(57)【要約】【課題】インクジェットノズルのテーパ形状を高度にコントロールしつつ、これをインクの吐出側から逆テーパ形状にレーザを用いて穿孔加工する方法及びその加工装置の提供を目的とする。【解決手段】パルス発振するレーザから出射するビームを、ダブプリズムの回転により自転させ、当該ダブプリズムの回転と所定の関係をもって光軸に対し傾いて回転する平行平面板によりその自転するビームを光軸からシフトさせ、当該シフト量を半径として公転する際差運動ビームに成形し、これをレンズアレイ、マスク及び反射対物レンズを含む縮小結像光学系によりノズルプレートに縮小投影し、逆テーパ穿孔加工する。 【選択図】図１
2017071134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合型ノズルプレートに対しインクジェット用のノズルをレーザにより逆テーパ状に穿孔加工する方法であって、
パルス発振するレーザから出射するビームを、ビーム整形光学系を介し光軸周りに回転するダブプリズムに入射するステップと、
当該ダブプリズムから自転しながら出射するビームを、当該自転の回転速度及び回転方向に対し所定の関係を有する回転速度及び回転方向にて、前記光軸周りに角度をもって回転する平行平面板に入射するステップと、
当該平行平面板により前記光軸からビームがシフトする量を半径として公転しながら出射する際差運動ビームをレンズアレイに入射するステップと、
当該レンズアレイを通過した歳差運動ビームをマスクに照射するステップと、
当該マスク上に描画されたマスクパターンを通過した歳差運動ビームを、反射対物レンズを用いた縮小結像光学系により、ステージ上に載置された被加工物面上に縮小投影するステップと、
を有するレーザ穿孔加工方法。
【請求項２】
前記平行平面板が前記光軸となす角度、前記平行平面板の厚さ、前記レンズアレイ及び前記反射対物レンズの設計並びにこれらの位置関係は、当該反射対物レンズに入射する前記際差運動ビームが、当該反射対物レンズ内の副鏡により主鏡に向かって反射されるよう、戻り光を抑制する設計及び位置関係である、請求項１に記載のレーザ穿孔加工方法。
【請求項３】
前記所定の関係は、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板が等倍の速度で同一方向に回転している関係である、請求項２に記載のレーザ穿孔加工方法。
【請求項４】
前記所定の関係は、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板の回転速度及び回転方向が互いに異なる素数対素数の回転速度の比率となる関係である、請求項２に記載のレーザ穿孔加工方法。
【請求項５】
前記所定の関係は、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板の回転速度及び回転方向が相対的にランダムに変動する回転速度となる関係である、請求項２に記載のレーザ穿孔加工方法。
【請求項６】
前記レーザは、前記平行平面板の回転と同期して発振する、請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ穿孔加工方法。
【請求項７】
前記レーザは、エキシマレーザである、請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザ穿孔加工方法。
【請求項８】
複合型ノズルプレートに対するインクジェットノズルを逆テーパ状に加工するレーザ穿孔加工装置であって、
パルス発振するレーザと、
当該レーザから出射するビームの整形光学系と、
当該整形されたビームの光軸周りに回転し当該ビームを自転させるダブプリズムと、
当該自転の回転速度と回転方向に対し所定の関係を有し、前記光軸周りに角度をもって回転する平行平面板と、
当該平行平面板により前記光軸からビームがシフトする量を半径として公転しながら出射する歳差運動ビームの照射を受けるレンズアレイと、
当該レンズアレイを通過した歳差運動ビームを被加工物に縮小投影するマスク及び反射対物レンズを含む縮小結像光学系と、
前記被加工物を載置するＸＹＺ及びθ軸を含むステージと、
を含むレーザ穿孔加工装置。
【請求項９】
前記平行平面板が前記光軸となす角度、前記平行平面板の厚さ、前記レンズアレイ及び前記反射対物レンズの設計並びにこれらの位置関係は、当該反射対物レンズに入射する前記際差運動ビームが、当該反射対物レンズ内の副鏡により主鏡に向かって反射されるよう、戻り光を抑制する設計及び位置関係である、請求項８に記載のレーザ穿孔加工装置。
【請求項１０】
前記所定の関係は、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板が等倍の回転速度で同一方向に回転している関係である、請求項９に記載のレーザ穿孔加工装置。
【請求項１１】
前記所定の関係は、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板の回転速度及び回転方向が互いに異なる素数対素数の回転速度の比率となる関係である、請求項９に記載のレーザ穿孔加工装置。
【請求項１２】
前記所定の関係は、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板の回転速度及び回転方向が相対的にランダムに変動する回転速度となる関係である、請求項９に記載のレーザ穿孔加工装置。
【請求項１３】
前記レーザは、前記平行平面板の回転と同期して発振するレーザである、請求項８乃至１２のいずれかに記載のレーザ穿孔加工装置。
【請求項１４】
前記レーザは、エキシマレーザである、請求項８乃至１３のいずれかに記載のレーザ穿孔加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットノズルプレートをレーザにより穿孔加工する方法、及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高精細且つムラの無い印刷品質の向上が要求されるインクジェットプリンター用のノズルプレートには、そのノズル形状がテーパ状に高度にコントロールされ、且つバラつきなく低コストにて多数形成できることが必要である。
【０００３】
これらの要求を困難にしているのは、予め高精度にノズル列が形成されたノズルプレートであっても、これをインク室の端部に接合する際、位置ズレや不要な接着剤のはみ出し等が発生する恐れがあり、これを回避するための工程と費用をかけなければならない点である。
【０００４】
そこで、この問題を回避するため、未だノズルが形成されていないノズルプレートを複雑な工程を要せずにインク室（モジュール）と予め接合した複合型ノズルプレートを用い、そのインク室の位置に合わせてインクの吐出側からエキシマレーザにより穿孔加工する手法が知られている。この場合、インクの吐出側からインク室へ向けてのレーザ加工となるため、高精細な印刷に必要なノズルのテーパ角を、レーザの入射側から出射側に向けて拡げて加工する、いわゆる逆テーパ加工が必要となる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、その逆テーパ加工の代表的な手法として、プリンターノズルのインク吐出側からエキシマレーザ光を集光して入射し、そのビーム拡がり角を利用して加工をする技術が開示されている。しかし、エキシマレーザのもつ非ガウシアンビーム特性がノズル形状の高度なコントロールを困難にしている。
【０００６】
また、特許文献２には、逆テーパ加工にも応用可能な技術として、レンズアレイと3枚のミラーで構成されたビームローテータにより、エキシマレーザビームの強度分布特性を制御して加工する技術が開示されている。しかし、テーパ角の制御はレンズアレイの屈折と反射対物レンズの倍率に依存する構成にとどまり、また、前記ビームローテータの構成と回転機構は、その複雑さゆえに精度の向上に影響する可能性を否定できない。
【０００７】
さらに、特許文献３には、逆テーパ加工の手法として、ダブプリズムを用いたイメージローテータによる強度分布の均一化が図られたエキシマレーザビームと、ビーム走査光学系によるレンズアレイへの入射角、ひいてはテーパ角の制御とを組み合わせた技術が開示されている。しかし、テーパ角の制御にスキャナミラーを用いることから、その精度向上には限界がある。
【０００８】
一方、本発明と同様、平行平面板とダブプリズムの両方を用いたレーザ穿孔加工に関する技術が特許文献４において開示されている。しかし、当該技術はトレパニング加工において色収差を抑えながら加工半径を容易に変更するためのレーザ穿孔加工技術であり、これを高精度の逆テーパ加工に応用する手法又はその示唆は開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−３３００６４号公報
【特許文献２】特許第３１７４５８０号
【特許文献３】特開平１０−２９１３１８号公報
【特許文献４】特開２００６−２７２３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の背景技術が抱える問題に鑑みてなされたものであり、インクジェットノズルのテーパ形状を高度にコントロールしつつ、これを逆テーパ形状にインクの吐出側からレーザを用いて穿孔加工する方法及びその加工装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
第１の発明は、複合型ノズルプレートに対しインクジェット用のノズルを逆テーパ状にレーザにより穿孔加工する方法であって、パルス発振するレーザから出射するビームを、ビーム整形光学系を介し光軸周りに回転するダブプリズムに入射するステップと、当該ダブプリズムから自転しながら出射するビームを、当該自転の回転速度及び回転方向に対し所定の関係を有する回転速度及び回転方向にて、前記光軸周りに角度をもって回転する平行平面板に入射するステップと、当該平行平面板により前記光軸からビームがシフトする量を半径として公転しながら出射する際差運動ビームをレンズアレイに入射するステップと、当該レンズアレイを通過した歳差運動ビームをマスクに照射するステップと、当該マスク上に描画されたマスクパターンを通過した歳差運動ビームを、反射対物レンズを用いた縮小結像光学系により、ステージ上に載置された被加工物面上に縮小投影するステップと、を有するレーザ穿孔加工方法である。
【００１２】
なお、平行平面板を用いる代わりにウェッジ角のついたウェッジ板を、同じく前記光軸周りに回転させ、光軸から角度をもって円錐状に公転させることにより同様の機能を持たせることも可能である。
【００１３】
これらにより、インク室（モジュール）にあらかじめ接合されているノズルプレートに対し、インクの吐出側から十分に大きな逆テーパ角にて、精度の高い形状且つノズル間のバラつきの抑えられたインクジェットノズルを形成することができる。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において前記平行平面板が前記光軸となす角度、前記平行平面板の厚さ、前記レンズアレイ及び前記反射対物レンズの設計並びにこれらの位置関係が次の関係、すなわち、前記反射対物レンズに入射する前記際差運動ビームが、当該反射対物レンズ内の副鏡により主鏡に向かって反射されるよう、戻り光を抑制する設計及び位置関係であることを特徴とするレーザ穿孔加工方法である。
【００１５】
ここで用いるレンズアレイは２つの直行するレンズアレイの組み合わせからなるものでも、一体型のフライアイ型のレンズアレイでもよい。また、その中心である光軸付近のレンズアレイが遮蔽又は取り除かれている構造であってもよい。
【００１６】
こうして、前記平行平面板により光軸からシフトする量を公転半径とする前記歳差運動ビームは、当該レンズアレイの光軸付近を回避して照射されることにより、反射対物レンズの光軸付近の遮蔽効果によるビームのエネルギーロスが抑えられ、前記歳差運動ビームのエネルギーを効率的に加工に用いることができる。さらには、反射対物レンズの光軸に対し大きい角度で入射することにより、選択的に大きなＮＡによる逆テーパ加工が可能となる。
【００１７】
第３の発明は、第２の発明において前記所定の関係、すなわち、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板が等倍の速度で同一方向に回転している関係であることを特徴とするレーザ穿孔加工方法である。ダブプリズムが1回転することにより、ビームは２回自転するため、ダブプリズムの回転速度を平行平面板の回転速度の１／２に設定することで、ビームの自転と公転の回転速度を合わせることができる。これにより、ビームの強度分布の偏りがノズル形状に反映してしまうことを回避し、ノズルプレートに対するビームの入口乃至出口のノズル形状を真円にすることが可能となる。
【００１８】
第４の発明は、第２の発明において前記所定の関係が次の関係、すなわち、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板の回転速度及び回転方向が互いに異なる素数対素数の回転速度の比率となる関係であることを特徴とするレーザ穿孔加工方法である。
【００１９】
ここで、互いに異なる素数対素数とは、一例として、自転速度を素数である３としたとき、平行平面板の回転速度が、当該３とは異なる素数の７である比率の関係にあることをいう。
【００２０】
第５の発明は、第２の発明において前記所定の関係が次の関係、すなわち、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板の回転速度及び回転方向が相対的にランダムに変動する回転速度となる関係であることを特徴とするレーザ穿孔加工方法である。
【００２１】
第４及び第５の発明によれば、ビームの際差運動において、自転によるビーム内強度分布（偏り）位置と、公転によりノズル形状の、特に円周上の位置との間で、不本意な同期を生じ、それが原因でノズルの形状の真円度の偏心や歪み、さらには、ノズル間の真円度のバラつき（低次乃至高次の周期性のあるバラつきを含む。）が生じることを回避することができる。
【００２２】
第６の発明は、第１乃至第５の発明において前記レーザが、前記平行平面板の回転と同期して発振することを特徴とするレーザ穿孔加工方法である。
【００２３】
これにより、第１乃至第５の発明に記載の前記所定の関係により得られる効果を阻害するような、例えばダブプリズムと平行平面板の回転速度の関係において意図に反した同期又は非同期を生じるような、管理されていないタイミングにてレーザが発振してしまうことで、ノズル形状に偏芯や歪み、さらにはノズル間の真円度のバラつきが生じることを防ぐことが可能となる。
【００２４】
第７の発明は、第１乃至第６の発明において前記レーザが、エキシマレーザであることを特徴とするレーザ穿孔加工方法である。
【００２５】
パルスレーザとして紫外領域に発振波長をもつエキシマレーザを選択することにより、被加工物の材質の選択範囲を広げ、且つ、その材質に応じて精度のよい加工結果を得ることが可能となる。
【００２６】
第８の発明は、複合型ノズルプレートに対するインクジェットノズルを逆テーパ状に加工するレーザ穿孔加工装置であって、パルス発振するレーザと、当該レーザから出射するビームの整形光学系と、当該整形されたビームの光軸周りに回転し当該ビームを自転させるダブプリズムと、当該自転の回転速度と回転方向に対し所定の関係を有し、前記光軸周りに角度をもって回転する平行平面板と、当該平行平面板により前記光軸からビームがシフトする量を半径として公転しながら出射する歳差運動ビームの照射を受けるレンズアレイと、当該レンズアレイを通過した歳差運動ビームを被加工物に縮小投影するマスク及び反射対物レンズを含む縮小結像光学系と、前記被加工物を載置するＸＹＺ及びθ軸を含むステージと、を含むレーザ穿孔加工装置である。
【００２７】
第９の発明は、第８の発明において前記平行平面板が前記光軸となす角度、前記平行平面板の法線方向の厚さ、前記レンズアレイ及び前記反射対物レンズの設計並びにこれらの位置関係が次の関係、すなわち、当該反射対物レンズに入射する際差運動ビームが、当該反射対物レンズ内の副鏡により主鏡に向かって反射されるよう、戻り光を抑制する設計及び位置関係であることを特徴とするレーザ穿孔加工装置である。
【００２８】
第１０の発明は、第９の発明において前記所定の関係は、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板が等倍の回転速度で同一方向に回転している関係であることを特徴とするレーザ穿孔加工装置である。
【００２９】
第１１の発明は、第９の発明において前記所定の関係が次の関係、すなわち、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板の回転速度及び回転方向が互いに異なる素数対素数の回転速度の比率となる関係であることを特徴とするレーザ穿孔加工装置である。
【００３０】
第１２の発明は、第９の発明において前記所定の関係が次の関係、すなわち、前記自転の回転速度及び回転方向に対し、前記平行平面板の回転速度及び回転方向が相対的にランダムに変動する回転速度となる関係であることを特徴とするレーザ穿孔加工装置である。
【００３１】
第１３の発明は、第８乃至第１２の発明において前記レーザが、前記平行平面板の回転と同期して発振するレーザであることを特徴とするレーザ穿孔加工装置である。
【００３２】
第１４の発明は、第８乃至第１３の発明において前記レーザが、エキシマレーザであることを特徴とするレーザ穿孔加工装置である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るレーザ穿孔加工方法における光学素子の概略構成を示す。
【図２】本発明に係るレーザ穿孔加工装置の概略構成を示す。
【図３】本実施例における歳差運動ビームがレンズアレイに入射する際の自公転の様子を示す。
【図４】平行平面板に代えてウェッジ板を用いたレーザ穿孔加工方法における光学素子の概略構成を示す。
【図５】本実施例における穿孔加工途中のＺ軸ステージの変動の様子を示す。
【図６】本実施例におけるビームのエネルギー密度とショット数の関係を示す。
【図７】本実施例により穿孔加工したノズル形状の上穴（左）及び下穴（右）の顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照して本発明に係るレーザを用いた逆テーパ穿孔加工方法及び装置構造の一態様を詳細に説明する。
【実施例】
【００３５】
はじめに、本発明の実施に係るレーザを用いた逆テーパ穿孔加工装置の概略構成を図２に示す。本実施例においては、レーザ光源としてパルス発振する波長が２４８ｎｍのエキシマレーザ４を用いた。パルスレーザ光源としては、このほかにＮｄ：ＹＡＧレーザや半導体レーザ、ファイバーレーザ等を用いることもできるが、被加工物の材質により適切な組み合わせを必要とする。なお、一般に、インクジェットプリンターノズルプレートに用いられるポリイミドフィルムの場合、紫外領域に発振波長をもつレーザが用いられる。
【００３６】
エキシマレーザ４から出射したビームは、本発明に係る逆テーパ穿孔加工方法を実施するための縮小結像光学系１を介し、ＸＹＺ及びθ軸を有するリニアエンコーダ制御のステージシステム２の上に載置された被加工物である複合型ノズルプレートを構成する厚さ５０μｍのポリイミドからなるノズルプレート１９に投影される。そして、被加工物を載せたこのステージシステム２は、一のノズルの穿孔加工が終わるごとに、ステップアンドリピートにて次のノズルの加工位置に移動する。
【００３７】
本実施例における加工は、その基本的構成としては、縮小結像光学系１に含まれるマスク１７上に描画された円形の開口形状を反射対物レンズ１８によって縮小投影する構成である。ここで複数のマスクを切り替えて穿孔加工する場合、マスクホルダー自体をＸＹＺ及びθ軸にて制御可能なマスク用ステージシステムに設置することもできる。
【００３８】
穿孔加工の様子はモニタリング光学系５により観察する。さらに、本実施例において、エキシマレーザ４を除く他の構成部品は、除振機能を有する除振テーブル３の上に剛性を維持して組み上げられており、高精細な加工を実現している。
【００３９】
図１において、より詳細に、縮小結像光学系１における主な光学素子の構成を示す。なお、図１に記載される光学素子のほか、この図１への記載を省略した光学素子がある。例えば、ビームの光路をコンパクトにするためのミラーやリレーレンズであり、これらの仕様や配置等は設計事項である。
【００４０】
エキシマレーザ４から出射した矩形ビームは、図１においてはその記載が省略されているシリンドリカルレンズを用いたビーム整形光学素子及び円形のアパーチャ１０を介し、ダブプリズム１２に入射する。
【００４１】
本実施例において、ダブプリズム１２は、その材質をフッ化カルシウムとする、光軸に対する断面のサイズが３０ｍｍ×３０ｍｍであり、４５°の斜面に２４８ｎｍに対するＡＲコーティングを施したものを用いた。
【００４２】
ダブプリズム１２は、図１において一点鎖線で示すビームの光軸の周りに回転するホルダーに保持されており、入射するビームを光軸周りに回転させる。このホルダーの回転には、ロータリーエンコーダを搭載したサーボモーターを用いた。また、ホルダーの回転速度は３０ｒｐｍであり、その回転方向は、ビームの進行方向に向かって光軸に対し時計回りとした。
【００４３】
なお、ダブプリズムの性質上、その１回転によりビームは２回転する。従って、ダブプリズム１２から出射されたビームは、６０ｒｐｍにて自転している。
【００４４】
ダブプリズム１２を通過し光軸周りに自転するビームは、次に位置する平行平面板１３に入射する。平行平面板１３は、ダブプリズム１２と同様にロータリーエンコーダを搭載したサーボモーター付きホルダーにより保持され、入射するビームを光軸中心にて時計回りで回転させる。
【００４５】
その回転速度は、ダブプリズム１２の回転速度の２倍、すなわち、ビームの自転速度と同じ６０ｒｐｍとし、その回転方向もダブプリズムと同一とした。これにより、ビームの自転と公転が同一の回転速度となる。
【００４６】
また、このロータリーエンコーダからは、平行平面板１３の所定の回転角（回転位置）に応じてタイミング信号が出力される。そして、このタイミング信号は、Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ  Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ  Ｏｕｔｐｕｔ（ＰＳＯ）に入力され、ＰＳＯは、このタイミング信号をトリガーとして、エキシマレーザ４へ外部トリガー発振用のＴＴＬ信号を出力する。
【００４７】
なお、ダブプリズム１２の角度を一度決定したあとはこれを回転させずに固定して行う加工や、ダブプリズムそのものを使用しない加工にも対応するため、レーザとの同期には平行平面板１３を保持するホルダーのロータリーエンコーダによりタイミング信号を作り出す構成とした。
【００４８】
本実施例において、この平行平面板１３は、材質をフッ化カルシウムとする６５ｍｍ×６５ｍｍ、厚さ１．５インチ（約３８．１ｍｍ＝ｔ）の平行平面板であり、厚さ方向をビームが通過するように、且つ、前記６５ｍｍ角の面の法線が光軸に対し３８°（＝θ［ｒａｄ］）の角度をなすように傾けて前記ホルダーに保持されている。そして、この傾いた平行平面板１３は、角度θを維持したまま、光軸を中心に時計周りに回転している。
【００４９】
この平行平面板１３に入射したビームは、次の数式１により計算される量（Δ）だけ光軸からシフトする。ここで、ｎは２４８ｎｍに対するフッ化カルシウムの屈折率であり、ｎ＝１．５０９である。
【００５０】
【数１】
2017071134.tif 000003
【００５１】
平行平面板１３の傾き角θを３８°とした本実施例において、Δは、Δ＝１０．０４ｍｍと計算される。
【００５２】
平行平面板１３から出射した、自転速度を６０ｒｐｍとするビームは、前記Δを半径とする軌道を同一の６０ｒｐｍで公転する歳差運動ビームとなる。
【００５３】
なお、平行平面板１３の回転速度は、ビームの自転速度に対し互いに異なる素数対素数の比率関係にある回転速度や、相対的にランダムに回転する回転速度としてもよい。例えば前者の一例としては、ビームの自転速度を７０ｒｐｍ（ダブプリズム１２の回転速度を３５ｒｐｍ）とし、平行平面板１３の回転速度（公転速度）を同一の回転方向にて１１０ｒｐｍとする関係、などである。
【００５４】
次に、平行平面板１３から、光軸を中心に半径Δの公転軌道を自転しながら出射した歳差運動ビームは、アパーチャ１１を介してレンズアレイ１４に入射する。その様子を図３に示す。なお、図３においては、ビームが時計回りに自転する様子をビーム内に記した直線の矢印で表し、同じく時計回りに公転する方向を曲線の矢印で表した。また、点線によって描かれた円はアパーチャ１１を示し、その内側の一点鎖線の円は、半径をΔとする公転の軌道を示す。
【００５５】
本実施例で使用したレンズアレイはフライアイレンズアレイ１４であり、その構成は１３×１３アレイである。１アレイのサイズは、２ｍｍ×２ｍｍである。図３においては、点線により方眼状に区画してこれらのアレイを示した。なお、レンズアレイはシリンドリカルレンズアレイを２軸直行させたものでも構わない。
【００５６】
図３に示すように、歳差運動ビームは、点線で区画したフライアイレンズアレイ１４上の領域のうち、その中心部の３×３アレイの外側の領域に入射する。なお、本実施例においては、ビームの自転と公転の回転方向及び回転速度が同一であるため、図３で示すとおり、アパーチャ１１の円周部分（点線によって描かれた円）により切り出される自転ビーム内の領域（部分）は常に一定である。
【００５７】
アパーチャ１１により切り出され、フライアイレンズアレイ１４から出射した歳差運動ビーム（以下、単に「ビーム」という。）は、コンデンサーレンズ１５により集光され、フィールドレンズ１６により方向付けされる。そして、マスク１７の位置においてフライアイレンズアレイ１４による均一な強度分布をもつ像を結ぶ。この均一性は、前述のビームの自転と公転の回転方向及び回転速度の関係から得られる効果である。
【００５８】
さらに、マスク１７に描画された円形の開口部を通過したビームは、入射開口径を５．６ｍｍ（副鏡１８１の直径）とする倍率３６倍の反射対物レンズ１８に入射され、当該開口部の像はノズルプレート１９上に縮小投影される。反射対物レンズ１８の入射開口を通過したビームは、内部の副鏡１８１により主鏡１８２に向け反射され、主鏡１８２はこれをノズルプレート１９に向けて反射する。
【００５９】
本実施例におけるこれら光学部品の位置関係は、次の数式２のとおりである。しかし、各光学部品の光学設計によりその位置関係は異なり、設計事項である。
【数２】
2017071134.tif 000004
【００６０】
ノズルプレート１９に入射したビームは、前記数式２の配置及び反射対物レンズ１８のＮＡ（０．５）に応じた角度を持つため、掘削加工が進むに従い縮小投影されるマスク１７のアパーチャの像は拡大する。これにより、ビームの入射側におけるノズル（上穴）の径より出射側におけるノズル（下穴）の径が大きい、逆テーパ穿孔加工が行われる。
【００６１】
一方、この高ＮＡ加工ゆえ、その縮小投影加工における焦点深度は２μｍと浅い。そこで、本実施例においては、図５に示すように、ノズルプレート１９を載置したステージシステム２の構成である光軸方向のＺ軸ステージを、加工の途中に一定量１９２（＝ηｚ）を移動させることで反射対物レンズ１８からのビーム１９３の結像焦点位置１９１と、ノズルプレート１９の光軸方向における位置関係を調整し、下穴形状の真円度の向上及び上穴の断面形状における面ダレの抑制を図った。
【００６２】
まず、加工開始時のビーム１９３の結像焦点位置１９１面において計算されるエネルギー密度が１．３５Ｊ／ｃｍ２となるように、光減衰器（アッテネータ）を調整し加工を開始した。その後、当該エネルギー密度はショット数に応じて増加するよう、当該アッテネータを調整した。本実施例においては、加工開始後５００ショットを照射する間に、エネルギー密度を前記１．３５Ｊ／ｃｍ２から２．１８Ｊ／ｃｍ２まで増加させた。
【００６３】
本実施例は高ＮＡ加工のため、ショット数が増加し掘削加工が進むと、ノズルプレート１９に入射するビーム１９３の照射面積は拡大する。従って、加工に必要なエネルギー密度は減少する。そこで、前記のとおり照射開始から５００ショット照射するまでの間は、アッテネータの調整によりビーム１９３のエネルギーを増加させ、加工に必要なエネルギー密度を維持しながらノズル内の側面を逆テーパ穿孔加工した。
【００６４】
その後、エネルギー密度を１．３５Ｊ／ｃｍ２まで一気に下げ、これと同時にＺ軸ステージを３μｍ（ηｚ）上昇させ、さらに２００ショットを照射した。これら一連のエネルギー密度とショット数の関係を図６に示す。
【００６５】
ノズルプレート１９とこれに入射するビーム１９３の位置関係を示す図５を用いて、さらに詳細に本実施例における穿孔加工の様子を説明する。
【００６６】
加工開始時から５００ショット照射するまでの間は、図５において点線で示すノズルプレート１９の上面から３μｍ（ηｚ）上に（反射対物レンズ１８側に）結像焦点位置１９１（図中ノズルプレート１９の上面と平行に短い点線にて記載。）がある。そして、ノズルプレート１９の下面（ビーム出射側面）においては、十分に拡がったビームによりノズル内の側面を前記の十分なエネルギー密度をもって穿孔加工した。
【００６７】
５００ショットを照射後、Ｚ軸ステージを３μｍ（ηｚ）上昇させる。これにより、図５において実線で示すノズルプレート１９の上面に、ちょうど結像焦点位置１９１が位置するよう調整し、後半の２００ショットによりインクの吐出側である上穴形状をマスク１７に対する最適な焦点位置で加工した。この効果として、図７の上穴形状の顕微鏡写真（左）において確認できるとおり、上穴の断面形状の面ダレ（写真においては円周に沿って黒く縁どられている部分。）を抑制し、且つ、これが円周にわたり均一な加工を実現した。
【００６８】
なお、下穴形状の真円度について考察すると、Ｚ軸ステージのηｚ上昇後における下穴付近に結像するビーム１９３の像は、マスク１７よりもさらにフライアイレンズ１４側の物体位置が結像されたものである。従って、本発明におけるビームの自転と公転の回転比率の制御の効果が下穴形状の真円度に顕著に現れることとなる。
【００６９】
Ｚ軸ステージが上昇したあとは、結像焦点距離１９１におけるエネルギー密度が再び増加するため、加工に適切なエネルギー密度に戻すべくアッテネータを調整した。
【００７０】
一方、予備実験として、本実施例とは逆に、ノズルプレート１９の上面からηｚ下に（ノズルプレート１９の内部に）結像焦点位置１９１が位置する状態で前半５００ショットによる加工をし、その後Ｚ軸ステージを下降することで結像焦点位置１９１がちょうどノズルプレート１９の上面に位置する状態にし、後半の２００ショットを用いてインクの吐出側である上穴形状の仕上げ加工をした。しかし、本実施例と比較し良好な結果は得られなかった。
【００７１】
本実施例におけるエキシマレーザ４の発振繰り返し周波数は、１００Ｈｚであるため穿孔加工に要した時間は、最初の５００ショットに５秒、Ｚ軸ステージの下降後の２００ショットにより、２秒、合計、約７秒である。なお、エキシマレーザ４は１ＫＨｚの繰り返し周波数にて発振可能なタイプもあるので、構成によっては１ノズルあたり、約０．７秒により穿孔加工が可能となる。
【００７２】
一のノズルの形成が終了すると、ステージシステム２のＸ軸及びＹ軸が所定の距離を移動し、次のノズルの形成に移行する。一の複合型ノズルプレートへのノズル列の穿孔加工を完成させるために、この動作を繰り返す。
【００７３】
本実施例において形成した一のノズルの上穴（ビーム入射側、インクの吐出側）の形状と下穴（ビームの出射側、インク室側）の形状の顕微鏡写真を図７の左（上穴）と右（下穴）にそれぞれ示す。
【００７４】
ノズル形状の測定結果は次の表１のとおりであり、このノズルを一列に３００個、各ノズルのピッチ（ノズル間隔）を１４０±１μｍ、ノズル列長さ（両端ノズル間距離）を４１．８６０ｍｍ±５μｍを目標として形成した。
【００７５】
【表１】
2017071134.tif 000005
【００７６】
なお、本実施例とは異なる実施態様として、平行平面板１３の代わりにウェッジ板１３１を使用することもできる。その場合の縮小結像光学系の例を図４に示す。この実施態様においては、その他の光学素子の位置関係が前述の本実施例とは異なるが、基本的構成乃至穿孔加工の実施方法は同一である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
インクジェットプリンター用の高精細なインク吐出用ノズルプレートの製造に利用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１、  縮小結像光学系
１０、１１、アパーチャ
１２、ダブプリズム
１３、平行平面板
１３１、ウェッジ板
１４、フライアイレンズアレイ
１５、コンデンサーレンズ
１６、フィールドレンズ
１７、マスク
１８、反射対物レンズ
１８１、副鏡
１８２、主鏡
１９、ノズルプレート
１９１、結像焦点位置
１９２、ηｚ（Ｚ軸ステージの移動量）
２、ステージシステム
３、除振テーブル
４、エキシマレーザ
５、モニタリング光学系
【図５】
2017071134.tif 000006
【図６】
2017071134.tif 000007
【図１】
2017071134.tif 000008
【図２】
2017071134.tif 000009
【図３】
2017071134.tif 000010
【図４】
2017071134.tif 000011
【図７】
2017071134.tif 000012