辊加工方法以及辊加工装置.pdf

本发明提供一种辊加工方法以及辊加工装置，利用加工头(4)使由激光振荡器(3)输出的激光(21)聚光并使其照射到辊(2)的表面上。编码器(5c)输出与辊(2)的旋转位置对应的信号。控制部(24)根据编码器(5c)的输出信号对激光振荡器(3)进行控制，以便重复进行多次每当辊(2)旋转一周就对辊(2)的表面的同一部位照射激光(21)的作业，从而形成凹部。

1、  一种辊加工方法，用于在由金属材料形成的辊的表面上形成多个凹部，其特征在于，包括；
工序a，使所述辊旋转；
工序b，检测所述旋转的辊的位置；以及
工序c，反复进行多次每当所述辊旋转一周时就对所述辊的表面的同一部位照射激光的作业，从而在所述辊的表面上形成所述凹部。

2、  根据权利要求1所述的辊加工方法，其特征在于，还包括：
工序d，根据所述检测到的辊的位置，每当所述辊旋转预定角度时就产生脉冲信号；以及
工序e，根据在所述辊的表面上形成所述凹部的间距来设定在所述辊旋转一周的期间内产生的所述脉冲信号的数量；
在所述工序c中，对所述产生的脉冲信号进行计数，每当所述脉冲信号的数量达到与所述间距相当的数量时就对所述辊的表面照射所述激光。

3、  根据权利要求2所述的辊加工方法，其特征在于，
在所述工序e中设定的脉冲信号的数量是能够被与所述间距相当的所述脉冲信号的数量整除的数量、或者是被与所述间距相当的所述脉冲信号的数量除时的余数在预定值以下的数量。

4、  根据权利要求2所述的辊加工方法，其特征在于，
所述辊加工方法还包括工序f，在所述工序f中，与所述辊的直径对应地预先选定在所述工序e中设定的脉冲信号的数量的候补并存储起来。

5、  根据权利要求1所述的辊加工方法，其特征在于，
所述工序c包括以下工序：
工序g，将所述激光的轮廓整形成与所述凹部的形状相似的形状；以及
工序h，使所述轮廓被整形后的激光缩小成像在所述辊的表面上。

6、  一种辊加工装置，用于在由金属材料形成的辊的表面上形成多个凹部，其特征在于，包括：
激光振荡器，输出激光；
加工头，具有使所述激光聚光的功能，以使由所述激光振荡器输出的激光照射在所述辊的表面的预定位置；
辊旋转机构，使所述辊旋转；
旋转位置检测机构，输出与所述旋转的辊的位置对应的信号；以及
控制机构，根据所述旋转位置检测机构的输出信号对所述激光振荡器进行控制，以便反复进行多次每当所述辊旋转一周时就对所述旋转的辊的表面的同一部位照射所述激光的作业，从而形成所述凹部。

7、  根据权利要求6所述的辊加工装置，其特征在于，还包括：
脉冲信号产生机构，根据所述检测到的辊的位置，每当所述辊旋转预定角度时就产生脉冲信号；以及
脉冲数设定机构，根据在所述辊的表面上形成所述凹部的间距来设定在所述辊旋转一周的期间内产生的所述脉冲信号的数量；
所述控制机构对所述脉冲数进行计数，并对所述激光振荡器进行控制，以便每当所述脉冲数的数量达到与所述间距相当的数量时就对所述辊的表面照射所述激光。

8、  根据权利要求6所述的辊加工装置，其特征在于，
所述辊的材质是硬质合金、粉末冶金高速钢或者锻钢。

9、  根据权利要求6所述的辊加工装置，其特征在于，
所述激光的波长为266nm～600nm。

辊加工方法以及辊加工装置
技术领域
本发明涉及辊加工方法以及辊加工装置。更详细地说，例如涉及加工如下的辊的方法及装置，该辊在作为电池用集电体的坯材的金属箔的表面上形成预定形状的突起，以使在辊表面上形成有预定形状的突起。
背景技术
近年来，伴随着个人计算机、便携电话等移动设备的普及，作为移动设备的电源的电池的需求增大。在上述用途中使用的电池要求具有高能量密度和优异的循环特性。
为了应对这种要求，关于正极和负极分别新开发了用于获得高容量的活性物质的技术。例如，对于负极的活性物质，通过使用能够获得高容量的含有硅或者锡的合金或氧化物来应对上述要求。此处，问题在于负极的极板的变形。即，在充放电时锂离子反复进入极板和从极板脱离，由此活性物质反复地较大地膨胀和收缩。因此，极板较大地变形，从而在极板上产生弯曲。其结果是，在极板和分离器之间产生空间，充放电反应变得不均匀，充放电循环特性下降。
关于上述问题，例如在专利文献1中提出了用于抑制集电体的变形的技术。在该专利文献1中，在集电体的表面上形成凹凸，并且在集电体的表面的各突起上以堆积活性物质的方式形成由活性物质形成的薄膜。此时，在堆积在各突起上的活性物质的块彼此之间形成有宽度随着朝向集电体的表面而变宽的孔隙。
发明人等立足于上述的方案反复进行了锐意的讨论，结果得出了以下结论：如果在集电体的表面上理想地等间隔地配置多个顶点为菱形的细微的突起，则能够形成如上述专利文献1中所示的由活性物质形成的薄膜。为了在集电体的表面上形成如上所述的突起，考虑在辊等加压工具的表面上等间隔地形成形状与上述突起对应的凹部，并利用该加压工具对集电体进行加压的方法。进而，当在辊的表面上形成如上所述的凹部时，利用激光加工形成上述凹部的方法在加工速度等方面是优选的。
作为与上述方面相关联的现有技术，存在专利文献2所记载的平板印刷版用支承体的制造方法。此处，如图10A和图10B所示，对冲压使用铝板的平板印刷版用支承体的转印辊的表面照射激光从而形成凹部61，进而，利用此时产生的熔化成分的隆起形成凸部62。
并且，在下述专利文献3中提出了用于防止伴随着充放电产生的集电体的褶皱、并减少体积变化的技术。具体而言，在具备由未与锂合金化的金属形成的集电体和形成在集电体的表面上的含有与锂合金化了的元素的薄膜的薄膜电极中，在上述集电体上具备凹凸，并且，集电体的有效厚度为15μm～300μm。
并且，在专利文献4中示出了如下的方法：如图11所示，当在由陶瓷或者金属碳化物形成的液体转印用圆柱状部件的表面上形成多个离开的激光雕刻单元63时，使用两个以上的相互连续且离开的脉冲组形成一个单元。
并且，在专利文献5中示出了如下的方法：在由陶瓷材料形成的液体转印件的表面上分别依次照射两个分离的激光束从而形成单元。
并且，在专利文献6中示出了如下的方法：对辊表面照射脉冲激光从而使辊表面的照射点熔融或者蒸腾，由此在该辊的表面上形成凹凸图案。此处，利用多面反射镜使照射点扫描从而形成凹凸图案。
并且，在专利文献7中示出了如下的方法：对表面由感光性树脂硬化物覆盖的圆筒状的树脂制印刷基体材料的表面照射平均输出为0.01～5W、每个脉冲的能量为10～50J、光束直径为0.4～15μm的激光，由此形成宽度为0.4～20μm、深度为1～100μm的细微的凹图案。
专利文献1：日本特开2002-313319号公报
专利文献2：日本特许第3010403号公报(日本特开平6-171261号公报)
专利文献3：日本特开2005-38797号公报
专利文献4：日本特许第2727264号公报(日本特开平4-231186号公报)
专利文献5：日本特开2001-191185号公报
专利文献6：日本特开2004-351443号公报
专利文献7：日本特开2006-248191号公报
此处，由于上述辊是用于对金属部件进行加压从而在金属部件的表面上形成突起的部件，因此其材质需要是极硬的金属。但是，当通过激光加工在上述材质的辊的表面上形成凹部时，由于通过激光的照射引起的热膨胀等原因，存在所形成的凹部的俯视形状越朝向底部越远离期望形状(例如菱形)的问题。
发明内容
本发明就是鉴于上述问题而做出的，其第一目的在于，提供一种能够尽可能地排除由激光的照射引起的热的影响，从而能够在辊表面上形成期望形状的细微的凹部的辊加工方法以及辊加工装置。
并且，为了解决上述课题，需要抑制通过激光加工形成凹部时的温度上升。为此，将为了得到期望深度的凹部所需的激光的照射分成多次并隔开预定的间隔执行的方法是有效的。本发明就面向于用于将上述技术思想实用化的方法及装置。
然而，例如在为了在作为电池用集电体的坯材的金属箔上形成如上所述的突起，而在作为其加工工具的辊的表面上形成凹部的情况下，需要以μm级别的间距配置μm级别的凹部。进而，为了在比较短的时间内完成上述加工，需要一边使辊旋转，一边在与上述间距对应的时刻断续地对上述表面照射激光，从而反复进行多次每当辊旋转一周就对辊的表面的同一部位照射激光的作业。
然而，在一边使辊旋转一边对其表面的同一部位以μm级别的精度照射激光的情况下，存在以下说明的技术上的困难性。
即，为了检测辊的旋转位置通常使用回转式编码器。为了以预定的间距在辊的表面上形成凹部，反复进行以下步骤：对回转式编码器的输出信号进行计数，并且每当计数的信号数达到与上述间距相当的信号数时就对辊表面照射激光。
然而，在与上述间距相当的信号数不是能够整除在辊旋转一周的期间内从回转式编码器输出的信号数的数量的情况下，无法进行每当辊旋转一周时就对辊的表面上的同一部位照射激光的作业。以下说明理由。
如图12所示，考虑以预定间距LP在辊50的表面的周向形成n个凹部H(1)～H(n)的情况。在该情况下，如果与辊50旋转一周相当的回转式编码器的输出信号数不能被与间距LP相当的信号数整除，则辊每旋转一周激光的照射位置就会产生与未被整除的余数对应的信号数的量的偏移(E1)。因此，即便想要重复对通过上次的激光照射形成的凹陷(凹部H(1))照射激光53，也会在长度偏移了E1的位置形成凹陷(凹部H(n+1))。当反复多次进行上述作业时，每反复一次激光的照射位置都会偏移。因此，在上述偏移(E1)大到某种程度以上的情况下，无法一边使辊旋转一边分多次对辊的表面的同一部位照射激光从而形成期望形状的凹部。
即，在上述的方法中，能够在辊50的表面上形成凹部的间距LP由回转式编码器每旋转一周的输出信号数限制。因此，在以各种各样的间距在辊的表面上形成凹部的情况下，需要准备每旋转一周的输出信号数不同的多个回转式编码器，并根据期望的间距进行更换回转式编码器的作业，以对辊进行激光加工。然而，在需要精密加工的装置中，特别是在更换编码器等测量设备时，为了进行调整需要很多时间，实际上可以说不可能实现上述的对应。
本发明就是鉴于上述问题点而做出的，其第二目的在于，在反复进行多次每当辊旋转一周时就对旋转的辊的表面的同一部位照射激光的作业从而以预定间距形成凹部的情况下，提供一种能够极其细微地调节形成凹部的间距的辊加工方法以及辊加工装置。
用于达成上述目的的本发明是用于在由金属材料形成的辊的表面上形成多个凹部的辊加工方法，所述辊加工方法包含以下工序：工序a，使所述辊旋转；工序b，检测所述旋转的辊的位置；以及工序c，反复进行多次每当所述辊旋转一周时就对所述辊的表面的同一部位照射激光的作业，从而在所述辊的表面上形成所述凹部。
在本发明的优选方式中，辊加工方法还包含以下工序：工序d，根据所述检测到的辊的绝对位置，每当所述辊旋转预定角度时就产生脉冲信号；以及工序e，根据在所述辊的表面上形成所述凹部的间距来设定在所述辊旋转一周的期间内产生的所述脉冲信号的数量，在所述工序c中，对所述产生的脉冲信号进行计数，每当所述脉冲信号的数量达到与所述间距相当的数量时就对所述辊的表面照射所述激光。
在本发明的更加优选的方式中，在所述工序e中设定的脉冲信号的数量是能够被与所述间距相当的所述脉冲信号的数量整除的数量、或者是被与所述间距相当的所述脉冲信号的数量除时的余数在预定值以下的数量。
在本发明的更加优选的方式中，所述辊加工方法还包含工序f，与所述辊的直径对应地预先选定在所述工序e中设定的脉冲信号的数量的候补并存储起来。
并且，在本发明的更加优选的方式中，所述工序c包含以下工序：工序g，将所述激光的轮廓整形成与所述凹部的形状相似的形状；以及工序h，使所述轮廓被整形后的激光缩小成像在所述辊的表面。
并且，本发明提供一种用于在由金属材料形成的辊的表面上形成多个凹部的辊加工装置，所述辊加工装置具备：激光振荡器，输出激光；加工头，具有对所述激光聚光的功能，以使由所述激光振荡器输出的激光照射在所述辊的表面的预定位置；辊旋转机构，使所述辊旋转；旋转位置检测机构，输出与所述旋转的辊的位置对应的信号；以及控制机构，根据所述旋转位置检测机构的输出信号对所述激光振荡器进行控制，以反复进行多次每当所述辊旋转一周时就对所述旋转的辊的表面的同一部位照射所述激光的作业，从而形成所述凹部。
在本发明的优选方式中，所述辊加工装置还具备：脉冲信号产生机构，根据所述检测到的辊的绝对位置，每当所述辊旋转预定角度时就产生脉冲信号；以及脉冲数设定机构，根据在所述辊的表面上形成所述凹部的间距来设定在所述辊旋转一周的期间内产生的所述脉冲信号的数量；所述控制机构对所述脉冲数进行计数，并对所述激光振荡器进行控制，以便每当所述脉冲数的数量达到与所述间距相当的数量时就对所述辊的表面照射所述激光。
在本发明的其他优选方式中，所述辊的材质是硬质合金、粉末冶金高速钢或者锻钢。
在本发明的其他的优选方式中，所述激光的波长为266nm～600nm。
发明效果
根据本发明，能够在由极硬的金属材料形成的辊的表面上形成与突起对应的期望形状的细微的凹部，所述辊是用于对由金属材料形成的部件进行加压从而在该部件的表面上形成细微的突起的加工工具。
并且，根据本发明，在反复进行多次每当辊旋转一周时就对旋转的辊的表面的同一部位照射激光的作业从而形成期望形状的凹部的情况下，能够细致地调节凹部形成的间距。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1所涉及的辊加工装置的概要结构的立体图。
图2示出该装置的掩模部的功能，是掩模部、聚光透镜以及辊的立体图。
图3是形成在辊的表面上的凹部的俯视图。
图4是示出对激光的光束直径进行调整的一例的曲线图。
图5是示出本发明的实施方式2所涉及的辊加工装置的概要结构的立体图。
图6是图5的装置的编码器和脉冲转换器的立体图。
图7是示出编码器的输出信号的曲线图。
图8是示出将普通的增量式回转式编码器与辊连接后的状态的立体图。
图9A是示出增量式回转式编码器的输出信号的A发送信号的曲线图。
图9B是示出增量式回转式编码器的输出信号的B发送信号的曲线图。
图9C是示出对增量式回转式编码器的输出信号进行4倍频的信号的曲线图。
图9D是示出每统计60个上述四倍频信号就接通·截止的信号的曲线图。
图10A是利用现有的辊加工方法形成的凹部的俯视图。
图10B是该凹部的立体图。
图11是利用现有的其他的辊加工方法形成的凹部的立体图。
图12是为了说明利用现有的辊加工方法形成凹部时的问题点而参照的辊的立体图。
具体实施方式
本发明涉及用于在由金属材料形成的辊的表面上形成多个凹部的辊加工方法。本发明包含以下工序：使辊沿周向旋转的工序a；检测辊的旋转位置的工序b；以及工序c，反复进行多次每当辊旋转一周时就对辊的表面的同一部位照射激光的作业，从而在辊的表面上形成凹部。
并且，本发明涉及用于在由金属材料形成的辊的表面上形成多个凹部的辊加工装置。本装置具备：激光振荡器，输出激光；加工头，具有对激光进行聚光的功能，以便使从激光振荡器输出的激光照射到辊表面的预定位置；辊旋转机构，使辊旋转；旋转位置检测机构，输出与旋转的辊的位置对应的信号；以及控制机构，根据旋转位置检测机构的输出信号对激光振荡器进行控制，以反复进行多次每当所述辊旋转一周时就对旋转的辊的表面的同一部位照射激光的作业，从而形成凹部。
具有上述结构的本发明并不是通过激光的连续的一次照射形成凹部，而是通过反复进行多次每当辊旋转一周时就对同一部位照射激光的作业来形成凹部。因此，激光的一次的照射能量变小，并且在从激光照射到辊的表面上到激光下一次照射到同一部位为止的期间内该部位被冷却。因此，能够缓和激光的热的影响，能够在辊表面上形成形状为期望的形状的细微的凹部。
其结果是，上述辊例如是用于对集电体等由金属材料形成的部件的表面进行加压从而在该部件的表面上形成多个突起的辊，即便在其材质是硬质合金、粉末冶金高速钢、或者锻钢之类的极硬的金属的情况下，也能够在这种辊的表面上形成与上述突起对应的期望形状的凹部。例如能够形成深度为5～50μm、且开口部和底面大致为菱形的细微的凹部。
并且，即便在这些材质的辊的表面上实施了由DLC涂层(DLC：Diamond Like Carbon，类金刚石碳膜)、或者TiN或TiCN等钛涂层而成的PVD涂层(PVD：Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)，也能够形成期望形状的凹部。
下面进行详细说明，对于硬质合金、粉末冶金高速钢以及锻钢这种非常硬的金属，熔点和沸点之间的温度差大，即便被激光照射也不会升华，而是以熔融状态大量残留在凹部中。再加上热膨胀的影响，形成的凹部的形状不会成为像激光的轮廓那样的形状，从而无法形成期望形状的凹部。
并且，在本发明的上述方法中还包含以下工序：工序d，根据检测到的辊的位置，每当辊旋转预定角度时就产生脉冲信号；以及工序e，根据在辊的表面上形成凹部的间距来设定辊旋转一周的期间内产生的脉冲信号的数量。在这样的本发明中，在上述工序c中对产生的脉冲信号进行计数，每当脉冲信号的数量达到与上述间距相当的数量时就对辊的表面照射激光。
并且，本发明的上述装置还具备：脉冲信号产生机构，根据检测到的辊的位置，每当辊旋转预定角度时就产生脉冲信号；以及脉冲数设定机构，根据在辊的表面上形成凹部的间距来设定辊旋转一周的期间内产生的上述脉冲信号的数量。此处，控制机构对上述脉冲数进行计数，并对激光振荡器进行控制，以便每当脉冲信号的数量达到与上述间距相当的数量时就对辊的表面照射激光。
此时，在上述工序e中设定的脉冲信号的数量可以是能够被与上述间距相当的脉冲信号的数量整除的数量、或者是被与上述间距相当的脉冲信号的数量除时的余数在预定值以下的数量。
通过以上的结构，反复进行多次每当辊旋转一周时就对旋转的辊的表面的同一部位照射激光的作业，从而以预定间距形成凹部。此时，检测旋转的辊的位置，并根据检测到的辊的位置，每当辊旋转预定角度时就产生脉冲信号。
进而，与在辊的表面上形成凹部的间距对应地设定辊旋转一周的期间内产生的脉冲信号的数量，每当产生的脉冲信号的数量达到与上述间距相当的数量时就对辊的表面照射激光。由此，每当辊旋转与上述间距对应的角度时就对辊的表面照射激光，辊每旋转一周就多次对同一部位照射激光，从而以预定间距形成凹部。
此处，由于在辊旋转一周的期间内产生的脉冲信号的数量根据在辊的表面上形成凹部的间距来设定，因此能够以各种各样的间距在辊的表面上形成微小的凹部。
更具体地说，将与辊旋转一周相当的脉冲信号的数量设定成能够被与上述间距相当的脉冲信号的数量整除的数量、或者是被与上述间距相当的脉冲信号的数量除时的余数在预定值以下的数量从而每旋转一周时的照射位置的偏移不会超过容许范围。由此，能够防止从对辊的表面的预定部位照射激光到辊旋转一周后再次对同一部位照射激光时照射位置的偏移超过容许范围。因此，每当辊旋转一周时都能够准确地对旋转的辊的表面的同一部位照射激光。
并且，在本发明的上述方法中也可以包含如下的工序f：与辊的直径对应预先选定在上述工序e中设定的脉冲信号的数量的候补并存储起来。
由此，仅通过呼出存储的脉冲数并进行设定，就能够以各种各样的间距在直径相同的辊的表面上形成凹部。
并且，在本发明的优选实施方式中，上述工序c包含以下工序：工序g，将激光的轮廓整形成与凹部的形状相似的形状；以及工序h，使轮廓被整形后的激光缩小成像在辊的表面上。
由此，由于轮廓形成为与凹部的形状相似的形状的激光缩小成像并照射到辊的表面上，因此能够形成形状更接近期望形状的细微的凹部。即，根据上述结构，当对激光的轮廓进行整形时，由于在比较大的形状的状态下进行整形，因此能够抑制由衍射等引起的激光的扩散。
以上述方式对轮廓进行了整形后的激光能够抑制像差从而高精度地进行聚光，能够在辊的表面上以期望形状成像。由此，能够更精密地将凹部的形状形成为期望形状。
上述情况的结果是，自不必说圆形的凹部，能够在上述辊的表面上形成开口部的长轴直径为6～40μm、短轴直径为3～20μm、且深度为5～50μm的期望形状(例如菱形)的凹部。
<实施方式1>
以下，参照图1～图4对本发明的实施方式进行说明。图1是示出本发明的实施方式1所涉及的辊加工装置的概要结构的立体图。图2示出该装置的掩模部的功能，是掩模部、聚光透镜以及辊的立体图。图3是形成在辊的表面上的凹部的俯视图。图4是示出激光的光路中的光束直径的调整的一例的曲线图。
图1的辊加工装置1是用于在辊2的表面上形成与突起对应的形状的凹部41(参照图3)的装置，该辊2用于对由金属材料形成的未图示的电池用集电体进行加压从而在其表面上形成多个预定形状的细微的突起。
更具体地说，辊加工装置1具备：激光振荡器3，输出激光21；以及加工头4，对激光21进行聚光并使其照射到辊2的表面上。并且，辊加工装置1具备辊旋转装置5，该辊旋转装置5将辊2支承为能够旋转并驱动着辊2沿周向旋转。
激光振荡器3和加工头4由二轴致动器26支承为与水平面平行地移动自如。二轴致动器26和辊旋转装置5载置在石平台20上。
并且，辊加工装置1具备控制部24，该控制部24对激光振荡器3输出(以下也称为射出)激光21的时刻等进行控制。
辊2例如是用于在由金属材料形成的电池用集电体的表面上形成突起的部件，由硬质合金、粉末冶金高速钢或者锻钢等非常硬的金属制作(参照后面的实施例)。激光振荡器3例如由使用了将钕离子混入YAG(钇铝石榴石)晶体或者YVO₄(钒酸钇)晶体而成的激光介质的固体激光振荡器(Nd:YAG激光器或者Nd:YVO₄激光器)构成。
辊旋转装置5具备：尾座5a，用于将辊2支承为沿周向旋转自如；马达5b，用于驱动着辊2旋转；以及编码器5c，输出与辊2的旋转位置对应的信号。编码器5c的输出信号被输入控制部24中。
并且，在从激光振荡器3到加工头4的激光21的光路22中配设有以下部件：多个反射镜8～14，它们用于将激光21引导到加工头4；衰减器7；光束直径调整器15，调整激光21的光束直径；以及掩模部6，用于将激光的轮廓整形成期望形状。配设于光路22中的这些部件与激光振荡器3和加工头4一起通过二轴致动器26与水平面平行地自由移动。
衰减器7通过调整激光21的偏光方向、并仅使特定的偏光方向的成分透射或者反射来控制或者调节激光21的输出(能量)。
下面，参照图2对掩模部6进行说明。掩模部6具备与应当形成在辊2的表面上的凹部的形状相似的形状(例如菱形)的激光通过孔6a。通过激光通过孔6a后的激光21的轮廓被整形成上述形状，并通过加工头4的聚光透镜4a缩小成像到辊2的表面上。
由此，如图3所示，能够在辊2的表面上形成平面形状不是圆形，而是例如短轴直径L2相对于长轴直径L1的比在0.8以下的期望形状的凹部41。此处，长轴的长度L1例如为6～40μm，短轴的长度L2例如为3～20μm。
此时，可以通过加工头4使照射到辊2的表面上的激光21的能量的90％以上都照射到直径比上述短轴的长度L2还小的直径为L3的区域内。由此，能够缓和热膨胀的影响，从而能够形成更接近期望形状的凹部41。
下面，对光束直径调整器15进行说明。光束直径调整器15是调节激光21的能量分布和光束的扩散角以使激光的能量在与掩模部6的激光孔通过孔6a对应的区域中变高的部件，该光束直径调整器15包含至少一个透镜。由此，能够提高能量效率、保护掩模部6、并降低在加工头4中产生的像差。另外，在图1中，考虑视觉辨认度，仅图示了一个光束直径调整器15。但是，实际上，也可以在光路22的多个部位配置光束直径调整器15。
以下，参照图4对使用光束直径调整器15等调整激光21的光束直径的例子进行说明。在图示例中，激光21的b轴方向(铅直方向)的光束直径通过在光路22中配置于距离激光振荡器3的距离大约为700mm的点P1处的未图示的由圆柱透镜构成的光束直径调整器15被放大。接着，通过配置于上述距离大约为900mm的点P2处的未图示的由圆柱透镜构成的光束直径调整器15停止对b轴方向的光束直径的放大。
其次，a轴方向(水平方向)的光束直径通过配置于上述距离大约为1000mm的点P3处的未图示的由圆柱透镜构成的光束直径调整器15被缩小，并通过配置于上述距离大约为1200mm的点P4处的未图示的由圆柱透镜构成的光束直径调整器15停止对a轴方向的光束直径的缩小。
进一步，b轴方向的光束直径通过配置于上述距离大约为2000mm的点P5处的未图示的由圆透镜构成的光束直径调整器15被缩小。由此，能够将激光21聚光到配设于上述距离大约为2100mm的点P6处的掩模部6的激光通过孔6a。通过掩模部6的激光通过孔6a后的激光21的轮廓例如被整形成菱形。然后，激光21通过配设于点P7处的加工头4的聚光透镜4a被聚光。由此，轮廓通过掩模部6例如被整形成菱形的激光21缩小成像并照射到辊2的表面上。
另外，光束直径调整器15并不限于透镜，也可以使用DOE(diffractiveOptical Elements：衍射光学元件)、狭缝、或者滤光器构成。
下面，对通过控制部24的控制在辊2的表面上形成凹部41时的辊加工装置1的动作进行说明。
在由辊旋转装置5驱动着旋转的辊2的表面上形成从一端部(例如尾座5a侧的端部)开始一列一列地沿周向以预定的间距排列的凹部41。此时，控制部24对二轴致动器26进行控制，从而使加工头4移动到与想要形成凹部41的列对应的位置。进而，根据回转式编码器5c的输出信号对激光振荡器3进行控制，以便每当辊2旋转与上述间距对应的角度时就对辊2的表面照射激光21。此时，照射到辊2的表面上的激光21的能量是形成期望的凹部41所需的能量的若干分之一。
当辊2在上述状态下旋转一周时，控制部24进行控制，以便对与上次激光21所照射的部位相同的部位照射激光21。通过反复进行预定次数(例如5～8次)的上述作业形成一列凹部41。在形成一列凹部41的作业结束后，控制部24对二轴致动器26进行控制，使加工头4沿辊2的轴向移动预定距离，以形成下一列凹部41。
此处，激光21每次照射到辊2的表面上10ps～200ns的时间。这是因为，如果照射时间在10ps以下则几乎不发生热传导，通过一次照射仅能够除去从一层原子到0.1μm的厚度。另一方面，当在200ns以上时，通过辊2的旋转，激光扫掠(sweep)辊表面，从而在微米级别的凹部的加工中无法达到充分的位置精度。例如在辊2的直径为130mm，旋转速度为60rpm的情况下，如果使照射时间在200ns以下，则能够将辊2的表面的扫掠量抑制在0.08μm以下。
并且，优选从激光振荡器3射出的激光21的波长为100～600nm，优选加工头4的焦距为20～200mm，优选成像倍率为5～40倍。更优选焦距大约为40mm。这是因为，如果焦距过短则从辊2产生的加工粉尘会附着在加工头4的聚光透镜4a上。并且，如果焦距过长则聚光透镜4a的NA(数值孔径)下降从而无法成像。并且，成像倍率可以是16倍左右。
并且，更优选激光21的波长为266～600nm。这是因为，如果激光21的波长超过600nm则衍射变大从而精度劣化。并且，在激光21的波长不满266nm的情况下能量不足。在该情况下，如果是Nd:YAG激光器，则作为激光振荡器3应用使用非线性光学晶体以产生谐波的类型的Nd:YAG激光器，只要能够输出波长532nm的绿色光、或者波长355nm的紫外线即可。
并且，虽然也与上述加工头4的聚光透镜4a的NA、以及激光21的波长有关，但是，为了避免由激光21的衍射引起的扩散，可以将掩模部6的激光通过孔6a形成为没有曲率半径不足10μm的角部的形状。这是当激光21的波长为200nm左右时的情况。但是，例如如果加工头4的聚光透镜的NA为0.3、激光21的波长为500nm，则衍射极限为2.0μm。此处，如果使用一次衍射光则光束最小直径大约为3μm，在16倍的倍率下需要使曲率半径在24μm以上。
以下示出上述实施方式1所涉及的本发明的实施例和比较例。另外，本发明并不限定于这些实施例。
<实施例1>
作为用于形成凹部41的辊2使用富士模具(株式会社)(富士ダィス)制作的W-Co硬质合金辊。上述辊2的宽度为100mm，直径为50mm。将上述辊2设置在辊加工装置1的辊旋转装置5上，并使其以11rpm的转速旋转。
凹部的目标形状是短轴直径为11μm、长轴直径为22μm的菱形。掩模部6是作为激光通过孔6a通过放电加工形成有短轴直径为150μm、长轴直径为300μm的菱形的开口，并在不锈钢板上实施镀金而成的部件，该掩模部6配置在光路上的成像比为16∶1的位置。
作为激光振荡器3使用スペクトラ·フィジックス(Spectra-Physics)(株式会社)制作的Nd:YAG二次谐波的激光器(波长为532nm、脉冲宽度大约为50ns)，并对其进行控制，以使激光振荡器3在辊表面的间距为29.1μm的时刻射出激光。
利用光束直径调整器15将激光21的直径整形成1.0mm，并使其通过掩模部6的激光通过孔6a，并利用加工头4使其照射到辊2的表面上。使加工点处的激光输出为25μJ，通过对同一部位反复照射8次来形成凹部41。并且，在结束形成一列的量的凹部41的作业后，使加工头4沿辊2的轴向移动22μm，并以与形成前列凹部的方式相同的方式在辊2的表面上形成凹部41。这样，在辊2的表面上在90mm的宽度范围内形成凹部41。此时，对激光21的射出时刻进行调节，以使所形成的凹部41的辊2的周向的位置在相邻的列之间相互沿周向错开。由此，在辊2的表面上以形成斜格子状或者锯齿配置的方式形成凹部41。
在显微镜下观察在上述条件下加工的辊2的表面，其结果是开口部是短轴直径为11μm、长轴直径为22μm的菱形，且深度为10μm。这样，根据本发明，确认了与后面所示的基于现有技术的比较例相比能够形成形状更接近期望形状的凹部。
<实施例2>
作为用于形成凹部41的辊2使用日立金属(株式会社)制作的粉末冶金高速钢辊。将该辊2设置在辊加工装置1的辊旋转装置5上，并使其以22rpm的转速旋转。凹部41的目标形状是短轴直径为7μm、长轴直径为24μm的菱形。对于掩模部6，将激光通过孔6a形成短轴直径为150μm、长轴直径为400μm的菱形。
使加工点处的激光输出为18μJ，通过对同一部位反复照射5次来形成凹部41。在结束形成一列的量的凹部41的作业后，使加工头4沿辊2的轴向移动25μm。除了以上记载的条件以外，在与实施例1相同的条件下以与实施例1相同的方式在辊2的表面上形成凹部41。
在显微镜下观察在上述条件下加工的辊2的表面，其结果是开口部是短轴直径为7μm、长轴直径为24μm的菱形，深度为12μm。这样，根据本发明，确认了与后面所示的基于现有技术的比较例相比能够形成形状更接近期望形状的凹部。
<实施例3>
作为用于形成凹部41的辊2使用大同机械(株式会社)(大同マシナリ一)制作的锻钢辊。将该辊2设置在辊加工装置1的辊旋转装置5上，并使其以22rpm的转速旋转。凹部41的目标形状是短轴直径为7μm、长轴直径为25μm的菱形。对于掩模部6，将激光通过孔6a形成短轴直径为100μm、长轴直径为400μm的菱形。
通过使加工点处的激光输出为18J，对同一部位反复照射5次来形成凹部41。在结束形成一列的量的凹部41的作业后，使加工头4沿辊2的轴向移动25μm。除了以上记载的条件以外，在与实施例1相同的条件下以与实施例1相同的方式在辊2的表面上形成了凹部41。
在显微镜下观察在上述条件下加工的辊2的表面，其结果是开口部是短轴直径为10μm、长轴直径为25μm的菱形，深度为12μm。这样，根据本发明，确认了与后面所示的基于现有技术的比较例相比能够形成形状更接近期望形状的凹部。
<比较例1>
作为用于形成凹部41的辊2使用大同机械(株式会社)制作的锻钢辊。将该辊2设置在辊加工装置1的辊旋转装置5上。凹部41的目标形状是短轴直径为7μm、长轴直径为25μm的菱形。对于掩模部6，将激光通过孔6a形成短轴直径为100μm、长轴直径为400μm的菱形。
作为激光振荡器3使用スペクトラ·フィジックス(株式会社)制作的Nd:YAG二次谐波的激光器(波长为532nm、脉冲宽度大约为50ns)，在使辊2停止并以2kHz对相同位置重复发射5次激光21后，使辊2旋转，并在激光的照射点移动29μm后的部位再次使辊停止，并以2kHz对相同位置重复发射5次激光，反复进行以上步骤从而以29μm的间距形成凹部。使加工点处的激光输出为18μJ。并且，在结束形成一列的量的凹部41的作业后，使加工头4沿辊2的轴向移动25μm，并以与上面记载的形成上列的方式相同的方式在辊2的表面上形成凹部41。除了以上记载的条件以外，在与实施例1相同的条件下，在辊2的表面上形成凹部41。
在显微镜下观察在上述条件下加工的辊2的表面，其结果是开口部是短轴直径为14μm、长轴直径为22μm的菱形，深度为11μm。与上述的作为目标形状的7×25μm的菱形形状相比，该结果的短轴直径大约大7μm，与上述的作为目标形状的形状差异较大。
<实施方式2>
下面对本发明的实施方式2进行说明。实施方式2是对实施方式1进行改变后的实施方式，以下主要对不同的部分进行说明。
图5示出实施方式2所涉及的辊加工装置的概要结构。
辊加工装置1A是在实施方式1的辊加工装置1上附加了脉冲转换器25的装置。并且，编码器5c使用输出与辊2的绝对位置对应的信号的绝对式回转式编码器构成。该编码器5c的输出信号经由脉冲转换器25输入控制部24。
下面，参照图6和图7对编码器5c和脉冲转换器25进行详细说明。作为绝对式回转式编码器的编码器5c输出与辊2的旋转的绝对位置对应的预定位数(在图示例中为17位)的信号(例如葛莱码)。由此不用统计来自基准位置的信号数就能够检测辊2的旋转的绝对位置。
脉冲转换器25包含脉冲信号生成部25a和脉冲数设定部25b。脉冲信号生成部25a从编码器5c的输出信号生成具有相同的周期和脉冲宽度且相位不同的两个脉冲信号(A相信号和B相信号，参照图9A和图9B)。脉冲数设定部25b根据在辊2的表面上形成凹部的间距来设定与辊2旋转一周相当的上述两个脉冲信号的各自的数量。另外，在图6中，脉冲信号生成部25a和脉冲数设定部25b分离配置，但是，脉冲信号生成部25a和脉冲数设定部25b也可以构成为将作为脉冲信号生成部25a发挥功能的芯片和作为脉冲数设定部25b发挥功能的芯片设在一个基板上。
以下，为了容易理解本发明，举例示出具体的数值来对实施方式2中的控制的步骤进行说明。此处，假设在直径为125mm的辊2的表面上形成凹部41。另外，这些数值只不过是为了说明的方便而确定的例子。
(1)预先设定每当辊2旋转一周时脉冲转换器25从编码器5c的输出信号生成的A相信号和B相信号的脉冲数。例如在编码器5c的输出信号为17位的情况下，辊2每旋转一周的期间内的脉冲数为131072。操作人员(操作者)考虑辊2的直径(125mm)，预先对脉冲转换器25设定成从该131072脉冲的信号分别生成每当辊2旋转一周时的脉冲数例如为2400、2500、……、3900的彼此相差100的16种脉冲数的A相信号和B相信号。脉冲转换器25在这些预先设定的16种脉冲数的信号中，进一步分别生成操作人员指定的脉冲数的A相信号和B相信号并输出。
(2)计算使设定的脉冲数的A相信号和B相信号成为原来的4倍频(逓倍)时的脉冲数。由此，导出9600(＝2400×4)、10000(＝2500×4)、……、15600(＝3900×4)的彼此相差400的16种4倍频后的脉冲数。
(3)计算以期望间距形成凹部41时的每当辊2旋转一周时的孔数。例如在直径125mm的辊2的表面上以28μm、29μm、30μm、31μm的各种间距形成凹部41的情况下，每旋转一周的孔数分别为14025(≈125×π÷0.028)、13541(≈125×π÷0.029)、13090(≈125×π÷0.030)、12668(≈125×π÷0.031)。
(4)从上述步骤2的4倍频后的脉冲数中选择最接近上述步骤3的计算结果的脉冲数。例如如果是28μm的间距则选择14000(＝3500×4)脉冲，如果是29μm的间距则选择13600(＝3400×4)脉冲，如果是30μm的间距则选择13200(＝3300×4)脉冲，如果是31μm的间距则选择12800(＝3200×4)脉冲。
(5)从在上述步骤1中设定的脉冲数中指定与在上述步骤4中选择的4倍频的脉冲数对应的A相信号和B相信号的脉冲数。例如如果是28μm的间距则指定3500(＝14000÷4)脉冲，如果是29μm的间距则指定3400(＝13600÷4)脉冲，如果是30μm的间距则指定3300(＝13200÷4)脉冲，如果是31μm的间距则指定3200(＝12800÷4)脉冲。此时，如果辊2的直径为125mm，则实际的间距分别为28.05(≈125×π÷14000)μm(误差0.05μm)，28.87(≈125×π÷13600)μm(误差0.13μm)，29.75(≈125×π÷13200)μm(误差0.25μm)，30.70(≈125×π÷12800)μm(误差0.30μm)。
如上所述，对于直径为125mm的辊2，如果将在辊2旋转一周的期间内脉冲转换器25a根据编码器5c的输出信号产生的信号的脉冲数设定成2400～3900的彼此相差100的16种脉冲数，则能够以较小的误差在辊2的表面上以间距为24～39μm的彼此相差1μm的16种间距形成凹部41。在上述例子中，如果辊2的直径变化，能够通过调整设定脉冲数的设定的间隔(在上述例子中为彼此相差100)进行应对。并且，在需要以上述范围以外的间距(例如20μm的间距或者42μm的间距)形成凹部的情况下，只要改变设定脉冲数的范围(在上述例子中为2400～3900)即可。
以下，为了进行参考，对利用现有技术在辊2的表面上以预定的间距形成凹部41的情况进行说明。图8所示的编码器(此处为增量式回转式编码器)51经由联接器52与辊50连接。
通过辊50的旋转，该编码器51输出如图9A和图9B所示的由脉冲信号构成的A相信号和B相信号。此处，如果设辊50旋转一周的期间内的A相信号和B相信号的脉冲数分别为81000，则如图9C所示，对A相信号和B相信号进行4倍频时的信号数为324000。
如图9D所示，如果每当统计到60个上述4倍频后的信号时就生成反复接通·截止的信号，并且每当信号接通·截止时就照射激光21，则如果是直径50mm的辊50则能够以大约为29.1(≈50000(50mm)×π÷5400)μm的间距在辊50的表面上形成5400(＝324000÷60)个凹部41。
当利用该方法例如以28μm的间距形成凹部时，只要每当统计到58个4倍频后的信号时就生成反复接通·截止的信号，并且每当信号接通·截止时就照射激光21即可。然而，当用58除上述辊50每旋转一周的信号数即324000时得到的数大约为5586.2(除法运算的余数为12)。这样，由于不能整除而是产生“12”的余数，因此在该例中辊50每旋转一周就会产生12个计数量即大约6μm的较大的偏移。因此，每当辊2旋转一周时就无法对辊2的表面的同一部位照射激光。
因此，仅能以与能够整除上述辊50每旋转一周的信号数(324000)、或者虽然不能整除但是余数小的计数对应的间距形成凹部。在该例中，仅能以26μm、29μm、32μm的彼此相差3μm的间距形成凹部41。因此，为了以27μm的间距或28μm的间距形成凹部，需要使用每旋转一周的输出信号数不同的其他的回转式编码器。
对于该点，根据本发明，能够利用一个回转式编码器自由地选定间距并在辊2的表面上形成凹部。
以下，对实施方式2所涉及的本发明的实施例进行说明。另外，本发明并不限定于这些实施例。
<实施例4>
作为用于形成凹部41的辊2使用富士模具(株式会社)制作的W-Co硬质合金辊。该辊2的宽度为100mm，直径为50mm。将该辊2设置在辊加工装置1A的辊旋转装置5上，并使其以11rpm的转速旋转。
作为编码器5c使用光学式绝对式回转式编码器。该编码器5c输出与旋转的绝对位置对应的17位信号(例如葛莱码)，最大转速为2000转/分。并且，使用差动行驱动线发送数据。
作为脉冲转换器25使用利用差动行接收器接收从编码器5c输出的17位信号，并输出相位不同的两个脉冲信号(A相信号、B相信号)和表示特定的角度位置的脉冲信号(原点信号)的部件。该脉冲转换器是通过以二进制方式输入脉冲数选择信号来输出设定脉冲数的A相信号和B相信号的部件。此处，在脉冲转换器25中作为与辊旋转一周相当的脉冲数预先设定从2400到3900的16种彼此相差100的脉冲计数。
凹部41的目标形状是短轴直径为11μm、长轴直径为22μm的菱形。掩模部6通过放电加工在实施了镀金的不锈钢板上形成短轴直径为150μm、长轴直径为300μm的菱形开口作为激光通过孔6a，并配置在光路上的成像比为16∶1的位置。
作为激光振荡器3使用スペクトラ·フィジックス(株式会社)制作的Nd:YAG二次谐波的激光器(波长为532nm、脉冲宽度大约为50ns)，对该激光振荡器3进行控制，以使该激光振荡器3在辊表面的间距为29μm的时刻射出激光。
通过光束直径调整器15将激光21整形成直径为1.0mm，并使其通过掩模部6的激光通过孔6a，并利用加工头4使其照射到辊2的表面上。设加工点处的激光输出为25μJ，通过对同一部位反复照射8次来形成凹部41。并且，在结束形成一列的量的凹部41的作业后，使加工头4沿辊2的轴向移动22μm，以与形成前列凹部的方式相同的方式在辊2的表面上形成凹部41。这样，在辊2的表面上在90mm的宽度范围内形成凹部41。此时，对激光21的射出时刻进行调节，以使所形成的凹部41的辊2的周向的位置在相邻的列之间相互沿周向错开。由此，在辊2的表面上以形成斜格子状或者锯齿配置的方式形成凹部41。
在显微镜下观察在上述条件下加工的辊2的表面，其结果是开口部是短轴直径为11μm、长轴直径为22μm的菱形，深度为10μm。这样，根据本发明，确认了与后面所示的基于现有技术的比较例相比能够形成形状更接近期望形状的凹部。
<实施例5>
作为用于形成凹部的辊2使用日立金属(株式会社)制作的粉末冶金高速钢辊。将该辊2设置在辊加工装置1A的辊旋转装置5上，并使其以22rpm的转速旋转。凹部41的目标形状是短轴直径为7μm、长轴直径为24μm的菱形。掩模部6将激光通过孔6a形成为短轴直径为100μm、长轴直径为400μm的菱形。
设加工点处的激光输出为18μJ，通过对同一部位反复照射5次来形成凹部41。在形成一列的量的凹部41的作业结束后，使加工头4沿辊2的轴向移动25μm。
在显微镜下观察在上述条件下加工的辊2的表面，其结果是开口部是短轴直径为10μm、长轴直径为21μm的菱形，深度为12μm。这样，根据本发明，确认了与后面所示的基于现有技术的比较例相比能够形成形状更接近期望形状的凹部。
<实施例6>
作为用于形成凹部41的辊2使用大同机械(株式会社)制作的锻钢辊。将该辊2设置在辊加工装置1A的辊旋转装置5上，并使其以22rpm的转速旋转。凹部41的目标形状是短轴直径为7μm、长轴直径为25μm的菱形。掩模部6将激光通过孔6a形成为短轴直径为100μm、长轴直径为400μm的菱形。设加工点处的激光输出为18μJ，对同一部位反复照射5次。在形成一列的量的凹部41的作业结束后，使加工头4沿辊2的轴向移动25μm。
在显微镜下观察在上述条件下加工的辊2的表面，其结果是开口部是短轴直径为10μm、长轴直径为24μm的菱形，深度为11μm。这样，根据本发明，确认了与后面所示的基于现有技术的比较例相比能够形成形状更接近期望形状的凹部。
以上，根据实施方式和实施例对本发明进行了说明，但是，本发明并不限于此，能够进行各种改变。例如，反复照射激光的次数并不限于5～8次，可以在加工速度和加工精度平衡的范围内适当增减。
并且，也可以在辊2的周围配设朝辊2的表面吹出气体或者液体的吹出装置，在将激光21照射到辊2表面上之后、下次对同一部位照射激光21之前的期间内对该部位吹出上述气体或者液体。由此，能够从辊2表面的激光21的照射部位除去灰尘。并且，能够冷却辊2的表面，进一步，能够形成精度高的期望形状的凹部。
作为朝辊2的表面吹出的气体，虽然例如即便是压缩气体等也具有除尘、冷却的效果，但是优选使用氮、氩等惰性气体，能够抑制加工时的氧化反应，能够降低由氧化热引起的加工形状的劣化。
并且，作为液体优选对激光照射部位的周边吹出液氮等在常温下瞬时挥发的液体。由此，能够提高冷却效果并且能够使加工面保持干燥状态，不会阻碍激光的成像。
产业上的可利用性
根据基于本发明的辊加工装置以及辊加工方法，能够在用于对金属部件进行加压从而在其表面上形成突起的辊的表面上形成期望形状的细微的凹部。因此，主要在用于制造电池的集电体的辊的加工中是有用的。