JP2019042755A - Method and system for treatment of artificial diamond coating region - Google Patents

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Abstract

To provide a method for improving crystallinity of diamond in an artificial diamond coating region which is provided on a work-piece.SOLUTION: A method for treatment of an artificial diamond coating region includes: a step at which an ultrashort pulse laser Lf, of which a pulse width is 1 femtosecond or more and 10 pico seconds or less, is emitted from an ultrashort pulse laser source 10; a step at which the ultrashort laser beam Lf is applied onto a work-piece processed surface 5a, on which artificial diamond coating is performed, via an optical system device 20 or 55 so that fluence of the ultrashort pulse laser Lf on the work-piece processed surface 5a becomes less than a processing threshold of the artificial diamond coating region; and a step at which a relative position or a relative attitude of the ultrashort pulse laser Lf applied via the optical system device 20 or 55 and the work-piece processed surface 5a is controlled, and the ultrashort pulse laser Lf applied via the optical system device 20 or 55 is scanned to the work-piece processed surface 5a.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法及びシステムに関し、より詳細には人工ダイヤモンドコーティングの結晶性を向上するための方法及びシステムに関する。   The present disclosure relates to a method and system for processing an artificial diamond coating region, and more particularly to a method and system for improving the crystallinity of an artificial diamond coating.

切削工具などの刃部に人工ダイヤモンドコーティングを施す技術が知られている。例えば、特許文献1は、連続する山形歯からなる刃部が形成されたブレードの切断性能を向上するために刃部に人工ダイヤモンドコーティングが施されることを開示する。また、特許文献2は、切削工具を用いて軟質金属に切削加工をする際に軟質金属においてバリが発生しないようにするために切削工具の刃先部分の側面に人工ダイヤモンドコーティングが施されることを開示する。その他人工ダイヤモンド乃至はDLC(Diamond Like Carbon)コーティングに関しては、種々の技術が報告されている(非特許文献1〜11参照)。   A technique for applying an artificial diamond coating to a blade portion of a cutting tool or the like is known. For example, Patent Document 1 discloses that an artificial diamond coating is applied to the blade portion in order to improve the cutting performance of the blade in which the blade portion made of continuous chevron teeth is formed. Further, Patent Document 2 discloses that an artificial diamond coating is applied to the side surface of the cutting edge portion of the cutting tool in order to prevent burrs from being generated in the soft metal when cutting the soft metal using the cutting tool. Disclose. In addition, various techniques have been reported for artificial diamond or DLC (Diamond Like Carbon) coating (see Non-Patent Documents 1 to 11).

特開2016−55407号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-55407 特開2004−42195号公報JP 2004-42195 A

角谷均、「高圧合成ダイヤモンドの新展開」、精密工学会誌、Vol.76、No.12、2010Hitoshi Kakutani, “New development of high-pressure synthetic diamond”, Journal of Precision Engineering, Vol. 76, no. 12, 2010 八田章光、住友卓、平木昭夫、伊藤利通、「プラズマCVD法による高品質ダイヤモンドの合成」、プラズマ・核融合学会誌、Vol.76、No.9、2000Akita Hatta, Taku Sumitomo, Akio Hiraki, Toshimichi Ito, “Synthesis of High Quality Diamond by Plasma CVD”, Journal of Plasma and Fusion Research, Vol. 76, no. 9, 2000 渡邉政嘉、吉川昌範、「ダイヤモンドコーティング切削工具によるセラミックスの切削」、精密工学会誌、Vol.56、No.9、2009Masayoshi Watanabe and Masanori Yoshikawa, “Cutting of Ceramics with Diamond Coating Cutting Tools”, Journal of Precision Engineering, Vol. 56, no. 9, 2009 Htet Sein、Wagar Ahmed、Mark Jackson、Robert Woodwards、Riccardo Polini、「Performance and characterisation of CVD diamond coated,sintered diamond and WC−Co cutting tools for dental and micromachining applications」、Thin Solid Films、Vol.447−448、30、2004Htet Sein, Wagar Ahmed, Mark Jackson, Robert Woodwards, Riccardo Polini, "Performance and characterisation of CVD diamond coated, sintered diamond and WC-Co cutting tools for dental and micromachining applications", Thin Solid Films, Vol. 447-448, 30, 2004 Diane.S.knight、William.B.White、「Characterization of diamond films by Raman spectroscopy」、Journal of Materials Research、Vol.4、Issue 2、1989Diane. S. knight, William. B. White, “Characterization of diamond films by Raman spectroscopy”, Journal of Materials Research, Vol. 4, Issue 2, 1989 M.Pandey、R.D‘ Cunha、A.K.Tyagi、「Defects in CVD diamond: Raman and XRD studies」、Journal of Alloys and Compounds、Vol.333、Issues 1−2、2002M.M. Pandey, R.A. D 'Cunha, A. K. Tyagi, “Defects in CVD diamond: Raman and XRD studies”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 333, Issues 1-2, 2002 Hiroyuki Kuriyama、Seiichi Kiyama、Shigeru Noguchi、Takashi Kuwahara、Satoshi Ishida、Tomoyuki Nohda、Keiichi Sano、Hiroshi Iwata、Hiroshi Kawata、Masato Osumi、「Enlargement of Poly−Si Film Grain Size by Eximer Laser Annealing and Its Application to High Performance Poly−Si Thin Film Transistor」、Jpn.Appl.Phys.、1991Hiroyuki Kuriyama, Seiichi Kiyama, Shigeru Noguchi, Takashi Kuwahara, Satoshi Ishida, Tomoyuki Nohda, Keiichi Sano, Hiroshi Iwata, Hiroshi Kawata, Masato Osumi, "Enlargement of Poly-Si Film Grain Size by Eximer Laser Annealing and Its Application to High Performance Poly -Si Thin Film Transistor ", Jpn. Appl. Phys. 1991 J.W.Lee、H.Shichijo、H.L.Tsai、R.J.Matyi、「Defect reduction by thermal annealing of GaAs layers grown by molecular beam epitaxy on Si substrates」、Appl.Phys.Lett、1987J. et al. W. Lee, H.C. Shichijo, H.C. L. Tsai, R.A. J. et al. Matyi, “Defect reduction by thermal annealing of GaAs layers grown by molecular beam epitaxy on Si substrates”, Appl. Phys. Lett, 1987 T.Sameshima、S.Usui、M.Sekiya、「XeCl Eximer laser annealing used in the fabrication of poly−Si TFT‘s」、IEEE Electron Device Letters、1986T.A. Sameshima, S .; Usui, M.M. Sekiya, “XeCl Eximer laser annealing used in the fabrication of poly-Si TFT's”, IEEE Electron Device Letters, 1986 閻紀旺、「高速レーザ照射による単結晶Si研削加工ダメージの完全修復」Yuki Tsuji, “Complete repair of single crystal Si grinding damage by high-speed laser irradiation” P.Merel、M.Tabbal、M.Chaker、S.Moisa、J.Margot、「Direct evaluation of the sp3 content in diamond−like−carbon films by XPS」、Applied Surface Science、1998P. Merel, M.M. Tabbal, M.M. Chaker, S .; Moisa, J. et al. Margot, “Direct evaluation of the sp3 content in diamond-like-carbon films by XPS”, Applied Surface Science, 1998. 糸魚川文広、井上京士、小野晋吾、須藤正明、「フェムト秒レーザ照射によるCVDダイヤモンドコーティングの改質」、一般社団法人、日本機械学会、No.17−1、日本機械学会2017年度年次大会Fumihiro Itoigawa, Kyoji Inoue, Atsushi Ono, Masaaki Sudo, “Modification of CVD diamond coating by femtosecond laser irradiation”, General Incorporated Association, Japan Society of Mechanical Engineers, No. 17-1, Annual Meeting of the Japan Society of Mechanical Engineers 2017

ところで、ダイヤモンドは炭素のsp3結合からなり、グラファイト(黒鉛)は炭素のsp2結合からなり、DLCはダイヤモンドとグラファイトの両方の結合からなるアモルファス構造(非晶質構造)を有する。すなわち、DLCでは、ダイヤモンド結合であるsp3とグラファイト結合であるsp2が混在する。sp3結合では炭素原子が密に結合されているため、sp3結合はsp2結合よりも強く、ダイヤモンド特有の高い硬度に寄与する。CVDのように人工的に合成されたダイヤモンドは、DLCのような性質を示すことが多い。したがって、人工ダイヤモンドを用いるアプリケーションにおいてダイヤモンドに近い高い硬度が求められる場合には、その結晶構造を改質してsp3結合の割合を増加させることが望ましい。このように、DLCの結晶性の向上が望まれる場合がある。   By the way, diamond consists of carbon sp3 bonds, graphite (graphite) consists of carbon sp2 bonds, and DLC has an amorphous structure (amorphous structure) consisting of both diamond and graphite bonds. That is, in DLC, sp3 which is a diamond bond and sp2 which is a graphite bond are mixed. Since carbon atoms are closely bonded in the sp3 bond, the sp3 bond is stronger than the sp2 bond and contributes to the high hardness peculiar to diamond. Diamonds that are artificially synthesized, such as CVD, often exhibit DLC-like properties. Therefore, when high hardness close to that of diamond is required in an application using artificial diamond, it is desirable to modify the crystal structure to increase the proportion of sp3 bonds. As described above, there is a case where improvement in crystallinity of DLC is desired.

そこで、本開示は、ワークに施された人工ダイヤモンドコーティング領域におけるダイヤモンドの結晶性を向上するための方法及びシステムを提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present disclosure is to provide a method and system for improving the crystallinity of diamond in an artificial diamond coating region applied to a workpiece.

本開示の一態様によると、人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法が提供される。その方法は、パルス幅が1フェムト秒以上10ピコ秒以下の超短パルスレーザを超短パルスレーザ源から出射するステップと、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面における超短パルスレーザのフルエンスを人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満となるように、光学系装置を介して超短パルスレーザをワーク加工面に照射するステップと、光学系装置を介して照射される超短パルスレーザとワーク加工面との相対位置又は相対姿勢を制御して、光学系装置を介して照射される超短パルスレーザをワーク加工面に対して走査するステップとを備える。   According to one aspect of the present disclosure, a method for treating an artificial diamond coating region is provided. The method includes a step of emitting an ultrashort pulse laser having a pulse width of 1 femtosecond or more and 10 picoseconds or less from an ultrashort pulse laser source, and a fluence of the ultrashort pulse laser on a workpiece processing surface coated with an artificial diamond coating. A step of irradiating a workpiece processing surface with an ultra short pulse laser through an optical system device so that the processing threshold of the artificial diamond coating region is less than the processing threshold, and an ultra short pulse laser and a workpiece processing surface irradiated through the optical system device Scanning the workpiece processing surface with an ultrashort pulse laser irradiated through the optical system device.

本開示の他の態様によると、人工ダイヤモンドコーティング領域を処理するシステムが提供される。そのシステムは、パルス幅が1フェムト秒以上10ピコ秒以下の超短パルスレーザを出射する超短パルスレーザ源と、超短パルスレーザのプロファイルを調整する光学系装置と、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面の位置及び姿勢を制御するワーク保持機構と、プロファイルが調整された超短パルスレーザのワーク加工面におけるフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満となる状態で、プロファイルが調整された超短パルスレーザがワーク加工面を走査するように光学系装置及びワーク保持機構を制御する制御装置を備える。   According to another aspect of the present disclosure, a system for processing an artificial diamond coating region is provided. The system is provided with an ultrashort pulse laser source that emits an ultrashort pulse laser with a pulse width of 1 femtosecond or more and 10 picoseconds or less, an optical system that adjusts the profile of the ultrashort pulse laser, and an artificial diamond coating. The profile was adjusted with the workpiece holding mechanism that controls the position and orientation of the workpiece surface and the fluence on the workpiece surface of the ultrashort pulse laser whose profile was adjusted being less than the machining threshold of the artificial diamond coating area. A control device for controlling the optical system device and the workpiece holding mechanism is provided so that the ultrashort pulse laser scans the workpiece processing surface.

本発明によると、ワークに施された人工ダイヤモンドコーティング領域におけるダイヤモンドの結晶性を向上するための方法及びシステムが実現される。これにより、ワークの高精度な加工が可能となり、ワークが工具として使用される場合の工具の長寿命化が可能となる。   According to the present invention, a method and system for improving the crystallinity of diamond in an artificial diamond coating region applied to a workpiece is realized. As a result, the workpiece can be processed with high accuracy, and the tool life can be extended when the workpiece is used as a tool.

第1の実施形態による工具作製用のシステムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the system for tool manufacture by 1st Embodiment. 第1の実施形態における光学系装置の模式図である。It is a schematic diagram of the optical system apparatus in 1st Embodiment. 第1の実施形態の第1実施例における、PLGによる表層除去を説明する図である。It is a figure explaining the surface layer removal by PLG in the 1st Example of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第1実施例における各領域のSEM像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of each area | region in the 1st Example of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第1実施例における各領域のラマンスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Raman spectrum of each area | region in the 1st Example of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第1実施例における各領域のC(1s)のXPSスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the XPS spectrum of C (1s) of each area | region in 1st Example of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第1実施例における各領域のN(1s)のXPSスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the XPS spectrum of N (1s) of each area | region in the 1st Example of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第1実施例における各領域のO(1s)のXPSスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the XPS spectrum of O (1s) of each area | region in the 1st Example of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第1実施例における各領域のX線吸収分光測定(オージェ電子収量法)の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the X-ray absorption spectroscopy measurement (Auger electron yield method) of each area | region in the 1st Example of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第1実施例における各領域のX線吸収分光測定(全電子電子収量法)の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the X-ray absorption spectroscopy measurement (all the electron yield method) of each area | region in 1st Example of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第2実施例における刃先の耐摩耗性試験を説明する図である。It is a figure explaining the abrasion resistance test of the blade edge | tip in 2nd Example of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第2実施例における切削試験後の刃先の光学顕微鏡写真である。It is an optical microscope photograph of the blade edge | tip after the cutting test in 2nd Example of 1st Embodiment. 第1の実施形態の第2実施例における切削試験後の刃先のSEM像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of the blade edge | tip after the cutting test in 2nd Example of 1st Embodiment. 第2の実施形態による工具作製用のシステムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the system for tool manufacture by 2nd Embodiment. 第2の実施形態における各領域のSEM像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of each area | region in 2nd Embodiment. レーザの加工形態を説明する図である。It is a figure explaining the processing form of a laser. PLGによる整形処理を説明する図である。It is a figure explaining the shaping process by PLG. PLGにおけるレーザの光軸方向への加工の進展を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows progress of the process to the optical axis direction of the laser in PLG.

<人工ダイヤモンドコーティングの概要>
1.人工ダイヤモンド
ダイヤモンドは宝石として価値を有する一方で、高い工業的利用価値も有する。ダイヤモンドは、最も高い硬度、高い熱伝導率、小さい熱膨張係数を有し、これにより耐摩耗性、熱拡散性、熱衝撃耐性に優れ、工学的に理想的な性質を有する。この性質によって、上記の高い工業的利用価値がもたらされる。そのため、光学分野、電気・電子分野、機械工作の分野などの幅広い分野でダイヤモンドの応用が進められており、ダイヤモンドは特に研磨、切削などの工業的用途に広く利用されている。しかし、天然ダイヤモンドの利用には、一般に、ダイヤモンド自体のコストが高いこと、天然ダイヤモンドの埋蔵量が少ないこと、及び採掘にもコストがかかることといった問題が伴う。また、ダイヤモンドは地球内部の非常に高温高圧な環境で生成されるために定まった形状で産出されない。したがって、産出されたダイヤモンドを成形することが必要となる。またさらに、ダイヤモンドの高い硬度は、それ自体が利点である一方で、加工性の低さをもたらしてしまう。そのため、天然ダイヤモンドの利用は全体として高コストなものとなってしまう。
<Outline of artificial diamond coating>
1. Artificial diamond While diamond has value as a gemstone, it also has high industrial utility value. Diamond has the highest hardness, high thermal conductivity, and a small coefficient of thermal expansion, thereby being excellent in wear resistance, thermal diffusivity, and thermal shock resistance, and has ideal engineering properties. This property brings about the above high industrial utility value. For this reason, diamond is being applied in a wide range of fields such as the optical field, electrical / electronic field, and machining field, and diamond is widely used for industrial applications such as polishing and cutting. However, the use of natural diamond generally involves problems that the cost of the diamond itself is high, the reserve of natural diamond is small, and that mining is also expensive. Also, diamond is not produced in a fixed shape because it is generated in a very high temperature and high pressure environment inside the earth. Therefore, it is necessary to shape the produced diamond. Still further, the high hardness of diamond is itself an advantage, but results in poor workability. As a result, the use of natural diamond is expensive overall.

そこで、近年、人工的にダイヤモンドを合成する技術が開発されてきた。人工ダイヤモンドは、主に高温高圧合成(HPHT)(例えば、非特許文献1参照)又は化学気相蒸着(Chemical Vapor Deposition:CVD)(例えば、非特許文献2参照)によって合成される。   Therefore, in recent years, a technique for artificially synthesizing diamond has been developed. Artificial diamond is synthesized mainly by high-temperature and high-pressure synthesis (HPHT) (for example, see Non-Patent Document 1) or chemical vapor deposition (CVD) (for example, see Non-Patent Document 2).

人工ダイヤモンドを合成する技術に伴い、天然ダイヤモンドと同様に、光学分野、電気・電子分野、機械工作の分野などの幅広い分野で人工ダイヤモンドの応用が進められている。上記の人工ダイヤモンド合成手法の利点は、ダイヤモンドの合成にかかる費用が天然ダイヤモンドの利用にかかる費用に比べて格段に少ないことである。さらに、合成方法によって異なるものの、人工ダイヤモンドは、硬度、熱・電気伝導性、電子移動度において天然ダイヤモンドよりも優れた特性を有する。この特性によって、研磨剤、切削工具、ヒートシンク、半導体などとしての人工ダイヤモンドの利用がさらに容易となった。特に、切削工具の表面にCVDダイヤモンドをコーティングした多層CVDダイヤモンドコーティング工具は安価であり、切削性能にも優れることから、その利用が拡大している(例えば、非特許文献3及び4参照)。   With the technology of synthesizing artificial diamond, the application of artificial diamond is being promoted in a wide range of fields such as optical field, electrical / electronic field, and machine work field, as well as natural diamond. The advantage of the artificial diamond synthesis method described above is that the cost for synthesizing diamond is much less than the cost for using natural diamond. Furthermore, although different depending on the synthesis method, artificial diamond has characteristics superior to natural diamond in hardness, thermal / electric conductivity, and electron mobility. This property further facilitates the use of artificial diamond as abrasives, cutting tools, heat sinks, semiconductors and the like. In particular, a multi-layer CVD diamond coating tool in which the surface of the cutting tool is coated with CVD diamond is inexpensive and excellent in cutting performance, and therefore its use is expanding (for example, see Non-Patent Documents 3 and 4).

2.CVDダイヤモンドコーティング
CVDダイヤモンドコーティング工具の製造方法は以下の通りである。まず、工具母材表面にダイヤモンドの核が生成される。次に、工具母材表面の核が成長してダイヤモンド粒となり、ダイヤモンド粒同士が結合して膜を形成する。このCVDによって作られるダイヤモンド膜は、ダイヤモンドの多結晶体である。通常、多結晶といわれているダイヤモンド焼結体にはCoやSiなどの焼結助剤が混入しているため、ダイヤモンドの占める割合は70〜90%程度である。これに対して、気相合成ダイヤモンドでは100%がダイヤモンドであるため、焼結体とは大きく異なる。
2. CVD Diamond Coating A method for manufacturing a CVD diamond coating tool is as follows. First, diamond nuclei are generated on the surface of the tool base material. Next, nuclei on the surface of the tool base material grow into diamond grains, and the diamond grains combine to form a film. The diamond film produced by CVD is a polycrystalline diamond. Usually, since a sintering aid such as Co or Si is mixed in a diamond sintered body which is said to be polycrystalline, the proportion of diamond is about 70 to 90%. On the other hand, since vapor-phase synthetic diamond is 100% diamond, it is greatly different from a sintered body.

CVDダイヤモンドコーティング工具は安価でかつ切削性能も優れているため、産業的利用価値が高い。しかし、高硬度ゆえの加工の難しさは、天然ダイヤモンドにおいても人工ダイヤモンドにおいても同じである。例えば、CVDダイヤモンドコーティング工具においては、精密切削で必要とされるシャープな刃先を機械的な研磨によって得ようとすると多大な時間を要してしまうこと、刃先における粒子の脱落やチッピングが発生してしまうことなどが問題となる。現存する主なダイヤモンドの加工法としては、前述したダイヤモンドの粉を用いた研磨加工、放電加工、イオンビーム加工及びレーザ加工が挙げられる。   CVD diamond coated tools are inexpensive and have excellent cutting performance, and thus have high industrial utility value. However, the difficulty of processing due to high hardness is the same for both natural diamond and artificial diamond. For example, in a CVD diamond coating tool, it takes a lot of time to obtain a sharp cutting edge required for precision cutting by mechanical polishing, and particles fall off and chipping occurs at the cutting edge. It becomes a problem. The existing main diamond processing methods include the above-described polishing processing using diamond powder, electric discharge processing, ion beam processing, and laser processing.

ここで、レーザ加工は光と材料の相互作用によるものであり、レーザのパルス幅とパワー密度によって加工の形態が異なる。図15に、レーザのパワー密度とパルス幅に対する加工形態を示す。図15に示すように、レーザ加工の形態は、蒸発又は溶融を伴う熱的なプロセスとアブレーションによる非熱的なプロセスの2つに大別される。熱的なプロセスには、切断加工や穴加工などの除去プロセス、溶接加工などの接合プロセス、表面改質や曲げ加工などの加熱プロセスなどがある。非熱的なプロセスの代表的な例として、アブレーション加工があり、これは、樹脂、セラミックスなどの穴あけや溝加工といった微細加工に多く利用される。このアブレーション加工では、ピコ秒レーザ又はフェムト秒レーザなど、その発光時間が10−12〜10−15秒という非常に短いレーザが用いられる。この中でも、超短パルスレーザを用いたダイヤモンド加工は短い加工時間しか要さず、非接触加工であり、かつアブレーション加工であることから、熱的影響が小さく、精度が高いという点でダイヤモンドの加工に適する。したがって、ダイヤモンドのレーザ加工技術の更なる発展によって、工業的な優位性がもたらされることが期待される。 Here, laser processing is based on the interaction between light and material, and the processing form differs depending on the pulse width and power density of the laser. FIG. 15 shows the processing mode with respect to the laser power density and pulse width. As shown in FIG. 15, the form of laser processing is roughly divided into two processes: a thermal process involving evaporation or melting and a non-thermal process using ablation. Thermal processes include removal processes such as cutting and drilling, joining processes such as welding, and heating processes such as surface modification and bending. A typical example of a non-thermal process is ablation processing, which is often used for fine processing such as drilling and grooving of resin and ceramics. In this ablation processing, a very short laser having a light emission time of 10 −12 to 10 −15 seconds, such as a picosecond laser or a femtosecond laser, is used. Among these, diamond processing using an ultra-short pulse laser requires only a short processing time, is non-contact processing, and is ablation processing, so that it has a low thermal effect and high accuracy. Suitable for. Therefore, it is expected that further development of diamond laser processing technology will bring industrial advantages.

3.パルスレーザ研削(PLG)
工具刃先をレーザで成形する手法としてパルスレーザ研削(Pulse Laser Grinding:PLG)がある。図16は、PLGの模式図である。短パルスレーザLが長焦点の単レンズによって緩い角度で集光され、円筒状の加工可能領域Laが形成される((a)鳥観図参照)。この加工可能領域Laによって、ワーク(材料)Wの加工面Waに垂直に数μmの切り込みが与えられる。そして、加工可能領域Laが、加工面Waに接触した状態で加工面Waに対して平行に繰り返し走査される((b)上面図及び(c)正面図参照)。この切り込みの付与と走査とが繰り返され、切り込みの厚さだけワークWが除去されて任意の加工面が得られる。
3. Pulsed laser grinding (PLG)
There is pulse laser grinding (PLG) as a method of forming a tool edge with a laser. FIG. 16 is a schematic diagram of PLG. The short pulse laser L is condensed at a gentle angle by a long-focus single lens, and a cylindrical workable region La is formed (see (a) bird's-eye view). By this workable area La, a cut of several μm is given perpendicularly to the work surface Wa of the workpiece (material) W. And the processable area | region La is repeatedly scanned in parallel with respect to the process surface Wa in the state which contacted the process surface Wa (refer (b) top view and (c) front view). The application of the incision and the scanning are repeated, and the workpiece W is removed by the thickness of the incision to obtain an arbitrary processed surface.

PLGを用いることの最大の利点は、凹凸の少ない良好な加工面が得られることである。レーザ光のスポット内は均一なパワーを持たず、何らかの分布を持っている。一般的に、レーザは中心のパワーが最も強く、半径方向に外側に向かうほど弱くなっていく。レーザによる加工単位はパワー分布によって決まるため、スポットの外側では加工単位が小さくなる。図17は、レーザの光軸方向への加工の進展を示す模式図である。PLGによって最終的に仕上げられる面は加工閾値をわずかに上回る最小の加工単位の集積によって形成されるため、上記のように良好な面が得られる。   The greatest advantage of using PLG is that a good processed surface with less unevenness can be obtained. The laser beam spot does not have uniform power and has some distribution. In general, the laser has the strongest central power and becomes weaker toward the outside in the radial direction. Since the laser processing unit is determined by the power distribution, the processing unit is small outside the spot. FIG. 17 is a schematic diagram showing the progress of processing in the direction of the optical axis of the laser. Since the surface finally finished by PLG is formed by the accumulation of the minimum processing units slightly exceeding the processing threshold, a good surface can be obtained as described above.

PLGによる手法を工具成形に用いることによって以下の利点が期待される。
(1)工具成形が加工対象材料の硬度に制約されず、それがダイヤモンドのように非常に硬い材料であっても短時間での加工が可能となる。
(2)工具成形が非接触加工であることによって、加工対象が脆性材料又は焼結材料であっても刃先のチッピングや粒子の脱落が抑制される。
(3)レーザ光線は光ファイバーなどを介しても伝送可能なため、レーザの取り回しが良く、他軸加工へ応用することによって自由に形状を創製することが可能となる。
(4)短パルスレーザを用いることによって、加工形態がアブレーション加工となる。これにより、加工対象が焼結材料のような粒子及びバインダーからなる材料であっても、均一な加工が可能となる。
(5)レーザ照射時の熱又はプラズマによって加工対象の一部が化学変化するので、加工対象物の表面改質が可能となる。
The following advantages are expected by using the PLG method for tool forming.
(1) Tool shaping is not limited by the hardness of the material to be processed, and even if it is a very hard material such as diamond, processing in a short time is possible.
(2) Since tool forming is non-contact processing, chipping of the blade edge and dropout of particles are suppressed even if the processing object is a brittle material or a sintered material.
(3) Since the laser beam can be transmitted through an optical fiber or the like, it is easy to handle the laser, and it is possible to create a shape freely by applying to other axis machining.
(4) By using a short pulse laser, the processing form is ablation processing. Thereby, even if the object to be processed is a material made of particles such as a sintered material and a binder, uniform processing is possible.
(5) Since a part of the processing object is chemically changed by heat or plasma at the time of laser irradiation, the surface of the processing object can be modified.

4.人工ダイヤモンドの結晶性
CVDで合成されたダイヤモンドは、化学的品質において天然ダイヤモンドよりも劣ることがある。CVDで合成されたダイヤモンドのコーティング膜を分析すると、膜内部と比較して表面においては、アモルファスカーボンが多く含まれていることが多く、DLC膜のような性質を示す事が多い(例えば、非特許文献5及び6参照)。
4). Crystallinity of artificial diamond Diamond synthesized by CVD may be inferior to natural diamond in chemical quality. When analyzing a diamond coating film synthesized by CVD, the surface is often rich in amorphous carbon as compared to the inside of the film, and often exhibits properties like a DLC film (for example, non-coating). (See Patent Documents 5 and 6).

この問題に対しても、レーザ照射によって解決できる可能性がある。シリコンなどの結晶性材料に対して短パルスレーザを照射することによって結晶性が向上する効果、すなわちアニーリング効果が得られることが報告されている(例えば、非特許文献7〜10参照)。また、DLC膜に対して短パルスレーザを低フルエンスで照射することによって、結晶内のsp3炭素量が増加することも報告されている(例えば、非特許文献11及び12参照)。   This problem may be solved by laser irradiation. It has been reported that an effect of improving crystallinity, that is, an annealing effect, can be obtained by irradiating a crystalline material such as silicon with a short pulse laser (for example, see Non-Patent Documents 7 to 10). It has also been reported that the amount of sp3 carbon in a crystal increases by irradiating the DLC film with a short pulse laser at a low fluence (see, for example, Non-Patent Documents 11 and 12).

そこで、以下の各実施形態では、ワークに施された人工ダイヤモンドコーティングにおけるsp3結合の割合を増加させてダイヤモンドの結晶性を向上するための方法及びシステムが提示される。   Thus, in the following embodiments, methods and systems for increasing the crystallinity of diamond by increasing the proportion of sp3 bonds in the artificial diamond coating applied to the workpiece are presented.

<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態による工具作製の処理に用いられるシステム1を示すブロック図である。システム1は、超短パルスレーザ源10、デフォーカス光学系20、ワーク保持機構30、ナノ秒UVレーザ源40、レーザ走査装置50及び制御装置60を有する。ワーク5は、例えば刃部を有する機械工具などであり、ワーク保持機構30によって保持される。ワーク5は、その刃部などからなる所定のワーク加工面5a(人工ダイヤモンドコーティング領域)を有する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a system 1 used for a tool manufacturing process according to the first embodiment. The system 1 includes an ultrashort pulse laser source 10, a defocus optical system 20, a work holding mechanism 30, a nanosecond UV laser source 40, a laser scanning device 50, and a control device 60. The workpiece 5 is, for example, a machine tool having a blade portion, and is held by the workpiece holding mechanism 30. The workpiece 5 has a predetermined workpiece processing surface 5a (artificial diamond coating region) composed of a blade portion or the like.

概略として、主に超短パルスレーザ源10、デフォーカス光学系20及びワーク保持機構30がワーク加工面5aの改質処理(結晶性の向上)に寄与し、主にナノ秒UVレーザ源40及びレーザ走査装置50がワーク加工面5aの整形処理に寄与する。そして、制御装置60が、超短パルスレーザ源10、デフォーカス光学系20、ワーク保持機構30、ナノ秒UVレーザ源40及びレーザ走査装置50の全部又は一部を統括的又は個別的に制御する。なお、超短パルスレーザ源10、デフォーカス光学系20及びワーク保持機構30と、ナノ秒UVレーザ源40及びレーザ走査装置50とは、異なる制御装置によって個別に制御されてもよい。   In general, the ultrashort pulse laser source 10, the defocus optical system 20, and the workpiece holding mechanism 30 mainly contribute to the modification processing (improving crystallinity) of the workpiece processing surface 5a, and mainly the nanosecond UV laser source 40 and The laser scanning device 50 contributes to the shaping process of the workpiece processing surface 5a. Then, the control device 60 controls all or part of the ultrashort pulse laser source 10, the defocus optical system 20, the work holding mechanism 30, the nanosecond UV laser source 40, and the laser scanning device 50 in an integrated or individual manner. . Note that the ultrashort pulse laser source 10, the defocus optical system 20, and the workpiece holding mechanism 30, and the nanosecond UV laser source 40 and the laser scanning device 50 may be individually controlled by different control devices.

超短パルスレーザ源10は、超短パルスレーザLf0(以下、「超短パルスレーザLf0」という)を出射する。本開示において、パルス幅が1フェムト秒〜10ピコ秒のパルスレーザを「超短パルスレーザ」というものとする。また、超短パルスレーザLf0の波長は、約1μmであればよい。   The ultrashort pulse laser source 10 emits an ultrashort pulse laser Lf0 (hereinafter referred to as “ultrashort pulse laser Lf0”). In the present disclosure, a pulse laser having a pulse width of 1 femtosecond to 10 picosecond is referred to as an “ultrashort pulse laser”. Further, the wavelength of the ultrashort pulse laser Lf0 may be about 1 μm.

デフォーカス光学系20は、光学系装置の一例である。図2に、デフォーカス光学系20の模式図を示す。デフォーカス光学系20は、集光用のレンズ21、アイリス22及び駆動部23を有し、超短パルスレーザLf0をデフォーカスする。説明の便宜上、レンズ21を通過する前の超短パルスレーザを超短パルスレーザLf0といい、レンズ21を通過した後のデフォーカスされた超短パルスレーザを超短パルスレーザLf1といい、双方を総称して超短パルスレーザLfというものとする。駆動部23は、レンズ21及びアイリス22の一方又は両方を駆動する。駆動部23がワーク加工面5aに対するレンズ21の相対距離を調整することによって、ワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLf1のフルエンスが調整される。また、駆動部23がアイリス22の径を調整することによって、ワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLf1の照射範囲が決定される。すなわち、デフォーカス光学系20の各要素とワーク加工面5aとの相対移動によって、ワーク加工面5aにおけるフルエンス及び照射範囲が決定される。なお、レンズ21の焦点位置はレンズ21とアイリス22の間にあるものとし、超短パルスレーザLf1の光軸はワーク加工面5aに交差する(例えば、直交する)。   The defocus optical system 20 is an example of an optical system device. FIG. 2 shows a schematic diagram of the defocus optical system 20. The defocus optical system 20 includes a condensing lens 21, an iris 22, and a drive unit 23, and defocuses the ultrashort pulse laser Lf0. For convenience of explanation, the ultrashort pulse laser before passing through the lens 21 is referred to as an ultrashort pulse laser Lf0, and the defocused ultrashort pulse laser after passing through the lens 21 is referred to as an ultrashort pulse laser Lf1. Collectively, it will be referred to as an ultrashort pulse laser Lf. The drive unit 23 drives one or both of the lens 21 and the iris 22. When the drive unit 23 adjusts the relative distance of the lens 21 with respect to the workpiece machining surface 5a, the fluence of the ultrashort pulse laser Lf1 on the workpiece machining surface 5a is adjusted. Further, when the drive unit 23 adjusts the diameter of the iris 22, the irradiation range of the ultrashort pulse laser Lf1 on the workpiece processing surface 5a is determined. That is, the fluence and the irradiation range on the workpiece machining surface 5a are determined by relative movement between each element of the defocus optical system 20 and the workpiece machining surface 5a. Note that the focal position of the lens 21 is between the lens 21 and the iris 22, and the optical axis of the ultrashort pulse laser Lf1 intersects (for example, intersects) the workpiece processing surface 5a.

図1に戻り、ワーク保持機構30は、ワーク5を載置するワーク固定ステージである。ただし、ワーク保持機構30は、ワーク5を載置するステージに限らず、ワーク5を把持する機構、ワーク5を吸引によって保持する機構、ワーク5を相互の嵌合、挿通などによって保持する機構であってもよい。水平面をX−Y平面とし、鉛直方向をZ方向とした場合、ワーク保持機構30によって、ワーク5のX方向、Y方向及びZ方向の移動、X−Y平面内での回転、Z軸に対する所定角度での傾斜、その他の移動が可能となる。なお、走査方向(例えば、Z方向)へはミクロンオーダーでワーク5を移動可能であることが望ましい。   Returning to FIG. 1, the workpiece holding mechanism 30 is a workpiece fixing stage on which the workpiece 5 is placed. However, the workpiece holding mechanism 30 is not limited to the stage on which the workpiece 5 is placed, but is a mechanism for holding the workpiece 5, a mechanism for holding the workpiece 5 by suction, and a mechanism for holding the workpiece 5 by mutual fitting or insertion. There may be. When the horizontal plane is the XY plane and the vertical direction is the Z direction, the workpiece holding mechanism 30 causes the workpiece 5 to move in the X, Y, and Z directions, rotate in the XY plane, and predetermined with respect to the Z axis. Inclination at an angle and other movements are possible. It is desirable that the workpiece 5 can be moved in the micron order in the scanning direction (for example, the Z direction).

ワーク保持機構30がワーク5を位置決め及び移動することによって、超短パルスレーザLf1の照射がワーク加工面5aに対して走査される。本実施形態では、ワーク保持機構30の動作によって、超短パルスレーザLf1とワーク加工面5aの相対位置又は相対姿勢が制御されるが、この相対位置又は相対姿勢の制御は、超短パルスレーザ源10及びデフォーカス光学系20の動作によっても可能である。   When the workpiece holding mechanism 30 positions and moves the workpiece 5, irradiation with the ultrashort pulse laser Lf1 is scanned with respect to the workpiece processing surface 5a. In the present embodiment, the relative position or relative attitude between the ultrashort pulse laser Lf1 and the workpiece processing surface 5a is controlled by the operation of the workpiece holding mechanism 30. The relative position or relative attitude is controlled by the ultrashort pulse laser source. 10 and the operation of the defocus optical system 20 are also possible.

ナノ秒UVレーザ源40は、ナノ秒UVパルスレーザLn0(以下、「UVパルスレーザLn0」という)を出射する。ナノ秒UVレーザ源40は、PLGによる機械工具などの整形に適したものであればよい。   The nanosecond UV laser source 40 emits a nanosecond UV pulse laser Ln0 (hereinafter referred to as “UV pulse laser Ln0”). The nanosecond UV laser source 40 only needs to be suitable for shaping a machine tool or the like by PLG.

レーザ走査装置50は、ビーム形成光学系51及びビーム走査機構52を含む。
ビーム形成光学系51はミラー、レンズなどを有する。レンズはワーク5の加工幅に対して比較的長いレイリー長を有する長焦点距離のレンズであり、例えば、単レンズ若しくは複合レンズ、アキシコンレンズ、DOE(Diffractive Optical Element)又はそれらの複合である。アキシコレンズ及びDOEによってビームプロファイルを任意の形にすること又はレイリー長を増加させることが可能となる。説明の便宜上、ビーム形成光学系51を通過する前のパルスレーザをUVパルスレーザLn0といい、ビーム形成光学系51を通過した後のビーム形成されたパルスレーザをUVパルスレーザLn1といい、双方を総称してUVパルスレーザLnというものとする。
The laser scanning device 50 includes a beam forming optical system 51 and a beam scanning mechanism 52.
The beam forming optical system 51 includes a mirror and a lens. The lens is a lens having a long focal length that has a relatively long Rayleigh length with respect to the processing width of the workpiece 5, and is, for example, a single lens or a compound lens, an axicon lens, a DOE (Differential Optical Element), or a combination thereof. With an axico lens and DOE, the beam profile can be arbitrarily shaped or the Rayleigh length can be increased. For convenience of explanation, the pulse laser before passing through the beam forming optical system 51 is referred to as UV pulse laser Ln0, the pulse laser formed after passing through the beam forming optical system 51 is referred to as UV pulse laser Ln1, and both Collectively, it is referred to as a UV pulse laser Ln.

ビーム走査機構52は、ガルバノ式などのスキャナ、リニアステージなど、UVパルスレーザLn1をワーク5に対して高い再現性で走査できる機構であればよい。ビーム走査機構52とビーム形成光学系51とは一体化されていてもよい。図16に示した態様と同様にして、レーザ走査装置50(ビーム走査機構52)によるUVパルスレーザLn1の走査によって、PLGが実行される。すなわち、レーザ走査装置50は、UVパルスレーザLn1がワーク加工面5aに対して平行に接触及び走査させる。   The beam scanning mechanism 52 may be any mechanism that can scan the workpiece 5 with the UV pulse laser Ln1 with high reproducibility, such as a galvano scanner or a linear stage. The beam scanning mechanism 52 and the beam forming optical system 51 may be integrated. In the same manner as shown in FIG. 16, PLG is executed by scanning the UV pulse laser Ln1 with the laser scanning device 50 (beam scanning mechanism 52). That is, the laser scanning device 50 causes the UV pulse laser Ln1 to contact and scan in parallel with the workpiece processing surface 5a.

制御装置60は、CPU60a、メモリ60b及び入出力インターフェース60cを含む。CPU60aは、レーザ制御部61、光学系制御部62、ステージ制御部63、レーザ制御部64、走査制御部65及び統括制御部66を含む。CPU60aの各部、メモリ60b及び入出力インターフェース60cは、バスを介して相互にデータ及び信号のやり取りが可能な態様で接続される。メモリ60bは、プログラム、データなどを記憶するROM、RAMなどのメモリを含む。入出力インターフェース60cは、キーボード、マウス、タッチパネルなどの入力部、及びディスプレイ(タッチパネル)、スピーカなどの出力部を含む。   The control device 60 includes a CPU 60a, a memory 60b, and an input / output interface 60c. The CPU 60 a includes a laser control unit 61, an optical system control unit 62, a stage control unit 63, a laser control unit 64, a scanning control unit 65, and an overall control unit 66. Each part of the CPU 60a, the memory 60b, and the input / output interface 60c are connected in such a manner that data and signals can be exchanged with each other via a bus. The memory 60b includes memories such as a ROM and a RAM that store programs, data, and the like. The input / output interface 60c includes an input unit such as a keyboard, a mouse, and a touch panel, and an output unit such as a display (touch panel) and a speaker.

レーザ制御部61は、超短パルスレーザ源10による超短パルスレーザLf0の出射のオン/オフを制御する。また、超短パルスレーザLf0のパルス幅、波長、パワーなどは、レーザ制御部61を介して設定又は制御されてもよいし、超短パルスレーザ源10において設定されてもよい。後者の場合には、レーザ制御部61は、超短パルスレーザ源10による超短パルスレーザLf0の出射のオン/オフのみを制御することになる。   The laser controller 61 controls on / off of the emission of the ultrashort pulse laser Lf0 by the ultrashort pulse laser source 10. In addition, the pulse width, wavelength, power, and the like of the ultrashort pulse laser Lf0 may be set or controlled via the laser control unit 61, or may be set in the ultrashort pulse laser source 10. In the latter case, the laser control unit 61 controls only on / off of emission of the ultrashort pulse laser Lf0 by the ultrashort pulse laser source 10.

光学系制御部62は、デフォーカス光学系20の駆動部23を介してレンズ21の位置又は向き、アイリス22の開口を制御して、超短パルスレーザLf1のプロファイルを調整してワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLf1のフルエンス及び照射範囲を調整する。ステージ制御部63は、ワーク保持機構30の動作を制御して、ワーク5、すなわちワーク加工面5aの平面移動、垂直移動、回転、傾斜などを制御する。   The optical system control unit 62 controls the position or orientation of the lens 21 and the opening of the iris 22 via the drive unit 23 of the defocus optical system 20, and adjusts the profile of the ultrashort pulse laser Lf1 to adjust the workpiece processing surface 5a. The fluence and the irradiation range of the ultrashort pulse laser Lf1 are adjusted. The stage control unit 63 controls the operation of the workpiece holding mechanism 30 to control the plane movement, vertical movement, rotation, inclination, and the like of the workpiece 5, that is, the workpiece processing surface 5a.

レーザ制御部64は、ナノ秒UVレーザ源40によるUVパルスレーザLn0の出射のオン/オフを制御する。また、UVパルスレーザLn0のパルス幅、波長、パワーなどは、レーザ制御部64を介して設定又は制御されてもよいし、ナノ秒UVレーザ源40において設定されてもよい。後者の場合には、レーザ制御部64は、ナノ秒UVレーザ源40によるUVパルスレーザLn0の出射のみを制御することになる。   The laser control unit 64 controls on / off of emission of the UV pulse laser Ln0 by the nanosecond UV laser source 40. Further, the pulse width, wavelength, power, and the like of the UV pulse laser Ln0 may be set or controlled via the laser control unit 64, or may be set in the nanosecond UV laser source 40. In the latter case, the laser control unit 64 controls only the emission of the UV pulse laser Ln0 from the nanosecond UV laser source 40.

走査制御部65は、レーザ走査装置50(ビーム走査機構52)によるワーク5に対するUVパルスレーザLn1の走査を制御する。これにより、UVパルスレーザLn1は、ワーク加工面5aに対して平行に接触した状態で、ワーク加工面5aに対して平行に往復走査又は一方向走査される。また、走査制御部65及びビーム走査機構52によって、UVパルスレーザLn1の光軸とワーク加工面5aとの距離(すなわち、ワーク加工面5aに対するUVパルスレーザLn1の接触レベル)も調整されるようにしてもよい。   The scanning control unit 65 controls scanning of the UV pulse laser Ln1 with respect to the workpiece 5 by the laser scanning device 50 (beam scanning mechanism 52). Accordingly, the UV pulse laser Ln1 is reciprocally scanned or unidirectionally scanned in parallel with the workpiece processing surface 5a in a state of being in parallel with the workpiece processing surface 5a. Further, the distance between the optical axis of the UV pulse laser Ln1 and the workpiece processing surface 5a (that is, the contact level of the UV pulse laser Ln1 with respect to the workpiece processing surface 5a) is adjusted by the scanning control unit 65 and the beam scanning mechanism 52. May be.

統括制御部66は、改質処理において、レーザ制御部61による超短パルスレーザLf0のオン/オフと、ステージ制御部63によるワーク加工面5aに対する超短パルスレーザLf1の走査とを同期させ、この同期動作を再現及び反復させる。また、統括制御部66は、整形処理において、レーザ制御部64によるUVパルスレーザLn0のオン/オフと、走査制御部65によるワーク加工面5aに対するUVパルスレーザLn1の走査とを同期させ、この同期動作を再現及び反復させる。なお、UVパルスレーザLn1の走査は、走査制御部65を介したレーザ走査装置50の動作に代えて、又はそれとともに、ステージ制御部63を介してワーク保持機構30により行ってもよい。また、改質処理と整形処理の順序又は反復が規定されている場合には、統括制御部66は、改質処理と整形処理を一連の処理として実行させることができる。   In the reforming process, the overall control unit 66 synchronizes on / off of the ultrashort pulse laser Lf0 by the laser control unit 61 and scanning of the ultrashort pulse laser Lf1 on the workpiece processing surface 5a by the stage control unit 63. Reproduce and repeat the synchronous operation. Further, in the shaping process, the overall control unit 66 synchronizes the on / off of the UV pulse laser Ln0 by the laser control unit 64 and the scan of the UV pulse laser Ln1 with respect to the workpiece processing surface 5a by the scan control unit 65. Reproduce and repeat the action. Note that the scanning of the UV pulse laser Ln1 may be performed by the work holding mechanism 30 via the stage control unit 63 instead of or along with the operation of the laser scanning device 50 via the scanning control unit 65. When the order or repetition of the reforming process and the shaping process is defined, the overall control unit 66 can cause the reforming process and the shaping process to be executed as a series of processes.

上述したように、システム1は、例えば刃部を有する工具の作製において利用され得る。システム1による作製方法は、ワーク加工面5aの整形処理及び改質処理を含む。整形処理と改質処理の順序は限定されない。すなわち、整形処理の後に改質処理が行われてもよいし、改質処理の後に整形処理が行われてもよい。以下に、工具作製に関する第1実施例及び第2実施例を示す。   As described above, the system 1 can be used, for example, in the production of a tool having a blade portion. The manufacturing method by the system 1 includes a shaping process and a modification process for the workpiece processing surface 5a. The order of the shaping process and the reforming process is not limited. That is, the reforming process may be performed after the shaping process, or the shaping process may be performed after the reforming process. Below, the 1st Example and 2nd Example regarding tool manufacture are shown.

<第1の実施形態の第1実施例>
本実施例では、CVD多層ダイヤモンドコーティングが被覆されたワーク加工面5aに超短パルスレーザLfが低フルエンスで照射され、そのワーク加工面5aにおける結晶性の変化が確認された。ワーク表層がPLGによって除去され、その露出領域に対して超短パルスレーザLfが低フルエンスで照射された。
<First example of the first embodiment>
In the present example, the workpiece machining surface 5a coated with the CVD multilayer diamond coating was irradiated with the ultrashort pulse laser Lf at a low fluence, and the change in crystallinity on the workpiece machining surface 5a was confirmed. The work surface layer was removed by PLG, and the exposed region was irradiated with an ultrashort pulse laser Lf at a low fluence.

図3は、本実施例におけるPLGによる表層除去を説明する図である。ワーク5は母材部分5b及び多層CVDダイヤモンドコーティング領域5cを有する。図3の(a)に示すように、ビーム状のUVパルスレーザLnが多層CVDダイヤモンドコーティング領域5cの一方の面に対して走査される。これにより、図3の(b)に示すように、多層CVDダイヤモンドコーティング領域5cの一部分5dが除去される。その結果として、図3の(c)に示すように、多層CVDダイヤモンドコーティング領域5cの露出面5eが得られる。   FIG. 3 is a diagram for explaining surface layer removal by PLG in the present embodiment. The workpiece 5 has a base material portion 5b and a multilayer CVD diamond coating region 5c. As shown in FIG. 3A, a beam-like UV pulse laser Ln is scanned with respect to one surface of the multilayer CVD diamond coating region 5c. Thereby, as shown in FIG. 3B, a part 5d of the multilayer CVD diamond coating region 5c is removed. As a result, as shown in FIG. 3C, an exposed surface 5e of the multilayer CVD diamond coating region 5c is obtained.

以下に、本実施例におけるUVパルスレーザLn1の照射条件(PLG条件)を示す。
波長:355nm
パワー:2.8W
パルス幅:7ns
周波数:15kHz
焦点距離:100mm
スポット径:20μm
パワー密度:8.4GW/cm
走査速度:30mm/s
The irradiation conditions (PLG conditions) of the UV pulse laser Ln1 in this example are shown below.
Wavelength: 355nm
Power: 2.8W
Pulse width: 7ns
Frequency: 15kHz
Focal length: 100mm
Spot diameter: 20 μm
Power density: 8.4 GW / cm 2
Scanning speed: 30mm / s

次に、改質処理として、上記のPLGによって得られた露出面5eに対して低いフルエンスの超短パルスレーザLf1で照射を行った。この超短パルスレーザLfが照射された領域を照射領域5fというものとする。なお、フルエンスが16.2mJ/cm以上となると、ワーク5の表面が除去(すなわち、加工)されることが確認された。したがって、改質処理は、16.2mJ/cm未満のフルエンスで行われる。なお、以下の説明において、16.2mJ/cm未満のフルエンスのことを「低フルエンス」というものとする。 Next, as a modification treatment, the exposed surface 5e obtained by the PLG was irradiated with a low fluence ultrashort pulse laser Lf1. The region irradiated with the ultrashort pulse laser Lf is referred to as an irradiation region 5f. It was confirmed that the surface of the workpiece 5 was removed (that is, processed) when the fluence was 16.2 mJ / cm 2 or more. Therefore, the modification treatment is performed at a fluence of less than 16.2 mJ / cm 2 . In the following description, a fluence of less than 16.2 mJ / cm 2 is referred to as “low fluence”.

以下に、本実施例における超短パルスレーザLfの照射条件を示す。
波長:1041nm
パルス幅:550fs
周波数:100kHz
焦点でのスポット径:2μm
フルエンス:5.6、10.0、14.9、16.2mJ/cm
走査速度:2.0mm/s
走査回数:10、30、50
The irradiation conditions of the ultrashort pulse laser Lf in this example are shown below.
Wavelength: 1041nm
Pulse width: 550 fs
Frequency: 100kHz
Spot diameter at the focal point: 2 μm
Fluence: 5.6, 10.0, 14.9, 16.2 mJ / cm 2
Scanning speed: 2.0mm / s
Number of scans: 10, 30, 50

図4(a)〜(e)に、本実施例における照射領域5fのSEM像を示す。図4において、(a)は超短パルスレーザが照射されなかった場合のSEM像であり、(b)〜(e)は、それぞれ、フルエンスが5.9mJ/cm、6.8mJ/cm、7.9mJ/cm、9.2mJ/cmの場合のSEM像である。このSEM像取得に際して、低フルエンスの超短パルスレーザLfによって照射した領域をレーザ加工によって線加工した。図4(b)〜(e)には、この線加工部分が示されている。なお、図4の各SEM画像において、中心よりも左側が元の表面であり、右側がPLGによって露出されたコーティング内部の領域である(白線と白線の間の領域)。図4に示すように、SEM画像上では、フルエンスの差に起因する表面状態の実質的な差異は確認されなかった。 4A to 4E show SEM images of the irradiation region 5f in this example. In FIG. 4, (a) is a SEM image when the ultrashort pulse laser is not irradiated, (b) ~ (e), respectively, fluence 5.9mJ / cm 2, 6.8mJ / cm 2 , 7.9 mJ / cm 2 , 9.2 mJ / cm 2 . When this SEM image was acquired, the region irradiated by the low fluence ultrashort pulse laser Lf was line processed by laser processing. FIGS. 4B to 4E show this line processed portion. In each SEM image of FIG. 4, the left side of the center is the original surface, and the right side is an area inside the coating exposed by PLG (area between white lines). As shown in FIG. 4, no substantial difference in the surface state due to the difference in fluence was confirmed on the SEM image.

改質処理の効果を確認するため、超短パルスレーザ未照射領域(以下、「未照射領域」という)及び照射領域5fに関して、ラマン分光分析、XPS(X線光電分光法)による分析、シンクロトロン光によるX線吸収分光測定、及びXDR(X線回析)測定を行った。以下に、各分析結果を示す。   In order to confirm the effect of the reforming treatment, the ultrashort pulse laser unirradiated region (hereinafter referred to as “unirradiated region”) and the irradiated region 5f are analyzed by Raman spectroscopy, XPS (X-ray photoelectric spectroscopy), synchrotron X-ray absorption spectroscopy measurement with light and XDR (X-ray diffraction) measurement were performed. The results of each analysis are shown below.

(1)ラマン分光分析
図5(a)〜(e)に、本実施例における未照射領域及び照射領域5fのラマンスペクトルを示す。図5の各図において、横軸はラマンシフト(cm−1)であり、縦軸は強度(任意単位)である。図5において、(a)は超短パルスレーザが照射されなかった場合のラマンスペクトルであり、(b)〜(e)は、それぞれ、フルエンスが5.6mJ/cm、6.8mJ/cm、7.9mJ/cm、9.2mJ/cmの場合のラマンスペクトルである。図5(a)〜(e)から分かるように、低フルエンスの照射によって1350cm−1付近のDバンドのピーク強度が増加した。そして、フルエンスの増加に対してDバンドのピーク強度の増加量が大きいことが分かる。すなわち、CVDダイヤモンド多層膜に対して低フルエンスで超短パルスレーザLfを照射すると、ラマンスペクトルが、sp3炭素からなるダイヤモンドに特有のDバンドピークを有する状態に近づくこと、すなわち人工ダイヤモンドの結晶性の向上による改質が行われたことが分かる。
(1) Raman spectroscopic analysis FIGS. 5A to 5E show Raman spectra of the unirradiated region and the irradiated region 5f in this example. In each figure of FIG. 5, a horizontal axis is a Raman shift (cm <-1> ), and a vertical axis | shaft is intensity | strength (arbitrary unit). In FIG. 5, (a) is a Raman spectrum when the ultrashort pulse laser is not irradiated, (b) ~ (e), respectively, fluence 5.6mJ / cm 2, 6.8mJ / cm 2 , 7.9 mJ / cm 2 , 9.2 mJ / cm 2 . As can be seen from FIGS. 5A to 5E, the peak intensity of the D band in the vicinity of 1350 cm −1 was increased by low fluence irradiation. It can be seen that the amount of increase in the peak intensity of the D band is large with respect to the increase in fluence. That is, when a CVD diamond multilayer film is irradiated with an ultrashort pulse laser Lf at a low fluence, the Raman spectrum approaches a state having a D band peak characteristic of diamond composed of sp3 carbon, that is, the crystallinity of the artificial diamond It can be seen that the reforming due to the improvement was performed.

(2)XPSによる分析
図6に、本実施例における未照射領域及び照射領域5fのC(1s)のXPSスペクトルを示す。図7に、本実施例における未照射領域及び照射領域5fのN(1s)のXPSスペクトルを示す。図8に、本実施例における未照射領域及び照射領域5fのO(1s)のXPSスペクトルを示す。各図において、横軸は結合エネルギー(eV)であり、縦軸はXPS強度(任意単位)である。データは、PLG加工前の表面(Surface)、PLG加工後の未照射領域の表面(Inner part)のXPS強度をそれぞれ示す。さらに、データは、5.6J/cmでの照射の場合の照射領域5fの表面、10.0J/cmでの照射の場合の照射領域5fの表面、14.9J/cmでの照射の場合の照射領域5fの表面、及び16.2mJ/cmでの照射の場合の照射領域5fの表面のXPS強度をそれぞれ示す。
(2) Analysis by XPS FIG. 6 shows XPS spectra of C (1s) in the unirradiated region and the irradiated region 5f in this example. In FIG. 7, the XPS spectrum of N (1s) of the unirradiated area | region and the irradiation area | region 5f in a present Example is shown. FIG. 8 shows XPS spectra of O (1s) in the unirradiated region and the irradiated region 5f in this example. In each figure, the horizontal axis represents the binding energy (eV), and the vertical axis represents the XPS intensity (arbitrary unit). The data shows the XPS intensity of the surface before the PLG processing (Surface) and the surface of the unirradiated region after the PLG processing (Inner part). Moreover, the data, the surface of the irradiated region 5f in the case of irradiation with 5.6J / cm 2, the surface of the irradiated region 5f in the case of irradiation with 10.0J / cm 2, irradiation with 14.9J / cm 2 The XPS intensity of the surface of the irradiation region 5f in the case of, and the surface of the irradiation region 5f in the case of irradiation at 16.2 mJ / cm 2 are shown.

表1に、図6〜図8に基づいてそれぞれのピーク面積強度から算出した定量分析結果を示す。なお、数値は任意単位である。表1によると、照射領域5fにおけるフルエンスの増加に伴い、C(1s)の量が増加し、N(1s)の量が減少し、O(1s)の量が減少していることが分かった。
Table 1 shows the results of quantitative analysis calculated from the respective peak area intensities based on FIGS. The numerical value is an arbitrary unit. According to Table 1, it was found that the amount of C (1s) increased, the amount of N (1s) decreased, and the amount of O (1s) decreased with an increase in the fluence in the irradiated region 5f. .

表2に、C(1s)のピークを分離した結果得られる、フルエンスに対するsp3炭素量を示す。各値は、未照射領域の値で正規化されている。少なくともフルエンスが14.9J/cmまではフルエンスの増加に対してsp3炭素量も増加することが確認され、16.2J/cm未満のフルエンスにおいてsp3炭素量の増加が期待されることが分かった。これにより、低フルエンスでの超短パルスレーザの照射による改質効果が確認された。
Table 2 shows the amount of sp3 carbon relative to the fluence obtained as a result of separating the C (1s) peak. Each value is normalized with the value of the unirradiated area. At least fluence to 14.9J / cm 2 was confirmed that also increases sp3 carbon content with increasing fluence, it found that an increase in sp3 carbon content in the fluence of less than 16.2J / cm 2 is expected It was. Thereby, the modification effect by irradiation of the ultrashort pulse laser at a low fluence was confirmed.

(3)シンクロトロン光によるX線吸収分光測定
未照射領域(超短パルスレーザ未照射領域)と照射領域(超短パルスレーザ照射領域)に対してシンクロトロン光によるX線吸収分光測定を行った。超短パルスレーザの照射条件は、以下の通りである。
波長:1045nm
パルス幅:700fs
出力パワー:400mW
周波数:100kHz
フルエンス:14.9mJ/cm
(3) X-ray absorption spectroscopic measurement with synchrotron light X-ray absorption spectroscopic measurement with synchrotron light was performed on the unirradiated region (ultrashort pulse laser unirradiated region) and irradiated region (ultrashort pulse laser irradiated region). . The irradiation conditions of the ultrashort pulse laser are as follows.
Wavelength: 1045nm
Pulse width: 700fs
Output power: 400mW
Frequency: 100kHz
Fluence: 14.9 mJ / cm 2

図9A及び図9Bに、上記X線吸収分光測定の結果を示す。図9Aがオージェ電子収量法(AEY)による測定結果であり、図9Bが全電子電子収量法(TEY)による測定結果である。図9A及び図9Bにおいて、横軸がエネルギーE(eV)であり、縦軸が正規化電子収量(×μE)である。図9A及び図9Bによると、未照射領域(破線)に対して照射領域(実線)では、C−O結合の値が減少し、C−C結合の値及びその低域側(290eV付近)の値が増加したことが確認された。C−O結合の値の減少は、超短パルスレーザの照射による表面の酸化層の除去によるものと考えられる。C−C結合の値及び上記低域側の値の増加は、ダイヤモンド結晶に特有な値への変化を表すものであり、超短パルスレーザ照射領域の表層にダイヤモンドが形成されたことを示している。   9A and 9B show the results of the X-ray absorption spectroscopy measurement. FIG. 9A shows the measurement result by the Auger electron yield method (AEY), and FIG. 9B shows the measurement result by the total electron electron yield method (TEY). 9A and 9B, the horizontal axis represents energy E (eV), and the vertical axis represents normalized electron yield (× μE). According to FIG. 9A and FIG. 9B, the value of the C—O bond decreases in the irradiated region (solid line) with respect to the non-irradiated region (broken line), and the value of the C—C bond and its lower band side (near 290 eV). It was confirmed that the value increased. The decrease in the value of the C—O bond is considered to be due to the removal of the oxide layer on the surface by irradiation with the ultrashort pulse laser. The increase in the value of the CC bond and the value on the low band side represents a change to a value peculiar to the diamond crystal, indicating that diamond was formed in the surface layer of the ultrashort pulse laser irradiation region. Yes.

(4)XRD測定
上記(3)において得られた照射領域が結晶性か非結晶性かを確認するために、XRD測定を実施した。0.2°の斜入射によるX線解析測定結果を行ったところ、超短パルスレーザ照射領域では、未照射領域に対して、ダイヤモンド特性を表すピークが上昇し、結晶性が20%向上したことが確認された。
(4) XRD measurement In order to confirm whether the irradiation area | region obtained in said (3) was crystalline or amorphous, XRD measurement was implemented. As a result of X-ray analysis measurement by oblique incidence of 0.2 °, the peak representing diamond characteristics increased in the ultra-short pulse laser irradiated region compared with the unirradiated region, and the crystallinity was improved by 20%. Was confirmed.

このように、本実施例において、CVD多層ダイヤモンドコーティングが被覆されたワーク加工面5aに超短パルスレーザLfが低フルエンスで照射されることによって、そのワーク加工面5aにおける結晶性が向上することが確認された。   As described above, in this embodiment, the work processing surface 5a coated with the CVD multilayer diamond coating is irradiated with the ultrashort pulse laser Lf at a low fluence, thereby improving the crystallinity on the work processing surface 5a. confirmed.

<第1の実施形態の第2実施例>
本実施例では、CVD多層ダイヤモンドコーティングが被覆された刃物に超短パルスレーザLfが低フルエンスで照射され、その刃物の耐摩耗性の変化が確認された。まず、超合金母材に人工ダイヤモンドコーティングを被覆した切削工具(刃部)が、PLGによって形状整形された。その整形された加工面に対して超短パルスレーザが、低フルエンスで照射された。そして、この照射後の刃物を用いて1000mの切削が実施された。
<Second Example of First Embodiment>
In this example, the ultra-short pulse laser Lf was irradiated at a low fluence on the cutter coated with the CVD multi-layer diamond coating, and a change in the wear resistance of the cutter was confirmed. First, a cutting tool (blade part) in which a superalloy base material was coated with an artificial diamond coating was shaped by PLG. The shaped processing surface was irradiated with an ultrashort pulse laser at a low fluence. And 1000 m of cutting was implemented using the blade after this irradiation.

PLGによる整形方法は、第1実施例において説明したものと同様である(図3参照)。UVパルスレーザの照射条件(PLG条件)は、以下の通りである(第1実施例と同様である)。
波長:355nm
パワー:2.8W
パルス幅:7ns
周波数:15kHz
焦点距離:100mm
スポット径:20μm
パワー密度:8.4GW/cm
走査速度:30mm/s
The shaping method using PLG is the same as that described in the first embodiment (see FIG. 3). The irradiation conditions (PLG conditions) of the UV pulse laser are as follows (similar to the first embodiment).
Wavelength: 355nm
Power: 2.8W
Pulse width: 7ns
Frequency: 15kHz
Focal length: 100mm
Spot diameter: 20 μm
Power density: 8.4 GW / cm 2
Scanning speed: 30mm / s

改質処理における超短パルスレーザの照射条件は、以下の通りである。
波長:1041nm
パルス幅:550fs
周波数:100kHz
焦点でのスポット径:2μm
フルエンス:14.9mJ/cm
走査速度:2.0mm/s
走査回数:50回
The irradiation conditions of the ultrashort pulse laser in the modification process are as follows.
Wavelength: 1041nm
Pulse width: 550 fs
Frequency: 100kHz
Spot diameter at the focal point: 2 μm
Fluence: 14.9 mJ / cm 2
Scanning speed: 2.0mm / s
Number of scans: 50 times

耐摩耗性の測定は、図10に示すように、刃部Eを有する工具Tを丸棒Bに対して走査する。具体的には、超短パルスレーザ未照射の刃部E(以下、「未照射刃部」という)及び超短パルスレーザ照射済みの刃部E(以下、「照射済み刃部」という)を丸棒Bに対してそれぞれ1000mにわたって正面施削する切削試験によって実施された。試験結果は、以下の通りである。   The wear resistance is measured by scanning a tool T having a blade E with respect to a round bar B as shown in FIG. Specifically, a blade E that has not been irradiated with an ultrashort pulse laser (hereinafter referred to as “unirradiated blade”) and a blade E that has been irradiated with an ultrashort pulse laser (hereinafter referred to as “irradiated blade”) are round. It was carried out by a cutting test in which the bar B was subjected to face cutting for 1000 m each. The test results are as follows.

図11に、切削試験後の各刃部の刃先の光学顕微鏡写真を示す。図11の(a)は未照射刃部の写真であり、(b)は照射済み刃部の写真である。未照射刃部及び照射済み刃部においても、欠け、剥離などの欠損がなく定常に摩耗が進行したことが分かる。   In FIG. 11, the optical microscope photograph of the blade edge | tip of each blade part after a cutting test is shown. (A) of FIG. 11 is a photograph of an unirradiated blade part, and (b) is a photograph of an irradiated blade part. It can be seen that the non-irradiated blade portion and the irradiated blade portion also did not have chipping or peeling, and the wear progressed constantly.

図12に、未照射刃部及び照射済み刃部のSEM像を示す。図12の(a)は未照射刃部のSEM像であり、(b)は照射済み刃部のSEM像である。各SEM像において、上側(横方向に延在する2本の隣接する白色帯状部分の上側)がすくい面であり、下側(同白色帯状部分の下側)が逃げ面である。逃げ面の摩耗幅に注目すると、照射済み刃部では、未照射刃部と比較して摩耗量が小さいことが分かる。これは、超短パルスレーザの照射による表面改質によって、刃先の後退量が抑制されたことを示す。すなわち、超短パルスレーザの低フルエンスでの照射によって人工ダイヤモンドコーティングのダイヤモンドとしての結晶性が向上し、硬度が増加したことが確認された。   FIG. 12 shows SEM images of the unirradiated blade portion and the irradiated blade portion. (A) of FIG. 12 is a SEM image of an unirradiated blade part, and (b) is an SEM image of an irradiated blade part. In each SEM image, the upper side (upper side of two adjacent white belt-like portions extending in the lateral direction) is a rake face, and the lower side (lower side of the white belt-like portion) is a flank face. When attention is paid to the wear width of the flank, it can be seen that the irradiated blade portion has a smaller amount of wear than the non-irradiated blade portion. This indicates that the retraction amount of the blade edge is suppressed by the surface modification by the irradiation with the ultrashort pulse laser. That is, it was confirmed that the crystallinity as diamond of the artificial diamond coating was improved and the hardness was increased by irradiation of the ultrashort pulse laser at a low fluence.

このように、本実施例において、CVD多層ダイヤモンドコーティングが被覆された刃物(刃部)に超短パルスレーザLfが低フルエンスで照射されることによって、その刃部の耐摩耗性が向上することが確認された。   As described above, in this embodiment, the blade (blade portion) coated with the CVD multilayer diamond coating is irradiated with the ultrashort pulse laser Lf at a low fluence, thereby improving the wear resistance of the blade portion. confirmed.

以上のように、本実施形態による人工ダイヤモンドコーティング領域を処理するシステム1は、パルス幅が1フェムト秒以上10ピコ秒以下の超短パルスレーザLfを出射する超短パルスレーザ源10と、超短パルスレーザLfのプロファイルを調整するデフォーカス光学系20(光学系装置)と、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面5aの位置及び姿勢を制御するワーク保持機構30と、プロファイルが調整された超短パルスレーザLfのワーク加工面5aにおけるフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満、例えば16.2mJ/cm未満となる状態で、プロファイルが調整された超短パルスレーザLfがワーク加工面5aを走査するようにデフォーカス光学系20及びワーク保持機構30を制御する制御装置60を備える。 As described above, the system 1 for processing an artificial diamond coating region according to the present embodiment includes an ultrashort pulse laser source 10 that emits an ultrashort pulse laser Lf having a pulse width of 1 femtosecond or more and 10 picoseconds or less, and an ultrashort laser source 10. A defocus optical system 20 (optical system apparatus) that adjusts the profile of the pulse laser Lf, a workpiece holding mechanism 30 that controls the position and orientation of the workpiece processing surface 5a on which the artificial diamond coating has been applied, and an ultra-profile profile that has been adjusted In a state where the fluence of the short pulse laser Lf on the workpiece processing surface 5a is less than the processing threshold of the artificial diamond coating region, for example, less than 16.2 mJ / cm 2 , the ultrashort pulse laser Lf whose profile is adjusted moves the workpiece processing surface 5a. The defocus optical system 20 and the work holding mechanism 30 are set so as to scan. A control device 60 for controlling is provided.

また、本実施形態による人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法は、パルス幅が1フェムト秒以上10ピコ秒以下の超短パルスレーザLfを超短パルスレーザ源10から出射するステップと、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLfのフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満、例えば16.2mJ/cm未満となるように、デフォーカス光学系20(光学系装置)を介して超短パルスレーザLfをワーク加工面5aに照射するステップと、デフォーカス光学系20を介して照射される超短パルスレーザLfとワーク加工面5aとの相対位置又は相対姿勢を制御して、デフォーカス光学系20を介して照射される超短パルスレーザLfをワーク加工面5aに対して走査するステップとを備える。 The method for processing the artificial diamond coating region according to the present embodiment includes a step of emitting an ultrashort pulse laser Lf having a pulse width of 1 femtosecond or more and 10 picoseconds or less from the ultrashort pulse laser source 10, and an artificial diamond coating. Via the defocus optical system 20 (optical system apparatus) so that the fluence of the ultrashort pulse laser Lf on the applied workpiece processing surface 5a is less than the processing threshold of the artificial diamond coating region, for example, less than 16.2 mJ / cm 2. Irradiating the workpiece machining surface 5a with the ultrashort pulse laser Lf, and controlling the relative position or relative position between the ultrashort pulse laser Lf irradiated via the defocus optical system 20 and the workpiece machining surface 5a, An ultrashort pulse laser Lf irradiated through the defocus optical system 20 is used as a workpiece processing surface 5a. Scanning with respect to.

このように、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLfのフルエンスが16.2mJ/cm未満となるように超短パルスレーザLfのプロファイルが調整され、この超短パルスレーザLfがワーク加工面5aに照射及び走査される。これにより、ワーク加工面5aの人工ダイヤモンドコーティングが改質され、この人工ダイヤモンドコーティング領域におけるダイヤモンドの結晶性が向上する。また、これにより、ワーク5の高精度な加工が可能となり、ワーク5が工具として使用される場合の工具の長寿命化が可能となる。 In this way, the profile of the ultrashort pulse laser Lf is adjusted so that the fluence of the ultrashort pulse laser Lf on the workpiece processing surface 5a on which the artificial diamond coating is applied is less than 16.2 mJ / cm 2 , and this ultrashort pulse The laser beam Lf is irradiated and scanned on the workpiece processing surface 5a. Thereby, the artificial diamond coating on the workpiece processing surface 5a is modified, and the crystallinity of diamond in the artificial diamond coating region is improved. In addition, this makes it possible to process the workpiece 5 with high accuracy and to extend the tool life when the workpiece 5 is used as a tool.

またさらに、ワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLfのフルエンスは、5.6mJ/cm以上14.9mJ/cm以下であることが好ましく、10.0mJ/cm以上14.9mJ/cm以下であることがより好ましい。これにより、上記の改質処理による結晶性向上の効果が一層得られる。 Furthermore, the fluence of the ultrashort pulse laser Lf in the workpiece processed surface 5a is preferably at 5.6mJ / cm 2 or more 14.9mJ / cm 2 or less, 10.0 mJ / cm 2 or more 14.9mJ / cm 2 The following is more preferable. Thereby, the effect of improving the crystallinity by the above modification treatment can be further obtained.

特に本実施形態では、デフォーカス光学系20は、超短パルスレーザLfの光軸がワーク加工面5aに交差する状態で超短パルスレーザLfをデフォーカスするように構成される。すなわち、上記調整ステップは、超短パルスレーザLfの光軸がワーク加工面5aに交差する状態で超短パルスレーザLfをデフォーカスするステップを含む。これにより、ワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLfのフルエンスの調整が容易かつ確実に実行され得る。   In particular, in the present embodiment, the defocus optical system 20 is configured to defocus the ultrashort pulse laser Lf in a state where the optical axis of the ultrashort pulse laser Lf intersects the workpiece processing surface 5a. That is, the adjustment step includes a step of defocusing the ultrashort pulse laser Lf in a state where the optical axis of the ultrashort pulse laser Lf intersects the workpiece processing surface 5a. Thereby, the adjustment of the fluence of the ultrashort pulse laser Lf on the workpiece processing surface 5a can be easily and reliably performed.

さらに、上記システム1は、ナノ秒UVパルスレーザ(UVパルスレーザLn)を出射するナノ秒UVレーザ源40と、UVパルスレーザLnをビーム形成するビーム形成光学系51と、ビーム形成されたUVパルスレーザLnを光軸方向に垂直な方向に移動させるビーム走査機構52とを含み、制御装置60は、ビーム形成されたUVパルスレーザLnがワーク加工面5aに対して平行に接触及び走査するように、ビーム走査機構52又はワーク保持機構30を制御するように構成される。すなわち、上記方法は、UVパルスレーザLnをナノ秒UVレーザ源40から出射するステップと、UVパルスレーザLnをビーム形成光学系51によってビーム形成するステップと、ビーム形成されたUVパルスレーザLnをワーク加工面5aに対して平行に接触及び走査してワーク加工面5aを整形するステップとをさらに備える。これにより、PLGによるワーク5の整形処理が、上記改質処理に容易に付加され得る。   Further, the system 1 includes a nanosecond UV laser source 40 that emits a nanosecond UV pulse laser (UV pulse laser Ln), a beam forming optical system 51 that forms a beam of the UV pulse laser Ln, and a beam-formed UV pulse. A beam scanning mechanism 52 that moves the laser Ln in a direction perpendicular to the optical axis direction, and the control device 60 makes the beam-formed UV pulse laser Ln contact and scan in parallel with the workpiece processing surface 5a. The beam scanning mechanism 52 or the work holding mechanism 30 is configured to be controlled. That is, in the above method, the step of emitting the UV pulse laser Ln from the nanosecond UV laser source 40, the step of forming the beam of the UV pulse laser Ln by the beam forming optical system 51, and the step of forming the beam-formed UV pulse laser Ln as a workpiece. A step of shaping the workpiece processing surface 5a by contacting and scanning in parallel with the processing surface 5a. Thereby, the shaping process of the workpiece | work 5 by PLG can be easily added to the said modification | reformation process.

また、人工ダイヤモンドコーティングは、CVDによって形成された多層ダイヤモンドコーティングであればよい。上記方法及びシステム1は、CVD多層ダイヤモンドコーティングを有するワークに対して好適に適用可能である。   The artificial diamond coating may be a multilayer diamond coating formed by CVD. The above method and system 1 can be suitably applied to a workpiece having a CVD multilayer diamond coating.

特に、ワーク加工面5aが切削工具の刃先の一部又は全部であることが好ましい。上記方法及びシステム1は、刃物などの硬度及び耐摩耗性が要求される切削工具に好適に適用可能である。   In particular, the workpiece processing surface 5a is preferably a part or all of the cutting edge of the cutting tool. The method and system 1 can be suitably applied to a cutting tool that requires hardness and wear resistance such as a blade.

<第2の実施形態>
上記第1の実施形態では、整形処理がナノ秒UVパルスレーザ(UVパルスレーザ)Lnによって行われ、改質処理が超短パルスレーザLfによって行われる構成を示した。本実施形態では、両処理とも超短パルスレーザLfによって行われる構成を示す。具体的には、第1の実施形態の構成では、超短パルスレーザLfがデフォーカスされてワーク加工面5aに照射されたが、本実施形態の構成では、超短パルスレーザLfがビーム形成されてワーク加工面5aに接触照射される。
<Second Embodiment>
In the first embodiment, the configuration in which the shaping process is performed by the nanosecond UV pulse laser (UV pulse laser) Ln and the modification process is performed by the ultrashort pulse laser Lf is shown. In the present embodiment, a configuration in which both processes are performed by the ultrashort pulse laser Lf is shown. Specifically, in the configuration of the first embodiment, the ultrashort pulse laser Lf is defocused and irradiated onto the workpiece processing surface 5a. However, in the configuration of this embodiment, the ultrashort pulse laser Lf is beam-formed. Then, the work processing surface 5a is irradiated with contact.

図13は、第2の実施形態による工具作製の処理に用いられるシステム2を示すブロック図である。システム2は、超短パルスレーザ源10、ワーク保持機構30、レーザ走査装置55及び制御装置600を有する。なお、本実施形態において、第1の実施形態と実質的に同じ構成要素には同一の符号を付し、その重複する説明を省略又は簡略化する。本実施形態のシステム2も、第1の実施形態のシステム1と同様に、刃部を有する工具の刃先整形及び改質に利用され得る。   FIG. 13 is a block diagram showing the system 2 used for the tool manufacturing process according to the second embodiment. The system 2 includes an ultrashort pulse laser source 10, a work holding mechanism 30, a laser scanning device 55, and a control device 600. In the present embodiment, the same reference numerals are given to substantially the same components as those in the first embodiment, and the overlapping description is omitted or simplified. Similarly to the system 1 of the first embodiment, the system 2 of this embodiment can also be used for cutting edge shaping and modification of a tool having a blade portion.

レーザ走査装置55は、光学系装置の一例である。レーザ走査装置55は、ビーム形成光学系56及びビーム走査機構52を含む。ビーム形成光学系56は、ミラー、レンズなどを有し、レンズはワーク5の加工幅に対して比較的長いレイリー長を有する長焦点距離のレンズであり、例えば、単レンズ若しくは複合レンズ、アキシコンレンズ、DOEまたはそれらの複合である。また、ビーム形成光学系56は、空間変調器を含んでいてもよい。アキシコレンズ及びDOEによってビームプロファイルを任意の形にすること又はレイリー長を増加させることが可能となる。また、空間変調器によってビームプロファイルを可変とすることができる。説明の便宜上、ビーム形成光学系56を通過する前の超短パルスレーザを超短パルスレーザLf0といい、ビーム形成光学系56を通過した後のビーム形成されたパルスレーザを超短パルスレーザLf2といい、双方を総称して超短パルスレーザLfというものとする。レーザ走査装置55は、超短パルスレーザLf2をワーク加工面5aに対して平行に接触及び走査させる。   The laser scanning device 55 is an example of an optical system device. The laser scanning device 55 includes a beam forming optical system 56 and a beam scanning mechanism 52. The beam forming optical system 56 includes a mirror, a lens, and the like. The lens is a lens having a long focal length that has a relatively long Rayleigh length with respect to the processing width of the workpiece 5. A lens, DOE, or a combination thereof. Further, the beam forming optical system 56 may include a spatial modulator. With an axico lens and DOE, the beam profile can be arbitrarily shaped or the Rayleigh length can be increased. Further, the beam profile can be made variable by the spatial modulator. For convenience of explanation, an ultrashort pulse laser before passing through the beam forming optical system 56 is referred to as an ultrashort pulse laser Lf0, and a pulse laser formed after passing through the beam forming optical system 56 is referred to as an ultrashort pulse laser Lf2. Both are collectively referred to as an ultrashort pulse laser Lf. The laser scanning device 55 makes the ultrashort pulse laser Lf2 contact and scan in parallel with the workpiece processing surface 5a.

制御装置600は、CPU60a、メモリ60b及び入出力インターフェース60cを含む。CPU60aは、レーザ制御部61、ステージ制御部63、走査制御部65及び統括制御部66を含む。   The control device 600 includes a CPU 60a, a memory 60b, and an input / output interface 60c. The CPU 60a includes a laser control unit 61, a stage control unit 63, a scanning control unit 65, and an overall control unit 66.

走査制御部65は、レーザ走査装置55(ビーム走査機構52)によるワーク5に対する超短パルスレーザLf2の走査を制御する。これにより、超短パルスレーザLf2がワーク加工面5aに対して平行に接触した状態で、ワーク加工面5aに対して一方向走査又は往復走査することができる。また、走査制御部65及びビーム走査機構52によって、超短パルスレーザLn2の光軸とワーク加工面5aとの距離(すなわち、ワーク加工面5aに対する超短パルスレーザLf2の接触レベル)も調整され得る。   The scanning control unit 65 controls scanning of the ultrashort pulse laser Lf2 with respect to the workpiece 5 by the laser scanning device 55 (beam scanning mechanism 52). Thereby, one-way scanning or reciprocating scanning can be performed on the workpiece machining surface 5a in a state where the ultrashort pulse laser Lf2 is in contact with the workpiece machining surface 5a in parallel. Further, the distance between the optical axis of the ultrashort pulse laser Ln2 and the workpiece machining surface 5a (that is, the contact level of the ultrashort pulse laser Lf2 with respect to the workpiece machining surface 5a) can be adjusted by the scanning controller 65 and the beam scanning mechanism 52. .

統括制御部66は、改質処理及び整形処理において、レーザ制御部61による超短パルスレーザLf0の出力と、走査制御部65によるワーク加工面5aに対する超短パルスレーザLf2の走査とを同期させ、この同期動作を再現及び反復させる。なお、超短パルスレーザLf2の走査は、走査制御部65を介したビーム走査機構52の動作に代えて、又はそれとともに、ステージ制御部63を介してワーク保持機構30によって行ってもよい。また、改質処理と整形処理の順序又は反復が規定されている場合には、統括制御部66は、改質処理と整形処理を一連の処理として実行させることができる。   The overall control unit 66 synchronizes the output of the ultrashort pulse laser Lf0 from the laser control unit 61 and the scan of the ultrashort pulse laser Lf2 to the workpiece processing surface 5a by the scan control unit 65 in the reforming process and the shaping process. This synchronous operation is reproduced and repeated. The scanning of the ultrashort pulse laser Lf2 may be performed by the work holding mechanism 30 via the stage control unit 63 instead of or along with the operation of the beam scanning mechanism 52 via the scanning control unit 65. When the order or repetition of the reforming process and the shaping process is defined, the overall control unit 66 can cause the reforming process and the shaping process to be executed as a series of processes.

整形処理(PLG)及び改質処理のいずれにおいても、超短パルスレーザLf2のビームがワーク加工面5aに接触照射される。ただし、整形処理時の超短パルスレーザLf2のワーク加工面5aにおけるエネルギー(フルエンス)は改質処理時のものよりも高く、整形処理時のフルエンスはワーク5の加工閾値よりも高く、改質処理時のフルエンスは加工閾値よりも低いことが望ましい。超短パルスレーザLf2のビームのプロファイルは、超短パルスレーザ源10又はレーザ走査装置55(ビーム形成光学系56)によって調整される。特に、PLGによる整形処理時には、ビーム外側からビーム中心にかけて低強度から急峻に高強度に立ち上がるようなプロファイルのビームが形成される。すなわち、ワーク加工面5aに対する超短パルスレーザLf2のビームの接触レベルが、整形処理には高く、改質処理には低くなるように構成される。   In both the shaping process (PLG) and the modification process, the workpiece surface 5a is irradiated with the beam of the ultrashort pulse laser Lf2. However, the energy (fluence) on the workpiece processing surface 5a of the ultrashort pulse laser Lf2 during the shaping process is higher than that during the modification process, and the fluence during the shaping process is higher than the machining threshold value of the workpiece 5, and the modification process. It is desirable that the time fluence is lower than the processing threshold. The beam profile of the ultrashort pulse laser Lf2 is adjusted by the ultrashort pulse laser source 10 or the laser scanning device 55 (beam forming optical system 56). In particular, during the shaping process using PLG, a beam having a profile that rises sharply from low intensity to high intensity from the outside of the beam to the center of the beam is formed. That is, the beam contact level of the ultrashort pulse laser Lf2 with respect to the workpiece processing surface 5a is configured to be high for the shaping process and low for the modification process.

ワーク加工面5aに対する超短パルスレーザLf2のビームの接触レベル、そしてこれに伴うワーク加工面5a上のフルエンスは、ビーム走査機構52によって調整されてもよいし、ワーク保持機構30によって調整されてもよいし、あるいは、フルエンスの調整は、ビーム形成光学系56によるビームプロファイルの変更によって行われてもよい。上記フルエンスの調整がビーム走査機構52又はワーク保持機構30によって行われる場合、超短パルスレーザLf2の光軸とワーク加工面5aとの距離が調整される。すなわち、同じプロファイルを有するビーム形成された超短パルスレーザLfが異なるレベルでワーク加工面5aに接触するようにレーザ走査装置55又はワーク保持機構30が制御される。これにより、超短パルスレーザLf2とワーク加工面5aとの位置決めの制御のみで改質処理及び整形処理を行うことが可能となり、ビーム形成側の制御構成が簡素化される。また、上記フルエンスの調整がビーム形成光学系56によって行われる場合、超短パルスレーザLf2の光軸とワーク加工面5aの位置関係が固定された状態で、ビーム外側からビーム中心にかけての強度の立ち上りが調整される。これにより、超短パルスレーザLfのプロファイルの調整のみで改質処理及び整形処理を行うことが可能となり、走査側の制御構成が簡素化される。   The contact level of the beam of the ultrashort pulse laser Lf2 with respect to the workpiece processing surface 5a and the fluence on the workpiece processing surface 5a associated therewith may be adjusted by the beam scanning mechanism 52 or by the workpiece holding mechanism 30. Alternatively, the fluence may be adjusted by changing the beam profile by the beam forming optical system 56. When the fluence is adjusted by the beam scanning mechanism 52 or the workpiece holding mechanism 30, the distance between the optical axis of the ultrashort pulse laser Lf2 and the workpiece processing surface 5a is adjusted. That is, the laser scanning device 55 or the workpiece holding mechanism 30 is controlled so that the ultrashort pulse laser Lf having the same profile is in contact with the workpiece processing surface 5a at different levels. As a result, the modification process and the shaping process can be performed only by controlling the positioning of the ultrashort pulse laser Lf2 and the workpiece processing surface 5a, and the control configuration on the beam forming side is simplified. When the fluence is adjusted by the beam forming optical system 56, the intensity rises from the outside of the beam to the center of the beam with the positional relationship between the optical axis of the ultrashort pulse laser Lf2 and the workpiece processing surface 5a being fixed. Is adjusted. As a result, the modification process and the shaping process can be performed only by adjusting the profile of the ultrashort pulse laser Lf, and the control configuration on the scanning side is simplified.

改質処理が整形処理よりも先に行われる場合、まず、改質処理において、超短パルスレーザLf2のビームのエネルギー(フルエンス)がワーク5の加工閾値を超えないような接触レベルでワーク加工面5aに接触照射され、そのビームがワーク加工面5aに平行に走査される。これにより、ワーク加工面5aが改質され、加工閾値が上昇する。その後、整形処理において、超短パルスレーザLf2のビームのエネルギー(フルエンス)がワーク5の加工閾値以上となるような接触レベルでワーク加工面5aに接触照射され、そのビームがワーク加工面5aに平行に走査される。これにより、ワーク加工面5aの整形処理が行われる。なお、ワーク5の加工閾値などに応じて改質処理が整形処理の後に行われる構成も可能である。   When the reforming process is performed prior to the shaping process, first, in the reforming process, the workpiece machining surface is at a contact level such that the energy (fluence) of the ultrashort pulse laser Lf2 does not exceed the machining threshold of the workpiece 5. 5a is contact-irradiated, and the beam is scanned parallel to the workpiece processing surface 5a. As a result, the workpiece machining surface 5a is modified and the machining threshold is increased. Thereafter, in the shaping process, the workpiece machining surface 5a is contact-irradiated at a contact level such that the beam energy (fluence) of the ultrashort pulse laser Lf2 is equal to or higher than the machining threshold of the workpiece 5, and the beam is parallel to the workpiece machining surface 5a. Scanned. Thereby, the shaping process of the workpiece processing surface 5a is performed. A configuration in which the modification process is performed after the shaping process according to the machining threshold value of the workpiece 5 is also possible.

図14に、CVD多層ダイヤモンドコーティングを有するワーク加工面5aのSEM像を示す。図14の(a)は改質処理及び整形処理が行われた場合のSEM像であり、(b)は改質処理が行われずに整形処理のみが行われた場合のSEM像である(各図において上下の図の間では照射条件が異なる)。図14に示すように、改質処理を行ったことによってワーク加工面5aの凹凸(例えば、ナノ周期構造に起因する凹凸)が減少し、より高精度な加工が可能となることが分かった。   FIG. 14 shows an SEM image of the work surface 5a having a CVD multilayer diamond coating. 14A is an SEM image when the modification process and the shaping process are performed, and FIG. 14B is an SEM image when only the shaping process is performed without the modification process (each In the figure, irradiation conditions differ between the upper and lower figures). As shown in FIG. 14, it was found that the unevenness (for example, the unevenness caused by the nano-periodic structure) on the workpiece processing surface 5a is reduced by performing the reforming process, so that highly accurate processing is possible.

以上のように、本実施形態による人工ダイヤモンドコーティング領域を処理するシステム2は、パルス幅が1フェムト秒以上10ピコ秒以下の超短パルスレーザLfを出射する超短パルスレーザ源10と、超短パルスレーザLfのプロファイルを調整するレーザ走査装置55(光学系装置)と、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面5aの位置及び姿勢を制御するワーク保持機構30と、プロファイルが調整された超短パルスレーザLfのワーク加工面5aにおけるフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満、例えば16.2mJ/cm未満となる状態で、プロファイルが調整された超短パルスレーザLfがワーク加工面5aを走査するようにレーザ走査装置55及びワーク保持機構30を制御する制御装置60とを備える。 As described above, the system 2 for processing the artificial diamond coating region according to the present embodiment includes the ultrashort pulse laser source 10 that emits the ultrashort pulse laser Lf having a pulse width of 1 femtosecond or more and 10 picoseconds or less, and the ultrashort pulse laser source 10. A laser scanning device 55 (optical device) that adjusts the profile of the pulse laser Lf, a workpiece holding mechanism 30 that controls the position and orientation of the workpiece processing surface 5a on which the artificial diamond coating is applied, and an ultra-short profile that has been adjusted With the fluence of the pulse laser Lf on the workpiece machining surface 5a being less than the machining threshold of the artificial diamond coating region, for example, less than 16.2 mJ / cm 2 , the ultrashort pulse laser Lf whose profile is adjusted scans the workpiece machining surface 5a. The laser scanning device 55 and the work holding mechanism 30 are controlled so as to And a control device 60.

また、本実施形態による人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法は、第1の実施形態と同様に、パルス幅が1フェムト秒以上10ピコ秒以下の超短パルスレーザLfを超短パルスレーザ源10から出射するステップと、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLfのフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満、例えば16.2mJ/cm未満となるように、レーザ走査装置55(光学系装置)を介して超短パルスレーザLfをワーク加工面5aに照射するステップと、レーザ走査装置55を介して照射される超短パルスレーザLfとワーク加工面5aとの相対位置又は相対姿勢を制御して、レーザ走査装置55を介して照射される超短パルスレーザLfをワーク加工面5aに対して走査するステップとを備える。 In addition, the method for processing the artificial diamond coating region according to the present embodiment uses an ultrashort pulse laser Lf having a pulse width of 1 femtosecond or more and 10 picoseconds or less from the ultrashort pulse laser source 10 as in the first embodiment. The laser scanning device so that the fluence of the ultrashort pulse laser Lf on the workpiece processing surface 5a on which the artificial diamond coating is applied is less than the processing threshold of the artificial diamond coating region, for example, less than 16.2 mJ / cm 2. The step of irradiating the workpiece machining surface 5a with the ultrashort pulse laser Lf via 55 (optical system device) and the relative position between the ultrashort pulse laser Lf irradiated via the laser scanning device 55 and the workpiece machining surface 5a or The relative attitude is controlled, and the ultrashort pulse laser Lf irradiated through the laser scanning device 55 is turned on. Scanning the workpiece surface 5a.

これにより、本実施形態でも、第1の実施形態と同様に、ワーク5に施された人工ダイヤモンドコーティング領域におけるダイヤモンドの結晶性を向上することが可能となる。これにより、ワーク5の高精度な加工が可能となり、ワーク5が刃部を有する工具として使用される場合の工具の長寿命化が可能となる。   Thereby, also in this embodiment, it becomes possible to improve the crystallinity of diamond in the artificial diamond coating region applied to the workpiece 5 as in the first embodiment. As a result, the workpiece 5 can be processed with high accuracy, and the tool life can be extended when the workpiece 5 is used as a tool having a blade portion.

特に本実施形態では、レーザ走査装置55は、超短パルスレーザLfをビーム形成するビーム形成光学系56及びビーム形成された超短パルスレーザLfを光軸方向に垂直な方向に移動させるビーム走査機構52を含み、制御装置600は、ビーム形成された超短パルスレーザがワーク加工面5aに対して平行に接触及び走査するように、ビーム走査機構52又はワーク保持機構30を制御するように構成される。すなわち、上記照射するステップは、超短パルスレーザLfをビーム形成するステップ及びビーム形成された超短パルスレーザLfをワーク加工面に対して平行に接触させるステップを含み、走査するステップは、ワーク加工面に対して平行に接触した超短パルスレーザLfをワーク加工面に対して平行に走査するステップを含む。これにより、ワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLfのフルエンスの調整が容易かつ確実に実行され得る。   Particularly in the present embodiment, the laser scanning device 55 includes a beam forming optical system 56 that forms a beam of the ultrashort pulse laser Lf and a beam scanning mechanism that moves the formed ultrashort pulse laser Lf in a direction perpendicular to the optical axis direction. The control device 600 is configured to control the beam scanning mechanism 52 or the work holding mechanism 30 so that the beam-formed ultrashort pulse laser contacts and scans in parallel with the work processing surface 5a. The That is, the irradiating step includes a step of beam-forming the ultrashort pulse laser Lf and a step of bringing the beam-formed ultrashort pulse laser Lf into contact with the workpiece processing surface in parallel. The method includes a step of scanning an ultrashort pulse laser Lf in parallel with the surface parallel to the workpiece processing surface. Thereby, the adjustment of the fluence of the ultrashort pulse laser Lf on the workpiece processing surface 5a can be easily and reliably performed.

また、制御装置600は、ビーム形成された超短パルスレーザLfからワーク加工面5aに与えられるエネルギーがワーク加工面5aの加工閾値未満の値と加工閾値以上の値の間で切り換えられるように、ビーム走査機構52又はワーク保持機構30を制御するように構成される。すなわち、上記方法は、ワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLfのフルエンスがワーク加工面5aの加工閾値以上となるように、レーザ走査装置55を介して超短パルスレーザLfをワーク加工面5aに対して平行に接触させるステップと、ワーク加工面5aに対して平行に接触した超短パルスレーザLfとワーク加工面5aとの相対位置又は相対姿勢を制御して超短パルスレーザLfをワーク加工面5aに対して走査するステップとをさらに備える。これにより、超短パルスレーザLfのフルエンスを調整することによって、1つの超短パルスレーザ源10を用いて整形処理及び改質処理を行うことができ、システム2の構成及び制御を簡素化することができる。   Further, the control device 600 switches the energy applied to the workpiece machining surface 5a from the beam-formed ultrashort pulse laser Lf between a value less than the machining threshold of the workpiece machining surface 5a and a value greater than or equal to the machining threshold. The beam scanning mechanism 52 or the workpiece holding mechanism 30 is configured to be controlled. That is, in the above method, the ultrashort pulse laser Lf is applied to the workpiece machining surface 5a via the laser scanning device 55 so that the fluence of the ultrashort pulse laser Lf on the workpiece machining surface 5a is equal to or greater than the machining threshold of the workpiece machining surface 5a. The step of bringing the ultrashort pulse laser Lf into contact with the workpiece machining surface 5a is controlled by controlling the relative position or the relative posture between the workpiece pulsed surface 5a and the ultrashort pulse laser Lf in parallel contact with the workpiece machining surface 5a. And scanning for 5a. Thereby, by adjusting the fluence of the ultrashort pulse laser Lf, the shaping process and the reforming process can be performed using one ultrashort pulse laser source 10, and the configuration and control of the system 2 are simplified. Can do.

また、第1の実施形態と同様に、改質処理において、ワーク加工面5aにおける超短パルスレーザLfのフルエンスは、5.6mJ/cm以上14.9mJ/cm以下であることが好ましく、10.0mJ/cm以上14.9mJ/cm以下であることがより好ましい。また、第1の実施形態と同様に、人工ダイヤモンドコーティングは、CVDによって形成された多層ダイヤモンドコーティングであってもよい。また、第1の実施形態と同様に、ワーク加工面5aが切削工具の刃先の一部又は全部であることが好ましい。 Similarly to the first embodiment, in the modification process, the fluence of the ultrashort pulse laser Lf on the workpiece processing surface 5a is preferably 5.6 mJ / cm 2 or more and 14.9 mJ / cm 2 or less, It is more preferable that it is 10.0 mJ / cm 2 or more and 14.9 mJ / cm 2 or less. As in the first embodiment, the artificial diamond coating may be a multilayer diamond coating formed by CVD. Moreover, it is preferable that the workpiece processing surface 5a is a part or all of the cutting edge of the cutting tool as in the first embodiment.

<変形例>
以上に本発明の好適な実施形態を示したが、本発明は、例えば以下に示すように種々の態様に変形可能である。
<Modification>
Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be modified into various modes as shown below, for example.

(1)整形処理の有無に関する変形
上記各実施形態では、システム1又は2において整形処理及び改質処理の双方が行われる構成を示したが、システム1又は2は改質処理のためのみに使用されてもよい。すなわち、すでに整形処理されたワーク加工面5aを有するワーク5(人工ダイヤモンドコーティングされたワーク加工面5aを有するワーク5)がワーク保持機構30に保持され、超短パルスレーザLfの低フルエンスでの照射及び走査による改質処理が行われてもよい。
(1) Modification related to presence / absence of shaping process In each of the above embodiments, the configuration in which both the shaping process and the reforming process are performed in the system 1 or 2 is shown. However, the system 1 or 2 is used only for the reforming process. May be. That is, the workpiece 5 having the workpiece processing surface 5a that has already been shaped (the workpiece 5 having the workpiece processing surface 5a coated with artificial diamond) is held by the workpiece holding mechanism 30 and irradiated with the ultrashort pulse laser Lf at a low fluence. And the modification process by scanning may be performed.

(2)第1及び第2の実施形態の組合せ
上記第1の実施形態では、整形処理がナノ秒UVパルスレーザ(UVパルスレーザ)Lnのビーム形成照射によって実行され、改質処理が超短パルスレーザLfのデフォーカス照射によって実行された。また、第2の実施形態では、整形処理及び改質処理が超短パルスレーザLfのビーム形成照射によって実行された。一方、整形処理が第1の実施形態と同様にUVパルスレーザLnのビーム形成照射によって実行され、改質処理が第2の実施形態と同様に超短パルスレーザLfのビーム形成照射によって実行される構成も可能である。この場合、ビーム形成光学系51又は56及びビーム走査機構52がUVパルスレーザLn及び超短パルスレーザLfの双方に共通化される。そして、ビーム形成光学系51又は56に入射されるナノ秒UVレーザ源40からのUVパルスレーザLnと超短パルスレーザ源10からの超短パルスレーザLfとが整形処理と改質処理の間で切り換えられる。
(2) Combination of the first and second embodiments In the first embodiment, the shaping process is executed by beam forming irradiation of a nanosecond UV pulse laser (UV pulse laser) Ln, and the modification process is an ultrashort pulse. This was performed by defocus irradiation of the laser Lf. In the second embodiment, the shaping process and the modification process are performed by the beam forming irradiation of the ultrashort pulse laser Lf. On the other hand, the shaping process is executed by the beam forming irradiation of the UV pulse laser Ln as in the first embodiment, and the modification process is executed by the beam forming irradiation of the ultrashort pulse laser Lf as in the second embodiment. Configuration is also possible. In this case, the beam forming optical system 51 or 56 and the beam scanning mechanism 52 are shared by both the UV pulse laser Ln and the ultrashort pulse laser Lf. The UV pulse laser Ln from the nanosecond UV laser source 40 and the ultrashort pulse laser Lf from the ultrashort pulse laser source 10 incident on the beam forming optical system 51 or 56 are between the shaping process and the modification process. Can be switched.

1、2 システム
5 ワーク
5a ワーク加工面(DLCコーティング領域)
10 超短パルスレーザ源
20 デフォーカス光学系(光学系装置)
30 ワーク保持機構
40 ナノ秒UVレーザ源
50、55 レーザ走査装置(光学系装置)
51、56 ビーム形成光学系
52 ビーム走査機構
60、600 制御装置
Lf 超短パルスレーザ
Ln ナノ秒UVパルスレーザ(UVパルスレーザ)
1, 2 System 5 Work 5a Work surface (DLC coating area)
10 Ultrashort pulse laser source 20 Defocus optical system (optical system equipment)
30 Work holding mechanism 40 Nanosecond UV laser source 50, 55 Laser scanning device (optical system device)
51, 56 Beam forming optical system 52 Beam scanning mechanism 60, 600 Controller Lf Ultrashort pulse laser Ln Nanosecond UV pulse laser (UV pulse laser)

Claims (18)

人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法であって、
パルス幅が1フェムト秒以上10ピコ秒以下の超短パルスレーザを超短パルスレーザ源から出射するステップと、
人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面における前記超短パルスレーザのフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満となるように、光学系装置を介して前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に照射するステップと、
前記光学系装置を介して照射される前記超短パルスレーザと前記ワーク加工面との相対位置又は相対姿勢を制御して、前記光学系装置を介して照射される前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して走査するステップと
を備える方法。
A method of processing an artificial diamond coating region comprising:
Emitting an ultrashort pulse laser having a pulse width of 1 femtosecond or more and 10 picoseconds or less from an ultrashort pulse laser source;
Irradiate the workpiece surface with the ultrashort pulse laser via an optical system so that the fluence of the ultrashort pulse laser on the workpiece processing surface coated with artificial diamond is less than the processing threshold of the artificial diamond coating region. And steps to
The relative position or relative attitude between the ultrashort pulse laser irradiated through the optical system device and the workpiece processing surface is controlled, and the ultrashort pulse laser irradiated through the optical system device is changed to the workpiece. Scanning the work surface.
前記加工閾値は16.2mJ/cmである、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the processing threshold is 16.2 mJ / cm 2 . 前記ワーク加工面におけるフルエンスが、5.6mJ/cm以上14.9mJ/cm以下である、請求項1または2のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1, wherein a fluence on the workpiece processing surface is 5.6 mJ / cm 2 or more and 14.9 mJ / cm 2 or less. 前記ワーク加工面におけるフルエンスが、10.0mJ/cm以上14.9mJ/cm以下である、請求項1または2のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1, wherein a fluence on the workpiece processing surface is 10.0 mJ / cm 2 or more and 14.9 mJ / cm 2 or less. 前記照射するステップが、前記超短パルスレーザの光軸が前記ワーク加工面に交差する状態で前記超短パルスレーザをデフォーカスするステップを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。   The said irradiating step includes the step of defocusing the ultrashort pulse laser in a state where the optical axis of the ultrashort pulse laser intersects the workpiece processing surface. Method. ナノ秒UVパルスレーザをナノ秒UVレーザ源から出射するステップと、
前記ナノ秒UVパルスレーザをビーム形成光学系によってビーム形成するステップと、
前記ビーム形成されたナノ秒UVパルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に接触及び走査して前記ワーク加工面を整形するステップと
をさらに備える、請求項5に記載の方法。
Emitting a nanosecond UV pulsed laser from a nanosecond UV laser source;
Beam forming the nanosecond UV pulsed laser with a beam forming optical system;
6. The method of claim 5, further comprising: shaping and shaping the workpiece machining surface by contacting and scanning the beamformed nanosecond UV pulsed laser parallel to the workpiece machining surface.
前記照射するステップが、前記超短パルスレーザをビーム形成するステップ及び前記ビーム形成された超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に接触させるステップを含み、
前記走査するステップが、前記ワーク加工面に対して平行に接触した超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に走査するステップを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
The step of irradiating comprises beam forming the ultrashort pulse laser and contacting the beam formed ultrashort pulse laser in parallel with the work surface;
The said scanning step includes the step of scanning in parallel with respect to the said workpiece processing surface the ultra short pulse laser which contacted in parallel with the said workpiece processing surface. Method.
前記ワーク加工面における前記超短パルスレーザのフルエンスが前記ワーク加工面の加工閾値以上となるように、前記光学系装置を介して前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に接触させるステップと、
前記ワーク加工面に対して平行に接触した前記超短パルスレーザと前記ワーク加工面との相対位置又は相対姿勢を制御して前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して走査するステップと
をさらに備える、請求項7に記載の方法。
The ultrashort pulse laser is brought into contact with the workpiece machining surface in parallel to the workpiece machining surface so that the fluence of the ultrashort pulse laser on the workpiece machining surface is equal to or greater than the machining threshold of the workpiece machining surface. Steps,
Scanning the ultra-short pulse laser with respect to the workpiece machining surface by controlling a relative position or a relative posture between the ultra-short pulse laser and the workpiece machining surface which are in parallel contact with the workpiece machining surface. The method of claim 7, further comprising:
前記人工ダイヤモンドコーティングが、化学気相蒸着によって形成された多層ダイヤモンドコーティングである、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。   9. A method according to any one of the preceding claims, wherein the artificial diamond coating is a multilayer diamond coating formed by chemical vapor deposition. 前記ワーク加工面が切削工具の刃先の一部又は全部である、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the workpiece machining surface is a part or all of a cutting edge of a cutting tool. 人工ダイヤモンドコーティング領域を処理するシステムであって、
パルス幅が1フェムト秒以上10ピコ秒以下の超短パルスレーザを出射する超短パルスレーザ源と、
前記超短パルスレーザのプロファイルを調整する光学系装置と、
人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面の位置及び姿勢を制御するワーク保持機構と、
前記プロファイルが調整された超短パルスレーザの前記ワーク加工面におけるフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満となる状態で、前記プロファイルが調整された超短パルスレーザが前記ワーク加工面を走査するように前記光学系装置及び前記ワーク保持機構を制御する制御装置と
を備えるシステム。
A system for processing an artificial diamond coating area,
An ultrashort pulse laser source for emitting an ultrashort pulse laser having a pulse width of 1 femtosecond or more and 10 picoseconds or less;
An optical device for adjusting the profile of the ultrashort pulse laser;
A workpiece holding mechanism that controls the position and posture of the workpiece processing surface that has been subjected to artificial diamond coating;
The ultrashort pulse laser with the adjusted profile scans the workpiece processing surface in a state where the fluence on the workpiece processing surface of the ultrashort pulse laser with the adjusted profile is less than the processing threshold of the artificial diamond coating region. And a control device that controls the optical system device and the work holding mechanism.
前記加工閾値は16.2mJ/cmである、請求項11に記載のシステム。 The system of claim 11, wherein the processing threshold is 16.2 mJ / cm 2 . 前記ワーク加工面におけるフルエンスが、5.6mJ/cm以上14.9mJ/cm以下となるように構成された、請求項11に記載のシステム。 The fluence at the workpiece processed surface, configured so that 5.6mJ / cm 2 or more 14.9mJ / cm 2 or less, the system according to claim 11. 前記ワーク加工面におけるフルエンスが、10.0mJ/cm以上14.9mJ/cm以下となるように構成された、請求項11に記載のシステム。 The system according to claim 11, wherein the fluence on the workpiece processing surface is configured to be 10.0 mJ / cm 2 or more and 14.9 mJ / cm 2 or less. 前記光学系装置が、前記超短パルスレーザの光軸が前記ワーク加工面に交差する状態で前記超短パルスレーザをデフォーカスするデフォーカス光学系からなる、請求項11から13のいずれか一項に記載のシステム。   The optical system apparatus includes a defocus optical system that defocuses the ultrashort pulse laser in a state where an optical axis of the ultrashort pulse laser intersects the workpiece processing surface. The system described in. ナノ秒UVパルスレーザを出射するナノ秒UVレーザ源と、
前記ナノ秒UVパルスレーザをビーム形成するビーム形成光学系と、
前記ビーム形成されたナノ秒UVパルスレーザを光軸方向に垂直な方向に移動させるビーム走査機構と
をさらに備え、
前記制御装置が、前記ビーム形成されたナノ秒UVパルスレーザが前記ワーク加工面に対して平行に接触及び走査するように、前記ビーム走査機構又は前記ワーク保持機構を制御するように構成された、請求項15に記載のシステム。
A nanosecond UV laser source emitting a nanosecond UV pulse laser;
A beam forming optical system for beam forming the nanosecond UV pulse laser;
A beam scanning mechanism for moving the beam-formed nanosecond UV pulse laser in a direction perpendicular to the optical axis direction;
The controller is configured to control the beam scanning mechanism or the workpiece holding mechanism such that the beam-formed nanosecond UV pulse laser contacts and scans in parallel with the workpiece processing surface; The system according to claim 15.
前記光学系装置が、前記超短パルスレーザをビーム形成するビーム形成光学系及び前記ビーム形成された超短パルスレーザを光軸方向に垂直な方向に移動させるビーム走査機構を含み、
前記制御装置が、前記ビーム形成された超短パルスレーザが前記ワーク加工面に対して平行に接触及び走査するように、前記ビーム走査機構又は前記ワーク保持機構を制御するように構成された、請求項11から14のいずれか一項に記載のシステム。
The optical system apparatus includes a beam forming optical system that forms a beam of the ultrashort pulse laser and a beam scanning mechanism that moves the beam-formed ultrashort pulse laser in a direction perpendicular to the optical axis direction,
The control device is configured to control the beam scanning mechanism or the workpiece holding mechanism so that the beam-formed ultrashort pulse laser contacts and scans in parallel with the workpiece processing surface. Item 15. The system according to any one of Items 11 to 14.
前記制御装置がさらに、前記ビーム形成された超短パルスレーザから前記ワーク加工面に与えられるエネルギーが前記ワーク加工面の加工閾値未満の値及び該加工閾値以上の値の間で切り換えられるように、前記ビーム走査機構又は前記ワーク保持機構を制御するように構成された、請求項17に記載のシステム。   The controller is further configured to switch energy applied to the workpiece machining surface from the beam-formed ultrashort pulse laser between a value less than a machining threshold of the workpiece machining surface and a value greater than or equal to the machining threshold. The system of claim 17, configured to control the beam scanning mechanism or the workpiece holding mechanism.
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