周期構造の作成方法および周期構造の作成装置
【課題】周期構造のパターニングの自由度を損なうことなく、作成作業時間の短縮化を図ることができる、生産性に優れる周期構造の作成方法および周期構造の作成装置を提供する。
【解決手段】主走査を行う主走査用偏向器５と副走査を行う副走査用偏向器６とを同時に連続的に動作させながら、パルスレーザ光源１の繰返し周波数と主走査用偏向器５の主走査周波数の関係が、整数比の関係か、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように保って、レーザ照射スポットをレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して二次元的に走査する。
【解決手段】主走査を行う主走査用偏向器５と副走査を行う副走査用偏向器６とを同時に連続的に動作させながら、パルスレーザ光源１の繰返し周波数と主走査用偏向器５の主走査周波数の関係が、整数比の関係か、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように保って、レーザ照射スポットをレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して二次元的に走査する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する、周期構造の作成方法および作成装置に関し、特に、レーザ照射スポット径よりも大きな形成幅の周期構造の作成に好適な作成方法と作成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップ走査して、入射光の偏光成分と加工対象物の表面に沿った散乱光の偏光成分の干渉部分のアブレーションによって、自己組織的に入射光の偏光方向に直交した、入射光波長程度の間隔を持つ周期構造を作成する方法が知られており、その作成装置も市販されている（特許文献１、非特許文献１）。
【０００３】
加工対象物に周期構造を作成する目的は、摺動特性の向上や切削・塑性加工特性の向上、引き離し力の低減、薄膜の密着性向上、加飾効果向上、濡れ性制御、及び生体親和性の向上などと多様である。また、加工の目的や加工対象物の寸法に応じて、求められる周期構造の形成幅や間欠比率や方向性などのパターニングも様々である（特許文献２、非特許文献２、及び非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０５４３３０号公報
【特許文献２】特許第４２６３１８５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「フェムト秒レーザで形成する表面周期構造」Laser Focus World、２００６年１０月」
【非特許文献２】「フェムト秒レーザによる表面微細加工：トライボロジスト、第５５巻第２号、２０１０年２月１５日」
【非特許文献３】「フェムト秒レーザによるモルフォ蝶型発光体の大面積・高速作成、光アライアンス、２０１１年４月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この周期構造の作成装置におけるレーザ光の照射方法の従来方法について、簡略全体斜視図を用いて説明する。図１２は従来の装置で３本の帯かならなる形成幅Ｗｘの間欠周期構造を作成したときの簡略全体斜視図を示す。パルスレーザ光源１が発振した直線偏光レーザを偏光板４に透過させ、１／２波長板の回転位置によって偏光を制御する。周期構造の凹凸溝はレーザの偏光方向に直交して形成されるため、例えば、摺動部品であれば、その相対的な動きの方向に対して、油膜などの流体力学的な作用が低摩擦特性に最適となる方向に凹凸溝が形成されるように偏光を設定する。ビームエキスパンダ２と集光レンズ７は、レーザ照射スポットの大きさを定めるものである。主走査方向のＹ軸方向にレーザ照射スポットＢｙが一定量でオーバラップするように、主走査ステージを一定速度で動かすことで、レーザビームの相対的な走査を行って周期構造を作成していた。
【０００７】
従来の周期構造の作成装置の課題は、作成作業時間の長さにある。前述の主走査で作成した周期構造の帯幅（Ｘ軸方向の幅）はレーザ照射スポットＢｘと等しいため、レーザ照射スポットＢｘよりも大きな形成幅Ｗｘの周期構造を作成したい場合は、必要な形成幅が一回の主走査では得られなかった。そのため、従来では、レーザ照射スポットを、その１つ前のパルスによるレーザ照射スポットＢｙ上に含まれるようにオーバーラップさせながら主走査を行って一本目の周期構造の帯を形成した後に、主走査と直交する方向にレーザ照射スポットを移動させて（副走査を行い）、再度主走査を行うことで、必要な形成幅に周期構造の帯を併設していた。この場合、副走査の移動時間とともに主走査した移動距離分を毎回、走査の開始位置に戻すためのリターン動作が必要になるため、リターン動作時間×副走査回数の時間ロスの発生が大きな問題になっていた。
【０００８】
走査手順として、主走査を行って一本目の周期構造の帯を形成した後に、主走査と直交する方向にレーザ照射スポットを移動させて（副走査を行い）、先の主走査と反対方向にレーザ照射スポットをオーバーラップ走査することで、走査の開始位置に戻すためのリターン時間を解消する方法が考えれれる。この場合、主走査のリターンロスは解消されるが副走査に要する時間ロスは依然として残る。また、主走査方向にレーザ照射スポットの強度分布や偏光が対称でなければ、周期構造の凹凸溝の傾きや凹凸溝のピッチなどが同じ形状にならず、交互に作成した周期構造の帯の様相が異なるものになってしまうという問題があった。すなわち、理想的な強度分布や偏光分布をもつレーザビームであることがこの走査手順の必要条件となるため、実際には加工品質を保つためには一方向にオーバーラップ走査する必要があった。
【０００９】
作成作業時間を短縮する方法としては、光学的にレーザ集光スポットを分割して同時照射することが考えられる。図１２の例では３光路に分割して同時照射すれば、副走査に要する時間ロスも主走査のリターンロスも解消できる。しかし、光学系を固定することで
周期構造の形成幅や間欠比や方向性などのパターニングの自由度は小さくなる。加工対象物の寸法や用途に応じて、求められる周期構造の形成幅や間欠比などのパターニングは様々であるため、パターニングの自由度は大きいことが望まれる。
【００１０】
以上のように、周期構造の作成技術は様々な加工対象物に方向性を持たせた微細な凹凸溝を形成することで、表面機能を付与する表面改質技術であるが、レーザ集光スポットを一方向にオーバーラップ走査した軌跡をもって、パターニングを行うために、作成作業時間の短縮が重要な課題であった。本発明は、上記の課題に鑑みて、パターニングの自由度を損なうことなく、周期構造の作成作業時間の短縮化を図ることができ、生産性に優れる周期構造の作成方法および周期構造の作成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題は、主走査と副走査を同時に連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が、整数比の関係か、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように保って、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むように、オーバーラップ位置を制御して二次元的に走査することで達成される。
【００１２】
そこで、本発明の周期構造の作成方法は、加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する、周期構造の作成方法であって、主走査を行う主走査用偏向器と副走査を行う副走査用偏向器とを、連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係を一定に保つことで、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して、二次元的に走査するものである。
【００１３】
また、本発明の周期構造の作成装置は、加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する、周期構造の作成装置であって、パルスレーザ光源と、主走査を行う主走査用偏向器と、副走査を行う副走査用偏向器と、パルスレーザ光源と主走査用偏向器との同期動作を制御する制御手段とを備え、主走査を行う主走査用偏向器と副走査を行う副走査用偏向器とを、連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係を一定に保つことで、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して、二次元的に走査するものである。
【００１４】
主走査と副走査を同時に連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数ＲＥＰと主走査周波数Ｆｘの関係を整数比の関係に保って、ＲＥＰ：Ｆｘ＝Ｎ：Ｍで（ＮとＭは整数）レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して二次元的に走査すれば、副走査に平行なＲＥＰ＊Ｍ／Ｆｘ本の周期構造の帯を１度の副走査で作成できる。これにより、主走査と副走査の移動ロスを解消できる。
【００１５】
また、主走査と副走査を同時に連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数ＲＥＰと主走査周波数Ｆｘの関係を整数比の関係から一定数Ｐを加減した関係に保って、Ｆｘ＝（ＲＥＰ＊Ｍ／Ｎ）±Ｐでレーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して、副走査の速度Ｖｙで二次元的に走査すれば、Ｖｙ／Ｐの周期長のうねりをもった、ＲＥＰ＊Ｍ／Ｆｘ本の周期構造の帯を１度の副走査で作成できる。これによって、主走査と副走査の移動ロスを解消したうえで、周期構造の形成位置に所定の周期性を与えることができる。
【００１６】
パルスレーザ光源の繰返し周波数ＲＥＰと主走査周波数Ｆｘの周波数比を保ったまま、ＲＥＰとＦＸの位相差を制御することで、主走査方向のレーザ照射スポットを瞬時に移動させることができる。この位相差制御によって、さらに多彩なパターニングが可能になる。特に、間欠周期構造の場合は、位相差を制御することで、主走査にも副走査にも間欠となる周期構造を１度の副走査で作成できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、主走査と副走査を同時に連続的に動作させながらオーバーラップ位置を制御して二次元的に走査することで、レーザ照射スポット径よりも大きな形成幅の周期構造でも、１回の副走査動作で作成することができるため、従来の周期構造の作成方法に比べて、周期構造の作成作業時間の大幅な短縮を図ることができ、生産性に優れたものとなる。しかも、周期構造のパターニングの自由度を損なうこがない。
【００１８】
パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の周波数差や位相差を制御することで、任意の本数の帯を併設したり、その帯の形成位置にうねりを与えて、周期構造の形成位置に任意の周期性を持たせたり、主走査にも副走査にも間欠となる周期構造を、１回の副走査動作の間にで作成できため、従来の周期構造の作成方法に比べて多彩なパターニングが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態を示す第１の周期構造の作成装置の簡略全体斜視図である。
【図２】本発明の実施形態を示す第２の周期構造の作成装置の簡略全体斜視図である。
【図３】周期構造を示す簡略平面図である。
【図４】周期構造の形成メカニズムについて説明する概略図である。
【図５】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、３本の平行な帯の周期構造を作成した状態の平面図である。
【図６】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、３本の周期的な帯から成る周期構造を作成した状態の平面図である。
【図７】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、周期構造を離散的に複数の領域に周期的に作成した状態の平面図である。
【図８】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、広範囲に均一な周期構造を作成した状態の平面図である。
【図９】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、蛇行する３本の帯の周期構造を作成した状態の平面図である。
【図１０】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、蛇行する３本の帯の交わらない周期構造を作成した状態の平面図である。
【図１１】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、主走査にも副走査にも間欠となる周期構造を作成した状態の平面図である。
【図１２】従来の周期構造の作成装置の簡略全体斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図１〜図１２に基づいて説明する。
【００２１】
図１に本発明にかかる周期構造の作成装置の第１の実施例の簡略全体斜視図を示す。この周期構造の作成装置は、レーザアブレーションで凹部２２を選択的に除去することで、図３に示すような微小の凹部２２と微小の凸部２３とが交互に所定ピッチで配設されてなる周期構造１０を形成するものである。例えば、オーバーラップ走査するパルスレーザの波長が１０６４ｎｍであれば、凹部２２から隣接の凹部２２間のピッチも１ミクロンで、凹部２２と凸部２３の高低差が０．３ミクロンの形状寸法が周期構造の典型値となる。加工対象物８としては、炭素鋼、銅、アルミニウム、白金、超硬合金などの各種金属や、シリコンウエハや炭化ケイ素などの半導体やセラミックスなどの材料を対象とする。
【００２２】
図１の周期構造の作成装置は、パルスレーザ光源１と、主走査を行う主走査用偏向器５と、副走査を行う副走査用偏向器６と、パルスレーザ光源１に対して整数比の関係か、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように、主走査用偏向器５の走査周波数を同期制御する制御手段２０を備える。なお、制御手段２０は分周器と逓倍器と位相調整器からなる。この図１の周期構造の作成装置における主走査方向は矢印Ｘ方向とし、副走査方向は主走査方向と直交する矢印Ｙ方向とする。ビームエキスパンダ２と集光用ｆθレンズ７はレーザ照射スポットの大きさを定めるものである。
【００２３】
微細な形状寸法の周期構造をシャープに形成するためには、加工時の熱影響が小さいことが望ましい。よって、パルスレーザ光源１のパルス幅は、ピコ秒又はフェムト秒オーダの短パルスが好ましい。この実施形態のパルスレーザ光源には、パルス幅が２５０ｆｓ、中心波長λが８００ｎｍ、繰り返し周波数ＲＥＰが２ｋＨｚのフェムト秒レーザを使用した。
【００２４】
各光偏向器５、６には、ガルバノスキャナを用いた。ガルバノスキャナとは、モータ回転軸の先端に取り付けたミラーを用いて、レーザ光を高速かつ高精度に走査する偏向装置である。ガルバノスキャナにはアナログタイプとデジタルタイプのものがあるが、本発明においては、いずれのタイプも用いることができる。
【００２５】
パルスレーザ光源１が発振した直線偏光レーザを偏光板４に透過させ、１／２波長板の回転位置によって偏光を制御する。周期構造の凹凸溝はレーザの偏光方向に直交して形成されるため、例えば摺動部品であれば、その相対的な動きの方向に対して油膜などの流体力学的な作用が低摩擦特性に最適となる方向に凹凸溝が形成されるように、偏光を設定する。ミラー３は光路を９０度折り返すために用いた。
【００２６】
ここで、図４にて加工対象物８に周期構造１０が形成される原理を説明する。レーザ３１を加工対象物８の表面に照射すると、入射光のＰ偏光成分３３と、表面散乱光のＰ偏光成分３５との干渉が起こり定在波３７が生じる。なお、３４は入射光のＳ偏光成分、３６は表面散乱光のＳ偏光成分である。このとき、入射光のフルエンスを加工閾値の近傍に設定しておけば、入射光のＰ偏光成分３３と表面に沿った散乱光のＰ偏光成分３５の干渉部分だけがアブレーションで除去される。一旦アブレーションが始まり表面粗さが増加すると、次のレーザ照射時には表面散乱光の強度が増加し、さらに除去量が増加するとともに、１波長λ離れた位置でも干渉が起こり、周期構造１０が自己組織化に形成されてゆく。このとき、同一位置に照射するレーザが１０〜３００ショットになるように、レーザ照射スポットをオーバーラップさせながら一定速度で走査させることで、周期構造を一方向に拡張して作成することができる。
【００２７】
本発明では、主走査を行う主走査用偏向器５と副走査を行う副走査用偏向器６とを同時に連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比の関係か、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように保って、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して二次元的に走査する。
【００２８】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比の関係のとき、パルスレーザ光源の繰返し周波数Ｒｅｐと主走査周波数Ｆｘの関係を３：１の整数比に設定した場合、Ｆｘの走査周波数は６６６．６６６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３＝６６６．６６６Ｈｚ）と決まる。この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、ｓｉｎ波駆動する主走査と同時に、一定速度で副走査を行えば、図５のように、３本の平行な周期構造の帯１０ａ、１０ｂ、１０ｃを１度の副走査で併設して作成できる。
【００２９】
図５におけるレーザ照射スポットの軌跡について説明する。この例では、９ｂは９ａのレーザ照射スポットの一つ前のレーザ照射スポットであり、９ｃは９ｂのレーザ照射スポットの一つ前のレーザ照射スポットである。つまり、９ｃは９ａのレーザ照射スポットの２つ前のレーザ照射スポットである。１０ａは９ａのレーザ照射スポット系列のビーム軌跡上に形成される第１の周期構造の帯であり、１０ｂは９ｂのレーザ照射スポット系列のビーム軌跡上に形成される第２の周期構造の帯であり、１０ｃは９ｃのレーザ照射スポット系列のビーム軌跡上に形成される第３の周期構造の帯である。なお、偏光に応じて周期構造の凹凸溝の方向は任意に制御できる。
【００３０】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が、整数比３：１の関係から一定数Ｐ（例えばＰを０．１Ｈｚ）を加算すれば、Ｆｘの走査周波数は６６６．７６６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３＋０．１＝６６６．７６６Ｈｚ）となる。副走査の走査速度Ｖｙを１ｍｍ／ｓとして、この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、ｓｉｎ波駆動する主走査と同時に一定速度で副走査を行えば、図６のように１度の副走査で、３本の周期構造の帯１０ａ、１０ｂ、１０ｃの位相差を保ったままＶｙ／Ｐの周期長１０ｍｍでうねりをもたせることができる。このとき、レーザ照射スポット径Ｂｘよりも周期構造の形成幅Ｗｘが大きければ、加工対象物の加工前の表面を部分的に残した間欠周期構造８ａの作成が可能になる。
【００３１】
前記の図６のパルスレーザ光源と主走査と副走査の関係を保ったまま、レーザ照射エネルギだけを調整して、複数系列のレーザ照射スポットの軌跡が重なる位置にだけ周期構造を作成することで、図７のような離散的な複数の領域に間欠な周期構造のパターニングを一度の副走査で得ることができる。
【００３２】
離散的な複数の領域に間欠な周期構造のパターニングは、摺動面の低摩擦化に対して特に効果が大きいことが知られている（特許文献２）。
【００３３】
レーザ照射スポットを主走査と副走査に分散させて、その両方にオーバラップさせながら走査することで、加工形態が均一で、主走査にも副走査にも連続する周期構造を作成することができる。
【００３４】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係を、形成幅Ｗｘからレーザ照射スポットＢｘを除した値以上にとる。Ｗｘが３０ｍｍでＢｘが４ｍｍなら、例えば、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係を１５：２の整数比として、Ｆｘの走査周波数を２６６．６６６Ｈｚと決めて、この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、ｓｉｎ波駆動する主走査と同時に、一定速度で副走査を行えば、図８のように、１５本の平行な周期構造の帯１０ａから１０ｏを１度の副走査で併設して作成できる。
【００３５】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比３：１の関係から一定数Ｐ（例えば、Ｐを０．０３Ｈｚとする）を加算して、Ｆｘの走査周波数を６６６．６９６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３＋０．０３＝６６６．６９６Ｈｚ）とする。副走査の走査速度Ｖｙを１ｍｍ／ｓとして、この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、デューティ比５０％で三角波駆動する主走査と同時に一定速度で副走査を行う。その後、副走査の途中で、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比３：１の関係から一定数Ｐ（例えば、Ｐを０．０３Ｈｚとする）を減算して、Ｆｘの走査周波数を６６６．６３６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３−０．０３＝６６６．６３６Ｈｚ）に切り替える。この制御を周期的に交互に繰り返すことで、図９に示すように、９ａと９ｂと９ｃのレーザ照射スポットの３つの系列の周期構造の帯１０ａ、１０ｂ、１０ｃがお互いに交わらず蛇行する周期構造を作成することができる。
【００３６】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比３：１の関係から一定数Ｐ（例えば、Ｐを０．０３Ｈｚとする）を加算して、Ｆｘの走査周波数を６６６．６９６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３＋０．０３＝６６６．６９６Ｈｚ）とする。副走査の走査速度Ｖｙを１ｍｍ／ｓとして、この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、デューティ比５０％で三角波駆動する主走査と同時に一定速度で副走査を行う。その後、副走査の途中で、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比３：１の関係から一定数Ｐ（例えば、Ｐを０．０３Ｈｚとする）を減算して、Ｆｘの走査周波数を６６６．６３６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３−０．０３＝６６６．６３６Ｈｚ）に切り替える。この制御を周期的に交互に繰り返す。このとき、さらに、レーザの遮光を制御することによって、図１０に示すように、９ａと９ｂと９ｃのレーザ照射スポットの３つの系列の周期構造の帯１０ａ、１０ｂ、１０ｃがお互いに交わらず蛇行する周期構造を間欠的に作成できる。
【００３７】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比３：１の関係として、Ｆｘの走査周波数を６６６．６６６Ｈｚとする。この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、デューティ比５０％で三角波駆動する主走査と同時に一定速度で副走査を行う。その後、副走査の途中で、パルスレーザ光源の繰返しパルスと主走査間の位相差をパルスレーザ光源の繰返しパルスの半周期分だけ遅らせる。さらに、副走査の途中で、パルスレーザ光源の繰返しパルスと主走査間の位相差をパルスレーザ光源の繰返しパルスの半周期分だけ進めて最初の位相に戻す。この制御を周期的に交互に繰り返すことで、図１１に示すように、離散的な複数の領域に間欠な周期構造の市松模様のパターニングを、一度の副走査で得ることができる。
【００３８】
前記図５〜図１１に示すような形状の周期構造は、副走査の途中で変更して組み合わせ、又は、レーザ照射のＯＮ／ＯＦＦ制御と併用することができる。すなわち、走査方法を、副走査の途中で変更して組み合わせ、又は、レーザ照射のＯＮ／ＯＦＦ制御と併用することによって、図示のものや図例以外の種々の形状のものを作成できる種々の形状（模様）や種々の大きさ周期構造を、短時間に高精度に形成することができる。
【００３９】
図２に本発明にかかる周期構造の作成装置の第２の実施例の簡略全体斜視図を示す。図２に示す周期構造の作成装置でも、パルスレーザ光源１と、主走査を行う主走査用偏向器５と、副走査を行う副走査用偏向器６と、パルスレーザ光源１に対して整数比の関係か、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように、主走査用偏向器５の走査周波数を同期制御する制御手段２０を備える。図１と異なるのは、主走査用偏向器５にポリゴンミラーを用いた点である。ガルバノスキャナよりもより高速域の追随性能が望めて速度リップルが小さいため、レーザー照射スポットの位置精度が向上して、より安定した加工が行える。また、副走査用偏向器６に加工対象物８が連続移動が可能なベルトコンベア用いることで、ロールツーロールのフィルム状の加工対象物にも、周期構造のパターニングの自由度を損なうことなく、継ぎ目のない連続する周期構造や間欠周期構造など、多彩なパターニングが可能で、作成作業時間の短縮化も図ることができる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数との整数比として、実施形態のものに限る必要がなく、種々変更することができる。また、実施形態では、主走査の駆動波形にｓｉｎ波と三角波を用いたが、これに限る必要がなく種々変更することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１ パルスレーザ光源
２ ビームエキスパンダ
３ ミラー
４ 偏向器
５ 主走査用偏向器
６ 副走査用偏向器
７ 集光レンズ
８ 加工対象物
９ レーザ照射スポット
１０ 周期構造
２０ 制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する、周期構造の作成方法および作成装置に関し、特に、レーザ照射スポット径よりも大きな形成幅の周期構造の作成に好適な作成方法と作成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップ走査して、入射光の偏光成分と加工対象物の表面に沿った散乱光の偏光成分の干渉部分のアブレーションによって、自己組織的に入射光の偏光方向に直交した、入射光波長程度の間隔を持つ周期構造を作成する方法が知られており、その作成装置も市販されている（特許文献１、非特許文献１）。
【０００３】
加工対象物に周期構造を作成する目的は、摺動特性の向上や切削・塑性加工特性の向上、引き離し力の低減、薄膜の密着性向上、加飾効果向上、濡れ性制御、及び生体親和性の向上などと多様である。また、加工の目的や加工対象物の寸法に応じて、求められる周期構造の形成幅や間欠比率や方向性などのパターニングも様々である（特許文献２、非特許文献２、及び非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０５４３３０号公報
【特許文献２】特許第４２６３１８５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「フェムト秒レーザで形成する表面周期構造」Laser Focus World、２００６年１０月」
【非特許文献２】「フェムト秒レーザによる表面微細加工：トライボロジスト、第５５巻第２号、２０１０年２月１５日」
【非特許文献３】「フェムト秒レーザによるモルフォ蝶型発光体の大面積・高速作成、光アライアンス、２０１１年４月）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この周期構造の作成装置におけるレーザ光の照射方法の従来方法について、簡略全体斜視図を用いて説明する。図１２は従来の装置で３本の帯かならなる形成幅Ｗｘの間欠周期構造を作成したときの簡略全体斜視図を示す。パルスレーザ光源１が発振した直線偏光レーザを偏光板４に透過させ、１／２波長板の回転位置によって偏光を制御する。周期構造の凹凸溝はレーザの偏光方向に直交して形成されるため、例えば、摺動部品であれば、その相対的な動きの方向に対して、油膜などの流体力学的な作用が低摩擦特性に最適となる方向に凹凸溝が形成されるように偏光を設定する。ビームエキスパンダ２と集光レンズ７は、レーザ照射スポットの大きさを定めるものである。主走査方向のＹ軸方向にレーザ照射スポットＢｙが一定量でオーバラップするように、主走査ステージを一定速度で動かすことで、レーザビームの相対的な走査を行って周期構造を作成していた。
【０００７】
従来の周期構造の作成装置の課題は、作成作業時間の長さにある。前述の主走査で作成した周期構造の帯幅（Ｘ軸方向の幅）はレーザ照射スポットＢｘと等しいため、レーザ照射スポットＢｘよりも大きな形成幅Ｗｘの周期構造を作成したい場合は、必要な形成幅が一回の主走査では得られなかった。そのため、従来では、レーザ照射スポットを、その１つ前のパルスによるレーザ照射スポットＢｙ上に含まれるようにオーバーラップさせながら主走査を行って一本目の周期構造の帯を形成した後に、主走査と直交する方向にレーザ照射スポットを移動させて（副走査を行い）、再度主走査を行うことで、必要な形成幅に周期構造の帯を併設していた。この場合、副走査の移動時間とともに主走査した移動距離分を毎回、走査の開始位置に戻すためのリターン動作が必要になるため、リターン動作時間×副走査回数の時間ロスの発生が大きな問題になっていた。
【０００８】
走査手順として、主走査を行って一本目の周期構造の帯を形成した後に、主走査と直交する方向にレーザ照射スポットを移動させて（副走査を行い）、先の主走査と反対方向にレーザ照射スポットをオーバーラップ走査することで、走査の開始位置に戻すためのリターン時間を解消する方法が考えれれる。この場合、主走査のリターンロスは解消されるが副走査に要する時間ロスは依然として残る。また、主走査方向にレーザ照射スポットの強度分布や偏光が対称でなければ、周期構造の凹凸溝の傾きや凹凸溝のピッチなどが同じ形状にならず、交互に作成した周期構造の帯の様相が異なるものになってしまうという問題があった。すなわち、理想的な強度分布や偏光分布をもつレーザビームであることがこの走査手順の必要条件となるため、実際には加工品質を保つためには一方向にオーバーラップ走査する必要があった。
【０００９】
作成作業時間を短縮する方法としては、光学的にレーザ集光スポットを分割して同時照射することが考えられる。図１２の例では３光路に分割して同時照射すれば、副走査に要する時間ロスも主走査のリターンロスも解消できる。しかし、光学系を固定することで
周期構造の形成幅や間欠比や方向性などのパターニングの自由度は小さくなる。加工対象物の寸法や用途に応じて、求められる周期構造の形成幅や間欠比などのパターニングは様々であるため、パターニングの自由度は大きいことが望まれる。
【００１０】
以上のように、周期構造の作成技術は様々な加工対象物に方向性を持たせた微細な凹凸溝を形成することで、表面機能を付与する表面改質技術であるが、レーザ集光スポットを一方向にオーバーラップ走査した軌跡をもって、パターニングを行うために、作成作業時間の短縮が重要な課題であった。本発明は、上記の課題に鑑みて、パターニングの自由度を損なうことなく、周期構造の作成作業時間の短縮化を図ることができ、生産性に優れる周期構造の作成方法および周期構造の作成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題は、主走査と副走査を同時に連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が、整数比の関係か、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように保って、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むように、オーバーラップ位置を制御して二次元的に走査することで達成される。
【００１２】
そこで、本発明の周期構造の作成方法は、加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する、周期構造の作成方法であって、主走査を行う主走査用偏向器と副走査を行う副走査用偏向器とを、連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係を一定に保つことで、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して、二次元的に走査するものである。
【００１３】
また、本発明の周期構造の作成装置は、加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する、周期構造の作成装置であって、パルスレーザ光源と、主走査を行う主走査用偏向器と、副走査を行う副走査用偏向器と、パルスレーザ光源と主走査用偏向器との同期動作を制御する制御手段とを備え、主走査を行う主走査用偏向器と副走査を行う副走査用偏向器とを、連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係を一定に保つことで、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して、二次元的に走査するものである。
【００１４】
主走査と副走査を同時に連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数ＲＥＰと主走査周波数Ｆｘの関係を整数比の関係に保って、ＲＥＰ：Ｆｘ＝Ｎ：Ｍで（ＮとＭは整数）レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して二次元的に走査すれば、副走査に平行なＲＥＰ＊Ｍ／Ｆｘ本の周期構造の帯を１度の副走査で作成できる。これにより、主走査と副走査の移動ロスを解消できる。
【００１５】
また、主走査と副走査を同時に連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数ＲＥＰと主走査周波数Ｆｘの関係を整数比の関係から一定数Ｐを加減した関係に保って、Ｆｘ＝（ＲＥＰ＊Ｍ／Ｎ）±Ｐでレーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して、副走査の速度Ｖｙで二次元的に走査すれば、Ｖｙ／Ｐの周期長のうねりをもった、ＲＥＰ＊Ｍ／Ｆｘ本の周期構造の帯を１度の副走査で作成できる。これによって、主走査と副走査の移動ロスを解消したうえで、周期構造の形成位置に所定の周期性を与えることができる。
【００１６】
パルスレーザ光源の繰返し周波数ＲＥＰと主走査周波数Ｆｘの周波数比を保ったまま、ＲＥＰとＦＸの位相差を制御することで、主走査方向のレーザ照射スポットを瞬時に移動させることができる。この位相差制御によって、さらに多彩なパターニングが可能になる。特に、間欠周期構造の場合は、位相差を制御することで、主走査にも副走査にも間欠となる周期構造を１度の副走査で作成できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、主走査と副走査を同時に連続的に動作させながらオーバーラップ位置を制御して二次元的に走査することで、レーザ照射スポット径よりも大きな形成幅の周期構造でも、１回の副走査動作で作成することができるため、従来の周期構造の作成方法に比べて、周期構造の作成作業時間の大幅な短縮を図ることができ、生産性に優れたものとなる。しかも、周期構造のパターニングの自由度を損なうこがない。
【００１８】
パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の周波数差や位相差を制御することで、任意の本数の帯を併設したり、その帯の形成位置にうねりを与えて、周期構造の形成位置に任意の周期性を持たせたり、主走査にも副走査にも間欠となる周期構造を、１回の副走査動作の間にで作成できため、従来の周期構造の作成方法に比べて多彩なパターニングが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態を示す第１の周期構造の作成装置の簡略全体斜視図である。
【図２】本発明の実施形態を示す第２の周期構造の作成装置の簡略全体斜視図である。
【図３】周期構造を示す簡略平面図である。
【図４】周期構造の形成メカニズムについて説明する概略図である。
【図５】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、３本の平行な帯の周期構造を作成した状態の平面図である。
【図６】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、３本の周期的な帯から成る周期構造を作成した状態の平面図である。
【図７】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、周期構造を離散的に複数の領域に周期的に作成した状態の平面図である。
【図８】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、広範囲に均一な周期構造を作成した状態の平面図である。
【図９】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、蛇行する３本の帯の周期構造を作成した状態の平面図である。
【図１０】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、蛇行する３本の帯の交わらない周期構造を作成した状態の平面図である。
【図１１】前記図１又は図２に示す周期構造の作成装置にて、主走査にも副走査にも間欠となる周期構造を作成した状態の平面図である。
【図１２】従来の周期構造の作成装置の簡略全体斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図１〜図１２に基づいて説明する。
【００２１】
図１に本発明にかかる周期構造の作成装置の第１の実施例の簡略全体斜視図を示す。この周期構造の作成装置は、レーザアブレーションで凹部２２を選択的に除去することで、図３に示すような微小の凹部２２と微小の凸部２３とが交互に所定ピッチで配設されてなる周期構造１０を形成するものである。例えば、オーバーラップ走査するパルスレーザの波長が１０６４ｎｍであれば、凹部２２から隣接の凹部２２間のピッチも１ミクロンで、凹部２２と凸部２３の高低差が０．３ミクロンの形状寸法が周期構造の典型値となる。加工対象物８としては、炭素鋼、銅、アルミニウム、白金、超硬合金などの各種金属や、シリコンウエハや炭化ケイ素などの半導体やセラミックスなどの材料を対象とする。
【００２２】
図１の周期構造の作成装置は、パルスレーザ光源１と、主走査を行う主走査用偏向器５と、副走査を行う副走査用偏向器６と、パルスレーザ光源１に対して整数比の関係か、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように、主走査用偏向器５の走査周波数を同期制御する制御手段２０を備える。なお、制御手段２０は分周器と逓倍器と位相調整器からなる。この図１の周期構造の作成装置における主走査方向は矢印Ｘ方向とし、副走査方向は主走査方向と直交する矢印Ｙ方向とする。ビームエキスパンダ２と集光用ｆθレンズ７はレーザ照射スポットの大きさを定めるものである。
【００２３】
微細な形状寸法の周期構造をシャープに形成するためには、加工時の熱影響が小さいことが望ましい。よって、パルスレーザ光源１のパルス幅は、ピコ秒又はフェムト秒オーダの短パルスが好ましい。この実施形態のパルスレーザ光源には、パルス幅が２５０ｆｓ、中心波長λが８００ｎｍ、繰り返し周波数ＲＥＰが２ｋＨｚのフェムト秒レーザを使用した。
【００２４】
各光偏向器５、６には、ガルバノスキャナを用いた。ガルバノスキャナとは、モータ回転軸の先端に取り付けたミラーを用いて、レーザ光を高速かつ高精度に走査する偏向装置である。ガルバノスキャナにはアナログタイプとデジタルタイプのものがあるが、本発明においては、いずれのタイプも用いることができる。
【００２５】
パルスレーザ光源１が発振した直線偏光レーザを偏光板４に透過させ、１／２波長板の回転位置によって偏光を制御する。周期構造の凹凸溝はレーザの偏光方向に直交して形成されるため、例えば摺動部品であれば、その相対的な動きの方向に対して油膜などの流体力学的な作用が低摩擦特性に最適となる方向に凹凸溝が形成されるように、偏光を設定する。ミラー３は光路を９０度折り返すために用いた。
【００２６】
ここで、図４にて加工対象物８に周期構造１０が形成される原理を説明する。レーザ３１を加工対象物８の表面に照射すると、入射光のＰ偏光成分３３と、表面散乱光のＰ偏光成分３５との干渉が起こり定在波３７が生じる。なお、３４は入射光のＳ偏光成分、３６は表面散乱光のＳ偏光成分である。このとき、入射光のフルエンスを加工閾値の近傍に設定しておけば、入射光のＰ偏光成分３３と表面に沿った散乱光のＰ偏光成分３５の干渉部分だけがアブレーションで除去される。一旦アブレーションが始まり表面粗さが増加すると、次のレーザ照射時には表面散乱光の強度が増加し、さらに除去量が増加するとともに、１波長λ離れた位置でも干渉が起こり、周期構造１０が自己組織化に形成されてゆく。このとき、同一位置に照射するレーザが１０〜３００ショットになるように、レーザ照射スポットをオーバーラップさせながら一定速度で走査させることで、周期構造を一方向に拡張して作成することができる。
【００２７】
本発明では、主走査を行う主走査用偏向器５と副走査を行う副走査用偏向器６とを同時に連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比の関係か、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように保って、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して二次元的に走査する。
【００２８】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比の関係のとき、パルスレーザ光源の繰返し周波数Ｒｅｐと主走査周波数Ｆｘの関係を３：１の整数比に設定した場合、Ｆｘの走査周波数は６６６．６６６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３＝６６６．６６６Ｈｚ）と決まる。この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、ｓｉｎ波駆動する主走査と同時に、一定速度で副走査を行えば、図５のように、３本の平行な周期構造の帯１０ａ、１０ｂ、１０ｃを１度の副走査で併設して作成できる。
【００２９】
図５におけるレーザ照射スポットの軌跡について説明する。この例では、９ｂは９ａのレーザ照射スポットの一つ前のレーザ照射スポットであり、９ｃは９ｂのレーザ照射スポットの一つ前のレーザ照射スポットである。つまり、９ｃは９ａのレーザ照射スポットの２つ前のレーザ照射スポットである。１０ａは９ａのレーザ照射スポット系列のビーム軌跡上に形成される第１の周期構造の帯であり、１０ｂは９ｂのレーザ照射スポット系列のビーム軌跡上に形成される第２の周期構造の帯であり、１０ｃは９ｃのレーザ照射スポット系列のビーム軌跡上に形成される第３の周期構造の帯である。なお、偏光に応じて周期構造の凹凸溝の方向は任意に制御できる。
【００３０】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が、整数比３：１の関係から一定数Ｐ（例えばＰを０．１Ｈｚ）を加算すれば、Ｆｘの走査周波数は６６６．７６６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３＋０．１＝６６６．７６６Ｈｚ）となる。副走査の走査速度Ｖｙを１ｍｍ／ｓとして、この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、ｓｉｎ波駆動する主走査と同時に一定速度で副走査を行えば、図６のように１度の副走査で、３本の周期構造の帯１０ａ、１０ｂ、１０ｃの位相差を保ったままＶｙ／Ｐの周期長１０ｍｍでうねりをもたせることができる。このとき、レーザ照射スポット径Ｂｘよりも周期構造の形成幅Ｗｘが大きければ、加工対象物の加工前の表面を部分的に残した間欠周期構造８ａの作成が可能になる。
【００３１】
前記の図６のパルスレーザ光源と主走査と副走査の関係を保ったまま、レーザ照射エネルギだけを調整して、複数系列のレーザ照射スポットの軌跡が重なる位置にだけ周期構造を作成することで、図７のような離散的な複数の領域に間欠な周期構造のパターニングを一度の副走査で得ることができる。
【００３２】
離散的な複数の領域に間欠な周期構造のパターニングは、摺動面の低摩擦化に対して特に効果が大きいことが知られている（特許文献２）。
【００３３】
レーザ照射スポットを主走査と副走査に分散させて、その両方にオーバラップさせながら走査することで、加工形態が均一で、主走査にも副走査にも連続する周期構造を作成することができる。
【００３４】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係を、形成幅Ｗｘからレーザ照射スポットＢｘを除した値以上にとる。Ｗｘが３０ｍｍでＢｘが４ｍｍなら、例えば、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係を１５：２の整数比として、Ｆｘの走査周波数を２６６．６６６Ｈｚと決めて、この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、ｓｉｎ波駆動する主走査と同時に、一定速度で副走査を行えば、図８のように、１５本の平行な周期構造の帯１０ａから１０ｏを１度の副走査で併設して作成できる。
【００３５】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比３：１の関係から一定数Ｐ（例えば、Ｐを０．０３Ｈｚとする）を加算して、Ｆｘの走査周波数を６６６．６９６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３＋０．０３＝６６６．６９６Ｈｚ）とする。副走査の走査速度Ｖｙを１ｍｍ／ｓとして、この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、デューティ比５０％で三角波駆動する主走査と同時に一定速度で副走査を行う。その後、副走査の途中で、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比３：１の関係から一定数Ｐ（例えば、Ｐを０．０３Ｈｚとする）を減算して、Ｆｘの走査周波数を６６６．６３６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３−０．０３＝６６６．６３６Ｈｚ）に切り替える。この制御を周期的に交互に繰り返すことで、図９に示すように、９ａと９ｂと９ｃのレーザ照射スポットの３つの系列の周期構造の帯１０ａ、１０ｂ、１０ｃがお互いに交わらず蛇行する周期構造を作成することができる。
【００３６】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比３：１の関係から一定数Ｐ（例えば、Ｐを０．０３Ｈｚとする）を加算して、Ｆｘの走査周波数を６６６．６９６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３＋０．０３＝６６６．６９６Ｈｚ）とする。副走査の走査速度Ｖｙを１ｍｍ／ｓとして、この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、デューティ比５０％で三角波駆動する主走査と同時に一定速度で副走査を行う。その後、副走査の途中で、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比３：１の関係から一定数Ｐ（例えば、Ｐを０．０３Ｈｚとする）を減算して、Ｆｘの走査周波数を６６６．６３６Ｈｚ（Ｆｘ＝２０００／３−０．０３＝６６６．６３６Ｈｚ）に切り替える。この制御を周期的に交互に繰り返す。このとき、さらに、レーザの遮光を制御することによって、図１０に示すように、９ａと９ｂと９ｃのレーザ照射スポットの３つの系列の周期構造の帯１０ａ、１０ｂ、１０ｃがお互いに交わらず蛇行する周期構造を間欠的に作成できる。
【００３７】
前記のように構成された周期構造の作成装置にて、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の関係が整数比３：１の関係として、Ｆｘの走査周波数を６６６．６６６Ｈｚとする。この走査周波数でＷｘの形成幅が得られるように振り幅を設定して、デューティ比５０％で三角波駆動する主走査と同時に一定速度で副走査を行う。その後、副走査の途中で、パルスレーザ光源の繰返しパルスと主走査間の位相差をパルスレーザ光源の繰返しパルスの半周期分だけ遅らせる。さらに、副走査の途中で、パルスレーザ光源の繰返しパルスと主走査間の位相差をパルスレーザ光源の繰返しパルスの半周期分だけ進めて最初の位相に戻す。この制御を周期的に交互に繰り返すことで、図１１に示すように、離散的な複数の領域に間欠な周期構造の市松模様のパターニングを、一度の副走査で得ることができる。
【００３８】
前記図５〜図１１に示すような形状の周期構造は、副走査の途中で変更して組み合わせ、又は、レーザ照射のＯＮ／ＯＦＦ制御と併用することができる。すなわち、走査方法を、副走査の途中で変更して組み合わせ、又は、レーザ照射のＯＮ／ＯＦＦ制御と併用することによって、図示のものや図例以外の種々の形状のものを作成できる種々の形状（模様）や種々の大きさ周期構造を、短時間に高精度に形成することができる。
【００３９】
図２に本発明にかかる周期構造の作成装置の第２の実施例の簡略全体斜視図を示す。図２に示す周期構造の作成装置でも、パルスレーザ光源１と、主走査を行う主走査用偏向器５と、副走査を行う副走査用偏向器６と、パルスレーザ光源１に対して整数比の関係か、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように、主走査用偏向器５の走査周波数を同期制御する制御手段２０を備える。図１と異なるのは、主走査用偏向器５にポリゴンミラーを用いた点である。ガルバノスキャナよりもより高速域の追随性能が望めて速度リップルが小さいため、レーザー照射スポットの位置精度が向上して、より安定した加工が行える。また、副走査用偏向器６に加工対象物８が連続移動が可能なベルトコンベア用いることで、ロールツーロールのフィルム状の加工対象物にも、周期構造のパターニングの自由度を損なうことなく、継ぎ目のない連続する周期構造や間欠周期構造など、多彩なパターニングが可能で、作成作業時間の短縮化も図ることができる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数との整数比として、実施形態のものに限る必要がなく、種々変更することができる。また、実施形態では、主走査の駆動波形にｓｉｎ波と三角波を用いたが、これに限る必要がなく種々変更することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１ パルスレーザ光源
２ ビームエキスパンダ
３ ミラー
４ 偏向器
５ 主走査用偏向器
６ 副走査用偏向器
７ 集光レンズ
８ 加工対象物
９ レーザ照射スポット
１０ 周期構造
２０ 制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する、周期構造の作成方法であって、主走査を行う主走査用偏向器と副走査を行う副走査用偏向器とを、連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係を一定に保つことで、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して、二次元的に走査することを特徴とする周期構造の作成方法。
【請求項２】
パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係が、整数比の関係になるように、パルスレーザ光源の繰返し周波数又は主走査用偏向器の走査周波数を定めることを特徴とする、請求項１に記載の周期構造の作成方法。
【請求項３】
パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係が、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように、パルスレーザ光源の繰返し周波数又は主走査用偏向器の走査周波数を定めることを特徴とする、請求項１に記載の周期構造の作成方法。
【請求項４】
複数系列のレーザ照射スポットに主走査方向のうねりを与えながら、複数系列のレーザ照射スポットの軌跡が重なる位置にだけ周期構造が形成されるように、レーザエネルギを調整して、離散的な複数の領域に間欠な周期構造を作成することを特徴とする、請求項３に記載の周期構造の作成方法。
【請求項５】
パルスレーザ光源の繰返し周波数か主走査用偏向器の走査周波数のいずれか、又は両方を、副走査の途中で変更することを特徴とする、請求項１に記載の周期構造の作成方法。
【請求項６】
パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の周波数比を保ったまま、両者の位相差を制御することで、レーザ照射スポットを主走査方向にシフトさせることをことを特徴とする、請求項１に記載の周期構造の作成方法。
【請求項７】
前記請求項２〜請求項６のいずれか１項に記載の周期構造の作成方法における走査方法を、副走査の途中で変更して組み合わせ、又は、レーザ照射のＯＮ／ＯＦＦ制御と併用することを特徴とする周期構造の作成方法。
【請求項８】
加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する、周期構造の作成装置であって、パルスレーザ光源と、主走査を行う主走査用偏向器と、副走査を行う副走査用偏向器と、パルスレーザ光源と主走査用偏向器との同期動作を制御する制御手段とを備え、主走査を行う主走査用偏向器と副走査を行う副走査用偏向器とを、連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係を一定に保つことで、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して、二次元的に走査することを特徴とする周期構造の作成装置。
【請求項１】
加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する、周期構造の作成方法であって、主走査を行う主走査用偏向器と副走査を行う副走査用偏向器とを、連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係を一定に保つことで、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して、二次元的に走査することを特徴とする周期構造の作成方法。
【請求項２】
パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係が、整数比の関係になるように、パルスレーザ光源の繰返し周波数又は主走査用偏向器の走査周波数を定めることを特徴とする、請求項１に記載の周期構造の作成方法。
【請求項３】
パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係が、整数比の関係から一定数を加減した関係になるように、パルスレーザ光源の繰返し周波数又は主走査用偏向器の走査周波数を定めることを特徴とする、請求項１に記載の周期構造の作成方法。
【請求項４】
複数系列のレーザ照射スポットに主走査方向のうねりを与えながら、複数系列のレーザ照射スポットの軌跡が重なる位置にだけ周期構造が形成されるように、レーザエネルギを調整して、離散的な複数の領域に間欠な周期構造を作成することを特徴とする、請求項３に記載の周期構造の作成方法。
【請求項５】
パルスレーザ光源の繰返し周波数か主走査用偏向器の走査周波数のいずれか、又は両方を、副走査の途中で変更することを特徴とする、請求項１に記載の周期構造の作成方法。
【請求項６】
パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査周波数の周波数比を保ったまま、両者の位相差を制御することで、レーザ照射スポットを主走査方向にシフトさせることをことを特徴とする、請求項１に記載の周期構造の作成方法。
【請求項７】
前記請求項２〜請求項６のいずれか１項に記載の周期構造の作成方法における走査方法を、副走査の途中で変更して組み合わせ、又は、レーザ照射のＯＮ／ＯＦＦ制御と併用することを特徴とする周期構造の作成方法。
【請求項８】
加工対象物に一軸のパルスレーザをオーバーラップさせながら照射して、そのレーザ波長程度に微細な凹凸溝を方向性をもたせて周期的に形成する、周期構造の作成装置であって、パルスレーザ光源と、主走査を行う主走査用偏向器と、副走査を行う副走査用偏向器と、パルスレーザ光源と主走査用偏向器との同期動作を制御する制御手段とを備え、主走査を行う主走査用偏向器と副走査を行う副走査用偏向器とを、連続的に動作させながら、パルスレーザ光源の繰返し周波数と主走査用偏向器の走査周波数の関係を一定に保つことで、レーザ照射スポットがレーザ照射済みスポットの一部を含むようにオーバーラップ位置を制御して、二次元的に走査することを特徴とする周期構造の作成装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−７１１４８（Ｐ２０１３−７１１４８Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１１４０９（Ｐ２０１１−２１１４０９）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００１１０８５９）キヤノンマシナリー株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００１１０８５９）キヤノンマシナリー株式会社 (179)
【Ｆターム（参考）】
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