JP2008119735A - 高硬度材料加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フェムト秒レーザによるレーザ加工により、熱影響が無く堆積物も無い高精度な高硬度材料加工を実現する画期的な高硬度材料加工方法を提供する。
【解決手段】フェムト秒レーザ１を用いた高硬度材料加工方法であって、例えば超硬金属などの高硬度材料の加工材２にフェムト秒レーザ１を照射してこの加工材２を加工し、これによって前記加工材２に形成される加工凹部の底部の加工面２ａに対し、前記加工時に比してパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を再度照射して、この加工面２ａに形成された堆積物４をこのパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３により除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェムト秒レーザを用いて例えば超硬金属などの高硬度材料を加工する高硬度材料加工方法に関するものである。

従来から、出力パルスの時間幅（パルス幅）がフェムト秒オーダの超短パルスレーザ、所謂、フェムト秒レーザを用いた微細加工技術が提案されている。

これは、例えば、特開２００３−２１１４００号公報に開示されているように、加工材にフェムト秒レーザを照射し、このフェムト秒レーザと加工材との相互作用（アブレーション作用など）により加工材に加工を施すものであって、例えば加工材の表面分子を前記相互作用により除去し加工凹部を形成するものである。

ところで、パルスレーザのレーザ強度Ｉは、Ｉ＝Ｅ／Ｓｔ（Ｅ：パルスエネルギ，Ｓ：照射面積，ｔ：パルス幅）で表され、そのレーザ強度はパルス幅に反比例するものである。従って、パルス幅がフェムト秒オーダの超短パルスレーザである上述のフェムト秒レーザは、それだけ非常に強いレーザ強度を確保でき、よって、加工の困難な超硬金属（高硬度金属）などの高硬度材料の加工も良好に行うことができる。

また特に、上述の通りフェムト秒レーザはパルス幅が極微小である為、加工時には、レーザ照射範囲の周囲に何ら熱影響を及ぼすことなく瞬時にフェムト秒レーザと加工材との相互作用を完了できる。即ち、加工精度の劣化の原因となる熱影響層を周囲に形成しない非熱的加工が可能である為、仮に高硬度材料の微細加工として一般的なワイヤ放電加工などの熱加工を施した場合にはどうしても熱影響層の形成による加工精度劣化の問題が生ずるが、この点、フェムト秒レーザを用いた加工の場合はこのような問題は生ぜず、それだけ高精度な加工が可能である。

以上から、この種のフェムト秒レーザを用いた加工は、高硬度材料加工の中でも、特に、金型製造時の型彫り加工や、機械同志が直接接触して相対摺動する摺動面の表面加工など、とりわけ高い精度を要求される微細加工に良好に採用されている。

ところが、このフェムト秒レーザを高硬度材料（加工材）に照射して加工を施した場合、この加工材の加工面には、どうしても数ミクロンの堆積物が生ずることとなる（尚、本願明細書における堆積物とは、フェムト秒レーザを照射しての前記加工時に生じた加工材の微小屑、あるいは材料物質が雰囲気ガスと反応して生成した物質が加工面に残存し堆積したものを呼ぶ。）。

そして、この堆積物が加工面に微小な凹凸を形成し、これが形状精度（面粗さ）や機械的特性を劣化させる原因となる。また、この堆積物を除去するには、加工面を磨耗したり変形させることなく注意してこの堆積物のみを除去する面倒で厄介な表面仕上げ処理を行わなければならず、非常に煩わしい。

特開２００３−２１１４００号公報

本発明は、前述した問題点に着目し、これを解決すべく種々の実験を行った結果、フェムト秒レーザにより高硬度材料（加工材）に加工を施し、これにより加工材に形成された加工面に対し、前記加工時よりもパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザを再度照射することで、加工面への影響は殆ど無くこの加工面に生じた堆積物のみを良好に除去できることを見い出し完成したもので、加工面に生ずる堆積物を除去するために厄介な表面仕上げ処理などを行う必要は一切無く、フェムト秒レーザを用いたレーザ加工のみにより熱影響も無く堆積物も無い高精度な高硬度材料加工を実現する画期的な高硬度材料加工方法を提供するものである。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

フェムト秒レーザ１を用いた高硬度材料加工方法であって、加工材２にフェムト秒レーザ１を照射してこの加工材２を加工し、これによって前記加工材２に形成される加工面２ａに対し、前記加工時に比してパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を照射してこの加工面２ａに生じた堆積物４をこのパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３により除去することを特徴とする高硬度材料加工方法に係るものである。

また、前記加工材２にフェムト秒レーザ１を照射してこの加工材２に形成した加工凹部の底部の加工面２ａに、前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を照射することを特徴とする請求項１記載の高硬度材料加工方法に係るものである。

また、前記加工材２にフェムト秒レーザ１を照射する際の前記加工材２に対する前記フェムト秒レーザ１の照射方向及び照射範囲と同様の照射方向及び照射範囲で前記加工材２に対して前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を照射することを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の高硬度材料加工方法に係るものである。

また、前記加工材２に照射する前記フェムト秒レーザ１のパルスエネルギをＥとすると、このフェムト秒レーザ１の照射によって前記加工材２に形成された加工面２ａに照射する前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３のパルスエネルギを、約Ｅ／１００〜Ｅ／１０に設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高硬度材料加工方法に係るものである。

本発明は上述のようにするから、フェムト秒レーザを照射して加工材（高硬度材料）に形成した加工面に対し、パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザを再度照射することにより、この加工材の加工面に生じた堆積物を除去できる。

よって、本発明は、加工材に形成した加工面の堆積物を除去するべく、厄介な表面仕上げ処理を行う必要は一切無く、フェムト秒レーザによるレーザ加工のみによって加工面の堆積物を良好に除去でき、熱影響による形状精度劣化も無く、且つ堆積物による加工面の凹凸も除去したそれだけ高精度な高硬度材料加工を実現する極めて作業性及び実用性に秀れた画期的な高硬度材料加工方法となる。

また、請求項２記載の発明においては、例えば高硬度材料の型彫り加工など、フェムト秒レーザの照射により加工材に加工凹部を形成した場合、この形成された加工凹部の底部の加工面において上述の堆積物の生成が顕著であるが、この点、本発明ではこの加工材の加工凹部の底部の加工面に向けて前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザを照射することで、前記堆積物を確実且つ良好に除去でき堆積物の無い高精度な加工面を一層確実に実現できる。

また、請求項３記載の発明においては、フェムト秒レーザの照射の後、パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザを照射する際には、単にパルスエネルギを調整するのみで、その余の加工材に対する照射方向や照射範囲に関しては同様の設定で照射が実施でき、一層容易に本発明を実施でき、且つこのパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザを加工面の堆積物に対して隈なく効率的に照射できるなど、一層作業性及び実用性に秀れる。

また、請求項４記載の発明においては、前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザを好適なパルスエネルギに設定したから、このパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザを前記加工材の加工面に照射することで、この加工面への影響は殆ど無く、且つこの加工面に生じた堆積物のみを良好に除去でき、発明の上記秀れた作用効果を一層確実に発揮し得るものとなる。

好適と考える本発明の実施形態（発明をどのように実施するか）を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明は、フェムト秒レーザ１を用いて加工材２（高硬度材料，例えば超硬金属など）を加工（例えば型彫り加工など）するものである。

先ず、加工材２にフェムト秒レーザ１を照射して、このフェムト秒レーザ１と加工材２との相互作用によりこの加工材２に（例えば加工凹部の形成などの）加工を施す。

このようにして加工材２に形成される加工面２ａに対し、次いで、前記加工時に比してパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を照射する。

従って、前記フェムト秒レーザ１を加工材２に照射して加工を施した際、この加工材２の加工面２ａに堆積物４が生じたとしても、次いでこの加工面２ａに照射される前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３によりこの堆積物４が加工面２ａから除去されることとなる。

よって、例えばフェムト秒レーザ１の照射により加工材２に加工凹部を形成した場合、この加工凹部の底部の加工面２ａには微細な堆積物４が生じ、これにより、せっかく加工面２ａ自体は表面粗さが低く平坦であっても、その上層に生じた（堆積した）堆積物４により加工凹部の底部が凹凸した形状となってしまうが、この点、本発明においては、例えばこの加工凹部の底部の加工面２ａに向けて前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を照射してこの加工凹部の底部の加工面２ａから堆積物４を除去するといったことが可能である。

尚、例えば、前記加工材２に照射する前記フェムト秒レーザ１のパルスエネルギをＥとすると、このフェムト秒レーザ１の照射によって前記加工材２に形成された加工面２ａに照射する前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３のパルスエネルギを、約Ｅ／１００〜Ｅ／１０に設定した場合には、このパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザが、本発明に好適なパルスエネルギに設定されることなる。

即ち、前述したようにパルスエネルギを設定することで、このパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を前記加工材２の前記堆積物４が生じた加工面２ａに照射した際、この加工面２ａへの影響は殆ど無く、且つこの加工面２ａに生じた堆積物４のみが良好に除去されることが本発明者の実験により確認されている。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、フェムト秒レーザ１を用いた超硬金属加工方法である。

尚、フェムト秒レーザ１を照射するレーザ照射装置Ａとしては従来から様々な構造があり、図２に図示した本実施例においては、レーザ発振器５，パルス伸長器６，増幅器７及びパルス圧縮器８などから成るレーザ照射部から照射されたレーザ光をレンズ９を介して照射先方向に位置する試料台10にセットされた加工材２に向けて照射する一般的な構造のレーザ照射装置Ａを採用している。また、このレーザ照射装置Ａの各部の具体的な構造は本発明の要旨と直接関係しないので省略する。

本実施例は、加工材２にフェムト秒レーザ１を照射してこの加工材２を加工し、これによって前記加工材２に形成される加工面２ａに対し、前記加工時に比してパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を照射して、前記加工面２ａに生じた堆積物４をこのパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３により除去する。

また、本実施例では、加工材２である高硬度材料として、超硬金属（高硬度金属）を採用するものである。

具体的に説明すると、図１（ａ）に図示したように、加工材２（超硬金属）の表面にフェムト秒レーザ１を照射し、この加工材２に加工凹部を形成する。

この際、この加工材２の加工凹部の底部及び側周部のうち、フェムト秒レーザ１の照射方向と対向する位置、即ち加工凹部の底部の加工面２ａには図１の通り堆積物４が生じ易く、一方、フェムト秒レーザ１の照射方向に沿った加工凹部の側周部には堆積物４は生じにくい。

よって、本実施例では、加工材２にフェムト秒レーザ１の照射により形成した加工凹部の加工面２ａ（加工凹部の底部及び側周部）のうち、少なくとも加工凹部の底部の加工面２ａに向けて、前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を照射することとする。尚、具体的には、前記加工材２にフェムト秒レーザ１を照射する際の前記加工材２に対する前記フェムト秒レーザ１の照射方向及び照射範囲と同様の照射方向及び照射範囲で前記加工材２に対して前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を照射することで、前記加工凹部２ａの底部の加工面２ａに向けて隈なく前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を照射している。即ち、レーザ照射装置Ａにより加工材２にフェムト秒レーザ１を照射した後、パルスエネルギのみを調整して、その余の加工材２に対する照射方向や照射範囲といった条件はそのままで再度加工材２にこのパルスエネルギを低く調整設定したフェムト秒レーザ３を照射するものである。

従って、図１（ｂ）に図示したように、堆積物４が生じ易い前記加工材２の加工凹部の底部の加工面２ａの堆積物４を前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３で効率的且つ良好（可及的に隈なく）除去でき、ひいては、この加工面２ａの加工精度向上は機械的特性の向上を確実に図り得る。

尚、本実施例では、先に加工材２に照射する前記フェムト秒レーザ１のパルスエネルギを５００μJに設定し、次いでこの加工材２の加工面２ａに照射する前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３のパルスエネルギを５０μJに設定しているが、他にも、先に加工材２に照射する前記フェムト秒レーザ１のパルスエネルギをＥとすると、次いでこの加工材２の加工面２ａに向けて照射する前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３のパルスエネルギは、約Ｅ／１００〜Ｅ／１０に設定すれば良い。

このようにパルスエネルギを設定した前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３により、加工材２の加工凹部の底部の加工面２ａに照射を行い、堆積物４の除去を実施することによって、この加工面２ａの表面粗さをＲａ〜０．３μｍ程度にまで低くでき、且つ、この際に前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３による加工面２ａ自体への影響は殆ど無く、加工面２ａに生じた（残存した）堆積物４のみを良好に除去でき、これによりフェムト秒レーザ１を用いた加工特有の微細な（０．５μｍピッチ程度の）周期構造が形成された本来の加工面２ａが表出することとなる点、本発明者らは実験により確認している。

本実施例は、上述のようにするから、フェムト秒レーザ１の照射により加工材２に加工凹部を形成した場合、図１（ａ）に図示したように、この加工凹部の底部の加工面２ａには微細な堆積物４が生じ、これにより、せっかく加工面２ａ自体は表面粗さが低く平坦であっても、その上層に生じた（堆積した）堆積物４により加工凹部の底部が凹凸した形状となってしまうが、この点、図１（ｂ）に図示したように、この堆積物４により凹凸した加工凹部の底部の加工面２ａに向けて前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ３を照射して、この加工凹部の底部の加工面２ａから堆積物４を除去することで本来の加工面２ａを表出させることができる。

よって、本実施例は、厄介な加工面２ａの表面仕上げ処理などが一切不要で、フェムト秒レーザ１，３によるレーザ加工のみにより熱影響による形状精度劣化も、堆積物４による加工面２ａの凹凸も無いそれだけ高精度な高硬度材料加工を実現し得るものである。

尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。

本実施例に係る高硬度材料加工方法を示す説明図である。 本実施例に係る高硬度材料加工方法のレーザ照射装置Ａを示す説明図である。

符号の説明

１ フェムト秒レーザ
２ 加工材
２ａ 加工面
３ フェムト秒レーザ
４ 堆積物

Claims (4)

1. フェムト秒レーザを用いた高硬度材料加工方法であって、加工材にフェムト秒レーザを照射してこの加工材を加工し、これによって前記加工材に形成される加工面に対し、前記加工時に比してパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザを照射してこの加工面に生じた堆積物をこのパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザにより除去することを特徴とする高硬度材料加工方法。
2. 前記加工材にフェムト秒レーザを照射してこの加工材に形成した加工凹部の底部の加工面に、前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザを照射することを特徴とする請求項１記載の高硬度材料加工方法。
3. 前記加工材にフェムト秒レーザを照射する際の前記加工材に対する前記フェムト秒レーザの照射方向及び照射範囲と同様の照射方向及び照射範囲で前記加工材に対して前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザを照射することを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の高硬度材料加工方法。
4. 前記加工材に照射する前記フェムト秒レーザのパルスエネルギをＥとすると、このフェムト秒レーザの照射によって前記加工材に形成された加工面に照射する前記パルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザのパルスエネルギを、約Ｅ／１００〜Ｅ／１０に設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高硬度材料加工方法。

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