JP2014111816A - 金属表面加工品及びその装置と方法 - Google Patents

Abstract

【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、しかもアブレーションなどの影響による変形を受けにくい金属表面加工方法を提供する。
【解決手段】 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テレセントリックｆθレンズからなる集光レンズと、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を、前記金属表面上を走査しながら照射するレーザ光走査手段と、さらに、被加工母材となる前記金属表面を処理溶液に浸す加工容器とを設け、前記被加工母材を処理溶液に浸しながら前記金属表面に表面改質層を形成するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属表面の加工方法、特に発色方法に関し、特に金属表面にレーザ光を照射して、それによって作られる金属表面加工品及びその装置と方法に関する。

金属に色付けする方法として、塗料による方法、メッキによる方法などが一般的である。その中で、電気メッキは、薬品を使用するため、その薬品を定期的に廃棄処分をする必要があり、そのため公害が発生するおそれがある。 それを防ぐために薬剤で処理してから河川に流している。しかし、薬品で処理するための水を大量に消費する問題や処理後廃棄する水の水質を検査する費用やそのための時間の浪費などが必要になり、企業活動にとってはコストを押し上げる原因になる。 また処理が不完全な場合は公害を生じ、大きな社会問題にもなる。

一方、金属表面に着色する技術としては、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、ガストーチやプラズマ、レーザ、電子線などが用いられる。
これらの中で、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も可能という特徴がある。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。

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。

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、金色をはじ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。

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。

特開平６−２１２４５１号公報 特開平７−６１１９８号公報 特開２００４−２５０７８６号公報 特開２００５−２００７３０号公報 特開２００３−９４１８１号公報

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。また干渉により生じる色は見る角度や入射光の角度によって変わり、特殊な用途以外は使用しにくいという問題がある。

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。

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。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。

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ので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。

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。

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するとともに、レーザ加工の特徴であるレーザアブレーションなどにより熱拡散によって、被加工母材である金属が変形する問題も解消し、プロセスが比較的シンプルな金属表面加工方法を実現するものである。

上記課題を解決するために、本発明では、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ｆθレンズからなる集光レンズと、前記集光レンズによって集光されたレーザ光を、前記金属表面上を走査しながら照射するレーザ光走査手段と、さらに、被加工母材となる前記金属表面を処理溶液に浸す加工容器とを設け、前記被加工母材を処理溶液に浸しながら前記金属表面に表面改質層を形成するようにしている。特にｆθレンズは、照射面に対して、垂直に集光するものを選択、配置すればよい。
ただし、ここで言う走査とは順次平行にレーザ光ビームを動かすことのみではなく、走査面上をランダムに制御することも含む。

さらに加工容器には、被加工母材に電圧を付与する一対または複数の電極を設け、この電極を前記被加工母材の所要部位に接続ししながら処理を行うようにしており、この電圧を制御することにより、発色を制御している。ここで、被加工母材は加工容器の中にひとつとは限らず複数入れることもある。その場合各加工部材にはそれぞれ電極を接続可能にすることは勿論である。

また、加工容器には、処理溶液を満たした内部に被加工母材を浸し、レーザ光照射面に少なくとも透過ガラスを介在させたことによりレーザ光が処理溶液に入射するときに処理溶液表面により発生する乱反射を減少させるようにしている。

さらに第二実施例において加工容器は、側面にレーザ透過ガラスを設け、被加工母材である金属表面に側面からレーザ光の照射されるようにしたため、加工容器の上部から被加工母材を出し入れしやすく、透過ガラス面と被加工母材は常に処理溶液が満たされた状態が保たれる。

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説明を加える。

本発明によれば、金属表面の発色は光の回折や干渉によらないので、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、被加工母材に熱拡散等による損傷を与えることなく、しかもプロセスが比較的シンプルな金属表面加工方法を実現することができる。

本発明の第一実施例による金属加工方法における概略説明図。 本発明第一実施例で使用する加工容器を上面側から観た説明図。 本発明の第二実施例による金属加工方法における概略説明図。 本発明第二実施例で使用する加工容器を側面側から観た説明図。 本発明で使用するｆθレンズの説明図。

発明を実施形態

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によって、表面に金属酸化物等から成る表面改質層を形成することで着色を行い、またその着色によりマーキングを行うマーキング方法と装置及びそれによる加工品に関するものである。

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。本発明では、特にステンレスやチタンなどの表面、あるいは、他の材料の表面に形成されたメッキ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ものである。

このレーザ光の照射位置を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し、その領域に着色したり、特定の位置にマーキングしたりすることを可能にしている。

図１、図２は、本発明の実施形態による金属表面加工装置の概略説明図であって、図１に示されるように、金属表面加工装置は、金属板である被加工母材１５の表面に着色加工を施す装置であって、パソコンにプログラムが搭載された制御装置１とレーザ装置２が接続されている。このレーザ装置２は、レーザ光を発射するレーザ光源３と、レーザ光の出力や照射回数を変化させるための出力可変装置４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５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で走査するためのレーザ光走査装置（ガルバノ走査鏡）６と、出力可変装置４とシャッター５とレーザ光走査装置６を制御するための制御装置１と、レーザ光を集光するための集光レンズ７とが備えられている。この集光レンズ７はｆθレンズであり、図５に示したように、特に被加工母材１５に対して、レーザ光が垂直に照射されるようにテレセントリックｆθレンズを採用している。

さらに、被加工母材１５となる前記金属表面を処理溶液に浸す加工容器１１とを設け、前記被加工母材１５を処理溶液に浸しながら前記金属表面に表面改質層を形成するようにしている。
加工容器１１内の１２は、絶縁体の台座であり、左右に電極１４ａ、１４ｂが設けられた導電体１３が載置され、この上に被加工母材１５が載置されるようになっている。電極１４ａ、１４ｂには、電源線１８ａ、１８ｂにより電源１７と接続されており、制御装置１により、所定の電圧が印加されるように制御される。
なお、この例では電極は一対であるが、特にこれに限るものではなく、複数の電極を設けても良い。

尚、加工容器１１内には、処理溶液としてホウ酸溶液が充填されており、被加工母材１５が浸されている。 ただし処理溶液はホウ酸に限るものではなく、被加工母材の材質や希望する発色の種類により適宜選択をする。
好ましい実施例としては、加工容器１１内の上部に透過ガラス（図示せず）が、ホウ酸溶液が充填された状態で被加工母材１５を覆うように、且つこの被加工母材１５と透過ガラスの間に空気が介在しないように載置されるとよい。但し、本実施例は、請求項１、及び２における限定要件ではない。

次に図３、図４に基づき、加工容器を立てた実施例を説明する。レーザ装置２２が縦型になりレーザ光を横方向に照射でき、被加工母材３５を横からレーザ光を照射する以外、基本的な各部の構成は、同じであって、制御装置２１とレーザ装置２２が接続されている。このレーザ装置２２には、レーザ光を発射するレーザ光源２３と、レーザ光の出力や照射回数を変化させるための出力可変装置２４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２５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で走査するためのレーザ光走査装置（ガルバノ走査鏡）２６と、出力可変装置２４とシャッター２５とレーザ光走査装置２６を制御するための制御装置２１と、レーザ光を集光するための集光レンズ２７とが備えられている。この集光レンズ２７もｆθレンズであり、図５に示したように、特に被加工母材１５に対して、レーザ光が垂直に照射されるようにテレセントリックｆθレンズを採用している。

また被加工母材３５となる金属表面を処理溶液に浸す加工容器３１とを設け、被加工母材３５を処理溶液に浸しながら金属表面に表面改質層を形成するようにしている。
加工容器３１内の３２は、絶縁体の台座であり、左右に電極３４ａ、３４ｂが設けられた導電体３３が載置され、この上に被加工母材３５が載置されるようになっている。電極３４ａ、３４ｂには、電源線３８ａ、３８ｂにより電源３７と接続されており、制御装置２１により、所定の電圧が印加されるように制御される。

図３、図４での実施例では縦型の加工容器３１内にホウ酸溶液が充填されており、被加工母材３５を上部から出し入れでき、しかも加工容器１１と透過ガラス間には、空気が介在せずに位置されるため、空気層の乱反射を避けることができ作業効率はさらに向上する。

次に、金属表面加工処理について説明する。着色加工の対象となる被加工母材１５，３５としては、例えばステンレス鋼やチタン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。

処理溶液内に浸した被加工母材１５，３５にレーザ光を照射し、表面の指定した領域・部分に、適度な厚さの酸化膜（酸化層）を形成するので、被加工母材１５，３５に破損の可能性を極端に低下することができ、極めて効率の良い加工が行える。

制御装置によって、レーザ光操作装置２、２２における、ｐｉｔｃｈ（ｍｍ）、ｓｐｅｅｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）、ｐｏｗｅｒ（％）、ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＫＨｚ）それぞれの値を変化させることで下記の色調を得ることができた。

尚、上記実施例において、加工容器内１１，３１内で処理溶液は、ホウ酸溶液１６，３６を使用したが、この溶液に限定されるものではない。

以上、本発明によれば、公害などの社会問題を解消し、金属表面加工処理に際して、被加工母材を洗浄したり、研磨する二度手間を排除し、極めて効率よく処理が行え、しかもレーザ加工による損傷を与えることなく被加工母材における品質を保つことが容易な金属表面加工処理が行え、産業上極めて有益なものとなる。

１、２１…制御装置
２、２２…レーザ装置
３、２３…レーザ光源
４、２４…出力可変装置
５、２５…シャッター
６，２６…レーザ光走査装置（ガルバノ）
７，２７…ｆθレンズ
１１、３１…加工容器
１２，３２…絶縁体
１３，３３…導電体
１４ａ，１４ｂ、３４ａ３４ｂ…電極
１５，３５…被加工母材
１６，３６…処理溶液
１７，３７…電圧装置
１８ａ，１８ｂ、３８ａ、３８ｂ…電源線

Claims (7)

1. 金属表面にレーザ光を照射し、前記金属表面に着色加工を施す金属表面加工装置において、
   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ｆθレンズからなる集光レンズと、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走査しながら照射するレーザ光走査手段と、前記レーザ光走査手段を制御する制御装置と、被加工母材となる前記金属表面を処理溶液に浸すための加工容器とを有し、
   前記被加工母材を処理溶液に浸しながら前記レーザ光走査手段によりレーザー光を走査しながら照射することにより前記金属表面に表面改質層を形成することを可能とした金属表面加工装置。
2. 前記加工容器内に、前記制御装置の制御により電源が供給される一対または複数の電極を設け、この電極を前記被加工母材の所要部位に接続し、電圧を付与しながら表面改質層を形成することを可能とした金属表面加工方装置。
3. 前記電源は交流であり、その周波数を制御可能にした電源であることを特徴とする請求項１乃至２に記載の金属表面加工装置。
4. 前記加工容器に前記処理溶液を満たし前記被加工母材を浸し、前記レーザ光の照射面に透過ガラスを介在させたことを特徴とする前記請求項１乃至請求項３に記載の金属表面加工装置。
5. 前記レ−ザ光走査手段を鉛直面に走査可能に配置し、前記加工容器の一側面を透明部材で構成し、透明の側面からレーザ光の照射を可能としたことを特徴とする請求項１乃至４記載の金属表面加工装置。
6. 請求項１乃至５に記載の装置をもちいた金属表面加工方法。
7. 請求項１乃至５に記載の装置を用いて作られた加工品。

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