JP2004360011A - 金属摺動面表面処理方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【構成】金属対象物Wの摺動面sfに照射すべきフェムト秒レーザを出力するレーザ光発生部10と、レーザ光発生部10の光軸上に配置されており且つ金属対象物Wを載置するステージ50等を備え、ステージ50上の金属対象物Wの摺動面sfにフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成し、これにより摺動面sfの摩擦抵抗を低減させるようにする。微細周期構造を形成するに当たり、フェムト秒レーザを所定回数照射するようにしている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザを用いた加工方法に係り、機械部品等の摺動面を表面処理する新規な金属摺動面表面処理方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
機械部品等の摺動面を表面処理してその摩擦抵抗を低減させる方法として、バレル研磨法(例えば、特許文献1等)や放電加工法(例えば、特許文献2等)等が周知である。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−069658号公報
【特許文献2】
特開平11−062990号公報
【0004】
一方、レーザを用いて機械部品等の面上に微細周期構造を形成する方法が数多く報告されている(例えば、フェムト秒レーザを用いた例として特許文献3、微細周期構造の形状変化に関して非特許文献1〜5、ナノ秒レーザーを用いた例として非特許文献6〜9等がある。
【0005】
【特許文献3】
特開2000−057422号公報
【非特許文献1】
橋田昌樹、藤田雅之、節原裕一、フェムト秒レーザーによる物質プロセッシング、光学、Vol.31, No.8(2002), pp.621−628.
【非特許文献1】
M.Hashida,M.Fujita,Y.Izawa,A.F.Semerok,Femtosecond laser ablation of metals:precise measurement and analytical model for crater investigation, International congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP2002),May 27−31,Osaka (2002).
【非特許文献2】
N.Yasumaru,K.Miyazaki,J.Kiuchi,and H.Magara,Periodic nanostructures formed on hard thin films by femtosecond laser pulses,The Third Asian Pacific Laser Symposium (APLS2002),September 27−31, Osaka, WePB29 (2002).
【非特許文献3】
N.Yasumaru,K.Miyazaki, J.Kiuchi,and H.Magara,Femtosecond−laser−inducednanostructures formed on hard coatings of TiN and DLC,International congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP2002),May 27−3 1, Osaka(2002)
【非特許文献4】
J. Reit,F.Costache,M.Henyk,S.V.Pandelov,Ripple revisited:non−clasical morophorogy at the bottom of femtosecond laser ablation craters in transparent dielectrics”, Appl. Surf. Sci.,Vol.197−198, (2002), pp.891−895.
【非特許文献5】
E.E.B.Campbell,D.Ashkenasi and A. Rosenfeld,“Ultra−short−pulse laser irradiation andablation of dielectrics,”Material Science Forum,Vol.301, (1999), pp. 123−144.
【非特許文献6】
M.Birnbaum, Semiconductor surface damage produced by ruby laser,J.Appl.Phys.,Vol.36,(1965),pp.3688−3689.
【非特許文献7】
A.M.Bonch−Bruevich,M.N.Libenson,V.S.Markin,and V.Trubaev,Surface electromagnetic waves in optics,Opt.Eng.,Vol.31,(1992),pp.718−730.
【非特許文献8】
D.C.Emmony,R.P.Howson,and L.J.Willis,Laser mirror damage in germanium at 10.6mm,Appl. Phys.Lett.,Vol.23,(1973) pp.598−600.
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例による場合、バレル研磨法や放電加工法のいずれについても、加工サイズの不均一性が大きく制御性も低いことから、特に機械部品の摺動面が複雑な三次元形状であるときには、摺動摩擦抵抗を現状以上に低減することが非常に困難である。そのため、摺動面を有する機械部品の性能を向上させることも困難であった。
【0007】
なお、レーザを用いた精密加工(例えば、切断な穴開け等)の研究が進んでいるものの、機械部品の摺動面の摩擦抵抗を低減させるという報告に関しては皆無である。
【0008】
本発明は上記事情に鑑みて創案されたものであって、その目的とするところは、金属対象物の摺動面の摩擦抵抗を現状以上に低減することが可能な金属摺動面表面処理方法及びその装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属摺動面表面処理方法は、第1、第2の金属対象物が摺動接触する場合の摺動面の摩擦抵抗を低減させる方法であって、第1又は第2の金属対象物の摺動面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成するようにする。また、金属対象物の摺動面に微細周期構造を形成するに当たり、フェムト秒レーザを所定回数照射するようにしても良い。
【0010】
本発明の金属摺動面表面処理装置は、第1、第2の金属対象物が摺動接触する場合の摺動面上の摩擦抵抗を低減させる装置であって、第1又は第2の金属対象物の摺動面に照射すべきフェムト秒レーザを出力するレーザ光発生部と、レーザ光発生部の光軸上に配置されており且つ第1又は第2の金属対象物を載置するステージとを備え、ステージ上の第1又は第2の金属対象物の摺動面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成する構成となっている。
【0011】
好ましくは、レーザ光発生部とステージとの間の光軸上に配置されており且つ第1又は第2の金属対象物の摺動面に形成される微細周期構造の周期又は形状深さを制御するために当該摺動面に照射されるフェムト秒レーザのエネルギーを光学的に調整するエネルギー調整部を備えることが望ましい。また、レーザ光発生部とステージとの間の光軸上に配置されており且つ第1又は第2の金属対象物の摺動面に形成される微細周期構造の方向を制御するために当該摺動面に照射されるフェムト秒レーザの偏光方向を光学的に調整する偏光方向調整部を備えることが望ましい。さらに、レーザ光発生部とステージとの間の光軸上に配置されており且つ第1又は第2の金属対象物の摺動面に照射されるフェムト秒レーザを光学的に集光させる集光部を備えることが望ましい。ステージに関しては、水平方向及び/又は光軸方向に移動可能な構成なものを用いることが望ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ここでは機械製品に数多く使用されている摺動部材の代表例である軸受(図2中金属対象物W1)と軸(図2中金属対象物W2)との間の摺動面の摩擦抵抗を低減させるに当たり、図1に示すような金属摺動面表面処理装置を用いて金属対象物W1の摺動面sfを表面処理する場合について説明する。
【0013】
同装置は、金属対象物W1の摺動面sfに照射すべきフェムト秒レーザを出力するレーザ光発生部10と、フェムト秒レーザのエネルギーを光学的に調整するエネルギー調整部20と、フェムト秒レーザの偏光方向を光学的に調整する偏光方向調整部30と、フェムト秒レーザを集光させる集光部40と、金属対象物W1を載置するステージ50とを備え、ステージ50上の金属対象物W1の摺動面sfにフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成する基本構成となっている。
【0014】
なお、装置全体を制御する制御部や必要な設定値等を入力するための入力部については図示省略されている。
【0015】
レーザ光発生部10はフェムト秒レーザをパルスとして出力するレーザ発生装置であって、上記制御部により制御されており、上記入力部を通じてフェムト秒レーザの出力回数が設定可能になっている。
【0016】
エネルギー調整部20は、金属対象物W1の摺動面sfに形成される微細周期構造の周期又は形状深さを制御するために摺動面sfに照射されるフェムト秒レーザのエネルギーを光学的に調整する役目を果たす光学素子である。例えば、偏光板や半波長板等を組み合わせたものを用いるようにすると良い。エネルギー調整部20は、レーザ光発生部10とステージ50との間の光軸上に配置されるが、ここではレーザ光発生部10の出力側に配置している。
【0017】
偏光方向調整部30は、金属対象物W1の摺動面sfに形成される微細周期構造の方向を制御するために摺動面sfに照射されるフェムト秒レーザの偏光方向を光学的に調整する役目を果たす光学素子である。例えば、偏光板や1/ 4 波長板等を組み合わせたものを用いるようにすると良い。偏光方向調整部30は、レーザ光発生部10とステージ50との間の光軸上に配置されるが、ここではエネルギー調整部20と集光部40との間に配置している。
【0018】
集光部40は、フェムト秒レーザを集光させて金属対象物W1の摺動面sfを表面処理するに足りる照射フルーエンスを実現するために備えられた光学素子である。例えば、摺動面sfに合わせた面積を有するシリンドリカルレンズ等を用いると良い。集光部40は、レーザ光発生部10とステージ50との間の光軸上に配置されるが、ここではステージ50の手前に配置している。
【0019】
ステージ50は金属対象物W1を移動可能に載置する移動テーブルである。ここでは金属対象物W1の形状に関係なくその摺動面sfを表面処理するために水平方向及び光軸方向に移動可能な3軸用のものを用いている。また、ステージ50は上記制御部により制御されており、上記入力部を通じて金属対象物W1の形状や大きさ等が設定入力可能になっている。即ち、レーザ光発生部10が動作すると、ステージ50も金属対象物W1の形状等の設定に対応して予め用意されたパターンで動作し、金属対象物W1の移動によりフェムト秒レーザが金属対象物W1の摺動面sfの全面に均一に照射されるようになっている。
【0020】
次に、上記のように構成された金属摺動面表面処理装置の動作について説明する。まず、ステージ50に金属対象物W1をセットする。そして上記した必要な設定値等を上記入力部に設定入力する。この状態で同装置を動作させると、レーザ光発生部10が動作する。即ち、レーザ光発生部10からフェムト秒レーザが出力され、これがエネルギー調整部20、偏光方向調整部30及び集光部40を介してステージ50上の金属対象物W1の摺動面sfに照射される。
【0021】
ここではレーザ光発生部10が間欠動作し、フェムト秒レーザが金属対象物W1の摺動面sfの同一箇所に設定回数照射される。その後、ステージ50が1ステップ移動した後に再びレーザ光発生部10が間欠動作し、フェムト秒レーザが摺動面sfの上記の隣り箇所に設定所定回数照射される。同様の動作が繰り返し行われて、フェムト秒レーザがステージ50上の金属対象物W1の摺動面sfの全面に均一に照射されると、同装置の動作が終了となる。即ち、金属対象物W1の摺動面sfの表面処理が完了となる。
【0022】
このようなフェムト秒レーザの照射により金属対象物W1の摺動面sfには図2及び図3に示すような微細周期構造が形成される。この場合のレーザーフルーエンス(J/cm2 ) とその周期間隔(nm)との関係は図4に示す通りである(Proceeding of 9 thsymposium on“Micromachlining and Assembly Tecnology in Electronics ”,pp.517−222,February6−7,2003,Yokohama)。
【0023】
銅製の金属対象物W1の摺動面sfに波長800nm 、パルス幅100fs 、照射フルーエンス0.16J/cm2 のフェムト秒レーザを40回照射して微細周期構造を形成したところ、金属対象物W1と金属対象物W2との間の摩擦抵抗が10%以上低下したことが実験により確かめられた。また、同フェムト秒レーザを120回照射して微細周期構造を形成したところ、摺動面sf上の凹凸の不規則な粗さがrms 100nm であったものがrms 15nmにまで改善され、同様に摩擦抵抗が低下したことが実験により確かめられた。
【0024】
金属対象物W1の摺動面sfの表面処理により摩擦抵抗が低減するのは、摺動面sfに微細周期構造が形成されるからである。また、摺動面sfが不規則な粗さを有している場合、その粗さが平滑化されることも摩擦抵抗の低減に寄与している。
【0025】
このように金属対象物W1と金属対象物W2との間の摩擦抵抗は、金属対象物W1の摺動面sfに形成された微細周期構造の方向、周期間隔又は形状深さ等により、金属対象物W2の摺動面の表面構造等の関係で相対的に決定される。微細周期構造の周期又はその形状深さを設定するには、エネルギー調整部20においてフェムト秒レーザの波長、パルス幅又は照射回数を調整したり、集光部40においてその光学定数を調整するようにすると良い。また、微細周期構造の方向を設定するには、偏光方向調整部30においてその光学定数を調整したり又はステージ50の移動方向を変化させるようにすると良い。このような調整を行いつつ実験を行って、金属対象物W1の摺動面sfに最適な微細周期構造を形成するようにすると、結果として金属対象物W1と金属対象物W2との間の摩擦抵抗を低減することが可能になる。これは、金属対象物W1ではなく金属対象物W2の摺動面に上記と同様の方法で微細周期構造を形成して表面処理した場合も全く同様である。この効果は金属対象物の材質や形状等に関係なく得られる。
【0026】
上記従来例による場合、バレル研磨法や放電加工法のいずれについても、加工サイズの不均一性が大きく制御性も低く、これが金属対象物W1の摺動面sfの摩擦抵抗を低減する上で大きな問題になっていた。ところが、本装置を用いて金属対象物W1の摺動面sfの表面処理を行うと、その性質上、加工サイズの均一性が大きく制御性も高いことから、この問題が一挙に解消される。特に、金属対象物W1の摺動面sfが三次元形状であるときであっても何ら支障がない。このように本装置を用いると、どのような大きさ、形状、材質の金属対象物W1であってもその摺動面sfの摩擦抵抗を低減させることが可能であることから、摺動面を有する機械部品の性能を向上させる上で大きな意義がある。
【0027】
なお、本発明に係る金属摺動面表面処理方法及びその装置は、上記実施形態に限定されず、次のように設計変更してもかまわない。
【0028】
まず、金属摺動面表面処理方法に関しては、第1、第2の金属対象物が摺動接触する場合の摺動面の摩擦抵抗を低減させるに当たり、第1又は第2の金属対象物の摺動面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成する内容である限り、どのような方法を用いても良く、フェムト秒レーザの波長、パルス幅又は照射フルーエンス等が限定されないことは勿論のこと、フェムト秒レーザを連続出力して表面処理を行うようにしてもかまわない。また、金属対象物の摺動面に微細周期構造を形成するに当たり、金属対象物を載置するステージを順次移動させるのではなく、フェムト秒レーザを走査させて金属対象物の摺動面上の照射ポイントを順次移動させるようにしてもかまわない。
【0029】
金属摺動面表面処理装置に関しては、第1又は第2の金属対象物の摺動面に照射すべきフェムト秒レーザを出力するレーザ光発生部と、レーザ光発生部の光軸上に配置されており且つ第1又は第2の金属対象物を載置するステージとを備え、ステージ上の第1又は第2の金属対象物の摺動面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成する構成である限り、どのような構成であっても良く、エネルギー調整部、偏光方向調整部又は集光部を省略したり又はこれらの機能をレーザ光発生部に含めるようにしてもかまわない。また、ステージについては固定式であっても良く、その代わりにレーザ光発生部の光軸上に反射ミラー等を配置し、この反射ミラー等の角度を順次変化させてフェムト秒レーザを走査し、金属対象物の摺動面上の照射ポイントを順次変化させるようにしてもかまわない。
【0030】
【発明の効果】
以上、本発明の請求項1又は2に係る金属摺動面表面処理方法による場合、金属対象物の摺動面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成し、これにより当該摺動面の摩擦抵抗を低減させる構成となっているので、その性質上、加工サイズの均一性が大きく制御性も高いことから、金属対象物の摺動面の摩擦抵抗を現状以上に低減することが可能になり、摺動面を有する機械部品の性能を向上させる上で大きなメリットがある。
【0031】
本発明の請求項3乃至7に係る金属摺動面表面処理装置による場合、金属対象物の摺動面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成し、これにより当該摺動面の摩擦抵抗を低減させる構成となっているので、その性質上、加工サイズの均一性が大きく制御性も高いことから、金属対象物の摺動面の摩擦抵抗を現状以上に低減することが可能になる。また、どのような大きさ、形状、材質の金属対象物であってもその摺動面の摩擦抵抗を低減させることが可能であることから、摺動面を有する機械部品の性能を向上させる上で大きなメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を説明するための図であって金属摺動面表面処理装置の構成図である。
【図2】同装置を用いて金属対象物の摺動面に形成された微細周期構造を示す模式的断面図である。
【図3】同装置を用いて金属対象物の摺動面に形成された微細周期構造を示した拡大平面図であって、高分解能走査型反射電子顕微鏡の写真である。
【図4】金属対象物の表面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成した場合のレーザーフルーエンスと周期間隔との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
W1 金属対象物
sf 摺動面
10 レーザ光発生部
20 エネルギー調整部
30 偏光方向調整部
40 集光部
50 ステージ
Claims (7)
- 第1、第2の金属対象物が摺動接触する場合の摺動面の摩擦抵抗を低減させる方法であって、第1又は第2の金属対象物の摺動面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成するようにしたことを特徴とする金属摺動面表面処理方法。
- 請求項1記載の金属摺動面表面処理方法において、第1又は第2の金属対象物の摺動面に微細周期構造を形成するに当たり、フェムト秒レーザを所定回数照射することを特徴とする金属摺動面表面処理方法。
- 第1、第2の金属対象物が摺動接触する場合の摺動面上の摩擦抵抗を低減させる装置であって、第1又は第2の金属対象物の摺動面に照射すべきフェムト秒レーザを出力するレーザ光発生部と、レーザ光発生部の光軸上に配置されており且つ第1又は第2の金属対象物を載置するステージとを備え、ステージ上の第1又は第2の金属対象物の摺動面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成する構成となっていることを特徴とする金属摺動面表面処理装置。
- 請求項3記載の金属摺動面表面処理装置において、レーザ光発生部とステージとの間の光軸上に配置されており且つ第1又は第2の金属対象物の摺動面に形成される微細周期構造の周期又は形状深さを制御するために当該摺動面に照射されるフェムト秒レーザのエネルギーを光学的に調整するエネルギー調整部を備えたことを特徴とする金属摺動面表面処理装置。
- 請求項3又は4記載の金属摺動面表面処理装置において、レーザ光発生部とステージとの間の光軸上に配置されており且つ第1又は第2の金属対象物の摺動面に形成される微細周期構造の方向を制御するために当該摺動面に照射されるフェムト秒レーザの偏光方向を光学的に調整する偏光方向調整部を備えたことを特徴とする金属摺動面表面処理装置。
- 請求項3、4又は5記載の金属摺動面表面処理装置において、レーザ光発生部とステージとの間の光軸上に配置されており且つ第1又は第2の金属対象物の摺動面に照射されるフェムト秒レーザを光学的に集光させる集光部を備えたことを特徴とする金属摺動面表面処理装置。
- 請求項3、4、5又は6記載の金属摺動面表面処理装置において、ステージが水平方向及び/又は光軸方向に移動可能な構成となっていることを特徴とする金属摺動面表面処理装置。
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