シリンダブロックとシリンダブロックの周期構造体加工方法とシリンダブロックの周期構造体加工装置
【課題】 シリンダの新規な構造に特化するとともに、この周期構造（ナノ周期性溝やディンプル溝）を多気筒シリンダに対しても高精度に効率良く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。
【解決手段】 単気筒シリンダＣ１又は多気筒シリンダＣ２において、該シリンダ内周面でピストンが往復動する上死点Ｐ１と下死点Ｐ２間にわたるピストン摺動面６０Ａに周期構造ＭＫ等を加工するとともに、上死点付近と下死点付近の周期溝密度を高め途中の周期溝密度を荒く形成した。
【解決手段】 単気筒シリンダＣ１又は多気筒シリンダＣ２において、該シリンダ内周面でピストンが往復動する上死点Ｐ１と下死点Ｐ２間にわたるピストン摺動面６０Ａに周期構造ＭＫ等を加工するとともに、上死点付近と下死点付近の周期溝密度を高め途中の周期溝密度を荒く形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェムト秒レーザ加工機でシリンダブロックのシリンダ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、エンジンのシリンダ内周面に対する周期構造体を合理的に加工するシリンダブロック及びシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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に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や不連続のディンプル）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。
【０００３】
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。即ち、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が形成でき、また、円偏光させて照射することで微細構造のディンプルが形成される。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。）。
【０００４】
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。）。
【０００５】
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。）。
【０００６】
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。）。
【０００７】
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。）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２１１４００号公報
【特許文献２】特開２００３−３３４６８３号公報
【特許文献３】特開２００３−５７４２２号公報
【特許文献４】特開平６−３２０２７０号公報
【特許文献５】特開２００４−３６００１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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周期性構造体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。
【００１０】
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、ナノ周期構造を一度に広範囲に加工できる。しかし、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径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ナノ周期構造を成形させるに止まっている。これがために、シリンダ内周面のような三次元曲面内にナノ周期構造体を成形させることが出来ない。
【００１１】
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、シリンダブロックにおけるシリンダ内周面の新規な構造に特化するとともに、この周期構造体（微細周期性溝やディンプル）を単気筒シリンダや多気筒シリンダに対しても高精度に効率良く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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１のシリンダブロックは、シリンダ内周面でピストンが往復動する上死点と下死点間にわたるピストン摺動面に同一方向に整列された周期構造体が加工されたシリンダブロックにおいて、上記周期構造体は上死点付近と下死点付近の密度を高め中間部分の密度を粗く形成されたものであることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２のシリンダブロック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た第一回転筒体内に導き、上記第一回転筒体内に配置した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シリンダブロッ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回転させ、上記両筒体の回転に同期させながら上記チャック手段を上記シリンダブロックの内周面の軸芯方向へシリンダ内周面のピストンが往復動する上死点付近及び下死点付近の移動速度を速め中間部分の移動速度を遅くして周期性溝を同一方向に整列加工させることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３のシリンダブロックの周期構造体加工方法は、請求項２記載のシリンダブロック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、第二回転筒体内に備える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、上記シリンダ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。
【００１５】
請求項４のシリンダブロック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、上記第一回転筒体の筒内に設けられ直線偏光の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回転させる回転駆動手段と、上記反射ミラーの外周囲にシリンダ内周面の軸芯を合わせたシリンダブロックを把持するチャック手段と、上記チャック手段を上記シリンダブロックの内周面の軸芯方向へシリンダ内周面のピストンが往復動する上死点付近及び下死点付近の移動速度を速め中間部分の移動速度を遅く進退させるＺ軸駆動手段と、を具備したことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５のシリンダブロックの周期構造体加工装置は、請求項４記載のシリンダブロックの周期構造体加工装置において、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に設けた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、上記シリンダ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。
【００１７】
請求項６のシリンダブロックの周期構造体加工装置は、請求項４または５記載のシリンダブロックの周期構造体加工装置において、上記第二回転筒体の先端部に、多気筒シリンダの各シリンダ内周面に周期構造体を一斉に整列加工する反射ミラーユニットを具備したことを特徴とするものである。
【００１８】
本発明のシリンダブロック及びシリンダブロック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に記載のシリンダブロックは、ピストンが往復動する上死点と下死点間のピストン摺動面に周期構造体を加工するとともに、上死点付近と下死点付近の周期溝の密度を高め、ピストン・ストロークの中間部分の周期溝の密度を粗く加工されている。これで、ピストンは、シリンダ内で往復動する上死点付近と下死点付近における速度が折り返し点で減速され摩擦係数が増加傾向になっても、周期溝密度を高めた加工が施されていることから、上記摩擦係数は低減されてエネルギーロスが低減される。また、ピストンのストローク途中の摩擦係数は、ピストンの移動速度が速いことから減少傾向となり周期溝密度を荒く加工しても増加しない。しかして、ピストンの往復運動に対してストローク全体の摩擦係数を均一に低下させられ、シリンダの耐久性が高めらる上に、単気筒シリンダ又は多気筒シリンダに対する加工コストの低減や加工時間の短縮化が図れる。
【００１９】
第２に、請求項２または４のシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置は、フェムト秒レーザをシリンダ内周面に向けて照射して周期構造体を加工するに際して、レーザ加工ヘッドには、第一回転筒体と第二回転筒体とを備え、第一回転筒体のλ／２板にフェムト秒レーザを通過させて偏光可能な直線偏光とし、上記第二回転筒体に備える反射ミラー等によりフェムト秒レーザを外径方向となるシリンダ内周面に向けて進ませ、上記第二回転筒体の先端外周側に配置したシリンダの内周面に向けて照射される。このとき、上記第一回転筒体と第二回転筒体とは、回転駆動手段により回転軸芯を一致させて１回転されるに際して、上記λ／２板を上記反射ミラーの１／２の回転量として両筒体が回転される。これにより、上記フェムト秒レーザをシリンダ内周面の全周に照射回転して周期構造体の微細周期性溝が同一方向に整列加工される。そして、シリンダの軸芯方向への加工幅は、該シリンダを把持するチャック手段をＺ軸駆動手段により移動させて行なわれる。上記シリンダを軸芯方向に進退移動させるに際して、シリンダ内周面でピストンが往復動する上死点付近と下死点付近の周期溝密度を高めるべく送り速度を低下させ、中間部分の周期溝密度を粗くするべく送り速度を速くする制御が行なわれる。かくして、シリンダ内周面におけるピストンの上死点付近と下死点付近の周期溝密度が高められ、途中の周期溝密度が荒く加工される。
【００２０】
第３に、請求項３または５において、λ／２板と反射ミラーとの間に配置し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より、フェムト秒レーザの直線偏光を集束させることができるから、微細周期性溝またはディンプルまたは混合溝がシリンダに加工させられる。
【００２１】
第４に、請求項６のシリンダブロックの周期構造体加工装置は、多気筒シリンダの加工に対して、上記第二回転筒体の先端部に反射ミラーユニットを備えて、この反射ミラーユニットの各反射ミラーから各シリンダのシリンダ内周面に一斉に照射回転させられるから、多気筒シリンダに対する周期構造体が一斉に整列加工される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置によれば、先ず、単気筒シリンダ又は多気筒シリンダにおいて、ピストンが往復動する上死点付近と下死点付近の周期構造体の密度を特に高めたから、ピストンの往復運動に対してストローク全体の摩擦係数を均一に低下でき、シリンダの耐久性が高められ、加工コストの低減や加工時間の短縮化ができる。
また、シリンダ内周面におけるピストンの上死点付近と下死点付近の周期構造体の密度を高め、中間部分の密度を粗く加工する加工方法が確立でき、且つこの加工方法を確実に遂行する装置が提供できる。
そして、多気筒シリンダにおいて、各反射ミラーから各シリンダ内周面の全周にフェムト秒レーザを照射回転して周期構造体一斉に整列加工でき、多気筒シリンダに対する加工コストの低減や加工時間の短縮化ができる。
【００２３】
しかして、エンジンにおいて、エネルギロスの低減による燃費向上がもたらす省エネ効果や耐寿命効果と地球環境の維持及び地球温暖化防止対策に大きく貢献するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明によるシリンダブロック及びシリンダブロックの周期構造加工方法とその装置について、図面に示す第１の実施の形態により説明する。図１は単気筒シリンダの斜視図と展開図、図２は多気筒シリンダの斜視図と展開図、図３はシリンダブロックの周期構造体加工装置の全体構成図、図４は反射ミラー部の拡大断面図、図５と図６はビームエキスパンダ部の詳細断面図、図７はホモジナイザーの拡大写真図、図８はλ／２板の作用図、図９は微細周期性溝を加工する基本構成図、図１０はディンプルを加工する基本構成図、図１１は各ホモジナイザーの機能説明図、図１２はＺ軸駆動手段の移動方法と加工軌跡の説明図、図１３は微細周期性溝の拡大写真図、図１４はディンプルの拡大写真図である。
【００２５】
はじめに、本発明のシリンダブロックの周期構造加工装置により加工された単気筒シリンダのシリンダブロックＣＢ１と、多気筒シリンダのシリンダブロックＣＢ２とを、図１及び図２で説明する。上記単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２は、そのシリンダ内周面６０でピストンが往復動する上死点Ｐ１と下死点Ｐ２間にわたるピストン・ストロークＳＯの摺動面６０Ａに周期構造（微細周期性溝ＫＭ又はディンプルＤＰ）が加工されているとともに、上死点付近と下死点付近の周期溝密度を高め、ストローク途中の周期溝密度が荒く形成されている。
これにより、ピストンは、単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２の内面で往復動する上死点Ｐ１付近と下死点Ｐ２付近における速度が折り返し点で減速され摩擦係数が増加傾向になっても、周期溝密度を高めた加工が施されているから、上記摩擦係数は低減されてエネルギーロスが低減される。また、ピストン・ストロークＳＯの途中の摩擦係数は、ピストンの移動速度が速いことから減少傾向となり周期溝密度を荒く形成しても増加しない。
【００２６】
続いて、図３〜図６により、本発明の第１の実施の形態のシリンダブロックの周期構造体加工装置１００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、シリンダブロックＣＢ１を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、シリンダブロックＣＢ１を外側から被せている。
【００２７】
上記シリンダブロックＣＢ１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、シリンダブロックＣＢ１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、これに搭載されてシリンダブロックＣ１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保持ベース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、上記シリンダブロックＣＢ１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に対するシリンダブロックＣＢ１のシリンダ６０内への挿入深さ位置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、上記シリンダブロックＣＢ１は、ワーク保持手段５Ａ上のチャック手段７に把持・固定されていて、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の照射を受ける。尚、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。
【００２８】
また、上記シリンダブロックＣＢ１の周期構造体加工装置１００には、上記各モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３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の回転角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シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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、上記シリンダブロックＣＢ１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にシリンダブロックＣＢ１の軸芯方向Ｏ２を移動させることで、上記フェムト秒レーザＬＯを外シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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Ｘ軸駆動手段３０とを合成したり、第一回転筒体４１及び第二回転筒体４９とを、一定の関係の基に回転させることも可能であるから、Ｚ軸駆動手段９の進退制御と絡めての三次元形状のシリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０に倣う制御運転が可能である。例えば、ロータリーエンジンのお結び型（三角形）のシリンダのように真円ではないシリンダ等の加工が行える。
【００２９】
次に、上記レーザ加工ヘッド２０について、図５と図６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、シリンダ面６０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。
【００３０】
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、上記シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０に微細周期性溝ＫＭを加工する場合は、図５と図８〜図１１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を介して進行し、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１１（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１１（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、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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、三次元形状のシリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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
させることでシリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０に一様な方向（図示では、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０の軸芯方向Ｏ２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９を参照）
【００３１】
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７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を通過してシリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０に照射される直線偏光との関係を図８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８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。
【００３２】
次に、上記シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０にディンプルＤＰを加工する場合は、図５と図８と図１０と図１１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、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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１１（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１０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１１（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できる。
【００３３】
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９（ａ）に示すように、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０に一様な方向に微細周期性溝ＫＭを整列加工するには、図９（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１０（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１０（ｂ）に示すレーザ加工ヘッド２０の光学系の構成とする。そして、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０に、所定幅の微細周期性溝またはディンプルＤＰを加工するには、図１２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Ｋ１，Ｋ２による加工が行なわれる。即ち、第二旋回筒体４９の１回転θ３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の加工軌跡Ｋ１により実施するか、Ｚ軸駆動手段９を所定の１ピック送りをネジ棒送りのように連続移動したスパイラル状の加工軌跡Ｋ２で加工される。図１３に微細周期性溝ＫＭを拡大した顕微鏡写真、図１４にディンプルＤＰを拡大した顕微鏡写真を示している。
【００３４】
本発明のシリンダブロック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、上記シリンダブロックの周期構造体加工方法は、ビームエキスパンダ部２０において、λ／２板Ｐと反射ミラーＭとの作用を受けてシリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０（具体的には、エンジンの単気筒シリンダＣ１）に向けて偏向照射光ＬＯを照射して微細周期性溝ＫＭが加工される。即ち、レーザ出力部２０Ａは、支持体４０に第一旋回筒体４１と第二旋回筒体４９とを備え、第一旋回筒体４１のλ／２板Ｐにフェムト秒レーザ光ＬＯを通過させて制御可能な直線偏光となって、上記第二旋回筒体４９の反射ミラーＭによりフェムト秒レーザＬＯが旋回軸線Ｏ１の方向から外径方向の外周に向けて進み、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０に向けて照射される。このとき、上記第一旋回筒体４１と第二旋回筒体４９とが旋回駆動手段ＳＤにより回転される。即ち、第二旋回筒体４９のレーザ照射部４９Ｃが１回転回転されるに際して、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、上記フェムト秒レーザＬＯをシリンダ内周面６０の全周に照射回転し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。その加工結果は、上記作用において、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０の軸芯方向への加工幅は、該シリンダブロックＣＢ１のＺ軸駆動手段９を−Ｚ軸方向または＋Ｚ軸方向へ移動させて行なわれる。しかして、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０には、図１に示すように、任意寸法の加工幅（上死点Ｐ１と下死点Ｐ２間にわたるピストン・ストロークＳＯ）となる摺動面６０Ａに、ナノ周期構造の微細周期性溝ＫＭが加工される。
【００３５】
更に、上記シリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置１００は、λ／２板Ｐと反射ミラーＭとの間にホモジナイザーＨ２を配置した実施例とすることができる。この時のフェムト秒レーザ光ＬＯのエネルギー断面は、図１１に示すように、楕円形状となり、その中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ＭＫ以外のディンプルＤＰがシリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０に効率良く加工される。勿論、ホモジナイザーＨ３を配置した実施例とすれば、微細周期性溝ＫＭとディンプルＤＰとが混合された周期構造体が加工される。
【００３６】
ここで、単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２の内面で往復動する上死点Ｐ１付近と下死点Ｐ２付近の周期溝密度を高め、ピストン・ストロークＳＯの途中の周期溝密度を荒く加工する方法を説明する。
図１５に示す周期構造体の密度特性図に見るように、加工開始点となる上死点Ｐ１付近のＺ軸駆動手段９を−Ｚ軸方向（軸芯方向）へ後退させる送りを最小として周期溝密度を高くする。そして、徐々に単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２を−Ｚ軸方向（軸芯方向）へ後退させる移動量とともに、送り速度を速め、ピストン・ストロークＳＯの途中の周期溝密度を幅広く荒く形成する。更に、加工終点となる下死点Ｐ２付近に接近すると、Ｚ軸駆動手段９を−Ｚ軸方向（軸芯方向）へ後退させる送りを最小として周期溝密度を高くする。上記周期溝密度の高い・荒い・その他のパターン形状は、Ｚ軸駆動手段９を−Ｚ軸方向（軸芯方向）へ後退させる送り速度特性・曲線により自由に変更可能である。その制御は、図３に示す制御手段２００により行なわれる。即ち、中央制御部ＣＰＵからの指令でＺ軸駆動手段９の駆動制御をプログラム及び運転するＮＣ制御部ＮＣにて送り速度特性・曲線を予めプログラム設定し、このプログラムにより駆動部ＤＤがＺ軸駆動手段９を−Ｚ軸方向（軸芯方向）へ速度制御して実行される。勿論、Ｚ軸駆動手段９の送りを＋Ｚ軸方向（軸芯方向）に移動させても良い。
【００３７】
しかして、単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２の内面で往復動する上死点Ｐ１付近と下死点Ｐ２付近における速度が折り返し点で減速され摩擦係数が増加傾向になっても、周期溝密度を高めた加工が施されているから、上記摩擦係数は低減されてエネルギーロスが低減される。また、ピストン・ストロークＳＯの途中の摩擦係数は、ピストンの移動速度が速いことから減少傾向となり周期溝密度を荒く形成しても増加しないこととなる。
【００３８】
以上、本発明の第１の実施の形態となるシリンダブロック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。上記単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２において、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。
【００３９】
更に、λ／２板と反射ミラーとの間に配置したホモジナイザー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）によりフェムト秒レーザ光の偏向光を集光させることができるから、各種模様の周期構造体を単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２に効率良く加工でき、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ＳＯ区間において、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。
【００４０】
次に、図１６と図１７により、第２の実施の態様となるシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置１００´は、多気筒シリンダブロックＣＢ２のシリンダＣ２に備える周期構造体（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）を同時加工する反射ミラーユニットＭＵを備えたものである。続いて、その具体的な構成を説明する。反射ミラーユニットＭＵは、上記支持体４０にその筐体７０が取り付けられている。上記筐体７０の左右対称位置には、上記支持体４０に備えた第二旋回筒体４９及びこの先端の固定外筒４９Ａと可動内筒４９Ｂと反射ミラーＭとからなるレーザ照射部４９´が３組一例として備えられている。これで、上記筐体７０から下方に突出する３組のレーザ照射部４９´は、下方位置に配置したシリンダブロックＣＢ２の多気筒シリンダＣ２（６０）の各シリンダ中心位置Ｏ３に合わせられている。上記中央位置のレーザ照射部４９´内には、凸レンズＲ３の直下に２枚のハーフミラーＭＨを備え、このハーフミラーＭＨでフェムト秒レーザＬＯを、レーザ分配路ＬＢとし、三方向分岐レーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３に分岐照射させる。各レーザ照射部４９´内には、分岐レーザＬ２，Ｌ３を受けて直下へ反射させるミラーＭＡ，ＭＢと、直下へ反射された分岐レーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３を多気筒シリンダＣ２の内周面６０に向けて反射させるミラーＭとを配置としている。上記各レーザ照射部４９´は、レーザ照射部４９´の下端に配置したミラーＭと同様に各々に配置したミラーＭが連動・同期して旋回動するように、各可動内筒４９Ｂ間にタイミングベルトＴＢが捲掛られている。尚、ハーフミラーＭＨとミラーＭＡ，ＭＢは、回転しないように適宜な固定手段で止められている。更に、上記３本のレーザ照射部４９´は、λ／２板Ｐの下方にホモジナイザー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またはディンプル加工用ホモジナイザーＨ２または両者の混合加工用ホモジナイザーＨ３）を配置していなければ、内周面６０には微細周期性溝ＫＭが形成される。従って、ディンプルＤＰや混合溝を加工させたいときは、ホモジナイザーＨ２またはＨ３を配置すればよい。
【００４１】
本発明の第２の実施の態様となる反射ミラーユニットＭＵは、上記のように構成されており、下記のように加工される。先ず、図１６と図１７に示すように、反射ミラーユニットＭＵの筐体７０から下方に突出する３組のレーザ照射部４９´の軸芯（回転中心）Ｏ１は、下方位置に配置したシリンダブロックＣＢ２の多気筒シリンダＣ２の各シリンダ中心位置Ｏ３に合わせられるとともに、多気筒シリンダＣ２におけるピストンの上死点Ｐ１に合わせられる。続いて、フェムト秒レーザ発振器１０とレーザ出力部２０Ａを起動するとともに、回転駆動手段ＳＤで第一旋回筒体４１と第二旋回筒体レーザ照射部４９´とを回転駆動し、Ｚ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ前進駆動させる。即ち、Ｚ軸駆動手段９をシリンダの＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇しての加工幅は、ピストン・ストロークＳＯに合わせられる。
【００４２】
ここで、各多気筒シリンダＣ２の内面でのピストン・ストロークＳＯの上死点Ｐ１付近と下死点Ｐ２付近の周期溝密度を高め、途中の周期溝密度を荒く加工する方法を説明する。図１５に示す周期構造体の密度特性図に見るように、加工開始点となる上死点Ｐ１付近のＺ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇させる送りを最小として周期溝密度を高くする。そして、徐々に多気筒シリンダＣ２を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇させる移動量とともに、送り速度を速め、ピストン・ストロークＳＯの途中の周期溝密度を幅広く荒く形成する。更に、加工終点となる下死点Ｐ２付近に接近すると、Ｚ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇させる送りを最小として周期溝密度を高くする。上記周期溝密度の高い・荒い・その他のパターン形状は、Ｚ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇させる送り速度特性・曲線により自由に変更可能である。その制御は、図３に示す制御手段２００により行なわれる。即ち、中央制御部ＣＰＵからの指令でＺ軸駆動手段９の駆動制御をプログラム及び運転するＮＣ制御部ＮＣにて送り速度特性・曲線を予めプログラム設定し、このプログラムにより駆動部ＤＤがＺ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇させて実行される。勿論、レーザ照射部４９´を、下死点Ｐ２から上死点Ｐ１へ向けての移動の場合は、Ｚ軸駆動手段９の送りを−Ｚ軸方向（軸芯方向）にされる。
【００４３】
以上のように、多気筒シリンダ（例えば３気筒で図示したが、これ以外の気筒数でも良い）を加工する第２の実施の態様のシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置１００´によれば、下記の効果が得られる。
即ち、反射ミラーユニットＭＵにより、各シリンダに対応して３組のレーザ照射部４９´を備えた各反射ミラーからの直線偏光を各シリンダ内周面の全周に照射回転させて周期性溝またはディンプルまたはこれらの混合溝を一斉に整列加工することができ、加工コストの低減や加工時間の短縮化が飛躍的にできる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のシリンダブロック及びシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置は、自動車の燃費改善対策として、エンジンにおけるピストンとシリンダ間の摩擦低減に限定されず、エアーコンプレッサーにおけるシリンダブロック、即ち、ピストンとシリンダ間の摩擦低減にも適用される。これにより、エンジン及びその他の機器におけるシリンダ内周面の摩擦抵抗を極限まで減らすために加工することが可能である。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・置換も自由に行い得るものである。具体的には、上記実施の形態では、横型の周期構造体加工装置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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の単気筒シリンダの斜視図と展開図である。
【図２】本発明の多気筒シリンダの斜視図と展開図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示し、シリンダ内周面の周期構造体加工装置の全体図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態を示し、ビームエキスパンダ部の概要断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を示し、ビームエキスパンダ部の詳細断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態を示し、ビームエキスパンダ部の詳細断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態を示し、ホモジナイザーの拡大写真図である。
【図８】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。
【図９】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基本構成図である。
【図１０】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基本構成図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態を示し、ホモジナイザーの機能説明図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態を示し、進退テーブルの移動方法と加工軌跡の説明図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態を示し、微細周期性溝の拡大写真図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態を示し、ディンプルの拡大写真図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態を示し、摺動面に加工される周期構造体の密度特性図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態を示し、多気筒シリンダ用の反射ミラーユニットの斜視図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態を示し、反射ミラーユニットによるシリンダ加工断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
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 ワーク保持ベース
７ チャック手段
９ Ｚ軸駆動手段
９Ａ 垂直台
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 励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 ビームエキスパンダ部
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
４９ 第二回転筒体
４９Ａ 固定外筒
４９Ｂ 可動内筒
４９Ｃ，４９Ｄ，４９Ｅ レーザ照射部
５０ プーリー
５１ プーリー
６０ シリンダ面
６０Ａ 摺動面
７０ 筐体
Ａ１，Ａ２ アイリス
ＣＢ１ 単気筒シリンダブロック
ＣＢ２ 多気筒シリンダブロック
Ｃ１ 単気筒シリンダ
Ｃ２ 多気筒シリンダ
ＣＰＵ 中央制御部
ＤＤ 駆動部
ＤＰ ディンプル
ＫＭ 微細周期性溝
ＬＯ フェムト秒レーザ光
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 分岐レーザ
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ ガイドレール部材
ＫＢ１，ＫＢ２ 確動ベルト
ＮＣ ＮＣ制御部
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ モータ
ＭＯ 駆動モータ
ＭＡ，ＭＢ 反射ミラー
ＭＵ 反射ミラーユニット
ＴＢ タイミングベルト
ＭＨ ハーフミラー
Ｈ１ 周期性溝用ホモジナイザー
Ｈ２ ディンプル加工用ホモジナイザー
Ｈ３ 両者の混合加工用ホモジナイザー
Ｐ λ／２板
Ｐ１ 上死点
Ｐ２ 下死点
ＲＯ 回転
Ｒ１ 平凹レンズ
Ｒ２，Ｒ３ 平凸レンズ
ＳＯ ピストン・ストローク
Ｓ シャッター
Ｓ１〜Ｓ６ 楕円スポット
ＳＤ 回転駆動手段
Ｏ１，Ｏ２ 軸芯
ＺＡ 挿入深さ位置
−Ｚ、＋Ｚ Ｚ軸方向
１００ 周期構造体加工装置
２００ 制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェムト秒レーザ加工機でシリンダブロックのシリンダ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、エンジンのシリンダ内周面に対する周期構造体を合理的に加工するシリンダブロック及びシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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に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や不連続のディンプル）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。
【０００３】
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。即ち、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が形成でき、また、円偏光させて照射することで微細構造のディンプルが形成される。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。）。
【０００４】
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。）。
【０００５】
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。）。
【０００６】
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。）。
【０００７】
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。）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２１１４００号公報
【特許文献２】特開２００３−３３４６８３号公報
【特許文献３】特開２００３−５７４２２号公報
【特許文献４】特開平６−３２０２７０号公報
【特許文献５】特開２００４−３６００１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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周期性構造体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。
【００１０】
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、ナノ周期構造を一度に広範囲に加工できる。しかし、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径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ナノ周期構造を成形させるに止まっている。これがために、シリンダ内周面のような三次元曲面内にナノ周期構造体を成形させることが出来ない。
【００１１】
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、シリンダブロックにおけるシリンダ内周面の新規な構造に特化するとともに、この周期構造体（微細周期性溝やディンプル）を単気筒シリンダや多気筒シリンダに対しても高精度に効率良く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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１のシリンダブロックは、シリンダ内周面でピストンが往復動する上死点と下死点間にわたるピストン摺動面に同一方向に整列された周期構造体が加工されたシリンダブロックにおいて、上記周期構造体は上死点付近と下死点付近の密度を高め中間部分の密度を粗く形成されたものであることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２のシリンダブロック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た第一回転筒体内に導き、上記第一回転筒体内に配置した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シリンダブロッ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回転させ、上記両筒体の回転に同期させながら上記チャック手段を上記シリンダブロックの内周面の軸芯方向へシリンダ内周面のピストンが往復動する上死点付近及び下死点付近の移動速度を速め中間部分の移動速度を遅くして周期性溝を同一方向に整列加工させることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３のシリンダブロックの周期構造体加工方法は、請求項２記載のシリンダブロック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、第二回転筒体内に備える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、上記シリンダ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。
【００１５】
請求項４のシリンダブロック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、上記第一回転筒体の筒内に設けられ直線偏光の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回転させる回転駆動手段と、上記反射ミラーの外周囲にシリンダ内周面の軸芯を合わせたシリンダブロックを把持するチャック手段と、上記チャック手段を上記シリンダブロックの内周面の軸芯方向へシリンダ内周面のピストンが往復動する上死点付近及び下死点付近の移動速度を速め中間部分の移動速度を遅く進退させるＺ軸駆動手段と、を具備したことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５のシリンダブロックの周期構造体加工装置は、請求項４記載のシリンダブロックの周期構造体加工装置において、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に設けた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、上記シリンダ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。
【００１７】
請求項６のシリンダブロックの周期構造体加工装置は、請求項４または５記載のシリンダブロックの周期構造体加工装置において、上記第二回転筒体の先端部に、多気筒シリンダの各シリンダ内周面に周期構造体を一斉に整列加工する反射ミラーユニットを具備したことを特徴とするものである。
【００１８】
本発明のシリンダブロック及びシリンダブロック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に記載のシリンダブロックは、ピストンが往復動する上死点と下死点間のピストン摺動面に周期構造体を加工するとともに、上死点付近と下死点付近の周期溝の密度を高め、ピストン・ストロークの中間部分の周期溝の密度を粗く加工されている。これで、ピストンは、シリンダ内で往復動する上死点付近と下死点付近における速度が折り返し点で減速され摩擦係数が増加傾向になっても、周期溝密度を高めた加工が施されていることから、上記摩擦係数は低減されてエネルギーロスが低減される。また、ピストンのストローク途中の摩擦係数は、ピストンの移動速度が速いことから減少傾向となり周期溝密度を荒く加工しても増加しない。しかして、ピストンの往復運動に対してストローク全体の摩擦係数を均一に低下させられ、シリンダの耐久性が高めらる上に、単気筒シリンダ又は多気筒シリンダに対する加工コストの低減や加工時間の短縮化が図れる。
【００１９】
第２に、請求項２または４のシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置は、フェムト秒レーザをシリンダ内周面に向けて照射して周期構造体を加工するに際して、レーザ加工ヘッドには、第一回転筒体と第二回転筒体とを備え、第一回転筒体のλ／２板にフェムト秒レーザを通過させて偏光可能な直線偏光とし、上記第二回転筒体に備える反射ミラー等によりフェムト秒レーザを外径方向となるシリンダ内周面に向けて進ませ、上記第二回転筒体の先端外周側に配置したシリンダの内周面に向けて照射される。このとき、上記第一回転筒体と第二回転筒体とは、回転駆動手段により回転軸芯を一致させて１回転されるに際して、上記λ／２板を上記反射ミラーの１／２の回転量として両筒体が回転される。これにより、上記フェムト秒レーザをシリンダ内周面の全周に照射回転して周期構造体の微細周期性溝が同一方向に整列加工される。そして、シリンダの軸芯方向への加工幅は、該シリンダを把持するチャック手段をＺ軸駆動手段により移動させて行なわれる。上記シリンダを軸芯方向に進退移動させるに際して、シリンダ内周面でピストンが往復動する上死点付近と下死点付近の周期溝密度を高めるべく送り速度を低下させ、中間部分の周期溝密度を粗くするべく送り速度を速くする制御が行なわれる。かくして、シリンダ内周面におけるピストンの上死点付近と下死点付近の周期溝密度が高められ、途中の周期溝密度が荒く加工される。
【００２０】
第３に、請求項３または５において、λ／２板と反射ミラーとの間に配置し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より、フェムト秒レーザの直線偏光を集束させることができるから、微細周期性溝またはディンプルまたは混合溝がシリンダに加工させられる。
【００２１】
第４に、請求項６のシリンダブロックの周期構造体加工装置は、多気筒シリンダの加工に対して、上記第二回転筒体の先端部に反射ミラーユニットを備えて、この反射ミラーユニットの各反射ミラーから各シリンダのシリンダ内周面に一斉に照射回転させられるから、多気筒シリンダに対する周期構造体が一斉に整列加工される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置によれば、先ず、単気筒シリンダ又は多気筒シリンダにおいて、ピストンが往復動する上死点付近と下死点付近の周期構造体の密度を特に高めたから、ピストンの往復運動に対してストローク全体の摩擦係数を均一に低下でき、シリンダの耐久性が高められ、加工コストの低減や加工時間の短縮化ができる。
また、シリンダ内周面におけるピストンの上死点付近と下死点付近の周期構造体の密度を高め、中間部分の密度を粗く加工する加工方法が確立でき、且つこの加工方法を確実に遂行する装置が提供できる。
そして、多気筒シリンダにおいて、各反射ミラーから各シリンダ内周面の全周にフェムト秒レーザを照射回転して周期構造体一斉に整列加工でき、多気筒シリンダに対する加工コストの低減や加工時間の短縮化ができる。
【００２３】
しかして、エンジンにおいて、エネルギロスの低減による燃費向上がもたらす省エネ効果や耐寿命効果と地球環境の維持及び地球温暖化防止対策に大きく貢献するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明によるシリンダブロック及びシリンダブロックの周期構造加工方法とその装置について、図面に示す第１の実施の形態により説明する。図１は単気筒シリンダの斜視図と展開図、図２は多気筒シリンダの斜視図と展開図、図３はシリンダブロックの周期構造体加工装置の全体構成図、図４は反射ミラー部の拡大断面図、図５と図６はビームエキスパンダ部の詳細断面図、図７はホモジナイザーの拡大写真図、図８はλ／２板の作用図、図９は微細周期性溝を加工する基本構成図、図１０はディンプルを加工する基本構成図、図１１は各ホモジナイザーの機能説明図、図１２はＺ軸駆動手段の移動方法と加工軌跡の説明図、図１３は微細周期性溝の拡大写真図、図１４はディンプルの拡大写真図である。
【００２５】
はじめに、本発明のシリンダブロックの周期構造加工装置により加工された単気筒シリンダのシリンダブロックＣＢ１と、多気筒シリンダのシリンダブロックＣＢ２とを、図１及び図２で説明する。上記単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２は、そのシリンダ内周面６０でピストンが往復動する上死点Ｐ１と下死点Ｐ２間にわたるピストン・ストロークＳＯの摺動面６０Ａに周期構造（微細周期性溝ＫＭ又はディンプルＤＰ）が加工されているとともに、上死点付近と下死点付近の周期溝密度を高め、ストローク途中の周期溝密度が荒く形成されている。
これにより、ピストンは、単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２の内面で往復動する上死点Ｐ１付近と下死点Ｐ２付近における速度が折り返し点で減速され摩擦係数が増加傾向になっても、周期溝密度を高めた加工が施されているから、上記摩擦係数は低減されてエネルギーロスが低減される。また、ピストン・ストロークＳＯの途中の摩擦係数は、ピストンの移動速度が速いことから減少傾向となり周期溝密度を荒く形成しても増加しない。
【００２６】
続いて、図３〜図６により、本発明の第１の実施の形態のシリンダブロックの周期構造体加工装置１００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、シリンダブロックＣＢ１を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、シリンダブロックＣＢ１を外側から被せている。
【００２７】
上記シリンダブロックＣＢ１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、シリンダブロックＣＢ１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、これに搭載されてシリンダブロックＣ１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保持ベース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、上記シリンダブロックＣＢ１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に対するシリンダブロックＣＢ１のシリンダ６０内への挿入深さ位置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、上記シリンダブロックＣＢ１は、ワーク保持手段５Ａ上のチャック手段７に把持・固定されていて、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の照射を受ける。尚、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。
【００２８】
また、上記シリンダブロックＣＢ１の周期構造体加工装置１００には、上記各モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３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の回転角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シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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、上記シリンダブロックＣＢ１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にシリンダブロックＣＢ１の軸芯方向Ｏ２を移動させることで、上記フェムト秒レーザＬＯを外シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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Ｘ軸駆動手段３０とを合成したり、第一回転筒体４１及び第二回転筒体４９とを、一定の関係の基に回転させることも可能であるから、Ｚ軸駆動手段９の進退制御と絡めての三次元形状のシリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０に倣う制御運転が可能である。例えば、ロータリーエンジンのお結び型（三角形）のシリンダのように真円ではないシリンダ等の加工が行える。
【００２９】
次に、上記レーザ加工ヘッド２０について、図５と図６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、シリンダ面６０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。
【００３０】
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、上記シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０に微細周期性溝ＫＭを加工する場合は、図５と図８〜図１１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を介して進行し、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１１（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１１（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、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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、三次元形状のシリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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
させることでシリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０に一様な方向（図示では、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０の軸芯方向Ｏ２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９を参照）
【００３１】
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７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を通過してシリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０に照射される直線偏光との関係を図８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８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。
【００３２】
次に、上記シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０にディンプルＤＰを加工する場合は、図５と図８と図１０と図１１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、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０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１１（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１０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１１（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できる。
【００３３】
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９（ａ）に示すように、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ面６０に一様な方向に微細周期性溝ＫＭを整列加工するには、図９（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１０（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１０（ｂ）に示すレーザ加工ヘッド２０の光学系の構成とする。そして、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０に、所定幅の微細周期性溝またはディンプルＤＰを加工するには、図１２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Ｋ１，Ｋ２による加工が行なわれる。即ち、第二旋回筒体４９の１回転θ３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の加工軌跡Ｋ１により実施するか、Ｚ軸駆動手段９を所定の１ピック送りをネジ棒送りのように連続移動したスパイラル状の加工軌跡Ｋ２で加工される。図１３に微細周期性溝ＫＭを拡大した顕微鏡写真、図１４にディンプルＤＰを拡大した顕微鏡写真を示している。
【００３４】
本発明のシリンダブロック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、上記シリンダブロックの周期構造体加工方法は、ビームエキスパンダ部２０において、λ／２板Ｐと反射ミラーＭとの作用を受けてシリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０（具体的には、エンジンの単気筒シリンダＣ１）に向けて偏向照射光ＬＯを照射して微細周期性溝ＫＭが加工される。即ち、レーザ出力部２０Ａは、支持体４０に第一旋回筒体４１と第二旋回筒体４９とを備え、第一旋回筒体４１のλ／２板Ｐにフェムト秒レーザ光ＬＯを通過させて制御可能な直線偏光となって、上記第二旋回筒体４９の反射ミラーＭによりフェムト秒レーザＬＯが旋回軸線Ｏ１の方向から外径方向の外周に向けて進み、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０に向けて照射される。このとき、上記第一旋回筒体４１と第二旋回筒体４９とが旋回駆動手段ＳＤにより回転される。即ち、第二旋回筒体４９のレーザ照射部４９Ｃが１回転回転されるに際して、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、上記フェムト秒レーザＬＯをシリンダ内周面６０の全周に照射回転し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。その加工結果は、上記作用において、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０の軸芯方向への加工幅は、該シリンダブロックＣＢ１のＺ軸駆動手段９を−Ｚ軸方向または＋Ｚ軸方向へ移動させて行なわれる。しかして、シリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０には、図１に示すように、任意寸法の加工幅（上死点Ｐ１と下死点Ｐ２間にわたるピストン・ストロークＳＯ）となる摺動面６０Ａに、ナノ周期構造の微細周期性溝ＫＭが加工される。
【００３５】
更に、上記シリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置１００は、λ／２板Ｐと反射ミラーＭとの間にホモジナイザーＨ２を配置した実施例とすることができる。この時のフェムト秒レーザ光ＬＯのエネルギー断面は、図１１に示すように、楕円形状となり、その中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ＭＫ以外のディンプルＤＰがシリンダブロックＣＢ１のシリンダ内周面６０に効率良く加工される。勿論、ホモジナイザーＨ３を配置した実施例とすれば、微細周期性溝ＫＭとディンプルＤＰとが混合された周期構造体が加工される。
【００３６】
ここで、単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２の内面で往復動する上死点Ｐ１付近と下死点Ｐ２付近の周期溝密度を高め、ピストン・ストロークＳＯの途中の周期溝密度を荒く加工する方法を説明する。
図１５に示す周期構造体の密度特性図に見るように、加工開始点となる上死点Ｐ１付近のＺ軸駆動手段９を−Ｚ軸方向（軸芯方向）へ後退させる送りを最小として周期溝密度を高くする。そして、徐々に単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２を−Ｚ軸方向（軸芯方向）へ後退させる移動量とともに、送り速度を速め、ピストン・ストロークＳＯの途中の周期溝密度を幅広く荒く形成する。更に、加工終点となる下死点Ｐ２付近に接近すると、Ｚ軸駆動手段９を−Ｚ軸方向（軸芯方向）へ後退させる送りを最小として周期溝密度を高くする。上記周期溝密度の高い・荒い・その他のパターン形状は、Ｚ軸駆動手段９を−Ｚ軸方向（軸芯方向）へ後退させる送り速度特性・曲線により自由に変更可能である。その制御は、図３に示す制御手段２００により行なわれる。即ち、中央制御部ＣＰＵからの指令でＺ軸駆動手段９の駆動制御をプログラム及び運転するＮＣ制御部ＮＣにて送り速度特性・曲線を予めプログラム設定し、このプログラムにより駆動部ＤＤがＺ軸駆動手段９を−Ｚ軸方向（軸芯方向）へ速度制御して実行される。勿論、Ｚ軸駆動手段９の送りを＋Ｚ軸方向（軸芯方向）に移動させても良い。
【００３７】
しかして、単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２の内面で往復動する上死点Ｐ１付近と下死点Ｐ２付近における速度が折り返し点で減速され摩擦係数が増加傾向になっても、周期溝密度を高めた加工が施されているから、上記摩擦係数は低減されてエネルギーロスが低減される。また、ピストン・ストロークＳＯの途中の摩擦係数は、ピストンの移動速度が速いことから減少傾向となり周期溝密度を荒く形成しても増加しないこととなる。
【００３８】
以上、本発明の第１の実施の形態となるシリンダブロック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。上記単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２において、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。
【００３９】
更に、λ／２板と反射ミラーとの間に配置したホモジナイザー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）によりフェムト秒レーザ光の偏向光を集光させることができるから、各種模様の周期構造体を単気筒シリンダＣ１及び多気筒シリンダＣ２に効率良く加工でき、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ＳＯ区間において、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。
【００４０】
次に、図１６と図１７により、第２の実施の態様となるシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置１００´は、多気筒シリンダブロックＣＢ２のシリンダＣ２に備える周期構造体（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）を同時加工する反射ミラーユニットＭＵを備えたものである。続いて、その具体的な構成を説明する。反射ミラーユニットＭＵは、上記支持体４０にその筐体７０が取り付けられている。上記筐体７０の左右対称位置には、上記支持体４０に備えた第二旋回筒体４９及びこの先端の固定外筒４９Ａと可動内筒４９Ｂと反射ミラーＭとからなるレーザ照射部４９´が３組一例として備えられている。これで、上記筐体７０から下方に突出する３組のレーザ照射部４９´は、下方位置に配置したシリンダブロックＣＢ２の多気筒シリンダＣ２（６０）の各シリンダ中心位置Ｏ３に合わせられている。上記中央位置のレーザ照射部４９´内には、凸レンズＲ３の直下に２枚のハーフミラーＭＨを備え、このハーフミラーＭＨでフェムト秒レーザＬＯを、レーザ分配路ＬＢとし、三方向分岐レーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３に分岐照射させる。各レーザ照射部４９´内には、分岐レーザＬ２，Ｌ３を受けて直下へ反射させるミラーＭＡ，ＭＢと、直下へ反射された分岐レーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３を多気筒シリンダＣ２の内周面６０に向けて反射させるミラーＭとを配置としている。上記各レーザ照射部４９´は、レーザ照射部４９´の下端に配置したミラーＭと同様に各々に配置したミラーＭが連動・同期して旋回動するように、各可動内筒４９Ｂ間にタイミングベルトＴＢが捲掛られている。尚、ハーフミラーＭＨとミラーＭＡ，ＭＢは、回転しないように適宜な固定手段で止められている。更に、上記３本のレーザ照射部４９´は、λ／２板Ｐの下方にホモジナイザー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またはディンプル加工用ホモジナイザーＨ２または両者の混合加工用ホモジナイザーＨ３）を配置していなければ、内周面６０には微細周期性溝ＫＭが形成される。従って、ディンプルＤＰや混合溝を加工させたいときは、ホモジナイザーＨ２またはＨ３を配置すればよい。
【００４１】
本発明の第２の実施の態様となる反射ミラーユニットＭＵは、上記のように構成されており、下記のように加工される。先ず、図１６と図１７に示すように、反射ミラーユニットＭＵの筐体７０から下方に突出する３組のレーザ照射部４９´の軸芯（回転中心）Ｏ１は、下方位置に配置したシリンダブロックＣＢ２の多気筒シリンダＣ２の各シリンダ中心位置Ｏ３に合わせられるとともに、多気筒シリンダＣ２におけるピストンの上死点Ｐ１に合わせられる。続いて、フェムト秒レーザ発振器１０とレーザ出力部２０Ａを起動するとともに、回転駆動手段ＳＤで第一旋回筒体４１と第二旋回筒体レーザ照射部４９´とを回転駆動し、Ｚ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ前進駆動させる。即ち、Ｚ軸駆動手段９をシリンダの＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇しての加工幅は、ピストン・ストロークＳＯに合わせられる。
【００４２】
ここで、各多気筒シリンダＣ２の内面でのピストン・ストロークＳＯの上死点Ｐ１付近と下死点Ｐ２付近の周期溝密度を高め、途中の周期溝密度を荒く加工する方法を説明する。図１５に示す周期構造体の密度特性図に見るように、加工開始点となる上死点Ｐ１付近のＺ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇させる送りを最小として周期溝密度を高くする。そして、徐々に多気筒シリンダＣ２を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇させる移動量とともに、送り速度を速め、ピストン・ストロークＳＯの途中の周期溝密度を幅広く荒く形成する。更に、加工終点となる下死点Ｐ２付近に接近すると、Ｚ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇させる送りを最小として周期溝密度を高くする。上記周期溝密度の高い・荒い・その他のパターン形状は、Ｚ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇させる送り速度特性・曲線により自由に変更可能である。その制御は、図３に示す制御手段２００により行なわれる。即ち、中央制御部ＣＰＵからの指令でＺ軸駆動手段９の駆動制御をプログラム及び運転するＮＣ制御部ＮＣにて送り速度特性・曲線を予めプログラム設定し、このプログラムにより駆動部ＤＤがＺ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（軸芯方向）へ上昇させて実行される。勿論、レーザ照射部４９´を、下死点Ｐ２から上死点Ｐ１へ向けての移動の場合は、Ｚ軸駆動手段９の送りを−Ｚ軸方向（軸芯方向）にされる。
【００４３】
以上のように、多気筒シリンダ（例えば３気筒で図示したが、これ以外の気筒数でも良い）を加工する第２の実施の態様のシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置１００´によれば、下記の効果が得られる。
即ち、反射ミラーユニットＭＵにより、各シリンダに対応して３組のレーザ照射部４９´を備えた各反射ミラーからの直線偏光を各シリンダ内周面の全周に照射回転させて周期性溝またはディンプルまたはこれらの混合溝を一斉に整列加工することができ、加工コストの低減や加工時間の短縮化が飛躍的にできる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のシリンダブロック及びシリンダブロックの周期構造体加工方法とその装置は、自動車の燃費改善対策として、エンジンにおけるピストンとシリンダ間の摩擦低減に限定されず、エアーコンプレッサーにおけるシリンダブロック、即ち、ピストンとシリンダ間の摩擦低減にも適用される。これにより、エンジン及びその他の機器におけるシリンダ内周面の摩擦抵抗を極限まで減らすために加工することが可能である。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・置換も自由に行い得るものである。具体的には、上記実施の形態では、横型の周期構造体加工装置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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の単気筒シリンダの斜視図と展開図である。
【図２】本発明の多気筒シリンダの斜視図と展開図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示し、シリンダ内周面の周期構造体加工装置の全体図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態を示し、ビームエキスパンダ部の概要断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を示し、ビームエキスパンダ部の詳細断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態を示し、ビームエキスパンダ部の詳細断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態を示し、ホモジナイザーの拡大写真図である。
【図８】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。
【図９】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基本構成図である。
【図１０】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基本構成図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態を示し、ホモジナイザーの機能説明図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態を示し、進退テーブルの移動方法と加工軌跡の説明図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態を示し、微細周期性溝の拡大写真図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態を示し、ディンプルの拡大写真図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態を示し、摺動面に加工される周期構造体の密度特性図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態を示し、多気筒シリンダ用の反射ミラーユニットの斜視図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態を示し、反射ミラーユニットによるシリンダ加工断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
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 ワーク保持ベース
７ チャック手段
９ Ｚ軸駆動手段
９Ａ 垂直台
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 励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 ビームエキスパンダ部
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
４９ 第二回転筒体
４９Ａ 固定外筒
４９Ｂ 可動内筒
４９Ｃ，４９Ｄ，４９Ｅ レーザ照射部
５０ プーリー
５１ プーリー
６０ シリンダ面
６０Ａ 摺動面
７０ 筐体
Ａ１，Ａ２ アイリス
ＣＢ１ 単気筒シリンダブロック
ＣＢ２ 多気筒シリンダブロック
Ｃ１ 単気筒シリンダ
Ｃ２ 多気筒シリンダ
ＣＰＵ 中央制御部
ＤＤ 駆動部
ＤＰ ディンプル
ＫＭ 微細周期性溝
ＬＯ フェムト秒レーザ光
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 分岐レーザ
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３ ガイドレール部材
ＫＢ１，ＫＢ２ 確動ベルト
ＮＣ ＮＣ制御部
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ モータ
ＭＯ 駆動モータ
ＭＡ，ＭＢ 反射ミラー
ＭＵ 反射ミラーユニット
ＴＢ タイミングベルト
ＭＨ ハーフミラー
Ｈ１ 周期性溝用ホモジナイザー
Ｈ２ ディンプル加工用ホモジナイザー
Ｈ３ 両者の混合加工用ホモジナイザー
Ｐ λ／２板
Ｐ１ 上死点
Ｐ２ 下死点
ＲＯ 回転
Ｒ１ 平凹レンズ
Ｒ２，Ｒ３ 平凸レンズ
ＳＯ ピストン・ストローク
Ｓ シャッター
Ｓ１〜Ｓ６ 楕円スポット
ＳＤ 回転駆動手段
Ｏ１，Ｏ２ 軸芯
ＺＡ 挿入深さ位置
−Ｚ、＋Ｚ Ｚ軸方向
１００ 周期構造体加工装置
２００ 制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内周面でピストンが往復動する上死点と下死点間にわたるピストン摺動面に同一方向に整列された周期構造体が加工されたシリンダブロックにおいて、上記周期構造体は上死点付近と下死点付近の密度を高め中間部分の密度を粗く形成されたものであることを特徴とするシリンダブロック。
【請求項２】
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シリンダブロッ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回転させ、上記両筒体の回転に同期させながら上記チャック手段を上記シリンダブロックの内周面の軸芯方向へシリンダ内周面のピストンが往復動する上死点付近及び下死点付近の移動速度を速め中間部分の移動速度を遅くして周期性溝を同一方向に整列加工させることを特徴とするシリンダブロックの周期構造体加工方法。
【請求項３】
上記反射ミラーに向かうフェムト秒レーザを、第二回転筒体内に備える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、上記シリンダ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２記載のシリンダブロックの周期構造体加工方法。
【請求項４】
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、上記第一回転筒体の筒内に設けられ直線偏光の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回転させる回転駆動手段と、上記反射ミラーの外周囲にシリンダ内周面の軸芯を合わせたシリンダブロックを把持するチャック手段と、上記チャック手段を上記シリンダブロックの内周面の軸芯方向へシリンダ内周面のピストンが往復動する上死点付近及び下死点付近の移動速度を速め中間部分の移動速度を遅く進退させるＺ軸駆動手段と、を具備したことを特徴とするシリンダブロックの周期構造体加工装置。
【請求項５】
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に設けた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、上記シリンダ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４記載のシリンダブロックの周期構造体加工装置。
【請求項６】
上記第二回転筒体の先端部に、多気筒シリンダの各シリンダ内周面に周期構造体を一斉に整列加工する反射ミラーユニットを具備したことを特徴とする請求項４または５記載のシリンダブロックの周期構造体加工装置。
【請求項１】
シリンダ内周面でピストンが往復動する上死点と下死点間にわたるピストン摺動面に同一方向に整列された周期構造体が加工されたシリンダブロックにおいて、上記周期構造体は上死点付近と下死点付近の密度を高め中間部分の密度を粗く形成されたものであることを特徴とするシリンダブロック。
【請求項２】
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シリンダブロッ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回転させ、上記両筒体の回転に同期させながら上記チャック手段を上記シリンダブロックの内周面の軸芯方向へシリンダ内周面のピストンが往復動する上死点付近及び下死点付近の移動速度を速め中間部分の移動速度を遅くして周期性溝を同一方向に整列加工させることを特徴とするシリンダブロックの周期構造体加工方法。
【請求項３】
上記反射ミラーに向かうフェムト秒レーザを、第二回転筒体内に備える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、上記シリンダ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２記載のシリンダブロックの周期構造体加工方法。
【請求項４】
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、上記第一回転筒体の筒内に設けられ直線偏光の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回転させる回転駆動手段と、上記反射ミラーの外周囲にシリンダ内周面の軸芯を合わせたシリンダブロックを把持するチャック手段と、上記チャック手段を上記シリンダブロックの内周面の軸芯方向へシリンダ内周面のピストンが往復動する上死点付近及び下死点付近の移動速度を速め中間部分の移動速度を遅く進退させるＺ軸駆動手段と、を具備したことを特徴とするシリンダブロックの周期構造体加工装置。
【請求項５】
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に設けた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、上記シリンダ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４記載のシリンダブロックの周期構造体加工装置。
【請求項６】
上記第二回転筒体の先端部に、多気筒シリンダの各シリンダ内周面に周期構造体を一斉に整列加工する反射ミラーユニットを具備したことを特徴とする請求項４または５記載のシリンダブロックの周期構造体加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−２００７００（Ｐ２００８−２００７００Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３７９６５（Ｐ２００７−３７９６５）
【出願日】平成１９年２月１９日（２００７．２．１９）
【出願人】（０００１２１２０２）エンシュウ株式会社 (25)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（５９１１１４８０３）財団法人レーザー技術総合研究所 (36)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１９日（２００７．２．１９）
【出願人】（０００１２１２０２）エンシュウ株式会社 (25)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（５９１１１４８０３）財団法人レーザー技術総合研究所 (36)
【Ｆターム（参考）】
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