(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工されたツールを生成するためのシステムであって、
レーザ光を生成するレーザと、
ほぼ円筒形のワークであって、該システムが該ワークを回転させることが可能な、ワークと、
該レーザ光を処理し、かつ処理されたレーザ光の画像を該ワークの凸状の外側表面に結像するための光学系と、
該レーザ光を該画像に成形するための、該レーザ光内に設置される湾曲した投影マスクとを含み、
該レーザ光の該処理は該ワークの該外側表面の曲率に関係しており、該投影マスクの曲率量は該ワークの該外側表面の曲率量に関連付けられ、
該光学系により該ワークの該外側表面に結像した該レーザ光の画像は、該外側表面にミクロ構造を生じさせてほぼ円筒形のツールを形成するために、該ワークの該外側表面をアブレーションすることが可能であり、
前記ワークを前記レーザ光に対して並進させることが可能であるとともに、前記レーザ光を使用して前記ワークの前記外側表面をアブレーションするために、前記レーザ光に対する前記ワークの回転運動及び並進運動を、前記レーザの作動に同調させることが可能であり、
前記ワークの回転軸線に直交する方向の前記レーザ光の前記画像の幅が、前記ワークの直径に基づいて選択されて、湾曲した画像フィールドの範囲内で前記ワークの前記外側表面をアブレーションすることが可能である、システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
平坦な高分子シート上に複雑なミクロン規模の構造化表面をもたらすためのレーザアブレーション加工用の基板が開発されている。これら基板は、真空チャックに保持される高分子シートをアブレーションするために、エキシマーレーザを使用する。光学トレインはレーザ光を制御し、かつポリマーの表面上にマスクを画像化して、このマスクの設計によって制御されるパターンをアブレーションする。これらのシステムは、機械的及び光学的特性を有する広範囲の構造体を生成する能力を証明してきた。これら基板上に作られる構造体は、試作品用の平坦な複製を作製するために使用され得る。ロールツールは、ポリマーのニッケル複製品を円筒形のスリーブに溶接することによって、平坦なツールから製造され得る。このようなスリーブはその中にシームを有し、これは、該ロールツールからフィルムを製造する場合に望ましくない可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
レーザアブレーションによって、ロールツール、具体的には、シームのない円筒形ツールを製造するための更なるの必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明に従う第１のシステムは、ほぼ円筒形のワークからレーザ加工されたツールを生成することができる。本システムは、レーザ光を生成するレーザと、ほぼ円筒形のワークであって、システムがワークを回転させることが可能な、ワークと、レーザ光を処理し、かつ処理されたレーザ光の画像をワークの凸状の外側表面に結像するための光学系と、レーザ光を画像に成形するための、レーザ光内に設置される湾曲した投影マスクとを含む。レーザ光の処理は、ワークの外側表面の曲率と関係し、投影マスクの曲率量はワークの外側表面の曲率量に関連付けられ、以て曲面上に正確に画像形成する。光学系によりワークの外側表面に結像したレーザ光の画像は、外側表面にミクロ構造を生じさせてほぼ円筒形のツールを形成するように、ワークの外側表面をアブレーションすることが可能である。
【０００４】
さらに、ワークをレーザ光に対して並進させることが可能であるとともに、レーザ光を使用してワークの外側表面をアブレーションする目的で、レーザ光に対するワークの回転運動及び並進運動をレーザの作動と同調させることが可能であり、また、ワークの回転軸線に直交する方向のレーザ光の画像の幅が、ワークの直径に基づいて選択されて、湾曲した画像フィールドの範囲内でワークの外側表面をアブレーションすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
添付図面は本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであって、この明細書の記載と共に本発明の利点と原理を説明する。図面中、
【図１】円筒形のワークをレーザ加工するためのシステムのダイアグラム。
【図２】レンズ、及びワークを機械加工するためにその上に画像を形成するためのマスク、の使用を図示するダイアグラム。
【図３】ワークの上に形成された画像を図示するダイアグラム。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
レーザ加工システム
レーザアブレーションによってポリマーロールツールを作製するために、レーザ加工システムを使用することができる。以下に記載されるように、ロールベースのレーザアブレーションシステムは、例えば、エキシマーレーザ、光学系、及びポリマーなどの機械加工可能な材料でコーティングされたロールを含むワークで構成される。以下に記載されるように、光学系は、光学トレインと、投影マスク支持システムと、結像レンズとを含むことができる。その他の考えられる光学系は、以下に記載される結像及びアブレーションを実施するために、鏡又はホログラフィー技術を用いることができる。
【０００７】
図１は、ワークと呼ばれるロールツールを機械加工するための例示のレーザ加工システム１０のダイアグラムである。機械加工は、例えば、ワークにミクロ構造を形成することを含むことができる。ミクロ構造は、物品の表面上の、物品の表面に刻まれる、又は物品の表面から突出する、あらゆる種類、形状、及び寸法の構造体を含むことができる。
【０００８】
用語「ミクロ構造」又は「ミクロ構造（複数）」は２ミリメートル（ｍｍ）未満、より好ましくは１ｍｍ未満の、少なくとも１つの寸法（例えば、高さ、長さ、幅、又は直径）を有する構造体を指す。本明細書に記載のシステムを使用して作製されるミクロ構造は、１０００マイクロメートルピッチ、１００マイクロメートルピッチ、１マイクロメートルピッチ、又は更には２００ナノメートル（ｎｍ）付近のサブ光波長ピッチを有することができる。これらの寸法は例示することだけを目的し、本明細書に記載のシステムを使用して作製されるミクロ構造は、システムを使用して機械加工可能な範囲内で任意の寸法を有することができる。
【０００９】
システム１０は、コンピュータ１２によって制御される。コンピュータ１２は、例えば構成要素として、１つ以上のアプリケーション１６を記憶するメモリ１４と、情報の不揮発性記憶装置を提供する二次記憶装置１８と、情報又はコマンドを受信する入力デバイス２０と、メモリ１６又は二次記憶装置内に記憶されるか、他のソースから受信されるアプリケーションを実行する処理装置２２と、情報の視覚的表示を出力する表示装置２４と、聴覚情報におけるスピーカー又は情報のハードコピーにおけるプリンタのように他の形態で情報を出力する出力デバイス２６と、を有する。
【００１０】
ワーク３２の機械加工は、光学系と共にエキシマーレーザ２８によって行われる。この例における光学系は、レンズと、ワーク３２の上の材料を機械加工するために画像を形成するレーザ光３１の複数部分を選択的に遮断する投影マスク３０と、を備える。コンピュータ１２の制御下で、レーザ２８はレーザ光３１のパルスを提供することができる。ワーク３２の外側表面を機械加工するために、レーザ、レンズ、及び投影マスクは通常固定され、一方で、ワーク３２は回転し、かつレーザ光３１に対してほぼ垂直な方向に並進運動する。具体的には、コンピュータ１２の制御下にある駆動ユニット３６は、矢印３３で示される方向又は反対方向にワーク３２を回転させる。ワーク３２が並進運動する際、ワーク３２は、コンピュータ１２の制御下にある駆動ユニット３８を使用して、ワークをトラック４０に沿って横方向に矢印３４で示される方向に移動させることができるマウント３７及び３９によって支持される。マウント３７及び３９は、駆動ユニット３８によって、矢印３５で示されるようなレーザ光３１に対してほぼ平行な方向にワークを移動させるように構成されることもできる。矢印３５で示される方向へのワーク３２の動きは、レーザ光３１によってワーク３２の外側表面上に形成された画像に正確に焦点を合わせるのを援助するために使用することができる。あるいは、矢印３３によって図示されるようにワーク３２が回転することを除いては、レーザ２８及びワーク３２を静止状態に保持することができ、一方で、レンズ及びマスク３０はワークに沿って並進運動する。この代替実施形態では、システム１０は、レーザ２８、及びレンズ、並びにマスク３０がワーク３２に沿って並進運動するときに、これらによって生成された画像の経路長補償をするように構成されることができる。
【００１１】
図２は、ワークを機械加工するためにその上に画像を形成するための、レンズ及び投影マスクの使用を図示するダイアグラムである。レンズ４２は結像マスク４４にレーザ光３１を提供する。結像マスク４４の形状に基づいて、ワーク３２の機械加工可能な材料４１の上に画像４８を投射するために、レーザ光３１の画像が結像光学系４６に提供される。システム１０は、ワーク３２を機械加工するのに、スポットライティングではなく結像を使用する。スポットライティングと結像との間には、いくつかの明らかな違いが存在する。スポットライティングでは、システムはレンズの焦点で動作する。結像では、システムは投影マスクの画像で動作する。オーバーラップ技術は、成形スポットライティング（shaped spot writing）と呼ばれ、これは、レーザ光で三角形又は三日月形などの単純な形状を作るために投影マスク及び結像レンズを使用し、かつ、機械加工用の所望の形状を形成するためにその形状を動かす、結像技術である。スポットライティングでは、画素は、通常円形であり、かつ可能な限り小さい光線である。成形スポットライティングでは、画素は成形スポットであが、レーザ光で使用可能な最小スポットよりもはるかに大きい。結像では、画素は、典型的には、可能な限り小さなスポットであるが、これらの画素は全てアブレーション用の１つの所望の結像構造体に集約される。
【００１２】
ワーク３２は、典型的には、レーザ加工可能な高分子材料でコーティングされた金属ロールで実施される。金属ロールは、例えば、硬銅、又は、ニッケル若しくはクロムでコーティングされたスチールで実施することができる。あるいは、ワーク３２は、機械加工可能な高分子材料でコーティングされたアルミニウム、ニッケル、スチール、又はプラスチック（例えば、アクリル樹脂）で実施することができる。機械加工用のこのような高分子材料の例は、共に２００６年３月３１日出願され、まるで本明細書に完全に記載されているかのように参照によって本明細書に組み込まれる、米国特許出願第１１／２７８２７８号及び同第１１／２７８２９０号に記載されている。使用される特定の材料は、例えば、機械加工されたワークを使用して作製された様々なフィルムのような特定の望ましい用途によって決めることができる。機械加工可能な高分子材料は、例えば、ポリイミド及びアクリル酸ウレタンで実施することができる。レーザアブレーションされたポリイミドロールから耐久性のあるツールを作製するために、ダイヤモンド様ガラス（ＤＬＧ）コーティングを使用することができる。ＤＬＧは、米国特許出願第１１／１８５０７８号（２００５年７月２０日出願）に記載されており、該特許は、まるで本明細書に完全に記載されているかのように参照によって本明細書に組み込まれる。フルオロポリマーコーティングを使用して、アブレーションされたロールの耐久性を改善することもできる。ワーク上のアブレーション用基材として使用するその他の材料には、ポリカーボネート類、ウレタン（urethranes）類、アクリレート類が挙げられる。ロールツール（ワーク）の耐久性はまた、剥離特性を高めることもできるニッケル、クロム、銀、又はその他の材料の薄層でロールをコーティングすることにより高めることができる。
【００１３】
本システムは、ナノ結晶金属及び緻密質なセラミックス、特に金属酸化物などの他の材料を機械加工するために使用することもできる。しかしながら、これらの材料をアブレーションするには、ポリマーをアブレーションするのに必要な動力と比べて約１０倍の動力を要する。本システムでセラミックスをアブレーションすることができるが、緻密質なセラミックス材料の大きなロール、又は緻密質なセラミックス材料でコーティングされたロールを作製するのは困難であり得る。したがって、アブレーションには、セラミックス材料の小さなロールがより望ましくあり得る。
【００１４】
機械加工可能な形体寸法は、レーザ光線の波長及び結像光学系の開口数によって決定される。開口数は、光学系又は要素に出入りすることができるメリジオナル光線の最大円錐の頂角の正弦を、円錐の頂点が位置する媒体の屈折率で乗じたものである。
【００１５】
加工物３２の機械加工は、様々な構成要素の同調した動きによって達成される。具体的には、コンピュータ１２の制御下にあるシステムは、ワーク３２を機械加工するためにその表面上にレーザ画像を提供するために、駆動ユニット３６及び３８を介したワークの方向３３、３４、及び３５への動きを、レーザ２８の制御と同調させて制御することができる。機械加工中、ワーク表面は固定されることができ、又は好ましくは、該表面は、画像を表面上の所望に位置に正確に定置するために、コンピュータで説明される電子機器及びレーザシステムの遅延に合わせて動くことができる。
【００１６】
機械加工後の加工物３２は、様々な用途での使用に応じたミクロ構造を有するフィルムを作製するために使用できる。これらのフィルムの例としては、光学フィルム、摩擦抑制フィルム、及びミクロ締結具又は他の機械的ミクロ構造化構成要素が挙げられる。これらのフィルムは、典型的には、コーティング処理を用いて作製され、このコーティング処理では、粘稠状態の物質をワークに塗布して、少なくとも部分的に凝固させてから取り外す。固化材から作られるフィルムは、ワークの構造と実質的に逆の構造を有する。例えば、加工物にくぼみがあれば、生じるフィルムには突出部が生じる。
【００１７】
レーザ加工プロセス
上述のように、レーザ２８、及びレンズ、並びに投影マスク３０は、典型的には静止しており、一方ワーク３２は回転する、及びそれぞれ方向３３及び３４に軸方向に並進運動する。光線に対して垂直なロールの小範囲の動きの軸線（方向３５）は、システムの焦点を調整するのに役立つことができる。あるいは、この調整は、レンズ、投影マスク、又はその両方を移動させることによって達成することができる。機械加工するために、ワークは回転し、かつ軸方向に並進運動すると同時に、コンピュータ１２は、ワーク３２が正しい位置にあるときに、レーザ２８の発射を制御する。この技術を用いて、長さ６０．８ｃｍ（２４インチ）の直径３０．４ｃｍ（１２インチ）ロールを、たったの数時間で浅いパターンに完全にパターン化することができる。
【００１８】
アブレーションのためにロールベースのシステム上に結像することに関する考慮すべき点の１つは、解像度と焦点深度との間のトレードオフである。次の等式はその関係を要約している。
【００１９】
【数１】
0005508276.tif 000002
【００２０】
（式中、Ｗは解像度、ｋ１は定数、λは露光波長、及びＮＡは開口数）
【００２１】
【数２】
0005508276.tif 000003
【００２２】
（式中、ＤＯＦは焦点深度、ｋ２は定数、ＮＡは開口数）。
【００２３】
これら等式から、所与の波長の光に関する解像度は、システムのＮＡを増加させることによってのみ改善することができることが判断され得る。
【００２４】
システム１０は曲面上に像を作るので、図３に示されるダイアグラムに基づく幾何解析は、このようなシステムのトレードオフを説明している。図３に示されるように、値ΔＸ（５６）は、ワークの外側表面５３上の点５０と５１との間の画像の幅を表す。ワークは半径Ｒ（５２）を有し、角度θ（５４）は画像領域５６の角距離の半分を表す。値ΔＺ（５８）は、ワークの外側表面に対して垂直な画像領域５６の垂直距離を表す。図３に示される結像の幾何学に基づくと、ΔＺ＝Ｒ−Ｒ＊ｃｏｓ（θ）及びΔＸ＝２＊Ｒ＊ｓｉｎ（θ）となる。表１は、この幾何学の例示の値を要約している。直径３０．４ｃｍ（１２ｉｎ）のロールでは、幅５ｍｍの画像は２０マイクロメートル（μｍ）を超える垂直距離をカバーしており、特定のＤＯＦ値で好適な画像を生成することができる可能性を低くしている。更に、システムの解像度を挙げることが望ましく、これにはＤＯＦの減少が必要である。
【００２５】
【表１】
0005508276.tif 000004
【００２６】
曲面上への結像に関連したこれら考慮すべき点に対処するために、いくつかのアプローチが可能である。曲面上に結像するための第１のアプローチは、エキシマーレーザ光線を、従来使用される正方形ビーム（５ｍｍ×５ｍｍ）ではなく細長い光線（例えば、１ｍｍ×２０ｍｍ）に処理することを含む。その結果、投影マスクは細長くなるが、本システムで生成することができるパターンの範囲を制限するものではない。図３に示されかつ表１に要約されているように、ワークの軸線に沿って走る幅１ｍｍの光線（距離５６）は、直径１５．２ｃｍ（６ｉｎ）のロールの平坦な結像面から１マイクロメートル未満（距離５８）偏差する。その他の場合には、光学系又は投影マスクは、ワークの外側表面に対して垂直に、２０マイクロメートル未満又は１０マイクロメートルの距離だけ偏差する画像を提供するように構成され得る。したがって、非常に大きな円筒を使用する場合、１／２ΔＺ（距離５８）に等しい焦点誤差で結像するように、レーザ画像がほぼ焦点があった状態を維持するように、曲線方向の画像フィールドのサイズを制限することができる。
【００２７】
第２のアプローチでは、円筒形の画像平面を生成するためにレーザ光画像を処理するように、最終結像光学系を設計することができ、その場合、システム１０は投影マスクから凸状円筒（ワーク）の上に平坦な画像を投影する。このアプローチは画像フィールドを一方向に曲げ、このことは、円筒形のレンズを結晶レンズトレインに設置することを含む。処理量は、典型的には、投影マスクからの平坦な（処理された）画像をワークの曲面上に正確に投射するための、ワークの外側表面の曲率量に関連する。このようなアプローチは、例えば、レイトレーシングソフトを使用して設計することができる。曲面上への投射用画像の処理技術は、米国特許第６，７１５，８８８号及び同第６，５６８，８１６号に記載されており、これら特許はまるで本明細書に完全に記載されているかのように参照によって本明細書に組み込まれる。湾曲した画像フィールドを生成するこの第２のアプローチは、光線がワークの中心軸線に「向く」ように、レーザの主光線が円筒形のワークの外側表面に垂直となるという点で、レーザアブレーション加工にとって好ましい。
【００２８】
第３のアプローチは、マスクの曲率量をワークの外側表面の曲率量に関連付けた、エッチング加工された金属マスク等の湾曲したマスクを使用して、湾曲した画像フィールドを生成することを含む。
【００２９】
代表的な実施形態と関連させながら本発明を説明してきたが、多くの修正が当業者には容易に明白となり、本出願がいかなる適合物又は変形物をも対象とすることが意図されることが、分かるであろう。例えば、様々な種類のレーザ、結像光学系、マスク、及びアブレーションされる材料を、本発明の範囲から逸脱することなく使用することができる。本発明は、特許請求の範囲及びその等価物にのみ限定される。
【図１】
0005508276.tif 000005
【図２】
0005508276.tif 000006
【図３】
0005508276.tif 000007