レーザ加工と切削加工の統合によるガラス材料加工技術の開発

• 研究課題/領域番号: 16J09248
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 生産工学・加工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 伊藤 佑介 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2016年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: フェムト秒レーザ / フェムト秒レーザ誘起加工法 / ポンププローブ / 電子密度解析 / 化学強化ガラス / 衝撃波 / レーザ援用切削加工 / 応力波解析

研究実績の概要

Pump-Probe法と高速度カメラを組み合わせたイメージングシステムを構築し，低パルス数においてフィラメンテーションが生じ，材料深部にまで電子励起領域が形成されている様子を観察した．また，レーザ照射の度に応力波が材料内外に伝搬していることを示した．
材料深部まで形成された電子励起領域を効率的に使用し，なおかつ応力波の形成頻度を減らす加工法として，フェムト秒レーザ誘起加工法を提案した．この手法では，1発のフェムト秒レーザで材料深部まで，電子励起領域をフィラメント状に形成する．その領域にのみ，選択的に連続波レーザ光を吸収させる．ガラスに対して透過波長であり，フィラメントにのみ吸収される高出力連続波レーザを用いることで，狭い領域を局所的に加熱することを狙った加工手法である．
従来であれば，深さ約0.1 mmの加工穴の形成に，200 msを要していたが，提案手法では，0.04 msで同等の深さの穴が形成できることを明らかにした．このように従来比5000倍の超高速加工を実現した．また，加工穴近傍において，従来手法で多量に形成されていたクラックが，提案手法では抑制された．従来であれば，フェムト秒レーザパルスを照射するたびに応力波が伝搬し，その際に形成される引張応力によってクラックが形成されていたが，提案手法では，応力波が一度しか伝搬しないために破壊が抑制された．以上のように，提案手法により，従来のフェムト秒レーザ加工の微細性を維持したまま，超高速加工と精密加工を同時に実現した．

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] サンパウロ大学(ブラジル)
• [雑誌論文] レーザによるガラスの超高速微細精密加工 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤佑介，吉﨑れいな，杉田直彦
  • 雑誌名: 機械と工具 巻: 9 ページ: 50-55
• [雑誌論文] Ultrafast and precision drilling of glass by selective absorption of fiber-laser pulse into femtosecond-laser-induced filament (2018)
  • 著者名/発表者名: Ito Yusuke、Yoshizaki Reina、Miyamoto Naoyuki、Sugita Naohiko
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 113 号: 6 ページ: 061101-061101
  • DOI: 10.1063/1.5027421
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanisms of damage formation in glass in the process of femtosecond laser drilling (2018)
  • 著者名/発表者名: Ito Yusuke、Shinomoto Rin、Nagato Keisuke、Otsu Akinori、Tatsukoshi Kentaro、Fukasawa Yasuji、Kizaki Toru、Sugita Naohiko、Mitsuishi Mamoru
  • 雑誌名: Applied Physics A 巻: 124 号: 2 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1007/s00339-018-1607-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Precision Machining of Sintered Zirconia Ceramics by High-Speed Milling (2017)
  • 著者名/発表者名: Ito Yusuke、Sugita Naohiko、Fujii Tatsuya、Kizaki Toru、Mitsuishi Mamoru
  • 雑誌名: International Journal of Automation Technology 巻: 11 号: 6 ページ: 862-868
  • DOI: 10.20965/ijat.2017.p0862
  • NAID: 130007505981
  • ISSN: 1881-7629, 1883-8022
  • 年月日: 2017-11-05
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Laser-Assisted Milling of Zirconia with Systematically Determined Machining Conditions (2017)
  • 著者名/発表者名: Toru Kizaki, Yusuke Ito, Naohiko Sugita, and Mamoru Mitsuishi
  • 雑誌名: International Journal of Automation Technology 巻: 11 号: 2 ページ: 258-269
  • DOI: 10.20965/ijat.2017.p0258
  • NAID: 130007505907
  • ISSN: 1881-7629, 1883-8022
  • 年月日: 2017-03-05
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Velcro-Inspired SiC Fuzzy Fibers for Aerospace Applications (2017)
  • 著者名/発表者名: Amelia H.C. Hart, Ryota Koizumi, John T Hamel, Peter Samora Owuor, Yusuke Ito, Sehmus Ozden, Sanjit Bhowmick, Syed Asif Syed Amanulla, Thierry Tsafack, Kunttal Keyshar, Rahul Mital, Janet Hurst, Robert Vajtai, Chandra Sekkhar Tiwary, and Pulickel M Ajayan
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 9 号: 15 ページ: 13742-13750
  • DOI: 10.1021/acsami.7b01378
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-efficiency and precision cutting of glass by selective laser-assisted milling (2017)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Ito, Toru Kizaki, Rin Shinomoto, Masateru Ueki, Naohiko Sugita, and Mamoru Mitsuishi
  • 雑誌名: Precision Engineering 巻: 47 ページ: 498-507
  • DOI: 10.1016/j.precisioneng.2016.10.005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental Analysis of Glass Drilling with Ultrashort Pulse Lasers (2016)
  • 著者名/発表者名: Rin Shinomoto, Yusuke Ito, Toru Kizaki, Kentaro Tatsukoshi, Yasuji Fukasawa, Keisuke Nagato, Naohiko Sugita, and Mamoru Mitsuishi
  • 雑誌名: International Journal of Automation Technology 巻: 10 号: 6 ページ: 863-873
  • DOI: 10.20965/ijat.2016.p0863
  • NAID: 130007673944
  • ISSN: 1881-7629, 1883-8022
  • 年月日: 2016-11-05
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 高電子密度領域への選択的光吸収によるガラスの超高速微細精密レーザ加工 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤佑介, 吉﨑れいな, 宮本直之, 柴田章広, 長澤郁夫, 長藤圭介, 杉田直彦
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 局所的電子励起領域へのレーザ光吸収によるガラスの超高速内部加工 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宮本直之, 伊藤佑介, 吉﨑れいな, 魏超然, 柴田章広, 長澤郁夫, 長藤圭介, 杉田直彦
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Real-time observation of progressing crack and stress analysis in glass laser cutting (2018)
  • 著者名/発表者名: Kensho Ogata, Keisuke Nagato, Yusuke Ito, Hiro Nakano, Tetsuya Hamaguchi, Isao Saito, Takuma Fujiwara, Takahiro Nagata, Yasunori Ito, Masayuki Nakao
  • 学会等名: 44th International Conference on Micro and Nanoengineering
  • 国際学会
• [学会発表] 局所高電子密度化によるガラスの超高速微細精密レーザ加工 (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊藤佑介, 吉﨑れいな, 宮本直之, 長藤圭介, 杉田直彦
  • 学会等名: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ガラスの局所高自由電子密度化による超高速微細レーザ加工の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宮本直之, 伊藤佑介, 吉﨑れいな, 杉田直彦
  • 学会等名: 2018年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [学会発表] ガラスのフェムト秒レーザ穴あけ加工におけるダメージ形成メカニズム (2018)
  • 著者名/発表者名: 伊藤佑介, 篠本凜, 長藤圭介, 吉﨑れいな, 岩田大二郎, 長澤郁夫, 杉田直彦
  • 学会等名: 第89回レーザ加工学会講演会
• [学会発表] 超短パルスレーザによるガラスの穴あけ加工における応力波のクラック生成への影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大津明範, 伊藤佑介, 篠本凜, 木崎通, 長藤圭介, 杉田直彦, 光石衛, 龍腰健太郎, 深澤寧司
  • 学会等名: 2017年度精密工学会春季大会学術講演会
  • 発表場所: 神奈川県横浜市，慶應義塾大学
  • 年月日: 2017-03-13
• [学会発表] Precision Cutting of Glass by Laser-assisted Machining (2017)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Ito, Masateru Ueki, Toru Kizaki, Naohiko Sugita, and Mamoru Mitsuishi
  • 学会等名: International Conference on Sustainable Materials Processing and Manufacturing, SMPM 2017
  • 発表場所: Kruger National Park, South Africa
  • 年月日: 2017-01-23
  • 国際学会
• [学会発表] Real-time observation of crack propagation in laser cutting of glass (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiro Nakano, Keisuke Nagato, Qing Ding, Tetsuya Hamaguchi, Isao Saito, Takuma Fujiwara, Takahiro Nagata, Yusuke Ito, Masayuki Nakao
  • 学会等名: 43rd International Conference on Micro and Nanoengineering (MNE)
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of damage generation during femtosecond laser drilling of glass (2017)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Ito, Rin Shinomoto, Akinori Otsu, Keisuke Nagato, Kentaro Tatsukoshi, Yasuji Fukasawa, Toru Kizaki, Naohiko Sugita, Mamoru Mitsuishi
  • 学会等名: International Conference on Laser Ablation (COLA)
  • 国際学会
• [学会発表] ファイバレーザを用いたガラスのフルカットにおける亀裂進展のリアルタイム観察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中野比路, 長藤圭介, 丁晴, 矢島由基, 濱口哲也, 斉藤勲, 藤原卓磨, 永田孝弘, 伊藤佑介, 中尾政之
  • 学会等名: 日本機械学会2017年度年次大会
• [学会発表] フェムト秒レーザを用いたガラスの穴あけ加工における表面状態の観察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 篠本凜, 伊藤佑介, 木崎通, 龍腰健太郎, 深澤寧司, 長藤圭介, 杉田直彦, 光石衛
  • 学会等名: 第86回レーザ加工学会
  • 発表場所: 岡山県岡山市，岡山大学
  • 年月日: 2016-12-12
• [学会発表] 超短パルスレーザによるガラスの穴あけ加工特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 篠本凜, 伊藤佑介, 木崎通, 長藤圭介, 杉田直彦, 光石衛, 龍腰健太郎, 深澤寧司
  • 学会等名: 2016年度精密工学会秋季大会学術講演会
  • 発表場所: 茨城県水戸市，茨城大学
  • 年月日: 2016-09-06
• [学会発表] レーザと切削・研削の複合によるセラミックスの微細形状創成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 杉田直彦, 木崎通, 伊藤佑介, 田邊祥太, 篠本凜, 平岩和也, 植木政瑛, 光石衛
  • 学会等名: 第85回レーザ加工学会
  • 発表場所: 大阪府吹田市，大阪大学
  • 年月日: 2016-06-09
• [学会発表] ガラスのフェムト秒レーザ加工における局所屈折率変化の観察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 伊藤佑介, 篠本凜, 佐野智一, 草野英昭, 木崎通, 杉田直彦, 廣瀬明夫, 光石衛
  • 学会等名: 第85回レーザ加工学会
  • 発表場所: 大阪府吹田市，大阪大学
  • 年月日: 2016-06-09
• [学会発表] Laser-assisted Machining of Zirconia Ceramics Using a Diamond Bur (2016)
  • 著者名/発表者名: Toru Kizaki, Yusuke Ito, Shota Tanabe, Naohiko Sugita, and Mamoru Mitsuishi
  • 学会等名: 18th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining (ISEM)
  • 発表場所: 東京都文京区，東京大学
  • 年月日: 2016-04-19
  • 国際学会
• [産業財産権] 加工装置又は加工方法 (2018)
  • 発明者名: 杉田直彦, 伊藤佑介, 吉崎れいな, 宮本直之
  • 権利者名: 杉田直彦, 伊藤佑介, 吉崎れいな, 宮本直之
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-021548
  • 出願年月日: 2018
• [産業財産権] 孔を有する絶縁基板を製造する方法、および絶縁基板に孔を形成する方法 (2017)
  • 発明者名: 杉田直彦, 伊藤佑介, 篠本凜, 長藤圭介, 木崎通, 大津明範
  • 権利者名: 杉田直彦, 伊藤佑介, 篠本凜, 長藤圭介, 木崎通, 大津明範
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2017-077648
  • 出願年月日: 2017