JP7217618B2

JP7217618B2 - 周期構造作成装置及び周期構造作成方法

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Description

本発明は、周期構造作成装置及び周期構造作成方法に関し、特に、加工対象物に単一光軸のレーザビームをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する周期構造作成装置及び周期構造作成方法に関する。

加工対象物に単一光軸のレーザビームをオーバーラップさせながら照射して、入射光の偏光成分と加工対象物の表面に沿った散乱光の偏光成分の干渉部分のアブレーションによって、自己組織的に入射光の偏光方向に直交した、入射光波長程度の間隔を持つ周期構造を作成する方法が知られており、その作成装置も市販されている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１）。

周期構造を作成することで、機械システムの摺動特性や濡れ性、生体親和性の向上効果があることが報告されている（特許文献１、非特許文献２）。例えば、機械システムであれば、そこには必ず接触して相対運動する摺動面が存在するが、摺動面の相対的な動きに対して有効に配置した周期構造から成るテクスチャを作成することで、油膜などによる流体力学的な作用を拡大して、優れた低摩擦特性を得ることができる（特許文献３、特許文献４）。ここでの最適なテクスチャとは、周期構造の作成幅や、周期構造の形成部と未形成部の比率（間欠比）、作成幅の断面形状、凹凸溝の方向などの構成要素を、トライボロジやバイオメディカルなどの観点から理論的ないしは実験的に最適化したものである。

特許第４０５４３３０号公報特許第５８１９１４９号公報特許第５６１９９３７号公報特許第５４６５１０９号公報特許第６３８２１５４号公報

フェムト秒レーザで形成する表面周期構造、Laser Focus World、２００６年１０月フェムト秒レーザによる表面微細加工、トライボロジスト第５５巻第２号、２０１０年２月１５日

前述のテクスチャ構成要素のうち、周期構造の形成部と未形成部の比率（間欠比）はレーザ光源ないしはその後段に設けたパルスピッカーに対するレーザ照射のオンオフ指令で定まるため制御性は比較的良好である。パルスピッカーは、音響光学素子（ＡＯＭ）あるいは電気光学素子（ＥＯＭ）で構成されており、数ナノ秒の応答速度でレーザビームの通過と遮断を制御できる。作成幅の断面形状はレーザ集光スポットの強度分布をビームシェーパやホモジナイザで変換することで、また、凹凸溝の方向はレーザビームの偏光で一意に定まるため、これらの加工条件の管理も比較的容易である。一方、周期構造の作成幅については、可変スリットを用いて作成幅方向のレーザビームを直接遮断する方法（特許文献１、特許文献５）と、小さく絞った集光スポットを作成幅方向にガルバノスキャナやポリゴンミラーなどの偏向器で二次元的に光軸走査する方法（特許文献２）があるが、それぞれに以下の課題がある。

可変スリットで作成幅方向のレーザビームを直接遮断する場合は、スリットを全開にしてレーザビームを遮光しない状態が、最もレーザエネルギの利用効率が高くなる。この状態から、周期構造の作成幅を小さく変更していくほど、レーザビームを遮光する面積が増加するため、レーザエネルギの利用効率が低くなる。つまり、可変スリットを用いて作成幅方向のレーザビームを直接遮断する方法は、レーザエネルギの利用効率が低いという本質的な問題がある。このことにより、レーザの高出力化に応じて、スリットで反射したレーザビームを安全に終端させるディフューザ機構や、スリットが吸収したエネルギの放熱機構などが煩雑となり、装置コストの上昇を招くという問題があった。さらに、スリットで回折したレーザビームによって、目的とは異なる意図しない加工痕が発生してしまうという加工品質面の問題もあった。

ガルバノスキャナやポリゴンミラーなどの偏向器で作成幅方向に光軸走査する場合は、小さく絞った集光スポットを高速に二次元的に走査することで、作成幅を広範囲に変更できるという利点がある。しかし、可変スリットによる方法で得られる最大径の集光スポットに比べれば、集光スポットの大きさが原理的に小さくなるため、比較的加工タクトが遅いという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みて、周期構造の作成幅を自由に変更することができ、周期構造から成るテクスチャを低コストで作成できる生産性に優れた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、加工対象物に一軸のレーザビームをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性を持たせて周期的に形成する周期構造作成装置であって、レーザビーム径の第１拡縮手段と、加工対象物を駆動してレーザビームを相対走査する走査手段と偏向器を駆動してレーザビームを絶対走査する走査手段とのいずれかの走査手段と、レーザビームを集光する集光手段とを備え、前記レーザビーム径の第１拡縮手段が前記いずれかの走査に対して略直交する方向にのみ作用するものである。ここで、略直交とは、交差する角度が９０°から誤差を含む程度でずれていても良いという意味である（以下、同様である。）。

本発明の周期構造作成装置によれば、レーザエネルギの利用効率を高めて加工のタクトを最速に保つことができる。また、周期構造の作成幅や深さ、間欠比、断面形状、凹凸溝の方向を自由に変更することができる。なお、レーザビームを相対走査する走査手段には、例えば、リニアモータや回転モータとボールネジ、回転モータと歯車を用いる直動軸や、DDモータや回転モータによる回転軸などがある。また、レーザビームを絶対走査する走査手段には、例えば、ガルバノスキャナやポリゴンミラーやレゾナントスキャナ、音響光学素子などを用いた偏向軸がある。

この場合、前記レーザビーム径の拡縮手段によるビーム径の変更を加味して、焦点位置における集光スポットの単位面積あたりのエネルギ量（フルエンス）を略一定に保つように、レーザ出力を変更（制御）するように構成するのが好ましい。このように構成することによって、加工のタクトを一定に保つことができる。例えば、作成幅を定格の半分にしたい場合は、前記の走査に対して略直交する方向にのみビーム径が２倍になるように拡大したうえで、レーザ出力を半減することでフルエンスを略一定に保つことができる。逆に、作成幅を定格の２倍にしたい場合は、前記の走査に対して略直交する方向にのみビーム径が１／２倍になるように縮小したうえで、レーザ出力を倍増することでフルエンスを略一定に保つことができる。前記レーザビーム径の拡縮手段は走査の方向には作用しないので、このように、フルエンスを略一定に保つことで、前記の走査の速度値を変更することなく、周期構造の作成幅だけを変更することができる。さらに、レーザビームの出力を所定の周期で変更して、フルエンスに変化を与えることで、周期構造の深さに傾斜を持たせることができる。ここで、略一定は、完全に一定とすることを意味するだけでなく、実質的に一定とする、すなわち、例えば数％程度の差異を含むことも意味する（以下、同様である。）。

ここで、ビーム径と集光スポット径の関係（数１）を示す。波長λでビーム品質Ｍ^２のレーザビーム径がＤｇのとき、焦点距離ＥＦＬの集光レンズを通過したあとの焦点位置のスポット径はｄ０で表される。ＡＰＯはＤｇと、集光レンズやアパーチャなどの開口径Ｄａの比率で定まる係数である。周期構造の作成幅は走査と直交する方向の集光スポット径に依存するため、走査に対して略直交する方向にのみレーザビーム径の拡縮手段を作用させることで、所望の作成幅で周期構造を形成することができる。

さらに、前記レーザビーム径の第１拡縮手段と略直交する方向にのみ作用する、レーザビーム径の第２拡縮手段を備えて、前記レーザビーム径の拡縮手段によるビーム径の変更を加味して、焦点位置における集光スポットの単位面積あたりのエネルギ量（フルエンス）を略一定に保つように、レーザビーム径の第２拡縮手段を作用させることが好ましい。このように構成することによって、レーザの利用効率を最大に保つことができる。例えば、作成幅を定格の半分に変更したい場合は、前記の走査に対して略直交する方向にのみビーム径が２倍になるように拡大したうえで、レーザビーム径の第２拡縮手段で前記の走査に対して略平行方向にのみビーム径が１／２倍になるように縮小してフルエンスを略一定に保った状態で前記の走査の速度値を倍増させる。逆に、作成幅を定格の２倍に変更したい場合は、前記の走査に対して略直交する方向にのみビーム径が１／２倍になるように縮小したうえで、レーザビーム径の第２拡縮手段で前記の走査に対して略平行方向にのみビーム径が２倍になるように拡大してフルエンスを略一定に保った状態で前記の走査の速度値を半減させる。すなわち、レーザ出力を変更することなく加工対象物の同一部分におけるレーザ照射の累積エネルギ量を略一定に制御することで、周期構造の作成幅を変更してもレーザの利用効率を最大に保つことができる。ここで、略平行とは、平行状態から当業者が設定上又は製造上の誤差と認識し得るような範囲をいい、平行を含む（以下、同様である。）。

レーザビーム径の第１・第２拡縮手段は、可変倍率式シリンドリカルビームエキスパンダ、または、可変倍率式シリンドリカルビームレデューサであることが好ましい。このように構成することによって、レーザビーム径を可変倍率で拡大することで周期構造の作成幅を無段階に小さく変更することができる。また、レーザビーム径を可変倍率で縮小することで周期構造の作成幅を無段階に大きく変更することができる。可変スリット自体を用いないため、レーザエネルギの低利用効率の問題が解消され、ディフューザ機構や、スリットの放熱機構が不要となる。さらに、回折したレーザビームによって、目的とは異なる意図しない加工痕が発生してしまうという品質面の問題も解消される。

この際、前記レーザビームの出力を所定の周期で変更することで、周期構造の深さに周期的な傾斜をもたせることができる。また、レーザ照射のオンオフを所定の周期で変更することで、周期構造の形成部と未形成部の比率（間欠比）をもたせることができる。また、レーザビームの強度分布をビームシェーパやホモジナイザで変更することで、周期構造の作成幅の断面形状を変化させることができる。また、レーザビームの偏光方向を変更することで、周期構造の微細凹凸溝を、摺動や重力など方向性のある力の作用に適した向きに形成することができる。

前記レーザビーム径の拡縮手段と前記偏光方向を変更する機能に電動機構を持たせて、前記走査手段とレーザ出力またはレーザ照射のオンオフとに同期して、レーザビーム径または偏光方向を変更して、周期構造の作成幅または凹凸溝の方向を、加工中に変更することを特徴とする周期構造の作成方法は、用途に最適な周期構造からなるテクスチャを低コストで作成できる生産性に優れた方法として、さらに好ましい。

本発明の周期構造作成方法は、加工対象物に一軸のレーザビームをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性を持たせて周期的に形成する周期構造作成方法であって、レーザビーム径の拡縮、及び加工対象物象とレーザビームとの相対走査又は偏向器とレーザビームとの絶対走査を可能とし、前記レーザビーム径の拡縮が前記レーザビームのいずれかの走査に対して略直交する方向にのみ作用させるものである。

本発明の周期構造作成方法によれば、レーザエネルギの利用効率を高めて加工のタクトを最速に保つことができる。また、周期構造の作成幅や深さ、間欠比、断面形状、凹凸溝の方向を自由に変更することができる。

本発明によれば、レーザエネルギの利用効率を高めて加工のタクトを最速に保つことができるため、低コストで生産性の高い加工を実現できる。また、周期構造の作成幅や深さ、間欠比、断面形状、凹凸溝の方向を自由に変更することができるため、用途に最適な周期構造から成るテクスチャの加工が可能となる。

本発明に係る周期構造作成装置の簡略斜視図である。図１に示す周期構造作成装置で作成した周期構造を示す簡略図である。摺動面に作成した周期構造の拡大図である。集光前のレーザのビーム形状と集光位置のレーザのスポット形状と周期構造の作成幅の関係を示す簡略図である。他の周期構造を示す簡略図である。前記図５の周期構造を作成する周期構造作成装置の簡略斜視図である。別の周期構造を示す簡略図である。前記図７に周期構造を作成する周期構造作成装置の簡略斜視図である。ガルバノスキャナと加工対象物の回転機構との座標データテーブル図である。

図１は本発明にかかる周期構造作成装置の第１の実施形態の簡略全体斜視図を示す。周期構造作成装置にて、図２に示すような機械システムの摺動面に鋸刃形状のスパイラルパターン周期構造を作成する。この場合、摺動面２１ａにグレーティング状凹凸の周期構造２３（摺動面周縁に連通して摺動面周縁から潤滑剤の摺動面内方への導入を可能にするスパイラル状の方向性を持つ）と、周期構造２３が形成されない周期構造未形成部（周期構造との境界部において摺動方向に圧力勾配を生じさせるレーザ照射しない領域）２８とが設けられる。すなわち、摺動面２１ａに、複数の周期構造２３を有するリング状の周期構造集合部２７と、内径側のリング部２９と周方向に沿って所定ピッチで配設される複数の周期構造未形成部２８とからなる周期構造未形成集合部２４とが形成される。この場合、周期構造未形成部２８は鋸刃形状としている。すなわち、周期構造未形成部２８は、直線状の底辺２８ａと円弧状の斜辺２８ｂとを備えた複数個の扇形状体からなる。周期構造２３と周期構造未形成部２８とが、摺動方向に沿って交互に形成した鋸刃形状の間欠的な周期構造から成るテクスチャ構造である。

周期構造２３は図３に示すように、微小の凹部２５と微小の凸部２６とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。周期構造２３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とし、凹部２５の深さを１μｍ以下とするのが好ましい。この場合、周期構造２３の凹部２５は、加工対象物の外周縁（摺動面周縁）２１ｂに連通（開口）している。また、周期構造未形成部２８の中心角αを例えば、１９ｄｅｇとし、隣合う周期構造未形成部２８間の間隔の中心角βを例えば、２６ｄｅｇとしている。周期構造２３の凹部２５はスパイラル状に湾曲し、その湾曲方向が未形成部２８の斜辺２８ｂの湾曲方向に合わされている。

周期構造作成装置は、レーザ光源１と、レーザ光源１のレーザ照射口の近傍に配設される偏光回転機構２と、スキャナミラー９を備えたガルバノスキャナ１０と、レーザビームを集光する集光手段１１と、加工対象物１２の回転駆動機構としての走査手段１３と、同期制御回路２０を備える。また、偏向回転機構２とガルバノスキャナ１０との間に第１・第２ミラー３，８が配設される。第１・第２ミラー３，８間にレーザビーム径を拡縮する拡縮手段４が介在されている。加工対象物１２としては、炭化ケイ素からなる円盤体１２Ａであって、その上面を加工面としている。

レーザ光源１に、中心波長８００ｎｍ、パルス幅１２０ｆｓ、繰返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギ０．２５～４００μJ/pulseのチタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザを使用したときの、炭化ケイ素に形成した周期構造のピッチは８００nm程度であり、周期構造の深さは２５０nm程度である。また、図３における周期構造２３は矢印で示す直線偏光によるものである。周期構造２３は常に直線偏光に直交して形成される。

レーザ光源１は光増幅器と光共振器で構成されたものである。発振動作は連続波発振であってもパルス波発振であってもよいが、好ましくは、単位時間あたりのレーザ強度が大きいパルス波発振のレーザ光源を用いれば周期構造を作成し易い。この実施形態では、レーザ光源１にパルス波発振動作するチタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザ光源を使用した。レーザ光源１から出射するレーザビームの偏光はレーザ光源１の設置面に平行な直線偏光である。図内の矢印Ｅはレーザの電場の振動方向を示す。２はレーザ光源から放出されたレーザビームの直線偏光を任意の方向に回転させる機能をもつ偏光回転機構である。周期構造をスパイラルパターンに作成するために、偏光回転機構２を用いて、レーザ光源１の設置面に対して直線偏光が４５度の角度になるように調整した。

レーザビーム径を拡縮する拡縮手段４は３枚のシリンドリカルレンズで構成した電動機構を有する可変倍率式のビームレデューサである。この場合、シリンドリカルレンズ４ａ、４ｂの主点間距離ｄａを電動の直動機構６ａで変化させることが出来る。また、シリンドリカルレンズ４ｂ、４ｃの主点間距離ｄｂを電動の直動機構６ｂで変化させることが出来る。シリンドリカルレンズ４ａの焦点距離をｆ１とし、シリンドリカルレンズ４ｂの焦点距離をｆ２、シリンドリカルレンズ４ｃの焦点距離をｆ３としたとき、所望するビームレデューサの倍率Ｍによって、ｄａとｄｂの値を計算で求めることができる（数２、数３）。

ガルバノスキャナ１０はモータ回転軸１０ａの先端に取り付けた軽量なスキャナミラー９を用いて、レーザビームを高速かつ高精度に走査する偏向装置である。ガルバノスキャナ１０にはアナログタイプとデジタルタイプのものがあるが、本発明においては、いずれのタイプも用いることができる。さらに、ここではガルバノスキャナを用いたが、ポリゴンミラーやレゾナントスキャナ、音響光学素子などの他の偏向装置器に代えてもよい。ガルバノスキャナ１０を用いて、あらかじめ作成した鋸刃形状の径方向の中心線ベクトルの座標データと基づいてレーザビームの径方向の走査位置を同期制御回路２０で制御した。同時に、加工対象物の回転駆動機構１３の回転速度を定速に保ち、同一部分におけるレーザ照射の累積エネルギ量が略一定になるように、レーザビームの周方向の走査位置を同期制御回路２０で制御した。また、回転駆動機構１３が一定の速度に達するまでに要する加減速時間を計算して、加工対象物の所定位置にだけレーザビームを照射できるように、レーザ光源１に内蔵するポッケルスセルの切り出し信号を同期制御回路２０で制御した。ポッケルスセルはリン酸二重水素化カリウムＫＤＰなどの電気光学結晶で構成した変調素子である。ここで、略一定とは、完全に一定とすることを意味するだけでなく、実質的に一定とする、すなわち、例えば数％程度の差異を含むことも意味する（以下、同様である。）。

第１ミラー３と第２ミラー８は、レーザビームの光路を折り返して装置構成をコンパクトにするために使用した。レーザビームを集光する集光手段１１には、テレセントリックＦθレンズを配置した。Ｆθレンズはスキャナの回転角とビームの偏向の関係が線形になるように設計した多群の組合せレンズである。本実施形態では焦点距離３３０ｍｍのテレセントリックＦθレンズを用いた。ここで使用した集光レンズは球面形状のものであるが、集光レンズにシリンドリカルレンズを用いて異なる焦点距離で集光すれば、集光スポットを楕円状に設定することができる。

加工対象物１２の回転によるレーザビームの相対走査の方向と、この楕円状の集光スポットの長径を一致させれば、作成幅の小さな周期構造を比較的高速度で加工できる。逆に、加工対象物１２の回転によるレーザビームの相対走査の方向と、この楕円状の集光スポットの短径を一致させれば、作成幅の大きな周期構造２３を比較的低速度で加工できる。なお、レーザビームを集光する手段には球面ミラーなどを用いてもよい。加工対象物１２は炭化ケイ素をドーナツ状に焼結した試料を使用した。図には省略しているが、回転駆動機構１３は加工対象物１２を回転中心で保持するチャック機能を備える。

なお、レーザビームを相対走査する走査手段には、例えば、リニアモータや回転モータとボールネジ、回転モータと歯車を用いる直動軸や、ＤＤモータや回転モータによる回転軸などがある。また、レーザビームを絶対走査する走査手段には、例えば、ガルバノスキャナーやポリゴンミラーやレゾナントスキャナ、音響光学素子などを用いた偏向軸がある。

本実施形態では、鋸刃形状のスパイラルパターンの径方向の周期構造２３の最大幅を３００μｍとし最小幅を７５μｍとした。焦点距離３３０ｍｍのテレセントリックＦθレンズで、炭化ケイ素に最大幅３００μｍの周期構造２３を作成するビームレデューサの倍率は１／４倍程度であった。また、最小幅の７５μｍを作成するビームレデューサの倍率は等倍程度であった。よって、ビームレデューサの可変倍率を等倍から１／４倍の間で無段階に変更できるズーム構成とし、加工対象物１２が１回転する間に、等倍から１／４倍の倍率で鋸刃形状の径方向幅に合わせた８回のズーム動作を行うように、同期制御回路２０で制御した。

さらに、周期構造２３の深さを略一定に保つために、焦点位置における集光スポットの単位面積あたりのエネルギ量（フルエンス）が略一定になるように、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）のように、ビームレデューサの倍率が１／４倍のときはレーザエネルギを４０μJ／pulseに変更し、ビームレデューサの倍率が１／２倍のときはレーザエネルギを２０μJ／pulseに変更し、ビームレデューサの倍率が等倍のときはレーザエネルギを１０μJ／pulseに変更する。それらの間にあるときはビームレデューサの倍率に比例したレーザエネルギになるように、作成幅の設計値を基に０．１ｍｓ毎のビームレデューサの倍率とレーザ出力のデータテーブルを作成しておき、これを同期制御回路２０に記憶させた。なお、レーザエネルギの変更指令に対するレーザ光源１の応答時間は０．２ｍｓなので、同期制御回路２０の制御サイクルは０．１ｍｓで構成した。

ビーム径と集光スポット径の関係（数４）を示す。波長λでビーム品質Ｍ^２のレーザビーム径がＤｇのとき、焦点距離ＥＦＬの集光レンズを通過したあとの焦点位置のスポット径はｄ０で表される。ＡＰＯはＤｇと、集光レンズやアパーチャなどの開口径Ｄａの比率で定まる係数である。周期構造２３の作成幅は走査と直交する方向の集光スポット径に依存するため、走査に対して略直交する方向にのみレーザビーム径の拡縮手段を作用させることで、所望の作成幅で周期構造２３を形成することができる。ここで、略直交とは、交差する角度が９０°から誤差を含む程度でずれていても良いという意味である（以下、同様である。）。

本発明によれば、レーザエネルギの利用効率を高めて加工のタクトを最速に保つことができるため、低コストで生産性の高い加工を実現できる。また、周期構造２３の作成幅や深さ、間欠比、断面形状、凹凸溝の方向を自由に変更することができるため、用途に最適な周期構造２３から成るテクスチャの加工が可能となる。

図６に作成装置の第２の実施形態の簡略全体斜視図を示す。この場合、図５に示すような、機械システムの摺動面に正弦波ビート状の対向スパイラルパターン周期構造を作成することができる。この場合も加工対象物１２（１２Ｂ）は円柱体である。

正弦波ビート状の対向スパイラルパターン周期構造の簡略図を図５に示す。この摺動面２１ａのテクスチャは、正弦波のビート波形に模した作成領域にスパイラル状の方向性を持つ第１の周期構造３１と、これに半波長の位相差を与えて第１の周期構造３１と直交してスパイラル状の方向性を持つ第２の周期構造３２が、レーザ照射しない領域３３を介して交互に連なる、間欠的な周期構造から成るテクスチャ構造である。

図６に示す作成装置は、レーザ光源１はパルス波を発振動作するＹｂ:ＹＡＧ結晶を用いたピコ秒レーザ光源を使用した。レーザ光源１から出射するレーザビームの偏光はレーザ光源１の設置面に垂直な直線偏光である。また、レーザビームを周方向に集光する手段には、シリンドリカル形状の焦点距離５０ｍｍのテレセントリックＦθレンズ１１を配置した。レーザビームを軸方向に集光する集光手段１１には、シリンドリカル形状の焦点距離３００ｍｍのテレセントリックＦθレンズを配置した。加工対象物１２（１２Ｂ）はチタン合金（Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）を使用した。加工対象物１２Ｂの回転駆動機構１３（１３Ｂ）は、図には省略しているが、加工対象物１２Ｂを回転中心で保持するチャック機能を備える。この図６に示す作成装置の他の構成は、図１に示す作成装置と同様であるので、同一の部材は図１の符号と同一の符号を附してそれらの説明を省略する。

この実施形態では、正弦波ビート形状のスパイラルパターンの軸方向の周期構造の最大幅を１００μｍとし最小幅を２０μｍとした。焦点距離３００ｍｍのテレセントリックＦθレンズで、チタン合金に最大幅１００μｍの周期構造を作成するビームエキスパンダの倍率は等倍程度であった。また、最小幅の２０μｍを作成するビームエキスパンダの倍率は５倍程度であった。よって、ビームレデューサの可変倍率を等倍から５倍の間で無段階に変更できるズーム構成とし、加工対象物１２が１回転する間に、等倍から５倍の倍率で正弦波ビート形状の軸方向幅に合わせた４回のズーム動作を行うように、同期制御回路２０で制御した。また、第１の周期構造３１から第２の周期構造３２に切り替わる間に、偏光回転機構２でレーザ偏光を９０度回転させて、対向スパイラルパターンを作成した。

さらに、周期構造の深さを略一定に保つために、焦点位置における集光スポットの単位面積あたりのエネルギ量（フルエンス）が略一定になるように、ビームエキスパンダの倍率が５倍のときはレーザエネルギを４μJ／pulseに変更し、ビームエキスパンダの倍率が２.５倍のときはレーザエネルギを１０μJ／pulseに変更し、ビームエキスパンダの倍率が等倍のときはレーザエネルギを２０μJ／pulseに変更し、それらの間にあるときはビームエキスパンダの倍率に比例したレーザエネルギになるように、作成幅の設計値を基に０．１ms毎のビームエキスパンダの倍率とレーザ出力のデータテーブルを作成しておき、これを同期制御回路２０に記憶させた。なお、レーザエネルギの変更指令に対するレーザ光源１の応答時間は０．２ｍｓなので、同期制御回路２０の制御サイクルは０．１ｍｓで構成した。

すなわち、この第２の実施形態に示す作成装置では、加工のタクトを一定に保つことができる。例えば、作成幅を定格の半分にしたい場合は、前記の走査に対して略直交する方向にのみビーム径が２倍になるように拡大したうえで、レーザ出力を半減することでフルエンスを略一定に保つことができる。逆に、作成幅を定格の２倍にしたい場合は、前記の走査に対して略直交する方向にのみビーム径が１／２倍になるように縮小したうえで、レーザ出力を倍増することでフルエンスを略一定に保つことができる。前記レーザビーム径の拡縮手段は走査の方向には作用しないので、このように、フルエンスを略一定に保つことで、前記の走査の速度値を変更することなく、周期構造の作成幅だけを変更することができる。さらに、レーザビームの出力を所定の周期で変更して、フルエンスに変化を与えることで、周期構造の深さに傾斜を持たせることができる。

図８に作成装置の第３の実施形態の簡略全体斜視図を示す。この作成装置にて、図７に示す機械システムの摺動面２１ａに螺旋形状のラジアルパターン周期構造を作成する。この場合の加工対象物１２（１２Ｃ）は円盤体である。

この摺動面２１ａのテクスチャは、放物螺旋（数５）を模した形状の作成領域に放射状の方向性を持つ周期構造４１と、レーザ照射しない領域４３を介して交互に連なる、間欠的な周期構造から成るテクスチャ構造である。外周部から内周にかけて周期構造４１の間隔が小さくなるよう構成するとともに、隣接する周期構造４１とレーザ照射しない領域４３の作成幅が略同寸になるようなテクスチャ構造である。

レーザ光源１、偏光回転機構２、第１ミラー３、及び第１拡縮手段４を図６のレーザ光源１、偏光回転機構２、第１ミラー３、及び第１拡縮手段４と同様とし、第２ミラー８、スキャナミラー９、ガルバノスキャナ１０、レーザビーム集光手段１１、回転駆動機構１３（１３Ｂ）は、図１に示す第２ミラー８、スキャナミラー９、ガルバノスキャナ１０、レーザビーム集光手段１１、回転駆動機構１３（１３Ａ）と同様としている。加工対象物１２（１２Ｃ）はクロム合金ステンレス工具鋼を使用した。加工対象物１２Ｃの回転駆動機構１３Ｃは、図には省略しているが、加工対象物１２Ｃを回転中心で保持するチャック機能を備える。この図８に示す作成装置の他の構成は、図１に示す作成装置と同様であるので、同一の部材は図１の符号と同一の符号を附してそれらの説明を省略する。

本実施形態では、螺旋形状のラジアルパターン周期構造の径方向の周期構造の最大幅を１００μｍとし最小幅を５０μｍとした。焦点距離３００ｍｍのテレセントリックＦθレンズで、クロム合金ステンレス工具鋼に最大幅１００μｍの周期構造を作成するビームエキスパンダの倍率は等倍程度であった。また、最小幅の５０μｍを作成するビームエキスパンダの倍率は２倍程度であった。よって、ビームエキスパンダの可変倍率は等倍から２倍の間で無段階に変更できるズーム構成とした。さらに、レーザビームの第２拡縮手段５として、可変倍率を等倍から１／２倍の間で無段階に変更できるズーム構成のビームレデューサを備えた。

第２拡縮手段５は３枚のシリンドリカルレンズで構成した電動機構を有する可変倍率式のビームレデューサである。この場合、シリンドリカルレンズ５ａ、５ｂの主点間距離ｄａを電動の直動機構７ａで変化させることが出来る。また、シリンドリカルレンズ５ｂ、５ｃの主点間距離ｄｂを電動の直動機構７ｂで変化させることが出来る。

シリンドリカルレンズ５ａの焦点距離をｆ１とし、シリンドリカルレンズ５ｂの焦点距離をｆ２、シリンドリカルレンズ５ｃの焦点距離をｆ３としたとき、所望するビームレデューサの倍率Ｍによって、ｄａとｄｂの値を計算で求めることができる（数５、数６）。

本実施形態では、周期構造の作成幅を変更してもレーザの利用効率を最大に保てるように、レーザ出力を調整する代わりに、レーザ走査の速度を調整した。螺旋の回転量を略１０回転と定めて、加工対象物１２が略１０回転する間の、ガルバノスキャナ（ｒ）と加工対象物の回転機構（θ）の位置座標を、（数４）と周期構造の作成幅縮小分に相当する速度増加量から計算して、０．５ｍｓ毎のデータテーブルに変換して（図９）、これを同期制御回路２０に記憶させた。また、周期構造の作成幅の設計値を基に０．５ｍｓ毎のビームエキスパンダ倍率とビームレデューサ倍率のデータテーブルを作成しておき、これを同期制御回路２０に記憶させた。この、ｒ－θによるレーザ走査と同時に、周期構造の作成幅を縮小するために、ズームエキスパンダは等倍から２倍の倍率で１回のズーム動作を行うとともに、ビームレデューサも等倍から１／２倍の倍率になるように、同期制御回路２０で制御して、螺旋形状のラジアルパターン周期構造を作成した。

すなわち、この第３の実施形態に示す作成装置では、レーザの利用効率を最大に保つことができる。例えば、作成幅を定格の半分に変更したい場合は、前記の走査に対して略直交する方向にのみビーム径が２倍になるように拡大したうえで、レーザビーム径の第２拡縮手段で前記の走査に対して略平行方向にのみビーム径が１／２倍になるように縮小してフルエンスを略一定に保った状態で前記の走査の速度値を倍増させる。逆に、作成幅を定格の２倍に変更したい場合は、前記の走査に対して略直交する方向にのみビーム径が１／２倍になるように縮小したうえで、レーザビーム径の第２拡縮手段で前記の走査に対して略平行方向にのみビーム径が２倍になるように拡大してフルエンスを略一定に保った状態で前記の走査の速度値を半減させる。すなわち、レーザ出力を変更することなく加工対象物の同一部分におけるレーザ照射の累積エネルギ量を略一定に制御することで、周期構造の作成幅を変更してもレーザの利用効率を最大に保つことができる。ここで、略平行とは、平行状態から当業者が設定上又は製造上の誤差と認識し得るような範囲をいい、平行を含む。

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、加工対象物として、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、アルミニウム、白金、超合金等の金属系であっても、炭化ケイ素や窒化ケイ素等のシリコン系セラミックであっても、エンジニアプラスチック等であってもよい。周期構造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。

４第１拡縮手段
４ａ、４ｂ、４ｃシリンドリカルレンズ
５第２拡縮手段
５ａ、５ｂ、５ｃシリンドリカルレンズ
６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、直動機構
７ａ、７ｂ、直動機構
１１集光手段
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ加工対象物
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ走査手段（回転駆動機構）
２３，３１，３３，４１周期構造

Claims

加工対象物に一軸のレーザビームをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性を持たせて周期的に形成する周期構造作成装置であって、
レーザビーム径の第１拡縮手段と、加工対象物を駆動してレーザビームを相対走査する走査手段と偏向器を駆動してレーザビームを絶対走査する走査手段とのいずれかの走査手段と、レーザビームを集光する集光手段とを備え、前記レーザビーム径の第１拡縮手段が前記いずれかの走査に対して略直交する方向にのみ作用し、かつ、前記レーザビーム径の第１拡縮手段に加え、レーザビーム径の第２拡縮手段を備え、前記第２拡縮手段は前記第１拡縮手段と略直交する方向にのみ作用し、前記第１拡縮手段によるビーム径の変更を加味して、焦点位置における集光スポットの累積エネルギ量を略一定に保つように、前記第２拡縮手段と前記走査手段を作用させて、レーザの利用効率を最大に保つことを特徴とする周期構造作成装置。
前記レーザビーム径の第１拡縮手段とレーザビーム径の第２拡縮手段とは、可変倍率式のシリンドリカルビームエキスパンダ、または、可変倍率式のシリンドリカルビームレデューサであることを特徴とする請求項１に記載の周期構造作成装置。
前記レーザビームの出力またはレーザ照射のオンオフを所定の周期で変更して、周期構造の深さまたは周期構造の間欠比を変化させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の周期構造作成装置。
前記レーザビームの強度分布を変更する機能を備えて、周期構造の作成幅の断面形状を変化させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の周期構造作成装置。
前記レーザビームの偏光方向を変更する機能を備えて、周期構造の微細な凹凸溝の方向を変化させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の周期構造作成装置。
前記レーザビーム径の拡縮手段と前記偏光方向を変更する機能に電動機構を持たせて、前記走査手段とレーザ出力またはレーザ照射のオンオフとに同期して、レーザビーム径または偏光方向を変更して、周期構造の作成幅または凹凸溝の方向を、加工中に変更することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の周期構造作成装置。
加工対象物に一軸のレーザビームをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性を持たせて周期的に形成する周期構造作成方法であって、
レーザビーム径の拡縮、及び加工対象物象とレーザビームとの相対走査又は偏向器とレーザビームとの絶対走査を可能とする走査手段を用いて、前記レーザビーム径の拡縮が前記レーザビームのいずれかの走査に対して略直交する方向にのみ作用させ、前記レーザビーム径の第１拡縮手段と、前記第１拡縮手段と略直交する方向にのみ作用する、レーザビーム径の第２拡縮手段とを用い、前記第１拡縮手段によるビーム径の変更を加味して、焦点位置における集光スポットの累積エネルギ量を略一定に保つように、前記第２拡縮手段と前記走査手段を作用させて、レーザの利用効率を最大に保つことを特徴とする周期構造作成方法。