JP4848296B2 - Cylindrical inner peripheral surface periodic structure processing method and cylindrical inner peripheral surface periodic structure processing apparatus - Google Patents

Cylindrical inner peripheral surface periodic structure processing method and cylindrical inner peripheral surface periodic structure processing apparatus Download PDF

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Description

本発明は、フェムト秒レーザ加工機で円筒ワークの内周面に周期構造体(ナノ単位の微細周期性溝やディンプル)を加工する加工方法とその装置に係り、特に、円筒ワーク(例えば、エンジンにおけるシリンダ内周面やベアリング内周面等の円筒内周面)に対する周期構造体の規則性形状を狂わせることなく合理的に整列加工できるようにしたものに関する。   The present invention relates to a processing method and apparatus for processing a periodic structure (nano-unit fine periodic grooves and dimples) on an inner peripheral surface of a cylindrical workpiece with a femtosecond laser processing machine, and more particularly to a cylindrical workpiece (for example, an engine) The cylinder inner peripheral surface and the cylindrical inner peripheral surface such as the bearing inner peripheral surface in FIG. 1 can be reasonably aligned without changing the regular shape of the periodic structure.

近年、地球温暖化防止策の最も重要課題として大気汚染の低減を図ることが掲げられている。特に、大気汚染を起している主原因が自動車が出す排気ガスにあることが知られており、国際的な協定が結ばれる中で自動車メーカは競って低公害車を開発している。その行き着くところは、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車等の開発と実用化による世界的普及が期待されている。このような状況の中で、自動車の燃費改善対策とエンジンの性能・耐久性の向上対策として、エンジンにおけるピストンとシリンダ間の摩擦低減、ベアリングの回転摩擦低減、ギアの噛合い摩擦の低減等の摩擦抵抗を極限まで減らすことが望まれている。上記エンジンの摺動部(摩擦面)又は回転部(転がり面)の表面の摩擦抵抗を極限まで減らす加工方法には、刃具の機械的な外力により表面に微細な凹凸筋の溝加工を施すものと、フェムト秒レーザ加工機でナノ周期構造体(連続した微細周期性溝、不連続のディンプルの窪み)を施す加工技術が注目を集め旺盛に開発されている。また、上記ナノ周期構造体が正しく生成されているか・否か・を判定する観測装置も開発されている。   In recent years, reduction of air pollution has been raised as the most important issue of global warming prevention measures. In particular, it is known that the main cause of air pollution is exhaust gas emitted from automobiles, and automakers are competing to develop low-emission vehicles in an international agreement. The destination is expected to spread worldwide through the development and commercialization of hybrid vehicles, electric vehicles, fuel cell vehicles, and the like. Under such circumstances, measures to improve automobile fuel efficiency and engine performance / durability include friction reduction between pistons and cylinders in the engine, reduction in bearing rotation friction, reduction in gear meshing friction, etc. It is desired to reduce the frictional resistance to the limit. In the processing method for reducing the frictional resistance of the sliding part (friction surface) or rotating part (rolling surface) of the engine to the limit, the surface of the surface is subjected to grooving of fine uneven stripes by the mechanical external force of the blade. In addition, a processing technique for applying a nano-periodic structure (continuous fine periodic grooves, discontinuous dimple depressions) with a femtosecond laser processing machine has been attracting attention and has been actively developed. An observation apparatus for determining whether or not the nano-periodic structure is correctly generated has also been developed.

上記フェムト秒レーザ加工機において、周期構造体(例えば微細周期性溝)を加工する加工方法は、固体材料表面に、低フルーエンスの超短パルスレーザ(フェムト秒レーザ)を偏光制御して照射することで、照射したレーザの波長より小さいサイズの微細構造を形成する。そして、超短パルスレーザを直線偏光させて固体材料表面に照射することで、偏光方向とは直交する方向に沿って細長い微細構造を形成でき、また、円偏光させて照射することで微細構造体が形成される。こうした微細構造のサイズは、照射するレーザの波長と正の相関関係があり、波長を選択することで微細構造のサイズを制御するものが提供されている(例えば、特許文献1を参照。)。   In the above femtosecond laser processing machine, a processing method for processing a periodic structure (for example, a fine periodic groove) is to irradiate a solid material surface with a low fluence ultrashort pulse laser (femtosecond laser) with polarization control. Thus, a fine structure having a size smaller than the wavelength of the irradiated laser is formed. And, by irradiating the surface of the solid material by linearly polarizing the ultrashort pulse laser, an elongated fine structure can be formed along the direction orthogonal to the polarization direction, and by irradiating it with circularly polarized light Is formed. The size of such a fine structure has a positive correlation with the wavelength of the laser to be irradiated, and there is provided one that controls the size of the fine structure by selecting the wavelength (see, for example, Patent Document 1).

また、フェムト秒レーザがレーザ駆動部から入射されたとき、レーザを複数の光束に分離する回折格子3と、回折格子3によって分離された光束を互いに干渉させるための凸レンズ4,5と、光束が互いに交差し干渉する干渉領域と凸レンズ5との間に配設された円柱レンズ6と、レーザによって加工するため、加工用基材7を干渉領域に配設することができるXYZステージ8を備え、円柱レンズ6が、干渉領域を扁平な領域に整形するとともにエネルギ密度を集中し、加工用基材7と該干渉領域の物質レーザ相互作用によって微細加工することができるものが提供されている(例えば、特許文献2を参照。)。   When the femtosecond laser is incident from the laser driving unit, the diffraction grating 3 that separates the laser into a plurality of light beams, the convex lenses 4 and 5 for causing the light beams separated by the diffraction grating 3 to interfere with each other, A cylindrical lens 6 disposed between the interference region and the convex lens 5 that intersect and interfere with each other, and an XYZ stage 8 that can dispose the processing base material 7 in the interference region in order to perform processing with a laser, A cylindrical lens 6 is provided that shapes the interference area into a flat area, concentrates the energy density, and can be finely processed by the material laser interaction of the processing substrate 7 and the interference area (for example, , See Patent Document 2).

更に、互いに干渉したフェムト秒レーザ・パルスを、基材に照射することにより、最小平均寸法5〜200nmを有する周期微細構造を基材中に作成するフェムト秒レーザの照射による一次元及び/または二次元周期微細構造の作成方法であり、特に近赤外領域の発振波長で、0.1TW/cm2以上の高密度エネルギーを有し、互いに干渉した2つのフェムト秒レーザ・パルスをシリカガラスに照射することにより、シリカガラス中に、平均幅5〜50nmを有する周期溝を作成するフェムト秒レーザの照射による一次元周期微細構造の作成方法が提供されている(例えば、特許文献3を参照。)。   In addition, by irradiating the substrate with femtosecond laser pulses that interfere with each other, a one-dimensional and / or two-dimensional irradiation by femtosecond laser that creates a periodic microstructure with a minimum average dimension of 5 to 200 nm in the substrate. This is a method for creating a three-dimensional periodic fine structure, and irradiates silica glass with two femtosecond laser pulses having high density energy of 0.1 TW / cm 2 or more and interfering with each other, particularly at an oscillation wavelength in the near infrared region. Thus, a method of creating a one-dimensional periodic microstructure by irradiation with a femtosecond laser that creates periodic grooves having an average width of 5 to 50 nm in silica glass is provided (see, for example, Patent Document 3).

また、更には、溶接ヘッドの旋回駆動機構に、ロータリエンコーダからなる位置センサを取り付け、他方、各層毎の溶接工程におけるアークスタートおよびアークエンドの位置をあらかじめラップすることがないように設定できる位置決めユニットを設け、この位置決めユニットに前記位置センサを接続し、位置決めユニットには、前記各層毎の溶接工程を順に制御するシーケンスコントローラを接続し、前記位置センサからの検出信号に基いて位置決めユニットおよびシーケンスコントローラを介して多層溶接により継手溶接を行うようにしたものが提供されている(例えば、特許文献4を参照。)。   In addition, a positioning unit that can be set so that the position of the arc start and end of the welding process for each layer is not pre-wrapped by attaching a position sensor consisting of a rotary encoder to the turning drive mechanism of the welding head. The position sensor is connected to the positioning unit, a sequence controller for sequentially controlling the welding process for each layer is connected to the positioning unit, and the positioning unit and the sequence controller are based on a detection signal from the position sensor. There has been provided a joint welded by multi-layer welding via a joint (see, for example, Patent Document 4).

そして、本発明の目的により近い技術として、金属対象表面の摩擦抵抗を現状以上に低減することを可能としたものが提供されている。この金属摺動面表面処理装置によると、金属対象物の摺動面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成し、これにより当該摺動面の摩擦抵抗を低減させる構成となっているので、その性質上、加工サイズの均一性が大きく制御性も高いことから、金属対象物の摺動面の摩擦抵抗を現状以上に低減することが可能になる。また、どのような大きさ、形状、材質の金属対象物であってもその摺動面の摩擦抵抗を低減させることが可能であることから、摺動面を有する機械部品の性能を向上させる上で大きなメリットがある。(例えば、特許文献5を参照。)。   As a technique closer to the object of the present invention, there is provided a technique capable of reducing the frictional resistance on the surface of a metal object more than the current state. According to this metal sliding surface treatment apparatus, the sliding surface of a metal object is irradiated with a femtosecond laser to form a fine periodic structure, thereby reducing the frictional resistance of the sliding surface. Therefore, due to its nature, the processing size is uniform and the controllability is high, so that it is possible to reduce the frictional resistance of the sliding surface of the metal object more than the current level. In addition, since it is possible to reduce the frictional resistance of the sliding surface of any size, shape and material, it is possible to improve the performance of mechanical parts having the sliding surface. There is a big merit. (For example, see Patent Document 5).

特開2003−211400号公報JP 2003-211400 A 特開2003−334683号公報JP 2003-334683 A 特開2003−57422号公報JP 2003-57422 A 特開平6−320270号公報JP-A-6-320270 特開2004−360011号公報JP 2004-360011 A

上記各公知例において、フェムト秒レーザによる周期構造体(例えば微細周期性溝)の加工方法は、一次元の平面板の表面にフェムト秒レーザを照射して上記微細周期性溝を生成させる技術内容であるから、三次元形状をしているシリンダ内壁面やベアリングの内輪・外輪の摺動面に対する上記微細周期性溝を生成させることはできない。また、他の公知例(特開平6−320270)は、鉄筋の継手溶接を多層溶接により自動溶接する方法であって、各層毎の溶接アークのスタート位置およびエンド位置がラップすることがないように制御するものであり、溶接ヘッドを旋回駆動機構により円柱状ワークの周り、即ち、外周を旋回移動させるものであるから、本願発明のように比較的細い筒径からなる筒内周面に微細周期性溝を加工する省スペースを要求される加工ヘッドには、直ちに適用できないという問題点がある。   In each of the above known examples, a processing method of a periodic structure (for example, a fine periodic groove) using a femtosecond laser is a technical content in which the surface of a one-dimensional flat plate is irradiated with a femtosecond laser to generate the fine periodic groove. Therefore, it is not possible to generate the above-described fine periodic groove on the inner wall surface of the cylinder having a three-dimensional shape and the sliding surfaces of the inner and outer rings of the bearing. Another known example (Japanese Patent Laid-Open No. 6-320270) is a method of automatically welding joints of reinforcing bars by multilayer welding so that the start position and end position of the welding arc for each layer do not wrap. Since the welding head is pivoted around the cylindrical workpiece, that is, around the outer periphery by the turning drive mechanism, the microscopic period is formed on the inner peripheral surface of the cylinder having a relatively thin diameter as in the present invention. There is a problem in that it cannot be applied immediately to a machining head that requires space saving for machining a grooving groove.

そして、上記フェムト秒レーザ発振器の出力が高くなれば加工点での集光スポット径を大きくすることができ、ナノ単位の微細周期性溝を一度に広範囲に加工できる。しかし、上記微細周期性溝に替えて、ディンプル加工など一点を集中的に加工しようとすれば、通常の加工方法では機械軸や光学系がその都度加工したい位置に集光点が届くように移動する必要がある。この方法では、加工時間が長くなって加工を短縮させることが困難になる。更に、金属摺動面表面処理装置では、平面状の金属板の表面に微細周期構造を成形させるに止まっている。これがために、円筒内周面となるシリンダ内周面やベアリングの内周面のような三次元曲面に周期構造体を成形させることが出来ない。   If the output of the femtosecond laser oscillator is increased, the diameter of the focused spot at the processing point can be increased, and the nano-scale fine periodic groove can be processed over a wide range at a time. However, instead of the above micro periodic grooves, if one point such as dimple processing is intensively processed, the normal processing method will move the converging point to the position where the mechanical axis or optical system is to be processed each time. There is a need to. In this method, it becomes difficult to shorten the machining due to a long machining time. Furthermore, in the metal sliding surface treatment apparatus, only a fine periodic structure is formed on the surface of a planar metal plate. For this reason, the periodic structure cannot be formed into a three-dimensional curved surface such as a cylinder inner peripheral surface serving as a cylinder inner peripheral surface or a bearing inner peripheral surface.

本発明の課題は、上記従来のフェムト秒レーザにより周期構造体を加工する加工方法やその装置、更には金属摺動面表面処理装置が持つ問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、特に、三次元曲面を持つ円筒ワークの内周面に特化して周期構造体(ナノ単位の微細周期性溝やディンプル)の規則性形状(溝の同一方向性)を狂わせることなく高精度・高効率に整列加工できるようにした加工方法とその装置を提供するものである。より具体的には、円筒内周面となるシリンダ内周面やベアリングの内周面のような三次元曲面に微細な周期構造体を加工する方法と装置を提供するものである。更に付け加えるならば、本発明が目指す大目的は、各種産業機械類が持つ摺動摩擦抵抗の低減を図ることでエネルギーロスの低減による省エネ効果や耐寿命効果に寄与する部品加工の技術開発を促進させることで、地球温暖化防止対策に大きく貢献するものである。   The problem of the present invention was made in view of the problems of the processing method and apparatus for processing a periodic structure with the above-described conventional femtosecond laser, and further, the metal sliding surface treatment apparatus. Specially for the inner peripheral surface of a cylindrical workpiece with a three-dimensional curved surface, high accuracy and high accuracy without disturbing the regular shape (same direction of grooves) of periodic structures (nano-unit fine periodic grooves and dimples) It is an object of the present invention to provide a processing method and apparatus capable of efficient alignment processing. More specifically, the present invention provides a method and apparatus for processing a fine periodic structure into a three-dimensional curved surface such as a cylinder inner peripheral surface serving as a cylinder inner peripheral surface or a bearing inner peripheral surface. In addition, the major objective of the present invention is to promote the technological development of parts processing that contributes to the energy-saving effect and life-span-proof effect by reducing the energy loss by reducing the sliding friction resistance of various industrial machines. This will greatly contribute to measures to prevent global warming.

本発明の請求項1の円筒内周面の周期構造体加工方法は、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザを回転可能に設けられた第一回転筒体内に導き、上記第一回転筒体内に配置されたλ/2板により直線偏光の偏光方向を変化させるとともに、上記第一回転筒体に対して軸芯を合わせて回転可能に設けられた第二回転筒体内に配置された集光レンズと反射ミラーとによりフェムト秒レーザを集光しつつ外径方向に進ませ、上記反射ミラーの外周囲にチャック手段で把持された円筒ワークの内周面を対面させて上記フェムト秒レーザを照射させ、上記反射ミラーを備えた上記第二回転筒体の回転1回転に対して上記λ/2板を備えた上記第一回転筒体を1/2の回転させ、上記円筒ワークの内周面に周期性溝を同一方向に整列加工することを特徴とするものである。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a periodic structure processing method for an inner circumferential surface of a cylinder, wherein a linearly polarized femtosecond laser emitted from a femtosecond laser oscillator is guided into a rotatable first rotating cylinder. The polarization direction of linearly polarized light is changed by a λ / 2 plate arranged in one rotating cylinder, and arranged in a second rotating cylinder provided so as to be rotatable with the axis aligned with the first rotating cylinder. The femtosecond laser is condensed by the condensing lens and the reflecting mirror, and is advanced in the outer diameter direction, and the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece gripped by the chuck means is opposed to the outer periphery of the reflecting mirror so as to face the femtosecond laser. The second workpiece is irradiated with a second laser, the first rotary cylinder having the λ / 2 plate is rotated by 1/2 with respect to one rotation of the second rotary cylinder having the reflection mirror, and the cylindrical workpiece is rotated. Periodic grooves on the inner peripheral surface of the same direction Alignment processing is performed.

請求項2の円筒内周面の周期構造体加工方法は、請求項1記載の円筒内周面の周期構造体加工方法において、上記円筒ワークが把持されたチャック手段をZ軸駆動手段により円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記フェムト秒レーザを上記円筒ワークの内周面に所定幅だけ照射させることを特徴とするものである。   A periodic structure machining method for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 2 is the periodic structure machining method for a cylindrical inner circumferential surface according to claim 1, wherein the chuck means holding the cylindrical workpiece is moved by a Z-axis drive means to the cylindrical workpiece. The femtosecond laser is irradiated to the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece by a predetermined width by continuously or intermittently moving in the axial direction.

請求項3の円筒内周面の周期構造体加工方法は、請求項1または2記載の円筒内周面の周期構造体加工方法において、上記反射ミラーに向かうフェムト秒レーザを第二回転筒体内であって集光レンズの前側に配置されたディンプル加工用ホモジナイザーまたは混合加工用ホモジナイザーに入射させることにより、上記円筒ワークの内周面にディンプルまたは混合の周期構造体を形成することを特徴とするものである。   The periodic structure processing method for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 3 is the periodic structure processing method for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 1 or 2, wherein a femtosecond laser directed toward the reflecting mirror is disposed in the second rotating cylinder. A dimple or mixed periodic structure is formed on the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece by being incident on a dimple processing homogenizer or a mixing processing homogenizer disposed on the front side of the condenser lens. It is.

請求項4の円筒内周面の周期構造体加工装置は、フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/2板と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光させる集光レンズと、上記第二回転筒体の先端側に配置されフェムト秒レーザを外径方向に屈折させる反射ミラーと、上記第二回転筒体の回転1回転に対して上記第一回転筒体を1/2の回転させる回転駆動手段と、円筒ワークを所定位置に把持するチャック手段と、を具備したことを特徴とするものである。   The periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 4 includes a femtosecond laser oscillator, a rotatable first rotating cylinder for introducing a linearly polarized femtosecond laser from the femtosecond laser oscillator, and the first rotating cylinder. A λ / 2 plate that is arranged in one rotating cylinder and changes the polarization direction of the femtosecond laser, a second rotating cylinder that is arranged with a rotation axis aligned with the first rotating cylinder, and the second rotation A condensing lens that is arranged in the cylinder and collects the femtosecond laser; a reflection mirror that is arranged on the tip side of the second rotating cylinder and refracts the femtosecond laser in an outer diameter direction; and the second rotating cylinder Rotation drive means for rotating the first rotary cylinder by half with respect to one rotation and chuck means for gripping the cylindrical workpiece at a predetermined position.

請求項5の円筒内周面の周期構造体加工装置は、請求項4記載の円筒内周面の周期構造体加工装置において、上記チャック手段に把持された円筒ワークをその軸芯方向に進退させるZ軸駆動手段を具備したことを特徴とするものである。   The periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 5 is the periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 4, wherein the cylindrical workpiece held by the chuck means is advanced and retracted in the axial direction. A Z-axis driving means is provided.

請求項6の円筒内周面の周期構造体加工装置は、請求項4または5記載の円筒内周面の周期構造体加工装置において、上記第二回転筒体内であって集光レンズの前側にディンプル加工用ホモジナイザーまたは混合加工用ホモジナイザーを配置したことを特徴とするものである。   The periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 6 is the periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 4 or 5, wherein the periodic structure processing apparatus is disposed in the second rotating cylinder and on the front side of the condenser lens. A dimple processing homogenizer or a mixing processing homogenizer is arranged.

請求項7の円筒内周面の周期構造体加工方法は、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザを筒体内に導き、上記筒体内の集光レンズと反射ミラーとによりフェムト秒レーザを集光しつつ外径方向に進ませ、上記反射ミラーの外周囲にチャック手段により把持された円筒ワークの内周面を対面させて上記フェムト秒レーザを照射させ、上記円筒ワークを回転駆動させてこの内周面に周期性溝を同一方向に整列加工することを特徴とするものである。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a periodic structure processing method for a cylindrical inner peripheral surface, wherein a linearly polarized femtosecond laser emitted from a femtosecond laser oscillator is guided into a cylinder, and a femtosecond is formed by a condensing lens and a reflection mirror in the cylinder. While concentrating the laser, it advances in the outer diameter direction, the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece gripped by the chuck means faces the outer periphery of the reflecting mirror, and the femtosecond laser is irradiated to rotate the cylindrical workpiece. Thus, the periodic grooves are aligned in the same direction on the inner peripheral surface.

請求項8の円筒内周面の周期構造体加工方法は、請求項7記載の円筒内周面の周期構造体加工方法において、上記円筒ワークが把持されたチャック手段をZ軸駆動手段により円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記フェムト秒レーザを上記円筒ワークの内周面に所定幅だけ照射させることを特徴とするものである。   The periodic structure processing method for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 8 is the periodic structure processing method for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 7, wherein the chuck means holding the cylindrical workpiece is moved by a Z-axis drive means to the cylindrical workpiece. The femtosecond laser is irradiated to the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece by a predetermined width by continuously or intermittently moving in the axial direction.

請求項9の円筒内周面の周期構造体加工方法は、請求項7または8記載の円筒内周面の周期構造体加工方法において、上記反射ミラーに向かうフェムト秒レーザを筒体内であって集光レンズの前側に配置されたディンプル加工用ホモジナイザーまたは混合加工用ホモジナイザーに入射させることにより、上記円筒ワークの内周面にディンプルまたは混合の周期構造体を形成することを特徴とするものである。   The periodic structure processing method for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 9 is the periodic structure processing method for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 7 or 8, wherein the femtosecond laser directed toward the reflection mirror is collected in the cylindrical body. A dimple or mixed periodic structure is formed on the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece by being incident on a dimple processing homogenizer or a mixing processing homogenizer disposed on the front side of the optical lens.

請求項10の円筒内周面の周期構造体加工装置は、フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを導入する筒体と、上記筒体内に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを集光させる集光レンズと、上記筒の先端側に配置されフェムト秒レーザを外径方向に屈折させる反射ミラーと、上記円筒ワークを所定位置に把持するチャック手段と、上記チャック手段を回転駆動させるワーク回転駆動部と、を具備したことを特徴とするものである。   The apparatus for processing a periodic structure on the inner peripheral surface of a cylinder according to claim 10 includes a femtosecond laser oscillator, a cylinder for introducing a linearly polarized femtosecond laser from the femtosecond laser oscillator, and a linearly polarized light disposed in the cylinder. A condensing lens that condenses the femtosecond laser, a reflecting mirror that is disposed on the tip side of the cylinder and refracts the femtosecond laser in an outer diameter direction, chuck means for gripping the cylindrical workpiece at a predetermined position, and the chuck And a work rotation driving unit for rotating the means.

請求項11の円筒内周面の周期構造体加工装置は、請求項10記載の円筒内周面の周期構造体加工装置において、上記チャック手段に把持された円筒ワークをその軸芯方向に進退させるZ軸駆動手段を具備したことを特徴とするものである。   The periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 11 is the periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 10, wherein the cylindrical workpiece held by the chuck means is advanced and retracted in the axial direction. A Z-axis driving means is provided.

請求項12の円筒内周面の周期構造体加工装置は、請求項10または11記載の円筒内周面の周期構造体加工装置において、上記筒体内であって集光レンズの前側にディンプル加工用ホモジナイザーまたは混合加工用ホモジナイザーを配置したことを特徴とするものである。   The periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 12 is the periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 10 or 11, wherein the periodic structure processing apparatus is for dimple processing in the cylinder and on the front side of the condenser lens. A homogenizer or a homogenizer for mixing is arranged.

本発明の円筒内周面の周期構造体加工方法とその装置は上記構成要件からなり、以下のように作用する。
第1に、請求項1〜5において、円筒内周面の三次元曲面にナノ単位の周期構造体を加工する方法と装置は、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザは、上記レーザ加工ヘッドに導かれ、これに設けた第一回転筒体内のλ/2板で上記フェムト秒レーザが直角方向に直線偏光され、更に、上記第一回転筒体に回転可能とした第二回転筒体内に設けた集光レンズと反射ミラーとによりフェムト秒レーザを集光しつつ外径方向に進むフェムト秒レーザとなる。これで、上記フェムト秒レーザは、上記反射ミラーの外周囲にチャック手段(この実施形態では回転させない)で把持された円筒ワークの内周面に向けて照射される。ここで、上記第一回転筒体を上記第二回転筒体の1/2の回転量で両筒体を回転駆動手段により回転駆動させると、微細周期性溝(例えば、溝幅=数百nm)が同一方向に整列加工される。更に、上記加工において、円筒ワークを把持するチャック手段をZ軸駆動手段により第二回転筒体の軸芯方向へフェムト秒レーザの出力と同期させて移動させると、上記フェムト秒レーザが円筒ワークの内周面に所定幅だけ照射されるとともに、この円筒内周面には、微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ整列加工される。その加工も簡単な加工装置で実行される。
The method and apparatus for processing a periodic structure of a cylindrical inner peripheral surface according to the present invention comprises the above-described constituent elements and operates as follows.
First, in claims 1 to 5, a method and apparatus for processing a nano-unit periodic structure on a three-dimensional curved surface of a cylindrical inner peripheral surface is a linearly polarized femtosecond laser emitted from a femtosecond laser oscillator. The femtosecond laser is linearly polarized in a perpendicular direction by a λ / 2 plate in the first rotating cylinder provided on the laser processing head, and is further rotated by the first rotating cylinder. It becomes a femtosecond laser that advances in the outer diameter direction while condensing the femtosecond laser by the condensing lens and the reflection mirror provided in the rotating cylinder. Thus, the femtosecond laser is emitted toward the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece held by the chuck means (not rotated in this embodiment) around the outer periphery of the reflection mirror. Here, when the first rotating cylinder is rotationally driven by the rotation driving means with a half rotation amount of the second rotating cylinder, a fine periodic groove (for example, groove width = several hundred nm). ) Are aligned in the same direction. Further, in the above processing, when the chuck means for gripping the cylindrical workpiece is moved in the axial direction of the second rotating cylinder in synchronization with the output of the femtosecond laser by the Z-axis driving means, the femtosecond laser is moved to the cylindrical workpiece. The inner peripheral surface is irradiated with a predetermined width, and fine periodic grooves are aligned on the inner peripheral surface of the cylinder by a predetermined width in the same direction. The processing is also performed with a simple processing device.

第2に、請求項3と6において、上記第1の円筒ワークの周期構造体加工方法とその装置は、第二回転筒体内の反射ミラーよりも光源側にディンプル加工用ホモジナイザーまたは混合加工用ホモジナイザーを介在させることで、フェムト秒レーザの直線偏光を複数のスポット状またはスポットと均一なエネルギー分布との混合集光とすることができるから、ディンプル(例えば、ディンプルの穴径=数十μm)またはディンプルと微細周期性溝とが混合した周期構造体が任意寸法の加工幅に多数加工される。また、その加工も簡単な加工装置で実行される。   2ndly, in Claims 3 and 6, the periodic structure processing method and apparatus for the first cylindrical workpiece are the dimple processing homogenizer or the mixing processing homogenizer closer to the light source than the reflecting mirror in the second rotating cylinder. Since the linearly polarized light of the femtosecond laser can be made into a plurality of spots or a mixture of spots and a uniform energy distribution, dimples (for example, dimple hole diameter = several tens of μm) or A large number of periodic structures in which dimples and fine periodic grooves are mixed are processed to have a processing width of an arbitrary dimension. Moreover, the process is performed with a simple processing apparatus.

第3に、請求項7〜11において、円筒内周面の周期構造体加工方法とその装置は、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザは、レーザ加工ヘッドへ導かれ、レーザ加工ヘッドの筒体を固定しこの筒内に備えた集光レンズで集光されつつ先端部の反射ミラーで外径方向に進むフェムト秒レーザとなる。そして、上記フェムト秒レーザは、上記反射ミラーの外周囲にチャック手段で把持された円筒ワークの内周面に向けて照射される。ここで、上記反射ミラーを停止させた状態で、上記円筒ワークをワーク回転駆動部により回転駆動させると上記反射ミラーから円筒ワークの内周面に照射される直線偏光の向きが変化せず、円筒ワークの内周面に微細周期性溝(例えば、溝幅=数百nm)が同一方向に整列加工される。更に、上記加工において、円筒ワークを把持するチャック手段をZ軸駆動手段により筒体の軸芯方向へフェムト秒レーザの出力と同期させて移動させると、上記フェムト秒レーザが円筒ワークの内周面に所定幅だけ照射され、この円筒内周面には、微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ整列加工される。その加工もレーザ加工ヘッドの筒体を固定したままの簡単な加工装置で実行される。   Thirdly, in the method for manufacturing a periodic structure on the inner peripheral surface of the cylinder and the apparatus therefor, the linearly polarized femtosecond laser emitted from the femtosecond laser oscillator is guided to the laser processing head, It becomes a femtosecond laser which is fixed to the cylindrical body of the processing head and is condensed by a condenser lens provided in the cylinder and proceeds in the outer diameter direction by a reflection mirror at the tip. The femtosecond laser is emitted toward the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece held by the chuck means on the outer periphery of the reflecting mirror. Here, when the cylindrical workpiece is rotated by the workpiece rotation driving unit with the reflection mirror stopped, the direction of the linearly polarized light irradiated on the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece from the reflection mirror does not change, and the cylinder workpiece Fine periodic grooves (for example, groove width = several hundred nm) are aligned in the same direction on the inner peripheral surface of the workpiece. Further, in the above processing, when the chuck means for gripping the cylindrical workpiece is moved in the axial direction of the cylindrical body by the Z-axis driving means in synchronization with the output of the femtosecond laser, the femtosecond laser is moved to the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece. The fine periodic grooves are aligned and processed in the same direction by a predetermined width on the inner peripheral surface of the cylinder. The processing is also executed by a simple processing apparatus with the cylindrical body of the laser processing head fixed.

第4に、請求項9と12において、上記第3の円筒ワークの周期構造体加工方法とその装置は、筒体内の反射ミラーよりも光源側にディンプル加工用ホジナイザーまたは混合加工用ホモジナイザーを介在させることで、フェムト秒レーザの直線偏光を複数のスポット状またはスポットと均一なエネルギー分布との混合集光とすることができるから、ディンプル(例えば、ディンプルの穴径=数十μm)またはディンプルと微細周期性溝とが混合した周期構造体が任意寸法の加工幅に多数加工される。また、その加工もレーザ加工ヘッドの筒体を固定したままの簡単な加工装置で実行される。   Fourthly, in the ninth and twelfth aspects of the present invention, the third method for processing a periodic structure of a cylindrical workpiece and its apparatus are provided with a dimple processing homogenizer or a mixing processing homogenizer closer to the light source than the reflecting mirror in the cylinder. Therefore, since the linearly polarized light of the femtosecond laser can be a plurality of spots or a mixture of spots and uniform energy distribution, dimples (for example, dimple hole diameter = several tens of μm) or dimples and fine A large number of periodic structures in which periodic grooves are mixed are machined to a machining width of an arbitrary dimension. The processing is also performed by a simple processing apparatus with the cylindrical body of the laser processing head fixed.

しかして、上記請求項1〜6項記載の円筒内周面の周期構造体加工方法とその装置によれば、ワーク側を固定し反射ミラー側を回転させる周期構造体加工方法とその装置としたから、三次元形状となる円筒ワークの内周面に対して、周期構造体となる微細周期性溝またはディンプルを単一的または複合的に効率良く加工できる。その加工幅も自由にできる。
また、上記請求項7〜12項記載の円筒内周面の周期構造体加工方法とその装置によれば、反射ミラー側を固定しワーク側を回転させる周期構造体加工方法とその装置になるから、周期構造体加工方法とその装置は、その構造と運転が簡単になるとともに、円筒ワークの内周面に対して、微細周期性溝またはディンプルを単一的または複合的に効率良く加工できる。その加工幅も自由にできる。
Thus, according to the periodic structure processing method and apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claims 1 to 6, the periodic structure processing method and apparatus for fixing the workpiece side and rotating the reflection mirror side are provided. Therefore, the fine periodic grooves or dimples that become the periodic structure can be efficiently processed in a single or complex manner on the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece having a three-dimensional shape. The processing width can be freely set.
Further, according to the periodic structure processing method and apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claims 7 to 12, the periodic structure processing method and apparatus for fixing the reflecting mirror side and rotating the workpiece side are provided. The periodic structure processing method and the apparatus thereof can simplify the structure and operation, and can efficiently process the fine periodic grooves or dimples on the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece in a single or combined manner. The processing width can be freely set.

これにより、上記円筒ワークに微細周期性溝またはディンプル及びこれらの混合溝を施したシリンダ内周面とピストンリングとの接触面には、多数の凹溝に潤滑油が溜まってエンジンにおけるピストンとシリンダ間の摩擦抵抗を極限まで減らすことが可能になり、自動車の燃費改善が最大限に図られる。勿論、シリンダ以外の各種機器・部品、例えばベアリングの内周面に対する加工も行なえ、その転がり抵抗が低減できる。   As a result, lubricating oil accumulates in a number of concave grooves on the contact surface between the cylinder inner peripheral surface and the piston ring in which the cylindrical workpiece is provided with fine periodic grooves or dimples and mixed grooves thereof, and the piston and cylinder in the engine It is possible to reduce the frictional resistance between them to the utmost limit, and to improve the fuel efficiency of the automobile to the maximum. Of course, various devices / parts other than the cylinder, for example, the inner peripheral surface of the bearing can be processed, and the rolling resistance can be reduced.

以下、本発明による円筒ワークの円筒内周面を加工する周期構造加工方法とその装置について、図示の第1の実施の形態により説明する。図1は円筒内周面の周期構造体加工装置の全体構成図、図2は反射ミラー部の概要断面図、図3と図4はレーザ加工ヘッドの断面図と要部拡大図、図5は光学偏光素子となるλ/2板の拡大写真図、図6はλ/2板と反射ミラーとの作用図、図7は微細周期性溝を加工するレーザ加工ヘッドの構成図、図8はディンプルを加工するレーザ加工ヘッドの構成図、図9はホモジナイザーの構成図、図10は進退駆動手段による移動方法と加工軌跡の説明図、図11は微細周期性溝の拡大写真図、図12はディンプルの拡大写真図である。   Hereinafter, a periodic structure machining method and apparatus for machining a cylindrical inner peripheral surface of a cylindrical workpiece according to the present invention will be described with reference to the illustrated first embodiment. 1 is an overall configuration diagram of a periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a reflecting mirror, FIGS. 3 and 4 are a cross-sectional view and an enlarged view of a main part of a laser processing head, FIG. 6 is an operation view of the λ / 2 plate and the reflection mirror, FIG. 7 is a configuration diagram of a laser processing head for processing a fine periodic groove, and FIG. 8 is a dimple. FIG. 9 is a configuration diagram of a homogenizer, FIG. 10 is an explanatory diagram of a moving method and a processing locus by advancing / retreating drive means, FIG. 11 is an enlarged photograph of a fine periodic groove, and FIG. 12 is a dimple. FIG.

図1〜図3により、本発明の第1の実施の形態(位相板を備えた形態)となる円筒内周面の周期構造体加工装置100の概要を説明する。その構成は、直線偏光のフェムト秒レーザLOを発振するフェムト秒レーザ発振器10と、加工装置の中枢部となるレーザ加工ヘッド20と、円筒ワークWをチャック手段7で着脱自在に把持するとともに三次元方向(X軸,Y軸,Z軸の三方向)に移動させるワーク制御テーブル3と、からなる。まず、上記フェムト秒レーザ発振器10とレーザ加工ヘッド20とは、防振台1の基盤2上に水平姿勢の横向きに搭載されている。上記フェムト秒レーザ発振器10は、公知なものであるから詳細構成を省略して概要説明すれば、発振源となるレーザ発振部10Aとこの発振を調整するファイバーレーザ発振器10Bとパルスストレッチャー10CとTi:sapphire再生増幅器10Dとパルスコンプレッサー10Eとレーザパワー減衰器10Fと励起用パルスグリーンレーザ10Gと電源制御部10Hと筐体温度安定化用冷却装置10Iとにより構成されている。上記レーザ加工ヘッド20は、その入力側にフェムト秒レーザLOを受け入れ任意に出力遮断(出力制御)する電磁式のシャッターSTを装備したレーザ出力部20Aが繋がれている。また、上記レーザ加工ヘッド20の出力側には、外筒49Aと内筒49Bとを備え、円筒ワークW(例えば、エンジンにおけるシリンダ内周面、ベアリング外輪の内周面等)を外側から被せている。   The outline of the periodic structure processing apparatus 100 on the inner circumferential surface of the cylinder, which is the first embodiment of the present invention (embodiment including a phase plate), will be described with reference to FIGS. The configuration includes a femtosecond laser oscillator 10 that oscillates a linearly polarized femtosecond laser LO, a laser processing head 20 that is a central part of a processing apparatus, and a cylindrical workpiece W that is detachably gripped by a chuck means 7 and three-dimensionally. And a work control table 3 that moves in directions (three directions of X axis, Y axis, and Z axis). First, the femtosecond laser oscillator 10 and the laser processing head 20 are mounted horizontally on the base 2 of the vibration isolator 1 in a horizontal posture. Since the femtosecond laser oscillator 10 is a well-known one, a detailed description thereof will be omitted and a brief description will be given. A laser oscillation unit 10A serving as an oscillation source, a fiber laser oscillator 10B for adjusting the oscillation, a pulse stretcher 10C, and a Ti : A sapphire regenerative amplifier 10D, a pulse compressor 10E, a laser power attenuator 10F, an excitation pulse green laser 10G, a power supply controller 10H, and a casing temperature stabilization cooling device 10I. The laser processing head 20 is connected to a laser output unit 20A equipped with an electromagnetic shutter ST that receives a femtosecond laser LO and arbitrarily cuts off output (output control) on the input side. Further, an outer cylinder 49A and an inner cylinder 49B are provided on the output side of the laser processing head 20, and a cylindrical workpiece W (for example, an inner peripheral surface of a cylinder in an engine, an inner peripheral surface of a bearing outer ring, etc.) is covered from the outside. Yes.

上記円筒ワークWは、上記レーザ加工ヘッド20に対して別設したワーク制御テーブル3のチャック手段7に把持されている。上記ワーク制御テーブル3は、円筒ワークWをX軸方向(図示の前後方向)に移動させるX軸駆動手段30と、これに搭載されて円筒ワークWをZ軸方向(図示の左右方向)に移動させるZ軸駆動手段9と、このZ軸駆動手段9上のコラム9Aに搭載されてY軸方向(図示の上下方向)に移動させるY軸駆動手段5と、この前壁面に配置したワーク回転駆動部5Aと、この前部に配置した把持具7とからなる。しかして、上記円筒ワークWは、上記レーザ出力部20Aの軸芯(回転中心)O1に対してその軸芯(回転中心)O2を一致させるべく、Y軸駆動手段5と、これを左右X軸の方向に移動させるX軸駆動手段30との合成された微動送りで位置合わせが行われる。また、上記レーザ出力部20Aに対する円筒ワークWの挿入深さ位置ZAは、上記X軸駆動手段30に搭載されたZ軸駆動手段9を前後方向となる−Z軸方向(図示の左側方向)又は+Z軸方向(図示の右側方向)へ微動させて行う。更に、上記円筒ワークWを、上記レーザ加工ヘッド20の先端における内筒49Bの外周でフェムト秒レーザLOの照射を受けながら回転ROさせるには、Y軸駆動手段5上のワーク回転駆動部5A内に備える回転制御モータMMによりチャック手段7を回転駆動させて行われる。上記上下のY軸と左右のX軸と前後のZ軸の各駆動は、ガイドレール部材G1, G2, G3とY軸送りのモータM1及びZ軸送りのモータM2,X軸送りのモータM3により行われる。   The cylindrical workpiece W is held by the chuck means 7 of the workpiece control table 3 provided separately from the laser processing head 20. The work control table 3 includes an X-axis driving unit 30 that moves the cylindrical work W in the X-axis direction (the front-rear direction in the figure), and the cylindrical work W mounted on the X-axis driving means 30 in the Z-axis direction (the left-right direction in the figure). Z-axis drive means 9 to be moved, Y-axis drive means 5 mounted on a column 9A on the Z-axis drive means 9 and moved in the Y-axis direction (vertical direction in the figure), and workpiece rotation drive arranged on the front wall surface It consists of a part 5A and a gripping tool 7 arranged at the front part. Thus, the cylindrical workpiece W has the Y axis driving means 5 and the left and right X axes so that the axis (rotation center) O2 of the laser output unit 20A coincides with the axis (rotation center) O2. Position alignment is performed by a combined fine movement feed with the X-axis drive means 30 that moves in the direction of. The insertion depth position ZA of the cylindrical workpiece W with respect to the laser output unit 20A is the -Z-axis direction (left side direction in the drawing) or the Z-axis drive means 9 mounted on the X-axis drive means 30 in the front-rear direction. It is performed by slightly moving in the + Z-axis direction (right side in the figure). Further, in order to rotate the cylindrical workpiece W while receiving the femtosecond laser LO on the outer periphery of the inner cylinder 49B at the tip of the laser processing head 20, the inside of the workpiece rotation driving unit 5A on the Y-axis driving means 5 is set. The chuck means 7 is rotationally driven by a rotation control motor MM provided in the above. The driving of the upper and lower Y axes, the left and right X axes, and the front and rear Z axes is performed by guide rail members G1, G2, and G3, a Y axis feed motor M1, a Z axis feed motor M2, and an X axis feed motor M3. Done.

また、上記円筒内周面の周期構造体加工装置100には、上記各モータM1,M2,M3,MMやシャッターST及び後記する回転駆動手段SDの駆動モータMO等を駆動制御する制御手段200を備えている。この制御手段200の概要構成と機能につてい説明する。まず、周期構造体加工装置100の全体を総括的にコンピュータ管理するとともに装置全体の運転制御を支配する中央制御部CPUと、この中央制御部CPUからの指令で各モータMO,M1, M2,M3,MMやSTの駆動制御をプログラム及び運転させるPC制御機能を備えたNC制御部NCと、NC制御部NCからの指令を受けて各モータMO,M1, M2,M3,MMやSTを駆動する駆動部DDとからなる。これらの機能を備えた上記制御手段200の制御のもとに、各ユニット3,5,9,10,20,30, M1, M2,M3,MMやSTの駆動部DDを作動させる。これで、上記光学偏光素子となるλ/2板Pが設けられた第一回転筒体41を、反射ミラーMが設けられた第二回転筒体49に対して1/2の回転量で回転駆動させる回転駆動手段SD(詳細は後記する)が駆動モータMOで駆動される。これで、フェムト秒レーザLOの直線偏光の偏光方向の向きを変えることなく内周体Wの内周面W1に照射して周期性溝KMが同一方向に整列加工される。更に、上記内周体Wは、これをチャック手段7で把持するY軸駆動手段5を乗せたZ軸駆動手段9により第二回転筒体49の軸芯方向O1に円筒ワークWをこの軸芯方向O2へ移動させることで、上記フェムト秒レーザLOを円筒ワークWの内周面に所定幅だけ照射させ、微細周期性溝が所定幅だけ整列加工される。更には、Y軸駆動手段5や第一回転筒体41及び第二回転筒体49とを、一定の関係のもとに回転させることも可能であるし、Z軸駆動手段9の進退制御と絡めての三次元形状の内筒体の内周面に倣う制御運転が可能である。   Further, the periodic structure processing apparatus 100 on the inner peripheral surface of the cylinder includes control means 200 for driving and controlling the motors M1, M2, M3, MM, the shutter ST, a drive motor MO of the rotation drive means SD described later, and the like. I have. The general configuration and function of the control means 200 will be described. First, the entire periodic structure processing apparatus 100 is comprehensively managed by a computer and the central control unit CPU controls the operation control of the entire apparatus, and the motors MO, M1, M2, M3 are controlled by commands from the central control unit CPU. , NC control unit NC equipped with PC control function to program and operate drive control of MM and ST, and drive each motor MO, M1, M2, M3, MM and ST in response to a command from NC control unit NC It comprises a drive unit DD. Under the control of the control means 200 having these functions, each unit 3, 5, 9, 10, 20, 30, M1, M2, M3, MM and ST drive section DD are operated. Thus, the first rotating cylinder 41 provided with the λ / 2 plate P serving as the optical polarization element is rotated by a half rotation amount with respect to the second rotating cylinder 49 provided with the reflecting mirror M. Rotation driving means SD (details will be described later) to be driven are driven by a drive motor MO. Thus, the periodic grooves KM are aligned and processed in the same direction by irradiating the inner peripheral surface W1 of the inner peripheral body W without changing the direction of the polarization direction of the linearly polarized light of the femtosecond laser LO. Further, the inner peripheral body W is moved by the Z-axis driving means 9 on which the Y-axis driving means 5 for gripping the inner peripheral body W by the chuck means 7 in the axial direction O1 of the second rotating cylindrical body 49. By moving in the direction O2, the femtosecond laser LO is applied to the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece W by a predetermined width, and the fine periodic grooves are aligned by a predetermined width. Furthermore, it is possible to rotate the Y-axis driving means 5, the first rotating cylinder 41, and the second rotating cylinder 49 based on a certain relationship, and the Z-axis driving means 9 can be moved forward and backward. Control operation that follows the inner peripheral surface of the entangled three-dimensional inner cylinder is possible.

続いて、上記レーザ加工ヘッド20について、図3と図4でその中枢部となる第一回転筒体41を第二回転筒体49の1/2の回転量で両筒体を回転駆動させる回転駆動手段SDと、両筒体内に設けた光学系を説明する。先ず、上記防振台1の基盤2上には、上記レーザ加工ヘッド20を水平姿勢に支持する支持体40がその回転軸芯O1を水平方向にして、座板40AをボルトBにより固着されている。上記支持体40内の後端側(図示の右端)には、短身で回転自在な第一回転筒体41が軸受手段を介して支持されており、この第一回転筒体41のレーザ光源側が軸受手段を介した連絡筒42によりレーザ出力部20Aに繋がれている。上記連絡筒42には、光学系となる平凹レンズR1を備え、上記第一回転筒体41の筒内先端には、平凸レンズR2・光学偏光素子となるλ/2板Pが取り付けられている。更に、上記支持体40内の先端側(図示の左端)には、第二回転筒体49が軸受手段を介して支持されており、第一回転筒体41と第二回転筒体49とは、回転駆動手段SDにより回転される。即ち、第一回転筒体41の外周にプーリー43を備え、これが駆動モータMOの回転軸47に取り付けたプーリー44(プーリー43の1/4の歯数)と確動ベルトKB1で繋がれている。尚、上記駆動モータMOは、支持体40から突設したフランジ46に保持され、回転軸47が上記支持体40に取り付けた軸受体48に回転自在に支持されている。上記支持体40内の先端側(外周体W側)には、短身で回転自在な第二回転筒体49が軸受手段を介して支持されている。上記第二回転筒体49の外周にプーリー50を備え、これが駆動モータMOの回転軸47に取り付けたプーリー51(プーリー50の1/2の歯数)と確動ベルトKB2で繋がれている。これにより、第二回転筒体49は第一回転筒体41の1/2の回転量で両筒体が回転駆動される。上記第二回転筒体49の筒内の後端側には、光学系のアイリスA2・三連スライド式のホモジナイザーH(エネルギー効率を改善する周期性溝用ホモジナイザーH1とディンプル加工用ホモジナイザーH2と両者の混合加工用ホモジナイザーH3の三種類に切替え選択される)・平凸レンズR3が順次に配置されている。また、上記第二回転筒体49の先端部には、外筒49Aとこの軸芯O1方向にスライドする内筒49Bとが連設され、この内筒49Bの先端には、反射ミラーMがフェムト秒レーザLOを外径方向へ屈折するようにダイアル取付具Dにより角度調節可能に配置されている。しかして、上記反射ミラーMは、外周体Wの外周面に向けた外径方向にフェムト秒レーザLOを直線偏光として照射される。尚、外筒49Aに対してスライドする内筒49Bは、反射ミラーMに対するフェムト秒レーザLOの焦点距離を調節させる機能を持たせている。   Subsequently, with respect to the laser processing head 20, the first rotating cylinder 41 which is the central part in FIGS. 3 and 4 is rotated so that both the cylinders are rotationally driven by a half rotation amount of the second rotating cylinder 49. The drive means SD and the optical system provided in both cylinders will be described. First, a support 40 for supporting the laser processing head 20 in a horizontal posture is fixed on the base 2 of the vibration isolator 1 with the rotation axis O1 in a horizontal direction and a seat plate 40A fixed by bolts B. Yes. On the rear end side (the right end in the figure) in the support body 40, a short, rotatable first rotating cylinder 41 is supported via bearing means, and a laser light source of the first rotating cylinder 41 is provided. The side is connected to the laser output unit 20A by a connecting cylinder 42 through bearing means. The connecting cylinder 42 includes a plano-concave lens R1 serving as an optical system, and a plano-convex lens R2 and a λ / 2 plate P serving as an optical polarization element are attached to the in-cylinder tip of the first rotating cylinder 41. . Further, a second rotating cylinder 49 is supported on the front end side (the left end in the figure) in the support body 40 via bearing means, and the first rotating cylinder 41 and the second rotating cylinder 49 are Rotated by the rotation driving means SD. That is, the pulley 43 is provided on the outer periphery of the first rotating cylinder 41, and this is connected by the pulley 44 (1/4 number of teeth of the pulley 43) attached to the rotating shaft 47 of the driving motor MO and the positive belt KB1. . The drive motor MO is held by a flange 46 projecting from the support body 40, and a rotary shaft 47 is rotatably supported by a bearing body 48 attached to the support body 40. On the front end side (outer peripheral body W side) in the support body 40, a short and rotatable second rotary cylinder 49 is supported via bearing means. A pulley 50 is provided on the outer periphery of the second rotating cylinder 49, and this is connected by a pulley 51 (1/2 number of teeth of the pulley 50) attached to the rotating shaft 47 of the drive motor MO and a positive belt KB2. As a result, the second rotating cylinder 49 is rotationally driven by a half amount of rotation of the first rotating cylinder 41. On the rear end side of the second rotating cylinder 49 in the cylinder, there are an iris I2 optical system and a triple slide type homogenizer H (a periodic groove homogenizer H1 and a dimple homogenizer H2 for improving energy efficiency). The plano-convex lens R3 is sequentially arranged. In addition, an outer cylinder 49A and an inner cylinder 49B that slides in the direction of the axis O1 are connected to the tip of the second rotating cylinder 49, and a reflection mirror M is attached to the tip of the inner cylinder 49B. It is arranged so that the angle can be adjusted by the dial fitting D so that the second laser LO is refracted in the outer diameter direction. Thus, the reflection mirror M is irradiated with the femtosecond laser LO as linearly polarized light in the outer diameter direction toward the outer peripheral surface of the outer peripheral body W. The inner cylinder 49B that slides with respect to the outer cylinder 49A has a function of adjusting the focal length of the femtosecond laser LO with respect to the reflection mirror M.

上記レーザ加工ヘッド20において、光学系の全体構成の概要を説明する。まず、上記円筒ワークWの内周面W1に微細周期性溝KMを加工する場合は、図3と図6と図7に示すように、フェムト秒レーザ発振器10のレーザ出力部20Aからのフェムト秒レーザLOは、アイリスA1・シャッターST・平凹レンズR1を介して進み、更に、レーザ加工ヘッド20の第一回転筒体41内の平凸レンズR2とλ/2板PとアイリスA2を介して進み、更に、第二回転筒体49内の周期性溝用ホモジナイザーH1から平凸レンズ(集光レンズ)R3を介して先端の反射ミラーMに至る。上記周期性溝用ホモジナイザーにする理由は、上記フェムト秒レーザ光LOのエネルギー波形は、図9(b )に示す山形の二次曲線のもので両裾のエネルギーが利用されない。そこで、図9(c )に示すように、その特性を改善する周期性溝用ホモジナイザーH1によりエネルギー分布を矩形に整形し、エネルギー効率を限り無く100%にすることが可能だからである。従って、エネルギー効率を問題にしなければ、上記周期性溝用ホモジナイザーH1は省略することも可能である。続いて、反射ミラーMで外径方向に曲げられたフェムト秒レーザLOは、円筒ワークWの内周面W1に直線偏光の形(直径2mm前後)で照射される。即ち、フェムト秒レーザ光LOによる微細周期性溝KMの溝方向と加工面積は、フェムト秒レーザの偏光方向とフル−エンス(レーザ出力のエネルギー)に依存されるから、これらを制御しなければならない。従って、本発明の周期構造体加工装置100のように、三次元形状の円筒ワークWの内周面W1を加工するに際して、フル−エンス(レーザ出力のエネルギー)が一定した状態では、フェムト秒レーザ光LOの直線偏光の方向を反射ミラーMの回転に伴って制御しなければならない。具体的には、上記第一回転筒体41の光学経路上に入れた上記λ/2板Pを、第二回転筒体49内の反射ミラーMとの回転位置の調節により、フェムト秒レーザLOの直線偏光の方向が制御される。即ち、図6に示すように、反射ミラーMの1回転(θh )に対して、λ/2板Pを半回転θp
させることで円筒ワークWの内周面に一様な方向(図示では、円筒ワークWの軸芯方向にほぼ向けて整列させた方向)に微細周期性溝KMが加工される。(図6と図7を参照)
An outline of the overall configuration of the optical system in the laser processing head 20 will be described. First, when machining the fine periodic groove KM on the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W, as shown in FIGS. 3, 6, and 7, the femtosecond from the laser output unit 20A of the femtosecond laser oscillator 10 is used. The laser LO travels through the iris A1, the shutter ST, and the plano-concave lens R1, and further travels through the plano-convex lens R2, the λ / 2 plate P, and the iris A2 in the first rotating cylinder 41 of the laser processing head 20, Furthermore, the periodic groove homogenizer H1 in the second rotating cylinder 49 reaches the reflecting mirror M at the tip through a plano-convex lens (condensing lens) R3. The reason why the periodic groove homogenizer is used is that the energy waveform of the femtosecond laser beam LO is that of a mountain-shaped quadratic curve shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 9 (c), the energy distribution can be shaped into a rectangle by the periodic groove homogenizer H1 that improves the characteristics, and the energy efficiency can be made 100% as much as possible. Therefore, the periodic groove homogenizer H1 can be omitted if energy efficiency is not a problem. Subsequently, the femtosecond laser LO bent in the outer diameter direction by the reflecting mirror M is applied to the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W in the form of linearly polarized light (about 2 mm in diameter). That is, since the groove direction and the processing area of the fine periodic groove KM by the femtosecond laser light LO depend on the polarization direction and fluence (laser output energy) of the femtosecond laser, these must be controlled. . Therefore, when processing the inner peripheral surface W1 of the three-dimensional cylindrical workpiece W as in the periodic structure processing apparatus 100 of the present invention, the femtosecond laser is in a state where the fluence (laser output energy) is constant. The direction of the linear polarization of the light LO must be controlled as the reflecting mirror M rotates. More specifically, the λ / 2 plate P placed on the optical path of the first rotating cylinder 41 is adjusted by adjusting the rotational position of the λ / 2 plate P with the reflecting mirror M in the second rotating cylinder 49 to thereby adjust the femtosecond laser LO. The direction of the linearly polarized light is controlled. That is, as shown in FIG. 6, the λ / 2 plate P is rotated by half rotation θp with respect to one rotation (θh) of the reflection mirror M.
By doing so, the fine periodic groove KM is processed in a uniform direction (in the drawing, a direction substantially aligned with the axial direction of the cylindrical workpiece W) on the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece W. (See Figures 6 and 7)

上記λ/2板Pの追記説明をすれば、上記フェムト秒レーザLOは、光束に直交する方向の偏光成分(S成分とP成分)を持っている。この偏光成分に位相差(1/4 波長と1/2波長分に変化)を与えるものが位相板である。位相差π/2(90°)を与えるものをλ/4板と言い、直線偏光を円偏光に、逆に円偏光を直線偏光に変換する。また、位相差π(180 °)を与えるものをλ/2板と言い、直線偏光の偏光方向のみを90°方向の向きに変える。本発明では、λ/2板Pが使用される。このλ/2板Pは、例えば、図5の拡大写真に示すように、平面ガラス板Gの一部分に屈折率、厚さの等方性の透明薄膜G1を付けたもの、または透明薄膜の付いた部分と付かない部分とを透過する光の間に位相差ができるようにしたものである。従って、上記直線偏光のフェムト秒レーザLOが、λ/2板Pと反射ミラーMを通過して円筒ワークWの内周面W1に照射される直線偏光との関係を図6で説明する。フェムト秒レーザ光LOの偏光方向に対して、λ/2板Pを回転させることでこのλ/2板Pを通過するフェムト秒レーザ光LOの偏光方向をその回転角量だけ変えられる。従って、反射ミラーMを回転させて、円筒ワークWの内周面W1を加工するには、図6に示すように、反射ミラーMの2回転(θh )に対して、λ/2板Pを1回転(θp )させることで内周面に一様な方向に整列された微細周期性溝KMが加工される。   If the λ / 2 plate P is additionally described, the femtosecond laser LO has a polarization component (S component and P component) in a direction orthogonal to the light beam. A phase plate is what gives a phase difference (changes to 1/4 wavelength and 1/2 wavelength) to this polarization component. A plate giving a phase difference of π / 2 (90 °) is called a λ / 4 plate, which converts linearly polarized light into circularly polarized light and conversely converts circularly polarized light into linearly polarized light. Also, a plate giving a phase difference π (180 °) is called a λ / 2 plate, and only the polarization direction of linearly polarized light is changed to the 90 ° direction. In the present invention, a λ / 2 plate P is used. For example, as shown in the enlarged photograph of FIG. 5, the λ / 2 plate P is obtained by attaching a transparent thin film G1 having an isotropic refractive index and thickness to a part of a flat glass plate G, or attaching a transparent thin film. In this configuration, a phase difference is created between the light transmitted through the non-attached part and the non-attached part. Therefore, the relationship between the linearly polarized femtosecond laser LO passing through the λ / 2 plate P and the reflecting mirror M and irradiating the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W will be described with reference to FIG. By rotating the λ / 2 plate P with respect to the polarization direction of the femtosecond laser light LO, the polarization direction of the femtosecond laser light LO passing through the λ / 2 plate P can be changed by the rotation angle amount. Therefore, in order to process the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W by rotating the reflection mirror M, as shown in FIG. 6, the λ / 2 plate P is moved with respect to two rotations (θh) of the reflection mirror M. By making one rotation (θp), the fine periodic grooves KM aligned in the uniform direction on the inner peripheral surface are processed.

次に、上記円筒ワークWの内周面W1にディンプルDPを加工する場合は、図3と図6と図8に示すように、フェムト秒レーザ発振器10のレーザ出力部20Aからのフェムト秒レーザ光LOは、アイリスA1・シャッターST・平凹レンズR1を介して進み、更にレーザ加工ヘッド20の第一回転筒体41内の平凸レンズR2とλ/2板P、アイリスA2・ディンプル加工用ホモジナイザーH2を介して進み、更に第二回転筒体49内の平凸レンズ(集光レンズ)R3を介して先端の反射ミラーMに至る。この後、反射ミラーMで外径方向に曲げられたフェムト秒レーザ光LOは、円筒ワークWの内周面W1に照射される。即ち、フェムト秒レーザLOによるディンプルDPは、円筒ワークWの内周面を加工するに際して、光学経路上の第二回転筒体49内にディンプル加工用ホモジナイザーH2を入れたフェムト秒レーザLOにより、ディンプルDPが加工される。上記ディンプル加工用ホモジナイザーH2は、図9(a)に示すように、一種のホログラムであり、集光部のエネルギー分布を制御する。即ち、ディンプル加工用ホモジナイザーH2は、その表面に微細な凹凸があり、この凹凸を通過するフェムト秒レーザLOの光が回折し、多数のエネルギー分布(エネルギー密度の高い複数のスポットS1〜S6)を生じさせる。このエネルギー分布により、図8に示すようなディンプルDPが加工される。尚、微細周期性溝KMとディンプルDPとを混合加工する混合加工用ホモジナイザーH3に切替えれば、図9(d)に示すように、均一なエネルギー分布SOとエネルギー密度の高い複数のスポットS1〜S6とが存在し、微細周期性溝KMとディンプルDPとが混在した複合加工が行われる。   Next, when processing the dimple DP on the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W, as shown in FIGS. 3, 6, and 8, the femtosecond laser beam from the laser output unit 20A of the femtosecond laser oscillator 10 is used. The LO travels through the iris A1, the shutter ST, and the plano-concave lens R1, and further includes a plano-convex lens R2 and a λ / 2 plate P in the first rotating cylinder 41 of the laser processing head 20, an iris A2 and a homogenizer H2 for dimple processing. Through the plano-convex lens (condensing lens) R3 in the second rotary cylinder 49 and reaches the reflection mirror M at the tip. Thereafter, the femtosecond laser light LO bent in the outer diameter direction by the reflecting mirror M is irradiated onto the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W. That is, the dimple DP by the femtosecond laser LO is dimpled by the femtosecond laser LO in which the dimple processing homogenizer H2 is placed in the second rotating cylinder 49 on the optical path when the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece W is processed. DP is processed. The dimple processing homogenizer H2 is a kind of hologram, as shown in FIG. 9A, and controls the energy distribution of the condensing part. That is, the dimple processing homogenizer H2 has fine irregularities on its surface, the light of the femtosecond laser LO passing through the irregularities is diffracted, and a large number of energy distributions (a plurality of spots S1 to S6 having a high energy density) are obtained. Cause it to occur. With this energy distribution, a dimple DP as shown in FIG. 8 is processed. Incidentally, if the homogenizer H3 for mixing and processing for mixing the fine periodic groove KM and the dimple DP is switched, as shown in FIG. 9D, a plurality of spots S1 to S1 having a uniform energy distribution SO and high energy density are obtained. S6 is present, and composite processing in which the fine periodic groove KM and the dimple DP are mixed is performed.

しかして、再度、レーザ加工ヘッド20の構成を簡潔に説明すれば、図7(a)に示すように、円筒ワークWの内周面に一様な方向に微細周期性溝KMを整列加工するには、図7(b)に示すレーザ加工ヘッド20の光学系の構成とする。また、図8(a)に示すディンプルDPを一様な方向に整列加工するときは、図8(b)に示すレーザ加工ヘッド20の光学系の構成とする。尚、上記ディンプルDPの加工において、ディンプル加工用ホモジナイザーH2無しで実施するには、フェムト秒レーザLOのエネルギー分布を一点に集中させた焦点で、1つづつのディンプルDPの加工を幾回も繰り返さなければならない。従って、加工能率が極めて悪いので実用的な価値が無いと言える。   If the configuration of the laser processing head 20 is briefly described again, the fine periodic grooves KM are aligned and processed in a uniform direction on the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece W as shown in FIG. The configuration of the optical system of the laser processing head 20 shown in FIG. When the dimples DP shown in FIG. 8A are aligned in a uniform direction, the optical system of the laser processing head 20 shown in FIG. 8B is used. In order to carry out the above dimple DP processing without the dimple processing homogenizer H2, the processing of each dimple DP must be repeated several times at a focal point where the energy distribution of the femtosecond laser LO is concentrated at one point. I must. Therefore, it can be said that there is no practical value because the processing efficiency is extremely poor.

本発明の円筒内周面の周期構造体加工方法とその装置は、上記構成要件からなり、以下のように作用する。先ず、上記円筒ワークWに対する周期構造体加工方法は、図7に示すレーザ加工ヘッド20において、λ/2板Pと周期性溝用ホモジナイザーH1と反射ミラーMとの作用を受けて円筒ワークWの内周面W1に向けてフェムト秒レーザLOを照射して微細周期性溝KMが加工される。即ち、図2〜図4・図7に示すように、レーザ加工ヘッド20は、このレーザ出力部20Aに入力したフェムト秒レーザLOを、シャッターSTによる開閉制御で第一回転筒体41のλ/2板Pに入射される。続いて、周期性溝用ホモジナイザーH1でエネルギー分布が改善された制御可能な直線偏光となる。更に、上記フェムト秒レーザLOは、第二回転筒体49の反射ミラーMにより回転軸線O1の方向から外径方向の外周に向けて進み、円筒ワークWの内周面W1に向けて照射される。このとき、上記第一回転筒体41と第二回転筒体49とが回転駆動手段SDにより回転され、この回転にレーザ出力が上記シャッターSTによる開閉制御で同期される。即ち、図6の作用説明図に示すように、上記λ/2板Pを備えた第一回転筒体41が回転されるに際して、上記第一回転筒体41を反射ミラーが備えた第二回転筒体49の1/2の回転量で回転させることで、上記フェムト秒レーザLOを円筒ワークの内周面の全周に照射されてナノ周期構造の微細周期性溝KMが同一方向に整列加工される。加工終了とともに、シャッターSTが閉じられてフェムト秒レーザLOを遮断する。その加工結果は、図7に示すものとなる。即ち、フェムト秒レーザLOは、長手方向Lが長い楕円形状(2mm前後のビーム幅L)をなし、これを円筒ワークWの内周面W1に向けて照射するとともに、上記λ/2板Pを上記反射ミラーの1/2の回転量で回転させることで、連続した周期性の微細周期性溝(2mm前後の加工幅L)KMが同一方向に整列加工される。   The method and apparatus for processing a periodic structure of a cylindrical inner peripheral surface according to the present invention are composed of the above-described components and operate as follows. First, the periodic structure machining method for the cylindrical workpiece W is the same as that of the cylindrical workpiece W in the laser machining head 20 shown in FIG. 7 under the action of the λ / 2 plate P, the periodic groove homogenizer H1, and the reflection mirror M. The fine periodic groove KM is processed by irradiating the femtosecond laser LO toward the inner peripheral surface W1. That is, as shown in FIG. 2 to FIG. 4 and FIG. 7, the laser processing head 20 applies the femtosecond laser LO input to the laser output unit 20A to the λ / of the first rotary cylinder 41 by opening / closing control by the shutter ST. The light enters the two plates P. Subsequently, controllable linearly polarized light with improved energy distribution is obtained by the periodic groove homogenizer H1. Further, the femtosecond laser LO advances from the direction of the rotation axis O1 toward the outer periphery in the outer diameter direction by the reflection mirror M of the second rotating cylinder 49, and is irradiated toward the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W. . At this time, the first rotating cylinder 41 and the second rotating cylinder 49 are rotated by the rotation driving means SD, and the laser output is synchronized with this rotation by the opening / closing control by the shutter ST. That is, as shown in the operation explanatory diagram of FIG. 6, when the first rotating cylinder 41 provided with the λ / 2 plate P is rotated, the second rotation including the first rotating cylinder 41 provided by a reflecting mirror is performed. The femtosecond laser LO is irradiated to the entire circumference of the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece by rotating the cylindrical body 49 by a half rotation amount, and the fine periodic grooves KM having the nano-periodic structure are aligned in the same direction. Is done. At the end of processing, the shutter ST is closed to shut off the femtosecond laser LO. The processing result is as shown in FIG. That is, the femtosecond laser LO has an elliptical shape with a long longitudinal direction L (a beam width L of about 2 mm) and irradiates this toward the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W, and the λ / 2 plate P is irradiated with the λ / 2 plate P. By rotating the reflecting mirror by a half rotation amount, the continuous periodic periodic grooves (processing width L of about 2 mm) KM are aligned and processed in the same direction.

尚、上記加工において、円筒ワークWを把持するチャック手段7をZ軸駆動手段9で第二回転筒体49の軸芯方向O1へのフェムト秒レーザの出力(シャツターSTで開閉制御)と同期させて移動させると、上記フェムト秒レーザが円筒ワークの内周面W1に所定幅だけ照射されるとともに、内周面W1には、微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ整列加工される。その加工も簡単な加工装置で実行される。即ち、上記作用において、円筒ワークWをこの軸芯方向O2への微細周期性溝KMの加工幅は、該円筒ワークWをワーク回転駆動部5A内の回転制御モータMMによるチャック手段の回転状態でZ軸駆動手段9を+Z軸方向(第二回転筒体49側)へ前進させて行なわれる。しかして、円筒ワークWの内周面W1には、図10に示すように、Z軸駆動手段9の2通りの移動方法とその加工軌跡による加工が行なわれる。即ち、図10(a)は、第二回転筒体49の1回転毎に、Z軸駆動手段9を所定量毎の1ピック送りを繰り返した間欠移動により、内周面W1に対して周期構造体を所定幅に加工される。また、図10(b)は、第二回転筒体49の1回転毎に、Z軸駆動手段9を所定量の1ピック送りをネジ棒送りのように連続移動されスパイラル状に加工される。これにより、内周面W1に対して周期構造体を所定幅に加工される。しかして、任意寸法の加工幅にナノ周期構造の微細周期性溝KMが加工される。尚、上記微細周期性溝(2mm前後の加工幅L)KMの加工幅Lは、フェムト秒レーザ光LOの出力に比例的に広くなる。図11に微細周期性溝KMを加工した顕微鏡写真を示している。   In the above processing, the chuck means 7 for gripping the cylindrical workpiece W is synchronized with the output of the femtosecond laser in the axial direction O1 of the second rotating cylinder 49 (open / close control by the shirter ST) by the Z-axis drive means 9. The femtosecond laser is applied to the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece by a predetermined width, and fine periodic grooves are aligned and processed in the same direction by a predetermined width on the inner peripheral surface W1. The processing is also performed with a simple processing device. That is, in the above operation, the processing width of the fine periodic groove KM in the axial direction O2 of the cylindrical workpiece W is set so that the cylindrical workpiece W is rotated by the chuck means by the rotation control motor MM in the workpiece rotation drive unit 5A. This is performed by advancing the Z-axis driving means 9 in the + Z-axis direction (second rotating cylinder 49 side). Accordingly, as shown in FIG. 10, the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W is processed by two movement methods of the Z-axis driving means 9 and the processing locus thereof. That is, FIG. 10A shows a periodic structure with respect to the inner peripheral surface W1 by intermittent movement in which the Z-axis driving means 9 is repeatedly moved by one pick per predetermined amount every rotation of the second rotating cylinder 49. The body is processed to a predetermined width. Further, in FIG. 10B, every time the second rotating cylinder 49 rotates, the Z-axis driving unit 9 is continuously moved like a screw rod feed by a predetermined amount of one pick feed and processed into a spiral shape. Thereby, a periodic structure is processed into predetermined width with respect to inner peripheral surface W1. Thus, the fine periodic groove KM having a nano-periodic structure is machined into a machining width having an arbitrary dimension. Note that the processing width L of the fine periodic groove (processing width L of about 2 mm) KM is increased in proportion to the output of the femtosecond laser light LO. FIG. 11 shows a photomicrograph obtained by processing the fine periodic groove KM.

続いて、上記円筒内周面の周期構造体加工方法とその装置100は、図2・図3・図8に示すように、λ/2板Pと反射ミラーMとの間にディンプル加工用ホモジナイザーH2を配置した実施例とすることができる。この実施例においては、フェムト秒レーザ光LOのエネルギー断面は、図8に示すように、エネルギー密度の高いスポットS1〜S6が数点見られる。これにより、上記微細周期性溝KM以外のディンプルDPが円筒ワークWの内周面W1に効率良く加工される。上記円筒ワークWの軸芯O2方向へのディンプルDPの加工幅は、該円筒ワークWをワーク回転駆動部5Aの回転状態でZ軸駆動手段9を+Z軸方向へ前進させて行なわれる。しかして、円筒ワークWの内周面W1には、任意寸法の加工幅にディンプルDPが並べられて加工される。即ち、図10(a)と図10(b)に示すように、Z軸駆動手段9の二つの移動方法と加工軌跡方法によって行われる。図12にディンプルDPを加工した顕微鏡写真を示している。   Subsequently, the periodic structure processing method and apparatus 100 for the inner peripheral surface of the cylinder includes a dimple processing homogenizer between the λ / 2 plate P and the reflection mirror M as shown in FIGS. It can be set as the Example which has arrange | positioned H2. In this embodiment, as shown in FIG. 8, several spots S1 to S6 with high energy density are seen in the energy cross section of the femtosecond laser light LO. Thereby, the dimple DP other than the fine periodic groove KM is efficiently processed into the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W. The machining width of the dimple DP in the direction of the axis O2 of the cylindrical workpiece W is performed by advancing the Z-axis driving means 9 in the + Z-axis direction while the cylindrical workpiece W is rotated by the workpiece rotation driving unit 5A. Thus, the dimples DP are arranged on the inner circumferential surface W1 of the cylindrical workpiece W so as to have a machining width of an arbitrary dimension. That is, as shown in FIGS. 10A and 10B, the Z-axis drive means 9 is moved by two moving methods and a machining locus method. FIG. 12 shows a micrograph obtained by processing the dimple DP.

従って、上記円筒ワークWが、例えば、シリンダブロックであれば、シリンダの内周面に微細周期性溝KM(2mm前後の加工幅L、一本の溝幅は数百nm)やディンプルDPが別個に加工される。更には、両者の混合加工用ホモジナイザーH3に切替えれば、図9(d)に示すように、均一なエネルギー分布SOとエネルギー密度の高い複数のスポットS1〜S6と存在し、微細周期性溝KMとディンプルDPとが混在した形態に複合的に加工される。上記微細周期性溝KMやディンプルDPを、円筒ワークWの一つの具体的な形態であるシリンダに加工すれば、ピストンリングとの接触面積の低減及び多数の凹溝に潤滑油が溜まってエンジンにおけるピストンとシリンダ間の摩擦抵抗を極限まで減らすことが可能になり、自動車の燃費改善が最大限に図られる。   Therefore, if the cylindrical workpiece W is, for example, a cylinder block, a fine periodic groove KM (processing width L of about 2 mm, one groove width is several hundred nm) and dimple DP are separately provided on the inner peripheral surface of the cylinder. To be processed. Further, if the both are switched to the homogenizer H3 for mixed processing, as shown in FIG. 9 (d), a uniform energy distribution SO and a plurality of spots S1 to S6 with high energy density exist, and the fine periodic groove KM. And the dimple DP are mixedly processed. If the fine periodic groove KM and the dimple DP are processed into a cylinder which is one specific form of the cylindrical workpiece W, the contact area with the piston ring is reduced and a large number of concave grooves accumulate lubricating oil in the engine. It becomes possible to reduce the frictional resistance between the piston and the cylinder to the utmost, and the fuel efficiency of the automobile is improved to the maximum.

以上、本発明の第1の実施の形態となる円筒内周面の周期構造体加工方法とその装置によれば、下記のような効果が発揮される。即ち、三次元形状の円筒ワークWの内周面に対して、円筒ワーク側を固定し反射ミラー側を回転させる周期構造体加工方法とその装置としたから、円筒ワークの内周面に対して、周期構造体となる微細周期性溝またはディンプルを単一的または複合的に効率良く加工できる。その加工幅も円筒ワークWをZ軸方向へ移動させれば、円筒ワークWの内周面W1には、任意寸法の加工幅に微細周期性溝KMまたはディンプルDPまたはこれらの混合溝が効率良く加工できる。   As described above, according to the periodic structure processing method and apparatus for the cylindrical inner peripheral surface according to the first embodiment of the present invention, the following effects are exhibited. That is, since the periodic structure processing method and apparatus for fixing the cylindrical workpiece side and rotating the reflecting mirror side with respect to the inner circumferential surface of the three-dimensional cylindrical workpiece W are used, The fine periodic grooves or dimples that become the periodic structure can be efficiently processed in a single or complex manner. If the cylindrical workpiece W is also moved in the Z-axis direction, a fine periodic groove KM, dimple DP, or a mixed groove thereof can be efficiently formed on the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W to have an arbitrary dimension of processing width. Can be processed.

しかして、上記円筒ワークWが例えば、シリンダブロックであれば、多数の溝に潤滑油が溜まってエンジンにおけるピストン往復運動の全ストローク区間において、ピストンとシリンダ間の摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。また、ベアリングの回転摩擦抵抗を極限まで減らすことができる。   If the cylindrical workpiece W is, for example, a cylinder block, lubricating oil is accumulated in a large number of grooves, and the frictional resistance between the piston and the cylinder is efficiently reduced to the maximum in the entire stroke section of the piston reciprocating motion in the engine. Can do. Further, the rotational frictional resistance of the bearing can be reduced to the limit.

続いて、図13〜図16により、本発明の第2の実施の形態となる外周体の周期構造体加工方法とその装置100´を説明する。この周期構造体加工方法と装置100´は、筒体49と反射ミラーM側を固定し、上記λ/2板Pを省略し、上記チャック手段7で円筒ワークWを回転させて加工するものである。その全体構成は、フェムト秒レーザ発振器10と、上記フェムト秒レーザ発振器10から発射される直線偏光のフェムト秒レーザLOを導入するレーザ加工ヘッド20を備える。上記レーザ加工ヘッド20は、これに導入されたフェムト秒レーザをホモジナイザーH(H1,H2,H3の一つ)を介して集光レンズR3で集光させ先端部の反射ミラーMで外径方向に進ませる筒体49を備え、上記反射ミラーで外径方向に向けたフェムト秒レーザを上記反射ミラーの外周囲に配置した円筒ワークWの内周面W1に向けて照射させる機能を有する。更に、上記レーザ加工ヘッド20における上記反射ミラーの外周囲に円筒ワークWをチャック手段7で把持しこの位置制御を行うワーク制御テーブル3を備える。上記ワーク制御テーブル3は、上記第1の実施の形態と同一であるが、再度説明をする。即ち、上記ワーク制御テーブル3は、円筒ワークWをX軸方向(図示の前後方向)に移動させるX軸駆動手段30と、これに搭載されて円筒ワークWをZ軸方向(図示の左右方向)に移動させるZ軸駆動手段9と、このZ軸駆動手段9上のコラム9Aに搭載されてY軸方向(図示の上下方向)に移動させるY軸駆動手段5と、この前壁面に配置したワーク回転駆動部5Aと、この前部に配置したチャック手段7とからなる。しかして、上記円筒ワークWは、上記レーザ出力部20Aの軸芯(回転中心)O1に対してその軸芯(回転中心)O2を一致させるべく、Y軸駆動手段5と、これを左右X軸の方向に移動させるX軸駆動手段30との合成された微動送りで位置合わせが行われる。また、上記レーザ出力部20Aに対する円筒ワークWの挿入深さ位置ZAは、上記X軸駆動手段30に搭載されたZ軸駆動手段9を前後方向となる−Z軸方向(図示の左側方向)又は+Z軸方向(図示の右側方向)へ微動させて行う。即ち、上記円筒ワークをチャック手段7とワーク回転駆動部5Aごと、この軸芯方向O2に移動させて上記フェムト秒レーザを円筒ワークの内周面に所定幅だけ照射させるZ軸駆動手段9とからなる。更に、上記円筒ワークWを、上記レーザ加工ヘッド20の先端における内筒49Bの外周でフェムト秒レーザLOの照射を受けながら回転ROさせるには、Y軸駆動手段5に搭載したワーク回転駆動部5A内の回転制御モータMMによりチャック手段を回転駆動させて行われる。上記上下のY軸と左右のX軸と前後のZ軸の各駆動は、ガイドレール部材G1, G2, G3とY軸送りのモータM1及びZ軸送りのモータM2,X軸送りのモータM3により行われる。上記ワーク制御テーブル3やその他のユニット10,20等は、上記制御手段200により制御される。尚、その他の部材の詳細構成は、上記第1の実施の形態の周期構造体加工装置100と、同一符号を付して説明を省略する。   Subsequently, a method of processing a periodic structure of an outer peripheral body and an apparatus 100 ′ thereof according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this periodic structure processing method and apparatus 100 ', the cylindrical body 49 and the reflection mirror M side are fixed, the λ / 2 plate P is omitted, and the cylindrical work W is rotated by the chuck means 7 for processing. is there. The overall configuration includes a femtosecond laser oscillator 10 and a laser processing head 20 for introducing a linearly polarized femtosecond laser LO emitted from the femtosecond laser oscillator 10. The laser processing head 20 condenses the femtosecond laser introduced therein by a condenser lens R3 via a homogenizer H (one of H1, H2, and H3), and in the outer diameter direction by a reflecting mirror M at the tip. A cylindrical body 49 is provided, and has a function of irradiating a femtosecond laser directed in the outer diameter direction toward the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W disposed on the outer periphery of the reflection mirror by the reflection mirror. Furthermore, a workpiece control table 3 is provided around the outer periphery of the reflection mirror in the laser processing head 20 to hold the cylindrical workpiece W by the chuck means 7 and control this position. The work control table 3 is the same as that of the first embodiment, but will be described again. That is, the work control table 3 includes an X-axis drive means 30 for moving the cylindrical work W in the X-axis direction (the front-rear direction in the figure), and the cylindrical work W mounted on the X-axis driving means 30 in the Z-axis direction (the left-right direction in the figure). Z-axis driving means 9 to be moved in the direction, Y-axis driving means 5 mounted on the column 9A on the Z-axis driving means 9 to be moved in the Y-axis direction (vertical direction in the figure), and a work placed on the front wall surface The rotary drive unit 5A and the chuck means 7 arranged at the front part are included. Thus, the cylindrical workpiece W has the Y axis driving means 5 and the left and right X axes so that the axis (rotation center) O2 of the laser output unit 20A coincides with the axis (rotation center) O2. Position alignment is performed by a combined fine movement feed with the X-axis drive means 30 that moves in the direction of. The insertion depth position ZA of the cylindrical workpiece W with respect to the laser output unit 20A is the -Z-axis direction (left side direction in the drawing) or the Z-axis drive means 9 mounted on the X-axis drive means 30 in the front-rear direction. It is performed by slightly moving in the + Z-axis direction (right side in the figure). That is, from the Z-axis driving means 9 for moving the cylindrical work together with the chuck means 7 and the work rotation driving unit 5A in the axial direction O2 to irradiate the inner peripheral surface of the cylindrical work by a predetermined width. Become. Further, in order to rotate the cylindrical workpiece W while receiving the femtosecond laser LO on the outer periphery of the inner cylinder 49B at the tip of the laser processing head 20, the workpiece rotation driving unit 5A mounted on the Y-axis driving means 5 is used. The chuck means is driven to rotate by the rotation control motor MM. The driving of the upper and lower Y axes, the left and right X axes, and the front and rear Z axes is performed by guide rail members G1, G2, and G3, a Y axis feed motor M1, a Z axis feed motor M2, and an X axis feed motor M3. Done. The work control table 3 and the other units 10 and 20 are controlled by the control means 200. In addition, the detailed structure of another member attaches | subjects the same code | symbol as the periodic structure processing apparatus 100 of the said 1st Embodiment, and abbreviate | omits description.

本発明の第2の実施の形態となる円筒内周面の周期構造体加工装置100´は、上記構成からなり、以下のように円筒内周面の周期構造体加工方法が実施される。その作用は、筒体49を回転させずλ/2板を使用することなく、円筒ワークWの内周面にナノ周期構造体が加工される。具体的には、フェムト秒レーザ発振器10から発射されるフェムト秒レーザLOは、シャッターSTの開閉によりレーザ加工ヘッド20へ導かれ、この筒体49に導入されるフェムト秒レーザを周期性溝用ホモジナイザーH1を介して集光レンズR3で集光されつつ先端部の反射ミラーMで外径方向に進むフェムト秒レーザとなる。上記フェムト秒レーザは、反射ミラーの外周囲にチャック手段7で把持された円筒ワークWの内周面W1に向けて照射される。このフェムト秒レーザの出力(シャッターSTで開閉制御)と同期させて、上記ワーク回転駆動部5Aのチャック手段7に把持された円筒ワークは、このワーク回転駆動部5Aの回転制御モータMMにより回転駆動される。これにより、連続した周期性の微細周期性溝KMが円筒ワークWの内周面W1に対して同一方向に整列加工される。   The cylindrical inner peripheral surface periodic structure processing apparatus 100 ′ according to the second embodiment of the present invention has the above-described configuration, and the cylindrical inner peripheral surface periodic structure processing method is performed as follows. The action is that the nano-periodic structure is processed on the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece W without rotating the cylindrical body 49 and using a λ / 2 plate. Specifically, the femtosecond laser LO emitted from the femtosecond laser oscillator 10 is guided to the laser processing head 20 by opening and closing the shutter ST, and the femtosecond laser introduced into the cylindrical body 49 is converted into a periodic groove homogenizer. It becomes a femtosecond laser that progresses in the outer diameter direction by the reflecting mirror M at the tip while being condensed by the condenser lens R3 via H1. The femtosecond laser is irradiated toward the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W held by the chuck means 7 on the outer periphery of the reflecting mirror. In synchronism with the output of the femtosecond laser (opening / closing control by the shutter ST), the cylindrical workpiece held by the chuck means 7 of the workpiece rotation driving unit 5A is rotationally driven by the rotation control motor MM of the workpiece rotation driving unit 5A. Is done. Thus, the continuous periodic fine periodic grooves KM are aligned in the same direction with respect to the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W.

ここで、上記円筒ワークWをワーク回転駆動部5Aによるチャック手段7の回転動に同期させてZ軸駆動手段9により軸芯方向O2へ移動させると、フェムト秒レーザの出力が同期して円筒ワークWの内周面W1に所定幅だけ照射されるとともに、円筒内周面には、微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ整列加工される。この加工は、円筒ワークWの回転と軸芯方向への移動だけで実行される。上記加工終了とともに、シャッターSTが閉じられてフェムト秒レーザLOを遮断する。この結果、円筒内周面W1には、微細周期性溝KMが同一方向に所定幅だけ整列加工され、簡単な加工装置で実行される。即ち、図10(a)に示すように、円筒ワークWは、この1回転毎に、Z軸駆動手段9により所定量毎の1ピック送りを繰り返えす間欠移動により、内周面W1に対して周期構造体が所定幅に加工される。また、図10(b)のように、筒体49の1回転毎に、Z軸駆動手段9を所定量の1ピック送りをネジ送りのように連続移動すれば、スパイラル状に加工される。これにより、内周面W1に対して周期構造体が任意寸法の所定幅に加工される。図11に微細周期性溝KMを拡大した顕微鏡写真で示している。   Here, when the cylindrical work W is moved in the axial direction O2 by the Z-axis driving means 9 in synchronization with the rotation of the chuck means 7 by the work rotation driving unit 5A, the output of the femtosecond laser is synchronized with the cylindrical work W. The inner peripheral surface W1 of W is irradiated by a predetermined width, and fine periodic grooves are aligned and processed in the same direction by a predetermined width on the cylindrical inner peripheral surface. This processing is executed only by rotation of the cylindrical workpiece W and movement in the axial direction. At the end of the processing, the shutter ST is closed to shut off the femtosecond laser LO. As a result, the fine periodic grooves KM are aligned on the cylindrical inner peripheral surface W1 by a predetermined width in the same direction, and are executed by a simple processing apparatus. That is, as shown in FIG. 10 (a), the cylindrical workpiece W is moved relative to the inner peripheral surface W1 by intermittent movement in which the Z-axis driving means 9 repeats one pick feed every predetermined amount every rotation. Thus, the periodic structure is processed into a predetermined width. Further, as shown in FIG. 10 (b), if the Z-axis driving unit 9 is continuously moved like a screw feed by a predetermined amount of one pick feed for each rotation of the cylinder 49, it is processed into a spiral shape. Thereby, the periodic structure is processed into a predetermined width of an arbitrary dimension with respect to the inner peripheral surface W1. FIG. 11 shows an enlarged micrograph of the fine periodic groove KM.

また、上記周期構造体を成形させる方法と装置100´においては、筒体49内の上記周期性溝用ホモジナイザーH1を別のディンプル加工用ホモジナイザーH2に切替えれば、円筒ワークWの内周面W1には、任意寸法の加工幅にディンプルDPが加工される。図12にディンプルDPを拡大した顕微鏡写真で示している。更に、別の両者の混合加工用ホモジナイザーH3に切替えれば、円筒ワークWの内周面W1には、任意寸法の加工幅に微細周期性溝KMとディンプルDPとの混合加工が行なわれる。   Further, in the method and apparatus 100 ′ for forming the periodic structure, the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W can be obtained by switching the periodic groove homogenizer H1 in the cylindrical body 49 to another dimple processing homogenizer H2. The dimple DP is machined to a machining width of an arbitrary dimension. FIG. 12 shows an enlarged micrograph of the dimple DP. Further, when switching to another mixing homogenizer H3, the inner peripheral surface W1 of the cylindrical workpiece W is mixed with the fine periodic groove KM and the dimple DP in a processing width of an arbitrary dimension.

本発明の第2の実施の形態となる円筒内周面の周期構造体加工方法とその装置100´によれば、下記のような効果が発揮される。即ち、筒体を回転させずλ/2板を使用することなく、極めて簡単な装置と加工方法により、円筒ワークの回転とこれを軸芯方向へ移動させるだけの制御で良く、円筒ワークWの内周面W1のような三次元曲面に各種形状の周期構造体を容易に加工することができる。その他の効果は、上記第1の実施の形態となる円筒内周面の周期構造体加工方法とその装置100と同様な効果が期待できる。   According to the periodic structure processing method and the apparatus 100 ′ of the cylindrical inner peripheral surface according to the second embodiment of the present invention, the following effects are exhibited. That is, it is sufficient to control the rotation of the cylindrical workpiece and move it in the axial direction with an extremely simple apparatus and processing method without rotating the cylinder and using the λ / 2 plate. Periodic structures of various shapes can be easily processed into a three-dimensional curved surface such as the inner peripheral surface W1. The other effects can be expected to be the same as those of the periodic structure processing method for the cylindrical inner peripheral surface and the apparatus 100 according to the first embodiment.

本発明の円筒内周面の周期構造体体加工方法とその装置は、円筒内周面の加工例で説明した。その具体例は、自動車の燃費改善対策として、エンジンにおけるシリンダ内周面に対する加工を施すことで、ピストンとシリンダ間の摩擦低減がなされるもので説明した。しかし、シリンダブロックに限定されず、その他の機器やベアリングの外輪内周面の回転摩擦抵抗、円筒状の内周面の摩擦抵抗を極限まで減らすために施すことが可能である。更に、本発明の方法とその装置において、発明の要旨内での各部の設計変更や構成部材の変更・置換も自由に行え得るものである。具体的には、上記各実施の形態では、横型の周期構造体加工装置100,100´として説明したが、フェムト秒レーザ発振器10を上部に配置して下向きにレーザを発射し、この下部に配置したワークを加工する縦型の周期構造体加工装置としても良い。   The method and apparatus for processing a periodic structure on the cylindrical inner peripheral surface of the present invention has been described in the processing example of the cylindrical inner peripheral surface. In the specific example, as a measure for improving the fuel consumption of an automobile, the friction between the piston and the cylinder is reduced by processing the cylinder inner peripheral surface of the engine. However, the present invention is not limited to the cylinder block, and it can be applied to reduce the rotational frictional resistance of the outer ring inner peripheral surface of other devices and bearings and the frictional resistance of the cylindrical inner peripheral surface. Furthermore, in the method and apparatus of the present invention, the design change of each part and the change / replacement of the constituent members within the gist of the invention can be freely performed. Specifically, in each of the above embodiments, the horizontal periodic structure processing apparatuses 100 and 100 'have been described. However, the femtosecond laser oscillator 10 is disposed on the upper side, the laser is emitted downward, and the lower part is disposed on the lower part. It is also possible to use a vertical periodic structure processing apparatus for processing a workpiece.

本発明の第1の実施の形態を示し、円筒内周面の周期構造体加工装置の全体構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the whole block diagram of the periodic structure processing apparatus of the cylindrical internal peripheral surface which shows the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態を示し、反射ミラー部の概要断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a reflection mirror portion, showing a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの詳細な断面図である。1 is a detailed cross-sectional view of a laser processing head according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの駆動系の側面図である。1 is a side view of a laser machining head drive system according to a first embodiment of the present invention. FIG. 本発明の第1の実施の形態を示し、λ/2板の拡大写真図である。FIG. 2 is an enlarged photograph of a λ / 2 plate, showing the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態を示し、λ/2板の作用図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the λ / 2 plate according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態を示し、微細周期性溝を加工するレーザ加工ヘッドの構成図である。It is a block diagram of the laser processing head which shows the 1st Embodiment of this invention and processes a fine periodic groove | channel. 本発明の第1の実施の形態を示し、ディンプルを加工するレーザ加工ヘッドの構成図である。It is a block diagram of the laser processing head which shows the 1st Embodiment of this invention and processes a dimple. 本発明の第1の実施の形態を示し、ホモジナイザーの構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the block diagram of the homogenizer which shows the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態を示し、進退駆動手段の移動方法と加工軌跡の説明図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a moving method of an advance / retreat driving unit and a machining locus according to the first embodiment of this invention. 微細周期性溝の拡大写真図である。It is an enlarged photograph figure of a fine periodic groove. ディンプルの拡大写真図である。It is an enlarged photograph figure of a dimple. 本発明の第2の実施の形態を示し、円筒内周面の周期構造体加工装置の全体構成図である。It is a whole block diagram of the periodic structure processing apparatus of the cylindrical internal peripheral surface which shows the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの詳細な断面図である。FIG. 5 is a detailed cross-sectional view of a laser processing head, showing a second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態を示し、微細周期性溝を加工するレーザ加工ヘッドの構成図である。It is a block diagram of the laser processing head which shows the 2nd Embodiment of this invention and processes a fine periodic groove | channel. 本発明の第2の実施の形態を示し、ディンプルを加工するレーザ加工ヘッドの構成図である。It is a block diagram of the laser processing head which shows the 2nd Embodiment of this invention and processes a dimple.

符号の説明Explanation of symbols

1 防振台
2 基盤
3 ワーク制御テーブル
5 Y軸駆動手段
5A ワーク回転駆動部
7 チャック手段
9 Z軸駆動手段
9A コラム
10 フェムト秒レーザ発振器
10A レーザ発生部
10B ファイバーレーザ発振器
10C パルスストレッチャー
10D Ti:sapphire再生増幅器
10E パルスコンプレッサー
10F レーザパワー減衰器
10G 砺起用パルスグリーンレーザ
10H 電源制御部
10I 筐体温度安定化用冷却装置
20 レーザ加工ヘッド
20A レーザ出力部
30 X軸駆動手段
40 支持体
41 第一回転筒体
42 連絡筒
43 プーリー
44 プーリー
45 保持体
46 フランジ
47 回転軸
48 軸受体
49A 外筒
49B 内筒
49 第二回転筒体(筒体)
50 プーリー
51 プーリー
A1,A2 アイリス
CPU 中央制御部
DD 駆動部
DP ディンプル
NC NC制御部
KM 微細周期性溝
LO フェムト秒レーザ
G1, G2, G3 ガイドレール部材
KB1,KB2 確動ベルト
M1, M2, M3 モータ
MO 駆動モータ
MM 回転制御モータ
M 反射ミラー
H ホモジナイザー
H1 周期性溝用ホモジナイザー
H2 ディンプル用ホモジナイザー
H3 混合加工用ホモジナイザー
O1,O2 軸芯(回転中心)
P λ/2板
RO 回転
R1 平凹レンズ
R2,R3 平凸レンズ
SD 回転駆動手段
SO 均一なエネルギー分布
S1〜S6 スポット
ST シャッター
W 円筒ワーク
W1 内周面
θh 反射ミラーの回転
θp λ/2板の回転
ZA 挿入深さ位置
−Z、+Z Z軸方向
100 周期構造体加工装置
100´ 周期構造体加工装置
200 制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anti-vibration stand 2 Base | substrate 3 Work control table 5 Y-axis drive means 5A Work rotation drive part 7 Chuck means 9 Z-axis drive means 9A Column 10 Femtosecond laser oscillator 10A Laser generation part 10B Fiber laser oscillator 10C Pulse stretcher 10D Ti: sapphire regenerative amplifier 10E pulse compressor 10F laser power attenuator 10G wake-up pulse green laser 10H power supply control unit 10I housing temperature stabilization cooling device 20 laser processing head 20A laser output unit 30 X-axis drive means 40 support 41 first rotation Cylindrical body 42 Connecting cylinder 43 Pulley 44 Pulley 45 Holding body 46 Flange 47 Rotating shaft 48 Bearing body 49A Outer cylinder 49B Inner cylinder 49 Second rotating cylinder (cylinder)
50 Pulley 51 Pulley A1, A2 Iris CPU Central control part DD Drive part DP Dimple NC NC control part KM Fine periodic groove LO Femtosecond laser G1, G2, G3 Guide rail member KB1, KB2 Positive belt M1, M2, M3 Motor MO drive motor MM Rotation control motor M Reflection mirror H Homogenizer H1 Homogenizer for periodic grooves H2 Homogenizer for dimple H3 Homogenizers O1 and O2 for mixed processing
P λ / 2 plate RO Rotation R1 Plano-concave lens R2, R3 Plano-convex lens SD Rotation drive means SO Uniform energy distribution S1 to S6 Spot ST Shutter W Cylindrical work W1 Inner circumferential surface θh Rotation of reflection mirror θp λ / 2 Plate rotation ZA Insertion depth position -Z, + Z Z-axis direction 100 Periodic structure processing apparatus 100 'Periodic structure processing apparatus 200 Control means

Claims (12)

フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザを回転可能に設けられた第一回転筒体内に導き、上記第一回転筒体内に配置されたλ/2板により直線偏光の偏光方向を変化させるとともに、上記第一回転筒体に対して軸芯を合わせて回転可能に設けられた第二回転筒体内に配置された集光レンズと反射ミラーとによりフェムト秒レーザを集光しつつ外径方向に進ませ、上記反射ミラーの外周囲にチャック手段で把持された円筒ワークの内周面を対面させて上記フェムト秒レーザを照射させ、上記反射ミラーを備えた上記第二回転筒体の回転1回転に対して上記λ/2板を備えた上記第一回転筒体を1/2の回転させ、上記円筒ワークの内周面に周期性溝を同一方向に整列加工することを特徴とする円筒内周面の周期構造体加工方法。   A linearly polarized femtosecond laser emitted from the femtosecond laser oscillator is guided into a rotatable first rotating cylinder, and the polarization direction of the linearly polarized light is changed by a λ / 2 plate disposed in the first rotating cylinder. And the femtosecond laser is collected while being condensed by a condensing lens and a reflecting mirror disposed in a second rotating cylinder that is rotatably provided with the axis aligned with the first rotating cylinder. Advancing in the radial direction, the femtosecond laser is irradiated with the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece held by the chuck means facing the outer periphery of the reflecting mirror, and the second rotating cylinder including the reflecting mirror The first rotating cylinder having the λ / 2 plate is rotated by 1/2 with respect to one rotation, and periodic grooves are aligned in the same direction on the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece. Periodic structure on the inner circumferential surface Processing method. 上記円筒ワークが把持されたチャック手段をZ軸駆動手段により円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記フェムト秒レーザを上記円筒ワークの内周面に所定幅だけ照射させることを特徴とする請求項1記載の円筒内周面の周期構造体加工方法。   The chuck means holding the cylindrical work is continuously or intermittently moved in the axial direction of the cylindrical work by the Z-axis driving means, and the femtosecond laser is irradiated to the inner peripheral surface of the cylindrical work by a predetermined width. The method for processing a periodic structure on the inner peripheral surface of a cylinder according to claim 1. 上記反射ミラーに向かうフェムト秒レーザを第二回転筒体内であって集光レンズの前側に配置されたディンプル加工用ホモジナイザーまたは混合加工用ホモジナイザーに入射させることにより、上記円筒ワークの内周面にディンプルまたは混合の周期構造体を形成することを特徴とする請求項1または2記載の円筒内周面の周期構造体加工方法。   A dimple is introduced into the inner peripheral surface of the cylindrical workpiece by causing the femtosecond laser directed toward the reflecting mirror to enter the homogenizer for dimple processing or the homogenizer for mixing processing disposed in the second rotating cylinder and on the front side of the condenser lens. 3. A periodic structure processing method for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 1, wherein a mixed periodic structure is formed. フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/2板と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光させる集光レンズと、上記第二回転筒体の先端側に配置されフェムト秒レーザを外径方向に屈折させる反射ミラーと、上記第二回転筒体の回転1回転に対して上記第一回転筒体を1/2の回転させる回転駆動手段と、円筒ワークを所定位置に把持するチャック手段と、を具備したことを特徴とする円筒内周面の周期構造体加工装置。   A femtosecond laser oscillator, a rotatable first rotating cylinder for introducing a linearly polarized femtosecond laser from the femtosecond laser oscillator, and a polarization direction of the femtosecond laser arranged in the first rotating cylinder A λ / 2 plate, a second rotating cylinder arranged with the first rotating cylinder aligned with the rotation axis, a condenser lens arranged in the second rotating cylinder and condensing a femtosecond laser; A reflecting mirror disposed on the distal end side of the second rotating cylinder and refracting the femtosecond laser in the outer diameter direction; and the first rotating cylinder is halved with respect to one rotation of the second rotating cylinder. A periodic structure processing apparatus for an inner peripheral surface of a cylinder, comprising: a rotation driving means for rotating the cylindrical workpiece; and a chuck means for holding the cylindrical workpiece at a predetermined position. 上記チャック手段に把持された円筒ワークをその軸芯方向に進退させるZ軸駆動手段を具備したことを特徴とする請求項4記載の円筒内周面の周期構造体加工装置。   5. The periodic structure processing apparatus for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 4, further comprising Z-axis driving means for moving the cylindrical workpiece held by the chuck means back and forth in the axial direction. 上記第二回転筒体内であって集光レンズの前側にディンプル加工用ホモジナイザーまたは混合加工用ホモジナイザーを配置したことを特徴とする請求項4または5記載の円筒内周面の周期構造体加工装置。   6. The periodic structure processing apparatus for an inner peripheral surface of a cylinder according to claim 4, wherein a dimple processing homogenizer or a mixing processing homogenizer is disposed in the second rotating cylinder in front of the condenser lens. フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザを筒体内に導き、上記筒体内の集光レンズと反射ミラーとによりフェムト秒レーザを集光しつつ外径方向に進ませ、上記反射ミラーの外周囲にチャック手段により把持された円筒ワークの内周面を対面させて上記フェムト秒レーザを照射させ、上記円筒ワークを回転駆動させてこの内周面に周期性溝を同一方向に整列加工することを特徴とする円筒内周面の周期構造体加工方法。   A linearly polarized femtosecond laser emitted from the femtosecond laser oscillator is guided into the cylinder, and the femtosecond laser is advanced in the outer diameter direction while condensing the femtosecond laser by the condensing lens and the reflection mirror in the cylinder. The inner peripheral surface of the cylindrical workpiece held by the chuck means is opposed to the outer periphery of the workpiece, and the femtosecond laser is irradiated to rotate the cylindrical workpiece to align the periodic grooves in the same direction in the inner peripheral surface. A method for machining a periodic structure on an inner circumferential surface of a cylinder. 上記円筒ワークが把持されたチャック手段をZ軸駆動手段により円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記フェムト秒レーザを上記円筒ワークの内周面に所定幅だけ照射させることを特徴とする請求項7記載の円筒内周面の周期構造体加工方法。   The chuck means holding the cylindrical work is continuously or intermittently moved in the axial direction of the cylindrical work by the Z-axis driving means, and the femtosecond laser is irradiated to the inner peripheral surface of the cylindrical work by a predetermined width. The periodic structure processing method of a cylindrical inner peripheral surface according to claim 7. 上記反射ミラーに向かうフェムト秒レーザを筒体内であって集光レンズの前側に配置されたディンプル加工用ホモジナイザーまたは混合加工用ホモジナイザーに入射させることにより、上記円筒ワークの内周面にディンプルまたは混合の周期構造体を形成することを特徴とする請求項7または8記載の円筒内周面の周期構造体加工方法。   The femtosecond laser heading toward the reflecting mirror is incident on a dimple processing homogenizer or a mixing processing homogenizer disposed in the cylinder and on the front side of the condenser lens. The periodic structure processing method for a cylindrical inner peripheral surface according to claim 7 or 8, wherein the periodic structure is formed. フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを導入する筒体と、上記筒体内に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを集光させる集光レンズと、上記筒の先端側に配置されフェムト秒レーザを外径方向に屈折させる反射ミラーと、上記円筒ワークを所定位置に把持するチャック手段と、上記チャック手段を回転駆動させるワーク回転駆動部と、を具備したことを特徴とする円筒内周面の周期構造体加工装置。   A femtosecond laser oscillator, a cylindrical body that introduces a linearly polarized femtosecond laser from the femtosecond laser oscillator, a condenser lens that is disposed in the cylindrical body and collects the linearly polarized femtosecond laser, and A reflection mirror that is disposed on the distal end side and refracts the femtosecond laser in the outer diameter direction; chuck means that grips the cylindrical workpiece at a predetermined position; and a work rotation drive unit that rotationally drives the chuck means. An apparatus for processing a periodic structure on a cylindrical inner peripheral surface. 上記チャック手段に把持された円筒ワークをその軸芯方向に進退させるZ軸駆動手段を具備したことを特徴とする請求項10記載の円筒内周面の周期構造体加工装置。   The periodic structure processing apparatus for an inner peripheral surface of a cylinder according to claim 10, further comprising a Z-axis driving means for moving the cylindrical workpiece held by the chuck means back and forth in the axial direction. 上記筒体内であって集光レンズの前側にディンプル加工用ホモジナイザーまたは混合加工用ホモジナイザーを配置したことを特徴とする請求項10または11記載の円筒内周面の周期構造体加工装置。   The periodic structure processing apparatus for an inner peripheral surface of a cylinder according to claim 10 or 11, wherein a dimple processing homogenizer or a mixing processing homogenizer is disposed in the cylindrical body on the front side of the condenser lens.
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