特許 7033867 人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法及びシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-03

(45)【発行日】2022-03-11

(54)【発明の名称】人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法及びシステム

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/361 20140101AFI20220304BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20220304BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20220304BHJP

【ＦＩ】

B23K26/361

B23K26/00 N

B23K26/082

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2017167036

(22)【出願日】2017-08-31

(65)【公開番号】P2019042755

(43)【公開日】2019-03-22

【審査請求日】2020-08-27

(73)【特許権者】

【識別番号】593185670

【氏名又は名称】イムラ アメリカ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094112

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 讓

(74)【代理人】

【識別番号】100106183

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 弘司

(74)【代理人】

【識別番号】100114915

【弁理士】

【氏名又は名称】三村 治彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120363

【弁理士】

【氏名又は名称】久保田 智樹

(74)【代理人】

【識別番号】100125139

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 洋

(72)【発明者】

【氏名】糸魚川 文広

(72)【発明者】

【氏名】小野 晋吾

(72)【発明者】

【氏名】須藤 正明

【審査官】豊島 唯

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１７５１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０８５３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１６４８０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０

Ｂ２８Ｄ １／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法であって、
パルス幅が１フェムト秒以上１０ピコ秒以下の超短パルスレーザを超短パルスレーザ源から出射するステップと、
人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面における前記超短パルスレーザのフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満となるように、光学系装置を介して前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に照射することにより、前記ワーク加工面の結晶性を向上するステップと、
前記光学系装置を介して照射される前記超短パルスレーザと前記ワーク加工面との相対位置又は相対姿勢を制御して、前記光学系装置を介して照射される前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して走査するステップと
を備える方法。

【請求項2】

前記加工閾値は１６．２ｍＪ／ｃｍ^２である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ワーク加工面におけるフルエンスが、５．６ｍＪ／ｃｍ^２以上１４．９ｍＪ／ｃｍ^２以下である、請求項１または２のいずれかに記載の方法。

【請求項4】

前記ワーク加工面におけるフルエンスが、１０．０ｍＪ／ｃｍ^２以上１４．９ｍＪ／ｃｍ^２以下である、請求項１または２のいずれかに記載の方法。

【請求項5】

前記照射するステップが、前記超短パルスレーザの光軸が前記ワーク加工面に交差する状態で前記超短パルスレーザをデフォーカスするステップを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

ナノ秒ＵＶパルスレーザをナノ秒ＵＶレーザ源から出射するステップと、
前記ナノ秒ＵＶパルスレーザをビーム形成光学系によってビーム形成するステップと、
前記ビーム形成されたナノ秒ＵＶパルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に接触及び走査して前記ワーク加工面を整形するステップと
をさらに備える、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記照射するステップが、前記超短パルスレーザをビーム形成するステップ及び前記ビーム形成された超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に接触させるステップを含み、
前記走査するステップが、前記ワーク加工面に対して平行に接触した超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に走査するステップを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記ワーク加工面における前記超短パルスレーザのフルエンスが前記ワーク加工面の加工閾値以上となるように、前記光学系装置を介して前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して平行に接触させるステップと、
前記ワーク加工面に対して平行に接触した前記超短パルスレーザと前記ワーク加工面との相対位置又は相対姿勢を制御して前記超短パルスレーザを前記ワーク加工面に対して走査するステップと
をさらに備える、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記人工ダイヤモンドコーティングが、化学気相蒸着によって形成された多層ダイヤモンドコーティングである、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記ワーク加工面が切削工具の刃先の一部又は全部である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

人工ダイヤモンドコーティング領域を処理するシステムであって、
パルス幅が１フェムト秒以上１０ピコ秒以下の超短パルスレーザを出射する超短パルスレーザ源と、
前記超短パルスレーザのプロファイルを調整する光学系装置と、
人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面の位置及び姿勢を制御するワーク保持機構と、
前記プロファイルが調整された超短パルスレーザの前記ワーク加工面におけるフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満となる状態で、前記プロファイルが調整された超短パルスレーザが前記ワーク加工面を走査することにより前記ワーク加工面の結晶性を向上するように前記光学系装置及び前記ワーク保持機構を制御する制御装置と
を備えるシステム。

【請求項12】

前記加工閾値は１６．２ｍＪ／ｃｍ^２である、請求項１１に記載のシステム。

【請求項13】

前記ワーク加工面におけるフルエンスが、５．６ｍＪ／ｃｍ^２以上１４．９ｍＪ／ｃｍ^２以下となるように構成された、請求項１１に記載のシステム。

【請求項14】

前記ワーク加工面におけるフルエンスが、１０．０ｍＪ／ｃｍ^２以上１４．９ｍＪ／ｃｍ^２以下となるように構成された、請求項１１に記載のシステム。

【請求項15】

前記光学系装置が、前記超短パルスレーザの光軸が前記ワーク加工面に交差する状態で前記超短パルスレーザをデフォーカスするデフォーカス光学系からなる、請求項１１から１３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項16】

ナノ秒ＵＶパルスレーザを出射するナノ秒ＵＶレーザ源と、
前記ナノ秒ＵＶパルスレーザをビーム形成するビーム形成光学系と、
前記ビーム形成されたナノ秒ＵＶパルスレーザを光軸方向に垂直な方向に移動させるビーム走査機構と
をさらに備え、
前記制御装置が、前記ビーム形成されたナノ秒ＵＶパルスレーザが前記ワーク加工面に対して平行に接触及び走査するように、前記ビーム走査機構又は前記ワーク保持機構を制御するように構成された、請求項１５に記載のシステム。

【請求項17】

前記光学系装置が、前記超短パルスレーザをビーム形成するビーム形成光学系及び前記ビーム形成された超短パルスレーザを光軸方向に垂直な方向に移動させるビーム走査機構を含み、
前記制御装置が、前記ビーム形成された超短パルスレーザが前記ワーク加工面に対して平行に接触及び走査するように、前記ビーム走査機構又は前記ワーク保持機構を制御するように構成された、請求項１１から１４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項18】

前記制御装置がさらに、前記ビーム形成された超短パルスレーザから前記ワーク加工面に与えられるエネルギーが前記ワーク加工面の加工閾値未満の値及び該加工閾値以上の値の間で切り換えられるように、前記ビーム走査機構又は前記ワーク保持機構を制御するように構成された、請求項１７に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法及びシステムに関し、より詳細には人工ダイヤモンドコーティングの結晶性を向上するための方法及びシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

切削工具などの刃部に人工ダイヤモンドコーティングを施す技術が知られている。例えば、特許文献１は、連続する山形歯からなる刃部が形成されたブレードの切断性能を向上するために刃部に人工ダイヤモンドコーティングが施されることを開示する。また、特許文献２は、切削工具を用いて軟質金属に切削加工をする際に軟質金属においてバリが発生しないようにするために切削工具の刃先部分の側面に人工ダイヤモンドコーティングが施されることを開示する。その他人工ダイヤモンド乃至はＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）コーティングに関しては、種々の技術が報告されている（非特許文献１～１１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－５５４０７号公報

【文献】特開２００４－４２１９５号公報

【非特許文献】

【0004】

【文献】角谷均、「高圧合成ダイヤモンドの新展開」、精密工学会誌、Ｖｏｌ．７６、Ｎｏ．１２、２０１０

【文献】八田章光、住友卓、平木昭夫、伊藤利通、「プラズマＣＶＤ法による高品質ダイヤモンドの合成」、プラズマ・核融合学会誌、Ｖｏｌ．７６、Ｎｏ．９、２０００

【文献】渡邉政嘉、吉川昌範、「ダイヤモンドコーティング切削工具によるセラミックスの切削」、精密工学会誌、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．９、２００９

【文献】Ｈｔｅｔ Ｓｅｉｎ、Ｗａｇａｒ Ａｈｍｅｄ、Ｍａｒｋ Ｊａｃｋｓｏｎ、Ｒｏｂｅｒｔ Ｗｏｏｄｗａｒｄｓ、Ｒｉｃｃａｒｄｏ Ｐｏｌｉｎｉ、「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＶＤ ｄｉａｍｏｎｄ ｃｏａｔｅｄ，ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ ＷＣ－Ｃｏ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ ｄｅｎｔａｌ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ、Ｖｏｌ．４４７－４４８、３０、２００４

【文献】Ｄｉａｎｅ．Ｓ．ｋｎｉｇｈｔ、Ｗｉｌｌｉａｍ．Ｂ．Ｗｈｉｔｅ、「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉａｍｏｎｄ ｆｉｌｍｓ ｂｙ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、Ｖｏｌ．４、Ｉｓｓｕｅ ２、１９８９

【文献】Ｍ．Ｐａｎｄｅｙ、Ｒ．Ｄ‘ Ｃｕｎｈａ、Ａ．Ｋ．Ｔｙａｇｉ、「Ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ＣＶＤ ｄｉａｍｏｎｄ： Ｒａｍａｎ ａｎｄ ＸＲＤ ｓｔｕｄｉｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ、Ｖｏｌ．３３３、Ｉｓｓｕｅｓ １－２、２００２

【文献】Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｋｕｒｉｙａｍａ、Ｓｅｉｉｃｈｉ Ｋｉｙａｍａ、Ｓｈｉｇｅｒｕ Ｎｏｇｕｃｈｉ、Ｔａｋａｓｈｉ Ｋｕｗａｈａｒａ、Ｓａｔｏｓｈｉ Ｉｓｈｉｄａ、Ｔｏｍｏｙｕｋｉ Ｎｏｈｄａ、Ｋｅｉｉｃｈｉ Ｓａｎｏ、Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｉｗａｔａ、Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｋａｗａｔａ、Ｍａｓａｔｏ Ｏｓｕｍｉ、「Ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｏｌｙ－Ｓｉ Ｆｉｌｍ Ｇｒａｉｎ Ｓｉｚｅ ｂｙ Ｅｘｉｍｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｏｌｙ－Ｓｉ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ」、Ｊｐｎ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、１９９１

【文献】Ｊ．Ｗ．Ｌｅｅ、Ｈ．Ｓｈｉｃｈｉｊｏ、Ｈ．Ｌ．Ｔｓａｉ、Ｒ．Ｊ．Ｍａｔｙｉ、「Ｄｅｆｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｏｆ ＧａＡｓ ｌａｙｅｒｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ ｏｎ Ｓｉ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ、１９８７

【文献】Ｔ．Ｓａｍｅｓｈｉｍａ、Ｓ．Ｕｓｕｉ、Ｍ．Ｓｅｋｉｙａ、「ＸｅＣｌ Ｅｘｉｍｅｒ ｌａｓｅｒ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙ－Ｓｉ ＴＦＴ‘ｓ」、ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９８６

【文献】閻紀旺、「高速レーザ照射による単結晶Ｓｉ研削加工ダメージの完全修復」

【文献】Ｐ．Ｍｅｒｅｌ、Ｍ．Ｔａｂｂａｌ、Ｍ．Ｃｈａｋｅｒ、Ｓ．Ｍｏｉｓａ、Ｊ．Ｍａｒｇｏｔ、「Ｄｉｒｅｃｔ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐ３ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｄｉａｍｏｎｄ－ｌｉｋｅ－ｃａｒｂｏｎ ｆｉｌｍｓ ｂｙ ＸＰＳ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９９８

【文献】糸魚川文広、井上京士、小野晋吾、須藤正明、「フェムト秒レーザ照射によるＣＶＤダイヤモンドコーティングの改質」、一般社団法人、日本機械学会、Ｎｏ．１７－１、日本機械学会２０１７年度年次大会

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、ダイヤモンドは炭素のｓｐ３結合からなり、グラファイト（黒鉛）は炭素のｓｐ２結合からなり、ＤＬＣはダイヤモンドとグラファイトの両方の結合からなるアモルファス構造（非晶質構造）を有する。すなわち、ＤＬＣでは、ダイヤモンド結合であるｓｐ３とグラファイト結合であるｓｐ２が混在する。ｓｐ３結合では炭素原子が密に結合されているため、ｓｐ３結合はｓｐ２結合よりも強く、ダイヤモンド特有の高い硬度に寄与する。ＣＶＤのように人工的に合成されたダイヤモンドは、ＤＬＣのような性質を示すことが多い。したがって、人工ダイヤモンドを用いるアプリケーションにおいてダイヤモンドに近い高い硬度が求められる場合には、その結晶構造を改質してｓｐ３結合の割合を増加させることが望ましい。このように、ＤＬＣの結晶性の向上が望まれる場合がある。

【0006】

そこで、本開示は、ワークに施された人工ダイヤモンドコーティング領域におけるダイヤモンドの結晶性を向上するための方法及びシステムを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様によると、人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法が提供される。その方法は、パルス幅が１フェムト秒以上１０ピコ秒以下の超短パルスレーザを超短パルスレーザ源から出射するステップと、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面における超短パルスレーザのフルエンスを人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満となるように、光学系装置を介して超短パルスレーザをワーク加工面に照射するステップと、光学系装置を介して照射される超短パルスレーザとワーク加工面との相対位置又は相対姿勢を制御して、光学系装置を介して照射される超短パルスレーザをワーク加工面に対して走査するステップとを備える。

【0008】

本開示の他の態様によると、人工ダイヤモンドコーティング領域を処理するシステムが提供される。そのシステムは、パルス幅が１フェムト秒以上１０ピコ秒以下の超短パルスレーザを出射する超短パルスレーザ源と、超短パルスレーザのプロファイルを調整する光学系装置と、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面の位置及び姿勢を制御するワーク保持機構と、プロファイルが調整された超短パルスレーザのワーク加工面におけるフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満となる状態で、プロファイルが調整された超短パルスレーザがワーク加工面を走査するように光学系装置及びワーク保持機構を制御する制御装置を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明によると、ワークに施された人工ダイヤモンドコーティング領域におけるダイヤモンドの結晶性を向上するための方法及びシステムが実現される。これにより、ワークの高精度な加工が可能となり、ワークが工具として使用される場合の工具の長寿命化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態による工具作製用のシステムを示すブロック図である。

【図2】第１の実施形態における光学系装置の模式図である。

【図3】第１の実施形態の第１実施例における、ＰＬＧによる表層除去を説明する図である。

【図4】第１の実施形態の第１実施例における各領域のＳＥＭ像を示す図である。

【図5】第１の実施形態の第１実施例における各領域のラマンスペクトルを示す図である。

【図6】第１の実施形態の第１実施例における各領域のＣ（１ｓ）のＸＰＳスペクトルを示す図である。

【図7】第１の実施形態の第１実施例における各領域のＮ（１ｓ）のＸＰＳスペクトルを示す図である。

【図8】第１の実施形態の第１実施例における各領域のＯ（１ｓ）のＸＰＳスペクトルを示す図である。

【図9A】第１の実施形態の第１実施例における各領域のＸ線吸収分光測定（オージェ電子収量法）の結果を示す図である。

【図9B】第１の実施形態の第１実施例における各領域のＸ線吸収分光測定（全電子電子収量法）の結果を示す図である。

【図10】第１の実施形態の第２実施例における刃先の耐摩耗性試験を説明する図である。

【図11】第１の実施形態の第２実施例における切削試験後の刃先の光学顕微鏡写真である。

【図12】第１の実施形態の第２実施例における切削試験後の刃先のＳＥＭ像を示す図である。

【図13】第２の実施形態による工具作製用のシステムを示すブロック図である。

【図14】第２の実施形態における各領域のＳＥＭ像を示す図である。

【図15】レーザの加工形態を説明する図である。

【図16】ＰＬＧによる整形処理を説明する図である。

【図17】ＰＬＧにおけるレーザの光軸方向への加工の進展を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜人工ダイヤモンドコーティングの概要＞
１．人工ダイヤモンド
ダイヤモンドは宝石として価値を有する一方で、高い工業的利用価値も有する。ダイヤモンドは、最も高い硬度、高い熱伝導率、小さい熱膨張係数を有し、これにより耐摩耗性、熱拡散性、熱衝撃耐性に優れ、工学的に理想的な性質を有する。この性質によって、上記の高い工業的利用価値がもたらされる。そのため、光学分野、電気・電子分野、機械工作の分野などの幅広い分野でダイヤモンドの応用が進められており、ダイヤモンドは特に研磨、切削などの工業的用途に広く利用されている。しかし、天然ダイヤモンドの利用には、一般に、ダイヤモンド自体のコストが高いこと、天然ダイヤモンドの埋蔵量が少ないこと、及び採掘にもコストがかかることといった問題が伴う。また、ダイヤモンドは地球内部の非常に高温高圧な環境で生成されるために定まった形状で産出されない。したがって、産出されたダイヤモンドを成形することが必要となる。またさらに、ダイヤモンドの高い硬度は、それ自体が利点である一方で、加工性の低さをもたらしてしまう。そのため、天然ダイヤモンドの利用は全体として高コストなものとなってしまう。

【0012】

そこで、近年、人工的にダイヤモンドを合成する技術が開発されてきた。人工ダイヤモンドは、主に高温高圧合成（ＨＰＨＴ）（例えば、非特許文献１参照）又は化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）（例えば、非特許文献２参照）によって合成される。

【0013】

人工ダイヤモンドを合成する技術に伴い、天然ダイヤモンドと同様に、光学分野、電気・電子分野、機械工作の分野などの幅広い分野で人工ダイヤモンドの応用が進められている。上記の人工ダイヤモンド合成手法の利点は、ダイヤモンドの合成にかかる費用が天然ダイヤモンドの利用にかかる費用に比べて格段に少ないことである。さらに、合成方法によって異なるものの、人工ダイヤモンドは、硬度、熱・電気伝導性、電子移動度において天然ダイヤモンドよりも優れた特性を有する。この特性によって、研磨剤、切削工具、ヒートシンク、半導体などとしての人工ダイヤモンドの利用がさらに容易となった。特に、切削工具の表面にＣＶＤダイヤモンドをコーティングした多層ＣＶＤダイヤモンドコーティング工具は安価であり、切削性能にも優れることから、その利用が拡大している（例えば、非特許文献３及び４参照）。

【0014】

２．ＣＶＤダイヤモンドコーティング
ＣＶＤダイヤモンドコーティング工具の製造方法は以下の通りである。まず、工具母材表面にダイヤモンドの核が生成される。次に、工具母材表面の核が成長してダイヤモンド粒となり、ダイヤモンド粒同士が結合して膜を形成する。このＣＶＤによって作られるダイヤモンド膜は、ダイヤモンドの多結晶体である。通常、多結晶といわれているダイヤモンド焼結体にはＣｏやＳｉなどの焼結助剤が混入しているため、ダイヤモンドの占める割合は７０～９０％程度である。これに対して、気相合成ダイヤモンドでは１００％がダイヤモンドであるため、焼結体とは大きく異なる。

【0015】

ＣＶＤダイヤモンドコーティング工具は安価でかつ切削性能も優れているため、産業的利用価値が高い。しかし、高硬度ゆえの加工の難しさは、天然ダイヤモンドにおいても人工ダイヤモンドにおいても同じである。例えば、ＣＶＤダイヤモンドコーティング工具においては、精密切削で必要とされるシャープな刃先を機械的な研磨によって得ようとすると多大な時間を要してしまうこと、刃先における粒子の脱落やチッピングが発生してしまうことなどが問題となる。現存する主なダイヤモンドの加工法としては、前述したダイヤモンドの粉を用いた研磨加工、放電加工、イオンビーム加工及びレーザ加工が挙げられる。

【0016】

ここで、レーザ加工は光と材料の相互作用によるものであり、レーザのパルス幅とパワー密度によって加工の形態が異なる。図１５に、レーザのパワー密度とパルス幅に対する加工形態を示す。図１５に示すように、レーザ加工の形態は、蒸発又は溶融を伴う熱的なプロセスとアブレーションによる非熱的なプロセスの２つに大別される。熱的なプロセスには、切断加工や穴加工などの除去プロセス、溶接加工などの接合プロセス、表面改質や曲げ加工などの加熱プロセスなどがある。非熱的なプロセスの代表的な例として、アブレーション加工があり、これは、樹脂、セラミックスなどの穴あけや溝加工といった微細加工に多く利用される。このアブレーション加工では、ピコ秒レーザ又はフェムト秒レーザなど、その発光時間が１０^－１２～１０^－１５秒という非常に短いレーザが用いられる。この中でも、超短パルスレーザを用いたダイヤモンド加工は短い加工時間しか要さず、非接触加工であり、かつアブレーション加工であることから、熱的影響が小さく、精度が高いという点でダイヤモンドの加工に適する。したがって、ダイヤモンドのレーザ加工技術の更なる発展によって、工業的な優位性がもたらされることが期待される。

【0017】

３．パルスレーザ研削（ＰＬＧ）
工具刃先をレーザで成形する手法としてパルスレーザ研削（Ｐｕｌｓｅ Ｌａｓｅｒ Ｇｒｉｎｄｉｎｇ：ＰＬＧ）がある。図１６は、ＰＬＧの模式図である。短パルスレーザＬが長焦点の単レンズによって緩い角度で集光され、円筒状の加工可能領域Ｌａが形成される（（ａ）鳥観図参照）。この加工可能領域Ｌａによって、ワーク（材料）Ｗの加工面Ｗａに垂直に数μｍの切り込みが与えられる。そして、加工可能領域Ｌａが、加工面Ｗａに接触した状態で加工面Ｗａに対して平行に繰り返し走査される（（ｂ）上面図及び（ｃ）正面図参照）。この切り込みの付与と走査とが繰り返され、切り込みの厚さだけワークＷが除去されて任意の加工面が得られる。

【0018】

ＰＬＧを用いることの最大の利点は、凹凸の少ない良好な加工面が得られることである。レーザ光のスポット内は均一なパワーを持たず、何らかの分布を持っている。一般的に、レーザは中心のパワーが最も強く、半径方向に外側に向かうほど弱くなっていく。レーザによる加工単位はパワー分布によって決まるため、スポットの外側では加工単位が小さくなる。図１７は、レーザの光軸方向への加工の進展を示す模式図である。ＰＬＧによって最終的に仕上げられる面は加工閾値をわずかに上回る最小の加工単位の集積によって形成されるため、上記のように良好な面が得られる。

【0019】

ＰＬＧによる手法を工具成形に用いることによって以下の利点が期待される。
（１）工具成形が加工対象材料の硬度に制約されず、それがダイヤモンドのように非常に硬い材料であっても短時間での加工が可能となる。
（２）工具成形が非接触加工であることによって、加工対象が脆性材料又は焼結材料であっても刃先のチッピングや粒子の脱落が抑制される。
（３）レーザ光線は光ファイバーなどを介しても伝送可能なため、レーザの取り回しが良く、他軸加工へ応用することによって自由に形状を創製することが可能となる。
（４）短パルスレーザを用いることによって、加工形態がアブレーション加工となる。これにより、加工対象が焼結材料のような粒子及びバインダーからなる材料であっても、均一な加工が可能となる。
（５）レーザ照射時の熱又はプラズマによって加工対象の一部が化学変化するので、加工対象物の表面改質が可能となる。

【0020】

４．人工ダイヤモンドの結晶性
ＣＶＤで合成されたダイヤモンドは、化学的品質において天然ダイヤモンドよりも劣ることがある。ＣＶＤで合成されたダイヤモンドのコーティング膜を分析すると、膜内部と比較して表面においては、アモルファスカーボンが多く含まれていることが多く、ＤＬＣ膜のような性質を示す事が多い（例えば、非特許文献５及び６参照）。

【0021】

この問題に対しても、レーザ照射によって解決できる可能性がある。シリコンなどの結晶性材料に対して短パルスレーザを照射することによって結晶性が向上する効果、すなわちアニーリング効果が得られることが報告されている（例えば、非特許文献７～１０参照）。また、ＤＬＣ膜に対して短パルスレーザを低フルエンスで照射することによって、結晶内のｓｐ３炭素量が増加することも報告されている（例えば、非特許文献１１及び１２参照）。

【0022】

そこで、以下の各実施形態では、ワークに施された人工ダイヤモンドコーティングにおけるｓｐ３結合の割合を増加させてダイヤモンドの結晶性を向上するための方法及びシステムが提示される。

【0023】

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態による工具作製の処理に用いられるシステム１を示すブロック図である。システム１は、超短パルスレーザ源１０、デフォーカス光学系２０、ワーク保持機構３０、ナノ秒ＵＶレーザ源４０、レーザ走査装置５０及び制御装置６０を有する。ワーク５は、例えば刃部を有する機械工具などであり、ワーク保持機構３０によって保持される。ワーク５は、その刃部などからなる所定のワーク加工面５ａ（人工ダイヤモンドコーティング領域）を有する。

【0024】

概略として、主に超短パルスレーザ源１０、デフォーカス光学系２０及びワーク保持機構３０がワーク加工面５ａの改質処理（結晶性の向上）に寄与し、主にナノ秒ＵＶレーザ源４０及びレーザ走査装置５０がワーク加工面５ａの整形処理に寄与する。そして、制御装置６０が、超短パルスレーザ源１０、デフォーカス光学系２０、ワーク保持機構３０、ナノ秒ＵＶレーザ源４０及びレーザ走査装置５０の全部又は一部を統括的又は個別的に制御する。なお、超短パルスレーザ源１０、デフォーカス光学系２０及びワーク保持機構３０と、ナノ秒ＵＶレーザ源４０及びレーザ走査装置５０とは、異なる制御装置によって個別に制御されてもよい。

【0025】

超短パルスレーザ源１０は、超短パルスレーザＬｆ０（以下、「超短パルスレーザＬｆ０」という）を出射する。本開示において、パルス幅が１フェムト秒～１０ピコ秒のパルスレーザを「超短パルスレーザ」というものとする。また、超短パルスレーザＬｆ０の波長は、約１μｍであればよい。

【0026】

デフォーカス光学系２０は、光学系装置の一例である。図２に、デフォーカス光学系２０の模式図を示す。デフォーカス光学系２０は、集光用のレンズ２１、アイリス２２及び駆動部２３を有し、超短パルスレーザＬｆ０をデフォーカスする。説明の便宜上、レンズ２１を通過する前の超短パルスレーザを超短パルスレーザＬｆ０といい、レンズ２１を通過した後のデフォーカスされた超短パルスレーザを超短パルスレーザＬｆ１といい、双方を総称して超短パルスレーザＬｆというものとする。駆動部２３は、レンズ２１及びアイリス２２の一方又は両方を駆動する。駆動部２３がワーク加工面５ａに対するレンズ２１の相対距離を調整することによって、ワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆ１のフルエンスが調整される。また、駆動部２３がアイリス２２の径を調整することによって、ワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆ１の照射範囲が決定される。すなわち、デフォーカス光学系２０の各要素とワーク加工面５ａとの相対移動によって、ワーク加工面５ａにおけるフルエンス及び照射範囲が決定される。なお、レンズ２１の焦点位置はレンズ２１とアイリス２２の間にあるものとし、超短パルスレーザＬｆ１の光軸はワーク加工面５ａに交差する（例えば、直交する）。

【0027】

図１に戻り、ワーク保持機構３０は、ワーク５を載置するワーク固定ステージである。ただし、ワーク保持機構３０は、ワーク５を載置するステージに限らず、ワーク５を把持する機構、ワーク５を吸引によって保持する機構、ワーク５を相互の嵌合、挿通などによって保持する機構であってもよい。水平面をＸ－Ｙ平面とし、鉛直方向をＺ方向とした場合、ワーク保持機構３０によって、ワーク５のＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の移動、Ｘ－Ｙ平面内での回転、Ｚ軸に対する所定角度での傾斜、その他の移動が可能となる。なお、走査方向（例えば、Ｚ方向）へはミクロンオーダーでワーク５を移動可能であることが望ましい。

【0028】

ワーク保持機構３０がワーク５を位置決め及び移動することによって、超短パルスレーザＬｆ１の照射がワーク加工面５ａに対して走査される。本実施形態では、ワーク保持機構３０の動作によって、超短パルスレーザＬｆ１とワーク加工面５ａの相対位置又は相対姿勢が制御されるが、この相対位置又は相対姿勢の制御は、超短パルスレーザ源１０及びデフォーカス光学系２０の動作によっても可能である。

【0029】

ナノ秒ＵＶレーザ源４０は、ナノ秒ＵＶパルスレーザＬｎ０（以下、「ＵＶパルスレーザＬｎ０」という）を出射する。ナノ秒ＵＶレーザ源４０は、ＰＬＧによる機械工具などの整形に適したものであればよい。

【0030】

レーザ走査装置５０は、ビーム形成光学系５１及びビーム走査機構５２を含む。
ビーム形成光学系５１はミラー、レンズなどを有する。レンズはワーク５の加工幅に対して比較的長いレイリー長を有する長焦点距離のレンズであり、例えば、単レンズ若しくは複合レンズ、アキシコンレンズ、ＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）又はそれらの複合である。アキシコレンズ及びＤＯＥによってビームプロファイルを任意の形にすること又はレイリー長を増加させることが可能となる。説明の便宜上、ビーム形成光学系５１を通過する前のパルスレーザをＵＶパルスレーザＬｎ０といい、ビーム形成光学系５１を通過した後のビーム形成されたパルスレーザをＵＶパルスレーザＬｎ１といい、双方を総称してＵＶパルスレーザＬｎというものとする。

【0031】

ビーム走査機構５２は、ガルバノ式などのスキャナ、リニアステージなど、ＵＶパルスレーザＬｎ１をワーク５に対して高い再現性で走査できる機構であればよい。ビーム走査機構５２とビーム形成光学系５１とは一体化されていてもよい。図１６に示した態様と同様にして、レーザ走査装置５０（ビーム走査機構５２）によるＵＶパルスレーザＬｎ１の走査によって、ＰＬＧが実行される。すなわち、レーザ走査装置５０は、ＵＶパルスレーザＬｎ１がワーク加工面５ａに対して平行に接触及び走査させる。

【0032】

制御装置６０は、ＣＰＵ６０ａ、メモリ６０ｂ及び入出力インターフェース６０ｃを含む。ＣＰＵ６０ａは、レーザ制御部６１、光学系制御部６２、ステージ制御部６３、レーザ制御部６４、走査制御部６５及び統括制御部６６を含む。ＣＰＵ６０ａの各部、メモリ６０ｂ及び入出力インターフェース６０ｃは、バスを介して相互にデータ及び信号のやり取りが可能な態様で接続される。メモリ６０ｂは、プログラム、データなどを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリを含む。入出力インターフェース６０ｃは、キーボード、マウス、タッチパネルなどの入力部、及びディスプレイ（タッチパネル）、スピーカなどの出力部を含む。

【0033】

レーザ制御部６１は、超短パルスレーザ源１０による超短パルスレーザＬｆ０の出射のオン／オフを制御する。また、超短パルスレーザＬｆ０のパルス幅、波長、パワーなどは、レーザ制御部６１を介して設定又は制御されてもよいし、超短パルスレーザ源１０において設定されてもよい。後者の場合には、レーザ制御部６１は、超短パルスレーザ源１０による超短パルスレーザＬｆ０の出射のオン／オフのみを制御することになる。

【0034】

光学系制御部６２は、デフォーカス光学系２０の駆動部２３を介してレンズ２１の位置又は向き、アイリス２２の開口を制御して、超短パルスレーザＬｆ１のプロファイルを調整してワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆ１のフルエンス及び照射範囲を調整する。ステージ制御部６３は、ワーク保持機構３０の動作を制御して、ワーク５、すなわちワーク加工面５ａの平面移動、垂直移動、回転、傾斜などを制御する。

【0035】

レーザ制御部６４は、ナノ秒ＵＶレーザ源４０によるＵＶパルスレーザＬｎ０の出射のオン／オフを制御する。また、ＵＶパルスレーザＬｎ０のパルス幅、波長、パワーなどは、レーザ制御部６４を介して設定又は制御されてもよいし、ナノ秒ＵＶレーザ源４０において設定されてもよい。後者の場合には、レーザ制御部６４は、ナノ秒ＵＶレーザ源４０によるＵＶパルスレーザＬｎ０の出射のみを制御することになる。

【0036】

走査制御部６５は、レーザ走査装置５０（ビーム走査機構５２）によるワーク５に対するＵＶパルスレーザＬｎ１の走査を制御する。これにより、ＵＶパルスレーザＬｎ１は、ワーク加工面５ａに対して平行に接触した状態で、ワーク加工面５ａに対して平行に往復走査又は一方向走査される。また、走査制御部６５及びビーム走査機構５２によって、ＵＶパルスレーザＬｎ１の光軸とワーク加工面５ａとの距離（すなわち、ワーク加工面５ａに対するＵＶパルスレーザＬｎ１の接触レベル）も調整されるようにしてもよい。

【0037】

統括制御部６６は、改質処理において、レーザ制御部６１による超短パルスレーザＬｆ０のオン／オフと、ステージ制御部６３によるワーク加工面５ａに対する超短パルスレーザＬｆ１の走査とを同期させ、この同期動作を再現及び反復させる。また、統括制御部６６は、整形処理において、レーザ制御部６４によるＵＶパルスレーザＬｎ０のオン／オフと、走査制御部６５によるワーク加工面５ａに対するＵＶパルスレーザＬｎ１の走査とを同期させ、この同期動作を再現及び反復させる。なお、ＵＶパルスレーザＬｎ１の走査は、走査制御部６５を介したレーザ走査装置５０の動作に代えて、又はそれとともに、ステージ制御部６３を介してワーク保持機構３０により行ってもよい。また、改質処理と整形処理の順序又は反復が規定されている場合には、統括制御部６６は、改質処理と整形処理を一連の処理として実行させることができる。

【0038】

上述したように、システム１は、例えば刃部を有する工具の作製において利用され得る。システム１による作製方法は、ワーク加工面５ａの整形処理及び改質処理を含む。整形処理と改質処理の順序は限定されない。すなわち、整形処理の後に改質処理が行われてもよいし、改質処理の後に整形処理が行われてもよい。以下に、工具作製に関する第１実施例及び第２実施例を示す。

【0039】

＜第１の実施形態の第１実施例＞
本実施例では、ＣＶＤ多層ダイヤモンドコーティングが被覆されたワーク加工面５ａに超短パルスレーザＬｆが低フルエンスで照射され、そのワーク加工面５ａにおける結晶性の変化が確認された。ワーク表層がＰＬＧによって除去され、その露出領域に対して超短パルスレーザＬｆが低フルエンスで照射された。

【0040】

図３は、本実施例におけるＰＬＧによる表層除去を説明する図である。ワーク５は母材部分５ｂ及び多層ＣＶＤダイヤモンドコーティング領域５ｃを有する。図３の（ａ）に示すように、ビーム状のＵＶパルスレーザＬｎが多層ＣＶＤダイヤモンドコーティング領域５ｃの一方の面に対して走査される。これにより、図３の（ｂ）に示すように、多層ＣＶＤダイヤモンドコーティング領域５ｃの一部分５ｄが除去される。その結果として、図３の（ｃ）に示すように、多層ＣＶＤダイヤモンドコーティング領域５ｃの露出面５ｅが得られる。

【0041】

以下に、本実施例におけるＵＶパルスレーザＬｎ１の照射条件（ＰＬＧ条件）を示す。
波長：３５５ｎｍ
パワー：２．８Ｗ
パルス幅：７ｎｓ
周波数：１５ｋＨｚ
焦点距離：１００ｍｍ
スポット径：２０μｍ
パワー密度：８．４ＧＷ／ｃｍ^２
走査速度：３０ｍｍ／ｓ

【0042】

次に、改質処理として、上記のＰＬＧによって得られた露出面５ｅに対して低いフルエンスの超短パルスレーザＬｆ１で照射を行った。この超短パルスレーザＬｆが照射された領域を照射領域５ｆというものとする。なお、フルエンスが１６．２ｍＪ／ｃｍ^２以上となると、ワーク５の表面が除去（すなわち、加工）されることが確認された。したがって、改質処理は、１６．２ｍＪ／ｃｍ^２未満のフルエンスで行われる。なお、以下の説明において、１６．２ｍＪ／ｃｍ^２未満のフルエンスのことを「低フルエンス」というものとする。

【0043】

以下に、本実施例における超短パルスレーザＬｆの照射条件を示す。
波長：１０４１ｎｍ
パルス幅：５５０ｆｓ
周波数：１００ｋＨｚ
焦点でのスポット径：２μｍ
フルエンス：５．６、１０．０、１４．９、１６．２ｍＪ／ｃｍ^２
走査速度：２．０ｍｍ／ｓ
走査回数：１０、３０、５０

【0044】

図４（ａ）～（ｅ）に、本実施例における照射領域５ｆのＳＥＭ像を示す。図４において、（ａ）は超短パルスレーザが照射されなかった場合のＳＥＭ像であり、（ｂ）～（ｅ）は、それぞれ、フルエンスが５．９ｍＪ／ｃｍ^２、６．８ｍＪ／ｃｍ^２、７．９ｍＪ／ｃｍ^２、９．２ｍＪ／ｃｍ^２の場合のＳＥＭ像である。このＳＥＭ像取得に際して、低フルエンスの超短パルスレーザＬｆによって照射した領域をレーザ加工によって線加工した。図４（ｂ）～（ｅ）には、この線加工部分が示されている。なお、図４の各ＳＥＭ画像において、中心よりも左側が元の表面であり、右側がＰＬＧによって露出されたコーティング内部の領域である（白線と白線の間の領域）。図４に示すように、ＳＥＭ画像上では、フルエンスの差に起因する表面状態の実質的な差異は確認されなかった。

【0045】

改質処理の効果を確認するため、超短パルスレーザ未照射領域（以下、「未照射領域」という）及び照射領域５ｆに関して、ラマン分光分析、ＸＰＳ（Ｘ線光電分光法）による分析、シンクロトロン光によるＸ線吸収分光測定、及びＸＤＲ（Ｘ線回析）測定を行った。以下に、各分析結果を示す。

【0046】

（１）ラマン分光分析
図５（ａ）～（ｅ）に、本実施例における未照射領域及び照射領域５ｆのラマンスペクトルを示す。図５の各図において、横軸はラマンシフト（ｃｍ^－１）であり、縦軸は強度（任意単位）である。図５において、（ａ）は超短パルスレーザが照射されなかった場合のラマンスペクトルであり、（ｂ）～（ｅ）は、それぞれ、フルエンスが５．６ｍＪ／ｃｍ^２、６．８ｍＪ／ｃｍ^２、７．９ｍＪ／ｃｍ^２、９．２ｍＪ／ｃｍ^２の場合のラマンスペクトルである。図５（ａ）～（ｅ）から分かるように、低フルエンスの照射によって１３５０ｃｍ^－１付近のＤバンドのピーク強度が増加した。そして、フルエンスの増加に対してＤバンドのピーク強度の増加量が大きいことが分かる。すなわち、ＣＶＤダイヤモンド多層膜に対して低フルエンスで超短パルスレーザＬｆを照射すると、ラマンスペクトルが、ｓｐ３炭素からなるダイヤモンドに特有のＤバンドピークを有する状態に近づくこと、すなわち人工ダイヤモンドの結晶性の向上による改質が行われたことが分かる。

【0047】

（２）ＸＰＳによる分析
図６に、本実施例における未照射領域及び照射領域５ｆのＣ（１ｓ）のＸＰＳスペクトルを示す。図７に、本実施例における未照射領域及び照射領域５ｆのＮ（１ｓ）のＸＰＳスペクトルを示す。図８に、本実施例における未照射領域及び照射領域５ｆのＯ（１ｓ）のＸＰＳスペクトルを示す。各図において、横軸は結合エネルギー（ｅＶ）であり、縦軸はＸＰＳ強度（任意単位）である。データは、ＰＬＧ加工前の表面（Ｓｕｒｆａｃｅ）、ＰＬＧ加工後の未照射領域の表面（Ｉｎｎｅｒ ｐａｒｔ）のＸＰＳ強度をそれぞれ示す。さらに、データは、５．６Ｊ／ｃｍ^２での照射の場合の照射領域５ｆの表面、１０．０Ｊ／ｃｍ^２での照射の場合の照射領域５ｆの表面、１４．９Ｊ／ｃｍ^２での照射の場合の照射領域５ｆの表面、及び１６．２ｍＪ／ｃｍ^２での照射の場合の照射領域５ｆの表面のＸＰＳ強度をそれぞれ示す。

【0048】

表１に、図６～図８に基づいてそれぞれのピーク面積強度から算出した定量分析結果を示す。なお、数値は任意単位である。表１によると、照射領域５ｆにおけるフルエンスの増加に伴い、Ｃ（１ｓ）の量が増加し、Ｎ（１ｓ）の量が減少し、Ｏ（１ｓ）の量が減少していることが分かった。

【表1】

【0049】

表２に、Ｃ（１ｓ）のピークを分離した結果得られる、フルエンスに対するｓｐ３炭素量を示す。各値は、未照射領域の値で正規化されている。少なくともフルエンスが１４．９Ｊ／ｃｍ^２まではフルエンスの増加に対してｓｐ３炭素量も増加することが確認され、１６．２Ｊ／ｃｍ^２未満のフルエンスにおいてｓｐ３炭素量の増加が期待されることが分かった。これにより、低フルエンスでの超短パルスレーザの照射による改質効果が確認された。

【表2】

【0050】

（３）シンクロトロン光によるＸ線吸収分光測定
未照射領域（超短パルスレーザ未照射領域）と照射領域（超短パルスレーザ照射領域）に対してシンクロトロン光によるＸ線吸収分光測定を行った。超短パルスレーザの照射条件は、以下の通りである。
波長：１０４５ｎｍ
パルス幅：７００ｆｓ
出力パワー：４００ｍＷ
周波数：１００ｋＨｚ
フルエンス：１４．９ｍＪ／ｃｍ^２

【0051】

図９Ａ及び図９Ｂに、上記Ｘ線吸収分光測定の結果を示す。図９Ａがオージェ電子収量法（ＡＥＹ）による測定結果であり、図９Ｂが全電子電子収量法（ＴＥＹ）による測定結果である。図９Ａ及び図９Ｂにおいて、横軸がエネルギーＥ（ｅＶ）であり、縦軸が正規化電子収量（×μＥ）である。図９Ａ及び図９Ｂによると、未照射領域（破線）に対して照射領域（実線）では、Ｃ－Ｏ結合の値が減少し、Ｃ－Ｃ結合の値及びその低域側（２９０ｅＶ付近）の値が増加したことが確認された。Ｃ－Ｏ結合の値の減少は、超短パルスレーザの照射による表面の酸化層の除去によるものと考えられる。Ｃ－Ｃ結合の値及び上記低域側の値の増加は、ダイヤモンド結晶に特有な値への変化を表すものであり、超短パルスレーザ照射領域の表層にダイヤモンドが形成されたことを示している。

【0052】

（４）ＸＲＤ測定
上記（３）において得られた照射領域が結晶性か非結晶性かを確認するために、ＸＲＤ測定を実施した。０．２°の斜入射によるＸ線解析測定結果を行ったところ、超短パルスレーザ照射領域では、未照射領域に対して、ダイヤモンド特性を表すピークが上昇し、結晶性が２０％向上したことが確認された。

【0053】

このように、本実施例において、ＣＶＤ多層ダイヤモンドコーティングが被覆されたワーク加工面５ａに超短パルスレーザＬｆが低フルエンスで照射されることによって、そのワーク加工面５ａにおける結晶性が向上することが確認された。

【0054】

＜第１の実施形態の第２実施例＞
本実施例では、ＣＶＤ多層ダイヤモンドコーティングが被覆された刃物に超短パルスレーザＬｆが低フルエンスで照射され、その刃物の耐摩耗性の変化が確認された。まず、超合金母材に人工ダイヤモンドコーティングを被覆した切削工具（刃部）が、ＰＬＧによって形状整形された。その整形された加工面に対して超短パルスレーザが、低フルエンスで照射された。そして、この照射後の刃物を用いて１０００ｍの切削が実施された。

【0055】

ＰＬＧによる整形方法は、第１実施例において説明したものと同様である（図３参照）。ＵＶパルスレーザの照射条件（ＰＬＧ条件）は、以下の通りである（第１実施例と同様である）。
波長：３５５ｎｍ
パワー：２．８Ｗ
パルス幅：７ｎｓ
周波数：１５ｋＨｚ
焦点距離：１００ｍｍ
スポット径：２０μｍ
パワー密度：８．４ＧＷ／ｃｍ^２
走査速度：３０ｍｍ／ｓ

【0056】

改質処理における超短パルスレーザの照射条件は、以下の通りである。
波長：１０４１ｎｍ
パルス幅：５５０ｆｓ
周波数：１００ｋＨｚ
焦点でのスポット径：２μｍ
フルエンス：１４．９ｍＪ／ｃｍ^２
走査速度：２．０ｍｍ／ｓ
走査回数：５０回

【0057】

耐摩耗性の測定は、図１０に示すように、刃部Ｅを有する工具Ｔを丸棒Ｂに対して走査する。具体的には、超短パルスレーザ未照射の刃部Ｅ（以下、「未照射刃部」という）及び超短パルスレーザ照射済みの刃部Ｅ（以下、「照射済み刃部」という）を丸棒Ｂに対してそれぞれ１０００ｍにわたって正面施削する切削試験によって実施された。試験結果は、以下の通りである。

【0058】

図１１に、切削試験後の各刃部の刃先の光学顕微鏡写真を示す。図１１の（ａ）は未照射刃部の写真であり、（ｂ）は照射済み刃部の写真である。未照射刃部及び照射済み刃部においても、欠け、剥離などの欠損がなく定常に摩耗が進行したことが分かる。

【0059】

図１２に、未照射刃部及び照射済み刃部のＳＥＭ像を示す。図１２の（ａ）は未照射刃部のＳＥＭ像であり、（ｂ）は照射済み刃部のＳＥＭ像である。各ＳＥＭ像において、上側（横方向に延在する２本の隣接する白色帯状部分の上側）がすくい面であり、下側（同白色帯状部分の下側）が逃げ面である。逃げ面の摩耗幅に注目すると、照射済み刃部では、未照射刃部と比較して摩耗量が小さいことが分かる。これは、超短パルスレーザの照射による表面改質によって、刃先の後退量が抑制されたことを示す。すなわち、超短パルスレーザの低フルエンスでの照射によって人工ダイヤモンドコーティングのダイヤモンドとしての結晶性が向上し、硬度が増加したことが確認された。

【0060】

このように、本実施例において、ＣＶＤ多層ダイヤモンドコーティングが被覆された刃物（刃部）に超短パルスレーザＬｆが低フルエンスで照射されることによって、その刃部の耐摩耗性が向上することが確認された。

【0061】

以上のように、本実施形態による人工ダイヤモンドコーティング領域を処理するシステム１は、パルス幅が１フェムト秒以上１０ピコ秒以下の超短パルスレーザＬｆを出射する超短パルスレーザ源１０と、超短パルスレーザＬｆのプロファイルを調整するデフォーカス光学系２０（光学系装置）と、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面５ａの位置及び姿勢を制御するワーク保持機構３０と、プロファイルが調整された超短パルスレーザＬｆのワーク加工面５ａにおけるフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満、例えば１６．２ｍＪ／ｃｍ^２未満となる状態で、プロファイルが調整された超短パルスレーザＬｆがワーク加工面５ａを走査するようにデフォーカス光学系２０及びワーク保持機構３０を制御する制御装置６０を備える。

【0062】

また、本実施形態による人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法は、パルス幅が１フェムト秒以上１０ピコ秒以下の超短パルスレーザＬｆを超短パルスレーザ源１０から出射するステップと、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆのフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満、例えば１６．２ｍＪ／ｃｍ^２未満となるように、デフォーカス光学系２０（光学系装置）を介して超短パルスレーザＬｆをワーク加工面５ａに照射するステップと、デフォーカス光学系２０を介して照射される超短パルスレーザＬｆとワーク加工面５ａとの相対位置又は相対姿勢を制御して、デフォーカス光学系２０を介して照射される超短パルスレーザＬｆをワーク加工面５ａに対して走査するステップとを備える。

【0063】

このように、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆのフルエンスが１６．２ｍＪ／ｃｍ^２未満となるように超短パルスレーザＬｆのプロファイルが調整され、この超短パルスレーザＬｆがワーク加工面５ａに照射及び走査される。これにより、ワーク加工面５ａの人工ダイヤモンドコーティングが改質され、この人工ダイヤモンドコーティング領域におけるダイヤモンドの結晶性が向上する。また、これにより、ワーク５の高精度な加工が可能となり、ワーク５が工具として使用される場合の工具の長寿命化が可能となる。

【0064】

またさらに、ワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆのフルエンスは、５．６ｍＪ／ｃｍ^２以上１４．９ｍＪ／ｃｍ^２以下であることが好ましく、１０．０ｍＪ／ｃｍ^２以上１４．９ｍＪ／ｃｍ^２以下であることがより好ましい。これにより、上記の改質処理による結晶性向上の効果が一層得られる。

【0065】

特に本実施形態では、デフォーカス光学系２０は、超短パルスレーザＬｆの光軸がワーク加工面５ａに交差する状態で超短パルスレーザＬｆをデフォーカスするように構成される。すなわち、上記調整ステップは、超短パルスレーザＬｆの光軸がワーク加工面５ａに交差する状態で超短パルスレーザＬｆをデフォーカスするステップを含む。これにより、ワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆのフルエンスの調整が容易かつ確実に実行され得る。

【0066】

さらに、上記システム１は、ナノ秒ＵＶパルスレーザ（ＵＶパルスレーザＬｎ）を出射するナノ秒ＵＶレーザ源４０と、ＵＶパルスレーザＬｎをビーム形成するビーム形成光学系５１と、ビーム形成されたＵＶパルスレーザＬｎを光軸方向に垂直な方向に移動させるビーム走査機構５２とを含み、制御装置６０は、ビーム形成されたＵＶパルスレーザＬｎがワーク加工面５ａに対して平行に接触及び走査するように、ビーム走査機構５２又はワーク保持機構３０を制御するように構成される。すなわち、上記方法は、ＵＶパルスレーザＬｎをナノ秒ＵＶレーザ源４０から出射するステップと、ＵＶパルスレーザＬｎをビーム形成光学系５１によってビーム形成するステップと、ビーム形成されたＵＶパルスレーザＬｎをワーク加工面５ａに対して平行に接触及び走査してワーク加工面５ａを整形するステップとをさらに備える。これにより、ＰＬＧによるワーク５の整形処理が、上記改質処理に容易に付加され得る。

【0067】

また、人工ダイヤモンドコーティングは、ＣＶＤによって形成された多層ダイヤモンドコーティングであればよい。上記方法及びシステム１は、ＣＶＤ多層ダイヤモンドコーティングを有するワークに対して好適に適用可能である。

【0068】

特に、ワーク加工面５ａが切削工具の刃先の一部又は全部であることが好ましい。上記方法及びシステム１は、刃物などの硬度及び耐摩耗性が要求される切削工具に好適に適用可能である。

【0069】

＜第２の実施形態＞
上記第１の実施形態では、整形処理がナノ秒ＵＶパルスレーザ（ＵＶパルスレーザ）Ｌｎによって行われ、改質処理が超短パルスレーザＬｆによって行われる構成を示した。本実施形態では、両処理とも超短パルスレーザＬｆによって行われる構成を示す。具体的には、第１の実施形態の構成では、超短パルスレーザＬｆがデフォーカスされてワーク加工面５ａに照射されたが、本実施形態の構成では、超短パルスレーザＬｆがビーム形成されてワーク加工面５ａに接触照射される。

【0070】

図１３は、第２の実施形態による工具作製の処理に用いられるシステム２を示すブロック図である。システム２は、超短パルスレーザ源１０、ワーク保持機構３０、レーザ走査装置５５及び制御装置６００を有する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と実質的に同じ構成要素には同一の符号を付し、その重複する説明を省略又は簡略化する。本実施形態のシステム２も、第１の実施形態のシステム１と同様に、刃部を有する工具の刃先整形及び改質に利用され得る。

【0071】

レーザ走査装置５５は、光学系装置の一例である。レーザ走査装置５５は、ビーム形成光学系５６及びビーム走査機構５２を含む。ビーム形成光学系５６は、ミラー、レンズなどを有し、レンズはワーク５の加工幅に対して比較的長いレイリー長を有する長焦点距離のレンズであり、例えば、単レンズ若しくは複合レンズ、アキシコンレンズ、ＤＯＥまたはそれらの複合である。また、ビーム形成光学系５６は、空間変調器を含んでいてもよい。アキシコレンズ及びＤＯＥによってビームプロファイルを任意の形にすること又はレイリー長を増加させることが可能となる。また、空間変調器によってビームプロファイルを可変とすることができる。説明の便宜上、ビーム形成光学系５６を通過する前の超短パルスレーザを超短パルスレーザＬｆ０といい、ビーム形成光学系５６を通過した後のビーム形成されたパルスレーザを超短パルスレーザＬｆ２といい、双方を総称して超短パルスレーザＬｆというものとする。レーザ走査装置５５は、超短パルスレーザＬｆ２をワーク加工面５ａに対して平行に接触及び走査させる。

【0072】

制御装置６００は、ＣＰＵ６０ａ、メモリ６０ｂ及び入出力インターフェース６０ｃを含む。ＣＰＵ６０ａは、レーザ制御部６１、ステージ制御部６３、走査制御部６５及び統括制御部６６を含む。

【0073】

走査制御部６５は、レーザ走査装置５５（ビーム走査機構５２）によるワーク５に対する超短パルスレーザＬｆ２の走査を制御する。これにより、超短パルスレーザＬｆ２がワーク加工面５ａに対して平行に接触した状態で、ワーク加工面５ａに対して一方向走査又は往復走査することができる。また、走査制御部６５及びビーム走査機構５２によって、超短パルスレーザＬｎ２の光軸とワーク加工面５ａとの距離（すなわち、ワーク加工面５ａに対する超短パルスレーザＬｆ２の接触レベル）も調整され得る。

【0074】

統括制御部６６は、改質処理及び整形処理において、レーザ制御部６１による超短パルスレーザＬｆ０の出力と、走査制御部６５によるワーク加工面５ａに対する超短パルスレーザＬｆ２の走査とを同期させ、この同期動作を再現及び反復させる。なお、超短パルスレーザＬｆ２の走査は、走査制御部６５を介したビーム走査機構５２の動作に代えて、又はそれとともに、ステージ制御部６３を介してワーク保持機構３０によって行ってもよい。また、改質処理と整形処理の順序又は反復が規定されている場合には、統括制御部６６は、改質処理と整形処理を一連の処理として実行させることができる。

【0075】

整形処理（ＰＬＧ）及び改質処理のいずれにおいても、超短パルスレーザＬｆ２のビームがワーク加工面５ａに接触照射される。ただし、整形処理時の超短パルスレーザＬｆ２のワーク加工面５ａにおけるエネルギー（フルエンス）は改質処理時のものよりも高く、整形処理時のフルエンスはワーク５の加工閾値よりも高く、改質処理時のフルエンスは加工閾値よりも低いことが望ましい。超短パルスレーザＬｆ２のビームのプロファイルは、超短パルスレーザ源１０又はレーザ走査装置５５（ビーム形成光学系５６）によって調整される。特に、ＰＬＧによる整形処理時には、ビーム外側からビーム中心にかけて低強度から急峻に高強度に立ち上がるようなプロファイルのビームが形成される。すなわち、ワーク加工面５ａに対する超短パルスレーザＬｆ２のビームの接触レベルが、整形処理には高く、改質処理には低くなるように構成される。

【0076】

ワーク加工面５ａに対する超短パルスレーザＬｆ２のビームの接触レベル、そしてこれに伴うワーク加工面５ａ上のフルエンスは、ビーム走査機構５２によって調整されてもよいし、ワーク保持機構３０によって調整されてもよいし、あるいは、フルエンスの調整は、ビーム形成光学系５６によるビームプロファイルの変更によって行われてもよい。上記フルエンスの調整がビーム走査機構５２又はワーク保持機構３０によって行われる場合、超短パルスレーザＬｆ２の光軸とワーク加工面５ａとの距離が調整される。すなわち、同じプロファイルを有するビーム形成された超短パルスレーザＬｆが異なるレベルでワーク加工面５ａに接触するようにレーザ走査装置５５又はワーク保持機構３０が制御される。これにより、超短パルスレーザＬｆ２とワーク加工面５ａとの位置決めの制御のみで改質処理及び整形処理を行うことが可能となり、ビーム形成側の制御構成が簡素化される。また、上記フルエンスの調整がビーム形成光学系５６によって行われる場合、超短パルスレーザＬｆ２の光軸とワーク加工面５ａの位置関係が固定された状態で、ビーム外側からビーム中心にかけての強度の立ち上りが調整される。これにより、超短パルスレーザＬｆのプロファイルの調整のみで改質処理及び整形処理を行うことが可能となり、走査側の制御構成が簡素化される。

【0077】

改質処理が整形処理よりも先に行われる場合、まず、改質処理において、超短パルスレーザＬｆ２のビームのエネルギー（フルエンス）がワーク５の加工閾値を超えないような接触レベルでワーク加工面５ａに接触照射され、そのビームがワーク加工面５ａに平行に走査される。これにより、ワーク加工面５ａが改質され、加工閾値が上昇する。その後、整形処理において、超短パルスレーザＬｆ２のビームのエネルギー（フルエンス）がワーク５の加工閾値以上となるような接触レベルでワーク加工面５ａに接触照射され、そのビームがワーク加工面５ａに平行に走査される。これにより、ワーク加工面５ａの整形処理が行われる。なお、ワーク５の加工閾値などに応じて改質処理が整形処理の後に行われる構成も可能である。

【0078】

図１４に、ＣＶＤ多層ダイヤモンドコーティングを有するワーク加工面５ａのＳＥＭ像を示す。図１４の（ａ）は改質処理及び整形処理が行われた場合のＳＥＭ像であり、（ｂ）は改質処理が行われずに整形処理のみが行われた場合のＳＥＭ像である（各図において上下の図の間では照射条件が異なる）。図１４に示すように、改質処理を行ったことによってワーク加工面５ａの凹凸（例えば、ナノ周期構造に起因する凹凸）が減少し、より高精度な加工が可能となることが分かった。

【0079】

以上のように、本実施形態による人工ダイヤモンドコーティング領域を処理するシステム２は、パルス幅が１フェムト秒以上１０ピコ秒以下の超短パルスレーザＬｆを出射する超短パルスレーザ源１０と、超短パルスレーザＬｆのプロファイルを調整するレーザ走査装置５５（光学系装置）と、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面５ａの位置及び姿勢を制御するワーク保持機構３０と、プロファイルが調整された超短パルスレーザＬｆのワーク加工面５ａにおけるフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満、例えば１６．２ｍＪ／ｃｍ^２未満となる状態で、プロファイルが調整された超短パルスレーザＬｆがワーク加工面５ａを走査するようにレーザ走査装置５５及びワーク保持機構３０を制御する制御装置６０とを備える。

【0080】

また、本実施形態による人工ダイヤモンドコーティング領域を処理する方法は、第１の実施形態と同様に、パルス幅が１フェムト秒以上１０ピコ秒以下の超短パルスレーザＬｆを超短パルスレーザ源１０から出射するステップと、人工ダイヤモンドコーティングが施されたワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆのフルエンスが人工ダイヤモンドコーティング領域の加工閾値未満、例えば１６．２ｍＪ／ｃｍ^２未満となるように、レーザ走査装置５５（光学系装置）を介して超短パルスレーザＬｆをワーク加工面５ａに照射するステップと、レーザ走査装置５５を介して照射される超短パルスレーザＬｆとワーク加工面５ａとの相対位置又は相対姿勢を制御して、レーザ走査装置５５を介して照射される超短パルスレーザＬｆをワーク加工面５ａに対して走査するステップとを備える。

【0081】

これにより、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、ワーク５に施された人工ダイヤモンドコーティング領域におけるダイヤモンドの結晶性を向上することが可能となる。これにより、ワーク５の高精度な加工が可能となり、ワーク５が刃部を有する工具として使用される場合の工具の長寿命化が可能となる。

【0082】

特に本実施形態では、レーザ走査装置５５は、超短パルスレーザＬｆをビーム形成するビーム形成光学系５６及びビーム形成された超短パルスレーザＬｆを光軸方向に垂直な方向に移動させるビーム走査機構５２を含み、制御装置６００は、ビーム形成された超短パルスレーザがワーク加工面５ａに対して平行に接触及び走査するように、ビーム走査機構５２又はワーク保持機構３０を制御するように構成される。すなわち、上記照射するステップは、超短パルスレーザＬｆをビーム形成するステップ及びビーム形成された超短パルスレーザＬｆをワーク加工面に対して平行に接触させるステップを含み、走査するステップは、ワーク加工面に対して平行に接触した超短パルスレーザＬｆをワーク加工面に対して平行に走査するステップを含む。これにより、ワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆのフルエンスの調整が容易かつ確実に実行され得る。

【0083】

また、制御装置６００は、ビーム形成された超短パルスレーザＬｆからワーク加工面５ａに与えられるエネルギーがワーク加工面５ａの加工閾値未満の値と加工閾値以上の値の間で切り換えられるように、ビーム走査機構５２又はワーク保持機構３０を制御するように構成される。すなわち、上記方法は、ワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆのフルエンスがワーク加工面５ａの加工閾値以上となるように、レーザ走査装置５５を介して超短パルスレーザＬｆをワーク加工面５ａに対して平行に接触させるステップと、ワーク加工面５ａに対して平行に接触した超短パルスレーザＬｆとワーク加工面５ａとの相対位置又は相対姿勢を制御して超短パルスレーザＬｆをワーク加工面５ａに対して走査するステップとをさらに備える。これにより、超短パルスレーザＬｆのフルエンスを調整することによって、１つの超短パルスレーザ源１０を用いて整形処理及び改質処理を行うことができ、システム２の構成及び制御を簡素化することができる。

【0084】

また、第１の実施形態と同様に、改質処理において、ワーク加工面５ａにおける超短パルスレーザＬｆのフルエンスは、５．６ｍＪ／ｃｍ^２以上１４．９ｍＪ／ｃｍ^２以下であることが好ましく、１０．０ｍＪ／ｃｍ^２以上１４．９ｍＪ／ｃｍ^２以下であることがより好ましい。また、第１の実施形態と同様に、人工ダイヤモンドコーティングは、ＣＶＤによって形成された多層ダイヤモンドコーティングであってもよい。また、第１の実施形態と同様に、ワーク加工面５ａが切削工具の刃先の一部又は全部であることが好ましい。

【0085】

＜変形例＞
以上に本発明の好適な実施形態を示したが、本発明は、例えば以下に示すように種々の態様に変形可能である。

【0086】

（１）整形処理の有無に関する変形
上記各実施形態では、システム１又は２において整形処理及び改質処理の双方が行われる構成を示したが、システム１又は２は改質処理のためのみに使用されてもよい。すなわち、すでに整形処理されたワーク加工面５ａを有するワーク５（人工ダイヤモンドコーティングされたワーク加工面５ａを有するワーク５）がワーク保持機構３０に保持され、超短パルスレーザＬｆの低フルエンスでの照射及び走査による改質処理が行われてもよい。

【0087】

（２）第１及び第２の実施形態の組合せ
上記第１の実施形態では、整形処理がナノ秒ＵＶパルスレーザ（ＵＶパルスレーザ）Ｌｎのビーム形成照射によって実行され、改質処理が超短パルスレーザＬｆのデフォーカス照射によって実行された。また、第２の実施形態では、整形処理及び改質処理が超短パルスレーザＬｆのビーム形成照射によって実行された。一方、整形処理が第１の実施形態と同様にＵＶパルスレーザＬｎのビーム形成照射によって実行され、改質処理が第２の実施形態と同様に超短パルスレーザＬｆのビーム形成照射によって実行される構成も可能である。この場合、ビーム形成光学系５１又は５６及びビーム走査機構５２がＵＶパルスレーザＬｎ及び超短パルスレーザＬｆの双方に共通化される。そして、ビーム形成光学系５１又は５６に入射されるナノ秒ＵＶレーザ源４０からのＵＶパルスレーザＬｎと超短パルスレーザ源１０からの超短パルスレーザＬｆとが整形処理と改質処理の間で切り換えられる。

【符号の説明】

【0088】

１、２ システム
５ ワーク
５ａ ワーク加工面（ＤＬＣコーティング領域）
１０ 超短パルスレーザ源
２０ デフォーカス光学系（光学系装置）
３０ ワーク保持機構
４０ ナノ秒ＵＶレーザ源
５０、５５ レーザ走査装置（光学系装置）
５１、５６ ビーム形成光学系
５２ ビーム走査機構
６０、６００ 制御装置
Ｌｆ 超短パルスレーザ
Ｌｎ ナノ秒ＵＶパルスレーザ（ＵＶパルスレーザ）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】