(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器から出力された断面がほぼ長方形のレーザビームを、シリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズとを含むビーム整形部で整形して一対のフライアイレンズへ導入し、同時に加工する複数の孔に対応したパターンを有するマスクを通して被加工物へ照射するレーザ加工装置を用いるレーザ加工方法であって、
前記ビーム整形部を回転して前記両シリンドリカルレンズのシリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、前記レーザ発振器から出力されたレーザビームのほぼ長方形断面の長手方向に対して光軸のまわりにおいて傾斜させることによって、傾斜させない場合に比べて前記一対のフライアイレンズでのレーザビームの干渉を抑える角度にする工程と、
前記干渉が抑えられたレーザビームを使用して前記複数の孔を加工する工程とを有することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記レーザビームは、エキシマレーザビームである請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記ビーム整形部は、レーザビームの断面をほぼ長方形からほぼ菱形に変更する光学系である請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記ビーム整形部に、該ビーム整形部を光軸のまわりに回転させる回転手段が設けられている請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一対のフライアイレンズへ、レーザビームを整形して導入するビーム整形部を備えたレーザ加工装置を用いるレーザ加工方法に関するもので、詳しくは例えばインクジェットプリンタのインク噴射用ノズル孔等、複数の孔加工を行う際に、一対のフライアイレンズを通過するレーザビームの干渉を最小限に抑えられるレーザ加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記したインク噴射用ノズル孔を加工するための従来の一般的なレーザ加工装置は、図１に示すようにレーザビーム発振器１と、レーザビームＡを整形するビーム整形部５と、レーザビームＡを拡大するためのビームエクスパンダー７と、ビーム平坦化光学系（ホモジナイザー）としての一対のフライアイレンズ８，８とを備え、これらのフライアイレンズ８，８にてレーザビームＡを多数の細長状ビームに分散させコンデンサレンズ９により集光することによりビーム強度の均一化および光出力の制御を行わせている。また、コンデンサレンズ９下流側に配置されるマスク１１には、被加工物Ｂへのレーザ加工形状すなわち複数のノズル孔が列状に並んだ孔パターン（図示せず）が設けられており、コンデンサレンズ９により集光した細長・長方形断面のレーザビームＡを、マスク１１の所定位置（孔パターン位置）に集光させる。
【０００３】
こうしてマスク１１を透過したレーザビームＡは、投影光学手段としての結像レンズ１２にて所定の倍率（例えば１／４倍や１／５倍）でポリイミドなどのポリマーからなる被加工物Ｂ上に結像され、マスク１１の孔パターンに対応した複数のノズル孔（図示せず）が被加工物Ｂ上に穿設される。ここで、被加工物Ｂを載置するＸ−Ｙテーブル５によって被加工物ＢをＸ方向又はＹ方向に所定寸法移動させた状態で、レーザビーム発振器１により再度レーザビームＡを出力して照射することにより、ノズル孔群が一定のピッチをあけて穿設される。なお、図中の符号２、３、４は全反射ミラーである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のレーザ加工装置には、次のような点で改良すべき余地がある。すなわち、図６に示すように、例えば、インクジェットプリンタのノズルプレート（被加工物）Ｂにインク噴射用の複数のノズル孔Ｃをレーザ加工する場合に、各ノズル孔Ｃは、インクの入る側から出る側へ向けて漸次口径が縮小される円錐台状に形成されるが、このノズル孔Ｃの出射側形状Coが歪んで真円にならないという現象が生じる。この現象は、被加工物Ｂ上の複数個のノズル孔Ｃにおいて規則的に生じている。いいかえれば、マスク１１（図１）の孔パターンを透過させて被加工物Ｂに、複数のノズル孔Ｃを同時にレーザ加工する場合に、ノズル孔Ｃの位置によって出射側形状Coが周期的に歪んだり、歪まなかったりする。これは、一対のフライアイレンズ８，８でレーザビームＡが干渉し、また干渉する位置が周期的に変化することによって、レーザビームＡの干渉が加工時に歪みを生じさせると考えられる。つまり被加工物Ｂの表と裏とで、被加工物Ｂの厚み（本例では１００μｍ）相当分の距離があるために、被加工物Ｂに対するレーザビームの入射側の位置では、レーザビームＡの焦点深度内に収まって光の干渉による影響が生じにくいが、焦点深度から外れた出射側では集光特性が変わるために、光の干渉による影響が大きくなり、出射側形状Coが歪む。
【０００５】
この発明は上述の点に鑑みなされたもので、上記の一対のフライアイレンズでのレーザビームの干渉を最小限に抑えて、歪みのほとんどない高精度のレーザ加工を可能にするレーザ加工方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するためにこの発明に係るレーザ加工方法は、レーザ発振器から出力された断面がほぼ長方形のレーザビームを、シリンドリカル凹レンズとシリンドリカル凸レンズとを含むビーム整形部で整形して一対のフライアイレンズへ導入し、同時に加工する複数の孔に対応したパターンを有するマスクを通して被加工物へ照射するレーザ加工装置を用いるレーザ加工方法であって、前記ビーム整形部を回転して前記両シリンドリカルレンズのシリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、前記レーザ発振器から出力されたレーザビームのほぼ長方形断面の長手方向に対して光軸のまわりにおいて傾斜させることによって、傾斜させない場合に比べて前記一対のフライアイレンズでのレーザビームの干渉を抑える角度にする工程と、前記干渉が抑えられたレーザビームを使用して前記複数の孔を加工する工程とを有することを特徴とする。
【０００７】
上記の構成を有する請求項１のレーザ加工方法によれば、ビーム整形部を回転して両シリンドリカルレンズのシリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、前記レーザ発振器から出力されたレーザビームのほぼ矩形の長手方向に対して光軸のまわりにおいて傾斜させることによって、傾斜させない場合に比べて一対のフライアイレンズをレーザビームが通過するときに生じる光の干渉が低減され、同時に加工する複数の孔の加工精度を向上させることができる。
【０００８】
請求項２に記載のように、前記レーザビームは、エキシマレーザビームであるのが望ましい。エキシマレーザは、レーザ発振器から出射されるレーザビームの断面形状がほぼ長方形であり、上記請求項１の構成に好適に実施することができる。
【０００９】
請求項３に記載のように、前記ビーム整形部は、レーザビームの断面をほぼ長方形からほぼ菱形に変更する光学系であるのが望ましい。レーザ発振器から出射される断面形状ほぼ長方形のレーザビームが、ビーム整形部でほぼ菱形に整形されたのち、一対のフライアイレンズを通過する際に多数の細長状ビームに分散されてビーム強度の均一化が有効に図られる。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
請求項４に記載のように、前記ビーム整形部に、該ビーム整形部を光軸のまわりに回転させる回転手段が設けられることが望ましい。これによれば、干渉の大きさに応じて、ビーム整形部を回転させることで、エネルギーロスが少なくかつ干渉が少ない範囲を選択して、効率のよいレーザ加工をすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザ加工装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は本発明が適用されるレーザ加工装置を示す全体概略図、図２は図１の加工装置におけるビーム整形部を拡大して示す斜視図である。図３は図２のビーム整形部を下流側から見た概略正面図であり、図４は図２のビーム整形部の傾斜角θと、被加工物上の出射側におけるレーザビームのエネルギー密度および被加工物（出射側）の位置との関係を示す線図（グラフ）、図５は図２のビーム整形部の傾斜角θごとの被加工物上の出射側に加工されたノズル孔の形状との関係を示す図、図６は被加工物に対し同図の下方からレーザビームを当ててノズル孔を加工した斜視図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施例のレーザ加工装置２０では、レーザ発振器１から出力（射出）された、例えば２４８ｎｍの波長を有するエキシマレーザビーム（ＫｒＦレーザビーム）Ａは、３つの４５°傾斜させて配置した全反射ミラー２、３、４を経由してそれぞれ直角方向に屈折され、被加工物Ｂを支持する加工テーブル５へ至る。レーザ発振器１と第１ミラー２との間には、レーザビームＡの長方形断面形状を所定形状に整形するビーム整形部６が配置されている。
【００１６】
レーザビームＡは第１ミラー２で直角方向に屈折され、図の上方に直進する。第１ミラー２と第２ミラー３との間には、レーザビームＡを拡大するためのビームエキスパンダ（Beam Expander)７が配置され、このビームエキスパンダ７は本例では一対の凸レンズから構成されている。第２ミラー３の下流側に、ホモジナイザーとしての一対のフライアイレンズ（Fly-eye-Lenz）８，８が対峙するように配置されている。第２ミラー３で直角方向に屈折され、水平方向に図の右側へ直進するレーザビームＡは、それらのフライアイレンズ８，８にてビームを多数の細長状ビームに分散させ、集光光学手段としてのコンデンサレンズ９により多数の細長状ビームを集光することにより、ビーム強度の均一化および出力の制御が図られる。
【００１７】
コンデンサレンズ９の下流側には、マスク１１が配置され、集光されたレーザビームＡはマスク１１の所定位置（孔パターン位置）に集光される。
【００１８】
マスク１１には、被加工物Ｂに対しレーザ加工する形状すなわち複数のノズル孔に対応した孔パターンが設けられており、マスク１１はマスクホルダー（図示せず）に保持されている。マスク１１の孔パターンを透過したレーザビームＡは、第３ミラー４によって直角方向に屈折され、図の下方に直進する。この第３ミラー４の下流側において、被加工物Ｂが水平方向に移動自在な加工テーブル５上に載置されている。なお、被加工物Ｂ上でレーザビームが合焦するように、加工テーブル５は垂直方向にも昇降自在である。さらに、第３ミラー４と加工テーブル１３の間には、結像レンズ（投影レンズともいう）１２が配置されている。この結像レンズ１２は、マスク１１の孔パターンを透過したレーザビームＡ（の像）が所定の倍率（本例では１／５倍）に縮小して被加工物Ｂ上に結像され、マスク１１の孔パターンに対応してレーザ加工が施される。被加工物Ｂには本例では高分子材料であるポリイミドシート（厚さ１００μｍ）が使用されており、レーザビームＡにより複数のノズル孔（口径３０μｍ）が列状に同時に形成される。
【００１９】
一箇所において一群のノズル孔が形成されたのち、加工テーブル５を水平に移動して被加工物Ｂ上の次の加工領域を、結像レンズ１２の直下に対向させ、レーザビームＡを出力することで、順次多数の群のノズル孔を形成することができる。
【００２０】
図２に示すように、ビーム整形部６には、入射側よりシリンドリカル凹レンズ２１と、シリンドリカル凸レンズ２２とが光軸方向に配置されている。従来の一般的なレーザ加工装置では、両シリンドリカルレンズ２１，２２は、それぞれそのシリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、レーザビームの断面形状の長方形（本例では８ｍｍ×２４ｍｍ）における長手方向と平行に置いている。後述するように、本実施の形態では、シリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、わずか傾斜させて使用する。
【００２１】
本実施の形態では、両シリンドリカルレンズ２１，２２は、回転手段２３によりレーザビームＡの光軸Ａ’を中心にそのまわりに回転可能に構成されている。すなわち、ビーム整形部６は大径のギヤ２４に一体回転可能に取り付けられており、大径ギヤ２４にはモータ２６によって回転される小径の駆動ギヤ２５が噛合されておいる。なお、モータ２６には、正逆回転するステップモータが使用されているが、ビーム整形部６を任意の位置で停止し保持できる装置であれば、例えば手動式の回転手段であってもよい。また、本例では、符号２４〜２６の部材が回転手段２３を構成する。
【００２２】
図２において、両シリンドリカルレンズ２１，２２のシリンドリカル面を形成する円柱の中心軸方向を、従来と同様にレーザビームの長方形断面の長手方向と平行に置いた場合、レーザ発振器１（図１）から出射されたレーザビームＡは、シリンドリカル凹レンズ２１によって、長方形断面の短手方向が拡大され、シリンドリカル凸レンズ２２によって、拡大された光路が平行化され、レーザビームＡは正方形に整形される。そして、一対のフライアイレンズ８，８に入射される。この場合、同時に加工される複数のノズル孔のうち被加工物Ｂ上の位置によっては図５(ａ)のようにノズル孔Ｃの出射側形状Coが歪んで形成される。これは、一対のフライアイレンズ８，８でのレーザビームの干渉により、レーザビームＡの照射される位置によってエネルギー密度が、図４(ａ)に示すように周期的に大きく変化するからである。
【００２３】
被加工物Ｂの表と裏とで、被加工物Ｂの厚み（本例では１００μｍ）相当分の距離があるため、被加工物Ｂに対するレーザービームの入射側の表面では、レーザビームＡの焦点深度内に収まって干渉による影響が生じにくく、ノズル孔Ｃの入射側形状Ciは、歪んでおらず円形である。しかし、レーザビームＡの焦点深度の範囲外になる被加工物Ｂの裏面では、上記のように一対のフライアイレンズ８，８による干渉による影響が現れ、ノズル孔Ｃの出射側形状Coが歪む。
【００２４】
これに対し、本例のレーザ加工装置２０によれば、ビーム整形部６を回転し、シリンドリカル面の軸方向をレーザビームの長方形断面の長手方向に対して傾斜させることにより、ビーム整形部６から出射されるレーザビームＡは、図２に二点鎖線で示すように菱形になる。ビーム整形部６の傾斜角θがたとえば５°になると、一対のフライアイレンズ８，８でのレーザビームの干渉による影響が少なくなって、図４(ｂ)に示すように、被加工物Ｂに対するレーザビームの出射側において位置の違いによるエネルギー密度の変化が小さくなり、図５(ｂ)のようにノズル孔Ｃの出射側形状Coの歪みが低減する。さらに、傾斜角θが１０°になると、図４(ｃ)に示すように、エネルギー密度の変化がほとんどなくなり、ノズル孔Ｃの出射側形状Coが、図５(ｃ)のように、ほぼ真円になるとともに、複数のノズル孔がほぼ均一に形成される。
【００２５】
ところで、本例の場合、傾斜角θが１０°前後でレーザビームＡの干渉が最小限近くまで低減され、各位置のノズル孔Ｃの出射側形状Coが図５(ｃ)のようにほぼ真円になったが、傾斜角θが１０°を超えた場合にもレーザビームＡの干渉は低減される。しかし、フライアイレンズ８にレーザビームＡが入射する際に、その断面形状が上記したとおりほぼ菱形に変形しており、フライアイレンズ８に入射する際に削除される部分が生じてエネルギーロスになることがある。本例の実験では、傾斜角θは、１０°前後で好適な結果を得ることができた。なお、この傾斜角θは、フライアイレンズにおけるレーザビームＡの干渉の程度と、エネルギー効率とによって決定されればよい。
【００２６】
以上に、本発明のレーザ加工装置２０の、とくにビーム整形部６の一実施の形態を示したが、本発明は下記のように実施することができる。
【００２７】
(1) ビーム整形部６は凹レンズと凸レンズの組み合わせのほか、他の任意数のレンズの組み合わせもある。
【００２８】
(2) ビーム整形部６は任意に回転できるものでなく、所望の角度で固定したものであってもよい。
【００２９】
(3) 結像レンズ１２を省いて、マスク１１を被加工物Ｂ上に直接に固定するコンタクトマスク方式においても、同様に実施できる。
【００３０】
(4) インクジェットプリンタのノズル孔の加工のほか、例えば被加工物Ｂをセラミックス等他の材料に変えたり、溝加工などにも応用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明に係るレーザ加工方法には、次のような優れた効果がある。
【００３２】
(1) 請求項１の発明では、簡単な構成の追加によってフライアイレンズでのレーザビームの干渉を最小限に抑えて、複数の孔に歪みがほとんどなく、同時に加工する複数の孔全体にわたり高精度のレーザ加工ができる。例えば複数のインク噴射用ノズル孔の加工にあっては出射側形状を真円に近く加工でき、かつ複数のノズル孔をほぼ均一に加工できる。
【００３３】
(2) 請求項２記載の発明では、エキシマレーザであるから、レーザ発振器から出射されるレーザビームの断面形状がほぼ長方形で、上記請求項１の構成に好適に実施することができる。
【００３４】
(3) 請求項３記載の発明では、ビーム整形部がレーザビームの断面をほぼ長方形からほぼ菱形に変更する光学系であるから、レーザ発振器から出射される断面形状ほぼ長方形のレーザビームが、ビーム整形部でほぼ菱形に整形されたのち、一対のフライアイレンズを通過する際に多数の細長状ビームに分散されてビーム強度の均一化が有効に図られる。
【００３５】
【００３６】
(4) 請求項４記載の発明では、ビーム整形部が光軸のまわりに回転されることにより、エネルギーロスが少なくかつ干渉が少ない範囲を選択して、効率のよいレーザ加工をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明が適用されるビーム整形部を備えたレーザ加工装置を示す全体概略図である。
【図２】  図１の加工装置におけるビーム整形部の本発明の一実施の形態を拡大して示す斜視図である。
【図３】  図２のビーム整形部を下流側から見た概略正面図である。
【図４】  図２のビーム整形部の傾斜角θと、被加工物上の出射側におけるレーザビームのエネルギー密度および被加工物（出射側）の位置との関係を示す線図（グラフ）である。
【図５】  図２のビーム整形部の傾斜角θと、被加工物上の出射側に加工されたノズル孔の形状との関係を示す図である。
【図６】  被加工物に対し同図の下方からレーザビームを当ててノズル孔を加工した被加工物の斜視図である。
【符号の説明】
１  レーザ発振器
２，３，４  全反射ミラー
５  加工テーブル
６  レーザ整形部
７  ビームエキスパンダ
８  フライアイレンズ（ホモジナイザー）
９  コンデンサレンズ
１１  マスク
１２  結像レンズ
２０  レーザ加工装置
２１  シリンドリカル凹レンズ
２２  シリンドリカル凸レンズ
２３  回転手段
２４  大径ギヤ
２５  小径ギヤ
２６  モータ
Ａ  レーザビーム
Ｂ  被加工物
Ｃ  ノズル孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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