JP4455884B2 - 一定のレーザーの走査経路アルゴリズムを利用するレーザーによるアブレーション加工方法。 - Google Patents

Description

本発明は、一般にパルス光源による材料除去（ｍａｔｅｒｉａｌ ａｂｌａｔｉｏｎ）に関するものであり、特にレーザー穿孔（ｌａｓｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ）及びレーザーによるアブレーション加工（ｌａｓｅｒ ｍｉｌｌｉｎｇ）に関するものである。

パルス光源による材料除去は、レーザーの発明以来、研究され続けている。紫外線（ＵＶ）エキシマレーザー放射によってエッチングされていたポリマーについての１９８２年のレポートは、マイクロ機械加工の研究を広範囲にわたって刺激した。それ以来、この分野での化学的及び工業的な研究が急激に増し、主としてレーザーの使用を通して穿孔することができ、アブレーション加工することができ、繰り返すことができる著しく小さな形状について拍車がかかった。

超高速レーザーは、持続時間がおよそ１０−１１秒（１０ピコセカンド）から１０−１４秒（１０フェムトセカンド）までの強いレーザーパルスを生じさせる。ショートパルスレーザーは、持続時間がおよそ１０−１０秒（１００ピコセカンド）から１０−１１秒（１０ピコセカンド）までの強いレーザパルスを生じさせる。医学、化学及び通信における超高速レーザーについての潜在的な用途の幅広い変化は、開発され続けているとともに実行され続けている。これらのレーザーはまた、幅広い材料に対するアブレーション加工あるいは穴の穿孔のための有効な道具である。数ミクロンのような小さいサイズの穴、サブミクロンのような小さいサイズの穴さえ、すぐに穿孔することができる。高アスペクト比の穴は、タービンブレードの冷却溝、インクジェットプリンターのノズルあるいはプリント基板のビアホールのような硬い材料に対して穿孔することができる。

直径がミクロンとなるような小さいサイズの穴を穿孔する能力は、多くの先端技術製造工業において基礎要件である。高解像度、高精度、高速度及び高柔軟性の組合せは、集積回路、ハードディスク、印刷装置、ディスプレイ、相互接続及び電気通信装置の製造を含む多くの工業において、レーザー加工が受け入れられることを可能にする。

レーザー機械加工のための複数の方法が存在しているが、微細な形状を穿孔するときには、レーザーマイクロ機械加工で仕上げられた製品の公差がより小さくなる。この場合、利用される方法は、最終的な用途を満足するために、予測することができて繰り返すことができる一貫した結果を提供しなければならない。コンピュータ制御は、レーザーマイクロ機械加工におけるアルゴリズム及びソフトウェアを介して、穴形状の良好な制御の条件と有益な大量生産製造設備にとって要求される一貫性とを提供する。この機会は、マイクロ機械加工に関連して存在し続けている多くの問題のように、浪費されるべきではない。

この分野において存在する１つの問題は、マイクロ機械加工によって仕様外の製品を製造するのを回避することに関連している。マイクロ機械加工では、誤差の公差が小さく、製品から製品への一貫性が重要であるため、この問題は永続的である。例えば、インクジェットノズルの穴は、使用されたときに各穴から等しいインクの排出を行うように一貫して製造されなければならない。加工が一貫していないあるいは繰り返し可能ではないとき、製造ラインは、時間及びエネルギーの浪費と義務的な再作業と生産量の減少とをもたらすことになる仕様外の製品を製造する。これは、延いては製造設備の収益性を減少させる。必要なことは、マイクロ機械加工によって仕様外の製品を製造するのを回避することである。マイクロ機械加工に関する他の永続的な問題は、アブレーション加工において繰り返すことができる一貫した結果の生成を含んでいる。上述したように、一貫性及び繰り返し性は、高品質マイクロ機械加工製品を技術的に受け入れた製造において重要な要素である。しかしながら、現在のアブレーション加工方法は、要求される穴形状が製造ラインにおいて品目から品目へと一貫することを保証するように構成されていない。必要なことは、アブレーション加工において繰り返し可能な一貫した結果を生じさせる方法である。

マイクロ機械加工に関するさらに他の永続的な問題は、レーザーの走査経路形状を生じさせるためのガイドラインを提供することを含んでおり、近年では、予測することができて繰り返すことができる穴形状を形成するアブレーション加工技術は、達成することが困難であると分かってきた。試行錯誤の方法は、要求される穴形状を形成するために用いられ続けており、要求される穴形状に達するまでパラメーターが繰り返し変化させられる。典型的な手順は、所要のレーザーの走査経路の半径を直線状に段階的になぞっていくものであるが、この技術は、螺旋状経路内に等しくないピッチを導入し、半径方向のオーバーラップの変化を生じさせる。その結果として生じる不均一な除去は望ましくない。アルゴリズムのアプローチは、要求される形状が一定の角速度及び走査の間隔を利用して形成されたという点においては多少成功したと言える。しかしながら、この方法は、図１に示されるように、穴の中央近傍に生じさせられる照射ステップの間隔は補償しない。必要なことは、レーザーの走査経路の形状を生じさせるガイドラインを提供する方法である。

マイクロ機械加工に関するさらに他の永続的な問題は、一定なる材料除去を許容するレーザー穿孔システムのレーザーの走査経路を提供することを含んでいる。アブレーション加工にとっての現在の要求は、工作物のターゲットエリア全体にわたる材料の除去である。過去の技術は、エキシマレーザー除去及び図１に示される一定角速度アプローチのような方法を含んでいる。しかしながら、これらの技術は、顧客仕様によって要求される平坦な表面を提供しない。必要なことは、一定なる材料除去を許容するレーザー穿孔システムのレーザーの走査経路を提供する方法である。マイクロ機械加工に関するさらに他の永続的な問題は、レーザーの走査経路が変化したときに、工作物上へのレーザー光源の一定照射を維持することを含んでいる。一定パルスレーザーシステムにおいては、レーザーが一定の繰り返しレートでパルス駆動され、これにより、均一な除去が、工作物上へのレーザー衝突ポイントについて要求される一定伝播速度となる。螺旋のような半円運動を利用するとき、衝突ポイントの直線速度は、一定除去を維持するようにレーザーによるアブレーション加工を通して一定とされるべきである。必要なことは、レーザーの走査経路が変化したときに、工作物上へのレーザー光源の一定照射を維持する方法である。

第１の面において、本発明は、移動レーザービームを利用して固定された材料内にアブレーション加工された構造物を形成する方法であり、ピコセカンドレーザーが、要求される照射ステップを生じさせる光エネルギーのショートパルスを生成し、レーザービームの移動の変化レートが、材料上でのアブレーション加工を行い、レーザービームのレーザーの走査経路が、高品質かつ繰り返し可能なアブレーション加工された穴を形成するようにアブレーション加工を導き、そして、これら３つの量が如何にして測定されたかについての情報がレーザーシステム内にフィードバックとして返還されるものである。

第２の面において、本発明は、顧客指定のテーパの付いた穴形状を達成するために構成された螺旋状のアブレーション加工のレーザーの走査経路である。一定円弧速度のレーザーの走査経路が、顧客指定のテーパの付いた穴を形成するために必要とされる。

本発明のさらなる応用可能性の範囲は、以下に示される詳細な説明から明らかになるであろう。例えば、本発明が、円形となる螺旋状のレーザーの走査経路にとっての半径の関数として角速度を修正することを参照しつつ記載されているとはいえ、一定円弧速度が円形ではない螺旋を要求する異なる用途のために異なる方法で行われることができることは理解されるべきである。このようにして、工作物の表面に対するレーザービームの横断レートは、少なくとも１つの固定軸（例えば、楕円は２つの関連する軸を有する）からの距離の関数として修正されて汎用化される。本発明の好ましい実施例を示したとはいえ、その詳細な説明及び具体例は、図示の目的のためだけであって、本発明の範囲を限定するものではないことは理解されるべきである。

本発明は、詳細な説明及び添付した図面から完全に理解される。

好ましい実施例である以下の記載は、単に例示的なものであり、本発明、その用途あるいは使用方法を限定するものではない。

本発明は、繰り返し可能な一貫した加工で穴を形成するために用いられることができる一定のレーザーの走査経路アルゴリズム（あるいは代わるものとして、“アブレーション加工アルゴリズム”）を利用したアブレーション加工方法である。さらに、この加工は、複数のアブレーション加工された穴を同時に並列加工するために用いられることができる。

上述したように、アルゴリズムのアプローチは、要求される形状が一定の角速度及び走査の間隔を利用して形成されたという点についてはある程度成功したとわかる。また上述したように、この加工は、穴の中央近傍に生じさせられる照射ステップの間隔を補償しない。

図１を参照すると、一定角速度のレーザーの走査経路（レーザーの走査経路）１００は、外部輪郭での初期電圧（Ｖ_ｍａｘ）１１０と、複数のレーザー照射ステップ１２０と、走査の間隔１３０の間隔とを備えている。このアプローチを利用すると、多数の照射ステップ１２０がターゲット中央近傍に生じさせられ、このエリアでの過剰な除去となってしまう。本例では、約１００００個のレーザー照射ステップ１２０が、レーザーの走査経路１００の螺旋形状を生じさせるために利用される。

図２を参照すると、レーザー穿孔システム２００の簡略系統は、レーザー２０５と、ビーム２０７と、シャッター２１０と、減衰器２１５と、ビームエキスパンダー２２０と、回転半波長プレート２２５と、第１のミラー２０８と、第２のミラー２１７と、第３のミラー２２１と、第４のミラー２２２と、圧電変換器（ＰＺＴ）走査ミラー２３０と、回折性光学素子（ＤＯＥ）２３５と、複数のサブビーム２３７と、走査レンズ２４０と、マイクロフィルター２４５と、イメージトランスファーレンズ２５０と、工作物２５５とを含んでおり、これらが図示のように配置されている。本発明はピコセカンドレーザーシステムを利用するが、本発明がエキシマ、ＣＯ２及び銅蒸気レーザーシステムのような他のレーザーシステムを利用するように汎用化されていてもよい。

レーザー穿孔システム２００の構成要素及び動作の簡単な説明が以下に記載されている。他の実施例においては、レーザー穿孔システム２００の構成要素の変化が要求されてもよい。本発明は、レーザー穿孔システム２００の構成要素の現在の選択及び配置に限定されるものではない。

動作中、ピコセカンドレーザー２０５は、図２に示される光学通路に沿ってビーム２０７を放つ。ビーム２０７は光学経路に沿って伝わり、このビーム２０７が第１のミラー２０８に入射する。第１のミラー２０８は、光学通路に沿うようにビーム２０７の方向を変え、このビーム２０７がシャッター２１０に入射する。シャッター２１０は、工作物材料を選択的に照らすために開いたり閉じたりする。ビーム２０７は、シャッター２１０を出てから光学通路に沿って減衰器２１５まで伝わる。減衰器２１５は、除去パラメーターを正確に制御するためにピコセカンドレーザー２０５のエネルギーを濾過する。ビーム２０７は、減衰器２１５を出てから光学通路に沿って伝わり、このビーム２０７が第２のミラー２１７に入射する。第２のミラー２１７は、光学通路に沿うようにビーム２０７の方向を変え、このビーム２０７がビームエキスパンダー２２０に入射する。

ビームエキスパンダー２２０は、２つの目的にかなうためにビーム２０７のサイズを増大させるものである。第１には、ビームスプリッターとしてのＤＯＥ２３５を正しく機能させるためにビームサイズを増大させる。ＤＯＥ２３５を正しく機能させるため、ＤＯＥ２３５に入射するビームサイズは、ＤＯＥ２３５のいくつかのピリオドを覆うように十分に大きくさせられる必要がある。第２には、走査レンズの瞳孔サイズに一致するようにビームサイズを増大させる。ビーム２０７は、ビームエキスパンダー２２０を出てから光学通路に沿って伝わり、このビーム２０７が第３のミラー２２１に入射する。第３のミラー２２１は、光学通路に沿うようにビーム２０７の方向を変え、このビーム２０７が第４のミラー２２２に入射する。第４のミラー２２２は、光学通路に沿うようにビーム２０７の方向を変え、このビーム２０７が回転半波長プレート２２５に入射する。回転半波長プレート２２５は、ビーム２０７の偏光を変化させる。回転半波長プレート２２５を出てから、ビーム２０７は光学通路に沿って伝わり、このビーム２０７がＰＺＴ走査ミラー２３０に入射する。ＰＺＴ走査ミラー２３０は、工作物２５５に穴を穿孔するため、アブレーション加工アルゴリズム（図示されず）を利用して予め定義されたパターンで動く。ＰＺＴ走査ミラー２３０は、光学通路に沿うようにビーム２０７の方向を変え、このビーム２０７がＤＯＥ２３５に入射する。

ＤＯＥ２３５は、ビーム２０７を複数のサブビーム２３７に分離し、工作物２５５の並列穿孔を許容する。サブビーム２３７は、ＤＯＥ２３５を出てから光学通路に沿って伝わり、これらのサブビーム２３７が走査レンズ２４０に入射する。走査レンズ２４０は、工作物２５５上のサブビーム２３７のスポットサイズを決定する。サブビーム２３７は、走査レンズ２４０を出てから光学通路に沿って伝わり、これらのサブビーム２３７がマイクロフィルター２４５に入射する。マイクロフィルター２４５は、サブビーム２３７の強度を均一化する。サブビーム２３７は、マイクロフィルター２４５を出てから光学通路に沿って伝わり、これらのサブビーム２３７がイメージトランスファーレンズ２５０に入射する。イメージトランスファーレンズ２５０は、工作物２５５上でのサブビーム２３７の焦点を再結像する。サブビーム２３７は、予め定義されたアブレーション加工アルゴリズムによるパターンで工作物２５５を除去する。

図３Ａを参照すると、一定円弧速度のレーザーの走査経路３００Ａは、外部輪郭照射初期電圧（Ｖ_ｍａｘ）３１０と、一定の円弧速度及び間隔を有する複数の照射ステップ３２０と、走査の間隔３３０の間隔とを備えている。動作中、本実施例において、要求されるレーザーの走査経路３００Ａは、一定の、あるいは要求される最終形状によって変化する走査の間隔３３０によって隔てられた多くの回転軌跡から構成されている。この一定円弧速度のレーザーの走査経路を利用すると、仕様外の製品を製造することを避ける方法と、アブレーション加工において繰り返し可能な結果を生じさせる方法とが提供される。Ｖ_ｍａｘ３１０は、レーザーの走査経路３００Ａ内の螺旋の外部半径を決定する。各回転部分は、図示されているように、多くの分離した照射ステップ３２０を有しており、これらの照射ステップ３２０は、以下の方法４００のステップ４３０において記述されたソフトウェアアルゴリズムによって指定される。図２及び３を参照すると、レーザー２０５が固定の繰り返しレートでパルス駆動するため、一定除去が、ＰＺＴ走査ミラー２３０の一定伝播速度に変換され、レーザー衝突ポイントを、工作物２５５の照射ステップ３２０上へ向ける。

図３Ａにおいて示されてた一定円弧速度のレーザーの走査経路は、除去される工作物２５５に平坦な表面を形成する。工作物２５５内にこの平坦な表面を維持することは、一定材料除去を許容するレーザー穿孔システムを提供する。この一定円弧速度のレーザーの走査経路はまた、一定材料除去を許容するレーザー穿孔システムを提供する方法を提供する。

本発明を利用した製造加工の間において、このアブレーション加工プロットの後半としてアブレーション加工が外部で実行される。レーザーによるアブレーション加工が、時間ｔ＝Ｔにおいて内向き螺旋の終端に達したとき、レーザー衝突ポイントは、図３Ｂに示される外向き螺旋状のレーザーの走査経路３００Ｂに沿って移動するように導かれる。レーザー衝突ポイントが、時間ｔ＝Ｔ’において次の層のアブレーション加工のために最大半径に達したとき、次の内向き螺旋が開始する。

図４を参照すると、レーザーによるアブレーション加工の方法４００は、いくつかのステップを含んでいる。ステップ４１０では、作業者あるいは技術者が、ソフトウェアプログラムを介してアルゴリズムを実行することができるコンピュータのようなコントロールシステム（図示されず）を準備する。コントロールシステムは、アルゴリズムの実行のための作動制御信号を提供するように、ＰＺＴ走査ミラー２３０に電気的に接続されている。ステップ４２０では、作業者あるいは技術者が、テーパ角、穴出口直径及び穴入口直径を含む穴形状を決定するために、ＣＡＤファイルのような顧客仕様情報と技術説明とを利用する。作業者あるいは技術者は、穴入口直径、レーザースポットサイズ及びＰＺＴ走査ミラー２３０の電圧レスポンスを考慮することによって、電圧Ｖ_ｍａｘ３１０を決定する。作業者あるいは技術者はまた、レーザーの走査経路３００Ａの最小許容される走査の間隔３３０を決定するために、レーザー２０５のスポットサイズを利用する。例えば、もしスポットサイズが１０ミクロンならば、走査の間隔３３０は、半径方向の輪郭の外壁に沿って除去不足による隆起部が形成されないよう、最大１０ミクロンとされるべきである。約２ミクロンといったピッチサイズは、１０ミクロンのレーザースポットとともに十分に機能する。通常、ＰＺＴ走査ミラー２３０に４０ボルトのバイアスを印加することによって、ビーム２０７を工作物２５５上で約４５ミクロン偏向させる。ステップ４３０では、作業者あるいは技術者が、ソフトウェアコード（図示されず）を起動し、このソフトウェアコードが、上記のステップ４１０で記載されたコントロールシステム内に常駐することにより、要求される穴形状を形成するために、レーザー穿孔を施す期間における半径及び角速度を計算する。例えば、以下の公式（公式（Ａ））は、レーザーによるアブレーション加工中の任意の時間“ｔ”におけるレーザーの走査経路３００Ａに沿った半径“ｒ”を示している。

同様に、以下の公式（公式（Ｂ））は、一定円弧速度を達成するためのレーザー穿孔中の任意の時間“ｔ”におけるレーザーの走査経路３００Ａに沿った角速度“ω”を示している。

また、レーザーによるアブレーション加工が、時間ｔ＝Ｔにおいて、内向き螺旋状のレーザーの走査経路３００Ａの終端に達したとき、レーザー衝突ポイントは、次の等式Ｔ≦ｔ≦Ｔ’の範囲で決定される外向き螺旋状のレーザーの走査経路３００Ｂ内で動くように導かれる。公式（Ｃ）は、レーザーによるアブレーション加工中の任意の時間“ｔ”におけるレーザーの走査経路３００Ｂに沿った半径“ｒ”を示している。

同様に、以下の公式（公式（Ｄ））は、一定円弧速度を達成するためのレーザー穿孔中の任意の時間“ｔ”におけるレーザーの走査経路３００Ｂに沿った角速度“ω”を示している。

これらの４つの公式は、円錐形状を穿孔するためのレーザーの走査経路を公式化するために用いられており、これらは、アルゴリズムの形でコントロールシステムのソフトウェア内に常駐する。このステップは、レーザーの走査経路の形状を生じさせるためのガイドラインを提供する。

ステップ４４０では、レーザーの走査経路の実行とレーザー穿孔の開始を始めるため、コントロールシステムが、ステップ４３０で実行されたアルゴリズムの結果を、マイクロプロセッサーのようなレーザーの走査経路コントローラー（図示されず）に伝達する。ステップ４５０では、ステップ４４０で認識されたコントローラーが、ステップ４３０で実行されたアルゴリズムのデジタル出力に対応する時間だけ、電圧をＰＺＴ走査ミラー２３０に伝達する。電圧がＰＺＴ走査ミラー２３０に供給されると、計算されたレーザーの走査経路及び工作物２５５の要求される穴形状にしたがって、ＰＺＴ走査ミラー２３０がその配置を変える。ステップ４６０では、レーザー穿孔システム２００が、図３に示されたようなパターンで、レーザーの走査経路のアルゴリズムにしたがって工作物２５５をアブレーション加工する。本発明においては、レーザーによるアブレーション加工が、層ごとに螺旋状アルゴリズム（“レーザーの走査経路”）を利用して実行され、このようにして、連続する螺旋のためにＶ_ｍａｘ３１０を減少させていくことによってテーパの付いた穴を形成する。

上述したように、本発明は、螺旋形状に限定されるものではなく、他の実施例においては、様々な形状のために同様の照射を維持する他のレーザーの走査経路のアルゴリズムが使用される。また、仕上げられた工作物内で要求される輪郭を達成するために連続する層同士の間では、様々な方法によってＶ_ｍａｘを減少させることができる。穴の軸を含む垂直横断面は、Ｖ_ｍａｘを減少させるためのステップの数字をｉとしたときに、Ｖ_ｍａｘ（ｉ）がどのように増大させられるかを決定する。Ｖ_ｍａｘ（ｉ＋１）＝Ｖ_ｍａｘ（ｉ）の１次関数は、固定されたテーパ角を有する一定のテーパを形成する。Ｖ_ｍａｘ（ｉ＋１）＝Ｖ_ｍａｘ（ｉ）−（ΔＶ_ｍａｘ＊ｉ）の他の関数は、累進的に傾きが急となる。一方、Ｖ_ｍａｘ（ｉ＋１）＝Ｖ_ｍａｘ（ｉ）−（ΔＶ_ｍａｘ／ｉ）は、半径が小さくなるにしたがいテーパの傾きを小さくしていく。一般に、Ｖ_ｍａｘ（ｉ）は、横断面（あるいは形）の仕様によって決定される必要がある。

ステップ４７０では、ステップ４３０で記載されたレーザーの走査経路のアルゴリズムが、要求される穴形状が達成されたかどうかを決定する。レーザーの走査経路のアルゴリズムが予め計算された数の必要な螺旋除去を完了したときに、穴形状が達成される。共焦顕微鏡及び光学側面計のような従来の測定技術がまた、要求される穴形状が達成されたかどうかを決定するために用いられることもできる。もし、イエスならば方法４００は終了し、もしノーならば方法４００はステップ４５０に戻る。

インクジェットヘッドのノズルプレートが、以下に詳細に示すように、本発明のレーザー穿孔システムで製造されていてもよい。

図５に示すように、インクジェットプリンター５００は、圧力発生装置を介して記録媒体５０４上に記録することが可能なインクジェットヘット５０２を有している。インクジェットヘッド５０２から放たれるインク溶滴は、コピーペーパーシートのような記録媒体５０４の上に配置され、記録媒体５０４上への記録が実行される。インクジェットヘッド５０２は、往復台シャフト５０８に沿った往復移動が可能な往復台５０６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５０２は、往復台シャフト５０８と平行な第１の走査方向Ｘにおいて往復運動が可能なように構成されている。記録媒体５０４は、第２の走査方向Ｙにおいてローラー５１０によって素早く運ばれる。インクジェットヘッド５０２と記録媒体５０４とは、ローラー５１０によって相対的に移動させられる。

図６を参照すると、圧力発生装置６００は、好ましくは圧電システム、熱システム、及び／または、同等のシステムである。この実施例では、圧力発生装置６００が、上部電極６０２と圧電素子６０４と下部電極６０６とを含む圧電システムとされている。ノズルプレート６０８は、ノズル支持体６１０と撥水層６１２とを含んでいる。ノズル支持体６１０は、金属、樹脂、及び／または、同等の材料でできている。撥水層６１２は、例えばフッ素樹脂あるいはシリコン樹脂でできている。この実施例では、ノズル支持体６１０が、ステンレススチールでできているとともに５０μｍの厚みを有しており、撥水層６１２が、フッ素樹脂でできているとともに０．１μｍの厚みを有している。インクジェットインクは、インク供給通路６１４と圧力室６１６とインク通路６１８とノズル６２０とに満たされている。インク溶滴は、圧力発生装置６００が圧力室要素６１６を押すことによって、ノズル６２０から排出される。
本発明の結果、ノズルプレートにバリや不純物（カーボンなど）のない非常に良好なノズルが構成される。さらに、ノズル出口直径の精度は、２０μｍ±１．５μｍである。

本発明は、いくつかの利点を有している。本発明の第１の利点は、マイクロ機械加工によって仕様外の製品を製造するのを避けることである。本発明の第２の利点は、アブレーション加工において繰り返し可能な一貫した結果を提供することである。本発明の第３の利点は、レーザーの走査経路の形状を生じさせるためのシステム及びガイドラインを提供することである。本発明の第４の利点は、作動レーザー出力を制御することなしに工作物上へのレーザー光源の一定照射を維持することである。本発明の第５の利点は、一定材料除去を提供することである。本発明の第６の利点は、螺旋状アブレーション加工効果が、連続的で、一貫した、継ぎ目なしの工作物のレーザー除去を提供することである。本発明の第７の利点は、螺旋状アブレーション加工が、レーザー除去を利用して対称な円柱形の微細な形状を機械加工する方法を提供することである。本発明の第８の利点は、予測可能な除去レートによる材料の均一除去を提供し、任意の形状を確率できることである。

本発明は、若干の不利点を有している。本発明の１つの不利点は、多くの時間がかかることである。しかしながら、いかなるアブレーション加工作業でも、それを実行するために同様の量の時間を要求するものであり、重大な懸念ではない。本発明の第２の不利点は、制御に費やす作動速度を増大させることである。しかしながら、他の閉ループシステムは、コスト効果の高い大量製造環境にとってはあまりにも低速である。

同一の問題を解決する他の方法は、穴の半径が外向きの照射ステップにあるときに、より速いレートでレーザーを放射することである。しかしながら、このアプローチは、レーザーシステムにおいて同期及び管理が難しい追加のプロセス制御を要求する。

本発明の記述は、単に例示的なものであって、このようにして本発明の要点から外れることのない変更は、本発明の範囲内である。そのような変更は、本発明の思想及び範囲から離れるものではないと考えられる。

一定角速度のレーザーの走査経路のブロック図である。 レーザー穿孔システムの簡略系統を示すブロック図である。 内向き螺旋である円形の一定円弧速度のレーザーの走査経路のブロック図である。 外向き螺旋である円形の一定円弧速度のレーザーの走査経路のブロック図である。 レーザーによるアブレーション加工方法を示すフローチャート図である。 インクジェットプリンターの主要構成部材を示す透視図である。 インクジェットヘッドの概略横断面図である。

符号の説明

２００ レーザー穿孔システム
２３０ ＰＺＴ走査ミラー
２５５ 工作物
３００Ａ，３００Ｂ レーザーの走査経路
３２０ 照射ステップ
３３０ 走査の間隔

Claims (23)

1. レーザーで工作物の露出した表面から材料の層を除去するためのレーザーの走査経路を決定する工程と、
   前記レーザーの走査経路にしたがってレーザーで工作物の露出した表面から材料の層を除去し、該工作物にテーパーが付いた穴を穿孔する工程とを備え、
   前記レーザーの走査経路が、略螺旋状の走査経路を形成するように、前記穴の中心から前記レーザーの位置までの半径と前記走査経路に沿った前記レーザーの角速度との積からなる一定円弧速度を描くことを特徴とするレーザーによるアブレーション加工を実行する方法。
2. 請求項１に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法において、
   レーザーが工作物の露出した表面上の走査経路に従って移動するように作動可能なコントロールシステムに接続する工程を備えていることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工を実行する方法。
3. 請求項２に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法において、
   前記レーザーの走査経路を決定する工程は、レーザーの走査経路の半径とレーザーの走査経路に沿って移動する際のレーザーの角速度とを公式化する工程に対応していることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工を実行する方法。
4. 請求項３に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法において、
   前記半径は、前記コントロールシステムによって作動させられるレーザーシステムのＰＺＴ走査ミラーに出力される電圧の関数として制御され、
   前記レーザーの走査経路を決定する工程は、ＰＺＴ走査ミラーに印加する初期電圧を決定する工程を備えていることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工を実行する方法。
5. 請求項４に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法において、
   前記半径は、前記走査経路の一回転あたりの、ＰＺＴ走査ミラーに印加する電圧が降下することに対応した走査の間隔にしたがって変化し、
   前記レーザーの走査経路を決定する工程は、前記レーザーシステムのスポットサイズに基づいて走査の間隔を決定する工程を備えていることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工を実行する方法。
6. 請求項３に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法において、
   前記コントロールシステムが半径の関数として前記角速度を修正することが可能であることによって、前記一定円弧速度が達成されることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工を実行する方法。
7. 請求項３に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法において、
   前記工作物の新たに露出した表面から連続する材料の層の除去を達成するために前記レーザーの走査経路を修正する工程であって、前記連続する材料の層がそれぞれエリアを減少することによって前記レーザーによるアブレーション加工された工作物内で要求された輪郭をとるようにレーザーの走査経路を修正する工程を備えていることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工を実行する方法。
8. 請求項７に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法において、
   前記レーザーの走査経路を修正する工程は、前記半径を減少させるとともに前記局部的な角速度を増大させる工程に対応していることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工を実行する方法。
9. 請求項１に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法において、
   前記レーザーの走査経路にしたがって複数の工作物の除去を同時に実行する工程であって、各工作物の除去領域が同一の材料からなるとともに同一の形状を有するような工程を備えていることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工を実行する方法。
10. 請求項１に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法において、
    前記レーザーの走査経路にしたがって工作物の複数の領域の除去を同時に実行する工程であって、前記複数の領域のそれぞれが同一の材料からなるとともに同一の形状を有するような工程を備えていることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工を実行する方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法を使用するレーザーによるアブレーション加工システムにおいて、
    レーザーで工作物の露出した表面から材料の層を除去するためのレーザーの走査経路を決定することが可能なレーザーの走査経路モジュールであって、前記レーザーの走査経路が、略螺旋状の走査経路を形成し、穴の中心から前記レーザーの位置までの半径と前記走査経路に沿った前記レーザーの角速度との積からなる一定円弧速度を描くように構成されたレーザーの走査経路モジュールと、
    前記レーザーの走査経路にしたがって複数の工作物の除去を実行することが可能な複数のレーザーと、
    前記レーザーの走査経路にしたがってレーザーで工作物の露出した表面から材料の層を除去することが可能なコントロールモジュールと、
    を備えていることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工システム。
12. 請求項１１に記載のレーザーによるアブレーション加工システムにおいて、
    前記レーザーの走査経路モジュールは、レーザーの走査経路の半径とレーザーの走査経路に沿って移動する際のレーザーの角速度とを公式化することが可能であることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工ステム。
13. 請求項１２に記載のレーザーによるアブレーション加工システムにおいて、
    前記コントロールモジュールは、前記複数のレーザーのＰＺＴ走査ミラーに出力される電圧の関数として前記半径を制御することが可能であり、前記レーザーの走査経路モジュールは、ＰＺＴ走査ミラーに印加する初期電圧を決定することが可能であることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工システム。
14. 請求項１３に記載のレーザーによるアブレーション加工システムにおいて、
    前記コントロールモジュールは、走査経路の一回転あたりの、ＰＺＴ走査ミラーに印加する電圧が降下することに対応した走査の間隔にしたがって半径を変化させることが可能であり、前記レーザーの走査経路モジュールは、前記複数のレーザーのスポットサイズに基づいて走査の間隔を決定することが可能であることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工システム。
15. 請求項１２に記載のレーザーによるアブレーション加工システムにおいて、
    前記コントロールモジュールが半径の関数として前記角速度を制御することが可能であることによって、前記一定円弧速度が達成されることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工システム。
16. 請求項１２に記載のレーザーによるアブレーション加工システムにおいて、
    前記コントロールモジュールは、前記工作物の新たに露出した表面から連続する材料の層の除去を達成するために前記レーザーの走査経路を修正することが可能であり、前記連続する材料の層がそれぞれエリアを減少することによって前記レーザーによるアブレーション加工された工作物内で要求された輪郭をとることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工システム。
17. 請求項１６に記載のレーザーによるアブレーション加工システムにおいて、
    前記コントロールモジュールは、前記半径を減少させるとともに前記局部的な角速度を増大させることによって前記レーザーの走査経路を修正することが可能であることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工システム。
18. 請求項１１に記載のレーザーによるアブレーション加工システムにおいて、
    前記レーザーの走査経路にしたがって複数の工作物の除去を同時に実行する手段であって、各工作物の除去領域が同一の材料からなるとともに同一の形状を有するように構成された手段を備えていることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工システム。
19. 請求項１１に記載のレーザーによるアブレーション加工システムにおいて、
    前記レーザーの走査経路にしたがって工作物の複数の領域の除去を同時に実行する手段であって、前記複数の領域のそれぞれが同一の材料からなるとともに同一の形状を有するような手段を備えていることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工システム。
20. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザーによるアブレーション加工を実行する方法における工作物材料のレーザー除去によって設けられた穴を有する工作物の層を備え、前記レーザー除去が、レーザーの走査経路にしたがってレーザービームを前記工作物の層の表面に交差するように駆動させるレーザー穿孔システムによって実行され、前記レーザーの走査経路が、略螺旋状の走査経路を形成するように、前記穴の中心から前記レーザーの位置までの半径と前記走査経路に沿った前記レーザーの角速度との積からなる一定円弧速度を有していることを特徴とするレーザーによるアブレーション加工された工作物。
21. 請求項２０に記載の工作物において、
    前記工作物の層がインクジェットノズルプレートであり、前記穴がインクジェットノズルであることを特徴とする工作物。
22. 請求項２１に記載のインクジェットノズルを備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
23. 請求項２２に記載のインクジェットヘッドを備えていることを特徴とするインクジェットプリンター。

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