JP2008188618A

JP2008188618A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置、インクジェットノズル及びインクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP2008188618A
Application number: JP2007024445A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Morimoto; 弘之森本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2008-08-21

Abstract

【課題】インクジェットプリンタのインク吐出ノズル穴等、レーザを用いた微小穴貫通加工において、穴貫通時に噴出する加工残存物が、被加工物に付着することを防止する。
【解決手段】
被加工物にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、マスクおよびレンズの光学素子を用いてレーザ光を所定の形状に整形するレーザ光整形手段と、レーザ光を透過する窓を有し、内部を外気から遮断して所定の加工雰囲気に保つ加工容器と、前記加工容器内に所定種の気体を導入する気体導入手段と、該加工容器内に所定の圧力に保つ圧力調整手段と、前記加工容器内に設けられ被加工物を保持する保持手段と、被加工物の位置を検出する画像処理手段と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明、レーザ加工方法、レーザ加工装置、インクジェットノズル及びインクジェット記録ヘッドに関する。

本発明は、微小穴明き部材および微小穴明き部材を用いた画像形成装置に関する。ここで微小穴明き部材としては、例えば各種電子機器に用いられる基板等が含まれる。また画像形成装置としては、例えばインクジェットプリンタ、電子写真複写機、レーザビームプリンタ、ＬＥＤプリンタ、ワードプロセッサおよびファクシミリ装置等が含まれる。

前記微小穴明き部材を製作するために、例えばインクジェットプリンタのノズル穴形成においては、レーザ光をレンズ等の光学系を用いて被加工面上に微小スポットに集光し、被加工物に微小穴を貫通させる手段がとられている。
特開平６−７９４８６号公報特開平６−２９７１８０号公報

例えば上記インクジェットプリンタのノズル穴形成において、被加工物上に照射されたレーザ光は、多光子吸収によりアブショーション加工され、１パルス毎にほぼ一定の深さで除去されていく。しかしながら、すすや被加工物より発生するガス、被加工物の微小融解物等の加工残存物が発生し、穴貫通時にレーザ入射方向と反対側に飛散せずに、加工穴周辺に再付着する性質がある（図１）。これは、穴貫通時にレーザ入射方向と反対側に飛び出した微粒子（加工残存物）が、大気を構成する分子に衝突して押し戻され、被加工物表面に再付着するためである。

例えば上記インクジェットプリンタのノズル部材は、インクの付着を防ぎ、インクの吐出を安定させるために撥水処理が施されているが、前記加工残存物が生じると、その開口部の縁部は不規則な形状となる事に加え、加工残存物が親水性であるために、インクジェットヘッドの完成時においてインクの吐出に悪影響を与え、印字品質の低下を招くという問題がある。

これらの加工残存物は、例えば補助ガス等を吹き付けながら加工することにより軽減できるが、完全に除去することは難しい。また、特許公開公報「特開平６−７９４８６」の様に、被加工物のレーザ照射面と反対側に固体の保護材をあてがうことにより加工残存物の付着を軽減する方法があるが、
（１）一定加工毎に保護材を交換する必要がある。

（２）被加工物と保護材の密着が不十分である場合、穴貫通時の噴出ガスが被加工物と保護材の隙間に回り込み、保護効果が発揮できない。
との問題がある。特に、被加工物が薄板等である時、被加工物はレーザ加工に伴って振動するため、（２）の問題が顕著に発生する。

また、特許公開公報「特開平６−２９７１８０」の様に、被加工物を減圧雰囲気中に保持し、加工残存物の飛散を促進させる方法があるが、この場合、ほぼ真空雰囲気であるために大気を構成する分子との衝突による速度の減衰がないために、図２で示す様な以下の問題が発生する。

（１）レーザ加工に伴うプラズマガスの噴出によって飛散した加工残存物２０１はレーザ光路に沿って直進し、レーザ光入射窓２０６に衝突する。これらの加工残存物２０１は真空雰囲気中では冷却＆減速されない。よって高温のまま高速にレーザ光入射窓２０６に衝突するため、窓材に食い込む様に付着し、クリーニングで除去する事ができない。その結果、レーザ光入射窓２０６のレーザ光透過率が低下し、加工不可能となるため、頻繁にレーザ入射窓２０６を交換しなければならない。「特開平６−２９７１８０」では、エキシマレーザ光を透過する材質の防着板が光路中に設けられているが、加工残存物の付着した防着板はエキシマレーザ光の透過率を低下させるため、同様に頻繁に交換する必要が生じる。

（２）レーザ加工に伴うプラズマガスの噴出によって飛散した加工残存物２０１は真空雰囲気中では冷却＆減速されない。よって加工容器２０５の壁に衝突を繰り返しながら加工容器２０５内に拡散し、加工容器２０５内のあらゆる部分に付着する。その結果、被加工物２０３表面全面に加工残存物２０３が一様に付着し、被加工物２０３全域が親水性となる。よって、インクジェットノズル面２０４に設けられたインク吐出穴２０７周辺が親水性を有するため、インクジェットヘッドの完成時においてインクの吐出に悪影響を与え、印字品質の低下を招くという重大な問題が生じる。

上記課題を解決するために、被加工物の加工面にレーザ光を照射して、被加工物を所定形状に形成するレーザ加工方法において、前記被加工物を所定圧力のヘリウムガス雰囲気内にて保持し、前記レーザ光を被加工物に照射する。ヘリウムガスを構成するヘリウム分子は、大気を構成する各分子よりも分子量が小さい（ヘリウム分子量：８に対して、酸素分子量：３０、窒素分子量：２８、炭酸ガス分子量：４２）ために、前記穴貫通時に飛び出した加工残存物はヘリウム分子によってさほど押し戻されず、かつ真空雰囲気程飛散せずにヘリウム雰囲気中に捕捉される。また、ヘリウム分子の持つ伝熱性により、レーザ加工によって被加工物に生じる熱は直ちにヘリウム雰囲気中に放出される。加えて、酸素分子が存在しないためにレーザ加工に伴う酸化物（すす等）が発生しない。ヘリウム雰囲気によるこれらの効用は、ヘリウムガスの圧力によって調節することができ、２気圧（０．２ＭＰａ）以上で良好な効用を得ることができる。

したがって、被加工物の加工面にレーザ光を照射して、被加工物を所定形状に形成するレーザ加工方法であって、前記被加工物を所定圧力のヘリウムガス雰囲気内にて保持し、前記レーザ光を被加工物に照射することを特徴とする。

前記請求項１のレーザ加工方法において、前記請求項２の如く、前記加工雰囲気におけるヘリウムガス圧力を２気圧（０．２ＭＰａ）以上にすることにより、上記課題を解決することが可能となる。

本発明のレーザ加工方法によれば、被加工物の加工面にレーザ光を照射して、被加工物を所定形状に形成するレーザ加工方法において、前記被加工物を所定圧力のヘリウムガス雰囲気内にて保持し、前記レーザ光を被加工物に照射することにより、貫通穴加工を行う際に発生する加工残存物が分子量の小さいヘリウム分子と衝突しながら適度に飛散し、加工穴周辺への再付着を抑制することができるとともに、レーザ加工によって被加工物に生じる熱はヘリウム分子の伝熱性により直ちにヘリウム雰囲気中に放出される。ヘリウム雰囲気による上記効用は、ヘリウムガスの圧力によって調節することができ、２気圧（０．２ＭＰａ）以上で良好な効用を得ることができる。

以上説明したように、本発明のレーザ加工方法によれば、被加工物の加工面にレーザ光を照射して、被加工物を所定形状に形成するレーザ加工方法において、前記被加工物を所定圧力のヘリウムガス雰囲気内にて保持し、前記レーザ光を被加工物に照射することにより、貫通穴加工を行う際に発生する加工残存物が分子量の小さいヘリウム分子と衝突しながら適度に飛散し、加工穴周辺への再付着を抑制することができるとともに、レーザ加工によって被加工物に生じる熱はヘリウム分子の伝熱性により直ちにヘリウム雰囲気中に放出され、例えばインクジェットプリンタにおいてインクを良好に吐出するノズル穴を実現できるという、極めて顕著な効果を奏することができる。

本発明を具体的な実施例を挙げて説明する。

図３は、本発明のレーザ加工装置の一実施例を示すシステムブロック構成図である。本装置は、レーザ光を発振／射出するレーザ光射出部３０１と、レーザ光を被加工物上に集光する光学系部３０２と、被加工物の保持／取り回しを行う治具部３０３と、被加工物位置を計測する画像処理部３０４と、及び上記装置類の動作を制御するコントローラ部３０５から大略構成される。

レーザ発振器３０１１より射出されたレーザ光は、反射ミラー３０２１およびビーム整形・集光光学系３０２２によって所望のビーム形状となり、被加工物上に照射される。ここで用いるレーザ光は、被加工物を最適に加工できる様に波長、パルス幅等が選択できるものとする。例えば、インクジェットプリンタのノズル材料であるポリマー樹脂に対しては、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザの第３および第４高調波等の紫外域のレーザ光が用いられる。

ビーム整形・集光光学系３０２２は、レンズ等の光学素子によってレーザ光束内の強度分布を均一化し、ノズル穴形状を規定する様に製作されたマスクを通過したレーザ光が被加工物表面に縮小結像する様に構成されたものとする。被加工物は、被加工物保持治具３０３２上に均一に固定されるが、固定方法は、機械的押し当て方法、吸着等負圧を用いた方法等、適切な固定方法を採用する。

前記治具および被加工物３０３１は、外気から遮断され、所定の加工雰囲気に保つ加工容器３０３７内に配置される。前記加工容器３０３７内はヘリウムガス供給装置３０３３および循環ポンプ３０３４によってヘリウムガス圧力が２気圧（０．２ＭＰａ）となる様に調節される。加工容器３０３７内のヘリウムガスは、一定の間隔毎に交換され、ヘリウム内に飛散した加工残存物が被加工物３０３１や加工容器３０３７のレーザ光入射窓３０３５に付着することを防いでいる。

画像処理部３０４は、被加工物３０３１に対してレーザ照射方向の反対側に設置され、例えばＣＣＤカメラ３０４２を用いて治具および被加工物３０３１を撮影し、被加工物３０３１の位置情報および治具の位置情報をコントローラ部３０５に伝達する。この時、レーザ照射位置および治具の基準位置は既知であるため、コントローラ部３０５は移動ステージ３０３６を駆動し、被加工物３０３１上の加工位置とレーザ照射位置が一致するように被加工物３０３１の位置決めを行う。なお、移動ステージ３０３６には、ＣＣＤカメラ３０４２が被加工物３０３１を撮像するに十分な開口が確保されているものとする。また、図３においては、レーザ光波長を選択的に透過させる波長選択ミラー３０４１を画像処理部３０４前方に配置し、被加工物３０３１に透過したレーザ光が画像処理部３０４にダメージを与える事を防いでいる。

図４（ａ），（ｂ）に、従来の加工方法と本発明の加工方法とによって進行するレーザ加工プロセスをそれぞれ示す。入射窓を透過したレーザ光が被加工物保持治具４０５上に配置された被加工物４０３表面に照射されると、パルス毎に一定の深さで除去加工が進行してゆく。穴貫通以前の段階では、加工によって発生するすすやガス、微小融解物等の加工残存物４０１はレーザ入射方向に向かって噴出するが、穴貫通以降はレーザ入射方向の反対側に噴出する。大気中においてはこれらの加工残存物４０１の微粒子が、大気を構成する分子に衝突して押し戻され、被加工物４０３表面に再付着する。また、真空雰囲気においては前述の図２において述べた様に、これらの加工残存物の微粒子は高速で飛散し、レーザ光入射窓に付着する他、加工容器の壁に衝突を繰り返しながら雰囲気全体に拡散する。しかし、ヘリウム雰囲気中では分子量の小さいヘリウム分子に衝突するために押し戻されず、かつ真空雰囲気程飛散せずにヘリウム雰囲気中に捕捉される。

なお、上記実施例の別形態として、図３では被加工物３０３１が立体形状の例を示しているが、図５に被加工物５０３１がシート状の場合に、治具部５０３がロール状に巻き取る方式の例を示す。被加工物保持治具５０３２上にロール状の被加工物５０３１が配置され、レーザ穴加工の各工程に同調して被加工物５０３１はロール式巻き取り機５０３７で順次巻き取られる。なお、上記巻き取り機構は、加工容器５０３８内に存在しても、加工容器５０３８外に独立して存在しても構わない。

従来のレーザ加工方法によるインクジェットノズルの形成方法を説明するための図である。従来の別のレーザ加工方法によるインクジェットノズルの形成方法を説明するための図である。本発明の実施例のレーザ加工装置を示すブロック図である。（ａ）従来のレーザ加工方法によるインクジェットノズルの形成方法を説明するための図である。（ｂ）本発明のレーザ加工方法によるインクジェットノズルの形成方法を説明するための図である。本発明の別の実施例のレーザ加工装置を示すブロック図である。

符号の説明

１０１加工残存物（すす、微小融解物）
１０２レーザ光（貫通穴）
１０３インクジェットノズル面
２０１加工残存物
２０２レーザ光
２０３被加工物
２０４インクジェットノズル面
２０５加工容器
２０６レーザ光入射窓
２０７インク吐出穴
３０１レーザ光射出部
３０１１レーザ発振器
３０２光学系部
３０２１反射ミラー
３０２２ビーム整形・集光光学系
３０３治具部
３０３１被加工物
３０３２被加工物固定治具
３０３３ヘリウムガス供給装置
３０３４循環ポンプ
３０３５レーザ光入射窓
３０３６移動ステージ
３０３７加工容器
３０４画像処理部
３０４１波長選択ミラー
３０４２ＣＣＤカメラ
３０５コントローラ部
３０５１メインコントローラ
３０５２レーザコントローラ
３０５３治具コントローラ
３０５４カメラコントローラ
４０１加工残存物
４０２レーザ光
４０３被加工物
４０４インクジェットノズル面
４０５インク吐出穴
４０６被加工物保持治具
５０１レーザ光射出部
５０１１レーザ発振器
５０２光学系部
５０２１反射ミラー
５０２２ビーム整形・集光光学系
５０３治具部
５０３１被加工物
５０３２被加工物保持治具
５０３３ヘリウムガス供給装置
５０３４循環ポンプ
５０３５レーザ光入射窓
５０３６移動ステージ
５０３７ロール式巻き取り機
５０３８加工容器

Claims

被加工物の加工面にレーザ光を照射して、被加工物を所定形状に形成するレーザ加工方法であって、前記被加工物を所定圧力のヘリウムガス雰囲気内に保持し、前記レーザ光を被加工物に照射することを特徴とするレーザ加工方法。
前記加工雰囲気におけるヘリウムガス圧力を調節可能とし、２気圧以上にすることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
被加工物にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、マスクおよびレンズの光学素子を用いてレーザ光を所定の形状に整形するレーザ光整形手段と、レーザ光を透過する窓を有し、内部を外気から遮断して所定の加工雰囲気に保つ加工容器と、前記加工容器内に所定種の気体を導入する気体導入手段と、外加工容器内を所定の圧力に保つ圧力調整手段と、前記加工容器内に設けられ被加工物を保持する保持手段と、被加工物の位置を検出する画像処理手段と、を備える事を特徴とするレーザ加工装置。
所定面積で開口するノズルを請求項１〜２の何れかに記載のレーザ加工方法によって、少なくとも１つ以上形成されたことを特徴とするインクジェットノズル。
所定面積で開口する液体噴射用のノズルを少なくとも１つ以上形成された請求項４記載のインクジェットノズルと、所定面積の液体流路を少なくとも１つ以上画成するとともに該流体流路の一方端側に前記ノズルが対応するよう作成された流路板と、前記流体流路からノズルを介して流体を噴出させる液体噴出手段を備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。