JP5066660B2 - 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 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (8)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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