(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記ホモジナイザーの前側に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記集光レンズの前側に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記フェムト秒レーザの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を回転駆動させるとともに三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするレーザ加工機の多機能加工制御装置。
【請求項２】
フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠的に照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/ ２板と、上記λ/ ２板の前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記第二回転筒体筒の先端に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記第二回転筒体の回転１回転に対して上記第一回転筒体を１／２回転させる回転駆動手段と、上記フェムト秒レーザの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするレーザ加工機の多機能加工制御装置。
【請求項３】
フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠的に照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/ ２板と、上記λ/ ２板の前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記第二回転筒体筒の先端に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記第二回転筒体の第二旋回モータによる回転１回転に対して上記第一回転筒体を第一旋回モータにより１／２回転前後に加減速回転させる回転駆動手段と、上記反射ミラーの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするレーザ加工機の多機能加工制御装置。
【請求項４】
フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠的に照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/ ４板と、上記λ/ ４板の前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記第二回転筒体筒の先端に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記第二回転筒体の回転１回転に対して上記第一回転筒体を１／２回転させる回転駆動手段と、上記フェムト秒レーザの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするレーザ加工機の多機能加工制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェムト秒レーザ加工機にて丸棒体・筒体・多角体等の円筒ワークの外周面又は内周面に周期構造体を加工するレーザ加工機の多機能加工制御装置に係り、特に、各種形状のワーク表面に各種模様パターンを加工制御できるようにしたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フェムト秒レーザでナノ周期構造体（連続した微細周期性溝、不連続に多穴加工されたディンプル）を施す加工技術やその加工装置が注目を集め旺盛に開発されている。また、上記ナノ周期構造体が正しく生成されているか・否か・を判定する観測装置も開発されている。
【０００３】
上記フェムト秒レーザ加工機において、周期構造体（例えば微細周期性溝）を加工する加工方法は、固体材料表面に、低フルーエンスの超短パルスレーザ（フェムト秒レーザ）を偏光制御して照射することで、照射したレーザの波長より小さいサイズの微細構造を形成する。そして、超短パルスレーザを直線偏光させて固体材料表面に照射することで、偏光方向とは直交する方向に沿って細長い微細構造を形成でき、また、円偏光させて照射することで微細構造体が形成される。こうした微細構造のサイズは、照射するレーザの波長と正の相関関係があり、波長を選択することで微細構造のサイズを制御するものが提供されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
また、フェムト秒レーザがレーザ駆動部から入射されたとき、レーザを複数の光束に分離する回折格子３と、回折格子３によって分離された光束を互いに干渉させるための凸レンズ４，５と、光束が互いに交差し干渉する干渉領域と凸レンズ５との間に配設された円柱レンズ６と、レーザによって加工するため、加工用基材７を干渉領域に配設することができるＸＹＺステージ８を備え、円柱レンズ６が、干渉領域を扁平な領域に整形するとともにエネルギ密度を集中し、加工用基材７と該干渉領域の物質レーザ相互作用によって微細加工することができるものが提供されている（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００５】
更に、互いに干渉したフェムト秒レーザ・パルスを、基材に照射することにより、最小平均寸法５〜２００ｎｍを有する周期微細構造を基材中に作成するフェムト秒レーザの照射による一次元及び／または二次元周期微細構造の作成方法であり、特に近赤外領域の発振波長で、０．１ＴＷ／ｃｍ２以上の高密度エネルギーを有し、互いに干渉した２つのフェムト秒レーザ・パルスをシリカガラスに照射することにより、シリカガラス中に、平均幅５〜５０ｎｍを有する周期溝を作成するフェムト秒レーザの照射による一次元周期微細構造の作成方法が提供されている（例えば、特許文献３を参照。）。
【０００６】
また、更には、金属対象表面の摩擦抵抗を現状以上に低減することを可能としたものが提供されている。この金属摺動面表面処理装置によると、金属対象物の摺動面にフェムト秒レーザを照射して微細周期構造を形成し、これにより当該摺動面の摩擦抵抗を低減させる構成となっているので、その性質上、加工サイズの均一性が大きく制御性も高いことから、金属対象物の摺動面の摩擦抵抗を現状以上に低減することが可能になる。また、どのような大きさ、形状、材質の金属対象物であってもその摺動面の摩擦抵抗を低減させることが可能であることから、摺動面を有する機械部品の性能を向上させるメリットを有するものである（例えば、特許文献４を参照。）。
【０００７】
更に、赤外領域又は紫外領域におけるレーザビームをレンズ系を通して材料の加工面に照射して微細加工を行うようにしたレーザ加工方法において、前記レンズ系内に、面状の加工パターンに沿うようにレーザ光を指向せしめるための画像形成面を備えた光学素子を設置して少なくとも一回の照射で面加工を行うレーザ加工方法である。これにより、少なくとも１回の照射により面状パターン加工が可能となる少なくとも１回の照射により面状パターン加工が可能なレーザ加工方法が提供されている（例えば、特許文献５を参照。）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２１１４００号公報
【特許文献２】特開２００３−３３４６８３号公報
【特許文献３】特開２００３−５７４２２号公報
【特許文献４】特開２００４−３６００１１号公報
【特許文献５】特開２００４−２２３５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記各公知例においては、レーザ光を金属対象表面（平面）に照射して面状パターンに加工するものに限定されている。また、その周期構造体の模様も、微細周期性溝又はディンプルに限定されている。このために、先ず、フェムト秒レーザ加工機により丸棒体・筒体・多角体等の円筒ワークの外周面又は内周面に周期構造体を加工することができない。従って、エンジンにおけるシリンダの内周面、クランクシャフトの軸外周面、カムシャフトのカム面、ベアリングの内輪や外輪、ボールベアリングの球体、ニードルベアリングのニードル等々の三次元ワークの加工ができないと言う問題点がある。また、周期構造体の模様は、微細周期性溝又はディンプルの加工に限定されてしまうから、一つのフェムト秒レーザ加工機でその周期構造体の素早い模様切り換えができず、一つの加工面に両模様の特徴出しを行うための加工ができないと言う問題点がある。
【００１０】
本発明の課題は、上記従来のフェムト秒レーザ加工において、その加工が金属対象表面（平面）に照射して面状パターンに加工するものに限定されていると言う問題点と、周期構造体の模様は微細周期性溝又はディンプルの加工に限定されていると言う問題点に鑑みて成されたものである。その目的は、周期構造体を各種形状の三次元ワーク表面に加工できるとともに、各種模様パターンを加工制御できるようにしたレーザ加工機の多機能加工制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するべく本発明の請求項１によるレーザ加工機の多機能加工制御装置は、フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記ホモジナイザーの前側に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記集光レンズの前側に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記フェムト秒レーザの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を回転駆動させるとともに三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項２によるレーザ加工機の多機能加工制御装置は、フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠的に照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/ ２板と、上記λ/ ２板の前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記第二回転筒体筒の先端に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記第二回転筒体の回転１回転に対して上記第一回転筒体を１／２回転させる回転駆動手段と、上記フェムト秒レーザの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項３によるレーザ加工機の多機能加工制御装置は、フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠的に照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/ ２板と、上記λ/ ２板の前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記第二回転筒体筒の先端に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記第二回転筒体の第二旋回モータによる回転１回転に対して上記第一回転筒体を第一旋回モータにより１／２回転前後に加減速回転させる回転駆動手段と、上記反射ミラーの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項４によるレーザ加工機の多機能加工制御装置は、フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠的に照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/ ４板と、上記λ/ ４板の前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記第二回転筒体筒の先端に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記第二回転筒体の回転１回転に対して上記第一回転筒体を１／２回転させる回転駆動手段と、上記フェムト秒レーザの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明のレーザ加工機の多機能加工制御装置は、上記構成からなり、以下のように作用する。
第１に、請求項１におけるレーザ加工機の多機能加工制御装置は、円筒ワークの外周面又は内周面に周期構造体を加工するものである。
まず、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザは、シャッタで開閉制御されて間欠照射可能なレーザ光となって、切り換え手段で選択された周期性溝用ホモジナイザー又はディンプル加工用ホモジナイザー又は混合加工用ホモジナイザーの何れか一つを通過させて集光レンズで集光される。更に、上記レーザ光は首振り手段により反射ミラーに照射され、ここで方向制御されて任意な外径方向に反射される。その反射光は、加工ステージとなるワーク移動ユニットに搭載され回転駆動されるチャック手段に把持された円筒ワークの外周面又は内周面の表面に対して、任意な方向制御幅を以て照射される。これにより、ワーク表面の周囲には、周期性溝用ホモジナイザー又はディンプル加工用ホモジナイザー又は混合加工用ホモジナイザーの何れか一つが選択されて加工される。その加工もシャッタの開閉制御により、連続加工の他に間欠的な模様としても加工することができる。また、反射ミラーの首振り手段によりワーク内周面又はワーク外周面に対面する任意な方向にレーザ光を首振り制御して照射すれば広範囲に加工できるとともに、上記反射ミラーの外周囲に配置したチャック手段で把持されるワーク内周面又はワーク外周面の全周に対してレーザ光を照射して加工される。また、上記ワーク移動ユニットに回転駆動手段を備え、また、Ｚ軸駆動手段を備えたものであると、ワーク回転と関連してワークの軸芯方向にチャック手段を連続移動または間欠移動させられるから、ワーク表面に対して、より一層広範囲にわたって円滑且つ多彩な模様状の周期構造体の加工が行われる。
【００１６】
第２に、請求項２のレーザ加工機の多機能加工制御装置の機能の一つは円筒ワークの内周面に周期構造体を加工するものである。
まず、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザを、シャッタの周期的な開閉制御により間欠的なレーザ光として回転可能に設けられた第一回転筒体に導く。この第一回転筒体内に配置されたλ/ ２板により直線偏光の偏光方向が変化されるとともに、切り換え手段で周期性溝用ホモジナイザー又はディンプル加工用ホモジナイザー又は混合加工用ホモジナイザーの何れか一つに切り換えられる。更に、上記レーザ光は、上記第一回転筒体に対して軸芯を合わせて回転可能にした第二回転筒体内の集光レンズで集光された後、首振り手段で方向制御される反射ミラーにより任意な外径方向に照射される。且つ、上記レーザ光は反射ミラーの外周囲にチャック手段で把持されるワーク内周面に対して所定の振れ幅で幅広く照射される。この時、回転駆動手段により上記第二回転筒体の回転１回転に対して上記λ/ ２板を備えた上記第一回転筒体が１／２回転される。また、上記ワーク移動ユニットにＺ軸駆動手段を備えたものであると、ワーク回転と関連してワークの軸芯方向にチャック手段を連続移動または間欠移動させられるから、ワーク表面に対して、より一層広範囲にわたって円滑且つ多彩な模様状の周期構造体の加工が行われる。また、ワーク移動ユニットに備えるチャック手段を回転制御モータにより回転させることでワークが回転されるから、更に、多彩な周期構造体の加工が行われる。
【００１７】
第３に、請求項２のレーザ加工機の多機能加工制御装置の機能の他の一つは円筒ワークの外周面に周期構造体を加工するものである。
まず、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザを、シャッタの周期的な開閉制御により間欠的に回転可能に設けられた第一回転筒体に導く。この第一回転筒体内に配置されたλ/ ２板により直線偏光の偏光方向が変化されるとともに、切り換え手段で周期性溝用ホモジナイザー又はディンプル加工用ホモジナイザー又は混合加工用ホモジナイザーの何れか一つに切り換えられる。更に、上記レーザ光は、上記第一回転筒体に対して軸芯を合わせて回転可能にした第二回転筒体内の集光レンズで集光された後、首振り手段で首振り制御される反射ミラーにより任意な外径方向に照射され、且つ上記レーザ光は反射ミラーの外周囲にチャック手段で把持されるワーク外周面に対して所定の振れ幅で照射される。この時、回転駆動手段により上記第二回転筒体の回転１回転に対して上記λ/ ２板を備えた上記第一回転筒体が１／２回転される。そして、上記ワークの外周面にレーザ光を照射すべく、上記反射ミラーの外周囲にワークを自転停止状態で公転される。これにより、上記ワーク外周面には、上記請求項１と、同様な多彩な模様状の周期構造体の加工が行われる。
【００１８】
第４に、請求項３のレーザ加工機の多機能加工制御装置は、請求項２のレーザ加工機の多機能加工制御装置における作用のほかに、上記λ/ ２板の回転速度については、回転駆動手段により上記第二回転筒体（反射ミラー）の回転１回転に対して上記λ/ ２板を備えた上記第一回転筒体を１／２回転よりも増速させたり減速させることにより、周期性溝の溝方向が変更できるから、最も条件の良い方向に加工したり、重合加工によりクロス状に加工することが可能である。更に、Ｚ軸駆動手段によりワーク回転と関連してワークの軸芯方向にチャック手段を連続移動または間欠移動させることで、ワーク表面の更に広範囲にわたり、円滑且つ多彩な模様状の周期構造体の加工が行われる。
【００１９】
第５に、請求項４のレーザ加工機の多機能加工制御装置は、請求項２のレーザ加工機の多機能加工制御装置において、上記λ/ ２板をλ/ ４板に変更することで、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザが円偏光になる。これにより、円筒ワークの内周面や外周面に加工される周期性溝は、直線形状の模様から円形形状への模様変更が自由に行われる。また、ディンプル加工においても、多数のディンプルを円形に並べた形状とすることができる。
【００２０】
かくして、上記各種ワークには、微細周期性溝またはディンプルまたはこれらを混合した周期構造体が、その使用目的に合致する多彩な模様を選択的に効率良く加工することができる。これにより、上記ワークが、例えば、エンジンのシリンダやクランクシャフトの軸であれば、このシリンダやクランクシャフトに多彩な模様パターンの周期構造体が形成される。この周期構造体を施したエンジンにおけるシリンダとピストン及びクランクシャフトとピストンコンロッドとの接触面には、多数の凹溝に潤滑油が溜まってクランクシャフトとピストンコンロッド間の摩擦抵抗を極限まで減らすことが可能になり、自動車の燃費改善が最大限に図られる。勿論、その他の各種機器・部品の加工面に対する加工が行なえるから、摩擦抵抗の低減策に止まらず、あらゆる部材の表面処理に適用される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のレーザ加工機の多機能加工制御装置によると、フェムト秒レーザにより、円筒ワークの内周面または外周面及び軸の外周面における所定幅にわたり、周期構造体、例えば、微細周期性溝又はディンプル又は混合加工用ホモジナイザーの何れか一つの組み合わせから形成される任意な模様、が多機能に加工できる。これにより、具体的な加工部品を例示すれば、エンジンのシリンダ、クランク軸、回転軸等の表面に対して、多彩な微細周期性溝またはディンプルまたはこれらを混合した周期構造体に加工でき、この周期構造体の溝に潤滑油が溜まって、シリンダ面のピストン滑り摩擦抵抗やクランク軸の外周面の回転摩擦抵抗を極限まで減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明によるレーザ加工機の多機能加工制御装置について、図示の第１の実施の形態により説明する。図１は円筒ワークの内周面や外周面に対する多機能加工制御装置の全体構成図で、特に内周面の加工例を示す。図２と図３はレーザ加工ヘッドの詳細な構成図、図４はホモジナイザーの構成図、図５は周期構造体を加工する加工ヘッドの構成図、図６はＰＣプログラム手段への入力手順と自動運転のフローチャート図、図７はＺ軸駆動手段による移動方法と加工軌跡の説明図、図８はＰＣプログラム手段によるプログラム自動運転のフローチャート図である。図９は円筒ワークの外周面に対する加工例の斜視図である。
【００２３】
図１〜図８により、本発明の第１の実施の形態となる円筒ワークＷの内周面Ｗ１を加工するレーザ加工機の多機能加工制御装置１００の概要を説明する。その構成は、直線偏光のフェムト秒レーザＬＯを発振するフェムト秒レーザ発振器１０と、加工制御装置の中枢部となるレーザ加工ヘッド２０と、円筒ワークＷをチャック７で着脱自在に把持するとともに回転駆動させ又は三次元方向（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の三方向）に移動させるワーク移動ユニット６０と、からなる。まず、上記フェムト秒レーザ発振器１０とレーザ加工ヘッド２０とは、防振台１の基盤２上に水平姿勢の横向きに搭載されている。上記フェムト秒レーザ発振器１０は、公知なものであるから詳細構成を省略して概要説明すれば、発振源となるレーザ発振部１０Ａとこの発振を調整するファイバーレーザ発振器１０Ｂとパルスストレッチャー１０ＣとＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ再生増幅器１０Ｄとパルスコンプレッサー１０Ｅとレーザパワー減衰器１０Ｆと励起用パルスグリーンレーザ１０Ｇと電源制御部１０Ｈと筐体温度安定化用冷却装置１０Ｉとにより構成されている。上記レーザ加工ヘッド２０には、その入力側にフェムト秒レーザＬＯを受け入れ任意に出力遮断（出力制御）する電磁式のシャッタ開閉手段ＳＨにより開閉するシャッタＳＴと、三連スライド式のホモジナイザーＨの切り換え手段ＨＤとを装備し、上記フェムト秒レーザ発振器１０の出力がレーザ入力部２０Ａに繋がれている。また、上記レーザ加工ヘッド２０の出力側には、円筒ワークＷに向けてフェムト秒レーザＬＯを照射する外筒４９を備えている。上記三連スライド式のホモジナイザーＨは、エネルギー効率を改善する周期性溝用ホモジナイザーＨ１とディンプル加工用ホモジナイザーＨ２と両者の混合加工用ホモジナイザーＨ３の三種類からなり、適宜に切替え選択される。上記周期性溝用ホモジナイザーＨ１又はディンプル加工用ホモジナイザーＨ２又は混合加工用ホモジナイザーＨ３の何れか一つを通過するフェムト秒レーザＬＯは、これを集光する集光レンズＲ３に至る。更に、上記外筒４９内の出口４９Ａ側には、フェムト秒レーザＬＯを受光し外部へ反射させる反射ミラーＭと、この反射光方向ＬＯを制御する首振り手段（ガルバノメータ）ＭＤとを備えている。上記反射ミラーの外周囲には、円筒ワークＷのワーク内周面Ｗ１に照射すべく把持するチャック７と、上記チャックを搭載する上記ワーク移動ユニット６０と、を備えたワーク制御テーブル３が配置されている。
【００２４】
上記ワーク制御テーブル３に搭載したワーク移動ユニット６０は、図１において、チャック７に把持された円筒ワークＷをＸ軸方向（図示の前後方向）に移動させるＸ軸駆手段３０と、これに搭載されて円筒ワークＷをＺ軸方向（図示の左右方向）に移動させるＺ軸駆動手段９と、このＺ軸駆動手段９上のコラム９Ａに搭載されてＹ軸方向（図示の上下方向）に移動させるＹ軸駆動手段５と、この前壁面に配置したワーク回転駆動部５Ａと、この前部に配置したチャック７とからなる。しかして、上記円筒ワークＷは、上記レーザ出力部２０Ａの軸芯（回転中心）Ｏ１に対してその軸芯（回転中心）Ｏ２を一致させるべく、Ｙ軸駆動手段５と、これを左右Ｘ軸の方向に移動させるＸ軸駆動手段３０との組み合わされたＸＹ移動テーブル（ＸＹステージ）の機能により微動送りで位置合わせが行われる。また、上記レーザ出力部２０Ａに対する円筒ワークＷの挿入深さ位置ＺＡの設定は、上記Ｘ軸駆動手段３０に搭載されたＺ軸駆動手段９を前後方向となる−Ｚ軸方向（図示の左側方向）又は＋Ｚ軸方向（図示の右側方向）へ微動させて行う。更に、上記円筒ワークＷを、上記レーザ加工ヘッド２０の先端でフェムト秒レーザＬＯの照射を受けながら回転駆動θさせるには、Ｙ軸駆動手段５上のワーク回転駆動部５Ａ内に備える回転制御モータＭＭによりチャック７を回転駆動θさせて行われる。上記上下のＹ軸と左右のＸ軸と前後のＺ軸の各駆動は、ガイドレール部材Ｇ１, Ｇ２, Ｇ３とＹ軸送りのモータＭ１及びＺ軸送りのモータＭ２，Ｘ軸送りのモータＭ３により行われる。
【００２５】
上記レーザ加工機の多機能加工制御装置１００を運転制御する加工制御部ＣＯの構成を説明する。図１と図２に示すように、上記各送りモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３，回転制御モータＭＭや電磁式のシャッタ開閉手段ＳＨで作動するシャッタＳＴやホモジナイザーＨの切り換え手段ＨＤや反射ミラーＭの首振り手段ＭＤ等を駆動する加工制御部ＣＯを備えている。まず、多機能加工制御装置１００の全体を総括的にコンピュータ管理するとともに装置全体の運転制御を支配する中央制御部ＣＰＵと、この中央制御部ＣＰＵに対して加工プログラミング情報を提供して円筒ワークＷに任意な模様加工を実行させるプログラム手段ＰＣと、このプログラム手段ＰＣと中央制御部ＣＰＵからの指令で、各モータＭ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭやシャッタＳＴやホモジナイザーＨの切り換え手段ＨＤや反射ミラーＭの首振り手段ＭＤの駆動制御をプログラム通り運転させる数値制御部ＮＣと、この数値制御部ＮＣからの指令を受けて各モータＭ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭや各手段ＳＨ，ＨＤ，ＭＤを駆動する駆動部ＤＤとからなる。これらの機能を備えた上記加工制御部ＣＯの制御のもとに、各ユニット３，５，９，１０，２０，３０, 各モータＭ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭや各手段ＳＨ，ＨＤ，ＭＤ等の駆動部ＤＤが作動される。これに加えて、上記ワーク制御テーブル３のワーク移動ユニット６０に搭載された円筒ワークＷを三次元方向（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の三方向）に大きく移動させ、上記フェムト秒レーザＬＯを円筒ワークＷの所定面積にわたり広範囲に照射させ、微細周期性溝等が所定面積に加工される。
【００２６】
続いて、上記レーザ加工ヘッド２０において、光学系の全体構成の概要を説明する。
まず、上記円筒ワークＷに微細周期性溝ＫＭを加工する場合は、図２と図４に示すように、フェムト秒レーザ発振器１０のレーザ出力部２０Ａからのフェムト秒レーザＬＯは、筒体４２内のアイリスＡ１・シャッタＳＴ・凹レンズＲ１を介して進む。更に、基盤２の支持部４０に保持された筒体４９内に配置された平凸レンズＲ２とアイリスＡ２を介して進み、例えば、上記三連スライド式のホモジナイザーＨ（選択された周期性溝用ホモジナイザーＨ１，ディンプル加工用ホモジナイザーＨ２，混合加工用ホモジナイザーＨ３の何れか一つ）から平凸レンズ（集光レンズ）Ｒ３を介して筒体４９の先端部４９Ａに至る。上記三連スライド式のホモジナイザーＨにおいて、周期性溝用ホモジナイザーＨ１の機能は、上記フェムト秒レーザ光ＬＯのエネルギー波形は、図４（b ）に示す山形の二次曲線のもので両裾のエネルギーが利用されない。そこで、図４（c ）に示すように、その特性を改善する周期性溝用ホモジナイザーＨ１によりエネルギー分布を矩形に整形し、エネルギー効率を限り無く１００％にすることが可能だからである。従って、エネルギー効率を問題にしなければ、上記周期性溝用ホモジナイザーＨ１は省略することも可能である。即ち、フェムト秒レーザ光ＬＯによる微細周期性溝ＫＭの溝方向と加工面積は、フェムト秒レーザの偏光方向とフル−エンス（レーザ出力のエネルギー）に依存されるから、これらを制御しなければならない。ディンプル加工用ホモジナイザーＨ２は、図４（a ）に示すように、一種のホログラムであり、集光部のエネルギー分布を制御する。即ち、ディンプル加工用ホモジナイザーＨ２は、その表面に微細な凹凸があり、この凹凸を通過するフェムト秒レーザＬＯの光が回折し、多数のエネルギー分布（エネルギー密度の高い複数のスポットＳ１〜Ｓ６）を生じさせる。このエネルギー分布により、ディンプルＤＰが加工される。尚、微細周期性溝ＫＭとディンプルＤＰとを混合加工する混合加工用ホモジナイザーＨ３に切替えれば、図４（d ）に示すように、均一なエネルギー分布ＳＯとエネルギー密度の高い複数のスポットＳ１〜Ｓ６とが存在し、微細周期性溝ＫＭとディンプルＤＰとが混在した複合加工が行なえる。
【００２７】
上記反射ミラーＭの首振り手段ＭＤの詳細構成を説明する。図３に示すように、先端筒４９Ａの長辺側にサーボモータ又はステッピングモータ式の首振り手段ＭＤが付設されている。この首振り手段ＭＤの回動片に上記反射ミラーＭが付設されていて、上記駆動部ＤＤからの首振り手段ＭＤに対する回動指令で反射ミラーＭを単位回動角度毎に微調節される。しかして、反射ミラーＭに入射されるフェムト秒レーザＬＯは、その反射光を照射点Ｐ１〜Ｐ３の範囲内でワーク表面に照射させられる。
【００２８】
本発明の第１の実施の形態となる円筒ワークＷを加工するレーザ加工機の多機能加工制御装置１００は、以上のように構成され以下のように作用する。
まず、図５に示すように、円筒ワークＷの表面に連続する微細周期性溝ＫＭ又は不連続な微細周期性溝ＫＭを模様状に加工するには、上記レーザ加工ヘッド２０において、プログラム手段ＰＣにより予め手入力で作られた図６に示す入力手順と自動運転のフローチャートと、図７に示すＺ軸駆動手段９により、加工幅（所定幅に設定して加工）を間欠移動（ステップ移動）又は連続移動（螺旋移動）させる移動制御と、図８に示す自動運転加工フローチャートにより実行される。上記入力手順と自動運転のフローチャートは、先ず、「スタート」で、「入力操作」となり、Ｚ軸駆動手段９の送りを「間欠移動又は連続移動」の何れかに手動操作で「選択」される。この入力内容は、「ワークポイントＸ，Ｙ，ワークスタートポイントＺ」「セーフティハイト、ピッチＺ、送りＺ、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」である。続いて、「自動運転」に入り、「レーザ発振」、「シャッタ」の開閉制御及び反射ミラーＭの反射光方向ＬＯを制御する首振り手段ＭＤの角度制御のもとに、「プログラム自動運転」が開始され各ユニット３，５，９，１０，２０，３０, 各モータＭ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭや各手段ＳＴ，ＨＤ，ＭＤ等が駆動部ＤＤにより作動される。加工が終了したところで、「シャッタ」の閉口と「レーザ停止」により「加工終了」になっている。上記プログラム自動運転は、図６と図８に示すフローチャートのようにプログラムされている。先ず、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）と「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク内周面への一周目の加工開始（ワーク回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御／反射ミラーの首振り）」が実行される。これで、「一周目の加工終了」になると、「二周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、一周目と逆の反転開閉制御／反射ミラーの首振り）」が実行される。この「二周目の加工終了」に続いて、「三周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（ワーク回転／レーザ発振／シャッタ、二周目と逆の反転開閉制御／反射ミラーの首振り）」・・・「Ｎ周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更とワーク回転／レーザ発振／シャッタ、前回と逆の反転開閉制御／反射ミラーの首振り）」、そして、「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／原点復帰／反射ミラーの原位置復帰）」、最後に「加工終了」となる。加工終了とともに、シャッタＳＴが閉じられてフェムト秒レーザＬＯを遮断する。尚、上記Ｚ軸駆動手段によりワークを軸芯方向へ自動送りでき、また、ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）により各種模様パターンが広範囲にわたり加工できる。
【００２９】
ここで、実際の運転状態を、図５により説明する。上記レーザ加工ヘッド２０は、これに入力したフェムト秒レーザＬＯを、シャッタＳＴがこのシャッタ開閉手段ＳＨによる開閉制御で遮光制御される。続いて、切り換え手段ＨＤで選択された例えば、周期性溝用ホモジナイザーＨ１によりエネルギー分布が改善された制御可能な直線偏光となる。更に、上記フェムト秒レーザＬＯは反射ミラーＭの首振り手段ＭＤにより回転軸線Ｏ１の方向から外径方向の外周に向けて進められる。即ち、図３に示すように、円筒ワークＷの内周面Ｗ１に向けて照射されたフェムト秒レーザＬＯは、その照射点をＰ１〜Ｐ３の範囲内で自由なスタート位置に照射される。即ち、加工原点となるスタート位置Ｐ１に位置決め固定される。ここで、フェムト秒レーザＬＯは、上記シャッタＳＴによる開閉制御で同期されるとともに、円筒ワークＷを把持するワーク移動ユニット６０上のチャック７を回転制御モータＭＭにより回転駆動θさせながら円筒ワークの内周面の周囲に照射させ、ナノ周期構造の微細周期性溝ＫＭを同一方向に一周分だけ整列加工（図５のように間欠加工）される。上記のように、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭは、図７に示すように、加工が二周目、三周目・・・へと移行させるには、円筒ワークＷを把持するチャック手段７をＺ軸駆動手段９により間欠移動で段階的又は連続移動で連続的に加工を進められる。その手順は、上記で説明した図８のフローチャートのように実行される。
【００３０】
尚、上記レーザ加工機の多機能加工制御装置１００において、Ｚ軸駆動手段９の送りを［休止状態」にしたままで、自動運転させることも可能である。この時の実施形態は、上記首振り手段ＭＤにより反射ミラーＭを首振りさせ、この反射ミラーで反射されるフェムト秒レーザＬＯの照射点をＰ１〜Ｐ３の範囲内で照射方向を変えた加工が実行される。しかして、比較的に狭い加工幅のときは、チャック手段７をＺ軸駆動手段９によりＺ軸方向へ進退移動させなくても良く、高精度のもとにリモート加工が実施できる。具体例は図９に示すように、軸物ワークＷ３の外周面Ｗ４に任意模様( 周期性溝用ホモジナイザーＨ１又はディンプル加工用ホモジナイザーＨ２又は混合加工用ホモジナイザーＨ３の何れか一つの選択により) が加工される。その加工手順は、チャック７に軸物ワークＷ３を取り付け、その表面となる外周面Ｗ４にフェムト秒レーザＬＯがシャッタＳＴとホモジナイザーＨと首振り手段ＭＤにより首振りされる反射ミラーＭからの反射光として照射される。上記フェムト秒レーザＬＯの照射点は、Ｐ１〜Ｐ３の範囲内で照射方向が制御されることとなる。従って、フェムト秒レーザＬＯの照射点をＰ１から加工をスタートさせ、上記軸物ワークＷ３を、上記レーザ加工ヘッド２０の先端でフェムト秒レーザＬＯの照射を受けながら回転駆動θさせるには、Ｙ軸駆動手段５上のワーク回転駆動部５Ａ内に備える回転制御モータＭＭによりチャック７を回転駆動θさせて行われる。上記軸物ワークＷ３の一回転とともに、首振り手段ＭＤにより首振りされる反射ミラーＭからの反射光を所定の送りピッチで照射点Ｐ３の方向へ連続移動( 螺旋状移動) 又は間欠移動されて行き、所定幅Ｌが加工される。この加工には、Ｚ軸駆動手段９の駆動制御は［休止状態」にしたままで実行される。この運転時も、図８に示す自動運転加工フローチャートと同様にして実行される。
【００３１】
以上、本実施の形態のレーザ加工機の多機能加工制御装置１００によれば、下記の効果が発揮される。まず、円筒ワークＷの内周面Ｗ１や軸物ワークＷ３の外周面Ｗ４等の表面に連続する微細周期性溝ＫＭ又は不連続な微細周期性溝ＫＭや微細周期性溝ＫＭまたはディンプルＤＰまたはこれらの混合溝について、要求する最良な模様が効率良く加工できる。また、首振り手段ＭＤで首振りされる反射ミラーＭは、この反射光を所定の送りピッチで照射点Ｐ１から加工をはじめ照射点Ｐ３に向けて移動させることで、所定幅Ｌに効率良くリモート加工できる。更に、具体的な加工部品を例示すれば、エンジンのシリンダ、クランク軸、回転軸、円筒体の内周面や外周面等の表面に対して多彩な模様を織りなす溝に加工でき、この溝に潤滑油が溜まって、シリンダ面の滑り摩擦抵抗やクランク軸の外周面の回転摩擦抵抗を極限まで減らすことができる。
【００３２】
続いて、図１０〜図１９を参照して本発明の第２の実施の形態のレーザ加工機の多機能加工制御装置２００について説明する。図１０は円筒ワークの内周面や外周面に対する多機能加工制御装置の全体構成図で、特に内周面の加工例を示す。図１１は加工ヘッドの断面図、図１２はレーザ加工ヘッドの回転駆動手段と反射ミラー首振りの断面図、図１３はλ/ ２板と反射ミラーとの作用図、図１４はホモジナイザーの構成図、図１５は円筒ワークの内周面に周期構造体を加工する加工ヘッドの構成図、図１６は軸状ワークの外周面に周期構造体を加工する加工ヘッドの構成図、図１７はＰＣプログラム手段への入力手順と自動運転のフローチャート図、図１８はＺ軸駆動手段による移動方法と加工軌跡の説明図、図１９はＰＣプログラム手段によるプログラム自動運転のフローチャート図である。
【００３３】
該レーザ加工機の多機能加工制御装置２００は、直線偏光のフェムト秒レーザＬＯを発振するフェムト秒レーザ発振器１０と、加工装置の中枢部となるレーザ加工ヘッド２０と、円筒ワークＷ５をチャック７で着脱自在に把持するとともに三次元方向（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の三方向）に移動させるワーク移動ユニット６０と、からなる。まず、上記フェムト秒レーザ発振器１０とレーザ加工ヘッド２０とは、防振台１の基盤２上に水平姿勢の横向きに搭載されている。上記フェムト秒レーザ発振器１０は、公知なものであるから詳細構成を省略して概要説明すれば、発振源となるレーザ発振部１０Ａとこの発振を調整するファイバーレーザ発振器１０Ｂとパルスストレッチャー１０ＣとＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ再生増幅器１０Ｄとパルスコンプレッサー１０Ｅとレーザパワー減衰器１０Ｆと励起用パルスグリーンレーザ１０Ｇと電源制御部１０Ｈと筐体温度安定化用冷却装置１０Ｉとにより構成されている。上記レーザ加工ヘッド２０には、その入力側にフェムト秒レーザＬＯを受け入れ任意に出力遮断（出力制御）する電磁式のシャッタ開閉手段ＳＨで開閉するシャッタＳＴと、三連スライド式のホモジナイザーＨの切り換え手段ＨＤとを装備し、上記フェムト秒レーザ発振器１０の出力がレーザ入力部２０Ａに繋がれている。また、上記レーザ加工ヘッド２０の出力側には、円筒ワークＷ５に向けてフェムト秒レーザＬＯを照射する外筒４９を備えている。上記三連スライド式のホモジナイザーＨは、エネルギー効率を改善する周期性溝用ホモジナイザーＨ１とディンプル加工用ホモジナイザーＨ２と両者の混合加工用ホモジナイザーＨ３の三種類からなり、適宜に切替え選択される。上記周期性溝用ホモジナイザーＨ１又はディンプル加工用ホモジナイザーＨ２又は混合加工用ホモジナイザーＨ３の何れか一つを通過するフェムト秒レーザＬＯは、これを集光する集光レンズＲ３に至る。更に、上記外筒４９内の出口側には、フェムト秒レーザＬＯを受光し外部へ反射させる反射ミラーＭと、この反射光方向ＬＯを制御する首振り手段ＭＤとを備えている。上記反射ミラーの外周囲には、円筒ワークＷ５のワーク内周面Ｗ６に照射すべく把持するチャック７と、上記チャックを搭載するワーク移動ユニット６０と、を備えたワーク制御テーブル３が配置されている。
【００３４】
上記ワーク制御テーブル３に搭載したワーク移動ユニット６０は、図１０において、チャック７に把持された円筒ワークＷ５をＸ軸方向（図示の前後方向）に移動させるＸ軸駆手段３０と、これに搭載されて円筒ワークＷ５をＺ軸方向（図示の左右方向）に移動させるＺ軸駆動手段９と、このＺ軸駆動手段９上のコラム９Ａに搭載されてＹ軸方向（図示の上下方向）に移動させるＹ軸駆動手段５と、この前壁面に配置したワーク回転駆動部５Ａと、この前部に配置したチャック７とからなる。しかして、上記円筒ワークＷ５は、上記レーザ出力部２０Ａの軸芯（回転中心）Ｏ１に対してその軸芯（回転中心）Ｏ２を一致させるべく、Ｙ軸駆動手段５と、これを左右Ｘ軸の方向に移動させるＸ軸駆動手段３０との組み合わされたＸＹ移動テーブルの機能により微動送りで位置合わせが行われる。また、上記レーザ出力部２０Ａに対する円筒ワークＷ５の挿入深さ位置ＺＡの設定は、上記Ｘ軸駆動手段３０に搭載されたＺ軸駆動手段９を前後方向となる−Ｚ軸方向（図示の左側方向）又は＋Ｚ軸方向（図示の右側方向）へ微動させて行う。更に、上記円筒ワークＷ５を、上記レーザ加工ヘッド２０の先端でフェムト秒レーザＬＯの照射を受けながら回転駆動θさせるには、Ｙ軸駆動手段５上のワーク回転駆動部５Ａ内に備える回転制御モータＭＭによりチャック７を回転駆動θさせて行われる。上記上下のＹ軸と左右のＸ軸と前後のＺ軸の各駆動は、ガイドレール部材Ｇ１, Ｇ２, Ｇ３とＹ軸送りのモータＭ１及びＺ軸送りのモータＭ２，Ｘ軸送りのモータＭ３により行われる。
【００３５】
更に、上記円筒ワークＷ５は、これをチャック７で把持するＹ軸駆動手段５を乗せたＺ軸駆動手段９により第二回転筒体４９の軸芯方向Ｏ１に円筒ワークＷ５をこの軸芯方向Ｏ２へ移動させることで、上記フェムト秒レーザＬＯを円筒ワークＷ５の内周面に所定幅だけ照射させ、微細周期性溝が所定幅だけ整列加工される。更に、Ｙ軸駆動手段５や第一回転筒体４１及び第二回転筒体４９とを、一定の関係のもとに回転させ、Ｚ軸駆動手段９の進退制御と絡めての三次元形状の円筒ワークＷ５の内周面に倣う制御運転が可能である。また、上記Ｚ軸駆動手段９の進退制御と絡めても良く、絡めなくても良いが、加工制御部ＣＯにより首振り手段ＭＤを駆動することで反射ミラーＭの照射方向を変更制御させ、フェムト秒レーザＬＯを円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６に所定幅だけスキャン照射させられる構成になっている。
【００３６】
続いて、上記多機能加工制御装置２００は、上記各送りモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３と、ワーク回転駆動部５Ａの回転制御モータＭＭと、シャッタＳＴの電磁式のシャッタ開閉手段ＳＨと、後記する回転駆動手段ＳＤ（旋回モータＭＯで、λ/ ２板Ｐと反射ミラーＭとを１対２の回転比で駆動する）と、ホモジナイザーＨの切り換え手段ＨＤと、反射ミラーＭを首振り制御する首振り手段ＭＤと、を駆動する加工制御部ＣＯが備えられている。この加工制御部ＣＯは、多機能加工制御装置２００の全体を総括的にコンピュータ管理するとともに装置全体の運転制御を支配する中央制御部ＣＰＵと、この中央制御部ＣＰＵに対して加工プログラミング情報を提供して円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６に任意な模様加工を実行させるプログラム手段ＰＣと、このプログラム手段ＰＣと中央制御部ＣＰＵからの指令で、各モータＭＯ，ＭＯ２，Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭやシャッタＳＴのシャッタ開閉手段ＳＨやホモジナイザーＨの切り換え手段ＨＤと、反射ミラーＭの首振り手段ＭＤ等をプログラム通り運転させる数値制御部ＮＣと、この数値制御部ＮＣからの指令を受けて各モータＭＯ，ＭＯ２，Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭや各手段ＳＨ，ＨＤ，ＭＤを駆動する駆動部ＤＤからなる。尚、上記回転駆動手段ＳＤにより、λ/ ２板Ｐが設けられた第一回転筒体４１を、反射ミラーＭが設けられた第二回転筒体４９に対して１／２の回転量で回転駆動される。これにより、フェムト秒レーザＬＯの直線偏光の偏光方向の向きを変えることなく円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６に周期性溝ＫＭが同一方向に整列加工される。
【００３７】
上記レーザ加工ヘッド２０において、中枢部となる第一回転筒体４１を第二回転筒体４９の１／２の回転量で両筒体を回転駆動させる回転駆動手段ＳＤについて、図１２により説明する。先ず、上記防振台１の基盤２上には、上記レーザ加工ヘッド２０を水平姿勢に支持する支持体４０がその回転軸芯Ｏ１を水平方向にして、座板４０ＡをボルトＢで固着されている。上記支持体４０内の後端側（図示の右端）には、短身で回転自在な第一回転筒体４１が軸受手段を介して支持されており、この第一回転筒体４１のレーザ光源側が軸受手段を介した連絡筒４２によりレーザ出力部２０Ａに繋がれている。上記連絡筒４２には、光学系となる平凹レンズＲ１を備え、上記第一回転筒体４１の筒内先端には、平凸レンズＲ２・光学偏光素子となるλ/ ２板Ｐが取り付けられている。更に、上記支持体４０内の先端側（図示の左端）には、第二回転筒体４９が軸受手段を介して支持されており、第一回転筒体４１と第二回転筒体４９とは、回転駆動手段ＳＤにより回転される。即ち、第一回転筒体４１の外周にプーリー４３を備え、これが旋回モータＭＯの回転軸４７に取り付けたプーリー４４（プーリー４３の１／４の歯数）と確動ベルトＫＢ１で繋がれている。尚、上記第一旋回モータＭＯは、支持体４０から突設したフランジ４６に保持され、回転軸４７が上記支持体４０に取り付けた軸受体４８に回転自在に支持されている。上記支持体４０内の先端側（外周体Ｗ側）には、短身で回転自在な第二回転筒体４９が軸受手段を介して支持されている。この第二回転筒体４９の外周にプーリー５０を備え、これが旋回モータＭＯの回転軸４７に取り付けたプーリー５１（プーリー５０の１／２の歯数）と確動ベルトＫＢ２で繋がれている。これにより、第二回転筒体４９は第一回転筒体４１の１／２の回転量で両筒体が回転駆動されるとともに、旋回モータＭＯで、上記λ/ ２板Ｐの回転が反射ミラーＭの１／２の回転数で回転させられる。
【００３８】
上記レーザ加工ヘッド２０の機能（作用）の概要を説明する。
まず、上記円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６に微細周期性溝ＫＭを加工する場合は、図１１〜図１５に示すように、レーザ出力部２０Ａからのフェムト秒レーザＬＯは、アイリスＡ１・シャッタＳＴを介して進み、更に、レーザ加工ヘッド２０の第一回転筒体４１内の平凸レンズＲ２とλ/ ２板ＰとアイリスＡ２を介して進み、更に、第二回転筒体４９内の周期性溝用ホモジナイザーＨ１から平凸レンズ（集光レンズ）Ｒ３を介して先端の反射ミラーＭに至る。上記周期性溝用ホモジナイザーＨ１にする理由は、上記フェムト秒レーザ光ＬＯのエネルギー波形は、図１４（b ）に示す山形の二次曲線のもので両裾のエネルギーが利用されない。そこで、図１４（c ）に示すように、その特性を改善する周期性溝用ホモジナイザーＨ１によりエネルギー分布を矩形に整形し、エネルギー効率を限り無く１００％にすることが可能だからである。従って、エネルギー効率を問題にしなければ、上記周期性溝用ホモジナイザーＨ１は省略することも可能である。続いて、反射ミラーＭで外径方向に曲げられたフェムト秒レーザＬＯは、円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６に直線偏光の形（直径２mm前後）で照射される。即ち、フェムト秒レーザ光ＬＯによる微細周期性溝ＫＭの溝方向と加工面積は、フェムト秒レーザの偏光方向とフル−エンス（レーザ出力のエネルギー）に依存されるから、これらを制御しなければならない。従って、本発明の多機能加工制御装置２００のように、三次元形状の円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６を加工するに際して、フル−エンス（レーザ出力のエネルギー）が一定した状態では、フェムト秒レーザ光ＬＯの直線偏光の方向を反射ミラーＭの回転に伴って制御しなければならない。具体的には、上記第一回転筒体４１の光学経路上に入れた上記λ/ ２板Ｐを、第二回転筒体４９内の反射ミラーＭとの回転位置の調節により、フェムト秒レーザＬＯの直線偏光の照射方向が制御される。即ち、図１３に示すように、反射ミラーＭの１回転（θh ）に対して、λ/ ２板Ｐを半回転θp させること円筒ワークＷの内面に一様な方向（図示では、円筒ワークＷ５の軸芯方向にほぼ向けて整列させた方向）に微細周期性溝ＫＭがシャッタＳＴの開閉制御により間欠的な加工が行われ、例えば市松模様となる。
【００３９】
ここで、上記λ/ ２板Ｐの機能説明をすれば、図１３に示すように、上記フェムト秒レーザＬＯは、光束に直交する方向の偏光成分（Ｓ成分とＰ成分）を持っている。この偏光成分に位相差（１／２波長分に変化）を与える。また、位相差π（１８０°）を与えるものをλ／２板と言い、直線偏光の偏光方向のみを９０°方向の向きに変える。本発明では、λ／２板Ｐが標準仕様として使用されるが、λ／４板を使用した特殊仕様としても実施可能である。上記直線偏光のフェムト秒レーザＬＯが、λ／２板Ｐと反射ミラーＭを通過して円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６に照射される直線偏光との関係を図１３で説明する。フェムト秒レーザ光ＬＯの偏光方向に対して、λ／２板Ｐを回転させることでこのλ／２板Ｐを通過するフェムト秒レーザ光ＬＯの偏光方向をその回転角量だけ変えられる。従って、反射ミラーＭを回転させて、円筒ワークＷの内周面Ｗ１を加工するには、図１３に示すように、反射ミラーＭの２回転（θh ）に対して、λ／２板Ｐを１回転（θp ）させることで内周面に一様な方向に整列された微細周期性溝ＫＭが加工される。従って、反射ミラーＭの２回転（θh ）に対して、λ／２板Ｐを１回転（θp ）に回転させることで、内周面に一定方向へ傾いた微細周期性溝ＫＭが加工されることを意味する。
【００４０】
次に、上記円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６にディンプルＤＰを加工する場合は、図１６に示すように、フェムト秒レーザ発振器１０のレーザ出力部２０Ａからのフェムト秒レーザ光ＬＯは、アイリスＡ１・シャッタＳＴ・凹レンズＲ１を介して進み、更にレーザ加工ヘッド２０の第一回転筒体４１内の平凸レンズＲ２とλ/ ２板Ｐ、アイリスＡ２と、切り換え手段ＨＤで切り替えられるディンプル加工用ホモジナイザーＨ２を介して進み、更に第二回転筒体４９内の平凸レンズ（集光レンズ）Ｒ３を介して先端の反射ミラーＭに至る。この後、反射ミラーＭで外径方向に曲げられたフェムト秒レーザ光ＬＯは、円筒ワークＷ５の内周面Ｗ１に照射される。即ち、フェムト秒レーザＬＯによるディンプルＤＰは、円筒ワークＷ５の内周面を加工するに際して、光学経路上の第二回転筒体４９内にディンプル加工用ホモジナイザーＨ２を入れたフェムト秒レーザＬＯにより、ディンプルＤＰが加工される。上記ディンプル加工用ホモジナイザーＨ２は、図１４（a ）に示すように、一種のホログラムであり、集光部のエネルギー分布を制御する。即ち、ディンプル加工用ホモジナイザーＨ２は、その表面に微細な凹凸があり、この凹凸を通過するフェムト秒レーザＬＯの光が回折し、多数のエネルギー分布（エネルギー密度の高い複数のスポットＳ１〜Ｓ６）を生じさせる。このエネルギー分布により、ディンプルＤＰが加工される。尚、微細周期性溝ＫＭとディンプルＤＰとを混合加工する混合加工用ホモジナイザーＨ３に切替えれば、図１４（d ）に示すように、均一なエネルギー分布ＳＯとエネルギー密度の高い複数のスポットＳ１〜Ｓ６とが存在し、微細周期性溝ＫＭとディンプルＤＰとが混在した複合加工が行われる。
【００４１】
本発明のレーザ加工機の多機能加工制御装置２００は、上記構成要件からなり、以下のように作用する。
先ず、図１５に示すように、円筒ワークＷ５（例えば、シリンダの内周面）に不連続な微細周期性溝ＫＭの「市松模様」を加工するには、レーザ加工ヘッド２０において、プログラム手段ＰＣにより作られた図１７のＰＣプログラム手段への入力手順と自動運転のフローチャートと、図１９のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１８に示すＺ軸駆動手段による間欠移動（ステップ）又は連続移動（スパイラル）により実行される。先ず、上記ＰＣプログラム手段への入力手順と自動運転のフローチャートは、「スタート」で、Ｚ軸駆動手段９の送りを「間欠移動又は連続移動」の何れかに手動操作で「入力操作」して「選択」される。間欠移動（ステップ）に選択した時の入力内容は、「ワークポイントＸ，Ｙ，ワークスタートポイントＺ」「セーフティハイト、ピッチＺ、送り、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。また、連続移動（スパイラル）に選択した時の入力内容は、「ワークポイントＸ，Ｙ，ワークスタートポイントＺ」「セーフティハイト、Ｚ軸送り、Ｚ軸方向、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。
【００４２】
続いて、図１９のプログラム自動運転のフローチャートに示す「自動運転」に入る。ここで、「レーザ発振」、「シャッタＳＴ」の開閉制御、「反射ミラーＭ」の方向制御のもとに、「プログラム自動運転」が開始され各モータや各ユニット３，５，９，１０，２０，３０, 各モータＭＯ，Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭや各手段ＳＨ，ＨＤ，ＭＤ等を駆動部ＤＤによ作動される。加工が終了したところで、「シャッタ手段」の閉口と「レーザ停止」により「加工終了」になる。上記プログラム自動運転は、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク内周面への一周目の加工開始（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御／首振り手段ＭＤによるミラー回動) 」「一周目の加工終了」「二周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタの一周目と逆の反転開閉制御／首振り手段ＭＤによるミラー回動）」「二周目の加工終了」「三周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタの二周目と逆の反転開閉制御／首振り手段ＭＤによるミラー回動）」・・・「Ｎ周目へのＺ軸駆動手段９による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタの前回と逆の反転開閉制御／首振り手段ＭＤによるミラー回動）」。そして、「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／首振り手段ＭＤの原位置復帰）」、最後に「加工終了」となる。
【００４３】
しかして、実際の運転においては、図１５に示すように、上記レーザ加工ヘッド２０は、このレーザ出力部２０Ａに入力したフェムト秒レーザＬＯを、シャッタＳＴによる開閉制御で第一回転筒体４１のλ/ ２板Ｐに入射される。続いて、切り換え手段ＨＤで選択された、例えば周期性溝用ホモジナイザーＨ１でエネルギー分布が改善された制御可能な直線偏光となる。更に、上記フェムト秒レーザＬＯは、第二回転筒体４９の反射ミラーＭにより回転軸線Ｏ１の方向から外径方向の外周に向けて首振り手段ＭＤで方向制御されて所定の方向に進み、円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６に向けて照射される。このとき、上記第一回転筒体４１と第二回転筒体４９とが回転駆動手段ＳＤにより回転される。即ち、図１５に示すように、上記λ/ ２板Ｐを備えた第一回転筒体４１が回転されるに際して、上記第一回転筒体４１を反射ミラーが備えた第二回転筒体４９の１／２の回転量で回転させることで、上記フェムト秒レーザＬＯを円筒ワークの内周面の全周に照射されてナノ周期構造の微細周期性溝ＫＭが同一方向に、一周分だけ間欠的に整列加工される。
【００４４】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭを二周目、三周目と段階的に加工を進めるには、円筒ワークＷ５を把持するチャック手段７をＺ軸駆動手段９で第二回転筒体４９の軸芯方向Ｏ１へのフェムト秒レーザの出力（シャッタＳＴで開閉制御）と同期させて移動させると、上記フェムト秒レーザが円筒ワークの内周面Ｗ６に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、内周面Ｗ６の軸芯方向には、二周目、三周目の微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ整列加工される。即ち、Ｚ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（第二回転筒体４９側）へ前進させて行なわれる。しかして、円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６には、図１８に示すように、Ｚ軸駆動手段９の２通りの移動方法とその加工軌跡による加工が行なわれる。即ち、図１８（ａ）は、第二回転筒体４９の１回転毎に、Ｚ軸駆動手段９を所定量毎の１ピック送りを繰り返した間欠移動により、内周面Ｗ６に対して周期構造体を所定幅に加工される。また、図１８（ｂ）は、第二回転筒体４９の１回転毎に、Ｚ軸駆動手段９を所定量の１ピック送りをネジ棒送りのように連続移動されスパイラル状に加工される。これにより、内周面Ｗ６に対して周期構造体を所定幅に加工される。加工終了とともに、シャッタＳＴが閉じられてフェムト秒レーザＬＯを遮断する。その加工結果は、図１５に示すように、連続した周期性の微細周期性溝ＫＭが同一方向に市松模様に整列加工される。尚、微細周期性溝ＫＭの加工幅Ｌ( 照射点Ｐ１〜Ｐ３) は、Ｚ軸駆動手段９による＋Ｚ軸方向（第二回転筒体４９側）への前進量で大幅寸法に制御するか、又は、首振り手段ＭＤによるミラーＭの回動量により繊細に制御される。また、微細周期性溝ＫＭに替えてディンプルＤＰを加工するには、切り換え手段ＨＤによりディンプル加工用ホモジナイザーＨ２に切り替えられる。更に、両者の混合加工用ホモジナイザーＨ３に切り替えれば、微細周期性溝ＫＭとディンプルＤＰとの混合加工が行われる。
【００４５】
また、回転軸やエンジンのクランク軸等の軸状ワークＷ７の外周面Ｗ８に周期構造体を加工するには、図１６に示すような加工形態とすれば良い。即ち、軸状ワークＷ７はチャック７に装着され、反射ミラーＭから反射されるフェムト秒レーザＬＯを受光する位置に配置される。この配置制御は、ワーク移動ユニット６０により行われる。また、フェムト秒レーザＬＯの照射ポイントを、スタート位置Ｐ１から終点位置Ｐ３の所定の加工幅Ｌにする制御は、上記Ｚ軸駆動手段９に替えて、首振り手段ＭＤによるミラー回動によっても行われる。更に、軸状ワークＷ７の外周面Ｗ８の全周面にフェムト秒レーザＬＯを照射させるには、Ｙ軸駆動手段５上のワーク回転駆動部５Ａ内に備える回転制御モータＭＭによりチャック７を回転駆動θ１させて行われる。上記加工条件にセットアップさせた状態で、上記各実施形態と同様にプログラム自動運転のフローチャートに示す「自動運転」により、周期構造体の各種模様の加工が実行される。上記反射ミラーＭは、首振り手段ＭＤでフェムト秒レーザＬＯの照射方向を自由に制御されるから、図１６に示すように、照射点Ｐ１から離れた照射点Ｐ３へのワープが瞬間的に行われ、加工能率を著しく改善させられる。
【００４６】
以上、本発明の第２の実施の形態となるレーザ加工機の多機能加工制御装置２００によれば、下記の効果が発揮される。
即ち、円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６や軸状ワークＷ７の外周面Ｗ８に対して、周期構造体を加工するに対して、微細周期性溝またはディンプルを単一的または複合的に効率良く市松模様や任意な模様パターンに加工できる。その加工幅Ｌも円筒ワークＷ５や軸状ワークＷ７をＺ軸駆動手段９によりＺ軸方向へ移動させるか、又は、首振り手段ＭＤによるミラーＭの回動量によりフェムト秒レーザＬＯの照射方向を制御してできる。特に、首振り手段ＭＤによるミラーＭの回動量制御により、照射点Ｐ１から離れた照射点Ｐ３へのワープが瞬間的に行われ、加工能率を著しく改善できる。しかして、ワークには、任意寸法の加工幅に微細周期性溝ＫＭまたはディンプルＤＰまたはこれらの混合溝が効率良く加工できる。上記ワークが例えば、シリンダブやクランク軸であれば、多数の溝に潤滑油が溜まってエンジンにおけるピストン往復運動の全ストローク区間において、ピストンとシリンダ間の摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。また、クランク軸の摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。
【００４７】
本発明のレーザ加工機の多機能加工制御装置１００,
２００は、発明の要旨内での設計変更や仕様変更が自由にできる。例えば、図２０〜図２４に示す第３の実施の形態のレーザ加工機の多機能加工制御装置３００は、上記多機能加工制御装置２００のレーザ加工ヘッド２０において、回転駆動手段ＳＤの設計変更により、λ/ ２板Ｐの回転を、反射ミラーＭの１／２の回転量で回転駆動させず、自由に可変速制御することで、内周面Ｗ６に対する周期性溝ＫＭの方向が自由に調節されながら加工できるようにしたものである。即ち、回転駆動手段ＳＤ´の構成は、図２０〜図２２に示すように、λ/ ２板Ｐを回転させる第一旋回モータＭＯと、反射ミラーＭを回転させる第二旋回モータＭＯ２とを別設としている。
【００４８】
すなわち、上記回転駆動手段ＳＤ´の構成は、まず、上記防振台１の基盤２上に、上記レーザ加工ヘッド２０を水平姿勢に支持する支持体４０がその回転軸芯Ｏ１を水平方向にして、座板４０ＡをボルトＢで固着されている。上記支持体４０内の後端側（図示の右端）には、短身で回転自在な第一回転筒体４１が軸受手段を介して支持されており、この第一回転筒体４１のレーザ光源側が軸受手段を介した連絡筒４２によりレーザ出力部２０Ａに繋がれている。上記連絡筒４２には、光学系となる平凹レンズＲ１を備え、上記第一回転筒体４１の筒内先端には、平凸レンズＲ２・光学偏光素子となるλ/ ２板Ｐが取り付けられている。更に、上記支持体４０内の先端側（図示の左端）には、第二回転筒体４９が軸受手段を介して支持されており、第一回転筒体４１と第二回転筒体４９とは、回転駆動手段ＳＤにより回転される。即ち、第一回転筒体４１の外周にプーリー４３を備え、これが第一旋回モータＭＯの回転軸４７に取り付けたプーリー４４（プーリー４３の１／４の歯数）と確動ベルトＫＢ１で繋がれている。尚、上記第一旋回モータＭＯは、支持体４０から突設したフランジ４６に保持され、回転軸４７が上記支持体４０に取り付けた軸受体４８に回転自在に支持されている。上記支持体４０内の先端側（外周体Ｗ側）には、短身で回転自在な第二回転筒体４９が軸受手段を介して支持されている。この第二回転筒体４９の外周にプーリー５０を備え、これが別設の第二旋回モータＭＯ２の回転軸４７´に取り付けたプーリー５１（プーリー５０の１／２の歯数）と確動ベルトＫＢ２で繋がれている。これにより、第二回転筒体４９は第一回転筒体４１の１／２の回転量で両筒体が回転駆動されるとともに、各々の旋回モータＭＯ，ＭＯ２の回転数を可変速制御することで、上記λ/ ２板Ｐの回転が反射ミラーＭの１／２の回転数以外に増速回転又は減速回転させられる。尚、その他の構成は、上記第２の実施の形態における図１３と図１４と図１７〜図１９と同一構成に付き、同図を併用するとともにその説明を省略する。周期構造体を加工する加工ヘッドの構成図は、図２３のようになる。
【００４９】
本発明のレーザ加工機の多機能加工制御装置３００は、上記構成要件からなり、以下のように作用する。
先ず、上記第２の実施の形態における図１５と同様に、円筒ワークＷ５（例えば、シリンダの内周面）に不連続な微細周期性溝ＫＭの「市松模様」を加工するには、レーザ加工ヘッド２０において、プログラム手段ＰＣにより作られた図１７の加工フローチャートと、図１９のプログラム自動運転のフローチャート図と、図１８に示すＺ軸駆動手段による間欠移動（ステップ）又は連続移動（スパイラル）により実行される。上記加工フローチャートは、先ず、「スタート」で、Ｚ軸駆動手段９の送りを「間欠移動又は連続移動」の何れかに手動操作で「入力操作」して「選択」される。間欠移動（ステップ）に選択した時の入力内容は、「ワークポイントＸ，Ｙ，ワークスタートポイントＺ」「セーフティハイト、ピッチＺ、送り、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。また、連続移動（スパイラル）に選択した時の入力内容は、「ワークポイントＸ，Ｙ，ワークスタートポイントＺ」「セーフティハイト、Ｚ軸送り、Ｚ軸方向、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。
【００５０】
続いて、上記第２の実施の形態における図１９と同様に、プログラム自動運転のフローチャートに示す「自動運転」に入る。ここで、「レーザ発振」、「シャッタＳＴ」の開閉制御、「反射ミラーＭ」の方向制御のもとに、「プログラム自動運転」が開始され各モータや各ユニット３，５，９，１０，２０，３０, 各モータＭＯ，ＭＯ２，Ｍ１, Ｍ２，Ｍ３，ＭＭや各手段ＳＨ，ＨＤ，ＭＤ等を駆動部ＤＤによ作動される。加工が終了したところで、「シャッタ手段」の閉口と「レーザ停止」により「加工終了」になる。上記プログラム自動運転は、「自動運転の開始」により「Ｚ軸駆動手段の軌跡選択（間欠移動／連続移動）「ホモジナイザの選択（Ｈ１, Ｈ２, Ｈ３）」と「ワーク加工原点合せ／加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク内周面への一周目の加工開始（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタの開閉制御開閉制御／首振り手段ＭＤによるミラー回動) 」「一周目の加工終了」「二周目へのＺ軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタの一周目と逆の反転開閉制御／首振り手段ＭＤによるミラー回動）」「二周目の加工終了」「三周目へのZ 軸駆動手段による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタの二周目と逆の反転開閉制御／首振り手段ＭＤによるミラー回動）」・・・「Ｎ周目へのＺ軸駆動手段９による軌跡変更（λ/ ２板とミラーの１回転・ワーク回転／レーザ発振／シャッタの前回と逆の反転開閉制御／首振り手段ＭＤによるミラー回動）」。そして、「Ｎ周目の加工終了（シャッタの閉口／レーザ停止／首振り手段ＭＤの原位置復帰）」、最後に「加工終了」となる。
【００５１】
しかして、実際の運転においては、上記第２の実施の形態における図１５と同様に、上記レーザ加工ヘッド２０は、このレーザ出力部２０Ａに入力したフェムト秒レーザＬＯを、シャッタＳＴによる開閉制御で第一回転筒体４１のλ/ ２板Ｐに入射される。続いて、切り換え手段ＨＤで選択された、例えば周期性溝用ホモジナイザーＨ１でエネルギー分布が改善された制御可能な直線偏光となる。更に、上記フェムト秒レーザＬＯは、第二回転筒体４９の反射ミラーＭにより回転軸線Ｏ１の方向から外径方向の外周に向けて首振り手段ＭＤで方向制御されて所定の方向に進み、円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６に向けて照射される。このとき、上記第一回転筒体４１と第二回転筒体４９とが回転駆動手段ＳＤにより回転される。即ち、図１５に示すように、上記λ/ ２板Ｐを備えた第一回転筒体４１が回転されるに際して、上記第一回転筒体４１を反射ミラーが備えた第二回転筒体４９の１／２の回転量で回転させることで、上記フェムト秒レーザＬＯを円筒ワークの内周面の全周に照射されてナノ周期構造の微細周期性溝ＫＭが同一方向に、一周分だけ間欠的に整列加工される。
【００５２】
続いて、一周分だけ間欠的に整列加工された微細周期性溝ＫＭを二周目、三周目と段階的に加工を進めるには、円筒ワークＷ５を把持するチャック手段７をＺ軸駆動手段９で第二回転筒体４９の軸芯方向Ｏ１へのフェムト秒レーザの出力（シャッタＳＴで開閉制御）と同期させて移動させると、上記フェムト秒レーザが円筒ワークの内周面Ｗ６に円周に沿って間欠的に照射されるとともに、内周面Ｗ６の軸芯方向には、二周目、三周目の微細周期性溝が同一方向に所定幅だけ整列加工される。即ち、Ｚ軸駆動手段９を＋Ｚ軸方向（第二回転筒体４９側）へ前進させて行なわれる。しかして、円筒ワークＷ５の内周面Ｗ６には、図１８に示すように、Ｚ軸駆動手段９の２通りの移動方法とその加工軌跡による加工が行なわれる。即ち、図１８（ａ）は、第二回転筒体４９の１回転毎に、Ｚ軸駆動手段９を所定量毎の１ピック送りを繰り返した間欠移動により、内周面Ｗ１に対して周期構造体を所定幅に加工される。また、図１８（ｂ）は、第二回転筒体４９の１回転毎に、Ｚ軸駆動手段９を所定量の１ピック送りをネジ棒送りのように連続移動されスパイラル状に加工される。これにより、内周面Ｗ６に対して周期構造体を所定幅に加工される。加工終了とともに、シャッタＳＴが閉じられてフェムト秒レーザＬＯを遮断する。その加工結果は、図１６に示すように、連続した周期性の微細周期性溝ＫＭが同一方向に市松模様に整列加工される。尚、微細周期性溝ＫＭの加工幅Ｌ( 照射点Ｐ１〜Ｐ３) は、Ｚ軸駆動手段９による＋Ｚ軸方向（第二回転筒体４９側）への前進量で大幅寸法に制御するか、又は、首振り手段ＭＤによるミラーＭの回動量により繊細に制御される。また、微細周期性溝ＫＭに替えてディンプルＤＰを加工するには、切り換え手段ＨＤによりディンプル加工用ホモジナイザーＨ２に切り替えられる。更に、両者の混合加工用ホモジナイザーＨ３に切り替えれば、微細周期性溝ＫＭとディンプルＤＰとの混合加工が行われる。
【００５３】
また、回転軸やエンジンのクランク軸等の軸状ワークＷ７の外周面Ｗ８に周期構造体を加工するには、図１６に示すような加工形態とすれば良い。即ち、軸状ワークＷ７はチャック７に装着され、反射ミラーＭから反射されるフェムト秒レーザＬＯを受光する位置に配置される。この配置制御は、ワーク移動ユニット５０により行われる。また、フェムト秒レーザＬＯの照射ポイントＰＯを、照射点であるスタート位置Ｐ１から終点位置Ｐ３の所定の加工幅Ｌにする制御は、首振り手段ＭＤによるミラー回動により行われる。更に、軸状ワークＷ７の外周面Ｗ８の全周面にフェムト秒レーザＬＯを照射させるには、Ｙ軸駆動手段５上のワーク回転駆動部５Ａ内に備える回転制御モータＭＭによりチャック７を回転駆動θ１させて行われる。上記加工条件にセットアップさせた状態で、上記各実施形態と同様にプログラム自動運転のフローチャートに示す「自動運転」により、周期構造体の各種模様の加工が実行される。上記反射ミラーＭは、首振り手段ＭＤでフェムト秒レーザＬＯの照射方向を自由に制御されるから、図１６に示すように、照射点Ｐ１から離れた照射点Ｐ３へのワープが瞬間的に行われ、加工能率を著しく改善させられる。
【００５４】
ところで、第３の実施の形態のレーザ加工機の多機能加工制御装置３００の特徴は、回転駆動手段ＳＤのλ/ ２板Ｐを回転させる旋回モータＭＯと反射ミラーＭを回転させる旋回モータＭＯ２とにより、上記λ/ ２板Ｐの回転を、反射ミラーＭの１／２の回転量( 回転比を固定) の関係で回転駆動させず、自由に可変速制御させることにある。即ち、上記第二回転筒体（反射ミラー）の回転１回転に対して上記λ/ ２板を備えた上記第一回転筒体を１／２回転よりも増速させたり減速させることにより、図２４に示すように、周期性溝ＫＭの溝方向を変更できる。これにより、最も条件の良い方向に周期性溝を溝加工したり、同一軌跡上を二重合加工することでクロス状に加工することが可能である。
【００５５】
以上、本発明の第３の実施の形態となるレーザ加工機の多機能加工制御装置３００によれば、下記の効果が発揮される。
即ち、円筒ワークの内周面や軸状ワークＷ９の外周面Ｗ１０に対して、周期構造体を加工するに際して、上記λ/ ２板Ｐの回転を、反射ミラーＭの１／２の回転量の関係で回転駆動させず、自由に可変速制御させることにより、加工される微細周期性溝ＫＭの方向が順次旋回した姿勢に微調節できる。また、同一軌跡上を、λ/ ２板Ｐの回転を減速固定させたり増速固定させて二重に通過加工することにより、クロス状に加工できる。しかして、上記ワークが、例えば、シリンダブロックやクランク軸であれば、多数の溝に潤滑油が溜まってエンジンにおけるピストン往復運動の全ストローク区間において、ピストンとシリンダ間の摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。また、クランク軸の摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。
【００５６】
本発明のレーザ加工機の多機能加工制御装置１００〜３００は、発明の要旨内での設計変更や仕様変更が可能である。例えば、図２５と図２６に示す第４の実施の形態のレーザ加工機の多機能加工制御装置４００は、上記多機能加工制御装置２００において、λ/ ２板Ｐをλ/ ４板Ｐ４に変更したもので、他の構成は同一である。
【００５７】
しかして、上記λ/ ４板Ｐ４を使用すると、フェムト秒レーザ発振器１０から発射される直線偏光のフェムト秒レーザＬＯが円偏光になってワークＷ９の加工面Ｗ１０に到達する。これにより、加工面Ｗ１０に加工される周期性溝ＫＭは、照射点Ｐ１に見るように、直線形状から円形形状に変更された周期性溝ＫＭ´が加工される。また、ディンプルＤＰの場合は、照射点Ｐ３に見るように、円形形状のディンプルＤＰ´となる。これらの周期性溝ＫＭ´やディンプルＤＰ´は、照射点Ｐ１やＰ３において、方向性が無いから二つの部材の摺動方向が定まらない自由な方向であっても、各方向への移動に対する摩擦抵抗を均一に保持することが保証できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、円筒ワークの内周面や外周面及び軸状ワークの外周面に対する周期構造体を多機能に加工制御できる装置として、摩擦低減がなされるもので説明した。しかし、上記ワークに限定されず、その他の各種機器・部品の加工面に対する豊富な加工が行なえる他、あらゆる部材の表面処理にも適用される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、円筒ワークに対する多機能加工制御装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの詳細な構成図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの詳細な構成図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態を示し、ホモジナイザーの構成図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を示し、周期構造体を加工する加工ヘッドの構成図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態を示し、ＰＣプログラム手段への入力手順と自動運転のフローチャート図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態を示し、Ｚ軸駆動手段による移動方法と加工軌跡の説明図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態を示し、ＰＣプログラム手段によるプログラム自動運転のフローチャート図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態を示し、周期構造体を加工する加工ヘッドの構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態を示し、円筒ワークに対する多機能加工制御装置の構成図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態を示し、加工ヘッドの断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの回転駆動手段と反射ミラー首振りの断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態を示し、λ/２板と反射ミラーとの作用図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態を示し、ホモジナイザーの構成図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態を示し、周期構造体を加工する加工ヘッドの構成図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態を示し、周期構造体を加工する加工ヘッドの構成図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態を示し、ＰＣプログラム手段への入力手順と自動運転のフローチャート図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態を示し、Ｚ軸駆動手段による移動方法と加工軌跡の説明図である。
【図１９】本発明の第２の実施の形態を示し、ＰＣプログラム手段によるプログラム自動運転のフローチャート図である。
【図２０】本発明の第３の実施の形態を示し、円筒ワークに対する多機能加工制御装置の構成図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの詳細な構成図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態を示し、レーザ加工ヘッドの詳細な構成図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態を示し、周期構造体を加工する加工ヘッドの構成図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態を示し、周期構造体の加工模様図である。
【図２５】本発明の第４の実施の形態を示し、λ/４板の作用図である。
【図２６】本発明の第４の実施の形態を示し、周期構造体を加工する加工ヘッドの構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１                        防振台
２                        基盤
３                        ワーク制御テーブル
５                        Ｙ軸駆動手段
５Ａ                      ワーク回転駆動部
７                        把持具
９                        Ｚ軸駆動手段
９Ａ                      垂直台
１０                      フェムト秒レーザ発振器
１０Ａ                    レーザ発生部
１０Ｂ                    ファイバーレーザ発振器
１０Ｃ                    パルスストレッチャー
１０Ｄ                    Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ再生増幅器
１０Ｅ                    パルスコンプレッサー
１０Ｆ                    レーザパワー減衰器
１０Ｇ                    励起用パルスグリーンレーザ
１０Ｈ                    電源制御部
１０Ｉ                    筐体温度安定化用冷却装置
２０                      レーザ加工ヘッド
２０Ａ                    レーザ出力部
３０                      Ｘ軸駆動手段
４０                      支持体
４１                      第一回転筒体
４２                      連絡筒
４３                      プーリー
４４                      プーリー
４５                      保持体
４６                      フランジ
４７，４７´              回転軸
４８                      軸受体
４９                      第二回転筒体（筒体）
４９Ａ                    先端部
５０                      プーリー
５１                      プーリー
６０                      ワーク移動ユニット
Ａ１，Ａ２                アイリス
ＣＰＵ                    中央制御部
ＣＯ                      加工制御部
ＤＤ                      駆動部
ＤＰ，ＤＰ´              ディンプル
ＮＣ                      ＮＣ制御部
ＫＭ                      微細周期性溝
ＫＭ´                    微細周期性溝
ＬＯ                      フェムト秒レーザ
Ｇ１, Ｇ２, Ｇ３            ガイドレール部材
ＫＢ１，ＫＢ２            確動ベルト
Ｍ１, Ｍ２, Ｍ３            モータ
ＭＯ, ＭＯ２              第一旋回モータ，第二旋回モータ
ＭＭ                      回転制御モータ
ＭＤ                      首振り手段( ガルバノメータ)
Ｍ                        反射ミラー
Ｈ                        ホモジナイザー
Ｈ１                      微細周期性溝用のホモジナイザー
Ｈ２                      ディンプル用のホモジナイザー
Ｈ３                      混合加工用のホモジナイザー
ＨＤ                      切り換え手段
Ｏ１，Ｏ２                軸芯（回転中心）
Ｐ                        λ/ ２板
Ｐ４                      λ/ ４板
ＰＯ                      照射ポイント
Ｐ１〜Ｐ３                照射点
Ｒ１                      平凹レンズ
Ｒ２，Ｒ３                平凸レンズ（集光レンズ）
ＳＴ                      シャッタ
ＳＤ，ＳＤ´              回転駆動手段
ＳＨ                      シャッタ開閉手段
ＳＯ                      均一なエネルギー分布
Ｓ１〜Ｓ６                スポット
Ｗ                        円筒ワーク
Ｗ１                      内周面
Ｗ３                      軸物ワーク
Ｗ４                      外周面
Ｗ５                      円筒ワーク
Ｗ６                      内周面
Ｗ７                      軸状ワーク
Ｗ８                      外周面
Ｗ９                      ワーク
θh                       反射ミラーの回転
θp                       λ/ ２板の回転
θ                        回転駆動
ＺＡ                      挿入深さ位置
−Ｚ、＋Ｚ                Ｚ軸方向
１００〜４００            レーザ加工機の多機能加工制御装置
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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