周期構造体の加工制御方法と周期構造体の加工制御装置
【課題】ワーク外周面又は内周面に対して、ワーク表面に周期構造体の最適パターン模様を形成する方法と装置を提供する。
【解決手段】フェムト秒レーザＬＯをシャッタＳＴを介してレーザ加工ヘッド２０へ導き、レーザ加工ヘッドに回転可能に備えた第一回転筒体の筒内のλ/ ２板により直線偏光させ、第一回転筒体４１に対して軸芯Ｏ１を合わせて回転可能に設けられた第二回転筒体内の集光レンズＲ３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、反射ミラーの外周囲にワーク回転駆動部のチャック手段に把持された円筒ワークＷの加工面Ｗ１を対面させてフェムト秒レーザを照射させ、旋回駆動手段により上記λ/ ２板Ｐを備えた第一回転筒体を反射ミラーを備えた第二回転筒体の１／２の回転量で両筒体を回転させるとともに、円筒ワークを反射ミラーの外周囲に公転させて円筒ワークの加工面に周期構造体を間欠的に整列加工する。
【解決手段】フェムト秒レーザＬＯをシャッタＳＴを介してレーザ加工ヘッド２０へ導き、レーザ加工ヘッドに回転可能に備えた第一回転筒体の筒内のλ/ ２板により直線偏光させ、第一回転筒体４１に対して軸芯Ｏ１を合わせて回転可能に設けられた第二回転筒体内の集光レンズＲ３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、反射ミラーの外周囲にワーク回転駆動部のチャック手段に把持された円筒ワークＷの加工面Ｗ１を対面させてフェムト秒レーザを照射させ、旋回駆動手段により上記λ/ ２板Ｐを備えた第一回転筒体を反射ミラーを備えた第二回転筒体の１／２の回転量で両筒体を回転させるとともに、円筒ワークを反射ミラーの外周囲に公転させて円筒ワークの加工面に周期構造体を間欠的に整列加工する。
【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丸棒体・筒体・多角体等の円筒ワークの外周面又は内周面に周期構造体を加工する加工制御方法と加工制御装置に係り、特に、円筒ワークの内周又は外周となるワーク表面に、周期構造体の各種模様パターンを加工制御す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から出る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、エンジンにおけるクランクシャフトの摩擦低減、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、シリンダ内をピストンが往復摺動する内燃機関において、上記シリンダ内周面のピストン上死点位置および下死点位置のいずれか一方または両方の近傍位置に、シリンダに対するピストンの摺動摩擦を低減する摺動摩擦低減手段が設けられたものである。この摺動摩擦低減手段は、シリンダ孔内周面の前記上死点、下死点近傍位置に平均粒径20μｍ以上の粒子を圧縮空気流と共に投射する投射処理による微細ディンプルを形成させ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メリットを有するものである（例えば、特許文献５を参照。）。
【０００８】
更に、赤外領域又は紫外領域におけるレーザビームをレンズ系を通して材料の加工面に照射して微細加工を行うようにしたレーザ加工方法において、前記レンズ系内に、面状の加工パターンに沿うようにレーザ光を指向せしめるための画像形成面を備えた光学素子を設置して少なくとも一回の照射で面加工を行うレーザ加工方法である。これにより、少なくとも１回の照射により面状パターン加工が可能となる少なくとも１回の照射により面状パターン加工が可能なレーザ加工方法が提供されている（例えば、特許文献６を参照。）。
【０００９】
【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２００６−２９１６８号公報
【特許文献５】特開２００４−３６００１１号公報
【特許文献６】特開２００４−２２３５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記各公知例において、特に注目すべき物件は、特開２００６−２９１６８号公報の往復型内燃機関である。これは、シリンダ孔内周面の前記上死点、下死点近傍位置に平均粒径２０μｍ以上の粒子を圧縮空気流と共に投射する投射処理による微細ディンプルを形成させたものであるから、ディンプル形状（外径と深さ）が不揃いであり、ディンプル密度も疎らとなる等の問題点がある。これは、シリンダ孔内周面の前記上死点、下死点近傍位置に設けたディンプルによる摩擦低減の作用が不確実になる。更には、ディンプル形状の加工だけに限定されるから、摩擦低減の作用に対しての信頼性が低い。
【００１１】
本発明の課題は、上記従来の往復型内燃機関における微細ディンプルを形成させる問題点のほか、ワーク部材の外周面又は内周面に対して、そのワーク表面に各種模様パターンの周期構造体を加工制御するようにして最適パターン模様を形成する方法と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の周期構造体の加工制御方法は、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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた第一回転筒体に導き、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に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、且つ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回転させることで上記円筒ワークの内周面に周期性溝を断続的に整列加工するとともに、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの内周面に模様状の周期性溝を形成することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の周期構造体の加工制御方法は、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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた第一回転筒体に導き、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外周面に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、且つ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円筒ワークを上記反射ミラーの外周囲に自転停止状態で公転させて上記円筒ワークの外周面に周期性溝を断続的に整列加工するとともに、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの外周面に模様状の周期性溝を形成することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３の周期構造体の加工制御方法は、請求項１または２記載の周期構造体の加工制御方法において、上記第二回転筒体内の集光レンズの前側に配置された周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーとを、切換手段により周期的に切り換えて上記円筒ワークの内周面または外周面にディンプルと周期性溝とを混合形成することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の周期構造体の加工制御装置は、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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記シャッタを介して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、上記第二回転筒体筒の先端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内周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、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の周期構造体の加工制御装置は、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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記シャッタを介して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、上記第二回転筒体筒の先端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内周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、上記チャック手段に把持された円筒ワークの外周面を上記反射ミラーの外周囲に自転停止状態で公転駆動するＹ軸駆動手段及びＸ軸駆動手段と、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連続移動または間欠移動で進退させる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。
【００１７】
請求項６の周期構造体の加工制御装置は、請求項４または５記載の周期構造体の加工制御装置において、上記第二回転筒体内の集光レンズの前側に配置された周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと、上記両ホモジナイザーを設定された時期に切り替える切換手段と、を具備したことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７の周期構造体の加工制御方法は、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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた筒体に導き、上記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又は外周面に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの内周面又は外周面に所定幅の模様状の周期性溝を間欠的に形成することを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８の周期構造体の加工制御装置は、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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記フェムト秒レーザ発振器からシャッタ手段を介した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、上記筒体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、上記反射ミラーの外周に内周面又は外周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、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軸駆動手段と、を具備したことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の周期構造体の加工制御方法とその加工制御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に記載の円筒ワークの三次元曲面にナノ単位の周期構造体を加工する加工制御方法とその加工制御装置の場合には、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、この光線を開閉制御するシャッタを介して第一回転筒体内の光学偏光素子となるλ/ ２板に間欠照射として導かれる。このλ/ ２板で、上記フェムト秒レーザが直線偏光される。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むフェムト秒レーザとなる。このフェムト秒レーザは、上記反射ミラーの外周にチャック手段で把持された円筒ワークの内周面に対して周期的に断続照射される。ここで、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回転させる。この時、上記シャッタによりフェムト秒レーザが開閉制御されながら上記円筒ワークの内周面に照射され、上記円筒ワークの内周面に断続的な周期性溝、例えば、微細周期性溝又はディンプルの何れかからなる市松模様が加工される。
【００２１】
また、円筒ワークの外周面に断続的な周期性溝、例えば、市松模様を加工するには、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ともに、上記外周面を上記反射ミラーの外周囲に自転停止状態で公転させることで、上記円筒ワークの外周面に断続的な微細周期性溝（例えば、溝幅＝数百ｎｍ）が同一方向に整列加工される。
更に、上記加工制御方法と装置において、円筒ワークの内周面または外周面を支持するチャック手段を、回転駆動部とＹ軸駆動手段とを乗せたＺ軸駆動手段で第二回転筒体の軸芯方向へ連続移動または間欠移動させることにより、上記フェムト秒レーザが円筒ワークの内周面または外周面に所定幅にわたり上記周期性溝、例えば、微細周期性溝又はディンプルの何れかからなる市松模様が同一方向に整列加工される。また、その加工方法も簡単な加工装置で実行される。
【００２２】
第２に、特に、請求項３と６に記載の上記第１の周期構造体の加工制御方法とその装置の場合には、反射ミラーよりも光源側に周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーとを介在させ、これらの両ホモジナイザーを予め設定された時間間隔で作動される切換手段で切換制御すれば、微細周期性溝とディンプル（例えば、穴径＝数十μｍ）とが交互に混合した複雑模様の周期構造体に加工制御される。また、その加工も簡単な加工装置で実行される。
【００２３】
第３に、請求項７と８に記載の円筒ワークの三次元曲面にナノ単位の周期構造体を加工する加工制御方法とその加工制御装置の場合には、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、この光線を開閉制御するシャッタを介して周期的に開閉制御された間欠照射として回転可能に設けられた筒体に導かれる。そして、上記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又は外周面に対して上記フェムト秒レーザが間欠的に照射される。これで、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの内周面又は外周面に所定幅にわたり模様状の周期性溝が間欠的に形成される。また、その加工方法も簡単な加工装置で実行される。
【００２４】
かくして、上記ワークには、微細周期性溝またはディンプル及びこれらを混合した周期構造体が複雑な模様として効率良く加工させられる。これにより、上記ワークが、例えば、クランクシャフトの軸であれば、この軸に周期構造体が形成される。この周期構造体を施したエンジンにおけるクランクシャフトとピストンコンロッドとの接触面には、多数の凹溝に潤滑油が溜まってクランクシャフトとピストンコンロッド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、その他の各種機器・部品の加工面に対する加工が行なえるから、摩擦抵抗の低減策に止まらず、あらゆる部材の表面処理に適用される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置によると、フェムト秒レーザにより、円筒ワークの内周面または外周面における所定幅にわたり、周期性溝、例えば、微細周期性溝又はディンプルの何れかからなる市松模様やこれらの組み合わせから成る任意な模様が同一方向に間欠的に整列加工できる。また、その加工方法も簡単な加工装置で実行できる。これにより、シリンダ面の滑り摩擦抵抗やクランク軸の外周面の回転摩擦抵抗を極限まで減らすことができる。
【００２６】
更に、周期性溝用ホモジナイザーまたはディンプルディンプル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光させられるから、各種の周期構造体を加工面に効率良く加工でき、多彩な模様を織り成す溝に潤滑油が溜まってエンジンにおける摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明による周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置について、図示の第１の実施の形態により説明する。図１は円筒内周面に対する周期構造体の加工装置の全体構成図、図２と図３はレーザ加工ヘッドの断面図と要部拡大図、図４はλ/ ２板と反射ミラーとの作用図、図５はホモジナイザーの構成図、図６は周期溝の市松模様を加工する加工ヘッドの構成図、図７はディンプルの市松模様を加工する加工ヘッドの構成図、図８はＰＣプログラム手段による加工フローチャート図、図９はプログラム自動運転のフローチャート図、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である。
【００２８】
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には、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ＳＴを開閉させるシャッタ開閉手段ＳＨと、三連スライド式のホモジナイザーＨの切換手段ＨＤと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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、上記円筒内周面の周期構造体加工装置１００には、上記各送りモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３，回転制御モータＭＭやシャッタＳＴのシャッタ開閉手段ＳＨ及び後記する回転駆動手段ＳＤの駆動モータＭＯや切換手段ＨＤ等を駆動する加工制御部２００を備えている。この加工制御部２００の概要構成と機能を説明する。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に対して加工プログラミング情報を提供して円筒ワークＷに任意な模様加工を実行させるプログラム手段ＰＣと、このプログラム手段ＰＣと中央制御部ＣＰＵからの指令で、各モータＭＯ，Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭやシャッタＳＴのシャッタ開閉手段ＳＨやホモジナイザーＨの切換手段ＨＤの駆動制御をプログラム通り運転させる数値制御部ＮＣと、この数値制御部ＮＣからの指令を受けて各モータＭＯ，Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭやＳＨ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加工制御部２００の制御のもとに、各ユニット３，５，９，１０，２０，３０, Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭやＳＨ，ＨＤ等の駆動部ＤＤが作動される。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。また、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円筒ワークＷの内周面に倣う制御運転が可能である。
【００３１】
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と、切換手段ＨＤにより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）と、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、円筒ワークＷの内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。
【００３２】
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２と図４〜図６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ＳＴ・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５（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５（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４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が間欠的な市松模様に加工される。そのレーザ加工ヘッド２０は、図６に示すものとなる。
【００３３】
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。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４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４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。
【００３４】
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２と図４〜図５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光ＬＯは、アイリスＡ１・シャッタＳＴ・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と、切換手段ＨＤで切り替えられる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５（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、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５（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。そのレーザ加工ヘッド２０は、図７に示すものとなる。
【００３５】
本発明の周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置１００は、上記構成要件からなり、以下のように作用する。
先ず、図６に示すように、シリンダＷの内周面に不連続な微細周期性溝ＫＭの「市松模様」を加工するには、図６に示すレーザ加工ヘッド２０において、プログラム手段ＰＣにより作られた図８の加工フローチャートと、図９のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１０に示すＺ軸駆動手段による間欠移動（ステップ）又は連続移動（スパイラル）により実行される。上記加工フローチャートは、先ず、「スタート」で、Ｚ軸駆動手段９の送りを「間欠移動又は連続移動」の何れかに手動操作で「入力操作」して「選択」される。間欠移動（ステップ）に選択した時の入力内容は、「ワークポイントＸ，Ｙ，ワークスタートポイントＺ」「セーフティハイト、ピッチＺ、送り、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。また、連続移動（スパイラル）に選択した時の入力内容は、「ワークポイントＸ，Ｙ，ワークスタートポイントＺ」「セーフティハイト、Ｚ軸送り、Ｚ軸方向、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。
続いて、「自動運転」に入り、「レーザ発振」、「シャッタ」の開閉制御のもとに、「プログラム自動運転」が開始され各モータや各ユニット３，５，９，１０，２０，３０, Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭやＳＨ，ＨＤ等を駆動部ＤＤによ作動される。加工が終了したところで、「シャッタ手段」の閉口と「レーザ停止」により「加工終了」になっている。上記プログラム自動運転は、図９に示すフローチャートのようにプログラムされている。まず、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）と「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク内周面への一周目の加工開始（λ/ ２板とミラーの１回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御）」「一周目の加工終了」「二周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転／レーザ発振／シャッタ、一周目と逆の反転開閉制御）」「二周目の加工終了」「三周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転／レーザ発振／シャッタ手段、二周目と逆の反転開閉制御）」・・・「Ｎ周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転／レーザ発振／シャッタ、前回と逆の反転開閉制御）」「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／原点復帰）」、そして「加工終了」となる。
【００３６】
しかして、実際の運転においては、図６に示すように、上記レーザ加工ヘッド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、切換手段ＨＤで選択された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ＳＴによる開閉制御で同期される。即ち、図４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、一周分だけ間欠的に整列加工される。
【００３７】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭを二周目、三周目と段階的に加工を進めるには、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に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、内周面Ｗ１の軸芯方向には、二周目、三周目の微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ整列加工される。
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。加工終了とともに、シャッタ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６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ＫＭが同一方向に市松模様に整列加工される。
【００３８】
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７に示すように、λ/ ２板Ｐと反射ミラーＭとの間に切換手段ＨＤによりディンプル加工用ホモジナイザーＨ２を配置した実施例にする場合もある。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５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。この時、図８の加工フローチャートと、図９のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１０に示すＺ軸駆動手段による間欠移動又は連続移動により実行される。
【００３９】
しかして、実際の運転においては、上記レーザ加工ヘッド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、切換手段ＨＤで選択された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ＳＴによる開閉制御で同期される。即ち、図４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ディンプルＤＰが同一方向に、一周分だけ間欠的に整列加工される。
【００４０】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工されたディンプルＤＰを二周目、三周目と段階的に加工を進めるには、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に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、内周面Ｗ１の軸芯方向には、二周目、三周目のディンプルＤＰが同一方向に所定幅だけ整列加工される。
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に対してディンプル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に対してディンプルを所定幅に加工される。加工終了とともに、シャッタ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、連続した周期性のディンプルＤＰが同一方向に市松模様に整列加工される。
【００４１】
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に切換手段ＨＤで切替えれば、図７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。そして、上記微細周期性溝ＫＭとディンプルＤＰとを一周毎に切り替えたいならば、それに対応して切換手段ＨＤにより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とを切り換え操作すれば良い。これにより、周期溝とディンプルとの混合市松模様の加工が行える。しかして、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。
【００４２】
以上、本発明の第１の実施の形態となる周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置１００によれば、下記の効果が発揮される。即ち、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市松模様に加工できる。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。
【００４３】
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。
【００４４】
続いて、図１１〜図１５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、図１１と図１２において、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。その他の全体構成は、上記第１の実施の形態と同一であるから、同一符号を附して説明を省略する。加工制御部２００は、回転制御モータＭＭと回転駆動手段ＳＤが省略された他は、上記各送りモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３，回転制御モータＭＭやシャッタＳＴ及や切換手段ＨＤ等を駆動する構成が同一であり、同一符号を附して説明を省略する。
【００４５】
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、図１３に示す微細周期性溝の加工と図１４に示すディンプル加工とは、図１５のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１０に示すＺ軸駆動手段による間欠移動又は連続移動により実行される。図１５に示すフローチャートのプログラムは、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）と「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク内周面への一周目の加工開始（ワークの１回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御）」「一周目の加工終了」「二周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（ワークの１回転／レーザ発振／シャッタ、一周目と逆の反転開閉制御）」「二周目の加工終了」「三周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転／レーザ発振／シャッタ、二周目と逆の反転開閉制御）」・・・「Ｎ周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（ワークの１回転／レーザ発振／シャッタ、前回と逆の反転開閉制御）」「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／原点復帰）」、そして「加工終了」となる。
【００４６】
しかして、実際の加工運転においては、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、切換手段ＨＤにより選択された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、微細周期性溝ＫＭが円筒ワークＷの内周面Ｗ１の全周に間欠的に照射されて同一方向に、一周分だけ間欠的に市松模様に整列加工される。
【００４７】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭを二周目、三周目と段階的に加工を進めるには、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に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、内周面Ｗ１の軸芯方向には、二周目、三周目の微細周期性溝が所定幅だけ同一方向に間欠的に市松模様に整列加工される。その詳細な作用は、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装置１００と同一につき説明を省略する。
【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、図１４に示すように、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に切換手段ＨＤで切替えれば、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が間欠的に加工される。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ディンプルＤＰが間欠的に加工される。
【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市松模様として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。
【００５０】
続いて、本発明の第３の実施の形態となる円筒外周面の周期構造体加工方法とその加工制御装置３００を、図１６〜図２２で説明する。この加工制御装置３００は、円筒ワークＷＯの外周面Ｗ２に対して、市松模様を加工するに当たり、円筒ワークＷＯをレーザ加工ヘッド２０の外周に公転させながらフェムト秒レーザＬＯで加工するものである。加工制御装置３００は、上記第１の実施の形態となる加工制御装置１００と同一構成に付き、同一符号を附して説明を省略する。尚、λ/ ２板とこの外周を公転する円筒ワークＷＯとの関係を、図２０に示している。上記λ/ ２板は、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ＷＯの外周面Ｗ２を加工するには、図２０及び図２１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 ）させることで外周面に一様な方向に整列された微細周期性溝ＫＭまたはディンプルＤＰが加工される。
【００５１】
本発明の外周体の周期構造体加工方法とその装置３００は、上記構成要件からなり、以下のように作用する。
先ず、上記外周体Ｗ２の周期構造体加工方法は、レーザ加工ヘッド２０において、λ/ ２板ＰとホモジナイザーＨ１と反射ミラーＭとの作用を受けて外周体Ｗ２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。具体的には、図２１に示す微細周期性溝の加工とディンプル加工制御装置とは、図２２のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１０に示すＺ軸駆動手段による間欠移動又は連続移動により実行される。このプログラム自動運転のフローチャートは、まず、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）と「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク外周面への一周目の加工開始（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御）」「一周目の加工終了」「二周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、一周目と逆の反転開閉制御）」「二周目の加工終了」「三周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、二周目と逆の反転開閉制御）」・・・「Ｎ周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、前回と逆の反転開閉制御）」「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／原点復帰）」、そして「加工終了」となる。
【００５２】
以下、その加工手順を説明する。図１８と図２０と図２１に示すように、レーザ出力部２０Ａは、支持体４０に第一回転筒体４１と第二回転筒体４９とを備え、第一回転筒体４１のλ/ ２板Ｐにフェムト秒レーザ光ＬＯを通過させホモジナイザー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。続いて、上記第二回転筒体４９の反射ミラーＭによりフェムト秒レーザＬＯが回転軸線Ｏ１の方向から外径方向の外周に向けて進み、外周体Ｗの外周面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θ３（θｐ，θｈ）される。即ち、図１８と図２０の作用説明図に示すように、第二回転筒体４９が１回転θ３されるに際して、上記λ/ ２板Ｐを上記反射ミラーの１／２の回転量で両筒体を回転させるとともに、上記外周体Ｗを上記反射ミラーの外周囲の一定の半径位置に自転停止状態で公転θ２させると、上記フェムト秒レーザＬＯを外周体の外周面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。このとき、フェムト秒レーザＬＯを、シャッタＳＴによる開閉制御で間欠的な出力にすれば、上記フェムト秒レーザＬＯを円筒ワークの外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、一周分だけ間欠的に整列加工される。
【００５３】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭを二周目、三周目と段階的に加工を進めるには、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に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、外周面Ｗ２の軸芯方向には、二周目、三周目の微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ市松模様に整列加工される。尚、切換手段ＨＤにより、ディンプル加工用ホモジナイザーＨ２に切り換えれば、ディンプルＤＰが市松模様に加工される。（図２１を参照）
【００５４】
以上、本発明の第３の実施の形態となる周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置によれば、下記の効果が発揮される。
即ち、外周体となるエンジンにおけるクランクシャフトやベアリング外周面に対する市松模様の加工が効率よくでき、軸摩擦抵抗をはじめとして、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。
【００５５】
続いて、図２３〜図２６により、本発明の第４の実施の形態となる周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置４００を説明する。この周期構造体の加工制御方法と加工制御装置４００は、筒体４９と反射ミラーＭ側を固定し、外周体ＷＯを回転させて、上記λ/ ２板Ｐを省略したものである。その構成は、図２３〜図２５に示すように、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と、上記レーザ加工ヘッドには、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と、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外周体Ｗを把持し且つ回転及び位置決めするＸ軸駆動手段３０及びＹ軸駆動手段５と、上記外周面Ｗ１に向けて照射し周期性溝ＫＭを同一方向に整列加工すべく上記筒体４９に外周体の軸芯Ｏ２を合わせて支持するワーク回転駆動部５Ａと、この前部に配置した把持具７と、上記ワーク回転駆動部５Ａで回転される外周体を筒体４９の軸芯方向Ｏ１へ移動させて上記フェムト秒レーザを外周体の外周面に所定幅だけ照射させるＺ軸動手段９とからなるワーク制御テーブル３と、を具備したものである。上記ワーク制御テーブル３やその他のユニット５，７，９，１０，２０，３０，Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭ等は、上記制御手段２００により制御される。その他の詳細構成は、上記第２の実施の形態の周期構造体の加工制御装置１００´と、同一符号を付して説明を省略する。
【００５６】
本発明の第４の実施の形態となる外周体の周期構造体の加工制御装置４００は、上記構成からなり、以下のように外周体の周期構造体加工方法が実施される。即ち、筒体４９を回転させず、λ/ ２板を使用することなく、外周体のような三次元曲面にナノ周期構造体を成形させる方法と装置においては、図２６のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１０に示すＺ軸駆動手段による間欠移動又は連続移動により実行される。プログラム自動運転のフローチャートは、まず、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）と「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク外周面への一周目の加工開始（ワーク回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御）」「一周目の加工終了」「二周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、一周目と逆の反転開閉制御）」「二周目の加工終了」「三周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、二周目と逆の反転開閉制御）」・・・「Ｎ周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、前回と逆の反転開閉制御）」「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／原点復帰）」、そして「加工終了」となる。
【００５７】
以下、その加工手順を説明する。図２３と図２５に示すように、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、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は、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。上記反射ミラーの外周囲にワーク回転駆動部５Ａで支持された外周体ＷＯの外周面Ｗ２に向けて照射される。この状態で外周体ＷＯをワーク回転駆動部５Ａで回転させれば、連続した周期性の微細周期性溝ＫＭが同一方向に整列加工される。ここで、上記外周体をワーク回転駆動部５Ａにより回転θ１させつつＺ軸駆動手段９で軸芯方向Ｏ２へ移動させると、フェムト秒レーザが外周体ＷＯの外周面Ｗ２に所定幅照射される。この結果、外周体ＷＯには、微細周期性溝ＭＫが同一方向に所定幅だけ間欠的に整列加工され、簡単な加工装置で実行される。即ち、ワーク回転駆動部５Ａの一回転θ１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、外周面Ｗ２に対して周期構造体が所定幅に一周分だけ間欠的に整列加工される。
【００５８】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭを二周目、三周と段階的に加工を進めるには、外周体ＷＯ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外周面Ｗ２に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、外周面Ｗ２の軸芯方向には、二周目、三周の微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ市松模様に整列加工される。尚、切換手段ＨＤにより、ディンプル加工用ホモジナイザーＨ２に切り換えれば、ディンプルＤＰが市松模様に加工される。
【００５９】
本発明の第４の実施の形態となる外周体の周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置４００によれば、下記のような効果が発揮される。即ち、筒体４９を回転させず、λ/ ２板を使用することなく、ワーク回転駆動部５Ａによる外周体ＷＯの回転とＺ軸駆動手段９による進退移動だけの制御で良く、極めて簡単な装置と加工方法により、外周体のような三次元曲面に各種形状の周期構造体を加工することができる。その他の効果は、上記第３の実施の形態となる外周体の周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置３００と同様な効果が期待できる。
【００６０】
ところで、上記第３及び第４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３００，４００は、その外周体ＷＯの対象ワークを丸棒体（クランクシャフトやローラーベアリングのローラー）及びリング体であるベアリングの内輪( 円筒体) 等に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、円筒ワーク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やクランクシャフトやカム、ベアリングの外輪に対する加工を施すことで、摩擦低減がなされるもので説明した。しかし、上記ワークに限定されず、その他の各種機器・部品の加工面に対する加工が行なえる他、あらゆる部材の表面処理に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、周期構造体の加工制御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、レーザ加工ヘッドの詳細な断面図である。
【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駆動系の側面図である。
【図４】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５】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６】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７】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８】本発明の第１の実施の形態を示し、加工プログラムのフローチャート図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態を示し、プログラム自動運転のフローチャート図である。
【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】本発明の第２の実施の形態を示し、周期構造体の加工制御装置の全体構成図である。
【図１２】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１３】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１４】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。
【図１５】本発明の第２の実施の形態を示し、プログラム自動運転のフローチャート図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態を示し、周期構造体の加工制御装置の全体構成図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態を示し、ミラー系の部分図である。
【図１８】本発明の第３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１９】本発明の第３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２０】本発明の第３の実施の形態を示し、λ/２板の作用図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの構成図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態を示し、プログラム自動運転のフローチャート図である。
【図２３】本発明の第４の実施の形態を示し、周期構造体の加工制御装置の全体構成図である。
【図２４】本発明の第４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２５】本発明の第４の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの構成図である。
【図２６】本発明の第４の実施の形態を示し、プログラム自動運転のフローチャート図である。
【符号の説明】
【００６３】
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 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 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
ｅ１ 片側縁
ｅ２ 他側縁
ＮＣ ＮＣ制御部
ＭＫ 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
Ｋ１〜Ｋ５ 加工軌跡
Ｍ１, Ｍ２, Ｍ３ モータ
ＭＭ 回転制御モータ
ＭＯ 駆動モータ
Ｍ 反射ミラー
Ｈ ホモジナイザー
Ｈ１ 微細周期性溝用のホモジナイザー
Ｈ２ ディンプル用のホモジナイザー
Ｈ３ 混合加工用のホモジナイザー
ＨＤ 切換手段
Ｏ１，Ｏ２ 軸芯（回転中心）
Ｐ λ/ ２板
ＰＯ 照射ポイント
ＲＯ 回転
Ｒ１ 平凹レンズ
Ｒ２，Ｒ３ 平凸レンズ（集光レンズ）
ｒ1 照射距離
ＳＴ シャッタ
ＳＨ シャッタ開閉手段
ＳＤ 回転駆動手段
ＳＯ 均一なエネルギー分布
Ｓ１〜Ｓ６ スポット
Ｗ 円筒ワーク
ＷＯ 外周体
Ｗ１ 内周面
Ｗ２ 外周面
θh 反射ミラーの回転
θp 位相板の回転
θ１ 多角体の回転
θ２ 多角体の公転
θ３ フェムト秒レーザの旋回動
ＺＡ 挿入深さ位置
−Ｚ、＋Ｚ Ｚ軸方向
１００ 周期構造体の加工制御装置
１００´ 周期構造体の加工制御装置
２００ 加工制御部
３００ 周期構造体の加工制御装置
４００ 周期構造体の加工制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェムト秒レーザ加工機で丸棒体・筒体・多角体等の円筒ワークの外周面又は内周面に周期構造体を加工する加工制御方法と加工制御装置に係り、特に、円筒ワークの内周又は外周となるワーク表面に、周期構造体の各種模様パターンを加工制御す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から出る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、エンジンにおけるクランクシャフトの摩擦低減、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、シリンダ内をピストンが往復摺動する内燃機関において、上記シリンダ内周面のピストン上死点位置および下死点位置のいずれか一方または両方の近傍位置に、シリンダに対するピストンの摺動摩擦を低減する摺動摩擦低減手段が設けられたものである。この摺動摩擦低減手段は、シリンダ孔内周面の前記上死点、下死点近傍位置に平均粒径20μｍ以上の粒子を圧縮空気流と共に投射する投射処理による微細ディンプルを形成させ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メリットを有するものである（例えば、特許文献５を参照。）。
【０００８】
更に、赤外領域又は紫外領域におけるレーザビームをレンズ系を通して材料の加工面に照射して微細加工を行うようにしたレーザ加工方法において、前記レンズ系内に、面状の加工パターンに沿うようにレーザ光を指向せしめるための画像形成面を備えた光学素子を設置して少なくとも一回の照射で面加工を行うレーザ加工方法である。これにより、少なくとも１回の照射により面状パターン加工が可能となる少なくとも１回の照射により面状パターン加工が可能なレーザ加工方法が提供されている（例えば、特許文献６を参照。）。
【０００９】
【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２００６−２９１６８号公報
【特許文献５】特開２００４−３６００１１号公報
【特許文献６】特開２００４−２２３５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記各公知例において、特に注目すべき物件は、特開２００６−２９１６８号公報の往復型内燃機関である。これは、シリンダ孔内周面の前記上死点、下死点近傍位置に平均粒径２０μｍ以上の粒子を圧縮空気流と共に投射する投射処理による微細ディンプルを形成させたものであるから、ディンプル形状（外径と深さ）が不揃いであり、ディンプル密度も疎らとなる等の問題点がある。これは、シリンダ孔内周面の前記上死点、下死点近傍位置に設けたディンプルによる摩擦低減の作用が不確実になる。更には、ディンプル形状の加工だけに限定されるから、摩擦低減の作用に対しての信頼性が低い。
【００１１】
本発明の課題は、上記従来の往復型内燃機関における微細ディンプルを形成させる問題点のほか、ワーク部材の外周面又は内周面に対して、そのワーク表面に各種模様パターンの周期構造体を加工制御するようにして最適パターン模様を形成する方法と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の周期構造体の加工制御方法は、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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた第一回転筒体に導き、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に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、且つ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回転させることで上記円筒ワークの内周面に周期性溝を断続的に整列加工するとともに、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの内周面に模様状の周期性溝を形成することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の周期構造体の加工制御方法は、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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた第一回転筒体に導き、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外周面に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、且つ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円筒ワークを上記反射ミラーの外周囲に自転停止状態で公転させて上記円筒ワークの外周面に周期性溝を断続的に整列加工するとともに、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの外周面に模様状の周期性溝を形成することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３の周期構造体の加工制御方法は、請求項１または２記載の周期構造体の加工制御方法において、上記第二回転筒体内の集光レンズの前側に配置された周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーとを、切換手段により周期的に切り換えて上記円筒ワークの内周面または外周面にディンプルと周期性溝とを混合形成することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の周期構造体の加工制御装置は、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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記シャッタを介して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、上記第二回転筒体筒の先端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内周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、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の周期構造体の加工制御装置は、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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記シャッタを介して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、上記第二回転筒体筒の先端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内周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、上記チャック手段に把持された円筒ワークの外周面を上記反射ミラーの外周囲に自転停止状態で公転駆動するＹ軸駆動手段及びＸ軸駆動手段と、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連続移動または間欠移動で進退させる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。
【００１７】
請求項６の周期構造体の加工制御装置は、請求項４または５記載の周期構造体の加工制御装置において、上記第二回転筒体内の集光レンズの前側に配置された周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと、上記両ホモジナイザーを設定された時期に切り替える切換手段と、を具備したことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７の周期構造体の加工制御方法は、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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた筒体に導き、上記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又は外周面に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの内周面又は外周面に所定幅の模様状の周期性溝を間欠的に形成することを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８の周期構造体の加工制御装置は、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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記フェムト秒レーザ発振器からシャッタ手段を介した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、上記筒体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、上記反射ミラーの外周に内周面又は外周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、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軸駆動手段と、を具備したことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の周期構造体の加工制御方法とその加工制御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に記載の円筒ワークの三次元曲面にナノ単位の周期構造体を加工する加工制御方法とその加工制御装置の場合には、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、この光線を開閉制御するシャッタを介して第一回転筒体内の光学偏光素子となるλ/ ２板に間欠照射として導かれる。このλ/ ２板で、上記フェムト秒レーザが直線偏光される。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むフェムト秒レーザとなる。このフェムト秒レーザは、上記反射ミラーの外周にチャック手段で把持された円筒ワークの内周面に対して周期的に断続照射される。ここで、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回転させる。この時、上記シャッタによりフェムト秒レーザが開閉制御されながら上記円筒ワークの内周面に照射され、上記円筒ワークの内周面に断続的な周期性溝、例えば、微細周期性溝又はディンプルの何れかからなる市松模様が加工される。
【００２１】
また、円筒ワークの外周面に断続的な周期性溝、例えば、市松模様を加工するには、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ともに、上記外周面を上記反射ミラーの外周囲に自転停止状態で公転させることで、上記円筒ワークの外周面に断続的な微細周期性溝（例えば、溝幅＝数百ｎｍ）が同一方向に整列加工される。
更に、上記加工制御方法と装置において、円筒ワークの内周面または外周面を支持するチャック手段を、回転駆動部とＹ軸駆動手段とを乗せたＺ軸駆動手段で第二回転筒体の軸芯方向へ連続移動または間欠移動させることにより、上記フェムト秒レーザが円筒ワークの内周面または外周面に所定幅にわたり上記周期性溝、例えば、微細周期性溝又はディンプルの何れかからなる市松模様が同一方向に整列加工される。また、その加工方法も簡単な加工装置で実行される。
【００２２】
第２に、特に、請求項３と６に記載の上記第１の周期構造体の加工制御方法とその装置の場合には、反射ミラーよりも光源側に周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーとを介在させ、これらの両ホモジナイザーを予め設定された時間間隔で作動される切換手段で切換制御すれば、微細周期性溝とディンプル（例えば、穴径＝数十μｍ）とが交互に混合した複雑模様の周期構造体に加工制御される。また、その加工も簡単な加工装置で実行される。
【００２３】
第３に、請求項７と８に記載の円筒ワークの三次元曲面にナノ単位の周期構造体を加工する加工制御方法とその加工制御装置の場合には、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、この光線を開閉制御するシャッタを介して周期的に開閉制御された間欠照射として回転可能に設けられた筒体に導かれる。そして、上記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又は外周面に対して上記フェムト秒レーザが間欠的に照射される。これで、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの内周面又は外周面に所定幅にわたり模様状の周期性溝が間欠的に形成される。また、その加工方法も簡単な加工装置で実行される。
【００２４】
かくして、上記ワークには、微細周期性溝またはディンプル及びこれらを混合した周期構造体が複雑な模様として効率良く加工させられる。これにより、上記ワークが、例えば、クランクシャフトの軸であれば、この軸に周期構造体が形成される。この周期構造体を施したエンジンにおけるクランクシャフトとピストンコンロッドとの接触面には、多数の凹溝に潤滑油が溜まってクランクシャフトとピストンコンロッド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、その他の各種機器・部品の加工面に対する加工が行なえるから、摩擦抵抗の低減策に止まらず、あらゆる部材の表面処理に適用される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置によると、フェムト秒レーザにより、円筒ワークの内周面または外周面における所定幅にわたり、周期性溝、例えば、微細周期性溝又はディンプルの何れかからなる市松模様やこれらの組み合わせから成る任意な模様が同一方向に間欠的に整列加工できる。また、その加工方法も簡単な加工装置で実行できる。これにより、シリンダ面の滑り摩擦抵抗やクランク軸の外周面の回転摩擦抵抗を極限まで減らすことができる。
【００２６】
更に、周期性溝用ホモジナイザーまたはディンプルディンプル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光させられるから、各種の周期構造体を加工面に効率良く加工でき、多彩な模様を織り成す溝に潤滑油が溜まってエンジンにおける摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明による周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置について、図示の第１の実施の形態により説明する。図１は円筒内周面に対する周期構造体の加工装置の全体構成図、図２と図３はレーザ加工ヘッドの断面図と要部拡大図、図４はλ/ ２板と反射ミラーとの作用図、図５はホモジナイザーの構成図、図６は周期溝の市松模様を加工する加工ヘッドの構成図、図７はディンプルの市松模様を加工する加工ヘッドの構成図、図８はＰＣプログラム手段による加工フローチャート図、図９はプログラム自動運転のフローチャート図、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である。
【００２８】
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には、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ＳＴを開閉させるシャッタ開閉手段ＳＨと、三連スライド式のホモジナイザーＨの切換手段ＨＤと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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、上記円筒内周面の周期構造体加工装置１００には、上記各送りモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３，回転制御モータＭＭやシャッタＳＴのシャッタ開閉手段ＳＨ及び後記する回転駆動手段ＳＤの駆動モータＭＯや切換手段ＨＤ等を駆動する加工制御部２００を備えている。この加工制御部２００の概要構成と機能を説明する。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に対して加工プログラミング情報を提供して円筒ワークＷに任意な模様加工を実行させるプログラム手段ＰＣと、このプログラム手段ＰＣと中央制御部ＣＰＵからの指令で、各モータＭＯ，Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭやシャッタＳＴのシャッタ開閉手段ＳＨやホモジナイザーＨの切換手段ＨＤの駆動制御をプログラム通り運転させる数値制御部ＮＣと、この数値制御部ＮＣからの指令を受けて各モータＭＯ，Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭやＳＨ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加工制御部２００の制御のもとに、各ユニット３，５，９，１０，２０，３０, Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭやＳＨ，ＨＤ等の駆動部ＤＤが作動される。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。また、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円筒ワークＷの内周面に倣う制御運転が可能である。
【００３１】
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と、切換手段ＨＤにより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）と、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、円筒ワークＷの内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。
【００３２】
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２と図４〜図６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ＳＴ・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５（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５（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４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が間欠的な市松模様に加工される。そのレーザ加工ヘッド２０は、図６に示すものとなる。
【００３３】
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。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４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４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。
【００３４】
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２と図４〜図５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光ＬＯは、アイリスＡ１・シャッタＳＴ・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と、切換手段ＨＤで切り替えられる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５（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、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５（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。そのレーザ加工ヘッド２０は、図７に示すものとなる。
【００３５】
本発明の周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置１００は、上記構成要件からなり、以下のように作用する。
先ず、図６に示すように、シリンダＷの内周面に不連続な微細周期性溝ＫＭの「市松模様」を加工するには、図６に示すレーザ加工ヘッド２０において、プログラム手段ＰＣにより作られた図８の加工フローチャートと、図９のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１０に示すＺ軸駆動手段による間欠移動（ステップ）又は連続移動（スパイラル）により実行される。上記加工フローチャートは、先ず、「スタート」で、Ｚ軸駆動手段９の送りを「間欠移動又は連続移動」の何れかに手動操作で「入力操作」して「選択」される。間欠移動（ステップ）に選択した時の入力内容は、「ワークポイントＸ，Ｙ，ワークスタートポイントＺ」「セーフティハイト、ピッチＺ、送り、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。また、連続移動（スパイラル）に選択した時の入力内容は、「ワークポイントＸ，Ｙ，ワークスタートポイントＺ」「セーフティハイト、Ｚ軸送り、Ｚ軸方向、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。
続いて、「自動運転」に入り、「レーザ発振」、「シャッタ」の開閉制御のもとに、「プログラム自動運転」が開始され各モータや各ユニット３，５，９，１０，２０，３０, Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭやＳＨ，ＨＤ等を駆動部ＤＤによ作動される。加工が終了したところで、「シャッタ手段」の閉口と「レーザ停止」により「加工終了」になっている。上記プログラム自動運転は、図９に示すフローチャートのようにプログラムされている。まず、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）と「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク内周面への一周目の加工開始（λ/ ２板とミラーの１回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御）」「一周目の加工終了」「二周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転／レーザ発振／シャッタ、一周目と逆の反転開閉制御）」「二周目の加工終了」「三周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転／レーザ発振／シャッタ手段、二周目と逆の反転開閉制御）」・・・「Ｎ周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転／レーザ発振／シャッタ、前回と逆の反転開閉制御）」「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／原点復帰）」、そして「加工終了」となる。
【００３６】
しかして、実際の運転においては、図６に示すように、上記レーザ加工ヘッド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、切換手段ＨＤで選択された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ＳＴによる開閉制御で同期される。即ち、図４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、一周分だけ間欠的に整列加工される。
【００３７】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭを二周目、三周目と段階的に加工を進めるには、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に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、内周面Ｗ１の軸芯方向には、二周目、三周目の微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ整列加工される。
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。加工終了とともに、シャッタ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６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ＫＭが同一方向に市松模様に整列加工される。
【００３８】
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７に示すように、λ/ ２板Ｐと反射ミラーＭとの間に切換手段ＨＤによりディンプル加工用ホモジナイザーＨ２を配置した実施例にする場合もある。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５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。この時、図８の加工フローチャートと、図９のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１０に示すＺ軸駆動手段による間欠移動又は連続移動により実行される。
【００３９】
しかして、実際の運転においては、上記レーザ加工ヘッド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、切換手段ＨＤで選択された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ＳＴによる開閉制御で同期される。即ち、図４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ディンプルＤＰが同一方向に、一周分だけ間欠的に整列加工される。
【００４０】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工されたディンプルＤＰを二周目、三周目と段階的に加工を進めるには、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に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、内周面Ｗ１の軸芯方向には、二周目、三周目のディンプルＤＰが同一方向に所定幅だけ整列加工される。
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に対してディンプル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に対してディンプルを所定幅に加工される。加工終了とともに、シャッタ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、連続した周期性のディンプルＤＰが同一方向に市松模様に整列加工される。
【００４１】
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に切換手段ＨＤで切替えれば、図７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。そして、上記微細周期性溝ＫＭとディンプルＤＰとを一周毎に切り替えたいならば、それに対応して切換手段ＨＤにより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とを切り換え操作すれば良い。これにより、周期溝とディンプルとの混合市松模様の加工が行える。しかして、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。
【００４２】
以上、本発明の第１の実施の形態となる周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置１００によれば、下記の効果が発揮される。即ち、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市松模様に加工できる。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。
【００４３】
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。
【００４４】
続いて、図１１〜図１５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、図１１と図１２において、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。その他の全体構成は、上記第１の実施の形態と同一であるから、同一符号を附して説明を省略する。加工制御部２００は、回転制御モータＭＭと回転駆動手段ＳＤが省略された他は、上記各送りモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３，回転制御モータＭＭやシャッタＳＴ及や切換手段ＨＤ等を駆動する構成が同一であり、同一符号を附して説明を省略する。
【００４５】
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、図１３に示す微細周期性溝の加工と図１４に示すディンプル加工とは、図１５のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１０に示すＺ軸駆動手段による間欠移動又は連続移動により実行される。図１５に示すフローチャートのプログラムは、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）と「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク内周面への一周目の加工開始（ワークの１回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御）」「一周目の加工終了」「二周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（ワークの１回転／レーザ発振／シャッタ、一周目と逆の反転開閉制御）」「二周目の加工終了」「三周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転／レーザ発振／シャッタ、二周目と逆の反転開閉制御）」・・・「Ｎ周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（ワークの１回転／レーザ発振／シャッタ、前回と逆の反転開閉制御）」「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／原点復帰）」、そして「加工終了」となる。
【００４６】
しかして、実際の加工運転においては、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、切換手段ＨＤにより選択された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、微細周期性溝ＫＭが円筒ワークＷの内周面Ｗ１の全周に間欠的に照射されて同一方向に、一周分だけ間欠的に市松模様に整列加工される。
【００４７】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭを二周目、三周目と段階的に加工を進めるには、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に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、内周面Ｗ１の軸芯方向には、二周目、三周目の微細周期性溝が所定幅だけ同一方向に間欠的に市松模様に整列加工される。その詳細な作用は、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装置１００と同一につき説明を省略する。
【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、図１４に示すように、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に切換手段ＨＤで切替えれば、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が間欠的に加工される。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ディンプルＤＰが間欠的に加工される。
【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市松模様として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。
【００５０】
続いて、本発明の第３の実施の形態となる円筒外周面の周期構造体加工方法とその加工制御装置３００を、図１６〜図２２で説明する。この加工制御装置３００は、円筒ワークＷＯの外周面Ｗ２に対して、市松模様を加工するに当たり、円筒ワークＷＯをレーザ加工ヘッド２０の外周に公転させながらフェムト秒レーザＬＯで加工するものである。加工制御装置３００は、上記第１の実施の形態となる加工制御装置１００と同一構成に付き、同一符号を附して説明を省略する。尚、λ/ ２板とこの外周を公転する円筒ワークＷＯとの関係を、図２０に示している。上記λ/ ２板は、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ＷＯの外周面Ｗ２を加工するには、図２０及び図２１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 ）させることで外周面に一様な方向に整列された微細周期性溝ＫＭまたはディンプルＤＰが加工される。
【００５１】
本発明の外周体の周期構造体加工方法とその装置３００は、上記構成要件からなり、以下のように作用する。
先ず、上記外周体Ｗ２の周期構造体加工方法は、レーザ加工ヘッド２０において、λ/ ２板ＰとホモジナイザーＨ１と反射ミラーＭとの作用を受けて外周体Ｗ２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。具体的には、図２１に示す微細周期性溝の加工とディンプル加工制御装置とは、図２２のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１０に示すＺ軸駆動手段による間欠移動又は連続移動により実行される。このプログラム自動運転のフローチャートは、まず、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）と「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク外周面への一周目の加工開始（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御）」「一周目の加工終了」「二周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、一周目と逆の反転開閉制御）」「二周目の加工終了」「三周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、二周目と逆の反転開閉制御）」・・・「Ｎ周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、前回と逆の反転開閉制御）」「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／原点復帰）」、そして「加工終了」となる。
【００５２】
以下、その加工手順を説明する。図１８と図２０と図２１に示すように、レーザ出力部２０Ａは、支持体４０に第一回転筒体４１と第二回転筒体４９とを備え、第一回転筒体４１のλ/ ２板Ｐにフェムト秒レーザ光ＬＯを通過させホモジナイザー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。続いて、上記第二回転筒体４９の反射ミラーＭによりフェムト秒レーザＬＯが回転軸線Ｏ１の方向から外径方向の外周に向けて進み、外周体Ｗの外周面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θ３（θｐ，θｈ）される。即ち、図１８と図２０の作用説明図に示すように、第二回転筒体４９が１回転θ３されるに際して、上記λ/ ２板Ｐを上記反射ミラーの１／２の回転量で両筒体を回転させるとともに、上記外周体Ｗを上記反射ミラーの外周囲の一定の半径位置に自転停止状態で公転θ２させると、上記フェムト秒レーザＬＯを外周体の外周面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。このとき、フェムト秒レーザＬＯを、シャッタＳＴによる開閉制御で間欠的な出力にすれば、上記フェムト秒レーザＬＯを円筒ワークの外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、一周分だけ間欠的に整列加工される。
【００５３】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭを二周目、三周目と段階的に加工を進めるには、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に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、外周面Ｗ２の軸芯方向には、二周目、三周目の微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ市松模様に整列加工される。尚、切換手段ＨＤにより、ディンプル加工用ホモジナイザーＨ２に切り換えれば、ディンプルＤＰが市松模様に加工される。（図２１を参照）
【００５４】
以上、本発明の第３の実施の形態となる周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置によれば、下記の効果が発揮される。
即ち、外周体となるエンジンにおけるクランクシャフトやベアリング外周面に対する市松模様の加工が効率よくでき、軸摩擦抵抗をはじめとして、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。
【００５５】
続いて、図２３〜図２６により、本発明の第４の実施の形態となる周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置４００を説明する。この周期構造体の加工制御方法と加工制御装置４００は、筒体４９と反射ミラーＭ側を固定し、外周体ＷＯを回転させて、上記λ/ ２板Ｐを省略したものである。その構成は、図２３〜図２５に示すように、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と、上記レーザ加工ヘッドには、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と、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外周体Ｗを把持し且つ回転及び位置決めするＸ軸駆動手段３０及びＹ軸駆動手段５と、上記外周面Ｗ１に向けて照射し周期性溝ＫＭを同一方向に整列加工すべく上記筒体４９に外周体の軸芯Ｏ２を合わせて支持するワーク回転駆動部５Ａと、この前部に配置した把持具７と、上記ワーク回転駆動部５Ａで回転される外周体を筒体４９の軸芯方向Ｏ１へ移動させて上記フェムト秒レーザを外周体の外周面に所定幅だけ照射させるＺ軸動手段９とからなるワーク制御テーブル３と、を具備したものである。上記ワーク制御テーブル３やその他のユニット５，７，９，１０，２０，３０，Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭ等は、上記制御手段２００により制御される。その他の詳細構成は、上記第２の実施の形態の周期構造体の加工制御装置１００´と、同一符号を付して説明を省略する。
【００５６】
本発明の第４の実施の形態となる外周体の周期構造体の加工制御装置４００は、上記構成からなり、以下のように外周体の周期構造体加工方法が実施される。即ち、筒体４９を回転させず、λ/ ２板を使用することなく、外周体のような三次元曲面にナノ周期構造体を成形させる方法と装置においては、図２６のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１０に示すＺ軸駆動手段による間欠移動又は連続移動により実行される。プログラム自動運転のフローチャートは、まず、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）と「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク外周面への一周目の加工開始（ワーク回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御）」「一周目の加工終了」「二周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、一周目と逆の反転開閉制御）」「二周目の加工終了」「三周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、二周目と逆の反転開閉制御）」・・・「Ｎ周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、前回と逆の反転開閉制御）」「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／原点復帰）」、そして「加工終了」となる。
【００５７】
以下、その加工手順を説明する。図２３と図２５に示すように、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、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は、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。上記反射ミラーの外周囲にワーク回転駆動部５Ａで支持された外周体ＷＯの外周面Ｗ２に向けて照射される。この状態で外周体ＷＯをワーク回転駆動部５Ａで回転させれば、連続した周期性の微細周期性溝ＫＭが同一方向に整列加工される。ここで、上記外周体をワーク回転駆動部５Ａにより回転θ１させつつＺ軸駆動手段９で軸芯方向Ｏ２へ移動させると、フェムト秒レーザが外周体ＷＯの外周面Ｗ２に所定幅照射される。この結果、外周体ＷＯには、微細周期性溝ＭＫが同一方向に所定幅だけ間欠的に整列加工され、簡単な加工装置で実行される。即ち、ワーク回転駆動部５Ａの一回転θ１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、外周面Ｗ２に対して周期構造体が所定幅に一周分だけ間欠的に整列加工される。
【００５８】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭを二周目、三周と段階的に加工を進めるには、外周体ＷＯ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外周面Ｗ２に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、外周面Ｗ２の軸芯方向には、二周目、三周の微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ市松模様に整列加工される。尚、切換手段ＨＤにより、ディンプル加工用ホモジナイザーＨ２に切り換えれば、ディンプルＤＰが市松模様に加工される。
【００５９】
本発明の第４の実施の形態となる外周体の周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置４００によれば、下記のような効果が発揮される。即ち、筒体４９を回転させず、λ/ ２板を使用することなく、ワーク回転駆動部５Ａによる外周体ＷＯの回転とＺ軸駆動手段９による進退移動だけの制御で良く、極めて簡単な装置と加工方法により、外周体のような三次元曲面に各種形状の周期構造体を加工することができる。その他の効果は、上記第３の実施の形態となる外周体の周期構造体の加工制御方法とその加工制御装置３００と同様な効果が期待できる。
【００６０】
ところで、上記第３及び第４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３００，４００は、その外周体ＷＯの対象ワークを丸棒体（クランクシャフトやローラーベアリングのローラー）及びリング体であるベアリングの内輪( 円筒体) 等に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、円筒ワーク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やクランクシャフトやカム、ベアリングの外輪に対する加工を施すことで、摩擦低減がなされるもので説明した。しかし、上記ワークに限定されず、その他の各種機器・部品の加工面に対する加工が行なえる他、あらゆる部材の表面処理に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、周期構造体の加工制御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、レーザ加工ヘッドの詳細な断面図である。
【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駆動系の側面図である。
【図４】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５】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６】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７】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８】本発明の第１の実施の形態を示し、加工プログラムのフローチャート図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態を示し、プログラム自動運転のフローチャート図である。
【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】本発明の第２の実施の形態を示し、周期構造体の加工制御装置の全体構成図である。
【図１２】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１３】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１４】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。
【図１５】本発明の第２の実施の形態を示し、プログラム自動運転のフローチャート図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態を示し、周期構造体の加工制御装置の全体構成図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態を示し、ミラー系の部分図である。
【図１８】本発明の第３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１９】本発明の第３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２０】本発明の第３の実施の形態を示し、λ/２板の作用図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの構成図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態を示し、プログラム自動運転のフローチャート図である。
【図２３】本発明の第４の実施の形態を示し、周期構造体の加工制御装置の全体構成図である。
【図２４】本発明の第４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２５】本発明の第４の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの構成図である。
【図２６】本発明の第４の実施の形態を示し、プログラム自動運転のフローチャート図である。
【符号の説明】
【００６３】
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 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 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
ｅ１ 片側縁
ｅ２ 他側縁
ＮＣ ＮＣ制御部
ＭＫ 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
Ｋ１〜Ｋ５ 加工軌跡
Ｍ１, Ｍ２, Ｍ３ モータ
ＭＭ 回転制御モータ
ＭＯ 駆動モータ
Ｍ 反射ミラー
Ｈ ホモジナイザー
Ｈ１ 微細周期性溝用のホモジナイザー
Ｈ２ ディンプル用のホモジナイザー
Ｈ３ 混合加工用のホモジナイザー
ＨＤ 切換手段
Ｏ１，Ｏ２ 軸芯（回転中心）
Ｐ λ/ ２板
ＰＯ 照射ポイント
ＲＯ 回転
Ｒ１ 平凹レンズ
Ｒ２，Ｒ３ 平凸レンズ（集光レンズ）
ｒ1 照射距離
ＳＴ シャッタ
ＳＨ シャッタ開閉手段
ＳＤ 回転駆動手段
ＳＯ 均一なエネルギー分布
Ｓ１〜Ｓ６ スポット
Ｗ 円筒ワーク
ＷＯ 外周体
Ｗ１ 内周面
Ｗ２ 外周面
θh 反射ミラーの回転
θp 位相板の回転
θ１ 多角体の回転
θ２ 多角体の公転
θ３ フェムト秒レーザの旋回動
ＺＡ 挿入深さ位置
−Ｚ、＋Ｚ Ｚ軸方向
１００ 周期構造体の加工制御装置
１００´ 周期構造体の加工制御装置
２００ 加工制御部
３００ 周期構造体の加工制御装置
４００ 周期構造体の加工制御装置
【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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた第一回転筒体に導き、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に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、且つ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回転させることで上記円筒ワークの内周面に周期性溝を断続的に整列加工するとともに、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの内周面に模様状の周期性溝を形成することを特徴とする周期構造体の加工制御方法。
【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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた第一回転筒体に導き、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外周面に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、且つ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円筒ワークを上記反射ミラーの外周囲に自転停止状態で公転させて上記円筒ワークの外周面に周期性溝を断続的に整列加工するとともに、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの外周面に模様状の周期性溝を形成することを特徴とする周期構造体の加工制御方法。
【請求項３】
上記第二回転筒体内の集光レンズの前側に配置された周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーとを、切換手段により周期的に切り換えて上記円筒ワークの内周面または外周面にディンプルと周期性溝とを混合形成することを特徴とする請求項１または２記載の周期構造体の加工制御方法。
【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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記シャッタを介して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、上記第二回転筒体筒の先端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内周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、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軸駆動手段と、を具備したことを特徴とする周期構造体の加工制御装置。
【請求項５】
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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記シャッタを介して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、上記第二回転筒体筒の先端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内周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、上記チャック手段に把持された円筒ワークの外周面を上記反射ミラーの外周囲に自転停止状態で公転駆動するＹ軸駆動手段及びＸ軸駆動手段と、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連続移動または間欠移動で進退させるＺ軸駆動手段と、を具備したことを特徴とする周期構造体の加工制御装置。
【請求項６】
上記第二回転筒体内の集光レンズの前側に配置された周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと、上記両ホモジナイザーを設定された時期に切り替える切換手段と、を具備したことを特徴とする請求項４または５記載の周期構造体の加工制御装置。
【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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた筒体に導き、上記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又は外周面に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの内周面又は外周面に所定幅の模様状の周期性溝を間欠的に形成することを特徴とする周期構造体の加工制御方法。
【請求項８】
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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記フェムト秒レーザ発振器からシャッタを介した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、上記筒体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、上記反射ミラーの外周に内周面又は外周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、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軸駆動手段と、を具備したことを特徴とする周期構造体の加工制御装置。
【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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた第一回転筒体に導き、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に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、且つ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回転させることで上記円筒ワークの内周面に周期性溝を断続的に整列加工するとともに、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの内周面に模様状の周期性溝を形成することを特徴とする周期構造体の加工制御方法。
【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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた第一回転筒体に導き、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外周面に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、且つ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円筒ワークを上記反射ミラーの外周囲に自転停止状態で公転させて上記円筒ワークの外周面に周期性溝を断続的に整列加工するとともに、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの外周面に模様状の周期性溝を形成することを特徴とする周期構造体の加工制御方法。
【請求項３】
上記第二回転筒体内の集光レンズの前側に配置された周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーとを、切換手段により周期的に切り換えて上記円筒ワークの内周面または外周面にディンプルと周期性溝とを混合形成することを特徴とする請求項１または２記載の周期構造体の加工制御方法。
【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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記シャッタを介して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、上記第二回転筒体筒の先端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内周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、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軸駆動手段と、を具備したことを特徴とする周期構造体の加工制御装置。
【請求項５】
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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記シャッタを介して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、上記第二回転筒体筒の先端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内周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、上記チャック手段に把持された円筒ワークの外周面を上記反射ミラーの外周囲に自転停止状態で公転駆動するＹ軸駆動手段及びＸ軸駆動手段と、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連続移動または間欠移動で進退させるＺ軸駆動手段と、を具備したことを特徴とする周期構造体の加工制御装置。
【請求項６】
上記第二回転筒体内の集光レンズの前側に配置された周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと、上記両ホモジナイザーを設定された時期に切り替える切換手段と、を具備したことを特徴とする請求項４または５記載の周期構造体の加工制御装置。
【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、シャッタを周期的に開閉制御して間欠的に回転可能に設けられた筒体に導き、上記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又は外周面に対して上記フェムト秒レーザを間欠照射し、上記チャック手段をＺ軸駆動手段により上記円筒ワークの軸芯方向に連続移動または間欠移動させ、上記円筒ワークの内周面又は外周面に所定幅の模様状の周期性溝を間欠的に形成することを特徴とする周期構造体の加工制御方法。
【請求項８】
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開閉するシャッタと、上記シャッタを周期的に開閉制御させて間欠照射させるシャツタ開閉手段と、上記フェムト秒レーザ発振器からシャッタを介した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、上記筒体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、上記反射ミラーの外周に内周面又は外周面を対面させた円筒ワークを固定して把持するチャック手段と、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軸駆動手段と、を具備したことを特徴とする周期構造体の加工制御装置。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２００９−５０９０４（Ｐ２００９−５０９０４Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２１９６３（Ｐ２００７−２２１９６３）
【出願日】平成１９年８月２９日（２００７．８．２９）
【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２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２９日（２００７．８．２９）
【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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