JP3254650B2 - レーザ加工装置およびその加工方法 - 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
被加工物を加工するレーザ加工装置およびその加工方法
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を
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させ
ることにより加工を行っていた。

【０００３】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ような場合には、異なる形状の開
口部を有するマスクに交換することが一般的であった。

【０００４】

【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
クを複数回交換しなければならなかった。このマスク交
換には、各々のマスクの開口部の中心を合わせなければ
ならないので、非常に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。

【０００５】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
対的な搖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。

【０００６】ところが、特開昭１−１０８０５６号公報
に記載されているノズルの形成方法では、プレートとレ
ーザビームとの間に相対的な搖れ運動を行っているの
で、加工に長時間を要し、大量生産性に劣るという問題
があった。

【０００７】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、比較的大きなテーパ角度の加工
が正確に、且つ容易に行え、大量生産性に優れたレーザ
加工装置およびその加工方法を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１にかかる発明は、複数の溝を有する圧電セラ
ミックス板と、その圧電セラミックス板に固定され前記
複数の溝と対応した複数のノズルを有するノズルプレー
トとを備え、前記各溝間の側壁を変形することにより溝
内のインクをノズルから噴射するインクジェットヘッド
において、前記ノズルプレートにノズルを加工するレー
ザ加工装置であって、レーザビームを所望の大きさに絞
る細長い開口部の大きさを、その開口部の長手方向に可
変とするように移動する移動体を有するマスクと、前記
レーザビーム照射中に前記マスクの前記細長い開口部の
大きさをその開口部の長手方向に変化させるように前記
移動体を移動させる移動手段とを備え、前記レーザビー
ム照射中に前記移動体を移動させることにより、前記ノ
ズルプレートに対しレーザビームの照射面積を変化させ
テーパ状のノズル加工を行うことを特徴とするレーザ加
工装置にある。

【０００９】請求項２にかかる発明は、複数の溝を有す
る圧電セラミックス板と、その圧電セラミックス板に固
定され前記複数の溝と対応した複数のノズルを有するノ
ズルプレートとを備え、前記各溝間の側壁を変形するこ
とにより溝内のインクをノズルから噴射するインクジェ
ットヘッドにおいて、前記ノズルプレートにノズルを加
工するレーザ加工方法であって、レーザビームを所望の
大きさに絞るマスクの細長い開口部の大きさを、その開
口部の長手方向に移動する移動体によって可変とし、前
記レーザビーム照射中に前記マスクの前記細長い開口部
の大きさをその開口部の長手方向に変化させることによ
り、前記ノズルプレートに対しレーザビームの照射面積
を変化させテーパ状のノズル加工を行うことを特徴とす
るレーザ加工方法にある。

【００１０】

【作用】上記構成を有する本発明では、複数の溝を有す
る圧電セラミックス板と、その圧電セラミックス板に固
定され前記複数の溝と対応した複数のノズルを有するノ
ズルプレートとを備え、前記各溝間の側壁を変形するこ
とにより溝内のインクをノズルから噴射するたインクジ
ェットヘッドにおいて、前記ノズルプレートにノズルを
加工するとき、レーザビーム照射中にマスクの細長い開
口部の大きさをその開口部の長手方向に変化させること
で、ノズルプレートに対しレーザビームの照射面積を変
化させ、ノズルプレートにテーパ状のノズル加工を行う
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装置およびその加工方法に具体
化した一実施例を図面を参照して説明する。

【００１２】まず、図１に本実施例のレーザ加工装置１
００の構成の概略図を示す。

【００１３】エキシマレーザを発振するレーザ発振器１
０１より発振されたレーザビーム１０２は、ベンドミラ
ー１０３で反射され、アパーチャー１５０により高エネ
ルギー部分のみのレーザビーム１５３（図２）に絞られ
る。その後、ビームエキスパンダー１０４により所望の
大きさに拡大される。

【００１４】そして、所望の大きさに拡大されたレーザ
ビーム１５３はベンドミラー１０３により反射され、口
径が同心円状に連続的に変化するマスク１０５により絞
られ、加工点において所望する任意の大きさにされる。

【００１５】そして、レーザビーム１５３は、フィール
ドレンズ１０６により一次的に集光され、再度ベンドミ
ラー１０３により反射され、結像光学系１０７により、
加工テーブル１０８上に設置された加工用シート１０９
の加工点に結像される。このように結像されたレーザビ
ーム１５３によって、加工用シート１０９が加工され
る。

【００１６】図２に前記アパーチャー１５０の説明図を
示す。一般にレーザ発振器１０１より発振されたレーザ
ビーム１０２のエネルギー密度はその断面全域にわたっ
て一定ではなく、ある密度分布を有しており、レーザビ
ーム１０２の外周部分が低密度である。そのためレーザ
発振器１０１から発振されたレーザビーム１０２をその
まま加工に用いると加工効率が中心部分と外周部分で異
なり制御が困難となるので、外周部分の低エネルギー密
度をカットする必要がある。また、後に詳述するビーム
エキスパンダー１０４に対して入射可能な適当な大きさ
にカットする必要もある。これらの要求からレーザビー
ム１０２はアパーチャー１５０により適当な大きさのレ
ーザビーム１５３にカットされる。

【００１７】図３にビームエキスパンダー１０４の構成
の概略図を示す。前述のアパーチャー１５０によりカッ
トされたレーザビーム１５３は、ビーム位置１３５で
は、ビーム断面１３６を示す。そのレーザビーム１５３
は、ビームエキスパンダー１０４のレンズ１３１、１３
２によりＸ方向に拡大され、ビーム位置１３７において
ビーム断面１３８を示す平行ビームとなる。さらに、レ
ンズ１３３、１３４によりＹ方向に縮小され、ビーム位
置１３９においてビーム断面１４０を示す平行ビームと
なる。上記の構成を有するビームエキスパンダー１０４
は、インクジェットヘッドのノズル列のような細長の加
工エリアを実現するためのものである。

【００１８】図４に口径が同心円状に連続的に変化する
絞り、いわゆる周知のアイリス絞り方式のマスク１０５
の説明図を参考例として示す。図４（ａ）は、羽根１１
０が閉じた閉口状態であり、レーザビーム１５３はマス
ク１０５によって遮断され、加工用シート１０９は加工
されない。この状態から図４（ｂ）に示すように羽根１
１０を移動させることにより開口状態となり、レーザビ
ーム１５３が加工用シート１０９に達して加工が行われ
る。ここで、このマスク１０５は連続的にその開口量を
変化させることができる。すなわち、レーザビーム１５
３の径を連続的かつ任意に調整することができる。ま
た、このマスク１０５を複数個配列することにより複数
の穴をテーパ状に同時に加工することができる。このマ
スク１０５は、図示しない制御部に接続されており、そ
の制御部は作業者の設定するようにマスク１０５の開口
量を制御する。例えば、時間経過によって、羽根１１０
を移動させてマスク１０５の開口量を変化させるように
制御することができる。

【００１９】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８）の製造方法を説明する。

【００２０】図８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。

【００２１】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
素子が薄い円板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。

【００２２】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、かつ平行である。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がスパッタリング等によって形成され
ている。また、浅溝１６の内面には、その側面及び底面
に金属電極９がスパッタリング等によって形成されてい
る。これにより、溝８の両側面に形成された金属電極１
３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。

【００２３】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
などのセラミックス材料、ガラス材料、樹脂材料等から
形成されている。そして、カバープレート３には、研削
または切削加工等によって、インク導入口２１及びマニ
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１０）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。

【００２４】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。

【００２５】まず、レーザ発振器１０１をマスク１０５
の位置におけるエキシマレーザエネルギーが２００ｍｊ
／パルス、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、初期のマスク１０５の開口径を
１ｍｍとし、エキシマレーザ照射と同時に羽根１１０を
一定速度で移動させ、１秒間で開口径を０．２５ｍｍに
なるようにし、その後、羽根１１０の移動を停止させて
開口径を０．２５ｍｍのまま１秒間保持するように作業
者が前記制御部に設定する。

【００２６】そして、レーザビーム１０２を発振する
と、ノズルプレート３１に、図７に示すような比較的大
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１５３のサイズは
マスク１０５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１０６及び結像光学系１０７
によって設定されているので、ノズル３２のレーザビー
ム１５３入射側の径は２００μｍ、レーザビーム１５３
出射側の径は５０μｍとなる。

【００２７】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及びカバープレート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。

【００２８】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
キシ系接着剤等によって接着されている。その基板４１
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。

【００２９】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９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を判断する。そして、ＬＳＩ
チップ５１は、駆動するインク流路１２内の金属電極１
３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。

【００３０】次に、図１０、図１１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１１に示すように、側壁１１ｂには矢印１４
ｂの方向の駆動電界が発生し、側壁１１ｃには矢印１４
ｃの方向の駆動電界が発生する。すると、駆動電界方向
１４ｂ及び１４ｃは分極方向５と直交しているため、側
壁１１ｂ及び１１ｃ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１２ｂに連通するノズル３２（図８）か
らインク滴が噴射される。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１
０参照）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８照）からマ
ニホールド２２（図８）を通してインク流路１２ｂ内に
インクが供給される。

【００３１】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。

【００３２】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１０参照）にしてインクを噴射させることもある。

【００３３】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。

【００３４】上述したように、参考例のレーザ加工装置
１００では、マスク１０５の口径が、同心円状に連続的
に変化するので、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。

【００３５】参考例では、マスク１０５は、円形の開口
部を有していたが、本発明の実施例 では、図５（ａ）に
示すように、マスク２０５は、マスク基板２０７と移動
体２０８、２０９とから構成されている。そのマスク基
板２０７には、両端が半円状である細長い開口部２０６
が形成されている。また、移動体２０８、２０９の開口
部２０６に相当する短辺部は、開口部２０６の前記半円
状と同一形状をしている。そして、移動体２０８、２０
９は、図５（ｂ）示すように、マスク基板２０７の下方
に、矢印Ｂ方向（すなわち図５に記載されているとおり
開口部２０６の長手方向）に移動可能に設けられ、図示
しない移動手段によって移動されて、開口部２０６の開
口の大きさを変化させることができる。

【００３６】また、図６（ａ）に示す他の参考例では、
マスク３０５は、マスク基板３０７と移動体３０８、３
０９、３１０、３１１とから構成されている。そのマス
ク基板３０７には、矩形状の開口部３０６が形成されて
いる。そして、移動体３０９、３１１は、図６（ｂ）示
すように、マスク基板３０７の下方に設けられ、移動体
３０８、３１０は、移動体３０９、３１１の下方に設け
られている。図６（ａ）に示すように、移動体３０８、
３１０は矢印Ｄ方向に、移動体３０９、３１１は矢印Ｅ
方向に図示しない移動手段によって移動されて、開口部
３０６の開口の大きさを変化させることができる。

【００３７】上述したマスク２０５、３０５では、全移
動体を同時に連続的に移動することも可能であるが、例
えば１つの移動体のみを連続的に移動させることも可能
である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように本発
明では、複数の溝を有する圧電セラミックス板と、その
圧電セラミックス板に固定され前記複数の溝と対応した
複数のノズルを有するノズルプレートとを備え、前記各
溝間の側壁を変形することにより溝内のインクをノズル
から噴射するインクジェットヘッドにおいて、前記ノズ
ルプレートにノズルを加工するとき、レーザビーム照射
中にマスクの細長い開口部の大きさをその開口部の長手
方向に変化させることで、ノズルプレートに対し レーザ
ビームの照射面積を変化させ、ノズルプレートに大きな
テーパ角度のノズル加工を、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。

【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アパーチャーを
示す説明図である。

【図３】前記実施例のレーザ加工装置のビームエキスパ
ンダーを示す概略構成図である。

【図４】参考例のレーザ加工装置のマスクを示す説明図
である。

【図５】（ａ）は、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。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面
図である。

【図６】（ａ）は、他の参考例のレーザ加工装置のマス
クを示す平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ断面
図である。

【図７】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８】前記のインクジェットヘッドを示す斜視図であ
る。

【図９】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１０】前記のインクジェットヘッドを示す断面図で
ある。

【図１１】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】

１ インクジェットヘッド ３１ ノズルプレート ３２ ノズル １００ レーザ加工装置 １０１ レーザ発振器 １０２ レーザビーム １０５ マスク １０９ 加工用シート １５３ レーザビーム ２０５ マスク ３０５ マスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−277554（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−178768（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−111227（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−108056（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−44194（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−330059（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−318744（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の溝を有する圧電セラミックス板
   と、その圧電セラミックス板に固定され前記複数の溝と
   対応した複数のノズルを有するノズルプレートとを備
   え、前記各溝間の側壁を変形することにより溝内のイン
   クをノズルから噴射するインクジェットヘッドにおい
   て、前記ノズルプレートにノズルを加工するレーザ加工
   装置であって、 レーザビームを所望の大きさに絞る細長い開口部の大き
   さを、その開口部の長手方向に可変とするように移動す
   る移動体を有するマスクと、 前記レーザビーム照射中に前記マスクの前記細長い開口
   部の大きさをその開口部の長手方向に変化させるように
   前記移動体を移動させる移動手段とを備え、前記レーザ
   ビーム照射中に前記移動体を移動させることにより、前
   記ノズルプレート に対しレーザビームの照射面積を変化
   させテーパ状のノズル加工を行うことを特徴とするレー
   ザ加工装置。
2. 【請求項２】 複数の溝を有する圧電セラミックス板
   と、その圧電セラミックス板に固定され前記複数の溝と
   対応した複数のノズルを有するノズルプレートとを備
   え、前記各溝間の側壁を変形することにより溝内のイン
   クをノズルから噴射するインクジェットヘッドにおい
   て、前記ノズルプレートにノズルを加工するレーザ加工
   方法であって、 レーザビームを所望の大きさに絞るマスクの細長い開口
   部の大きさを、その開口部の長手方向に移動する移動体
   によって可変とし、 前記レーザビーム照射中に前記マスクの前記細長い開口
   部の大きさをその開口部の長手方向に変化させることに
   より、前記ノズルプレート に対しレーザビームの照射面
   積を変化させテーパ状のノズル加工を行うことを特徴と
   するレーザ加工方法。