JP2009106981A - レーザ加工用マスクおよびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工用マスクに形成されるレーザ光通過用孔である開口の形状を変更し、金属材料などからなる被加工物の表面に、レーザ加工により、数μｍ〜十数μｍの微小な寸法を有し、寸法精度および形状精度が非常に高い凹凸パターンを形成する。
【解決手段】レーザ加工用マスク１は、厚み方向に貫通する複数の開口１０を有し、各々の開口１０は、開口１０の中心１０ａから周縁部に向けて偶数個の突起１１、１２、１３、１４が放射状に延びる十字状の形状を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工用マスクおよびレーザ加工方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、主に、レーザ加工用マスクに形成されるレーザ照射用開口の改良に関する。

リチウム二次電池は、高容量および高エネルギー密度を有し、小型化および軽量化が容易なことから、たとえば、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、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、たとえば、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、たとえば、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。たとえば、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（たとえば、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。たとえば、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、負極活物質層の負極集電体からの剥離、負極集電体ひいては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（たとえば、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（たとえば、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ラが利用される。このローラを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ラを作製している。

しかしながら、このローラ作製方法では、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ラ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ラを用いる場合、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。
特開２００２−８３５９４号公報 特開２００７−１０３１９７号公報 特開２００７−２７２５２号公報

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に、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、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、ローラ表面に凸部パターンに対応する凹部パターンを形成し、このローラを２つ圧接させて圧接部を形成し、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、ローラ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。凸部パターンに対応する凹部パターンをローラ表面に精確に再現するには、レーザ加工を利用するのが工業的に有利である。しかしながら、一般的なレーザ加工方法では、数μｍオーダーの径および高さを有する微小凸部を形成するのが非常に困難であることが判った。レーザ加工方法では、主にステンレス鋼などの鉄系金属材料からなるローラとレーザ光源との間にマスクを配置する。マスクには、凸部と同じ寸法および形状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することによって、ローラ表面に凸部パターンに対応する凹部パターンが形成される。

ところが、凸部の寸法が微小である場合には、レーザ照射を受けてローラ表面が溶融状態になり易いことおよびローラ表面が平坦面でないことも相俟って、ローラ表面に形成される個々の凹部の形状は設計された凸部の形状とは異なり、凸部の形状を精確に再現するのが非常に困難である。また、凹部の径、深さなどの寸法は、凸部の径、高さなどの実際の寸法よりも大きくなる傾向にある。レーザ照射時間、レーザ照射間隔、レーザ光強度などを調整しても、凸部の寸法および形状にほぼ一致する複数の凹部を形成することは、工業的には非常に困難である。また、凸部と合同の形状を有し、寸法が凸部よりもやや小さい開口を有するマスクを用いても、凸部の形状および寸法にほぼ一致する複数の凹部を形成するのは、やはり工業的には困難である。

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凹凸パターンを形成するのに有効なレーザ加工用マスクおよび該レーザ加工用マスクを用いるレーザ加工方法を提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、特定の形状を有する開口が形成され、かつ数μｍオーダーの微小な寸法を有する凹凸パターンを精確に再現し得るレーザ加工用マスクを得ることに成功し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、厚み方向に貫通する複数の開口を有するレーザ加工用マスクであって、開口は、開口の中心から周縁部に向けて複数の突起が放射状に延びる形状を有するレーザ加工用マスクに係る。

開口は、偶数個の突起がそれぞれ開口の中心を介して他の突起に対向するように配置された形状を有することが好ましい。
開口は、４個の突起がそれぞれ開口の中心を介して他の突起に対向するように配置され、一方の対向する２個の突起の頂点を結ぶ直線の長さＬ₁と、他方の対向する２個の突起の頂点を結ぶ直線の長さＬ₂とが異なる十字状の形状を有することがさらに好ましい。
Ｌ₁が６０μｍ〜１．２ｍｍ、Ｌ₂が３０〜６００μｍであり、かつＬ₁がＬ₂よりも大きい。

開口の辺は、隣り合う突起の頂点を結んで形成される仮想線よりも、開口の中心に向けて凹んでいることが好ましい。
隣り合う突起の頂点を結んで形成される仮想面の形状は、ほぼ多角形であることが好ましい。
多角形は四角形、六角形または八角形であることが好ましい。
突起の先端部は、半円状であることが好ましい。
超硬合金、ハイス鋼または鍛鋼のレーザ加工に用いられることが好ましい。
少なくとも外周面に、超硬合金、ハイス鋼または鍛鋼を含む被レーザ加工層を有するローラのレーザ加工に用いられることがさらに好ましい。

また、本発明は、被加工物表面に、前記のいずれか１つのレーザ加工用マスクを介してレーザ光を照射するレーザ加工方法に係る。

本発明のレーザ加工用マスクを用いてレーザ加工を行えば、ローラ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精確に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、本発明のレーザ加工用マスクを用いれば、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ラが得られる。このローラ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。

図１は、本発明の実施形態の１つであるレーザ加工用マスク１の構成を模式的に示す上面図である。図２は、レーザ加工用マスク１に形成された開口１０の形状を示す上面図である。図２に示すのは、水平面に平行な面に載置したレーザ加工用マスク１を鉛直方向上方から見たときの開口１０の形状である。レーザ加工用マスク１は、複数の開口１０を有することを特徴とする。レーザ加工用マスク１は、レーザ加工により、被加工物表面に、寸法が数μｍ〜数十μｍでありかつ形状が長方形、ひし形などである凹部を形成するのに適している。

レーザ加工用マスク１はシート状部材であり、たとえば、銅、ステンレス鋼などの金属材料から構成される。レーザ加工用マスク１および集光レンズを介して、集光レンズによるマスク１の結像面上に配置された図示しない被加工物にレーザ光を照射すると、被加工物表面に、マスク１の開口部形状が拡大または縮小された凹部パターンが形成される。凹部パターンが形成された被加工物を用いて、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と、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、たとえば、柱状の活物質層が形成される。以下において、レーザ加工用マスク１を用いてレーザ加工される被加工物を、単に「被加工物」とする。

開口１０は、レーザ加工用マスク１を厚み方向に貫通する開口であり、開口１０の中心１０ａから周縁部に向けて偶数個の突起１１、１２、１３、１４が放射状に延びる十字状の形状を有している。開口１０において、突起１１、１２は中心１０ａを介して対向するように配置され、突起１３、１４も中心１０ａを介して対向するように配置され、これにより開口１０が十字状に形状になっている。
ここで、開口１０の中心１０ａとは、突起１１の頂点１１ｘと突起１２の頂点１２ｘとを結ぶ一点鎖線と、突起１３の頂点１３ｘと突起１４の頂点１４ｘとを結ぶ一点鎖線との交点である。突起１１の頂点１１ｘとは、突起１１において中心１０ａからの長さが最も大きい点である。
また、本実施の形態では、偶数個の突起１１、１２、１３、１４が形成されているが、これに限定されず、３個、５個などの突起を形成し、ほぼ三角形型、ヒトデ型、星型などの形状を有する開口を形成してもよい。

頂点１３ｘ、１４ｘを結ぶ一点破線の長さＬ₁と、頂点１１ｘ、１２ｘを結ぶ一点破線の長さＬ₂とは、Ｌ₁＞Ｌ₂の関係にあるのが好ましい。Ｌ₁およびＬ₂が異なることによって、被加工物表面に形成しようとする凹部の形状が長方形、ひし形などである場合の形状再現性および寸法再現性、特に形状再現性が一層向上する。ここで、凹部の形状とは、被加工物がシート状部材、板状部材などである場合は、被加工物を水平面に平行な面に載置し、該被加工物を鉛直方向上方から見たときの形状である。また、被加工物がローラ状部材である場合は、まず、凹部形状の中心を含みかつローラ状部材の軸線に垂直な方向の断面において、該断面の中心および凹部形状の中心を通る中心−中心直線を求める。この中心−中心直線に垂直な方向の凹部断面の形状が、凹部の形状である。なお、凹部形状は開口１０の形状と同じである。したがって、凹部形状の中心は、開口１０の中心と同義である。

また、Ｌ₁の長さを、被加工物表面に形成される凹部の形状において、凹部形状の中心を通る線の中の最長線の長さに一致させ、さらに、Ｌ₂の長さを、前記最長線に直交する線の中での最長線の長さに一致させるのが好ましい。これによって、形状再現性および寸法再現性が一層向上する。
また、本実施の形態では、頂点１３ｘ、１４ｘを結ぶ一点破線の長さをＬ₁、頂点１１ｘ、１２ｘを結ぶ一点破線の長さをＬ₂としているが、逆に、頂点１３ｘ、１４ｘを結ぶ一点破線の長さをＬ₂、頂点１１ｘ、１２ｘを結ぶ一点破線の長さをＬ₁としてもよい。このときも、Ｌ₁とＬ₂との関係はＬ₁＞Ｌ₂である。

Ｌ₁およびＬ₂の長さは特に制限されないが、Ｌ₁は好ましくは６０μｍ〜１．２ｍｍ、さらに好ましくは１００μｍ〜９００μｍである。また、Ｌ₂は好ましくは３０〜６００μｍ、さらに好ましくは５０〜４５０μｍである。Ｌ₁およびＬ₂を前記範囲に設定することによって、レーザ加工用マスク１の寸法再現性をより一層向上させ得る。また、被加工物表面における凹部形成パターンの設計自由度が増加する。また、凹部に対応する凸部表面と柱状活物質層との接合強度を向上させ得るとともに、前記接合強度などを長期間にわたって高水準に維持できる。

また、Ｌ₁およびＬ₂を前記好ましい範囲に設定し、被加工物表面のレーザ光照射領域において、Ｌ₁に対応する部分の長さが６〜４０μｍかつＬ₂に対応する部分の長さが３〜２０μｍとなるように調整することにより、凸部形状に一層精確に対応する形状を有する凹部を形成できる。さらに、Ｌ₁およびＬ₂を前記さらに好ましい範囲に設定し、被加工物表面のレーザ光照射領域において、Ｌ₁に対応する部分の長さが好ましくは１０〜３０μｍかつＬ₂に対応する部分の長さが５〜１５μｍとなるように調整することにより、凸部形状により一層精確に対応する形状を有する凹部を形成できる。このような調整は、たとえば、レーザ加工用マスク１と被加工物との距離、集光レンズなどを適宜選択することにより、容易に実施できる。

また、開口１０の４つの辺は、突起１１、１２、１３、１４の中で隣り合うものの頂点１１ｘ、１２ｘ、１３ｘ、１４ｘを結んで形成される仮想線よりも、開口１０の中心１０ａに向けて凹んでいる。隣り合う突起とは、突起１１、１３、突起１１、１４、突起１２、１３、および突起１２、１４である。仮想線は、図２中、一点破線で示されている。たとえば、突起１１、１３の頂点１１ｘ、１３ｘを含む辺は、頂点１１ｘ、１３ｘを結ぶ仮想線よりも、開口１０の中心１０ａに向けて凹んでいる。他の辺も同様である。この凹み具合を適宜調整することにより、凹部の寸法が設計値よりも大きくなるのを防止できる。また、凹部の形状が長方形、ひし形などである場合の形状再現性をより一層向上させ得る。さらに隣り合う突起を結ぶ辺の凹みの頂点１１ａ、１３ａ、１２ａ、１４ａをこの順番に結ぶと、長方形になるように、凹みの頂点を決定するのが好ましい。

また、突起１１、１２、１３、１４の中で隣り合うものの頂点１１ｘ、１２ｘ、１３ｘ、１４ｘを互いに結んで形成される仮想面の形状がほぼ多角形であることが好ましい。多角形には種々のものが挙げられるが、好ましくは四角形、六角形、八角形などであり、さらに好ましくは四角形、六角形などである。なお、四角形は、長方形、ひし形などを包含する。本実施の形態では、仮想面の形状はひし形である。仮想面の形状と、設計される凹部の形状とを一致させることにより、設計される凹部の形状を極めて正確に再現することができる。すなわち、形状再現性が一層向上する。
本実施の形態では、突起１１、１２、１３、１４の先端部は先細りの鋭角状であるが、それに限定されず、曲率半径を有する線すなわち曲線で形成されていてもよい。より具体的には、突起１１、１２、１３、１４の先端部は、たとえば、ほぼ半円状、ほぼ半楕円形状などであってもよい。先端部がこのような形状を有していると、先端部付近での形状再現性が一層向上する。

また、本実施の形態では、開口１０は、レーザ加工用マスク１において千鳥格子状に配列されているが、それに限定されず、たとえば、縦横に平行でかつ等間隔の配列、斜角に平行で等間隔の配列などでもよい。
また、本発明のレーザ加工用マスク１において、開口１０の長手方向のピッチＰ₁は特に制限されず、開口１０の寸法、開口１０の形状などに応じて広い範囲から適宜選択できるが、好ましくは８〜３０μｍ、さらに好ましくは１５〜３０μｍである。マスク１の長手方向は、被加工物の長手方向に一致し、被加工物がローラである場合は、ローラの長手方向に一致する。開口１０の短手方向のピッチＰ₂も特に制限されず、開口１０の寸法、開口１０の形状などに応じて広い範囲から適宜選択できるが、好ましくは０〜１０μｍ、さらに好ましくは２〜８μｍである。マスク１の短手方向は、被加工物の短手方向に一致し、被加工物がローラである場合は、ローラの円周方向に一致する。

上記のようなピッチＰ₁およびピッチＰ₂を有するレーザ加工用マスク１を用いて、被加工物に凹部を形成すると、凹部の長手方向のピッチは８〜３０μｍ、好ましくは１５〜３０μｍとなり、凹部の短手方向のピッチは５〜２０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍとなる。なお、ここでピッチは、横（長手方向）または縦（短手方向）の凹部の列における中心線と、前記列の隣にあり、前記列とは位相がずれた列における中心線との距離を意味している。また、凹部の列の中心線とは、長手方向および短手方向のいずれにおいても、開口１０の中心点１０ａに対応する凹部の中心点を結んだ直線である。

レーザ加工用マスク１は、金属材料を含有する被加工物のレーザ加工に用いられる。金属材料としては特に制限されず、たとえば、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、鍛鋼が特に好ましい。これらの高融点金属材料は、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。被加工物は１種または２種以上の金属材料を含有しても良い。

被加工物の形状は、特に制限されないが、板状、ローラ状などが好ましく、ローラ状が特に好ましい。ローラ状被加工物としては、たとえば、金属ローラ、表面被覆ローラなどが挙げられる。金属ローラは、上記した金属材料から選ばれる１種または２種以上をローラ状に成形したものである。表面被覆ローラは、芯用ローラと、芯用ローラの表面に設けられる表面被覆層とを有する。芯用ローラには、たとえば、ステンレス鋼、鉄などの一般的なローラ用金属材料を使用できる。表面被覆層は上記した金属材料から選ばれる１種または２種以上を含有する。表面被覆層の層厚は特に制限されないが、金属材料がたとえば高融点金属材料である場合は、好ましくは５〜５０ｍｍ程度である。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のが好ましい。

表面被覆ローラは、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できる。また、金属材料が高融点金属材料である場合は、たとえば、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。
この表面被覆ローラに対し、レーザ加工用マスク１を用いてレーザ加工を行って凹部を形成すると、凸部形成用ローラが得られる。この凸部形成用ローラ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できる。

超硬合金としては公知のものを使用でき、たとえば、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、たとえば、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−Ｃｒ₃Ｃ₂−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ系、ＷＣ−Ｎｉ系、ＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ系、ＷＣ−Ｃｒ₃Ｃ₂−Ｍｏ₂Ｃ−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、Ｃｒ₃Ｃ₂−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、たとえば、ＴｉＣ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−Ｍｏ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−Ｃｏ系、ＴｉＣ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−Ｍｏ₂Ｃ−ＺｒＣ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｃｏ系、Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉ系、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｃｏ系、ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ₂Ｃ−ＴａＣ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ₂Ｃ−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、Ｂ₄Ｃ／（Ｗ、Ｍｏ）Ｂ₂系など）などが挙げられる。これらの中でも、Ｔｉ（Ｃ、Ｎ）−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ₂Ｃ−Ｃｏ系、ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ₂Ｃ−ＴａＣ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−ＴｉＮ−Ｍｏ₂Ｃ−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、たとえば、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、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、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、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、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、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、たとえば、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、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、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、たとえば、鉄を主成分としかつ炭素、クロムおよびニッケルを含有する鍛鋼、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、ニッケル、クロムおよびモリブデンを含有する鍛鋼、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、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。

レーザ加工用マスク１は、たとえば、銅、ステンレス鋼などからなる基板に、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、複数の、所定の形状を有する開口１０を形成することにより作製できる。また、必要に応じて、レーザによるマスク１の損傷を低減させるため、マスク１の少なくとも表面が、レーザに対し反射率が大きい材料を含むか、または、マスク１表面に前記材料からなる被覆層が形成されていてもよい。前記材料としては、たとえば、金、銀、アルミニウムなどが挙げられる。これらの材料は、特に、波長が５３２ｎｍのレーザ光に有効である。

図３は、別形態のレーザ加工用マスクにおける開口１５の形状を模式的に示す上面図である。図示しない別形態のレーザ加工用マスクは、開口１０に代えて複数の開口１５を有する以外は、レーザ加工用マスク１と同様の構成を有している。開口１５は、突起１６、１７、１８、１９の先端部が鋭角状でなく半円状または円弧状であることを特徴とする。
また、開口１５において、各突起１６、１７、１８、１９から選ばれる隣り合う２つの突起を結ぶ辺の凹みの頂点１６ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａが、２点破線で示される円Ａと接するように、これらの頂点を設けるのが好ましい。円Ａは、突起１６の頂点１６ｘと突起１７の頂点１７ｘとを結ぶ一点破線と、突起１８の頂点と突起１９の頂点１９ｘとを結ぶ一点破線との交点１５ａを中心とする、開口１５の内接円である。開口１５は、このような特徴を有している。

開口１５は、上記２つの特徴を有する以外は、開口１０と同様の構成を有する。
開口１５では、たとえば、４個の突起１６、１７、１８、１９が、開口１５の中心１５ａから開口１５の周縁部に向けて放射状に形成される。また、開口１５では、突起１６、１７および突起１８、１９が開口１５の中心１５ａを介してそれぞれ対向するように形成される。また、各突起の頂点１６ｘ、１７ｘ、１８ｘ、１９ｘを結んで形成される仮想面の形状がほぼひし形である。これら以外の構成も、開口１０と同様である。
複数の開口１５が形成されたレーザ加工用マスクは、突起１６、１７、１８、１９の先端部が半円状であることから、たとえば、菱形とほぼ近似の形状を有する凹部を形成するのに適している。

図４は、別形態のレーザ加工用マスクにおける開口２０の形状を模式的に示す上面図である。図示しない別形態のレーザ加工用マスクは、開口１０に代えて複数の開口２０を有する以外は、レーザ加工用マスク１と同様の構成を有している。開口２０は、突起２１、２２、２３、２４の先端部が鋭角状でなく半円状であること、４つの辺が直線ではなく曲線で構成されていること、および、２つの隣り合う突起の間にある辺の凹みが曲線状であること以外は、開口１０と同様の構成を有する。図４に示す形状の開口２０を有するレーザ加工用マスクを用いると、特に寸法再現性が高い。

開口２０では、たとえば、４個の突起２１、２２、２３、２４が、開口２０の中心２０ａから開口２０の周縁部に向けて放射状に形成される。また、開口２０では、突起２１、２２および突起２３、２４が開口２０の中心２０ａを介してそれぞれ対向するように形成される。また、各突起の頂点２１ｘ、２２ｘ、２３ｘ、２４ｘを結んで形成される仮想面の形状がほぼひし形である。これら以外の構成も、開口１０と同様である。
複数の開口１５が形成されたレーザ加工用マスクは、突起２１、２２、２３、２４の先端部が半円状であることから、たとえば、ほぼ各頂点間の照射サイズと同等で丸い頂点を持つ長方形、菱形、長円、楕円などの形状、特に角が丸みを帯びた菱形、楕円などの形状を有する凹部を形成するのに適している。

図５は、別形態のレーザ加工用マスクにおける開口２５の形状を模式的に示す上面図である。図示しない別形態のレーザ加工用マスクは、開口１０に代えて複数の開口２５を有する以外は、レーザ加工用マスク１と同様の構成を有している。開口２５は、突起２６、２７、２８、２９の先端部が方形であり、かつ突起２６、２７、２８、２９が開口２５の中心２５ａから周縁部に向けて同じ幅で形成される以外は、開口１０と同様の構成を有する。

開口２５では、たとえば、４個の突起２６、２７、２８、２９が、開口２５の中心２５ａから開口２５の周縁部に向けて放射状に形成される。また、開口２５では、突起２６、２７および突起２８、２９が開口２５の中心２５ａを介してそれぞれ対向するように形成される。また、各突起の頂点２６ｘ、２７ｘ、２８ｘ、２９ｘを結んで形成される仮想面の形状がほぼひし形である。これら以外の構成も、開口１０と同様である。
複数の開口２５が形成されたレーザ加工用マスクは、突起２６、２７、２８、２９が先細りにならず、先端部の形状が方形であり、かつ突起２６、２７、２８、２９の幅がどの部分でもほぼ同じであることから、たとえば、ほぼ各頂点間の照射サイズと同等で丸い頂点を持つ長方形、菱形、六角形、八角形などの形状を有する凹部を形成するのに適している。

図６は、別形態のレーザ加工用マスクにおける開口３０の形状を模式的に示す上面図である。図示しない別形態のレーザ加工用マスクは、開口１０に代えて複数の開口３０を有する以外は、レーザ加工用マスク１と同様の構成を有している。開口３０は、突起３１、３２、３３、３４の先端部が半円状である以外は、開口２５と同様の構成を有する。
開口３０では、たとえば、４個の突起３１、３２、３３、３４が、開口３０の中心３０ａから開口３０の周縁部に向けて放射状に形成される。また、開口３０では、突起３１、３２および突起３３、３４が開口３０の中心３０ａを介してそれぞれ対向するように形成される。また、各突起の頂点３１ｘ、３２ｘ、３３ｘ、３４ｘを結んで形成される仮想面の形状がほぼひし形である。これら以外の構成も、開口２５すなわち開口１０と同様である。
複数の開口３０が形成されたレーザ加工用マスクは、突起３１、３２、３３、３４が先細りにならず、先端部の形状が半円状であり、かつ突起３３、３４の幅がどの部分でもほぼ同じであることから、たとえば、ほぼ各頂点間の照射サイズと同等で丸い頂点を持つ長方形、菱形などの形状を有する凹部を形成するのに適している。

図７は、別形態のレーザ加工用マスクにおける開口３５の形状を模式的に示す上面図である。図示しない別形態のレーザ加工用マスクは、開口１０に代えて複数の開口３５を有する以外は、レーザ加工用マスク１と同様の構成を有している。開口３０は、突起３６、３７、３８、３９の先端部が三角形状である以外は、開口２５と同様の構成を有する。
開口３５では、たとえば、４個の突起３６、３７、３８、３９が、開口３５の中心３５ａから開口３５の周縁部に向けて放射状に形成される。また、開口３５では、突起３６、３７および突起３８、３９が開口３５の中心３５ａを介してそれぞれ対向するように形成される。また、各突起の頂点３６ｘ、３７ｘ、３８ｘ、３９ｘを結んで形成される仮想面の形状がほぼひし形である。これら以外の構成も、開口２５すなわち開口１０と同様である。

開口３５においては、２つの突起間に、直線状の凹み部分３６ａ、３７ａ、３８ａ、３９ａが形成されている。凹み部分３６ａ、３７ａ、３８ａ、３９ａは、それぞれの延長線の４つの交点を結んで出来る形状が正方形になるように形成するのが好ましい。これにより、寸法精度および形状再現性がさらに向上する。
複数の開口３５が形成されたレーザ加工用マスクは、突起３６、３７、３８、３９が先細りにならず、先端部が三角形状であり、かつ突起３６、３７、３８、３９の幅がどの部分でもほぼ同じであることから、たとえば、ほぼ各頂点間の照射サイズと同等で長方形、ひし形などの形状を有する凹部を形成するのに適している。

本発明のレーザ加工方法は、マスクとして本発明のレーザ加工用マスクを使用する以外は、従来のレーザ加工方法と同様に実施できる。本発明のレーザ加工方法は、たとえば、図８に示すレーザ加工装置４１を用いて実施される。図８は、レーザ加工装置４１の構成を模式的に示す斜視図である。図９は、図８に示すレーザ加工装置４１におけるマスク１の動作を説明する斜視図である。図１０は、ビーム径調整手段５５の動作の一例を示すグラフである。
レーザ加工装置４１は、ローラ回転装置４４、レーザ発振器４５、加工ヘッド４６、導光路４７、石定盤４８および制御手段４９を含み、ローラ回転装置４４により回転自在に支持されるローラ４２の表面（外周面）に、複数の凹部４３を形成する。

ローラ４２には、たとえば、金属ローラ、表面被覆ローラなどが用いられる。
ローラ回転装置４４は、ローラ４２をその周方向に回転自在に支持しかつローラ４２をその周方向に回転駆動させる部材である。ローラ回転装置４４は、心押し台４４ａ、モータ４４ｂおよびエンコーダ４４ｃを含む。心押し台４３ａは、ローラ４２を周方向に回転自在に支持する。モータ４４ｂはローラ４２を回転駆動させる。エンコーダ４４ｃは、ローラ４２の回転回数、１回の回転における回転角度、角速度などを検知し、検知結果を電気信号化して制御手段４９に出力する。制御手段４９は、エンコーダ４３ｃから入力される検知結果を記憶するとともに、前記検知結果に応じて、さらなる回転が必要か否か、さらなる回転の場合の回転数および／または回転角度を演算する。さらに、制御手段４９は、前記演算結果を電気信号化して、たとえば、モータ４３ｂに出力し、モータ４３ｂによるローラ４２の回転を制御する。

レーザ発振器４５は、レーザ光５１を出力する部材である。レーザ発振器４５には、公知のレーザ発振器を使用でき、たとえばＹＡＧ結晶（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）やＹＶＯ４結晶にネオジムイオンを混入してなるレーザ媒体を使用した固体レーザ発振器（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザ）などが挙げられる。また、レーザ発振器４５から出力されるレーザ光５１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５１のパワーが不十分になり、凹部４３の形成に長時間を要するおそれがある。また、所望の形状および寸法を有する凹部４３を形成できないおそれがある。一方、波長が６００ｎｍ以上では、回折が大きくなり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５１を出力するには、たとえば、レーザ発振器４５として、非線形光学結晶を用いて高調波を発生させるタイプのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いるのが好ましい。このＮｄ：ＹＡＧレーザによれば、波長５３２ｎｍの緑色光、波長３５５ｎｍなどを出力できる。

加工ヘッド４６は、レーザ光５１を集光してローラ４２の外周面に照射する部材である。加工ヘッド４６は、図示しない集光レンズを備えており、導光路４７を介して送られてくるレーザ光５１を集光してローラ４２の外周面に照射する。
加工ヘッド４６の焦点距離は、好ましくは２０〜２００ｍｍ、さらに好ましくは４０ｍｍ程度である。焦点距離が２０ｍｍ未満では、ローラ４２から発生するダストが加工ヘッド４６の集光レンズに付着し、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、ＮＡ（開口数）が低下することから、やはり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倍程度である。

導光路４７は、レーザ発振器４５から出力されるレーザ光５１を加工ヘッド４６まで導光する部材であり、反射ミラー５２、シャッタ装置５３、アッテネータ５４、ビーム径調整手段５５およびマスク部５６を含む。
反射ミラー５２は複数配置され、レーザ光５１を加工ヘッド４６まで導く部材である。
シャッタ装置５３は、図示しない光遮蔽部材および図示しない駆動手段を含み、レーザ光５１を導光路４７の下流側に向けて通過させるかまたは通過を遮断する部材である。光遮蔽部材は、図示しない支持手段により往復動可能に支持される。駆動手段は、光遮蔽部材を、レーザ光５１の通過を妨げない位置と、レーザ光５１の通過を妨げる位置との間で往復動させる。駆動手段には、たとえば、エアシリンダが用いられる。シャッタ装置５３の動作は、エンコーダ４３ｃの出力信号に応じて制御手段４９が制御する。

アッテネータ５４は、レーザ光２１の偏光方向を調整し、特定の偏光方向の成分のみを透過または反射させることで、レーザ光の出力を制御するものである。
ビーム径調整手段５５は、たとえば、少なくとも1つ以上のレンズから構成されており、アッテネータ５４により出力を調整されるレーザ光５１のビーム径を調整する。より具体的には、ビーム径調整手段５５は、マスク部５６のレーザ孔通過孔１０と対応する領域においてエネルギーが高くなるようにレーザ光５１のエネルギー分布およびビームの拡がり角を調節して、エネルギー効率の向上とマスク部５６の保護、および加工ヘッド上の集光レンズで発生する収差の低減とを図る。

ビーム径調整手段５５の動作の一例を図１０に示す。図１０において、レーザ光５１は、導光路４７のポイントＰ１（レーザ発振器４５からの距離が約７３５ｍｍの地点）に設けられている図示しないシリンドリカルレンズにより鉛直方向のビーム径の拡大が開始される。次に、ポイントＰ２（レーザ発振器４５からの距離が約８８５ｍｍの地点）に設けられている図示しないシリンドリカルレンズにより鉛直方向のビーム径の拡大が停止される。
さらに、ポイントＰ３（レーザ発振器４５からの距離が約９８５ｍｍの地点）に設けられているシリンドリカルレンズにより、水平方向のビーム径の縮小が開始され、ポイントＰ４（レーザ発振器４５からの距離が約１１８５ｍｍの地点）に設けられたシリンドリカルレンズによりａ軸方向のビーム径の縮小が停止される。

さらに、ポイントＰ５（レーザ発振器４５からの距離が約１９８５ｍｍの地点）に設けられている丸レンズにより、レーザ光を加工ヘッドのレンズ近辺に集光させ、ポイントＰ６（レーザ発振器４５からの距離が約２１０５ｍｍの地点）に設けられているマスク部５６により輪郭が整形される。その後、レーザ光５１は、ポイントｐ７に配された加工ヘッド４６の集光レンズにより集光されて、ローラ４２の外周面にマスク部６の像が縮小されて照射される。
ビーム径調整手段５５は、レンズに限定されず、たとえば、回折素子（ＤＯＥ)、スリット、フィルタなどを用いて構成できる。

マスク部５６は、レーザ光の輪郭を所望形状に整形する部材である。本実施の形態では、上記のレーザ加工用マスク１を、マスク部５６として使用する。したがって、マスク部５６には、複数の開口１０が形成されている。この開口１０が、レーザ光通過孔になる。レーザ光５１のうち、開口１０を通過したレーザ光５１ａは、輪郭が開口１０の形状に成形され、加工ヘッド４の集光レンズにより開口１０の像がローラ４２の外周面に結像される。

マスク部５６の開口１０は、加工ヘッド４６の集光レンズのＮＡ、レーザ光５１の波長などに応じて、その形状を適宜調整するのが好ましい。たとえば、レーザ光５１の波長が２００ｎｍ程度である場合は、開口１０は、曲率半径が１０μｍ未満の角部を有しない形状とするのがよい。また、加工ヘッド４６の集光レンズのＮＡが０．３であり、レーザ光５１の波長が５００ｎｍであれば、回折限界は２．０μｍとなる。ここで、一次回折光まで使用するならばビーム最小直径は約３μｍとなり、倍率１６倍では曲率半径は２４μｍ以上とする必要がある。すなわち、この場合、開口１０は、曲率半径が２４μｍ未満の角部を有しない形状とするのがよい。
なお、レーザ発振器４５、加工ヘッド４６および導光路４７は支持台６０によって一体的に支持されている。この支持台６０は、アクチュエータ６１により、ローラ回転装置４４に装着されるローラ４２の長手方向に往復動可能に支持されている。

石定盤４８は、ローラ回転装置４４、ならびに、レーザ発振器４５、加工ヘッド４６および導光路４７を支持する支持台６０およびアクチュエータ６１を支持する。
制御手段４９は、たとえば、エンコーダ４４ｃによる検知結果に応じて、ローラ４２が所定角度回転する毎に所定時間に亘ってレーザ光５１を照射するようにシャッタ装置５３を開閉する。これにより、ローラ回転装置４４により回転されるローラ４２の外周面に、一端側（たとえば、心押し台４４ａの端面側）から一列ずつ、所定の角度ピッチで凹部４３を形成される。そして、ローラ４２が一回転すると、同一箇所にレーザ光５１を照射することを、好ましくは複数回（例えば、５回）繰り返すことにより、凹部４３を形成する。

レーザ光５１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である。照射時間が１０ｐｓ未満では、レーザ光５１の照射による熱伝導が発生せず、原子１層分しか取り除くことができず、凹部４３の形成が不十分になるおそれがある。一方、２００ｎｓを超えると、ローラ４２の回転によりレーザ光５１がローラ４２表面をスイープするおそれがある。

レーザ加工装置４１は、図示しないブロー装置を含むことができる。ブロー装置は、ローラ回転装置４４により支持されるローラ４２の近傍に設けられ、ローラ４２表面、好ましくはローラ４２表面の凹部４３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、たとえば、レーザ光５１の照射前、レーザ光５１をローラ４２外周面に照射してから、次に同一箇所にレーザ光５１を照射するまでの間、レーザ光５１照射の終了後などが挙げられる。この吹き付けによって、ローラ４２外周面の凹部４３形成箇所から塵などを除去できる。また、ローラ４２の冷却効果を高め得るので、レーザ光５１の照射熱によるローラ４２表面の膨張が低減化され、形成される凹部４３の寸法精度および形状精度が一層向上する。

レーザ加工装置４１によれば、本発明のレーザ加工用マスクを用いることによって、被加工物であるローラ４２表面に、数μｍ〜十数μｍ程度の微細な寸法を有する凹部４３を、非常に高い寸法精度および形状精度で形成できる。

以下に実施例および比較例を挙げ、本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
厚さ０．３ｍｍ、寸法２２ｍｍ×２２ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）に放電加工を施し、図３に示す開口１５の形状を有し、開口１５が図１に示すように千鳥格子状に配列された本発明のレーザ加工用マスクを製造した。
開口１５のサイズは、Ｌ₁：０．３２ｍｍ、Ｌ₂：０．１６ｍｍ、各突起１６〜１９の先端部の曲率半径：１０μｍ、内接円Ａの直径：５０μｍとした。また、ピッチＰ₁：０．３２ｍｍ、ピッチＰ₂：６４μｍとした。このマスクは、開口形状が菱形であり、菱形の長い方の対角線が２０μｍ、短い方の対角線が１０μｍである凹部を形成する目的で作製した。

レーザ加工装置４１に、Ｎｂ：ＹＡＧレーザ光から第二高調波を発生させ、波長５３２ｎｍの緑色光を出力するユニットをレーザ発振器４５として装着した。加工ヘッド４６から出力されるレーザ光の強度を1回の照射あたり２３μＪに設定した。また、集光レンズおよび焦点距離を調整して、加工ヘッド４６の結像倍率が１６倍となるように設定した。すなわち、加工ヘッドの結像サイズは、レーザ加工用マスクの開口１５の１／１６倍となり、Ｌ₁に対応する寸法が２０μｍ、Ｌ₂に対応する寸法が１０μｍとなる。さらに、マスク部５６にレーザ加工用マスクの開口１５の長手と短手に２個ずつ隣接する合計4カ所がレーザ光通過孔となるように装着した。

このようなレーザ加工装置４１のローラ回転装置４４と芯押し台４４ａとの間に、鍛鋼ローラ（大同マシナリー（株）製、直径５０ｍｍ、ロール幅１００ｍｍ）を装着し、該鍛鋼ローラ表面に、照射時間５０ナノ秒、照射間隔１ミリ秒で、レーザ光を５回照射した。レーザ光の照射後、レーザ光照射領域を鍛鋼ロールの長手方向に４０μｍまたは円周方向に５６μｍ移動させ、同様にレーザ光を５回照射した。なお、円周方向の移動は、鍛鋼ローラを回転させることにより行った。長手方向および円周方向への移動は、それぞれ５回ずつ行い、計２５箇所にレーザ光の５回照射を繰返し行い、凹部１００個を千鳥格子状に形成した。また、凹部の長手方向（鍛鋼ロールの幅方向）のピッチは約２０μｍ、短手方向（鍛鋼ロールの円周方向）のピッチは約１４μｍであった。なお、ピッチは、千鳥配置となっているので、凹部の横（長手方向）または縦（短手方向）の列の中心線と、隣の位相のずれた列の中心線との距離である。凹部の列の中心線とは、レーザ加工用マスクの開口の中心点に対応する凹部の中心点を結んだ線である。

上記で得られた凹部の１００個を、レーザ顕微鏡（商品名：ＶＫ−９５００、キーエンス社製）を用いて開口形状を観察し、径および深さを測定し、平均値を求めた。その結果、凹部の開口形状はほぼ菱形であり、長い対角線：１９．５μｍ、短い対角線：９．８μｍであった。これは、設計値にほぼ一致した。また、長い対角線および短い対角線の長さは、マスクの開口１５におけるＬ₁およびＬ₂の値を結像倍率で除した値とほぼ一致した。さらに、凹部の開口部面積は、設計値の１２０％であった。このように、本発明のマスクを用いてレーザ加工を行うことにより、高い形状再現性および寸法精度で、凹部を形成することができた。

（実施例２）
開口１５を図１または図２に示す開口１０に変更する以外は、実施例１と同様にして本発明のレーザ加工用マスクを作製した。なお、開口１０は、Ｌ₁：０．３２ｍｍ、Ｌ₂：０．１６ｍｍ、突起間の辺の凹みの頂点を結んで出来る長方形の寸法：０．１６ｍｍ×０．０８ｍｍとした。このマスクは、開口形状が菱形であり、菱形の長い方の対角線が２０μｍ、短い方の対角線が１０μｍである凹部を形成する目的で作製した。
このマスクを用いる以外は実施例１と同様にして、鍛鋼ローラ表面に、凹部１００個を千鳥格子状に形成した。また、凹部の長手方向（鍛鋼ロールの幅方向）のピッチは約２０μｍ、短手方向（鍛鋼ロールの円周方向）のピッチは約１４μｍであった。

得られた凹部について、実施例１と同様にしてレーザ顕微鏡観察を行ったところ、凹部の開口形状はほぼ菱形であり、長い対角線：１８．５μｍ、短い対角線：１０．２μｍであった。これは、設計値にほぼ一致した。また、長い対角線および短い対角線の長さは、マスクの開口１０におけるＬ₁およびＬ₂の値を結像倍率で除した値とほぼ一致した。さらに、凹部の開口部面積は、設計値の１２９％であった。このように、本発明のマスクを用いてレーザ加工を行うことにより、高い形状再現性および寸法精度で、凹部を形成することができた。

（実施例３）
開口１５を図４に示す開口２０に変更する以外は、実施例１と同様にして本発明のレーザ加工用マスクを作製した。なお、開口２０は、Ｌ₁：０．３２ｍｍ、Ｌ₂：０．１６ｍｍ、突起２１、２２の曲率半径：２０μｍ、突起２３、２４の曲率半径：３０μｍ、２つの突起間の凹みの曲率半径：３０μｍとした。このマスクは、開口形状が菱形であり、菱形の長い方の対角線が２０μｍ、短い方の対角線が１０μｍである凹部を形成する目的で作製した。
このマスクを用いる以外は実施例１と同様にして、鍛鋼ローラ表面に、凹部１００個を千鳥格子状に形成した。また、凹部の長手方向（鍛鋼ロールの幅方向）のピッチは約２０μｍ、短手方向（鍛鋼ロールの円周方向）のピッチは約１４μｍであった。

得られた凹部について、実施例１と同様にして走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、凹部の開口形状はほぼ菱形であり、長い対角線：２０．１μｍ、短い対角線：１０．３μｍであった。これは、設計値にほぼ一致した。また、長い対角線および短い対角線の長さは、マスクの開口１０におけるＬ₁およびＬ₂の値を結像倍率で除した値とほぼ一致した。さらに、凹部の開口部面積は、設計値の１３３％であった。このように、本発明のマスクを用いてレーザ加工を行うことにより、高い形状再現性および寸法精度で、凹部を形成することができた。

（実施例４）
開口１５を図５に示す開口２５に変更する以外は、実施例１と同様にして本発明のレーザ加工用マスクを作製した。なお、開口２５は、Ｌ₁：０．３２ｍｍ、Ｌ₂：０．１６ｍｍ、突起２６、２７、２８、２９の幅：５０μｍとした。このマスクは、開口形状が菱形であり、菱形の長い方の対角線が２０μｍ、短い方の対角線が１０μｍである凹部を形成する目的で作製した。
このマスクを用いる以外は実施例１と同様にして、鍛鋼ローラ表面に、凹部１００個を千鳥格子状に形成した。また、凹部の長手方向（鍛鋼ロールの幅方向）のピッチは約２０μｍ、短手方向（鍛鋼ロールの円周方向）のピッチは約１４μｍであった。

得られた凹部について、実施例１と同様にして走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、凹部の開口形状はほぼ菱形であり、長い対角線：２１．１μｍ、短い対角線：１０．９μｍであった。これは、設計値にほぼ一致した。また、長い対角線および短い対角線の長さは、マスクの開口１０におけるＬ₁およびＬ₂の値を結像倍率で除した値とほぼ一致した。さらに、凹部の開口部面積は、設計値の１４０％であった。このように、本発明のマスクを用いてレーザ加工を行うことにより、高い形状再現性および寸法精度で、凹部を形成することができた。

（実施例５）
開口１５を図６に示す開口３０に変更する以外は、実施例１と同様にして本発明のレーザ加工用マスクを作製した。なお、開口３０は、Ｌ₁：０．３２ｍｍ、Ｌ₂：０．１６ｍｍ、突起３１、３２、３３、３４の先端部の曲率半径：２４μｍ、突起３１、３２、３３、３４の幅：４８μｍ、とした。このマスクは、開口形状が菱形であり、菱形の長い方の対角線が２０μｍ、短い方の対角線が１０μｍである凹部を形成する目的で作製した。
このマスクを用いる以外は実施例１と同様にして、鍛鋼ローラ表面の円周方向に、凹部１００個を千鳥格子状に形成した。また、凹部の長手方向（鍛鋼ロールの幅方向）のピッチは約２０μｍ、短手方向（鍛鋼ロールの円周方向）のピッチは約１４μｍであった。

得られた凹部について、実施例１と同様にして走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、凹部の開口形状はほぼ菱形であり、長い対角線：２０．５μｍ、短い対角線：１０．１μｍであった。これは、設計値にほぼ一致した。また、長い対角線および短い対角線の長さは、マスクの開口１０におけるＬ₁およびＬ₂の値を結像倍率で除した値とほぼ一致した。さらに、凹部の開口部面積は、設計値の１３５％であった。このように、本発明のマスクを用いてレーザ加工を行うことにより、高い形状再現性および寸法精度で、凹部を形成することができた。

（実施例６）
開口１５を図７に示す開口３５に変更する以外は、実施例１と同様にして本発明のレーザ加工用マスクを作製した。なお、開口３５は、Ｌ₁：０．３２ｍｍ、Ｌ₂：０．１６ｍｍ、突起３６、３７、３８、３９の先端部の角度：９０°、突起３６、３７、３８、３９の幅：５０μｍ、直線状の凹み３６ａ、３７ａ、３８ａ、３９ａをそれぞれ延長して得られる４つ交点を結んだ形状：１辺９０μｍの正方形とした。このマスクは、開口形状が菱形であり、菱形の長い方の対角線が２０μｍ、短い方の対角線が１０μｍである凹部を形成する目的で作製した。
このマスクを用いる以外は実施例１と同様にして、鍛鋼ローラ表面に、凹部１００個を千鳥格子状に形成した。また、凹部の長手方向（鍛鋼ロールの幅方向）のピッチは約２０μｍ、短手方向（鍛鋼ロールの円周方向）のピッチは約１４μｍであった。

得られた凹部について、実施例１と同様にして走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、凹部の開口形状はほぼ菱形であり、長い対角線：２０．４μｍ、短い対角線：１０．２μｍであった。これは、設計値にほぼ一致した。また、長い対角線および短い対角線の長さは、マスクの開口１０におけるＬ₁およびＬ₂の値を結像倍率で除した値とほぼ一致した。さらに、凹部の開口部面積は、設計値の１３８％であった。このように、本発明のマスクを用いてレーザ加工を行うことにより、高い形状再現性および寸法精度で、凹部を形成することができた。

（比較例１）
開口をＬ₁：０．３２ｍｍ、Ｌ₂：０．１６ｍｍの菱形とする以外は、実施例１と同様にして、マスクを作製した。このマスクを用いる以外は、実施例１と同様にして、鍛鋼ローラ表面に凹部を形成した。得られた凹部を走査型電子顕微鏡観察したところ、形状は長円状であり、Ｌ₁に相当する部分の長さは約２２．５μｍ、Ｌ₂に相当する部分の長さは約１１μｍであった。また、凹部の開口部面積は、設計値（開口の面積）の２０５％であった。

本発明によるレーザ加工用マスクを用いれば、たとえば、寸法精度および形状精度が非常に高い、数μｍ〜十数μｍ程度の微細な寸法を有する凹凸パターンを被加工物表面に容易に形成できる。被加工物がローラ状物である場合は、たとえば、金属板表面に微小サイズの凸部を形成するのに好適に使用できる。この微小凸部が形成された金属板を、たとえば、電池の集電体として用いれば、高容量化を有し、長期耐用性が良好で、安全性に優れた電池が得られる。

本発明の実施形態の１つであるレーザ加工用マスクの構成を模式的に示す上面図である。 図１に示すレーザ加工用マスクに形成された開口の形状を示す上面図である。 本発明の別形態のレーザ加工用マスクにおける開口の形状を模式的に示す上面図である。 本発明の別形態のレーザ加工用マスクにおける開口の形状を模式的に示す上面図である。 本発明の別形態のレーザ加工用マスクにおける開口の形状を模式的に示す上面図である。 本発明の別形態のレーザ加工用マスクにおける開口の形状を模式的に示す上面図である。 本発明の別形態のレーザ加工用マスクにおける開口の形状を模式的に示す上面図である。 レーザ加工装置の構成を模式的に示す斜視図である。 図８に示すレーザ加工装置におけるマスクの動作を説明する斜視図である。 ビーム径調整手段の動作の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ レーザ加工用マスク
１０、１５、２０、２５、３０、３５ 開口
１０ａ、１５ａ、２０ａ、２５ａ、３０ａ、３５ａ 開口中心
１１、１２、１３、１４ 突起
１１ｘ、１２ｘ、１３ｘ、１４ｘ 頂部
４１ レーザ加工装置
４２ ローラ
４３ 凹部
４４ ローラ回転装置
４５ レーザ発振器
４６ 加工ヘッド
４７ 導光路
４８ 石定盤
４９ 制御手段

Claims (11)

1. 厚み方向に貫通する複数の開口を有するレーザ加工用マスクであって、
   開口は、開口の中心から周縁部に向けて複数の突起が放射状に延びる形状を有するレーザ加工用マスク。
2. 開口は、偶数個の突起がそれぞれ開口の中心を介して他の突起に対向するように配置された形状を有する請求項１に記載のレーザ加工用マスク。
3. 開口は、４個の突起がそれぞれ開口の中心を介して他の突起に対向するように配置され、一方の対向する２個の突起の頂点を結ぶ直線の長さＬ₁と、他方の対向する２個の突起の頂点を結ぶ直線の長さＬ₂とが異なる十字状の形状を有する請求項２に記載のレーザ加工用マスク。
4. Ｌ₁が６０μｍ〜１．２ｍｍ、Ｌ₂が３０〜６００μｍであり、かつＬ₁がＬ₂よりも大きい請求項３に記載のレーザ加工用マスク。
5. 開口の辺が、隣り合う突起の頂点を結んで形成される仮想線よりも、開口の中心に向けて凹んでいる請求項１〜４のいずれか１つに記載のレーザ加工用マスク。
6. 隣り合う突起の頂点を結んで形成される仮想面の形状がほぼ多角形である請求項１〜５のいずれか１つに記載のレーザ加工用マスク。
7. 多角形が四角形、六角形または八角形である請求項６に記載のレーザ加工用マスク。
8. 突起の先端部が、半円状である請求項１〜７のいずれか１つに記載のレーザ加工用マスク。
9. 超硬合金、ハイス鋼または鍛鋼のレーザ加工に用いられる請求項１〜８のいずれか１つに記載のレーザ加工用マスク。
10. 少なくとも外周面に、超硬合金、ハイス鋼または鍛鋼を含む被レーザ加工層を有するローラのレーザ加工に用いられる請求項９記載のレーザ加工用マスク。
11. 被加工物表面に、請求項１〜１０のいずれか１つのレーザ加工用マスクを介してレーザ光を照射するレーザ加工方法。

Images