JP2010115661A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料などからなる被加工物の表面に、数μｍオーダーの微小な寸法を有する凹凸パターンを形成するために有効なレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】マスク部４０を分割し、分割したマスクを光路長に差を設けてそれぞれ配置し、各マスクの開口を通過したレーザ光１１を同一の結像光学系５０により被加工物６０に照射させる構成にし、照射位置を変えながらレーザ光１１の重ね照射を可能にする。これにより、被加工物６０の所定の位置における表面および内部に複数のレーザ光１１を集光させることができるため、被加工物６０表面に集光させたレーザ光１１により表層部を加工して凹部を形成した後に、被加工物６０内部の位置に集光させたレーザ光１１により凹部６１の底部を高精度・高速かつ容易に加工することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置およびレーザ加工方法に係り、さらに詳しくは、主に、レーザ加工用のマスク配置の改良技術に関するものである。

リチウム二次電池は、高容量および高エネルギ密度を有し、小型化および軽量化が容易なことから、例えば、携帯電話，携帯情報端末（ＰＤＡ），ノート型パーソナルコンピュータ，ビデオカメラ，携帯ゲーム機などの携帯用小型電子機器の電源として汎用されている。

代表的なリチウム二次電池では、正極活物質としてリチウムコバルト化合物を含有する正極が使用され、負極活物質として炭素材料を含有する負極およびポリオレフィン製多孔質膜であるセパレータがそれぞれ使用されている。このリチウム二次電池は、電池容量および出力が高く、充放電サイクル特性が良好で、耐用寿命も比較的長い。

しかしながら、携帯用小型電子機器の多機能化が進められ、連続使用可能時間の延長が求められている現状では、リチウム二次電池のさらなる高容量化が必要になっている。

リチウム二次電池のさらなる高容量化のために、例えば、高容量の負極活物質の開発が進められている。高容量の負極活物質としては、リチウムとの合金化が可能な合金系負極活物質が注目を集めている。合金系負極活物質を含む負極は、リチウムイオンを吸蔵および放出することにより充放電を行う。

合金系負極活物質としては、例えば、珪素，錫，これらの酸化物，これらの窒化物，これらを含有する化合物，合金などが知られている。合金系負極活物質は高い放電容量を有している。例えば、珪素の理論放電容量は約４１９９ｍＡｈ／ｇであり、従来から負極活物質として用いられる黒鉛の理論放電容量の約１１倍である（例えば、特許文献１参照）。

合金系負極活物質は、リチウム二次電池の高容量化を図る上では有効である。しかしながら、合金系負極活物質を含有するリチウム二次電池を実用化するには、いくつかの解決すべき課題がある。例えば、合金系負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵および放出する度に、膨張および収縮を繰り返し、それに伴って比較的大きな応力を発生する。この応力によって、負極活物質層の割れや、負極活物質層の負極集電体からの剥離、あるいは負極集電体や負極全体の変形などが生じ、リチウム二次電池の充放電サイクル特性を低下させることがある。

このような問題に鑑み、合金系負極活物質を含有する負極活物質層を備えるリチウム二次電池において、負極集電体の表面に凸部（突起部）を設けることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２によれば、負極集電体表面に凸部を設けることによって、負極集電体と負極活物質層との接合強度を高め、合金系負極活物質の膨張および収縮に伴う負極活物質層の剥離を防止しようとしている。しかしながら、特許文献２の技術では、電解析出法、すなわち電気めっき法によって凸部が形成されるので、負極集電体と凸部との接合強度が十分高くない。このため、合金系負極活物質の膨張および収縮に伴う応力によって、凸部の負極集電体からの剥離が生じ易くなり、負極活物質層の剥離を十分に防止することができない。

一方、金属などからなる基板表面に凹凸を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特許文献３では、表面に凹凸が形成されたロールが利用される。このロールを２つ用い、それぞれの軸線が平行になるように圧接させ、この圧接部分に基板を通過させ、基板に圧力を加えて基板を構成する材料を塑性変形させることによって、基板表面に凹凸を形成する。また、特許文献３では、樹脂フィルムの表面にレーザ加工により凹凸を形成し、凹凸が形成された表面を内側にして樹脂フィルムを円筒状に丸め、電気鋳造法により凹凸が形成された表面に金属を析出させることでロールを作製している。

しかしながら、このロール作製方法では、樹脂フィルムが変形し易いため、樹脂フィルム表面に形成された凹凸をロール表面に精確に転写できないことが多い。凹凸が数μｍオーダーの寸法を有する場合は、その傾向はさらに顕著になる。したがって、この作製方法で得られるロールを用いる場合、基板表面に、高さおよび径が数μｍ程度である微小な凸部が規則正しく配列された凹凸パターンを形成することは困難である。

本発明者らは、負極活物質として合金系負極活物質を含有するリチウム二次電池において、負極活物質層の割れ，負極活物質層の剥離，負極の変形などを防止するための研究を重ねてきた。

その研究過程で、負極集電体表面に、塑性変形により、高さおよび径が数μｍオーダーである微小な凸部を規則的なパターンで形成し、かつ該凸部の表面に負極活物質層を形成する場合には、従来技術の課題をほぼ解決できることを見出した。さらに、ロール表面に凸部パターンに対応する凹部パターンを形成し、このロールを２つ圧接させて圧接部を形成して、この圧接部に負極集電体を通過させる場合には、塑性変形により、負極集電体表面に微小な凸部を精確に形成し得ることを見出した。

本発明者らは、上記の知見に基づいて、ロール表面に凹部パターンを形成する方法についてさらなる研究を重ねた。それによれば、凸部パターンに対応する凹部パターンをロール表面に精確に再現するには、レーザ加工を利用することが工業的に有利である。

一般的なレーザ加工方法では、主に被加工物とレーザ光源との間にマスクを配置する。マスクには、所定の形状の開口を有する複数の開口が形成される。このマスクを介してレーザ光を照射、結像光学系を用いて被加工物の表面にマスクの像を投影することによって、被加工物表面に凹部パターンが形成される。さらに、同一箇所に複数回レーザを照射することによって、凹部パターンを所定の深さにすることができる。

また、レーザ光を分岐してマスクに照射、あるいはマスクを透過したレーザ光を分岐してワークに照射することにより、レーザ光をより有効に利用し、加工を高速に行う方法（特許文献４参照）が提案されている。

図５にマスクとレーザ光分岐を用いた従来のレーザ加工装置について説明する。

図５において、レーザ発振器１から出射したレーザ光２は、開口３を有するマスク４に入射し、ビーム分岐光学系５で偏光されて分岐・合成された後、結像光学系６を介して被加工物７上に結像され、これにより被加工物７の表面部分に凹部８を形成する構成になっている。
特開２００２−８３５９４号公報 特開２００７−１０３１９７号公報 特開２００７−２７２５２号公報 特開２００８−１４５６０５号公報

ところが、前記従来のレーザ加工装置，加工方法では、ロール表面に加工する凹部の寸法が微小であり、かつ寸法に対し深さが大きい場合には、加工する凹部の深さに対して焦点深度が浅くなり、凹部の深い箇所ではマスク形状を精度良く結像することができなくなり、マスクの形状を再現することが困難となる。

また、加工位置に合わせて結像面を自動で調整する機構を用いても、凹部の寸法が微小である場合には焦点の検出そのものが困難である。さらに、加工中に自動で焦点位置を移動させるように加工機の動作をプログラムしても、その動作速度は数〜数１０Ｈｚであり、レーザを数〜数１０ｋＨｚの高い繰り返し周波数で駆動させる場合には追従させることができない。

また、マスクを透過したレーザ光を分岐させることによる高速化の方法においては、特に焦点深度が数μｍ程度の加工を行う際に、光軸の傾きが異なる複数のレーザ光を同一の光学系で結像させる必要が生じ、結像光学系の収差の影響を大きく受ける結果となる。

また、特許文献４に記載の技術のように、分岐した複数のレーザ光を平行光に再度合成して加工しても、その際に２本のレーザ光に意図せぬ光路長の差を生じ、その結果、結像した像はそれぞれ不作為に焦点位置がずれることとなる。さらに、複数の箇所を加工する高い出力のレーザ光を１箇所のマスクの開口から透過させるため、マスクに損傷を生じやすく、このことは、特に短パルスのレーザを用いて、被加工物として金属材料を加工するような場合に顕著となる。

また、レーザ光を分岐させて複数の開口を有するマスクに照射する方法においては、前記マスクの損傷を低減させることはできるが、複数の開口の間隔がマスクにより決定してしまうため、被加工物上に同時に複数形成される凹部のピッチを自由に変更することができない。また、レーザ光の分岐を行わない場合と同様に、加工の進展に伴う焦点の調整が困難であり、寸法に対して深さが大きい凹部を高精度に加工することが困難である。

本発明の目的は、金属材料などからなる被加工物の表面に、数μｍオーダーの微小な寸法を有する未貫通の凹凸パターンを、高精度かつ高速かつ容易に形成するのに有効なレーザ加工装置および該レーザ加工装置を用いるレーザ加工方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、マスクにより整形したレーザ光を結像光学系により被加工物に照射し、被加工物を所定の形状に加工するレーザ加工装置であって、前記マスクを前記レーザ光の光軸方向にそれぞれ光路差を設けて複数配置し、かつ前記複数のマスクのそれぞれに少なくとも１つの開口を設け、前記各開口を通過した複数のレーザ光を同一の前記結像光学系を介して被加工物に照射させ、被加工物に加工孔を形成するものである。

本構成によって、マスクの複数の開口を介して、被加工物表面および加工孔内の複数の箇所にレーザ光を結像させることができるため、被加工物を照射するレーザ光で加工した加工孔の底部を高精度に加工することができる。また、それぞれ分割したマスクにレーザ光を入射するため、マスクの損傷を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、被加工物はロール形状または軸対称の回転体であり、複数のマスクの各開口を、被加工物の回転時における表面の移動方向とは異なる方向にレーザ光が並んで照射されるように配置したものである。

本構成によって、被加工物を回転させながら断続的に加工孔を形成することができるために高速に加工することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、レーザ光の被加工物に対する照射部位をコントロールする駆動制御手段を備え、被加工物とレーザ光学系の相対位置を変更し、被加工物に対するレーザ光の照射部位を異なるレーザ光で重複して照射可能にしたものである。

本構成によって、被加工物を回転させながら断続的に加工孔を形成し、隣接する加工孔に対してレーザ光を重ねて照射することにより、少なくとも被加工物が１回転する時間に冷却・除塵を施すことが可能となるため、加工孔をより高精度に形成することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項に記載のレーザ加工装置において、レーザ光の１本を被加工物の表面近傍に集光させ、他のレーザ光を被加工物の表面より内側に集光させるものである。

本構成により、被加工物表面に集光させたレーザ光により表層部を加工して加工孔を形成した後に、被加工物内部の位置に集光させたレーザ光により加工孔の底部を高精度・高速かつ容易に加工することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載のレーザ加工装置において、複数のマスクにおいて、結像光学系に対する光路長が短い位置に配置されたマスクの開口面積が、光路長が長い位置に配置されたマスクの開口面積よりも小さくなるように開口を設けたものである。

本構成によって、加工孔内に結像させたレーザ光は、加工物表面に結像し加工された加工孔より小さい領域に照射されるため、加工された加工孔の壁面によるレーザ光のケラレ，反射を低減し、加工孔をより高精度に形成することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５いずれか１項に記載のレーザ加工装置において、レーザ光が、少なくとも１つのレーザ発振源から出射され、かつ少なくとも２つ以上に分岐されて、複数のマスクの各開口にそれぞれ入射させるように構成したものである。

本構成によって、レーザ光をマスク開口位置周辺のみに入射することにより、レーザ光をより有効に利用することが可能となり、また、マスク開口位置でのレーザ光のエネルギ分布を安定化させ、被加工物に加工孔をより高精度に加工することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のレーザ加工装置において、レーザ光を偏光して分岐させたものである。

本構成によって、偏光することでレーザ光を近接させ、かつレーザ光同士の干渉の影響を抑制することにより、マスク開口位置でのレーザのエネルギ分布を安定化させ、被加工物に加工孔をより高精度に加工することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１，２，５または６に記載のレーザ加工装置において、複数のマスクをスペーサの異なる部位にそれぞれ設置して、光路差を設けたものである。

本構成により、複数のマスクの設置が容易かつ確実に行われることになる。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のレーザ加工装置において、スペーサに凹凸形状を有する放熱板を設けたものである。

本構成により、レーザ光に晒されるマスクの温度上昇を低減させることができるため、マスクの損傷を抑えることができる。

請求項１０に記載の発明は、回転する被加工物にレーザ光学系を介してレーザ光を投影し、前記被加工物を所定の形状に加工するレーザ加工方法であって、前記被加工物を回転させながら、前記レーザ光の光軸方向の異なる位置に配設された複数のマスクに設けた開口に対し、レーザ発振源から出射されて複数に分岐したレーザ光を入射させ、前記複数のマスクの前記各開口を通過した複数のレーザ光を、前記被加工物の複数の箇所に断続的に照射して加工孔を形成する方法である。

本構成により、被加工物を回転させながら断続的に加工孔を形成することができて高速加工をすることができると同時に、マスクの複数の開口を介して被加工物表面および内部の複数の箇所にレーザ光を結像させることができるため、加工孔の底部を高精度に加工することができ、また、複数のレーザ光を照射するため、マスクの損傷を低減することができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０記載のレーザ加工方法において、加工孔を形成して少なくとも被加工物を１回転以上させた後に、加工孔に重なる位置で、加工孔を形成したマスクとは異なるマスクの開口を通過したレーザ光を重ねて照射するように、被加工物とレーザ光学系との相対位置を被加工物の回転軸方向に移動させる方法である。

本構成により、被加工物とレーザ光学系の相対位置を変更し、レーザを重ねて照射することによって、被加工物表面に結像させたレーザ光により表層部を加工した後に、被加工物内部の位置に結像させたレーザ光で加工した加工孔の底部を高精度に加工することができる。また、複数のマスクにレーザ光を照射するため、マスクの損傷を低減することができる。

請求項１２に記載の発明は、請求項１０または１１に記載のレーザ加工方法において、レーザ光の１本を被加工物の表面近傍に集光させ、他のレーザ光を被加工物の表面より内側に集光させる方法である。

本構成により、被加工物表面に集光させたレーザ光により表層部を加工して加工孔を形成した後に、被加工物内部の位置に集光させたレーザ光により加工孔の底部を高精度・高速かつ容易に加工することができる。

請求項１３に記載の発明は、請求項１０〜１２いずれか１項に記載のレーザ加工方法において、被加工物がロール形状または軸対称の回転体である方法である。

本構成により、被加工物を回転させながら断続的に加工孔を形成することができるため、高速加工を行うことができる。

本発明に係るレーザ加工装置あるいはレーザ加工方法によれば、マスクの複数の開口の相対位置を自由に変更できるようになると共に、被加工物表面および内部の複数の箇所にレーザ光を結像させることができるため、被加工物とレーザ光学系の相対位置を変更し、レーザを重ねて照射することによって、被加工物表面に結像させたレーザ光により表層部を加工した後に、被加工物内部の位置に結像させたレーザ光で加工した加工孔の底部を高精度に加工することができる。また、それぞれ分割したマスクにレーザ光を照射するため、マスクの損傷を低減することができる。

具体的には、ロールなどの被加工物の表面に、数μｍオーダーの微細な凹凸パターンを高精度にかつ高速かつ容易に形成できる。特に、凹凸パターンの形状，寸法（径，凹部の深さおよび凸部の高さ）などをほぼ精確に再現できる。すなわち、本発明に係る装置および方法を用いれば、数μｍオーダーの凸部にほぼ対応する形状および寸法を有する凹部が表面に形成されたロールが得られる。このロールを用いて集電体の塑性変形加工を行えば、集電体表面に、寸法が数μｍオーダーで、ほぼ設計通りの形状を有する凸部を工業的に有利に形成できる。

例えば、開口部の最小寸法に対する深さの比が１以上の加工孔が表面に複数設けられ、加工孔の底部の平面度が２μｍ以下であるロールの加工も実現可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態であるレーザ加工装置の概略構成図、図２は図１のレーザ加工装置に設けられたマスク部の構造図、図３は図１のレーザ加工装置における被加工物に対する加工孔（凹部）の加工過程の初期段階を示す図であって、図３（ａ）は被加工物全体の概要を示す斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）における加工孔部分の拡大断面図、図４は図１のレーザ加工装置における被加工物に対する加工孔（凹部）の加工過程の終了段階を示す図であって、図４（ａ）は被加工物全体の概要を示す斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）における加工孔部分の拡大断面図である。

図１において、レーザ加工装置１は、少なくとも１つのレーザ発振器１０，ビーム整形光学系２０，ビーム分岐光学系３０，マスク部４０，結像光学系５０によって構成される。レーザ発振器１０から出射されたレーザ光１１は、ビーム整形光学系２０，ビーム分岐光学系３０により所定のビームエネルギ分布および本数（本例では２本）に分割されてマスク部４０に導入される。マスク部４０を透過したレーザ光１１は、結像光学系５０により、回転駆動部７０によって回転自在に保持されたローラ状あるいは軸対称の回転体である被加工物６０の表面近傍に結像され、被加工物６０の表面に複数の加工孔としての凹部を形成する。

なお、図１における８０は、レーザ加工装置１を被加工物６０の軸線方向へ移動させる移動駆動部であり、９０はレーザ加工装置１における前記構成部材の各部をコントロールするＣＰＵ（中央演算処理ユニット）などからなる制御部である。

図２において、マスク部４０には、第１マスク４１ａと、第１マスク４１ａよりも図１における結像光学系５０との光路長が短くなるように、第１マスク４１ａとの間にスペーサ４３を介して配置された第２マスク４１ｂが設けられており、第１マスク４１ａと第２マスク４１ｂとに、第１開口４２ａ，第２開口４２ｂがそれぞれ少なくとも１箇所の形成されている。両マスク４１ａ，４１ｂは、それぞれスペーサ４３にマスクホルダ４４を介して固定され保持されている。またスペーサ４３には放熱板４５が設けられている。

レーザ光１１は、ビーム分岐手段３０で分岐され、後述するように分割された光ビーム１１ａ，１１ｂが各マスク４１ａ，４１ｂの開口４２ａ，４２ｂをそれぞれ透過し、図１における結像光学系５０へと入射する。

図３，図４において、分岐された一方の第１レーザ光１１ａは、図２における第１開口４２ａを通過したレーザ光であり、他方の第２レーザ光１１ｂは、図２における第２開口４２ｂを通過したレーザ光である。第１レーザ光１１ａは被加工物６０の表面近傍に結像するように設定されており、第２開口４２ｂを通過した第２レーザ光１１ｂは被加工物６０表面より内側の所定の位置に結像するように設定されている。第１凹部６１ａおよび第２凹部６１ｂは、第１レーザ光１１ａと第２レーザ光１１ｂを被加工物６０に照射することによって、それぞれ形成された加工孔である。

図３（ａ），図４（ａ）において、被加工物６０上の同一箇所に少なくとも１回以上のレーザ照射を行い、各レーザ光１１ａ，１１ｂにより凹部６１ａ，６１ｂをそれぞれ形成する。このとき、第１レーザ光１１ａは、第１マスク４２ａの像を被加工物６０の表面近傍に結像するため、第１凹部６１ａにおいて精度良く第１マスク４２ａの形状を縮小または拡大投影されている。

その後、制御部９０は、図３（ｂ），図４（ｂ）に示すように、被加工物６０とレーザ加工装置１との相対位置を変更するように回転駆動部７０，移動駆動部８０などを駆動し、第１凹部６１ａに重なるように第２レーザ光１１ｂを照射し、深く加工された第３凹部６１ｃを形成する。このとき、第２レーザ光１１ｂは、第１凹部６１ａの底部付近に第２マスク４２ｂの像を結像するため、形成目標の凹部である第３凹部６１ｃを精度良く形成することができる。

この工程を複数回繰返し、複数の第３凹部６１ｃが形成された被加工物６０を用いて、図示しない金属シート状物である集電体を加圧下に塑性変形加工することにより、集電体表面に凹部パターンに対応する凸部パターンが形成される。この凸部の表面には、例えば、柱状の活物質層が形成される。

被加工物６０の第３凹部６１ｃが形成された領域を、塑性変形加工を施す集電体シートの幅より大きくすることにより、被加工物６０の端部に形成される第１凹部６１ａおよび第２凹部６１ｂの影響をなくすことができるが、加工の始端および終端において、第１レーザ光１１ａのみ、あるいは第２レーザ光１１ｂのみを遮蔽する遮断機構を設けることによって第１凹部６１ａと第２凹部６１ｂを形成しないようにしてもよい。

図２において、両マスク４１ａ，４１ｂは、例えば、銅、ステンレス鋼などからなるシート状の基板に切削加工，放電加工，フォトリソグラフィー法およびエッチング法を利用して、複数かつ所定の形状の開口４２ａ，４２ｂを形成することにより作製することができる。

また、必ずしも必要ではないが、レーザ光１１ａ，１１ｂによるマスク４１ａ，４１ｂの損傷を低減させるため、マスク４１ａ，４１ｂの表面はレーザに対し反射率が大きい材質で構成されていることが好ましい。例えば、波長が５３２ｎｍのレーザ光に対しては、金，銀，アルミなどの金属層や、誘電体多層膜による高反射率層などがコーティングされていることが好ましい。

マスク部４０は、本例では第１マスク４１ａと第２マスク４２ｂに分割しており、各マスク４１ａ，４２ｂは、それぞれレーザ光１１ａ，１１ｂの光軸に対して略直交するように配置する。この場合、０．０５〜５°の入射角となるように配置することが好ましく、マスク４０部によるレーザ光１１の反射光が発振器へ戻ることを抑制することができ、レーザ光１１の出力が安定する。両マスク４１ａ，４１ｂは、レーザ光１１ａ，１１ｂの光軸方向にスペーサ４３を介して段差を設けて配置している。

本実施形態では、前記光軸方向の段差を設ける手段として、両マスク４１ａ，４１ｂの間にスペーサ４３を設けているが、段差を設ける手段はこれに限らず、それぞれのマスクを独立して保持してあってもよい。

また、本実施形態では、マスク部４０は第１マスク４１ａと第２マスク４２ｂとの２つに分割されているが、それ以上の数に分割されていてもよく、その場合に各マスク間に設ける段差は一定でなくてもよい。

図１において、レーザ発振器１０には、公知のレーザ発振器を使用することができ、例えば、Ｎｄ＋：ＹＬＦやＮｄ＋：ＹＡＧやＮｄ＋：ＹＶＯ４レーザなどの固体レーザ発振器、あるいはファイバーにレーザ媒質をドーピングしたファイバーレーザなどが挙げられる。また、レーザ発振器１０から出力されるレーザ光１１の波長は、好ましくは１００ｎｍ以上，６００ｎｍ未満、さらに好ましくは２６６ｎｍ以上，６００ｎｍ未満である。波長が２６６ｎｍ未満では、レーザ光１１のパワーが不十分になり、各凹部６１ａ〜６１ｃの形成に長時間を要するおそれがある。一方、波長が６００ｎｍ以上では、回折限界が大きくなるため精度が悪化するおそれがある。

前記範囲の波長を有するレーザ光１１を出力するには、例えば、Ｎｄ＋：ＹＬＦ、またはＮｄ＋：ＹＡＧ、またはＮｄ＋：ＹＶＯ４、またはファイバーレーザなどの高調波を用いるのが好ましい。例えば、Ｎｄ＋：ＹＡＧレーザの高調波を用いれば、波長５３２ｎｍあるいは３５５ｎｍなどの波長のレーザ光を出力することができる。

ビーム整形系２０は、レーザ光１１のエネルギ分布を所定の値に調整する手段であり、複数のレンズによるビームコリメータ，シリンドリカルレンズ，ビームホモジナイザ、あるいは回折素子などを用いることができる。また、アッテネータなどの出力調整手段を併設してもよい。

ビーム分岐光学系３０は、レーザ光１１を複数に分岐する手段である。ビーム分岐光学系３０は、無偏光あるいは偏光ビームスプリッタ、または回折素子によって構成されている。ビーム分岐光学系３０としては、偏光ビームスプリッタを含む構成が好ましく、複数のレーザ光をビーム径近傍に近接して伝送する際に、隣接するレーザ光の偏光方向を直交するように配置させることにより、干渉によるレーザ光１１のエネルギ分布の変動を抑制させることができる。

結像光学系５０は、マスク部４０を透過したレーザ光１１を集光して、被加工物６０の表面に照射する部材である。結像光学系５０は、集光レンズまたは回折素子、またはこれらの組み合わせにより構成されている。結像光学系５０の焦点距離は、好ましくは２０〜２００ｍｍ、さらに好ましくは４０ｍｍ程度がよい。焦点距離が２０ｍｍ未満では、被加工物６０を加工する際に発生するダストが結像光学系５０に付着し、レーザ光１１の被加工物６０への伝播を阻害し結像ができなくなるおそれがある。一方、焦点距離が２００ｍｍを超えると、結像光学系５０のＮＡ（開口数）が低下することから、高精度の結像ができなくなるおそれがある。また、加工ヘッド４６の結像倍率は、好ましくは５〜４０倍、さらに好ましくは１６倍程度がよい。

図１において、レーザ光１１の照射時間は特に制限されないが、好ましくは、一回当たり１０ｐｓ〜２００ｎｓがよい。照射時間が１０ｐｓ未満では、熱伝導による照射部周囲への加熱が発生せずに加工が終了するため、原子１層分しか取り除くことができず、凹部６１の形成を高速に行うことができない。一方、照射時間が２００ｎｓを超えると、ロールなどの被加工物６０の回転により、レーザ光１１が被加工物６０の表面をスイープするおそれがある。例えば、被加工物６０表面が周速５００ｍｍ／ｓで回転しているときに２００ｎｓのパルスを照射した場合、０．１μｍのスイープが生じる。

図１において、レーザ加工装置１は、図示しないブロー装置を含んで構成することができる。ブロー装置は、回転駆動部７０により支持される被加工物６０の近傍に設けられ、被加工物６０表面、好ましくは被加工物６０表面の凹部６１形成箇所に気体または液体を吹き付ける。ブロー装置による吹き付け時期は、特に制限されないが、例えば、レーザ光１１の照射前、レーザ光１１を被加工物６０表面に照射してから次に同一箇所にレーザ光１１を照射するまでの間、レーザ光１１照射の終了後などが挙げられる。この吹き付けによって、被加工物６０表面における凹部６１の形成箇所から塵などを除去することができる。また、被加工物６０の冷却効果を高め得るので、レーザ光１１の照射による被加工物６０表面の膨張が低減化され、形成される凹部６１の寸法精度および形状精度が一層向上する。

図１において、被加工物６０は金属材料を含有する材質であり、金属材料としては特に制限されず、例えば、ステンレス鋼などの鉄系材料が挙げられるが、超硬合金，サーメット，ハイス鋼，ダイス鋼，鍛鋼などの高融点金属材料が好ましい。これらの中でも、超硬合金，ハイス鋼，鍛鋼などがさらに好ましく、特に鍛鋼が好ましい。

前記高融点金属材料は、レーザ加工が可能であり、かつステンレス鋼などの鉄系材料に比べて融点および沸点が高く、溶融状態に留まる時間が短いので、形状および寸法の再現性が非常に優れている。また、これらの高融点材料は、高融点であるばかりでなく、高い機械的強度を有している。したがって、集電体の塑性変形加工を繰返し実施しても、凹部の形状が非常に損なわれ難く、長期耐用性が高い。被加工物６０は１種または２種以上の金属材料を含有してもよい。

図１において、高融点材料を含有する被加工物６０の形状は、ロール状であることが好ましい。金属材料を含有するロール状の被加工物は、好ましくは、芯用ロールと、金属材料層とを含む表面被覆ロールがよい。芯用ロールには、例えば、ステンレス鋼，鉄などの一般的なロール用金属材料を使用することができる。金属材料層は芯材表面に形成され、前記金属材料の少なくとも１種を含有する。金属材料層の膜厚は特に制限されないが、金属材料が、例えば高融点金属材料である場合は、好ましくは５〜５０ｍｍ程度がよい。また、芯用ロールおよび金属材料層が共にステンレス鋼である場合は、金属材料層に含有されるステンレス鋼を、芯用ロールに含有されるステンレス鋼よりも硬度の高いものにすることが好ましい。

表面被覆ロールは、金属材料がステンレス鋼などである場合は、一般的な方法により作製することができる。また、金属材料が高融点金属材料である場合は、例えば、高融点材料を円筒状に成形し、得られる高融点材料製円筒を芯用ロールに焼き嵌め、または冷やし嵌めすることによって作製することができる。

焼き嵌めとは、高融点材料製円筒の内径が芯用ロールの外径よりも僅かに小さくなるように高融点材料製円筒を作製し、この高融点材料製円筒を暖めて膨張させ、芯用ロールに嵌め込むことである。また、冷やし嵌めとは、高融点材料製円筒の内径が芯用ロールの外径よりも僅かに小さくなるように作製した高融点材料製円筒に、冷却により収縮させた芯用ロールを嵌め込むことである。

この表面被覆ロールに対し、レーザ加工装置１を用いてレーザ加工を行って凹部を形成すると、凸部形成用ロールが得られる。この凸部形成用ロールを用いて集電体に凸部を形成すれば、精巧に作製された金型と同様に、極めて高い寸法精度を長期にわたって維持することができる。

超硬合金としては公知のものを使用することができ、例えば、元素周期律表４Ａ，５Ａ，６Ａ族の金属の炭化物粒子をＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの金属バインダーを用いて焼結した超硬合金などが挙げられる。超硬合金の具体例としては、例えば、ＷＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−Ｃｒ３Ｃ２−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＮｂＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴａＣ−ＮｂＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−ＮｂＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＺｒＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴｉＣ−ＺｒＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴａＣ−ＶＣ−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｒ_３Ｃ_２−Ｃｏ系，ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ系，ＷＣ−Ｎｉ系，ＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ系，ＷＣ−Ｃｒ_３Ｃ_２−Ｍｏ_２Ｃ−Ｎｉ系，ＷＣ−Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−ＴａＣ系，ＷＣ−Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）系などの炭化タングステン基超硬合金，Ｃｒ_３Ｃ_２−Ｎｉ系などが挙げられる。

サーメットとしては公知のものを使用でき、例えば、ＴｉＣ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−Ｍｏ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−Ｃｏ系，ＴｉＣ−Ｍｏ_２Ｃ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−Ｍｏ_２Ｃ−ＺｒＣ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−Ｍｏ_２Ｃ−Ｃｏ系，Ｍｏ_２Ｃ−Ｎｉ系，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−Ｍｏ_２Ｃ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ_２Ｃ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ_２Ｃ−Ｃｏ系，ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ_２Ｃ−ＴａＣ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ_２Ｃ−ＷＣ−ＴａＣ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−ＷＣ−Ｎｉ系，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−ＷＣ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−Ｍｏ系，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−Ｍｏ系，ホウ化物系（ＭｏＢ−Ｎｉ系，Ｂ_４Ｃ／（Ｗ，Ｍｏ）Ｂ_２系など）などが挙げられる。これらの中でも，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−Ｍｏ_２Ｃ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ_２Ｃ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ_２Ｃ−Ｃｏ系，ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ_２Ｃ−ＴａＣ−Ｎｉ系，ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ_２Ｃ−ＷＣ−ＴａＣ−Ｎｉ系，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−ＷＣ−Ｎｉ系，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）−Ｍｏ系などの炭窒化チタン基サーメットが好ましい。

ハイス鋼は、鉄にモリブデン，タングステン，バナジウムなどの金属を添加し、さらに熱処理を施して硬度を高めた材料である。ハイス鋼としても公知のものを使用でき、例えば、鉄を主成分としかつ炭素，タングステン，バナジウム，モリブデンおよびクロムを含有するハイス鋼、あるいは鉄を主成分とし、かつ炭素，タングステン，バナジウム，モリブデン，コバルトおよびクロムを含有するハイス鋼、あるいは鉄を主成分としかつ炭素，バナジウム，モリブデンおよびクロムを含有するハイス鋼、あるいは鉄を主成分としかつ珪素，マンガン，クロム，モリブデンおよびバナジウムを含有するハイス鋼、あるいは鉄を主成分としかつ炭素，珪素，マンガン，クロム，モリブデンおよびバナジウムを含有するハイス鋼、あるいは鉄を主成分としかつ炭素，珪素，マンガン，クロム，モリブデン，タングステン，コバルトおよびバナジウムを含有するハイス鋼などが挙げられる。

ダイス鋼としては公知のものを使用でき、例えば、鉄，炭素，タングステン，バナジウム，モリブデンおよびクロムを含有するダイス鋼、あるいは鉄，炭素，バナジウム，モリブデンおよびクロムを含有するダイス鋼、あるいは鉄，炭素，珪素，マンガン，硫黄，クロム，モリブデンおよび／またはタングステン，バナジウム，ニッケル，銅ならびにアルミニウムを含有するダイス鋼などが挙げられる。

鍛鋼は、溶鋼を鋳型に鋳込んで造られた鋼塊またはその鋼塊から製造される鋼片を加熱し、プレスおよびハンマーで鍛造または圧延および鍛造することにより鍛錬成形し、これを熱処理することによって製造された材料である。鍛鋼としても公知のものを使用でき、例えば、鉄を主成分としかつ炭素ねクロムおよびニッケルを含有する鍛鋼、あるいは鉄を主成分としかつケイ素，クロムおよびニッケルを含有する鍛鋼、あるいはニッケル，クロムおよびモリブデンを含有する鍛鋼、あるいは鉄を主成分としかつ炭素，珪素，マンガン，ニッケル，クロム，モリブデンおよびバナジウムを含有する鍛鋼、あるいは鉄を主成分としかつ炭素，珪素，マンガン，ニッケル，クロムおよびモリブデンを含有する鍛鋼などが挙げられる。

かかる構成のレーザ加工装置１によって、被加工物６０の表面に、数μｍ〜十数μｍ程度の微細な寸法を有する凹部６１を、任意のピッチで高速かつ非常に高い寸法精度で形成することができる。

以下に本発明に係る実施例と比較例を挙げ、本発明を具体的に説明する。

（実施例１）
レーザ発振器１０として、スペクトラ・フィジックス社製のＱスイッチＮｄ＋：ＹＶＯ４レーザを用い、発振波長が５３２ｎｍ、照射時間が約３５ｎｓの直線偏光のレーザ光１１を出射させた。

ビーム整形光学系２０として、１／２波長板と偏光ビームスプリッタからなる透過光出力調整用のアッテネータを構成し、丸レンズおよびシリンドリカルレンズを用いてビーム形状をピークパワーの１３．５％（１／ｅ^２）で規定されるビーム直径を１．２×０．５ｍｍの楕円形状とした。

ビーム分岐光学系３０は、１／２波長板および偏光ビームスプリッタを用いて２本の偏光方向の異なる等出力のレーザ光に分岐し、再度、偏光ビームスプリッタを用いて平行に近接させてマスク部４０にレーザ光を入射させる構成とした。

マスク４１ａ，４１ｂの基板には、厚みが０．３ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）２枚を使用した。この基板に放電加工で開口４２ａ，４２ｂをそれぞれに１カ所形成し、表面に誘電体多層膜による波長５３２ｎｍ用の高反射コーティングを施した。両開口４２ａ，４２ｂのサイズは、長辺寸法を０．３８ｍｍ、短辺寸法を０．０５ｍｍとする長丸形状とし、端部の曲率半径を０．２５ｍｍとした。

結像光学系５０は、焦点距離４０ｍｍのアクロマティックレンズを用い、倍率が１：１７倍となるようにマスク４１ａ，レンズ，被加工物６０の位置を設定した。つまり、マスク，レンズ主面間の距離を７２０ｍｍ、レンズ主面，被加工物表面間の距離を約４２．３５ｍｍとした。すなわち、被加工物表面へのレーザ光の結像サイズを、開口部寸法の１／１７倍となる長辺２２μｍ，短辺約３μｍの長丸形状とした。

分割した２枚のマスク４１ａ，４１ｂは、それぞれがマスク開口位置に相当する切り欠きを有する１ｍｍ厚の銅板で挟みこんだ構成とし、２つのマスクを、２ｍｍの段差を設けて配置した。このときマスクに対するレーザ光の入射角が約０．５°となるようにマスクを配置した。さらに銅板の側面に凹凸形状を有する銅板を重ね合わせてマスクを保持した。マスクの開口は、それぞれの開口の中心位置間の距離が平面方向に約０．７５ｍｍとなるように配置した。すなわち、被加工物側では、加工点間の距離が４４μｍ、焦点位置が約７μｍ異なるようにマスクを配置した。

凸部形成用の被加工物６０として、大同マシナリー社製の鍛鋼ロールを用いた。材料成分は鉄を主成分とし、炭素，珪素，マンガン，クロムを含む鍛鋼材料を用いた。ロール幅は１００ｍｍ，ロール直径は５０ｍｍとした。このロールをレーザ加工装置１の回転駆動部７０に設置した。

結像光学系５０から出力されるレーザ光１１の強度を、マスクの開口部１箇所当たり２０μＪに設定し、被加工物６０にそれぞれのマスク４１ａ，４１ｂを通して１カ所につき３回、凹部を形成した。凹部の加工ピッチは回転方向に２９．１μｍに設定し、ロール１回転で５４００個の凹部を形成した。次に、凹部が千鳥配置となるように、回転方向に１４μｍ、ロールの幅方向へ２２μｍ移動した位置を新たな原点として、回転方向に２９．１μｍピッチでロールの外周面に凹部を形成した。さらに、回転方向に−１４μｍ，ロール幅方向へ２２μｍ移動し、ロール表面に結像するマスクで加工した凹部に、７μｍ内側に結像するマスクを通したレーザ光で重ねて照射した。これを繰り返し周波数１０ｋＨｚで繰返し、ロール幅方向に９０ｍｍ加工した。また、加工中に加工点近傍に除湿した０．１５ＭＰａの圧縮空気をブローした。

その結果、加工時間は約２．５時間で、開口部の寸法が長辺約２２μｍ，短辺６μｍ、最深部の深さが約１０μｍ，側面の傾斜角が約８０°の長円形の未貫通の凹部をロールに形成することができ、また凹部の底部に生じている凹凸は２μｍ以下となっていた。

（実施例２）
第１マスク４１ａに長辺方向０．３８ｍｍ，短辺方向０．０５ｍｍの長丸形状の第１開口４２ａを形成し、また、第２マスク４１ｂに長辺方向０．３４ｍｍ、短辺方向０．０５ｍｍの長丸形状の開口４２ｂを形成し、第１マスク４１ａを結像光学系５０に対する光路長が長くなるように、光軸方向に２ｍｍの段差を設けて配置した。すなわち第１開口４２ａの像が被加工物６０の表面に結像され、第２開口４２ｂの像が被加工物６０の表面から約７μｍとした。それ以外の条件は実施例１と同じとした。

その結果、開口部の寸法が長辺約２２μｍ、短辺６μｍ、最深部の深さが約１０μｍの長円形の未貫通の凹部をロールに形成することができ、また凹部の底部に生じている凹凸は２μｍ以下となっていた。さらに、凹部側面の傾斜角は約７０°となっており、凹部側面へのダストの付着量の低減が認められた。

（比較例１）
比較例１としての従来のレーザ加工装置の概略構成を図５に示す。図６に当該加工装置により加工した凹部の断面模式図を示す。マスク４は分割せず１枚とし、長辺０．３８ｍｍ，短辺０．０５ｍｍの長丸形状の開口３を１箇所に設けた。レーザ発振器１から出射されたレーザ光２はマスク４を透過した後に、ビーム分岐光学系５である偏光ビームスプリッタにより分岐し、平行光となるように再度合成し、結像光学系６に導入した。光ビーム２を被加工物７に照射させることにより、被加工物７に凹部８を形成させた。それ以外の条件は実施例１と同じとした。

その結果、比較例１において、開口部の寸法が長辺約２２μｍ，短辺６μｍ、かつ最深部の深さが１２μｍの長円形の未貫通の凹部８を被加工物７であるロールに形成することができたが、凹部８の底部の深さ方向に最大４μｍの凹凸形状が形成されており、中心部が特に深くなっていた。さらに、２０時間の照射を行った後に凹部８の形状を確認したところ、凹部８は楕円形となっており、またマスク開口部の端部が焼き切れて、開口形状は楕円形となっていた。

本発明によるレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、金属部材を押圧して外周面の凹凸を金属表面に転写するロールの外周面に、所望形状の微細な凹孔を所望ピッチで形成することができるという特徴を有し、主に電池の集電体を製造するためのロールの加工に実施して有効である。

本発明の実施形態であるレーザ加工装置の概略構成図 図１のレーザ加工装置に設けられたマスク部の構造図 図１のレーザ加工装置における被加工物に対する加工孔（凹部）の加工過程の初期段階を示す図であって、（ａ）は被加工物全体の概要を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）における加工孔部分の拡大断面図 図１のレーザ加工装置における被加工物に対する加工孔（凹部）の加工過程の終了段階を示す図であって、（ａ）は被加工物全体の概要を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）における加工孔部分の拡大断面図 従来のレーザ加工装置の概略構成図 図５の加工装置により加工した加工孔部分の拡大断面図

符号の説明

１ レーザ加工装置
１０ レーザ発振器
１１ レーザ光
１１ａ 第１レーザ光
１１ｂ 第２レーザ光
２０ ビーム整形光学系
３０ ビーム分岐光学系
４０ マスク部
４１ａ 第１マスク
４１ｂ 第２マスク
４２ａ 第１開口
４２ｂ 第２開口
４３ スペーサ
４４ マスクホルダ
４５ 放熱板
５０ 結像光学系
６０ 被加工物
６１ 凹部
６１ａ 第１凹部
６１ｂ 第２凹部
６１ｃ 第３凹部
７０ 回転駆動部
８０ 移動駆動部
９０ 制御部

Claims (13)

1. マスクにより整形したレーザ光を結像光学系により被加工物に照射し、被加工物を所定の形状に加工するレーザ加工装置であって、
   前記マスクを前記レーザ光の光軸方向にそれぞれ光路差を設けて複数配置し、かつ前記複数のマスクのそれぞれに少なくとも１つの開口を設け、前記各開口を通過した複数のレーザ光を同一の前記結像光学系を介して被加工物に照射させ、被加工物に加工孔を形成することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記被加工物はロール形状または軸対称の回転体であり、前記複数のマスクの前記各開口を、前記被加工物の回転時における表面の移動方向とは異なる方向に前記レーザ光が並んで照射されるように配置したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ光の被加工物に対する照射部位をコントロールする駆動制御手段を備え、被加工物とレーザ光学系の相対位置を変更し、被加工物に対する前記レーザ光の照射部位を異なるレーザ光で重複して照射可能にしたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ光の１本を前記被加工物の表面近傍に集光させ、他の前記レーザ光を前記被加工物の表面より内側に集光させることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記複数のマスクにおいて、前記結像光学系に対する光路長が短い位置に配置されたマスクの開口面積が、光路長が長い位置に配置されたマスクの開口面積よりも小さくなるように前記開口を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
6. 前記レーザ光が、少なくとも１つのレーザ発振源から出射され、かつ少なくとも２つ以上に分岐されて、前記複数のマスクの前記各開口にそれぞれ入射させるように構成したことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記レーザ光を偏光して分岐させたことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記複数のマスクをスペーサの異なる部位にそれぞれ設置して光路差を設けたことを特徴とする請求項１，２，５または６に記載のレーザ加工装置。
9. 前記スペーサに凹凸形状を有する放熱板を設けたことを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工装置。
10. 回転する被加工物にレーザ光学系を介してレーザ光を投影し、前記被加工物を所定の形状に加工するレーザ加工方法であって、
    前記被加工物を回転させながら、前記レーザ光の光軸方向の異なる位置に配設された複数のマスクに設けた開口に対し、レーザ発振源から出射されて複数に分岐したレーザ光を入射させ、前記複数のマスクの前記各開口を通過した複数のレーザ光を、前記被加工物の複数の箇所に断続的に照射して加工孔を形成することを特徴とするレーザ加工方法。
11. 前記加工孔を形成して少なくとも前記被加工物を１回転以上させた後に、前記加工孔に重なる位置で、前記加工孔を形成したマスクとは異なるマスクの開口を通過したレーザ光を重ねて照射するように、前記被加工物と前記レーザ光学系との相対位置を前記被加工物の回転軸方向に移動させることを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工方法。
12. 前記レーザ光の１本を前記被加工物の表面近傍に集光させ、他の前記レーザ光を前記被加工物の表面より内側に集光させることを特徴とする請求項１０または１１に記載のレーザ加工方法。
13. 前記被加工物がロール形状または軸対称の回転体であることを特徴とする請求項１０〜１２いずれか１項に記載のレーザ加工方法。

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