(57)【要約】【課題】フェムト秒レーザを用いて超硬合金等の高硬度材料を高精度に微細加工することを可能にする。【解決手段】フェムト秒レーザ光をレンズにより集光して高硬度材料の加工表面に照射するに際し、レーザ光の焦点位置を加工表面から離れた位置で、しかも、それ以上離れると加工表面を加工できなくなる位置から、加工表面へ向かって所定の切込み量だけ近付けた切込み位置に設定して加工する切込み工程（Ｓ１０２）と、レーザ光の焦点位置を前記切込み位置から変えないでゼロカットを行うゼロカット工程（Ｓ１０３）とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒レーザ光をレンズにより集光して高硬度材料の加工表面に照射するに際し、前記フェムト秒レーザ光の焦点位置を、前記加工表面から離れた位置で、しかも、それ以上離れると前記加工表面を加工できなくなる位置から、前記加工表面へ向かって所定の切込み量だけ近付けた切込み位置に設定して加工する切込工程と、
前記フェムト秒レーザ光の焦点位置を前記切込み位置から変えないでゼロカットを行うゼロカット工程と
を含む高硬度材料のゼロカット加工法。
【請求項２】
フェムト秒レーザ光をレンズにより集光して被加工物の加工表面に照射するに際し、前記フェムト秒レーザ光の焦点位置を、前記加工表面から離れた位置で、しかも、それ以上離れると前記加工表面を加工できなくなる位置から、前記加工表面へ向かって所定の切込み量だけ近付けた切込み位置に設定して加工する切込工程と、
前記フェムト秒レーザ光の焦点位置を前記切込み位置から変えないでゼロカットを行うゼロカット工程と
を含む高硬度材料構造物の製造方法。
【請求項３】
前記切込工程の前に、前記被加工物の加工表面に切残しがない前加工面を成形する前加工工程を含む請求項２記載の高硬度材料構造物の製造方法。
【請求項４】
前記レンズの倍率は５０〜１００倍である請求項２または３に記載の高硬度材料構造物の製造方法。
【請求項５】
ミスト噴霧下で加工することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の高硬度材料構造物の製造方法。
【請求項６】
前記フェムト秒レーザ光の周波数は０．５ｋＨｚ以上である請求項２から５のいずれか１項に記載の高硬度材料構造物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェムト秒レーザを用いて超硬合金等の高硬度材料を加工する高硬度材料に対するゼロカット加工法および高硬度材料からなる高硬度材料構造物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フェムト秒レーザを用いた高硬度材料加工方法が提案されている。例えば、特許文献１には、加工材にフェムト秒レーザ光を照射してこの加工材を加工し、これによって加工材に形成される加工面に対し、加工時に比してパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ光を照射してこの加工面に生じた堆積物をこのパルスエネルギを低く設定したフェムト秒レーザ光により除去することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１１９７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の方法では、フェムト秒レーザ光を高硬度材料に照射して加工を施した場合に加工面に生じた堆積物を除去することが可能であるが、フェムト秒レーザ光による加工面の形成そのものについて高精度な加工を可能にするものではない。
【０００５】
本発明は、フェムト秒レーザを用いて超硬合金等の高硬度材料を高精度に微細加工することを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の高硬度材料のゼロカット加工法は、フェムト秒レーザ光をレンズにより集光して高硬度材料の加工表面に照射するに際し、フェムト秒レーザ光の焦点位置を、加工表面から離れた位置で、しかも、それ以上離れると加工表面を加工できなくなる位置から、加工表面へ向かって所定の切込み量だけ近付けた切込み位置に設定して加工する切込工程と、フェムト秒レーザ光の焦点位置を前記切込み位置から変えないでゼロカットを行うゼロカット工程を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明の高硬度材料のゼロカット加工法によれば、フェムト秒レーザ光の焦点位置を、それ以上離れると高硬度材料の加工表面を加工できなくなる位置から、加工表面へ向かって所定の切込み量だけ近付けた切込み位置に設定して切込み加工し、この切込み位置からフェムト秒レーザ光の焦点位置を変えないでゼロカットを行って切残しを除去することで、所定の切込み量だけ高精度に高硬度材料が除去加工される。
【０００８】
本発明の高硬度材料構造物の製造方法は、フェムト秒レーザ光をレンズにより集光して被加工物の加工表面に照射するに際し、フェムト秒レーザ光の焦点位置を、加工表面から離れた位置で、しかも、それ以上離れると加工表面を加工できなくなる位置から、加工表面へ向かって所定の切込み量だけ近付けた切込み位置に設定して加工する切込工程と、フェムト秒レーザ光の焦点位置を前記切込み位置から変えないでゼロカットを行うゼロカット工程とを含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の高硬度材料構造物の製造方法によれば、フェムト秒レーザ光の焦点位置を、それ以上離れると被加工物の加工表面を加工できなくなる位置から、加工表面へ向かって所定の切込み量だけ近付けた切込み位置に設定して切込み加工し、この切込み位置からフェムト秒レーザ光の焦点位置を変えないでゼロカットを行って切残しを除去することで、所定の切込み量だけ高精度に被加工物が除去加工される。
【００１０】
また、レンズの倍率は５０〜１００倍であることが望ましい。５０〜１００倍の焦点深度の浅い高倍率レンズを使用することで、焦域でのエネルギー密度が上がり、ゼロカット回数を少なくすることができる。
【００１１】
また、ミスト噴霧下で加工することが望ましい。これにより、被加工物が溶けるのを防止して加工速度を上げることができる。
【００１２】
また、フェムト秒レーザの周波数は０．５ｋＨｚ以上であることが望ましい。これにより、単位時間当たり単位面積に照射されるエネルギーを上げることができ、加工速度を上げることができる。
【発明の効果】
【００１３】
（１）本発明によれば、フェムト秒レーザ光の焦点位置を、それ以上離れると加工表面を加工できなくなる位置から、加工表面へ向かって所定の切込み量だけ近付けた切込み位置に設定して切込み加工し、この切込み位置でゼロカットを行って切残しを除去することで、所定の切込み量だけ高精度に加工表面が除去加工され、自由曲面を含む高硬度材料の三次元微細構造物を製造することが可能となる。
【００１４】
（２）レンズの倍率が５０〜１００倍であることにより、焦域でのエネルギー密度が上がり、ゼロカット回数を少なくすることができるので、加工速度を上げることが可能となる。
【００１５】
（３）ミスト噴霧下で加工することにより、被加工物が溶けるのを防止して加工速度を上げることができる。
【００１６】
（４）フェムト秒レーザの周波数が０．５ｋＨｚ以上であることにより、単位時間当たり単位面積に照射されるエネルギーを上げることができ、加工速度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態における高硬度材料のゼロカット加工法に用いられる加工装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態における高硬度材料のゼロカット加工法のフロー図である。
【図３】レーザ光の光軸に対して直交した加工面に関するデフォーカスと除去深さとの関係を示す模式図である。
【図４】前加工工程を示す説明図である。
【図５】加工面の成形過程を示す説明図である。
【図６】図５のデフォーカスと除去深さの関係を示す図である。
【図７】曲面加工例を示す説明図である。
【図８】超硬合金に対して測定したデフォーカスとＺ軸方向除去深さを示す図である。
【図９】切残しを除去するために必要なゼロカットの回数と累積除去深さを示す図である。
【図１０】レンズの倍率を変えた場合のデフォーカスとＺ軸方向除去深さを示す図である。
【図１１】ミスト噴霧した場合のデフォーカスとＺ軸方向除去深さを示す図である。
【図１２】繰り返し周波数を変えた場合のデフォーカスとＺ軸方向除去深さを示す図である。
【図１３】ゼロカット回数を変えた場合のデフォーカスとＺ軸方向除去深さを示す図である。
【図１４】超硬合金に対して直径０．２ｍｍの凸状ディンプルを９個作成するために計算したレーザの走査軌跡を示す図である。
【図１５】ビッカース硬さが２６００Ｈｖの超硬合金に対してレーザ加工した直径９個の凸状ディンプルを示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は本発明の実施の形態における高硬度材料のゼロカット加工法に用いられる加工装置の概略構成図、図２は本発明の実施の形態における高硬度材料のゼロカット加工法のフロー図である。
【００１９】
図１に示すように、本発明の実施の形態における高硬度材料のゼロカット加工法に用いられる加工装置は、パルス幅がフェムト秒レベルのフェムト秒レーザ光（以下、単に「レーザ光」と称することもある。）を出力するフェムト秒レーザ発振器（以下、「レーザ発振器」と称す。）１と、レーザ発振器１から出力されるフェムト秒レーザ光を伝送するレーザ光伝送器２と、レーザ光伝送器２により伝送されるレーザ光を集光して被加工物４に照射するミラーアレイ３とを有する。
【００２０】
レーザ光伝送器２は、ハーフミラー２０Ａ、ミラー２０Ｂ，ミラー２０Ｃ、レンズ２１、中空ファイバ２２、真空チャンバ２３や、カメラ２４等を備える。中空ファイバ２２は、ホロコアフォトニック結晶ファイバである。中空ファイバ２２は、真空チャンバ２３内に収容され、排気口２３Ａから真空引きすることによって、レーザ光の伝達効率が７０％近くまで高められている。
【００２１】
レーザ発振器１から出力されたレーザ光はハーフミラー２０Ａにより反射され、レンズ２１により中空ファイバ２２の中心に集束され、中空ファイバ２２を通じてミラーアレイ３へ伝送される。カメラ２４は、レンズ２１の位置合わせを行うためのものである。カメラ２４は、ＣＭＯＳイメージセンサを備えており、ハーフミラー２０Ａの透過光がミラー２０Ｂ，２０Ｃにより反射して入光するようになっている。
【００２２】
ミラーアレイ３は、ミラー３０Ａ、ミラー３０Ｂ、ハーフミラー３０Ｃ、ハーフミラー３０Ｄ、ミラー３０Ｅ、ミラー３０Ｆ、レンズ３１や、カメラ３２等を備える。レンズ３１は、倍率５０〜１００倍の対物レンズである。カメラ３２は、ＣＣＤイメージセンサを備えている。ミラーアレイ３は、精密立形マシニングセンタ（図示せず。）のコラムに取り付けられ、マシニングセンタで既存のＣＡＤ／ＣＡＭを用いて機械走査される。
【００２３】
中空ファイバ２２を通じて伝送されたレーザ光は、ミラー３０Ａ，３０Ｂおよびハーフミラー３０Ｃ，３０Ｄにより反射され、レンズ３１により集光されて被加工物４に照射される。また、このミラーアレイ３では、被加工物４の加工表面を観察可能にするため、白色光がハーフミラー３０Ｃを透過してハーフミラー３０Ｄにより反射され、レンズ３１により集光されて被加工物４の加工表面に照射され、その反射光がレンズ３１により集光され、ハーフミラー３０Ｄを透過してミラー３０Ｅ，３０Ｆにより反射され、カメラ３２に入光するようになっている。
【００２４】
本発明の実施の形態における高硬度材料のゼロカット加工法により加工される被加工物４は、超硬合金等の高硬度材料である。この高硬度材料からなる高硬度材料構造物としては、例えば、ガラス製マイクロレンズアレイ金型や小型モータコア打ち抜き金型等の超硬合金製金型や、直径が０．１ｍｍ以下の超硬合金製マイクロエンドミル等が挙げられる。
【００２５】
上記加工装置を用いた高硬度材料のゼロカット加工法は、図２に示すように、前加工工程（Ｓ１０１）、切込工程（Ｓ１０２）およびゼロカット工程（Ｓ１０３）を含む。
【００２６】
＜前加工工程（Ｓ１０１）＞
まず、被加工物４の加工表面に切残しがない前加工面を成形する。前加工面の成形方法は問わない。なお、レーザ光を用いて前加工面を成形する場合、レーザ光の焦点位置よりも深い位置まで除去されることになる。そのため、レーザ光の焦点位置を被加工物４の加工表面から離れた位置に設定（デフォーカス）して、レーザ加工する必要がある。レーザ光の焦点位置を被加工物４の加工表面から遠ざけるとき、それ以上離れると加工表面を加工できなくなる位置を、以下の説明ではデフォーカスの最大位置（Ｄｆ）ｍａｘという。
【００２７】
図３はレーザ光の光軸に対して直交した加工面に関するデフォーカスと除去深さとの関係を示す模式図である。図３に示すように、焦点を加工面からＺ軸（光軸）の正方向（加工表面から離れる方向）に距離Ｄｆ移動（デフォーカス）して、すなわち加工表面からＤｆ離れた位置にレーザ光の焦点位置を設定して走査線加工を行った後にゼロカットを行い、切残しを除去すると、Ｚ軸方向の除去深さはΔｚになる。また、ＤｆとΔｚとの和は、次式に示すように（Ｄｆ）ｍａｘになる。
Ｄｆ＋Δｚ＝（Ｄｆ）ｍａｘ
【００２８】
図４は前加工工程を示す説明図である。図４に示すように、うねりのある前加工面に対してレーザ光の焦点位置をデフォーカスの最大位置（Ｄｆ）ｍａｘとして走査線加工を行い、フラットな平面を成形する。前加工面の最大高さＲｚ＞（Ｄｆ）ｍａｘの場合には、後述する切込工程（Ｓ１０２）およびゼロカット工程（Ｓ１０３）を何度か繰り返し行う。
【００２９】
＜切込工程（Ｓ１０２）＞
レーザ光の焦点位置を被加工物４の加工表面から離れた位置で、しかも、それ以上離れると加工表面を加工できなくなる位置、すなわち、デフォーカスの最大位置（Ｄｆ）ｍａｘから、加工表面へ向かって所定の切込み量Δｚだけ近付けた切込み位置に設定して加工する。
【００３０】
図５は加工面の成形過程を示す説明図、図６は図５のデフォーカスと除去深さの関係を示す図である。図５に示すように前加工面Ａに対してレーザ光の焦点位置をデフォーカスの最大位置（Ｄｆ）ｍａｘから切込み量Δｚだけ近付けた切込み位置に設定して一度レーザ光を走査させた場合に切残し（Δｚ−Δｚ’）を含む加工面Ｂが作られる。
【００３１】
＜ゼロカット工程（Ｓ１０３）＞
次に、レーザ光の焦点位置を移動せず、すなわち、上記切込み位置から変えないで、切残しを除去するためのゼロカットを行うと、切残しが除去された加工面Ｃが作られる。切残しが完全に除去されていれば、焦点位置と加工面Ｃの間には（Ｄｆ）ｍａｘの隙間が空いていることになる。
【００３２】
すなわち、本実施形態における高硬度材料のゼロカット加工法では、図３に示すように、レーザ光の焦点位置をデフォーカスの最大位置（Ｄｆ）ｍａｘから加工表面へ向かって切込み量（Ｉｆ）ｚだけ近付けた切込み位置に設定して切込み加工し、この切込み位置から焦点位置を変えないでゼロカットを行うことで切残しを除去することで、切込み量（Ｉｆ）ｚだけ正確に高硬度材料が除去加工される。
【００３３】
次に、本実施形態における高硬度材料のゼロカット加工法により曲面加工する例について説明する。図７は曲面加工例を示す説明図である。
【００３４】
曲面加工では、図７（Ａ）に示すように、フラットな前加工面に対してレーザ光の焦点を（Ｄｆ）ｍａｘ上方へデフォーカスし、同図（Ｂ）に示すように、切込み量Δｚだけ切り込んで一度レーザ光を走査して加工し、切込み位置を変えないでゼロカットを行い、切残しを除去する。続けて、同図（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に示すように、Δｚの和がＲに達するまで、切込み量Δｚだけ切り込んで加工し、切込み位置を変えないでゼロカットを行い、切残しを除去する加工を繰り返し行うことで半球（曲面）を加工することができる。このように、本実施形態におけるゼロカット加工法では、高硬度材料に対して自由曲面を含む三次元微細構造物を製造することが可能である。
【実施例】
【００３５】
上記実施形態における加工装置を用いて加工試験を行った。使用したレーザ発振器１の仕様は、次の通りである
中心波長：１０２８±５ｎｍ
最大平均出力：＜４Ｗ（可変）
最大パルスエネルギ：＜６５μＪ（可変）
パルス繰り返し周波数：１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ（可変）
パルスピッカー使用：＜１００ｋＨｚ
パルス幅：２９０ｆｓ〜１０ｐｓ（可変）
【００３６】
＜１＞超硬合金の□１ｍｍの領域を加工
図８は超硬合金に対して測定したデフォーカスとＺ軸方向除去深さを示している。レンズ３１の倍率を２０倍、繰り返し周波数を０．３５ｋＨｚ、パルスエネルギを３０μＪ、パルス間隔を２μｍ、送り速度を２５ｍｍ／ｍｉｎとした。図８に示すように、この条件では、デフォーカスを変化させた各場合とも超硬合金はほとんど削れなかった。
【００３７】
＜２＞焦点位置で超硬合金に対して□１ｍｍのポケットを加工
図９は上記＜１＞と同条件により切残しを除去するために必要なゼロカットの回数と累積除去深さを示している。図９に示すように、上記＜１＞と同条件では、ゼロカットを２００回以上実施しないと切残しは除去されなかった。
【００３８】
＜３＞レンズ３１の倍率を変え、超硬合金の□１ｍｍの領域を加工
図１０はレンズ３１の倍率を変え、超硬合金の□１ｍｍの領域を加工した場合のデフォーカスとＺ軸方向除去深さを示している。パルス間隔２μｍ、ゼロカット無し、他の条件は図示の通りである。図１０に示すように、レンズ３１として２０倍の対物レンズを使った場合には焦点位置で５μｍ程度しか除去できなかったのに対し、１００倍の対物レンズを使うと６５μｍ程度除去できた。５０倍の対物レンズを使って焦点位置で加工したときに全く除去できていないのは、超硬合金が溶融し、溶融物がポケットに体積したためである。
【００３９】
＜４＞水道水をスポットに向かってミスト噴霧
図１１は水道水をレーザ光の照射スポットに向かってミスト噴霧した場合のデフォーカスとＺ軸方向除去深さを示している。レンズ３１として５０倍の対物レンズを使用した。ミスト噴霧下で加工することで、ミストが気化するときの体積膨張と圧力で、溶融した超硬合金を吹き飛ばすことができる。その結果、除去深さは増加した。すなわち、ミスト噴霧下でレーザ加工することにより、被加工物が溶けるのを防止して加工速度を上げることができる。なお、超硬合金を水没させた状態で水中でのレーザ加工を行うと、デフォーカスを変化させた各場合とも除去深さが減少した。
【００４０】
＜５＞繰り返し周波数を変え、□１ｍｍの領域を加工
図１２は１００倍の対物レンズを使用し、送り速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ、横送り量を２μｍに固定し、繰り返し周波数を変え、□１ｍｍの領域を加工した場合のデフォーカスとＺ軸方向除去深さを示している。送り速度を一定にして繰り返し周波数を上げると、単位時間当たり単位面積に投入されるパルスエネルギ（単位長さを打撃するパルス数）が増えるため、デフォーカスを変化させた各場合とも除去深さは増加した。すなわち、フェムト秒レーザの周波数を０．５ｋＨｚ以上とすることで、単位面積に照射されるエネルギーを上げることができ、加工速度を上げることが可能である。例えば、送り速度を１００ｍｍ／ｍｉｎにするには、周波数を１０倍にすれば良く、フェムト秒レーザの周波数を上げるだけで加工速度を飛躍的に向上させることができる。
【００４１】
＜６＞ゼロカットの回数を５回、１０回と変化させ、□１ｍｍの領域を加工
図１３は１００倍の対物レンズを使用し、繰り返し周波数を８ｋＨｚに固定し、ゼロカットの回数を５回、１０回と変化させ、□１ｍｍの領域を加工した場合のデフォーカスとＺ軸方向除去深さを示している。図１３に示すように、デフォーカスでゼロカットを１０回行った場合、（Δｚ）ｍａｘ／（Ｄｆ）ｍａｘは１００％に達した。つまり、切り込みを加えて加工を行った後に切り込みを加えないでゼロカットを１０回行い、切残しを除去しておけば、Ｚ軸方向に切り込んだ量だけ超硬合金が除去加工されることを意味する。
【００４２】
＜７＞超硬合金に対して直径０．２ｍｍの凸状ディンプルを９個作成
図１４は超硬合金に対して直径０．２ｍｍの凸状ディンプルを９個作成するために計算したレーザの走査軌跡を示している。図１５はビッカース硬さが２６００Ｈｖの超硬合金に対してレーザ加工した直径９個の凸状ディンプルを示す顕微鏡写真である。レンズの倍率は１００倍、繰り返し周波数は８０ｋＨｚ、パルスエネルギは３０μＪ、走査速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ、横送り量は１μｍとした。市販のＣＡＤ／ＣＡＭを使って計算したレーザの走査軌跡をＺ軸方向に移動させて加工した後、Ｚ軸方向の切り込み量が１００μｍに達するまで繰り返して実施した結果、超硬合金に対し、自由曲面を含む三次元微細形状をレーザ加工できることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、ガラス製マイクロレンズアレイ金型や小型モータコア打ち抜き金型等の超硬合金製金型や、直径が０．１ｍｍ以下の超硬合金製マイクロエンドミル等の高硬度材料構造物の製造に有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１  レーザ発振器
２  レーザ光伝送器
３  ミラーアレイ
４  被加工物
２０Ａ  ハーフミラー
２０Ｂ，２０Ｃ  ミラー
２１  レンズ
２２  中空ファイバ
２３  真空チャンバ
２３Ａ  排気口
２４  カメラ
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｅ，３０Ｆ  ミラー
３０Ｃ，３０Ｄ  ハーフミラー
３１  レンズ
３２  カメラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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