CN101391345A - 激光加工用掩模和激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

将形成于激光加工用掩模的作为激光通过用孔的开口制成多个突起从开口的中心向周缘部放射状延伸的形状。若采用该激光加工用掩模，则可在由金属材料等形成的被加工物的表面通过激光加工来形成尺寸为数μm～十几μm的尺寸精度和形状精度非常高的凹部图案。

Description

激光加工用掩模和激光加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工用掩模和激光加工方法。更详细而言，本发明主要涉及形成于激光加工用掩模上的激光照射用开口的改良。
背景技术
锂离子二次电池具有高容量和高能量密度，易于小型化和轻量化，因此广泛用作例如手机、便携式信息终端(PDA)、笔记本型个人计算机、摄像机、便携式游戏机等便携用小型电子设备的电源。在代表性锂离子二次电池中，分别使用含有锂钴化合物作为正极活性物质的正极、含有碳材料作为负极活性物质的负极以及聚烯烃制多孔质膜的隔膜。锂离子二次电池的电池容量和功率高，充放电循环特性良好，且耐用寿命也较长。但随着携带用小型电子设备的多功能化，需要延长可连续使用的时间，在这样的现状下，必须进一步提高锂离子二次电池的容量。
为了进一步提高锂离子二次电池的容量，例如正在开发高容量的负极活性物质。作为高容量的负极活性物质，合金类负极活性物质备受关注。合金类负极活性物质通过与锂形成合金来嵌入锂，且可逆地嵌入和脱嵌锂。作为合金类负极活性物质，已知有例如硅、锡、它们的氧化物、它们的氮化物、含有它们的化合物或合金等。合金类负极活性物质具有高放电容量。例如据日本特开2002-83594号公报记载，硅的理论放电容量约为4199mAh/g，是一直以来作为负极活性物质使用的石墨的理论放电容量的约11倍。
合金类负极活性物质对于实现锂离子二次电池的高容量化而言是有效的。但若要实际应用含有合金类负极活性物质的锂离子二次电池，则还存在几个亟需解决的技术问题。例如，合金类负极活性物质每次嵌入和脱嵌锂离子时，反复膨胀和收缩，随之产生较大的应力。在该应力的作用下，有时出现负极活性物质层破裂、负极活性物质层从负极集流体剥离、负极集流体乃至负极整体变形等，从而使锂离子二次电池的充放电循环特性下降。
鉴于上述问题，在日本特开2007-103197号公报中提出了在具有含有合金类负极活性物质的负极活性物质层的锂离子二次电池中，在负极集流体的表面设置凸部(突起部)。根据该专利公开公报可知，通过在负极集流体表面设置凸部，提高负极集流体与负极活性物质层的接合强度，防止伴随着合金类负极活性物质的膨胀和收缩而发生的负极活性物质层的剥离。但在该专利公开公报的技术中，用电解析出法即电镀法来形成凸部，因此负极集流体与凸部的接合强度不够高。因此，伴随着合金类负极活性物质的膨胀和收缩而产生的应力使凸部易从负极集流体剥离，不能充分防止负极活性物质层的剥离。
另一方面，在日本特开2007-27252号公报中提出了在由金属等形成的基板表面形成凹凸的方法。在该专利公开公报中，利用表面形成有凹凸的辊。用2根这样的辊，以各自轴线平行的方式压接，使基板通过该压接部分，对基板施加压力使构成基板的材料发生塑性变形，从而在基板表面形成凹凸。另外，在该专利公开公报中，在树脂薄膜的表面通过激光加工形成凹凸，将形成有凹凸的表面作为内侧将树脂薄膜卷成圆筒状，通过电铸法使金属在形成有凹凸的表面析出来制作辊。
但在上述辊制作方法中，因树脂薄膜易变形，大多数情况下无法将树脂薄膜表面形成的凹凸精确地转印到辊表面。当凹凸具有数μm级别的尺寸时，该倾向更明显。因此，当采用由该制作方法得到的辊时，很难在基板表面形成由高度和直径为数μm左右的微小凸部规整排列形成的凹凸图案。
发明内容
本发明人等为了防止在含有合金类负极活性物质作为负极活性物质的锂离子二次电池中负极活性物质层的破裂、负极活性物质层的剥离、负极的变形等，进行了反复研究。在研究过程中发现，当在负极集流体表面通过塑性变形以规则的图案形成高度和直径为数μm级别的微小凸部，并在该凸部的表面形成负极活性物质层时，可基本解决现有技术的技术问题。
此外，本发明人等还发现，当在辊表面形成与凸部的尺寸、形状和配置对应的凹部图案，将2根上述辊压接形成压接部，并使负极集流体通过该压接部时，通过塑性变形，能在负极集流体表面精确地形成微小的凸部。
本发明人等基于上述发现，进一步对在辊表面形成凹部图案的方法进行反复研究。为了在辊表面精确地再现与凸部的尺寸、形状和配置对应的凹部图案，利用激光加工在工业上有利。但是，若采用一般的激光加工方法，则很难形成具有数μm级别直径和高度的微小凸部。在激光加工方法中，在主要由不锈钢等铁类金属材料形成的辊和激光光源之间配置掩模。在掩模上形成与凸部的水平截面具有相同尺寸和形状的多个开口。通过介由该掩模照射激光，可在辊表面形成与凸部图案对应的凹部图案。
但是，当凸部的尺寸微小时，由于在激光照射下辊表面易变成熔融状态且辊表面不是平坦面，因此辊表面形成的各个凹部的形状与设计的凸部的形状不同，很难精确地再现凸部的形状。而且，凹部的直径、深度等尺寸有大于凸部的直径、高度等的实际尺寸的倾向。
即使调节激光照射时间、激光照射间隔、激光光强度等，在工业上也很难形成与凸部的尺寸和形状基本一致的多个凹部。另外，即使采用具有形状与凸部的水平截面相似且尺寸略小于凸部的开口的掩模，在工业上依然难以形成与凸部的形状和尺寸基本一致的多个凹部。
本发明的目的在于提供对在由金属材料等形成的被加工物表面形成具有数μm级别的微小尺寸的凹凸图案有效的激光加工用掩模和使用该激光加工用掩模的激光加工方法。
本发明人等为了解决上述技术问题进行了潜心研究，结果成功得到形成具有特定形状的开口且能精确地再现具有数μm级别的微小尺寸的凹凸图案的激光加工用掩模，从而完成了本发明。
即，本发明涉及一种激光加工用掩模，其具有多个贯通厚度方向的开口，其中，开口具有多个突起从开口的中心向周缘部放射状地延伸的形状。
开口优选具有偶数个突起分别介由开口的中心与其它突起相向配置的形状。
开口进一步优选具有十字形的形状，其中4个突起分别介由开口的中心与其它突起相向配置，连接一对相向的2个突起的顶点的直线的长度L1和连接另一对相向的2个突起的顶点的直线的长度L2是不同的。
L1为60μm～1.2mm，L2为30～600μm，且L1大于L2。
开口的边优选与连接相邻突起的顶点所形成的假想线相比，向开口的中心凹陷。
连接相邻突起的顶点所形成的假想面的形状优选近似多边形。
多边形优选为四边形、六边形或八边形。
突起的顶端部优选为半圆形。
优选用于超硬合金、高速钢或锻钢的激光加工。
进一步优选用于至少外周面上具有含有超硬合金、高速钢或锻钢的被激光加工层的辊的激光加工。
另外，本发明还涉及对被加工物表面介由本发明的激光加工用掩模的任一掩模来照射激光的激光加工方法。
若用本发明的激光加工用掩模进行激光加工，则能在辊等被加工物的表面精确并容易地形成数μm级别的微细的凹凸图案。特别是能近乎精确地再现凹凸图案的形状、尺寸(直径、凹部的深度以及凸部的高度)、配置等。即，若使用本发明的激光加工用掩模，则可得到表面形成有具有与数μm级别的凸部基本对应的形状和尺寸的凹部的辊。若用该辊进行集流体的塑性变形加工，则可在工业上有利地在集流体表面形成具有尺寸为数μm级别的、基本与设计的形状相同的凸部。
附图说明
图1是示意地表示本发明实施方式之一的激光加工用掩模的结构的俯视图。
图2是表示形成于图1所示的激光加工用掩模的开口的形状的俯视图。
图3是示意地表示本发明另一方式的激光加工用掩模的开口的形状的俯视图。
图4是示意地表示本发明另一方式的激光加工用掩模的开口的形状的俯视图。
图5是示意地表示本发明另一方式的激光加工用掩模的开口的形状的俯视图。
图6是示意地表示本发明另一方式的激光加工用掩模的开口的形状的俯视图。
图7是示意地表示本发明另一方式的激光加工用掩模的开口的形状的俯视图。
图8是示意地表示激光加工装置的结构的立体图。
图9是说明图8所示的激光加工装置的掩模的工作的立体图。
图10是表示光束直径调节机构的工作的一个例子的图。
具体实施方式
图1是示意地表示本发明实施方式之一的激光加工用掩模1的结构的俯视图。图2是表示激光加工用掩模1上形成的开口10的形状的俯视图。图2所示为从垂直方向上方观察载置在与水平面平行的平面上的激光加工用掩模1时所见的开口10的形状。激光加工用掩模1的特征在于具有多个开口10。激光加工用掩模1适合用于通过激光加工在被加工物表面形成尺寸为数μm～数十μm且形状为长方形、菱形等的凹部。
激光加工用掩模1是片状部件，例如由铜、不锈钢等金属材料构成。若通过激光加工用掩模1和聚光透镜，对配置在利用聚光透镜形成的掩模1的成像面上的未图示的被加工物照射激光，则在被加工物表面形成掩模1的开口部形状放大或缩小的凹部图案。若用形成有凹部图案的被加工物，对金属片状物的集流体在加压下进行塑性变形加工，则在集流体表面形成与凹部图案对应的凸部图案。在该凸部的表面形成例如柱状的活性物质层。以下将用激光加工用掩模1进行激光加工的被加工物简称为“被加工物”。
开口10是沿厚度方向贯通激光加工用掩模1的开口，其具有偶数个突起11、12、13、14从开口10的中心10a向周缘部放射状延伸的十字形的形状。在开口10中，突起11、12介由中心10a相向地配置，突起13、14也介由中心10a相向地配置，从而使开口10成为十字形形状。
这里，开口10的中心10a是指连接突起11的顶点11x和突起12的顶点12x的点划线与连接突起13的顶点13x和突起14的顶点14x的点划线的交点。突起11的顶点11x是指突起11中距离中心10a的长度最大的点。
另外，在本实施方式中，形成偶数个突起11、12、13、14，但不限于此，也可形成具有3个、5个等突起且形状近似三角形、海星形、星形等的开口。
连接顶点13x、14x的一点虚线的长度L1和连接顶点11x、12x的一点虚线的长度L2优选满足L1>L2的关系。通过使L1和L2不同，进一步提高在被加工物表面预形成的凹部形状为长方形、菱形等时的形状再现性和尺寸再现性、特别是形状再现性。这里，凹部的形状是指当被加工物是片状部件、板状部件等时，将被加工物载置于与水平面平行的平面，并从垂直方向上方观察该被加工物时所见的形状。
另外，当被加工物是辊状部件时，首先，包含凹部形状的中心且与辊状部件的轴线垂直的方向的凹部截面的形状是凹部的形状。另外，凹部和开口10具有大致相同的形状。因此，凹部形状的中心与开口10的中心基本一致。
另外，优选使L1的长度与在被加工物表面形成的凹部的形状中通过凹部形状的中心的线中最长线的长度一致，并且使L2的长度与正交于上述最长线的线中的最长线的长度一致。由此，进一步提高形状再现性和尺寸再现性。
另外，在本实施方式中，将连接顶点13x、14x的一点虚线的长度作为L1，将连接顶点11x、12x的一点虚线的长度作为L2，但也可以反之将连接顶点13x、14x的一点虚线的长度作为L2，将连接顶点11x、12x的一点虚线的长度作为L1。此时，L1和L2的关系也满足L1>L2。
L1和L2的长度没有特殊限制，L1优选为60μm～1.2mm，更优选为100μm～900μm。L2优选为30～600μm，更优选为50～450μm。通过将L1和L2设定在上述范围内，能进一步提高激光加工用掩模1的尺寸再现性。而且，增加被加工物表面的凹部形成图案的设计自由度。此外，不仅能提高与凹部对应的凸部表面与柱状活性物质层的接合强度，还能使上述接合强度等长期维持在高水平。
另外，通过将L1和L2设定在上述优选的范围内，在被加工物表面的激光照射区域中，将与L1对应的部分的长度调节到6～40μm并将与L2对应的部分的长度调节到3～20μm，由此能形成具有与凸部形状更精确对应的形状的凹部。
此外，通过将L1和L2设定在上述更优选的范围内，在被加工物表面的激光照射区域中，将与L1对应的部分的长度调节到优选10～30μm并将与L2对应的部分的长度调节到5～15μm，由此能形成具有与凸部形状进一步精确对应的形状的凹部。这样的调节例如可通过适当选择激光加工用掩模1与被加工物之间的距离、聚光透镜等来容易地实施。
开口10的4条边与连接突起11、12、13、14中相邻突起的顶点11x、12x、13x、14x所形成的假想线相比，向开口10的中心10a凹陷。相邻突起是指突起11、13、突起11、14、突起12、13以及突起12、14。假想线在图2中以虚线表示。例如，包含突起11、13的顶点11x、13x的边与连接顶点11x、13x的假想线相比，向开口10的中心10a凹陷。其它边也同样。通过适当调节该凹陷程度，即可防止凹部的尺寸大于设计值。而且，能进一步提高当凹部的形状为长方形、菱形等时的形状再现性。此外，优选按如下方式确定凹陷的顶点：将连接相邻突起的边的凹陷的顶点11a、13a、12a、14a按此顺序连接时，形成长方形。
另外，突起11、12、13、14中相邻突起的顶点11x、12x、13x、14x相互连接形成的假想面的形状优选为近似多边形。多边形有各种形状，但优选四边形、六边形、八边形等，更优选四边形、六边形等。其中，四边形包含长方形、菱形等。在本实施方式中，假想面的形状为菱形。通过使假想面的形状与设计的凸部的形状一致，能非常准确地再现设计的凸部形状。即，形状再现性进一步提高。
在本实施方式中，突起11、12、13、14的顶端部为越来越细的锐角形，但不限于此，也可由具有曲率半径的线即曲线来形成。更具体而言，突起11、12、13、14的顶端部例如可以是近似半圆形、近似半椭圆形等。当顶端部具有上述形状时，顶端部附近的形状再现性进一步提高。
另外，在本实施方式中，开口10在激光加工用掩模1上以交错状排列，但不限于此，例如可以是纵横平行且等间距的排列、斜向平行且等间距的排列等。
另外，在本发明的激光加工用掩模1中，开口10的长方向的间距P1没有特殊限制，可根据开口10的尺寸、开口10的形状等在较大范围内适当选择，但优选为8～30μm，更优选为15～30μm。掩模1的长方向与被加工物的长方向一致，当被加工物是辊时，与辊的长方向一致。开口10的短方向的间距P2也没有特殊限制，可根据开口10的尺寸、开口10的形状等在较大范围内适当选择，但优选为0～10μm，更优选为2～8μm。掩模1的短方向与被加工物的短方向一致，当被加工物是辊时，与辊的圆周方向一致。
当用具有上述间距P1和间距P2的激光加工用掩模1在被加工物上形成凹部时，凹部的长方向的间距为8～30μm，优选为15～30μm，凹部的短方向的间距为5～20μm，优选为10～20μm。其中，这里的间距是指横向(长方向)或纵向(短方向)的凹部列的中心线和与上述列相邻且与上述列有相位偏移的列的中心线之间的距离。另外，凹部的列的中心线是指在长方向和短方向的任一方向上将与开口10的中心10a对应的凹部的中心点连接而成的直线。
激光加工用掩模1用于含有金属材料的被加工物的激光加工。作为金属材料，没有特殊限制，例如可列举出不锈钢等铁类材料，但优选超硬合金、金属陶瓷、高速钢、模具钢、锻钢等高熔点金属材料。其中，更优选超硬合金、高速钢、锻钢等，特别优选锻钢。这些高熔点金属材料可进行激光加工，且熔点和沸点高于不锈钢等铁类材料，熔融状态下滞留的时间短，因此形状和尺寸的再现性非常好。而且，这些高熔点材料不仅熔点高，而且具有高的机械强度。因此，即使反复实施集流体的塑性变形加工，也很难损坏凹部的形状，长期耐用性好。被加工物可以含有1种或2种以上的金属材料。
被加工物的形状没有特殊限制，但优选板状、辊状等，特别优选辊状。作为辊状被加工物，可列举出例如金属辊、表面被覆辊等。金属辊是由选自上述金属材料中的1种或2种以上成形成辊状而得到的辊。表面被覆辊具有芯辊和设在芯辊表面的表面被覆层。芯辊可使用例如不锈钢、铁等普通的辊用金属材料。表面被覆层含有选自上述金属材料中的1种或2种以上。表面被覆层的层厚没有特殊限制，但当金属材料例如为高熔点金属材料时，优选为5～50mm左右。当芯辊和表面被覆层均为不锈钢时，优选使表面被覆层中含有的不锈钢的硬度高于芯辊中含有的不锈钢。
关于表面被覆辊，当表面被覆层中含有的金属材料是不锈钢等时，可用普通方法来制作。当表面被覆层中含有的金属材料是高熔点金属材料时，可通过例如将高熔点材料成形成圆筒状，将得到的高熔点材料制圆筒热压配合或冷压配合到芯辊来制作。热压配合是指按照使高熔点材料制圆筒的内径略小于芯辊的外径的方式来制作高熔点材料制圆筒，将该高熔点材料制圆筒加热使其膨胀，嵌入芯辊。另外，冷压配合是指按照使高熔点材料制圆筒的内径略小于芯辊外径的方式来制作高熔点材料制圆筒，将通过冷却而收缩的芯辊嵌入高熔点材料制圆筒。
若对该表面被覆辊用激光加工用掩模1进行激光加工来形成凹部，则可得到凸部形成用辊。若用该凸部形成用辊在集流体上形成凸部，则与精密制作的金属模一样，能长期维持极高的尺寸精度。
作为超硬合金，可使用公知的超硬合金，例如，可列举出将元素周期表4A、5A、6A族的金属的碳化物粒子用Fe、Co、Ni等金属粘合剂烧结得到的超硬合金等。作为超硬合金的具体例子，可列举出例如WC-Co类、Wc-Cr3C2-Co类、WC-TaC-Co类、WC-TiC-Co类、WC-NbC-Co类、WC-TaC-NbC-Co类、WC-TiC-TaC-NbC-Co类、WC-TiC-TaC-Co类、WC-ZrC-Co类、WC-TiC-ZrC-Co类、WC-TaC-VC-Co类、WC-TiC-Cr3C2-Co类、WC-TiC-TaC类、WC-Ni类、WC-Co-Ni类、WC-Cr3C2-Mo2C-Ni类、WC-Ti(C，N)-TaC类、WC-Ti(C，N)类等碳化钨基超硬合金、Cr3C2-Ni类等。
作为金属陶瓷，可使用公知的金属陶瓷，可列举出例如TiC-Ni类、TiC-Mo-Ni类、TiC-Co类、TiC-Mo2C-Ni类、TiC-Mo2C-ZrC-Ni类、TiC-Mo2C-Co类、Mo2C-Ni类、Ti(C，N)-Mo2C-Ni类、TiC-TiN-Mo2C-Ni类、TiC-TiN-Mo2C-Co类、TiC-TiN-Mo2C-TaC-Ni类、TiC-TiN-Mo2C-WC-TaC-Ni类、TiC-WC-Ni类、Ti(C，N)-WC-Ni类、TiC-Mo类、Ti(C，N)-Mo类、硼化物类(MoB-Ni类、B4C/(W，Mo)B2类等)等。其中，优选Ti(C，N)-Mo2C-Ni类、TiC-TiN-Mo2C-Ni类、TiC-TiN-Mo2C-Co类、TiC-TiN-Mo2C-TaC-Ni类、TiC-TiN-Mo2C-WC-TaC-Ni类、Ti(C，N)-WC-Ni类、Ti(C，N)-Mo类等碳氮化钛基金属陶瓷。
高速钢是在铁中添加钼、钨、钒等金属再实施热处理提高硬度而得到的材料。作为高速钢，可使用公知的高速钢，可列举出例如以铁为主要成分且含有碳、钨、钒、钼和铬的高速钢，以铁为主要成分且含有碳、钨、钒、钼、钴和铬的高速钢，以铁为主要成分且含有碳、钒、钼和铬的高速钢，以铁为主要成分且含有硅、锰、铬、钼和钒的高速钢，以铁为主要成分且含有碳、硅、锰、铬、钼和钒的高速钢，以铁为主要成分且含有碳、硅、锰、铬、钼、钨、钴和钒的高速钢等。
作为模具钢，可使用公知的模具钢，可列举出例如含有铁、碳、钨、钒、钼和铬的模具钢，含有铁、碳、钒、钼和铬的模具钢，含有铁、碳、硅、锰、硫、铬、钼和/或钨、钒、镍、铜以及铝的模具钢等。
锻钢是通过对将熔钢注入铸模制得的钢坯或由该钢坯制造的钢片进行加热，并用压力机和锤子进行锻造或压延和锻造来锻炼成形，对其进行热处理而制得的材料。作为锻钢，可使用公知的锻钢，可列举出例如以铁为主要成分且含有碳、铬和镍的锻钢，以铁为主要成分且含有硅、铬和镍的锻钢，以铁为主要成分且含有镍、铬和钼的锻钢，以铁为主要成分且含有碳、硅、锰、镍、铬、钼和钒的锻钢，以铁为主要成分且含有碳、硅、锰、镍、铬和钼的锻钢等。
激光加工用掩模1例如可通过在由铜、不锈钢等形成的基板上利用切削加工、放电加工、光刻法和蚀刻法形成多个具有规定形状的开口10来制作。另外，根据需要，为了减少激光对掩模1的损伤，掩模1中至少表面可含有对激光的反射率大的材料，或可在掩模1表面形成由上述材料形成的被覆层。作为上述材料，可列举出例如金、银、铝等。这些材料对波长为532nm的激光特别有效。
图3是示意地表示另一方式的激光加工用掩模的开口15的形状的俯视图。未图示的另一方式的激光加工用掩模除了具有多个开口15来代替开口10以外，具有与激光加工用掩模1相同的结构。开口15的特征在于突起16、17、18、19的顶端部不是锐角形而是半圆形或圆弧形。
另外，在开口15，优选使连接选自各突起16、17、18、19中的相邻2个突起的边的凹陷的顶点16a、17a、18a、19a与以两点虚线表示的圆A相切的方式来设置这些顶点。圆A是以连接突起16的顶点16x和突起17的顶点17x的一点虚线与连接突起18的顶点18x和突起19的顶点19x的一点虚线的交点15a为中心的开口15的内切圆。开口15具有这样的特征。
开口15除了具有上述2个特征外，具有与开口10相同的结构。
在开口15，例如4个突起16、17、18、19从开口15的中心15a向开口15的周缘部放射状地形成。另外，在开口15，突起16、17和突起18、19介由开口15的中心15a分别相向地形成。另外，连接各突起的顶点16x、17x、18x、19x所形成的假想面的形状近似菱形。除此以外的结构也与开口10相同。
形成有多个开口15的激光加工用掩模由于突起16、17、18、19的顶端部为半圆形，因此适合用于形成例如具有近似菱形的形状的凹部。
图4是示意地表示另一方式的激光加工用掩模的开口20的形状的俯视图。未图示的另一方式的激光加工用掩模除了具有多个开口20来代替开口10以外，具有与激光加工用掩模1相同的结构。开口20除了突起21、22、23、24的顶端部不是锐角形而是半圆形、4条边不是直线而是由曲线构成的、以及2个相邻突起之间的边的凹陷为曲线状以外，具有与开口10相同的结构。当使用具有图4所示的形状的开口20的激光加工用掩模时，尺寸再现性特别高。
在开口20，例如4个突起21、22、23、24从开口20的中心20a向开口20的周缘部放射状地形成。另外，在开口20，突起21、22和突起23、24介由开口20的中心20a分别相向地形成。另外，连接各突起的顶点21x、22x、23x、24x所形成的假想面的形状近似菱形。除此以外的结构也与开口10相同。
形成有多个开口15的激光加工用掩模由于突起21、22、23、24的顶端部为半圆形，因此适合用于形成例如具有与各顶点间的照射尺寸基本相同的具有圆顶点的长方形、菱形、长圆、椭圆等形状、特别是具有圆角的菱形、椭圆等形状的凹部。
图5是示意地表示另一方式的激光加工用掩模的开口25的形状的俯视图。未图示的另一方式的激光加工用掩模除了具有多个开口25来代替开口10以外，具有与激光加工用掩模1相同的结构。开口25的突起26、27、28、29的顶端部为方形，且突起26、27、28、29从开口25的中心25a向周缘部以相同宽度形成，除此以外，开口25具有与开口10相同的结构。
在开口25，例如4个突起26、27、28、29从开口25的中心25a向开口25的周缘部放射状地形成。另外，在开口25，突起26、27和突起28、29介由开口25的中心25a分别相向地形成。另外，连接各突起的顶点26x、27x、28x、29x所形成的假想面的形状近似菱形。除此以外的结构也与开口10相同。
形成有多个开口25的激光加工用掩模的突起26、27、28、29的顶端没有越来越细，而是顶端部的形状为方形，且突起26、27、28、29的宽度在任一部分都基本相同，因此适合用于形成例如具有与各顶点间的照射尺寸基本相同的具有圆顶点的长方形、菱形、六边形、八边形等形状的凹部。
图6是示意地表示另一方式的激光加工用掩模的开口30的形状的俯视图。未图示的另一方式的激光加工用掩模除了具有多个开口30来代替开口10以外，具有与激光加工用掩模1相同的结构。开口30除了突起31、32、33、34的顶端部为半圆形外，具有与开口25相同的结构。
在开口30，例如4个突起31、32、33、34从开口30的中心30a向开口30的周缘部放射状地形成。另外，在开口30，突起31、32和突起33、34介由开口30的中心30a分别相向地形成。另外，连接各突起的顶点31x、32x、33x、34x所形成的假想面的形状近似菱形。除此以外的结构也与开口25即开口10相同。
形成有多个开口30的激光加工用掩模的突起31、32、33、34的顶端没有越来越细，而是顶端部的形状为半圆形，且突起33、34的宽度在任一部分都基本相同，因此适合用于形成例如具有与各顶点间的照射尺寸基本相同的具有圆顶点的长方形、菱形等形状的凹部。
图7是示意地表示另一方式的激光加工用掩模的开口35的形状的俯视图。未图示的另一方式的激光加工用掩模除了具有多个开口35来代替开口10以外，具有与激光加工用掩模1相同的结构。开口30除了突起36、37、38、39的顶端部为三角形外，具有与开口25相同的结构。
在开口35中，例如4个突起36、37、38、39从开口35的中心35a向开口35的周缘部放射状地形成。另外，在开口35，突起36、37和突起38、39介由开口35的中心35a分别相向地形成。另外，连接各突起的顶点36x、37x、38x、39x所形成的假想面的形状近似菱形。除此以外的结构与开口25即开口10相同。
在开口35，在2个突起间形成直线状的凹陷部分36a、37a、38a、39a。凹陷部分36a、37a、38a、39a优选按照使连接各延长线的4个交点而成的形状为正方形的方式形成。由此，进一步提高尺寸精度和形状再现性。
形成有多个开口35的激光加工用掩模的突起36、37、38、39没有越来越细，而是顶端部为三角形，且突起36、37、38、39的宽度在任一部分都基本相同，因此适合用于形成例如具有与各顶点间的照射尺寸基本相同的长方形、菱形等形状的凹部。
本发明的激光加工方法除了用本发明的激光加工用掩模作为掩模外，可与现有的激光加工方法同样地实施。本发明的激光加工方法例如可用图8所示的激光加工装置41来实施。图8是示意地表示激光加工装置41的结构的立体图。图9是说明图8所示激光加工装置41的掩模1的工作的立体图。图10是表示光束直径调节机构55的工作的一个例子的图。
激光加工装置41包含辊旋转装置44、激光振荡器45、加工头46、导光路47、石平台48以及控制机构49，在被辊旋转装置44旋转自如地支撑的辊42的表面(外周面)形成多个凹部43。
辊42例如可采用金属辊、表面被覆辊等。
辊旋转装置44是在辊的圆周方向旋转自如地支撑辊42并在其圆周方向旋转驱动辊42的部件。辊旋转装置44包含尾座44a、电动机44b和编码器44c。尾座44a沿圆周方向旋转自如地支撑辊42。电动机44b旋转驱动辊42。编码器44c检测辊42的旋转次数、1次旋转的旋转角度、角速度等，并将检测结果变为电信号输出到控制机构49。
控制机构49存储来自编码器44c的检测结果，并根据上述检测结果，判断是否需要进一步旋转，及算出进一步旋转时的转数和/或旋转角度。然后，控制机构49将上述演算结果变成电信号，例如输出到电动机44b，控制电动机44b引起的辊42的旋转。
激光振荡器45是输出激光51的部件。激光振荡器45可采用公知的激光振荡器，例如可列举出使用在YAG晶体(钇、铝、石榴石)或YVO4晶体中混入钕离子而得到的激光介质的固体激光振荡器(Nd：YAG激光器、Nd：YVO4激光器)等。
另外，由激光振荡器45输出的激光51的波长优选为100nm以上且低于600nm，更优选为266nm以上且低于600nm。当波长低于100nm时，激光51的功率不足，形成凹部43可能需要很长时间。而且，有可能无法形成具有所需形状和尺寸的凹部43。另一方面，当波长在600nm以上时，有可能衍射变大、精度下降。
为了输出具有上述范围的波长的激光51，例如优选使用用非线性光学晶体来产生高次谐波的类型的Nd：YAG激光器作为激光振荡器45。利用该Nd：YAG激光器，能输出波长为532nm的绿色激光、波长为355nm的激光等。
加工头46是将激光51聚光后照射到辊42的外周面的部件。加工头46具有未图示的聚光透镜，将通过导光路47传送的激光51聚光后照射到辊42的外周面。
加工头46的焦距优选为20～200mm，更优选为40mm左右。当焦距低于20mm时，由辊42产生的粉尘会附着于加工头46的聚光透镜，有可能无法成像。另一方面，若焦距超过200mm，则NA(开口数)下降，因此依然有可能无法成像。另外，加工头46的成像倍数优选为5～40倍，更优选为16倍左右。
导光路47是将从激光振荡器45输出的激光51导至加工头46的部件，其包含反射镜52、闸门装置53、衰减器54、光束直径调节机构55和掩模部56。
反射镜52是多个配置并将激光51导至加工头46的部件。
闸门装置53包含未图示的遮光部件和未图示的驱动机构，是使激光51通向导光路47的下游侧或阻止其通过的部件。遮光部件被未图示的支撑机构可往复移动地支撑。驱动机构使遮光部件在不妨碍激光51通过的位置和阻碍激光51通过的位置之间往复移动。驱动机构例如可采用气缸。闸门装置53的工作由控制机构49根据编码器44c的输出信号来控制。
衰减器54通过调节激光51的偏转方向并仅使特定偏转方向的成分透过或反射来控制激光的输出。
光束直径调节机构55例如至少由1个以上的透镜构成，调节输出被衰减器54调节的激光51的光束直径。更具体而言，光束直径调节机构55为了提高与掩模部56的激光通过孔10对应的区域的能量，调节激光51的能量分布和光束的扩展角，以提高能量转换效率、保护掩模部56以及减少在加工头上的聚光透镜产生的像差。
光束直径调节机构55的工作的一个例子如图10所示。在图10中，激光51通过设于导光路47的点P1(距离激光振荡器45约735mm的位置)的未图示的圆柱体透镜，使垂直方向的光束直径开始扩大。然后，通过设于点P2(距离激光振荡器45约885mm的位置)的未图示的圆柱体透镜，使垂直方向的光束直径停止扩大。
然后，通过设于点P3(距离激光振荡器45约985mm的位置)的圆柱体透镜，使水平方向的光束直径开始缩小。通过设于点P4(距离激光振荡器45约1185mm的位置)的圆柱体透镜，使垂直方向的光束直径停止缩小。
此外，通过设于点P5(距离激光振荡器45约1985mm的位置)的圆透镜，使激光聚光到加工头的透镜附近，通过设于点P6(距离激光振荡器45约2105mm的位置)的掩模部56，使激光的轮廓得以调整。然后，激光51经配置在点P7的加工头46的聚光透镜来聚光，掩模部56的像被缩小照射到辊42的外周面。
光束直径调节机构55不限于透镜，也可用例如衍射元件(DOE)、狭缝、滤光器等来构成。
掩模部56是将激光的轮廓调整到所需形状的部件。在本实施方式中，将上述激光加工用掩模1作为掩模部56使用。因此，在掩模部56形成多个开口10。该开口10成为激光通过孔。激光51中通过开口10的激光51a的轮廓被调整为开口10的形状，通过加工头46的聚光透镜，开口10的像被成像到辊42的外周面。
掩模部56的开口10的形状优选根据加工头46的聚光透镜的NA、激光51的波长等来适当调节。例如，当激光51的波长为200nm左右时，开口10以没有曲率半径低于10μm的角部的形状为宜。另外，若加工头46的聚光透镜的NA为0.3、激光51的波长为500nm，则衍射限为2.0μm。这里，若连一次衍射光也使用，则光束最小直径约为3μm，若倍数为16倍，则曲率半径必须在24μm以上。即，此时开口10的形状以没有曲率半径低于24μm的角部的形状为宜。
其中，激光振荡器45、加工头46和导光路47由支撑台60一体地支撑。该支撑台60由驱动器61按照可沿安装于辊旋转装置44的辊42的长方向和与长方向垂直的方向往复移动的方式支撑。
石平台48支撑用于支撑辊旋转装置44以及激光振荡器45、加工头46和导光路47的支撑台60以及驱动器61。
控制机构49例如根据编码器44c的检测结果，开闭闸门装置53以使辊42在每次旋转规定角度时在规定时间内照射激光51。这样，在利用辊旋转装置44旋转的辊42的外周面，从一端侧(例如尾座44a的端面侧)一列列地依次按规定的角度间距形成凹部43。然后，当辊42旋转一次时，通过在同一部位照射激光51，优选反复多次(例如5次)地来形成凹部43。
激光51的照射时间没有特殊限制，但优选每次为10ps～200ns。当照射时间低于10ps时，不会发生由激光51的照射引起的热传导，只能除去1层原子成分，有可能无法充分形成凹部43。另一方面，若超过200ns，则由于辊42的旋转，激光51有可能在辊42的表面扫过。
激光加工装置41可以包括未图示的喷吹装置。喷吹装置设在由辊旋转装置44支撑的辊42的附近，向辊42表面、优选向辊42表面的凹部43形成部位喷吹气体或液体。喷吹装置的喷吹时间没有特殊限制，可列举出例如照射激光51之前、从激光51照射辊42外周面到下一次激光51照射到同一部位之间、激光51照射结束后等。通过该喷吹，可除去辊42外周面的凹部43形成部位的粉尘等。另外，由于能提高辊42的冷却效果，因此由激光51的照射热引起的辊42表面的膨胀减少，所形成的凹部43的尺寸精度和形状精度进一步提高。
采用激光加工装置41，通过使用本发明的激光加工用掩模，能在被加工物的辊42表面以极高的尺寸精度和形状精度形成具有数μm～十几μm左右的微细尺寸的凹部43。
若使用本发明的激光加工用掩模，则例如可在被加工物表面容易地形成尺寸精度和形状精度极高的具有数μm～十几μm左右的微细尺寸的凹凸图案。当被加工物是辊状物时，例如可适合用于在金属板表面形成微小尺寸的凸部。若将该形成有微小凸部的金属板例如用作电池的集流体，则可得到具有高容量、长期耐用性良好、且安全性优异的电池。
以下，列举实施例和比较例，具体说明本发明。
(实施例1)
对厚度为0.3mm、尺寸为22mm×22mm的不锈钢板(SUS304)实施放电加工，制造具有图3所示开口15的形状且开口15如图1所示那样以交错状排列的本发明的激光加工用掩模。
放电加工具体而言是使用V型刻模放电加工装置(V-ram type electricdischarge machining apparatus)如下操作进行实施的，其中在该装置的头安装顶端直径为8μm的钨电极，且该头由伺服电动机可精密移动地支撑。首先，将厚度为0.3mm、尺寸为22mm×22mm的不锈钢板(SUS304)载置在该放电加工装置的试样台上。其后，在不锈钢板和钨电极之间连接RC电路电源。然后，使RC电路的电阻为1kΩ、容量为10pF，在对钨电极施加70V电压的同时，如图3所示沿开口15的形状移动电极头，从而形成开口15。
开口15的尺寸为：L1为0.32mm、L2为0.16mm，各突起16～19的顶端部的曲率半径为10μm，内切圆A的直径为50μm。另外，间距P1为0.32mm，间距P2为64μm。该掩模用于形成开口形状是菱形且菱形的长对角线为20μm、短对角线为10μm的凹部。
在激光加工装置41中安装使Nb：YAG激光产生第2高次谐波、且输出波长为532nm的绿色光的单元来作为激光振荡器45。将从加工头46输出的激光的强度设定在每次照射为23μJ。另外，调节聚光透镜和焦距，将加工头46的成像倍数设定为16倍。即，加工头的成像尺寸为激光加工用掩模的开口15的1/16倍，与L1对应的尺寸为20μm，与L2对应的尺寸为10μm。此外，在掩模部56上安装激光加工用掩模，以使开口15的长和短方向上每2个相邻的共计4处为激光通过孔。
在上述激光加工装置41的辊旋转装置44与尾座44a之间，安装锻钢辊(大同MACHINERY株式会社制、直径为50mm、辊宽为100mm)，在该锻钢辊表面，以照射时间为50纳秒、照射间隔为1毫秒照射5次激光。激光照射后，使激光照射区域沿锻钢辊的长方向移动40μm或沿圆周方向移动56μm，同样照射激光5次。
另外，圆周方向的移动通过使锻钢辊旋转来进行。向长方向和圆周方向的移动各进行5次，对共计25个部位反复照射激光5次，以交错状形成100个凹部。另外，凹部的长方向(锻钢辊的长方向)的间距约为20μm，短方向(锻钢辊的圆周方向)的间距约为14μm。另外，由于交错配置，因此间距是凹部的横(长方向)或纵(短方向)的列的中心线与相邻的相位偏移列的中心线之间的距离。凹部列的中心线是指将与激光加工用掩模的开口的中心点对应的凹部的中心点连接得到的线。
对上述得到的凹部100个用激光显微镜(商品名：VK-9500、KEYENCE公司制)来观察开口形状，测定直径和深度，求出平均值。其结果是，凹部的开口形状为近似菱形，长对角线为19.5μm，短对角线为9.8μm。这与设计值基本一致。另外，长对角线和短对角线的长度与将掩模开口15中的L1和L2的值除以成像倍数后得到的值基本一致。此外，凹部的开口部面积是设计值的120％。如上所述，通过用本发明的掩模进行激光加工，能以高的形状再现性和尺寸精度形成凹部。
(实施例2)
除了将开口15变为图1或图2所示的开口10外，与实施例1同样地制作本发明的激光加工用掩模。另外，开口10中，L1为0.32mm，L2为0.16mm，连接突起间的边的凹陷的顶点得到的长方形的尺寸为0.16mm×0.08mm。该掩模用于形成开口形状为菱形且菱形的长对角线为20μm、短对角线为10μm的凹部。
除了使用该掩模外，与实施例1同样地在锻钢辊表面以交错状形成100个凹部。另外，凹部的长方向(锻钢辊的长方向)的间距约为20μm，短方向(锻钢辊的圆周方向)的间距约为14μm。
对得到的凹部，与实施例1同样地用激光显微镜进行观察，可知凹部的开口形状近似菱形，长对角线为18.5μm，短对角线为10.2μm。这与设计值基本一致。另外，长对角线和短对角线的长度与将掩模开口10中的L1和L2的值除以成像倍数后得到的值基本一致。此外，凹部的开口部面积是设计值的129％。如上所述，通过用本发明的掩模进行激光加工，能以高的形状再现性和尺寸精度形成凹部。
(实施例3)
除了将开口15变为图4所示的开口20外，与实施例1同样地制作本发明的激光加工用掩模。另外，开口20中，L1为0.32mm，L2为0.16mm，突起21、22的曲率半径为20μm，突起23、24的曲率半径为30μm，且2个突起间的凹陷的曲率半径为30μm。该掩模用于形成开口形状为菱形且菱形的长对角线为20μm、短对角线为10μm的凹部。
除了使用该掩模外，与实施例1同样地在锻钢辊表面以交错状形成100个凹部。另外，凹部的长方向(锻钢辊的长方向)的间距约为20μm，短方向(锻钢辊的圆周方向)的间距约为14μm。
对得到的凹部，与实施例1同样地用扫描型电子显微镜进行观察，可知凹部的开口形状近似菱形，长对角线为20.1μm，短对角线为10.3μm。这与设计值基本一致。另外，长对角线和短对角线的长度与将掩模开口20中的L1和L2的值除以成像倍数后得到的值基本一致。此外，凹部的开口部面积是设计值的133％。如上所述，通过用本发明的掩模进行激光加工，能以高的形状再现性和尺寸精度形成凹部。
(实施例4)
除了将开口15变为图5所示的开口25外，与实施例1同样地制作本发明的激光加工用掩模。另外，开口25中，L1为0.32mm，L2为0.16mm，突起26、27、28、29的宽度为50μm。该掩模用于形成开口形状为菱形且菱形的长对角线为20μm、短对角线为10μm的凹部。
除了使用该掩模外，与实施例1同样地在锻钢辊表面以交错状形成100个凹部。另外，凹部的长方向(锻钢辊的长方向)的间距约为20μm，短方向(锻钢辊的圆周方向)的间距约为14μm。
对得到的凹部，与实施例1同样地用扫描型电子显微镜进行观察，可知凹部的开口形状近似菱形，长对角线为21.1μm，短对角线为10.9μm。这与设计值基本一致。另外，长对角线和短对角线的长度与将掩模开口10中的L1和L2的值除以成像倍数后得到的值基本一致。此外，凹部的开口部面积是设计值的140％。如上所述，通过用本发明的掩模进行激光加工，能以高的形状再现性和尺寸精度形成凹部。
(实施例5)
除了将开口15变为图6所示的开口30外，与实施例1同样地制作本发明的激光加工用掩模。另外，开口30中，L1为0.32mm，L2为0.16mm，突起31、32、33、34的顶端部的曲率半径为24μm，突起31、32、33、34的宽度为48μm。该掩模用于形成开口形状为菱形且菱形的长对角线为20μm、短对角线为10μm的凹部。
除了使用该掩模外，与实施例1同样地以交错状形成100个凹部。另外，凹部的长方向(锻钢辊的长方向)的间距约为20μm，短方向(锻钢辊的圆周方向)的间距约为14μm。
对得到的凹部，与实施例1同样地用扫描型电子显微镜进行观察，可知凹部的开口形状近似菱形，长对角线为20.5μm，短对角线为10.1μm。这与设计值基本一致。另外，长对角线和短对角线的长度与将掩模开口30中的L1和L2的值除以成像倍数后得到的值基本一致。此外，凹部的开口部面积是设计值的135％。如上所述，通过用本发明的掩模进行激光加工，能以高的形状再现性和尺寸精度形成凹部。
(实施例6)
除了将开口15变为图7所示的开口35外，与实施例1同样地制作本发明的激光加工用掩模。另外，开口35中，L1为0.32mm，L2为0.16mm，突起36、37、38、39的顶端部的角度为90°，突起36、37、38、39的宽度为50μm，将直线状凹陷36a、37a、38a、39a分别延长得到的4个交点连接形成的形状为边长为90μm的正方形。该掩模用于形成开口形状为菱形且菱形的长对角线为20μm、短对角线为10μm的凹部。
除了使用该掩模外，与实施例1同样地在锻钢辊表面以交错状形成100个凹部。另外，凹部的长方向(锻钢辊的长方向)的间距约为20μm，短方向(锻钢辊的圆周方向)的间距约为14μm。
对得到的凹部，与实施例1同样地用扫描型电子显微镜进行观察，可知凹部的开口形状近似菱形，长对角线为20.4μm，短对角线为10.2μm。这与设计值基本一致。另外，长对角线和短对角线的长度与将掩模开口35中的L1和L2的值除以成像倍数后得到的值基本一致。此外，凹部的开口部面积是设计值的138％。如上所述，通过用本发明的掩模进行激光加工，能以高的形状再现性和尺寸精度形成凹部。
(比较例)
除了将开口制成L1为0.32mm、L2为0.16mm的菱形外，与实施例1同样地制作掩模。除了使用该掩模外，与实施例1同样地在锻钢辊表面形成凹部。用扫描型电子显微镜观察得到的凹部，可知形状为长圆形，与L1相当的部分的长度约为22.5μm，与L2相当的部分的长度约为11μm。另外，凹部的开口部面积是开口部面积的设计值的205％。

Claims (11)

1、一种激光加工用掩模，其具有多个贯通厚度方向的开口，其中，开口具有多个突起从开口的中心向周缘部放射状地延伸的形状。
2、如权利要求1所述的激光加工用掩模，其中，开口具有偶数个突起分别介由开口的中心与其它突起相向地配置的形状。
3、如权利要求1所述的激光加工用掩模，其中，开口具有十字形的形状，其中4个突起分别介由开口的中心与其它突起相向地配置，连接一对相向的2个突起的顶点的直线的长度L1和连接另一对相向的2个突起的顶点的直线的长度L2是不同的。
4、如权利要求1所述的激光加工用掩模，其中，L1为60μm～1.2mm，L2为30～600μm，且L1大于L2。
5、如权利要求1所述的激光加工用掩模，其中，与连接相邻突起的顶点所形成的假想线相比，开口的边向开口的中心凹陷。
6、如权利要求1所述的激光加工用掩模，其中，连接相邻突起的顶点所形成的假想面的形状近似多边形。
7、如权利要求6所述的激光加工用掩模，其中，多边形为四边形、六边形或八边形。
8、如权利要求1所述的激光加工用掩模，其中，突起的顶端部为半圆形。
9、如权利要求1所述的激光加工用掩模，其用于超硬合金、高速钢或锻钢的激光加工。
10、如权利要求9所述的激光加工用掩模，其用于至少外周面上具有含有超硬合金、高速钢或锻钢的被激光加工层的辊的激光加工。
11、一种激光加工方法，其对被加工物表面介由权利要求1所述的激光加工用掩模来照射激光。
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