JP6821758B1 - 周期構造作成装置および周期構造作成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】偏光方向一定した旋形状（渦巻形状）の周期構造を安定して作成することができる周期構造作成装置および周期構造作成方法を提供する。【解決手段】ワークをその軸心回りに回転させつつ、ビーム形状が楕円形状となるレーザをワークの加工面にその照射部分をオーバーラップさせながら走査させて、ワークの加工面に周期構造を作成する。【選択図】図１
Description
本発明は、周期構造作成装置および周期構造作成方法に関する。
加工閾値近傍の照射強度でレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的にグレーティング状凹凸の周期構造をワークに形成する方法が従来からある（特許文献１）。このような周期構造の方向は、偏光板を用いて任意に設定できる。そして、螺旋形状の周期構造を作成する場合もある（特許文献２）。ここで、螺旋とは、基本的に二次元平面上において、渦を巻くように旋回しながら中心点から離れる、または遠方点から該中心点に向かって中心点へ近づくような曲線を指し、三次元的な場合には、コイルばねのように螺旋状の曲線である。
周期構造を作成する場合において、ビーム形状が円形状となるレーザを用いる場合と、ビーム形状が楕円形状となるレーザを用いる場合とを比較した場合、ビーム形状が円形状では1回の照射スポットが小さく、加工工数が多くなる。
また、螺旋形状の周期構造を作成する場合において、ビーム形状が円形状となるレーザを用いると、偏光方向の一定化を図ることができにくかった。このため、偏光方向の一定化した周期構造の作成が困難であった。
本発明は、上記課題に鑑みて、偏光方向一定した螺旋形状（渦巻形状）の周期構造を安定して作成することができる周期構造作成装置および周期構造作成方法を提供する。
本発明の周期構造作成装置は、加工閾値近傍の照射強度でレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的にグレーティング状凹凸の周期構造をワークに形成する周期構造作成装置であって、ビーム形状が楕円形状となるレーザを照射するレーザ照射手段と、ワークをその軸心回りに回転させる回転駆動機構と、前記レーザ照射手段と回転駆動機構とを制御する制御手段とを備え、この制御手段の制御により、回転駆動機構を介してワークを回転させながらレーザ照射手段からビーム形状が楕円形状となるレーザをワークの加工面にその照射部分をオーバーラップさせながら走査させて、ワークの加工面に周期構造を作成するものであり、前記ビーム形状が、ワークの回転方向の径方向にそって長軸が伸びる楕円形状であって、前記周期構造を連続状に作成すること及び前記周期構造を間欠状に作成することが可能であり、前記ワークの加工面には平面の場合と円筒面の場合とがあり、前記ワークの加工面が平面であれば、この加工面に渦巻形状及び同心円形状の周期構造の作成が可能であり、前記ワークの加工面が円筒面であれば、この加工面に螺旋形状の周期構造の作成が可能であるものである。
周期構造を作る場合、照射スポットのエネルギー量と照射回数から、送り速度が決定される。このため、本発明の周期構造作成装置のように、ビーム形状が楕円形状となるレーザを照射することによって、溝本数を減らすことができる。すなわち、本周期構造作成装置では、加工数を減らし加工時間を短縮するために、ビーム形状を楕円形状としている。また、ワーク側を回転（旋回）させることによって、周期構造を放射状に形成できる。しかも、ビーム形状が楕円形状であるので、照射スポット面積が比較的大きく、レーザ発振器の能力を抑えることなくレーザを照射することができる。
前記周期構造は連続状に作成されるものであっても、間欠状に作成されるものであってもよい。また、前記ワークの加工面が平面であって、この加工面に作成される周期構造が渦巻形状であったり、この加工面に作成される周期構造が同心円形状であったりしてもよい。前記ワークの加工面が円筒面であって、この加工面に作成される周期構造が螺旋形状であってもよい。
本発明の周期構造作成方法は、加工閾値近傍の照射強度でレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的にグレーティング状凹凸の周期構造をワークに形成する周期構造作成方法であって、ビーム形状が楕円形状となるレーザを照射するレーザ照射手段と、ワークをその軸心回りに回転させる回転駆動機構とを備えた周期構造作成装置を用い、前記ビーム形状を、ワークの回転方向の径方向にそって長軸が伸びる楕円形状として、レーザ照射手段と回転駆動機構とを制御することにより、ワークをその軸心回りに回転させつつ、ビーム形状が楕円形状となるレーザをワークの加工面にその照射部分をオーバーラップさせながら走査させて、ワークの加工面に周期構造を作成するものであり、前記周期構造を連続状に作成すること及び前記周期構造を間欠状に作成することが可能であり、前記ワークの加工面には平面の場合と円筒面の場合とがあり、前記ワークの加工面が平面であれば、この加工面に渦巻形状及び同心円形状の周期構造の作成が可能であり、前記ワークの加工面が円筒面であれば、この加工面に螺旋形状の周期構造の作成が可能である。
本周期構造作成方法では、加工数を減らし加工時間を短縮するために、ビーム形状を楕円形状としている。また、ワーク側を回転（旋回）させることによって、周期構造を放射状に形成できる。しかも、ビーム形状が楕円形状であるので、照射スポット面積が比較的大きく、レーザ発振器の能力を抑えることなくレーザを照射することができる。
本発明では、ビーム形状を楕円形状とすることにより、加工数を減らし加工時間の短縮を図ることができ、しかも、レーザ発振器の能力を抑えることなくレーザを照射でき、効率のよい加工を行うことができる。このため、偏光方向一定した螺旋形状（渦巻形状）の周期構造を、短時間に効率よく作成できる。
以下本発明の実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。
図１は本発明に係る周期構造作成装置を示し、この周期構造作成装置は、図４に示すように、ワークＷ（加工対象物）の加工面Ｗａに周期構造１を作成するものである。ワークＷ（加工対象物）としては、各種の自動車部品、機械部品、ポンプ等の種々の機器に使用可能である。また、加工対象物の材質として、炭素鋼、銅、白金、超合金等の金属系であっても、炭化ケイ素等のシリコン系セラミックであってもよい。周期構造１が形成された加工対象物は、この周期構造が作成された摺動面を、対向部材の摺動面に重ね合されて、相対的に摺動するものである。このため、対向部材の摺動面にも周期構造１が作成されたものであってもよい。また、摺動面間に潤滑剤を介在させるのが好ましい。
周期構造作成装置は、加工閾値近傍の照射強度でレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的にグレーティング状凹凸の周期構造をワークＷに形成するものであって、ビーム形状が楕円形状となるレーザを照射するレーザ照射手段２と、ワークＷをその軸心回りに回転させる回転駆動機構３とを備える。
周期構造１は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、微小の凹部８と微小の凸部９とが交互に所定ピッチで配設されたものである。
レーザ照射手段２は、図２に示すように、レーザビームを出力するレーザ発振器４と、Ｘ方向に集光パワーを有するＸ方向集光光学系５と、Ｙ方向に集光パワーを有するＹ方向集光光学系６とを備える。Ｘ方向集光光学系５は、Ｘ方向に集光パワーを有し、Ｙ方向に集光パワー有さない光学素子（例えば、Ｙ方向に平行な母線を有するシリンドリカルレンズ）を用いることができ、Ｙ方向集光光学系６は、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向に集光パワー有さない光学素子（例えば、Ｘ方向に平行な母線を有するシリンドリカルレンズ）を用いることができる。このため、ワークＷの加工面Ｗａ上に楕円形状のレーザ照射スポット１０が形成される。
レーザ照射手段２には、図示書略のガルバノモータとガルバノミラーと制御ドライバ等を有するガルバノスキャナを備える。このため、ＸＹ２次元エリアにレーザビームを走査させることができる。レーザ発振器４は、例えば、チタンサファイアフェムト秒レーザ発振器であり、例えば、パルス幅：１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ、パルスエネルギー：０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅでレーザ光を発生させることができる。なお、レーザ発振器１から発振されるレーザ光として、パルスレーザであるフェムト秒レーザ，ピコ秒レーザといったパルスレーザを使用することもできる。
回転駆動機構３は、ワークＷを載置保持している回転テーブル１１をその軸心回りに回転させるものであり、駆動用モータを備え、この駆動用モータの出力軸が回転テーブル１１に接続されている。このため、駆動用モータが駆動することによって、この回転テーブル１１がその軸心回りに回転し、この回転テーブル１１上のワークＷがその軸心回りに回転する。
また、レーザ照射手段２及び回転駆動機構３は、図１に示すように制御手段１２にて制御される。制御手段１２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を中心としてＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等がバスを介して相互に接続されたマイクロコンピュータである。また、制御手段１２には、図示省略の記憶手段が接続されている。記憶手段は、それぞれ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）やＤＶＤ（Digital Versatile Disk）ドライブ、ＣＤ−Ｒ（Compact Disc-Recordable）ドライブ、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）等からなる。なお、ＲＯＭには、ＣＰＵが実行するプログラムやデータが格納されている。
次に上述のように構成された周期構造作成装置を用いてワークＷの加工面Ｗａに周期構造を作成する方法を説明する。この場合、図４に示すように、渦巻形状の周期構造１を作成する。まず、回転テーブル１１上にワークＷを載置固定する。その後、図３に示すように、ワークＷの加工面Ｗａにレーザ照射手段２からレーザを照射して、楕円形状のレーザビーム１０を形成する。
そして、回転駆動機構３を介してワークＷを回転させながらレーザ照射手段２からビーム形状が楕円形状となるレーザをワークＷの加工面Ｗａにその照射部分をオーバーラップさせながら走査させていく。すなわち、図３に示すように、重なりピッチが形成されるように、レーザ照射手段２と回転駆動機構３とを制御手段１２にて制御していくことになる。なお、図４に示すような渦巻形状のものを作成する場合、外径側を作成する場合と、内径側を作成する場合とで、回転速度を変更する必要がある。
このように、レーザ照射手段２と回転駆動機構３とを制御手段１２にて制御していくことにより、図４に示すような渦巻形状の周期構造１を作成することができる。この場合、中心部から外径側に向かって作成しても、外径側から中心に向かって形成してもよい。また、周期構造１の溝方向は径方向に延びるように形成される。なお、図４では、その渦巻形状の渦巻は、中心から時計まわりに外径側に広がるものであったが、図６に示すように、中心から反時計まわりに外径側に広がる渦巻であってもよい。この場合、ワークＷの回転方向を図４に示す渦巻と逆方向とすればよい。
図４及び図６では、線同士の間隔が等しい渦巻である、いわゆるアルキメデスの螺旋であったが、図７に示すように、線同士の間隔が外径側に向かって拡大するいわゆる対数螺旋形状に作成されるものであってもよい。図７（ａ）は、中心から時計回りに拡径していく周期構造の簡略図であり、図７（ｂ）は中心から反時計回りに拡径していく周期構造の簡略図である。
図８（ａ）では、同心円の複数の円形の周期構造１が成形されたものであり、図８（ｂ）では、径方向に沿って伸びる直線状の多数の周期構造１が成形されたものである。図８（ａ）では、内径側の円形状の周期構造１から順に外径側の円形状の周期構造１を作成していっても、逆に外径側の円形状の周期構造１から順に内径側の円形状の周期構造１を作成してもよい。この場合も、回転駆動機構３を介してワークを回転させながらレーザ照射手段からビーム形状が楕円形状となるレーザをワークの加工面にその照射部分をオーバーラップさせながら走査させることによって、このような周期構造１を作成できる。
また、図８（ｂ）では、図８（ａ）の同心円を作成する場合において、周方向に沿って所定ピッチで、周期構造１を設けないようにすれば、径方向に沿って伸びる直線状の周期構造１を作成できる。
図９（ａ）（ｂ）では、コイル状の周期構造１を示している。この場合、ワークＷとして、図示省略しているが、加工面Ｗａが円筒面となる円柱体乃至円筒体とされる。すなわち、円柱体乃至円筒体のワークＷの外周面が加工面Ｗａとされ、この加工面Ｗａにコイル状の周期構造１が作成される。
この場合、円柱体乃至円筒体のワークＷをその回転駆動機構３にてその軸心回りに回転させつつ、レーザ照射手段からビーム形状が楕円形状となるレーザをワークの加工面にその照射部分をオーバーラップさせながら走査させて、円柱体乃至円筒体のワークＷの外周面が加工面Ｗａに周期構造１を作成するものである。このようにコイル形状の周期構造１を作成する場合、図９（ａ）に示すように左ねじの巻き方であっても、図９（ｂ）に示すように右ねじの巻き方であってもよい。
また、図７（ｂ）以外は、周期構造１は連続形成されているが、このように連続形成されている周期構造であっても間欠的に形成たしたものであってもよい。
本周期構造作成装置では、加工数を減らし加工時間を短縮するために、ビーム形状を楕円形状としている。また、ワーク側を回転（旋回）させることによって、周期構造を放射状に形成できる。しかも、ビーム形状が楕円形状であるので、照射スポット面積が比較的大きく、レーザ発振器の能力を抑えることなくレーザを照射することができる。このため、本周期構造作成装置では、螺旋形状（渦巻形状）の周期構造を、短時間に効率よく作成できる。
また、周期構造は連続状に作成されるものであっても、間欠状に作成されるものであってもよく、前記ワークの加工面が平面であって、この加工面に作成される周期構造が渦巻形状であったり、この加工面に作成される周期構造が同心円形状であったりしてもよい。また、前記ワークの加工面が円筒面であって、この加工面に作成される周期構造が螺旋形状であってもよい。このため、種々の形状の周期構造を作成でき、汎用性に優れた周期構造作成装置及び作成方法を提供できる。
本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、ワークとして、円錐乃至円錐台、球体、またはラグビーボール形状等であってもよい。また、楕円形状のビームとして、長軸と短軸との長さ比も任意に設定でき、円径も可能である。さらに、楕円形状のビームの重なりピッチも任意に設定できる。
前記実施形態では、レーザ照射手段２として、Ｘ方向集光光学系５をＹ方向集光光学系６よりも上流側（レーザ発振器４側）に配置していたが、Ｙ方向集光光学系６をＸ方向集光光学系５よりも上流側に配置するようにしてもよい。
１ 周期構造
２ レーザ照射手段
３ 回転駆動機構
Ｗ ワーク
Ｗａ 加工面
２ レーザ照射手段
３ 回転駆動機構
Ｗ ワーク
Ｗａ 加工面
Claims (2)
- 加工閾値近傍の照射強度でレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的にグレーティング状凹凸の周期構造をワークに形成する周期構造作成装置であって、
ビーム形状が楕円形状となるレーザを照射するレーザ照射手段と、ワークをその軸心回りに回転させる回転駆動機構と、前記レーザ照射手段と回転駆動機構とを制御する制御手段とを備え、この制御手段の制御により、回転駆動機構を介してワークを回転させながらレーザ照射手段からビーム形状が楕円形状となるレーザをワークの加工面にその照射部分をオーバーラップさせながら走査させて、ワークの加工面に周期構造を作成するものであり、前記ビーム形状が、ワークの回転方向の径方向にそって長軸が伸びる楕円形状であって、前記周期構造を連続状に作成すること及び前記周期構造を間欠状に作成することが可能であり、前記ワークの加工面には平面の場合と円筒面の場合とがあり、前記ワークの加工面が平面であれば、この加工面に渦巻形状及び同心円形状の周期構造の作成が可能であり、前記ワークの加工面が円筒面であれば、この加工面に螺旋形状の周期構造の作成が可能であることを特徴とする周期構造作成装置。 - 加工閾値近傍の照射強度でレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的にグレーティング状凹凸の周期構造をワークに形成する周期構造作成方法であって、
ビーム形状が楕円形状となるレーザを照射するレーザ照射手段と、ワークをその軸心回りに回転させる回転駆動機構とを備えた周期構造作成装置を用い、前記ビーム形状を、ワークの回転方向の径方向にそって長軸が伸びる楕円形状として、レーザ照射手段と回転駆動機構とを制御することにより、ワークをその軸心回りに回転させつつ、ビーム形状が楕円形状となるレーザをワークの加工面にその照射部分をオーバーラップさせながら走査させて、ワークの加工面に周期構造を作成するものであり、前記周期構造を連続状に作成すること及び前記周期構造を間欠状に作成することが可能であり、前記ワークの加工面には平面の場合と円筒面の場合とがあり、前記ワークの加工面が平面であれば、この加工面に渦巻形状及び同心円形状の周期構造の作成が可能であり、前記ワークの加工面が円筒面であれば、この加工面に螺旋形状の周期構造の作成が可能であることを特徴とする周期構造作成方法。
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