JP2019042763A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料の平坦面に周期構造を適正に形成することができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供する。【解決手段】凹凸を有する被加工面Ｗａにパルスレーザ光を照射して走査し、被加工面Ｗａの凸部Ｐを加工して平坦化した加工平坦面を形成する平坦化工程を有する。この平坦化工程は、加工平坦面を形成するパルスレーザ光の最終走査において、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去可能に調整され、且つ、パルスレーザ光の波長に基づくナノ周期構造を形成可能に調整されたパルスレーザ光（エネルギー球Ｅ１）で被加工面Ｗａを加工して加工平坦面を形成する。【選択図】図１１

Description

本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ加工方法として、例えば、特許文献１には、材料の表面に加工閾値近傍のレーザ光を照射して周期構造を形成する周期構造作成方法が開示されている。

国際公開第２００４／０３５２５５号

ところで、近年、材料の平坦面に周期構造を形成し、材料の平坦面における離型性等の特性を向上させることが望まれている。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、材料の平坦面に周期構造を適正に形成することができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工方法は、凹凸を有する被加工面にレーザ光を照射して走査し前記被加工面の凸部を加工して平坦化した加工平坦面を形成する平坦化工程を有し、前記平坦化工程は、前記加工平坦面を形成する前記レーザ光の最終走査において、前記被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、前記レーザ光の波長に基づく周期構造を形成可能に調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工して前記加工平坦面を形成することを特徴とする。

また、上記レーザ加工方法において、前記平坦化工程は、前記被加工面の凸部をアブレーション加工可能な前記レーザ光の領域であるレーザ光除去領域、及び、前記レーザ光除去領域の外側の領域であり前記レーザ光除去領域より分布する分布エネルギー密度が小さく前記周期構造を形成可能な前記レーザ光の領域であるレーザ光周期構造形成領域、を含むように調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工して前記加工平坦面を形成することが好ましい。

また、上記レーザ加工方法において、前記平坦化工程は、前記レーザ光の最終走査よりも前の走査において、前記被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、前記レーザ光の波長に基づく周期構造を形成不可能に調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工する第一平坦化工程と、前記レーザ光の最終走査において、前記被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、前記レーザ光の波長に基づく周期構造を形成可能に調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工して前記加工平坦面を形成する第二平坦化工程と、を有することが好ましい。

また、上記レーザ加工方法において、前記平坦化工程は、前記レーザ光の最終走査よりも前の走査において、前記被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、前記レーザ光の波長に基づく周期構造を形成可能に調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工することが好ましい。

また、本発明に係るレーザ加工装置は、凹凸を有する被加工面にレーザ光を照射して走査するレーザ光照射部と、前記レーザ光照射部を制御し、前記被加工面の凸部を加工して平坦化した加工平坦面を形成する制御部と、を備え、前記制御部は、前記加工平坦面を形成する前記レーザ光の最終走査において、前記被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、前記レーザ光の波長に基づく周期構造を形成可能に調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工して前記加工平坦面を形成することを特徴とする。

本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置は、レーザ光の最終走査において、被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、レーザ光の波長に基づく周期構造を形成可能に調整されたレーザ光で被加工面を加工して加工平坦面を形成する。この結果、レーザ加工方法及びレーザ加工装置は、材料の平坦面に周期構造を適正に形成することができる。

図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、実施形態１に係るエネルギー球の一例を示す図である。 図３は、実施形態１に係るエネルギー球の昇温分布例を示す図である。 図４は、実施形態１に係る焦点距離の一例を示す図である。 図５は、実施形態１に係るエネルギー球の一例を示す図である。 図６は、実施形態１に係る設定エネルギー密度変化によるアブレーション加工例を示す図である。 図７は、実施形態１に係る設定エネルギー密度変化によるアブレーション加工例を示す図である。 図８は、実施形態１に係る設定エネルギー密度変化によるアブレーション加工例を示す図である。 図９は、実施形態１に係る設定エネルギー密度変化によるアブレーション加工例を示す図である。 図１０は、実施形態１に係る加工面の形成例を示す図である。 図１１は、実施形態１に係るアブレーション加工及びナノ周期構造の形成例を示す図である。 図１２は、実施形態１に係るナノ周期構造の形成例を示す図である。 図１３は、実施形態１に係るナノ周期構造の形成例を示す図である。 図１４は、実施形態１に係るレーザ加工装置の動作例を示すフローチャートである。 図１５は、実施形態１の変形例に係る各デフォーカス量における加工深さを示す図である。 図１６は、実施形態１の変形例に係る各デフォーカス量における表面粗さを示す図である。 図１７は、実施形態１の変形例に係るナノ周期構造の形成例を示す図である。 図１８は、実施形態１の変形例に係るナノ周期構造の形成例を示す図である。 図１９は、実施形態２に係る焦点距離の一例を示す図である。 図２０は、実施形態２に係るエネルギー球の一例を示す図である。 図２１は、実施形態２に係るアブレーション加工及びナノ周期構造の形成例を示す図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

〔実施形態１〕
実施形態１に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置について説明する。レーザ加工方法は、被加工物Ｗの被加工面Ｗａにレーザ光としてのパルスレーザ光ＬＢを照射して被加工面Ｗａを加工する方法である。レーザ加工方法は、凹凸を有する被加工面Ｗａにパルスレーザ光ＬＢを照射し被加工面Ｗａの凸部Ｐを加工して平坦（平滑）化した加工平坦面Ｗ２（図１２参照）を形成する。ここで、被加工物Ｗは、例えば、プラスチック成型用の金型鋼等の金属素材等から形成される。以下、レーザ加工方法及びレーザ加工装置について詳細に説明する。

なお、以下の説明では、第一方向（Ｘ方向）と第二方向（Ｙ方向）と第三方向（Ｚ方向）とは、それぞれ直交する方向である。第一方向と第二方向とは、後述する被加工物Ｗを載置する載置面８１ｂ上で直交する方向である。第三方向は、載置面８１ｂに直交する方向である。なお、第一方向と第二方向とは、典型的には、被加工物Ｗの厚み方向に直交する面を仮想平面とした場合、当該仮想平面上で直交する方向となり、第三方向は、仮想平面に直交する方向となる。

レーザ加工装置１は、レーザ加工方法を実施するための装置であり、パルスレーザ光ＬＢを被加工物Ｗに照射して当該被加工物Ｗを加工する。レーザ加工装置１は、例えば、パルスレーザ光ＬＢの焦点を固定し当該パルスレーザ光ＬＢを被加工物Ｗの被加工面Ｗａに集光して加工する。レーザ加工装置１は、図１に示すように、レーザ光照射部１０と、シャッター２０と、アッテネータ３０と、ビームエキスパンダ４０と、ビーム伝送光学系５０と、落射光学系６０と、対物レンズ７０と、駆動部８０と、ランプ照明９０と、カメラ１００と、制御部１１０とを備える。

レーザ光照射部１０は、パルス状の出力（パルスレーザ光）を一定の繰り返し周波数で発振するレーザ光発振器である。例えば、レーザ光照射部１０は、パルス幅可変光源をシード光源に用いた主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ；Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）である。レーザ光照射部１０は、ＭＯＰＡを用いた場合、パルスレーザ光ＬＢの出力特性の一例は次の通りである。すなわち、パルスレーザ光ＬＢの動作波長は、１０３０ｎｍ±１ｎｍ程度であり、繰り返し周波数は、３０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度であり、パルス幅は、５０ｐｓ〜８ｎｓ程度である。また、出力パワーは、１０Ｗ程度以上であり、パルスエネルギーは、１０μＪ〜１００μＪであり、偏波は、直線であり、ビーム品質であるスクエア（Ｍ^２）は、１．４未満であり、真円度は、８０％超である。レーザ光照射部１０は、パルスレーザ光ＬＢをシャッター２０に出力（出射）する。なお、パルス幅とは、パルスレーザ光ＬＢのピークパワーの半分の地点におけるパルスの立ち上がりと立ち下がりとの時間間隔である。

シャッター２０は、パルスレーザ光ＬＢの透過と遮断とを切り替えるものである。シャッター２０は、レーザ光照射部１０とアッテネータ３０との間に設置され、レーザ光照射部１０から出力されたパルスレーザ光ＬＢを透過又は遮断する。シャッター２０は、透過したパルスレーザ光ＬＢをアッテネータ３０に出力する。

アッテネータ３０は、パルスレーザ光ＬＢの強度を調整する減衰器である。アッテネータ３０は、シャッター２０とビームエキスパンダ４０との間に設置され、シャッター２０から出力されたパルスレーザ光ＬＢの強度を調整してビームエキスパンダ４０に出力する。

ビームエキスパンダ４０は、パルスレーザ光ＬＢのビーム径を広げるものである。ビームエキスパンダ４０は、アッテネータ３０とビーム伝送光学系５０との間に設置され、アッテネータ３０から出力されたパルスレーザ光ＬＢのビーム径を広げてビーム伝送光学系５０に出力する。

ビーム伝送光学系５０は、パルスレーザ光ＬＢを導光する導光ミラー等から構成される光学系である。ビーム伝送光学系５０は、ビームエキスパンダ４０と落射光学系６０との間に設置され、ビームエキスパンダ４０から出力されたパルスレーザ光ＬＢを導光して落射光学系６０に出力する。

落射光学系６０は、パルスレーザ光ＬＢが進行する方向を変更する方向変更ミラー等から構成される光学系である。落射光学系６０は、ビーム伝送光学系５０と対物レンズ７０との間に設置され、ビーム伝送光学系５０から出力されたパルスレーザ光ＬＢの進行方向を変更して対物レンズ７０に出力する。

対物レンズ７０は、パルスレーザ光ＬＢを集光して被加工物Ｗの被加工面Ｗａにパルスレーザ光ＬＢを照射するものである。対物レンズ７０は、落射光学系６０と駆動部８０との間に設置され、落射光学系６０から出力されたパルスレーザ光ＬＢを集光し、駆動部８０に載置された被加工物Ｗの被加工面Ｗａにパルスレーザ光ＬＢを照射する。

駆動部８０は、被加工物Ｗを保持すると共に対物レンズ７０に対して被加工物Ｗを相対移動させるものである。駆動部８０は、ＸＹ軸駆動部８１と、Ｚ軸駆動部８２とを備える。ＸＹ軸駆動部８１は、載置部としての平板状の載置台８１ａと、図示しない固定部と、ボールネジ等から構成される図示しないＸＹ軸駆動機構とを備える。ＸＹ軸駆動部８１は、固定部により被加工物Ｗを載置台８１ａの載置面８１ｂに固定し、ＸＹ軸駆動機構により対物レンズ７０に対して被加工物ＷをＸ方向又はＹ方向に相対移動させる。Ｚ軸駆動部８２は、ボールネジ等から構成される図示しないＺ軸駆動機構を備え、Ｚ軸駆動機構により対物レンズ７０に対して被加工物ＷをＺ方向に相対移動させる。

ランプ照明９０は、被加工物Ｗを照明により照らすものである。ランプ照明９０は、例えば、駆動部８０の載置面８１ｂに対向して設置され、載置面８１ｂに載置された被加工物Ｗに照明を照らす。

カメラ１００は、被加工物Ｗを撮像するものである。カメラ１００は、駆動部８０の載置面８１ｂに対向して設置され、載置面８１ｂに載置された被加工物Ｗの被加工面Ｗａの凹凸を撮像する。カメラ１００は、撮像した画像を制御部１１０に出力する。

制御部１１０は、レーザ加工装置１を制御するものである。制御部１１０は、ＣＰＵ、記憶部を構成するＲＯＭ、ＲＡＭ及びインターフェースを含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子回路を含んで構成される。制御部１１０は、レーザ光照射部１０及びシャッター２０等の光学系を制御し、パルスレーザ光ＬＢの出力を調整する。

次に、図２〜図１１を参照してレーザ加工装置１により照射するパルスレーザ光ＬＢのエネルギー球Ｅについて説明する。エネルギー球Ｅは、レーザ光除去領域であり、被加工面Ｗａの凸部Ｐをアブレーション加工可能なパルスレーザ光ＬＢの領域である（図２参照）。つまり、エネルギー球Ｅは、被加工面Ｗａの凸部Ｐに照射されたパルスレーザ光ＬＢにおいて実際に凸部Ｐを切削することが可能な部分である。ここで、被加工面Ｗａの凸部Ｐは、被加工面Ｗａの最も深い部分（凹部Ｑの底）を基準にしてＺ方向に突出している部分である（図５参照）。エネルギー球Ｅは、被加工面Ｗａに沿って走査する走査方向に直交する直交方向（Ｚ方向）に平行である。つまり、エネルギー球Ｅは、被加工物Ｗの厚み方向に対して平行である。エネルギー球Ｅは、少なくとも当該エネルギー球Ｅのレーザ光照射方向（Ｚ方向）における上端部Ｈから下端部Ｌまでの長さが、平坦化前の被加工面Ｗａの凸部Ｐの最大の高さｈａと同等以下である（図５参照）。なお、エネルギー球Ｅのレーザ光照射方向（Ｚ方向）における上端部Ｈから下端部Ｌまでの長さは、エネルギー球Ｅのサイズともいう。エネルギー球Ｅのサイズは、対物レンズ７０等の光学系の設定や、レーザ光照射部１０から照射する分布エネルギー密度の設定により変更可能である。エネルギー球Ｅは、図２に示すように、パルスレーザ光ＬＢの焦点位置Ｋからレーザ光照射方向の一方側と他方側とにそれぞれ同程度延在して形成されている。なお、図２の左側図は、縦軸がレーザ光照射方向（Ｚ方向）の座標であり、横軸がＸ方向の座標である。また、図２の右側図は、分布エネルギー密度を示している。エネルギー球Ｅは、図２、図３に示すように、焦点位置Ｋが最も分布エネルギー密度が高く焦点位置Ｋから離れるに従って分布エネルギー密度が低くなる。

次に、エネルギー球Ｅのサイズを対物レンズ７０等の光学系により調整する例について説明する。エネルギー球Ｅの高さｈは、以下の（式１）により求められる。（式１）におけるλは、波長であり、ｆは、焦点距離であり、Ｍ^２は、ビーム品質であり、Ｄは、レンズ集光前のビーム径である。

エネルギー球Ｅは、例えば、焦点距離ｆを変更することにより、エネルギー球Ｅのサイズが調整される。エネルギー球Ｅは、例えば、焦点距離ｆが５ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。この場合、エネルギー球Ｅは、上述の（式１）により、パルスレーザ光ＬＢのビーム径がパルスレーザ光ＬＢの焦点位置Ｋのビーム径Ｄの√２倍になる焦点位置Ｋからの高さｈ２が２μｍ〜７２μｍ程度である（図４参照）。好ましくは、エネルギー球Ｅは、焦点距離ｆが２０ｍｍである。この場合、エネルギー球Ｅは、上述の（式１）により、パルスレーザ光ＬＢのビーム径がパルスレーザ光ＬＢの焦点位置Ｋのビーム径Ｄの√２倍になる焦点位置Ｋからの高さｈ２が３２μｍである。この場合、エネルギー球Ｅは、図５に示すように、被加工面Ｗａの凸部Ｐの最大の高さが５０μｍ程度であるのに対しエネルギー球Ｅのサイズが２０μｍ程度であり、エネルギー球Ｅのサイズが被加工面Ｗａの凸部Ｐの最大の高さ（５０μｍ）よりも小さい。これにより、エネルギー球Ｅは、被加工面Ｗａの凸部Ｐの高さ方向（Ｚ方向）に対する選択性を有し、凸部Ｐを選択的に切削（アブレーション加工）することができる。ここで、アブレーション加工とは、パルスレーザ光ＬＢが照射された部分が瞬時に蒸発、飛散することで行われる除去加工である。アブレーション加工は、加工部が瞬時に蒸発、飛散し除去されるため、加工部周辺への熱影響が少なく熱損傷の少ない加工である。また、エネルギー球Ｅは、被加工面Ｗａの凸部Ｐを切削する場合、エネルギー球Ｅのサイズが凸部Ｐに対して小さいため、エネルギー球Ｅを凸部Ｐに容易に位置合わせすることができる。また、エネルギー球Ｅは、エネルギー球Ｅのサイズが小さいので分布エネルギー密度が相対的に高くなり切削の精度が向上する。

次に、エネルギー球Ｅのサイズをレーザ光照射部１０が照射する分布エネルギー密度により調整する例について説明する。エネルギー球Ｅは、パルスレーザ光ＬＢの分布エネルギー密度が相対的に増加するとエネルギー球Ｅのサイズが相対的に大きくなる。例えば、エネルギー球Ｅは、図６に示すように、設定エネルギー密度が１．０Ｊ／ｃｍ^２である場合、被加工面Ｗａの凸部Ｐを切削する切削量が７μｍ程度である。エネルギー球Ｅは、例えば、焦点位置Ｋが平坦化前の被加工面Ｗａの凸部Ｐの先端位置と同等の位置に設定されている。なお、図６は、縦軸が被加工面Ｗａの凸部Ｐの高さ（μｍ）であり、横軸が平面方向の距離（ｍｍ）である。

また、エネルギー球Ｅは、図７に示すように、設定エネルギー密度が３．８Ｊ／ｃｍ^２である場合、図６のエネルギー球Ｅのサイズよりも大きくなり、被加工面Ｗａの凸部Ｐを切削する切削量が１２μｍ程度である。また、エネルギー球Ｅは、図８に示すように、設定エネルギー密度が７．５Ｊ／ｃｍ^２である場合、図７のエネルギー球Ｅのサイズよりも大きくなり、被加工面Ｗａの凸部Ｐを切削する切削量が１８μｍ程度である。また、エネルギー球Ｅは、図９に示すように、設定エネルギー密度が１０．５Ｊ／ｃｍ^２である場合、図８のエネルギー球Ｅのサイズよりも大きくなり、被加工面Ｗａの凸部Ｐを切削する切削量が２２μｍ程度である。このように、エネルギー球Ｅは、設定エネルギー密度を変更することにより、エネルギー球Ｅのサイズを変更することができる。なお、図７〜図９は、縦軸が被加工面Ｗａの凸部Ｐの高さ（μｍ）であり、横軸が平面方向の距離（ｍｍ）である。

次に、図１１〜図１３を参照して、アブレーション加工及び周期構造としてのナノ周期構造（微細周期構造）Ｖの形成を同時に実施する例について説明する。ここで、ナノ周期構造Ｖは、パルスレーザ光ＬＢの波長に基づいて形成される周期構造である（図１２参照）。ナノ周期構造Ｖは、例えば、隣接する凸部Ｐ１の間隔Ｇがパルスレーザ光ＬＢの波長と同等の間隔である周期構造である。エネルギー球Ｅ１は、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去可能に調整され、且つ、被加工面Ｗａにナノ周期構造Ｖを形成可能に調整されたパルスレーザ光ＬＢの領域である。つまり、エネルギー球Ｅ１は、レーザ光除去領域ｅ１及びレーザ光周期構造形成領域ｅ２（以下、「レーザ光周期領域」ともいう。）を含んで構成される（図１１参照）。

レーザ光除去領域ｅ１は、被加工面Ｗａの凸部Ｐをアブレーション加工可能なレーザ光の領域である。つまり、レーザ光除去領域ｅ１は、被加工面Ｗａの凸部Ｐに照射されたパルスレーザ光ＬＢにおいて実際に凸部Ｐを切削することが可能な部分である。レーザ光周期領域ｅ２は、被加工面Ｗａにナノ周期構造Ｖを形成可能なレーザ光の領域である。レーザ光周期領域ｅ２は、レーザ光除去領域ｅ１の外側の領域であり、レーザ光除去領域ｅ１より分布する分布エネルギー密度が小さい。レーザ光周期領域ｅ２は、例えば、被加工物Ｗの加工閾値近傍の分布エネルギー密度に設定される。ここで、レーザ光除去領域ｅ１及びレーザ光周期領域ｅ２を形成するためのパルスレーザ光ＬＢの出力特性（エネルギー球Ｅ１の出力特性）の一例は、次の通りである。すなわち、パルスレーザ光ＬＢの動作波長は、１０３０ｎｍであり、繰り返し周波数は、１００ｋＨｚであり、パルス幅は、５０ｐｓである。また、設定エネルギー密度は、０．１５Ｊ／ｃｍ^２であり、スポット径は、６×７（楕円形）μｍであり、焦点位置Ｋは、凸部Ｐに位置合わせされ（デフォーカス量が０μｍ）、繰り返し数は、１５回であり、雰囲気は、大気である。ここで、デフォーカス量とは、焦点位置Ｋと被加工面Ｗａの凸部Ｐとの間の距離である。

エネルギー球Ｅ１は、被加工面Ｗａに沿って走査する走査方向に直交する直交方向（Ｚ方向）に平行である。エネルギー球Ｅ１は、少なくとも当該エネルギー球Ｅ１のレーザ光照射方向（Ｚ方向）における上端部Ｈから下端部Ｌまでの長さ（エネルギー球Ｅ１のサイズ）が、加工前の被加工面Ｗａの凸部Ｐの最大の高さｈａよりも大きい（図１１参照）。エネルギー球Ｅ１は、レーザ光照射方向における下端部Ｌが被加工面Ｗａにおいて加工平坦面Ｗ２を形成するための位置に位置合わせされる。つまり、エネルギー球Ｅ１は、レーザ光周期領域ｅ２のレーザ光照射方向における下端部Ｌが被加工面Ｗａにおいて加工平坦面Ｗ２を形成するための位置に位置合わせされる。エネルギー球Ｅ１は、被加工面Ｗａの凸部Ｐを切削すると共に被加工面Ｗａにナノ周期構造Ｖを形成する（図１３参照）。なお、図１３において、ナノ周期構造Ｖのサイズを示すために２μｍの長さを示す指標を図示している。

次に、図１４を参照して実施形態１に係るレーザ加工装置１の動作例について説明する。実施形態１では、先ず、エネルギー球Ｅにより被加工物Ｗａの凸部Ｐをアブレーション加工により切削し、次に、エネルギー球Ｅ１により被加工物Ｗａの或る程度切削された凸部Ｐをアブレーション加工すると共に被加工物Ｗａにナノ周期構造Ｖを形成する例について説明する。レーザ加工装置１は、作業者により予め加工条件が設定される（ステップＳ１）。ここで、加工条件は、例えば、パルスレーザ光ＬＢの設定エネルギー密度、走査時のスポット径の重なり、繰り返し照射数、加工時間等である。これらの加工条件は、被加工物Ｗの材質や被加工面Ｗａの凹凸の粗さ等に基づいて、予め実験で求めておく。加工条件は、レーザ光照射部１０から照射するパルスレーザ光ＬＢの設定エネルギー密度が設定されることにより、上述したように設定エネルギー密度に応じてエネルギー球Ｅのサイズが設定されると共にエネルギー球Ｅによる切削量が設定される。エネルギー球Ｅは、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去可能に調整され、且つ、パルスレーザ光ＬＢの波長に基づくナノ周期構造Ｖを形成不可能に調整される。

レーザ加工装置１は、加工条件が設定された後、第一平坦化工程を実施する（ステップＳ２）。第一平坦化工程は、被加工面Ｗａの凸部Ｐを或る程度の高さまで切削する工程である。つまり、第一平坦化工程は、ナノ周期構造Ｖを形成する前までの工程である。第一平坦化工程において、レーザ加工装置１は、最初に、駆動部８０の載置台８１ａに載置された被加工物Ｗを駆動部８０により駆動し被加工物Ｗを加工開始位置に移動する。そして、レーザ加工装置１は、カメラ１００により被加工物Ｗの被加工面Ｗａの凹凸を撮像し、撮像した画像に基づいてＸＹ軸駆動部８１によりＸ方向又はＹ方向に被加工物Ｗを移動させ、被加工面Ｗａの凸部Ｐに対してパルスレーザ光ＬＢのエネルギー球Ｅを照射し走査しながら当該凸部Ｐの高さ方向における一部を被加工面Ｗａの全域に渡って切削する（切削工程）。次に、レーザ加工装置１は、被加工面Ｗａの全域に渡って切削加工が終了し加工面Ｗ１（図１０参照）を形成する第一平坦化工程が終了したか否かを判定する（ステップＳ３）。レーザ加工装置１は、加工面Ｗ１を形成する第一平坦化工程が終了していないと判定すると（ステップＳ３；Ｎｏ）、上述のステップＳ２に戻り、レーザ加工装置１は、カメラ１００により被加工物Ｗの被加工面Ｗａの凹凸を撮像し、撮像した画像に基づいてＺ軸駆動部８２によりＺ方向に被加工物Ｗを移動させて被加工面Ｗａの切削量に応じて被加工物Ｗを所望の高さに設定する。そして、レーザ加工装置１は、上述の切削工程を再度実施する。レーザ加工装置１は、最終の切削工程では、エネルギー球Ｅのレーザ光照射方向における下端部Ｌを被加工面Ｗａにおいて加工面Ｗ１を形成するための位置に位置合わせを行い、加工面Ｗ１を形成する。レーザ加工装置１は、加工面Ｗ１を形成する第一平坦化工程が終了したと判定すると（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、第二平坦化工程に移行する。

第二平坦化工程は、被加工面Ｗａの凸部Ｐを切削すると共に被加工面Ｗａにナノ周期構造Ｖを形成する工程である（ステップＳ４）。第二平坦化工程において、加工条件は、例えば、上述のエネルギー球Ｅ１の出力特性に設定される。エネルギー球Ｅ１は、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去可能に調整され、且つ、パルスレーザ光の波長に基づくナノ周期構造Ｖを形成可能に調整される。レーザ加工装置１は、駆動部８０の載置台８１ａに載置された被加工物Ｗを駆動部８０により駆動し被加工物Ｗを加工開始位置に移動する。そして、レーザ加工装置１は、カメラ１００により被加工物Ｗの被加工面Ｗａの凹凸を撮像し、撮像した画像に基づいてＸＹ軸駆動部８１によりＸ方向又はＹ方向に被加工物Ｗを移動させ、被加工面Ｗａの凸部Ｐに対してパルスレーザ光ＬＢのエネルギー球Ｅ１を照射し走査しながら当該凸部Ｐを切削すると共に被加工面Ｗａにナノ周期構造Ｖを形成する。レーザ加工装置１は、被加工面Ｗａの全域に渡ってナノ周期構造Ｖが形成された加工平坦面Ｗ２を形成すると、第二平坦化工程を終了し処理を終了する。

以上のように、実施形態１に係るレーザ加工方法は、凹凸を有する被加工面Ｗａにパルスレーザ光ＬＢを照射して走査し、被加工面Ｗａの凸部Ｐを加工して平坦化した加工平坦面Ｗ２を形成する第二平坦化工程を有する。第二平坦化工程は、加工平坦面Ｗ２を形成するパルスレーザ光ＬＢの最終走査において、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去可能に調整され、且つ、パルスレーザ光ＬＢの波長に基づくナノ周期構造Ｖを形成可能に調整されたパルスレーザ光ＬＢで被加工面Ｗａを加工して加工平坦面Ｗ２を形成する。レーザ加工装置１は、第二平坦化工程を実施する装置である。

この構成により、レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去すると共に被加工面Ｗａにナノ周期構造Ｖを形成することができる。この形成方法により、レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、例えば、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去する処理と被加工面Ｗａにナノ周期構造Ｖを形成する処理とを別々に実施する場合と比較して、処理工程を短縮することができる。従って、レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、平坦化された被加工面Ｗａに周期構造を適正に形成することができる。また、レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、加工平坦面Ｗ２において、離型性の向上、親水性の向上、撥水性の向上、摩擦の低減、摩耗の低減、光の反射性の向上、光の回折性の向上等の特性を実現できる。レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、例えば、プラスチック成型用の金型鋼にナノ周期構造Ｖを形成した場合、当該金型鋼により成形されたプラスチック材料の表面にホログラムを形成することができる。レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、ピコ秒のパルスレーザＬＢを使用することで、例えばフェムト秒のレーザを使用する場合と比較してコストを抑制できる。また、レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、設定エネルギー密度、デフォーカス量、繰り返し周波数を変更することにより、ミクロン単位で凸部Ｐを除去する量を調整することができる。また、レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、従来のようなフライス盤を用いた機械加工と比較して、接触抵抗等を考慮する必要がないため被加工物Ｗへの熱影響を低減させることが可能となり、被加工物Ｗの変形、うねりなどの悪影響がない加工形状を得ることができる。また、レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、機械加工に比べてより小さい面積の選択的加工や、より複雑な形状の加工が可能となる。また、レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、機械加工に比べて被加工物Ｗの硬さに依存しない加工が可能となり、さらに定期的に交換する消耗品を少なくできる。また、レーザ加工方法及びレーザ加工装置１は、図示しないヒュームコレクタにより加工屑を吸引することにより、加工装置内のクリーン度を保った状態で加工することができる。

上記レーザ加工方法において、第二平坦化工程は、レーザ光除去領域ｅ１、及び、レーザ光周期領域ｅ２を含むように調整されたパルスレーザ光ＬＢで被加工面Ｗａを加工して加工平坦面Ｗ２を形成する。ここで、レーザ光除去領域ｅ１は、被加工面Ｗａの凸部Ｐをアブレーション加工可能なパルスレーザ光ＬＢの領域である。レーザ光周期領域ｅ２は、レーザ光除去領域ｅ１の外側の領域でありレーザ光除去領域ｅ１より分布する分布エネルギー密度が小さくナノ周期構造Ｖを形成可能なパルスレーザ光ＬＢの領域である。この構成により、レーザ加工方法は、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去すると共に被加工面Ｗａにナノ周期構造Ｖを形成することができる。

上記レーザ加工方法において、平坦化工程は、第一平坦化工程と、第二平坦化工程とを有する。第一平坦化工程はパルスレーザ光ＬＢの最終走査よりも前の走査において、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去可能に調整され、且つ、パルスレーザ光ＬＢの波長に基づくナノ周期構造Ｖを形成不可能に調整されたパルスレーザ光ＬＢで被加工面Ｗａを加工する。第二平坦化工程は、パルスレーザ光ＬＢの最終走査において、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去可能に調整され、且つ、パルスレーザ光ＬＢの波長に基づくナノ周期構造Ｖを形成可能に調整されたパルスレーザ光ＬＢで被加工面Ｗａを加工して加工平坦面Ｗ２を形成する。

つまり、第一平坦化工程は、パルスレーザ光ＬＢの最終走査よりも前の走査において、レーザ光周期領域ｅ２を含まずにレーザ光除去領域ｅ１を含むように調整されたパルスレーザ光ＬＢで被加工面Ｗａを加工する。第二平坦化工程は、パルスレーザ光ＬＢの最終走査において、レーザ光除去領域ｅ１、及び、レーザ光周期領域ｅ２を含むように調整されたパルスレーザ光ＬＢで被加工面Ｗａを加工して加工平坦面Ｗ２を形成する。この構成により、平坦化工程は、被加工面Ｗａの凸部Ｐの高さが相対的に高い場合、第一平坦化工程においてエネルギー球Ｅ１よりも高い分布エネルギー密度であるエネルギー球Ｅにより被加工面Ｗａの凸部Ｐを或る程度の高さまで切削することができ、切削工程の時間を相対的に短縮することができる。

〔実施形態１の変形例〕
次に、実施形態１の変形例について説明する。実施形態１は、パルスレーザ光ＬＢの設定エネルギー密度を０．１５Ｊ／ｃｍ^２とし、焦点位置Ｋを凸部Ｐに位置合わせ（デフォーカス量を０μｍ）としたが、これらの設定を変更してもよい。例えば、変形例は、パルスレーザ光ＬＢの設定エネルギー密度を０．７６Ｊ／ｃｍ^２とし、デフォーカス量を０μｍ、１０μｍ、２６μｍ、又は、４０μｍとし、繰り返し数を５０回とした。デフォーカス量を０μｍとした場合には、被加工面Ｗａにナノ周期構造Ｖの一部が確認された。デフォーカス量を１０μｍとした場合には、被加工面Ｗａに図１７に示すようなナノ周期構造Ｖが確認され、デフォーカス量を２６μｍとした場合には、被加工面Ｗａに図１８に示すようなナノ周期構造Ｖが確認された。デフォーカス量を４０μｍとした場合には、被加工面Ｗａが細かい粒子状に遷移しナノ周期構造Ｖが確認されなかった。このように、被加工面Ｗａの加工は、デフォーカスによるビーム径の広がりと分布エネルギー密度とに関係することが分かる。デフォーカス量が０μｍの場合、ビーム径が小さいため分布エネルギー密度が相対的に大きく、溶融部分が発生してナノ周期構造Ｖが一部しか残らない。一方、デフォーカスによりビーム径が広がり分布エネルギー密度が小さくなると、熱の侵入が少なくなり、アブレーション閾値近傍で表面にナノ周期構造Ｖが形成される。さらに、デフォーカス量を大きくして４０μｍになると、分布エネルギー密度がアブレーション閾値を下回りナノ周期構造Ｖの形成が十分に行われておらず、被加工面Ｗａが細かい粒子状になる。なお、図１７及び図１８において、ナノ周期構造Ｖのサイズを示すために２μｍの長さを示す指標を図示している。

エネルギー球Ｅ１の加工深さは、図１５に示すように、デフォーカス量が増加するにつれて減少していき、４０μｍになるとほとんど加工されていないことが分かる。エネルギー球Ｅ１は、デフォーカス量が大きくなると分布エネルギー密度の低い部分で加工することになるため、加工領域が狭くなり加工深さが減少する。エネルギー球Ｅ１は、デフォーカス量が４０μｍのときは被加工面Ｗａの大部分が加工領域に含まれなくなり、加工されなかったと考えられる。

各デフォーカス量における表面粗さの変化について説明する。初期表面粗さが０．９４μｍＲａの被加工面Ｗａにパルスレーザを照射することで表面粗さが向上した。例えば、デフォーカス量が２６μｍのときに表面粗さが０．５６μｍＲａとなり、４１％低減された。これについて加工領域の限界付近で加工されたため、被加工面Ｗａの凸部Ｐが切削されることで平坦化され、表面粗さが向上したと考えられる。これにより、デフォーカス量が２６μｍのときに表面粗さを最も向上させると同時にナノ周期構造Ｖも形成できることが分かった（図１６参照）。

なお、第一平坦化工程は、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去可能に調整され、且つ、パルスレーザ光ＬＢの波長に基づくナノ周期構造Ｖを形成可能に調整されたパルスレーザ光ＬＢで被加工面Ｗａを加工してもよい。つまり、第一平坦化工程は、第二平坦化工程と同様にレーザ光除去領域ｅ１、及び、レーザ光周期領域ｅ２を含むように調整されたパルスレーザ光ＬＢで被加工面Ｗａを加工してもよい。この構成により、レーザ加工方法は、加工条件を変更する手間を省略することができる。

〔実施形態２〕
次に、実施形態２に係るレーザ加工方法について説明する。実施形態２に係るエネルギー球Ｅ２（図２０参照）は、被加工面Ｗａの凸部Ｐを除去可能に調整され、且つ、被加工面Ｗａにナノ周期構造Ｖを形成可能に調整されたパルスレーザ光ＬＢの領域である。つまり、エネルギー球Ｅ２は、レーザ光除去領域ｅ１及びレーザ光周期領域ｅ２を含んで構成される。エネルギー球Ｅ２は、焦点距離ｆが３０ｍｍの例である。この場合、エネルギー球Ｅ２は、上述の（式１）により、パルスレーザ光ＬＢのビーム径がパルスレーザ光ＬＢの焦点位置Ｋのビーム径Ｄの√２倍になる焦点位置Ｋからの高さｈ１が７１．８２μｍである（図１９参照）。エネルギー球Ｅ２は、図２０に示すように、被加工面Ｗａの凸部Ｐの最大の高さが５０μｍ程度であるのに対しエネルギー球Ｅ２のサイズが７２μｍ程度あり、エネルギー球Ｅ２のサイズが平坦化前の被加工面Ｗａの凸部Ｐの最大の高さより大きい。これにより、エネルギー球Ｅ２は、被加工面Ｗａの凸部Ｐの高さ方向における大部分を一度に切削することができると共にナノ周期構造Ｖを形成することができる。なお、エネルギー球Ｅ２の上限サイズは、被加工面Ｗａの凸部Ｐの１０倍の高さよりも小さい。好ましくは、エネルギー球Ｅ２の上限サイズは、被加工面Ｗａの凸部Ｐと同等の高さ〜２倍の高さよりも小さい。

エネルギー球Ｅ２は、被加工面Ｗａに沿って走査する走査方向に直交する直交方向（Ｚ方向）に平行である。つまり、エネルギー球Ｅ２は、被加工物Ｗの厚み方向に対して平行である。エネルギー球Ｅ２は、パルスレーザ光ＬＢの分布エネルギー密度が相対的に増加するとエネルギー球Ｅ２のサイズが相対的に大きくなる。レーザ加工装置１は、図２１に示すように、被加工面Ｗａの凸部Ｐに対して、焦点位置Ｋや、レーザ光照射部１０から照射する分布エネルギー密度を適宜調整してエネルギー球Ｅ２を形成する。図２１に示す例では、レーザ加工装置１は、焦点位置ＫをＺ座標が７０μｍ程度の位置に設定し、エネルギー球Ｅ２の下端部Ｌの位置をＺ座標が０μｍ程度の位置に設定している。つまり、レーザ加工装置１は、エネルギー球Ｅ２のレーザ光周期領域ｅ２の下端部Ｌの位置を被加工面Ｗａにおいて加工平坦面Ｗ２を形成するための位置に位置合わせしている。この例では、レーザ加工装置１は、１回の走査により被加工面Ｗａの凸部Ｐを切削し、加工前の被加工面Ｗａの凸部Ｐの最大の高さＲｙが５０μｍ〜６０μｍであったが、加工後の被加工面Ｗａの凸部Ｐの最大の高さＲｙが７．６μｍになった。レーザ加工装置１は、エネルギー球Ｅ２のサイズが実施形態１のエネルギー球Ｅ１のサイズよりも大きく分布エネルギー密度が高いので加工時間を短縮することができる。また、レーザ加工装置１は、エネルギー球Ｅ２の下端部Ｌの位置を把握し当該下端部Ｌの位置を調整することで、簡易に凸部Ｐを所望の高さに調整することが可能となり被加工面Ｗａを平坦化することができる。なお、図２１は、縦軸がＺ座標（μｍ）であり、横軸がＸ座標（μｍ）である。図２１は、Ｘ座標が２０００μｍ〜４０００μｍ程度の範囲までエネルギー球Ｅ２により被加工面Ｗａの凸部Ｐを切削している例である。

以上のように、実施形態２に係るレーザ加工方法において、平坦化工程は、少なくともエネルギー球Ｅ２のレーザ光照射方向における上端部Ｈから下端部Ｌまでの長さが平坦化前の被加工面Ｗａの凸部Ｐの最大の高さより大きいエネルギー球Ｅ２のパルスレーザ光ＬＢにより被加工面Ｗａの凸部Ｐを加工する。これにより、実施形態２に係るレーザ加工方法は、被加工面Ｗａの凸部Ｐをより多く切削することが可能となり、切削時間を短縮することができると共にナノ周期構造Ｖを形成することができる。

なお、被加工物Ｗは、例えば、プラスチック成型用の金型鋼から形成される例について説明したが、他の合金であってもよい。また、パルスレーザ光ＬＢの出力特性は、被加工物Ｗの材質によって適宜変更可能である。

１ レーザ加工装置
１０ レーザ光照射部
１１０ 制御部
Ｅ、Ｅ１、Ｅ２ エネルギー球
ｅ１ レーザ光除去領域
ｅ２ レーザ光周期領域（レーザ光周期構造形成領域）
ＬＢ パルスレーザ光（レーザ光）
Ｐ 凸部
Ｖ ナノ周期構造（周期構造）
Ｗａ 被加工面
Ｗ２ 加工平坦面

Claims (5)

1. 凹凸を有する被加工面にレーザ光を照射して走査し前記被加工面の凸部を加工して平坦化した加工平坦面を形成する平坦化工程を有し、
   前記平坦化工程は、
   前記加工平坦面を形成する前記レーザ光の最終走査において、前記被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、前記レーザ光の波長に基づく周期構造を形成可能に調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工して前記加工平坦面を形成することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記平坦化工程は、前記被加工面の凸部をアブレーション加工可能な前記レーザ光の領域であるレーザ光除去領域、及び、前記レーザ光除去領域の外側の領域であり前記レーザ光除去領域より分布する分布エネルギー密度が小さく前記周期構造を形成可能な前記レーザ光の領域であるレーザ光周期構造形成領域、を含むように調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工して前記加工平坦面を形成する請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記平坦化工程は、
   前記レーザ光の最終走査よりも前の走査において、前記被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、前記レーザ光の波長に基づく周期構造を形成不可能に調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工する第一平坦化工程と、
   前記レーザ光の最終走査において、前記被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、前記レーザ光の波長に基づく周期構造を形成可能に調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工して前記加工平坦面を形成する第二平坦化工程と、
   を有する請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記平坦化工程は、
   前記レーザ光の最終走査よりも前の走査において、前記被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、前記レーザ光の波長に基づく周期構造を形成可能に調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工する請求項１又２に記載のレーザ加工方法。
5. 凹凸を有する被加工面にレーザ光を照射して走査するレーザ光照射部と、
   前記レーザ光照射部を制御し、前記被加工面の凸部を加工して平坦化した加工平坦面を形成する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記加工平坦面を形成する前記レーザ光の最終走査において、前記被加工面の凸部を除去可能に調整され、且つ、前記レーザ光の波長に基づく周期構造を形成可能に調整された前記レーザ光で前記被加工面を加工して前記加工平坦面を形成することを特徴とするレーザ加工装置。