フェムト秒レーザーによる超硬製微細金型加工技術の開発
長岡技術科学大学 機械系教授 伊籐義郎
（平成 21 年度一般研究開発助成 AF-2009217）
キーワード：フェムト秒レーザー，超硬，微細加工，LIPSS

1. 研究の目的と背景

本研究において、(1)については、短パルス高繰り返し金型は、塑性加工はじめ多くの生産加工技術において、レーザーを照明に用いた、超高速ビデオ撮影の手法を開発必須とされており、「産業の米」と称されるほどである。

し、照射パルス数の増加による加工現象の変化を、はじめ金型には、耐久性などから高硬度材料が用いられる場合がて連続的に捉えることに成功した。(2)(3)については、円多いが、これらの材料は、加工が難しく、製作に時間もか偏光のほうが均一な形状が加工されることを示した。また、かるため、コスト上昇の要因となっている。

加工穴側面の詳細観察によって、加工穴内壁面に微細な周高硬度金型材料の中でも特に超硬材料は、加工が難しく

期 構 造 、 Laser Induced Periodic Surface Structure

近年の先端加工法開発の重要な対象の一つとなっている。

(LIPSS)、 が形成されることを見出し、その周期や方向従来技術としては、放電加工があるが、工具電極の作成ががレーザーの偏光によって変化することを明らかにした。

必要であること、加工速度が遅いこと、加工表面粗さが粗くまた熱影響層が生じるため、研磨などの仕上げ加工が必

2.

実験方法要となる場合が多いこと、などの問題点を抱えている。

2-1.

穴あけ加工と加工穴表面の観察、LIPSS1-3

フェムト秒レーザーなどの超短パルスレーザーによるパルス幅 150fs、波長 785nm、繰返し 1kHz のフェム

アブレーション加工は、熱影響の極めて少ない微細加工が、ト秒レーザーを用いて、厚さ 0.5 及び 1mm の超硬板に直高硬度・脆性材料に対しても可能である。近年では、超硬径 300μm の円形の穴開け加工を行なった。ビーム走査に材料に対するフェムト秒レーザー加工の研究が行われては、ガルバノスキャナーを用い、焦点距離 80mm のレンおり、切削加工や放電加工に替わる直接加工法として期待ズで試料表面に大気中で集光し、加工した。パルスエネルされる。

ギーを 0.8ｍJ として 、焦点位置、レーザーの走査速度と、そこで、本研究では、以下の点を目的として研究を始め加工速度、加工形状精度、加工面粗さなどの相関を調べた。

た。

加工した穴の中心を通る位置で試料を切断し、走査型電子（１） フェムト秒レーザーによる超硬へのアブレーショ顕微鏡（SEM）によって断面を観察、加工穴形状と内壁ン加工について、加工条件と、加工特性、加工品面の表面性状を調べた。

質との相関について、実験的に調べる。加工現象

2-2.

を、レーザーを光源とする高速撮影法で観察し、レーザーを光源とする超高速撮影システム 4

加工条件の相互の関連性を調べるために、加工現象の可パラメータの相互関係を明らかにする。

視化を試みた。照明光として、短パルスレーザー光を用い（２） レーザー光の偏光、走査方法が、形状精度に与えた、高速度ビデオカメラによる超高速撮影システムを開発る影響について、検討する。また、超硬の性質がした。このシステムの特徴は、レーザー光の波長のみで撮加工条件にどのように影響するかについても、検影することでプラズマ発光の影響を低減できること、また、討する。

比較的簡単な光学系で、拡大観察が可能なこと、さらに、（３） レーザー光の照射角度や偏光方向の制御により、撮影の時間分解能が、カメラのシャッター速度ではなく、加工部側壁のテーパを除去する、あるいはオーバレーザーのパルス幅によって決まるので、ns はもちろん、ーハング形状に加工する方法を開発する。

レーザーを選べば ps あるいは fs オーダーの撮影が可能なー 217 ー

ことである。

あけるために、ビームの走査径を 260μm に設定した。こ図 1 に、今回用いたイメージングシステムの概略図を示の条件では、加工部中心にはレーザー光は照射されないのす。撮影には、フォトロン社製の高速度カメラ、Fastcamで直接は加工されず、円筒形に残る。このコアの部分は、SA1.1 を用い、照明には、Spectra-Physics 社製の Q-スイ穴が貫通する直前に、レーザー照射側に飛び出てくるか、

ッチ Nd:YAG レーザー、Y70S-532Q を用いた。この場合あるいは、抜け落ちるのが観察された。には、撮影速度が速くなると画像の解像度が低下するため、レーザー光の偏光の影響を調べた。直線偏光のまま加工空間分解能が劣化してしまう問題がある。このため、撮影を行うと、穴の出口側の形状は円形にはならず偏光方向に速度の限界は 50kHz となった。その際の、各レーザーパ延びた楕円形になってしまった。ビームの走査径（加工穴

ルスとカメラ撮影のタイミングチャートを図 2 に示す。フ径）を小さくすると、扁平度は大きくなり、コアが出来なェムト秒レーザーの 1 パルス目から 1000 パルス目までのい 60μm の走査径では、変形した十字型になった。一方波それぞれに対して、パルス照射毎に 20μs 間隔で 50 枚の長板を用いて直線偏光を円偏光に変え加工を行ったとこ

連続写真が撮影でき、照射パルス数によって加工現象がどろ、入口側、出口側ともに円形の加工穴が得られた。これのように変化していくのかを観察することが可能になっらの結果を図 3 に示す。直線偏光の場合、トレパニング操た。

作によって照射位置が移動すると、位置によって偏光方向が加工壁面に対して変化し、p-偏光と s-偏光の成分比が変3.

実験結果と考察化する。壁面への入射角が大きいので、p-と s-偏光成分の3-1. トレパニングによる超硬の穴あけ加工 1-3

吸収率（反射率）に大きな差が生じ、これが加工穴形状のガルバノスキャナーを用いた場合の集光径はおよそ変形に関係している、と考えられる。円偏光の場合には、30μm であったので、300μm 径の貫通丸穴を超硬の板にこの様な位置による成分の変動が起こらないので、均一に加工が進展し、円形の加工穴が得られる。加工穴のテーパは円偏光の場合が小さく、直線偏光の場合は図 4 に示すよ
うに、偏光方向と垂直方向の断面で大きく、平行方向の断面では、円偏光の場合と同じ程度に小さかった。
図 5 に、円偏光で加工した場合の、走査速度による加工の進展状況を、同一の照射エネルギー量で比較した結果を示す。走査速度が 0.035mms-1 と遅い場合と 15mms-1 と速い場合を比較すると、走査速度が速い方が加工の進展は

図1

図2

高速度連続イメージングシステム概略図

撮影速度 50kHz の場合の、ポンプレーザー（上図3

直線偏光（上段）と円偏光（下段）でトレパニング段）とプローブレーザー（中段）およびカメラのシャッタ加工した貫通穴の裏面（出口側）の形状。加工穴径は左かー（下段）のタイミングチャート。

らそれぞれ 300, 200, 100 μm である。

ー 218 ー

速いがテーパは大きくなった。焦点位置は、試料表面に合ェムト秒レーザー照射によって、多くの物質の表面に形成わせた方が、試料内部あるいは表面手前に合わせた場合とさ れ る こ と が 知 ら れ て い る Laser Induced Periodic

比べて、加工速度が大きく、かつテーパの小さい良好な形

Surface Structure, LIPSS あるいは ripple と同様の表状の穴加工が出来た。

面構造である。周期構造の間隔は、レーザー波長より小さい場合が多く、レーザーを用いた表面へのナノ構造付与技

3-2.

加工穴側壁面への LIPSS の形成3術として注目され、様々な研究がおこなわれている。多く

加工穴の側面を詳しく観察したところ、規則的な周期構の場合、 レーザーを試料表面に対して垂直に照射して周造が全面に形成されていることが、わかった。これは、フ期構造を形成し、その性状や形成メカニズムについて議論されている 5,6。我々が今回見出したような、加工穴側壁での LIPSS 形成は、銅に対する加工で報告があるが、詳細な検討は行われていない 6。
図６に、円偏光を用いた場合に、加工穴内壁面に形成された LIPSS の走査顕微鏡（SEM）写真を示す。LIPSSの方向は試料表面に平行（レーザー照射軸に対して垂直）方向で、加工穴内壁の全面にわたって、均一に形成された。
その間隔は約 300nm で、レーザー波長の半分以下である。
SEM 写真では、LIPSS は超硬の WC 粒子の表面にのみ形成され、バインダーである Co は、欠落しているように見図4直線偏光で加工した 300μm 径の貫通穴の断面写真。

テーパは偏光方向と垂直方向の断面（左側）で大きく、平行方向の断面（右側）では、小さい。

える。Co は WC と比べて融点が低いので、加工過程で優先的に蒸発したものと考えられる。
直線偏光を用いた場合に、偏光方向と照射位置での入射面とのなす角αを、図 7 のように定義すると、αはトレパニングの過程で連続的に変化する。加工穴内壁面に形成された LIPSS の SEM 写真を図 8 に示す。LIPSS の方向は、αによって変化し、α=0°の場合の水平方向（円偏光の場

図5

円偏光の場合の、走査速度による加工の進展状況の比較。同一の照射エネルギー量での断面観察結果。走査速

図6

度が 0.035mms-1 と遅い場合（上段）と 15mms-1 と速いの走査顕微鏡（SEM）写真。LIPSS の間隔は約 300nm

場合（下段）では、速い方が加工の進展も速いがテーパはで、レーザー波長の半分以下である。周期構造の方向は試大きくなる。中心のコア部は貫通時まで残る。下段の 441

料表面に平行（レーザー照射軸に対して垂直）で、加工穴ｋJ/cm2 のコア部は断面を磨いている際に欠落した。

内壁の全面にわたって、均一に形成された。

ー 219 ー

円偏光を用いて加工穴内壁面に形成された LIPSS

図7

直線偏光（黒の 2 重矢印）と穴側面への入射面とのなす角αの定義。位置 A,D ではα=0°, C,F ではα=90°になる。αはトレパニングの過程で連続的に変化する。

図9

周期構造の間隔の、偏光方向と照射位置での入射面とのなす角αによる変化。

れると報告されており、今回のように同時に形成される例はない。周期構造の間隔については、今後さらに検討する必要がある。
LIPSS の方向もまた、αによって変化する。LIPSS の方向角βを図 10 のように定義し、βをαの関数として示すと、図11のようになった。一般に LIPSS は偏光の電場ベクトルと垂直の方向にできるとされている。しかし、図11
図 8

直線偏光を用いて加工穴内壁面に形成されたの結果は、入射レーザーの偏光方向からだけでは、再現でLIPSS の走査顕微鏡（SEM）写真。(a) α=0°, (b) α=30°,きなかった。そこで、我々は3−1で示したような p-成分と(c) α=60°, (d) α=90°である。LIPSS の間隔は(a)では約s-成分の影響の結果を踏まえて、大きな入射角の場合の300nm であるが（d）では長い周期と短い周期の 2 種類のp-成分と s-成分の吸収率の差を考慮に入れ、LIPSS が吸構造が認められる。

収された光電場の方向と垂直方向に形成されるというモデルを作り、それに基づいてβのαによる変化を計算した。

合と同じ）から、α=90°の場合の垂直方向まで、連続的その結果を図 11 に示す。入射角を 82°とした場合に、実に変化した。また、間隔は、α=0°では約 300nm と円偏光の場合と同じであるが、αが 60°以上になると長い周期と短い周期の 2 種類の構造が認められ、α=90°では長い周期はレーザー波長と同程度にまでなった。αによる周期の変化を図 9 に示す。αが 60°より大きくなると２つの周期構造が認められ、短い周期は約 120nm と波長の 6 分の1 以下になるが、長い周期はαが90°に近いほど長くなった。
こ れ ま で の 研 究 で も Low Spetial Frequency LIPSS(LSFL) と 呼 ば れ る 長 い 周 期 構 造 と High Spetial
Frequency LIPSS (HSFL)という短い周期構造の存在が報告されている 7-11、これらは異なる照射条件下で形成さ

図 10

ー 220 ーLIPSS の方向角βの定義

図 12

超硬をフェムト秒レーザーでパーカッション加工した際の 1 発目から 1000 発目までの照射部の変化。パルス照射と同時に撮影した画像。中心の白い部分はプラズマ、周囲の黒色部が堆積したデブリの部分。
図 11 LIPSS の方向角EのDによる変化。実線は我々のモデルに基づいて入射角 82°で計算した場合の計算値。実ラズマ、周囲の黒色部が堆積したデブリの部分である。デ験値とよく一致している。

ブリの堆積範囲がパルス数とともに徐々に広がっていくのがわかる。この黒変部は超音波洗浄によって除去される

験結果を再現できた。この入射角はレンズの焦点距離などので、微細な粉末状のデブリが表面に堆積している範囲でから考えて、妥当な値である。この結果は、トレパニングあると考えられる。の際に、ビームの位置に合わせてレーザーの偏光方向を制ビデオ画像の中に、間欠的に粒子状のデブリが加工穴か御すれば、加工穴内壁面に、望む方向にそろった微細な溝ら放出される様子が撮影されているのが、見つかった。図を形成できることを示している。このようなナノスケール

13 にその例を示す。最上段に示した 202 発目の照射後のの微細構造は、表面特性の制御に非常に有効であり、今後画像に、白丸で囲った 2 つの黒点のペアが移動していく様一層の展開を図っていきたい。

子が写っている。これは3-3.

していく様子を撮影したものである。黒点がペアで写って高速度撮影による加工過程の時間分解観察：照射パルス数による変化

加工部から粒子が放出され移動いるが、これは撮影配置の幾何的な効果で、ひとつの粒子フェムト秒レーザーによる加工は、多数のパルスを連続が撮影用レーザー光を入射時と反射時の２回遮ることに的に照射しながら、アブレーションによって所望の形状をなるためである。この２つの黒点の位置から、簡単な３角作り出すものが多い。この場合、同一個所に複数のパルス法で粒子の移動速度や方向を求めることができる。次のを重ねて照射することになり、それまでに照射されたパル203 発目のパルス照射後の画像にはこのような黒点は写スによって形状等が変化した場所に、次のパルスが当たるっていないので、このような粒子の放出は、不規則に間欠ことになる。したがって、加工現象は照射パルス数によっ的に起こることがわかる。例えば、992 パルス後の画像にて変化するはずである。フェムト秒レーザー加工において、も黒点のペアが認められるが、その速度は 202 発目と比レーザーの走査速度や走査経路によって加工特性が変化べてかなり遅くなっている。照射パルス数と粒子の放出することがあるが、これは、このようなパルス累積の効果頻度の関係を、６回の撮影から統計的にまとめた結果を棒が影響していると考えられる。我々は 2-2 で述べた超高速グラフにして図 14 に示す。図には別に求めた加工穴深さ撮影システムを用いて、超硬のパーカッション穴あけ過程のデータも示した。照射パルス数が 200 から 300 の範囲を、1 パルスから 1000 パルス目まで撮影し、加工現象ので放出粒子数が一番多かった。加工過程で不規則に生起す累積パルス数による変化を連続して観察した。図 12 に 1る現象を捉え、統計的に検討することができた。このようから 1000 発までの、レーザー照射と同時に撮影した画像な観察は、走査速度と走査経路が加工特性に与える影響をを一部抜き出して示す。中心の白い部分はレーザー誘起プ検討する上で有効である。

ー 221 ー

円偏光では水平
円平方向に 300nmm 間隔で全面面にわたって形形

20µs

40µs

60µs

80µs

成された。直線成線偏光の場合にには LIPSS の方向、間隔ともに、偏光方向も向と照射位置ででの入射面とののなす角αに依
依202nd puulse

存して変化した存た。
（３３）

203rd puulse

レーザ
ザーを光源とすする超高速ビデデオ撮影法をを開発し、パーカ開ッション加工工過程を撮影、累積パルス数数の増加に伴う加の加工部の変化をを観察した。ままた、加工部かから粒子の放出がらが間欠的に発生生していることとを観察、統計計

60µs

100µs

140µs

180µs

的な解析を試み的みた。
今後、加工穴
穴内面の LIPS
SS の機能の検検討、形状加工工

992nd puulseにおける走査速に速度や経路と加加工品質の関係係についてのの検討を進めてい検いく計画である
る。

1 mm
図 13 加工部部からの粒子のの放出を撮影した画像。最上上段

5. 謝

辞の 202 発目のの照射後の画像
像に、白丸で囲囲った 2 つの黒黒点

本研究は、
本
天田金属加工機械
械技術振興財団
団平成 21 年度
度のペアが移動動していく様子子が写っているる。次の 203 発発目

一般般研究開発助
助成 AF-20092217 の他、科学学研究費補助助の画像（中段段）ではこのような点は認めめられない。同 じよ金基基盤研究(B) 22360060 のの支援を受けて行われた。

うな黒点の像像は下段に示しした 992 発目ででも観察されたた。
4030253001) K. X. Pham, R.
R Tanabe, and Y
Y. Ito, J. Laser Appl. 24,250007 (2012)
0320

20020150

151001055000h l depth
holed th / μm

35
number of ejected debris

参考文
文献

350
ejected debris
hole depth2) K. X. Pham, K Saginawa, R
R. Tanabe, and Y.
Y Ito, Proc.
29th ICALEO, LIA Pub#613, Vol..103, 1270-1275
3) K. X. Pham, R.
R Tanabe, and Y
Y. Ito,(to be submitted)4）R
R. Tanabe, Y. Kikuchi
Kand Y. Ito, Proc LPM2012 (inprepparation) (2012))

100 2 00 300 400 500
0 600 700 800 900 1000
numbe r of pulse5）A
A. Y. Vorobyev
v, V. S. Makin,, and C. Guo, Phys. Rev. Lett.

図 14 照射パ
パルス数と粒子子の放出頻度ののヒストグラム
ム。

102,, 234301 (2009)

6 回の撮影結結果を統計的ににまとめた。

6） A. Weck, T. H. R. Crawfordd, D. S. Wilkinson, H. K.
Hauugen, and J. S. Preston,P
Appl. PPhys. A 89, 10001 (2007)

4.

まとめ

7）JJ. Bonse, A. Ro
osenfeld, and J. Kruger, Appl. Surf. Sci. 257,

フェムト秒秒レーザーを用用いた超硬の微微細加工についいて、5420
0 (2011)

検討した。

8）RR. Le Harzic, D.
D Dorr, D. Saueer, F. Stracke, anda H.

（１）

Zim
mmermann, App
pl. Phys. Lett. 988, 211905 (2011)

トレパニングによる穴開け加工において、円偏光の場合ににテーパが少い
い均一な形状のの加工がおこ なえ

9) G. Miyaji and K. Miyazaki, O
Opt. Express 166, 16265 (2008)

た。焦点位
位置は試料表面面にある場合がが、加工速度、形状

10) Costache, M. Henyk, and J. Reif, Appl. Surrf. Sci. 186,ともに優れれていた。

352 (2002)（２）

加工穴内壁面に、LIPSS の形形成が認められれた。

LIPSS の方
方向と間隔はレレーザーの偏光光に大きく依存存し、d J. Reif, Appl.
11) O. Varlamova, F. Costache, M. Ratzke andSurff. Sci. 253, 7932
2 (2007)

ー 222 ー