(57)【要約】【課題】脆性部材の表面にミクロなき裂を精度良く導入する。【解決手段】レーザ発振器１０から発振されたレーザ光５０を、光ファイバ１８およびレンズ２０等を介して、液体５２に覆われた脆性材料６０の表面に照射する。このとき、レンズ２０と脆性材料６０の表面との距離ｄを調節して、光ファイバ１８の出射端面でのレーザ光５０を脆性材料６０の表面で結像させる。そして、レーザ光５０の出力密度が立ち上がった周辺部を脆性材料６０の所望する表面部分に照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振する発振工程と、
前記発振工程で発振されたレーザ光の周辺部における出力密度を立ち上げる周辺密度制御工程と、
前記周辺密度制御工程で出力密度が立ち上げられた前記レーザ光の周辺部を液体に覆われた前記脆性材料の表面に照射して前記脆性材料の表面にき裂を導入する照射工程と、
を具備したことを特徴とするレーザ表面処理方法。
【請求項２】
前記周辺密度制御工程は、
前記発振工程で発振されたレーザ光を光ファイバに入射させる工程と、
前記光ファイバから出射したレーザ光をレンズに通過させる工程と、
前記レンズを通過したレーザ光を前記脆性材料の表面において結像させる工程と、
を具備したことを特徴とする請求項１に記載したレーザ表面処理方法。
【請求項３】
前記周辺密度制御工程は、ホモジナイザを用いて前記発振工程で発振されたレーザ光の周辺部における出力密度を立ち上げることを特徴とする請求項１または２に記載したレーザ表面処理方法。
【請求項４】
前記周辺密度制御工程は、アパーチャを用いて前記発振工程で発振されたレーザ光の一部を切り出すことにより前記レーザ光の周辺部における出力密度を立ち上げることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載したレーザ表面処理方法。
【請求項５】
レーザ光を発振する発振装置と、
前記発振装置で発振されたレーザ光の周辺部における出力密度を立ち上げる周辺密度制御装置と、
前記周辺密度制御装置で出力密度が立ち上げられた前記レーザ光の周辺部を液体に覆われた前記脆性材料の表面に照射して前記脆性材料の表面にき裂を導入する照射装置と、
を具備したことを特徴とするレーザ表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脆性部材の表面にレーザ光を照射して、脆性部材の表面を処理するレーザ表面処理方法および処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属等からなる被処理部材の表面に液体を介してパルス状のレーザ光を照射することにより、被処理部材の表面および内部の組織、硬さ、残留応力の特性を調整できることが知られている（特許文献１を参照）。
【０００３】
照射したレーザ光のピーク出力密度が被処理部材のプラズマ発生閾値を超えると、被処理部材の極表層が瞬時に蒸発して、高圧のプラズマが発生する。この高圧のプラズマは、被処理部材の表面を瞬間的に圧縮し、その圧縮による表面の変位は衝撃波となって部材の深さ方向に伝播する。そして、衝撃波の圧力が部材の降伏応力を上回ると、局所的な塑性変形が生じ、被処理部材の表面および内部の組織、硬さ、残留応力の特性が変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１３７９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セラミックスは、比強度、耐環境性、耐熱性、絶縁性などに優れているため、電子デバイス、発電機器などの様々な製品に用いられている。例えば、ガスタービンにおいて、ＴＢＣ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ）と呼ばれる耐熱コーティング（通常、ジルコニア系セラミックスが用いられる。）を施した金属製のブレードが用いられている。この耐熱コーティングには、使用前に予めその表面（セラミックス）にき裂を導入して、熱サイクルによって生じる熱応力を緩和させる試みがなされている。しかし、耐熱コーティングの表面の必要箇所にき裂を精度良く導入することは困難である。
【０００６】
また、セラミックスは、半導体のシリコン基板の材料として用いられている。シリコン基板の製造中に不純物が混入すると、素子の電気的特性を低下させることが知られている。そこで、シリコン基板に転移等の欠陥を導入し、不純物を欠陥にトラップして、この電気的特性の低下を抑制している。しかし、シリコン基板の表面の必要箇所に欠陥を精度良く導入することが困難であり、十分な電気的特性が得られないという課題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、脆性部材の表面にミクロなき裂を精度良く導入することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ表面処理方法は、レーザ光を発振する発振工程と、前記発振工程で発振されたレーザ光の周辺部における出力密度を立ち上げる周辺密度制御工程と、前記周辺密度制御工程で出力密度が立ち上げられた前記レーザ光の周辺部を液体に覆われた前記脆性材料の表面に照射して前記脆性材料の表面にき裂を導入する照射工程と、を具備したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るレーザ表面処理装置は、レーザ光を発振する発振装置と、前記発振装置で発振されたレーザ光の周辺部における出力密度を立ち上げる周辺密度制御装置と、  前記周辺密度制御装置で出力密度が立ち上げられた前記レーザ光の周辺部を液体に覆われた前記脆性材料の表面に照射して前記脆性材料の表面にき裂を導入する照射装置と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、脆性部材の表面にミクロなき裂を精度良く導入することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ表面処理装置を示した概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るレーザ表面処理方法を説明するための図であって、（ａ）は、ホモジナイザに入射する前のレーザ光の出力密度分布を示した図であり、（ｂ）は、ホモジナイザから出射した後のレーザ光の出力密度分布を示した図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るレーザ表面処理方法を説明するための図であって、（ａ）は、光ファイバに入射する前のレーザ光の出力密度分布を示した図であり、（ｂ）は、光ファイバから出射した後のレーザ光の出力密度分布を示した図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るレーザ表面処理方法を説明するための図であって、（ａ）は、脆性部材の表面において結像したレーザ光の出力密度分布を示した図であり、（ｂ）は、脆性部材の表面において結像状態から外れたレーザ光の出力密度分布を示した図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るレーザ表面処理方法を示したフローチャートである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るレーザ表面処理方法を説明するための図であって、レンズと脆性部材の表面との距離に対する脆性部材の表面に導入されたき裂の密度を示した図である。
【図７】窒化珪素からなる脆性部材の表面に対してレーザ光を照射することによって生じるせん断応力のシミュレーション結果を示した図であり、（ａ）は、レーザ光が照射範囲内において一定である場合のせん断応力分布を示した図であり、（ｂ）は、レーザ光の周辺部に出力密度の立ち上がりがない場合のせん断応力分布を示した図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るレーザ表面処理装置を示した概略図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るレーザ表面処理方法を説明するための図であって、（ａ）は、アパーチャを通過する前のレーザ光の出力密度分布を示した図であり、（ｂ）は、アパーチャを通過した後のレーザ光の出力密度分布を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係るレーザ表面処理方法は、セラミックまたはガラスなどからなる脆性部材６０の表面にレーザ光を照射して、脆性部材６０の表面にミクロなき裂を導入する方法である。
【００１３】
まず、本実施形態に係るレーザ表面処理方法に用いるレーザ表面処理装置について、図１ないし図４を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ表面処理方法に用いるレーザ表面処理装置の概略図である。
【００１４】
レーザ表面処理装置１は、レーザ発振器１０、出力調整装置１２、シャッタ１４、入射光学系１６、光ファイバ１８、レンズ２０、照射ヘッド２２、ヘッド駆動装置２４、および、容器２６等を有する。レーザ表面処理装置１は、レーザ発振器１０から発振されたレーザ光５０が、出力調整装置１２、シャッタ１４、入射光学系１６、光ファイバ１８、および、レンズ２０を介して、容器２６内の液体５２に浸漬された脆性部材６０の表面に照射されるように構成されている。
【００１５】
レーザ発振器１０は、例えば、波長１μｍ程度の近赤外で発振する、ガラスレーザ発振器やＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器であり、パルス状のレーザ光５０を発振する。
【００１６】
レーザ発振器１０から発振されたレーザ光５０は、出力調整装置１２に入射される。出力調整装置１２は、偏光板およびビーム分岐器等により構成され、レーザ光５０のエネルギーを調整する機能を有する。
【００１７】
出力調整装置１２から出射したレーザ光５０は、シャッタ１４に入射される。シャッタ１４は、高速動作ミラー等から構成され、後述するヘッド駆動装置２４と同期して開閉して、脆性部材６０の所望する表面部分にのみレーザ光５０を照射させる役割を果たす。
【００１８】
シャッタ１４から出射したレーザ光５０は、入射光学系１６に入射される。入射光学系１６は、ホモジナイザ等から構成され、レーザ光５０と光ファイバ１８の位置関係を調整するとともに、レーザ光５０の出力密度分布（すなわち、レーザ光５０の強度分布）を平坦化して、光ファイバ１８の入射端面の損傷を防ぐ役割を果たす。
【００１９】
ここで、ホモジナイザに入射する前のレーザ光５０の出力密度は、図２（ａ）に示すように、レーザ光５０の断面の中央部から周辺部まで緩やかに減少している。一方、ホモジナイザから出射した後のレーザ光５０の出力密度分布は、図２（ｂ）に示すように、平坦化されて、周辺部における出力密度分布曲線の勾配が空間的に急激に立ち上がっている。すなわち、ホモジナイザを含む入射光学系１６は、レーザ光５０の周辺部における出力密度（すなわち、レーザ光５０の強度）を立ち上げる役割も果たす。
【００２０】
入射光学系１６から出射したレーザ光５０は、光ファイバ１８に入射する。光ファイバ１８に入射したレーザ光５０は、光ファイバ１８のコアとクラッドとの周辺で全反射を繰り返しながらコア内を伝送される。その結果、光ファイバ１８の出射端面でのレーザ光５０の出力密度分布は、均一化されている。なお、図３（ａ）は、光ファイバ１８に入射する前のレーザ光の出力密度分布を示した図であり、図３（ｂ）は、光ファイバ１８から出射した後のレーザ光の出力密度分布を示した図である。
【００２１】
光ファイバ１８から出射したレーザ光５０は、レンズ２０を通過する。レーザ光５０は、レンズ２０を通過することによって絞り込まれる。ここで、光ファイバ１８の出射側の端部およびレンズ２０は、照射ヘッド２２によって保持されている。さらに、照射ヘッド２２は、ヘッド駆動装置２４に取り付けられていて、ヘッド駆動装置２４は、照射ヘッド２２およびレンズ２０を上下方向および水平方向に移動させることができる。
【００２２】
レンズ２０を通過したレーザ光５０は、液面に対して垂直に容器２６内の液体５２に入射して、液体５２に浸漬された脆性部材６０の表面に照射される。
【００２３】
ここで、上述したとおり、レーザ光５０の出力密度分布は、光ファイバ１８の出射端面においては、均一化されている（図３（ｂ）を参照）。そのため、レンズ２０により、光ファイバ１８の出射端面でのレーザ光５０を脆性部材６０の表面で結像させた場合（以下、「結像状態」という。）には、レーザ光５０の出力密度分布は、脆性部材６０の表面においても、図４（ａ）に示すように、均一化されている。したがって、周辺部における出力密度分布曲線の勾配が空間的に急激に立ち上がったレーザ光５０が脆性部材６０の表面に照射される。
【００２４】
一方、結像状態から外れている場合には、脆性部材６０の表面でのレーザ光５０の出力密度分布曲線は、図４（ｂ）に示すように、緩やかなカーブを描く。
【００２５】
容器２６内には、液体５２が貯められていて、その液体５２に保持台２８が浸漬されている。また、表面処理の対象となる脆性部材６０は、保持台２８上に載置される。このとき、表面処理を所望する表面部分は、液体５２に覆われている。保持台２８は、レンズ２０と脆性部材６０の表面との距離ｄ、および、照射角度を調整するための位置調整機能（図示しない。）を備えている。
【００２６】
液体５２は、例えば、水である。液体５２が水である場合には、水に吸収されやすい近赤外のレーザ光５０は、水面から脆性部材６０の表面までの距離が長いと、脆性部材６０の表面まで到達できない。そのため、水面から脆性部材６０の表面までの距離を数ｍｍ以下にする必要がある。しかし、脆性部材６０の表面に凹凸が形成されている場合には、水面から脆性部材６０の表面までの距離を数ｍｍ以下にすることができないこともある。このような場合には、水に吸収されにくいＮｄ：ＹＡＧレーザ光の第２高調波（波長：０．５３μｍ）を使用することが好ましい。
【００２７】
また、容器２６には、液体清浄装置３０が接続されている。液体清浄装置３０は、ポンプ、フィルタおよび流量計等から構成されていて、容器２６内の液体５２を清浄に保つ役割を果たす。この理由は、レーザ光５０の照射によって発生したプラズマ５４は、短時間（１０−７秒程度）でエネルギーを失って冷却され、微粒子となって液体５２中を浮遊する。この状態で、次のレーザ光５０を照射すると、液体５２中を浮遊する微粒子がレーザ光５０のエネルギーを吸収したりレーザ光５０を散乱させたりするため、表面処理の効率が低下するからである。
【００２８】
次に、本実施形態に係るレーザ表面処理方法について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ表面処理方法を示したフローチャートである。
【００２９】
まず、保持台２８上に、表面処理を所望する表面部分を上面にして脆性部材６０を載置する（Ｓ１）。このとき、脆性部材６０は、容器２６内の液体５２に浸漬していて、表面処理を所望する表面部分は、液体５２に覆われている。脆性部材６０の表面が液体５２に浸漬していない場合や脆性部材６０の表面が液体５２の液面に平行でない場合には、保持台２８の位置調整機能によって調整する。
【００３０】
次に、ヘッド駆動装置２４の駆動により、照射ヘッド２２を水平方向に移動して、レンズ２０を通過したレーザ光５０の周辺部が表面処理を所望する表面部分に照射されるように、照射ヘッド２２の水平方向の位置を調節する（Ｓ２）。このとき、レーザ光５０を仮発振させて、照射ヘッド２２の位置を調節しても良い。
【００３１】
次に、ヘッド駆動装置２４の駆動により、照射ヘッド２２を上下方向に移動して、光ファイバ１５の出射端面でのレーザ光５０が脆性部材６０の表面において結像するように、レンズ２０と脆性部材６０の表面との距離ｄを調節する（Ｓ３）。このとき、レーザ光５０を仮発振させて、レンズ２０と脆性部材６０の表面との距離ｄを調節しても良い。
【００３２】
なお、超音波距離計またはレーザ光距離計などの距離計測装置（図示しない。）を使用して、レンズ２０と脆性部材６０の表面との距離ｄを測定し、その距離ｄを自動的に補正しても良い。また、レーザ光５０の照射によるプラズマ５４の発生音の到達時間に基づいて調節することも可能である。さらに、脆性部材６０の表面で反射されたレーザ光５０の反射強度に基づいて調節することも可能である。
【００３３】
ここで、レンズ２０と脆性部材６０の表面との距離ｄを変化させると、脆性部材６０の表面でのレーザ光５０の照射範囲（照射面積）が変化して、脆性部材６０の表面でのレーザ光５０の出力密度Ｉ［ＴＷ／ｍ２］が変化する。そして、表面処理の効果は、プラズマ５４の圧力Ｐ＝（０．２×Ｉ）０．５によって決まるため、出力密度Ｉを所定の範囲内に保つ必要がある。
【００３４】
次に、レーザ発振器１０によりレーザ光５０を発振させる（Ｓ４ａ）。上述したとおり、発振されたレーザ光５０は、出力調整装置１２、シャッタ１４、入射光学系１６、光ファイバ１８、および、レンズ２０を通過する。このとき、光ファイバ１８およびレンズ２０の作用により、レーザ光５０の周辺部における出力密度が立ち上がる（Ｓ４ｂ）。
【００３５】
レンズ２０を通過したレーザ光５０は、液体５２に覆われた脆性部材６０の表面に照射されて、表面処理が行われる（Ｓ４ｃ）。このとき、レーザ光５０の周辺部が表面処理を所望する表面部分に照射される。表面処理を所望する表面部分が広範囲である場合には、図４に示すように、レーザ光５０の周辺部が当該範囲を走査するように、ヘッド駆動装置２４の駆動により、照射ヘッド２２を水平方向に移動させて、表面処理を行う（Ｓ５）。
【００３６】
以下、本実施形態に係るレーザ表面処理方法の作用について、図６および図７を用いて説明する。
【００３７】
液体５２に浸漬した脆性部材６０の表面に対して、出力密度が立ち上がった周辺部を有するレーザ光５０を照射する。そうすると、レーザ光５０の周辺部が照射された表面部分にミクロなき裂が導入される。
【００３８】
これについて、図６を用いて説明する。図６は、レンズ２０と脆性部材６０の表面との距離ｄに対する、レーザ光５０の周辺部が照射された表面部分に導入されたき裂の密度を示した図である。レーザ光５０が脆性部材６０の表面で結像状態になるように距離ｄを調節したときに、導入されたき裂の密度が最大となっている。
【００３９】
プラズマ発生閾値を超えた出力密度のレーザ光５０を照射すると、脆性部材６０の極表層が瞬時に蒸発して、高圧のプラズマ５４が発生する。この高圧のプラズマ５４は、脆性部材６０の表面を瞬間的に圧縮し、その圧縮による表面の変位は衝撃波となって部材の深さ方向に伝播する。そして、脆性部材６０に局所的な塑性変形を生じさせる。
【００４０】
一般に、セラミックスやガラス等の脆性部材６０は、せん断衝撃荷重によって破壊されやすいことが知られている。図７は、窒化珪素からなる脆性部材６０の表面に対してパルス状のレーザ光５０を照射することによって生じるせん断応力のシミュレーション結果である。図７には、照射１０ｎｓ後に脆性部材６０の表面および内部に発生しているせん断応力を等高線で示している。図７（ａ）に示すように、プラズマ５４の圧力（すなわち、レーザ光５０の出力密度）がレーザ光５０の照射範囲内において一定である場合には、レーザ光５０の出力密度が立ち上がった周辺部（照射範囲の周辺）に強いせん断応力が生じることが分かる。このせん断応力により、脆性部材６０の表面にき裂が導入されると考えられる。
【００４１】
一方、き裂を導入することなく、脆性部材６０の表面に圧縮残留応力を導入したい場合には、図７（ｂ）に示すように、周辺部に出力密度の立ち上がりがないレーザ光５０を照射すると良い。
【００４２】
本実施形態に係るレーザ表面処理方法よれば、脆性部材６０の表面にミクロなき裂を精度良く導入することができる。
【００４３】
［第２の実施形態］
本実施形態に係るレーザ表面処理方法に用いるレーザ表面処理装置について、図８ないし図９を用いて説明する。図８は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ表面処理方法に用いるレーザ表面処理装置の概略図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であるため、重複部分には同一符号を付してその部分の構成の説明を省略する。
【００４４】
本実施形態では、レーザ表面処理装置１ａは、レーザ発振器１０から発振されたレーザ光５０が、出力調整装置１２、シャッタ１４、ビーム拡大器７０、ミラー７２、アパーチャ７４、および、レンズ２０を介して、容器２６内の液体５２に浸漬された脆性部材６０の表面に照射されるように構成されている。
【００４５】
ビーム拡大器７０は、シャッタ１４から出射したレーザ光５０の断面積（照射範囲）を拡大する機能を有する。
【００４６】
アパーチャ７４は、ビーム拡大器７０から出射したレーザ光５０の中央部のみを切り取る。アパーチャ７４に入射する前のレーザ光５０の出力密度は、図９（ａ）に示すように、レーザ光５０の横断面の中央部から周辺部まで緩やかに減少している。一方、アパーチャ７４から出射した後のレーザ光５０の出力密度分布は、図９（ｂ）に示すように、周辺部における出力密度分布曲線の勾配が空間的に急激に立ち上がっている。すなわち、本実施形態において、アパーチャ７４は、レーザ光５０の周辺部における出力密度を立ち上げる役割を果たす。
【００４７】
アパーチャ７４を通過して周辺部の出力密度が立ち上がったレーザ光５０は、レンズ２０を介して、脆性部材６０の表面に照射される。本実施形態では、レンズ２０と脆性部材６０の表面との距離ｄを変化させることにより、脆性部材６０の表面でのレーザ光５０の照射範囲（照射面積）を変化させて、脆性部材６０の表面でのレーザ光５０の出力密度Ｉを変化させることができる。
【００４８】
本実施形態においても、レーザ光５０の出力密度が立ち上がった周辺部を、表面処理を所望する部分に照射させる。その結果、第１の実施形態と同様に、脆性部材６０の表面にミクロなき裂を精度良く導入することができる。
【００４９】
［他の実施形態］
第１および第２の実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。第１の実施形態では、照射ヘッド２２を移動させて、脆性部材６０の表面処理を所望する部分にレーザ光５０を照射する場合について説明したが、照射ヘッド２２を固定して脆性部材６０を移動させても、照射ヘッド２２と脆性部材６０を同時に移動させても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５０】
また、第１の実施形態では、脆性部材６０を容器２６内の液体５２に浸漬させて表面処理を行っているが、容器２６を使用せずに気中で液体５２を脆性部材６０の表面に吹きかけながら表面処理を行うことも可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１、１ａ…レーザ表面処理装置、１０…レーザ発振器、１２…出力調整装置、１４…シャッタ、１６…入射光学系、１８…光ファイバ、２０…レンズ、２２…照射ヘッド、２４…ヘッド駆動装置、２６…容器、２８…保持台、３０…液体清浄装置、５０…レーザ光、５２…液体、５４…プラズマ、６０…脆性部材、７０…ビーム拡大器、７２…ミラー、７４…アパーチャ
【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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