(57)【要約】【課題】  微細周期性溝の溝間隔を高精度に観測及び加工観測できる微細周期性溝の観測方法と装置及び加工観測方法と装置を提供するものである。【解決手段】フェムト秒レーザ加工機で表面加工された微細周期性溝Ｍ１における溝間隔の観測に際して、微細周期性溝Ｍ１に垂直面方向又は任意な斜め方向に入射される測定用レーザの波長λと、上記測定用レーザの回折光Ｌ２の回折角度βと、上記回折角度の回折光をキャッチする受光器２０の測定次数ｍと、上記微細周期性溝Ｍ１の溝間隔ｄとの関係する理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλから求めた測定次数ｍに、受光器２０を配置して溝間隔ｄを視覚またはデータとして観測する微細周期性溝の観測方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒レーザ加工機等で表面加工された微細周期性溝の観測に際して、上記微細周期性溝に対して垂直面方向又は任意な斜め方向から入射される測定用レーザの入射角度αおよびその波長λと、上記測定用レーザの回折光の回折角度βと、上記回折角度の回折光をキャッチする受光器の測定次数ｍと、上記微細周期性溝の溝間隔ｄとの理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλから求めた測定次数ｍに、受光器を配置して溝間隔ｄを実測確認することを特徴とする微細周期性溝の観測方法。
【請求項２】
フェムト秒レーザ加工機等で表面加工された微細周期性溝の観測に際して、上記微細周期性溝に対して垂直面方向又は任意な斜め方向の入射角度αで照射するとともに特定の波長λの測定用レーザを発振する発振器と、上記測定用レーザ発振器から微細周期性溝に照射した測定用レーザの回折光の回折角度βの測定次数ｍに配置したレーザ受光器と、上記レーザ受光器からの受光情報を表示するモニタ機器または上記理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより微細周期性溝の溝間隔ｄを演算する演算処理器と、を具備したことを特徴とする微細周期性溝の観測装置。
【請求項３】
上記測定用レーザは、Ｈｅ−ＮｅレーザまたはＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等とし、回折角度βに対応する受光器の測定次数ｍは０次、１次、２次、３次等の測定次数としたことを特徴とする請求項１に記載の微細周期性溝の観測方法。
【請求項４】
上記測定用レーザは、Ｈｅ−ＮｅレーザまたはＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等とし、回折角度βに対応する受光器の測定次数ｍは０次、１次、２次、３次等の測定次数としたことを特徴とする請求項２に記載の微細周期性溝の観測装置。
【請求項５】
被加工ワークの表面にフェムト秒レーザ等を垂直照射又は任意な斜め方向から照射して微細周期性溝を加工すると同時に、上記フェムト秒レーザ等にハーフミラーで重ね合わせて上記微細周期性溝に対して垂直面方向又は任意な斜め方向から入射される測定用レーザの入射角度αおよびその波長λと、上記測定用レーザの回折光の回折角度βと、上記回折角度の回折光をキャッチする受光器の測定次数ｍと、上記微細周期性溝の溝間隔ｄとの理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλから求めた測定次数ｍに、受光器を配置して溝間隔ｄを実測確認することを特徴とする微細周期性溝の加工観測方法。
【請求項６】
被加工ワークの表面にフェムト秒レーザ等を垂直照射又は任意な斜め方向から照射して微細周期性溝を加工するレーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ等にハーフミラーで重ね合わせて上記微細周期性溝に対して垂直面方向又は任意な斜め方向の入射角度αで照射されるとともに特定の波長λの測定用レーザを発振する測定用レーザ発振器と、上記測定用レーザが微細周期性溝に照射されて反射する回折光の回折角度βの測定次数ｍに配置した受光用のファイバースコープと、上記ファイバースコープからの受光情報を表示するモニタ機器または上記理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより微細周期性溝の溝間隔ｄを演算する演算処理器と、を具備したことを特徴とする微細周期性溝の加工観測装置。
【請求項７】
上記測定用レーザは、Ｈｅ−ＮｅレーザまたはＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等とし、回折角度βに対応する受光器の測定次数ｍは０次、１次、２次、３次等の測定次数としたことを特徴とする請求項５に記載の微細周期性溝の加工観測方法。
【請求項８】
上記測定用レーザは、Ｈｅ−ＮｅレーザまたはＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等とし、回折角度βに対応する受光器の測定次数ｍは０次、１次、２次、３次等の測定次数としたことを特徴とする請求項６に記載の微細周期性溝の加工観測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばフェムト秒レーザ加工機で表面加工された微細周期性溝（ナノ周期構造の連続した周期性溝、不連続のディンプル加工溝）の観測方法と観測装置ならびに加工観測方法とその加工観測装置に係り、特に、微細周期性溝の溝間隔を高精度に観測及び加工観測できるようにしたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止策の最も重要課題として大気汚染の低減を図ることが掲げられている。特に、大気汚染を起している主原因に自動車が出す排気ガスにあることが知られており、国際的な協定が結ばれる中で自動車メーカは競って低公害車を開発している。その行き着くところは、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車等の開発と実用化による世界的普及が期待されている。このような状況の中で、自動車の燃費改善対策とエンジンの性能・耐久性の向上対策として、エンジンにおけるピストンとシリンダ間の摩擦低減、ベアリングの回転摩擦低減、ギアの噛合い摩擦の低減等の摩擦抵抗を極限まで減らすことが望まれている。上記エンジンの摺動部（摩擦面）又は回転部（転がり面）の表面の摩擦抵抗を極限まで減らす加工方法には、刃具の機械的な外力により表面に微細な凹凸筋の溝加工を施したり、フェムト秒レーザ加工機で微細周期性溝（ナノ周期構造の連続した周期性溝、不連続のディンプル加工溝）を施す技術が注目を集め旺盛に開発されている。上記微細周期性溝が正しく生成されているか・否か・を観測判定するには、走査型電子顕微鏡で観測するか、特別な観測装置が必要になるものの、現状において革新的な観測装置が提供されていない。他方、半導体製造分野においても、フェムト秒レーザを備えた半導体製造装置にて表面処理される半導体表面は、微細な凹凸状態に生成・加工される。このような微細な凹凸状態を測定する観測装置も必要になっている。  
【０００３】
上記フェムト秒レーザ加工機で加工した微細周期性溝の周期間隔（以下、溝間隔と言う）を走査型電子顕微鏡により観測するには、被写体の周期間隔を認識するための処理を行って計測、認識している。また、上記半導体表面の検査装置の一例を紹介すれば、実装回路基板等の被検査物表面を光走査し、その反射光に基づいて部品の形状不良等を検査するものである。その詳細構成は、複数の半導体レーザ素子１、２、３を時間差を設けてパルス発振させ、その光軸をわずかにずらしたレーザＬ１、Ｌ２、Ｌ３をポリゴンミラー５に入射し、光走査用ｆθレンズ系６を通して被検査物１０の表面１１に所定ピッチＡで光走査する。被検査物１０を光走査方向に対して直角方向に移動させながら、被検査物表面１１から反射するレーザＬ１ｒ、Ｌ２ｒ、Ｌ３ｒを光検出器１６ａ、１６ｂにより検出し、光検出器１６ａ、１６ｂが出力する電気信号を演算装置１７、１８で高さ信号に変換するものである（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−７７１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記走査型電子顕微鏡により微細周期性溝の周期間隔を観測するには、非常に高価な走査型電子顕微鏡を検査装置として設備しなければならないし、被写体の周期間隔を認識するための前処理を行って計測、認識しているから、実験室レベルでは良いにしても生産現場では最適な観測装置とは言えない。また、半導体表面の表面検査装置では、被検査対象物の形状は平板状の回路基板に限定されたものであるから、エンジンにおけるシリンダ内周面のような凹周面の表面検査、ピストンの外周表面検査には転用できない。その理由は、本願発明のように、フェムト秒レーザ加工機で表面加工された微細周期性溝（ナノ周期構造の連続した周期性溝、不連続のディンプル加工溝）の極小溝幅寸法（数百ｎｍ）の観測には適用できないという問題点のある技術である。
【０００６】
本発明の課題は、上記従来の走査型電子顕微鏡等が持つ問題点を解決するものである。そして、その目的は、特に、微細周期性溝（ナノ周期構造の連続した周期性溝、不連続のディンプル加工溝）の溝間隔を高精度に観測及び加工観測できるようにした新規な微細周期性溝の観測方法とその観測装置及び加工観測方法とその加工観測装置を提供するものである。更に付け加えるならば、本発明が目指す大目的は、各種産業機械類が持つ摺動摩擦抵抗の低減を図ることでエネルギロスの低減による省エネ効果や耐寿命効果に寄与する部品加工の技術開発を促進させることで、地球温暖化防止対策に大きく貢献するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１の微細周期性溝の観測方法は、フェムト秒レーザ加工機等で表面加工された微細周期性溝の観測に際して、上記微細周期性溝に対して垂直面方向又は任意な斜め方向から入射される測定用レーザの入射角度αおよびその波長λと、上記測定用レーザの回折光の回折角度βと、上記回折角度の回折光をキャッチする受光器の測定次数ｍと、上記微細周期性溝の溝間隔ｄとの理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλから求めた測定次数ｍに、受光器を配置して溝間隔ｄを実測確認することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の請求項２の微細周期性溝の観測装置は、フェムト秒レーザ加工機等で表面加工された微細周期性溝の観測に際して、上記微細周期性溝に対して垂直面方向又は任意な斜め方向の入射角度αで照射するとともに特定の波長λの測定用レーザを発振する発振器と、上記測定用レーザ発振器から微細周期性溝に照射した測定用レーザの回折光の回折角度βの測定次数ｍに配置したレーザ受光器と、上記レーザ受光器からの受光情報を表示するモニタ機器または上記理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより微細周期性溝の溝間隔ｄを演算する演算処理器と、を具備したことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の請求項３の微細周期性溝の観測方法は、請求項１に記載の微細周期性溝の観測方法において、上記測定用レーザは、Ｈｅ−ＮｅレーザまたはＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等とし、回折角度βに対応する受光器の測定次数ｍは０次、１次、２次、３次等の測定次数としたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の請求項４の微細周期性溝の観測装置は、請求項２に記載の微細周期性溝の観測装置において、上記測定用レーザは、Ｈｅ−ＮｅレーザまたはＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等とし、回折角度βに対応する受光器の測定次数ｍは０次、１次、２次、３次等の測定次数としたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の請求項５の微細周期性溝の加工観測方法は、被加工ワークの表面にフェムト秒レーザ等を垂直照射又は任意な斜め方向から照射して微細周期性溝を加工すると同時に、上記フェムト秒レーザ等にハーフミラーで重ね合わせて上記微細周期性溝に対して垂直面方向又は任意な斜め方向から入射される測定用レーザの入射角度αおよびその波長λと、上記測定用レーザの回折光の回折角度βと、上記回折角度の回折光をキャッチする受光器の測定次数ｍと、上記微細周期性溝の溝間隔ｄとの理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλから求めた測定次数ｍに、受光器を配置して溝間隔ｄを実測確認することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の請求項６の微細周期性溝の加工観測装置は、被加工ワークの表面にフェムト秒レーザ等を垂直照射又は任意な斜め方向から照射して微細周期性溝を加工するレーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ等にハーフミラーで重ね合わせて上記微細周期性溝に対して垂直面方向又は任意な斜め方向の入射角度αで照射されるとともに特定の波長λの測定用レーザを発振する測定用レーザ発振器と、上記測定用レーザが微細周期性溝に照射されて反射する回折光の回折角度βの測定次数ｍに配置した受光用のファイバースコープと、上記ファイバースコープからの受光情報をモニタ機器乃至は理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより微細周期性溝の溝間隔ｄを演算する演算処理器と、を具備したことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の請求項７の微細周期性溝の加工観測方法は、請求項５記載の微細周期性溝の加工観測方法において、上記測定用レーザは、Ｈｅ−ＮｅレーザまたはＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等とし、回折角度βに対応する受光器の測定次数ｍは０次、１次、２次、３次等の測定次数としたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の請求項８の微細周期性溝の加工観測装置は、請求項６記載の微細周期性溝の加工観測装置において、上記測定用レーザは、Ｈｅ−ＮｅレーザまたはＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等とし、回折角度βに対応する受光器の測定次数ｍは０次、１次、２次、３次等の測定次数としたことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の微細周期性溝の観測方法とその装置及び微細周期性溝の加工観測方法とその装置は上記構成要件からなり、以下のように作用する。第１に、上記微細周期性溝の観測方法によれば、フェムト秒レーザ加工機等で被加工ワークの表面に施された微細周期性溝の観測に際し、上記微細周期性溝に対して、垂直面方向又は任意な斜め方向の入射角度αから入射される測定用レーザの波長λと、上記測定用レーザの回折光の回折角度βと、上記回折角度の回折光をキャッチする受光器の測定次数ｍとの数値データを理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλに代入すれば、上記微細周期性溝の溝間隔ｄが計算される。この理論式の計算どおりの溝間隔ｄであるかは、測定次数ｍに配置した受光器の出力により容易に確認される。即ち、上記微細周期性溝の溝間隔が正しく生成されていれば、受光器から回折光の出力が得られるからである。これにより、例えば、自動車の燃費改善対策として、エンジンにおいて、シリンダ内周面やピストンリングの外周面に、上記微細周期性溝を加工してピストンとリンダ間の摩擦低減を図ったり、ベアリングの回転摩擦低減、ギアの噛合い摩擦の低減等の摩擦抵抗を極限まで減らすために施された微細周期性溝の溝間隔が正確に観測される。
【００１６】
第２に、上記微細周期性溝の観測装置によれば、フェムト秒レーザ加工機等で被加工ワークの表面に施された微細周期性溝の観測に際し、上記微細周期性溝に対して波長λの測定用レーザが発振器から垂直面方向又は任意な斜め方向の入射角度αから入射される。上記測定用レーザ発振器から微細周期性溝に照射した測定用レーザの回折光の回折角度βの測定次数ｍにはレーザ受光器が配置されており、上記レーザ受光器からの受光情報は、モニタ機器により視覚的に確認される。また、上記レーザ受光器からの受光情報は、演算処理器に収められた理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより微細周期性溝の溝間隔ｄが演算処理され、その処理内容が表示される。これにより、上記微細周期性溝の溝間隔が正しく生成されているか・否か・が的確に確認される。これにより、例えば、自動車の燃費改善対策として、エンジンにおいて、シリンダ内周面やピストンリングの外周面に、上記微細周期性溝を加工してピストンとリンダ間の摩擦低減を図ったり、ベアリングの回転摩擦低減、ギアの噛合い摩擦の低減等の摩擦抵抗を極限まで減らすために施された微細周期性溝の溝間隔が正確に観測される。
【００１７】
第３に、上記微細周期性溝の加工観測方法とその装置によれば、先ず、フェムト秒レーザを発振するレーザ発振器により、被加工ワークの表面にフェムト秒レーザが垂直面方向又は任意な斜め方向から照射して微細周期性溝が加工される。これと同時に、上記フェムト秒レーザに、測定用レーザ発振器から波長λの測定用レーザが発振されてハーフミラーで重ね合わされて微細周期性溝に垂直面方向又は任意な斜め方向の入射角度αで入射される。そして、上記測定用レーザは、上記微細周期性溝に照射されて反射し、この回折光が回折角度βの測定次数ｍに配置した受光用のファイバースコープにより受光される。上記ファイバースコープからの受光情報は、演算処理器に収められた理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより微細周期性溝の溝間隔ｄが演算処理され、その処理内容が表示される。これにより、上記被加工ワークの表面にフェムト秒レーザによる微細周期性溝を加工しながら微細周期性溝の溝間隔が正しく生成されているか・否か・が、同時に的確に確認される。これにより、微細周期性溝の溝間隔を監視しながらその監視情報により精密な加工寸法で生成されるようにフェムト秒レーザの出力をフィードバック制御することができ、予め希望したとおりの微細周期性溝が加工できるとともに観測・検査できる。しかして、例えば、自動車の燃費改善対策として、エンジンにおいて、シリンダ内周面やピストンリングの外周面に、上記微細周期性溝を加工してピストンとリンダ間の摩擦低減を図ったり、ベアリングの回転摩擦低減、ギアの噛合い摩擦の低減等の摩擦抵抗を極限まで減らすために施された微細周期性溝が超精密に生成される。
【００１８】
第４に、上記微細周期性溝の観測方法とその装置及び微細周期性溝の加工観測方法とその装置において、上記測定用レーザの波長λが０．６３２８μｍで可視光線のＨｅ−ＮｅレーザまたはＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等を採用したものであるから、加工用のフェムト秒レーザ等の波長によって定まる被加工ワーク表面の微細周期性溝の溝間隔ｄ（例えば、０.８μｍ〜１.６μｍ内の適宜波長）に対して、最適な観測が可能である。即ち、微細周期性溝の溝間隔ｄ（例えば、０.８μｍ〜１.６μｍ)に対して、極端に波長の短いレーザや波長の長いレーザでは、溝間隔の的確で鮮明な観測が不可能なことがある。また、Ｈｅ−ＮｅレーザやＧａＮ半導体レーザ等は、可視光線であることから、被加工ワーク表面の微細周期性溝への照射や回折光の状態を、測定者の視覚により直に観察できて観測装置の操作性が良いことから選択的に使用される。更に、測定用レーザの回折角度βに対応する受光器の測定次数ｍは、０次（垂直位置）、１次（垂直近い位置）、２次（垂直から僅か斜め位置）、３次（垂直から次第に大きな斜め位置）…等の適宜測定次数を採用することで、測定用レーザの回折光が的確に効率良く受光させられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の微細周期性溝の観測方法によれば、上記微細周期性溝に対して、垂直面方向又は任意な斜め方向の入射角度αで入射される測定用レーザの波長λ及び回折光の回折角度βと回折光をキャッチする受光器の測定次数ｍとの数値データを、理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλに代入することにより、上記微細周期性溝の溝間隔ｄが計算できる。また、測定次数ｍに配置した受光器の出力により微細周期性溝の生成状態が容易に確認できる。しかして、例えば、エンジンにおけるピストンとシリンダ間の摩擦低減、ベアリングの回転摩擦低減、ギア間の噛合い摩擦の低減等の摩擦抵抗を極限まで減らすために施された微細周期性溝の溝間隔が正確に観測できる。
【００２０】
本発明の微細周期性溝の観測装置によれば、微細周期性溝の寸法観測に際し、上記微細周期性溝に垂直面方向又は任意な斜め方向の入射角度αで照射される波長λの測定用レーザ発振器と、上記測定用レーザの回折光の回折角度βの測定次数ｍに配置したレーザ受光器と、上記レーザ受光器の受光情報を表示するモニタ機器と、受光情報を理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより微細周期性溝の溝間隔ｄを演算処理する演算処理器と、を備えたから、上記微細周期性溝の溝間隔が正しく生成されているか・否か・の観測方法が的確に実施できる。しかして、例えば、エンジンにおけるピストンとシリンダ間の摩擦低減、ベアリングの回転摩擦低減、ギアの噛合い摩擦の低減等の摩擦抵抗を極限まで減らすために施された微細周期性溝の溝間隔が正確に観測できる。
【００２１】
更に、上記微細周期性溝の加工観測方法とその装置は、加工用のフェムト秒レーザ等のレーザ発振器を備えたから、上記微細周期性溝の観測装置１００と同様な作用・効果が得られるほか、被加工ワークに微細周期性溝を加工しながら溝間隔の良・不良を同時に監視した監視情報によりフェムト秒レーザ等の出力がフィードバック制御でき、予め希望したとおりの微細周期性溝が加工できる。しかして、例えば、エンジン各部に施す微細周期性溝の加工工程とその微細周期性溝の良・不良を見極める検査工程とが同時に効率良く実施でき、生産性を飛躍的に向上できる。
【００２２】
更に、上記微細周期性溝の観測方法とその装置及び微細周期性溝の加工観測方法とその装置において、上記測定用レーザは、加工用のフェムト秒レーザの波長で定まる被加工ワーク表面の微細周期性溝の溝間隔ｄに対応して、最適波長（０．６３２８μｍ）のＨｅ−Ｎｅレーザやこの波長に近いＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等が選択的に使用される。これは、Ｈｅ−ＮｅレーザまたはＧａＮ半導体レーザまたはフェムト秒レーザ等が可視光線であることから、被加工ワーク表面の微細周期性溝への照射や回折光の状態を、測定者の視覚により直に観察でき観測装置の操作性が一段と向上できる。また、微細周期性溝の溝間隔ｄとの整合性も良好で鮮明な観測ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明による微細周期性溝の観測方法とその装置について、図面に示す第１の実施の形態により説明する。図１は微細周期性溝の観測方法を実施する構成図、図２は微細周期性溝の回折光拡大図、図３はＣＤの回折パターン図、図４〜図６は測定用レーザの回折光特性図と特性図表、図７は回折光のモニタ写真である。
【００２４】
はじめに、図１の構成図により、本発明の観測方法を実施するための微細周期性溝の観測装置１００を説明する。まず、被加工ワークＷの表面には、フェムト秒レーザによって加工された微細周期性溝（連続溝であり、溝間隔＝数百ｎｍ）Ｍ１…が予め施されている。勿論、ディンプル加工された凹状溝であっても良いし、他型式の加工用のレーザ発振器を使用して金属表面等に微細周期性溝Ｍ１を生成させる加工手段でも良い。上記微細周期性溝Ｍ１の表面には、測定用レーザ発振器１０からの測定用レーザＬ１（微細周期性溝Ｍ１の溝間隔ｄに合う最適波長λ＝０．６３２８μｍのＨｅ−Ｎｅレーザで、光束径＝数ｍｍ）が複数枚の反射ミラー１，２や集光レンズ３を経由して垂直面方向（入射角度α＝０°）に入射される。上記測定用レーザＬ１の回折光は、特定の回折角度βの方向に集光レンズ４を経由して受光器（例えばＣＣＤカメラ他）２０により受光される。上記受光器２０の配置位置となる測定次数ｍは、図２に示すように、大きな回折光量が得られる０次（垂直位置）ｍ＝０、１次（垂直近い位置）ｍ＝１、２次（垂直から僅か斜め位置）ｍ＝２、３次（垂直から次第に大きな斜め位置）ｍ＝３の適宜な測定次数に選択される。上記受光器２０の出力は、モニタ装置１とビデオカード１２を介して演算処理部となるコンピュータＰＣとに入力されている。上記基本構成により、微細周期性溝Ｍ１に照射する測定用レーザＬ１の回折光Ｌ２は、適正な測定次数ｍに配置した白紙２２に投影される。この回折光を受光器２０により効率良く受光し、微細周期性溝の生成状態がモニタ装置１１または演算処理部となるコンピュータＰＣにより確認される。勿論、上記モニタ装置１１と演算処理部となるコンピュータＰＣとは、両方を併設しても良いし、何れかの一方だけの設置としても良い。そして、白紙２２（図８に示す）は省略しても良いし、受光器２０（図８に示す受光器２０Ａ）は、任意な型式が使用できる。更に、上記Ｈｅ−Ｎｅレーザに替えて、このＨｅ−Ｎｅレーザに特性の似ているＧａＮ半導体レーザ、またはフェムト秒レーザ等を使用することも可能である。
【００２５】
続いて、本発明の微細周期性溝の観測方法を説明する。上記微細周期性溝の観測装置１００において、被加工ワークＷの表面にフェムト秒レーザ加工機等で加工された微細周期性溝Ｍ１の溝間隔ｄの観測に際して、上記微細周期性溝Ｍ１に対して垂直面方向又は任意な斜め方向の入射角度αで照射される測定用レーザＬ１の波長λと、上記測定用レーザＬ１の回折光の回折角度βと、上記回折角度の回折光をキャッチする受光器２０の測定次数ｍと、上記微細周期性溝Ｍ１の溝間隔ｄとの理論式は、ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλであることが知られている。上記理論式とこれを自動計算するソフトウエアは、観測装置１００内にインストールされている。本発明の微細周期性溝の観測方法は、上記理論式から溝間隔ｄに対する回折角度βと測定次数ｍ等を算出し、合理的な測定次数ｍに受光器２０を配置し、実際の溝間隔ｄを実測・確認する。以下、具体的に試験した実施例を説明する。
【実施例１】
【００２６】
図４と図５において、被加工ワークは、金属材料ＳＣＭ４１５、Ｓ４５Ｃであって、この表面に、微細周期性溝Ｍ１が予め加工されている。上記微細周期性溝Ｍ１には、測定用（観測用）のＨｅ−Ｎｅレーザが垂直面方向（入射角度α＝０°）に入射される。この測定用レーザＬ１の波長λ＝０．６３２８μｍとした時、図４の回折光特性図と、図５の特性図表が得られる。即ち、入射角度α＝０°における被加工ワークに予め表面処理された微細周期性溝Ｍ１の溝間隔ｄを、ｄ＝０．６μｍ、ｄ＝０．６３２８μｍ、ｄ＝０．７μｍ、ｄ＝０．８μｍ、ｄ＝１．０μｍ、ｄ＝１．６μｍ、ｄ＝１０μｍとした時の回折光の回折角度βと、回折光をキャッチする受光器２０の測定次数ｍとの関係は、上記理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλから、下記のように算出される。
ｄ＝０．６μｍにおいて、回折角度β＝解無し。
ｄ＝０．６３２８μｍにおいて、回折角度β＝０°（測定次数ｍ＝０）、回折角度β＝９０°（測定  次数ｍ＝１）。
ｄ＝０．７μｍにおいて、回折角度β＝±６４．７°（測定次数ｍ＝１）。
ｄ＝０．８μｍにおいて、回折角度β＝±５２．２°（測定次数ｍ＝１）。
ｄ＝１．０μｍにおいて、回折角度β＝±３９．３°（測定次数ｍ＝１）。
ｄ＝１０μｍにおいて、回折角度β＝±３．６°（測定次数ｍ＝１）。
ｄ＝１．６μｍにおいて、回折角度β＝±２３．３°（測定次数ｍ＝１）。のようになる。
上記計算結果（理論値）に基づき、各微細周期性溝Ｍ１の溝間隔ｄの形状確認は、各測定次数ｍに受光器２０を配置して観測を試みた。その観測の結果、各回折角度βに配置した受光器２０で回折光Ｌ２を受光することができた。この観測結果から、理論値と観測値とがほぼ一致することが明らかとなり、周期性溝の観測装置とその観測方法として十分に使用できる機能・性能を発揮することが証明された。
【００２７】
上記実施例１において、被加工ワークを音楽用ＣＤディスクとした場合について、観測した回折パターンを図３に説明する。
図３（ａ）は、ＣＤディスクの微細周期性溝Ｍ１を施した表面を示している。図３（ｂ）は、円で囲んだ特定場所における回折パターンの拡大図であり、測定次数として、ｍ＝０、ｍ＝１、ｍ＝２と、ｍ＝−１、ｍ＝−２の五箇所ある。この回折光は、図３（ｃ）に示すように、白紙Ｐに投影させられる。従って、五箇所の内の何れかに、受光器２０を配置すれば回折光を感知・観察することができる。上記音楽用ＣＤディスクの記録媒体となる表面は、完全な微細周期性溝Ｍ１ではなく、平坦面に不規則なディンプルが多数加工されて複列に刻まれた渦巻状を成し、あたかも、擬似的な周期性溝を形成しているかのように見える。この渦巻状の擬似的な周期性溝に測定用レーザＬ１を照射すると、回折光Ｌ２が得られる。上記回折光Ｌ２は、図７に示すように写真撮影された。この写真からも分かるように、測定次数ｍ＝１で、ひときわ明るい回折光を観測した。写真の中央部に見られる光の強い部分が、測定次数ｍ＝１次の回折光である。周りに見られるのは散乱光であり、照射される被加工ワークの形状によるノイズである。上記写真に映る中央付近の強い回折光を、その位置情報として抽出すれば、回折角度の情報が得られる。この回折角度の情報から周期性溝の間隔情報が得られる。以上のように、本発明の微細周期性溝の観測方法とその装置によれば、真直な微細周期性溝Ｍ１の観測は勿論のこと、例えば音楽用ＣＤディスクに見るように、渦巻状の擬似的な微細周期性溝（ディンプル溝）においても正確な観測が可能であることが立証された。
【実施例２】
【００２８】
図６に示す実施例２において、この実施例２の被加工ワークは、金属材料Ｓ４５Ｃであって、この表面に、微細周期性溝Ｍ１が予め加工されている。微細周期性溝Ｍ１に対して照射される測定用Ｈｅ−ＮｅレーザＬ１は、例えば入射角度α＝４５°とし、波長λ＝０．５４３５μｍとした時の理論値となる回折光特性図と回折光特性図表が、上記理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλから得られる。即ち、上記理論式において、被加工ワークに予め表面処理された微細周期性溝Ｍ１の溝間隔ｄを、ｄ＝０．３μｍ〜０．９μｍとした時の回折光の回折角度βと、回折光をキャッチする受光器２０の測定次数ｍとの関係を列記する。
ｄ＝０．３μｍにおいて、回折角度β＝４５°（測定次数ｍ＝０）、解なし（測定次数ｍ＝１）。
ｄ＝０．４μｍにおいて、回折角度β＝４５°（測定次数ｍ＝０）、回折角度β＝−４０．７°（測定次数ｍ＝１）。
ｄ＝０．５μｍにおいて、回折角度β＝４５°（測定次数ｍ＝０）、回折角度β＝−２２．３°（測定次数ｍ＝１）。
ｄ＝０．６μｍにおいて、回折角度β＝４５°（測定次数ｍ＝０）、回折角度β＝−１１．５°（測定次数ｍ＝１）。
ｄ＝０．７μｍにおいて、回折角度β＝４５°（測定次数ｍ＝０）、回折度β＝−４．０°（測定次数ｍ＝１）、回折角度β＝−５７．８°（測定次数ｍ＝２）。
ｄ＝０．８μｍにおいて、回折角度β＝４５°（測定次数ｍ＝０）、回折角度β＝１．６°（測定次数ｍ＝１）、回折角度β＝−４０．７°（測定次数ｍ＝２）。
ｄ＝０．９μｍにおいて、回折角度β＝４５°（測定次数ｍ＝０）、回折角度β＝５．９°（測定次数ｍ＝１）、回折角度β＝−３０．１°（測定次数ｍ＝２）。のようになった。
上記計算結果（理論値）に基づき、各微細周期性溝Ｍ１の溝間隔ｄの形状確認は、各測定次数ｍに受光器２０を配置して観測を試みた。その観測の結果、各回折角度βに配置した受光器２０で回折光Ｌ２を受光することができた。この観測結果から、理論値と観測値とがほぼ一致することが明らかとなり、周期性溝の観測装置とその観測方法として十分に使用できる機能・性能を発揮することが証明された。また、上記観測装置は、その構成に必要とする部品が少なく、生産現場で使用される実用装置として考察するに、走査型電子顕微鏡に比べて低廉である上に高い観測性能が得られる価値を有する。
【００２９】
以上のように、本発明の第１の実施の形態となる微細周期性溝の観測方法とその装置によれば、下記のような効果が発揮される。まず、微細周期性溝Ｍ１の観測方法によれば、上記微細周期性溝に所定の入射角度αで入射される測定用レーザの波長λと、この回折光の回折角度βと、回折光をキャッチする受光器の測定次数ｍと、微細周期性溝の溝間隔ｄとは、理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより各々の関係が明確化されるから、予め予測される測定次数に配置した受光器で微細周期性溝の生成状態が確実に確認できる。これにより、例えば、エンジンのシリンダやピストンリング、ベアリング等の各部に施された微細周期性溝の良・不良判定は、ダイレクトに微細周期性溝からの回折光を観測して判定できる。
【００３０】
また、微細周期性溝の観測装置１００によれば、微細周期性溝の溝観測に際し、上記微細周期性溝に入射角度αで照射する波長λの測定用レーザ発振器１０と、上記測定用レーザＬ１の回折光の回折角度βの測定次数ｍに配置したレーザ受光器２０と、上記レーザ受光器の受光情報を表示するモニタ機器１１と、受光情報を理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより微細周期性溝の溝間隔ｄを演算処理する演算処理器ＰＣと、を備えたから、上記微細周期性溝の良・不良を見極める観測方法が的確に実施できる。しかして、本観測装置１００によれば理論値と観測値とがほぼ一致することから、生産現場での実用装置としての価値が発揮できる。
【００３１】
更に、上記測定用レーザＬ１は、加工用のフェムト秒レーザＬＯの波長で定まる微細周期性溝の溝間隔ｄに対応したＨｅ−Ｎｅレーザを選択的に使用し、この回折角度βに対応する受光器は、その測定次数ｍを０次（垂直位置）、１次（垂直近い位置）、２次（垂直から僅か斜め位置）、３次（垂直から次第に大きな斜め位置）の中から選択した測定位置に配置することで、測定用レーザの回折光を的確に効率良く受光でき、微細周期性溝の生成状態や良・不良が容易に確認できる。更に、詳述すれば、上記測定用レーザは、例えば、波長λ＝０．６３２８μｍの可視光線のＨｅ−Ｎｅレーザを採用すれば、加工用のフェムト秒レーザの波長によって定まる被加工ワーク表面の微細周期性溝の溝間隔ｄ（例えば、０.６μｍ〜１.６μｍ内の適宜波長）に対して、最適な観測が鮮明にダイレクトにできる。即ち、上記以外のレーザでは、微細周期性溝の溝間隔ｄ（例えば、０.６μｍ〜１.６μｍ)に対して、極端に波長が短いか・長くなり、溝間隔の鮮明な観測が不可能となる。
【００３２】
本発明は、上記第１の実施の形態の微細周期性溝の観測装置１００に限定されない。図８に示す第２の実施の形態の微細周期性溝の加工観測装置２００とこの装置による加工観測方法は、上記微細周期性溝の観測装置１００において、測定用レーザ発振器１０の他、加工用のフェムト秒レーザの発振器３０とを併設したものである。勿論、他の型式の加工用のレーザ発振器を使用しても良い。これら二つの発振器１０，３０からのレーザＬＯ，Ｌ１を導き入れ、測定用レーザＬ１の回折光Ｌ２を感知する受光器を一つの観測ヘッド４０内に設け、加工と観測とを同時に行うようにしたものである。その観測ヘッド４０の構成は、被加工ワーク（例えば、エンジンのシリンダ）Ｗの表面にフェムト秒レーザＬＯを垂直照射（入射角度α＝０°）して微細周期性溝Ｍ１を加工するレーザ発振器３０と、上記フェムト秒レーザにハーフミラー２１で重ね合わせて上記微細周期性溝に垂直入射（入射角度α＝０°）させる波長λの測定用レーザＬ１を発振する測定用レーザ発振器１０と、上記測定用レーザＬ１が微細周期性溝Ｍ１に照射され、この跳ね返る回折光Ｌ２の回折角度βの測定次数ｍに白板（白紙）２２を配置している。この白板２２に投影される回折光を検出する受光用のファイバースコープ２０Ａとからなる。勿論、回折光Ｌ２を直接的に受光用のファイバースコープ２０Ａで感知するような構成としても良い。上記ファイバースコープ２０Ａからの受光情報は、モニタ機器１１または理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより微細周期性溝Ｍ１の溝間隔ｄ他を演算処理する演算処理器を備えたコンピュータＰＣに繋がれている。尚、上記第２の実施の形態において、白板（白紙）２２は、観測ヘッド４０の先端内に一体構成として配置されている。また、被加工ワークＷの表面に対して、フェムト秒レーザＬＯを任意な斜め方向に照射させる構成を採っても良く、この回析光Ｌ２を効率良く映し出すために白板２２とファイバースコープ２０Ａとの配置が適宜に変更される。
【００３３】
上記構成からなる微細周期性溝の加工観測装置２００とこの方法によると、まず、被加工ワークＷの表面にフェムト秒レーザＬＯを垂直照射して微細周期性溝Ｍ１が加工される。これと同時に、上記フェムト秒レーザＬＯに、測定用レーザ発振器１０から波長λの測定用レーザＬ１が発振されてハーフミラー２１で重ね合わされて微細周期性溝Ｍ１に垂直入射（入射角度α＝０°）される。これにより、上記測定用レーザＬ１は、上記微細周期性溝に照射すると反射し、この回折光Ｌ２が回折角度βの測定次数ｍに配置した白板２２に回折光として投影される。この回折光は受光用のファイバースコープ２０Ａに受光される。上記ファイバースコープ２０Ａに受光した受光情報は、モニタ機器１１で直接的に回折光として観測することができる。また、上記ファイバースコープ２０Ａからの受光情報は、演算処理器の機能を持つコンピュータＰＣに収められた理論式ｄ（sinα±sinβ）＝ｍλにより、微細周期性溝の溝間隔ｄが演算処理され、その処理内容が表示される。これにより、上記被加工ワークＷのシリンダ表面にフェムト秒レーザによる微細周期性溝を加工しながらこの微細周期性溝の溝間隔が正しく生成されているか・否かが、同時に確認される。即ち、微細周期性溝は、その溝間隔を監視されながらの監視情報により精密な加工寸法で生成されるようにフェムト秒レーザの出力がフィードバック制御される。これにより、予め希望したとおりの微細周期性溝が加工できるとともに観測・検査できる。
【００３４】
上記微細周期性溝Ｍ１の加工用として、フェムト秒レーザＬＯを採用した有効性を列記する。まず、フェムト秒レーザによる加工は、アブレーション効果によりバリ等の少ない綺麗な形状の微細加工が可能なこと。透明材料も加工できること。ナノサイズの周期性のある微細な溝やディンプルが加工できること。この溝は、レーザのスポット径に依存するものではなく、レーザ波長やフルーエンスによること。上記溝の深さは、２００ｎｍ程度、溝間隔はレーザ波長と同程度から約半分程度の幅が加工される。このような周期性溝やディンプルの摩擦低減を使い様々な部品加工への応用が可能である。しかして、例えば、自動車の燃費改善対策として、エンジンにおけるシリンダとピストンリング及びベアリング、ギア等に微細周期性溝Ｍ１を生成しながら観測することで、ピストンとシリンダ間の摩擦低減、ベアリングの回転摩擦低減、ギアの噛合い摩擦の低減等の摩擦抵抗を極限まで減らすために施される微細周期性溝の加工とその観測がリアルタイムに正確に行われる。
【００３５】
上記第２の実施の形態の微細周期性溝の加工観測装置２００とこの方法による効果は、上記微細周期性溝の観測装置１００にフェムト秒レーザ等のレーザ発振器３０を備えたから、上記微細周期性溝の観測装置１００と同様な作用・効果が得られるほか、被加工ワークに微細周期性溝を加工しながら溝間隔の良・不良を同時に監視した監視情報によりフェムト秒レーザの出力等がフィードバック制御でき、予め希望したとおりの微細周期性溝が加工できる。しかして、例えば、エンジン各部に施す微細周期性溝の加工工程と、その微細周期性溝の良・不良を見極める検査工程とが同時に効率良く実施でき、生産性を飛躍的に向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の微細周期性溝の観測方法とその装置、微細周期性溝の加工観測方法とその加工観測装置は、上記各実施例に示す、自動車エンジンにおけるシリンダとピストンリング及びベアリング、ギア等の被検査物を対象とするエンジン内部のトライボロジー効果に限定されない。従って、表面に微細周期性溝が生成される全ての産業分野の被加工ワークが幅広くその対象になり得る。従って、本発明が目指す大目的は、各種産業機械類が持つ摺動摩擦抵抗の低減を図ることでエネルギロスの低減による省エネ効果や耐寿命効果に寄与する部品加工の技術開発を促進させることで、地球温暖化防止対策に大きく貢献するものである。更に、本発明を構成する微細周期性溝の観測方法とその装置及び微細周期性溝の加工観測方法とその加工観測装置において、発明の要旨内での各構成部材の設計変更や構成部材を他部材との変更や置換も自由に行え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、微細周期性溝の観測方法を実施する構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示し、微細周期性溝の回折光拡大図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示し、ＣＤの回折パターン図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態を示し、微細周期性溝に照射した測定用レーザの回折光特性図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を示し、微細周期性溝に照射した測定用レーザの特性図表である。
【図６】本発明の第１の実施の形態を示し、微細周期性溝に照射した測定用レーザの回折光特性図表である。
【図７】本発明の第１の実施の形態を示し、微細周期性溝に照射した回折光のモニタ写真である。
【図８】本発明の第２の実施の形態を示し、微細周期性溝の加工観測装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１，２              反射ミラー                          
３，４              集光レンズ
１０                測定用レーザ発振器
１１                モニタ装置
１２                ビデオカード                
２０                受光器
２０Ａ              ファイバースコープ
２１                ハーフミラー
２２                白板（白紙）
３０                フェムト秒レーザの発振器
４０                観測ヘッド
１００              微細周期性溝の観測装置
２００              微細周期性溝の加工観測装置
ｄ                  溝間隔
ＬＯ                フェムト秒レーザ
Ｌ１                測定用レーザ
Ｌ２                回折光
Ｍ１                微細周期性溝
ｍ                  測定次数
ＰＣ                コンピュータ（演算処理部）
α                  入射角度
β                  回折角度
Ｗ                  被加工ワーク（シリンダ）
λ                  測定用レーザの波長
【図１】
2007309710.tif 000003
【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】
2007309710.tif 000009
【図８】
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