(57)【要約】解決すべき課題は、一軸のレーザを用いて、連続的、かつ、広範囲に周期構造を形成することである。解決手段は、一軸で、かつ加工閾値近傍のレーザ１を試料２に照射し、オーバーラップさせながら走査して、入射光と材料表面に沿った散乱光との干渉（１１）によるアブレーション（１２）によって、散乱光を増大させて（１３）、レーザ１の波長λ間隔で干渉を起こさせて（１４）、自己組織的に周期構造を作成することである（１５）。作成される周期構造は、レーザ１の試料２表面への入射角を変更することによって、その周期ピッチが変更される。またレーザ１の試料２表面への入射光が角度を有する場合は、その走査方向を変更することによって、その周期ピッチが変更される。
2004035255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料表面に、一軸でかつ加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部をオーバーラップさせながら走査して、入射光とその材料表面に沿った散乱光の干渉部分のアブレーションによって自己組織的に周期構造を作成することを特徴とする周期構造作成方法。
【請求項２】
前記レーザの走査速度を、レーザスポット径およびレーザ発振周波数に応じて、同一部分におけるレーザ照射回数が１０〜３００ショットになるように設定することを特徴とする請求項１に記載の周期構造作成方法。
【請求項３】
前記材料表面へのレーザの入射角を変更して、周期構造の周期ピッチを変更することを特徴とする請求項１または２に記載の周期構造作成方法。
【請求項４】
前記レーザが入射角を有し、レーザの走査方向を変更して、周期構造を変更することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の周期構造作成方法。
【請求項５】
前記偏光方向を変化することにより、周期構造の方向を変化することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の周期構造作成方法。
【請求項６】
前記レーザをビームエキスパンダ、またはビームエキスパンダおよびシリンドリカルレンズにより広範囲に形成して照射することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の周期構造作成方法。
【請求項７】
材料表面に、グレーティング構造を形成し、材料表面特性を変化させることを特徴とする表面処理方法。
【請求項８】
材料表面に、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に前記グレーティング構造を形成することを特徴とする請求項７に記載の表面処理方法。
【請求項９】
前記グレーティング構造を、複数方向に重ね合わせて形成することを特徴とする請求項７または８に記載の表面処理方法。
【請求項１０】
前記グレーティング構造を、複数方向に混在させて形成することを特徴とする請求項７または８に記載の表面処理方法。
【請求項１１】
材料表面に、偏光方向が異なる複数パルスの加工閾値近傍のレーザをパルスが時間的に重ならない条件で照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に前記グレーティング構造を複数方向に重ね合わせて形成することを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項１２】
材料表面に、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査する際、走査中に偏光方向を変化させることにより、自己組織的に前記グレーティング構造を複数方向に混在させて形成することを特徴とする請求項７または８、または１０のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項１３】
シリンドリカルレンズを用いてレーザを集光し、前記グレーティング構造を広範囲に形成することを特徴とする請求項７から１２のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項１４】
前記グレーティング構造の周期ピッチが１μｍ以下であることを特徴とする請求項７から１３のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項１５】
前記材料表面特性が、防塵、微粒子付着抑制効果であることを特徴とする請求項７から１４のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項１６】
前記材料表面特性が、摩擦、摩耗低減効果であることを特徴とする請求項７から１４のいずれかに記載の表面処理方法。
【請求項１７】
前記材料表面特性が、濡れ性制御効果であることを特徴とする請求項７から１４のいずれかに記載の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は周期構造作成方法および表面処理方法に関し、特に材料表面に一軸のレーザを照射して、微細な凹凸を周期的に形成する周期構造作成方法および材料表面にレーザを照射して周期構造を作成することにより材料表面特性を変化させる表面処理方法に関するものである。
従  来  技  術
近年、従来の機械と比較すると２桁以上小さい寸法の部品から構成されているマイクロマシンの研究が活発に行なわれている。重力等の慣性力は寸法の３乗に比例するが、表面力は寸法の２乗に比例するため、マイクロマシンのような小さな部品の動作時には、重力の影響よりも、２物体間に作用する表面力の影響が顕在化してくる。特に、２物体の界面間に大気中の水分が凝縮した水の表面張力（メニスカス力）に起因する引き離し力（凝着力）が、摩擦力に支配的な影響を与えることが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。また、この引き離し力は、表面の微細な凹凸により大きく低減できることが知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
さらに、微細な凹凸は、摩耗の抑制や潤滑剤の保持機能による長寿命化に著しい効果があることも報告されており（例えば、非特許文献３参照）、表面にナノスケールの微細構造を形成する加工法の開発が望まれている。
一方、加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザをポリマに照射すると、グレーティング状の微細周期構造が形成されることが知られている（例えば、非特許文献４，５，６参照）。また、金属や半導体にも同様の微細周期構造が形成でき、照射角度により、その周期ピッチが変化することが報告されている（例えば、非特許文献７，８参照）。
いずれも、波長オーダーの周期構造が自己組織的に形成されるが、その範囲はレーザスポット内に限られている。したがって、その応用範囲も極狭い領域に限定される。もし、この周期構造を各種材料に対して広範囲に形成できれば、トライボロジー特性の改善に有効な加工法となる。さらにフェムト秒レーザを用いることで、熱影響による材料特性の劣化が現われやすい小型部品や、非常に薄い部品にも適用することが可能になる。
さらに、チタンサファイアレーザを集光した高強度のフェムト秒パルスを、２つに分割してこれら２軸レーザの干渉によって、微細な周期構造を形成すること、および材料をＸ−Ｙステージに取りつけて、レーザの繰り返し周波数と同期させて走査することによって、材料全体に周期構造を形成することが報告されている（例えば、非特許文献９参照）。
【非特許文献１】  安藤泰久，田中敏幸，伊能二郎，角田和雄：ナノメートルスケールの表面形状と摩擦力・引き離し力の関係，日本機械学会論文集（Ｃ編），６５，６３７（１９９０）Ｐ．３０６．
【非特許文献２】  Ｋ．Ｎ．Ｇ．Ｆｕｌｌｅｒ  ａｎｄ  Ｄ．Ｔａｂｅｒ，：Ｔｈｅ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ａｄｈｅｓｉｏｎ  ｏｆ  ｅｌａｓｔｉｃ  ｓｏｌｉｄｓ，Ｐｒｏｃ．Ｒｏｙ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．，Ａ，３４５，（１９７５）Ｐ．３２７．
【非特許文献３】  Ｍ．Ｍａｉｌｌａｔ，Ｓ．Ｍ．Ｐｉｍｅｎｏｖ，Ｇ．Ａ．Ｓｈａｆｅｅｖ・ａｎｄ  Ａ．Ｖ．Ｓｉｍａｋｉｎ，Ｔｒｉｂｏｌ  Ｌｅｔｔ．，４，（１９９８），Ｐ．２３７．
【非特許文献４】  Ｐ．Ｅ．Ｄｙｅｒ  ａｎｄ  Ｒ．Ｊ．Ｆａｒｌｅｙ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｅｘｃｉｍｅｒ  ｌａｓｅｒ  ａｂｌａ−ｔｉｖｅ  ｅｔｃｈｉｎｇ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７，８（１９９０）Ｐ．７６５．
【非特許文献５】  Ｈ．ｈｉｒａｏｋａ  ａｎｄ  Ｍ．Ｓｅｎｄｏｖａ：Ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｓｕｂ−ｈａｌｆ−ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ  ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｎ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｓｕｒｆａｃｅｓ．，Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６４，５（１９９４）Ｐ．５６３．
【非特許文献６】  Ｍ．Ｂｏｌｌｅ  ａｎｄ  Ｓ．Ｌａｚａｒｅ：Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｐｒｏｄｕｃｅｄ  ｏｎ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｗｉｔｈ  ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｅｘｃｉｍｅｒ  ｌａｓｅｒ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  ｒａｄｉａｔｉｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６０，６（１９９２）Ｐ．６７４．
【非特許文献７】  Ａ．Ｅ．Ｓｉｅｇｍａｎ，Ｐ．Ｍ．Ｆａｕｃｈｅｔ：Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｗｏｏｄ’ｓ  ａｎｏｍａｌｉｅｓ  ｏｎ  ｌａｓｅｒ−ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ  ｓｕｒｆ−ａｃｅｓ，ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ＱＥ−２０，８（１９８６）Ｐ．１３８４．
【非特許文献８】  南志昌，豊田浩一：レーザー誘起表面電磁波による金属・半導体のリップル形成入射角依存性，レーザー研究，２８，１２（２０００）Ｐ．８２４．
【非特許文献９】  河村賢一，平野正浩，細野秀雄：フェムト秒レーザーのシングルパルス干渉露光による無機材料の微細加工とその応用，レーザー研究，３０，５（２００２）Ｐ．２４４．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】  上記の非特許文献９に記載されている２軸レーザによる干渉を用いる方法では、レーザを分割して２軸レーザを形成することが必須で、しかも、その光路差を厳密に等しくする必要があるのみならず、レーザの走査速度を周期構造の周期ピッチに厳密に対応させる必要があり、光軸管理などが極めて煩雑であり、また装置が複雑・高価になる。さらに、２光路に角度を持たせて干渉させるため平面にしか加工ができない上、もし、材料を支持するテーブルが振動すると、周期構造のピッチが乱れるという解決すべき課題があった。
また、上記の非特許文献１〜９に記載されている周期構造の作成方法では、簡単に、しかも広範囲に正確な周期ピッチの周期構造を作成することが困難であり、したがって、その効果も不明確であり、具体的な応用は考えられていないという解決すべき課題があった。
そこで、本発明は、上述のような２軸レーザを使用することなく、各種材料表面に一軸のレーザを照射して周期構造を作成できる周期構造作成方法を提供することを目的とする。また、本発明は、各種材料表面にレーザを照射して、材料表面特性を変化する表面処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】  本発明の請求項１に記載された周期構造作成方法は、材料表面に、一軸でかつ加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部をオーバーラップさせながら走査して、入射光とその材料表面に沿った散乱光の干渉部分のアブレーションによって自己組織的に周期構造を作成することを特徴とするものである。
ここで、レーザは、ＣＯ２レーザやＹＡＧレーザなどのピコ秒やナノ秒パルスレーザなど、各種のレーザを用いることが可能であるが、例えば、チタンサファイアレーザを利用することができる。チタンサファイアレーザパルスは、例えば、パルス幅１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅの超短パルスのフェムト秒レーザである。
本発明の請求項２に記載の周期構造作成方法は、前記レーザの走査速度を、レーザスポット径およびレーザ発振周波数に応じて、同一部分におけるレーザ照射回数が１０〜３００ショットになるように設定することを特徴とするものである。
本発明の請求項３に記載された周期構造作成方法は、前記材料表面へのレーザの入射角を変更して、周期構造の周期ピッチを変更することを特徴とするものである。
本発明の請求項４に記載された周期構造作成方法は、レーザが入射角を有し、レーザの走査方向を変更して、周期構造を変更することを特徴とするものである。
本発明の請求項５に記載された周期構造作成方法は、前記偏光方向を変化することにより、周期構造の方向を変化することを特徴とするものである。
本発明の請求項６に記載された周期構造作成方法は、前記レーザをビームエキスパンダ、またはビームエキスパンダおよびシリンドリカルレンズにより広範囲に形成して照射することを特徴とするものである。
本発明の請求項７に記載された表面処理方法は、材料表面に、グレーティング構造を形成し、材料表面特性を変化させることを特徴とするものである。
本発明の請求項８に記載の表面処理方法は、材料表面に、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に前記グレーティング構造を形成することを特徴とするものである。
本発明の請求項９に記載された表面処理方法は、前記グレーティング構造を、複数方向に重ね合わせて形成することを特徴とするものである。
本発明の請求項１０に記載された表面処理方法は、前記グレーティング構造を、複数方向に混在させて形成することを特徴とするものである。
本発明の請求項１１に記載された表面処理方法は、材料表面に、偏光方向が異なる複数パルスの加工閾値近傍のレーザをパルスが時間的に重ならない条件で照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に前記グレーティング構造を複数方向に重ね合わせて形成することを特徴とするものである。
本発明の請求項１２に記載された表面処理方法は、材料表面に、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査する際、走査中に偏光方向を変化させることにより、自己組織的に前記グレーティング構造を複数方向に混在させて形成することを特徴とするものである。
本発明の請求項１３に記載された表面処理方法は、シリンドリカルレンズを用いてレーザを集光し、前記グレーティング構造を広範囲に形成することを特徴とするものである。
本発明の請求項１４に記載された表面処理方法は、前記グレーティング構造の周期ピッチが１μｍ以下であることを特徴とするものである。
本発明の請求項１５に記載された表面処理方法は、前記材料表面特性が、防塵、微粒子付着抑制効果であることを特徴とするものである。
本発明の請求項１６に記載された表面処理方法は、前記材料表面特性が、摩擦、摩耗低減効果であることを特徴とするものである。
本発明の請求項１７に記載された表面処理方法は、前記材料表面特性が、濡れ性制御効果であることを特徴とするものである。
【発明の効果】  本発明の請求項１に記載の周期構造作成方法のように、超短パルスレーザ（フェムト秒レーザ）を材料表面に照射すると、ＣＯ２レーザやＹＡＧレーザのピコ秒やナノ秒パルスレーザを照射する場合に比較して、レーザのパルス幅が小さいので熱伝導が小さく、レーザ照射部分近傍の基板温度上昇はほとんどないので、熱影響による材料特性の劣化が防止できる。また、レーザを照射した部分のみに微細な周期構造を作成できるため、マイクロマシンなどの微細な部品の用途に好適である。
すなわち、レーザ照射時の熱拡散長ＬＤは、材料の熱拡散率をＤ、レーザのパルス幅をτ１とすると、ＬＤ＝（Ｄτ１）１／２で表せる。ここで、Ｄ＝ｋＴ／ρｃｐで、ｋＴ，ρ，ｃｐは、それぞれ熱伝導率，密度および比熱である。したがって、熱拡散長ＬＤは、パルス幅τ１の平方根に比例するため、超短パルスレーザを照射すれば、レーザ照射時の熱拡散長が非常に小さくなり、パルス幅がピコ秒以下になると、熱拡散をほとんど無視することができ、小型の部品加工に有利になる。
レーザが基板表面に照射されると、基板の凹凸によりレーザが散乱され、表面散乱が生じる。直線偏光のレーザを基板に照射すると、ｐ偏光成分の入射光１とその表面に沿った散乱光の干渉が起こる。入射光のフルエンスが閾値近傍の場合、入射光と表面に沿った散乱光の干渉部分だけがアブレーションされる。一旦、アブレーションが始まり表面粗さが増加すると、次のレーザ照射時には、表面散乱の強度が大きくなり、さらにアブレーションが進むとともに、１波長λだけ離れた位置でも干渉が起こる。レーザ照射を繰り返すと、次々に自己組織的に波長間隔で周期構造（グレーティング構造）が形成されていく。このようにして、一軸のみのレーザ照射によって、周期構造を作成することができる。したがって、従来の２軸レーザを照射するものに比較して、装置が簡単、かつ安価になる。しかも、テーブルが振動しても、周期構造の周期ピッチが変化しないという優れた特長がある上、光軸方向のワークディスタンスの変化に対して許容範囲が広く、曲面に周期構造を形成することが可能である。
本発明の請求項２に記載の周期構造作成方法のように、レーザ照射の繰り返しにより、次々に自己組織的に波長間隔で形成されていく周期構造の凹凸は、数十ショット程度で波長オーダーまで成長するが、３００ショット以上レーザを照射すると熱影響により不明瞭となる。そこで、同位置に照射されるショット数の合計が１０〜３００ショットとなるようにオーバーラップさせながら走査させることで、周期構造を広範囲に拡張形成することが可能になる。
本発明の請求項３に記載の周期構造作成方法によれば、レーザの入射角度を変更することによって、入射光と材料表面に沿った散乱光との干渉によるアブレーションが変化して、周期ピッチを変更することができるので、任意の周期ピッチの周期構造を作成することができる。
本発明の請求項４に記載の周期構造作成方法によれば、入射角を有するレーザの走査方向を変更すると、入射光と材料表面に沿った散乱光との干渉によるアブレーションが変化して、周期構造を変更することができるので、同一のレーザ照射条件で走査方向を変更するのみで異なる周期構造を作成することができる。また、レーザの走査方向を変更すると共に、レーザの入射角を変更すれば、より多彩に周期構造を変更することができる。
本発明の請求項５に記載の周期構造作成方法によれば、偏光方向と直交方向に周期構造が形成されることを利用して、偏光方向を変更することによって、周期構造の方向を変更することができる。
上記請求項６に記載の周期構造作成方法によれば、レーザをビームエキスパンダによって広範囲に形成して、あるいは、ビームエキスパンダによって広範囲に形成されたレーザをシリンドリカルレンズにより扁平化して照射することによって、一度に幅広い範囲にレーザ照射が可能になり、広い面積に周期構造を効率的に作成することができる。
本発明の請求項７に記載された表面処理方法によれば、材料表面に、グレーティング構造を形成し、材料表面特性を変化させることができる。
すなわち、材料表面にレーザを照射してグレーティング構造を形成するが、前述と同様に、照射するレーザは、ＣＯ２レーザやＹＡＧレーザなどのピコ秒やナノ秒パルスレーザなど、各種のレーザを用いることが可能であるが、例えば、チタンサファイアレーザを利用することができる。チタンサファイアレーザパルスは、例えば、パルス幅１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅの超短パルスのフェムト秒レーザである。
超短パルスレーザ（フェムト秒レーザ）を材料表面に照射すると、ＣＯ２レーザやＹＡＧレーザのピコ秒やナノ秒パルスレーザを照射する場合に比較して、レーザのパルス幅が小さいので熱伝導が小さく、レーザ照射部分近傍の基板温度上昇はほとんどないので、熱影響による材料特性の劣化が防止できる。また、レーザを照射した部分のみに微細なグレーティング構造を作成できるため、マイクロマシンなどの微細な部品の用途に好適である。
すなわち、レーザ照射時の熱拡散長ＬＤは、材料の熱拡散率をＤ、レーザのパルス幅をτ１とすると、ＬＤ＝（Ｄτ１）１／２で表せる。ここで、Ｄ＝ｋＴ／ρｃｐで、ｋＴ，ρ，ｃｐは、それぞれ熱伝導率，密度および比熱である。したがって、熱拡散長ＬＤは、パルス幅τ１の平方根に比例するため、超短パルスレーザを照射すれば、レーザ照射時の熱拡散長が非常に小さくなり、パルス幅がピコ秒以下になると、熱拡散をほとんど無視することができ、小型の部品加工に有利になる。
レーザが基板表面に照射されると、基板表面の凹凸によりレーザが散乱され、表面散乱が生じる。直線偏光のレーザを基板に照射すると、ｐ偏光成分に入射光とその表面に沿った散乱光の干渉が起こる。入射光のフルエンスが閾値近傍の場合、入射光と表面に沿った散乱光の干渉部分だけがアブレーションされる。一旦、アブレーションが始まり表面粗さが増加すると、次のレーザ照射時には、表面散乱の強度が大きくなり、さらにアブレーションが進むとともに、１波長λだけ離れた位置でも干渉が起こる。レーザ照射を繰り返すと、次々に自己組織的に波長間隔で周期的にグレーティング構造が形成されていく。このようにして、一軸のみのレーザ照射によって、グレーティング構造を作成することができる。この材料表面へのグレーティング構造の形成により、塵埃・微粒子付着性、摩擦・摩耗性、濡れ性などの一つまたは二つ以上の材料表面特性が変化させることができる。
本発明の請求項８に記載の表面加工方法によれば、材料表面に、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査することにより、自己組織的にグレーティング構造が形成される。このグレーティング構造は、レーザの偏光方向によって、例えば、Ｘ方向のグレーティング構造や、Ｙ方向のグレーティング構造などが形成できる。なお、レーザ照射により形成される凹凸は、数十ショット程度で波長オーダーまで成長するが、３００ショット以上レーザを照射すると熱影響により不明瞭となる。そこで、同位置に照射されるショット数の合計が１０〜３００ショットとなるようにオーバーラップさせながら走査させることで、グレーティング構造を広範囲に拡張形成することが可能になる。
本発明の請求項９に記載の表面処理方法は、レーザの偏光方向を変更することによって、グレーティング構造の方向を変更することができることに基づいて、例えば、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながらレーザをある方向に走査して、一方向のグレーティング構造を形成した後、そのグレーティング構造に重ね合わせて、材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を変更して、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながらレーザを走査することによって、グレーティング構造を形成することにより、複数方向に重ね合わせたグレーティング構造を形成することができる。したがって、例えば、先のグレーティング形成時と後のグレーティング形成時における材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を９０°変更すれば、格子状のグレーティング構造を形成することができるし、先のグレーティング形成時と後のグレーティング形成時における材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を９０°以外の任意角度で変更すれば、斜格子状のグレーティング構造を形成することができる。
上記請求項１０に記載の表面処理方法によれば、前述のように、レーザの偏光方向を変更することによって、グレーティング構造の方向を変更することができることに基づいて、例えば、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながらレーザをある方向に走査して、一方向のグレーティング構造を連続的または間隔をあけて形成した後、そのグレーティング構造に隣接して、または離隔させて、材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を変更して、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながらレーザを走査することによって、先に形成した一方向のグレーティング構造に隣接して、または離隔して異なる方向にグレーティング構造を形成することができる。したがって、先のグレーティング形成時と後のグレーティング形成時における材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を９０°変更すれば、Ｘ方向のグレーティング構造とＹ方向のグレーティング構造とを混在させて形成することができるし、先のグレーティング形成時と後のグレーティング形成時における材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を９０°以外の任意角度で変更すれば、向きが異なったグレーティング構造を混在させて形成することができる。
上記請求項１１に記載の表面処理方法によれば、レーザ発生装置で発生したレーザを、ハーフミラーで２つのレーザに分離し、一方のレーザに光学遅延を形成する。双方のレーザを偏光装置によって所定方向に偏光させて、ハーフミラーに供給し、このハーフミラーで所定方向に偏光された双方のレーザを重ね合わせて、材料表面に照射することで、偏光方向が異なる複数パルスの加工閾値近傍のレーザを、材料表面に所定の時間間隔で照射することができる。そして、その照射部分をオーバーラップさせながら走査することによって、自己組織的に複数方向に重ね合わされたグレーティング構造を一度に形成することができる。したがって、例えば、偏光方向が９０°異なる複数パルスの加工閾値近傍のレーザを所定の時間間隔で照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査することによって、自己組織的にＸ方向のグレーティング構造と方向が９０°異なるＹ方向のグレーティング構造とを重ね合わせた格子状のグレーティング構造を一度に形成することができる。偏光方向が９０°以外の任意角度異なる複数パルスの加工閾値近傍のレーザを所定の時間間隔で照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査することによって、自己組織的に９０°以外の任意角度で交差する斜格子状のグレーティング構造を形成することができる。
上記請求項１２に記載の表面処理方法によれば、前述のように、レーザの偏光方向を変更することによって、グレーティング構造の方向を変更することができることに基づいて、例えば、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながらレーザを走査して、グレーティング構造を所定の長さ形成した後、レーザの照射を継続しながら、そのグレーティング構造に隣接して、または離隔させて、レーザの偏光方向を変更して、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながらレーザを走査することによって、先に形成したグレーティング構造に隣接して、または離隔して方向の異なるグレーティング構造を形成することができる。したがって、先の偏光方向と後の偏光方向とを９０°変更すれば、縦方向のグレーティング構造と横方向のグレーティング構造とを混在させて形成することができるし、レーザ走査中に偏光方向を任意の回数９０°以外の任意角度で変更すれば、任意の方向のグレーティング構造を任意の数、混在させて形成することができる。
上記請求項１３に記載の表面処理方法によれば、レーザビームをビームエキスパンダによって大径のレーザビームに拡大し、この大径のレーザビームをシリンドリカルレンズによって集光すると、幅狭状で長い線状レーザが得られるので、この線状レーザを材料表面に照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して、自己組織的に前記グレーティング構造を広範囲に形成することができる。したがって、大面積のグレーティング構造を短時間で形成することができる。
上記請求項１４に記載の表面処理方法によれば、従来の機械加工によっては得られなかった周期ピッチが１μｍ以下の微細なグレーティング構造が簡単に得られるので、マイクロマシンなどの微細な部品表面は元より、通常の部品表面にも微細なグレーティング構造を形成して、その材料表面特性を変化させることができる。
上記請求項１５に記載の表面処理方法によれば、グレーティング構造により大気中の水分が凝縮した水の表面張力に起因する引き離し力が低減されることによって、その最外表面に付着する塵埃、微粒子の付着力が低減され、材料表面の防塵、微粒子付着抑制効果が得られる。
上記請求項１６に載の表面処理方法によれば、潤滑剤を用いない乾燥摩擦においては、グレーティング構造により引き離し力が低減されることによって、その最外表面と摺接する他の材料表面に作用する力が低減され、材料表面の摩擦、摩耗低減効果が得られる。また、潤滑剤を用いる場合は、グレーティング構造が潤滑剤の保持および補給機能を持つこと、及び流体膜の負荷能力を生じること、磨耗粉のかみ込み防止機能を持つことにより、材料表面の摩擦、摩耗低減効果が得られる。
上記請求項１７に記載の表面処理方法によれば、グレーティング構造により材料の見かけの面積と実表面積の比が大きくなり、見かけの表面エネルギーが変化することで、濡れ性制御効果が得られる。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明の実施形態の周期構造作成方法について説明する概略斜視図である。
図２は本発明の実施形態の周期構造作成に用いる装置の概略構成図である。
図３（ａ）は本発明の実施形態の周期構造作成方法によってＳｉ表面にレーザを偏光方向と平行方向に３スキャン走査して形成した周期構造の平面図である。
図３（ｂ）は図３（ａ）の周期構造の拡大詳細図である。
図４（ａ）は本発明の実施形態の周期構造作成方法によりＳｉ表面にレーザを偏光方向と直交方向に３スキャン走査して形成した周期構造の平面図である。
図４（ｂ）は図４（ａ）の周期構造の拡大詳細図である。
図５は本発明の実施形態の周期構造作成方法によりレーザフルエンスを加工閾値ぎりぎりにしてＳｉ表面に形成した周期構造の平面図である。
図６は本発明の実施形態の周期構造作成方法によりＳｉ表面にシリンドリカルレンズを用いて形成した周期構造の拡大詳細図である。
図７は本発明の実施形態の周期構造作成方法によりＣｕテープ表面にシリンドリカルレンズを用いて形成した周期構造の平面図である。
図８（ａ）は本発明の周期構造作成方法によりＡｌテープ表面に形成した周期構造の拡大詳細図である。
図８（ｂ）は本発明の周期構造作成方法によりＡｌ箔表面に形成した周期構造の拡大詳細面図である。
図９（ａ）は入射光と散乱光とのｓ−タイプ干渉の生成理由の説明図である。
図９（ｂ）は入射光と散乱光とのｓ＋タイプ干渉の生成理由の説明図である。
図１０は入射光が角度を有する場合の試料の送り方向の定義図である。
図１１はＣｕテープを送り方向Ｌに走査した場合における周期構造で、
図１１（ａ）はｓ−タイプの周期構造の拡大詳細図である。
図１１（ｂ）はｓ＋タイプの周期構造の拡大詳細図である。
図１２はＣｕテープを送り方向Ｒに走査した場合における周期構造で、
図１２（ａ）はｓ−タイプの周期構造の拡大詳細図である。
図１２（ｂ）はｓ＋タイプの周期構造の拡大詳細図である。
図１３はＳｉ，Ｃｕの周期構造における周期ピッチの入射角依存性について示す特性図である。
図１４（ａ）は送り方向Ｌの場合における周期構造の形成メカニズムについて説明する模式図である。
図１４（ｂ）は送り方向Ｒの場合における周期構造の形成メカニズムについて説明する模式図である。
図１５（ａ）はＸ方向の周期構造の拡大斜視図である。
図１５（ｂ）はＹ方向の周期構造の拡大斜視図である。
図１５（ｃ）はＸ方向の周期構造とＹ方向の周期構造とを重ね合わせて形成した複合型周期構造の斜視図である。
図１５（ｄ）はＸ方向の周期構造とＹ方向の周期構造とを混在させて形成した周期構造の斜視図である。
図１６は一方向の周期構造と他方向の周期構造とを一工程で形成する周期構造形成装置の構成図である。
図１７は回転摺動試験装置の概略構成図である。
図１８は摺動部品の摺動面に種々の形態で周期構造を形成した状態の模式的平面図で、
図１８（ａ）は放射状の周期構造である。
図１８（ｂ）は同心円状の周期構造である。
図１８（ｃ）はスパイラル型１の周期構造である。
図１８（ｄ）はスパイラル型２の周期構造である。
図１９は回転摺動試験における摺動速度の変化特性図である。
図２０は各種摺動面構造の摺動試験結果における摺動速度と摩擦係数の特性図で、
図２０（ａ）は鏡面どうしを摺動させた場合である。
図２０（ｂ）は放射状周期構造と鏡面を摺動させた場合である。
図２０（ｃ）は同心円状周期構造と鏡面を摺動させた場合である。
図２０（ｄ）はスパイラル型１の周期構造と鏡面を摺動させた場合である。
図２１は荷重摺動試験後の摩耗痕が形成された部分の周期構造面の状態で、
図２１（ａ）は放射状周期構造の場合である。
図２１（ｂ）は同心円状周期構造の場合である。
図２２は荷重摺動試験後の摩耗痕の生じていない部分の周期構造面の状態で、
図２２（ａ）は放射状周期構造の場合である。
図２２（ｂ）は同心円状周期構造の場合である。
図２３はディスク／ディスクによる摺動速度と摩擦係数の特性図で、
図２３（ａ）は同心円状周期構造の場合である。
図２３（ｂ）は放射状周期構造の場合である。
図２３（ｃ）はスパイラル型１の周期構造の場合である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施の原理について、図面を参照して説明する。図１は本発明の周期構造作成方法および表面加工方法における周期構造形成メカニズムについて説明する概略斜視図と、周期構造の作成過程のブロック図とを示す。図１の概略斜視図において、レーザ１を試料２の表面に照射すると、入射光のｐ偏光成分３と、表面散乱光のｐ偏光成分５との干渉が起こり定在波７が生じる。なお、４は入射光のｓ偏光成分、６は表面散乱光のｓ偏光成分である。
入射光のフルエンスがレーザの閾値近傍の場合、入射光のｐ偏光成分３と表面に沿った散乱光のｐ偏光成分５の干渉部分だけがアブレーションされる（１２）。一旦アブレーションが始まり表面粗さが増加すると、次のレーザ照射時には表面散乱光の強度が増加し（１３）、さらにアブレーションが進むとともに、１波長λ離れた位置でも干渉が起こる。入射光が直線偏光の場合、レーザ照射を繰り返すと、それによって入射光の波長λ間隔で干渉が生じることにより（１４）、周期構造が自己組織化により作成される（１５）。
この周期構造の凹凸は、１０〜３００ショットで波長オーダーまで成長するが、３００ショット以上レーザを照射すると、凹凸が不明瞭になることが確認された。したがって、同一位置に照射されるショット数が１０〜３００ショットとなるように、レーザをオーバーラップさせながら走査させることで、周期構造を試料表面の広範囲に拡張することが可能になる。なお、レーザの走査は、試料２を支持するテーブルを移動させてもよいし、レーザ側を走査してもよい。
図２は周期構造作成装置２０の模式図を示す。なお、以下の説明において、具体的数値は理解を助けるために、あくまでも一例として記載したものであり、特に限定するものではないことを、予め断っておく。チタンサファイアレーザ発生装置２１で発生したチタンサファイアレーザ１（パルス幅：１２０ｆｓ、中心波長λ：８００ｎｍ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ、パルスエネルギーＥ：０．２５〜４００μＪ／ｐｕｌｓｅ）は、１／２波長板２２と偏光ビームスプリッタ２３を用いてパルスエネルギーを調整可能にした上で、レンズ（焦点距離：ｆ＝１００ｍｍ）２４を通して、Ｘ−Ｙ−θステージ２５上の試料２の表面に照射した。Ｘ−Ｙ−θステージ２５の分解能は任意でよいが、例えば、２μｍのものを用いた。レーザ１が試料２上でオーバーラップしながら照射されるように、Ｘ−Ｙ−θステージ２５により０．２５ｍｍ／ｓ（１２５ｐｐｓ）の速度で試料２を移動させて、入射光と表面に沿った散乱光との干渉によるアブレーションを行ない、連続的に周期構造を作成した。
試料２の走査速度は、レーザ１のスポット径とレーザ１の強度に応じて設定する。レーザ１の試料２への入射角θは、０°、１５°、３０°および４５°とした。試料２として、いずれも厚さ寸法が５０μｍのＳｉ、ＣｕテープおよびＡｌテープ、さらに厚さ１５μｍのＡｌ箔を用いた。このようにして得られた周期構造の観測には、レーザ顕微鏡および原子間顕微鏡（ＡＦＭ）を使用した。
［Ｓｉの周期構造（入射角０°）］
ｆ＝１００ｍｍの平凸レンズ２４により試料２としてのＳｉ基板の表面に、加工閾値近傍のレーザ１を３スキャンして、周期構造を作成した。レーザ１の走査方向と偏光方向が平行な場合の周期構造を、図３（ａ），図３（ｂ）に示す。また、偏光方向を９０°回転させた場合の周期構造を、図４（ａ），図４（ｂ）に示す。図３（ａ），図４（ａ）が全体の様子を示し、図３（ｂ），図４（ｂ）が作成された周期構造を拡大した詳細を示す。図３（ａ），図４（ａ）において、それぞれ３スキャンしているのが理解し易いように、２スキャン目は途中でレーザ照射を停止している。これらの周期構造は、すべて偏光方向に直交して形成されている。周期構造の周期ピッチはレーザ波長λ（８００ｎｍ）よりやや短く、７００ｎｍ前後となった。各スキャンのオーバーラップ部も大きな乱れは見受けられない。
さらに、レーザフルエンスを加工閾値ぎりぎりまで低下させ、極力アブレーションを抑えた場合の周期構造を、図５に示す。周期構造の周期ピッチは７９５ｎｍであり、レーザの波長λ（中心波長８００ｎｍ）とよく一致している。
より広い範囲に周期構造を形成するため、ビームエキスパンダを用いてレーザを拡大し、さらに、ｆ＝１００ｍｍのシリンドリカルレンズを用いて周期構造を形成したところ、周期構造が幅２ｍｍ以上にわたって１スキャン形成された。この周期構造を図６に示す。周期ピッチは７００ｎｍであり、平凸レンズにより加工閾値近傍で形成された周期構造｛図３（ｂ）｝と大差ないものが得られた。
シリンドリカルレンズにより得られた周期構造に白色光を照射すると、分光能力が認められ、広い範囲に一定間隔の周期構造が得られていることが確認された。
［Ｃｕテープの周期構造（入射角０°）］
ｆ＝１００ｍｍのシリンドリカルレンズを用いてＣｕテープに周期構造を形成したところ、Ｓｉと同様に周期構造が幅２ｍｍ以上にわたって１スキャンで形成された。ただし、Ｃｕテープの場合は、ワークディスタンスを焦点距離より１ｍｍ短い９９ｍｍとしたときに、比較的良好な周期構造が得られた。また、Ｓｉの場合（Ｅ＝１００μＪ／ｐｕｌｓｅ）と比較すると、３倍強のパルスエネルギー（Ｅ＝４００μＪ／ｐｕｌｓｅ）が必要であった。図７はＣｕテープに形成された周期構造を示し、周期構造の周期ピッチは約７００ｎｍで、Ｓｉの場合とほとんど差異は認められない。シリンドリカルレンズにより得られた上記の周期構造に白色光を照射すると、Ｓｉと同様に、分光能力が認められた。
［ＡｌテープおよびＡｌ箔の周期構造（入射角０°）］
ビームエキスパンダおよびｆ＝１００ｍｍのシリンドリカルレンズを用いてＡｌテープおよびＡｌ箔に周期構造を形成したところ、それぞれ図８（ａ）および図８（ｂ）に示す周期構造が得られた。ＡｌテープおよびＡｌ箔の周期構造の周期ピッチは６００ｎｍであった。また、双方の周期構造に白色光を照射して分光能力について調べた結果、分光能力が認められた。さらに、厚さ１５μｍのＡｌ箔においても裏面に全く熱影響は認められなかった。
［周期構造の入射角および走査方向依存性］
波長λのレーザ１が入射角θで試料２に照射された場合、図９（ａ），図９（ｂ）に示すような、２種類の干渉が生じる。以後、これらの干渉を区別して、図９（ａ）のような周期が広い干渉をｓ−タイプの干渉と称し、図９（ｂ）のような周期が狭い干渉をｓ＋タイプの干渉と称する。それぞれの周期をＸｓ−，Ｘｓ＋とすると、図９（ａ）の場合の周期Ｘｓ−は、次の式１で与えられる。
【式１】
2004035255.tif 000003
また、図９（ｂ）の場合の周期Ｘｓ＋は、次の式２で与えられる。
【式２】
2004035255.tif 000004
ビームエキスパンダおよびシリンドリカルレンズを用いて、入射角θ＝１５°、３０°、４５°でレーザ１を試料２に照射したところ、ＳｉおよびＣｕテープでは、異なる周期を持つ周期構造が重なって現われた。特に、図１０に示す送り方向Ｌの場合、周期の広いｓ−タイプ、周期の狭いｓ＋タイプともコントラストよく形成された。一方、送り方向Ｒの場合には、送り方向Ｌの場合と比較すると、ｓ−タイプの形成が未発達であった。
Ｃｕテープに入射角４５°、送り方向Ｌで形成した周期構造を図１１（ａ），図１１（ｂ）に示す。図１１（ａ），図１１（ｂ）は同一個所においてピント位置を変化させて撮影したもので、同位置にｓ−タイプとｓ＋タイプの周期構造が形成されているため、この送り方向Ｌでは、比較的ｓ−タイプの周期構造が明瞭に形成されており、ｓ＋タイプの周期構造の観察時にも、ｓ−タイプの周期構造がうっすらと確認できる。
Ｃｕテープに入射角４５°、送り方向Ｒで形成した周期構造を図１２（ａ），図１２（ｂ）に示す。この送り方向Ｒでも、２タイプの周期構造が形成されるが、ｓ−タイプの周期構造は途切れ勝ちになり、ｓ＋タイプの周期構造の観察時には、ｓ−タイプの周期構造がほとんど分からず、ｓ−タイプの周期構造は、送り方向Ｌの場合の方が形成され易いことが分かる。
Ｓｉ，Ｃｕテープにおける周期構造の周期と入射角の関係を、理論値とともに図１３に示す。
送り方向Ｌの場合に、周期ピッチの大きなｓ−タイプの周期構造が現われ易い原因は、次のように考えられる。すなわち、送り方向Ｌの場合、図１４（ａ）に示すように、ｓ−タイプの周期構造３１がまず平滑面に形成され、試料２が送られるとともに、ｓ＋タイプの周期構造３２が重なって形成されていくのに対して、送り方向Ｒの場合は、図１４（ｂ）に示すように、先に周期ピッチの狭いｓ＋タイプの周期構造３２が平滑面に形成されるために、ｓ−タイプの周期構造が現われ難くなる。
以上のように、Ｓｉ，ＣｕテープおよびＡｌテープに対して、直線偏光のフェムト秒レーザの照射により、加工閾値近傍のフルエンスで微細周期構造の作成を行なった結果、以下のことが確認された。
（１）Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｌはシリンドリカルレンズを用いて試料表面に一軸レーザを照射および走査することにより、広範囲に周期構造を作成することができる。
（２）周期構造は、入射角依存性を持ち、その周期の理論値はλ／（１±ｓｉｎθ）となる。
（３）周期構造は、走査方向依存性を持ち、送り方向Ｌのとき、ｓ−タイプの周期構造が現われ易い。
（４）周期構造は、同じメカニズムで形成されており、入射光と表面散乱光の干渉によって形成される。
なお、上記のＳｉ，ＣｕテープおよびＡｌテープ以外の試料についても、上記Ｓｉ，ＣｕテープおよびＡｌテープと同様に周期構造の作成が可能であった。
次に、本発明の材料表面処理方法について説明する。
前述のように、本発明によれば、材料表面にレーザを照射し、その照射光を走査することによって、周期構造が形成されるが、レーザの偏光方向をＹ方向にすれば、図１５（ａ）に示すように、Ｘ方向の周期構造８Ｘを形成することができるし、レーザの偏光方向をＸ方向にすれば、図１５（ｂ）に示すように、Ｙ方向の周期構造８Ｙを形成することができる。
また、前述のように、レーザの偏光方向を変更することによって、周期構造の方向を変更することができることに基づいて、例えば、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながらレーザをある方向に走査して、図１５（ａ）に示すように、一方向の周期構造８Ｘを形成した後、その周期構造８Ｘに重ね合わせて、材料表面と偏光方向の相対角度を変更して、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながらレーザを走査することによって、異なる方向の周期構造８Ｙを形成することにより、複数方向に重ね合わせたグレーティング構造８Ｚを形成することができる。
したがって、例えば、図１５（ｃ）に示すように、先の周期形成時と後の周期構造形成時における材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を９０°変更すれば、格子状の周期構造８Ｚを形成することができるし、先の周期構造形成時と後の周期構造形成時における材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を９０°以外の任意角度で変更すれば、斜格子状の周期構造を形成することができる。
また、例えば、図１５（ｄ）に示すように、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながらレーザをある方向に走査して、一方向の周期構造８Ｘを形成した後、その周期構造８Ｘに隣接して、または離隔させて、材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を変更して、加工閾値近傍のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながらレーザを走査することによって、先に形成した一方向の周期構造８Ｘに隣接して、または離隔して異なる方向に周期構造８Ｙを形成することができる。したがって、先の周期構造形成時と後の周期構造形成時における材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を９０°変更すれば、Ｘ方向の周期構造８ＸとＹ方向の周期構造８Ｙとを混在させて形成することができるし、先の周期構造形成時と後の周期構造形成時における材料表面とレーザの偏光方向の相対角度を９０°以外の任意角度で変更すれば、向きが異なった周期構造を混在させて形成することができる。
また、前述のように、レーザの偏光方向を変更することによって、周期構造の方向を変更することができることに基づいて、図１６に示すレーザ照射装置４０を用いて、図１５（ｃ）に示すような、複数方向に重ね合わされたグレーティング構造を一工程で形成することができる。図１６の周期構造形成装置４０は、チタンサファイアレーザ発生装置４１で発生したレーザＬ０を、ミラー４２で全反射させ、ハーフミラー４３で反射レーザＬ１と透過レーザＬ２とに分離し、反射レーザＬ１をミラー４４，４５で全反射させ、透過レーザＬ２に光学遅延４６を形成する。この光学遅延４６は、ミラー４７，４８を有する。双方のレーザＬ１，Ｌ２を偏光装置４９，５０によって所定方向に偏光させたレーザＬ３，Ｌ４を、ハーフミラー５１に供給し、このハーフミラー５１で前記の偏光されたレーザＬ３，Ｌ４を重ね合わせて、レンズ５２を通してＸ−Ｙテーブル５３に搭載された材料５４の表面に照射することで、偏光方向が異なる複数パルスの加工閾値近傍のレーザＬ３，Ｌ４を、材料５４の表面に所定の時間間隔で照射することができる。そして、その照射部分をオーバーラップさせながら走査することによって、自己組織的に、図１５（ｃ）に示すような、複数方向に重ね合わされた周期構造８Ｚを一度に形成することができる。
したがって、例えば、偏光方向が９０°異なる複数パルスの加工閾値近傍のレーザＬ３とＬ４とを所定の時間間隔で照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査することによって、自己組織的に図１５（ｃ）に示すような、Ｘ方向の周期構造８Ｘと９０°異なるＹ方向の周期構造８Ｙとを重ね合わせた格子状の周期構造８Ｚを一工程で形成することができる。また、偏光方向が９０°以外の任意角度異なる複数パルスの加工閾値近傍のレーザを所定の時間間隔で照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査することによって、自己組織的に９０°以外の任意角度で交差する斜格子状の周期構造を形成することができる。
次に、上記の周期構造形成による材料表面特性の変化について説明する。表面特性を変化させる材料として、厚さ寸法が５０μｍのＳｉを用いた。また、照射レーザとして、超短パルスのチタンサファイアレーザ、例えば、パルス幅１２０ｆｓ、中心波長８００ｎｍ、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー１００μＪ／ｐｕｌｓｅを、レーザエキスパンダで拡大し、さらにシリンドリカルレンズによって集光して、前記Ｓｉ表面に照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査速度０．２５ｍｍ／ｓで走査した。その結果、周期が０．７μｍで、深さが０．２μｍの周期構造が形成された。
上記の周期構造が形成されたＳｉ表面の微粒子（直径２０μｍのガラス粉）付着特性を、鏡面状のＳｉの微粒子付着特性とを比較すると、表１の結果が得られた。
【表１】
2004035255.tif 000005
上記表１に示すように、周期構造によって、Ｓｉ表面の微粒子付着抑制効果が得られることから、引き離し力が低減していることが明らかである。マイクロマシンでは、自身の重量が小さいために、引き離し力が摩擦力に支配的な影響を及ぼす。本発明により周期構造を形成することで、引き離し力を低減できるため、マイクロマシンの摩擦力を低減することが可能となる。また、摩擦力の低減により、摩耗を低減することが可能となる。
なお、本発明は、マイクロマシンに限らず、精密な自動車用エンジンのクランクシャフト、ピストンリングなどに適用すると、周期構造が潤滑剤の保持および補給機能を持つこと、および流体膜の負荷能力を生じること、磨耗粉のかみ込み防止機能を持つことにより、材料表面の摩擦、摩耗低減効果が得られる。
【実施例】  次に本発明の周期構造形成による摺動特性に及ばす影響について説明する。
図１７は、上記の各種周期構造を形成したディスク状試験片の摺動試験に用いた摺動試験装置６０の概略構成図を示す。この摺動試験装置６０は、基台６１に軸受６２を介して試験片支持部材６３を回転自在に支持し、この試験片支持部材６３の凹部に静止側試験片６４を支持している。また、基台６１に支柱６５を立設し、この支柱６５にロードセル６６を配置し、このロードセル６６にカンチレバー６７を介して、前記試験片支持部材６３の回転トルクが掛かるようになっている。さらに、前記静止側試験片６４に対して、回転側試験片６８が配置され、試験片支持部材６３の凹部には純水６９が収容されて、静止側試験片６４と回転側試験片６８との摺動面に、純水６９が介在されるようにしている。回転側試験片６８に荷重７０が負荷され、回転駆動源（図示省略）によって回転動作７１が可能になっている。
超硬合金よりなるディスク状の試験片に対して、図１８（ａ）〜図１８（ｄ）の種々のリング状の周期構造を形成した。図１８（ａ）は放射状の周期構造、図１８（ｂ）は同心円状の周期構造、図１８（ｃ）は第１スパイラル状の周期構造、図１８（ｄ）は第２スパイラル状の周期構造である。なお、図１８（ｃ）の第１スパイラル状の周期構造と、図１８（ｄ）第２のスパイラル状の周期構造とは、スパイラルの方向（角度）が異なっている。
回転側試験片６８には、ＳＵＳ４４０Ｃの焼き入れ材、静止側試験片６４には、超硬合金を使用した。各試験片の表面粗さはＲｍａｘ０．０５μｍ以下、オプチカルフラットによる平坦度が赤色ＬＥＤで１バンド以下のものを使用した。静止側試験片６４には、内径９．７５ｍｍ、外径１６．２５ｍｍのリング状の領域に、前述の４種類の周期構造を形成した。溝深さは約０．２μｍ、スパイラルの溝角度は半径に対して４５°とした。
一方、回転側試験片６８は、上記精度で鏡面仕上げされた内径１０ｍｍ、外径１６ｍｍのリング状のもの、および外径１６ｍｍのディスク形状のものを使用して、リング／ディスク試験と、スラスト軸受を想定したディスク／ディスク試験を行なった。なお、比較のため、鏡面試験片どうしでの試験も行なった。いずれの試験も、室温２３℃に保たれたクリーンブース（クラス１００相当）内で行い、各試験片は試験前にエタノールおよび純水による超音波洗浄を行なった。
荷重は１０Ｎで一定とし、摺動速度を１．２ｍ／ｓから０．１５ｍ／ｓまで１分ごとに段階的に減速させた。図１９は回転側試験片６８における摺動速度変化パターンを示す。ただし、摺動速度は、リング状周期構造およびリング／ディスク試験で使用した回転側試験片６８の平均直径１３ｍｍの位置での値である。このように、図１７の摺動試験装置６０において、回転側試験片６８の摺動速度（回転速度）を時間経過とともに低減していくことによって、静止側試験片６４と回転側試験片６８との摩擦係数の変化をより把握し易いように考慮している。
試験後、摺動トルクから摩擦係数μを次の式３で算出した。
【式３】
2004035255.tif 000006
ここで、Ｍは摺動トルク、Ｗは荷重である。また、ｒはリング状周期構造およびリング／ディスク試験で使用した回転試験片６８の平均半径である６．５ｍｍとした。ディスク／ディスク試験においてｒ＝６．５ｍｍとして式２を適用すると物理的な意味を失うが、リング／ディスク試験の結果と比較して、回転試験片６８の中央部分の影響が分かり易いように、敢えてｒ＝６．５ｍｍとして摩擦係数を算出した。
［試験結果］
（リング／ディスク試験）
図２０（ａ）は鏡面、図２０（ｂ）は放射状周期構造、図２０（ｃ）は同心円状周期構造、図２０（ｄ）は第１スパイラルの周期構造を形成した静止側片を用いた場合の試験結果を示す。
図２０（ａ）の鏡面の試験片の場合は、摺動開始直後から摩擦係数は急激に上昇した。図２０（ｂ）の放射状周期構造を形成した試験片を摺動させた場合は、鏡面の試験片と比較して大幅に摩擦系数が減少した。図２０（ｃ）の同心円状周期構造を形成した試験片を摺動させた場合は、明確な流体潤滑領域は見られない。図２０（ｄ）の第１スパイラルの周期構造を形成した試験片を摺動させた場合は、流体潤滑領域の範囲、混合潤滑時の馴染みの早さという観点からは、放射状周期構造の場合と同心円状周期構造の場合との中間の特性が見られる。なお、第２スパイラルの周期構造を形成した試験片を摺動させた場合は、摺動により純水を中心部から外周部へ排出するポンプ機能を持っているため、内径部分から純水がすべて排出された時点で、摩擦系数が０．５以上に急増した。
の摩耗粉排出能力を確認するため、荷重を通常試験時の１０倍となる１００Ｎとして摺動を行い、周期構造上に摩耗痕を形成し、その様子を観察した。図２１（ａ）は放射状周期構造、図２１（ｂ）は同心円状周期構造の様子を示す。放射状周期構造では、摩耗粉に埋めつくされているのに対し、同心円状周期構造では、燐片状の摩耗粒子が周期構造上に形成されてはいるが、溝部は摩耗粉に埋め尽くされることなく残存している。
図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、図２１（ａ）および図２１（ｂ）と同じ試験片において摩耗痕の生じていない部分の周期構造の様子を示す。図２２（ａ）の放射状周期構造の場合は、あまり摩耗粉は観察されないが、図２２（ｂ）の同心円状周期構造の場合は、１００ｎｍ程度の摩耗粉が多数付着している。このことから、放射状周期構造では、摩耗痕が発生した部分からほとんど摩耗分は移動していないが、同心円状周期構造の場合は、摩耗粉は溝部により流体とともに排出されていることが分かる。
（ディスク／ディスク試験）
図２３（ａ）は同心円状周期構造、図２３（ｂ）は放射状周期構造、図２３（ｃ）は第１スパイラルの周期構造の試験片における摩擦係数の変化を示す。各試験片の中央部分は鏡面どうしの摺動となるが、特に負荷能力を生じない同心円状の周期構造では、鏡面どうしの滑り摩擦が容易に発生するため、最も大きな摩擦係数を示した。
以上の周期構造を形成した試験結果から、次の結論が得られた。
（１）フェムト秒レーザにより自己組織的に形成されるサブミクロンの間隔と溝深さを持つ周期構造は、摩擦係数を大きく低減する機能がある。
（２）放射状の周期構造は、流体潤滑膜の付加能力を向上される機能を持ち、リング／ディスクの摺動試験では、最も広い条件範囲で流体潤滑領域を示す。
（３）同心円状周期構造は、摩耗粉の排出能力が大きく、摩耗粉の噛み込みが抑制されるため、リング／ディスクの摺動試験における混合潤滑領域では、最も低い摩擦係数が得られる。
（４）スパイラル状周期構造も流体潤滑膜の負荷能力を向上させる機能を持ち、ディスク／ディスクの摺動試験では、最も広い条件範囲で流体潤滑領域を示す。
【図１】
2004035255.tif 000007
【図２】
2004035255.tif 000008
2004035255.tif 000009
2004035255.tif 000010
【図５】
2004035255.tif 000011
【図６】
2004035255.tif 000012
【図７】
2004035255.tif 000013
2004035255.tif 000014
2004035255.tif 000015
【図１０】
2004035255.tif 000016
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2004035255.tif 000018
【図１３】
2004035255.tif 000019
2004035255.tif 000020
2004035255.tif 000021
【図１６】
2004035255.tif 000022
【図１７】
2004035255.tif 000023
2004035255.tif 000024
【図１９】
2004035255.tif 000025
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【国際調査報告】
2004035255.tif 000030
2004035255.tif 000031
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