JPH06506069A - 液体冷却接触マスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 液体冷却接触マスク 本発明は高エネルギーパルスのレーザー照射による表面の模様形成に用いるマス クに関し、特には各ノズルか連絡する平行のインク流路を有するインクジェット プリントヘッドのノズル形成の方法に関する。

エキシマレーザ−を用いる表面のパターン除去（アブレーション）は文献ではよ く知られており、インクジェットプリントヘッド用ノズル形成へのレーザー除去 の応用はＥＰ−Ａ−０３０９１４６に記載されており、ここに参考文献として取 り込む。

該参考文献ではノズル位置に対応する開口を存する接触マスクをプリントヘッド に装着されるノズルプレートと接触させて置くことがノズル製造の好ましい方法 である。高強度のＵＶ光線の連続的パルスへの露光によりノズル部を除去する。

パルスの際にマスク及びプリントヘッドを揺り動かすとノズルのアンダーカット を可能にしてノズル入口をノズル出口よりも広くできる。ＵＶ光線パルスの典型 的な入射エネルギーは０．３−ＩＪｄである。

実際の試験ではこの程度の光線エネルギー密度の露光の際にも接触マスクは加熱 される傾向にあり、これはマスクの熱膨張を起こす。さらにマスクは繰り返され る熱応力のためにマスク表面がへこみ、マスクは急速にひび割れ、損傷されてそ の実用寿命を制限されるようになる。

我々の認めた接触マスク上に入射する高エネルギー密度の照射による諸問題を解 決する方法は、入射する光学ビームの経路の拡張した部分に、すなわちエネルギ ー密度が除去位置のそれより低くなるビームの位置に投射マスクを用いることで ある。

しかし本発明ではプリントヘッドに接触させた接触マスクが好ましい。例えば合 い釘の設置や光学アライメントにより、マスク面に接触させることによりマスク に適切にプリントヘッドを配置し、そして製造上の誤差、特には揺りを取り込ん だ工程での誤差を減少させる。

本発明の目的は高エネルギーパルス照射による表面の模様形成に用いる、実用寿 命の延長されたマスクを提供することにある。また別の目的はインクジェットプ リントヘッドのノズル形成の改良された方法を提供することにある。

本発明は表面に隣接して位置し且つ開口を形成した基板を有し、該開口を通して それぞれの場所にそれぞれの開口ビーム路に沿ってレーザーの高エネルギーパル スを露光して模様を形成するようにしてなる、レーザー除去法により表面上に模 様を形成するために用いるマスクにおいて、該表面を除去している間にマスクを 冷却するための流体が流れるよう、流路手段を、マスクの該高エネルギーパルス に露光される領域に隣接し且っ各開口ビーム路から離れた個所に設けたことを特 徴とするマスクである。

好適には該流路手段は、冷却流体の循環用手段の接続に適した封入流路である。

有利には熱交換器を備えて、流路内で加熱された流体を通して再循環の前にそれ から熱を抽出する。

好ましくはレーザー照射を入射される表面上のマスクは該照特表十６−５０６０ ６９　（３） 射を反射する鏡面で形成される。■の態様において鏡面はアルミニウムの塗膜で ある。別の態様において鏡面は厚み波長について入射する照射の波長に適合した 波長厚をもつ誘電性塗膜である。

マスクの表面は模様が除去される表面と平面等で係合してよい。或いはマスクは 、模様か形成される表面にそれら模様の回りでそれぞれ接触するパッドを開口の 回りに形成していてよい。

本発明はさらに、各ノズルを連絡する平行のインク流路を有するインクジェット プリンタヘッドのノズルを形成する方法であって、該流路の対応する端にポリマ ーノズルプレートを結合させ、該ノズルプレートに接触マスクを適用し、該マス クは該ノズルの間隔で開口を形成されるものであり、該マスク中に形成した流路 を通して冷却流体を循環させ、少なくとも該開口を有するマスクの領域に高エネ ルギーパルスのレーザー照射を該マスクに露光して、それにより該ノズルを除去 （ａｂｌａｔｅ）する方法である。

本発明を付随の参考文献、下記の概念図により実施例をあげて説明する。

図１は表面の特にはインクジェットプリントヘッドのノズルプレート中のノズル の、模様のレーザー除去に用いる装置の部分断面側面図であり、本発明のマスク を含んでいる。

図２ａ及び図２ｂはそれぞれ図１のマスクの１個所面図及び平面断面図である。

図２ａの側面断面図は図２ｂの線Ｉ［ａ−Ｉｆａの断面であり、図２ｂの平面断 面図は図２ａの線ｍｂ−ｍｂの断面である。

図３は先の図のマスクの詳細を示す断片的な断面図である。

各図において同一部分には同じ参照番号が付されている。

図１ではエキシマレーザ−１０が表面１２に模様を形成するの場合の該表面１２ はインクジェットプリントヘッド１４のノズルプレート１３の表面であり、該プ レート１３は図面に垂直な平面でプリントヘッド中に伸長している平行流路１５ の対応する端で該プリントヘッド１４と結合している。本工程の例は先に引用し たＥＰ−Ａ−０３０９１４６に示されている。

本工程で表面１２はレーザーＩＯにより発生した高エネルギーＵＶ光線のパルス に露光されて除去される。選ばれる光の波長は典型的には、アルゴンフッ素化物 （ＡｒＦ）、クリプトンフッ素化物（ＫｒＦ）又はキセノンフッ素化物（ＸｅＦ ）のエキシマの陽子放出に対応する１９３　、２４８又は３０８ｎｍである。こ れらレーザーにより発生するパルス周期は典型的には１０−３０ナノ秒であり、 ２００Ｈｚ以上の周波数で得られる。

パルスのエネルギー密度は適当なレンズ１６によって表面Ｉ２の除去閾値に依存 するレベルにまで集中しうる。表面がインクジェットプリントヘッド用ノズルプ レートに好適なポリマーである場合、典型的には除去のためのエネルギー密度閾 値は０゜１−０．２　ＪａＩｒである。好適な高速度の表面除去工程では０．３ −１ＪａＩｒの範囲のエネルギー密度が選ばれるだろう。しかしより高いエネル ギー密度閾値を有する表面の除去には１ＯＪａｌまてのより高い露光エネルギー 密度が用いられてよい。

公知例ではレンズＩ６の領域に配置した投射マスクが用いられるが、微小で精密 な模様を除去する場合又は表面１２を揺り動かす場合はマスクの基板１９に形成 した開口２０を有する接触マスク１７を用いるのが便利であり、これは例えば合 い釘又は光学手段（図示せず）により表面１２に対して正確に位置される。マス ク１７は全エネルギー密度の入射光線パルスに露光される。

接触マスクの問題点は光線パルスの露光中にエネルギーを吸収して除去工程中に 急速に加熱されることである。その結果マスクは熱膨張により膨張してノズル製 造の精度を制限する。さらに繰り返される熱応力のためにへこんでくる傾向があ り、その表面はひび割れ、損傷を受けてマスクの寿命を制限する。こうした問題 は一般に投射マスクにより回避できる。その場合エネルギー密度が低められ従っ て加熱される速度かより遅くなる。

接触マスクをインクジェットプリントヘッドのノズル形成に用いる場合のさらな る問題点はマスクが熱されてポリマーノズルプレートの外側面に形成した非湿潤 性塗膜の熱分解を起こすことである。この塗膜はＥＰ−Ａ−０３６７４３８の主 題であり、ノズルプレートを形成するポリマー膜上に形成される。この塗膜は低 表面エネルギー、すなわち非湿潤性であり、摩擦抵抗性且つ１８０°Ｃまで耐性 であるがこれはその製造時に付与されたものである。しかしノズル除去時に非冷 却マスクが過熱すると、塗膜は分解しその結果ノズル中のインクはノズルに制限 されずにノズルプレートの外側表面に広がってしまうことが立証されている。こ のためマスクの冷却が望まれる。

接触マスクの加熱の程度は入射光線エネルギーの波長でのマスフの光学吸光又は 反射係数に依存する。例えばマスクがシリコンで形成される場合、厚み１００μ ｍ、入射エネルギー０．５Ｊｃｒｌでその吸光係数は約０．４であり、マスクは パルス当たり約１０℃熱される。マスクをアルミニウムで金属被覆した場合、そ の吸光係数は約０．１（すなわち反射係数９０％の鏡に近似）であるが、温度の 上昇はそれでもパルス当たり２．５℃ある。従って典型的なパルス速度２００Ｈ ｚにおいては接触マスクは１ＯＷａｌの速度で熱を吸収して１砂崩たり約５００ ℃の温度上昇が見られるであろう。数千のパルスを必要とする除去工程では従来 マスクをパルス間で冷却し、受容ピーク温度を制限するために低周波数すなわち １−２Ｈｚでの除去しか行えない。

以上から０．００１以下の吸収係数を有する超高品質鏡面塗膜だけが最も高いレ ーザーパルス速度である限られた期間内は過熱することのない受動的接触マスク として適するであろうが、その様なものは存在しない。熱吸収の少ない高品質鏡 面塗膜はまた赤外照射による熱損失も少ない。従って誰もマスクを冷却するのに プリントヘッドへの熱伝導に頼ることはなく、その結果マスク温度を合理的な範 囲に保つには池の手段による冷却手段が望ましいことになる。

過熱を紡ぐため図１の接触マスクは流体流路２１を備える。

ポンプにより流路２】内を流れる冷却流体は気体であってもよいが、流路として 活用できる限られた空間を考慮すれば好ましくは液体、たとえば流路壁の酸化又 は溶解性を制限する阻害剤を含んだ水、又は炭化水素溶媒である。

流路２１は基板１９に接着させたマスクのカバー２３中に形特表十〇−５０６０ ６９（４） 成される。カバー及び基板はいずれも互いに接着させた金属、シリコン、又は共 に耐熱性ポリマーからなってよい。有利には接着剤として低蒸気圧接着剤、例え ば拡散又ははんだ接着剤か用いられる。図中のマスクでは開口２０は流路ノズル ２５と同じ間隔を持つ一列の開口よりなり、該流路ノズル２５はビーム１１によ ってノズルプレート１３へと除去され、そしてそれぞれプリントヘッドの流路１ ５と連絡する。図３に示す通り基板１９中に開口２０と重なるカバー中の開口２ ７は開口２０より直径が太き（、ノズル２５の出口を塞いだり遮蔽することなく 入射光線ビーム１１とプリントヘッド１４の間の相対的な揺り動かしによりノズ ル２５の除去を促進する。

冷却流路２１はデフレクタ−２９を有するカバー内に形成され、該デフレクタ− は冷却水に波状の流れを伝えて最大の熱吸収を確保する。マスクへの入射光線パ ルスに露光するマスクの領域を、できるだけ実際的に冷却するように流路２１が 配置される。

カバー２３の表面は鏡面により被覆されてよい（例えばアルミニウム被覆）。こ れにより典型的な１０−３０ナノ秒のパルス周期の間に吸収される熱を制限して 、カバーの表層近くが達するピーク温度を典型的にはｌ−２００°Ｃの温度上昇 に低減する。塗膜がない場合にはパルス中の層は５００−１０００°Ｃ以上にも 達して、マスクの過熱速度は高くなると共にマスクを劣化させ、歪を生じさせる 。

（図３に示す通り）開口２０の回りの基板１９の材料もまた同様に誘電性の鏡面 塗膜て被覆されてよい。塗膜すなわち金属化塗膜又は誘電性塗膜の選択は主とし て、ＵＶレーザーパルスに露光される時、冷却マスクの寿命が製造仕様に適切に なるようなされる。アルミニウムでは沈着金属中の不純物の表面での偏析により 除去のエネルギー閾値は制限されて０．８−１．Ｉ　ＪａＩｒを超えないだろう 。より高いエネルギー密度には誘電性塗膜が必要である。

開口の回りの材料をパルスの合間に確実に冷却するには、パルス周波数をｆ、熱 拡散率をｋとすると、開口２０と冷却流路の距離は好ましくは 以下である。図３に示す通りこの領域での基板１９の材料中の熱は次に冷却流路 へ向けて拡散して、そして次回のパルスの前には実質的に均一となるのに時間を 有する。熱拡散率に＝に／ρＣである（式中には熱伝導率、ρは密度、Ｃはマス ク材料の比熱である）。

接触パッド２８がノズルプレー目３と向かい合う基板側壁上にマスクの各開口の 回りに配置されてよく、これはマスクとノズルプレートの表面１３を確実に接触 させる。或いは基板は表面１２に対してじかに置かれてもよい。

冷却流路には冷却流体を、好ましくは液体を満たし、流路の各端でカバー中に好 適に形成した入口２２及び出口（図示せず）を通して循環させて除去の際の熱を 連続的に取り除く。次に流体を再循環の前に熱交換器（図示せず）に通す。これ は熱を消散させてマスクを安定した、好ましくは常温の上方２０−４０℃以下程 度の温度に保つ。この時冷却されているマスク１７の熱膨張は受け入れうる限度 内に保持される。

補正された請求の範囲 土１表面（１２）に隣接して位置し且つ開口（２０）を形成した基板（１９）を 有し、該開口を通してそれぞれの場所にそれぞれの開口ビーム路に沿ってレーザ ーの高エネルギーパルスを露光して模様（２５）を形成するようにしてなる、レ ーザー除去法により表面（１２）上に模様（２５）を形成するために用いるマス クにおいて、該表面を除去している間にマスクを冷却するための流体が流れるよ う、流路手段（２１）を、マスクの該高エネルギーパルスに露光される領域に隣 接し且つ各開口ビーム路から離れた個所に設けたことを特徴とするマスク。

２　該流路手段が、冷却流体の循環用手段の接続に適した封入流路（２１）であ る請求項１記載のマスク。

ふ　該流路が、それを通過する流体に波状の流れを伝えるデフレクタ−（２９） を有する請求項２記載のマスク。

４、再循環の前に流路内て加熱された流体を通過させて熱を抽出するための熱交 換器を設けてなる請求項２又は３記載のマスク。

５、該流路手段がマスク開口に隣接する位置を通って伸長している請求項１から ４記載のマスク。

６、該流路手段か距離 （式中のｋはマスクの基板材料の熱拡散率であり、ｆはレー特表千６−５０６０ ６９　（６） ザーパルスの周波数である）の範囲でマスク開口から離れている請求項５記載の マスク。

７、　レーザー照射を入射される表面上の該マスクが、該照射を反射する鏡面で 形成される請求項１から６記載のマスク。

８、該鏡面がアルミニウムの被覆から成る請求項７記載のマスク。

９、該鏡面が厚み波長について入射する照射の波長に適合した誘電性被覆である 請求項７記載のマスク。

１０、該模様が形成される表面に該基板が平面で接触するよう該マスクが適合し た請求項１から９記載のマスク。

１１、該模様が形成される表面と向かいあうマスク表面の上に接触パッド（２８ ）を備えて、該パッドは該マスク開口の各回りに伸長する請求項１から９記載の マスク。

１２、各ノズルが連絡する平行のインク流路（１５）を有するインクジェットプ リンタヘッドのノズル（２５）を形成する方法であって、該流路の対応する端に ポリマーノズルプレートを結合させ、該ノズルプレートに接触マスクを適用し、 該マスクは該ノズルの間隔で開口を形成されており、該マスク中に形成した流路 を通して冷却流体を循環させ、少なくとも該開口を有するマスク領域に高エネル ギーパルスのレーザー照射を該マスクに露光して、それにより除去による該ノズ ルを形成する上記の方法。

１３、該照射の軸に対して該プリントヘッド、ノズルプレート及びマスクを揺り 動かして、それによりアンダーカットのノズルを形成する請求項１２記載の方法 。

ｌ・１．該冷却流体が循環する水である請求項１２又は１３記載の方法。

１５、該冷却流体か循環する炭化水素溶媒である請求項１２又は１３記載の方法 。

手続補正書 平成５年９月２２日

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．表面（１２）に隣接して位置し且つ開口（２０）を形成した基板（１９）を 有し、該開口を通してレーザーの高エネルギーパルスを露光して模様（２５）を 形成するようにしてなる、レーザー除去法により表面（１２）上に模様（２５） を形成するために用いるマスクにおいて、該表面を除去している間にマスクを冷 却するための流体が流れるよう、流路手段（２１）を、マスクの該高エネルギー パルスに露光される領域に隣接して設けたことを特徴とするマスク。
2. ２．該流路手段が、冷却流体の循環用手段の接続に適した封入流路（２１）であ る請求項１記載のマスク。
3. ３．該流路が、それを通過する流体に波状の流れを伝えるデフレクター（２９） を有する請求項２記載のマスク。
4. ４．再循環の前に流路内で加熱された流体を通過させて熱を抽出するための熱交 換器を設けてなる請求項２又は３記載のマスク。
5. ５．該流路手段がマスク開口に隣接する位置を通って伸長している請求項１から ４記載のマスク。
6. ６．該流路手段が距離 √ｋ／ｆ （式中のｋはマスクの基板材料の熱拡散率であり、ｆはレーザーパルスの周波数 である）の範囲でマスク開口から離れている請求項５記載のマスク。
7. ７．レーザー照射を入射される表面上の該マスクが、該照射を反射する鏡面で形 成される請求項１から６記載のマスク。
8. ８．該鏡面がアルミニウムの被覆から成る請求項７記載のマスク。
9. ９．該鏡面が厚み波長について入射する照射の波長に適合した誘電性被覆である 請求項７記載のマスク。
10. １０．該模様が形成される表面に該基板が平面で接触するよう該マスクが適合し た請求項１から９記載のマスク。
11. １１．該模様が形成される表面と向かいあうマスク表面の上に接触パッド（２８ ）を備えて、該パッドは該マスク開口の各回りに伸長する請求項１から９記載の マスク。
12. １２．各ノズルが連絡する平行のインク流路（１５）を有するインクジェットプ リンタヘッドのノズル（２５）を形成する方法であって、該流路の対応する端に ポリマーノズルプレートを結合させ、該ノズルプレートに接触マスクを適用し、 該マスクは該ノズルの間隔で開口を形成されており、該マスク中に形成した流路 を通して冷却流体を循環させ、少なくとも該開口を有するマスク領域に高エネル ギーパルスのレーザー照射を該マスクに露光して、それにより除去による該ノズ ルを形成する上記の方法。
13. １３．該照射の軸に対して該プリントヘッド、ノズルプレート及びマスクを揺り 動かして、それによりアンダーカットのノズルを形成する請求項１２記載の方法 。
14. １４．該冷却流体が循環する水である請求項１２又は１３記載の方法。
15. １５．該冷却流体が循環する炭化水素溶媒である請求項１２又は１３記載の方法 。