(57)【要約】【課題】マスク投影光学系を介してレーザ光を天板の吐出口側前方から照射してテーパ形状のノズル穴を高精度に効率良く加工形成することができ、かつ吐出性能を向上させることができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供する。【解決手段】天板１の吐出口側前方からマスク縮小投影光学系１５を介してレーザ光Ｌを照射して天板１にノズル穴５をアブレーション加工する際に、回転機構１７によって、天板１をその吐出口と直交する軸方向に１軸の円弧運動を与えながらレーザ光Ｌの照射を行ない、そして、レーザ光照射の途中で天板１の加工部分に噴射ノズル１８から水滴流を吹き付けて、レーザ加工時に発生する副生成物を洗浄すると同時にレーザ加工時に発生する熱を冷却させることによって、加工部分の異物付着や変質を防ぎ、テーパ形状のノズル穴５を高精度に効率良く加工する。【選択図】図１
2005186363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吐出エネルギー発生素子を形成した素子基板上に、吐出エネルギー発生素子に対応する液流路溝および該液流路溝に連通する液吐出用のノズル穴を有する天板を組み付けて構成する液体吐出ヘッドの製造方法において、マスク投影光学系を用いて天板のノズル穴加工面に吐出口側前方からレーザ光を照射しアブレーションによりノズル穴を加工する際に、天板のノズル穴加工面にその吐出口と直交する軸方向に円弧運動を与えながらレーザ光の照射を行ない、吐出口側のオリフィス面積が小で液流路溝側のオリフィス面積が大となるテーパ形状のノズル穴を加工形成することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項２】
レーザ光の照射によりノズル穴を加工する際に、レーザ光の照射と水滴の噴射による副生成物の除去および加工部分の冷却とを交互に行ないながら加工することを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項３】
水滴の噴射による副生成物の除去および加工部分の冷却を行なった後に、噴射された水分を除去するために気体を噴射させることを特徴とする請求項２記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吐出エネルギー発生素子を形成した素子基板上にインク等の液体吐出用の微細なノズル穴を有する天板を組み合わせて構成する液体吐出ヘッドの製造方法に関し、特に、レーザ光の照射によるノズル穴の加工に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の液体吐出記録装置に使用される液体吐出ヘッドは、インク等の液体を吐出する微細なノズル穴（オリフィス）、ノズル穴に連通した液流路溝およびこの液流路溝に対応して位置付けられた吐出エネルギー発生素子を複数具備し、記録情報に対応した駆動信号を吐出エネルギー発生素子に印加し、吐出エネルギー発生素子に対応する液流路溝内の記録液に吐出エネルギーを付与することによって、ノズル穴から液体を液滴として吐出させて記録を行なうように構成されており、熱エネルギーを利用して微小液滴を吐出させるもの、あるいは電気機械変換体を利用したもの、またはこれらの複合体を利用して微小液滴を吐出させるもの、さらに一対の電極を設けてこれにより液滴を偏向させて吐出させるもの等が知られている。
【０００３】
これらの液体吐出ヘッドの中でも、熱エネルギーを利用して液体を吐出させる液体吐出ヘッドは、液体を吐出させ飛翔用液滴を形成するための液吐出用のノズル穴（オリフィス）を高密度に配列することができるために、高解像度の記録をすることが可能であるほか、全体的にコンパクト化も容易であるなどの利点があり、既に実用化されている。
【０００４】
この種の液体吐出ヘッドの構成の概略を図７に基づいて説明すると、液体吐出ヘッドを構成する天板１０１は、液体を溜めておく共通液室１０２、共通液室１０２に液体を供給するための円筒状の液受け口１０６および共通液室１０２に連通した複数の液流路溝１０３を形成した天板本体部と、複数の液流路溝１０３にそれぞれ連通する複数のノズル穴（オリフィス）１０５を形成するオリフィスプレート１０４が樹脂材料で一体的に形成されている。また、素子基板１０７には、Ｓｉ基板上に複数個配列された吐出エネルギー発生素子（例えば、電気熱変換素子）１０８とこれに電力を供給するＡｌ等の電気配線（図示しない）とが成膜技術により形成され、配線基板１１２は、素子基板１０７の配線に対応してワイヤボンディング等により接続される配線とこの配線の端部に位置し本体装置からの電気信号を受けるパッド（図示しない）を有している。これらの天板１０１と素子基板１０７は、液流路溝１０３およびノズル穴１０５と吐出エネルギー発生素子１０８とをそれぞれ対応するように位置合わせした状態で組み合わせてばねまたは接着剤等により接合固定され、配線基板１１２とともにベースプレート１１０上に固定され、さらに図示しない液体タンクに連結されて、液体吐出ヘッドを構成している。
【０００５】
液体吐出ヘッドを構成する天板１０１は、共通液室１０２や液受け口１０６を有する天板本体部とオリフィスプレート１０４を、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、ポリイミド等の樹脂材料で射出成形等によって一体成形されており、そして、液流路溝１０３は、天板１０１の射出成型と同時に、あるいは射出成型された天板１０１に対する機械加工またはレーザ加工等により形成され、ノズル穴（オリフィス）１０５は、高精度にかつ短時間での加工が可能なレーザ光の照射による穴あけ加工によって形成されている。
【０００６】
そして、液吐出用のノズル穴（オリフィス）を加工する方法としては、特許文献１や特許文献２に開示されているように、液流路溝の後方からオリフィス吐出口側に向かってレーザ光を照射することにより、吐出口側のオリフィス面積を液流路溝側のオリフィス面積より小さくしたテーパー形状のノズル穴を形成する方法が知られている。
【０００７】
また、オリフィス吐出口側からレーザ光を照射する方法として、特許文献３や特許文献４等に開示された方法も知られており、これらは、オリフィス吐出口側から照射するレーザ光の入射角度を変化させることにより、吐出口側のオリフィス面積を液流路溝側のオリフィス面積より小さくしたテーパー形状のノズル穴を形成する方法である。
【特許文献１】特開平２−１２１８４２号公報
【特許文献２】特開平４−９２９１号公報
【特許文献３】特開平７−２８４９７５号公報
【特許文献４】欧州特許（ＥＰ）第３０９１４６−Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のような従来のノズル穴の加工に関する技術においては、次のような未解決な課題があった。
【０００９】
（１）液流路溝の後方からオリフィス吐出口側に向かってレーザ光を照射する場合は、レーザ光が液流路溝の壁により遮られるためレーザ光軸に角度を付けて照射しなければならず、加工されたノズル穴の向きと液流路溝の向きが異なってしまい、液体の吐出性能を低下させ、高精細な画像を得ることができないことがあった。
【００１０】
（２）前記特許文献４に開示された方法では、マスクをオリフィスプレート加工面に密着させかつマスクとワークを三次元方向に揺動させる必要があり、複雑な機構が必要になる。さらに、密着マスクのためマスクのエッジ部に高精度の加工が要求され、かつマスクのエッジ部によるレーザ光回折によりシャープな加工が困難である。
【００１１】
また、マスク投影光学系を用いるマスク投影による加工の場合は、揺動時にフォーカスのずれが生じるために原理的に全ノズルを均一形状で同一精度の加工ができない。
【００１２】
（３）レーザ光をオリフィス吐出口側から照射し、そのレーザ光の入射角度を変化させる場合は、レーザ光軸を中心にして円錐状に加工物を移動させる必要があり、一回に一つの穴加工しかできないため、量産性に難がある。
【００１３】
そこで、本発明は、上記従来技術の有する未解決な課題に鑑みてなされたものであって、マスク縮小投影光学系を介してレーザ光を天板の吐出口側前方から照射してテーパ形状のノズル穴を効率良く加工形成することができ、かつ、吐出性能を向上させることができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、吐出エネルギー発生素子を形成した素子基板上に、吐出エネルギー発生素子に対応する液流路溝および該液流路溝に連通する液吐出用のノズル穴を有する天板を組み付けて構成する液体吐出ヘッドの製造方法において、マスク投影光学系を用いて天板のノズル穴加工面に吐出口側前方からレーザ光を照射しアブレーションによりノズル穴を加工する際に、天板のノズル穴加工面にその吐出口と直交する軸方向に円弧運動を与えながらレーザ光の照射を行ない、吐出口側のオリフィス面積が小で液流路溝側のオリフィス面積が大となるテーパ形状のノズル穴を加工形成することを特徴とする。
【００１５】
そして、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法においては、レーザ光の照射によりノズル穴を加工する際に、レーザ光の照射と水滴の噴射による副生成物の除去および加工部分の冷却とを交互に行ないながら加工することが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法においては、水滴の噴射による副生成物の除去および加工部分の冷却を行なった後に、噴射された水分を除去するために気体を噴射させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法によれば、天板の吐出口側前方からマスク投影光学系を介してレーザ光を照射し、天板に液吐出用のノズル穴をアブレーション加工する際に、天板の吐出口と直交する軸方向に１軸の円弧運動を与えながらレーザ光の照射を行なうことにより、ノズル吐出口側ではオリフィス面積が小でノズル流路溝側ではオリフィス面積が大となるテーパ形状のノズル穴を加工することを可能とし、また、レーザ光照射の途中で加工部分に水滴流を吹き付けることにより、レーザ加工時に発生し付着する副生成物を洗浄すると同時にレーザ加工時に発生する熱を冷却させることによって、加工部分の異物付着や変質を防ぐことができ、次のレーザ光の照射ではマスク投影形状を妨げることなくまた熱の蓄積による加工部分の樹脂の変質が発生することなく加工することができる。
【００１８】
したがって、本発明による液体吐出ヘッドの製造方法によって、高精度のテーパ形状のノズル穴を効率良く加工形成することが可能となり、さらに、液体吐出ヘッドの吐出性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法に適用するレーザ加工装置の構成を概略的に図示する概略構成図であり、図２の（ａ）および（ｂ）は、液体吐出ヘッドを構成する樹脂成型された天板の一例を示す図であり、液吐出用のノズル穴を加工する前の天板の斜視図である。
【００２１】
図１において、レーザ加工装置１０は、レーザ光Ｌを出力するレーザ発振器１１、レーザ光Ｌを均一に整形するビーム整形光学系１２、レーザ光Ｌを加工マスク１４に照射するための照明光学系１３、被加工物の加工形状に対応した透過領域からなる加工パターンが形成された加工マスク１４、および加工マスク１４を透過した加工パターン像を被加工物に縮小投影し結像するための投影光学系１５、さらに、被加工物である天板１を保持するための治具（図示しない）および治具に保持された天板１の加工部分をθｙ方向に回転させるための回転機構１７を備えた移動ステージ（図示しない）、天板１の加工部分に水滴や気体を吹き付けるための噴射ノズル１８、レーザ光Ｌを任意の光路に導くための反射ミラー２１〜２３、そして、これらの各機構を制御するための不図示の制御ユニットから構成されている。
【００２２】
そして、図１に図示するレーザ加工装置１０に投入される天板１は、図２に図示するように、共通液室２および液受け口６を有する天板本体部とオリフィスプレート４を樹脂材料で射出成形等によって一体成形されており、液流路溝３は、天板１の射出成型と同時に、あるいは射出成型された天板１に対する機械加工またはレーザ加工等により予め形成されている。
【００２３】
次に、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の第１の実施の形態に基づき天板のオリフィスプレートに液吐出用のノズル穴を加工する方法について、図１ないし図３を参照して説明する。
【００２４】
図１ないし図３において、天板１は、レーザ加工装置１０の移動ステージ（不図示）にオリフィスプレート４の表面がレーザ光Ｌに対して対向するように治具（不図示）を介して取り付けられ、そして、加工されるノズル穴５の中心に相当する位置に設定された回転中心Ｏを中心として治具に設定された回転機構１７により、図３の（ａ）に示すように、反時計方向に回動され、オリフィスプレート４の表面をレーザ光Ｌに対する垂直面に対して反時計方向にθ1 だけ傾けて位置付けされる。
【００２５】
その後、レーザ光Ｌが天板１のオリフィスプレート４の前方から照射される。このレーザ光Ｌの照射により、加工マスク１４の加工パターンはマスク縮小投影光学系１５を介してオリフィスプレート４の所定の加工部に投影され、ノズル穴５の一部をアブレーション加工する。
【００２６】
次いで、図３の（ｂ）に示すように、天板１を回転機構１７によって時計方向に回動させて、オリフィスプレート４の表面を垂直面に対して時計方向にθ2 だけ傾けて位置付け、その後、レーザ光Ｌを同様に照射する。このように、天板１を吐出口と直交する軸方向に１軸の円弧運動を与えながらレーザ光Ｌを照射することにより、すなわち、天板１のオリフィスプレート４の加工面を反時計方向に角度θ1 に傾けてのレーザ加工および時計方向に角度θ2 に傾けてのレーザ加工を繰り返すことにより、図３の（ｃ）および図５に図示するように、上下方向にはそれぞれ角度θ1 、θ2 の付いたテーパ形状、左右方向にはストレートの形状で、吐出口側のオリフィス面積が小で液流路溝側のオリフィス面積が大となるテーパ形状のノズル穴５を加工形成することができる。そして、このようにノズル穴５を加工することにより、テーパ形状のノズル穴５を複数同時にしかも液流路溝３と同一方向に形成することができる。このようにノズル穴が加工された天板を液体吐出ヘッドに組み込むことにより液体吐出ヘッドの吐出性能の向上を図ることができる。
【００２７】
次に、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の第２の実施の形態について説明する。
【００２８】
マスク投影光学系を用いるレーザ光の照射により樹脂製の部材に穴あけ加工する際には、レーザ加工中に発生する副生成物である炭素あるいは樹脂の微粒が加工部分に付着し、また、レーザ加工中にアブレーションに寄与しなかったレーザ光の光エネルギーが熱に変化して加工部分の樹脂を変質させるために、マスクの投影形状が遮光され、穴の大きさは加工が進行するにつれて小さくなる傾向がある。
【００２９】
この現象を、図６を用いて説明すると、例えば、図６の（ａ）に図示するように、天板１をレーザ加工装置１０の移動ステージに治具を介して取り付け、天板１のオリフィスプレート４の表面をレーザ光Ｌに対して垂直な状態に固定して、レーザ光Ｌを天板１のオリフィスプレート４の前方から照射すると、レーザ光Ｌは、オリフィスプレート４の表面において、オリフィスプレートを構成する樹脂と光化学反応し、所謂アブレーションの加工プロセスにより樹脂の分子結合を乖離させる。このプロセスの連続により、オリフィスプレート４を貫通してノズル穴５Ａを形成する。この際、レーザ加工中に発生する副生成物である炭素あるいは樹脂の微粒が加工部分すなわち加工途中のノズル穴５Ａの周囲に付着したり、また、レーザ加工中にアブレーションに寄与しなかったレーザ光の光エネルギーが熱に変化して加工部分の樹脂を変質させ加工形状に誤差を発生することにより、マスクの投影形状が遮光され、穴の大きさは加工が進行するにつれて小さくなる。この結果、加工形成されたノズル穴５Ａは、図６の（ａ）に図示するように、吐出口側のオリフィス面積が大きく液流路溝側のオリフィス面積が小さい、所謂、逆テーパ形状となってしまう。
【００３０】
しかし、このようなレーザ加工時に生じる加工部分の異物の付着や変質を防ぐことにより、すなわち、レーザ加工時に発生して加工部分に付着する副生成物をレーザ加工中に洗浄し、そして、レーザ加工時に発生する熱を冷却することによって、精度の良いノズル穴を加工することができる。
【００３１】
そこで、図６の（ｂ）に図示するように、天板１の加工部分に水滴や気体を吹き付けるための噴射ノズル１８を加工部分に近接して配設して、レーザ加工途中の加工部分に噴射ノズル１８から水滴流を噴射させ、この水滴流により、加工途中の穴に付着した副生成物を洗浄し、同時に加工時に発生した熱を冷却させ、次いで、噴射ノズル１８から空気、窒素、酸素、あるいはヘリウム等の気体を噴射して加工途中の穴に残留している水分を除去するように構成する。このような構成によって、レーザ加工途中において、水滴流により副生成物を洗浄と加工部分の冷却を行ない、そして、気体の噴射により水分の除去乾燥を行なうことにより、次のレーザ光の照射においてマスク投影形状を妨げることなく、また熱の蓄積による加工部分の樹脂の変質が発生することもなく、精度の良いノズル穴のレーザ加工を行なうことが可能となる。このように、レーザ光の照射、水滴流による洗浄と冷却、および気体による乾燥を繰り返すことにより加工されたノズル穴５Ｂは、図６の（ｃ）に図示するように、テーパ形状になることなく、穴面積が一定のストレート形状となる。
【００３２】
そこで、本発明の第２の実施の形態は、前述した加工部分の異物の付着や変質を防ぐ手法を用いて、吐出口側のオリフィス面積が小で液流路溝側のオリフィス面積が大となるテーパ形状の精度の良いノズル穴をレーザ加工するものであり、以下、図４を参照して説明する。
【００３３】
先ず、前述した第１の実施の形態と同様に、図１に図示するレーザ加工装置１０の移動ステージに天板１をそのオリフィスプレート４の表面がレーザ光Ｌに対して対向するように治具を介して取り付け、回転機構１７により、図４の（ａ）に示すように、回転中心Ｏを中心として反時計方向に回動させ、オリフィスプレート４の表面をレーザ光Ｌに対する垂直面に対して反時計方向にθ1 だけ傾けて位置付けする。
【００３４】
このように傾斜して位置付けられた天板１に対してレーザ光Ｌをオリフィスプレート４の前方から照射し、加工マスク１４の加工パターンを投影光学系１５を介してオリフィスプレート４の所定の加工面に投影してノズル穴５の一部を先ずアブレーション加工する。
【００３５】
次に、噴射ノズル１８から水滴流をレーザ加工途中の穴に噴射させ、加工途中の穴に付着した副生成物を洗浄すると同時に加工時に発生した熱を冷却させる。次いで、噴射ノズル１８から気体を噴射して加工途中の穴に残留している水分を除去する。
【００３６】
そして、レーザ光の照射、水滴流による洗浄と冷却、および気体による乾燥が一巡すると、回転機構１７を作動させて、天板１を時計方向に回動させて、図４の（ｂ）に示すように、オリフィスプレート４の表面を垂直面に対して時計方向にθ2 だけ傾けて位置付け、その後に、前述した加工手順と同様にレーザ光の照射、水滴流の噴射、および気体の噴射を行なう。
【００３７】
このように天板１を吐出口と直交する軸方向に１軸の円弧運動を与えながらレーザ光Ｌを照射することにより、例えば、天板１のオリフィスプレート４の加工面を反時計方向に角度θ1 に傾けてのレーザ加工および時計方向に角度θ2 に傾けてのレーザ加工を繰り返し、さらに、これらのレーザ加工の間に水滴流の噴射および気体の噴射を行なうことにより、図４の（ｃ）および図５に図示するように、上下方向にはそれぞれ角度θ2 、θ1 の付いたテーパ形状で左右方向にはストレートの形状で、吐出口側のオリフィス面積が小で液流路溝側のオリフィス面積が大となるテーパ形状のノズル穴５を複数同時にしかも液流路溝３と同一方向に精度良く加工形成することができる。
【００３８】
以上のように、天板のオリフィスプレート前方すなわち液吐出口側からのレーザ光の照射によりノズル穴を加工する際に、天板を吐出口と直交する軸方向に１軸の円弧運動を与えながらレーザ光を照射することにより、吐出口側のオリフィス面積が小で液流路溝側のオリフィス面積が大となるテーパ形状のノズル穴を加工形成することができ、さらに、レーザ光の照射と水滴の噴射による副生成物の除去および加工部分の冷却、さらには気体の噴射による水分の除去を交互に行ないながら加工することにより、高精度のノズル穴を効率良く加工形成することができ、そして、テーパ形状のノズル穴を複数同時にしかも液流路溝と同一方向に形成することができる。さらに、このようなテーパ形状のノズル穴が高精度に加工された天板を液体吐出ヘッドに組み込むことにより、液体吐出ヘッドの吐出性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の液体吐出ヘッドの製造方法に適用するレーザ加工装置の構成を概略的に図示する概略構成図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は液体吐出ヘッドを構成する樹脂成型された天板の一例を示し、液吐出用のノズル穴を形成する前の天板の斜視図である。
【図３】本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の第１の実施の形態に基づいてノズル穴を加工する態様を図示する説明図である。
【図４】本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の第２の実施の形態に基づいてノズル穴を加工する態様を図示する説明図である。
【図５】本発明の液体吐出ヘッドの製造方法に基づいて、ノズル穴が加工形成された天板の部分斜視図である。
【図６】マスク投影光学系を用いるレーザ光の照射により穴あけ加工した際のノズル穴の形態を説明する説明図であって、（ａ）は通常一般のレーザ加工によりノズル穴を加工する態様を示し、（ｂ）はレーザ加工途中に水滴流による洗浄と冷却および気体による乾燥を行なうレーザ加工によりノズル穴を加工する態様を示し、（ｃ）はレーザ加工途中に水滴流による洗浄と冷却および気体による乾燥を行なって加工されたノズル穴を示す。
【図７】一般的な液体吐出ヘッドを模式的に図示する斜視図である。
【符号の説明】
【００４０】
Ｌ    レーザ光
１    天板
２    共通液室
３    液流路溝
４    オリフィスプレート
５    ノズル穴（オリフィス）
５Ａ、５Ｂ    ノズル穴（オリフィス）
１０    レーザ加工装置
１１    レーザ発振器
１２    ビーム整形光学系
１３    照明光学系
１４    加工マスク
１５    投影光学系
１７    回転機構
１８    噴射ノズル
【図１】
2005186363.tif 000003
【図２】
2005186363.tif 000004
【図３】
2005186363.tif 000005
【図４】
2005186363.tif 000006
【図５】
2005186363.tif 000007
【図６】
2005186363.tif 000008
【図７】
2005186363.tif 000009