JP2008280562A - 金属表面加工装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【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
Description
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。
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。
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。
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。
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
Claims (10)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
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