JP5552242B2 - 表面改質方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光をワークピースに照射することで、ワークピースの表面を改質する方法に関するものである。

レーザ光をワークピースに照射して該ワークピースの表面を改質する技術が知られている。例えば、特許文献１に記載された表面改質方法は、超短パルスレーザ光をワークピースに照射するとともに当該照射位置を掃引して、そのワークピースの表面を改質する。また、この表面改質には、親水、撥水、電磁波、音波および電気的帯電などについての性質を変更することが含まれる。

特許文献１に記載された表面改質方法では、ワークピースに照射されるレーザ光として超短パルスレーザ光が用いられ、具体的には、パルス幅が１５０ｆｓ〜３ｐｓの範囲の超短パルスレーザ光が用いられている。また、このパルスレーザ光の繰返し周波数は１ｋＨｚと非常に低い。そして、ワークピースにおけるレーザ光照射スポット内に微細構造が形成されることで、その表面の改質が行われる。
特開２００６-２３１３５３号公報

発明者らは、従来の表面改質方法について詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、特許文献１に記載された表面改質方法では、パルスレーザ光の繰返し周波数が非常に低く、また、パルス幅が非常に狭い。そのため、表面改質のスループットが悪く実用的ではない。また、この文献では表面改質の対象となるワークピースの具体例として珪素酸化物やフッ素系樹脂しか示されていない。ワークピースが金属である場合、或る程度の大きさのパルスエネルギーが必要であるので、パルスレーザ光のパルス幅があまりに短いのは得策でない。

金型用合金など、表面状態の改質を要する材料は数多い。この目的の為、高速掃引が可能なパルスレーザ光は、マスクが不要で、装置も軽便であり、小型化や多様化の進むエレクトロニクス業界で殊に実用的と考えられる。パルス光発生の為には、Ｑスイッチやモードロックなどの方法が気体レーザ光源や固体レーザ高原で提案されているが、表面改質に適した光エネルギー及び繰返し周波数を具備するものは例がない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、より効果的なワークピースの表面改質を行うことができる方法を提供することを目的としている。

本発明に係る表面改質方法は、パルスレーザ装置から出力されるパルスレーザ光をワークピースに照射し、ワークピースの表面の親水性、撥水性、耐食性、耐摩耗性、表面粗さの少なくとも何れか一つを向上させる。パルスレーザ装置は、出力されるべきパルスレーザ光のパルス幅および繰り返し周波数が互いに独立に調整でき、パルス幅および繰り返し周波数を独立に調整し、ワークピースに照射するパルスレーザ光の「１パルス当りのフルーエンス」（以後、単に「フルーエンス」という。）を５〜１２Ｊ／ｃｍ^２の範囲内とすることを特徴とする。このようにしてパルスレーザ光をワークピースに対して照射して該ワークピースの表面の改質をすることにより、その改質の効果を視認することができ、しかも、変色の発生を抑制することができる。なお、パルスレーザ光のパルス幅および繰り返し周波数が互いに独立に可変することは、例えば、共振器レーザにおけるＱスイッチの制御の条件を変更することで、互いに独立に所望の値に制御することができる。

パルスレーザ光のフルーエンスが５Ｊ／ｃｍ^２を下回ると、ワークピース表面の改質は実現できない。一方、パルスレーザ光のフルーエンスが１２Ｊ／ｃｍ^２を上回ると、ワークピース表面が変色してしまう。そのため、パルスレーザ光のフルーエンスは５〜１２Ｊ／ｃｍ^２の所定範囲に設定されるのが好適である。なお、ワークピース表面に対する改質の確実性を確保するため、パルスレーザ光のフルーエンスは１０〜１２Ｊ／ｃｍ^２の範囲内であるのがより好適である。

本発明に係る表面改質方法において、パルスレーザ装置から出力されるパルスレーザ光のパルス幅は、１０ｎｓ以下であるのが好適である。この場合、変色の発生を抑制することが更に効果的にできる。

本発明に係る表面改質方法において、パルスレーザ装置から出力されるパルスレーザ光の繰り返し周波数は、５０ｋＨｚ以上であるのも好適である。この場合、ワークピースの表面に対し、高スループットの改質が可能になる。

本発明に係る表面改質方法において、パルスレーザ装置は、光増幅用ファイバを備えた光増幅器を含むのが好適である。また、パルスレーザ装置は、直接変調の半導体レーザを含む種光源を含んでもよい。これら何れの場合にも、高い繰り返し周波数のパルスレーザ光を出力することができるパルスレーザ装置を実現する上で好都合である。

本発明に係る表面改質方法において、パルスレーザ光照射の際、ワークピースは、空気または窒素ガスの雰囲気下に配置されるのが好適である。このような雰囲気下に設置されたワークピースに対してパルスレーザ装置からのパルスレーザ光が照射されることにより、ワークピース表面が改質され、ワークピース表面の親水性を向上させることが可能になる。一方、パルスレーザ光照射の際、ワークピースに圧縮空気を噴射してもよい。このように圧縮空気の噴射中にワークピースに対してパルスレーザ装置からのパルスレーザ光が照射されることにより、ワークピース表面が改質され、ワークピース表面の撥水性を向上させることが可能になる。特に、パルスレーザ光の照射終了時点から４００分以上、空気中に保管しておくか、あるいは、その表面にパルスレーザ光が照射されたワークピースを別の処理を施すことなく保管しておくことにより、安定した表面特性が得られる。

また、ワークピースの改質される表面領域は、金型等に好適な鉄系材料を含み、このような鉄系材料としてＳＫＤ１１またはＳＴＡＶＡＸであるのが好適である。これらの場合には、表面改質の後の当該表面に対して鍍金等の後処理をする上で好都合である。

本発明によれば、より効果的にワークピース表面の改質を行うことができる。

以下、図１〜図１６を参照して、本発明に係る表面改質方法の各実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る表面改質方法において好適に用いられるパルスレーザ装置１の構成図である。この図に示されたパルスレーザ装置１は、半導体レーザ光源１１、変調部１２、光増幅用ファイバ２１〜２３、励起光源３１〜３３、アイソレータ４１〜４３、カプラ５１，５２、コンバイナ５３、バンドパスフィルタ６１およびコリメータ７１を備えている。パルスレーザ装置１では、出力されるパルスレーザ光のパルス幅および繰り返し周波数を互いに独立に調節することができる。また、パルスレーザ装置１から出力されるパルスレーザ光は、パルス幅が１０ｎｓ以下であるのが好適であり、繰り返し周波数が５０ｋＨｚ以上であるのも好適である。

半導体レーザ光源１１および変調部１２が種光源を構成している。この種光源から出力される種光が光増幅用ファイバ２１〜２３により増幅され、その光増幅された光がパルスレーザ装置１の出力となる。すなわち、このパルスレーザ装置１はＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）の構造となっている。

半導体レーザ光源１１は、１００ｋＨｚを越える高い繰返し周波数と、繰返し周波数に依存せずに一定のパルス幅とを実現できるよう、変調部１２により０〜２００ｍＡの範囲でオン-オフ直接変調される波長１０６０ｎｍ帯のファブリーペロ半導体レーザである。この半導体レーザ光源１１から出力される種光の波長１０６０ｎｍ帯において、光増幅用ファイバ２１〜２３それぞれは利得を有する。ＹＡＧやＹＶＯ等の固体レーザ光源では数十ｄＢに及ぶような高い利得を得ることができない。そのため、複数段に配置された光増幅用ファイバ２１〜２３により種光を増幅するのが好適である。

光増幅を行う活性媒体は、既存のＹＡＧレーザ光源と互換性がある波長１０６０ｎｍ周辺に利得を有し、かつ、励起光波長と被増幅光波長とが互いに近くパワー変換効率を有するのが好適である。その点でＹｂ元素は有利な元素である。また、上述のとおり高い利得を得ることができる点で、光増幅用ファイバ２１〜２３それぞれは、石英系光ファイバのコアにＹｂ元素を添加することで得られるＹｂＤＦ（Yb-Doped Fiber）であるのが望ましい。半導体レーザ光源１１から出力される種光を増幅する光増幅部は、光増幅用ファイバ２１〜２３それぞれを含む三段構成となっている。

第一段の光増幅部では、半導体レーザ光源１１から出力されアイソレータ４１およびカプラ５１を経て光増幅用ファイバ２１に入力された種光が、この光増幅用ファイバ２１において増幅される。励起光源３１からカプラ５１を経て光増幅用ファイバ２１に順方向に供給される励起光は、９７５ｎｍの波長と２００ｍＷのパワーを有する。光増幅用ファイバ２１は、コア励起方式のＹｂＤＦであって、波長９７５ｎｍにおける非飽和吸収係数が２４０ｄＢ／ｍ、長さが５ｍ、コア径が６μｍ、ＮＡが０.１２程度である。第一段の光増幅部の後段に配置されたバンドパスフィルタ６１は、種光源から出力される光以外の波長のＡＳＥ光を抑圧する為に挿入されており、その半値全幅は４ｎｍ程度である。

第二段の光増幅部では、バンドパスフィルタ６１から出力されアイソレータ４２およびカプラ５２を経て光増幅用ファイバ２２に入力された光が、この光増幅用ファイバ２２において増幅される。励起光源３２からカプラ５２を経て光増幅用ファイバ２２に順方向に供給される励起光は、９７５ｎｍの波長と２００ｍＷのパワーを有する。光増幅用ファイバ２２は、コア励起方式のＹｂＤＦであって、波長９７５ｎｍにおける非飽和吸収係数が２４０ｄＢ／ｍ、長さが７ｍ、コア径が６μｍ、ＮＡが０.１２程度である。

第三段の光増幅部では、第二段の光増幅用ファイバ２２から出力されアイソレータ４３およびコンバイナ５３を経て光増幅用ファイバ２３に入力された光が、この光増幅用ファイバ２３において増幅され、その増幅光がコリメータ７１から外部へ出力される。励起光源３３からコンバイナ５３を経て光増幅用ファイバ２３に順方向に供給される励起光は、９７５ｎｍの波長を有するとともに、４個の５Ｗ級励起ＬＤを使用することで２０Ｗのパワーを有する。光増幅用ファイバ２３は、クラッド励起方式のＹｂＤＦであって、波長９７５ｎｍにおける非飽和吸収係数が１２００ｄＢ／ｍ、長さが４ｍ、コア径が１０μｍ、コアのＮＡが０.０８程度である。光増幅用ファイバ２３の内クラッドは、１２５μｍの直径を有し、ＮＡが０.４６程度である。

本実施形態に係る表面改質方法では、上記のようなパルスレーザ装置１から出力されるパルスレーザ光のビーム径（ＥＰＤ）を８ｍｍに拡大し、その後に、ガルバノスキャナおよび焦点距離１００ｍｍのｆθレンズによりパルスレーザ光をワークピースに照射する。このとき、ワークピースにおけるパルスレーザ光の照射位置を掃引し、また、ワークピースに照射するパルスレーザ光のフルーエンスを５〜１２Ｊ／ｃｍ^２の範囲内として、ワークピースの表面を改質する。なお、より好ましくは、パルスレーザ光のフルーエンスは、１０〜１２Ｊ／ｃｍ^２の範囲内である。

このとき、ワークピースを空気または窒素ガスの雰囲気下に配置した状態で、パルスレーザ光の照射が行われる。これにより、ワークピースの表面が改質され、その表面の親水性を向上させるのが好適である。また、ワークピースを圧縮空気の雰囲気下に配置した状態で、パルスレーザ光の照射が行われてもよい。この場合、ワークピースの表面が改質され、その表面の撥水性を向上させることが可能になる。ワークピースとしてＳＫＤ１１材料の表面を改質して、その表面の親水性を向上させるのが好適である。ＳＫＤ１１は、耐磨耗性に優れており、ダイスやゲージなどの加工具の材料として一般的に用いられる鋼材である。

以下では、ワークピースとしてＳＫＤ１１材料を用いた例について説明する。パルスレーザ装置１から出力されてＳＫＤ１１材料の表面に照射されるパルスレーザ光のスポット径は２０μｍであった。また、ＳＫＤ１１材料の酸化を防ぐ為、ＳＫＤ１１材料は窒素ガス雰囲気中に配置された。そして、ＳＫＤ１１材料の表面におけるパルスレーザ光の各パルスのビームスポットのオーバーラップ率が殆どゼロ％となるように、パルスレーザ光の照射位置が約２ｍ／ｓの速さで掃引された。なお、オーバーラップ率をあまり高くすると、ビームスポットが重なり過ぎ、バリ状の構造が形成されるので、精々５０％以下が望ましい。

図２は、ＳＫＤ１１材料表面における表面改質の様子を示す写真である。図２に示された例では、ＳＫＤ１１に照射されるパルスレーザ光は、平均パワーが４.５Ｗ、パルス幅が１０ｎｓ、繰返し周波数が１００ｋＨｚ、１パルスあたりのエネルギーが４０μＪ程度であり、フルーエンスは１２.７Ｊ／ｃｍ^２である。その他の例として、ＳＫＤ１１に照射されるパルスレーザ光は、平均パワーが４.５Ｗ、パルス幅が２ｎｓ、繰返し周波数が１００ｋＨｚ、２００ｋＨｚおよび５００ｋＨｚそれぞれである。パルス幅が２ｎｓであって繰返し周波数が１００ｋＨｚであれば、１パルスあたりのエネルギーは１６μＪ程度である。なお、フルーエンスが１２Ｊ／ｃｍ^２以上では、変色の問題が発生する可能性がある。しかしながら、変色の問題を気にしない場合は、フルーエンスが１２Ｊ／ｃｍ^２以上であっても良い。

パルス幅が１０ｎｓに設定された場合、ＳＫＤ１１材料の表面にはやや変色が見られるが、パルス幅が２ｎｓに設定された場合には、ＳＫＤ１１材料の表面は変色が認められなかった。変色の原因の一つとして熱影響が考えられる。これは、フルーエンス以外にパルス幅にも依存する現象であり、パルス幅は１０ｎｓ以下が望ましいと考えられる。

熱影響の更なる改善を目指し、パルス幅０.７ｎｓ（パルスエネルギー１４μＪ、フルーエンス４.５Ｊ／ｃｍ^２）の場合も試みたが、この場合には、フルーエンスが小さ過ぎる故か、全く加工痕が視認できなかった。なお、パルスエネルギーを現状の２０ｋＷ以上とすれば加工痕が見え始める可能性はあるが、光ファイバを利用する以上、光ファイバ内において非線形効果の影響も発生し、これ以上の高ピークパワーの達成は容易ではない。

図３は、表面改質をしたＳＫＤ１１材料の表面粗さと掃引回数との関係を示すグラフである。なお、図３ではフルーエンスは１２Ｊ／ｃｍ^２である。図３（ａ）および図３（ｂ）では、表面粗さとして２種類のパラメータＲａ、Ｒｚ（Ｒａ、Ｒｚは、ＪＩＳ−Ｂ−６０１の規格による）が縦軸とされている。これら図３（ａ）および図３（ｂ）に示されたように、ＳＫＤ１１材料へのパルスレーザ光照射の掃引の回数が多いほど、ＳＫＤ１１材料の表面粗さは大きい。図４は、表面改質したＳＫＤ１１材料の耐食性と掃引回数との関係を示すグラフである。具体的に、機械的研削直後（掃引回数０回）、走査回数１０回、および掃引回数１００回におけるアーノード分極曲線である。即ち、１ｍＶ／ｓの速度で電圧を印加していったときに単位面積当たりに流れる電流の大きさの変化を示している。なお、図４でもフルーエンスは１２Ｊ／ｃｍ^２である。図４に示されたように、ＳＫＤ１１材料へのパルスレーザ光照射の掃引の回数が多いほど、ＳＫＤ１１の耐食性が優れる。この図４に示されたように、ＳＫＤ１１材料へのパルスレーザ光照射の掃引が複数回行われた場合、その掃引回数に対して表面粗さ及び耐食性の何れも良好な相関関係を有している。すなわち、掃引回数を変更することによりＳＫＤ１１材料の表面状態の制御が可能である。

図５は、ＳＫＤ１１材料表面における表面改質の様子を示す写真である。図５（ａ）〜図５（ｄ）それぞれに示された例では、ＳＫＤ１１に照射されるパルスレーザ光は、５Ｗの平均パワー、速さ１０００ｍｍ／ｓで掃引された。図５（ａ）に示された例では、繰返し周波数が５０ｋＨｚ、パルス幅が５ｎｓのパルスレーザ光が照射された。図５（ｂ）に示された例では、繰返し周波数が５０ｋＨｚ、パルス幅が１０ｎｓのパルスレーザ光が照射された。図５（ｃ）に示された例では、繰返し周波数が１００ｋＨｚ、パルス幅が５ｎｓのパルスレーザ光が照射された。また、図５（ｄ）に示された例では、繰返し周波数が１００ｋＨｚ、パルス幅が１０ｎｓのパルスレーザ光が照射された。この図５に示されたように、表面改質された表面の状態は、パルス幅と繰返し周波数との組合せにより様々に変えられる。即ち、メッキ材料の種類などに応じて最適な表面状態を選ぶことが可能になる。また、掃引方向を変えることで、特定の方向への摩擦係数のみを高めることもできる。

図６は、ワークピース表面の撥水性を試験するための試験系を説明する図である。この試験系では、注射器８１に容れられた水８２を、その注射器８１の針の先端から直径１ｍｍの水滴８３として、ワークピース９の表面に落下させる。ワークピース９の表面に落下した水滴８４の高さｈおよび半径ｒそれぞれは、ワークピース９の表面の撥水性に応じたものとなる。このワークピース９の表面の水滴８４の高さｈおよび半径ｒを測定して、「α＝２tan^-1(ｈ／ｒ)」なる式に基づいてパラメータα（以下、接触角度という）の値を求める。この接触角度αの値は、ワークピース９の表面の撥水性を示す。

研削後であって表面改質前のＳＫＤ１１材料の表面では、接触角度αの値は７７度であった。これに対して、スポットオーバーラップ率０％、レーザ平均出力４.５Ｗ、パルス幅１０ｎｓおよび窒素ガス雰囲気中という条件で１回掃引による表面改質を行った後のＳＫＤ１１材料の表面では、図７に写真が示されるとおり、接触角度αの値は９度であった。このように、ＳＫＤ１１材料の表面の親水性が顕著に向上しており、メッキ加工などに有利になることが判る。その一方で、例えば、走査回数を増やす等、パルスレーザ光の照射の条件次第では、ＳＫＤ１１材料の表面の撥水性を向上させることができる。即ち、上記の条件で１００回掃引をすると、図８に写真が示されるとおり、接触角度αの値は８７度になった。

なお、ワークピースは、金型等への用途を考慮すれば、鉄系材料であるのが好ましい。金型材料として好適な鉄系材料は、上述のＳＫＤ１１に限らず多種多様であり、材質によって挙動も様々である。例えば、ＳＫＤ１１より耐食性、鏡面性に優れるＳＴＡＶＡＸも好適である。以下に、ＳＫＤ１１およびＳＴＡＶＡＸのパルスレーザ光照射実験の結果についても示す。

このパルスレーザ光照射実験は、ＳＫＤ１１およびＳＴＡＶＡＸそれぞれを、窒素ガス、圧縮空気、大気中の各雰囲気下に配置して行われた。の３通りである。ＳＫＤ１１およびＳＴＡＶＡＸそれぞれを窒素ガスまたは圧縮空気の雰囲気下に配置する場合、図９に示されたように、加工サンプルを内寸２０ｍｍ×７２ｍｍ×７０ｍｍのケース１００に収め、内径２．５ｍｍのチューブ１０１を介して窒素ガスまたは圧縮空気がケース１００内に注入され、ケース１００内は０．１ＭＰａの気圧に維持される。

図１０は、加工サンプルとしてＳＫＤ１１およびＳＴＡＶＡＸにパルスレーザ光が照射されたときの測定結果である。具体的には、繰返し周波数１００ｋＨｚ、スポットオーバーラップ率０％、掃引回数1回とした条件下でのパルスレーザ光照射により得られた、加工サンプル改質面における撥水性の測定結果である。なお、図１０（ａ）はＳＫＤ１１の測定結果、図１０（ｂ）はＳＴＡＶＡＸの測定結果を示す。また、図１０（ａ）および図１０（ｂ）それぞれのグラフは、縦軸が図６で規定された接触角度α（°）を示し、横軸はパルスレーザ光照射が終了した時点からの経過時間（分）を示す。加工サンプルに照射されるパルスレーザ光は、１０６０ｎｍの中心波長、５Ｗの平均パワー、１０ｎｍのパルス幅を有する。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）それぞれから判るように、ＳＫＤ１１、ＳＴＡＶＡＸの何れにおいても、大気中が最も親水性は高く、圧縮空気中では寧ろ窒素雰囲気中よりも撥水性は向上する。更に、何れの測定結果とも、パルスレーザ光の照射後における撥水性が時間経過と共に向上するという独特の現象も観測された。パルスレーザ光の照射後は、寧ろ非常に親水性の高い表面が得られる。

以上、図１０（ａ）および図１０（ｂ）の測定結果から、親水性または撥水性を制御するには、パルスレーザ光の照射条件の最適化はもとより、照射後の経過時間の最適化が重要である。例えば、パルスレーザ光の照射終了時点から４００分以上、空気中に保管しておくか、あるいは、その表面にパルスレーザ光が照射されたワークピースを別の処理を施すことなく保管しておくことにより、安定した表面特性が得られる。

さらに、パルスレーザ光の平均出力パワーを５Ｗとし、繰返し周波数を５０ｋＨｚまたは１００ｋＨｚとし、パルス幅を５ｎｓまたは１０ｎｓとし、加工雰囲気を窒素または大気中とし、また、レーザ光走査方向を研削方向に平行として、ＳＫＤ１１材料に対して同様の実験を行った。その実験結果を図１１〜図１３に示す。

図１１は、窒素雰囲気で行った実験の結果を示す図であり、図１１（ａ）はパルス幅を５ｎｓとした場合の結果、図１１（ｂ）はパルス幅を１０ｎｓとした場合の結果をそれぞれ示す。図１２は、大気中で行った実験の結果を示す図であり、図１２（ａ）はパルス幅を５ｎｓとした場合の結果、図１２（ｂ）はパルス幅を１０ｎｓとした場合の結果をそれぞれ示す。また、図１３（ａ）は、窒素雰囲気で行った実験の際のＳＫＤ１１材料表面における水滴の形状の様子を示す写真であり、図１３（ｂ）は、大気中で行った実験の際のＳＫＤ１１材料表面における水滴の形状の様子を示す写真である。

図１１および図１３（ａ）に示されたように、窒素雰囲気中で行ったパルスレーザ光照射実験の結果は、既に説明した結果と略同様であった。これに対して、図１２および図１３（ｂ）に示されたように、大気中の場合には、接触角度αの値が小さく、ぬれ性がよい。すなわち、大気中においてパルスレーザ光照射を行うことにより、ぬれ性の向上が可能となる。

図１４は、ワークピース表面の耐摩耗性を試験するための試験系を説明するための図である。この試験系では、ワークピース９を載置したステージ９１をモータ９２により移動させるとともに、このステージ９１上のワークピース９に対してボール９３を接触させて荷重を与え、ワークピース９の移動に伴うボール９３の変位の量をストレインゲージ９４により測定する。このストレインゲージ９４による測定結果は、ボール９３の材料に応じたワークピース９の耐摩耗性を示す。

そして、スポットオーバーラップ率０％、レーザ平均出力４.５Ｗ、パルス幅１０ｎｓおよび窒素ガス雰囲気中という条件で、掃引回数を１、１０、５０、１００回それぞれとしたＳＫＤ１１材料をワークピース９として用いた。また、ボール９３として、ＳＵＪ２およびポリエチレンそれぞれからなるものを用いた。

図１５は、ＳＵＪ２からなるボール９３を用いた場合の耐摩耗試験結果を示すグラフである。なお、図１５ではフルーエンスは１２Ｊ／ｃｍ^２である。図１６は、ポリエチレンからなるボール９３を用いた場合の耐摩耗試験結果を示すグラフである。何れの場合にも、掃引回数５０回のときが良好な結果を示している。このことから耐摩耗性を向上するには掃引回数の最適化が有効であることが判る。

本発明に係る表面改質方法において好適に用いられるパルスレーザ装置１の構成図である。 ＳＫＤ１１材料表面における表面改質の様子を示す写真である。 表面改質をしたＳＫＤ１１材料の表面粗さと掃引回数との関係を示すグラフである。 表面改質をしたＳＫＤ１１材料の耐食性と掃引回数との関係を示すグラフである。 ＳＫＤ１１材料表面における表面改質の様子を示す写真である。 ワークピース表面の撥水性を試験するための試験系を説明する図である。 ＳＫＤ１１材料表面における水滴の形状の様子を示す写真である。 ＳＫＤ１１材料表面における水滴の形状の様子を示す写真である。 ＳＫＤ１１およびＳＴＡＶＡＸのパルスレーザ光照射実験の一部構成を説明するための図である。 ＳＫＤ１１およびＳＴＡＶＡＸのパルスレーザ光照射実験の実験結果を示す図である。 窒素雰囲気で行った実験の結果を示す図である。 大気中で行った実験の結果を示す図である。 ＳＫＤ１１材料表面における水滴の形状の様子を示す写真である。 ワークピース表面の耐摩耗性を試験するための試験系を説明する図である。 ＳＵＪ２からなるボール９３を用いた場合の耐摩耗試験結果を示すグラフである。 ポリエチレンからなるボール９３を用いた場合の耐摩耗試験結果を示すグラフである。

１…パルスレーザ装置、１１…半導体レーザ光源、１２…変調部、２１〜２３…光増幅用ファイバ、３１〜３３…励起光源、４１〜４３…アイソレータ、５１，５２…カプラ、５３…コンバイナ、６１…バンドパスフィルタ、７１…コリメータ、１００…ケース、１０１…チューブ。

Claims (15)

1. 所定の繰り返し周波数にてパルス光を出力する種光源と励起光が供給されることにより前記種光源からのパルス光が光増幅される光増幅ファイバとを有するパルスレーザ装置から出力されたパルスレーザ光をワークピースの鉄系材料の表面に照射することにより、前記ワークピースの鉄系材料の表面の親水性、撥水性、耐食性、表面粗さの少なくとも何れか一つを向上させる表面改質方法であって、
   前記パルスレーザ装置として、前記パルスレーザ光のパルス幅および繰り返し周波数が互いに独立に調整可能なパルスレーザ装置を用意し、
   前記パルスレーザ装置に対し、前記パルスレーザ光の１パルス当たりのフルーエンスが５〜１２Ｊ／ｃｍ²の所定範囲内となるよう、前記パルスレーザ光のパルス幅および繰り返し周波数を独立に調整し、
   前記パルスレーザ装置から前記ワークピースに向けて、その１パルス当たりのフルーエンスが前記所定範囲に設定されたパルスレーザ光を照射する
   ことを特徴とする表面改質方法。
   
2. 前記パルスレーザ光の１パルス当たりのフルーエンスは、１０〜１２Ｊ／ｃｍ²の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
3. 前記パルスレーザ光のパルス幅は、１０ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
4. 前記パルスレーザ光の繰り返し周波数は、５０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
5. 前記パルスレーザ装置は、光増幅用ファイバを含む光増幅器を含むことを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
6. 前記パルスレーザ装置の種光源は、直接変調の半導体レーザを含むことを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
7. 前記ワークピースを空気または窒素ガスの雰囲気下に配置し、
   前記パルスレーザ装置から前記ワークピースに向けた前記パルスレーザ光の照射を行うことにより前記ワークピースの表面を改質し、前記ワークピースの表面の親水性を向上させる
   ことを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
8. 前記ワークピースに圧縮空気を噴射し、
   前記パルスレーザ装置から前記ワークピースに向けた前記パルスレーザ光の照射を行うことにより前記ワークピースの表面を改質し、前記ワークピースの表面の撥水性を向上させる
   ことを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
9. 前記パルスレーザ光の照射終了時点から４００分以上、空気中に保管しておくことを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
10. 前記パルスレーザ光の照射終了時点から４００分以上、その表面に前記パルスレーザ光が照射されたワークピースを別の処理を施すことなく保管しておくことを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
11. 前記鉄系材料は、ＳＫＤ１１（ＪＩＳ規格ＪＩＳＧ４４０４）またはＳＴＡＶＡＸ（登録商標）であることを特徴とする請求項１０記載の表面改質方法。
12. 前記パルスレーザ光の１パルス当たりのフルーエンスは、１０〜１２Ｊ／ｃｍ ² の範囲内であり、
    前記パルスレーザ光のパルス幅は、１０ｎｓ以下であり、
    前記パルスレーザ光の繰り返し周波数は、５０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
13. 金型をワークピースとして、その表面に請求項１〜６、８〜１１のいずれか一項記載の表面改質方法を実施することにより、前記金型の表面における撥水性を向上させることを特徴とする金型の表面改質方法。
14. 金型をワークピースとして、請求項１〜１１のいずれか一項記載の表面改質方法を実施した後、前記金型の表面にめっきを施すことを特徴とする金型の表面改質方法。
15. パルスレーザ光照射の掃引回数を調整することで前記金型の表面における耐食性を向上させることを特徴とする請求項１４記載の金型の表面改質方法。