(57)【要約】【課題】設置環境の電磁ノイズの影響や雰囲気温度の変動やデジタル化に伴う量子化誤差にも影響されない、作成形状の正確性に優れた周期構造を有する溝またはディンプルの作成装置および作成方法を提供する。【解決手段】加工対象物を駆動してレーザビームを相対走査する走査手段と偏向器を駆動してレーザビームを絶対走査する走査手段とのいずれかの走査手段と、前記いずれかの走査手段に対して、走査の目標位置を逐次出力する駆動指令部とを備える。駆動指令部がいずれかの走査手段とデジタル回路で接続される。駆動指令部がΔΣ変調器を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物に一軸のレーザビーム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の間隔の凹凸が方向性を持って形成された周期構造の作成装置であって、  加工対象物を駆動してレーザビームを相対走査する走査手段と偏向器を駆動してレーザビームを絶対走査する走査手段とのいずれかの走査手段と、前記いずれかの走査手段に対して、走査の目標位置を逐次出力する駆動指令部とを備え、前記駆動指令部が前記いずれかの走査手段とデジタル回路で接続され、かつ、前記駆動指令部がΔΣ変調器を備えることを特徴とする周期構造作成装置。
【請求項２】
加工対象物を回転駆動してレーザビームを相対走査する第１の駆動軸と、前記第１の駆動軸と略直交してレーザビームを相対走査する第２の駆動軸とを備えて、レーザビームの走査の軌跡が、螺旋状、同心状、または放射状のいずれかの形状になるように、前記駆動指令部が前記駆動軸の走査手段を同期制御することを特徴とする請求項１に記載の周期構造作成装置。
【請求項３】
加工対象物を回転駆動してレーザビームを相対走査する第１の駆動軸と、前記第１の駆動軸と略直交してレーザビームを絶対走査する偏向軸とを備えて、レーザビームの走査の軌跡が、螺旋状、同心状、または放射状のいずれかの形状になるように、前記駆動指令部が前記駆動軸と偏向軸の走査手段を同期制御することを特徴とする請求項１に記載の周期構造作成装置。
【請求項４】
前記被加工部位は、螺旋状または同心状に形成され、その径方向の間隔を、加工中に変化させることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の周期構造作成装置。
【請求項５】
レーザビームの出力またはレーザ照射のオンオフを規定のタイミングで変更して、溝またはディンプルの深さや、溝またはディンプル列の間隔を加工中に変化させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の周期構造作成装置。
【請求項６】
レーザビームの偏光方向を変更する機能を備えて、周期構造の凹凸方向を変化させることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の周期構造作成装置。
【請求項７】
加工対象物に一軸のレーザビーム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の間隔の凹凸が方向性を持って形成された周期構造の作成方法であって、  レーザビームの走査手段と、駆動指令部とをデジタル回路で接続し、かつ、駆動指令部がΔΣ変調器を備えて、レーザビームの走査の目標位置を駆動指令部から逐次出力することを特徴とする周期構造作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期構造作成装置および周期構造造作成方法に関し、加工対象物に単一光軸のレーザービームをオーバーラップさせながら照射して、被加工部位に、そのレーザ波長程度の間隔の凹凸が方向性を持って形成された周期構造を有する溝またはディンプルを作成する周期構造作成装置および周期構造造作成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加工対象物に単一光軸のレーザビームをオーバーラップさせながら照射して、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の周期構造を有する溝またはディンプルを作成する方法が知られており、その作成装置が市販されている（特許文献１、非特許文献１）。
【０００３】
周期構造を有する溝またはディンプルを作成することで、機械システムの摺動特性や濡れ性、生体親和性などの向上効果があることが報告されている（特許文献１、非特許文献２）。例えば、機械システムであれば、そこには必ず接触して相対運動する摺動面が存在するが、摺動面の相対的な動きに対して有効に配置した周期構造を有する溝またはディンプルから成るテクスチャを作成することで、油膜による流体力学的な作用を拡大して、優れた低摩擦特性を得ることができる（特許文献２、特許文献３）。ここでの最適なテクスチャとは、周期構造を有する溝またはディンプル列の列方向の形状精度や、前後する溝またはディンプル列の列間隔の精度、周期構造の方向などの構成要素を、トライボロジやバイオメディカルなどの観点から理論的ないしは実験的に最適化したものである。
【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５４６５１０９号公報
【特許文献３】特許第５６１９９３７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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のテクスチャ構成要素のうち、溝やディンプル列の列方向の形状精度は、レーザ照射のオンオフ制御のレスポンスに大きく左右される。一般に、レーザ照射の制御手段には、音響光学素子（ＡＯＭ）あるいは電気光学素子（ＥＯＭ）で構成されるパルスピッカー機構が用いられる。
【０００７】
パルスピッカーは、レーザ光源に内蔵するものであっても、レーザ光源の後段に設けたものであっても良い。ＡＯＭであってもＥＯＭであっても、数ナノ秒のレスポンスでレーザビームの通過と遮断を素速く正確に制御できるため、列方向の形状精度を確保することは比較的容易である。また、周期構造の方向はレーザビームの偏光で定まるため、その制御性も加工精度も比較的良好である。一方、溝やディンプル列の列間隔の形状精度は、設置環境の電磁ノイズや機械振動や雰囲気温度の変動などで、レーザビームの走査が揺らぐと、その乱れがダイレクトに加工形状に反映されるため、走査手段に対して種々の対策や改善が図られている。
【０００８】
レーザビームの走査手段の耐温度ドリフト性能を高めるために、走査手段が放出する平均放熱量を計算して適切なヒートシンクを備えることや、走査手段内の基準点温度を監視して温度変動分の出力を補償制御するもの、より高性能な水冷機能を備えるなどの対策がなされている。また、機械振動を抑制するために、空気ばね式の除振装置を備えて外部振動を遮断するもの、振動を常時センシングして検出した振動と逆向きの力を加える制御により振動を能動的に打ち消すもの、回転軸の同心度と剛性を高めて偏芯による芯ぶれを抑制するなどの対策がなされている。また、耐ノイズ性能を高めるために、走査手段の位置や速度の検出手段をアナログ方式からデジタル方式に置き換えたもの、走査手段の入力回路をアナログ回路からデジタル回路に置き換えたものなどがある。
【０００９】
ここで、加工対象物や集光光学系、偏向器の光軸高さなどがすべて同一構成で、走査手段の入力回路だけが従来のアナログ回路で構成された作成装置による周期構造を有する溝の作成例である図１２と、走査手段の入力回路だけが従来のデジタル回路で構成された作成装置による周期構造を有する溝の作成例である図１３を示す。周期構造を有する溝の列方向の形状精度は、デジタル化によって大きく改善されている。
【００１０】
ところで、走査手段の入力回路をアナログ回路からデジタル回路に置き換えることで、耐ノイズ性能は高まるが、デジタル回路の量子化ビット数の制約から、デジタル化に伴って生じる量子化誤差が、溝やディンプル列の列間隔の形状精度の悪化を招くことがある。すなわち、レーザビームの走査点の軌道を計算して、これをデジタル信号に変換する際の切り捨てや四捨五入などの手段で、源信号を丸めることでわずかな誤差信号が発生する。この誤差が時間領域で累積することで、走査手段の移動量が周期的に揺らぐという現象を招く。走査手段の移動量が周期的に揺らぐことで、溝やディンプル列の列間隔も周期的に狭くなったり広くなったりするため、デジタル化によって形状精度が却って悪化してしまうという問題があった。図１４は代数螺旋形状を作成するための従来のデジタルデータである。これを用いた作成例の５０本分の溝間隔の実測値を図１５に示す。源信号の溝間隔はすべて０．３０ｍｍだが、実際に加工されたものは、溝間隔が設計値の±１０％を超えて周期的に大きくばらついている。
【００１１】
そこで本発明は上記の問題を解決して、設置環境の電磁ノイズの影響や雰囲気温度の変動やデジタル化に伴う量子化誤差にも影響されない、作成形状の正確性に優れた周期構造を有する溝またはディンプルの作成装置および作成方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の周期構造作成装置は、加工対象物に一軸のレーザビームをオーバーラップさせながら照射して、被加工部位に、そのレーザ波長程度の間隔の凹凸が方向性を持って形成された周期構造を作成する周期構造作成装置であって、加工対象物を駆動してレーザビームを相対走査する走査手段と偏向器を駆動してレーザビームを絶対走査する走査手段とのいずれかの走査手段と、前記いずれかの走査手段に対して、走査の目標位置を逐次出力する駆動指令部とを備え、前記駆動指令部が前記いずれかの走査手段とデジタル回路で接続され、かつ、前記駆動指令部がΔΣ変調器を備えるものである。
【００１３】
加工対象物を回転駆動してレーザビームを相対走査する第１の駆動軸と、前記第１の駆動軸と略直交してレーザビームを相対走査する第２の駆動軸とを備えて、レーザビームの走査の軌跡が、螺旋状、同心状、または放射状のいずれかの形状になるように、前記駆動指令部が前記駆動軸の走査手段を同期制御するようにするのが好ましい。また、第２の駆動軸に代えて第１の駆動軸と略直交してレーザビームを絶対走査する偏向軸を備えたものであってもよい。ここで、略直交とは、交差する角度が９０°から誤差を含む程度でずれていても良いという意味である（以下、同様である。）。
【００１４】
すなわち、レーザビームを相対走査する走査手段には、例えば、リニアモータや回転モータとボールネジ、回転モータと歯車を用いる直動軸や、ＤＤモータや回転モータによる回転軸などがある。また、レーザビームを絶対走査する走査手段には、例えば、ガルバノスキャナーやポリゴンミラーやレゾナントスキャナ、音響光学素子などを用いた偏向軸がある。
【００１５】
走査手段と駆動指令部間の回路を、すべてデジタル回路で構成することで、設置環境の電磁ノイズに起因する、直動軸や回転軸の速度変動や、偏向軸の位置揺らぎなどを防止することができる。
【００１６】
また、走査手段の位置や速度の検出手段をガルバノメータなどのアナログ方式から、光学エンコーダやリニアスケールなどのデジタル方式に置き換えることで、設置環境の気温や周辺温度の変化や駆動手段の温度ドリフトに伴う位置ズレを防止できる。直動軸や回転軸と駆動指令部とのデジタル回路には、例えば、一対一型でパルス列形式を通信するものや、Ｅｔｈｅｒｅｔをベースにした産業用ネットワークのＥｔｈｅｒＣＡＴや、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔや、ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫなどがある。また、偏向軸と駆動指令部とのデジタル回路には、例えば、高速シリアル通信プロトコルのＸＹ２−１００や、ＳＬ２−１００などがある。
【００１７】
デジタル化に伴う量子化誤差を小さくするためには、アナログ信号と同等にデジタル回路の分解能を上げて、源信号を細かく割り当てられれば良いが、走査手段のエンコーダなどの検出器の精度や通信上の制約、演算処理上のデータ量の制約により、現実的なビット数は２０ｂｉｔ程度が上限である。そこで、限られたビット数のなかで累積する量子化誤差を小さくするために、駆動指令部のＡ／Ｄ変換部をΔΣ変調器で構成する。ΔΣ変調器は、レーザビームの走査の軌道計算値から求めた単位時間辺りの回転軸や偏向軸の移動量を入力として、積分器、ＡＤ変換器、遅延要素、ＤＡ変換器、差分器で構成する。アナログ信号とデジタル信号との差分値を積分することで、量子化誤差をデジタル信号のデータ列に分散することができる。
【００１８】
溝またはディンプルの作成形状のうち、レーザビームの走査の軌跡が、螺旋状、または同心状、または放射状になるものは、量子化誤差の影響が大きくなる。特に、作成形状の内外径差が大きい場合は、単位時間辺りの移動量が最大となる最内周に時間分解能 （デジタル化する単位時間）を最適化すると、単位時間辺りの移動量が最小となる最外周側の量子化誤差の影響が顕著になる。例えば、代数螺旋形状を作成する場合、加工の最内径が３０μｍ、加工の最外径が３００ｍｍ、時間分解能を１ｍｓとして、最内径の径方向走査の単位時間辺りの角速度を１０ｂｉｔ（１０２４）／１ｍｓで走査する条件であれば、加工の外径差が１０００倍なので、最外形の径方向走査の単位時間辺りの角速度は、１ｂｉｔ／１ｍｓまで走査が粗くなってしまう。すなわち、加工位置の径方向の変化に対して充分な量子化ビット数を持てなくなるので、列間隔が周期的に変動してしまう。これに、ΔΣ変調器を適用すると、１ｂｉｔ／１ｍｓのデジタル信号が含む量子化誤差を前後のデータ列に分散することができるので、正確な列間隔で、かつ、滑らかな曲線を作成することができる。
【００１９】
このため、本周期構造作成装置では、被加工部位が、螺旋状（螺旋溝）または同心状に形成され、その径方向の間隔を、加工中に変化させることが可能となり、さらには、レーザビームの出力またはレーザ照射のオンオフを規定のタイミングで変更して、溝またはディンプルの深さ、または溝やディンプル列の間隔を加工中に変化させることも可能となる。
【００２０】
また、レーザビームの偏光方向を変更する機能（偏光回転機構：偏光制御器）を備えたものであってもよい。このような機能を備えたものであれば、溝またはディンプル内の周期構造の凹凸方向を変化させることができる。
【００２１】
本発明の周期構造作成方法は、加工対象物に一軸のレーザビームをオーバーラップさせながら照射して、被加工部位に、そのレーザ波長程度の間隔の凹凸が方向性を持って形成された微細な凹凸溝からなる周期構造を作成する周期構造作成方法であって、レーザビームの走査手段と、駆動指令部とをデジタル回路で接続し、レーザビームの走査の目標位置を駆動指令部から逐次出力することものである。
【００２２】
本発明の周期構造作成方法によれば、走査手段と駆動指令部間の回路を、すべてデジタル回路で構成することで、設置環境の電磁ノイズに起因する、直動軸や回転軸の速度変動や、偏向軸の位置揺らぎなどを防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、設置環境の電磁ノイズの影響や雰囲気温度の変動やデジタル回路に特有な量子化誤差に影響されることなく、加工対象物を駆動してレーザビームを相対走査する走査手段、または、偏向器を駆動してレーザビームを絶対走査する走査手段を、駆動指令部からの指令値に従って正しく動作できるため、作成形状の正確性に優れた複数の周期構造を有する溝またはディンプルの作成方法および作成装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る周期構造作成装置の簡略全体斜視図である。
【図２】周期構造を有する溝を示し、（ａ）は渦巻き形状の溝からなる簡略図であり、（ｂ）は同心円形状の溝からなる簡略図であり、（ｃ）は放射形状の溝からなる簡略図である。
【図３】周期構造を有するディンプルの簡略斜視図である。
【図４】周期構造を有する溝を示し、（ａ）は断面扁平Ｖ字形状を成す場合の簡略断面図であり、（ｂ）は断面扁平台形形状を成す場合の簡略断面図であり、（ｃ）は断面扁平半楕円字形状を成す場合の簡略断面図である。
【図５】炭化ケイ素に形成した周期溝の拡大図である。
【図６】ΔΣ変調器の適用例である。
【図７】代数螺旋形状を作成するための本発明のデジタルデータである。
【図８】図７のデータで作成した溝の間隔測定例である。
【図９】放物螺旋形状の周期構造を有する溝からなるテクスチャの設計例である。
【図１０】放射形状の周期構造を有する溝からなるテクスチャの設計例である。
【図１１】代数螺旋形状の周期構造を有する溝からなるテクスチャの設計例である。
【図１２】従来のアナログ回路による周期構造を有する溝の作成例である。
【図１３】従来のデジタル回路による周期構造を有する溝の作成例である。
【図１４】代数螺旋形状を作成するための従来のデジタルデータ例である。
【図１５】図１４のデータで作成した溝の間隔測定例である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下本発明の実施の形態を図１〜図１１に基づいて説明する。図１は本発明に係る周期構造作成装置を示し、この作成装置は、被加工部位に、図５（電子顕微鏡写真）に示すように、微小の凹部２５と微小の凸部２６とが交互に所定ピッチで配設されてなる周期構造２３を作成するものである。線接触を伴う機械システムの摺動機構に好適で、長寿命、かつ、安定して摩擦低減効果を発揮することができる摺動面構造を作成することができる。
【００２６】
この摺動面構造の作成方法の特徴は、摺動平面の相対回転軸を中心として、代数螺旋状に周期構造を有する溝やディンプルを作成することで、溝やディンプル列の径方向間隔を等ピッチに揃えること、また、レーザビームの走査を定線速度制御して、溝やディンプル列の深さを略一定に保つことである。これにより、摺動平面上に潤滑流体の膜を均等に形成することができるため、安定した摩擦低減効果を得ることができる。ここで、略一定とは、完全に一定とすることを意味するだけでなく、実質的に一定とする、すなわち、例えば数％程度の差異を含むことも意味する（以下、同様である。）。
【００２７】
周期構造作成装置は、図１に示すように、レーザ光源１と、レーザ光源１のレーザ照射口の近傍に配設される偏光回転機構２と、スキャナミラー９を備えたガルバノスキャナ１０と、レーザビームを集光する集光手段１１と、加工対象物１２の回転駆動機構としての走査手段１３と、レーザ走査の目標位置を逐次（順次）出力する駆動指令部２０を備える。また、偏光回転機構２とガルバノスキャナ１０との間に第１・第２ミラー３，８が配設される。加工対象物１２としては、炭化ケイ素からなる円盤体であって、その上面を加工面としている。
【００２８】
レーザ光源１に、中心波長８００ｎｍ、パルス幅１２０ｆｓ、繰返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギ０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅのチタンサファイア結晶を用いたフェムト秒レーザを使用したとき、炭化ケイ素に形成された周期構造（図５参照）のピッチは、レーザ波長の８００ｎｍ程度であり、周期構造の深さは２５０ｎｍ程度であった。
【００２９】
微細な凹凸溝によって構成される周期構造２３は図５に示すように、前記したように、微小の凹部２５であると微小の凸部２６とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。周期構造２３の凹凸ピッチを１０μｍ以下とし、凹部２５の深さを１μｍ以下とするのが好ましい。また、図５における周期構造２３は矢印で示す直線偏光のレーザビームを集光照射したものである。周期構造２３はレーザビームの直線偏光に直交して伸展する。
【００３０】
レーザビームの走査の軌跡を制御して、周期構造２３を有する溝またはディンプルからなるテクスチャ形状を最適化することができる。例えば、加工部位の形状には、図２（ａ）に示すような螺旋溝１８Ａ、図２（ｂ）に示すような複数の円環溝１８Ｂ、図２（ｃ）に示すような径方向に延びる径方向溝１８Ｃ、図３に示すような凹部（ディンプル）１８Ｄ等がある。螺旋溝１８Ａの場合、代数螺旋（等間隔の渦巻き）であっても、外側に行くほど間隔が狭くなっていく渦巻きであっても、外側に行くほど間隔が広くなっていく放物螺旋を模した渦巻きであってもよい。複数の円環溝１８Ｂは同心円とされる。また、径方向溝１８Ｃは、周方向に沿って所定ピッチに複数本形成されている。
【００３１】
また、各溝１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ、及びディンプル１８Ｄは、断面形状を例えば、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すような種々の形状とすることができる。図４（ａ）では、扁平Ｖの字形状とされ、図４（ｂ）では、扁平倒立台形状とされ、図４（ｃ）では、扁平半楕円形状とされている。
【００３２】
レーザ光源１は光増幅器と光共振器で構成されたものである。発振動作は連続波発振であってもパルス波発振であってもよいが、好ましくは、単位時間あたりのレーザ強度が大きい、パルス波発振のレーザ光源を用いれば周期構造を作成し易い。この実施例では、パルス波発振動作するＹｂ：ＹＡＧ結晶を用いたピコ秒レーザ光源を使用した。レーザ光源１から出射するレーザビームの偏光はレーザ光源１の設置面に垂直な直線偏光である。図内の矢印Ｅはレーザの電場の振動方向を示す。
【００３３】
偏光回転機構２はレーザ光源１から放出されたレーザビームの直線偏光を任意の方向に回転させる機能をもつ偏光制御器である。周期構造をラジアルパターンに作成するために、偏光回転機構（偏光制御器）２を用いて、レーザ光源１の設置面に対して直線偏光が平行な角度になるように調整することができる。
【００３４】
ガルバノスキャナ１０はモータ回転軸１０ａの先端に取り付けた軽量なスキャナミラー９を用いて、レーザビーム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１０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、設置環境の電磁ノイズの影響や雰囲気温度の変動を低減するために、角度検出を光学エンコーダで行うフルデジタルタイプを使用した。また、ガルバノスキャナ１０と駆動指令部２０との接続には、高速シリアル通信プロトコルのＳＬ２−１００を用いた。
【００３５】
ガルバノスキャナ１０を用いて、レーザビームの径方向の走査位置を駆動指令部２０により制御した。同時に、加工対象物１２の回転駆動機構１３の回転速度を定速に保ち、同一部分におけるレーザ照射の累積エネルギ量が略一定になるように、レーザビームの周方向の走査位置を駆動指令部２０で制御した。回転駆動機構１３と駆動指令部２０との接続には、物理層にＥｔｈｅｒｎｅｔの技術を利用したＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ（登録商標）を用いた。また、回転駆動機構１３が一定の速度に達するまでに要する加減速時間を計算して、加工対象物１２の所定位置にだけレーザビームを照射できるように、レーザ光源１が内蔵するＥＯＭパルスピッカーの機能素子であるポッケルスセルの切り出し信号を駆動指令部２０で制御した。ポッケルスセルはリン酸二重水素化カリウム（ＫＤＰ）などの電気光学結晶で構成した変調素子である。このポッケルスセルと駆動指令部２０の接続には、耐ノイズ性が高い差動伝送のＲＳ４２２を用いた。ここで、略一定とは、完全に一定とすることを意味するだけでなく、実質的に一定とする、すなわち、例えば数％程度の差異を含むことも意味する（以下、同様である。）。
【００３６】
第１ミラー３と第２ミラー８は、レーザビームの光路を折り返して装置構成をコンパクトにするために使用した。レーザビームを集光する集光手段１１には、テレセントリックＦθレンズを配置した。テレセントリックレンズは画角が限り無くゼロに近いレンズである。Ｆθレンズはスキャナの回転角とビームの偏向の関係が線形になるように設計した多群の組合せレンズである。
【００３７】
本実施形態では焦点距離３３０ｍｍのテレセントリックＦθレンズを用いた。ここで使用した集光レンズは球面形状のものであるが、集光レンズにシリンドリカルレンズを用いて異なる焦点距離で集光すれば、集光スポットを楕円状に設定することができる。加工対象物１２の回転によるレーザビームの相対走査の方向と、この楕円状の集光スポットの長径を一致させれば、作成幅の小さな周期構造を比較的高速度で加工できる。逆に、加工対象物１２の回転によるレーザビームの相対走査の方向と、この楕円状の集光スポットの短径を一致させれば、作成幅の大きな周期構造を比較的低速度で加工できる。なお、レーザビームを集光する集光手段１１には球面ミラーなどを用いてもよい。加工対象物１２は炭化ケイ素を円盤状に焼結した試料を使用した。図には省略しているが、回転駆動機構１３は加工対象物１２を回転中心で保持するチャック機能を備える。
【００３８】
走査手段１３には、加工対象物１２を駆動してレーザビームを相対走査する走査手段と偏向器（ガルバノスキャナ１０）を駆動してレーザビームを絶対走査する走査手段とのいずれかの走査手段にて構成できる。この場合、相対走査する走査手段としては、加工対象物１２を回転駆動してレーザビームを相対走査する第１の駆動軸と、前記第１の駆動軸と略直交してレーザビームを相対走査する第２の駆動軸を備え、絶対走査する走査手段として、第１の駆動軸と略直交してレーザビームを絶対走査する偏向軸を備える。ここで、略直交とは、交差する角度が９０°から誤差を含む程度でずれていても良いという意味である（以下、同様である。）。
【００３９】
レーザビームを相対走査する走査手段には、例えば、リニアモータや回転モータとボールネジ、回転モータと歯車を用いる直動軸や、ＤＤモータや回転モータによる回転軸などがある。また、レーザビームを絶対走査する走査手段には、例えば、ガルバノスキャナーやポリゴンミラーやレゾナントスキャナ、音響光学素子などを用いた偏向軸がある。このため、加工対象物１２を回転駆動してレーザビームを相対走査する第１の駆動軸および第１の駆動軸と略直交してレーザビームを相対走査する第２の駆動軸として、前記直動軸や回転軸で構成できる。また、前記第１の駆動軸と略直交してレーザビームを絶対走査する偏向軸として、前記偏向軸で構成できる。また、本作成装置では、走査手段１３と駆動指令部２０間の回路を、すべてデジタル回路で構成することになる。このように構成することによって、設置環境の電磁ノイズに起因する、直動軸や回転軸の速度変動や、偏向軸の位置揺らぎなどを防止することができる。
【００４０】
また、走査手段１３の位置や速度の検出手段をガルバノメータなどのアナログ方式から、光学エンコーダやリニアスケールなどのデジタル方式に置き換えることで、設置環境の気温や周辺温度の変化や駆動手段の温度ドリフトに伴う位置ズレを防止できる。直動軸や回転軸と駆動指令部とのデジタル回路には、例えば、一対一型でパルス列形式を通信するものや、Ｅｔｈｅｒｅｔをベースにした産業用ネットワークのＥｔｈｅｒＣＡＴや、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔやＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫなどがある。また、偏向軸と駆動指令部とのデジタル回路には、例えば、高速シリアル通信プロトコルのＸＹ２−１００やＳＬ２−１００などがある。
【００４１】
ところで、デジタル化に伴う量子化誤差を小さくするためには、アナログ信号と同等にデジタル回路の分解能を上げて、源信号を細かく割り当てられれば良いが、走査手段のエンコーダなどの検出器の精度や通信上の制約、演算処理上のデータ量の制約により、現実的なビット数は２０ｂｉｔ程度が上限である。そこで、限られたビット数のなかで累積する量子化誤差を小さくするために、本作成装置では、駆動指令部２０のＡ／Ｄ変換部をΔΣ変調器で構成する。ΔΣ変調器は、レーザビームの走査の軌道計算値から求めた単位時間辺りの回転軸や偏向軸の移動量を入力して、図６に示すように、積分器、ＡＤ変換器、遅延要素、ＤＡ変換器、差分器で構成する。アナログ信号とデジタル信号との差分値を積分することで、量子化誤差をデジタル信号のデータ列に分散することができる。
【００４２】
溝間隔０．３０ｍｍで５０本の溝からなる代数螺旋形状を作成するために、時間分解能１ｍｓで作成した源信号ｕをこのΔΣ変調器に入力する。表１は、源信号ｕの一部であり、プロセス時間５，９６５ｍｓから５，９９４ｍｓの間を連続して抜き出したものである。
【表１】
2020082118.tif 000003
【００４３】
Ｙ軸がガルバノスキャナ１０の絶対座標、θ軸が回転駆動機構１３の絶対座標である。レーザビームの走査の軌道計算は数１による。この源信号ｕをΔΣ変調器に入力して、得られる出力が表２に示すデジタルデータ列ｖである。
【表２】
2020082118.tif 000004
【００４４】
このデジタルデータ列ｖを全プロセス時間でグラフ化したものが図７である（Ｙ軸が実線、θ軸が破線）。なお、図７は、同一の源信号を用いてデジタル化したものである。本発明のデジタルデータ列で作成した代数螺旋形状の溝（図１１参照）の間隔を測定したものが図８である。ΔΣ変調器を適用することで、同じ源信号を用いても溝間隔がばらつかず溝の絶対位置も正確に作成できることがわかった。
【数１】
2020082118.tif 000005
【００４５】
溝またはディンプルの作成形状のうち、レーザビームの走査の軌跡が、螺旋状、または同心状、または放射状になるものは、量子化誤差の影響が大きくなる。特に、作成形状の内外径差が大きい場合は、単位時間辺りの移動量が最大となる最内周に時間分解能 （デジタル化する単位時間）を最適化すると、単位時間辺りの移動量が最小となる最外周側の量子化誤差の影響が顕著になる。
【００４６】
例えば、加工対象物１２に代数螺旋形状（数１）を作成する場合、加工の最内径が３０μｍ、加工の最外径が３００ｍｍ、時間分解能を１ｍｓとして、最内径の径方向走査の単位時間辺りの角速度を１０ｂｉｔ（１０２４）／１ｍｓで走査する条件であれば、加工の外径差が１０００倍なので、最外形の径方向走査の単位時間辺りの角速度は、１ｂｉｔ／１ｍｓまで走査が粗くなってしまう。すなわち、加工位置の径方向の変化に対して充分な量子化ビット数を持てなくなるので、列間隔が周期的に変動してしまう。これに、ΔΣ変調器を適用すると、１ｂｉｔ／１ｍｓのデジタル信号が含む量子化誤差を前後のデータ列に分散することができるので、正確な列間隔で、かつ、滑らかな曲線を作成することができる。このように、駆動指令部２０はΔΣ変調器を備えたものでは、レーザビームの出力またはレーザ照射のオンオフを規定のタイミングで変更して、周期構造を有する溝またはディンプル列の間隔を加工中に変化させることができる。
【００４７】
機械システムの摺動機構の面圧や流体潤滑条件などが不均一な場合、周期構造を有する溝やディンプルの径方向の間隔を制御して、摺動条件が厳しい部分の溝やディンプル列を密に作成すれば、潤滑流体膜の生成を促進して、より安定した摩擦低減効果を得ることができる。螺旋状の溝またはディンプル列の径方向間隔を加工中に変化させるには、例えば、代数螺旋式（数１）の係数ａを段階的に変更すればよい。さらに、図９のように放物螺旋状（数２）に源信号を作成すれば、溝やディンプル列を連続してスムースに変更することができる。しかし、この場合、従来方法では溝やディンプル列の間隔が密になるところで、隣り合う溝が重なってしまうなどの問題があった。狭ピッチでは、より加工位置の正確性が求められるが、本発明を適用することで、溝間隔を均一に作成することができ、狭ピッチであっても充分な加工の工程能力が得られることがわかった。なお、源信号は螺旋形状に限らず、図１０のような放射状であっても、同心状であってもよい。本発明を適用することで加工位置の正確性は同様に得られる。
【数２】
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【００４８】
ところで、偏光回転機構（偏光制御器）２は、前記したように、レーザ光源１の設置面に対して直線偏光が平行な角度になるように調整できるので、レーザビームの偏光方向を変更する機能を備えて、周期構造の凹凸方向を変化させることができる。
【００４９】
本発明によれば、設置環境の電磁ノイズの影響や雰囲気温度の変動やデジタル回路に特有な量子化誤差に影響されることなく、加工対象物１２を駆動してレーザビームを相対走査する走査手段、または、偏向器を駆動してレーザビームを絶対走査する走査手段を、駆動指令部からの指令値に従って正しく動作できるため、作成形状の正確性に優れた周期構造を有する溝またはディンプルの作成方法および作成装置を実現できる。
【００５０】
本発明は前記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、加工対象物として、各種の自動車部品、機械部品、ポンプ等の種々の機器に使用可能である。また、加工対象物の材質として、炭素鋼、銅、アルミニウム、白金、超合金等の金属系であっても、炭化ケイ素や窒化ケイ素等のシリコン系セラミックであっても、エンジニアプラスチック等であってもよい。周期構造が形成された加工対象物は、この周期構造が作成された摺動面を、対向部材の摺動面に重ね合されて、相対的に摺動するものである。このため、対向部材の摺動面にも周期構造が作成されたものであってもよい。また、摺動面間に潤滑剤を介在させるのが好ましい。
【符号の説明】
【００５１】
１     レーザ光源
２     偏光回転機構（偏光制御器）
１１   集光手段
１２   加工対象物
１２Ａ 円盤体
１３   走査手段（回転駆動機構）
１８   被加工部位
１８Ａ 螺旋溝
１８Ｂ 円環溝
１８Ｃ 径方向溝
１８Ｄ ディンプル
２０   駆動指令部
２３   周期構造
【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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