JPH11502899A - 粉体蒸着による材料表面の処理のための光イオンマイクロヘッド装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、粉状形態の材料を蒸着することにより材料の表面を処理する装置であって、− 少なくとも１つの光ファイバ（２）と、− パルス化された光を生成することができる光源（４）と、− 前記光ファイバの第１の端部に光を射出するための手段と、− 前記光ファイバの第２の端部に固定され、蒸着されるべき材料に向けた光ファイバにより伝播された光の拡散を確実にする小型光イオンヘッド（８）と、− 同心に配され、光ファイバのまわりに配置されかつ拡散容器（２６）内に通じる粉体リザーバ（２８ａ）およびガスリザーバ（２８ｂ）と、− 拡散粉体のイオン化を確実にするために、前記光イオンヘッドと処理されるべき材料との間に配置された２つのノズルを有する閉じ込めリング（１６）とを具備することを特徴とする。特に歯科分野に適用される。

Description

【発明の詳細な説明】 粉体蒸着による材料表面の処理のための光イオンマイクロヘッド装置技術分野 この発明は、粉体状の物質を添加することにより材料の表面を処理するための 装置に関する。 光イオンマイクロヘッドプローブにより構成されるこの装置には、多くのアプ リケーションがある。この発明は、特に、特殊コーティングを局所的に蒸着させ 、または、超小型回路の構成要素の機能を復旧または破壊し、または、電気的接 続のための新規の合金形式の製造のための超小型電子技術の分野に適用される。 また、この発明は、腐食、剥離に対する耐性または硬化による摩擦減少を改良す る耐熱性化合物を局所的に蒸着するための超小型機械の分野にも適用され得る。 また、この発明は、介入の微小配置(microlocation)を必要とする時代物および 美術品の清掃および復旧、または、敵性を示す環境における集中した自動処理の ためのアプリケーションをも有している。 特に、この発明は、歯科の分野、および、特に、局部的に痛くない準備および 歯の治療を行うため、または、組織を復旧し虫歯への耐性を改良するために義歯 を適合するための歯科手術の分野にアプリケーションを有している。従来技術 物質の表面の組成が、該表面に物質を添加することにより調整され得ることは 知られている。 仏国特許公報第２７０９７６３号は、蒸着されるべき物質のコーティングを有 する小型化された光イオンヘッドを用いた物質の処理装置を開示している。図１ は、光ファイバ２と、パルス化されたレーザ光線を出射し得るパワーレーザ４と 、前記光ファイバ２の両端の内の一方に前記レーザ光線を射出するための手段６ と、物質１０の表面の処理を可能とする小型化された光イオンヘッド８とを有し 、前記ヘッド８が前記光ファイバの他端に備えられている物質の処理装置を概略 的に示している。この装置は、装置内において電位差を確立するための手段１１ をも有している。 前記装置の実施形態によれば、この装置は、処理されるべき領域を観測するこ とを可能とする可視光を連続的に出射することができる他のレーザ７ａ、観測用 レーザ光線のカップリングおよび出射を確実にする光学手段７ｂ、および処理さ れるべき材料の領域を表示できる（ビデオ画面のような）観測手段７ｃをも具備 している。 図２は、前記装置の光イオンヘッド８をより詳細に示している。図２は、その 全長にわたって繊維被覆を取り囲む導電性被覆１２（例えば、編組金属被覆）と 、この被覆１２を取り囲み、保護被覆として設けられる他の電気絶縁被覆１４と を具備する光ファイバ２を示している。 ヘッド８は、光ファイバ２の外径と実質的に同等の外径を有しかつ前記光ファ イバ２の平らな端面に接して一側に配置された電気絶縁リングまたはカラー１６ をも有し、該リング１６の他側は、処理されるべき物質１０に接して位置させら れている。さらに詳細には、ヘッド８は、リング１６が処理されるべき物質領域 １８を取り囲むように位置させられている。 ヘッド８は、領域１８に放出させられるべき物質から形成された薄膜２０をも 具備している。この薄膜２０は、前記リング１６により画定された空間において 、前記光ファイバ２の平坦な端面に接して配置されており、その結果処理される べき領域からは離隔させられている。 図２は、光ファイバ２を構成する物質と、前記薄膜２０を構成する物質との間 の光学的インデックスジャンプ(index jump)を減ずることを可能とする中間コー ティング２２をも示している。 成極手段１１は、物質１０の領域１８内に前記イオンを埋め込むために、薄膜 ２０から形成されたイオンを加速することができる電場を前記リング１６内に生 成するように、物質１０に極性を与える。 さらに詳細には、前記領域１８へのイオンの埋め込みは、以下の方法で実施さ れる。 − レーザ４が切り換えられ、そしてその後、パワー光パルスを出射し、それが 、光ファイバ２内に出射され、そこを通じて、光イオンヘッド８まで伝播され、 − 前記パワーパルスは、薄膜２０に到達し、その爆発的な蒸発を引き起こし、 − それによって、リング１６により画定された空間１９内に、プラズマが形成 され、該プラズマの正イオンが、上述した方式で達成された電場によって前記領 域１８に向けて加速され、その後、該イオンが、前記領域１８内に埋め込まれる 一方、前記プラズマの電子は、前記光ファイバ２に向かう反対方向に加速される 。 したがって、リング１６は、プラズマおよびそれらの形成の間に生成された爆 発性の波（または、衝撃波）を閉じ込める。 したがって、この装置は、紛状形態の物質または材料とともに用いることがで きない不都合を欠点としている。このように、物質は、真空蒸着プロセスにより 生成される薄膜２０の形態で、装置内に導入される。 さらに、光イオンヘッドは蒸着されるべき物質の薄膜を具備するので、再装填 操作、すなわち、光ファイバの出口面に他の薄膜を形成するための物質を再蒸着 した後にのみ再使用することができ、そのために、かなり長い操作時間が含まれ る。 物質の表面上に紛状化合物を放出するために、熟練者は、Clauer A.H.，Faira nd B.P.,「材料処理におけるレーザの適用」,Metzbower E.A．edit．American S ociety for Metals，Metal Park，Ohio，1979に開示されたような粉体放出また は爆破システムを用いることができる。 この放出システムは、化学的に活性または不活性な、または圧縮された空気ノ ズルを使用する。このノズルは、処理されるべき表面に粉体が到達する前に粉体 の溶融または融解を引き起こすように、化合物がプラズマの形態で放出されるよ うにガス燃焼手段に結合され得る。このシステムで使用されるプロセスにおいて 、粉体の放出により形成される表面合金被覆の形成には、連続したガス燃焼が必 要である。しかしながら、プラズマ形態におけるこの放出は、高温において実施 され、このシステムを、一定の材料、特に、高い温度勾配に耐えることができな い生物学的組織において使用できないものとしている。 加えて、紛状形態における物質を添加することにより材料の表面を処理するた めに使用されるプロセスがたとえ何であっても、一般に、前記表面を準備するこ とが必要である。しかしながら、この準備は、特に、物質が圧粉に適しない微粉 体である場合には、実施することが困難である。発明の説明 この発明の目的は、上述した公知の装置の欠点を未然に防止することである。 したがって、この発明は、紛状形態の物質を添加することにより材料の表面にお ける処理の実施を可能とする光イオンマイクロヘッド装置を提案している。 さらに詳細には、この発明は、物質の蒸着により材料を処理するための装置に 関し、 − 少なくとも１つの光ファイバと、 − パルス状の光を生成することができる光源と、 − 前記光ファイバの第１の端部に光を出射する手段と、 − 前記光ファイバの第２の端部に固定され、光ファイバによって伝送される波 の拡散を確実にする小型光イオンヘッドと、 − 光イオンヘッドと処理されるべき材料との間に配置された閉じ込めリングと を具備している。 この装置は、光イオンヘッドのみならず光ファイバの少なくとも一部を取り囲 み、その内部に材料に蒸着されるべき物質が導入される拡散容器を形成するエン ベロープ(envelope)をも有している。 物質が粉体であるので、前記エンベロープは、一方が前記粉体を包含し、他方 がガスを包含することができる２つの同心のリザーバを有している。これらのリ ザーバは、容器内に通じる穴を有し、それによって、粉体およびガスが容器内に 導入され得る。 有利には、この発明に係る装置は、ガス内における粉体の拡散を確実にして拡 散された粉体を生成するために容器に向かうタンクの穴の位置に配置されたフィ ンのシステムを有している。 この発明によれば、光イオンヘッドは、処理されるべき材料に向かって方向付 けられ、一方では、衝撃波を形成するように拡散された粉体内において光ファイ バによって伝播された波の拡散を確実にし、他方では、装置からの拡散された粉 体の引き出しを確実にするディフューザを具備している。 有利には、閉じ込めリングは、中心に穴をあけられ、衝撃波の伝播を確実にす るためにエンベロープに固定された主ノズルと、その中心に穴をあけられ、容器 からくる拡散された粉体をディフューザに戻すために前記主ノズル内に配置され た第２ノズルとを有している。 光ファイバは、導電性被覆によって被覆され、主ノズルは、該ノズルと前記光 ファイバの被覆との間の電位差を確実にするように、その内壁を導電性材料の層 で被覆されている。 この発明の実施形態によれば、装置は、前記粉体を予熱するために粉体リザー バ内に配置された加熱手段を有している。 この発明の好ましい実施形態によれば、前記光イオンヘッドは、前記光ファイ バの第２の端部とディフューザとの間に配置されるレーザマイクロチップを組み 込んでいる。図面の簡単な説明 図１は、既に説明したように、従来技術の装置を概略的に示している。 図２は、既に説明したように、従来技術の装置の小型光イオンヘッドを概略的 に示している。 図３は、この発明に係る粉体放出プローブを概略的に示している。 図４は、この発明に係る光イオンマイクロヘッドの一実施形態を示している。発明の実施形態の詳細な説明 図３は、この発明に係る光イオンマイクロヘッドを示している。図３のみなら ず図４において、以下に説明されるように、図１および図２に示される従来技術 の装置の構成要素と同等なこの発明に係る装置の構成要素には、同一の参照符号 を付している。 加えて、簡略の理由から、図３および図４は、前記手段が図１に示され、かつ 、従来技術の装置およびこの発明に係る装置と同等であるので、プローブ以外の 装置の手段（例えば、パルスレーザ４、レーザ光線を光ファイバ２に導入するた めの手段、成極手段１１等）は示していない。 したがって、図３は、この発明に係る光イオンマイクロヘッドのプローブを示 している。このプローブ１は、第１の導電性被覆１２と第２の絶縁材料被覆１４ とにより囲まれた光ファイバ２を有している。図１の装置におけるように、前記 光ファイバは、その一端をパルス化されたレーザ光線を前記光ファイバ２内に導 入するための手段に接続され、第２の端部が、小型光イオンヘッド８に装着され ている。マイクロヘッド８の機能は、蒸着されるべき物質（粉体）まで前記レー ザからのパワーパルスを伝播し、前記物質１０の領域１８に蒸着することが望ま れる物質をイオン化するように前記パルスを拡散することである。前記物質を閉 じ込めることを確実にするリングまたはカラー１６が、マイクロヘッド８と前記 物質１０との間に配置されている。前記リング１６は、そこに配された粉体から 前記リングにより画定された空間内のパルス化された光の結果として形成される プラズマを閉じ込めることができる。リング１６は、以下に、より詳細に説明さ れる。 マイクロヘッド８およびファイバ２の部分は、エンベロープの一部として拡散 容器２６を形成するエンベロープ２４によって囲まれている。該エンベロープ２ ４内には、二重のリザーバ２８ａ，２８ｂも形成されている。さらに詳細には、 この二重のリザーバは、光ファイバ２を取り囲む第２の壁２８ｄと第１の壁２８ ｄおよびエンベロープ２４に同心の第２の壁２８ｃとから構成されている。前記 第２の壁２８ｃは、第１の壁２８ｄとエンベロープ２４との間に粉体リザーバを 形成し、それ自身とエンベロープ２４との間にガスリザーバ２８ｂを形成してい る。このガスは、窒素または酸素のような不活性ガスまたはヘリウム形式の軽い ガスでよい。 パイプ３０ｂは、ガスのガスリザーバ２８ｂ内への導入を許容するように、ガ スリザーバ２８ｂ内に通じている。パイプ３０ｂには、該パイプの開閉を許容す る引金３１も設けられており、ガスのプローブ１内への非連続的な導入を可能と している。同様に、パイプ３０ａがリザーバ２８ａ内に通じ、該リザーバ内への 粉体の導入を可能としている。 粉体を粉体リザーバ２８ａ内に導入するためのパイプも、簡略のために図示さ れていない引金を有しているが、この引金はガス導入パイプ３０ｂの引金３１と 実質的に同じである。ガスの引金については、該引金は、粉体の導入、特に、導 入される粉体の量を調節することを可能としている。 粉体リザーバ２８ａおよびガスリザーバ２８ｂは、Ｏリング２５ｂが設けられ たカバー２５ａによってそれらの一端を密封されている。該リザーバ２８ａ，２ ８ｂの他端は、拡散容器２６内に配されている。前記端部においては、フィン３ ２のシステムが、リザーバ２８ｂからの射出ガスの流れによって浮遊させられる 粉体リザーバ２８ａからの粉体の拡散を確実にする。その後拡散容器内に導入さ れる粉体は、ガスと混合され、「拡散粉体」として参照される。それは、リザー バ２８内に配置されたときに、ジュール効果によって、または、光ファイバ２の まわりの粉体リザーバ２８ａ内に配置されているスリーブ３４を用いたマイクロ 波により、事前に、粉体を予熱することができる。前記スリーブの機能は、前記 粉体化合物を乾燥または脱水することを可能とし、または、必要であれば、その 蒸着時における化学的活性を増大させるのに必要な機能として、３０〜８０℃の 間の温度まで粉体化合物の温度を上昇させることである。 光イオンのマイクロヘッド８は、ディフューザ３６のみならず、前記マイクロ ヘッドおよび光ファイバ２の組立体を保持することを可能とするヘッドサポート を有している。ディフューザ３６の機能は、光ファイバによって伝送されたパワ ーパルスを拡散容器内に散乱することであるとともに、プローブ１からの粉体の 排出を確実にすることでもある。 閉じ込めリング１６は、マイクロヘッド８の端部において、エンベロープ２４ に取り付けられている。さらに詳細には、前記閉じ込めリング１６は、着脱可能 な方法でエンベロープ２４に取り付けられている。それは、例えば、前記エンベ ロープ２４の端部とともにネジ／ナットシステムを形成してもよい。 前記閉じ込めリング１６には、主ノズル４０および第２ノズル４２が組み込ま れている。前記第２ノズル４２は、バッフルノズル形式のもの、すなわち、中央 に穴があけられ、拡散粉体を導くための細い穴を有しているものである。前記第 ２ノズルも、中央の棚またはフランジ４２ｂとともに円筒状のカップ４２ａを形 成するように、内側に湾曲している。前記ノズル４２の特殊形状は、拡散容器２ ６からの拡散粉体ミストを複数ジェットの形態で、ディフューザ３６に、すなわ ち、パワーパルス（すなわち、衝撃波）の通行が開始された位置に戻す作用を有 する。 主ノズル４０も、プローブから処理されるべき材料の領域１８に向けて放出さ れる粉体の排出を可能とするように中央に穴があけられている。このように、光 ファイバ２により伝送されたレーザ照射は、衝撃波の形態で光イオンマイクロヘ ッド８を出発し、マイクロヘッド８の出口、すなわち、ディフューザ３６の近傍 に配置された粉体の温度衝撃による揮発プロセスを誘発する。この「揮発粉体」 と呼ばれる粉体は、その後、ディフューザおよびノズル４０，４２によってプロ ーブ１の出口に向けて、すなわち、材料１０に向けて送られる。温度衝撃に基づ く揮発プロセスを誘発するレーザ照射は、一方では、光装置の出口、すなわち、 マイクロヘッド８におけるエネルギ放下を可能とし、他方では、放出された物質 の温度に、温度上昇を制限することができる。このように、このプロセスは、ス リーブ３４によって粉体に供給された温度を超えて、熱を消失することにはなら ない。 主ノズル４０は、揮発した粉体の閉じ込めを確実にし、そのために、マイクロ ヘッド８からの衝撃波は、プローブ１の出口、すなわち、材料１０まで伝播する 。前記ノズル４０も、その内壁を導電材料コーティング４４により覆われている 。このコーティング４４は、例えば、図１に示された成極手段１１により、一定 の電位に上昇され得る。好ましくは、前記コーティングは、光ファイバ２の被覆 １２と一定の電場の前記主ノズル４０との間に生成され得るアース電位のような 参照電位まで上昇される。この電場は、衝撃波および拡散粉体から形成されたイ オンの加速を確実にし、それによって、該イオンを処理されるべき材料１０の領 域１８に埋め込む。したがって、図１の従来の装置とこの発明に係る装置との間 の接続の観点からの唯一の相違は、成極手段１１が、従来技術における材料１０ にではなく、主ノズル４０のコーティング４４に接続されているということであ る。 主ノズル４０も、周囲に到達するガスジェットの部分を粉体を印加したガスジ ェットに偏らせることを可能とする機能を有し、それによって、一方では、粉体 ジェットを１８０°反転させることを容易にし、他方では、粉体をディフューザ ３６にかみ合わせる。 この発明の好ましい実施形態によれば、レーザは、パルス化された、すなわち 、不連続の光線を照射し、拡散容器内に粉体を連続的に導入しながら、粉体を非 連続で放出することを可能としている。この現象は、特に、材料の表面にかなり の厚さで蒸着させる必要がある場合に、取り扱い時間をかなり短縮することがで きる。 さらに詳細には、ガスにより射出され、かつディフューザ３６のフィンシステ ム３２により粉末化され、かつ処理されるべき材料の表面に埋め込むために前記 微粒粉体層を揮発させることを規則正しい間隔で連続的に可能とするように、マ イクロヘッド８に導入するために光ファイバ２により伝送されたレーザ光線が、 高速でパルス化される。 図４は、光イオンマイクロヘッドの好ましい実施形態をより詳細に示している 。図４は、図３と同様の方法で、マイクロヘッド８内で終端している光ファイバ ２を示している。図３と同様に、マイクロヘッド８は、ディフューザ３６とヘッ ドサポート３８とを具備している。また、それは、例えば、レーザマイクロチッ プであるようなマイクロチップ４６をも有している。マイクロチップ４６の機能 は、光ファイバからの低レベルフラックスの、衝撃波を生成するために必要な高 レベルフラックスへの変換を確実にすることである。マイクロチップ４６は、通 常の光ファイバの、すなわち高価でない装置のために使用することもできる。こ れにより、特に、比較的安価でかつ使用の柔軟な技術を有する必要がある歯科手 術におけるアプリケーションのために、ヘッドの組立体を安価なものとすること ができる利点がある。 明らかに、前記マイクロチップ４６は、装置（例えば図３の実施形態）の動作 のためには、必ずしも必要ではない。この場合、光ファイバを使用することがで きるが、該光ファイバは想定されたアプリケーションに対して好適な形式のもの でなければならず、その結果、比較的高コストなものである。 図４に示された実施形態において、蒸着は、光ファイバからの光フラックスの 良好な適合を可能とし、それによってレーザの機能を改良するために、光ファイ バ２の出口面とマイクロチップ４６との間の反射防止膜４８においても行われて いる。したがって、反射防止膜により、光フラックスがマイクロチップ４６の入 力に反射されることはない。 この発明の好ましい実施形態によれば、マイクロヘッド８も、衝撃効果を生成 し、粉体を揮発するために必要な、供給されるレーザフラックスの高い密度を達 成するために、レーザキャビティの光学的なスイッチングを可能とする、可飽和 吸収材料の被覆を有している。 ガス射出または粉体供給がない場合には、マイクロヘッド８は、前述した以外 の機能を奏することができる。それは、例えば、レーザ吸収またはレーザ光切除 または材料１０の表面に衝突するレーザにより誘発される直接温度衝撃による洗 浄プロセスを用いて、例えば、材料１０の表面の前準備を可能とする。 前述したプローブ１は、操作が容易であるという利点を有する。したがって、 プローブは、小さくかつしばしば接近することが困難な物体の非常に多様な表面 に、細菌の殺菌、メッキ、溝、亀裂または穴の密封、表面硬化およびガラス化、 特にアマルガムおよび新規合金の製造のような微小の局所化された処理を実施す ることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 物質の蒸着により材料を処理する装置であって、 − 少なくとも１つの光ファイバ（２）と、 − パルス化された光を製造することができる光源（４）と、 − 前記光ファイバの第１の端部に光を射出するための射出手段（６）と、 − 前記光ファイバの第２の端部に固定され、該光ファイバによって、蒸着さ れるべき物質に向けて伝播される光の散乱を確実にする小型光イオンヘッド（８ ）と、 − 該光イオンヘッドと処理されるべき材料との間に配置された閉じ込めリン グ（１６）とを具備し、 前記光イオンヘッドおよび前記光ファイバの少なくとも一部を取り囲み、かつ 、材料（１０）に蒸着されるべき物質が内部に配置された拡散容器（２６）を形 成するエンベロープ（２４）をも具備することを特徴とする装置。 ２． 蒸着されるべき物質が粉体であり、前記エンベロープが、２つの同心状の リザーバ（２８ａ，２８ｂ）を有し、一方が粉体のためのものであり、他方がガ スのためのものであることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３． 前記リザーバの各々が、拡散容器に通じる穴を有し、それによって、前記 粉体およびガスが、前記容器内に導入され得ることを特徴とする請求項２記載の 装置。 ４． 前記リザーバの穴の位置に、ガス内における粉体の拡散を確実にし、拡散 粉体を得るために、拡散容器に向かうフィンシステムを有することを特徴とする 請求項３記載の装置。 ５． 前記光イオンヘッドには、処理されるべき材料に向かって方向付けられた ディフューザが組み込まれ、一方では、衝撃波を生成するように拡散粉体内への 光の散乱を確実にし、他方では、装置からの拡散粉体の引き出しを確実にしてい ることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。 ６． 前記閉じ込めリングが、前記衝撃波の伝播を確実にするようにエンベロー プに固定された中央に穴の開いた主ノズル（４０）と、前記容器からの拡散粉体 をディフューザに戻すために主ノズル内に配置された、中央に穴の開いた第２ノ ズル（４２）とを有することを特徴とする請求項５記載の装置。 ７． 前記光ファイバが、導電性被覆により被覆され、前記主ノズルが、その内 壁を、該主ノズルと前記光ファイバ被覆との間の電位を確実にする導電性材料コ ーティング（４４）で被覆されていることを特徴とする請求項６記載の装置。 ８． 前記粉体を予熱するために、加熱手段（３４）が、前記粉体リザーバ内に 配置されていることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれかに記載の装置 。 ９． 前記光イオンヘッドが、光ファイバの前記第２の端部と前記ディフューザ との間に配置されたマイクロチップ（４６）を有することを特徴とする請求項２ から請求項７のいずれかに記載の装置。