JP5146948B2 - Metal surface processing method - Google Patents

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Description

本発明は、金属表面加工装置及び方法に関し、例えば、金属表面にレーザ光を照射して熱を加え、それによって表面を着色加工する装置及び方法に関する。   The present invention relates to a metal surface processing apparatus and method, and, for example, to an apparatus and method for applying heat to a metal surface by irradiating a laser beam and thereby coloring the surface.

一般に、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、接合切断に用いるガストーチやプラズマ、レーザ、電子線などがあることも知られている。この中でもレーザは、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が可能である。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。   In general, it is known that when a metal is heated in an electric furnace or the like, the metal is oxidized and colors such as rainbow, gold, and black are attached to the metal surface. It is also known that there are a gas torch, plasma, laser, electron beam, etc. used for bonding cutting as a heating method. Among these, the laser is easy to control energy, and can be heated locally in the atmosphere by focusing on a limited area. Therefore, it can be used for processing such as forming and coloring a surface modification layer on the metal surface, and some proposals have been made regarding the technique and mechanism.

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。   For example, a method (Patent Document 1) in which a metal surface is engraved with a periodic structure composed of fine irregularities and made to appear as if it is colored rainbow by interference of reflected light, or an oxide film is formed on the metal surface, There are known methods (Patent Documents 2, 3, 4 and Non-Patent Documents 1, 2, etc.) that show various colors by interference of light between the oxide film and the surface of the metal base material under the oxide film.

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、金色を始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。   In addition, after applying a coating (liquid) containing a metal colloid having a nano-level size to a metal surface, the laser beam is irradiated to agglomerate the metal colloid, and various colors such as gold are used for marking. A laser color marking method (Patent Document 5) is also known.

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。   In addition, a number of laser engraving machines comprising a pulse laser and a galvanometer scanning mirror are on the market. In these apparatuses, the surface layer is usually removed using laser ablation and deformation by local heating and melting is used to form a concavo-convex structure in a one-dimensional array on the metal surface for inscription. ing.

特開平6−212451号公報JP-A-6-212451 特開平7−61198号公報JP-A-7-61198 特開2004−250786号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-250786 特開2005−200730号公報JP 2005-200730 A 特開2003−94181号公報JP 2003-94181 A 相馬ら、表面技術、1994年、45巻1号、67−72頁Soma et al., Surface Technology, 1994, Vol. 45, pp. 67-72 田辺ら、日本機械学会論文集(C編)、2003年、69巻685号、246−251頁Tanabe et al., Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), 2003, 69, 685, 246-251 旭川工業技術センター センターだより、平成8年、12号、3頁Asahikawa Industrial Technology Center News, 1996, No. 12, page 3

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。なお、特許文献1ではレーザ光の種類は特定されておらず、実施例に赤外線領域に属する波長1.06マイクロメートルのNd:YAGレーザを用いることが記載されている。   However, there are various problems with the metal surface coloring techniques described in the above-mentioned documents. In other words, the technique described in Patent Document 1 for forming a fine periodic concavo-convex structure with a laser on a metal surface effectively utilizes the removal of a surface layer using laser ablation or deformation by local heating. However, this method forms a periodic concavo-convex structure acting as a diffraction grating on the metal surface to give a rainbow color, and does not give a specific color. In Patent Document 1, the type of laser light is not specified, and it is described in the embodiment that an Nd: YAG laser having a wavelength of 1.06 micrometers belonging to the infrared region is used.

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。この特許においてもレーザ光の種類は特定されておらず、実施例に赤外線領域に属する波長1.06マイクロメートルのNd:YAGレーザを照射に用いることが記載されている。なお、この特許は、特許文献1とは所望の発色が得られることが異なっているが、そのために設定するべき条件の数が多く、複雑である。また、レーザによって形成される凹部に着色されている。このこと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。さらに、この着色方法においては、金属母材とその上に形成する酸化皮膜との間の光の干渉により発色していることが明記されている。このような光の干渉を利用した着色においては、酸化皮膜の厚さが非常に薄く破損しやすい上に、照明光のあたる角度と、着色部分を見る角度によって色の見え方が変化する問題がある。   Patent Document 2 also mentions a coloring and patterning method using a laser. This patent relates to a technique for performing desired coloring using interference of a metal oxide film by setting each of a laser beam current, a repetition frequency, an integrated light amount, an irradiation time, and an air temperature to predetermined values in laser irradiation. Is formed in a recess formed by a laser engraving machine. In this patent, the type of laser light is not specified, and it is described in the embodiment that an Nd: YAG laser having a wavelength of 1.06 micrometers belonging to the infrared region is used for irradiation. Although this patent is different from Patent Document 1 in that a desired color can be obtained, the number of conditions to be set for this purpose is large and complicated. Further, the concave portions formed by the laser are colored. This indicates that the surface layer is removed at the time of forming the colored portion, and there is a problem that scattered matters are generated during the coloring process to contaminate the surroundings. Another problem is that dirt or the like is likely to accumulate in the recess. Furthermore, in this coloring method, it is specified that the color is developed by the interference of light between the metal base material and the oxide film formed thereon. In such coloring using light interference, the thickness of the oxide film is very thin and easily damaged, and the color appearance changes depending on the angle of illumination light and the angle at which the colored part is viewed. is there.

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。レーザによる着色の現象自体は、特許文献1、あるいは、非特許文献1、3などで既に開示されているが、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。また、レーザ照射による還元を利用した発色であるため、一次処理によって生じる表面層の状態によって得られる発色状態が制限される問題がある。この特許においても発色の原理は、金属母材表面と酸化皮膜の光の干渉であることが明記されており、膜が破損しやすいこと、見る角度により見える色が変化するという問題を有する。   Patent Document 3 also proposes a pattern coloring (color marking) method for forming an oxide film by laser irradiation on a metal surface. The phenomenon of coloring by laser itself has already been disclosed in Patent Document 1 or Non-Patent Documents 1 and 3, etc., but in this patent, the color of the metal surface uniformly colored by heat treatment at 200 ° C. or higher is It is characterized by being changed by a reducing action by reheating by irradiating a laser. In addition, techniques using atmospheric gases such as hydrogen, ammonia, carbon monoxide are also introduced. Since a primary coloring process is required, the number of coloring steps is increased. When an atmospheric gas is used, an apparatus for controlling the atmosphere is required, and handling of hydrogen, ammonia, carbon monoxide and the like is dangerous. In addition, since the color development uses reduction by laser irradiation, there is a problem that the color development state obtained by the surface layer state generated by the primary treatment is limited. In this patent as well, it is clearly stated that the principle of color development is the interference of light between the surface of the metal base material and the oxide film, and there are problems that the film is easily damaged and the visible color changes depending on the viewing angle.

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が、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。同手法が紹介されている非特許文献2においては、レーザ光の走査速度、照射エネルギー、照射回数を複合的に制御して所望の着色を得ており、その発色のために6〜16回の照射を行う必要が示されている。このように、照射回数を多くしなければならないのは、赤外レーザの金属に対する吸収率が悪いためである。   Patent Document 4 discloses a method for obtaining a condition for forming an oxide film having a desired thickness on a metal surface using a neural network. Although a technology that enables strict management of the film thickness created by appropriately managing many irradiation conditions has been introduced, conditions to be set are required, but there are improvements in the number of conditions. Therefore, the procedure for drawing a pattern composed of a plurality of colors is complicated. In Non-Patent Document 2 in which this method is introduced, the laser beam scanning speed, irradiation energy, and number of irradiations are controlled in a composite manner to obtain a desired coloration. The need for irradiation is indicated. The reason why the number of irradiations must be increased in this way is because the absorption rate of the infrared laser with respect to the metal is poor.

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。   Patent Document 5 introduces a laser color marking technique that utilizes agglomeration of metal colloids by applying a paint having a metal colloid having a nano-level size and irradiating laser light. However, this method requires the preparation of metal colloids with nano-sized sizes, application to the surface, and removal of non-aggregated metal colloids after laser treatment, resulting in a large number of processes and a large amount of waste liquid. Is a problem.

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し、プロセスが比較的シンプルな金属表面加工を実現するものである。   The present invention has been made in view of such a situation, and realizes stable color development that does not vary in color depending on the viewing direction and angle, regardless of light diffraction or interference, and a metal surface with a relatively simple process. Processing is realized.

上記課題を解決するために、本発明では、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。   In order to solve the above problems, in the present invention, the surface modification layer is efficiently formed by irradiating the metal surface with laser light in the ultraviolet region where the reflectance of the metal material decreases. In other words, the laser beam to be irradiated is in the ultraviolet region with a wavelength of 100 nm or more and 400 nm or less. The ultraviolet laser beam is condensed and the condensed laser beam is scanned two-dimensionally on the metal surface. Irradiation is performed to form a surface modification layer on the metal surface. The condensing regions of the ultraviolet laser light are scanned so as to overlap each other.

さらに、本発明では、金属表面に着色すべき色に応じて、紫外レーザ光の照射エネルギー、レーザ光の走査回数、レーザ光の走査速度を含む照射条件が制御される。例えば、この照射条件の制御は、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から所望の色に対応する照射条件を取得することによって実行される。   Further, in the present invention, the irradiation conditions including the irradiation energy of the ultraviolet laser beam, the number of times of scanning of the laser beam, and the scanning speed of the laser beam are controlled according to the color to be colored on the metal surface. For example, the control of the irradiation condition is executed by acquiring the irradiation condition corresponding to the desired color from the irradiation condition table that defines the irradiation condition corresponding to the color to be colored on the metal surface.

また、金属表面を人体に害のない所定の雰囲気ガスに晒した状態で、紫外レーザ光を照射するようにしてもよい。   Further, the ultraviolet laser beam may be irradiated in a state where the metal surface is exposed to a predetermined atmospheric gas that is not harmful to the human body.

なお、照射条件に含まれる照射エネルギーは、0.1J/cm以上10J/cm以下であることが好ましい。 The irradiation energy contained in the irradiation conditions is preferably 0.1 J / cm 2 or more 10J / cm 2 or less.

さらなる本発明の特徴は、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明らかになるものである。   Further features of the present invention will become apparent from the best mode for carrying out the present invention and the accompanying drawings.

本発明によれば、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ことができる。また、本発明によれば、プロセスが比較的シンプルな金属表面加工を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize stable color development that does not vary in color depending on the viewing direction and angle, regardless of light diffraction and interference. Further, according to the present invention, it is possible to realize metal surface processing with a relatively simple process.

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のみによって表面に金属酸化物から成る層などの表面改質層を形成することで着色を施してマーキングを行うマーキング方法およびその装置に関するものである。   The present invention relates to a marking method and apparatus for marking by coloring by forming a surface modification layer such as a layer made of a metal oxide on the surface only by irradiating the surface of various metal materials with a laser beam. Is.

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。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。   Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, it should be noted that this embodiment is merely an example for realizing the present invention and does not limit the present invention. In each drawing, the same reference numerals are assigned to common components.

<本発明の概念>
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。
<Concept of the present invention>
First, the concept of the present invention will be described. In the present invention, laser light is applied to a metal thin film such as plating formed on the surface of various metals, iron, chromium, nickel, copper, tin, zinc, titanium, or an alloy made of these, or the surface of other materials, Irradiation is performed at a light energy density so that an oxide layer with a sufficient thickness is formed on the surface, and the irradiation position is scanned two-dimensionally so that the irradiated regions overlap each other. Laser irradiation is performed on the entire region to form a surface modification layer.

用いるレーザ光は金属表面にレーザ光の波長は、金属の反射率が減少することが知られている紫外領域に対応する、100nm(より好ましくは190nm)以上400nm以下の波長であることが好ましい。また、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する場合、照射するパルス数が非常に多くなるため、1秒間に1000回(1kHz)以上の高いパルス繰り返し周波数でレーザ発振が可能なレーザ光源を利用することが好ましい。   The wavelength of the laser beam used on the metal surface is preferably 100 nm (more preferably 190 nm) or more and 400 nm or less, corresponding to the ultraviolet region where the reflectance of the metal is known to decrease. In addition, when irradiating the entire specific area by scanning the irradiation position two-dimensionally, the number of pulses to be irradiated becomes very large, so laser oscillation is performed at a high pulse repetition frequency of 1000 times (1 kHz) or more per second. It is preferable to use a laser light source capable of

改質層(酸化膜)形成に十分なエネルギー密度を得るためには、レーザ光をレンズ、または、ミラーを用いて集光する必要がある。集光するサイズは、レーザ光源で得られる照射エネルギーに依存するが、着色に用いる典型的なエネルギー密度は、0.1〜10J/cmである。エネルギー密度が高すぎるとアブレーションによる表面層の除去が起こり、照射部位が凹部となる場合があるため、エネルギー密度はアブレーションがおこる閾値以下に設定する必要がある。 In order to obtain a sufficient energy density for forming the modified layer (oxide film), it is necessary to focus the laser beam using a lens or a mirror. The size of light collection depends on the irradiation energy obtained by the laser light source, but a typical energy density used for coloring is 0.1 to 10 J / cm 2 . If the energy density is too high, the surface layer may be removed by ablation, and the irradiated part may become a concave portion. Therefore, it is necessary to set the energy density below a threshold at which ablation occurs.

また、レーザ光の走査は所望の着色が得られるように1回から5回行うが、プロセス時間を短くするためには2回の走査で多種類の着色が可能であるように、走査速度あるいはエネルギー密度によって着色を制御する条件を設定するのが好ましい。   Laser light scanning is performed once to five times so as to obtain a desired coloration, but in order to shorten the process time, the scanning speed or It is preferable to set the conditions for controlling the coloring by the energy density.

<金属表面加工装置の構成>
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。
<Configuration of metal surface processing equipment>
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a metal surface processing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the metal surface processing apparatus 100 is an apparatus for coloring the surface of the metal sample plate 8, and includes an ultraviolet laser light source 1 that emits an ultraviolet laser light 10, an output of the laser light 10, A variable output device 2 for changing the number of times of irradiation, a shutter 4 for stopping laser irradiation and setting a laser irradiation range, and a laser for scanning the metal surface with the laser 10 in the set laser irradiation range Optical scanning device (galvano scanning mirror) 5, output device 2, shutter 4, control device 4 for controlling laser light scanning device 5, condensing lens 6 for condensing laser light 10, lens 6 A lens protection cover 7 for preventing laser light reflection on the lens and protecting the lens surface, and a metal sample plate fixing stage 9 for mounting the metal sample plate 8.

金属表面加工装置100では、操作者によって、制御装置3に対して、金属試料板8の表面に描画データ等の着色する範囲や色の種類を示すデータが入力される。そして、制御装置3は、着色範囲、金属試料板8の金属の種類や着色すべき色のデータ等に基づいて、例えば、後述の各実施例の表(図示しないメモリに格納されたテーブル)を参照し、レーザ光10の出力、照射範囲、照射回数、走査速度(集光スポットの移動速度)等を決定する。そして、これら決定されたレーザ照射条件を基に、レーザ光10が金属試料板8の表面に照射され、酸化膜が形成され、表面着色が実現される。   In the metal surface processing apparatus 100, the operator inputs data indicating the coloring range and color type such as drawing data on the surface of the metal sample plate 8 to the control apparatus 3 by the operator. Based on the coloring range, the metal type of the metal sample plate 8, the data of the color to be colored, and the like, the control device 3, for example, obtains a table of each embodiment described later (a table stored in a memory (not shown)). The laser beam 10 output, irradiation range, number of irradiations, scanning speed (moving speed of the focused spot), etc. are determined. Then, based on these determined laser irradiation conditions, the laser beam 10 is irradiated onto the surface of the metal sample plate 8, an oxide film is formed, and surface coloring is realized.

なお、図1の金属表面加工装置100では、集光位置の走査に関して、レーザ光10を、ガルバノ走査鏡を用いて2次元的に走査させるようにしているが、別の態様として、図2に示されるように、レーザ光10を動かさず、照射する金属試料を固定したステージ11を移動することにより、試料上の集光位置を走査させる方法を用いても良い。このとき、金属表面加工装置200では、金属試料を固定したステージによる集光位置を走査する速度は、外部の制御装置3によって制御される。   In the metal surface processing apparatus 100 of FIG. 1, the laser beam 10 is scanned two-dimensionally using a galvano scanning mirror with respect to the scanning of the condensing position. As shown, a method of scanning the light collection position on the sample by moving the stage 11 to which the metal sample to be irradiated is fixed without moving the laser beam 10 may be used. At this time, in the metal surface processing apparatus 200, the speed at which the light collection position is scanned by the stage on which the metal sample is fixed is controlled by the external control apparatus 3.

また、照射エネルギーは、上述のように、レーザの出力を一定にしておいて出力可変装置2によって照射エネルギーを制御することも可能であるが、レーザ光源1を構成する励起用のレーザーダイオード、あるいは、ランプに供給する電流値を制御して変えるようにしてもよい。また、Qスイッチ発振時にQスイッチのタイミングを制御することによっても照射エネルギーを制御してもよい。   Further, as described above, the irradiation energy can be controlled by the output variable device 2 while keeping the output of the laser constant, but an excitation laser diode constituting the laser light source 1 or The current value supplied to the lamp may be controlled and changed. Also, the irradiation energy may be controlled by controlling the timing of the Q switch when the Q switch oscillates.

集光位置の走査は、集光領域が互いに重なりをもつ状態で2次元状に走査させることで表面改質層を形成させる領域全体に行う必要がある。この場合、図3に示したような走査を行うことができる。   It is necessary to scan the condensing position over the entire region where the surface modification layer is formed by scanning in a two-dimensional manner with the condensing regions overlapping each other. In this case, scanning as shown in FIG. 3 can be performed.

<着色加工の手順>
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。
<Procedure for coloring>
FIG. 4 is a process diagram for explaining a coloring process procedure for the surface of the metal sample plate 8 using the metal surface processing apparatus 100 or 200 shown in FIG. 1 or 2. First, a metal sample plate (metal piece) 8 to be colored is prepared (process P1). As the metal sample plate 8 to be colored, for example, an iron-based metal such as stainless steel, copper, zinc, titanium, chromium, nickel, or an alloy made of them can be used. Also, use an alloy prepared by mixing a metal material with a predetermined element (indium, tin, zinc, titanium, etc.), or disperse a predetermined element on the metal surface (for example, by PVD, CVD, ion implantation, etc.) Alternatively, a metal obtained by plating the above metal on the surface of another metal or other material may be used. If such an alloy or a metal with elements dispersed on the surface is used, it is possible to color the surface of aluminum or the like, which is usually difficult to produce an oxide film.

続いて、プロセス1で用意された金属試料板8の加工表面を鏡面研磨する(プロセス2)。鏡面加工した方が金属表面に吸収されるエネルギーを均一にすることができ、きれいに仕上げることができる。ただし、このプロセス2は必須のものではなく、鏡面仕上げをしなくても着色加工することはできる。さらに、用意された金属板を洗浄して、金属板に付着した塵や油、研磨くず等を取り除く(プロセス3)。   Subsequently, the processed surface of the metal sample plate 8 prepared in Process 1 is mirror-polished (Process 2). The mirror finish can make the energy absorbed by the metal surface uniform, and can be finished finely. However, this process 2 is not essential and can be colored without a mirror finish. Further, the prepared metal plate is washed to remove dust, oil, polishing debris, etc. adhering to the metal plate (process 3).

また、必要に応じて酸素ガスフローを準備し、金属試料板8に対して雰囲気ガス(酸素ガスや窒素ガスなど、人体に害を与えないガス)を噴射する(プロセス4)。雰囲気ガスは、酸化膜生成を促進するために噴射されるものであるので、プロセス4も必須のプロセスではない。そして、紫外レーザ光源1を立ち上げ、金属試料板8の厚さに応じて光学系を調整し(レンズ6から金属試料板8の表面までの距離を所定距離に合わせる)する。また、どの位のエネルギー密度で何回レーザ照射するか等のレーザ照射条件を決定する(プロセス5)。酸化の進み具合によって色が異なってくるので、所望の色によってレーザ光のエネルギー密度や照射回数が異なってくるのである。このレーザ照射条件(照射エネルギー、照射回数、照射範囲、走査速度等を含む)は、後述の実施例で示される表(テーブル)を参照して決定される。   Also, an oxygen gas flow is prepared as necessary, and an atmospheric gas (a gas that does not harm the human body, such as oxygen gas or nitrogen gas) is injected onto the metal sample plate 8 (process 4). Since the atmospheric gas is injected to promote the generation of an oxide film, the process 4 is not an essential process. Then, the ultraviolet laser light source 1 is started up and the optical system is adjusted according to the thickness of the metal sample plate 8 (the distance from the lens 6 to the surface of the metal sample plate 8 is adjusted to a predetermined distance). In addition, the laser irradiation conditions such as how many times the energy density is irradiated with the laser are determined (process 5). Since the color varies depending on the progress of oxidation, the energy density and the number of irradiations of the laser beam vary depending on the desired color. This laser irradiation condition (including irradiation energy, number of irradiations, irradiation range, scanning speed, etc.) is determined with reference to a table shown in an example described later.

プロセス5で決定したレーザ照射条件で金属試料板8の表面に対してレーザ照射する(プロセス6)。   Laser irradiation is performed on the surface of the metal sample plate 8 under the laser irradiation conditions determined in Process 5 (Process 6).

なお、紫外レーザは、赤外レーザに比べて、金属表面に対する吸収率が高いので、ある程度エネルギー密度が低くても酸化膜を金属表面に形成して着色することは可能である。しかし、あまりエネルギー密度が低すぎると、金属表面に不導体膜のような酸化物が形成されてしまい、それ以上レーザを照射しても金属表面における酸化が進まなくなってしまう。このような場合、従来の光の干渉による虹色着色は可能だが、見る角度によって色が異ならない安定的な着色は実現できない。そこで、紫外レーザであってもある程度の密度、例えば、上述のように0.1J/cm以上10J/cm以下のエネルギー密度でレーザ照射するのが好ましい。 Note that an ultraviolet laser has a higher absorptance with respect to a metal surface than an infrared laser, so that an oxide film can be formed on a metal surface and colored even if the energy density is somewhat low. However, if the energy density is too low, an oxide such as a nonconductive film is formed on the metal surface, and oxidation on the metal surface will not proceed even if laser irradiation is performed further. In such a case, the conventional iridescent coloring by light interference is possible, but stable coloring in which the color does not vary depending on the viewing angle cannot be realized. Therefore, a certain degree of density even ultraviolet laser, for example, preferably laser irradiation at an energy density of 0.1 J / cm 2 or more 10J / cm 2 or less as described above.

また、プロセス4において、雰囲気ガスを噴射する場合には、金属加工装置100又は200は、図5に示される構成を備える必要がある。つまり、酸素ガス等の特定の雰囲気ガスの吹きつけを行う構成(図5A)やレーザ光を透過する窓を有する雰囲気制御機構の内部に特定の雰囲気ガスを導入する構成(図5B)を採用することができる。このようにすることにより、雰囲気ガスとの反応を用いて、表面に単一もしくは複数の金属窒化物や金属酸化物などの表面改質層を形成することができる。   Moreover, in the process 4, when injecting atmospheric gas, the metal processing apparatus 100 or 200 needs to be equipped with the structure shown by FIG. That is, a configuration in which a specific atmospheric gas such as oxygen gas is blown (FIG. 5A) or a configuration in which a specific atmospheric gas is introduced into an atmosphere control mechanism having a window that transmits laser light (FIG. 5B) is employed. be able to. By doing in this way, the surface modification layer, such as a single or several metal nitride and a metal oxide, can be formed in the surface using reaction with atmospheric gas.

以上のような加工によって、金属試料板8の表面の指定した領域・部分に、50nm或いはそれ以上の厚さの酸化膜(酸化層)を形成することができる。この程度の厚さの酸化膜であれば、破損の可能性は非常に低くなる。   By the processing as described above, an oxide film (oxide layer) having a thickness of 50 nm or more can be formed in a specified region / part of the surface of the metal sample plate 8. If the oxide film has such a thickness, the possibility of breakage is very low.

以下、本実施形態で説明した方法を用いて、実際に着色した結果を実施例として説明する。   Hereinafter, the results of actual coloring using the method described in this embodiment will be described as examples.

図1の装置を使用し、大気中で鏡面研摩したSUS304板に対しするレーザ光の照射を行った。レーザーダイオード励起QスイッチNd:YVOレーザの第4高調波(波長266nm)のパルス光を30kHzの繰り返し周波数で発振させながら、ガルバノ走査鏡により走査し、焦点距離350mmの平凸レンズにより集光した。SUS304板は約50μm径の集光スポットが得られる場所に設置し、SUS304板上で集光スポットを毎秒76mmから247mmで移動させた。照射するレーザのエネルギー密度を3.1J/cmに設定し、7mmの直線状の移動を7.5μm間隔で移動方向と垂直な方向にずらしながら繰り返すことによって7mm角の四角形からなる領域の全体に対するレーザ照射を行った。この照射を2回繰り返すことにより表面に集光スポットの移動速度に応じて表1に示した着色が得られた。 Using the apparatus shown in FIG. 1, a laser beam was irradiated on a SUS304 plate mirror-polished in the atmosphere. Laser light pumped Q-switch Nd: YVO 4 laser was scanned with a galvanoscanning mirror while oscillating pulsed light of the fourth harmonic (wavelength 266 nm) at a repetition frequency of 30 kHz, and condensed by a plano-convex lens with a focal length of 350 mm. The SUS304 plate was installed in a place where a focused spot with a diameter of about 50 μm was obtained, and the focused spot was moved from 76 mm to 247 mm per second on the SUS304 plate. The energy density of the laser to be irradiated is set to 3.1 J / cm 2 , and the entire region consisting of a 7 mm square is repeated by repeating a linear movement of 7 mm while shifting it in a direction perpendicular to the moving direction at intervals of 7.5 μm. Was irradiated with laser. By repeating this irradiation twice, the coloring shown in Table 1 was obtained according to the moving speed of the focused spot on the surface.

Figure 0005146948
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図1の装置を使用し、大気中で鏡面研摩したSUS304板に対しするレーザ光の照射を行った。レーザーダイオード励起QスイッチNd:YVOレーザの第4高調波(波長266nm)のパルス光を30kHzの繰り返し周波数で発振させながらガルバノ走査鏡により走査し、焦点距離400mmの平凸レンズにより集光した。SUS304板は約50μm径の集光スポットが得られる場所に設置した。SUS304板上で集光スポットを毎秒95mmで移動させ、7mmの直線状の移動を7.5μm間隔で移動方向と垂直な方向にずらしながら繰り返すことによって7mm角の四角形からなる領域の全体に対するレーザ照射を行った。この操作を2回繰り返し、照射するレーザのエネルギー密度を0.9J/cmから3.1J/cmまで変化させた。照射するエネルギー密度に応じて、表2に示した着色が得られた。 Using the apparatus shown in FIG. 1, a laser beam was irradiated on a SUS304 plate mirror-polished in the atmosphere. The pulsed light of the fourth harmonic (wavelength 266 nm) of the laser diode excitation Q-switch Nd: YVO 4 laser was scanned with a galvano scanning mirror while oscillating at a repetition frequency of 30 kHz, and condensed by a plano-convex lens having a focal length of 400 mm. The SUS304 plate was installed in a place where a focused spot having a diameter of about 50 μm was obtained. Laser irradiation to the entire area of a 7 mm square by moving the focused spot on a SUS304 plate at 95 mm per second and repeating a 7 mm linear movement while shifting in a direction perpendicular to the moving direction at 7.5 μm intervals. Went. This operation was repeated twice to change the energy density of the irradiated laser from 0.9 J / cm 2 to 3.1 J / cm 2 . The coloring shown in Table 2 was obtained according to the energy density to be irradiated.

Figure 0005146948
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図1の装置を使用し、図3の装置を用い、試料上の空間に約3Lの酸素ガスを流通させることによって形成した酸素雰囲気下において鏡面研摩したSUS304板に対しするレーザ光の照射を行った。その他照射条件は実施例1と同様。集光スポットの移動速度に応じて、表3に示した着色が得られた。   Using the apparatus shown in FIG. 1, the apparatus shown in FIG. 3 is used to irradiate a SUS304 plate mirror-polished in an oxygen atmosphere formed by circulating about 3 L of oxygen gas through the space above the sample. It was. Other irradiation conditions are the same as in Example 1. The coloring shown in Table 3 was obtained according to the moving speed of the focused spot.

Figure 0005146948
Figure 0005146948

図1の装置を使用し、大気中でSUS304板に対しするレーザ光の照射を行った。レーザーダイオード励起QスイッチNd:YVOレーザの第3高調波(波長355nm)のパルス光を30kHzの繰り返し周波数で発振させながら、ガルバノ走査鏡により走査し、作動距離15cmのf−θレンズにより集光した。SUS304板は約100μm径の集光スポットが得られる場所に設置し、SUS304板上で集光スポットを毎秒50mmから250mmで移動させた。照射するレーザのエネルギー密度を0.6J/cmに設定し、7mmの直線状の移動を7.5μm間隔で移動方向と垂直な方向にずらしながら繰り返すことによって7mm角の四角形からなる領域の全体に対するレーザ照射を行った。この照射を3回繰り返すことにより表面に集光スポットの移動速度に応じて、表4に示した着色が得られた。 Using the apparatus shown in FIG. 1, the laser beam was irradiated on the SUS304 plate in the atmosphere. Laser diode excitation Q-switch Nd: YVO 4 Laser 3rd harmonic (wavelength 355 nm) pulsed light is oscillated at a repetition rate of 30 kHz, scanned by a galvano scanning mirror, and condensed by an f-θ lens with a working distance of 15 cm. did. The SUS304 plate was installed in a place where a focused spot having a diameter of about 100 μm was obtained, and the focused spot was moved from 50 mm to 250 mm per second on the SUS304 plate. By setting the energy density of the laser to be irradiated to 0.6 J / cm 2 and repeating the linear movement of 7 mm while shifting it in a direction perpendicular to the moving direction at intervals of 7.5 μm, the entire area consisting of a square of 7 mm square Was irradiated with laser. By repeating this irradiation three times, the coloring shown in Table 4 was obtained according to the moving speed of the focused spot on the surface.

Figure 0005146948
Figure 0005146948

図1の装置を使用し、大気中で各種金属板に対しするレーザ光の照射を行った。レーザーダイオード励起QスイッチNd:YVOレーザの第4高調波(波長266nm)のパルス光を30kHzの繰り返し周波数で発振させながら、ガルバノ走査鏡により走査し、焦点距離400mmの平凸レンズにより集光した。SUS304板は約70μm径の集光スポットが得られる場所に設置し、SUS304板上で集光スポットを毎秒254mmで移動させ、7mmの直線状の移動を9.5μm間隔で移動方向と垂直な方向にずらしながら繰り返すことによって7mm角の四角形からなる領域の全体に対するレーザ照射を行った。この操作を5回繰り返し、照射するレーザのエネルギー密度を0.8J/cmから1.8J/cmまで変化させた。照射するエネルギー密度に応じて、表5乃至表7に示した着色が得られた。尚、表6及び7において、(1)乃至(10)の照射エネルギーは、表5の(1)乃至(10)の照射エネルギーに対応するものである。 The apparatus shown in FIG. 1 was used to irradiate various metal plates with laser light in the atmosphere. Laser light pumped Q-switch Nd: YVO 4 laser was scanned with a galvanometer scanning mirror while oscillating pulsed light of the fourth harmonic (wavelength 266 nm) at a repetition frequency of 30 kHz, and condensed by a plano-convex lens with a focal length of 400 mm. The SUS304 plate is installed in a place where a focused spot with a diameter of about 70 μm can be obtained, and the focused spot is moved at 254 mm per second on the SUS304 plate, and the 7 mm linear movement is perpendicular to the moving direction at intervals of 9.5 μm. By repeating while shifting, laser irradiation was performed on the entire area of a 7 mm square. This operation was repeated 5 times, and the energy density of the laser to be irradiated is changed from 0.8 J / cm 2 to 1.8 J / cm 2. The coloring shown in Table 5 to Table 7 was obtained according to the energy density to be irradiated. In Tables 6 and 7, the irradiation energy of (1) to (10) corresponds to the irradiation energy of (1) to (10) in Table 5.

Figure 0005146948
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本発明は、装飾工芸品の製造手法に利用できるのみならず、各種金属でできた、あるいは、各種金属でメッキされたプレートや部品等の表面に文字や模様などを様々な色によってマーキングすることで、金属製の部品や医療器具をはじめとする金属製道具類の識別や、作業現場の表示・プレートの製造に利用できる。また、従来からレーザカラーマーキングを用いている自動車産業、IT産業、電子部品産業などの広い分野で利用可能である。   The present invention can be used not only for manufacturing decorative crafts, but also for marking characters and patterns with various colors on the surface of plates or parts made of various metals or plated with various metals. Therefore, it can be used for identification of metal tools such as metal parts and medical instruments, as well as for display and plate manufacturing at work sites. Further, it can be used in a wide range of fields such as the automobile industry, the IT industry, and the electronic parts industry that have conventionally used laser color marking.

<まとめ>
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。
<Summary>
Conventionally, in order to induce the formation of a modified layer by laser irradiation on a metal surface and obtain a predetermined coloration, a number of conditions such as laser light irradiation intensity, scanning speed, repetition frequency, number of irradiations, and temperature are combined. Had to be set manually. For this reason, the procedure for drawing a pattern composed of a plurality of colors is very complicated.

これに対して、本発明の方法では、波長が100nm以上400nm以下の紫外レーザを用いており、容易に制御が可能であるレーザ光の照射エネルギー、走査速度、及び/又は走査(照射)回数を制御するだけで、多彩な発色を得ることができるようになっている。照射エネルギー、走査回数、或いは走査速度の設定は、描画する図形の情報とともに、制御装置に入力することが可能であるため、複数の色から成る図形の描画を途中で設定値の入力、変更を行うことなく、自動で行うことが可能になり効率的なマーキングが可能になる。   On the other hand, in the method of the present invention, an ultraviolet laser having a wavelength of 100 nm or more and 400 nm or less is used, and the laser beam irradiation energy, the scanning speed, and / or the number of scans (irradiation) that can be easily controlled are set. A variety of colors can be obtained just by controlling. The irradiation energy, the number of scans, or the scan speed can be input to the control device together with information on the figure to be drawn. Therefore, setting values can be entered and changed during drawing of a figure consisting of multiple colors. It is possible to perform automatically without performing it, and efficient marking becomes possible.

また、本発明によって得られる着色は、充分な厚さを持った酸化膜によって実現されるので、照明光の当たる方向や見る方向によって着色は変わらない。   Further, since the coloring obtained by the present invention is realized by an oxide film having a sufficient thickness, the coloring does not change depending on the direction in which the illumination light strikes or the viewing direction.

さらに、本発明では、予め表面層を形成するなどの前処理を必要とせず、また、強制加熱や冷却をすることなく金属表面に改質層を形成させることができる。よって、着色加工のプロセスも比較的シンプルにすることができる。   Furthermore, in the present invention, a pretreatment such as forming a surface layer in advance is not required, and a modified layer can be formed on the metal surface without forced heating or cooling. Therefore, the coloring process can be made relatively simple.

また、本発明では、紫外レーザ光を金属表面に照射する際に、金属材料を大気中、あるいは酸素、窒素など人体に害を与えない若しくは取り扱いが安全な特定の雰囲気の下におくことで、雰囲気ガスとの反応を利用して表面に単一もしくは複数の金属窒化物や金属酸化物などの表面改質層を形成するようにしている。そして、これらの表面改質層を着色層として利用することができる。そのため加工部位が凹部となくことなく、照明光のあたる角度、見る角度によって変化しない着色によって金属表面上に文字や絵、記号などのしるしをつけることができる。   In the present invention, when the metal surface is irradiated with ultraviolet laser light, the metal material is placed in the atmosphere or in a specific atmosphere that does not harm the human body such as oxygen and nitrogen, or is safe to handle, A surface modification layer such as a single or a plurality of metal nitrides or metal oxides is formed on the surface by utilizing the reaction with the atmospheric gas. These surface modified layers can be used as a colored layer. Therefore, the processed portion is not a concave portion, and a mark such as a character, a picture, or a symbol can be provided on the metal surface by coloring that does not change depending on the angle at which the illumination light strikes and the viewing angle.

本発明の実施形態による金属表面加工装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the metal surface processing apparatus by embodiment of this invention. 本発明の別の実施形態による金属表面加工装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the metal surface processing apparatus by another embodiment of this invention. レーザ光を集光領域を互いに重なりをもつ状態で2次元状に走査させる方法の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the method of scanning a laser beam two-dimensionally in the state which has a condensing area | region overlapping each other. 金属表面加工の手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure of metal surface processing. 特定の雰囲気ガスとの反応を利用して表面改質層を形成する機構を示す図である。It is a figure which shows the mechanism which forms a surface modification layer using reaction with specific atmospheric gas.

符号の説明Explanation of symbols

1 紫外レーザ光源
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultraviolet laser light source 2 Output variable device 3 Control apparatus 4 Shutter 5 Laser beam scanning device (galvano scanning mirror)
6 Condensing Lens 7 Lens Protective Cover 8 Metal Sample Plate 9 Metal Sample Plate Fixing Stage 10 Laser Light 11 Sample Scanning Device 12 Condensing Spot 13 Surface Modification Layer Forming Area 14 Gas Cylinder 15 Gas Transport Tube 16 Gas Outlet 17 Atmospheric gas 18 Valve 19 Laser light transmission window 20 Gas inlet 21 Gas outlet

Claims (3)

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、スポット径が50μm以上100μm以下であって、かつ0.1J/cm 以上3.1J/cm 以下の照射エネルギー密度を有する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、当該レーザ光の前記集光領域が前記レーザ光の走査方向と垂直な方向に互いに重なるように、前記集光スポット径、前記レーザ光の隣接する走査線の描画間隔、及び、前記レーザ光の走査速度を規定し、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により、前記金属表面に凹部を形成することなく着色することを特徴とする金属表面加工方法。
A metal surface processing method of irradiating a metal surface with laser light and performing a coloring process on at least a part of the metal surface,
A first step of emitting laser light in an ultraviolet region having a wavelength of 100 nm to 400 nm;
The laser light by condensed by the condenser lens, forming a condensing region which has an irradiation energy density of a the spot diameter is 50μm or more 100μm or less, and 0.1 J / cm 2 or more 3.1 J / cm 2 or less A second step of:
The laser light condensed by the condenser lens is adjacent to the laser light spot diameter and the laser light so that the light condensing area of the laser light overlaps in a direction perpendicular to the scanning direction of the laser light. A third step of irradiating while scanning the metal surface two-dimensionally , defining a scanning line drawing interval and a scanning speed of the laser beam ,
A metal surface processing method characterized by forming a surface modification layer on the metal surface to color the metal surface without forming a recess .
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
前記走査回数は、2から5回の範囲で選択されることを特徴とする請求項に記載の金属表面加工方法。
In accordance with the color to be colored on the metal surface, irradiation conditions including the irradiation energy of the laser beam and the number of scans of the laser beam in the third step are determined ,
The number of scans, the metal surface treatment method according to claim 1 which is selected in the range of 2 to 5 times, characterized in Rukoto.
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記載の金属表面加工方法。 The metal surface processing method according to claim 2 , wherein irradiation conditions including a scanning speed of the laser beam scanning are determined according to a color to be colored on the metal surface.
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