and it is a proposal that the size of the microstructure can be controlled by selecting the wavelength.
また、本件発明者等は、光学的にナノメートルの平滑度で研磨された水晶基板表面に波長775μm、パルス幅150フェムト秒、光学的ビームスポット径10μmの直線偏光されたフェムト秒レーザーパルスをアブレーション閾値近傍で単一パルス照射した結果、加工範囲が直径約2μmで、その内部に約0.5μm周期の微細構造を持つ3次元パターンを得ることができた(例えば特開2005−270992号公報参照)。
そして、この微細構造をパルスの照射間隔を1μm、送り間隔を1μmでラスター走査して2次元ドットパターン加工を試みたところ、全面に渡って数十ナノメートルの周期的な微細構造を持つパターンを形成できる。
In addition, the present inventors ablated a linearly polarized femtosecond laser pulse having a wavelength of 775 μm, a pulse width of 150 femtoseconds, and an optical beam spot diameter of 10 μm on the surface of a quartz substrate optically polished with nanometer smoothness. As a result of single pulse irradiation in the vicinity of the threshold value, a three-dimensional pattern with a processing range of about 2 μm in diameter and a fine structure with a period of about 0.5 μm inside can be obtained (see, for example, JP-A-2005-270992) ).
When this fine structure was subjected to raster scanning with a pulse irradiation interval of 1 μm and a feed interval of 1 μm to attempt two-dimensional dot pattern processing, a pattern having a periodic fine structure of several tens of nanometers over the entire surface was obtained. Can be formed.
この周期的な微細構造が形成される現象は、種々の固体材料で発生するが、材料表面への超短パルスレーザー照射によって照射部近傍に生成されるプラズマ温度が材料ごとに異なることが予想される。そこで、材料による生成パターンの違いが発生すると考えられる。 The phenomenon that this periodic microstructure is formed occurs in various solid materials, but it is expected that the plasma temperature generated in the vicinity of the irradiated part by the ultrashort pulse laser irradiation on the material surface will differ from material to material. The Therefore, it is considered that the generation pattern differs depending on the material.
そこで、この周期的微細構造の発生が材料によってどのように起こるかを調べるために、種々の材料で周期的微細構造が鮮明に形成されるパワーからレーザーパワーを増大させて行き、生成パターンを観察することとした。 Therefore, in order to investigate how the generation of this periodic fine structure occurs depending on the material, the laser power is increased from the power at which the periodic fine structure is clearly formed with various materials, and the generation pattern is observed. It was decided to.
水晶体やガラスでは、照射パワー増大により穴加工となり周期的微細構造は確認できなくなった。
しかし、金属材料では特異な現象が見出された。例えばステンレス鋼を用いて表面加工を行ったところ、平均高さ及び周期が10μmほどの周期性を持つ構造が発現した。この個々の構造体表面に0.5μmほどのランダムな微細構造が形成された(図2参照)。
このとき、加工深さは約13μmであり、構造としては前記の周期的微細構造の20倍である。また、巨視的な色調は黒である。
In the crystalline lens and glass, the drilling was increased due to the increased irradiation power, and the periodic microstructure could not be confirmed.
However, a unique phenomenon was found in metal materials. For example, when surface processing was performed using stainless steel, a structure having a periodicity with an average height and a period of about 10 μm appeared. A random fine structure of about 0.5 μm was formed on the surface of each individual structure (see FIG. 2).
At this time, the processing depth is about 13 μm, and the structure is 20 times the periodic fine structure. The macroscopic color tone is black.
また、アルミニウムにて同様の加工を行ったところ、周期的微細構造ではなく、ランダムな微細構造が発現した(図3参照)。この場合、高さは最大で0.5μmほどであるが、大きさは約0.1μmから数μmまで分布幅が広がっている。
なお、図3の上方約半面は、レーザーパワー10.5mWでラスター走査にて照射した部分であり、下方約半面は、0.25mWでラスター走査にて照射した部分である。また、走査速度、光学的スポット径はいずれも1mm/秒、10μmである。
これらは、それぞれ薄い金色と白みがかった銀色の異なる色調を呈した。
Further, when the same processing was performed with aluminum, a random microstructure was developed instead of a periodic microstructure (see FIG. 3). In this case, the height is about 0.5 μm at the maximum, but the distribution width is expanded from about 0.1 μm to several μm.
Note that the upper half of FIG. 3 is a portion irradiated by raster scanning at a laser power of 10.5 mW, and the lower half is a portion irradiated by raster scanning at 0.25 mW. The scanning speed and the optical spot diameter are both 1 mm / second and 10 μm.
These exhibited different shades of light gold and whited silver.
そこで本実施の形態では、この照射するレーザーパワーを変化させることにより、材料表面の色調が変わる性質を用いて、少なくとも2色の色調を持つマーキングを行うことを実現した。 Therefore, in the present embodiment, marking having at least two color tones is realized by using the property that the color tone of the material surface changes by changing the laser power to be irradiated.
次に、具体的な数値を用いて実施例1を説明する。
まず、本例のマーキング加工には、発振波長775nm、ピークパワー800mW、パルスエネルギー800μJ/パルス、パルス幅200フェムト秒、パルス繰り返し周波数1kHzのフェムト秒レーザー装置1を用いた。
また、ターゲット材料としては、アルミニウムを用いる。
Next, Example 1 will be described using specific numerical values.
First, in the marking processing of this example, the femtosecond laser apparatus 1 having an oscillation wavelength of 775 nm, a peak power of 800 mW, a pulse energy of 800 μJ / pulse, a pulse width of 200 femtoseconds, and a pulse repetition frequency of 1 kHz was used.
Moreover, aluminum is used as the target material.
そして、このアルミニウムの表面に、レーザービーム2を対物レンズ3で集光し、光学的ビームスポット径10μmのフェムト秒レーザーのビームスポットを0.1mWから20mWまで変化させ、X、Yステージ4にてアルミニウム製被加工物5の表面を1mm/秒の速度で2次元走査した。
なお、本実施例では、2次元走査にX、Yステージを用いているが、例えばガルバノスキャナを用いてもよく、レーザービームを2次元走査する手段であればよいものとする。
Then, the
In this embodiment, the X and Y stages are used for two-dimensional scanning. However, for example, a galvano scanner may be used, and any means capable of two-dimensional scanning with a laser beam may be used.
なお、アルミニウム製被加工物5としては、宝飾品や時計の名盤等に適用可能である。
しかし、刻印材料としてアルミニウムを用いるものであれば、その適用形態に拘束されるものではなく、カード類、各種家電製品、家具類、自動車類などであってもよい。
The aluminum workpiece 5 can be applied to jewelry, a watch name plate, and the like.
However, as long as aluminum is used as the engraving material, the application form is not restricted, and cards, various home appliances, furniture, automobiles, and the like may be used.
このような本例のマーキング方法は、次のような加工例に用いることができる。
(加工例1)宝飾品にアルミニウムプレートをつけ、そのアルミニウムプレート表面に地紋として1つの色調をマーキングし、もう1つの色調で所有者の氏名や誕生日などをマーキングすることができる。また、2つの色調を用いて絵柄を描いても良い。
(加工例2)時計の名盤にアルミニウムを用いることで、ガラス越しに個別情報をマーキングすることができる。
Such a marking method of this example can be used in the following processing examples.
(Processing Example 1) An aluminum plate can be attached to a jewelry, and one color tone can be marked on the surface of the aluminum plate as a background pattern, and the name and birthday of the owner can be marked with another color tone. In addition, a pattern may be drawn using two color tones.
(Processing example 2) Individual information can be marked through glass by using aluminum for the nameplate of the watch.
1……フェムト秒レーザー装置、2……レーザービーム、3……対物レンズ、4……X、Yステージ、5……アルミニウム製被加工物。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Femtosecond laser apparatus, 2 ... Laser beam, 3 ... Objective lens, 4 ... X, Y stage, 5 ... Aluminum workpiece.
Claims (6)
前記被加工物の表面に発振パルス幅が1ピコ秒以下である超短パルスレーザーを照射するレーザー照射手段とを有し、
前記被加工物のレーザー照射部分に微細構造を形成することにより、前記被加工物の表面に、ある特定の色調をもったマーキングを行うことを特徴とするマーキング装置。 Holding means for holding the workpiece;
Laser irradiation means for irradiating the surface of the workpiece with an ultrashort pulse laser having an oscillation pulse width of 1 picosecond or less;
A marking device, wherein a marking having a specific color tone is performed on a surface of the workpiece by forming a fine structure in a laser irradiation portion of the workpiece.
6. The marking device according to claim 5, wherein the workpiece includes an aluminum material.
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