JP2985682B2 - レーザ加工方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビームによって
インクジェット記録装置のノズルの形成を行うレーザ加
工方法およびその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザビームによって被加工物に
微細穴加工する際には、所望の形状と相似形の開口部を
有するマスクを用い、レーザ発振器から発振されるレー
ザビームをそのマスクの開口部を介して被加工物に照射
することにより加工を行っていた。従って、１つのレー
ザ加工装置によって複数の形状を加工する場合は、複数
の形状の異なる開口部が必要であり、複数のマスクが必
要であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなレーザ加工装置によって、比較的大きなテーパ角度
を有する加工を行おうとすると、加工時において、マス
クを複数回交換させなければならなかった。前記マスク
交換においては、各々のマスクの開口部の中心とレーザ
ビームの位置を合わせなければならないので、非常に手
間と時間がかかっていた。また、このマスク交換時に、
マスクの開口部の中心がずれると、加工形状がテーパ状
にならないといった問題があった。また、元々この手法
は階段状に加工することでテーパを形成させているた
め、連続的でなめらかなテーパを形成させることはでき
なかった。

【０００４】上記の問題を解決するために、特開平１−
１０８０５６号公報には、インクを噴射するインク噴射
装置のノズルの形成方法が記載されている。それには、
ノズルが形成されるプレートとレーザビームとの間に相
対的な揺れ運動を行ってテーパ状のノズルを形成する方
法が開示されている。これにより比較的大きなテーパ角
度を有するノズルを形成することができる。

【０００５】ところが、特開平１−１０８０５６号公報
に記載されているノズルの形成方法では、前述のマスク
を複数回交換する方法よりは速く加工が行えるが、プレ
ートとレーザビームとの間に相対的な揺れ運動を行って
いるので、ビームのエネルギーが効率よくプレートに伝
達され難く、加工に時間がかかる、という問題点があっ
た。一般的にレーザ加工装置はランニングコストが高
く、生産コストを下げるためには、よりスピードアップ
をはかる必要がある。上記の方法では、いずれも大量生
産性が欠けていた。

【０００６】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、インクジェット記録装置のノズ
ルの形成を行う際に、比較的大きなテーパ角度の加工が
正確、容易に行え、かつ加工時間を短縮できるレーザ加
工方法およびその装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のレーザ加工方法は、断面長方形のインク流路
に対応して位置するノズルを、インク流路側において小
判穴形状で、他方に向け該小判穴形状の長さ方向を短く
しつつテーパ形状に構成し、該ノズルからインク滴を噴
射するインクジェット記録装置の前記ノズルの形成を行
うレーザ加工方法であって、各々小判穴形状のビーム透
過パターンが設けられた２枚のマスクを重合配置させて
互いのパターンの重なりにより形状を可変可能な１つの
レーザビーム透過部を形成し、レーザ発振器から発振さ
れるレーザビームを前記レーザビーム透過部を通して照
射中、前記２枚のマスクを所定方向に相対移動させるこ
とにより、前記レーザビーム透過部を小判穴形状から円
形に向けて連続的に変化させることを特徴とする。

【０００８】また、本発明のレーザ加工装置は、断面長
方形のインク流路に対応して位置するノズルを、インク
流路側において小判穴形状で、他方に向け該小判穴形状
の長さ方向を短くしつつテーパ形状に構成し、該ノズル
からインク滴を噴射するインクジェット記録装置の前記
ノズルの形成を行うレーザ加工装置であって、レーザ ビ
ームを発振するレーザ発振器と、各々小判穴形状のビー
ム透過パターンが設けられ、互いのパターンの重なりに
より前記レーザ発振器から発振される前記レーザビーム
を透過する１つのレーザビーム透過部を形成する２枚の
マスクと、レーザ発振器から発振されるレーザビームを
前記レーザビーム透過部を通して照射中、前記レーザビ
ーム透過部を小判穴形状から円形に向けて連続的に変化
させるように、前記２枚のマスクを相対移動させるレー
ザビーム透過部変形機構とを備えることを特徴とする。

【０００９】なお、前記レーザビーム透過部変形機構
は、２枚のマスクにより形成されるレーザビーム透過部
をその形状が左右対称的に可変させることが好ましい。

【００１０】

【作用】上記の構成を有する本発明のレーザ加工方法お
よびその装置は、２枚のマスクを重合配置し、レーザビ
ームが透過可能な小判穴形状のビーム透過パターンを重
ねて１つのレーザビーム透過部を形成し、レーザ発振器
から発振されるレーザビームがレーザビーム透過部を通
るとき、２枚のマスクを、レーザビーム透過部が小判穴
形状から円形に向けて連続的に変化するように、相対移
動させることで、ノズルを、インク流路側において小判
穴形状で、他方に向け該小判穴形状の長さ方向を短くし
つつテーパ形状に形成することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明をインクジェットヘッドのノズ
ル列加工用のレーザ加工に具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。

【００１２】図１に本実施例のレーザ加工装置１００の
構成の概略図を示す。

【００１３】レーザ発振器１０１より発振されたエキシ
マレーザビーム１０２は、アテニュエータ１２０によっ
て所望のエネルギー密度に減衰される。エネルギー密度
が減衰されたレーザビーム１０３は、ベンドミラー１１
０で反射され、ビームエキスパンダ１４０によりビーム
の大きさが拡大される。拡大されたレーザビーム１０４
は、アパーチャ１５５により適した大きさにカットさ
れ、そのレーザビーム１０５は、ビームホモジナイザ１
６０によってエネルギー密度が均質なレーザビーム１０
６となる。均質なレーザビーム１０６は、再度ベンドミ
ラー１１０により反射され、マスクおよびレーザービー
ム透過部変形機構１８０により所望の形状と相似形に絞
られる。形状を絞られたレーザビーム１０７は、フィー
ルドレンズ１１１により一時的に集光され、再度ベンド
ミラー１１０で反射され、結合光学系１１２により加工
テーブル１１３上に設置された加工用シート１１４の加
工点に結像される。この結像されたレーザビーム１０８
によって、加工シート１１４が加工される。

【００１４】図２にマスクおよびレーザビーム透過部変
形機構１８０の構成の概略図を示す。ガラスマスク１８
１，１８２は、図３に示すように、それぞれガラス平板
上に光（レーザビーム）を透過させない顔料等を用いて
遮光部の印刷がなされたものであり、その表面に縦０．
３ｍｍ横２ｍｍで両端が半円状であるいわゆる小判穴形
状のビーム透過パターン１８１ａ，１８２ａが形成され
ている。そして、前記ガラスマスク１８１，１８２は、
その両パターン１８１ａ，１８２ａが流入するレーザビ
ーム１０６の中心に位置するように直動ガイド１８３，
１８４にそれぞれ固定されており、且つ、パターンが印
刷されている面がお互いに向き合うようになっている。
そして、前記２つのパターン１８１ａ，１８２ａの組合
わさった部位が、レーザービーム１０６が通行可能な１
つのレーザビーム透過部２００（図４）を形成する。

【００１５】直動ガイド１８３，１８４は互いに並行
で、且つ、レーザビーム１０６に対して垂直となるよう
にベース１８５に固定されている。モータ１８６とプー
リ１８７は、ベース１８５に固定されていて、両者の間
はベルト１８８が張ってある。ベルト１８８はレーザ入
射側方向では直動ガイド１８３と固定されており、反対
側で直動ガイド１８４と固定されている。モータ１８６
を右回りに回転させると、ベルト１８８が右回りに動
き、直動ガイド１８３はＹ軸の＋の方向に移動し、直動
ガイド１８４はＹ軸の−の方向に移動する。つまり、マ
スク１８１はＹ軸の＋方向に、マスク１８２はＹ軸の−
方向に移動する（各マスクが重なる向き）。この時、１
本のベルト１８８で両方のマスク１８１，１８２を動か
しているので、互いのマスクの移動量は等しくなる。モ
ータ１８６が左回りに回転すれば、両マスク１８１，１
８２の動きも逆になる（両マスクが開く向き）。また、
モータ１８６は図示しない制御装置に接続されており、
両マスクの動きの制御が可能である。

【００１６】図４にレーザビーム透過部２００の変形の
様子を表す説明図を示す。図４（ａ）の状態からモータ
１８６を回転させ、マスクを前述した開く方向に移動さ
せると、２枚のマスク１８１，１８２の移動によりレー
ザビーム透過部２００の形状が連続的に変化し、図４
（ｂ）のような状態を経て、最終的にレーザビーム透過
部２００は完全に無くなる。尚、上述した機構から分か
るように、本実施例では、２枚のマスク１８１，１８２
により形成されるレーザビーム透過部２００の中心は常
に定位置をとる。

【００１７】上記の機構によりレーザービーム透過部２
００を変形させながらレーザ発振器１０１よりレーザビ
ーム１０２を照射すれば、連続的にレーザビーム１０７
の形状を変化させることができ、更にレーザビーム１０
８の形状も変化させるため、滑らかな面を有し且つ比較
的大きなテーパ角度を呈する加工を加工用シート１１４
上に行うことを可能とする。

【００１８】モータ１８６の駆動速度は、任意に設定が
可能であり、その設定に応じて様々なテーパ角度の加工
が可能である。また、レーザビームの照射中にモータ１
８６の駆動速度を連続的もしくは段階的に加減すれば、
連続的または段階的にテーパ角度を異ならせた加工を施
すことも可能である。

【００１９】尚、本実施例においてマスク１８１，１８
２は、ガラス平板上に印刷を行うことで所定のビーム透
過パターン１８１ａ，１８２ａが形成されたものである
が、上記実施例に限定されるものではなく、レーザビー
ムを透過させない素材からなる平板（もしくはレーザビ
ームを透過させない表面処理がなされた平板）に所望の
形状の開口穴を開けることでビーム透過パターンが形成
されていてもよい。

【００２０】また、マスク１８１，１８２に設けられた
ビーム透過パターン１８１ａ，１８２ａの形状は、上記
の例に限らず、例えば、互いに長方形のパターンを有す
るマスクを用いて、長方形の形状で加工を行うことも可
能である。また、移動方向に伸びた円弧状のパターンを
有するマスクを２枚重ねて、レーザビーム透過部が楕円
状になるように配して使用すれば、本実施例と同等のビ
ーム形状でもって加工を行うことが出来る。

【００２１】更に、本実施例では前記２枚のマスク１８
１，１８２のパターン１８１ａ，１８２ａは同一であっ
たが、必ずしも同一である必要はない。

【００２２】また、２枚のマスク１８１，１８２の移動
については、実施例では両方同時に移動させたが、各々
独立した駆動系にて移動させても良いし、一方のみの移
動にしても良い。

【００２３】次に、上述のレーザ加工装置１００を用い
たインクジェットヘッド１（図６）の製造方法を説明す
る。

【００２４】図６に示すように、インクジェットヘッド
１は、圧電セラミックスプレート２とカバープレート３
とノズルプレート３１と基板４１とから構成されてい
る。

【００２５】製法としては、まず、圧電セラミックス粉
末を用いてシート成形法、押し出し成形法などにより圧
電セラミックスのシートが成形され、所定の大きさに切
断加工されて圧電セラミックス板が形成される。そし
て、圧電セラミックス板が所定の温度で焼結され、圧電
セラミックス焼結体が得られる。ここで、圧電セラミッ
クス板の表面の平面度を一定にするために圧電セラミッ
クス板の表面の研削加工が行われる。次に、その圧電セ
ラミックス焼結体に、分極処理が施され、圧電セラミッ
クス素子が形成される。そして、その圧電セラミックス
素子が薄い円盤状のダイヤモンドブレード等により、複
数の溝８が加工され、圧電セラミックスプレート２が形
成される。

【００２６】また、その溝８の側面となる側壁１１は、
矢印５の方向に分極されている。それら溝８は同じ深さ
であり、かつ並行である。それら溝８の深さは圧電セラ
ミックスプレート２の一端面１５に近づくにつれて徐々
に浅くなっており、一端面１５付近には浅溝１６が形成
されている。そして、溝８の内面には、その両側面の上
半分に金属電極１３がスパッタリングなどによって形成
されている。また、浅溝１６の内面には、その側面およ
び底面に金属電極９がスパッタリング等により形成され
ている。これにより、溝８の両側面に形成された金属電
極１３は浅溝１６に形成された金属電極９によって電気
的に接続されている。

【００２７】次に、カバープレート３は、アルミナセラ
ミックス、ジルコニアセラミックス、圧電セラミックス
等のセラミックス材料、ガラス材料、樹脂材料等によっ
て、インク導入口２１およびマニホールド２２が形成さ
れている。そして、圧電セラミックスプレート２の溝８
加工側の面とカバープレート３のマニホールド２２加工
側の面とがエポキシ系接着剤等によって接着される。従
って、インクジェットヘッド１には、溝８の上面が覆わ
れて横方向に互いに間隔を有する複数のインク流路１２
（図８）が構成される。そのインク流路１２は長方形の
断面の細長い形状であり、インク流路１２内には、イン
クが充填される。

【００２８】次に、本実施例のレーザ加工装置１００
（図１）を用いて、厚さ１００μｍのポリイミド製のフ
ィルムにノズル３２を形成する方法を説明する。

【００２９】まず、レーザ発振器１０１を加工点でのエ
キシマレーザエネルギー密度が８５０ｍＪ／ｃｍ2、そ
して繰り返し周波数が２００Ｈｚになるように設定す
る。そして、初期のレーザビーム透過部２００の形状を
図４（ａ）のに示すような縦０．３ｍｍ，横２ｍｍのい
わゆる小判穴形状に設定する。そして、エキシマレーザ
照射と同時にモータ１８６を回転させて両マスク１８
１，１８２が一定速度で動くようにし、１秒間でお互い
のマスクが０．８５ｍｍ動き、レーザビーム透過部２０
０の形状が直径０．３ｍｍの円になるように設定し、そ
の後、マスクの移動を停止させて口径をφ０．３ｍｍの
まま１秒間保持するような制御を前記制御装置に設定す
る。

【００３０】レーザビーム１０２を発振し、上記設定通
りマスク１８１，１８２を制御すると、ノズルプレート
３１に、図５に示すような滑らかなテーパ面を有し且つ
比較的大きなテーパ角度のノズル３２が極めて短時間で
作製される。ここで、加工点でのレーザビーム１０８の
サイズは、マスク１８１およびマスク１８２の位置にお
けるビームサイズの１／５になるようにフィールドレン
ズ１１１および結像光学形１１２によって設定されてい
るので、ノズル３２のレーザビーム１０８入射側は縦６
０μｍ横４００μｍの小判穴となる。また、エキシマレ
ーザによるポリイミド穴明けでは、自然に８度程度のテ
ーパがつくので、出射側は、縦３２μｍ横４６μｍの楕
円となる。

【００３１】このように形成されたノズルプレート３１
を、圧電セラミックスプレート２およびカバープレート
３の端面４に、各インク流路１２の位置に対応した位置
にノズル３２が配置されるように接着する。

【００３２】そして、圧電セラミックスプレート２の溝
８の加工側に対して反対側の面には、基板４１が、エポ
キシ系接着剤などによって接着されている。その基板４
１には各インク流路１２の位置に対応した位置に導電層
のパターン４２が形成されている。その導電層のパター
ン４２と浅溝１６の底面の金属電極９とは、周知のワイ
ヤボンディングによって導線４３で接続されている。

【００３３】次に、インクジェットヘッド１の制御部の
説明図を示す図７によって、制御部の構成を説明する。
基板４１に形成された導電層のパターン４２は各々個々
にＬＳＩチップ５１に接続されている。また、クロック
ライン５２、データライン５３、電圧ライン５４及びア
ースライン５５もＬＳＩチップ５１に接続されている。
ＬＳＩチップ５１は、クロックライン５２から供給され
た連続するクロックパルスに基づいて、データライン５
３上に現れるデータに応じて、どのノズル３２からイン
ク液滴の噴射を行うべきか否かを判断する。そして、Ｌ
ＳＩチップ５１は、駆動するインク流路１２内の金属電
極１３に導通する導電層のパターン４２に、電圧ライン
５４の電圧Ｖを印加する。また、ＬＳＩチップ５１は、
前記インク流路１２以外の金属電極１３に導通する導電
層のパターン４２にアースライン５５の電圧０を印加す
る。

【００３４】次に、図８、図９によって、インクジェッ
トヘッド１の動作を説明する。ＬＳＩチップ５１が、所
望の印字データに従って、インクジェットヘッド１のイ
ンク流路１２ｂからインクの噴射を行なうと判断する。
すると、金属電極１３ｅと１３ｆに正の駆動電圧Ｖが印
加され、金属電極１３ｄと１３ｇは接地される。する
と、図９に示すように、側壁１１ｂには矢印１４ｂの方
向の駆動電界が発生し、側壁１１ｃには矢印１４ｃの方
向の駆動電界が発生する。駆動電界方向１４ｂ及び１４
ｃは分極方向５と直交しているため、側壁１１ｂ及び１
１ｃは、圧電厚みすべり効果によってインク流路１２ｂ
の内部方向に急速に変形する。この変形によってインク
流路１２ｂの容積が減少してインク流路１２ｂのインク
圧力が急速に増大し、圧力波が発生して、インク流路１
２ｂに連通するノズル３２（図６）からインク滴が噴射
される。

【００３５】また、駆動電圧の印加が停止されると、側
壁１１ｂ及び１１ｃが変形前の位置（図８参照）に戻る
ためインク流路１２ｂ内のインク圧力が低下する。する
と、インク供給口２１（図６参照）からマニホールド２
２（図６）を通してインク流路１２ｂ内にインクが供給
される。

【００３６】このようなインクジェットヘッド１では、
隣接する２つのインク流路１２に連通する２つのノズル
３２から同時にインク滴を噴射することができないた
め、例えば、左端から奇数番目のインク流路１２に連通
するノズル３２からインク滴を噴射した後、偶数番目の
インク流路１２に連通するノズル３２からインク滴を噴
射し、次に、再び奇数番目からインク液滴を噴射すると
いうように、インク流路１２及びノズル３２を複数のグ
ループに分割してインク液滴の噴射を行う。

【００３７】但し、上記の動作は基本動作に過ぎず、製
品として具体化される場合には、まず、駆動電圧を容積
が増加する方向に印加し、先にインク流路１２ｂにイン
クを供給させた後に、駆動電圧の印加を停止して元の状
態（図８参照）にしてインクを噴射させることもある。

【００３８】そして、上述した構成のインクジェットヘ
ッド１で、インク噴射試験を行ったところ、ノズル３２
は比較的大きなテーパ角度を有しているので、ノズル３
２からのエアーの侵入の頻度が少なく、一旦侵入したエ
アーも容易に排出され、良好なインク噴射が行われた。

【００３９】上述したように、本実施例のレーザ加工装
置１００では、２枚のマスク１８１，１８２の重なりの
程度を調整することで、レーザビーム透過部２００の形
状を連続的に変化させられる。故に、簡単な機構、容易
な制御により、比較的大きなテーパ角度を有するノズル
３２を短時間に、正確に、簡単に加工することができ、
大量生産性に優れている。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のレーザ加工方法およびその装置は、２枚のマスク
の小判穴形状のビーム透過パターンを重ねて１つのレー
ザビーム透過部を形成し、レーザ発振器から発振される
レーザビームをレーザビーム透過部を通して照射中、２
枚のマスクを、レーザビーム透過部が小判穴形状から円
形に向けて連続的に変化するように、相対移動させるこ
とで、ノズルを、インク流路側において小判穴形状で、
他方に向け該小判穴形状の長さ方向を短くしつつテーパ
形状に形成することができる。したがって、断面長方形
のインク流路に適 した形状で、かつ比較的大きなテーパ
角度の加工が正確に、容易に、短時間で行うことがで
き、大量生産性に優れた効果を奏する。また、２枚のマ
スクの重ね合わせを調整することによりレーザビーム透
過部の形状の変更を行えるため、構成が簡単で、制御が
容易なレーザ加工方法およびその装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のレーザ加工装置を示す概略
構成図である。

【図２】前記実施例のレーザ加工装置のマスクおよびレ
ーザビーム透過部変形機構を示す概略構成図である。

【図３】前記実施例のレーザ加工装置のマスクを示す平
面図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）ともに、レーザビーム透過部の
変形の説明図である。

【図５】前記実施例のレーザ加工装置を用いてノズルを
形成したインクジェットヘッドを示す断面図である。

【図６】前記のインクジェットヘッドを示す斜視図であ
る。

【図７】前記のインクジェットヘッドの制御部を示す説
明図である。

【図８】前記のインクジェットヘッドを示す断面図であ
る。

【図９】前記のインクジェットヘッドの動作を示す説明
図である。

【符号の説明】

１００ レーザ加工装置 １０１ レーザ発振器 １０２ レーザビーム １８０ マスクおよびレーザビーム透過部変形機構 １１４ 加工用シート １８１ マスク １８１ａ ビーム透過パターン １８２ マスク １８２ａ ビーム透過パターン ２００ レーザビーム透過部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｂ 27/09 Ｇ０２Ｂ 27/00 Ｅ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断面長方形のインク流路に対応して位置
   するノズルを、インク流路側において小判穴形状で、他
   方に向け該小判穴形状の長さ方向を短くしつつテーパ形
   状に構成し、該ノズルからインク滴を噴射するインクジ
   ェット記録装置の前記ノズルの形成を行うレーザ加工方
   法であって、 各々小判穴形状のビーム透過パターンが設けられた２枚
   のマスクを重合配置させて互いのパターンの重なりによ
   り形状を可変可能な１つのレーザビーム透過部を形成
   し、 レーザ発振器から発振されるレーザビームを前記レーザ
   ビーム透過部を通して照射中、前記２枚のマスクを所定
   方向に相対移動させることにより、前記レーザビーム透
   過部を小判穴形状から円形に向けて連続的に変化させる
   ことを特徴とするレーザ加工方法 。
2. 【請求項２】 断面長方形のインク流路に対応して位置
   するノズルを、インク流路側において小判穴形状で、他
   方に向け該小判穴形状の長さ方向を短くしつつテーパ形
   状に構成し、該ノズルからインク滴を噴射するインクジ
   ェット記録装置の前記ノズルの形成を行うレーザ加工装
   置であって、 レーザビームを発振するレーザ発振器と、 各々小判穴形状のビーム透過パターンが設けられ、互い
   のパターンの重なりにより前記レーザ発振器から発振さ
   れる前記レーザビームを透過する１つのレーザビーム透
   過部を形成する２枚のマスクと、 レーザ発振器から発振されるレーザビームを前記レーザ
   ビーム透過部を通して照射中、前記レーザビーム透過部
   を小判穴形状から円形に向けて連続的に変化させるよう
   に、前記２枚のマスクを相対移動させるレーザビーム透
   過部変形機構とを備えることを特徴とするレーザ加工装
   置 。
3. 【請求項３】 前記レーザビーム透過部変形機構は、２
   枚のマスクにより形成されるレーザビーム透過部をその
   形状を左右対称的に可変させることを特徴とする請求項
   ２に記載のレーザ加工装置。