JP2001191185A - レーザビームで固体アーティクルを彫刻するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 彫刻された製品の質を落とすことなく効率及
び処理量を改善する再彫刻プロセスを提供する。 【解決手段】 アーティクル３６の表面の少なくとも一
部分に間隔をあけて彫刻された複数のセル１２を提供す
るために、プロセス及び装置１０が固体アーティクル３
６を彫刻する。前記装置はレーザビームを発生し、前記
レーザビームを少なくとも２つのビームに分離させる。
各ビームは焦点２４，２６を前記表面に形成する。互い
に間隔をあけられた前記焦点２４，２６はビームのペア
を形成し、前記ビームの各ペアは新しいセルを同時に彫
刻するために配置される。前記ビームのペアの第１の焦
点は前記新しいセルを彫刻し、第２の焦点は前に彫刻さ
れたセルを再彫刻する。前記分離は、前記レーザビーム
に、間隔をあけられた焦点を有する前記第１のビーム及
び前記第２のビームを形成するための回折光学素子２０
を有する光学装置を通過させることから成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多数のレーザビーム
による固体表面の彫刻に関し、レーザビームは回折光学
デバイスを使用して単一のビーム源から形成される。

【０００２】

【従来の技術】液体転写アーティクルは無制限に、印刷
のためのプレート若しくはロール、オフセット印刷、フ
レキソ印刷、若しくはグラビア印刷のための計量プレー
ト若しくはロール、又は液体で被覆される表面にイン
ク、ラッカー若しくは液体樹脂のような液体を塗るため
のプレート及びロールを含む多くの応用を有する。全て
の場合に、転写させられる液体又はインクは、セルの
数、サイズ、及び深さ／彫刻された表面のユニット領域
により、転写される量の液体を有するプレート又はロー
ルの表面に彫刻された複数のセルに保持される。実際に
は、セルは、セルの平行線の一定のパターンで接近して
形成される。円筒の場合には、セルは円筒状表面上で連
続的ならせんに形成されることが好ましい。彫刻された
表面がプレートの形態であり得ると同時に、飛び抜けて
一般的であり普通の形態は、表面に彫刻されたセルの連
続的ならせんを有する円筒の形態である。円筒又はロー
ルの縦軸に平行な表面線に関して全て同じ角度（通常
は、スクリーンアングルと呼ばれる）を形成するセルの
複数の平行線が生成されるようにセルのらせんは彫刻さ
れ、前記角度は約０度〜９０度（例えば、３０度又は６
０度、更に一般的には４５度）である。

【０００３】その極度の硬度及びその結果として生じる
優れた耐摩耗性のために、種々の彫刻された表面は液
体、セラミック、及び金属カーバイド表面転写のために
使用される一方、一般に液体転写に使用される。しか
し、その硬度のために、そのような表面を彫刻する唯一
の実用的な方法はレーザビームによるものであった。連
続的なレーザビームも表面を彫刻するために使用される
が、パルス化されたレーザビームは彫刻された表面の個
々のセルの形成に適しているので更に一般的に利用され
る。形成されたセルは特定の直径及び深さを有し、高い
精度及び予測精度で液体を計測するために使用できる。

【０００４】従来技術の１つの方法では、レーザビーム
の各パルスが１つのセルを生成する。しかし、セルの生
成では、パルスはまた、大体は環状であるが幅及び高さ
が不規則な各セルの外周のまわりに「リキャスト」と呼
ばれる突起（即ち、ロールの元の表面の上方に）を生成
する。レーザ光のパルスがロールの表面に焦点を合わせ
られるとき、セラミック材料は気化され、ロール表面か
ら放出される。このプロセスの間、放出された材料の一
部はセルの縁のまわりを再凝固させ、クレーターを出現
させる。この再凝固された材料の縁がリキャストであ
る。

【０００５】リキャストは、従来の方法により、らせん
彫刻線に沿うセル間の距離を円筒状ロールの縦軸に垂直
な線に沿うセル間の距離の約２倍以下に減少させること
を不可能にする。リキャストは、彫刻されたロールの研
磨により部分的に又は全面的に除去できる。リキャスト
の高さの不規則性のために、セルの間のランドを平坦に
するためにリキャストを減少させる後研磨（after-poli
shing）又は不十分な研磨に着手されなければ、隣接す
るセルの間の液体の動きは可能である。液体に隣接する
セルの間を通過させることが可能なとき、このタイプの
構造は「オープンセル構造」と呼ばれる。元の表面以上
又は元の表面までの同じ高さのリキャストの平坦なラン
ドを生成するために十分な研磨が行われるとき、セルの
間の液体の動きがもはや可能なので、セルは閉じられ
る。これは閉じたセル構造と呼ばれ、好ましい。

【０００６】リキャストは通常不規則な形状であり、一
般に鋭い突出部でギザギザを付けられる。これらの特性
は、既に記載したものに加えて多くの問題の原因とな
る。例えば、印刷機では、プラスチック又は金属のブレ
ードは、プロセスの残りにインクを調節しながら供給す
る前にインクロール表面から余分なインクを除去するた
めに使用される。これらのブレードは、リキャストの不
規則性によりあまりにも早く損耗又は損傷を受け得る。
ブレード材料はまた、最後にはインクロールのセルに堆
積してしまうかもしれず、ロールからインクを調節しな
がら供給することとの矛盾の原因となる。他の問題は、
彫刻の審美的な質に関する。リキャストの不規則性は、
多くの彫刻にセルに対する粗い「未完成の」外観及び不
出来な対称性を与える。これは、彫刻されたパターンの
全体的外観が、ロール表面全体にわたって調和がとれな
い原因となる。

【０００７】液体転写アーティクルのレーザビーム彫刻
の実施例は米国特許第４，１０８，６５９号、米国特許
第４，５０４，３５４号、米国特許第４，５６６，９３
８号、米国特許第５，０９３，１８０号、米国特許第
５，１４３，１７８号、及び米国特許第５，２３６，７
６３号で見られる。これら特許の開示は本明細書で参照
される。

【０００８】これらの問題の多くは、既に彫刻されたロ
ールの表面の領域を再彫刻することにより回避できるこ
とがわかった。再彫刻された（少なくとも２回彫刻され
た）セルは更に対称的に作ることができ、リキャストは
平滑で曲線的にできる。これはまた、セルからセルへの
セル壁部が更に薄くかつ更に滑らかに作られることを可
能にする。セルの底部もまた更に滑らかにかつ更に開放
的になる。セルの深さは、たった１回だけレーザビーム
に「打たれた」セルより２０〜３０％又はそれ以上深
い。

【０００９】この再彫刻プロセスは、従来の１打彫刻プ
ロセスに関する多くの問題を克服する。従来技術の再彫
刻プロセスの１つは、前記米国特許第５，１４３，１７
８号、及び米国特許第５，２３６，７６３号に記載され
ている。このプロセスでは、レーザビームのパルスは一
連の連続するグループから形成され、各グループは２つ
又はそれ以上の連続して間隔のあいたパルスから成る。
固体表面に彫刻されるパルスのグループの衝突は、個々
のセルを液体転写アーティクルに形成する。

【００１０】他の方法が再彫刻のために知られている。
１つのアプローチは最初にロールを彫刻し、次に焦点レ
ンズを最初のポイントに戻す。ロール全体は再度彫刻さ
れる。このアプローチに関する困難の１つは、第１及び
第２の彫刻の間の正しい位置合わせ又は重ね合わせを保
証することである。更に、最終的な再彫刻されたロール
を生成するために彫刻プロセスは２回繰り返されなけれ
ばならないので、プロセスは低速でコストが掛かる。

【００１１】他のアプローチは、レーザビームを各ビー
ムに対して分離した焦点を有する２つのビームに分離す
るための従来の屈折光学素子を使用する。このアプロー
チの光路で鏡面を調節することにより、第２の焦点を前
に彫刻されたセルの上に配置できる。このアプローチ
は、彫刻パターンが変化したときに鏡面を位置決めする
ためのコントローラが必要である。コントローラは一般
に、第２のビーム分配器が第２の回毎に２つのビームの
エネルギーを分離するので、エネルギーの５０％の損失
を生じ得る２つのビーム分配器を使用する。殆どの商用
レーザは、液体転写ロールに対する彫刻処理スピードの
減少なしに電力の５０％損失に耐える十分な電力は有さ
ない。この技術を使用して２つのレーザビームに一般の
焦点レンズを通って屈折させることはまた、彫刻された
セルが所望するような円形であるかわりにわずかに楕円
形である原因となり得るビームの形態の歪みの原因とな
り得る。このアプローチはまた非常に高価であり、レー
ザ装置に＄６０，０００も掛かり、コントローラ及びコ
ントローラを運用するソフトウェアに＄５０，０００も
掛かる。

【００１２】更に他のアプローチは、セルを再彫刻する
ためのレーザエネルギーの連続的なビームを変調する音
響光学変調器を使用する。例えば、セルはレーザビーム
により彫刻され、次にビームは、次のセルを彫刻するた
めにロール円周の次のセルの位置に偏向される。次にビ
ームは、第２の時間だけ打たれる元のセルに偏向され
る。次にプロセスは、ロール円周のまわりで繰り返され
る。このアプローチは、他のアプローチで達成できるロ
ール彫刻の所望する質を生成するとは信じられない。セ
ラミック材料は一般に（例えば）アニロックスロールに
使用され、低熱伝導体である。最初に彫刻されたセルは
冷却するための時間が必要であり、第２「打」の全長所
を取り入れるために完全に再凝固することがわかった。
このアプローチは正しい冷却のための十分な時間を供給
せず、他の再彫刻プロセスと比較して質を下げる。この
システムはまた非常に高価であり、せれぞれ＄９０，０
００掛かる。

【００１３】ビーム分離及びビーム変調システムはま
た、多くの既存の彫刻装置について限定された導入可能
性を有する。これら装置の物理的なサイズ及び必要なビ
ーム特性は通常、そのようなシステムを装置に導入する
ために高いコストでの装置の著しい修正を必要とする。

【００１４】彫刻された製品の質の低下の無い改善され
た効率及び処理量を有する再彫刻プロセスを見つけるこ
とが非常に好ましい。以降に記載されるように、本発明
は、回折光学素子を利用する光学システムを使用するこ
とにより、従来技術アプローチよりも極めて低いコスト
でこれら改善を達成する。

【００１５】回折光学素子又はバイナリ格子は、以下の
特許及び刊行物に記載されるように種々の応用を見出し
た。

【００１６】・米国特許第４，４３６，３９８号、米国
特許第５，７８６，５６０号、及び米国特許第５，９１
４，８１４号

【００１７】・M. R. Feldman, 「Diffractive Optics
Move Into The Commercial Arena」, PennWell Publish
ing 社, 1994

【００１８】・M. R. Feldman 他, Diffractive Optics
Improve Product Design, LaurinPublishing 社, 1995

【００１９】・G. Sharp 他, 「Laser Beam Shapes For
The Future」, PennWell Publishing 社, 1994 及び

【００２０】・A. Kathman, 「Binary Optics: New Dif
fractive Elements For The Designer's Tool Kit」, L
aurin Publishing 社, 1992

【００２１】例えば、米国特許第４，４３６，３９８
号、米国特許第５，７８６，５６０号、及び２番目の刊
行物では特に、回折光学素子が単一のレーザビームをい
くつかの出力ビームに変換できることを指摘している。
しかし、それらは、特に液体転写アーティクルの製作に
対して彫刻及び再彫刻のための分離ビームを提供するた
めに回折光学素子を使用することを開示していない。３
つの特許及び１〜４の刊行物の開示は、回折光学素子の
製造及び応用の記載を参照することにより、本明細書に
取り入れられる。

【００２２】本発明は多数のレーザビームによる固体表
面の彫刻に関し、レーザビームは回折光学デバイスを使
用して単一のレーザビーム源から形成される。

【００２３】本発明の好ましい実施例によると、アーテ
ィクルの表面の少なくとも一部分に間隔をあけて彫刻さ
れた複数のセルを提供するために固体アーティクルを彫
刻するためのプロセスが提供される。レーザビームは、
パルス化されたレーザビームとして発生するのが好まし
い。レーザビームは少なくとも２つのビームに分離し、
各ビームは焦点を表面に形成する。焦点は、互いに間隔
をあけられる。一般にビームはビームのペアを形成し、
ビームの各ペアは、ビームのペアの第１の焦点で新しい
セルを彫刻し、同時にビームのペアの第２の焦点で前に
彫刻されたセルを再彫刻するするように配置される。元
のレーザビームの分離は、レーザビームに、間隔をあけ
られた焦点を有する第１のビーム及び第２のビームを少
なくとも形成するための回折光学素子を有する光学装置
を通過させることにより達成される。プロセスは、アー
ティクルの表面に多数のセルを彫刻及び再彫刻するため
に分離ビームを利用する。

【００２４】他の好ましい実施例では、新しいセルを彫
刻する全ての分離ビームに対して、前に彫刻されたセル
を再彫刻するための他の分離ビームが存在するように、
２つ以上のビームが形成される。本発明のプロセスは、
上記のように多数の応用を有する液体転写アーティクル
を作るために特に有用である。

【００２５】本発明の更に好ましい実施例では、各セル
は第１の中心軸、及び第１の軸に垂直な第２の中心軸を
有するアーティクルの表面に開口部を定め、軸は中心軸
点で交わる。この実施例では、彫刻ステップは少なくと
も２つの行に配置されたセルを彫刻することから成り、
１つの行のセルの第１の軸を通って引かれる線は隣接す
る行のセルの第１の軸を通って引かれる線に対して実質
的に平行である。行のセルの少なくとも一部、好ましく
は全ては各々、隣接する行の２つの間隔をあけられたセ
ルの第２の軸の間に配置された第２の軸を有する。第１
の軸を含む線に沿う行の２つのセルの間の彫刻されない
間隔の長さは、行のセルの１つ及び隣接する行の隣接す
るセルの間の、セルの中心軸点を含む線に沿う彫刻され
ない間隔の長さの約１〜１．３倍であることが好まし
い。また、１つの行のセルの中心軸点及び隣接する行の
隣接するセルの中心軸点を通って引かれる線が、円筒状
アーティクルの縦軸に対して平行に引かれた線に関して
約０度以上約９０度以下の間の角度を形成するようにセ
ルが配列されることが好ましい。角度が約６０度より大
きく約９０度より小さいことが最も好都合である。

【００２６】特に好ましい実施例では、セルは実質的に
等しい距離で互いに配置され、第１の軸を含む線に沿う
行の２つのセルの間の彫刻されない間隔の長さは、１つ
のセル及び隣接する行の隣接するセルの間のセルの中心
軸点を含む線に沿う彫刻されない間隔の長さと実質的に
等しい。

【００２７】回折光学素子はレーザビームに対して透明
な材料で形成されることが好ましい。好都合なことに、
波長は約０．１〜約１５マイクロメートルであり、最も
好都合なのは約１〜約１５マイクロメートルである。レ
ーザビームの波長は、約ｌ０．６マイクロメートルであ
ることが最も好ましい。

【００２８】本発明の他の実施例によると、アーティク
ルの表面の少なくとも一部分に間隔をあけて彫刻された
複数のセルを提供するために固体アーティクルを彫刻す
るための装置が提供される。装置は、レーザビームを発
生するためのレーザビーム発生装置を含む。発生したレ
ーザビームは、パルス化されたレーザビームであること
が好ましい。レーザビームを少なくとも２つのビームに
分離するために回折光学素子を有する光学素子が提供さ
れ、各ビームは表面に焦点を形成する。回折光学素子
は、ビームを表面に焦点をもたらすために屈折レンズを
通過する少なくとも２つのビームに分離するために発生
したレーザビームの軸に沿って配置されることが好まし
い。各ビームは、他のビームから間隔をあけられること
が好ましい。一般に光学素子はビームをペアに形成し、
ビームの各ペアは、新しいセルをビームの第１のペアの
焦点で彫刻し、同時に前に彫刻されたセルをビームの第
２のペアの焦点で再彫刻するために配置される。アーテ
ィクルの表面に複数のセルを彫刻し再彫刻するために各
ビームのペアを使用する手段が提供される。アーティク
ルは液体転写アーティクルであることが好ましい。

【００２９】光学素子が２つ以上のビームを提供し、新
しいセルを彫刻するためのどの分離ビームに対しても、
前に彫刻されたセルを再彫刻するための他の分離ビーム
が存在することが好ましい。

【００３０】回折光学素子はレーザビームに対して透明
な材料で形成されることが好ましい。

【００３１】本発明のプロセスにより製造された製品も
また、本発明の好ましい実施例を構成する。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、彫刻された製品の質を落とすことなく効率及び処理
量を改善する再彫刻プロセスを提供することである。

【００３３】本発明の他の目的は、彫刻装置のレーザビ
ームを分離させる回折光学素子を使用するようなプロセ
スを提供することである。

【００３４】本発明の他の目的は、彫刻のために使用さ
れるレーザビームを分離させる回折光学素子を使用する
再彫刻プロセスを実行するための改良された再彫刻装置
を提供することである。

【００３５】本発明の他の目的は、本発明のプロセスに
より製造コストを減少させて液体転写アーティクルを製
造することである。

【００３６】

【課題を解決するための手段】本発明は図示された実施
例を参照して記載されるが、本発明は他の実施例の多く
の形態でも実施できる。加えて、どのような適切なサイ
ズ、形状、又はどのようなタイプの材料若しくは部品も
使用できる。

【００３７】図１を参照すると、本発明は、表面１４に
対する相対運動中のレーザビーム１６の固体表面１４へ
の衝突により、固体表面１４の一連の連続的なセル１２
を彫刻及び再彫刻するための方法及び装置１０に関す
る。更に詳細には、本発明は、表面１４において間隔を
あけられた焦点２４、２６を有する多数のレーザビーム
１６による固体表面１４の彫刻及び再彫刻に関する。間
隔をあけられた焦点２４、２６を有するレーザビーム１
６は、回折光学素子２０及び屈折レンズ２２を使用して
レーザ発生装置１８により供給される単一のレーザビー
ム１５から形成される。

【００３８】レーザビームの焦点２４、２６及び表面１
４の相対運動は、この技術分野で既知であるどのような
適切な従来の手段によっても提供できる。レーザ発生装
置１８及び光学系３０、若しくは表面１４、又はそれら
の組合せは、セル１２を彫刻するために必要な相対運動
を提供するために、例えば、コンピュータ制御されたサ
ーボ又はステッピング装置２８、２９により動かせる。
レーザビームの下で加工表面１４を横断させるためのメ
カニズムは非常によく知られており、本発明の一部を形
成しない。

【００３９】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施例による
と、発生したレーザビームはパルス化されたレーザビー
ムである。光学装置３０は、レーザビーム１５を少なく
とも２つのビーム１６に分離するために回折光学素子２
０を含み、各ビーム１６は焦点２４、２６又は同様なも
のを表面１４に形成する。回折光学素子２０は発生装置
１８が発生したレーザビーム１５の軸３４に沿って配置
され、焦点２４、２６を提供するために、表面１４にお
いて、前記ビームを屈折レンズ２２を通過する少なくと
も２つのビームに分離することが好ましい。各ビーム１
６は、互いに間隔をあけることが好ましい。光学装置３
０がビーム１６を複数のペアに形成することが好まし
く、ビーム１６の各ペアはビーム１６のペアの第１の焦
点２４で新しいセル１２を同時に彫刻し、ビーム１６の
ペアの第２の焦点２６で前に彫刻されたセル１２を再彫
刻するために配置される。各ビーム１６のペアを利用し
てアーティクル３６の表面１４の多数のセル１２を彫刻
し再彫刻するための制御手段３２が提供されることが好
ましい。アーティクル３６は、液体転写アーティクルで
あることが好ましい。

【００４０】回折光学素子２０（回折格子又はバイナリ
格子と呼ばれることもある）は、今まで言及した特許及
び刊行物に完全に記載されている。どのような与えられ
た像平面におけるレーザビーム（１５）の特性も、ビー
ム１５を構成する光子の位相関係の総和として定義でき
る。回折光学素子２０でビーム１５の位相関係を変える
ことにより、少しの電力損失でビームは多数のビーム１
６に分離できる。何故ならば、ビーム１５のエネルギー
は、基本的に生成ビーム１６を提供するように再編成さ
れるからである。回折光学素子２０はビーム１５の光の
入射波を多くの波に分解し、多くの波は再結合して光学
素子２０の反対側で複数の新しい波を形成する。複数の
新しい波は、入射光とは異なる方向に移動できる。従っ
て、回折光学素子２０は、単一のビーム１５をいくつか
の出力ビーム１６に変換できる。回折光学素子２０は、
光波又はビーム１５に、一般に従来のフォトリソグラフ
ィを使用して回折素子２０の表面にエッチングされた微
小なパターンを通過させることにより、光波又はビーム
１５を分解する。

【００４１】表面１４を１度横断するだけで１つの焦点
２４が材料の未加工表面１４のセル１２を彫刻し、第２
の焦点２６が前に彫刻されたセル１２を再彫刻すること
を可能にするために、固定された間隔において実質的に
等しい輝度の少なくとも２つの焦点２４、２６を集束レ
ンズ２２が生成するように、回折光学素子２０は入射ビ
ーム１５の位相関係を変化させるよう設計される。レン
ズ２２が少なくとも２つのビーム１６をレンズ２２の表
面に対してある角度で補足するように、回折光学素子２
０はビーム１５の位相関係を変化させる。これはレンズ
２２に、受信するビーム１６の数に対応する複数の焦点
２４、２６を生成させる。回折素子２０はビーム１５の
位相関係を精密に変化させることができるので、焦点２
４、２６の間隔は繰り返し可能で予測可能な方法で固定
できる。

【００４２】回折光学素子２０の価格は数千ドルであ
る。回折光学素子２０は大部分の彫刻システム１０と互
換性があるので、既存の彫刻装置に後付けできる。加え
て、少なくとも約３０％の彫刻／再彫刻プロセスの効率
の改善が観察された。集束レンズ２０と組み合わせた回
折素子２０は２つの焦点２４、２６に歪みを加えず、対
称性を維持する。

【００４３】ビーム１５を多数のビーム１６に分離する
ための光学装置３０の中の回折光学素子２０の使用によ
り提供された彫刻の質は、他の再彫刻技術と比較して著
しく改善された。光学系３０を用いる再彫刻の改善され
た３つの側面は、セル１２の壁部及びリキャストの平滑
化、セル１２の形状の更に優れた幾何学的明確さ、及び
増加したセル１２の深さである。セル１２の深さは増加
する。何故ならば、表面１４より下の前に彫刻されたセ
ル１２で第２の焦点２６が合焦するらである。加えて、
回折光学素子２０で分離するビーム１５は、回折光学素
子２０の効率のために、従来技術の光学ビーム１５の分
配器と比較してより高いエネルギーを各分離ビーム１６
に提供する。これは彫刻作業のスピードを増加させ、そ
れにより生産性の著しい改善を可能にする。

【００４４】回折光学素子２０は、ビーム１５を２つ以
上のビーム１６に分離するように設計されることが好ま
しい。そのような好ましい実施例では、新しいセル１２
を彫刻するための全ての分離ビーム１６に対して、前に
彫刻されたセル１２を再彫刻するための他の分離ビーム
１６が提供される。

【００４５】本発明の他の好ましい実施例によると、ア
ーティクル３６の表面１４の少なくとも一部分に間隔を
あけて彫刻された複数のセル１２を提供するために固体
アーティクルを彫刻するためのプロセスが提供される。
レーザビーム１５は、パルス化されたレーザビームとし
て発生するのが好ましい。レーザビーム１５は少なくと
も２つのビーム１６に分離し、各ビーム１６は焦点２４
又は２６を表面１４に形成する。焦点２４、２６は、互
いに間隔をあけられる。一般にビーム１６はビームのペ
アを形成し、ビームの各ペアは、ビーム１６のペアの第
１の焦点２４で新しいセル１２を彫刻し、同時にビーム
１６のペアの第２の焦点２６で前に彫刻されたセル１２
を再彫刻するするように配置される。元のレーザビーム
１５の分離は、レーザビーム１５に、間隔をあけられた
焦点２４、２６を有する第１のビーム及び第２のビーム
を少なくとも形成するための回折光学素子２０を有する
光学装置３０を通過させることにより達成される。プロ
セスは、アーティクルの表面に多数のセル１２を彫刻及
び再彫刻するために分離ビーム１６を利用する。表面１
４のまわりのセル１２の所望する配列を提供するため
に、アーティクル３６の表面１４及びビーム１６の間で
適切な相対運動が提供されるように、プロセスがコンピ
ュータ制御されることが好ましい。彫刻技術で既知であ
るどのような所望するコンピュータコントローラ及び関
連するソフトウェアも使用できる。

【００４６】他の好ましい実施例では、新しいセルを彫
刻する全ての分離ビームに対して、前に彫刻されたセル
を再彫刻するための他の分離ビームが存在するように、
２つ以上のビーム１６が形成される。本発明のプロセス
は、上記のように多数の応用を有する液体転写アーティ
クル３６を作るために特に有用である。

【００４７】図２及び図３を参照すると、本発明の更に
好ましい実施例では、各セル１２は第１の中心軸４２、
及び第１の軸に垂直な第２の中心軸４４を有するアーテ
ィクル３６の表面１４に開口部４０を定め、軸は中心軸
点４６で交わる。この実施例では、彫刻ステップは少な
くとも２つの行４８に配置されたセル１２を彫刻するこ
とから成り、１つの行４８のセル１２の第１の軸４２を
通って引かれる線は隣接する行４８’のセルの第１の軸
４２を通って引かれる線に対して実質的に平行である。
行４８のセル１２の少なくとも一部、好ましくは全ては
各々、隣接する行４８’の２つの間隔をあけられたセル
１２の第２の軸４４の間に配置された第２の軸４４を有
する。

【００４８】第１の軸４２を含む線に沿う行４８又は４
８’の２つのセル１２の間の彫刻されない間隔５０の長
さは、行４８のセル１２の１つ及び隣接する行４８’の
隣接するセルの間の、セル１２の中心軸点４６を含む線
５４に沿う彫刻されない間隔５２の長さの約１〜１．３
倍であることが好ましい。また、１つの行４８のセル１
２の中心軸点４６を通って引かれる線４２、及び１つの
行４８のセル及び隣接する行４８’の隣接するセル１２
の中心軸点４６を通って引かれる線５４が円筒状アーテ
ィクルの縦軸に対して平行に引かれた線に関して０度〜
９０度の角度αを形成するようにセル１２が配列される
ことが好ましい。角度αが約０度より大きく約９０度よ
り小さいことが好都合である。角度が約６０度より大き
く約９０度より小さいことが最も好都合である。アーテ
ィクル３６がロールであるとき、軸４２はロール３６の
軸に対して平行に位置する。角度αは通常スクリーンア
ングルと呼ばれる。

【００４９】特に好ましい実施例では、セル１２は実質
的に等しい距離で互いに配置され、第１の軸４２を含む
線に沿う行４８の２つのセル１２の間の彫刻されない間
隔５０の長さは、行４８の１つのセル１２及び隣接する
行４８’の隣接するセル１２の間のセル１２の中心軸点
４６を含む線に沿う彫刻されない間隔５２の長さと実質
的に等しい。

【００５０】図１から図３、特に図３を参照すると、図
示されるように線５４は「Ａ」線及び「Ｂ」線の順番に
分けられる。「Ｂ」線５４は「Ａ」線５４の両側にあ
り、「Ａ」線５４は「Ｂ」線５４の両側にある。４つの
焦点２４又は２６は、回折素子２０により提供できる。
そのような回折素子は、プロセス及び装置１０の他の好
ましい実施例でも正常に利用されてきた。４焦点プロセ
ス及び装置１０では、２つの焦点２４がセル１２を彫刻
するために使用され、２つの焦点２６がセル１２を再彫
刻するために使用される。この好ましい実施例では、コ
ントローラ３２は２つの彫刻スポット２４を調整するよ
うにプログラムされ、１つは「Ａ」線だけを彫刻し、他
方は「Ｂ」線だけを彫刻する。同様に、２つの再彫刻ス
ポット２６は、１つが「Ａ」線だけを彫刻し、他方が
「Ｂ」線だけを彫刻するために配置される。例えば、４
スポット回折素子２０は、第１及び第３のスポット２４
に「Ａ」及び「Ｂ」線を彫刻させ、第２及び第４のスポ
ット２６にこれらの線を再彫刻させることにより、この
形態の長所を取り入れることができる。これは彫刻プロ
セスのスピードを２倍にする長所を有し、同時に本発明
により提供された改善を維持する。レーザ発生装置１８
が全ての焦点２４、２６に対して十分な電力を発生する
ことができると仮定すると、このアプローチを使用する
６及び８スポット回折素子２０は３、４倍の彫刻スピー
ドの増加をもたらすことができる。

【００５１】本発明のプロセスにより生産された彫刻製
品もまた、本発明の好ましい実施例から成る。製品は液
体転写アーティクル３６であることが好ましく、液体転
写ロールであることが最も好ましい。

【００５２】回折素子２０は集束レンズ２２に類似した
寸法を有する単一の光学素子なので、その使用のための
光学系３０に対する変更は、あったとしても少ない。こ
れは回折素子２０を殆どどんな既存の彫刻システム１０
とも互換性があるようにし、そのようなシステムに容易
に導入できるようにする。１つの回折素子２０が光学系
３０で利用されるのが好ましいが、所望すれば多数の回
折素子も利用できる。回折光学素子２０は、レンズ２２
及びビーム発生装置１８の間の集束レンズ２２のちょう
ど後ろに取り付けられる。２つの焦点２４、２６の位置
は、共通のレンズアセンブリ（図示されない）の中で回
折光学素子２０及び集束レンズ２２を回転させることに
より彫刻パターンと位置合わせされる。２つの焦点２
４、２６の分離は、回折素子２０の設計及びレンズ２２
の焦点距離に依存する。分離を計算するための方程式は
以下のようである。 Ｈ＝Ｆｔａｎθ ここでＨは半角分離であり、Ｆはレンズの焦点距離であ
り、θは回折光学素子２０に対して設計された回折角で
ある。

【００５３】アニロックス液体転写ロール３６の従来の
彫刻のために、一般に使用される３つのセル１２のパタ
ーンがあり、即ち、３０度、４５度、及び６０度に等し
いスクリーンアングルαを有するパターンである。Line
s Per Centimeter（ＬＰＣ）又はスクリーンの総数は、
特定のスクリーンアングルαに沿っているセル１２の数
を数えることにより決定される。コンピュータ３２は、
ロール３６の直径、スクリーンアングルα、及びＬＰＣ
を含む入力データに基づいて、ロール３６の円周のまわ
りに適合するセル１２の数を計算する。コントローラ３
２は、ロール３６の円周のまわりのセル１２の２つの完
全な行５４のための位置を計算する。これらの行又は線
５４は、前に言及したように「Ａ」線及び「Ｂ」線であ
る。セルの第１行（「Ａ」線）が生成されるとき、先の
「Ａ」線の彫刻と重ならないように、コンピュータ３２
は光学系３０の位置をセルの次の行の位置（「Ｂ」線）
まで進める。ロール３６の円周のまわりの「Ａ」線に対
して「Ｂ」線の位置をシフトし、光学系３０をセル１２
の全幅より小さく進めることにより、２つの線「Ａ」及
び「Ｂ」は、図２に示されるようにハチの巣のパターン
に類似したパターンを生成して組み合う。光学系３０の
位置を進め、「Ａ」線及び「Ｂ」線の位置の間で交番さ
せるこのプロセスは、ロール３６の軸５６の長さに沿っ
て繰り返される。コンピュータは、所望するＬＰＣ及び
スクリーンアングルαを生成するために、セル１２の間
隔５０又は５２を円周のまわり及びロール３６の軸５６
に沿って交番させることができる。

【００５４】光学系３０により生成された少なくとも２
つの焦点２４、２６を利用する本発明の好ましい実施例
によると、スポット２４、２６は「Ａ」線及び「Ｂ」線
に平行に位置合わせされることが好ましく、ロール３６
の軸５６に平行に位置合わせされることが最も好まし
い。回折素子２０により生成された２つのスポット２
４、２６は、２つのスポットの間に位置する点のまわり
で回転する。２つのスポット２４、２６は、互いに１８
０度離れて配置される。１つのスポット２４が材料の未
加工表面１４を彫刻し第２のスポット２６が前に彫刻さ
れたセルを彫刻するように、第２の又は遅延スポット２
６を第１の又は先導スポット２４により生成されたセル
１２の中心に直接位置合わせしようとして、回折素子２
０は僅かに回転できる。

【００５５】「Ａ」線及び「Ｂ」線にほぼ平行な２つの
スポットに対して回折素子２０を２、３０度回転させる
ことは、スポットをロール軸５６に沿って更に動かす。
ＬＰＣを変化させることは、セル１２の配置をロール３
６の円周に沿って更に動かす。回折素子２０の回転及び
ＬＰＣの変化を組み合わせることにより、遅延スポット
２６を前に彫刻されたセル１２の中心に直接位置決めす
ることが可能であり、本発明の所望する再彫刻効果をも
たらす。

【００５６】光学系３０は、液体転写ロール３６の彫刻
に使用されるためのどのようなコントローラ３２とも互
換性がある。何故ならば、それらは全て、所望するセル
１２のパターンを生成するために類似したプロセス技術
を利用するからである。しかし、スポット２４、２６の
間の分離は固定されているので、セル１２の配置の高い
精度と高い均質性でこれらのパターンを生成できるコン
ピュータ３２が、ロール３６の彫刻の間ずっと第２のス
ポット２６が前に彫刻されたセル１２の中心にとどまる
ことを保証することが好ましい。

【００５７】スポット２４、２６がロール３６の軸５６
と整列することが最も好ましい。例えば、６０度のスク
リーンアングルαを有する彫刻されたセル１２のパター
ンに対して、ロール軸５６に沿う表面１４及びビーム１
６の間の相対的前進に対する線５４の数の関係は、以下
のように表される。ｃｏｓα＝ロール３６の軸５６に沿
う前進の量／線の数例えば、もし彫刻がαが６０度でＬ
ＰＣが２００のパターンなら、ｃｏｓ６０゜＝０．５で
あり、ロール軸に沿う線の数は１００ＬＰＣである。そ
れは、もし彫刻が約１ミリメートルだけ分離された２つ
の焦点２４、２６に関して行われ、２つのスポット２
４、２６が（スクリーンアングルαでなく）ロール軸５
６に沿って配置されたら、第１のスポット２４は未加工
表面１４を彫刻し、同時に第２のスポット２６はセル１
２を１０本の線４４だけ第１のスポット２４の後に再彫
刻し、同じパターンが続くことを意味する。前進が計算
され各角度に対して端数を切り捨てられることを仮定す
ると、２つのスポット２４、２６をスクリーンアングル
αではなくロール軸５６に対して整列させることは、２
つのスポット２４、２６間の距離が全ての線５４の数及
びスクリーンアングルαに対して固定されたまま維持で
きることを意味する。セル１２への第１及び第２の衝突
の間の１０本の線４４軸方向ギャップは、セル１２の審
美的効果を改善する衝突の間のセル１２の冷却時間を増
加させる。

【００５８】あるいは、もし彫刻がαが４５度でＬＰＣ
が２００のパターンなら、ロール軸５６に沿う線４４の
数は１４１．４ＬＰＣ（ｃｏｓ４５゜＝０．７０７）で
ある。もし前進が最も近い偶数のＬＰＣ１４０に切り捨
てられたら、４５度で機能する１ミリメートルの距離を
つくり出すための実際のＬＰＣは１９８と逆算される
（誤差１％）。同じ数学的プロセスが、αが３０度の彫
刻に対しても使用できる。

【００５９】好都合なことに、焦点２４、２６の間の距
離は約０．１ミリメートル〜約２５ミリメートルであ
り、最も都合がよいのは約０．５ミリメートル〜約５ミ
リメートルである。焦点２４、２６の間の約１ミリメー
トルの距離がうまく機能することがわかった。第２のス
ポット２６は前に彫刻されたセル１２の深さを増加させ
るので、セットアップの間にテスト帯領域の結果を測定
する必要がある。約１ミリメートル又は以下の焦点２
４、２６の間の距離は、必要なテスト帯の量を最小にす
る。スポット２４から２６への距離は焦点距離の関数で
あるから、使用されるレンズ２２の各焦点距離に対して
異なる回折素子２０を使用しなければならない。

【００６０】本発明の好ましい実施例を図示するため
に、直径２．８センチメートルの回折素子２０を得た。
図１に示すように、回折素子２０が、ビーム１５の軸３
４に沿って、３．８センチメートルの焦点距離（ＦＬ）
を有するレンズ２２の後ろに配置されるとき、２つの焦
点２４、２６がレンズ２２により発生する。回折素子２
０又はバイナリ格子は、ｆ＝３．８ｃｍの集束レンズ２
２及び波長１０．６マイクロメートルのレーザビーム１
５に対して、８１２±１マイクロメートルの格子周期を
有し、レーザビーム１５を焦点２４、２６の間の距離が
０．９９５ミリメートルである＋１及び−１次のビーム
１６に変換することが好ましい。好都合なことに、レー
ザビーム１５は、約０．１マイクロメートル〜約１５マ
イクロメートルの間の波長を有する。格子２０のスリッ
ト３８のターゲット深さは、１．７７±０．０８９マイ
クロメートル（±５％）である。この実施例では、１．
８３マイクロメートルの深さが得られた。直径２．８ｃ
ｍの回折素子２０全体にわたるエッチングの均一性は、
約±１％である。回折素子は、１０．６マイクロメート
ルでＡＲ／ＡＲ Ｖ（反射防止）コーティングされた。
この実施例の回折素子２０は、炭酸ガスレーザ発生装置
１８が発生した１０．６マイクロメートルの波長を有す
るレーザビームと一緒に使用するためのものである。回
折光学素子は、レーザビーム１５に対して透明な材料で
形成されることが好ましい。この実施例では、この要求
を満たすために、回折格子はゲルマニウムで作られた。
この実施例により作られた回折光学素子２０は８０％の
効率を有し、再彫刻されたセル１２の全ての特性を示す
セル１２をつくり出した。

【００６１】この実施例で使用される好ましい回折格子
２０はゲルマニウムで作られる。何故ならば、結晶構造
がより稠密であるからである。この材料の微細構造はよ
り明確に定められ、それにより最初の焦点２４、２６に
対してより少ない散乱又は電力損失を生成する。類似の
回折構造を、セレン化亜鉛のような他の遠赤外材料にも
エッチングできる。

【００６２】この彫刻技術は、液体転写アーティクル３
６の彫刻で更に一般に使用されるようになっているネオ
ジウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（又
はＮｄ：ＹＡＧ）レーザにも適用できる。このレーザ
は、一般に石英ガラスと呼ばれる石英又は人造石英のよ
うなこの波長に対して透明な材料で作られた回折格子２
０を必要とする１．０６マイクロメートルの波長を有す
る光のビーム１５を発生する。（材料表面にエッチング
されるか刻みつけられる）必要な回折構造を支持できる
適切な透明材料を見つけることを条件に、この彫刻技術
は液体転写アーティクル３６を彫刻するために考えられ
るどのような所望するレーザビーム１５の波長にも適用
できる。

【００６３】この実施例の回折素子は、集束レンズから
２ミリメートルの間隔だけ離される。アセンブリは、１
次のスポット２４、２６をロール３６の軸５６と整列さ
せるために回転させられる。光学系３０は、約９９５マ
イクロメートルだけ離された２つの１次の焦点２４、２
６を発生する。２つの１次のスポット２４、２６の間の
輝度分布は、約５０／５０であった。

【００６４】セル１２のパターン彫刻は１８０ＬＰＣで
生成され、優れた彫刻の質と共に減少する。図２のよう
に、再彫刻されたセル１２はセル１２の深さ５８で約１
８％の増加を示し、それは彫刻スピードを改善する。回
折光学素子により導入された収差は無かったようであ
る。光学系３０の効率は、およそ９０％と測定された。
ビーム１５のエネルギーのおよそ１０％は、彫刻プロセ
スに関与しない２次のスポットに向けられる。

【００６５】この実施例の光学系３０は、１次の焦点２
４、２６を１本１本の「Ａ」線と整列させるように設計
された。これは、線の数の組合せが奇数の倍数１、３、
５、７でなければならないことを意味する。１ミリメー
トルのスポット２４、２６の間の距離において、これは
６０、１００、１４０ＬＰＣのαが６０度の彫刻に対し
て達成可能な線の数に相当する。スポット２４、２６の
間の距離を減少させることは、線の数の分解能を減少さ
せる。従って、スポット間の距離を最小にし、適切な分
解能を維持するために１ミリメートルが使用されること
が好ましかった。

【００６６】アーティクル３６の表面１４は、本発明に
より彫刻されたセラミック、金属、又はサーメットコー
ティングを有することが好ましい。耐火性酸化物、又は
金属カーバイドコーティングのような適切なセラミッ
ク、金属、及びサーメットコーティングが、ロール３６
の表面に適用できる。例えば、タングステン炭化コバル
ト、タングステン炭化ニッケル、タングステン炭化コバ
ルトクロム、タングステン炭化ニッケルクロム、クロム
ニッケル、酸化アルミニウム、クロム炭化ニッケルクロ
ム、クロム炭化コバルトクロム、タングステンチタニウ
ム炭化ニッケル、コバルト合金、コバルト合金中の酸化
物分散、アルミナチタニア、銅をベースにした合金、ク
ロムをベースにした合金、酸化クロム、酸化クロムと酸
化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化チタニウムと酸
化アルミニウム、鉄をベースにした合金、鉄をベースに
した合金中の酸化物分散、ニッケル及びニッケルをベー
スにした合金、その他同種類のものが使用できる。酸化
クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、
酸化ケイ素、又はそれらの混合物がコーティング材料と
して使用できたが、酸化クロムが最も好ましい。

【００６７】好ましい金属カーバイドコーティングが、
既知の技術（例えば、一般にデトネーションガン（deto
nation gun）プロセス、プラズマコーティングプロセ
ス、高速酸素燃料（oxyfuel）プロセス、又は熱スプレ
ー（thermal spray）コーティング）により、ロールの
金属表面へ適用できる。デトネーションガンプロセスは
よく知られており、米国特許第２，７１４，５６３号、
米国特許第４，１７３，６８５号、及び米国特許第４，
５１９，８４０号に十分に記載されており、その開示は
本明細書で参照される。サブストレートをコーティング
するための従来のプラズマ技術は米国特許第３，０１
６，４４７号、米国特許第３，９１４，５７３号、米国
特許第３，９５８，０９７号、米国特許第４，１７３，
６８５号、及び米国特許第４，５１９，８４０号に記載
されており、その開示は本明細書で参照される。プロセ
ス（即ち、デトネーションガン又はプラズマ）、コーテ
ィング材料のタイプ、及びコーティングの厚さにより、
プラズマプロセス又はデトネーションガンプロセスのい
ずれかにより加えられたコーティングの厚さは約０．５
〜約１００ミルの範囲であり、粗さは約５０〜約１００
０Ｒαの範囲である。

【００６８】ロールのセラミック又は金属カーバイドコ
ーティングは、エポキシ充填剤のような適切なピンホー
ル充填剤で処理できることが好ましい。そのような充填
剤の１つは、Praxair Surface Technologies社から購入
できるＵＣＡＲ１００エポキシである（ＵＣＡＲはUnio
n Carbide社の商標である）。前記処理は、湿気又は他
の腐食性材料がセラミック又は金属カーバイドコーティ
ングを通り抜けてロールの下地の鉄構造を浸食して劣化
させることを防止するために、ピンホールを封止する。

【００６９】以上、本発明の好ましい実施例について図
示し記載したが、特許請求の範囲によって定められる本
発明の範囲から逸脱することなしに種々の変形および変
更がなし得ることは、当業者には明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施例によるレーザ彫刻装置
の略図である。

【図２】提供された製品の彫刻された表面の部分的な斜
視図である。

【図３】図１の装置の略図であり、本発明の好ましい実
施例の装置及びプロセスにより製造できる好ましいセル
パターンを示す。

【符号の説明】

１０ 彫刻システム １４ 固体表面 １５ レーザビーム １６ 分離ビーム １８ レーザ発生装置 ２０ 回折格子 ２２ 屈折レンズ ２４、２６ 焦点 ２８、２９ ステッピング装置 ３０ 光学系 ３２ コンピュータ ３４ 軸 ３６ アーティクル ３８ スリット ４０ 開口部 ４２、４４ 中心軸 ４６ 中心軸点 ５６ 軸

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体アーティクルの表面の少なくとも一
   部分に間隔をあけて彫刻された複数のセルを提供するた
   めに前記アーティクルを彫刻するためのプロセスであっ
   て、 レーザビームを発生し、 前記レーザビームを少なくとも２つのビームに分離し、
   前記各ビームは焦点を前記表面に形成し、前記焦点は互
   いに間隔をあけられ、前記ビームは一般にビームのペア
   を形成し、新しいセルを前記ビームのペアの第１の前記
   焦点で彫刻し同時に前に彫刻されたセルを前記ビームの
   ペアの第２の前記焦点で再彫刻するために前記ビームの
   各ペアが配置され、前記分離ステップは前記レーザビー
   ムに、前記距離をあけられた焦点を有する前記第１のビ
   ーム及び前記第２のビームを少なくとも形成するための
   回折光学素子を有する光学装置を通過させることから成
   り、 前記アーティクルの表面に複数のセルを彫刻し再彫刻す
   る諸ステップから成ることを特徴とする前記プロセス。
2. 【請求項２】 新しいセルを彫刻する全ての分離ビーム
   に対して前に彫刻されたセルを再彫刻する他の分離ビー
   ムが存在するように２つ以上のビームが形成され、各セ
   ルは第１の中心軸及び前記第１の中心軸に垂直な第２の
   中心軸を有する前記アーティクルの前記表面に開口部を
   定め、前記中心軸は中心軸点で交わり、前記彫刻ステッ
   プは、少なくとも２つの行に配置された前記セルを彫刻
   することから成り、１つの行の前記セルの前記第１の中
   心軸を通って引かれる線は隣接する行の前記セルの前記
   第１の中心軸を通って引かれる線に対して実質的に平行
   であり、１つの行の前記セルの少なくとも一部は各々が
   隣接する行の２つの間隔をあけられたセルの前記第２の
   中心軸の間に配置された第２の中心軸を有することを特
   徴とする請求項１に記載のプロセス。
3. 【請求項３】 固体アーティクルの表面の少なくとも一
   部分に間隔をあけて彫刻された複数のセルを提供するた
   めに前記アーティクルを彫刻するための装置であって、 レーザビームを発生するためのレーザビーム発生装置
   と、 前記レーザビームを少なくとも２つのビームに分離する
   ための回折光学素子を有する光学装置から成り、前記各
   ビームは焦点を前記表面に形成し、前記ビームの前記焦
   点は互いに間隔をあけられ、前記ビームは一般にビーム
   のペアを形成し、新しいセルを前記ビームのペアの第１
   の前記焦点で彫刻し同時に前に彫刻されたセルを前記ビ
   ームのペアの第２の前記焦点で再彫刻するために前記ビ
   ームの各ペアが配置されることを特徴とする前記装置。