ローラ加工方法、およびローラ加工装置
【課題】レーザ光の照射による熱の影響を可能な限り排除して、所望形状の微細な凹部をローラ表面に形成することができるローラ加工方法、およびローラ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ発振器３により出力されたレーザ光２１を加工ヘッド４により集光してローラ２の表面に照射する。エンコーダ５ｃはローラ２の回転位置に応じた信号を出力する。制御部２４は、エンコーダ５ｃの出力信号に基づいて、ローラ２の表面の同一箇所に、ローラ２が一回転する毎にレーザ光２１を照射することを複数回繰り返して凹部を形成するように、レーザ発振器３を制御する。
【解決手段】レーザ発振器３により出力されたレーザ光２１を加工ヘッド４により集光してローラ２の表面に照射する。エンコーダ５ｃはローラ２の回転位置に応じた信号を出力する。制御部２４は、エンコーダ５ｃの出力信号に基づいて、ローラ２の表面の同一箇所に、ローラ２が一回転する毎にレーザ光２１を照射することを複数回繰り返して凹部を形成するように、レーザ発振器３を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ローラ加工方法、およびローラ加工装置に関する。より詳しくは、例えば表面に所定形状の突起を形成するように電池用集電体の素材である金属箔の表面に所定形状の突起を形成するためのローラを加工する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話などのポータブル機器の普及に伴い、その電源としての電池の需要が増大している。上記のような用途に用いられる電池には高いエネルギ密度と優れたサイクル特性が要求される。
【０００３】
このような要求に対応するために、正極および負極のそれぞれに関して、高容量の活物質を得るための技術が新たに開発されている。例えば、負極の活物質については高い容量が得られるケイ素またはスズを含む合金や酸化物を用いることにより上記要求に対応しようとしている。ここで問題となるのは、負極における極板の変形である。つまり、充放電時にはリチウムイオンが挿入および脱離を繰り返すことで、活物質が大きく膨張および収縮を繰り返す。このため、極板が大きく歪み、極板にうねりが生じる。その結果、極板とセパレータとの間に空間が生じ、充放電反応が不均一化し、充放電サイクル特性が低下する。
【０００４】
このような問題に関して、例えば特許文献１には、集電体の変形を抑えるための技術が提案されている。ここでは、集電体の表面に凹凸を形成するとともに、活物質からなる薄膜を、集電体の表面の各突起の上に活物質を堆積するようにして形成する。このとき、各突起の上に堆積された活物質の塊同士の間に、集電体の表面に向かうにつれて幅が広くなる空隙を形成するものとしている。
【０００５】
発明者等は、上述の提案を踏まえて鋭意検討を重ね、その結果、集電体の表面に理想的には、頂点が菱形の微細な多数の突起を等間隔に配置すれば、上記特許文献１に示されるような活物質からなる薄膜を形成できるとの結論に達した。集電体の表面にそのような突起を形成するためには、上記突起と対応する形状の凹部をローラ等の加圧具の表面に等間隔に形成し、これにより集電体を加圧する方法が考えられる。そして、このような凹部をローラの表面に形成するには、レーザ加工によるのが加工速度などの点で好ましい。
【０００６】
以上の点に関連した従来技術として、特許文献２記載の平板印刷版用支持体の製造方法がある。ここでは、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、アルミニウム板を用いる平板印刷版用支持体をプレスする転写ローラの表面にレーザを照射して、凹部６１を形成している。そして、このときに発生する溶解成分の盛り上がりを利用して、凸部６２を形成している。
また、下記特許文献３には、充放電に伴う集電体の皺の発生を防止して、体積変化を低減させるための技術が提案されている。具体的には、リチウムと合金化しない金属から形成された集電体と、集電体の表面に形成され、リチウムと合金化する元素を含む薄膜とを備えた薄膜電極において、上記集電体に凹凸を備えさせるとともに、集電体の実効厚みを、１５μｍ〜３００μｍとしている。
【０００７】
また、特許文献４には、図１１に示すように、セラミック或いは金属炭化物からなる液体転写用シリンダ状物品の表面に複数の離間したレーザ彫刻セル６３を形成する場合に、２つ以上のあい続く離間したパルス群を用いて１つのセルを形成する方法が示されている。
また、特許文献５には、セラミック材料からなる液体転写アーティクルの表面に、２つに分離したレーザービームのそれぞれを順次照射するようにして、セルを形成する方法が示されている。
【０００８】
また、特許文献６には、ローラ表面にパルスレーザを照射してローラ表面の照射スポットを溶融又は蒸散させることにより、そのローラの表面に凸凹パターンを形成する方法が示されている。ここでは、照射スポットをポリゴンミラーで走査させて凸凹パターンを形成している。
また、特許文献７には、表面が感光性樹脂硬化物で覆われている円筒状の樹脂製印刷基材の表面に、平均出力が０．０１〜５Ｗ、１パルスあたりのエネルギ量が１０〜５０Ｊ、ビーム径が０．４〜１５μｍのレーザを照射することにより、幅が０．４〜２０μｍ、深さが１〜１００μｍの微細な凹パターンを形成する方法が示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３１３３１９号公報
【特許文献２】特許第３０１０４０３号公報（特開平６−１７１２６１号公報）
【特許文献３】特開２００５−３８７９７号公報
【特許文献４】特許第２７２７２６４号公報（特開平４−２３１１８６号公報）
【特許文献５】特開２００１−１９１１８５号公報
【特許文献６】特開２００４−３５１４４３号公報
【特許文献７】特開２００６−２４８１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで、上記ローラは、金属部材を加圧して表面に突起を形成するものであるために、材質は、極めて硬い金属とする必要がある。ところが、このような材質のローラの表面に、レーザ加工により凹部を形成する場合には、レーザ光の照射による熱膨張等を原因として、形成される凹部の平面視形状が底に向かうほどに所望形状（例えば、菱形）から遠ざかるといった問題がある。
【００１１】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、レーザ光の照射による熱の影響を可能な限り排除して、所望形状の微細な凹部をローラ表面に形成することができるローラ加工方法、およびローラ加工装置を提供することを第１の目的としている。
【００１２】
また、上記課題を解決するためには、レーザ加工により凹部を形成するときの温度上昇を抑える必要がある。このためには、所望の深さの凹部を得るのに必要とされるレーザ光の照射を、複数回に分けて、所定の間隔をおいて実行することが有効である。本発明はその技術思想を実用化するための方法および装置に向けられている。
【００１３】
ところが、例えば電池用集電体の素材である金属箔に上述したような突起を形成するために、その加工具であるローラの表面に凹部を形成する場合には、μｍオーダーの凹部をそのオーダーのピッチで配置する必要がある。そして、そのような加工を比較的短時間のうちに完了するためには、ローラを回転させながら、その表面にレーザ光を上記ピッチに対応するタイミングで断続的に照射するようにして、ローラの表面の同一箇所に、ローラが一回転する毎にレーザ光を照射することを複数回繰り返す必要がある。
【００１４】
ところが、ローラを回転させながら、その表面の同一箇所にμｍオーダーの精度でレーザ光を照射する場合には以下に説明するような技術的な困難性が存在する。
【００１５】
すなわち、ローラの回転位置を検出するためには通常ロータリエンコーダが用いられる。ローラの表面に所定ピッチで凹部を形成するためには、ロータリエンコーダの出力信号を計数し、計数された信号数が上記ピッチに相当する信号数に達する毎にレーザ光をローラ表面に照射する手順が繰り返される。
ところが、上記ピッチに相当する信号数が、ローラが一回転する間にロータリエンコーダから出力される信号数を割り切れる数ではない場合には、ローラを一回転させたときにローラの表面の同一箇所にレーザ光を照射することはできなくなる。以下にその理由を説明する。
【００１６】
図１２に示すように、ローラ５０表面の周方向に所定ピッチＬＰでｎ個の凹部Ｈ（１）〜Ｈ（ｎ）を形成する場合を考える。この場合に、ローラ５０の一回転に相当するロータリエンコーダの出力信号数が、ピッチＬＰに相当する信号数により割り切れなければ、割り切れない余りの数に対応する信号数の分だけ、ローラが１回転する毎にレーザ光の照射位置にずれ（Ｅ１）が生じる。したがって、前回のレーザ光の照射により形成された窪み（凹部Ｈ（１））に重ねてレーザ光５３を照射しようとしても、長さＥ１ずれた位置に窪み（凹部Ｈ（ｎ＋１））が形成されてしまう。これを複数回繰り返すと、繰り返す毎にレーザ光の照射位置がずれていく。したがって、上記ずれ（Ｅ１）がある程度以上大きい場合には、ローラを回転させながら、その表面の同一箇所にレーザ光を複数回に分けて照射して、所望形状の凹部を形成することはできなくなる。
【００１７】
つまり、上述の方法では、ローラ５０の表面に凹部を形成することができるピッチＬＰは、ロータリエンコーダの一回転の出力信号数により制限されることになる。したがって、様々なピッチでローラの表面に凹部を形成する場合には、一回転の出力信号数が異なる複数のロータリエンコーダを用意し、所望ピッチに応じてロータリエンコーダの取り換え作業を行って、ローラのレーザ加工を行う必要がある。しかしながら、精密な加工を要する装置において、特にエンコーダ等の測定機器の取り換えには調整のために多大の時間を要し、現実的には、上述したような対応は不可能であるといえる。
【００１８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、回転されるローラの表面の同一箇所に、ローラが一回転する毎にレーザ光を照射することを複数回繰り返して、凹部を所定ピッチで形成する場合に、凹部が形成されるピッチをきめ細かく調節することが可能なローラ加工方法、およびローラ加工装置を提供することを第２の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための本発明は、金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工方法であって、
前記ローラを回転させる工程ａ、
前記回転されるローラの位置を検出する工程ｂ、並びに
前記ローラが一回転する毎にレーザ光を前記ローラの表面の同一箇所に照射することを複数回繰り返して、前記ローラの表面に前記凹部を形成する工程ｃを含むローラ加工方法である。
【００２０】
本発明の好ましい形態においては、前記検出されたローラの絶対位置に基づいて、前記ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生する工程ｄ、並びに
前記ローラの表面に前記凹部を形成するピッチに応じて、前記ローラが一回転する間に発生される前記パルス信号の数を設定する工程ｅ、
をさらに含み、
前記工程ｃにおいては、前記発生されるパルス信号を計数して、その数が前記ピッチに相当する数に達する毎に前記ローラの表面に前記レーザ光を照射する。
【００２１】
本発明のより好ましい形態においては、前記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数が、前記ピッチに相当する前記パルス信号の数により割り切れる数、または割ったときの余りが所定値以下となる数である。
【００２２】
本発明のより好ましい形態は、前記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数の候補を、前記ローラの径に対応してあらかじめ選定して、記憶させる工程ｆを含む。
【００２３】
また、本発明のより好ましい形態においては、前記工程ｃは、
前記凹部の形状と相似する形状に前記レーザ光の輪郭を整形する工程ｇ、並びに
前記輪郭が整形されたレーザ光を前記ローラの表面に縮小結像させる工程ｈを含む。
【００２４】
また、本発明は、金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工装置であって、
レーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器により出力されたレーザ光を前記ローラの表面の所定位置に照射させるように前記レーザ光を集光する機能を有する加工ヘッドと、
前記ローラを回転させるローラ回転手段と、
前記回転されるローラの位置に応じた信号を出力する回転位置検出手段と、
前記ローラが一回転する毎に前記回転されるローラの表面の同一箇所に前記レーザ光を照射することを複数回繰り返して、前記凹部を形成するように、前記回転位置検出手段の出力信号に基づいて、前記レーザ発振器を制御する制御手段
と、を具備したローラ加工装置である。
【００２５】
本発明の好ましい形態においては、前記検出されたローラの絶対位置に基づいて、前記ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生するパルス信号発生手段と、
前記ローラの表面に前記凹部を形成するピッチに応じて、前記ローラが一回転する間に発生される前記パルス信号の数を設定するパルス数設定手段
と、を更に備え、
前記制御手段は、前記パルス数を計数して、その数が前記ピッチに相当する数に達する毎に前記ローラの表面に前記レーザ光を照射するように前記レーザ発振器を制御する。
【００２６】
本発明の他の好ましい形態においては、前記ローラの材質が、超硬合金、粉末ハイス鋼、または鍛鋼である。
【００２７】
本発明の他の好ましい形態においては、前記レーザ光の波長が２６６ｎｍ〜６００ｎｍである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、金属材料からなる部材を加圧してその部材の表面に微細な突起を形成するための加工具である、極めて硬い金属材料からなるローラの表面に、上記突起と対応する所望形状の微細な凹部を形成することが可能となる。
【００２９】
また、本発明によれば、回転されるローラの表面の同一箇所に、ローラが一回転する毎にレーザ光を照射することを複数回繰り返して所望形状の凹部を形成する場合に、凹部が形成されるピッチをきめ細かく調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明は、金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工方法に関する。本方法は、ローラを周方向に回転させる工程ａ、ローラの回転位置を検出する工程ｂ、並びにローラが一回転する毎にレーザ光をローラの表面の同一箇所に照射することを複数回繰り返して、ローラの表面に凹部を形成する工程ｃを含む。
【００３１】
また、本発明は、金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工装置に関する。本装置は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、レーザ発振器により出力されたレーザ光をローラの表面の所定位置に照射させるようにレーザ光を集光する機能を有する加工ヘッドと、ローラを回転させるローラ回転手段と、回転されるローラの位置に応じた信号を出力する回転位置検出手段と、ローラが一回転する毎に、回転されるローラの表面の同一箇所にレーザ光を照射することを複数回繰り返して、凹部を形成するように、回転位置検出手段の出力信号に基づいて、レーザ発振器を制御する制御手段と、を具備している。
【００３２】
上記構成を有する本発明は、レーザ光の連続した一回の照射により凹部を形成するのではなく、ローラが一回転する毎に同一箇所にレーザ光を照射することを複数回繰り返して凹部が形成される。このため、レーザ光の一回の照射エネルギが小さくなるとともに、レーザ光がローラの表面に照射されてから次に同一箇所にレーザ光が照射されるまでの間に当該箇所が冷却される。したがって、レーザ光の熱の影響を緩和して、形状が所望形状である微細な凹部をローラ表面に形成することが可能となる。
【００３３】
この結果、上記ローラが、例えば集電体などの金属材料からなる部材の表面を加圧して、その部材の表面に多数の突起を形成するためのローラであり、その材質が、超硬合金、粉末ハイス鋼、又は鍛鋼のような極めて硬い金属である場合にも、そのようなローラの表面に上記突起と対応する所望形状の凹部を形成することが可能となる。例えば、深さが５〜５０μｍであり、且つ開口部および底面が略菱形の微細な凹部を形成することが可能となる。
また、これらの材質のローラの表面にＤＬＣコーティング（DLC：Diamond Like Carbon）、あるいはＴｉＮやＴｉＣＮ等のチタンコーティングからなるＰＶＤコーティング（PVD：Physical Vapor Deposition）が施されている場合にも所望形状の凹部を形成することが可能となる。
【００３４】
詳しく説明するならば、超硬合金、粉末ハイス鋼および鍛鋼といった非常に硬い金属は、融点と沸点との温度差が大きく、レーザ光が照射されても昇華せずに、溶融した状態のままで凹部の中に多くの量が残留する。これに熱膨張の影響が加わると、形成される凹部の形状がレーザ光の輪郭通りの形状とはならず、所望形状の凹部を形成することはできなくなるからである。
【００３５】
また本発明の上記方法においては、検出されたローラの位置に基づいて、ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生する工程ｄ、並びにローラの表面に凹部を形成するピッチに応じて、ローラが一回転する間に発生されるパルス信号の数を設定する工程ｅ、をさらに含む。このような本発明においては、上記工程ｃにおいて、発生されるパルス信号を計数して、その数が上記ピッチに相当する数に達する毎にローラの表面にレーザ光が照射される。
【００３６】
また、本発明の上記装置は、検出されたローラの位置に基づいて、ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生するパルス信号発生手段と、ローラの表面に凹部を形成するピッチに応じて、ローラが一回転する間に発生される上記パルス信号の数を設定するパルス数設定手段と、をさらに備えている。ここで、制御手段は、上記パルス数を計数して、その数が上記ピッチに相当する数に達する毎にローラの表面にレーザ光を照射するようにレーザ発振器を制御する。
【００３７】
このとき、上記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数は、上記ピッチに相当するパルス信号の数により割り切れる数、または割ったときの余りが所定値以下となる数とされるのがよい。
【００３８】
以上の構成により、回転されるローラの表面の同一箇所に、ローラが一回転する毎にレーザ光を照射することを複数回繰り返して、所定ピッチで凹部が形成される。このとき、回転されるローラの位置が検出され、検出されたローラの位置に基づいて、ローラが所定角度回転する毎にパルス信号が発生される。
そして、ローラの表面に凹部を形成するピッチに応じてローラが一回転する間に発生されるパルス信号の数が設定され、発生されたパルス信号の数が上記ピッチに相当する数に達する毎にローラの表面にレーザ光が照射される。これにより、ローラが上記ピッチに対応する角度だけ回転する毎にローラの表面にレーザ光が照射されて、ローラが一回転する毎に同一箇所に複数回に亘ってレーザ光を照射するようにして所定ピッチで凹部が形成される。
【００３９】
ここで、ローラが一回転する間に発生されるパルス信号の数は、ローラの表面に凹部を形成するピッチに応じて設定されるので、様々なピッチで微小な凹部をローラの表面に形成することが可能となる。
より具体的には、ローラの一回転に相当するパルス信号の数を、上記ピッチに相当するパルス信号の数により割り切れる数か、一回転毎の照射位置のずれが許容範囲を超えないように、余りが所定値以下となる数に設定する。これにより、ローラの表面の所定箇所にレーザ光を照射してからローラが一回転した後、同一箇所にレーザ光を照射するときに、照射位置が許容範囲を超えてずれるのを防止することができる。したがって、回転されるローラの表面の同一箇所に、ローラが一回転する毎に正確にレーザ光を照射することが可能となる。
【００４０】
また、本発明の上記方法においては、上記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数の候補を、ローラの径に対応してあらかじめ選定して、記憶させる工程ｆを含むのがよい。
これにより、記憶されたパルス数を呼び出して設定するだけで、径が同じであるローラの表面に様々なピッチで凹部を形成することができる。
【００４１】
また、本発明の好ましい形態においては、上記工程ｃは、凹部の形状と相似する形状にレーザ光の輪郭を整形する工程ｇ、並びに輪郭が整形されたレーザ光をローラの表面に縮小結像させる工程ｈを含む。
【００４２】
これにより、輪郭が凹部の形状と相似する形状とされたレーザ光が縮小結像されてローラの表面に照射されるので、形状がより所望形状に近い微細な凹部を形成することができる。すなわち、上記構成によれば、レーザ光の輪郭を整形するときに比較的大きな形状のままで整形が行われるために、回折等によるレーザ光の拡散を抑えることができるからである。
【００４３】
このようにして輪郭が整形されたレーザ光は、収差を抑えて高精度に集光することが可能であり、ローラの表面に所望形状で結像される。これにより、凹部の形状をより精密に所望形状とすることが可能となる。
【００４４】
以上の結果、円形の凹部は勿論のこと、開口部の長軸径が６〜４０μｍであり、短軸径が３〜２０μｍであり、且つ深さが５〜５０μｍであるような所望形状（例えば菱形）の凹部を上記ローラの表面に形成することができる。
【００４５】
《実施の形態１》
以下、図１〜図４を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るローラ加工装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、同装置のマスク部の機能を示す、マスク部、集光レンズおよびローラの斜視図である。図３は、ローラの表面に形成される凹部の平面図である。図４は、レーザ光の光路におけるビーム径の調整の一例を示すグラフである。
【００４６】
図１のローラ加工装置１は、金属材料からなる図示しない電池用集電体を加圧して、その表面に所定形状の微細な多数の突起を形成するために使用されるローラ２に、上記突起と対応する形状の凹部４１（図３参照）をその表面に形成するための装置である。
より具体的には、ローラ加工装置１は、レーザ光２１を出力するレーザ発振器３と、レーザ光２１を集光してローラ２の表面に照射する加工ヘッド４とを備えている。また、ローラ加工装置１は、ローラ２を回転可能に支持しつつローラ２を周方向に回転駆動するローラ回転装置５を備えている。
【００４７】
レーザ発振器３および加工ヘッド４は２軸アクチュエータ２６により水平面と平行に移動自在に支持されている。２軸アクチュエータ２６およびローラ回転装置５は、石定盤２０の上に載置されている。
また、ローラ加工装置１は、レーザ発振器３がレーザ光２１を出力（以下、出射ともいう）するタイミング等を制御する制御部２４を備えている。
【００４８】
ローラ２は、例えば金属材料からなる電池用集電体の表面に突起を形成するために使用されるものであり、超硬合金、粉末ハイス鋼、または鍛鋼等の非常に硬い金属から作製される（後の実施例参照）。レーザ発振器３は、例えば、ＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）結晶またはＹＶＯ4（イットリウム・バナデート）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レーザまたはＮｄ：ＹＶＯ4レーザ）から構成されている。
【００４９】
ローラ回転装置５は、ローラ２を周方向に回転自在に支持するための心押し台５ａ、ローラ２を回転駆動するためのモータ５ｂ、並びにローラ２の回転位置に応じた信号を出力するエンコーダ５ｃを備えている。エンコーダ５ｃの出力信号は、制御部２４に入力される。
【００５０】
また、レーザ発振器３から加工ヘッド４までのレーザ光２１の光路２２には、レーザ光２１を加工ヘッド４まで導くための複数の反射ミラー８〜１４、アッテネータ７、レーザ光２１のビーム径を調整するビーム径調整器１５、並びにレーザ光の輪郭を所望形状に整形するためのマスク部６が配設されている。光路２２に配設されたこれらの部材は、レーザ発振器３および加工ヘッド４とともに、２軸アクチュエータ２６により水平面と平行に自由に移動される。
【００５１】
アッテネータ７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２１の出力（エネルギ）を制御ないしは調節するものである。
【００５２】
次に、図２を参照してマスク部６を説明する。マスク部６は、ローラ２の表面に形成すべき凹部の形状と相似する形状（例えば菱形）のレーザ光通過孔６ａを備えている。レーザ光通過孔６ａを通過したレーザ光２１は、輪郭が上記形状に整形され、加工ヘッド４の集光レンズ４ａによりローラ２の表面に縮小結像される。
【００５３】
これにより、図３に示すように、平面形状が円形ではなく、例えば長軸径Ｌ１に対する短軸径Ｌ２の比が０．８以下であるような、所望形状の凹部４１をローラ２の表面に形成することができる。ここで、長軸の長さＬ１は例えば６〜４０μｍであり、短軸の長さＬ２は例えば３〜２０μｍである。
【００５４】
このとき、加工ヘッド４によりローラ２の表面に照射されるレーザ光２１のエネルギの９０％以上が上記短軸の長さＬ２よりも小さな径Ｌ３の領域内に照射されるようにするのがよい。これによって、熱膨張の影響を緩和して、より所望形状に近い凹部４１を形成することが可能となる。
【００５５】
次に、ビーム径調整器１５を説明する。ビーム径調整器１５は、マスク部６のレーザ孔通過孔６ａと対応する領域においてエネルギが高くなるようにレーザ光２１のエネルギ分布およびビームの拡がり角を調節するものであり、少なくとも１つのレンズを含んでいる。これにより、エネルギ効率の向上、マスク部６の保護、並びに加工ヘッド４において発生する収差の低減を図ることができる。なお、図１においては、視認性を考慮して、ビーム径調整器１５は１つのみを図示している。しかしながら、実際には、ビーム径調整器１５は光路２２の複数箇所に配置してもよい。
【００５６】
以下、図４を参照しながらビーム径調整器１５等を使用したレーザ光２１のビーム径の調整例を説明する。図示例においては、レーザ光２１は、光路２２においてレーザ発振器３からの距離が約７００ｍｍであるポイントＰ１に配された図示しないシリンドリカルレンズからなるビーム径調整器１５によりｂ軸方向（鉛直方向）のビーム径が拡大されている。次に、上記距離が約９００ｍｍであるポイントＰ２に配された図示しないシリンドリカルレンズからなるビーム径調整器１５によりｂ軸方向のビーム径の拡大が停止されている。
次に、上記距離が約１０００ｍｍであるポイントＰ３に配された図示しないシリンドリカルレンズからなるビーム径調整器１５によりａ軸方向（水平方向）のビーム径が縮小され、上記距離が約１２００ｍｍであるポイントＰ４に配された図示しないシリンドリカルレンズからなるビーム径調整器１５によりａ軸方向のビーム径の縮小が停止されている。
【００５７】
更に、上記距離が約２０００ｍｍであるポイントＰ５に配された図示しない丸レンズからなるビーム径調整器１５によりｂ軸方向のビーム径が縮小されている。これにより、レーザ光２１を、上記距離が約２１００ｍｍであるポイントＰ６に配されたマスク部６のレーザ光通過孔６ａに集光することができる。マスク部６のレーザ光通過孔６ａを通過したレーザ光２１は、輪郭が例えば菱形に整形される。その後、レーザ光２１は、ポイントＰ７に配された加工ヘッド４の集光レンズ４ａにより集光される。これにより、マスク部６により例えば菱形に輪郭が整形されたレーザ光２１が縮小結像されてローラ２の表面に照射される。
なお、ビーム径調整器１５は、レンズに限らず、ＤＯＥ（Diffractive Optical Elements：回折光学素子）、スリット、またはフィルタを使用して構成することが可能である。
【００５８】
次に、制御部２４の制御によりローラ２の表面に凹部４１を形成するときのローラ加工装置１の動作を説明する。
ローラ回転装置５により回転駆動されるローラ２の表面には、一端部（例えば、心押し台５ａ側の端部）から一列ずつ、周方向に所定のピッチで並ぶ凹部４１が形成される。このとき、制御部２４は、２軸アクチュエータ２６を制御して、凹部４１を形成しようとする列に対応する位置に加工ヘッド４を移動させる。そして、ロータリエンコーダ５ｃの出力信号に基づいて、上記ピッチに対応する角度だけローラ２が回転する毎にレーザ光２１をローラ２の表面に照射するようにレーザ発振器３を制御する。このとき、ローラ２の表面に照射されるレーザ光２１のエネルギは、所望の凹部４１を形成するのに必要なエネルギの何分の一かとなっている。
【００５９】
そのようにしてローラ２が一回転すると、制御部２４は、前回にレーザ光２１が照射された箇所と同一の箇所にレーザ光２１を照射するように制御を行う。これを所定回数（例えば、５〜８回）繰り返すことにより、一列の凹部４１が形成される。一列の凹部４１の形成が終了すると、次の列の凹部４１を形成するように、制御部２４は２軸アクチュエータ２６を制御して、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に所定距離だけ移動させる。
【００６０】
ここで、レーザ光２１は、一回当たり１０ｐｓ〜２００ｎｓの間、ローラ２の表面に照射される。これは、照射時間が１０ｐｓ以下であれば熱伝導がほとんど発生せず、一回の照射で原子１層から０．１μｍの厚みまでしか取り除くことができないからである。一方、２００ｎｓ以上であれば、ローラ２の回転によりレーザ光がローラ表面をスイープしてしまい、ミクロンオーダーの凹部の加工において十分な位置精度を達成し得なくなるからである。例えば、ローラ２の直径が１３０ｍｍであり、回転速度が６０ｒｐｍである場合に、照射時間が２００ｎｓ以下とすれば、ローラ２の表面のスイープ量は０．０８μｍ以下に抑えることが可能となる。
【００６１】
また、レーザ発振器３から出射されるレーザ光２１の波長は、１００〜６００ｎｍとするのが好ましく、加工ヘッド４の焦点距離は２０〜２００ｍｍとするのが好ましく、結像倍率は５〜４０倍とするのが好ましい。より好ましくは、焦点距離は約４０ｍｍである。これは、焦点距離が短すぎるとローラ２から発生する加工粉塵が加工ヘッド４の集光レンズ４ａに付着するからである。また、焦点距離が長すぎると集光レンズ４ａのＮＡ（開口数）が低下することから結像ができなくなるからである。また、結像倍率は、１６倍程度とするのがよい。
【００６２】
また、より好ましくは、レーザ光２１の波長は、２６６〜６００ｎｍである。これは、レーザ光２１の波長が、６００ｎｍを超えると回折が大きくなり精度が悪化するからである。また、レーザ光２１の波長が２６６ｎｍ未満の場合はパワーが不足するからである。この場合、Ｎｄ：ＹＡＧレーザであれば、非線形光学結晶を用いて高調波を発生させるタイプのものをレーザ発振器３として適用し、波長が５３２ｎｍの緑色の光、または波長が３５５ｎｍの紫外線を出力させるようにすればよい。
【００６３】
また、上記加工ヘッド４の集光レンズ４ａのＮＡ、およびレーザ光２１の波長にもよるが、マスク部６のレーザ通過孔６ａは、レーザ光２１の回折による拡散を避けるために、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。これは、レーザ光２１の波長が２００ｎｍ程度の場合である。しかしながら、例えば加工ヘッド４の集光レンズのＮＡが０．３であり、レーザ光２１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。
【００６４】
以下に、上記実施の形態１に係る本発明の実施例および比較例を示す。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００６５】
《実施例１》
凹部４１を形成するローラ２として、冨士ダイス（株）製のＷ-Ｃｏ超硬合金ローラを用いた。そのローラ２の幅は１００ｍｍ、直径は５０ｍｍであった。このローラ２をローラ加工装置１のローラ回転装置５に設置し、回転数１１ｒｐｍで回転させた。
凹部の目的とする形状は短軸径１１μｍ、長軸径２２μｍの菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａとして短軸径１５０μｍ、長軸径３００μｍの菱形の開口を放電加工により形成した、金メッキをステンレス鋼板に施したものとし、結像比が１６：１となる光路上の位置に配した。
【００６６】
レーザ発振器３として、スペクトラ・フィジックス（株）製Ｎｄ：ＹＡＧ第２高調波のレーザ（波長５３２ｎｍ、パルス幅約５０ｎｓ）を用い、ローラ表面におけるピッチが２９．１μｍとなるタイミングでレーザ発振器３がレーザ光を出射するように制御した。
【００６７】
ビーム径調整器１５によりレーザ光２１を直径１．０ｍｍに整形し、マスク部６のレーザ光通過孔６ａを通過させて、加工ヘッド４によりローラ２の表面に照射した。加工点でのレーザ出力は２５μＪとし、同一箇所に８回照射を繰り返すことにより凹部４１を形成した。また、一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２２μｍだけ移動させて、前列におけると同様にしてローラ２の表面に凹部４１を形成した。このようにして、ローラ２の表面に９０ｍｍの幅だけ凹部４１を形成した。このとき、形成される凹部４１のローラ２の周方向における位置が、隣り合う列の間で互いに周方向にずれるように、レーザ光２１の出射タイミングを調節した。これにより、ローラ２の表面に、斜め格子状ないしは千鳥配置となるように凹部４１を形成した。
【００６８】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１１μｍ、長軸径２２μｍの菱形で、深さが１０μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【００６９】
《実施例２》
凹部４１を形成するローラ２として、日立金属（株）製の粉末ハイスローラを用いた。このローラ２をローラ加工装置１のローラ回転装置５に設置し、回転数２２ｒｐｍで回転させた。凹部４１の目的とする形状は短軸径が７μｍ、長軸径が２４μｍである菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａを短軸径が１５０μｍ、長軸径が４００μｍの菱形とした。
【００７０】
加工点でのレーザ出力は１８μＪとし、同一箇所に５回照射を繰り返すことにより凹部４１を形成した。一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２５μｍだけ移動させた。以上記載したこと以外は実施例１と同じ条件で、実施例１と同様にしてローラ２の表面に凹部４１を形成した。
【００７１】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径が７μｍ、長軸径が２４μｍの菱形で、深さが１２μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【００７２】
《実施例３》
凹部４１を形成するローラ２として、大同マシナリー（株）製の鍛鋼ローラを用いた。このローラ２をローラ加工装置１のローラ回転装置５に設置し、回転数２２ｒｐｍで回転させた。凹部の目的とする形状は短軸径が７μｍ、長軸径が２５μｍである菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａを短軸径が１００μｍ、長軸径が４００μｍである菱形とした。
【００７３】
加工点でのレーザ出力は１８Ｊとし、同一箇所に５回照射を繰り返すことにより凹部４１を形成した。一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２５μｍだけ移動させた。以上記載したこと以外は実施例１と同じ条件で、実施例１と同様にしてローラ２の表面に凹部４１を形成した。
【００７４】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１０μｍ、長軸径２５μｍの菱形で、深さが１２μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【００７５】
《比較例１》
凹部４１を形成するローラ２として、大同マシナリー（株）製の鍛鋼ローラを用いた。このローラ２をローラ加工装置１のローラ回転装置５に設置した。凹部の目的とする形状は短軸径が７μｍ、長軸径が２５μｍである菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａを短軸径が１００μｍ、長軸径が４００μｍである菱形とした。
【００７６】
レーザ発振器３として、スペクトラ・フィジックス（株）製Ｎｄ：ＹＡＧ第２高調波のレーザ（波長５３２ｎｍ、パルス幅約５０ｎｓ）を用い、ローラ２を停止させて２ｋＨｚで５回同じ位置にレーザ光２１の重ね打ちを行ったあとに、ローラ２を回転させ、レーザ光の照射点が２９μｍ移動した箇所で再度ローラを停止させ、２ｋＨｚで５回同じ位置にレーザ光の重ね打ちを行う、という手順を繰り返して、２９μｍピッチで凹部を形成した。加工点でのレーザ出力は１８μＪとした。また、一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２５μｍだけ移動させて、前列におけると同様にしてローラ２の表面に凹部４１を形成した。以上記載したこと以外は実施例１と同じ条件で、ローラ２の表面に凹部４１を形成した。
【００７７】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１４μｍ、長軸径２２μｍの菱形であり、深さは１１μｍであった。この結果は、上記目的とした７×２５μｍの菱形形状に対して、短軸径が約７μｍ大きくなっており、上記目的とした形状とは大きく異なっていた。
【００７８】
《実施の形態２》
次に、本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態２は実施の形態１を改変したものであり、以下、その異なる部分を主に説明する。
図５に、実施の形態２に係るローラ加工装置の概略構成を示す。
【００７９】
ローラ加工装置１Ａは、実施の形態１のローラ加工装置１に、パルス変換器２５を付加したものである。また、エンコーダ５ｃは、ローラ２の絶対位置に応じた信号を出力するアブソリュート形ロータリエンコーダを使用して構成されている。このエンコーダ５ｃの出力信号は、パルス変換器２５を介して制御部２４に入力される。
【００８０】
次に、図６および図７を参照して、エンコーダ５ｃ及びパルス変換器２５を詳細に説明する。アブソリュート形ロータリエンコーダとしてのエンコーダ５ｃは、ローラ２の回転の絶対位置に応じた所定ビット（図示例では１７ビット）の信号（例えばグレイコード）を出力するものである。これにより基準位置からの信号数をカウントすることなしにローラ２の回転の絶対位置を検出することが可能である。
【００８１】
パルス変換器２５は、パルス信号生成部２５ａとパルス数設定部２５ｂとを含んでいる。パルス信号生成部２５ａは、エンコーダ５ｃの出力信号から同一の周期及びパルス幅を有し且つ位相の異なる２つのパルス信号（Ａ相信号およびＢ相信号、図９Ａおよび図９Ｂ参照）を生成する。パルス数設定部２５ｂは、ローラ２の一回転に相当する上記２つのパルス信号のそれぞれの数を、ローラ２の表面に凹部を形成するピッチに応じて設定する。なお、図６では、パルス信号生成部２５ａとパルス数設定部２５ｂとは分離して配置されているが、パルス信号生成部２５ａおよびパルス数設定部２５ｂは、１つの基板上にパルス信号生成部２５ａとして機能するチップとパルス数設定部２５ｂとして機能するチップとを設けるようにして構成してもよい。
【００８２】
以下、本発明の理解を容易とするために、具体的な数値を例示して、実施の形態２における制御の手順を説明する。ここでは、径が１２５ｍｍであるローラ２の表面に凹部４１を形成するものとしている。なお、これらの数値は説明の便宜のために定めた単なる例にすぎない。
【００８３】
（１）パルス変換器２５がエンコーダ５ｃの出力信号から生成するＡ相信号及びＢ相信号のローラ２の一回転あたりのパルス数を予め設定する。例えばエンコーダ５ｃの出力信号が１７ビットである場合、ローラ２が一回転する間のパルス数は１３１０７２である。オペレータ（操作者）は、ローラ２の径（１２５ｍｍ）を考慮して、この１３１０７２パルスの信号から、ローラ２の一回転あたりのパルス数が例えば２４００、２５００、…、３９００の１００毎の１６通りのパルス数のＡ相信号及びＢ相信号がそれぞれ生成されように、パルス変換器２５に予め設定を行う。パルス変換器２５は、これら予め設定された１６通りのパルス数の信号の中で、さらにオペレータにより指定されたパルス数のＡ相信号及びＢ相信号をそれぞれ生成して出力する。
【００８４】
（２）設定されたパルス数のＡ相信号及びＢ相信号を４逓倍したときのパルス数を計算する。これにより、９６００（＝２４００×４）、１００００（＝２５００×４）、…、１５６００（＝３９００×４）の４００毎の１６通りの４逓倍されたパルス数が導かれる。
【００８５】
（３）凹部４１を所望ピッチで形成するときのローラ２の一回転あたりの孔数を計算する。例えば直径１２５ｍｍのローラ２の表面に、２８μｍ、２９μｍ、３０μｍ、３１μｍの各ピッチで凹部４１を形成する場合、一回転あたりの孔数はそれぞれ１４０２５（≒１２５×π÷０．０２８）、１３５４１（≒１２５×π÷０．０２９）、１３０９０（≒１２５×π÷０．０３０）、１２６６８（≒１２５×π÷０．０３１）となる。
（４）上記手順３の計算結果に最も近いパルス数のものを、上記手順２の４逓倍されたパルス数の中から選択する。例えば２８μｍピッチであれば１４０００（＝３５００×４）パルスが選択され、２９μｍピッチであれば１３６００（＝３４００×４）パルスが選択され、３０μｍピッチであれば１３２００（＝３３００×４）パルスが選択され、３１μｍピッチであれば１２８００（＝３２００×４）パルスが選択される。
【００８６】
（５）上記手順１で設定されたパルス数の中から、上記手順４で選択された４逓倍のパルス数に対応するＡ相信号およびＢ相信号のパルス数を指定する。例えば２８μｍピッチであれば３５００（＝１４０００÷４）パルスが指定され、２９μｍピッチであれば３４００（＝１３６００÷４）パルスが指定され、３０μｍピッチであれば３３００（＝１３２００÷４）パルスが指定され、３１μｍピッチであれば３２００（＝１２８００÷４）パルスが指定される。このとき、ローラ２の径が１２５ｍｍであれば、実際のピッチはそれぞれ２８．０５（≒１２５×π÷１４０００）μｍ（誤差０．０５μｍ）、２８．８７（≒１２５×π÷１３６００）μｍ（誤差０．１３μｍ）、２９．７５（≒１２５×π÷１３２００）μｍ（誤差０．２５μｍ）、３０．７０（≒１２５×π÷１２８００）μｍ（誤差０．３０μｍ）となる。
【００８７】
以上のように、径が１２５ｍｍであるローラ２に対して、ローラ２が一回転する間にパルス変換器２５ａがエンコーダ５ｃの出力信号に基づき発生する信号のパルス数を、２４００〜３９００の１００毎の１６通りに設定すれば、小さな誤差で、２４〜３９μｍピッチの１μｍ毎の１６通りのピッチで凹部４１をローラ２の表面に形成することができる。上記例で、ローラ２の径が変われば設定パルス数の設定の間隔（上記例では１００毎）を調整して対応することができる。また、上記範囲以外のピッチ（例えば２０μｍピッチや４２μｍピッチ）で凹部を形成する必要がある場合には、設定パルス数の範囲（上記例では２４００〜３９００）を変えればよい。
【００８８】
以下、参考のために、従来技術によりローラ２の表面に所定のピッチで凹部４１を形成する場合を説明する。図８に示すエンコーダ（ここでは、インクリメンタル形ロータリエンコーダ）５１は、カップリング５２を介してローラ５０と接続されている。
このエンコーダ５１は、ローラ５０の回転により図９Ａおよび図９Ｂに示すようなパルス信号からなるＡ相信号及びＢ相信号を出力する。ここで、ローラ５０が一回転する間のＡ相信号及びＢ相信号のパルス数がそれぞれ８１０００であるものとすれば、図９Ｃに示すように、Ａ相信号及びＢ相信号を４逓倍したときの信号数は３２４０００となる。
【００８９】
図９Ｄに示すように、上記４逓倍した信号を６０個カウントする毎にオン・オフを繰り返す信号を生成し、信号がオン・オフする毎にレーザ光２１を照射するものとすれば、直径５０ｍｍのローラ５０であれば５４００（＝３２４０００÷６０）個の凹部４１が約２９．１（≒５００００（５０ｍｍ）×π÷５４００）μｍピッチでローラ５０の表面に形成される。
【００９０】
この方法により例えば２８μｍピッチで凹部を形成する場合、４逓倍した信号を５８個カウントする毎にオン・オフを繰り返す信号を生成し、信号がオン・オフする毎にレーザ光２１を照射するものとすればよい。ところが、上記ローラ５０の一回転あたりの信号数である３２４０００を５８で割ると約５５８６．２（割り算の余りは１２）となる。このように、割り切れずに「１２」の余りが生じるために、この例ではローラ５０の一回転あたり１２カウント分である約６μｍもの大きなずれが生じてしまう。したがって、ローラ２が一回転する毎にローラ２の表面の同一箇所にレーザ光を照射することはできなくなる。
【００９１】
したがって、上記ローラ５０の一回転あたりの信号数（３２４０００）を割り切れるか、もしくは割り切れなくとも余りの小さいカウント数に対応するピッチでのみしか凹部を形成することはできない。この例でいえば、２６μｍ、２９μｍ、３２μｍといった３μｍ毎のピッチでのみ凹部４１を形成することが可能である。したがって、２７μｍピッチや２８μｍピッチで凹部を形成するためには、一回転あたりの出力信号数が異なる別のロータリエンコーダを使用する必要がある。
この点、本発明によれば、１つのロータリエンコーダにより自由にピッチを選定して、ローラ２の表面に凹部を形成することができる。
【００９２】
以下に、実施の形態２に係る本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００９３】
《実施例４》
凹部４１を形成するローラ２として、冨士ダイス（株）製のＷ-Ｃｏ超硬合金ローラを用いた。そのローラ２の幅は１００ｍｍ、直径は５０ｍｍであった。このローラ２をローラ加工装置１Ａのローラ回転装置５に設置し、回転数１１ｒｐｍで回転させた。
エンコーダ５ｃとして、光学式アブソリュート形ロータリエンコーダを用いた。このエンコーダ５ｃは、回転の絶対位置に応じた１７ビットの信号（例えばグレイコード）を出力するもので、最大回転数は２０００回転／分である。また、データの送信は差動ラインドライバを使用するものである。
【００９４】
パルス変換器２５として、エンコーダ５ｃから出力される１７ビット信号を差動ラインレシーバで受け、位相の異なる２つのパルス信号（Ａ相信号、Ｂ相信号）と、特定の角度位置であることを示すパルス信号（原点信号）を出力するものを用いた。このパルス変換器は、パルス数選択信号をバイナリー式に入力することにより設定パルス数のＡ相信号およびＢ相信号を出力するものである。ここでは、パルス変換器２５に、ローラ一回転に相当するパルス数としてあらかじめ２４００から３９００の１６通りの１００毎のパルスカウントを設定した。
【００９５】
凹部４１の目的とする形状は短軸径が１１μｍ、長軸径が２２μｍである菱形とした。マスク部６は、金メッキを施したステンレス鋼板にレーザ光通過孔６ａとして短軸径１５０μｍ、長軸径３００μｍの菱形の開口を放電加工により形成したものとし、結像比が１６：１となる光路上の位置に配した。
【００９６】
レーザ発振器３として、スペクトラ・フィジックス（株）製Ｎｄ：ＹＡＧ第２高調波のレーザ（波長５３２ｎｍ、パルス幅約５０ｎｓ）を用い、ローラ表面におけるピッチが２９μｍとなるタイミングでレーザ発振器３がレーザ光を出射するように制御した。
ビーム径調整器１５によりレーザ光２１を直径１．０ｍｍに整形し、マスク部６のレーザ光通過孔６ａを通過させて、加工ヘッド４によりローラ２の表面に照射した。加工点でのレーザ出力は２５μＪとし、同一箇所に８回照射を繰り返すことにより凹部４１を形成した。また、一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２２μｍだけ移動させて、前列におけると同様にしてローラ２の表面に凹部４１を形成した。このようにして、ローラ２の表面に９０ｍｍの幅だけ凹部４１を形成した。このとき、形成される凹部４１のローラ２の周方向における位置が、隣り合う列の間で互いに周方向にずれるように、レーザ光２１の射出タイミングを調節した。これにより、ローラ２の表面に、斜め格子状ないしは千鳥配置となるように凹部４１を形成した。
【００９７】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１１μｍ、長軸径２１μｍの菱形で、深さが１０μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【００９８】
《実施例５》
凹部を形成するローラ２として、日立金属（株）製の粉末ハイスローラを用いた。このローラ２をローラ加工装置１Ａのローラ回転装置５に設置し、回転数２２ｒｐｍで回転させた。凹部４１の目的とする形状は短軸径が７μｍ、長軸径が２４μｍである菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａを短軸径が１００μｍ、長軸径が４００μｍである菱形とした。
【００９９】
加工点でのレーザ出力は１８μＪとし、同一箇所に５回照射を繰り返すことにより凹部４１を形成した。一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２５μｍだけ移動させた。
【０１００】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１０μｍ、長軸径２１μｍの菱形で、深さが１２μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【０１０１】
《実施例６》
凹部４１を形成するローラ２として、大同マシナリー（株）製の鍛鋼ローラを用いた。このローラ２をローラ加工装置１Ａのローラ回転装置５に設置し、回転数２２ｒｐｍで回転させた。凹部４１の目的とする形状は短軸径が７μｍ、長軸径が２５μｍである菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａを短軸径が１００μｍ、長軸径が４００μｍである菱形とした。加工点でのレーザ出力は１８μＪとし、同一箇所に５回照射を繰り返した。一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２５μｍだけ移動させた。
【０１０２】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１０μｍ、長軸径２４μｍの菱形で、深さが１１μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【０１０３】
以上、本発明を実施形態及び実施例により説明したが、本発明はこれに限らず種々改変が可能である。例えば、レーザ光の照射を繰り返す回数は、５〜８回に限らず加工速度と加工精度がバランスする範囲で適宜増減してもよい。
【０１０４】
また、気体または液体をローラ２の表面に吹き付けるブロー装置をローラ２の周囲に配設し、レーザ光２１をローラ２表面に照射してから、次に同一箇所にレーザ光２１を照射するまでの間に当該箇所に上記気体または液体を吹き付けるようにしてもよい。これにより、ローラ２表面のレーザ光２１の照射箇所から塵を取り除くことができる。また、ローラ２の表面を冷却することができ、更に精度の良い所望形状の凹部を形成することが可能となる。
【０１０５】
ローラ２の表面に吹き付ける気体としては、例えば圧縮空気などであっても徐塵、冷却の効果があるが、好ましくは窒素、アルゴンなど不活性の気体を用いると、加工時の酸化反応を抑え、酸化熱による加工形状の悪化を低減させることができる。
また、液体としては、液体窒素など、常温で瞬時に揮発する液体をレーザ照射箇所の周辺に吹き付けることが好ましい。これにより、冷却効果を高めながらも加工面を乾燥状態に保つことができ、レーザ光の結像が阻害されない。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明によるローラ加工装置、及びローラ加工方法によれば、金属部材を加圧してその表面に突起を形成するために使用するローラの表面に、所望形状の微細な凹部を形成できる。したがって、主に電池の集電体を製造するために使用されるローラの加工に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の実施の形態１に係るローラ加工装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】同装置のマスク部の機能を示す、マスク部、集光レンズおよびローラの斜視図である。
【図３】ローラの表面に形成される凹部の平面図である。
【図４】レーザ光のビーム径の調整の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態２に係るローラ加工装置の概略構成を示す斜視図である。
【図６】図５の装置のエンコーダおよびパルス変換器の斜視図である。
【図７】エンコーダの出力信号を示すグラフである。
【図８】一般的なインクリメンタル形ロータリエンコーダをローラに接続した状態を示す斜視図である。
【図９Ａ】インクリメンタル形ロータリエンコーダの出力信号のＡ送信号を示すグラフである。
【図９Ｂ】インクリメンタル形ロータリエンコーダの出力信号のＢ送信号を示すグラフである。
【図９Ｃ】インクリメンタル形ロータリエンコーダの出力信号を４逓倍した信号を示すグラフである。
【図９Ｄ】上記４逓倍した信号を６０カウントするごとにオン・オフする信号を示すグラフである。
【図１０Ａ】従来のローラ加工方法により形成された凹部の平面図である。
【図１０Ｂ】同凹部の斜視図である。
【図１１】従来の別のローラ加工方法により形成された凹部の斜視図である。
【図１２】従来のローラ加工方法により凹部を形成する場合の問題点を説明するために参照する、ローラの斜視図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１ ローラ加工装置
２ ローラ
３ レーザ発振器
４ 加工ヘッド
５ ローラ回転装置
５ｃ エンコーダ
６ マスク部
６ａ レーザ通過孔
１５ ビーム径調整器
２１ レーザ光
２４ 制御部
２５ パルス変換器
２５ａ パルス生成部
２５ｂ パルス数設定部
４１ 凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ローラ加工方法、およびローラ加工装置に関する。より詳しくは、例えば表面に所定形状の突起を形成するように電池用集電体の素材である金属箔の表面に所定形状の突起を形成するためのローラを加工する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話などのポータブル機器の普及に伴い、その電源としての電池の需要が増大している。上記のような用途に用いられる電池には高いエネルギ密度と優れたサイクル特性が要求される。
【０００３】
このような要求に対応するために、正極および負極のそれぞれに関して、高容量の活物質を得るための技術が新たに開発されている。例えば、負極の活物質については高い容量が得られるケイ素またはスズを含む合金や酸化物を用いることにより上記要求に対応しようとしている。ここで問題となるのは、負極における極板の変形である。つまり、充放電時にはリチウムイオンが挿入および脱離を繰り返すことで、活物質が大きく膨張および収縮を繰り返す。このため、極板が大きく歪み、極板にうねりが生じる。その結果、極板とセパレータとの間に空間が生じ、充放電反応が不均一化し、充放電サイクル特性が低下する。
【０００４】
このような問題に関して、例えば特許文献１には、集電体の変形を抑えるための技術が提案されている。ここでは、集電体の表面に凹凸を形成するとともに、活物質からなる薄膜を、集電体の表面の各突起の上に活物質を堆積するようにして形成する。このとき、各突起の上に堆積された活物質の塊同士の間に、集電体の表面に向かうにつれて幅が広くなる空隙を形成するものとしている。
【０００５】
発明者等は、上述の提案を踏まえて鋭意検討を重ね、その結果、集電体の表面に理想的には、頂点が菱形の微細な多数の突起を等間隔に配置すれば、上記特許文献１に示されるような活物質からなる薄膜を形成できるとの結論に達した。集電体の表面にそのような突起を形成するためには、上記突起と対応する形状の凹部をローラ等の加圧具の表面に等間隔に形成し、これにより集電体を加圧する方法が考えられる。そして、このような凹部をローラの表面に形成するには、レーザ加工によるのが加工速度などの点で好ましい。
【０００６】
以上の点に関連した従来技術として、特許文献２記載の平板印刷版用支持体の製造方法がある。ここでは、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、アルミニウム板を用いる平板印刷版用支持体をプレスする転写ローラの表面にレーザを照射して、凹部６１を形成している。そして、このときに発生する溶解成分の盛り上がりを利用して、凸部６２を形成している。
また、下記特許文献３には、充放電に伴う集電体の皺の発生を防止して、体積変化を低減させるための技術が提案されている。具体的には、リチウムと合金化しない金属から形成された集電体と、集電体の表面に形成され、リチウムと合金化する元素を含む薄膜とを備えた薄膜電極において、上記集電体に凹凸を備えさせるとともに、集電体の実効厚みを、１５μｍ〜３００μｍとしている。
【０００７】
また、特許文献４には、図１１に示すように、セラミック或いは金属炭化物からなる液体転写用シリンダ状物品の表面に複数の離間したレーザ彫刻セル６３を形成する場合に、２つ以上のあい続く離間したパルス群を用いて１つのセルを形成する方法が示されている。
また、特許文献５には、セラミック材料からなる液体転写アーティクルの表面に、２つに分離したレーザービームのそれぞれを順次照射するようにして、セルを形成する方法が示されている。
【０００８】
また、特許文献６には、ローラ表面にパルスレーザを照射してローラ表面の照射スポットを溶融又は蒸散させることにより、そのローラの表面に凸凹パターンを形成する方法が示されている。ここでは、照射スポットをポリゴンミラーで走査させて凸凹パターンを形成している。
また、特許文献７には、表面が感光性樹脂硬化物で覆われている円筒状の樹脂製印刷基材の表面に、平均出力が０．０１〜５Ｗ、１パルスあたりのエネルギ量が１０〜５０Ｊ、ビーム径が０．４〜１５μｍのレーザを照射することにより、幅が０．４〜２０μｍ、深さが１〜１００μｍの微細な凹パターンを形成する方法が示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３１３３１９号公報
【特許文献２】特許第３０１０４０３号公報（特開平６−１７１２６１号公報）
【特許文献３】特開２００５−３８７９７号公報
【特許文献４】特許第２７２７２６４号公報（特開平４−２３１１８６号公報）
【特許文献５】特開２００１−１９１１８５号公報
【特許文献６】特開２００４−３５１４４３号公報
【特許文献７】特開２００６−２４８１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで、上記ローラは、金属部材を加圧して表面に突起を形成するものであるために、材質は、極めて硬い金属とする必要がある。ところが、このような材質のローラの表面に、レーザ加工により凹部を形成する場合には、レーザ光の照射による熱膨張等を原因として、形成される凹部の平面視形状が底に向かうほどに所望形状（例えば、菱形）から遠ざかるといった問題がある。
【００１１】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、レーザ光の照射による熱の影響を可能な限り排除して、所望形状の微細な凹部をローラ表面に形成することができるローラ加工方法、およびローラ加工装置を提供することを第１の目的としている。
【００１２】
また、上記課題を解決するためには、レーザ加工により凹部を形成するときの温度上昇を抑える必要がある。このためには、所望の深さの凹部を得るのに必要とされるレーザ光の照射を、複数回に分けて、所定の間隔をおいて実行することが有効である。本発明はその技術思想を実用化するための方法および装置に向けられている。
【００１３】
ところが、例えば電池用集電体の素材である金属箔に上述したような突起を形成するために、その加工具であるローラの表面に凹部を形成する場合には、μｍオーダーの凹部をそのオーダーのピッチで配置する必要がある。そして、そのような加工を比較的短時間のうちに完了するためには、ローラを回転させながら、その表面にレーザ光を上記ピッチに対応するタイミングで断続的に照射するようにして、ローラの表面の同一箇所に、ローラが一回転する毎にレーザ光を照射することを複数回繰り返す必要がある。
【００１４】
ところが、ローラを回転させながら、その表面の同一箇所にμｍオーダーの精度でレーザ光を照射する場合には以下に説明するような技術的な困難性が存在する。
【００１５】
すなわち、ローラの回転位置を検出するためには通常ロータリエンコーダが用いられる。ローラの表面に所定ピッチで凹部を形成するためには、ロータリエンコーダの出力信号を計数し、計数された信号数が上記ピッチに相当する信号数に達する毎にレーザ光をローラ表面に照射する手順が繰り返される。
ところが、上記ピッチに相当する信号数が、ローラが一回転する間にロータリエンコーダから出力される信号数を割り切れる数ではない場合には、ローラを一回転させたときにローラの表面の同一箇所にレーザ光を照射することはできなくなる。以下にその理由を説明する。
【００１６】
図１２に示すように、ローラ５０表面の周方向に所定ピッチＬＰでｎ個の凹部Ｈ（１）〜Ｈ（ｎ）を形成する場合を考える。この場合に、ローラ５０の一回転に相当するロータリエンコーダの出力信号数が、ピッチＬＰに相当する信号数により割り切れなければ、割り切れない余りの数に対応する信号数の分だけ、ローラが１回転する毎にレーザ光の照射位置にずれ（Ｅ１）が生じる。したがって、前回のレーザ光の照射により形成された窪み（凹部Ｈ（１））に重ねてレーザ光５３を照射しようとしても、長さＥ１ずれた位置に窪み（凹部Ｈ（ｎ＋１））が形成されてしまう。これを複数回繰り返すと、繰り返す毎にレーザ光の照射位置がずれていく。したがって、上記ずれ（Ｅ１）がある程度以上大きい場合には、ローラを回転させながら、その表面の同一箇所にレーザ光を複数回に分けて照射して、所望形状の凹部を形成することはできなくなる。
【００１７】
つまり、上述の方法では、ローラ５０の表面に凹部を形成することができるピッチＬＰは、ロータリエンコーダの一回転の出力信号数により制限されることになる。したがって、様々なピッチでローラの表面に凹部を形成する場合には、一回転の出力信号数が異なる複数のロータリエンコーダを用意し、所望ピッチに応じてロータリエンコーダの取り換え作業を行って、ローラのレーザ加工を行う必要がある。しかしながら、精密な加工を要する装置において、特にエンコーダ等の測定機器の取り換えには調整のために多大の時間を要し、現実的には、上述したような対応は不可能であるといえる。
【００１８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、回転されるローラの表面の同一箇所に、ローラが一回転する毎にレーザ光を照射することを複数回繰り返して、凹部を所定ピッチで形成する場合に、凹部が形成されるピッチをきめ細かく調節することが可能なローラ加工方法、およびローラ加工装置を提供することを第２の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するための本発明は、金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工方法であって、
前記ローラを回転させる工程ａ、
前記回転されるローラの位置を検出する工程ｂ、並びに
前記ローラが一回転する毎にレーザ光を前記ローラの表面の同一箇所に照射することを複数回繰り返して、前記ローラの表面に前記凹部を形成する工程ｃを含むローラ加工方法である。
【００２０】
本発明の好ましい形態においては、前記検出されたローラの絶対位置に基づいて、前記ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生する工程ｄ、並びに
前記ローラの表面に前記凹部を形成するピッチに応じて、前記ローラが一回転する間に発生される前記パルス信号の数を設定する工程ｅ、
をさらに含み、
前記工程ｃにおいては、前記発生されるパルス信号を計数して、その数が前記ピッチに相当する数に達する毎に前記ローラの表面に前記レーザ光を照射する。
【００２１】
本発明のより好ましい形態においては、前記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数が、前記ピッチに相当する前記パルス信号の数により割り切れる数、または割ったときの余りが所定値以下となる数である。
【００２２】
本発明のより好ましい形態は、前記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数の候補を、前記ローラの径に対応してあらかじめ選定して、記憶させる工程ｆを含む。
【００２３】
また、本発明のより好ましい形態においては、前記工程ｃは、
前記凹部の形状と相似する形状に前記レーザ光の輪郭を整形する工程ｇ、並びに
前記輪郭が整形されたレーザ光を前記ローラの表面に縮小結像させる工程ｈを含む。
【００２４】
また、本発明は、金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工装置であって、
レーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器により出力されたレーザ光を前記ローラの表面の所定位置に照射させるように前記レーザ光を集光する機能を有する加工ヘッドと、
前記ローラを回転させるローラ回転手段と、
前記回転されるローラの位置に応じた信号を出力する回転位置検出手段と、
前記ローラが一回転する毎に前記回転されるローラの表面の同一箇所に前記レーザ光を照射することを複数回繰り返して、前記凹部を形成するように、前記回転位置検出手段の出力信号に基づいて、前記レーザ発振器を制御する制御手段
と、を具備したローラ加工装置である。
【００２５】
本発明の好ましい形態においては、前記検出されたローラの絶対位置に基づいて、前記ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生するパルス信号発生手段と、
前記ローラの表面に前記凹部を形成するピッチに応じて、前記ローラが一回転する間に発生される前記パルス信号の数を設定するパルス数設定手段
と、を更に備え、
前記制御手段は、前記パルス数を計数して、その数が前記ピッチに相当する数に達する毎に前記ローラの表面に前記レーザ光を照射するように前記レーザ発振器を制御する。
【００２６】
本発明の他の好ましい形態においては、前記ローラの材質が、超硬合金、粉末ハイス鋼、または鍛鋼である。
【００２７】
本発明の他の好ましい形態においては、前記レーザ光の波長が２６６ｎｍ〜６００ｎｍである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、金属材料からなる部材を加圧してその部材の表面に微細な突起を形成するための加工具である、極めて硬い金属材料からなるローラの表面に、上記突起と対応する所望形状の微細な凹部を形成することが可能となる。
【００２９】
また、本発明によれば、回転されるローラの表面の同一箇所に、ローラが一回転する毎にレーザ光を照射することを複数回繰り返して所望形状の凹部を形成する場合に、凹部が形成されるピッチをきめ細かく調節することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明は、金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工方法に関する。本方法は、ローラを周方向に回転させる工程ａ、ローラの回転位置を検出する工程ｂ、並びにローラが一回転する毎にレーザ光をローラの表面の同一箇所に照射することを複数回繰り返して、ローラの表面に凹部を形成する工程ｃを含む。
【００３１】
また、本発明は、金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工装置に関する。本装置は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、レーザ発振器により出力されたレーザ光をローラの表面の所定位置に照射させるようにレーザ光を集光する機能を有する加工ヘッドと、ローラを回転させるローラ回転手段と、回転されるローラの位置に応じた信号を出力する回転位置検出手段と、ローラが一回転する毎に、回転されるローラの表面の同一箇所にレーザ光を照射することを複数回繰り返して、凹部を形成するように、回転位置検出手段の出力信号に基づいて、レーザ発振器を制御する制御手段と、を具備している。
【００３２】
上記構成を有する本発明は、レーザ光の連続した一回の照射により凹部を形成するのではなく、ローラが一回転する毎に同一箇所にレーザ光を照射することを複数回繰り返して凹部が形成される。このため、レーザ光の一回の照射エネルギが小さくなるとともに、レーザ光がローラの表面に照射されてから次に同一箇所にレーザ光が照射されるまでの間に当該箇所が冷却される。したがって、レーザ光の熱の影響を緩和して、形状が所望形状である微細な凹部をローラ表面に形成することが可能となる。
【００３３】
この結果、上記ローラが、例えば集電体などの金属材料からなる部材の表面を加圧して、その部材の表面に多数の突起を形成するためのローラであり、その材質が、超硬合金、粉末ハイス鋼、又は鍛鋼のような極めて硬い金属である場合にも、そのようなローラの表面に上記突起と対応する所望形状の凹部を形成することが可能となる。例えば、深さが５〜５０μｍであり、且つ開口部および底面が略菱形の微細な凹部を形成することが可能となる。
また、これらの材質のローラの表面にＤＬＣコーティング（DLC：Diamond Like Carbon）、あるいはＴｉＮやＴｉＣＮ等のチタンコーティングからなるＰＶＤコーティング（PVD：Physical Vapor Deposition）が施されている場合にも所望形状の凹部を形成することが可能となる。
【００３４】
詳しく説明するならば、超硬合金、粉末ハイス鋼および鍛鋼といった非常に硬い金属は、融点と沸点との温度差が大きく、レーザ光が照射されても昇華せずに、溶融した状態のままで凹部の中に多くの量が残留する。これに熱膨張の影響が加わると、形成される凹部の形状がレーザ光の輪郭通りの形状とはならず、所望形状の凹部を形成することはできなくなるからである。
【００３５】
また本発明の上記方法においては、検出されたローラの位置に基づいて、ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生する工程ｄ、並びにローラの表面に凹部を形成するピッチに応じて、ローラが一回転する間に発生されるパルス信号の数を設定する工程ｅ、をさらに含む。このような本発明においては、上記工程ｃにおいて、発生されるパルス信号を計数して、その数が上記ピッチに相当する数に達する毎にローラの表面にレーザ光が照射される。
【００３６】
また、本発明の上記装置は、検出されたローラの位置に基づいて、ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生するパルス信号発生手段と、ローラの表面に凹部を形成するピッチに応じて、ローラが一回転する間に発生される上記パルス信号の数を設定するパルス数設定手段と、をさらに備えている。ここで、制御手段は、上記パルス数を計数して、その数が上記ピッチに相当する数に達する毎にローラの表面にレーザ光を照射するようにレーザ発振器を制御する。
【００３７】
このとき、上記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数は、上記ピッチに相当するパルス信号の数により割り切れる数、または割ったときの余りが所定値以下となる数とされるのがよい。
【００３８】
以上の構成により、回転されるローラの表面の同一箇所に、ローラが一回転する毎にレーザ光を照射することを複数回繰り返して、所定ピッチで凹部が形成される。このとき、回転されるローラの位置が検出され、検出されたローラの位置に基づいて、ローラが所定角度回転する毎にパルス信号が発生される。
そして、ローラの表面に凹部を形成するピッチに応じてローラが一回転する間に発生されるパルス信号の数が設定され、発生されたパルス信号の数が上記ピッチに相当する数に達する毎にローラの表面にレーザ光が照射される。これにより、ローラが上記ピッチに対応する角度だけ回転する毎にローラの表面にレーザ光が照射されて、ローラが一回転する毎に同一箇所に複数回に亘ってレーザ光を照射するようにして所定ピッチで凹部が形成される。
【００３９】
ここで、ローラが一回転する間に発生されるパルス信号の数は、ローラの表面に凹部を形成するピッチに応じて設定されるので、様々なピッチで微小な凹部をローラの表面に形成することが可能となる。
より具体的には、ローラの一回転に相当するパルス信号の数を、上記ピッチに相当するパルス信号の数により割り切れる数か、一回転毎の照射位置のずれが許容範囲を超えないように、余りが所定値以下となる数に設定する。これにより、ローラの表面の所定箇所にレーザ光を照射してからローラが一回転した後、同一箇所にレーザ光を照射するときに、照射位置が許容範囲を超えてずれるのを防止することができる。したがって、回転されるローラの表面の同一箇所に、ローラが一回転する毎に正確にレーザ光を照射することが可能となる。
【００４０】
また、本発明の上記方法においては、上記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数の候補を、ローラの径に対応してあらかじめ選定して、記憶させる工程ｆを含むのがよい。
これにより、記憶されたパルス数を呼び出して設定するだけで、径が同じであるローラの表面に様々なピッチで凹部を形成することができる。
【００４１】
また、本発明の好ましい形態においては、上記工程ｃは、凹部の形状と相似する形状にレーザ光の輪郭を整形する工程ｇ、並びに輪郭が整形されたレーザ光をローラの表面に縮小結像させる工程ｈを含む。
【００４２】
これにより、輪郭が凹部の形状と相似する形状とされたレーザ光が縮小結像されてローラの表面に照射されるので、形状がより所望形状に近い微細な凹部を形成することができる。すなわち、上記構成によれば、レーザ光の輪郭を整形するときに比較的大きな形状のままで整形が行われるために、回折等によるレーザ光の拡散を抑えることができるからである。
【００４３】
このようにして輪郭が整形されたレーザ光は、収差を抑えて高精度に集光することが可能であり、ローラの表面に所望形状で結像される。これにより、凹部の形状をより精密に所望形状とすることが可能となる。
【００４４】
以上の結果、円形の凹部は勿論のこと、開口部の長軸径が６〜４０μｍであり、短軸径が３〜２０μｍであり、且つ深さが５〜５０μｍであるような所望形状（例えば菱形）の凹部を上記ローラの表面に形成することができる。
【００４５】
《実施の形態１》
以下、図１〜図４を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係るローラ加工装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、同装置のマスク部の機能を示す、マスク部、集光レンズおよびローラの斜視図である。図３は、ローラの表面に形成される凹部の平面図である。図４は、レーザ光の光路におけるビーム径の調整の一例を示すグラフである。
【００４６】
図１のローラ加工装置１は、金属材料からなる図示しない電池用集電体を加圧して、その表面に所定形状の微細な多数の突起を形成するために使用されるローラ２に、上記突起と対応する形状の凹部４１（図３参照）をその表面に形成するための装置である。
より具体的には、ローラ加工装置１は、レーザ光２１を出力するレーザ発振器３と、レーザ光２１を集光してローラ２の表面に照射する加工ヘッド４とを備えている。また、ローラ加工装置１は、ローラ２を回転可能に支持しつつローラ２を周方向に回転駆動するローラ回転装置５を備えている。
【００４７】
レーザ発振器３および加工ヘッド４は２軸アクチュエータ２６により水平面と平行に移動自在に支持されている。２軸アクチュエータ２６およびローラ回転装置５は、石定盤２０の上に載置されている。
また、ローラ加工装置１は、レーザ発振器３がレーザ光２１を出力（以下、出射ともいう）するタイミング等を制御する制御部２４を備えている。
【００４８】
ローラ２は、例えば金属材料からなる電池用集電体の表面に突起を形成するために使用されるものであり、超硬合金、粉末ハイス鋼、または鍛鋼等の非常に硬い金属から作製される（後の実施例参照）。レーザ発振器３は、例えば、ＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）結晶またはＹＶＯ4（イットリウム・バナデート）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レーザまたはＮｄ：ＹＶＯ4レーザ）から構成されている。
【００４９】
ローラ回転装置５は、ローラ２を周方向に回転自在に支持するための心押し台５ａ、ローラ２を回転駆動するためのモータ５ｂ、並びにローラ２の回転位置に応じた信号を出力するエンコーダ５ｃを備えている。エンコーダ５ｃの出力信号は、制御部２４に入力される。
【００５０】
また、レーザ発振器３から加工ヘッド４までのレーザ光２１の光路２２には、レーザ光２１を加工ヘッド４まで導くための複数の反射ミラー８〜１４、アッテネータ７、レーザ光２１のビーム径を調整するビーム径調整器１５、並びにレーザ光の輪郭を所望形状に整形するためのマスク部６が配設されている。光路２２に配設されたこれらの部材は、レーザ発振器３および加工ヘッド４とともに、２軸アクチュエータ２６により水平面と平行に自由に移動される。
【００５１】
アッテネータ７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２１の出力（エネルギ）を制御ないしは調節するものである。
【００５２】
次に、図２を参照してマスク部６を説明する。マスク部６は、ローラ２の表面に形成すべき凹部の形状と相似する形状（例えば菱形）のレーザ光通過孔６ａを備えている。レーザ光通過孔６ａを通過したレーザ光２１は、輪郭が上記形状に整形され、加工ヘッド４の集光レンズ４ａによりローラ２の表面に縮小結像される。
【００５３】
これにより、図３に示すように、平面形状が円形ではなく、例えば長軸径Ｌ１に対する短軸径Ｌ２の比が０．８以下であるような、所望形状の凹部４１をローラ２の表面に形成することができる。ここで、長軸の長さＬ１は例えば６〜４０μｍであり、短軸の長さＬ２は例えば３〜２０μｍである。
【００５４】
このとき、加工ヘッド４によりローラ２の表面に照射されるレーザ光２１のエネルギの９０％以上が上記短軸の長さＬ２よりも小さな径Ｌ３の領域内に照射されるようにするのがよい。これによって、熱膨張の影響を緩和して、より所望形状に近い凹部４１を形成することが可能となる。
【００５５】
次に、ビーム径調整器１５を説明する。ビーム径調整器１５は、マスク部６のレーザ孔通過孔６ａと対応する領域においてエネルギが高くなるようにレーザ光２１のエネルギ分布およびビームの拡がり角を調節するものであり、少なくとも１つのレンズを含んでいる。これにより、エネルギ効率の向上、マスク部６の保護、並びに加工ヘッド４において発生する収差の低減を図ることができる。なお、図１においては、視認性を考慮して、ビーム径調整器１５は１つのみを図示している。しかしながら、実際には、ビーム径調整器１５は光路２２の複数箇所に配置してもよい。
【００５６】
以下、図４を参照しながらビーム径調整器１５等を使用したレーザ光２１のビーム径の調整例を説明する。図示例においては、レーザ光２１は、光路２２においてレーザ発振器３からの距離が約７００ｍｍであるポイントＰ１に配された図示しないシリンドリカルレンズからなるビーム径調整器１５によりｂ軸方向（鉛直方向）のビーム径が拡大されている。次に、上記距離が約９００ｍｍであるポイントＰ２に配された図示しないシリンドリカルレンズからなるビーム径調整器１５によりｂ軸方向のビーム径の拡大が停止されている。
次に、上記距離が約１０００ｍｍであるポイントＰ３に配された図示しないシリンドリカルレンズからなるビーム径調整器１５によりａ軸方向（水平方向）のビーム径が縮小され、上記距離が約１２００ｍｍであるポイントＰ４に配された図示しないシリンドリカルレンズからなるビーム径調整器１５によりａ軸方向のビーム径の縮小が停止されている。
【００５７】
更に、上記距離が約２０００ｍｍであるポイントＰ５に配された図示しない丸レンズからなるビーム径調整器１５によりｂ軸方向のビーム径が縮小されている。これにより、レーザ光２１を、上記距離が約２１００ｍｍであるポイントＰ６に配されたマスク部６のレーザ光通過孔６ａに集光することができる。マスク部６のレーザ光通過孔６ａを通過したレーザ光２１は、輪郭が例えば菱形に整形される。その後、レーザ光２１は、ポイントＰ７に配された加工ヘッド４の集光レンズ４ａにより集光される。これにより、マスク部６により例えば菱形に輪郭が整形されたレーザ光２１が縮小結像されてローラ２の表面に照射される。
なお、ビーム径調整器１５は、レンズに限らず、ＤＯＥ（Diffractive Optical Elements：回折光学素子）、スリット、またはフィルタを使用して構成することが可能である。
【００５８】
次に、制御部２４の制御によりローラ２の表面に凹部４１を形成するときのローラ加工装置１の動作を説明する。
ローラ回転装置５により回転駆動されるローラ２の表面には、一端部（例えば、心押し台５ａ側の端部）から一列ずつ、周方向に所定のピッチで並ぶ凹部４１が形成される。このとき、制御部２４は、２軸アクチュエータ２６を制御して、凹部４１を形成しようとする列に対応する位置に加工ヘッド４を移動させる。そして、ロータリエンコーダ５ｃの出力信号に基づいて、上記ピッチに対応する角度だけローラ２が回転する毎にレーザ光２１をローラ２の表面に照射するようにレーザ発振器３を制御する。このとき、ローラ２の表面に照射されるレーザ光２１のエネルギは、所望の凹部４１を形成するのに必要なエネルギの何分の一かとなっている。
【００５９】
そのようにしてローラ２が一回転すると、制御部２４は、前回にレーザ光２１が照射された箇所と同一の箇所にレーザ光２１を照射するように制御を行う。これを所定回数（例えば、５〜８回）繰り返すことにより、一列の凹部４１が形成される。一列の凹部４１の形成が終了すると、次の列の凹部４１を形成するように、制御部２４は２軸アクチュエータ２６を制御して、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に所定距離だけ移動させる。
【００６０】
ここで、レーザ光２１は、一回当たり１０ｐｓ〜２００ｎｓの間、ローラ２の表面に照射される。これは、照射時間が１０ｐｓ以下であれば熱伝導がほとんど発生せず、一回の照射で原子１層から０．１μｍの厚みまでしか取り除くことができないからである。一方、２００ｎｓ以上であれば、ローラ２の回転によりレーザ光がローラ表面をスイープしてしまい、ミクロンオーダーの凹部の加工において十分な位置精度を達成し得なくなるからである。例えば、ローラ２の直径が１３０ｍｍであり、回転速度が６０ｒｐｍである場合に、照射時間が２００ｎｓ以下とすれば、ローラ２の表面のスイープ量は０．０８μｍ以下に抑えることが可能となる。
【００６１】
また、レーザ発振器３から出射されるレーザ光２１の波長は、１００〜６００ｎｍとするのが好ましく、加工ヘッド４の焦点距離は２０〜２００ｍｍとするのが好ましく、結像倍率は５〜４０倍とするのが好ましい。より好ましくは、焦点距離は約４０ｍｍである。これは、焦点距離が短すぎるとローラ２から発生する加工粉塵が加工ヘッド４の集光レンズ４ａに付着するからである。また、焦点距離が長すぎると集光レンズ４ａのＮＡ（開口数）が低下することから結像ができなくなるからである。また、結像倍率は、１６倍程度とするのがよい。
【００６２】
また、より好ましくは、レーザ光２１の波長は、２６６〜６００ｎｍである。これは、レーザ光２１の波長が、６００ｎｍを超えると回折が大きくなり精度が悪化するからである。また、レーザ光２１の波長が２６６ｎｍ未満の場合はパワーが不足するからである。この場合、Ｎｄ：ＹＡＧレーザであれば、非線形光学結晶を用いて高調波を発生させるタイプのものをレーザ発振器３として適用し、波長が５３２ｎｍの緑色の光、または波長が３５５ｎｍの紫外線を出力させるようにすればよい。
【００６３】
また、上記加工ヘッド４の集光レンズ４ａのＮＡ、およびレーザ光２１の波長にもよるが、マスク部６のレーザ通過孔６ａは、レーザ光２１の回折による拡散を避けるために、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。これは、レーザ光２１の波長が２００ｎｍ程度の場合である。しかしながら、例えば加工ヘッド４の集光レンズのＮＡが０．３であり、レーザ光２１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。
【００６４】
以下に、上記実施の形態１に係る本発明の実施例および比較例を示す。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００６５】
《実施例１》
凹部４１を形成するローラ２として、冨士ダイス（株）製のＷ-Ｃｏ超硬合金ローラを用いた。そのローラ２の幅は１００ｍｍ、直径は５０ｍｍであった。このローラ２をローラ加工装置１のローラ回転装置５に設置し、回転数１１ｒｐｍで回転させた。
凹部の目的とする形状は短軸径１１μｍ、長軸径２２μｍの菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａとして短軸径１５０μｍ、長軸径３００μｍの菱形の開口を放電加工により形成した、金メッキをステンレス鋼板に施したものとし、結像比が１６：１となる光路上の位置に配した。
【００６６】
レーザ発振器３として、スペクトラ・フィジックス（株）製Ｎｄ：ＹＡＧ第２高調波のレーザ（波長５３２ｎｍ、パルス幅約５０ｎｓ）を用い、ローラ表面におけるピッチが２９．１μｍとなるタイミングでレーザ発振器３がレーザ光を出射するように制御した。
【００６７】
ビーム径調整器１５によりレーザ光２１を直径１．０ｍｍに整形し、マスク部６のレーザ光通過孔６ａを通過させて、加工ヘッド４によりローラ２の表面に照射した。加工点でのレーザ出力は２５μＪとし、同一箇所に８回照射を繰り返すことにより凹部４１を形成した。また、一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２２μｍだけ移動させて、前列におけると同様にしてローラ２の表面に凹部４１を形成した。このようにして、ローラ２の表面に９０ｍｍの幅だけ凹部４１を形成した。このとき、形成される凹部４１のローラ２の周方向における位置が、隣り合う列の間で互いに周方向にずれるように、レーザ光２１の出射タイミングを調節した。これにより、ローラ２の表面に、斜め格子状ないしは千鳥配置となるように凹部４１を形成した。
【００６８】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１１μｍ、長軸径２２μｍの菱形で、深さが１０μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【００６９】
《実施例２》
凹部４１を形成するローラ２として、日立金属（株）製の粉末ハイスローラを用いた。このローラ２をローラ加工装置１のローラ回転装置５に設置し、回転数２２ｒｐｍで回転させた。凹部４１の目的とする形状は短軸径が７μｍ、長軸径が２４μｍである菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａを短軸径が１５０μｍ、長軸径が４００μｍの菱形とした。
【００７０】
加工点でのレーザ出力は１８μＪとし、同一箇所に５回照射を繰り返すことにより凹部４１を形成した。一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２５μｍだけ移動させた。以上記載したこと以外は実施例１と同じ条件で、実施例１と同様にしてローラ２の表面に凹部４１を形成した。
【００７１】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径が７μｍ、長軸径が２４μｍの菱形で、深さが１２μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【００７２】
《実施例３》
凹部４１を形成するローラ２として、大同マシナリー（株）製の鍛鋼ローラを用いた。このローラ２をローラ加工装置１のローラ回転装置５に設置し、回転数２２ｒｐｍで回転させた。凹部の目的とする形状は短軸径が７μｍ、長軸径が２５μｍである菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａを短軸径が１００μｍ、長軸径が４００μｍである菱形とした。
【００７３】
加工点でのレーザ出力は１８Ｊとし、同一箇所に５回照射を繰り返すことにより凹部４１を形成した。一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２５μｍだけ移動させた。以上記載したこと以外は実施例１と同じ条件で、実施例１と同様にしてローラ２の表面に凹部４１を形成した。
【００７４】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１０μｍ、長軸径２５μｍの菱形で、深さが１２μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【００７５】
《比較例１》
凹部４１を形成するローラ２として、大同マシナリー（株）製の鍛鋼ローラを用いた。このローラ２をローラ加工装置１のローラ回転装置５に設置した。凹部の目的とする形状は短軸径が７μｍ、長軸径が２５μｍである菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａを短軸径が１００μｍ、長軸径が４００μｍである菱形とした。
【００７６】
レーザ発振器３として、スペクトラ・フィジックス（株）製Ｎｄ：ＹＡＧ第２高調波のレーザ（波長５３２ｎｍ、パルス幅約５０ｎｓ）を用い、ローラ２を停止させて２ｋＨｚで５回同じ位置にレーザ光２１の重ね打ちを行ったあとに、ローラ２を回転させ、レーザ光の照射点が２９μｍ移動した箇所で再度ローラを停止させ、２ｋＨｚで５回同じ位置にレーザ光の重ね打ちを行う、という手順を繰り返して、２９μｍピッチで凹部を形成した。加工点でのレーザ出力は１８μＪとした。また、一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２５μｍだけ移動させて、前列におけると同様にしてローラ２の表面に凹部４１を形成した。以上記載したこと以外は実施例１と同じ条件で、ローラ２の表面に凹部４１を形成した。
【００７７】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１４μｍ、長軸径２２μｍの菱形であり、深さは１１μｍであった。この結果は、上記目的とした７×２５μｍの菱形形状に対して、短軸径が約７μｍ大きくなっており、上記目的とした形状とは大きく異なっていた。
【００７８】
《実施の形態２》
次に、本発明の実施の形態２を説明する。実施の形態２は実施の形態１を改変したものであり、以下、その異なる部分を主に説明する。
図５に、実施の形態２に係るローラ加工装置の概略構成を示す。
【００７９】
ローラ加工装置１Ａは、実施の形態１のローラ加工装置１に、パルス変換器２５を付加したものである。また、エンコーダ５ｃは、ローラ２の絶対位置に応じた信号を出力するアブソリュート形ロータリエンコーダを使用して構成されている。このエンコーダ５ｃの出力信号は、パルス変換器２５を介して制御部２４に入力される。
【００８０】
次に、図６および図７を参照して、エンコーダ５ｃ及びパルス変換器２５を詳細に説明する。アブソリュート形ロータリエンコーダとしてのエンコーダ５ｃは、ローラ２の回転の絶対位置に応じた所定ビット（図示例では１７ビット）の信号（例えばグレイコード）を出力するものである。これにより基準位置からの信号数をカウントすることなしにローラ２の回転の絶対位置を検出することが可能である。
【００８１】
パルス変換器２５は、パルス信号生成部２５ａとパルス数設定部２５ｂとを含んでいる。パルス信号生成部２５ａは、エンコーダ５ｃの出力信号から同一の周期及びパルス幅を有し且つ位相の異なる２つのパルス信号（Ａ相信号およびＢ相信号、図９Ａおよび図９Ｂ参照）を生成する。パルス数設定部２５ｂは、ローラ２の一回転に相当する上記２つのパルス信号のそれぞれの数を、ローラ２の表面に凹部を形成するピッチに応じて設定する。なお、図６では、パルス信号生成部２５ａとパルス数設定部２５ｂとは分離して配置されているが、パルス信号生成部２５ａおよびパルス数設定部２５ｂは、１つの基板上にパルス信号生成部２５ａとして機能するチップとパルス数設定部２５ｂとして機能するチップとを設けるようにして構成してもよい。
【００８２】
以下、本発明の理解を容易とするために、具体的な数値を例示して、実施の形態２における制御の手順を説明する。ここでは、径が１２５ｍｍであるローラ２の表面に凹部４１を形成するものとしている。なお、これらの数値は説明の便宜のために定めた単なる例にすぎない。
【００８３】
（１）パルス変換器２５がエンコーダ５ｃの出力信号から生成するＡ相信号及びＢ相信号のローラ２の一回転あたりのパルス数を予め設定する。例えばエンコーダ５ｃの出力信号が１７ビットである場合、ローラ２が一回転する間のパルス数は１３１０７２である。オペレータ（操作者）は、ローラ２の径（１２５ｍｍ）を考慮して、この１３１０７２パルスの信号から、ローラ２の一回転あたりのパルス数が例えば２４００、２５００、…、３９００の１００毎の１６通りのパルス数のＡ相信号及びＢ相信号がそれぞれ生成されように、パルス変換器２５に予め設定を行う。パルス変換器２５は、これら予め設定された１６通りのパルス数の信号の中で、さらにオペレータにより指定されたパルス数のＡ相信号及びＢ相信号をそれぞれ生成して出力する。
【００８４】
（２）設定されたパルス数のＡ相信号及びＢ相信号を４逓倍したときのパルス数を計算する。これにより、９６００（＝２４００×４）、１００００（＝２５００×４）、…、１５６００（＝３９００×４）の４００毎の１６通りの４逓倍されたパルス数が導かれる。
【００８５】
（３）凹部４１を所望ピッチで形成するときのローラ２の一回転あたりの孔数を計算する。例えば直径１２５ｍｍのローラ２の表面に、２８μｍ、２９μｍ、３０μｍ、３１μｍの各ピッチで凹部４１を形成する場合、一回転あたりの孔数はそれぞれ１４０２５（≒１２５×π÷０．０２８）、１３５４１（≒１２５×π÷０．０２９）、１３０９０（≒１２５×π÷０．０３０）、１２６６８（≒１２５×π÷０．０３１）となる。
（４）上記手順３の計算結果に最も近いパルス数のものを、上記手順２の４逓倍されたパルス数の中から選択する。例えば２８μｍピッチであれば１４０００（＝３５００×４）パルスが選択され、２９μｍピッチであれば１３６００（＝３４００×４）パルスが選択され、３０μｍピッチであれば１３２００（＝３３００×４）パルスが選択され、３１μｍピッチであれば１２８００（＝３２００×４）パルスが選択される。
【００８６】
（５）上記手順１で設定されたパルス数の中から、上記手順４で選択された４逓倍のパルス数に対応するＡ相信号およびＢ相信号のパルス数を指定する。例えば２８μｍピッチであれば３５００（＝１４０００÷４）パルスが指定され、２９μｍピッチであれば３４００（＝１３６００÷４）パルスが指定され、３０μｍピッチであれば３３００（＝１３２００÷４）パルスが指定され、３１μｍピッチであれば３２００（＝１２８００÷４）パルスが指定される。このとき、ローラ２の径が１２５ｍｍであれば、実際のピッチはそれぞれ２８．０５（≒１２５×π÷１４０００）μｍ（誤差０．０５μｍ）、２８．８７（≒１２５×π÷１３６００）μｍ（誤差０．１３μｍ）、２９．７５（≒１２５×π÷１３２００）μｍ（誤差０．２５μｍ）、３０．７０（≒１２５×π÷１２８００）μｍ（誤差０．３０μｍ）となる。
【００８７】
以上のように、径が１２５ｍｍであるローラ２に対して、ローラ２が一回転する間にパルス変換器２５ａがエンコーダ５ｃの出力信号に基づき発生する信号のパルス数を、２４００〜３９００の１００毎の１６通りに設定すれば、小さな誤差で、２４〜３９μｍピッチの１μｍ毎の１６通りのピッチで凹部４１をローラ２の表面に形成することができる。上記例で、ローラ２の径が変われば設定パルス数の設定の間隔（上記例では１００毎）を調整して対応することができる。また、上記範囲以外のピッチ（例えば２０μｍピッチや４２μｍピッチ）で凹部を形成する必要がある場合には、設定パルス数の範囲（上記例では２４００〜３９００）を変えればよい。
【００８８】
以下、参考のために、従来技術によりローラ２の表面に所定のピッチで凹部４１を形成する場合を説明する。図８に示すエンコーダ（ここでは、インクリメンタル形ロータリエンコーダ）５１は、カップリング５２を介してローラ５０と接続されている。
このエンコーダ５１は、ローラ５０の回転により図９Ａおよび図９Ｂに示すようなパルス信号からなるＡ相信号及びＢ相信号を出力する。ここで、ローラ５０が一回転する間のＡ相信号及びＢ相信号のパルス数がそれぞれ８１０００であるものとすれば、図９Ｃに示すように、Ａ相信号及びＢ相信号を４逓倍したときの信号数は３２４０００となる。
【００８９】
図９Ｄに示すように、上記４逓倍した信号を６０個カウントする毎にオン・オフを繰り返す信号を生成し、信号がオン・オフする毎にレーザ光２１を照射するものとすれば、直径５０ｍｍのローラ５０であれば５４００（＝３２４０００÷６０）個の凹部４１が約２９．１（≒５００００（５０ｍｍ）×π÷５４００）μｍピッチでローラ５０の表面に形成される。
【００９０】
この方法により例えば２８μｍピッチで凹部を形成する場合、４逓倍した信号を５８個カウントする毎にオン・オフを繰り返す信号を生成し、信号がオン・オフする毎にレーザ光２１を照射するものとすればよい。ところが、上記ローラ５０の一回転あたりの信号数である３２４０００を５８で割ると約５５８６．２（割り算の余りは１２）となる。このように、割り切れずに「１２」の余りが生じるために、この例ではローラ５０の一回転あたり１２カウント分である約６μｍもの大きなずれが生じてしまう。したがって、ローラ２が一回転する毎にローラ２の表面の同一箇所にレーザ光を照射することはできなくなる。
【００９１】
したがって、上記ローラ５０の一回転あたりの信号数（３２４０００）を割り切れるか、もしくは割り切れなくとも余りの小さいカウント数に対応するピッチでのみしか凹部を形成することはできない。この例でいえば、２６μｍ、２９μｍ、３２μｍといった３μｍ毎のピッチでのみ凹部４１を形成することが可能である。したがって、２７μｍピッチや２８μｍピッチで凹部を形成するためには、一回転あたりの出力信号数が異なる別のロータリエンコーダを使用する必要がある。
この点、本発明によれば、１つのロータリエンコーダにより自由にピッチを選定して、ローラ２の表面に凹部を形成することができる。
【００９２】
以下に、実施の形態２に係る本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００９３】
《実施例４》
凹部４１を形成するローラ２として、冨士ダイス（株）製のＷ-Ｃｏ超硬合金ローラを用いた。そのローラ２の幅は１００ｍｍ、直径は５０ｍｍであった。このローラ２をローラ加工装置１Ａのローラ回転装置５に設置し、回転数１１ｒｐｍで回転させた。
エンコーダ５ｃとして、光学式アブソリュート形ロータリエンコーダを用いた。このエンコーダ５ｃは、回転の絶対位置に応じた１７ビットの信号（例えばグレイコード）を出力するもので、最大回転数は２０００回転／分である。また、データの送信は差動ラインドライバを使用するものである。
【００９４】
パルス変換器２５として、エンコーダ５ｃから出力される１７ビット信号を差動ラインレシーバで受け、位相の異なる２つのパルス信号（Ａ相信号、Ｂ相信号）と、特定の角度位置であることを示すパルス信号（原点信号）を出力するものを用いた。このパルス変換器は、パルス数選択信号をバイナリー式に入力することにより設定パルス数のＡ相信号およびＢ相信号を出力するものである。ここでは、パルス変換器２５に、ローラ一回転に相当するパルス数としてあらかじめ２４００から３９００の１６通りの１００毎のパルスカウントを設定した。
【００９５】
凹部４１の目的とする形状は短軸径が１１μｍ、長軸径が２２μｍである菱形とした。マスク部６は、金メッキを施したステンレス鋼板にレーザ光通過孔６ａとして短軸径１５０μｍ、長軸径３００μｍの菱形の開口を放電加工により形成したものとし、結像比が１６：１となる光路上の位置に配した。
【００９６】
レーザ発振器３として、スペクトラ・フィジックス（株）製Ｎｄ：ＹＡＧ第２高調波のレーザ（波長５３２ｎｍ、パルス幅約５０ｎｓ）を用い、ローラ表面におけるピッチが２９μｍとなるタイミングでレーザ発振器３がレーザ光を出射するように制御した。
ビーム径調整器１５によりレーザ光２１を直径１．０ｍｍに整形し、マスク部６のレーザ光通過孔６ａを通過させて、加工ヘッド４によりローラ２の表面に照射した。加工点でのレーザ出力は２５μＪとし、同一箇所に８回照射を繰り返すことにより凹部４１を形成した。また、一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２２μｍだけ移動させて、前列におけると同様にしてローラ２の表面に凹部４１を形成した。このようにして、ローラ２の表面に９０ｍｍの幅だけ凹部４１を形成した。このとき、形成される凹部４１のローラ２の周方向における位置が、隣り合う列の間で互いに周方向にずれるように、レーザ光２１の射出タイミングを調節した。これにより、ローラ２の表面に、斜め格子状ないしは千鳥配置となるように凹部４１を形成した。
【００９７】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１１μｍ、長軸径２１μｍの菱形で、深さが１０μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【００９８】
《実施例５》
凹部を形成するローラ２として、日立金属（株）製の粉末ハイスローラを用いた。このローラ２をローラ加工装置１Ａのローラ回転装置５に設置し、回転数２２ｒｐｍで回転させた。凹部４１の目的とする形状は短軸径が７μｍ、長軸径が２４μｍである菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａを短軸径が１００μｍ、長軸径が４００μｍである菱形とした。
【００９９】
加工点でのレーザ出力は１８μＪとし、同一箇所に５回照射を繰り返すことにより凹部４１を形成した。一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２５μｍだけ移動させた。
【０１００】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１０μｍ、長軸径２１μｍの菱形で、深さが１２μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【０１０１】
《実施例６》
凹部４１を形成するローラ２として、大同マシナリー（株）製の鍛鋼ローラを用いた。このローラ２をローラ加工装置１Ａのローラ回転装置５に設置し、回転数２２ｒｐｍで回転させた。凹部４１の目的とする形状は短軸径が７μｍ、長軸径が２５μｍである菱形とした。マスク部６は、レーザ光通過孔６ａを短軸径が１００μｍ、長軸径が４００μｍである菱形とした。加工点でのレーザ出力は１８μＪとし、同一箇所に５回照射を繰り返した。一列分の凹部４１の形成が終了すると、加工ヘッド４をローラ２の軸方向に２５μｍだけ移動させた。
【０１０２】
上記条件で加工したローラ２の表面を顕微鏡で観察した結果、開口部は短軸径１０μｍ、長軸径２４μｍの菱形で、深さが１１μｍであった。このように、本発明によれば、後に示す従来技術による比較例よりも所望形状により近い形状の凹部を形成できることが確認された。
【０１０３】
以上、本発明を実施形態及び実施例により説明したが、本発明はこれに限らず種々改変が可能である。例えば、レーザ光の照射を繰り返す回数は、５〜８回に限らず加工速度と加工精度がバランスする範囲で適宜増減してもよい。
【０１０４】
また、気体または液体をローラ２の表面に吹き付けるブロー装置をローラ２の周囲に配設し、レーザ光２１をローラ２表面に照射してから、次に同一箇所にレーザ光２１を照射するまでの間に当該箇所に上記気体または液体を吹き付けるようにしてもよい。これにより、ローラ２表面のレーザ光２１の照射箇所から塵を取り除くことができる。また、ローラ２の表面を冷却することができ、更に精度の良い所望形状の凹部を形成することが可能となる。
【０１０５】
ローラ２の表面に吹き付ける気体としては、例えば圧縮空気などであっても徐塵、冷却の効果があるが、好ましくは窒素、アルゴンなど不活性の気体を用いると、加工時の酸化反応を抑え、酸化熱による加工形状の悪化を低減させることができる。
また、液体としては、液体窒素など、常温で瞬時に揮発する液体をレーザ照射箇所の周辺に吹き付けることが好ましい。これにより、冷却効果を高めながらも加工面を乾燥状態に保つことができ、レーザ光の結像が阻害されない。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明によるローラ加工装置、及びローラ加工方法によれば、金属部材を加圧してその表面に突起を形成するために使用するローラの表面に、所望形状の微細な凹部を形成できる。したがって、主に電池の集電体を製造するために使用されるローラの加工に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の実施の形態１に係るローラ加工装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】同装置のマスク部の機能を示す、マスク部、集光レンズおよびローラの斜視図である。
【図３】ローラの表面に形成される凹部の平面図である。
【図４】レーザ光のビーム径の調整の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態２に係るローラ加工装置の概略構成を示す斜視図である。
【図６】図５の装置のエンコーダおよびパルス変換器の斜視図である。
【図７】エンコーダの出力信号を示すグラフである。
【図８】一般的なインクリメンタル形ロータリエンコーダをローラに接続した状態を示す斜視図である。
【図９Ａ】インクリメンタル形ロータリエンコーダの出力信号のＡ送信号を示すグラフである。
【図９Ｂ】インクリメンタル形ロータリエンコーダの出力信号のＢ送信号を示すグラフである。
【図９Ｃ】インクリメンタル形ロータリエンコーダの出力信号を４逓倍した信号を示すグラフである。
【図９Ｄ】上記４逓倍した信号を６０カウントするごとにオン・オフする信号を示すグラフである。
【図１０Ａ】従来のローラ加工方法により形成された凹部の平面図である。
【図１０Ｂ】同凹部の斜視図である。
【図１１】従来の別のローラ加工方法により形成された凹部の斜視図である。
【図１２】従来のローラ加工方法により凹部を形成する場合の問題点を説明するために参照する、ローラの斜視図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１ ローラ加工装置
２ ローラ
３ レーザ発振器
４ 加工ヘッド
５ ローラ回転装置
５ｃ エンコーダ
６ マスク部
６ａ レーザ通過孔
１５ ビーム径調整器
２１ レーザ光
２４ 制御部
２５ パルス変換器
２５ａ パルス生成部
２５ｂ パルス数設定部
４１ 凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工方法であって、
前記ローラを回転させる工程ａ、
前記回転されるローラの位置を検出する工程ｂ、並びに
前記ローラが一回転する毎にレーザ光を前記ローラの表面の同一箇所に照射することを複数回繰り返して、前記ローラの表面に前記凹部を形成する工程ｃを含むローラ加工方法。
【請求項２】
前記検出されたローラの位置に基づいて、前記ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生する工程ｄ、並びに
前記ローラの表面に前記凹部を形成するピッチに応じて、前記ローラが一回転する間に発生される前記パルス信号の数を設定する工程ｅ、
をさらに含み、
前記工程ｃにおいては、前記発生されるパルス信号を計数して、その数が前記ピッチに相当する数に達する毎に前記ローラの表面に前記レーザ光を照射する請求項１記載のローラ加工方法。
【請求項３】
前記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数が、前記ピッチに相当する前記パルス信号の数により割り切れる数、または割ったときの余りが所定値以下となる数である請求項２記載のローラ加工方法。
【請求項４】
前記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数の候補を、前記ローラの径に対応してあらかじめ選定して、記憶させる工程ｆを含む請求項２または３記載のローラ加工方法。
【請求項５】
前記工程ｃは、
前記凹部の形状と相似する形状に前記レーザ光の輪郭を整形する工程ｇ、並びに
前記輪郭が整形されたレーザ光を前記ローラの表面に縮小結像させる工程ｈを含む請求項１〜４のいずれかに記載のローラ加工方法。
【請求項６】
金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工装置であって、
レーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器により出力されたレーザ光を前記ローラの表面の所定位置に照射させるように前記レーザ光を集光する機能を有する加工ヘッドと、
前記ローラを回転させるローラ回転手段と、
前記回転されるローラの位置に応じた信号を出力する回転位置検出手段と、
前記ローラが一回転する毎に前記回転されるローラの表面の同一箇所に前記レーザ光を照射することを複数回繰り返して、前記凹部を形成するように、前記回転位置検出手段の出力信号に基づいて、前記レーザ発振器を制御する制御手段
と、を具備したローラ加工装置。
【請求項７】
前記検出されたローラの位置に基づいて、前記ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生するパルス信号発生手段と、
前記ローラの表面に前記凹部を形成するピッチに応じて、前記ローラが一回転する間に発生される前記パルス信号の数を設定するパルス数設定手段
と、を更に備え、
前記制御手段は、前記パルス数を計数して、その数が前記ピッチに相当する数に達する毎に前記ローラの表面に前記レーザ光を照射するように前記レーザ発振器を制御する請求項６記載のローラ加工装置。
【請求項８】
前記ローラの材質が、超硬合金、粉末ハイス鋼、または鍛鋼である請求項６または７記載のローラ加工装置。
【請求項９】
前記レーザ光の波長が２６６ｎｍ〜６００ｎｍである請求項６〜８のいずれかに記載のローラ加工装置。
【請求項１】
金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工方法であって、
前記ローラを回転させる工程ａ、
前記回転されるローラの位置を検出する工程ｂ、並びに
前記ローラが一回転する毎にレーザ光を前記ローラの表面の同一箇所に照射することを複数回繰り返して、前記ローラの表面に前記凹部を形成する工程ｃを含むローラ加工方法。
【請求項２】
前記検出されたローラの位置に基づいて、前記ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生する工程ｄ、並びに
前記ローラの表面に前記凹部を形成するピッチに応じて、前記ローラが一回転する間に発生される前記パルス信号の数を設定する工程ｅ、
をさらに含み、
前記工程ｃにおいては、前記発生されるパルス信号を計数して、その数が前記ピッチに相当する数に達する毎に前記ローラの表面に前記レーザ光を照射する請求項１記載のローラ加工方法。
【請求項３】
前記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数が、前記ピッチに相当する前記パルス信号の数により割り切れる数、または割ったときの余りが所定値以下となる数である請求項２記載のローラ加工方法。
【請求項４】
前記工程ｅにおいて設定されるパルス信号の数の候補を、前記ローラの径に対応してあらかじめ選定して、記憶させる工程ｆを含む請求項２または３記載のローラ加工方法。
【請求項５】
前記工程ｃは、
前記凹部の形状と相似する形状に前記レーザ光の輪郭を整形する工程ｇ、並びに
前記輪郭が整形されたレーザ光を前記ローラの表面に縮小結像させる工程ｈを含む請求項１〜４のいずれかに記載のローラ加工方法。
【請求項６】
金属材料からなるローラの表面に複数の凹部を形成するためのローラ加工装置であって、
レーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器により出力されたレーザ光を前記ローラの表面の所定位置に照射させるように前記レーザ光を集光する機能を有する加工ヘッドと、
前記ローラを回転させるローラ回転手段と、
前記回転されるローラの位置に応じた信号を出力する回転位置検出手段と、
前記ローラが一回転する毎に前記回転されるローラの表面の同一箇所に前記レーザ光を照射することを複数回繰り返して、前記凹部を形成するように、前記回転位置検出手段の出力信号に基づいて、前記レーザ発振器を制御する制御手段
と、を具備したローラ加工装置。
【請求項７】
前記検出されたローラの位置に基づいて、前記ローラが所定角度回転する毎にパルス信号を発生するパルス信号発生手段と、
前記ローラの表面に前記凹部を形成するピッチに応じて、前記ローラが一回転する間に発生される前記パルス信号の数を設定するパルス数設定手段
と、を更に備え、
前記制御手段は、前記パルス数を計数して、その数が前記ピッチに相当する数に達する毎に前記ローラの表面に前記レーザ光を照射するように前記レーザ発振器を制御する請求項６記載のローラ加工装置。
【請求項８】
前記ローラの材質が、超硬合金、粉末ハイス鋼、または鍛鋼である請求項６または７記載のローラ加工装置。
【請求項９】
前記レーザ光の波長が２６６ｎｍ〜６００ｎｍである請求項６〜８のいずれかに記載のローラ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１３１８９６（Ｐ２００９−１３１８９６Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７７１９３（Ｐ２００８−２７７１９３）
【出願日】平成２０年１０月２８日（２００８．１０．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２８日（２００８．１０．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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