円筒内周面の周期構造体加工方法と円筒内周面の周期構造体加工装置
【課題】 円筒ワークの円筒内周面に特化して周期構造（微細周期性溝やディンプル）の規則性形状を狂わせることなく高精度に整列加工できるようにした円筒内周面の周期構造加工方法とその装置を提供する。
【解決手段】 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４１内に導き、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、第一回転筒体に対して軸芯Ｏ２を合わせて回転可能に設けられた第二回転筒体４９内に配置された集光レンズＲ３と反射ミラーＭ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、円筒ワークＷの内周面Ｗ１を対面させて上記フェムト秒レーザを照射させ、反射ミラーを備えた第二回転筒体の回転１回転に対して上記λ／２板Ｐを備えた第一回転筒体を１／２の回転させ、上記円筒ワークの内周面に周期性溝ＫＭを同一方向に整列加工する。
【解決手段】 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４１内に導き、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、第一回転筒体に対して軸芯Ｏ２を合わせて回転可能に設けられた第二回転筒体４９内に配置された集光レンズＲ３と反射ミラーＭ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、円筒ワークＷの内周面Ｗ１を対面させて上記フェムト秒レーザを照射させ、反射ミラーを備えた第二回転筒体の回転１回転に対して上記λ／２板Ｐを備えた第一回転筒体を１／２の回転させ、上記円筒ワークの内周面に周期性溝ＫＭを同一方向に整列加工する。
【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。
【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。
【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。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。）。
【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。
【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。
【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、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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【発明の効果】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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）
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】微細周期性溝の拡大写真図である。
【図１２】ディンプルの拡大写真図である。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【符号の説明】
【００５２】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【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。
【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。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。）。
【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。
【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。
【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、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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【発明の効果】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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）
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】微細周期性溝の拡大写真図である。
【図１２】ディンプルの拡大写真図である。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【符号の説明】
【００５２】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【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。
【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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【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。
【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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−２００６９８（Ｐ２００８−２００６９８Ａ）
【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２００７−３７９６３（Ｐ２００７−３７９６３）
【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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