汎用レーザを用いた微細周期構造の創成と摺動面への応用
金沢大学 理工研究域機械工学系准教授 古本達明
(平成 22 年度一般研究開発助成 AF-2010208)
キーワード：Nd:YAG レーザ，Er:YAG レーザ，マイクロレンズ，表面周期構造

1.緒 言

出力が弱くなるガウス状の分布を呈していることがわかる．得

材料表面にマイクロオーダの加工を行う時，フォトリソグラ
フィやレーザなどを用いた各種工法が提案されている．対象とする材料がシリコンなど半導体基板の場合，フォトレジストのられた結果から，焦点位置でピーク出力に対して 1/e2 の強度を有するビーム径を算出すると 220 m であった．
2.2 マイクロレンズの作製方法

溶液を基板上に塗布してマスキングを行い，露光・現像した後実験に使用するのは，厚みが 3 mm のアクリル板(三菱レイヨンにエッチングを施して微細なパターンニングが行われている 1)．

(株)製: アクリライト EX)である．アクリル板の分光透過特性を一方，セラミックスや金属表面に対する微細加工では，レーザ

図 2 に示す．Er:YAG レーザの発振波長である 2940nm では透過率が一般的に用いられている 2)．材料に対するレーザの吸収・透過が 5%程度であることから，照射されたレーザはアクリル表面で特性や材料物性などを考慮し，波長，発振形態，出力の異なるほとんどが吸収されることがわかる．レーザが吸収されると照様々なレーザが適用されている．近年，フェムト秒やピコ秒と射部近傍は加熱され，アクリルの温度がガラス転移温度に達す

いった極短パルスレーザが普及してきたことで，これらを用いるとガラス状態からゴム弾性状態へと変化する．このとき，ア3)て加工表面の熱影響を抑えた方法が多く提案されている ．しかクリル内分子の熱運動が活発となって体積変化が生じ，力学的しながら，極短パルスレーザの適用は装置の大型化，加工量のに安定になった結果として凸型の半球状形状が得られる．レー

制限，エネルギ変換効率が低いことなど課題も有している．

ザスポットが熱源となるため局所的な加熱が可能で，フレキシ

本研究では，汎用的に用いられているレーザ発振器を用いてブルにレンズを作製できる特長を有している．

アクリル樹脂表面に簡易型のマイクロレンズを製作し，このレマイクロレンズの作製方法概略を図 3 に，実験条件を表 1 にンズを集光系として用いたレーザ加工を行い，金属試料表面に示す．実験に使用するのは，厚みが 3 mm のアクリル板である．

微細溝を加工する手法を検討する．また，ミクロンオーダで製

XY ステージ上にアクリル板を固定してレーザ照射を行った．レ

作されたヘリンボーン型の周期構造が摺動面の動摩擦力を低減ーザのスポット径やステージの移動速度によって照射されるエさせる効果について，自作した摩擦試験機を用いて検討を行っ

ネルギ密度を変えながら，様々な条件でマイクロレンズを作製たので，以下に報告する．

した 5)．得られたマイクロレンズは，実体顕微鏡(ニコン製:
SMZ1500)で観察すると共に，3 次元粗さ測定器(東京精密(株)製:

2.アクリル基板上へのマイクロレンズ作製

SURFCOM 2000DX2)で形状測定を行った．

2.1 Er:YAG レーザ

2.3 マイクロレンズの作製実験結果および考察

アクリル基板上へのマイクロレンズ作製は，波長が 2940 nm で作製した棒状マイクロレンズを実体顕微鏡および 3 次元粗さある Er:YAG(日本赤外線工業(株)製: NE-1010)レーザを用いた．

測定器で観察した結果を図 4 に示す．レーザ照射に起因したア発振されたレーザプロファイルを測定するため，光電変換素子を用いてプロファイルの測定を行った．実験に用いた素子は，
Er:YAG レーザの波長が受光可能な PbSe 素子(浜松ホトニクス(株)製: P791-02)である．素子の受光面上に直径が 10 m のピンホール(シグマ光機(株)製: PA-25HEL)を設置し，ピンホールを通過したレーザを素子で受光して，得られた電気信号をオシロスコープで記録した．そして，レーザ照射領域内でこの素子を 25 m 間隔で 2 次元走査し，各位置で得られた出力と別途測定したレーザエネルギの値からプロファイルを算出した．焦点距離が 100 mm であるレンズを介して集光させたレーザについて，ピンホールや素子の損傷を防ぐため焦点位置から 11.3mm の位置でプロファイルを測定した．
測定したビームプロファイルを図 1 に示す 4)．図から，発振されたレーザは中心付近の出力が大きく，中心から離れるにつれてー 171 ー

図 1 Er:YAG レーザのプロファイル測定結果

Transmittance %100

表 1 マイクロレンズ作製条件

80Laser
Wavelength [ nm ]Energy [ mJ/pulse ]Pulse width [ s ]Frequency [ Hz ]

60
4020
E
f

Er:YAG (PW)
2940
32200
4Thickness: 3 mm

0500

1000
1500
2000
Wavelength nm

2500(a) 波長域: 400–2500 nm(a) マイクロレンズの光学顕微鏡写真(b) 波長域: 2500-25000 nm
図 2 アクリルの分光透過特性(b) マイクロレンズの 3 次元形状(c) 中心付近の 2 次元プロファイル

図 3 マイクロレンズ作製方法概略

図 4 作製した棒状マイクロレンズ
クリル表面の熱膨張により，半円状のマイクロレンズが作製さ
300
Curvature radius mmれていることがわかる．
図 5 は照射したレーザビーム径がマイクロレンズの曲率半径に及ぼす影響を調べた結果である．マイクロレンズの曲率半径は，ビーム径が大きくなるにつれて直線的に大きくなった．照射されたレーザ光のエネルギ密度に起因して，アクリル板表面の膨張量が変化したためと考えられ，本実験よりレーザ条件を検討することで曲率半径が 140 – 290 m の範囲で可変できるこ

150
100 0とがわかった．

3.マイクロレンズを用いたステンレス板の溝加工特性

Laser: ER:YAG
Energy: 32 mJ/pulse
250 Pulse width: 200 sFrequency: 4Hz
2000.10.20.30.4
Beam diameter mm0.5

図 5 レーザ径がマイクロレンズの曲率半径に及ぼす影響

3.1 Nd:YAG レーザ
前節で作製した棒状マイクロレンズを用いて，ステンレス板表長が 532 nm のパルス型 Nd:YAG レーザ(SHG)(Continuum 製:面に対する溝加工実験を行った．溝加工実験に用いるのは，波Surelite)である．図 2 に示したように，本レーザのアクリル板

ー 172 ー

12E =12 – 24 mW/mm2
f = 10 Hz
n = 100 pulse

Groove width m108642005101520Laser energy mW/mm2

図 6 微細溝加工実験方法の概略

図 8 単位面積あたりのレーザエネルギと溝幅の関係

図 7 加工溝の電子顕微鏡観察
図 9 オーバーラップしながら加工された溝断面に対する透過率は 90%程度であり，ほとんど全てのレーザがアクリル板を透過し，マイクロレンズによって集光させることがでを図 8 に示す．図から，単位面積あたりのエネルギが増加する

きる．

につれて溝幅が広くなっていることがわかる．エネルギの増加

3.2 微細溝の加工実験方法に伴って試料内部に入熱する熱量が増加し，溶融・蒸発する領レーザ照射時のマイクロレンズ近傍概略図を図 6 に示す．発域が広がったためと考えられる．その他，照射パルス数による振されたレーザは，アクリル板の裏面から入光し加工材料に対溝幅の変化について調べたが，同様の傾向が得られた．本実験

向するマイクロレンズによって集光され，試料表面に焦点を結では，5 -10 m の範囲で溝幅を変化できることがわかった． こぶように導かれる．加工時に生じる加工くずが試料表面に付着の範囲を超える溝は，加工後に加工物に対して一定の送りを与することを防ぐため，蒸留水内で加工を行った．試料には SUS304える工程を繰り返すことで作製した．このようにして得られたステンレス鋼を用い，レーザの吸収特性を考慮して表面粗さは加工溝の断面を観察した結果を図 9 に示す．加工物に送りを与Ra=0.06 m で統一させて実験を行った．得られた加工溝は電子えることで，幅の広い加工溝が得られている．

顕微鏡(日本電子(株)製: VSM-6290LVU)で観察すると共に，各4.表面周期構造の創成による摺動面の摩擦特性改善

種条件と溝幅との関係を調べた．
3.3 微細溝の加工実験結果および考察

4.1 摺動面周期構造の設計

マイクロレンズを用いて加工された溝を電子顕微鏡で観察しマイクロレンズを用いて作製した溝形状を摺動面に適用し，た結果を図 7 に示す．図に示すように，エッジ近傍に熱影響層摩擦特性の改善効果について調べた．摺動面に周期構造を創成が残存しているが，マイクロレンズを用いることで均一な加工することで摩擦特性が改善されるという手法は以前から知られ溝が得られた．また，溝の周囲にはレーザ照射に起因した熱損ており，単純なくぼみから平行溝，スパイラル形状，ヘリンボ傷が無かった．レーザを集光させることでエネルギ密度が大きーン形状など種々提案されている．その中でも複雑形状で加工くなり，集光部では材料を溶融・除去するために十分なエネルが難しく，また，油膜剛性が大きくキャビテーションの発生をギ密度に達したが，集光されていない周辺では材料表面が変質防ぎ高い運動安定性が得られるヘリンボーン形状を選択した 6)．

するまでのエネルギが与えられなかったためと考えられる．
単位面積あたりに照射されるレーザエネルギと溝幅との関係

ヘリンボーン溝の形状は，Fleming と Hamrock が行った動的安定性の最適化解析手法を用い 7)，軸受負荷，軸角速度，許容偏心ー 173 ー

表 2 周期構造の作製条件

Laser
Wavelength [ nm ]Energy [ mJ/pulse ]Pulse width [ ns ]Frequency [ Hz ]

E


f

Nd:YAG (SHG)
532200510

図 10 設計した摺動面のヘリンボーン形状(a) 溝幅：5 m(a) 光学顕微鏡(a) 溝幅：50 m
図 12 加工されたステンレス表面の観察を行い，レーザ照射と試料の移動を繰り返しながら周期構造を(b) 3 次元プロファイル加工した．溝幅および溝間隔が 5 m および 10 m のとき，同一

図 11 ヘリンボーン溝加工に用いたマイクロレンズ

箇所に 100 パルスのレーザ照射を行って周期構造を作製した．
また，溝幅および溝間隔が 50 m および 100 m のときは，レー率，周囲圧力など摺動面の使用環境なども考慮しながら設計しザ照射時にワークを 1.2 m/s の速度で移動させながらレーザ照た．設計した摺動面のヘリンボーン形状を図 10 に示す．摩擦試射を行って周期構造を作製した．

験時の状況を考慮し，4.7×3.0 mm のステンレス板上に進行方向

図 12 は，加工された周期構造の表面を光学顕微鏡で観察したに対して対称となるようにヘリンボーン溝形状を付加した．ま結果である．図から，マイクロレンズの形状にしたがってそれた，ヘリンボーン部の溝幅および溝間隔の比は 1:1 で統一されぞれの溝幅を有する周期構造が作製されていることがわかる．ており，溝幅が摩擦特性に及ぼす影響についても併せて検討をそれぞれの加工された溝深さは 10 m であった．
4.3 摩擦試験行った．

摩擦試験に用いる装置の概略を図 13 に示す．治具に取り付け4.2 摺動面周期構造の作製
周期構造を加工するときに使用するマイクロレンズを図 11 に，られた試料は，おもりを用いて垂直荷重を与えられながら回転周期構造の加工条件を表 2 に示す．マイクロレンズは，設計し円盤に押し付けられる．このとき作用する摩擦力は，板ばねにた周期構造の間隔や角度に合わせ，向かい合う 2 本を作製した．

取り付けたひずみゲージを用いて測定し，電気信号を増幅した

そして，ステンレス板表面が焦点位置となるようにレーザ照射後にオシロスコープに出力して記録する．板ばねに生じるひずー 174 ーFrictional force N

0.4(a) 全体

Groove width:
5 m
10 m
50 m
0.3100 m
Non texture
0.20.1000.511.52Vertical load N2.53

図 14 荷重の違いによる摩擦力の変化
表 4 溝幅の違いによる摩擦係数の変化
Groove width m
Frictional coefficient

51050 100 Non
0.12 0.13 0.12 0.12 0.15(a) 摺動部拡大
図 13 摩擦試験装置
表 3 摩擦試験条件

Groove width

5, 10, 50, 100, None

SpecimenRotational substrate
Rotational speed [ mm/s ]Load [ gf ]Lubricant

SUS304
FC250
4025 - 275
Vg100

図 15 円柱試料加工用マイクロレンズ
小さい試料の方が良好であることが考えられ，さらに微細な加工ができれば摩擦力の低減効果が向上すると考えられる．このみは試料で生じた摩擦力によって一意的に決まるため，板ばねほか，乾式での摩擦試験も実施したが，本実験と同様の結果がからの出力を測定することで，別途測定した校正曲線から摩擦得られた．

力を求めることができる．摩擦試験条件を表 3 に示す．周期構

4.4 円柱軸への微細溝加工の適用造を創成した試料はステンレス板で，試料を押し付ける回転板

本手法による表面周期構造の創成によって摩擦力低減効果がはねずみ鋳鉄 FC250 である．試験は，一定速度で回転された基あることが明らかとなったため，同手法を円柱軸に適用した．

板上に潤滑油を滴下しながら行った．なお，比較のため周期構

円柱試料加工用のマイクロレンズを図 15 に示す．図に示すよう造の無い試料を用いて同様の試験を行い，周期構造の有無によに，マイクロレンズの位置によって加工する試料までの焦点距

る摩擦力低減効果についても検討した，離が異なる．そこで，レンズ径と焦点距離との関係からレーザ摩擦試験を行って荷重と摩擦力との関係を調べた結果を図 14

照射条件や走査速度を検討して，場所によってレンズ径が異なに，それぞれの溝幅での摩擦係数を算出した結果を表 4 に示す．

る棒状マイクロレンズを作製した．焦点距離の短い中央付近で摩擦力は，いずれの条件でも垂直荷重が大きくなるにつれて直はレンズ径を小さくし，焦点距離が長くなるレンズ端部にいく線的に大きくなった．また，表面周期構造の無い試料の摩擦力につれてレンズ径を大きくした．

は，周期構造を有している試料と比較して大きくなった．この

このようにして得られた曲率半径可変レンズについて，端部ことから，表面周期構造の付加による摩擦力低減効果が確認でと中央部でプロファイルを測定した結果を図 16 に示す．端部できた．しかしながら，溝幅の違いによる摩擦力の変化はほとんの曲率が 214 m，中央部での曲率が 191 m となり，それぞれほど無かった．摩擦時に生じる金属の摩耗粒子の排出が溝間隔のぼ設計通りのレンズを作製することができた．

ー 175 ーHeight mm

得られ．その変形部をレンズとして適用できた．また，マイ40r =214 mm

クロレンズの曲率半径は，レーザ照射条件を検討することで，200140 – 290 mm の範囲で可変できた．
(2) 作製したマイクロレンズを Nd:YAG レーザ（SHG）の集光系
0100200Position mm

300に用いて加工した結果，幅が 5 – 10 mm の範囲で溝形状が加工できた．また，幅が 10 mm を超える溝は，加工後に加工物(a) レンズ端部のプロファイル
Height mmに対して一定の送りを与える工程を繰り返すことで作製でき40た．

r =191 mm(3) Fleming と Hamrock による動的安定性の最適化解析手法を用20

いてヘリンボーン溝の形状設計を行い，表面周期構造の摩擦00100

200
Position mm

特性を調べた結果，表面周期構造の創成による摩擦抵抗の低300減効果が確認された．

(b) レンズ中央部のプロファイル(4) 棒状レンズの曲率を順次変更した曲率可変レンズを作製し

図 16 径可変レンズの形状評価て円柱状試料表面に溝加工を行った結果，線幅の等しい加工溝が作製できた．

謝辞

本研究の一部は，公益財団法人天田財団の一般研究開発助成(AF-2010208)によって行われたことを付記すると共に，記して深甚なる謝意を表す．また，実験に協力頂いた生産加工システ
ム講座の桑畑俊也君，加藤宏明君に感謝する．

参考文献
1) 村岡茂信，矢野満明，喜田義宏，市川耕造：フォトリソグラ
フィと微細レーザ加工による高速応答サーモパイルの作製，材料, 56, 3 (2007), 272-277.

50 mm2) 坂谷勝明，舟田義則，古本達明：セラミックスの 3 次元微細図 17 円柱試料上に加工された溝加工技術，セラミックス, 39, 12 (2004), 994-997.
3) 沢田博司：フェムト秒レーザによる機能表面形成，日本機械

図 17 は，曲率半径可変レンズを用いて円柱上に溝加工を行った結果である．直径が 4 mm の SUS304 棒の表面に対して，線幅学会誌，110, 1068 (2007), 850-852.
4) T.Furumoto, T.Ueda, A.Kasai and A.Hosokawa: Surface
Temperature during Cavity Preparation on Human Tooth byの等しい加工溝が作製できた．

Er:YAG Laser Irradiation, CIRP Annals, Manufacturing

５.結 言Technology, 60, 1 (2011), 555-558.

本研究では，汎用的に用いられているレーザ発振器を用いて

5) 山田啓司，Hery Mochtady，平出寛明，細川晃，上田隆司: レアクリル樹脂表面に簡易型のマイクロレンズを製作し，このレーザ誘起熱変形によるプラスチック・マイクロレンズの作製，ンズを集光系として用いたレーザ加工を行い，金属試料表面に微細溝を加工する手法を提案した．また，ヘリンボーン型の周期構造物を作製し，摺動面の動摩擦力を低減させる効果につい

精密工学会誌, 69, 10 (2003), 1487-1491.
6) NTN 株式会社編集チーム: ベアリングがわかる本， (2007),
159-163，工業調査会.
7) D.P.Fleming and B.J.Hamrock: Optimization of Self-actingて評価した．得られた成果は，以下の通りである．
(1) Er:YAG レーザはアクリルに対する吸収特性に優れ，照射レ

Herringbone Journal Bearings for Maximum Stability, In:ーザのほとんどが表面で吸収される．そのため，レーザ照射

6th International Gas Bearing Symposium, Southampton,に起因した材料表面の局所的な加熱によって十分な熱変形がEngland (1974), C1, 1-12.

ー 176 ー