JPH07102470B2 - 金属表面のレーザー加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー光の照射によ
って金属表面に微細な凹凸を密に形成する加工方法及び
装置に関するもので、例えば金属製装飾品、金属製家庭
電化用品、金属製工業用品等、種々の金属製品の表面の
全体ないし一部の模様等として虹色様に多彩に変化する
美麗な反射光沢を付与するのに利用される。

【０００２】

【従来の技術】レーザー光は位相が揃った定波長のコヒ
ーレントな光であってビームとしての指向性に優れてお
り、レンズにて収束して微小スポットに高エネルギーを
集中できることから、近年では金属の切断、穴あけ、溶
接等に多用されている。

【０００３】しかして、このようなレーザー光による従
来の金属加工は、いずれも加工用収束レンズの焦点位
置、つまりビームのエネルギー密度が最大となる位置で
の高熱を利用し、この焦点位置におけるスポット径で金
属を瞬間的に溶融・蒸発させるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本発明者等
は、金属表面に可視光の波長域に近い１μｍあるいはそ
れ以下の微細凹凸を密に形成した場合に、この凹凸表面
が回折格子と同様に作用して入射光を分光して反射する
ことから、虹色様あるいは玉虫色様といった美麗な反射
光沢を生じるという知見を得ている。

【０００５】しかるに、前記従来のレーザー光による加
工手段では、ビームが共振器より完全な平行光とし出射
されても回折による拡がりを生じると共に、光路を形成
する工学系の精度にも限界があり、集光レンズにより収
束可能な最小スポット径は一般的に数μｍ〜数１０μｍ
程度であることから、上記のような１μｍあるいはそれ
以下といった微細凹凸を金属表面に密に形成できなかっ
た。

【０００６】また仮に、共振器や工学系の精度的な改良
によって集光レンズによる焦点スポット径を充分に絞り
込めたとしても、従来の加工手段では個々の凹凸を一つ
ずつ形成していく必要があるため、加工に膨大な時間を
要することになり、到底実用的には採用できない。

【０００７】本発明は、上述の事情に鑑みて、従来のレ
ーザー光による加工手段とは異なって金属表面に密な微
細凹凸を容易に短時間で形成でき、金属表面の加飾手段
として実用的に優れたレーザー加工方法を提供すること
を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る金属表面のレーザー加工方法は、金属
表面にＴＥＭ₀₀モード又はＴＥＭ₀₁モードのパルスレー
ザー光を収束手段の焦点よりも深浅一方向にずれた位置
で照射し、該金属表面にレーザー光の干渉縞の強度分布
に対応した微細凹凸を形成するにあたり、該レーザー光
の光路中に逆ガウシアン分布の吸収又は反射特性を有す
るフィルターを介在させることにより、該レーザー光の
ガウス型モードの強度分布を平坦化することを特徴とす
る構成を採用したものである。

【０００９】

【作用】レーザー光は周知の如くコヒーレントな光であ
って完全な可干渉性を有するため、同一振動数で一定の
位相差を有するビーム成分が重なった際に互いに干渉し
合い、照射面では両ビーム成分の位相傾斜分布に対応し
た明暗の干渉縞を示すことになる。

【００１０】従って、レーザービームを集光レンズや凹
面鏡等の収束手段で収束して被加工物の金属表面に照射
する際に、その照射位置を収束手段の焦点よりも深浅一
方向側にずれた位置に設定し、照射面で干渉縞を生じさ
せた場合、該干渉縞の明部が金属を溶融・蒸発させ得る
充分なエネルギー密度を有して、且つ暗部のエネルギー
密度が上記溶融・蒸発に不充分であれば、該金属表面に
該干渉縞の明部を凹、暗部を凸とした凹凸、つまり干渉
縞の強度分布に対応した凹凸が形成されることになる。

【００１１】ここで、照射スポット内の干渉縞の明暗間
隔はレーザー光の照射波長とほぼ同程度となることか
ら、所要の波長域で発振するレーザーを選択することに
より、干渉縞に対応した微細凹凸を可視光の波長域に近
い１μｍ程度あるいはそれ以下といった微細な数百本も
の凹凸条（例えば中程度の出力を有するＹＡＧレーザー
加工機でも凹条として３００本程度）にて構成できる。
そして、この微細凹凸を有する金属表面は、回折格子と
同様に作用して入射光を分光して反射し、見る角度や入
射光の方向によって色合いが虹色様に多彩に変化する反
射光沢を示すことになる。

【００１２】しかして、上記微細凹凸の形成状況を観察
してみると、金属表面の定位置に干渉縞をなすパルスレ
ーザー光を照射した場合、該干渉縞に対応した微細凹凸
は徐々に形成されるのではなく、照射パルス数がある回
数に達した後に急速に形成されるのであり、それまでの
照射エネルギーは専ら微細凹凸形成の準備段階としての
表面性状の改変及び昇温に消費されることが判明してい
る。例えばステンレス綱では、照射パルス数がある回数
に達するまでは表面の加熱酸化が進むだけであるが、こ
の酸化に伴う変色によって熱吸収性が高まり、ある段階
で一挙に干渉縞に対応した微細凹凸が形成される。

【００１３】従って、金属表面に対するパルスレーザー
光の照射位置を連続的に移動しても、その走査線上の金
属表面各部がレーザー光通過のほぼ最終段階で上記微細
凹凸を生じるパルス数になるようにレーザー光の周波数
と走査速度を設定することにより、谷山の重なりによる
微細凹凸の不鮮明化ないし消失が回避され、走査線自体
を該微細凹凸にて構成できる。よって、このレーザー走
査線で描画することにより、金属表面にそれ自体が虹色
様に多彩に変化する反射光沢を生じる模様や図柄を自在
に施せる。なお、上記微細凹凸を生じるパルス数は、被
加工物である金属の種類つまり熱伝動率及び融点の違い
や、照射するパルスレーザー光のエネルギー密度等によ
って異なることは言うまでもない。

【００１４】ところで、上記の多彩に変化する反射光沢
を強く鮮明なものとするには、照射スポットの領域全体
に明瞭な上記微細凹凸を均一に形成する必要がある。し
かるに、発振モードがＴＥＭ₀₀つまりシングルモードの
レーザー光、ならびにＴＥＭ₀₁つまりリングモードのレ
ーザー光は、コヒーレント性に優れて良好な干渉縞を生
じ易いという利点があるが、ビームがガウス型の強度分
布をなし、前者では光軸の中心部ほどエネルギー密度が
高く、後者では光軸断面でリング状にエネルギー密度の
高い部分が存在する。

【００１５】このため、ＴＥＭ₀₀モードのレーザー光を
用いた場合、照射パルス数を照射スポットの周辺部で明
瞭な微細凹凸が形成されるように設定すると、中心部で
は溶融・蒸発が進んで一旦生じた微細凹凸は消えてしま
って中抜けの凹凸パターンとなり、逆に中心部で明瞭な
微細凹凸が形成されるパルス数に設定すると、周辺部の
微細凹凸が不明瞭になる。またＴＥＭ₀₁モードのレーザ
ー光を用いた場合、照射パルス数を照射スポットの周辺
部に合わせると、中心部の微細凹凸はエネルギー密度が
不足して不明瞭になり、逆に中心部に合わせると、周辺
部では過度の溶融・蒸発によりリング状に微細凹凸が消
えた部分を生じる。従って、前記の連続走査による描画
を行うと、走査線の幅全体に明瞭な微細凹凸を形成でき
ず、虹色様の反射光沢は両縁部又は中央部のみの微細凹
凸に基づくために強さ及び鮮明さが不充分なものとな
る。

【００１６】そこで、本発明では既述のように、レーザ
ー光の光路中に逆ガウシアン分布の吸収又は反射特性を
有するフィルターを介在させる。即ち、レーザー光がこ
のフィルターを透過した際、ＴＥＭ₀₀モードのレーザー
光ではエネルギー密度の高い光軸中心ほど、またＴＥＭ
₀₁モードのレーザー光ではエネルギー密度の高い部分ほ
ど透過率が低くなるため、ガウス型モードの強度分布が
平坦化し、照射スポットの領域全体のビーム強度が平均
化する。従って、照射パルス数を適当に設定すれば、ほ
ぼ照射スポットの領域全体に明瞭な微細凹凸を均一に形
成することが可能となり、連続走査による描画でもほぼ
走査線の幅全体を明瞭な微細凹凸にて構成でき、もって
模様パターンは強く鮮明な虹色様の反射光沢を生じるも
のとなる。

【００１７】なお、レーザー光の偏光には直線偏光、楕
円偏光、円偏光、ランダム偏光、非偏光等があるが、直
線偏光に近いほど干渉縞が明瞭となってそれだけ明瞭な
微細凹凸を形成でき、逆に楕円率が大きくなるほど微細
凹凸は不明瞭となるため、金属表面に照射するレーザー
光は直線偏光または楕円率０．３以下の楕円偏光である
ことが望ましい。しかして、干渉縞の方向つまり微細凹
凸の凹凸条の方向は、偏光面の方向（長楕円偏光では長
軸方向）に直交している。

【００１８】レ−ザー光の照射面で干渉縞を生じさせる
手段には特に制限はなく、例えば、単一のレーザー光よ
り分割された複数本のビームを重ねる方法、レーザー共
振器内または外部光学系においてレーザービームの一部
を横ずれ変位させて元のビーム成分と変位したビーム成
分とを重ねる方法等がある。更に、既存のレーザー加工
装置においても、レーザー共振器や外部光学系を構成す
る各部材の寸法精度及び配置位置、該共振器の作動条件
等により、レーザー光が自然に干渉光となっている場合
がある。従って、このような場合は、そのレーザー光を
そのまま本発明に利用できることは言うまでもない。そ
の他、レーザー光の照射面で生じる表面プラズマ波によ
る干渉にて該照射面で干渉縞を生じることも考えられ
る。但し、いずれにおいても、干渉縞に対応した微細凹
凸を明瞭に形成する上で、レーザー光を収束して金属表
面に照射させる光収束手段の焦点よりも深浅一方向側に
ずれた位置に被加工物の金属表面を配置させる必要があ
る。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の第１実施例に使用するレーザ
ー加工装置を示す。この加工装置は、パルスレーザー共
振器１から出射される波長１μｍ程度のパルスレーザー
光２が、レンズ３ａ，３ｂを介して拡大された上でフィ
ルター４を透過し、反射鏡５にて９０度方向転換し、集
光レンズ６にて収束され、ＸＹテーブル７上に載置され
た金属製被加工物８の表面に、該集光レンズ６の焦点よ
りも浅い位置で照射されるようになされている。

【００２０】上記のレーザー光２は、直線偏光で発振モ
ードがＴＥＭ₀₀又はＴＥＭ₀₁のものであり、ビーム成分
２ａ，２ｂが重なった干渉光からなり、被加工物８の表
面で干渉縞を生じるようにしている。

【００２１】しかして、レーザー光２がＴＥＭ₀₀モード
である場合、ビームの光軸断面の強度分布は、図２の実
線Ａで示すように、光軸中心Ｏで最も強く周辺に向かう
ほど弱いガウス型分布になっている。この場合のフィル
ター４としては、その光透過率が図２の破線Ｂで示すよ
うに、上記の光軸断面の強度分布Ａとは逆に、レーザー
ビームの光軸中心Ｏに対応する位置で最も小さく、該中
心Ｏから離れるにほど大きくなる逆ガウシアン分布の吸
収又は反射特性を有するものを使用する。従って、この
フィルター４を透過することにより、ＴＥＭ₀₀モードの
レーザー光２は光軸中心Ｏに近いほどビーム強度が弱め
られ、透過光は図２の仮想線Ｃで示すように平坦な強度
分布を有するものとなる。

【００２２】一方、レーザー光２がＴＥＭ₀₁モードであ
る場合、ビームの光軸断面の強度分布は、図３の実線Ａ
で示すように、光軸中心Ｏで弱く、その両側つまり周囲
にリング状に強度ピークを有するガウス型分布になって
いる。この場合のフィルター４としては、その光透過率
が図３の破線Ｂで示すように、上記の光軸断面の強度分
布Ａとは逆に、レーザービームの光軸中心Ｏに対応する
位置で最も大きく、その両側つまり周囲のビーム強度の
ピークに対応する位置で最も小さくなる逆ガウシアン分
布の吸収又は反射特性を有するものを使用する。従っ
て、このフィルター４を透過することにより、ＴＥＭ₀₁
モードのレーザー光２はリング状の強度ピーク位置で最
もビーム強度が弱められ、やはり透過光は図３の仮想線
Ｃで示すように平坦な強度分布を有するものとなる。

【００２３】なお、上述のような逆ガウシアン分布の吸
収特性を有するフィルター４は、例えば、使用するレー
ザー光２の波長域に吸収スペクトルを有する材料からな
る透光板に板厚変化を持たせたものや、透明材料に同波
長域に吸収スペクトルを有する物質を密度勾配を持たせ
て含有させた透光板等で構成できる。また、逆ガウシア
ン分布の反射特性を有するフィルター４は、例えば、透
明板の表面にアルミニウム等の金属薄膜を真空蒸着等に
よって膜厚が変化するように形成することによって構成
できる。

【００２４】図１の加工装置では、ＸＹテーブル７を一
定速度でＸ方向に移動させることにより、被加工物８の
表面をレーザー光２にて走査し、この１回の走査の終了
毎にＸＹテーブル７を所定距離だけＹ方向に移動させて
順次走査を繰り返し、該被加工物８の表面に走査線から
なる平行な線９を描画している。このＸ方向の走査速度
は、走査線上の定位置が複数回の照射パルスを受け、且
つ最終段階に近い照射パルスで照射面に生じる干渉縞の
各明部が溶融・蒸発して凹条を生じるように設定してい
る。

【００２５】ここで、共振器１から出射されるレーザー
光２がＴＥＭ₀₀モードとＴＥＭ₀₁モードのいずれであっ
ても、フィルター４の介在によって前記の如くビームの
光軸断面の強度分布が平坦化するため、照射スポットに
おける干渉縞の各明部のエネルギー密度はほぼ均等とな
る。従って、線９は、図４に示すように、干渉縞の各明
部に対応した微細な凹条１０がほぼ照射スポットの幅全
体に均一且つ明瞭に形成された微細凹凸面より構成され
る。しかして、各凹条１０の間隔及び深さは共にパルス
レーザー光２の波長程度つまり１μｍ程度であることか
ら、微細凹凸面全体が回折格子と同様に入射光を分光し
て反射し、各線９は入射光の方向や見る角度によって反
射光沢が虹色様に多彩に変化する輝線として視認され
る。

【００２６】なお、共振器１から出射するレーザー光２
を積極的に干渉光とする手段としては、Ｑスイッチパル
ス発振を行う共振器を用いて、そのＱスイッチに印加す
る超音波信号あるいは電圧をＯＮ／ＯＦＦスイッチング
のＯＦＦ時つまりレーザー発振時にも該レーザー発振を
停止させない程度に残す方法がある。即ち、上記のレー
ザー発振時に残留する超音波信号あるいは電圧により、
発振中のレーザー光の一部がずらされて変位し、元のビ
ーム成分２ａと横ずれ変位したビーム成分２ｂとが重な
って干渉したレーザー光２が共振器１より出射されるこ
とになる。

【００２７】図５は共振器１から出射されるレーザー光
２を共振器１外で干渉光に変換するようにした第２実施
例を示す。この場合、第１実施例（図１）における反射
鏡５の位置に、背面の全反射面１１ａと表面の一部反射
面１１ｂとを有する二重反射鏡１１が配置されている。
しかして、共振器１から出射されるレーザー光２は、直
線偏光で発振モードがＴＥＭ₀₀又はＴＥＭ₀₁のものであ
り、共振器１から出射されてレンズ３ａ，３ｂを介して
拡大され、前記同様のフィルター４を透過してビームの
光軸断面の強度分布が平坦化された上で、二重反射鏡１
１の両反射面１１ａ，１１ｂにて反射し、この反射され
た二つのビーム成分２ａ，２ｂが重なって干渉光として
集光レンズ６に入り、収束されて金属製被加工物８の表
面に該集光レンズ６の焦点よりも浅い位置で照射され、
該表面に第１実施例と同様に微細凹凸を形成する。

【００２８】なお、上記の二重反射鏡１１の代わりに、
表面で一部反射を行うと共に背面を反射不能とした部分
透過鏡と、その背面側に近接して配置した全反射鏡とを
用いても、同様に横ずれによる干渉光を生じさせること
ができる。また、超音波Ｑスイッチと同様な構造の素子
を光路に介在させて弱い超音波信号を印加しても、干渉
光を生じさせることが可能である。その他、プリズムと
反射鏡の組み合わせ、部分透過鏡と全反射鏡の組み合わ
せ等によって、１本のレーザービームを２本に分割し、
これら分割されたビーム同士を干渉させるてもよい。

【００２９】なお、レーザー光２を被加工物８の表面に
照射する手段としては、例示したＸＹテーブル７に限ら
ず、ＸＹの各方向変位を担う２枚の回動鏡を組み合わせ
たＸＹスキャナー等でレーザー光２側を変位させるよう
にしてもよい。更に、収束手段の光軸方向（Ｚ方向）の
焦点位置を変位させる焦点変位手段を設けることによ
り、曲面状等の三次元形状の金属表面に対しても照射面
のＺ方向位置に応じて焦点位置を変化させ、照射面のエ
ネルギー密度を一定に維持して均一な微細凹凸を形成す
ることができる。

【００３０】この焦点変位手段としては、必ずしも収束
手段自体を移動させる必要はなく、光路に介在するレン
ズのいずれかを光軸方向に変位させるものであればよ
い。しかして、焦点変位操作は、被加工物の表面形状を
予め測定し、その測定結果を制御系に入力して数値制御
により自動的にレンズの光軸方向変位を行うようにすれ
ばよく、例えば従来のレーザー加工に使用されているＺ
スキャナー（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｃｕｓ）を利用でき
る。

【００３１】因に、前記第１実施例の装置構成におい
て、二方向型の超音波Ｑスイッチと直線偏光素子とを内
蔵したＹＡＧレーザー共振器を使用し、焦点距離２０ｃ
ｍの集光レンズ３ｃによって、発振波長１．０６μｍ、
パルス幅１００ｎｍ、繰り返し周波数１ＫＨ_Z 、平均出
力５００ｍＷの条件で、ＴＥＭ₀₀モードで直線偏光のレ
ーザー光をステンレス綱の表面に干渉縞を生じるように
照射して微細凹凸を形成する場合、照射位置を該集光レ
ンズ３ｃの焦点より深浅両方向の３．５〜１１．０ｍｍ
の範囲に設定した時に虹色様の反射光沢を生じる上記微
細凹凸が形成でき、特に該焦点より浅い方向（上方）の
６．０〜７．５ｍｍの範囲で最も鮮明で強い反射光沢を
生じる明瞭な微細凹凸が形成できた。その照射スポット
の径は５０〜１５０μｍ程度であり、そのスポット内に
形成される凹条８の数は５０〜１５０本程度であった。
そして、連続走査つまりＸＹテーブル７をＸ方向に移動
させながら連続照射した場合には、走査線上の各位置に
照射パルスが５０〜１５０回程度当たった段階で微細凹
凸を生じることが判明した。

【００３２】なお、上述のような連続走査による微細凹
凸の線状パターンとする以外に、微細凹凸のレーザース
ポットを一定間隔で並べて虹色様の反射光沢を生じる模
様あるいは光沢面を形成することも可能である。また、
２枚の１／４波長板を介在させて一方を回転させること
により、干渉縞の縞方向つまり微細凹凸の溝方向を変化
させることも可能である。

【００３３】本発明に使用するレーザー共振器は、パル
スレーザー光を出射できるものであればよく、前記のＹ
ＡＧレーザー以外にルビーレーザーやガラスレーザーの
如き固体レーザー、炭酸ガスレーザーやエキシマレーザ
ーの如きガスレーザーも使用できる。

【００３４】

【発明の効果】本発明のレーザー加工方法によれば、レ
ーザー光を利用して金属表面に１μｍ程度あるいはそれ
以下といった極めて微細で密な凹凸を容易に且つ短時間
で形成可能であり、しかも該微細凹凸部をレーザー光の
走査によって連続的に線状に形成して様々な模様パター
ンを自在に描画できるから、各種の金属製品に該微細凹
凸に基づき反射光沢の色合いが見る角度や入射光の方向
によって虹色様に多彩に変化する独特の装飾を効率よく
安価に施せる。

【００３５】しかも、本発明方法では、レーザー光とし
てＴＥＭ₀₀又はＴＥＭ₀₁モードのパルスレーザー光を用
いるが、そのガウス型モードの強度分布を有するビーム
が光路に介在する逆ガウシアン分布の吸収又は反射特性
を有するフィルターを透過して平坦な強度分布を有する
ビームに転換されることから、ほぼ照射スポットの領域
全体に明瞭な微細凹凸を均一に形成することが可能とな
り、連続走査による描画でもほぼ走査線の幅全体を明瞭
な微細凹凸にて構成でき、もって上記の虹色様の反射光
沢は強く非常に鮮明なものとなり、極めて美麗な装飾を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例で用いたレーザー加工装
置の概略構造図。

【図２】 ＴＥＭ₀₀モードのレーザー光のビーム光軸断
面における直径方向の強度分布と使用するフィルターの
光透過率との相関特性図。

【図３】 ＴＥＭ₀₁モードのレーザー光のビーム光軸断
面における直径方向の強度分布と使用するフィルターの
光透過率との相関特性図。

【図４】 上記加工装置によるレーザー光の連続走査に
て金属表面に描画された線の拡大図。

【図５】 本発明の第２実施例で用いたレーザー加工装
置の概略構造図。同装置におけるレーザー共振器の一構
成例を示す概略構造図。

【符号の説明】

１…レーザー共振器、２…パルスレーザー光、４…フィ
ルター、５…集光レンズ（収束手段）、８…金属製被加
工物、９…レーザー走査線、１０…凹条（微細凹凸）、
Ａ…元のレーザー光の強度分布曲線、Ｂ…フィルターの
光透過率曲線、Ｃ…フィルター透過後のレーザー光の強
度分布曲線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大島 市郎 兵庫県尼崎市常光寺１丁目９番１号 大阪 富士工業株式会社内 (72)発明者 大島 時彦 兵庫県尼崎市常光寺１丁目９番１号 大阪 富士工業株式会社内 (72)発明者 平田 繁一 兵庫県尼崎市常光寺１丁目９番１号 大阪 富士工業株式会社内 (72)発明者 岡野 良和 兵庫県尼崎市常光寺１丁目９番１号 大阪 富士工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−263589（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属表面にＴＥＭ₀₀モード又はＴＥＭ₀₁
   モードのパルスレーザー光を収束手段の焦点よりも深浅
   一方向にずれた位置で照射し、該金属表面にレーザー光
   の干渉縞の強度分布に対応した微細凹凸を形成するにあ
   たり、該レーザー光の光路中に逆ガウシアン分布の吸収
   又は反射特性を有するフィルターを介在させることによ
   り、該レーザー光のガウス型モードの強度分布を平坦化
   することを特徴とする金属表面のレーザー加工方法。