(57)【要約】【課題】方向性がなく、ナノサイズからマイクロサイズまで加工サイズを簡単に制御でき、マイクロアクチュエーター等の微小サイズの摺動部表面にも簡単に加工することができる摺動面の摩擦低減加工方法。【解決手段】機械的な摺動面の摩擦を低減させるために２次元的に略一定間隔で微細な穴を多数形成する摺動面の摩擦低減加工方法において、被加工基板２の表面に集光作用を有する微細透明球１の単層を配列させる工程と、前記工程で単層配列された微細透明球１の上からフェムト秒レーザーからのレーザー光を被加工基板２のアブレーション閾値以下又は閾値近傍のエネルギー密度で照射する工程とを備える加工方法。【選択図】図１
2007190604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的な摺動面の摩擦を低減させるために２次元的に略一定間隔で微細な穴を多数形成する摺動面の摩擦低減加工方法において、被加工基板の表面に集光作用を有する微細透明球の単層を配列させる工程と、前記工程で単層配列された微細透明球の上からフェムト秒レーザーからのレーザー光を前記被加工基板のアブレーション閾値以下又は閾値近傍のエネルギー密度で照射する工程とを備えることを特徴とする摺動面の摩擦低減加工方法。
【請求項２】
被加工基板の表面に集光作用をする微細透明球の単層を配列させる工程において、微細透明球を分散した微粒子分散液中に被加工基板を浸漬させ、引き上げ速度を制御しながら被加工基板を引き上げることで、被加工基板の表面に微細透明球の単層を配列させるようにすることを特徴とする請求項１記載の摺動面の摩擦低減加工方法。
【請求項３】
被加工基板の表面に集光作用をする微細透明球の単層を配列させる工程において、ＬＢ法で被加工基板の表面に微細透明球の単層を配列させるようにすることを特徴とする請求項１記載の摺動面の摩擦低減加工方法。
【請求項４】
被加工基板の表面に集光作用をする微細透明球の単層を配列させる工程において、被加工基板の表面に微細透明球を分散した分散液を塗布することにより被加工基板の表面に微細透明球の単層を配列させるようにすることを特徴とする請求項１記載の摺動面の摩擦低減加工方法。
【請求項５】
被加工基板の表面に集光作用をする微細透明球の単層を配列させる工程において、被加工基板の表面に微細透明球のパウダーを散布することで被加工基板の表面に微細透明球の単層を配列させるようにすることを特徴とする請求項１記載の摺動面の摩擦低減加工方法。
【請求項６】
被加工基板の表面に集光作用をする微細透明球の単層を配列させる工程において、被加工基板の表面に微細透明球を密に単層配置することを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の記載の摺動面の摩擦低減加工方法。
【請求項７】
機械的な摺動面の摩擦を低減させるために２次元的に略一定間隔で微細な穴を多数形成する摺動面の摩擦低減加工方法において、被加工基板の表面に集光作用を有するマイクロレンズの２次元アレイを配置する工程と、前記工程で配置されたマイクロレンズの２次元アレイにフェムト秒レーザーからのレーザー光を前記被加工基板のアブレーション閾値以下又は閾値近傍のエネルギー密度で照射する工程とを備えることを特徴とする摺動面の摩擦低減加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動面の摩擦低減加工方法に関し、特に、レーザーマイクロプロセシングにより微細な穴を基板表面に作製し、その加工された基板表面を摩擦低減した機械部品の摺動面とする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械部品の摺動部の摩擦に起因する伝達エネルギー損失は多大なため、摺動部における摩擦の低減技術が重要である。摩擦低減技術の一つとして、摺動部表面に無数の穴（マイクロディンプル）を作製する方法がある。マイクロディンプルは、レーザー加工によって作製されているものが多く、その形は潤滑油が溜まるような構造をしている。その穴サイズ（直径）は、何れもφ数μｍ〜サブｍｍ程度である。これらの油溜りは、次のような効果があると考えられている。摩耗によって排出されたデブリ（磨耗片、磨耗屑）を油溜りがトラップすることで、デブリによる摩耗を低減する。また、それ自身が潤滑剤を供給する役割を果している。このようにマイクロディンプルを摺動部表面（摺動面）に作製する技術によって、摩擦係数を数分の１に低減することが達成されている。
【０００３】
一般的な摺動部では、油溜りやデブリのトラップとして働くため、動摩擦係数を減少させ、物質表面間の流体圧力により負荷能力を向上させる。一方、マイクロサイズの微小デバイスでは、サイズ効果により物質の重さよりもファンデルワールス力や毛細管力のような物質表面同士の引力が支配的となる。この表面間力の効果は、表面を荒らすことによって下げることができる。
【０００４】
従来の摺動部における摩擦低減技術は、油溜りのサイズ（φ数μｍ〜サブｍｍ程度）から見て、一般的なサイズの摺動部の摩擦低減に限られており、マイクロアクチュエーター（数十〜数百μｍ）等には適用できない。
【０００５】
他方、特許文献１や非特許文献１に記載の方法では、フェムト秒レーザー光を基板表面に入射させ、入射光と表面散乱光との間で干渉させてサブμｍ程度の周期的な溝の油溜りを作製しているが、加工サイズの精密な制御性に欠ける。また、形状が溝状なので、加工された溝の方向によって潤滑剤の流れが異なり摩擦係数が増減している。
【特許文献１】特開２００４−３６００１１号公報
【特許文献２】特開平８−１５５３７８号公報
【非特許文献１】精密工学会誌Ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．４，ｐｐ．５５４〜５５８（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、方向性がなく、ナノサイズからマイクロサイズまで加工サイズを簡単に制御でき、マイクロアクチュエーター等の微小サイズの摺動部表面にも簡単に加工することができる摺動面の摩擦低減加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の摺動面の摩擦低減加工方法は、機械的な摺動面の摩擦を低減させるために２次元的に略一定間隔で微細な穴を多数形成する摺動面の摩擦低減加工方法において、被加工基板の表面に集光作用を有する微細透明球の単層を配列させる工程と、前記工程で単層配列された微細透明球の上からフェムト秒レーザーからのレーザー光を前記被加工基板のアブレーション閾値以下又は閾値近傍のエネルギー密度で照射する工程とを備えることを特徴とする方法である。
【０００８】
この場合に、被加工基板の表面に集光作用をする微細透明球の単層を配列させる工程において、微細透明球を分散した微粒子分散液中に被加工基板を浸漬させ、引き上げ速度を制御しながら被加工基板を引き上げることで、被加工基板の表面に微細透明球の単層を配列させるようにしても、あるいは、ＬＢ法で被加工基板の表面に微細透明球の単層を配列させるようにしても、あるいは、被加工基板の表面に微細透明球を分散した分散液を塗布することにより被加工基板の表面に微細透明球の単層を配列させるようにしても、あるいは、被加工基板の表面に微細透明球のパウダーを散布することで被加工基板の表面に微細透明球の単層を配列させるようにしてもよい。
【０００９】
なお、被加工基板の表面に集光作用をする微細透明球の単層を配列させる工程において、被加工基板の表面に微細透明球を密に単層配置することが望ましい。
【００１０】
本発明のもう１つの摺動面の摩擦低減加工方法は、機械的な摺動面の摩擦を低減させるために２次元的に略一定間隔で微細な穴を多数形成する摺動面の摩擦低減加工方法において、被加工基板の表面に集光作用を有するマイクロレンズの２次元アレイを配置する工程と、前記工程で配置されたマイクロレンズの２次元アレイにフェムト秒レーザーからのレーザー光を前記被加工基板のアブレーション閾値以下又は閾値近傍のエネルギー密度で照射する工程とを備えることを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【００１１】
以上の本発明の摺動面の摩擦低減加工方法によると、方向性がなく、レーザー光のエネルギー、あるいは、微細透明球のサイズを変えるだけで、加工サイズをナノサイズからマイクロサイズまで簡単に制御できる。この技術により、マイクロアクチュエーターのような微小サイズの摺動部表面にも簡単にディンプルを作製することが可能であり、一般的なサイズの摺動部とマイクロアクチュエーター等の微小な摺動部との両者の摩擦低減を可能にすることができる。さらに、表面間力の効果も減らすことが期待できる（ＭＥＭＳ等は半導体プロセスを用いて作製するため、予め使用する基板表面にナノサイズあるいはサブマイクロサイズのディンプルを加工しておけばよい。）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、フェムト秒レーザー光を用いた加工の特長である非熱的な加工を利用して、基板表面にサブμｍサイズのディンプルを施して摩擦低減を図る方法である。すなわち、摺動部表面にフェムト秒レーザー光をマイクロレンズにより集光させてサブμｍサイズの油溜りを無数に作製するもので、その作用は、油溜りを作製していない摺動部表面に比べて摩擦係数が低くなるものである。
【００１３】
以下に、図面を参照にして本発明の摩擦低減加工方法の実施例を説明する。
【００１４】
図１は本発明の摩擦低減加工方法の第１工程を示す斜視図であり、洗浄した被加工基板（例えば、Ｓｉ基板）２の表面に、直径がサブμｍの均一な径の微細透明球（例えば、ポリスチレン球）１を単層に配置する。微細透明球１を密に単層配置すると、六方格子配列になる。このように微細透明球１を被加工基板２上に単層配列させる方法としては、特許文献２で知られているように、微粒子（この場合は、微細透明球１）を分散した微粒子分散液中に基板（この場合は、被加工基板２）を浸漬させ、引き上げ速度を制御しながら基板を引き上げることで、単層状に密に微粒子（微細透明球１）を配列させることができる。
【００１５】
その他の公知の種々の方法で微細透明球１を被加工基板２上に単層配列させることができる。例えばＬＢ（ラングミュア−ブロジェット）法を利用して液面に微細透明球１を単層になるように浮かべ、それを基板に付着させるように引き上げることで被加工基板２上に単層配列させることもできるし、微細透明球１を分散した分散液をスピンコート法等で塗布することにより微細透明球１を被加工基板２上に単層配列させてもよい。あるいは、分散液を用いないで微細透明球１のパウダーを散布することで配列させてもよい。もちろん、微細透明球１は密に単層配置する必要は必ずしもなく、所定の密度で粗に配置するようにしてもよい。さらには、相互に配列された微細透明球１を用いる代わりに、直径がサブμｍ程度のマイクロレンズの２次元アレイを用いてもよい。
【００１６】
次いで、第２工程として、図２に示すように、単層配列された微細透明球１の上からフェムト秒レーザー光を照射する。図２中では、そのフェムト秒レーザー光照射領域を符号３で示す。なお、図２では、被加工基板２の図示は省いてある。
【００１７】
ここで、微細透明球１上に照射するフェムト秒レーザー光の強さは被加工基板２のアブレーション閾値以下又は閾値近傍のエネルギー密度とする。被加工基板２がＳｉ基板の場合、０．２Ｊ／ｃｍ2 程度以下である。また、フェムト秒レーザーとしては、パルス幅が２ｐ秒以下のものが使用できる。
【００１８】
以上のようなレーザー光の照射により、図３の模式図に示すように、被加工基板２の表面には、微細透明球１の真下にサブμｍサイズの穴４が形成される。穴４が形成される原理は、微細透明球１が集光レンズの働きをして、アブレーション閾値以下又は閾値近傍のエネルギーのフェムト秒レーザー光が集光されて強度が増強され、アブレーション閾値以上のエネルギー密度になって被加工基板２の微細透明球１の背後の表面領域をアブレーション（蒸散）により非熱的な加工をすることである。このように、単層配列された微細透明球１の各々の微細透明球１が集光レンズの働きをするため、レーザーアブレーション閾値以下又は閾値近傍の光強度のフェムト秒レーザー光の照射で、微細透明球１の真下のみを加工することができる。
【００１９】
この加工された穴４のサイズ（直径）は、照射レーザー光強度によって制御できるため、穴径サイズの制御性に優れている。さらに、微細透明球１の直径、又は、その配置間隔を選択することにより、穴径、２次元配列の周期を制御することができる。また、フェムト秒レーザー光によるアブレーションで被加工基板２の表面を加工する場合、非熱的な加工であるため、被加工基板２の物性が変化せず、その点でも利点がある。
【００２０】
図４は、Ｓｉ基板の表面にポリスチレン球を特許文献２で知られた方法で２次元状に六方格子配列させ、その中心部にフェムト秒レーザー光を上記のような条件で照射した場合に形成された微小穴を示す図であり、左右両端部の白い玉がポリスチレン球である。
【００２１】
図４の例では、Ｓｉ基板の表面粗さは１ｎｍ程度と扱いやすいためにＳｉ基板を使用したが、金属、半導体、誘電体、合金、セラミックス等の基板表面にも微粒子を単層配列して加工することができる。このように作製したディンプル（穴）は、潤滑剤を溜める役割や磨耗等のデブリをトラップする役割を果たす。図５に摩擦実験前のＳｉ基板表面のディンプルの様子を示す。図６に摩擦実験後の同一基板のディンプルの様子を示す。図５と図６の比較から、デブリがディンプル中にトラップされているのが分かる。
【００２２】
上記の方法で作製した穴付き基板２の摩擦測定を行うために、ディスクオン−ディスク測定を採用した。このとき、基板２への負荷は４．５ｇ／ｍｍ2 、回転速度は４２０ｒｐｍ、潤滑剤として純水を使用した。そのときの摩擦係数と測定時間の関係を図７に示す。サブμｍサイズのディンプル４を作成した基板２の摩擦係数は、加工していない基板と比較して減少している。図７の摩擦係数の高い例が加工していない基板で、摩擦係数が低い方がサブμｍサイズのディンプル４を加工した基板２である。それぞれ表面粗さ（ｒｍｓ：粗さの実効値；root mean square）は、それぞれ３００ｎｍ、１ｎｍとなっている。加工していない基板の表面粗さを３００ｎｍとしたのは、加工した基板２の１ｎｍと同じにすると、他方の基板に密着して摺動しなくなるためである。なお、図７中のｒｍｓは、加工したディンプル４を含めた全体の表面粗さを示す。図７より、加工した基板２の摩擦係数は約１／３に減少していることが分かる。また、摩擦係数のぶれも少ないのは、サブμｍサイズのディンプル４が摩擦で生成されたデブリをトラップしていることによる（図６）。
【００２３】
以上のように、本発明の加工方法により、基板の摺動面に微小なディンプルを作製することにより、摺動部の摩擦を低減することができることが分かる。
【００２４】
ところで、本発明の方法で作製することができるディンプル４のピッチと寸法としては、液浸系等の各種超解像の技術と併用することにより、２０ｎｍ以上が可能である。
【００２５】
なお、微細透明球１としては、ポリスチレン球に限定されずＳｉＯ2 の微細球等他の透明材料からなるものでよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の摩擦低減加工方法の第１工程を示す斜視図である。
【図２】本発明の摩擦低減加工方法の第２工程を示す斜視図である。
【図３】被加工基板の表面に形成されたディンプル（穴）を模式的に示す斜視図である。
【図４】Ｓｉ基板の表面にポリスチレン球を２次元状に六方格子配列させ、その中心部にフェムト秒レーザー光を照射した場合に形成された微小穴を示す図である。
【図５】摩擦実験前のＳｉ基板表面のディンプルの様子を示す図である。
【図６】摩擦実験後のＳｉ基板表面のディンプルの様子を示す図である。
【図７】１つの摩擦測定例における摩擦係数と測定時間の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…微細透明球
２…被加工基板
３…フェムト秒レーザー光照射領域
４…ディンプル（穴）
【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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