膨張係数の温度依存性を利用した新しいレーザ精密微細加工法に関する研究

利用膨胀系数温度依赖性的新型激光精密微加工方法研究

• 批准号: 12875028
• 负责人: 池野 順一
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Saitama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12875028/
• 关键词: レーザ加工; 3次元微細加工; 膨張係数; ガラス; 転移点; 成形加工; YAGレーザ; マイクロレンズ

現在,ガラスは光学部品に欠かすことのできない重要な材料である.とくにマイクロデバイスや光通信の分野では,ガラス部品の局部に精密微細加工を施す要求が出され,その要求も年々厳しいものになってきている.今後,この要求に答えるには成形後のガラスに対して,自由度の高い精密微細加工を実現することが不可欠である.本研究ではガラス表面局部に超精密微細加工を施すため,膨張係数の温度依存性を利用した新しいレーザ精密微細加工法を提案した.本研究の主目的は,この新レーザ精密微細加工法の実現である.具体的には本膨張現象の基礎特性を理論的および実験的に十分把握した後,以下の4項目について実現を目指した.(1)μmサイズの球面形状凸部を高精度に形成し,ガラス基板上に多数のマイクロレンズを製造すること.(2)凸部を2次元に展開し線状の凸部マーキング,さらに凸部を多段に形成し3次元の構造物を構築する.(3)凸部はレーザ照射時に軟化しているため,刻印技術を複合して様々な形状の微細凸部形状を創成する.(4)非球面レンズやフレネルレンズなどをガラス基板上に高精度に創成する本研究では、レーザ照射によって照射部の温度が急上昇し、転移点に達すると線膨張係数が急激に増大することを見出した。温度コントロールは比較的容易であり、(1)のマイクロレンズ製造が高精度に実現できた。熱拡散状態を考慮すれば曲率を変化させることも可能であることが明確になった。(2)を達成するために、レーザ加工装置にガルバノミラーを付加し、ビーム走査を可能とした。その結果、蒲鉾状の凸部形成が可能となり、マイクロ化学パーツなどへの応用が可能であることを確認した。さらに凸部上にさらに凸部を形成する多段形状を創成することも可能となった。(3)レーザを照射している間はガラスの軟化が確認できたため、刻印装置を開発し、凸部への刻印を試みた。その結果、平凸形状や刻印パターンを転写して様々な形状を創成することに成功した。(4)非球面レンズやフレネルレンズに関しては、型の製作が間に合わず、達成できなかった。しかし、ビーム走査装置を利用すれば、本加工法は新たな可能性を有していることがわかった。すなわち、ビーム走査パターンを様々に変化させて走査すれば、様々な形状を有する"面の隆起"が生じることを実証した。これにより、レンズばかりではなく、反射鏡や導波路など様々なマイクロ光学パーツが製造できることが分かった。以上より、本研究も目的は十分達成できたものと言える。今後、レーザ照射によるガラスの本膨張現象を利用すれば,ガラス局部に微小光学部品やマイクロデバイスなどの3次元微小構造物,微細マーキングや機能を有する微細表面模様などが容易に創成できることが期待される.しかも,従来の成形加工のようにガラス全体を加熱する必要がなく,ガラス全体に歪みを残さず安定した自由度の高い超精密微細加工が実現できるものと期待される.

Now, ガ ラ ス は optical part に owe か す こ と の で き な い important material な で あ る. と く に マ イ ク ロ デ バ イ ス や optical communication の eset で は, ガ ラ ス local に precision micro machining part の を shi す requirements が out さ れ, そ の requires も years 々 厳 し い も の に な っ て き て い る. In the future, こ の requirements に answer え る に は formed の ガ ラ ス に し seaborne て, high degree of freedom の い precision microfabrication を be presently す る こ と が not owe で あ る. This study で は ガ ラ ス local に ultra-precision surface micro machining を shi す た め, expansion coefficient の temperature dependency を using し た new し い レ ー ザ precision micro machining method proposed を し た. は の main purpose, this study こ の new レ ー の ザ precision micro machining method be presently で あ る. Specific に は this expansion Zhang Xianxiang の basic characteristics を theory of お よ び be 験 に very grasp し た after の below 4 projects に つ い て be presently を refers し た. (1) microns サ イ ズ の spherical shape lobe を high-precision に し formation, ガ ラ ス substrate に most の マ イ ク ロ レ ン ズ を manufacturing す る こ と. (2) lobe を 2 dimensional に launched し linear の lobe マ ー キ ン グ, さ ら に lobe を formed section に し の three yuan structure を build す る. (3) lobe は レ ー ザ light に softening し て い る た め, engraving technology を composite し て others 々 な shape の micro shape of convex を chuang cheng す る. (4) aspheric レ ン ズ や フ レ ネ ル レ ン ズ な ど を ガ ラ ス substrate に high-precision に chuang cheng す る this study で は, レ ー ザ irradiation に よ っ て が の temperature irradiation department hurry up し, planning to move some に す る と line expansion coefficient が nasty shock に raised big す る こ と を shows し た. Temperature コ ン ト ロ ー ル は compare easy で あ り, (1) の マ イ ク ロ レ ン が ズ manufacturing high-precision に be presently で き た. Scattered state を hot company consider す れ ば を curvature variations change さ せ る こ と も may で あ る こ と が clear に な っ た. (2) を reached す る た め に, レ ー ザ processing device に ガ ル バ ノ ミ ラ ー を pay plus し, ビ ー ム walkthrough を may と し た. そ の results, pu ð « “ ´ shape の lobe may form が と な り, マ イ ク ロ chemical パ ー ツ な ど へ の 応 may use が で あ る こ と を confirmation The にさらに protrusions on the さらに protrusions を form a する multi-segment shape を, creating する する と さらに possibly となった. (3) レ ー ザ を irradiation し て い る between は ガ ラ ス の softening が confirm で き た た め, signet device を 発 し, convex へ の signet を try み た. そ の results, flat convex shape や signet パ タ ー ン を planning write し て others 々 な shape を chuang cheng す る こ と に successful し た. (4) aspheric レ ン ズ や フ レ ネ ル レ ン ズ に masato し て は, type の production between が に わ ず, reach で き な か っ た. し か し, ビ ー ム を walkthrough device using す れ ば, the processing method of new た は を な possibility has し て い る こ と が わ か っ た. す な わ ち, ビ ー ム walkthrough パ タ ー ン を others 々 に variations change さ せ て walkthrough す れ ば, others 々 な shape を す る の uplift "surface" born が じ る こ と を card be し た. こ れ に よ り, レ ン ズ ば か り で は な く, mirror や guided wave road な ど others 々 な マ イ ク ロ optical パ ー ツ が manufacturing で き る こ と が points か っ た. The above よ よ and the purpose of this study よ have been fully achieved で た た た と と える. In the future, レ ー ザ irradiation に よ る ガ ラ ス の this expansion Zhang Xianxiang を using す れ ば, ガ ラ ス local に tiny optical part や マ イ ク ロ デ バ イ ス な ど の three yuan tiny structures, micro マ ー キ ン グ や function を have す る subtle surface mould others な ど が easy に chuang cheng で き る こ と が expect さ れ る. し か も, 従 to の forming の よ う に ガ ラ ス plenary を heating す る necessary が な く, ガ ラ ス all に slanting み を residual さ ず settle し た high degrees of freedom の い ultra-precision micro machining が be presently で き る も の と expect さ れ る.

项目成果

池野順一: "ガラスの3次元レーザ加工技術"科学と工業. 74〜4. 175-179 (2000)

Junichi Ikeno：“玻璃三维激光加工技术”科学与工业74-4。

船山強, 池野順一, 堀内宰: "レーザトラッピング時の微粒子振動現象を利用した形状計測"2000年度砥粒加工学会学術講演会講演論文集. 405-406 (2000)

Tsuyoshi Funayama、Junichi Ikeno、Osamu Horiuchi：“利用激光捕获过程中的粒子振动现象进行形状测量”日本磨料加工学会 2000 年学术会议记录 405-406 (2000)。

橋本隆寛,池野順一,中野康範,堀内宰,河西敏雄: "YAGレーザによるガラス表面の微細加工(第3報)〜任意形状の凸部平面創成〜"精密工学会講演論文集. 277 (2000)

Takahiro Hashimoto、Junichi Ikeno、Yasunori Nakano、Osamu Horiuchi、Toshio Kasai：“使用 YAG 激光对玻璃表面进行微加工（第 3 次报告） - 创建任意形状的凸面 -”日本精密工程学会论文集 277（2000 年）。

橋本隆寛, 池野順一, 中野康範, 堀内宰, 河西敏雄: "YAGレーザによるガラス表面の微細加工(第3報)〜任意形状の凸部平面創成〜"精密工学会講演論文集. 277 (2000)

Takahiro Hashimoto、Junichi Ikeno、Yasunori Nakano、Osamu Horiuchi、Toshio Kawanishi：“使用 YAG 激光进行玻璃表面的微加工（第 3 次报告）- 任意形状的凸面的创建 -”日本精密工程学会论文集 277（2000 年）。

橋本隆寛, 池野順一, 堀内宰, 河西敏雄: "ガラス表面のレーザ微細成形加工"日本機械学会第2回生産加工・工作機械部門講演会講演論文集. 113-114 (2000)

Takahiro Hashimoto、Junichi Ikeno、Osamu Horiuchi、Toshio Kawanishi：“玻璃表面的激光微成型加工”第二届日本机械工程师学会生产加工和机床分会会议记录 113-114 (2000)。