JP6254540B2 - 時計要素の彫刻方法およびその方法によって得られる時計要素 - Google Patents

Description

本発明は、部品の彫刻方法、とりわけ彫刻・着色方法に関する。本発明は、その方法を用いて得られる要素または部品、とりわけ時計要素、特に携帯時計要素にも関する。本発明はさらに、その要素を備えた時計、とりわけ携帯時計に関する。

鋼製部品に底部が着色された溝を作り出そうとするとき、従来は機械加工法や化学的彫刻・着色法が用いられており、十分な結果を得るためには、クロムＣｒ（ＶＩ）のような毒性の強い化合物やマスキング材の使用が必要となる。有毒化合物の使用の問題に加え、その方法は何段階にもわたって行われるもので、実施に時間を要する困難な方法である。

この種の方法に対する時計用途の要求はきわめて高いことに留意すべきである。すなわち、美的外観はきわめて重要であり、彫刻および着色は、欠陥やずれが一切ないものでなければならない。また、そうして彫刻され、着色される構成要素は、衝撃や環境にさらされる外装構成要素（ベゼル、ガラス、裏蓋、胴など）でありうるため、堅牢性に対する要求も高い。いずれの場合でも、機械加工後の部品は徹底的に洗浄しなければならず、着色は、そのような処理に耐えるだけの付着力を有していなければならない。

特許文献１は、パワー密度に応じて色が変わる赤色を鋼表面に得ることができるｋＨｚ程度のパルス繰り返し数のナノ秒レーザの利用について記載している。

特許文献２は、金属および金属酸化物の層を備える「イメージング層」による金属表面への着色に言及している。この補足的な層は、所望の着色を得るためには欠かせないものである。この明細書はとりわけアルミニウム／アルミナのイメージング層について言及している。

特許文献３は、表面に、とりわけクロムを主体とする被覆を備える表面に着色（濃色）ゾーンを生成することを目的とした持続時間５ｎｓ超のレーザパルスの使用について記述している。

特許文献４は、鋼に対するピコ秒レーザによる鋼表面へのマーキングを表面における周期的構造の作成によって得ることについて説明している。

特許文献５は、金属試料の表面におけるフェムト秒レーザによる周期ナノ構造の作成について記述している。これらの構造は色彩（黒、灰、金）と表面の改質とを得ることができるものである。黒色はアルミニウム上に形成され、黒の濃淡はレーザのフルエンスによって与えられる。

欧州特許出願公開第０６４７７２０号 米国特許第６１８０３１８号 国際公開第９４１１１４６号 国際公開第２０１１１６３５５０号 国際公開第２００８０９７３７４号

本発明の目的は、上述の欠点を是正し、従来技術の既知の方法を改善することができる時計部品の彫刻方法を提供することにある。とりわけ、本発明は既知の方法を簡素化することができる彫刻方法を提案する。

本発明による彫刻方法は請求項１によって定義される。

従属請求項２から２１によって彫刻方法の様々な実施形態が定義される。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、加工底面の色は切削前の部品表面とは異なるものであることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、切削と着色は連続して行うことができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、機械加工時と着色時のビームの照射パラメータは異なるものであることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、側方向（または、より一般的には別方向）の重なり率は６０％未満、さらには約５０％、さらには１０％未満、さらには５％未満、さらにはゼロまたはほぼゼロであることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、部品は塊状の材料であることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、部品は少なくとも７５重量％の金を含む材料であることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、ビームは部品の表面または部品のほぼ表面に集束させることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、切削および着色は素材を外部から加えることなく行うことができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、切削により、深さ１０μｍ超、とりわけ４０μｍ超の溝の形成をもたらすことができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、加工底面に着色される色は黒または白であることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、パルス繰り返し周波数は１ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲であることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、レーザの波長は３００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲であることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、ビームのパワーは１Ｗ〜６Ｗの範囲であり、たとえば１ｋＨｚで１．４Ｗ、３００ｋＨｚで５．５Ｗであることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、パルスのエネルギーは０．５μＪから２ｍＪ、とりわけ５μＪから１００μＪであることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、ビームのエネルギーは半波長板および／または偏光スプリッタキューブによって調節することが可能で、その際、半波長板はビームの直線偏光を回転させることができるものであり、および／または、偏光キューブはビームの伝播面と平行な偏光を伝達し、伝播面と垂直な偏光を偏向させることができるものである。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、平行またはほぼ平行な曲線、とりわけ線に沿ってレーザビームを部品に対して移動させることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、工程のパスごとにそれぞれ様々な方向をなす曲線、とりわけ直線に沿ってレーザビームを部品に対して移動させることができる。とりわけ、工程の連続するパスで角度、特に直角を形成する直線に沿ってレーザビームを移動させることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、レーザビームの直径は５μｍから６０μｍ、とりわけ２０から３０μｍ、特におよそ３０μｍ、特に２７μｍであることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、ビームは２５０ｍｍ．ｓ^−１未満、とりわけ２００ｍｍ．ｓ^−１未満の速度で移動させることができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、部品に対して複数回、とりわけおよそ１０回またはおよそ２０回のパスでレーザビームの移動を行うことができる。

技術的に両立しない場合を除いて各実施形態および上記変形形態と組み合わせることが可能な一変形形態では、切削は、パス１回当たり４μｍ以上、とりわけパス１回当たり８μｍ以上の平均深さの溝の形成をもたらす。

技術的に両立しない場合を除いて、上記変形形態および／または上記実施形態のすべての特徴はそれぞれ自由に組み合わせることができる。

本発明による要素または部品は請求項２２から２６によって定義される。

本発明による時計メカニズムは請求項２７によって定義される。

本発明による時計は請求項２８から３１によって定義される。

添付の図面は、本発明による彫刻方法の実施形態の図解を例示するものである。

本発明による彫刻方法によって得られた竜頭である。 本発明による彫刻方法によって得られた構成要素である。 本発明による彫刻方法の模式図である。 彫刻される部品におけるレーザパルスによる衝撃点の空間表現の基本諸元の図である。 彫刻される部品におけるレーザパルスによる衝撃点の第１の空間表現である。 彫刻される部品におけるレーザパルスによる衝撃点の第２の空間表現である。 本発明による方法を適用して溝を形成するためのレーザビームの第１の走査モードの図である。 本発明による方法を適用して溝を形成するためのレーザビームの第２の走査モードの図である。

本発明による方法の一実施形態では、フェムト秒レーザ加工によってもたらされる可能性を利用して、金属または非金属の塊状材料の部品または要素に対して１回の作業だけで彫刻と着色を行う。その際、この方法は、追加の素材を供給することなく、材料の元の色とは異なる色を底面に呈する溝を、とりわけ金、プラチナ、鋼またはチタンに黒の面を、形成することができる。このような展開は、従来のフェムト秒レーザの新規の適用であり、金属材料の部品に１回の作業だけで溝を形成し、その底に着色することを可能にする。

そのため、基材に、特に金属基材、たとえば鋼、チタン、金またはプラチナなどに、底が黒く着色された溝を、フェムト秒レーザ加工の１回の作業だけで、一切素材を追加することなしに形成することが可能である。

さらに、基材に、特にセラミックスまたはガラス基材、たとえばジルコニア、アルミナ、サファイアなどに、底が白く着色された溝を、フェムト秒レーザ加工の１回の作業だけで、一切素材を追加することなしに形成することが可能である。

部品の彫刻方法の一実施形態では、部品に対して加工または切削と加工底面の着色とを行えるように、それぞれの持続時間が１ピコ秒未満のパルスのレーザビームを部品に照射する。そのため、フェムト秒レーザを使用する。

この技法は、模様を迅速、確実に、複製可能な形で、なおかつ環境に有害な物質を使用することなく、しかも１ステップのみの工程で作成することができる。

フェムト秒レーザは、持続時間が数フェムト秒から数百フェムト秒（１ｆｓ＝１フェムト秒＝１０^−１５秒）程度の超短パルスを生成する特定の種類のレーザである。フェムト秒レーザという語も、フェムト秒パルスレーザという語も特に区別なく使われている。

工程の同じ１つのステップの中に彫刻と着色の２つのステップを組み合わせるためには、超短パルスレーザ、特にフェムト秒タイプのレーザの使用が必要となる。実際、材料の損傷を最小化するためには、ごく短い、ピコ秒に満たない持続時間のパルスを用いることが欠かせない。

従来技術で目指されてきたこと、すなわち周期的構造の獲得とは裏腹に、周期的構造は必ずしも望ましいものではない。それによって得られる色は視角に左右される可能性があるためである。

彫刻される部品は種類の異なるものである可能性があり、特に竜頭１や、ベゼル、フランジ、時計ケース裏蓋などの時計外装構成要素３、腕時計のケースまたはブレスレットの構成要素、さらには、たとえばエボーシュ、地板、受、歯車、さらには天輪のような時計ムーブメントの構成要素である可能性がある。

図１は、本発明による方法を適用した彫刻を竜頭に施しているところを示したものである。パターンをなす溝２はすでに部分的に出来上がっている。その溝の底は、材料の他の表面とは異なる色および外観であって、この場合は黒色である表面を見せる。

図２は、本発明による方法を適用して彫刻を施した後の構成要素３を示したものである。模様をなす溝４が形成されている。

図３は、本発明による彫刻方法を示した断面の模式図である。部品１に対してレーザビーム５による衝撃が加えられる。その衝撃により、平均深さｈの溝２を作り出し、その溝の底６に着色をもたらすことができる。

下に説明する実験に使用したレーザは、繰り返し数が１〜３００ｋＨｚの範囲で可変かつ調整可能な持続時間４５０ｆｓのパルスを発するフェムト秒レーザ（たとえば、Ａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ Ｓｙｓｔｅｍｅｓ製で、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｍｐｌｉｔｕｄｅ−ｓｙｓｔｅｍｅｓ．ｃｏｍ／のサイトに記載のあるものなど）である。使用した波長は１０３０ｎｍであるが、第２または第３高調波を発生させる周波数２逓倍器または３逓倍器を通すことによって５１５ｎｍまたは３４３ｎｍに変えることもできる。放出される平均パワーは、典型的には、１ｋＨｚの繰り返し数で１．４Ｗ、３００ｋＨｚの繰り返し数で５．５Ｗである。平均エネルギーは１８μＪから１．４ｍＪの範囲で調整可能であり、レーザ出口における偏光は直線である。

ビームを整形するための光学系は、放出エネルギー、偏光およびビームのサイズを調節できるように、様々な要素によって構成される。エネルギー調節モジュールは半波長板と偏光スプリッタキューブによって構成される。半波長板はレーザビームの直線偏光を回転させることができる。偏光キューブは、ビームの伝播面と平行な偏光を伝達し、伝播面と垂直な偏光は偏向させる。そのため、この装置は、レーザによって放出されるエネルギーを加工内容に合わせて精度よく選択することができる。エネルギー調節モジュールの後に配設される１／４波長板は、レーザビームの直線偏光を円偏光に変えることができる。描かれる軌跡に対するアブレーションの有効性は、直線偏光の向きに沿って直接的に影響され、円偏光の使用はその効果が不均一にならないことを保証する。ただし、本発明は、直線偏光でも円偏光でも同様に実施することができる。

そして、２つのレンズ（発散レンズと収束レンズ）からなる無限焦点系では、集束前にビームのサイズを大きくすることができる。集束前にビームのサイズを大きくすることによって、集束したビームの最終的な寸法を小さくすることができる。試験は×２から×８までの無限焦点で行った。

直線および回転移動台、走査モジュール、試料を高精度で位置決めできる顕微鏡型の視角化システム、照明システムおよび吸塵システムを備えた作業ステーションが使用される。

ビームは、電子制御されるビームの光学偏向装置によってターゲットに対して走査される。ビームは、制御ソフトウェアを用いて所望のパターンを作成することができる。使用する走査ヘッドはＳｃａｎＬａｂのＩｎｔｅｌｌｉＳｃａｎヘッドである。スキャナの口径は１４ｍｍであり、到達可能なマーキング速度は、１１ｍ／ｓの位置決め速度に対しておよそ４ｍ／ｓである。走査モジュールに使用するレンズはｆθレンズまたはテレセントリックレンズである。ｆθレンズまたはテレセントリックレンズはＸＹ領域全域にわたって集束面を得ることができるもので、集束面が曲面となる標準レンズとは異なる。そのため、領域全体にわたって一定の集束ビームサイズを保証することができる。ｆθレンズの場合、ビームの位置はスキャナによって適用される角度に正比例するが、テレセントリックレンズの場合は、ビームは試料に対して常に垂直をなす。試験では２つのレンズがテストされ、１つは焦点距離１００ｍｍのｆθレンズ、もう１つは焦点距離６０ｍｍのテレセントリックレンズであった。好ましくは１００ｍｍレンズを使用する。

ターゲットに対するビームの走査は、得られる結果に非常に大きな意味を持つ。実際、用いる走査速度および走査ピッチは、彫刻と着色とを同時に得る上で決定的に重要である。

図４は、部品またはターゲットに対するレーザパルスの３つの衝撃点１１の位置を示したものである。直接連続する２つの衝撃点は第１の方向に沿って心合わせされ、距離Ｌ（連続する２つの中心間で測定）によって隔てられる。この距離は繰り返し数Ｔおよび走査速度Ｖ（すなわち第１の方向に沿った移動速度）に依存し、Ｌ＝Ｖ／Ｔである。たとえば、我々の試験の大半でそうであったように、Ｖ＝１００ｍｍ／ｓでＴ＝１００ｋＨｚであれば、Ｌ＝１μｍである。Ｒ_ｆｏｃはターゲットまたは部品におけるビームの半径であって、半値高で測定した半径である（ビームの直径Ｄ_ｆｏｃ＝２．Ｒ_ｆｏｃを取り上げることもある）。好ましくは、ビームは加工する構成要素の表面に集束させる。

１つの走査ラインが（第１の方向に沿って）終わると、ビームは第１の走査方向と垂直な第２の方向に沿って距離Ｌ’だけ移動して、新たな走査ラインの加工が開始される。この距離Ｌ’は「走査ピッチ」とも呼ばれる。

距離Ｌによって長手方向の重なり率を定めることができ、距離Ｌ’によって側方向の重なり率を定めることができる。これらの重なり率は、第１の方向（走査方向）および第２の方向に沿って隣接する２つの衝撃点に共通する面積を表している。長手方向（すなわち第１の方向）の重なり率Ｏは次式によって与えられる。
２・Ｒ_ｆｏｃ≧Ｌのとき、

２・Ｒ_ｆｏｃ＜Ｌのとき、Ｏ＝０
ただし、

側方向（すなわち第２の方向に沿った）重なり率Ｏ’は、上のそれぞれの式でＬをＬ’に置き換え、同じように定める。

このように、図５に示したような長手方向および側方向の重なり率でも、またはそれとは非常に異なる図６に示した長手方向および側方向の重なり率（側方向重なり率がほぼゼロの）でも、走査を行うことができる。

長手方向と側方向の重なり率は、得られる結果に影響を及ぼすことなく、互いを入れ替えることが可能であることが確認された。そのため、所与の長手方向重なり率Ｏ＝ｔ１および側方向重なり率Ｏ’＝ｔ２による走査を行って得られる効果は、長手方向重なり率をｔ２、側方向重なり率をｔ１として走査を行って得られる効果とほぼ等価である。

さらに、走査は、第１の方向１２だけで行うか（図７に示すもので、「ハッチ」走査または「単ハッチ」走査とも呼ばれる）、または第１の方向１２で行い、次いで別の方向１３、たとえば垂直方向（図８に示す「クロスハッチ０°−９０」）もしくは４５°で行うことができる。表面に得られる模様はミクロンレベルでは明らかに同じではない。走査戦略はきわめて変わりやすいものであり、材料に依存するところが大きい。

方法に影響する主なパラメータは以下のとおりである。
− ターゲットにおけるビームのパワー。レーザは一般に常に最大パワーで放出されるものであり、減衰は、直線偏光子および偏光キューブによって構成される光学系によって行われる。
− ターゲットにおけるビームの直径であって、集束レンズ手前の光路上に配置される絞りによって調整される直径。光学系の手前でビーム径が減少すると、ターゲットに当たるビームの直径は増大する。たとえば、試験に使用した設備では、集束レンズ手前の１０ｍｍの直径によってターゲット上に２７μｍの平均径のビームが作り出される。別の試験は、ターゲットに２１μｍの平均径のビームが当たるようにして行われた。ビームの直径として示すのは、標準ビームアナライザで測定したような半値高平均直径である。
− 使用システムで調整可能なパルス繰り返し数。
− パワーを周波数で除したものに相当するパルス当たり平均エネルギー。そこから、エネルギーを面積（πＲ_ｆｏｃ ^２として計算）で除したものに等しい実効フルエンスを導き出す。
− パルス持続時間。実施した大半の試験で４５０ｆｓであった。発生するパルス持続時間が２００ｆｓの別のレーザでも、他のパラメータを適合させることによって同等の結果を得ることができた。その場合、パルス持続時間の実効フルエンス倍に等しいパワー密度を考えることができる。表１の使用条件を例にとると、３８．６μＪの平均エネルギー、６．６Ｊ／ｃｍ^２の実効フルエンス、１４．６×１０^１２Ｗ／ｃｍ^２のパワー密度を引き出すことができる。実施した試験によっては、十分な結果を得るためには３×１０^１２Ｗ／ｃｍ^２超のパワー密度であることが好ましい。
− ビームの波長。一般に、最大のパワーを手に入れるため、レーザから供給される１０３０ｎｍの波長が使用される。しかし、サファイアのような一部の材料では、その材料の場合に吸収が明らかに高まるＵＶ領域の３４３ｎｍの波長を用いることが有利となることがありうる。これは、周波数の３逓倍によってもたらされる出力の大幅損失にもかかわらず、アブレーション速度が高まることによる。
− 長手方向および側方向の重なり率は、着色を得る上で最も重要なパラメータである。走査のタイプによる影響はほとんどの場合は二次的なものだが、よりよい結果を得るのに役立つ可能性がある。

走査速度は、パルス繰り返し数およびビーム直径が固定されている場合には重なり率を直接決めるものとなる。通常は、加工時間を最小化する目的で極力大きな繰り返し数が、さらにフルエンスを最大化する目的で小さめのビーム径がそれぞれ選ばれ、重なり率に関して決定因となるのは走査速度である。

現在の技術によるレーザ加工の際には、走査速度は、アブレーション率が高くなるように、したがって加工速度が速くなるように、極力高いものとされる。表１に示した条件では、その加工速度は１０００ｍｍ／ｓとされており、それによって適切かつ迅速な彫刻が可能となるが、溝の底に顕著な着色を得ることはできない（たとえば、図２の構成要素の内面に彫刻された英数字７を参照のこと）。

広く認められているところとは異なり、我々は走査速度を落とすことによって、刻印の底に黒の着色を生じさせながら、良好なアブレーションを得ることが可能であることに気づいた。たとえば、それは下の表１にまとめた条件で、走査速度をフェムト秒パルスレーザを使った従来の加工用に適合された速度の１０分の１とした場合である。この条件は、特に図１の竜頭のパターンや、図２の構成要素の上面３に彫刻された文字を得る目的で利用された。この写真を見ると、標準的な走査速度（標準加工条件）と、アブレーション条件を変えることなしに彫刻と着色を同時に行う我々の条件との違いをよく見て取ることができる。

表１の使用条件では、優れた精細度、洗浄後（超音波および洗剤）の完璧な外観、および優れた耐久性（超音波などによる着色の剥離なし）を備えた平均深さ９０μｍの溝をＰ５５８鋼に対して得ることができる。以下のような点に留意することができる。
− 同等の単（ハッチ）走査の加工で大いに満足すべき結果が得られる。
− １回の加工パスだけでかなりの（４〜１０μｍ）刻印の深さと満足すべき着色とを得るのに十分である。すなわち、切削により、パス１回当たり平均深さ４μｍ以上の溝の形成をもたらす。

表２には、様々な走査速度で行った実験と、対応する長手方向重なり率および着色に関する結果をまとめる。このケースでは、１００ｍｍ／ｓ（Ｏ＝９５．３％）前後の速度が理想的であり、２５０ｍｍ／ｓ以上（Ｏ≦８８．２％）での結果は満足すべきものではないことがわかる。極端に低い走査速度は好ましくない。これは、満足すべき色の付着が得られないためで、速度が低い（したがって、重なり率が非常に高い）場合、超音波洗浄の際に剥離を生じることになる。

鋼の場合、９０％超、とりわけ９２％超、さらにとりわけ９４％超の重なり率では、１回の処理工程だけで刻印底が着色された溝を得ることができ、深さは実施するパス（全面走査）の数によって調整することができる。当然のことながら、重なり率はどの場合も厳密に１００％を下回ることとなる（ビームの移動を伴う動的加工）。

たとえば、ＣＩＥ Ｌａｂ Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊指数がＬ^＊＜２０であるような値を示す場合、その色は黒であると言う。

側方向重なり率に関しては、使用ピッチはＬ’＝１０μｍで、それによって率Ｏ’＝５４．４％となる。ピッチを２０μｍおよび３０μｍに広げると、重なり率はそれぞれ１５．２％および０％となる。

我々はまた、レーザビームを表面上に集束させることが好ましいことも確認した。標準的な加工条件では、彫刻速度を上げるためにビームをデフォーカスする（したがって、焦点面を表面よりも上方または下方に持っていく）ことが推奨されている。

彫刻の深さは、パス数、したがって走査模様の繰り返し回数によって調整することができる。すなわち、パス数が増えるほどに溝は深くなる。また、黒の色合いの外観は、刻印が深い方がよくなるように思われる。

時計における要件に適合した美しさで、彫刻と溝底の着色とを同一作業で得るにはフェムト秒パルスレーザの使用が不可欠である。たとえばナノ秒レーザでは、最初に彫刻を行うことは可能であるが、加工による損傷度合いが大きく、時計構成要素の美的外観を許容範囲を超えて損なうことになる上に、着色はその後に別工程で行う必要がある。我々の試験では、パルス持続時間はいかなる場合も１ｐｓ未満でなければならないことが示された。そのため、選択した条件のもとでは、アブレーションの飽和を来すことなく、彫刻と着色とを同時に行えることを確認することは大いに注目に値する。

図３は方法を図解したものである。表面に集束させたフェムト秒レーザのパルス５は、材料のアブレーションを行えるようにして機械加工による彫刻を可能にすると同時に、素材を追加することなしに、付着物および／または特殊な幾何学構造が刻印底６に形成されることによるであろう着色を刻印底に得ることができる。

Ｐ５５８鋼以外にも、９０４Ｌ鋼およびチタンが使用されたが、すべての点において同等の結果が得られた。チタンの場合は以下の条件がとりわけ有利である。すなわち、ターゲット上でのパワー２．４Ｗ、繰り返し数３００ｋＨｚ、０°−９０°クロス走査（垂直パス）（クロスハッチ）戦略、走査ピッチ５μｍ、走査速度４００ｍ／ｓ、パス数１２である。

当然のことながら、鋼もしくはチタン、またはその他の使用金属材料の種類に応じて、さらには当該フェムト秒レーザ加工システム（レーザ、ビームの波長、パルス持続時間、フルエンス、光学系、走査ヘッドなど）によって、条件の調整が必要となる場合がある。とりわけ、フルエンス、長手方向および側方向の重なり率、走査戦略はそれぞれの材料について最適化される必要があろう。

フェムト秒レーザは、鋼に対する場合と同様、金合金に対しても、外部から素材を加えることなく、彫刻と溝底の黒の着色とを行うことができる。

我々の試験によれば、単（単ハッチ）走査またはクロス（クロスハッチ）走査と、ごくわずかであるか、さらにはほぼゼロまたはゼロである側方向重なり率を用いることが、刻印底の黒の着色をアブレーションと同時に得るには好ましいと思われる。

この方法は、様々な種類の金、とりわけ、イエローゴールド、ピンクゴールド、グレーゴールドのような１８金合金に対してすべての箇所で満足すべき黒の着色を得ることができる。

対応する長手方向重なり率は９９．１％で、側方向重なり率は０である。イエローゴールドに対して得られる平均深さは１２μｍ、ピンクゴールドでは１１μｍ、グレーゴールドでは４μｍである。

Ｐｔ９５０合金製の構成要素に対して溝底の着色を伴う刻印を形成するための使用条件はＡｕと似通ったものである。Ｐ５５８鋼に対する表１の条件と同じ条件を用いた場合、得られる効果は灰色がかっており、満足できるものではない。側方向重なり率を小さく（約０％）、長手方向重なり率を大きく（たとえば９９％超）していくことにより、下表に示すように、アブレーションと同時に黒の着色を得ることができる。

アルミニウム、ＬＩＧＡ法で付着させたＮｉもしくはＮｉＰ、Ｓｉまたは真ちゅうなど、他の金属材料でも同様の結果が得られるであろうことはかなりありうることである。

当然のことながら、材料の種類に応じて、さらに当該フェムト秒レーザ加工システム（レーザ、ビームの波長、パルス持続時間、フルエンス、光学系、走査ヘッドなど）によって、条件の調整が必要である。とりわけ、フルエンス、長手方向および側方向の重なり率、走査戦略は、それぞれの材料ごとに、特に使用する設備および／または光学治具に応じて最適化される必要があろう。

さらに、フェムト秒レーザを用いることで、フォトレジスト層または、電着層、ＰＶＤもしくはＣＶＤまたはその他類するあらゆる方法で付着させた薄層などのように、表面に付着させた層をきれいに彫刻し、次いで母材を彫刻することが可能である。そうすることにより、たとえば、金の電着層で被覆した鋼製の構成要素に彫刻し、さらにフェムト秒レーザによる同じ加工作業で彫刻および溝の底の着色を行うことができる。

また、セラミックス（たとえば、アルミナやジルコニアなど）、ルビーまたはサファイアのような材料に対して、フェムト秒レーザによる同一作業時に深い彫刻と着色とを行うことも可能である。しかし、上述の金属とは違って、着色を生じさせるために使用される条件はアブレーションの飽和をもたらすものであり、そのため、深い（≧４０μｍ）溝を得ることは難しい。

そこで、これらの材料に関しては以下のようにして行うことが好ましい。すなわち、まず、第１のセットのパラメータで彫刻を行い、次いで第２のセットのパラメータで最後のパスを行って、刻印の完了と着色とを生じさせる。変更するパラメータには、重なり率および使用する走査のタイプを含めることができる。そのため、セラミックス、サファイアまたはルビーで溝底に白の着色を得るためには単走査が好ましいと思われる。

たとえば、ＣＩＥ Ｌａｂ Ｌ^＊ａ^＊ｂ^＊指数がＬ^＊＞９０であるような値を示す場合、その色は白であると言う。

ここでも、加工条件およびパラメータは、材料の種類や当該フェムト秒レーザの加工システムに応じて調整する必要があろう。説明用として、以下にルビーとサファイアの例を挙げる。

ルビーに関する試験では、溝底に白い付着物を伴った溝を得ることができた。重要なことは、着色を得るために大きな重なり率と強いパワーを用いることである。

ルビーに関する試験で使用したパラメータは次のとおりである。

そのため、着色は、好ましくは最後の刻印／加工用パスで、それまでの大きな彫刻が可能なパスとは異なるパラメータを用いて行われるという意味において、方法は金属材料（鋼、Ａｕ、Ｐｔ）の場合とは異なる。典型的には、走査速度は、着色用には彫刻用よりも１０倍以上遅い（たとえば、彫刻／着色ステップでは６．３ｍｍ／ｓであり、着色なしの彫刻では７５ｍｍ／ｓである）。得られる着色は白で、ルビーの赤と溝底の白とで優れたコントラストをなし、審美的観点からきわめて優れた表現となる。

実施した試験では、彫刻と着色を組み合わせた最後のパスで、長手方向重なり率は約９７．２％と、鋼の場合よりも大きく、側方向重なり率も約８６．６％で、鋼の場合より大きくなっている。着色なしの彫刻のパスでは、長手方向重なり率は約６６．８％、側方向重なり率は約４５．８％である。

サファイアに関する試験でも、溝の底に白い付着物を伴った溝を得ることができた。重要なことは、着色を得るために大きな重なり率と強いパワーを用いることである。

実施した試験では、彫刻と着色を組み合わせた最後のパスで、長手方向重なり率は約９９．６％と、鋼の場合よりも大きく、側方向重なり率も約８６．６％で、鋼の場合より大きくなっている。着色なしの彫刻のパスでは、走査速度はより速く、ピッチはより大きい。長手方向重なり率は約９４．８％、側方向重なり率は約４５．８％である。

当然のことながら、材料の種類に応じて、さらに当該フェムト秒レーザ加工システム（レーザ、ビームの波長、パルス持続時間、フルエンス、光学系、走査ヘッドなど）によって、条件の調整が必要である。とりわけ、フルエンス、長手方向および側方向の重なり率、走査戦略は、それぞれの材料ごとに、特に使用する設備および／または光学治具に応じて最適化される必要があろう。

これらの材料に関しても、フェムト秒レーザを用いることで、フォトレジスト層または、電着層、ＰＶＤもしくはＣＶＤまたはその他類するあらゆる方法で付着させた薄層などのように、表面に付着させた層をきれいに彫刻し、次いで母材を彫刻することも可能である。そうすることにより、たとえば、金の電着層で被覆したセラミックス製の構成要素に彫刻し、さらにフェムト秒レーザによる同じ加工作業で彫刻および溝の底の着色を行うことができる。

下表は、フェムト秒レーザ加工による彫刻と着色を組み合わせた同時効果を得る上で重要なパラメータを、調査した様々な種類の材料における例としての典型的な値とあわせてまとめたものである。

材料区分ごとに、好ましい側方向重なり率の組合せが存在している。すなわち、
− 鋼、チタン：側方向に０から＜１００％（すなわち、厳密に１００％未満）、とりわけ２０から＜１００％、好ましくは５０から＜１００％
− 貴金属、特に金およびプラチナ：ほぼゼロ
− セラミックス、特にルビー：５０から＜１００％、好ましくは８０から＜１００％、さらには９０から＜１００％

異なるパルス持続時間および／または波長および／または異なるビーム径のレーザなど、試験に使用したもの以外のフェムト秒パルスレーザでもほぼ同等の結果が得られる可能性があることは言うまでもない。工程パラメータ（重なり率、走査速度、パワー、平均エネルギー）は適宜適合させる必要があろう。

この方法では、金属またはセラミックス製の構成要素の刻印を、刻印底の着色とあわせ、フェムト秒パルスレーザによる加工の１回の作業で形成することができる。

刻印および着色のための使用加工条件は似通ったものであることが、さらには同一であることが好ましい。しかし、刻印を第１のセットのパラメータで行い、その後すぐに刻印と組み合わせた着色を第２のセットのパラメータで行うことを企図することもできる。

金属製構成要素、特に鋼または貴金属の類の材料にもたらされる着色は、黒、さらには漆黒、さらには電気化学的彫刻およびそれに続いて行うＣｒ（ＶＩ）処理によって得られるものと同等のものであることが好ましい。

セラミックス、特にサファイア、ルビー、アルミナまたはジルコニア製の材料にもたらされる着色は白であることが好ましい。

いずれの場合も、本発明による彫刻および着色の方法によって生じる切削は、パス１回当たり４μｍ以上、とりわけパス１回当たり８μｍ以上の平均深さの溝の形成もたらす。ここで、平均深さとは、溝の底（本発明による方法の作用を受けたゾーン）と溝付近の未処理表面とで測定した粗面の輪郭点の縦座標の値の算術平均の間の高低差を言う。

あるいは、いずれの場合も、本発明による彫刻および着色の方法によって生じる切削は、パス１回当たり４μｍ以上、とりわけパス１回当たり８μｍ以上の最小深さの溝の形成をもたらす。ここで、最小深さとは、溝付近の未処理表面と刻印底の最高点の間で測定した深さを言う。

Claims (31)

1. 要素（１、３）の彫刻方法であって、前記要素に対して加工または切削と加工底面（６）の着色とを行えるように、それぞれの持続時間が１ピコ秒未満のパルスのレーザビーム（５）を前記要素に照射することを含み、
   前記要素が鋼もしくはチタン製で、前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第１の方向である長手方向における重なり率が９０％超となるように選ばれ、第２の方向である側方向における重なり率が０％から＜１００％となるように選ばれること、または
   前記要素が金合金もしくはプラチナ合金製で、前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第１の方向である長手方向における重なり率が９５％超となるように選ばれ、第２の方向である側方向における重なり率がゼロもしくはほぼゼロとなるように選ばれること、または
   前記要素がセラミックス、ルビーもしくはサファイア製で、前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第１の方向である長手方向における重なり率が９５％超となるように選ばれ、第２の方向である側方向における重なり率が５０％から＜１００％となるように選ばれること
   を特徴とする方法。
2. 前記要素が鋼もしくはチタン製の場合、前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第１の方向である長手方向における重なり率が９２％超となるように選ばれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記要素が鋼もしくはチタン製の場合、前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第１の方向である長手方向における重なり率が９４％超となるように選ばれることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記要素が鋼もしくはチタン製の場合、前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第２の方向である側方向における重なり率が２０％から＜１００％となるように選ばれることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記要素が鋼もしくはチタン製の場合、前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第２の方向である側方向における重なり率が５０％から＜１００％となるように選ばれることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記要素がセラミックス、ルビーもしくはサファイア製の場合、前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第２の方向である側方向における重なり率が８０％から＜１００％となるように選ばれることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記要素がセラミックス、ルビーもしくはサファイア製の場合、前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第２の方向である側方向における重なり率が９０％から＜１００％となるように選ばれることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記レーザビームの照射パラメータが、前記要素に対して加工または切削と前記加工底面の着色とをもたらすことができるものであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記切削および前記着色が同時に行われることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記要素に対する２つのパルスの衝撃ゾーンが部分的に重なることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記要素に対する連続する２つのパルスの衝撃ゾーンが部分的に重なることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第１の方向である長手方向における重なり率が１００％未満となるように選ばれることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記ビームの直径、前記要素の走査速度およびパルス繰り返し周波数が、第１の方向である長手方向における重なり率が９９．８％未満となるように選ばれることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記要素が、９０４Ｌ鋼製であることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記要素が、Ｐ５５８鋼製であることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記要素が、１８金合金製であることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記要素が、Ｐｔ９５０プラチナ合金製であることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記切削が、パス１回当たり４μｍ以上の平均深さの溝の形成をもたらすことを特徴とする、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記切削が、パス１回当たり８μｍ以上の平均深さの溝の形成をもたらすことを特徴とする、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記レーザビームの照射が３×１０ ^１２ Ｗ／ｃｍ ^２ 超のパワー密度を前記要素上にもたらすことを特徴とする、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記レーザビームの照射が５×１０ ^１２ Ｗ／ｃｍ ^２ 超のパワー密度を前記要素上にもたらすことを特徴とする、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
22. 請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法を使用して得られる要素。
23. 請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法を使用して得られる時計要素。
24. 請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法を使用して得られる携帯時計要素。
25. 請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法を使用して得られる時計外装要素。
26. 請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法を使用して得られるフランジ、ベゼル、ケース、ガラス、ブレスレット構成要素。
27. 請求項２２から２６のいずれか一項に記載の要素を備える時計メカニズム。
28. 請求項２７に記載のメカニズムを備える時計。
29. 請求項２７に記載のメカニズムを備える携帯時計。
30. 請求項２２から２６のいずれか一項に記載の要素を備える時計。
31. 請求項２２から２６のいずれか一項に記載の要素を備える携帯時計。