JP2005533662A

JP2005533662A - インクジェット式ノズルおよびインクジェト式ノズルで使用するための孔をレーザ孔開けする方法

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Publication number: JP2005533662A
Application number: JP2005505593A
Authority: JP
Inventors: シンビンリュー; チェンシュンチェン; 洋右水山; 洋介豊福; ダンホーガン; ナンシーエドワーズ
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2005-11-10
Also published as: EP1525070A4; AU2003232000A1; CN1652894A; EP1525070A1; CN1323797C

Abstract

所望の開口の外周線（６３０）より内側で、外周線（６３０）を実質上最初に初期アブレーションしないように外周線（６３０）から十分に距離が離れた一点（６１０）でレーザビームを用いて加工物の表面を最初に照射する工程を含んだ、インクジェット式ノズルを製造するのに用いられる加工物の開口をレーザ切削する方法。レーザビームは、外周線（６３０）が変形しないように制御された可変速度で、ほぼ外周線（６３０）の方向に駆動される。加工物の材料は、外周線（６３０）内の材料をほぼ取り除くよう設計されたパターンでアブレーションされ、それによって開口が形成される。

Description

本発明は、概してレーザ孔開けに関し、特にインクジェット式ノズルにおいて再現可能な出口孔を切削する方法に関する。

パルス光源による材料のアブレーションは、レーザの発明以来研究されてきた。１９８０年代初期における紫外線（ＵＶ）エキシマレーザの照射によるポリマーのエッチングは、レーザを用いた微細加工方法の更なる研究開発につながり、それは、レーザを使用することで孔開け、切削、または複製可能な非常に小さな形状によって拍車がかけられている。表題が“短パルスレーザを用いた精密孔開け法（Ｐｒｅｃｉｓｅｄｒｉｌｌｉｎｇｗｉｔｈｓｈｏｒｔｐｕｌｓｅｄｌａｓｅｒｓ）”（Ｘ．チェン（Ｃｈｅｎ）およびＦ．トモオ（Ｔｏｍｏｏ），製造業におけるハイパワーレーザ（ＨｉｇｈＰｏｗｅｒＬａｓｅｒｓｉｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ），ＳＰＩＥ会報Ｖｏｌ．３８８８，２０００）の最近の論文は、微細加工の鍵となるいくつかの考察を概説している。対象となる最近の他の特許として以下のものが含まれる。

米国特許第６，２６０，９５７号明細書“ヒータチップインクフィルタ付インクジェット式プリントヘッド（Ｉｎｋｊｅｔｐｒｉｎｔｈｅａｄｗｉｔｈｈｅａｔｅｒｃｈｉｐｉｎｋｆｉｌｔｅｒ）”は、微細加工およびレーザ孔開けによって形成されるインクジェット式プリントヘッドのヒータチップ用のシリコンインクフィルターを記載している。ヒータチップは、プリントヘッドの複数のノズル用にそのような複数のフィルターを内蔵していてもよい。フィルターは微細加工によって形成されたインク入口領域を構成するビアと、レーザ孔開けによって作成されたビアの出口側に作成された複数の孔とを有する。微細加工およびレーザ孔開けの前に保護層がヒータチップ基板上に設けられるのが好ましい。

米国特許第６，０８９，６９８号明細書“ノズル・ノズルを形成する方法および装置（Ｎｏｚｚｌｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｏｆａｎｄａｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒｆｏｒｍｉｎｇｎｏｚｚｌｅｓ）”は、前もってプリンタの本体に結合されたノズル板に、レーザアブレーションによって形成されたインクジェット式プリンタ用のノズルを記載している。レーザビームがノズル板の前方の一点に集光されるので、出口の方へ向かって先細になるノズルが形成される。第１および第２のビームマスクが、集光レンズに関して異なった形状のノズル入口と出口にそれぞれ共役関係となるよう、集光レンズの前方に設けられる。ノズルは、インクメニスカスを制御し、吐出された液滴がノズル壁から横向きの反動を受けないようにする中央ランドを有する。

米国特許第６，０２３，０４１号明細書“光吸収被膜と消耗品である銅を用いて出口ビアの再被膜と径変動を抑制する方法（Ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｕｓｉｎｇｐｈｏｔｏａｂｓｏｒｐｔｉｖｅｃｏａｔｉｎｇｓａｎｄｃｏｎｓｕｍａｂｌｅｃｏｐｐｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｅｘｉｔｖｉａｒｅｄｅｐｏｓｉｔａｓｗｅｌｌａｓｄｉａｍｅｔｅｒｖａｒｉａｎｃｅ）”は、積層基板の露出した底面上に高分子の光吸収層を塗布することによって積層基板内に貫通孔を形成する方法を記載している。貫通孔は、基板の上端から基板を貫いて基板の底部まで基板内にレーザ孔開けされる。基板の底面上に形成された光吸収層は、その後取り除かれる。

欧州特許第ＥＰ０８６７２９４号明細書“インクジェット式プリントヘッドのノズル板（Ｉｎｋｊｅｔｐｒｉｎｔｈｅａｄｎｏｚｚｌｅｐｌａｔｅｓ）”は、ノズル層と接着剤層とを含む複合ストリップからインクジェット式プリントヘッドのノズル板を作成する方法を記載している。複合ストリップに流路形状をレーザアブレーションで形成する前に、接着剤層が高分子犠牲層で覆われる。接着剤層と犠牲層との間の接着性を高めるための方法も示されている。犠牲層を含む複合ストリップが一旦作成されると、被膜された複合ストリップはその後レーザアブレーションされて、ノズル板を形成するためにストリップに流路形状が形成される。流路形状を形成した後、犠牲層が除去される。個々のインクジェットプリントヘッドのノズル板は、レーザを用いてノズル板を単体化することによって複合ストリップから分離される。

米国特許第５，５４８，８９４号明細書“レーザカットによって一部が形成されたインクジェット孔を有するインクジェットヘッドおよびその製造方法（Ｉｎｋｊｅｔｈｅａｄｈａｖｉｎｇｉｎｋ−ｊｅｔｈｏｌｅｓｐａｒｔｉａｌｌｙｆｏｒｍｅｄｂｙｌａｓｅｒ−ｃｕｔｔｉｎｇ，ａｎｄｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｈｅｓａｍｅ）”は、複数のインク室を有するインク室部材と、インク室部材の前端面に固定され各インク室に連通するインクジェット孔を有するノズル板とを備えたインクジェットヘッドを製造する方法であって、ノズル板用のブランクが射出成形によって形成されて、複数のブラインドホールがブランクの対向する面のうちの一方に形成され、各ブラインドホールは断面積が上記ブランクの対向する面のうちの一方から他方の面に向かって小さくなる可変領域部を有しており、複数のブラインドホールと協働するオリフィス孔を有するノズル板を作成するようにブランクがレーザカットされることにより、インクジェット孔が形成される、インクジェットヘッドの製造方法について記載している。各ブラインドホールの開放端の大きさは、インク室のインクジェット孔と連通する端部の大きさよりも小さいほうが好ましい。

超高速レーザは、持続時間がおよそ１０^-11秒（１０ピコ秒）から１０^-14秒（１０フェムト秒）の強いレーザパルスを生成する。短パルスレーザは、持続時間がおよそ１０^-10秒（１００ピコ秒）から１０^-11秒（１０ピコ秒）の強いレーザパルスを生成する。医療、化学および通信分野において超高速および短パルスレーザが多種多様に用いられる可能性があることに加えて、短パルスレーザはまた、広範囲にわたる材料を切削または孔開け加工するのに有用である。この点に関して、サブミクロンの範囲の孔のサイズは、これらレーザによって容易に孔開けされる。硬質材料も高アスペクト比の孔が開けられる。この点に関する用途として、タービンブレードの冷却水路、インクジェットプリンタのノズルおよびプリント回路基板のビアホールが含まれる。

厳しい仕様を満たした再現可能な孔の形状を作成することは、製造業用途にとって品質制御上しばしば重要である。そのような用途を切削加工において満たすのにレーザシステムは適している。理由は、適切なプログラミングによって、特別注文の２次元（２Ｄ)および３次元（３Ｄ）構造が容易に設計され、そのような設計をリアルタイムでレーザの数値制御に変換することができるからである。しかしながら、これらの構造に必要な形状寸法が小さくなるにつれて、製品仕様を常に満たし、迅速で費用効率の良い方法で高品質の微細加工製品を大量生産することは難しくなる。

インクジェットプリンタの品質の鍵となる要素は、インクジェット式ノズルの設計、組立て技術および動作である。ノズル設計により、上述した材料に切削される必要な孔の数が決まる。各ノズル孔は成形された断面および出口孔を有している。出口孔はインクジェットプリンタのノズルからのインク吐出を制御するのに重要である。インクのむらのある吐出は印刷の質を悪くする。したがって、出口孔の欠陥は印刷の品質に悪影響を与える。

インクジェット式プリンタの製造業者は、インクジェット式ノズルの孔が特定の加工物形状に合致することを求める。孔の計測単位（例えば入口直径、出口直径、出口孔深さおよびテーパー角度）および孔の形状（例えば、テーパー状の円筒形出口孔）は、製品の品質および最終的なアプリケーションの作動に重要である。さらに、インクジェット式ノズルの製造は、レーザ切断ツールの動作、材料制御および検査の方法を設けて再現可能なサイズおよび形状を達成し、大量生産されたノズル間で一貫性を確保する必要がある。

インクジェット式ノズルのレーザ孔開けは他の孔開け方法よりも数多くの利点および利益をもたらすが、最終製品における欠陥は依然として問題である。ピコ秒レーザを用いたレーザ孔開けシステム等、現在のレーザ孔開けシステムは依然として最終製品においてバリやノッチ等の欠陥を生ずる。出口孔のサイズと平滑度の測面はインクジェット式ノズルの性能が受け入れ可能かどうかにとって重要であるので、これらの欠陥は出口孔において特に有害である。バリまたはノッチはインクの高速吐出を制限する原因となり、１ドットあたりのインクの位置および量を変動させるので、バリおよびノッチは印刷の質を下げる。短パルスで低エネルギーのレーザを利用した現在の多くのレーザ孔開け技術は、従来のトレパニング（例えば円形パターンを切ってコアを除去し、孔を残す方法）を用いて出口孔を形成している。このトレパニング方法は、予測不可能なノッチやバリがさもなければ円筒形となるはずの出口孔に形成される原因となる。

上記したように、このノッチやバリは印刷の品質へ悪影響を与えるため望ましくない。インクジェット式ノズルをレーザ孔開けする際のこれらの欠陥を最小限にして、製造されたインクジェット式ノズルの品質と一貫性を高めることが必要である。本発明は、この必要性に対する解決策を提供する。

本発明によると、インクジェット式ノズル製造用の加工物に開口をレーザ切削する方法は、所望の開口の外周線より内側で、外周線を実質上最初にアブレーションしないように外周線から十分に距離が離れた一点において、レーザビームで加工物の表面を最初に照射する工程を含む。レーザビームは、外周線を変形させないように制御された可変の速度でほぼ外周線の方向に駆動される。加工物の材料は外周線内の材料をほぼ除去するよう設計されたパターンでアブレーションされ、それによって開口が形成される。

本発明によりいくつかの利点がもたらされる。インクジェット式プリンタの印刷品質が概して改善されるとともにインクジェット式ノズルを製造する質および一貫性も改善される。インクジェット式ノズルの孔をレーザ孔開けする際の欠陥が最小限に抑制される。ノッチ形成を解消することによってインクジェット式ノズルに再現可能な出口孔が実現される。また、本発明の方法および装置によれば、その方法が現在採用されている装置を用いて実施され、多くの場合レーザ孔開け装置の従来の部品にツールが追加される必要がない限り、インクジェット式ノズルの製造にかかる費用はほとんど追加されない。

本発明を適用できるさらなる領域は、以下の詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明と具体例は、本発明の好ましい実施形態を示すものであるが、単に例示のためであって本発明の請求範囲を限定するものではないことが理解されなければならない。

本発明は詳細な説明および添付の図面から十分に理解されよう。

以下の好ましい実施形態の記載は本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物または用途を制限することは何ら意図されていない。

概略すると、本発明の一実施形態は、レーザ孔開け装置を用いて出口孔の半径Ｂよりも小さい半径Ａで加工物に孔を抜き、レーザを出口孔の直径に向かって移動させ、出口孔の直径周りを旋回させることによって、要求された形状仕様に合う再現可能な出口孔を作る方法を提供する。別の実施形態において、本発明を概略すると、孔から最終的に除去される塊の総量Ｙよりも少ない最初の塊Ｘが孔から除去され、その後、残った塊Ｙ−Ｘが除去される。全ての切断実行時に、その要求仕様は、（切取端縁を切る際にレーザが辿る）理想的な外周線と実際の切取端縁が所定のしきい値（または公差が外周線に沿って修正される場合にはしきい関数）の範囲内でほぼ一致するように意図されているので、出口孔または他の孔の性能において受け入れ可能な品質が十分に実現される。

上記２つの実施形態は、「ツナ缶効果」、すなわち出口孔の単一のバリまたはノッチの原因を取り巻く２つの異なった理論の解決を反映している。１つの理論は、レーザビームが最初に出口孔外周線位置で材料を「孔抜きする」地点でノッチまたはバリが生じることである。孔抜きが外周線上に位置しない地点（例えば出口孔の完成後の直径よりも小さい地点）で行われるよう制御される限り、概略した第１実施形態の孔抜きがこの理論を解決して、ノッチがなくなる。第２の理論は、レーザビームが出口孔を孔開けし、出口孔領域の区画から材料を次第に除去してゆき、アブレーションされる材料の塊が最後に出口孔に凸凹した破断やノッチを引き起こす際にバリやノッチが生じることである。最終仕上げ工程より前に材料の一部が出口孔から除去される限り、概略した第２実施形態がこの理論を解決して、出口孔が最終直径で完成される際には、塊の量が既に低減されているのでノッチのサイズが最小限に抑えられるかまたはノッチが全くない。両実施形態において、切断ビームで切り込まれる際に加工物から材料のアブレーション速度を測定することを利用して、任意の時点における材料除去速度が求められる。切断ビームが加工物に下孔を切り入れる際には、材料のアブレーション速度およびレーザのスポットサイズが切取端縁の歪みをしきい値（切取端縁の不完全度に関する所定の公差）未満まで最小限に抑えるように、抜き孔の位置は、外周線から距離を置いた除去される材料部分内に設定されなければならない。切断ビームが加工物を次第に切り込んでゆく際には、材料のアブレーション速度およびレーザのスポットサイズが切取端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、外周線から十分に離れたレーザビーム経路が設定されなければならない。切断ビームが加工物を次第に切り込んでゆく際には、材料のアブレーション速度およびレーザのスポットサイズが切取端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、切断ビームを外周線に対するビームの位置の関数としてビーム経路に沿って移動させるビーム進行速度関数が効果的に求められなければならない。

ここで本実施形態における具体的な詳細に移る。図１は、図示のように配置されるレーザ１０５と、ビーム１０７と、第１のミラー１０８と、第２のミラー１１７と、第３のミラー１２１と、第４のミラー１２２と、シャッタ１１０と、減衰器１１５と、ビーム拡大器１２０と、回転式半波長板１２５と、走査ミラー１３０と、走査レンズ１４０と加工物１５５とを含むレーザ孔開け装置１００の概略図を示す。一実施形態において、レーザ１０５はピコ秒レーザ装置である。

動作時には、レーザ１０５は、レーザ１０５と加工物１５５との間の光路に沿ってビーム１０７を放出する。ビーム１０７は、光路に沿って伝搬し、第１のミラー１０８に入射する。第１のミラー１０８は、光路に沿ってビーム１０７の向きを変更し、ビームはシャッタ１１０に入射する。シャッタ１１０は、加工物材料を選択的に照射するよう開閉する。ビーム１０７はシャッタ１１０を出て、光路に沿って減衰器１１５まで伝搬する。減衰器１１５は、アブレーションパラメータを精密に制御するために、レーザ１０５のエネルギーを減衰させる。ビーム１０７は減衰器１１５を出て、光路に沿って伝搬し、第２のミラー１１７に入射する。第２のミラー１１７は、光路に沿ってビーム１０７の向きを変更し、ビームはビーム拡大器１２０に入射する。

ビーム拡大器１２０はビーム１０７の大きさを拡大して、走査レンズ１４０の瞳径と合致させる。ビーム１０７は、ビーム拡大器１２０を出て光路に沿って伝搬し、第３のミラー１２１に入射する。第３のミラー１２１は、光路に沿ってビーム１０７の向きを変更し、ビーム１０７は、第４のミラー１２２に入射する。第４のミラー１２２は、光路に沿ってビーム１０７の向きを変更し、ビーム１０７は、回転式半波長板１２５に入射する。回転式半波長板１２５はビーム１０７の偏向状態を変える。回転式半波長板１２５を出ると、ビーム１０７は光路に沿って伝搬し、走査ミラー１３０に入射する。

走査ミラー１３０は、加工物１５５に孔を開けるために制御コンピュータ（図示されていないが明らかである）によってリアルタイムで実行中の切削アルゴリズムを用いて、所定のパターンで動く。走査ミラー１３０は、光路に沿ってビーム１０７の向きを変更し、ビーム１０７は走査レンズ１４０に入射する。走査レンズ１４０は、加工物１５５上のビーム１０７のスポットサイズを決定する。ビーム１０７は走査レンズ１４０を出て、光路に沿って伝搬し、加工物１５５に入射する。ビーム１０７は、所定の切削アルゴリズムに従うパターンで加工物１５５をアブレーションする。切削アルゴリズムは、コンピュータ（図示せず）を用いて規定され、レーザ孔開け装置１００と通信する。コンピュータは、切削アルゴリズムで指定されたパラメータに従って、信号をシャッタ１１０および走査ミラー１３０に送信する。

図２は、加工物１５５と、外径２６０と、出口孔直径２８０と出口孔深さ２９０とを含む加工物形状２００を、断面図として示す。

加工物形状２００は、レーザ孔開け装置１００を用いて孔開けされるインクジェット式ノズルの円錐形の孔の断面である。しかしながら、加工物形状２００は一実施形態として与えられているのであって、本発明はこの形状で使用することに限定されない。

外径２６０、出口孔直径２８０、出口孔深さ２９０などの加工物形状２００の具体的なパラメータは、インクジェット式カートリッジ製造業者の要求に応じて指定される寸法である。

ここで従来技術を考察する。図３および図４は、従来のトレパニング技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成する従来技術の方法を示している。図３は図４で説明するトレパニング技術を用いて作られ、レーザビーム経路３１０と外周線３２０を有する出口孔３００を示す。外周線３２０は出口孔３００の中心点から測定された半径によって規定される。

明確にするため、レーザビーム経路３１０と外周線３２０との間の距離は２０μｍに及ぶ大きさであってもよい。レーザビーム経路３１０と外周線３２０との間の実際の距離は、所定の加工物形状に合うように、レーザビーム１０７のスポットサイズおよびアブレーション速度（特定の時間内にレーザビーム１０７によって除去される材料の量）に従って設定される。

図４は、従来のトレパニング技術を用いたインクジェット式ノズルの出口孔を完成する方法４００を示す。該方法は次のステップを含む。

レーザビームの横速度を低減するステップ４１０において、レーザビーム１０７の横速度（角速度のスカラー成分）が、成形孔を切削するのに用いられる速度から円筒形の出口孔３００を完成するのに用いられるより遅い速度まで５０ないし９０％低減される。速度がより遅いほど、円筒形の孔の形状がより精密になる傾向がある。一実施形態においては、ノズル孔および円筒形出口孔３００は、図２に示されるように、加工物形状２００にしたがって成形される。

出口孔外周線をトレパニングするステップ４２０において、レーザビーム１０７は、レーザビーム径路３１０より内側の材料を分離させるのに十分な材料がアブレーションされるまで、外周線３２０で繰り返し旋回される。この結果、出口孔３００は所定の加工物形状に合う半径を有する。

図５は、上記先行技術方法によるインクジェット式ノズル孔を孔開けした実際の結果とノッチを示すために、ノッチ発生問題を有したインクジェト式ノズル孔の写真から得られた画像を示す。出口孔５０２のノッチ５０１に留意されたい。

ここで本発明にかかる実施形態の説明に移ると、どのような形状が加工物１５５に孔開けされるかを規定する切削アルゴリズムに重要な改善点が組み込まれている。

好ましい実施形態の説明の冒頭の概略で述べたように、本発明は、レーザ孔開け装置を用いて要求された形状仕様を満たす再現可能な出口孔を作る際の考慮点を提供している。これらの考慮点は、「ツナ缶効果」、すなわち仕上げの際の出口孔における単一のバリまたはノッチの原因を取り巻く２つの異なった理論に基づく。

第１の考慮点によれば、レーザビーム１０７が最初に出口孔外周線位置で材料を「孔抜き」する（ビーム１０７が加工物１５５の全深さに到達し、最初に貫通するときの）地点で起こる出口孔のノッチまたはバリが解消される。孔抜きは、外周線上に位置しない一点（例えば、出口孔の完成後の直径よりも小さい一点）で行われるように制御されるので、ノッチが除去される。

第２の考慮点によれば、レーザビーム１０７が出口孔を孔開けし、出口孔領域の区画から材料を徐々に取り除いてゆき、アブレーションされる材料の塊が最後に出口孔で凸凹した破断やノッチを引き起こす際に生成されるバリまたはノッチが除去される。この第２の方法は、最終仕上げ工程より前に出口孔から材料の一部を除去することを伴うので、出口孔が最終直径で完成する際には、塊の量が既に削減されており、ノッチのサイズが最小限に抑制されるかまたはノッチが全くない。

図６および図７は、さらに詳細に、孔抜き螺旋移動技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成する方法を示している。図６は、図７で説明する孔抜き螺旋移動技術によって作られ、始点６１０とレーザビーム経路６２０と外周線６３０を有する出口孔６００を示す。

明確にするため、レーザビーム経路６２０と外周線６３０との間の距離は２０μｍに及ぶ大きさであってもよい。レーザビーム経路６２０と外周線６３０との実際の距離は、所定の加工物形状に合うように、レーザビーム１０７のスポットサイズとアブレーション速度（特定時間内でレーザビーム１０７によって除去される材料の量）に従って設定される。

図７は、孔抜き螺旋移動技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成する方法７００を示す。

出口孔６００の中心で加工物を孔抜きするステップ７１０において、レーザビーム１０７は加工物１５５を孔抜きするまで出口孔６００の中心に集光される。

出口孔外周線まで外側に螺旋移動させるステップ７２０において、レーザビーム１０７は、０．１秒／回転ないし１秒／回転の速度で、中心点の始点６１０から出口孔外周線６３０までレーザビーム経路６２０に沿って徐々に螺旋状に移動させられる。レーザビーム１０７が螺旋移動するにつれて、加工物１５５材料がアブレーションされて、レーザビーム経路６２０より内側の材料が分離し、レーザビーム１０７が外周線６３０に到達するまで出口孔６００が広がってゆく。

出口孔外周線で旋回させるステップ７３０において、レーザビーム１０７は０．１秒／回転ないし１秒／回転の速度で外周線６３０で旋回させられ、円形の外周線６３０を有する出口孔６００が出来あがる。

ビーム１０７の位置を基準とする、外周線６３０を形成する点の軌道上の各位置に対するビーム１０７の詳細な瞬間進行速度は、外周線６３０回りの進行に関して決められる。したがって、ステップ７２０，７３０は、切断ビーム１０７を外周線６３０に対するビーム１０７の位置の関数としての、ビーム経路に沿って移動させるビーム進行速度関数に従って進む。その結果、切断ビーム１０７がノズル板本体に徐々に切り込んでゆく際に、材料のアブレーション速度およびスポットサイズが出口孔６００の端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑制する。そのような関数は加工物１１５の個別の設計向けにまず実験的に決定され、その後その関数はビーム１０７を制御するコンピュータの制御プログラムで表されるかビーム１０７を動作する技術者に教示される。他の実施形態においては、上記関数は電気制御回路または機械カムの設計に盛り込まれる。

方法７００によれば、有害な孔抜きが外周線６３０より内側の離れた地点で生じるので、レーザビーム１０７の孔抜きによって発生する最終出口孔６００のバリやノッチが解消される。

別の実施形態において、図８および図９は孔抜き低速旋回技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成させる方法を示している。図８は、図９で説明する孔抜き低速旋回技術を用いて作られ、始点８１０とレーザビーム経路８２０と外周線８３０を有する出口孔８００を示す。

明確にするため、レーザビーム経路８２０と外周線８３０との間の距離は２０μｍに及ぶ大きさであってもよい。レーザビーム経路８２０と外周線８３０との間の実際の距離は、所定の加工物形状に合うように、レーザビーム１０７のスポットサイズとアブレーション速度、（特定時間内にレーザビーム１０７によって取り除かれる材料の量または切断サイクルにおける時間の関数として）にしたがって設定される。

図９は、孔抜き低速旋回技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成させる方法９００を示す。

出口孔外周線より内側で加工物を孔抜きするステップ９１０において、レーザビーム１０７は出口孔８００の外周線８３０内の一点に位置する始点８１０上に集光し、加工物１５５を孔抜きする。

レーザビームを出口孔外周線上の点まで移動させるステップ９２０において、レーザビーム１０７は始点８１０から外周線８３０の一点まで動かされる。

減速した速度でレーザを出口孔外周線で旋回させるステップ９３０において、レーザビーム１０７は、レーザビーム経路８２０より内側の材料を分離させるのに十分な材料がアブレーションされるまで０．１秒／回転ないし１秒／回転の速度で、外周線８３０でゆっくりと旋回される。この結果、出口孔８００は、しきい値によって規定された所定の公差の範囲内で所定の加工物形状に合う半径を有する。レーザビーム径路８２０はレーザビーム１０７が出口孔外周線８３０で３６０度を成すまで続く。

方法９００によれば、有害なレーザビーム１０７の孔抜きが外周線８３０より内側の離れた地点で生じるので、孔抜きによって発生する最終出口孔８００のバリやノッチが解消される。

さらに別の実施形態を示すと、図１０および図１１は２パストレパニング技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成させる方法を示す。図１０は、図１１で説明する２パストレパニング技術を用いて作られ、レーザビーム経路１０１０とレーザビーム経路１０２０と外周線１０３０を有する出口孔１０００を示す。

図１１は、２パストレパニング技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成させる方法１１００を示す。上記方法は次のステップを含む。

出口孔外周線より短い周囲長でトレパニングするステップ１１１０において、レーザビーム１０７は、レーザビーム経路１０１０より内側の材料を分離させるのに十分な材料がアブレーションされるまで、０．１秒／回転ないし１秒／回転の速度でレーザビーム経路１０１０で繰り返し旋回される。

出口孔外周線でトレパニングするステップ１１２０において、レーザビーム１０７は、レーザビーム経路１０２０内の材料を分離させるのに十分な材料がアブレーションされるまで０．１秒／回転ないし１秒／回転の速度で外周線１０３０で繰り返し旋回される。この結果、出口孔１０００は所定の加工物形状に合う半径を有する。

方法１１００によると、最終仕上げ工程の前に材料の一部が出口孔１０００から除去されるので、出口孔１０００にノッチまたはバリを発生させる出口孔１０００材料の塊によって生じる最終出口孔１０００のバリまたはノッチが解消される。その結果、出口孔１０００が最終直径で完成される際には、塊の量が低減されて、ノッチの大きさが最小限に抑えられるかまたはノッチが全くない。

上記の各方法は、エッチング可能な材料層をノズル板本体のビーム出口面に固定し、ノズル板本体を貫いてノズル板本体とエッチング可能な材料との間の界面まで切り抜くように連続した切り込みを制御し、切断ビームがビーム経路を完全に通過し終えた後、エッチング可能な材料をエッチ除去することによって、別の実施形態においてさらに補強される（本明細書で背景技術を論じる際に参照した米国特許第６，０２３，０４１号明細書および欧州特許第ＥＰ０８６７２９４号明細書の記述を参照のこと）。

インクジェットヘッドのノズル板は、図１２および図１３でさらに詳説するように、本発明のレーザ孔開け装置を用いて形成されてもよい。

図１２に示すように、インクジェット式プリンタ１２４０は圧力生成器を介して記録媒体１２４２上に記録可能なインクジェットヘッド１２４１を有する。インクジェットヘッド１２４１から吐出されたインク液滴はコピー用紙等の記録媒体１２４２上に付着されて、記録媒体１２４２上への記録を行うことができる。インクジェットヘッド１２４１はキャリッジ軸１２４３に沿って往復移動することができるキャリッジ１２４４上に取り付けられている。より具体的には、インクジェットヘッド１２４１は、キャリッジ軸１２４３に平行な主走査方向Ｘに往復移動可能に構成されている。記録媒体１２４２は、ローラ１２４５によって副走査方向Ｙに適宜送られる。インクジェットヘッド１２４１および記録媒体１２４２はローラー１２４５によって相対的に動かされる。

ここで図１３に移ると、インクジェットヘッド１２４１がさらに詳細に示されている。圧力生成器１３０４は、圧電性の装置、熱による装置および／または等価の装置であることが好ましい。本実施形態では、圧力生成器１３０４は、上部電極１３０１と圧電素子１３０２と下部電極１３０３とを備えた圧電性装置に相当している。ノズル板１３１４（加工物１５５の例）はノズル基板１３１２と撥水層１３１３を備えている。ノズル基板１３１２は、金属、樹脂および／または等価な材料でできている。撥水層は、フッ素樹脂またはシリコン樹脂でできている。本実施形態では、ノズル基板１３１２はステンレス鋼でできていて、５０μｍの厚みを有し、撥水層はフッ素樹脂でできていて、０．１μｍの厚みを有する。インクジェットのインクが、インク供給路１３０９と圧力室１３０５とインク通路１３１１とノズル１３１０に充填されている。圧力生成器１３０４が圧力室部品１３０６を押圧すると、インク液滴１３２０がノズル１３１０から吐出される。

本発明の結果、ノズル板にバリや異物（カーボン等）のない非常に優れたノズルが形成される。また、ノズル出口径の精度は２０μｍ±１．５μｍ（２０μｍ直径のノズル出口の外周と切取端縁との間の公差にとって好ましい所定の受け入れ可能なしきい値）である。

以上から、本発明によると、レーザを用いてインクジェット式ノズルの出口孔を切削する際に格別に価値のあるレーザ切断ツールを用いて加工物から一部を除去する装置および方法が提供されることが理解されよう。本発明は現時点で好ましい形態において説明されてきたが、特許請求の範囲で述べられた本発明の精神から逸脱することなしに本発明に対して何らかの変更を行い得ることが理解されよう。

本発明の説明は本質的に例示に過ぎず、ゆえに本発明の主旨から逸脱しない種々の変形は本発明の範囲内にあることが意図されている。そのような変形は本発明の精神および範囲から逸脱しないものと見なされるべきである。

レーザ孔開け装置の概略図である。レーザ孔開け装置を用いて孔開けされた典型的な加工物形状の断面詳細を示す図である。従来のトレパニング技術を用いて完成された出口孔を示す図である。従来のトレパニング技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成する先行技術方法を示す図である。ノッチ発生問題を有するインクジェット式ノズル孔の写真から得られた画像を示す。孔抜き螺旋移動技術を用いて完成された出口孔を示す図である。孔抜き螺旋移動技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成する方法を示す図である。孔抜き低速旋回技術を用いて完成された出口孔を示す図である。孔抜き低速旋回技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成する方法を示す図である。２パストレパニング技術を用いて完成された出口孔を示す図である。２パストレパニング技術を用いてインクジェット式ノズルの出口孔を完成する方法を示す図である。インクジェット式プリンタの主要構成部品を示す斜視図である。インクジェットヘッドの概略断面図である。

Claims

インクジェット式ノズル製造用の加工物に開口をレーザ切削する方法であって、
所望の開口の外周線より内側で、上記外周線を実質上最初にアブレーションしないように上記外周線から十分に離れた一点でレーザビームを用いて上記加工物の表面を最初に照射する工程と、
上記外周線が変形しないよう制御された可変速度で、ほぼ上記外周線の方向に上記レーザビームを駆動する工程と、
上記外周線内の材料をほぼ取り除くよう設計されたパターンで上記加工物の材料をアブレーションすることによって上記開口を形成する工程とを含む方法。
上記加工物の材料のアブレーション速度の関数として、および上記レーザビームのスポットサイズの関数として最短距離を算出する工程と、
上記所望の開口の外周線より内側で上記外周線から少なくとも上記最短距離だけ離れた一点で、上記レーザビームを用いて上記加工物の表面を最初に照射する工程とをさらに含む請求項１記載の方法。
上記レーザビームによって照射される際に上記加工物を構成する上記材料のアブレーション速度を実験的に求める工程をさらに含む請求項２記載の方法。
同様の孔開け動作の結果に基づいて上記外周線の内側で上記加工物の表面上に最初に照射する安全領域を実験的に特定する工程と、
上記実験的に特定された安全領域内の一点で上記レーザビームを用いて上記加工物の表面を最初に照射する工程とをさらに含む請求項１記載の方法。
上記所望の開口が出口孔に相当しており、
上記出口孔の中心点で上記加工物を孔抜きする工程と、
上記レーザビームを上記出口孔の外周線に向かって外側へ螺旋状に移動させる工程と、
上記出口孔の外周線で上記レーザを旋回させる工程とを含む請求項１記載の方法。
上記所望の開口は出口孔に相当しており、
上記出口孔の外周線より内側の一点で上記加工物を孔抜きする工程と、
上記レーザビームを第１の速度で上記出口孔の外周線上の一点に移動させる工程と、
上記第１の速度よりも遅い第２の速度で上記出口孔の外周線で上記レーザを旋回させる工程とを含む請求項１記載の方法。
上記所望の開口は出口孔に相当しており、
上記出口孔外周線より小さい直径でトレパニングする工程と、
上記出口孔外周線でトレパニングする工程とを含む請求項１記載の方法。
上記所望の開口はインクジェット式ノズル用の出口孔に相当する請求項１記載の方法。
上記加工物は、インクジェットヘッド用ノズル板に相当する請求項５記載の方法。
インクジェットヘッドを製造する方法であって、
請求項９の方法にかかる上記加工物内に上記開口を形成する工程と、
上記加工物を、インク通路と圧力室と圧力生成器とを有するインクジェットヘッド本体に作動連結する工程とを含む方法。
スポットサイズを有する切断ビームを供給するレーザ切断ツールを用いて、加工物から外側境界を規定する所定の外周線とそれに相当する加工物の切取端縁とを有する、上記加工物の一部を取り除く方法であって、
上記切断ビームによって切り込まれる際に上記加工物から材料のアブレーション速度を求める工程と、
上記切断ビームが上記加工物に下孔を切り入れる際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記切取端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記加工物の一部内で上記外周線から距離を置いて抜き孔位置を設定する工程と、
上記切断ビームが上記加工物を次第に切り込んでゆく際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記切取端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記外周線から距離を置いたレーザビーム経路を設定する工程と、
上記切断ビームが上記加工物を次第に切り込んでゆく際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記切取端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記切断ビームを上記外周線に対するビームの位置の関数として上記ビーム経路に沿って移動させるビーム進行速度関数を設定する工程と、
上記切断ビームが上記ビーム経路を通過した後、上記加工物の一部が上記加工物から切断されるように、上記レーザ切断ツールを作動させて上記抜き孔位置で抜き孔を孔開けし、その後上記進行速度関数に従って上記ビーム経路に沿って上記加工物をほぼ連続して切り込む工程とを含む方法。
上記ビーム経路は、上記切断ビームが上記加工物の一部から上記材料を次第に取り除くように、上記外周線に向かって収束しながら材料を除去させる請求項１１記載の方法。
上記収束しながらの材料除去は、
上記加工物の一部のさらに一部を取り除く工程と、
上記外周線に収束するよう上記加工物の一部の残りを次第に除去する工程とによって進行する請求項１２記載の方法。
螺旋状に進行するビーム経路を用いて除去が達成される請求項１２記載の方法。
上記ビームは、トレパニングの進行に従って移動する請求項１１記載の方法。
上記レーザ切断ツールを作動するようリアルタイム制御のコンピュータを設ける工程と、
上記抜き孔位置と、上記ビーム経路と、上記ビーム進行速度関数とに従って、上記切断ビームを制御するように上記コンピュータをプログラムする工程とをさらに含む請求項１１記載の方法。
上記加工物はビーム入口表面とビーム出口表面とを有しており、
エッチング可能な材料層を上記加工物の上記ビーム出口表面に固定する工程と、
上記加工物を貫いて、上記加工物と上記エッチング可能な材料との間の界面まで切り抜くよう上記連続した切り込みを制御する工程と、
上記切断ビームが上記ビーム経路を完全に通過した後、上記エッチング可能な材料をエッチ除去する工程とをさらに含む請求項１１記載の方法。
スポットサイズを有する切断ビームを供給するレーザ切断ツールを用いて、インクジェット式ノズルのノズルプレート本体に、端縁の位置を規定する所定の外周線を有する放出開口を切開する方法であって、
上記切断ビームによって切り込まれる際に上記ノズルプレート本体から材料のアブレーション速度を求める工程と、
上記切断ビームが上記ノズルプレート本体に下孔を切り入れる際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記ノズルプレート本体内でかつ上記外周線から距離を置いた上記外周線より内側位置に抜き孔位置を設定する工程と、
上記切断ビームが上記ノズルプレート本体を次第に切り込んでゆく際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記外周線から距離を置いたレーザビーム経路を設定する工程と、
上記切断ビームが上記ノズルプレート本体を次第に切り込んでゆく際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記切断ビームを上記外周線に対するビームの位置の関数として上記ビーム経路に沿って移動させるビーム進行速度関数を設定する工程と、
上記切断ビームが上記ビーム経路を通過した後、上記開口が上記ノズルプレート本体に切開されるように、上記レーザ切断ツールを作動させて上記抜き孔位置で上記ノズルプレート本体に抜き孔を孔開けし、その後上記進行速度関数に従って上記ビーム経路に沿って上記ノズルプレート本体をほぼ連続して切り込む工程とを含む方法。
上記ビーム経路は、上記切断ビームが上記ノズルプレート本体から上記材料を次第に取り除くように、上記外周線に向かって収束しながら材料を除去させる請求項１８記載の方法。
上記収束しながらの材料除去は、
上記ノズルプレート本体の第１部分を取り除く工程と、
上記ノズルプレート本体の上記外周線に収束することにより上記開口を設けるように上記外周線内の上記ノズルプレート本体の残りを次第に除去する工程とによって進行する請求項１９記載の方法。
螺旋状に進行するビーム経路を用いて除去が達成される請求項１９記載の方法。
上記ビームは、トレパニングの進行に従って移動する請求項１８記載の方法。
上記レーザ切断ツールを作動するようリアルタイム制御のコンピュータを設ける工程と、
上記抜き孔位置と、上記ビーム経路と、上記ビーム進行速度関数とに従って、上記切断ビームを制御するように上記コンピュータをプログラムする工程とをさらに含む請求項１８記載の方法。
上記ノズルプレート本体はビーム入口表面とビーム出口表面とを有しており、
エッチング可能な材料層を上記ノズルプレート本体の上記ビーム出口表面に固定する工程と、
上記ノズルプレート本体を貫いて、上記ノズルプレート本体と上記エッチング可能な材料との間の界面まで切り抜くよう上記連続した切り込みを制御する工程と、
上記切断ビームが上記ビーム経路を完全に通過した後、上記エッチング可能な材料をエッチ除去する工程とをさらに含む請求項１８記載の方法。
スポットサイズを有する切断ビームを供給するレーザ切断ツールを用いてインクジェット式ノズルのノズルプレート本体に、端縁を規定する所定の外周線を有する放出開口を切開する方法によって作られたインクジェット式ノズルであって、上記方法は、
上記切断ビームによって切り込まれる際に上記ノズルプレート本体から材料のアブレーション速度を求める工程と、
上記切断ビームが上記ノズルプレート本体に下孔を切り入れる際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記外周線から距離を置いたノズルプレート本体内の抜き孔位置を設定する工程と、
上記切断ビームが上記ノズルプレート本体を次第に切り込んでゆく際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記外周線から距離を置いたレーザビーム経路を設定する工程と、
上記切断ビームが上記ノズルプレート本体を次第に切り込んでゆく際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記切断ビームを上記外周線に対するビームの位置の関数として上記ビーム経路に沿って移動させるビーム進行速度関数を設定する工程と、
上記切断ビームが上記ビーム経路を通過した後、上記加工物の一部が上記ノズルプレート本体から切開されるように、上記レーザ切断ツールを作動させて上記抜き孔位置で上記ノズルプレート本体に抜き孔を孔開けし、その後上記進行速度関数に従って上記ビーム経路に沿って上記ノズルプレート本体をほぼ連続して切り込む工程とを含んでいるインクジェット式ノズル。
上記ビーム経路は、上記切断ビームが上記ノズルプレート本体から上記材料を次第に取り除くように、上記外周線に向かって収束しながら材料を除去させる請求項２５記載の方法によって作られるノズル。
上記収束しながらの材料除去は、
上記ノズルプレート本体の第１部分を取り除く工程と、
上記外周線に収束することにより上記開口を設けるように上記外周線内の上記ノズルプレート本体の残りを次第に除去する工程とによって進行する請求項２６記載の方法によって作られるノズル。
螺旋状に進行するビーム経路を用いて除去が達成される請求項２６記載の方法によって作られるノズル。
上記ビームは、トレパニングの進行に従って移動する請求項２５記載の方法によって作られるノズル。
上記レーザ切断ツールを作動するようリアルタイム制御のコンピュータを設ける工程と、
上記抜き孔位置と、上記ビーム経路と、上記ビーム進行速度関数とに従って、上記切断ビームを制御するように上記コンピュータをプログラムする工程とをさらに含む請求項２５記載の方法によって作られるノズル。
上記ノズルプレート本体はビーム入口表面とビーム出口表面とを有しており、
エッチング可能な材料層を上記ノズルプレート本体の上記ビーム出口表面に固定する工程と、
上記ノズルプレート本体を貫いて、上記ノズルプレート本体と上記エッチング可能な材料との間の界面まで切り抜くよう上記連続した切り込みを制御する工程と、
上記切断ビームが上記ビーム経路を完全に通過した後、上記エッチング可能な材料をエッチ除去する工程とをさらに含む請求項２５記載の方法によって作られるノズル。
スポットサイズを有する切断ビームを供給するレーザ切断ツールを用いて、加工物から外側境界を規定する所定の外周線とそれに相当する加工物の切取端縁とを有する、上記加工物の一部を取り除くためのコンピュータ実装型レーザ切断装置であって、
上記切断ビームによって切り込まれる際に上記加工物から材料のアブレーション速度を求めるコンピュータで実行可能なロジックと、
上記切断ビームが上記加工物に下孔を切り入れる際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記切取端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記加工物の一部内で上記外周線から距離を置いて抜き孔位置を設定するコンピュータで実行可能なロジックと、
上記切断ビームが上記加工物を次第に切り込んでゆく際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記切取端の歪みを上記所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記外周線から距離を置いたレーザビーム経路を設定するコンピュータで実行可能なロジックと、
上記切断ビームが上記加工物を次第に切り込んでゆく際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記切取端の歪みを上記所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記切断ビームを上記外周線に対するビームの位置の関数として上記ビーム経路に沿って移動させるビーム進行速度関数を設定するコンピュータで実行可能なロジックと、
上記切断ビームが上記ビーム経路を通過した後、上記加工物の一部が上記加工物から切断されるように、上記レーザ切断ツールを作動させて上記抜き孔位置で抜き孔を孔開けし、その後上記進行速度関数に従って上記ビーム経路に沿って上記加工物をほぼ連続して切り込むコンピュータで実行可能なロジックとを備え、
上記レーザ切断ツールを作動させるコンピュータで実行可能なロジックは、上記抜き孔位置を設定する上記コンピュータで実行可能なロジックと、上記レーザビーム経路を設定する上記コンピュータで実行可能なロジックと、上記ビーム進行速度関数を設定する上記コンピュータで実行可能なロジックとデータ通信で連係して上記ツールを作動させるコンピュータ実装型レーザ切断装置。
スポットサイズを有する切断ビームを供給するレーザ切断ツールを用いて、加工物から外側境界を規定する所定の外周線とそれに相当し所定のしきい値未満の範囲内の切取端縁を有する、上記加工物の一部を取り除くためのコンピュータ実装型レーザ切断装置であって、
上記切断ビームによって切り込まれる際に上記加工物から材料のアブレーション速度を求める手段と、
上記切断ビームが上記加工物に下孔を切り入れる際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記切取端縁の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記加工物の一部内で上記外周線から距離を置いて抜き孔位置を設定する手段と、
上記切断ビームが上記加工物を次第に切り込んでゆく際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記切取端の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記外周線から距離を置いたレーザビーム経路を設定する手段と、
上記切断ビームが上記加工物を次第に切り込んでゆく際に、上記材料のアブレーション速度と上記スポットサイズが上記切取端の歪みを所定のしきい値未満まで最小限に抑えるように、上記切断ビームを上記外周線に対するビームの位置の関数として上記ビーム経路に沿って移動させるビーム進行速度関数を設定する手段と、
上記切断ビームが上記ビーム経路を通過した後、上記加工物の一部が上記加工物から切断されるように、上記レーザ切断ツールを作動させて上記抜き孔位置で抜き孔を孔開けし、その後上記進行速度関数に従って上記ビーム経路に沿って上記加工物をほぼ連続して切り込む手段とを備え、
上記レーザ切断ツールを作動させる手段は、上記抜き孔位置設定手段と上記レーザビーム経路設定手段と上記ビーム進行速度関数設定手段とデータ通信を行って作動させるコンピュータ実装型レーザ切断装置。