(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを生成し加工物に照射して該加工物を孔あけ加工するよう動作可能なピコ秒レーザと、
上記ピコ秒レーザから上記加工物までのレーザビームの道筋を表すビーム経路と交差し、上記レーザビームを案内して上記加工物に目的の形状を形成するよう動作可能な走査ミラーと、
上記ビーム経路と交差し、上記レーザビームを回折させることにより加工物を照射する複数のサブビームを生成するよう動作可能な回折光学素子と、
上記サブビームと交差し、該サブビームの上記加工物上のスポット径を決定するよう動作可能な走査レンズと、
上記サブビームと交差し、上記サブビームの強度分布を一様にするよう動作可能なマイクロフィルタと、
上記加工物を孔あけ加工するためのアルゴリズムを使って上記走査ミラーを操作制御する制御モジュールとを備え、
上記制御モジュールは、
上記走査ミラーを制御するための制御電圧に関し、上記レーザビームが上記走査ミラーへ入射する際の入射角に基づいて反射補正係数を算出するとともに、１回の孔あけ作業期間中の上記走査ミラーの電圧応答を求めた結果に基づいてヒステリシス補正係数を算出して、それら反射補正係数とヒステリシス補正係数とを上記加工物に対するレーザビームの加工経路としてのツールパスのアルゴリズムに組み込むことにより、上記走査ミラーの制御電圧を、上記加工物を孔あけ加工するために動作するときに該加工物に目的の形状の孔が形成されるよう補正制御するレーザ微細加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス光源による材料のアブレーション加工に関し、特にレーザ孔あけ加工及びレーザフライス加工に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルス光源による材料のアブレーション加工は、レーザが発明されて以来ずっと研究されてきた。紫外線（ＵＶ）エキシマレーザの照射によりポリマーがエッチングされたという１９８２年の報告に刺激され、微細加工プロセスの広範囲に及ぶ研究が行われるようになった。それ以来、この分野の科学的かつ産業的な研究が急増しており、その大部分はレーザを使用した孔あけ、フライス加工、又は複製により作製可能な非常に小さな形状を目標にしている。
【０００３】
超高速レーザは、持続時間が約１０−１１秒（１０ピコ秒）から１０−１４秒（１０フェムト秒）の高強度レーザパルスを発生させる。短パルスレーザは、持続時間が約１０−１０秒（１００ピコ秒）から１０−１１秒（１０ピコ秒）の高強度レーザパルスを発生させる。医療、化学、通信分野において超高速レーザの多種多様の可能性ある用途が開発、実現されつつある。これらのレーザは、様々な材料に孔あけやフライス加工を施すのに便利な工作機械でもある。数ミクロンや数サブミクロンもの小さな孔径でも容易に開けることが可能で、タービンブレードの冷却水路、インクジェットプリンタのノズル、プリント回路基板のビアホール等の硬質材料に、高アスペクト比の孔を開けることが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
多くのハイテク製造産業において、直径数ミクロンの小さな孔を開口できることは基本条件である。レーザ加工は、高解像度、高精度、高速性、及び高柔軟性を兼ね備えていることにより、集積回路、ハードディスク、印刷装置、ディスプレイ、配線、及び通信装置の製造業等の多くの産業で採用されてきた。しかしながら、レーザ孔あけ装置及び方法には、パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けている幾つかの課題を解決する必要性が残されている。
【０００５】
パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けている課題の一つは、材料の並行アブレーション加工に超高速レーザを使用するときのスペクトル分散問題に対処することである。フェムト秒レーザ光源が広いスペクトルバンド幅を持つために、同時に複数の孔を開ける等、並行加工の場合にビームスプリッタとなる回折光学素子（ＤＯＥ）と共にフェムト秒レーザパルスを使用しようとすると、問題が起こる可能性がある。これは、ＤＯＥがスペクトルを分散させるため、焦点歪みが場合によっては重大な程度まで発生してしまうからである。この欠点により、このレーザの商業生産用工作機械としての使い勝手が悪くなっている。よって、材料の並行アブレーション加工に超高速レーザを使用するときのスペクトル分散問題に対処する方法が必要とされている。
【０００６】
パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けている別の課題は、アブレーション加工中の熱影響を抑制し、形成される孔の品質や再現性を向上させることである。現在の孔あけ技術の殆どは長パルスで高エネルギーのレーザを用いて孔あけを行っている。これらの技術を用いたときに生じる熱影響により、加工物に形成される孔の形状が予測不可能かつ再現不可能なものとなっている。よって、アブレーション加工中の熱影響を抑制し、形成される孔の品質や再現性を向上させる方法が必要とされている。
【０００７】
パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けているさらに別の課題は、レーザアブレーション加工中に、孔あけの精密度と孔の最終形状を制御することである。インクジェットプリンタのノズル孔といった用途の多くに対し、顧客が必要とするのは、孔の入口側が出口側より幅の広いテーパ形状の孔を開けることである。この孔の計測値（入口側の孔径、出口側の孔径、テーパ）は製品の品質や最終製品の動作にとって重要である。例えば、開けられた孔のテーパがインクジェットプリンタのノズルの流体力学を制御する。ある完成品の孔の計測値は幅広く変化する可能性があり、特定の最終製品を得るために調整できることが必要である。よって、レーザアブレーション加工中に、孔あけの精密度と孔の最終形状を制御する方法が必要とされている。
【０００８】
パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けているまた別の課題は、テーパ状孔を並行して形成することである。現在のレーザ孔あけ方法は、エキシマレーザを使用してテーパ状孔を形成している。エキシマレーザは、その空間内でのビーム品質が低いため、ビームスプリッタとなる回折光学素子と共には使用されないのが一般的である。エキシマレーザによる並行加工は、通常、複数の孔を形成可能にするマスキング技術が必要で、これによりレーザ光の利用効率は著しく低下してしまう。一方、空間内のビーム品質が高いレーザ源であれば、加工物上にマスクを投影結像させることなく、小さなビームスポットに集光させることができる。よって、テーパ状孔を並行して形成する方法が必要とされている。
【０００９】
パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けているさらに別の課題は、熱影響を最小にしながら金属箔に高品質の孔をレーザ孔あけによって形成することである。現在のレーザ孔あけ方法は、高分子材料に孔を開けるのにエキシマレーザを使用する。エキシマレーザは一般的には金属箔に高品質の孔を開けるにはあまり役立たない。なぜなら、長時間（ナノ秒）持続するエキシマレーザパルスにより金属泊が著しく溶融してしまい、結果として孔の品質が悪くなってしまうことがあるからである。よって、熱影響を最小にしながら金属箔に高品質の孔を形成するレーザ孔あけ方法が必要とされている。
【００１０】
レーザフライス孔の並行加工は、レーザ微細加工のスループットを増加させ、結果として収益性をあげる鍵となる。現在、レーザ微細加工においては、回折光学素子（ＤＯＥ）等のビームスプリット装置を使用して単ビームを複数のビームに分割することにより、並行加工を可能にしている。しかしながら、個々の製造用途にとっては、孔の幾何形状への要求や一貫した再現性のある仕上がりにする性能が重要である。ビームスプリッタを使用することは、レーザフライス加工の一貫性や再現性を保つという技術課題を伴う。従って、パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けている幾つかの課題を解決する、複数のビームの強度分布を制御する設計方法や装置が必要とされている。
【００１１】
パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けているさらに別の課題は、材料に、孔の均一性や再現性に対する顧客の要求にあう孔や形状を複数個作製することである。加工物に複数の孔を形成する現在の並行レーザ孔あけ方法には、従来の回折光学素子（ＤＯＥ）を使用して単ビームを複数のサブビームに分割する工程が含まれている。しかしながら、一般的なＤＯＥは均一性のあるサブビームを生成しないので、その結果、レーザ孔あけ装置は、市場において必要とされている一貫した再現性のある孔の幾何形状を作製できない。複数の孔の一貫性と再現性、そしてそれらの孔が顧客仕様と合致することは、微細加工を適用する場合に重要である。よって、材料に、孔の均一性や再現性に対する顧客の要求にあう孔や形状を複数個作製する方法が必要とされている。
【００１２】
パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けているさらに別の課題は、レーザ孔あけ装置のビーム強度を一様にすることである。ＤＯＥは、単レーザビームを強度の等しい複数のビームに分割するように設計されているのが一般的である。しかしながら、ＤＯＥの多くは、設計に限界があり、製造中に欠陥も発生するので、サブビーム全てに亘ってビーム強度を等しく或いは十分に一様にすることができない。ＤＯＥがその設計上の弱点を補償するように設計されていない場合、レーザ孔あけ装置に他の構成要素を追加したりレーザ孔あけ装置の他の構成要素を変更することによって、その弱点を補償しなければならない。よって、レーザ孔あけ装置のビーム強度を一様にする方法が必要とされている。
【００１３】
従来より、レーザフライス加工は、可動ステージで加工物を移動させたり、検流計でレーザビームを移動させたりすることにより行われてきた。この目的のため、レーザビームを案内する検流計走査ミラーが使用されている。しかしながら、検流計内部の機械部品を潤滑な状態に保ち、円滑に動作させ続けるためには、幅広い周期の動作が必要である。可動ステージは機械的に運動するステージに基づいており、その動作は低速なのでレーザ孔あけ装置の製造コストが増大しスループットが低下する。レーザ微細加工、特に数ミクロンの孔を開けるのに必要な動きは一般に非常に細かくかつ反復性が高いので、検流計走査ミラーの早すぎる摩耗や故障を引き起こしてしまう。これに対する解決策の１つは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）アクチュエータ等の圧電アクチュエータを備えた狭走査範囲、高精度の走査ミラーを使用することであるが、高速で開ループのＰＺＴアクチュエータ付き走査ミラーには、通常、この種のアクチュエータにつきものの誤差がある。従って、パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けている課題を解決する、ＰＺＴアクチュエータ付き走査ミラーの操作方法が必要とされている。
【００１４】
パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けているさらに別の課題は、高再現性かつ高精度にレーザ孔あけを行うことである。レーザ孔あけには、加工物に対する顧客仕様に沿った所定の形状とテーパで孔を開けることが必要である。技術が進み、最終製品に必要とされる部品が小型化するにつれて、これらの部品を製造するのにますます高い精度と正確さが要求されている。その結果、レーザ孔あけの製造誤差マージンは著しく小さくなってきている。よって、高再現性かつ高精度にレーザ孔あけを行う方法が必要とされている。
【００１５】
パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けているさらに別の課題は、高精度のＰＺＴアクチュエータ付き走査ミラーの反射による幾何形状効果を補正することである。Ｘ方向の走査を行うアクチュエータに印加された電圧は、走査ミラーに対する入射ビームの反射によって生じた幾何形状に依存して、Ｙ方向の走査を行うアクチュエータに印加された同じ値の電圧とは異なる偏角を発生させる。よって、高精度のＰＺＴアクチュエータ付き走査ミラーの反射幾何形状効果を補正する方法が必要とされている。
【００１６】
パルス光源による材料のアブレーション加工の分野に存在し続けているさらに別の課題は、ＰＺＴアクチュエータ付き走査ミラーに固有のヒステリシスを補正することである。ＰＺＴアクチュエータは、ヒステリシスを示し、ドリフトを起こす。一部の用途では、このことは問題にならないが、ドリフトのない正確な動作が必要な場合には、補正が必要である。レーザ孔あけの場合、マイクロメータまでの正確さと精度が求められることがよくある。よって、ＰＺＴアクチュエータ付き走査ミラー固有のヒステリシスを補正する方法が必要とされている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ微細加工装置は、レーザビームを生成し加工物に照射して該加工物を孔あけ加工するよう動作可能なピコ秒レーザと、このピコ秒レーザから上記加工物までのレーザビームの道筋を表すビーム経路と交差し、上記レーザビームを案内して上記加工物に目的の形状を形成するよう動作可能な走査ミラーと、上記ビーム経路と交差し、上記レーザビームを回折させることにより加工物を照射する複数のサブビームを生成するよう動作可能な回折光学素子と、上記サブビームと交差し、該サブビームの上記加工物上のスポット径を決定するよう動作可能な走査レンズと、上記サブビームと交差し、上記サブビームの強度分布を一様にするよう動作可能なマイクロフィルタと、上記加工物を孔あけ加工するためのアルゴリズムを使って上記走査ミラーを操作制御する制御モジュールとを備え、この制御モジュールは、上記走査ミラーを制御するための制御電圧に関し、上記レーザビームが上記走査ミラーへ入射する際の入射角に基づいて反射補正係数を算出するとともに、１回の孔あけ作業期間中の上記走査ミラーの電圧応答を求めた結果に基づいてヒステリシス補正係数を算出して、それら反射補正係数とヒステリシス補正係数とを上記加工物に対するレーザビームの加工経路としてのツールパスのアルゴリズムに組み込むことにより、上記走査ミラーの制御電圧を、上記加工物を孔あけ加工するために動作するときに該加工物に目的の形状の孔が形成されるよう補正制御するものである。
【００１８】
本発明が適用可能なさらに他の分野は、以下に記す詳細な説明より明らかになるであろう。ただし、発明の実施の形態に示されている詳細な説明や具体例は単に例示のためであって、本発明の請求範囲を制限するものではない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【００２０】
本発明は、様々な形状からなる所定の顧客仕様に対応するよう高精度の孔を形成するレーザ孔あけ方法及び装置である。この課題を達成するため、ピコ秒レーザビームが所定数のビームに分割され、フライス加工アルゴリズムがビームの動きを指示することによって目的の孔形状が作成される。
【００２１】
図１は参考形態に係るピコ秒レーザ孔あけ装置１００を示し、このピコ秒レーザ孔あけ装置１００には、ピコ秒レーザ１０５、ビーム１０７、第１のミラー１０８、シャッタ１１０、減衰器１１５、第２のミラー１１７、ビーム拡大器１２０、第３のミラー１２１、第４のミラー１２２、回転式半波長板１２５、走査ミラー１３０、回折光学素子（ＤＯＥ）１３５、複数のサブビーム１３７、走査レンズ１４０、マイクロフィルタ１４５、像伝達レンズ１５０及び加工物１５５が図示のように配置されている。
【００２２】
ピコ秒レーザ１０５は、加工物１５５の材料をアブレーション加工するのに十分なパルスエネルギーを出力する。ピコ秒レーザ１０５から放出されるビーム１０７の帯域幅は、０．１ナノメータ未満である。一例をあげると、ピコ秒レーザ１０５は発振器と再生増幅器とからなり、発振器出力は３５ｍＷ、パルス幅は約１５ピコ秒、再生増幅器出力は周波数１ｋＨｚのとき１Ｗ、１パルスあたりのエネルギーは１ミリジュール、出力安定度は１２時間で１．７％、照準安定度は約１％、ビーム品質はＭ２＜１．１である。一例をあげると、上記目的のピコ秒パルス幅は、レーザ１０５のモード固定機構と半導体可飽和吸収体ミラー（図示せず）により実現される。適切なパルス幅は、通常、１ピコ秒〜１００ピコ秒である。
【００２３】
第１のミラー１０８、第２のミラー１１７、第３のミラー１２１及び第４のミラー１２２は、従来のミラーであり、指定の経路に沿ってビーム１０７を案内するために使用される。尚、ビーム１０７を案内するのに実際に使用されるミラーの数は、孔あけ装置の光路の個々の配置に応じて変わる。
【００２４】
本参考形態では、シャッタ１１０は、ヴィンセントアソシエイツ(Vincent Associates)社製の型番LS6ZMZの従来の機械式シャッタである。シャッタの目的は、開いた状態ではレーザ１０５のレーザビームを加工物１５５に照射させ、閉じた状態ではレーザビームが加工物を照射しないようにすることである。シャッタは、約１ｍｓの時間で開閉するほど高速である。そのような高速シャッタの別の態様としては、（１）ポッケルスセル等の外部電気光学変調器、（２）目的のビーム経路からビームを偏向させる検流計ミラー、（３）レーザ１０５の再生増幅器内でＱスイッチを直接変調させること等がある。
【００２５】
減衰器１１５は、ピコ秒レーザ１０５の外部でエネルギーを連続的に制御するフィルタである。図１に示すように、減衰器１１５は、ＣＶＩレーザ (CVI Laser) 社製の型番CPAS-10.0-670-1064等の偏光子の後に、ＣＶＩレーザ社製の型番QWPO-1053-06-2-R10等の半波長板を備えている。或いは、減衰器１１５の代わりに、レーザエネルギーを減衰させる固定密度フィルタを使用してもよい。本参考形態では、外部の減衰器１１５を使って受動的な安定化が図られている。別の参考形態では、減衰器１１５に、能動的な安定化を図るための閉じた帰還ループが実装される。本参考形態では、外部の減衰器１１５を使用してピコ秒レーザ１０５を１つの動作モードで中断なく動作させるようにしている。さらに別の参考形態では、ピコ秒レーザ１０５の再生増幅器へのポンプ出力を変化させることによって、ピコ秒レーザ１０５内部でレーザ出力の減衰を実現する。
【００２６】
本参考形態では、ビーム拡大器１２０を使用してビーム１０７のスポット径を走査レンズ１４０の瞳径に一致させている。ビーム拡大器１２０の仕様は、ピコ秒レーザ１０５のビーム径及び走査レンズ１４０の両方の仕様と調整して設定される。ビーム拡大器１２０を出るレーザビームの径は、走査レンズ１４０の瞳径と同じか或いはそれより僅かに小さいほうがよい。ビーム拡大器は、例えば、焦点距離が−２４．９ｍｍの発散レンズと焦点距離が１４３．２２ｍｍの収斂レンズとからなる一対のレンズである。
【００２７】
回転式半波長板１２５は、ビーム１０７の偏光状態を変えることにより、ビーム１０７によって形成されるテーパ状の孔壁の平滑性を高める。すなわち、偏光状態を変えると、レーザアブレーションによって孔壁に形成される波模様が減少する。或いは、固定式１／４波長板を使用して、レーザビームの偏光状態を直線偏光から円偏光に変えてもよい。一例をあげると、ＣＶＩレーザ社製の型番QWPO-1053-06-2-R10からなる半波長板が、電動モータにより６００ＲＰＭで回転する。
【００２８】
走査ミラー１３０は、レーザフライス加工アルゴリズム（図示せず）を実行し、ビーム１０７を案内して加工物１５５に目的の形状を実現する。走査ミラー１３０の仕様は、フライス加工される孔の寸法と形状及び加工物１５５の材料に応じて走査レンズ１４０との調整により設定される。一例をあげると、走査ミラー１３０は、１〜３ミリラジアンの走査範囲で動く高解像度、小走査範囲のＰＺＴチップチルトミラーである。或いは、Ｘ−Ｙ検流計走査ミラーを使用してもよい。しかしながら、この場合は、インクジェットプリンタのノズル孔をレーザフライス加工する際等、僅かな走査角度しか必要ではない状況では、ピコ秒レーザ孔あけ装置１００が必要とする微小な動きの反復によって検流計が急速に劣化するので、実施するのが困難であることが判った。
【００２９】
レーザフライス加工アルゴリズムの実行は、参考形態に応じて異なる。例えば、ある参考形態では、走査ミラーの代わりに固定式のミラーを使用することで、サブビームが空間内で定常になる。その代わりに、加工物は、コンピュータ制御されたプログラミング可能なＸＹ並進ステージに載置される。ＸＹステージは、レーザフライス加工アルゴリズムを実行し、加工物を移動させて定常レーザサブビームにより加工物に目的の形状を実現する。また、別の参考形態では、走査ミラーとＸＹステージを両方使用し、レーザフライス加工アルゴリズムを実行して加工物に目的の形状を実現する。
【００３０】
ＤＯＥ１３５は、ピコ秒レーザ孔あけ装置１００が加工物１５５に並行に孔を形成できるようにする高効率ビームスプリッタ兼ビームアレイパターン生成器として機能する。本参考形態では、ＤＯＥ１３５は、走査レンズ１４０の入射瞳面（次の段落で説明）に配置されている。ＤＯＥ１３５が出力するサブビーム１３７のパターンは、加工物１５５に形成される孔の仕様によって予め決められている。或いは、ＤＯＥ１３５の代わりに、キノフォルムを有するエキシマレーザを使用することもできる。しかしながら、エキシマレーザのビーム品質が向上するまでは、この方法は精密微細加工には非実用的な解決策である。一例では、ＤＯＥ１３５は、レーザ１０５からの単ビームの入射レーザを、各列が３８本のビームを有する４列の形で計１５２本のビームに分割する（このエキシマ及びキノフォルム情報は、アプライドオプティクス誌のホルメール(Halmer)及びヘルド(Hard)による１９９５年の論文「エキシマレーザとキノフォルムを用いたレーザ機械加工実験(Laser-machining experiment with an excimer laser and kinoform)」による）。
【００３１】
本参考形態では、走査レンズ１４０はｆθテレセントリックレンズである。走査レンズ１４０は、加工物１５５上のサブビーム１３７のスポット径を決める。走査レンズ１４０の入射瞳に入射するビームの径は、走査レンズ１４０の瞳径以下でなければならない。テレセントリック性は、サブビーム１３７と加工物１５５との間の入射角を垂直に維持するために必要であり、従って、加工物１５５に並行に孔を形成するのに必要である。孔の軸を互いに平行にする必要がない別の参考形態では、非テレセントリック走査レンズを使用することができる。
【００３２】
マイクロフィルタ１４５は、ピコ秒レーザ１０５から発せられてＤＯＥ１３５を通過したサブビーム１３７を均一にする。マイクロフィルタ１４５は、ガラス基板上に誘電体がコーティングされてなっており、ＤＯＥ１３５のサブビームの強度パターンに応じて特注設計されて製作される。一例をあげると、マイクロフィルタ１４５は、上述のＤＯＥ１３５の例に対応する、各列３８個のフィルタが４列並んだ計１５２個のフィルタからなる１パターンの形で、２つの透過値１００％と９８％とから構成される。
【００３３】
像伝達レンズ１５０は、加工物１５５をマイクロフィルタ１４５からさらにもう１焦点距離分だけ遠ざけることによってアブレーションで発生した粒子が加工物１５５からマイクロフィルタ１４５へ吹き戻されるのを防止しながら、像品質、スポット径及びテレセントリック性を維持する。マイクロフィルタ１４５と加工物１５５との間が接近していると、アブレーションで発生した粒子がマイクロフィルタ１４５を損傷させる虞れがある。一例では、像伝達レンズは、走査レンズ１４０と同一の２個のテレセントリック走査レンズが背中合わせに配置されるようにして構成されており、２個の走査レンズの瞳面は中間点で一致している。アブレーションで発生した粒子がマイクロフィルタ１４５上に吹き戻される問題を克服するため、さらに別の２つの参考形態を適用することができる。これら２つの参考形態では、像伝達レンズ１５０は必要とされず、加工物１５０は、マイクロフィルタ１４５のすぐ背後にある走査レンズ１４０の焦点面或いはその近傍に配置される。そのうちの第１の別の参考形態では、圧縮空気や乾性窒素等の高速ガス源が、マイクロフィルタ１４５と加工物１５０との間を通過するシート状の層流に形成される。このガス流は、吹き戻し粒子がマイクロフィルタ１４５上に堆積される前にそれらを除去する。第２の別の参考形態では、マイクロフィルタ１４５と加工物１５５との間の空間が、水等の流動している液体で満たされる。この液体により、吹き戻し粒子が減速され、アブレーション領域外へ運び出されることになる。これらの場合、加工物に対するアブレーション加工品質を向上させるガスや液体が特別に選択される。この液体やガスは、アブレーション速度或いはアブレーション加工後に残存する表面の品質を高めるような反応剤や触媒であってもよい。
【００３４】
加工物１５５は、ピコ秒レーザ孔あけ装置１００の標的である。一例をあげると、加工物１５５はステンレス鋼製インクジェットノズル箔であるが、本参考形態は、ポリマー、半導体金属、セラミック等、様々な材料の加工物に汎用させることができる。また、ピコ秒レーザ孔あけ装置１００は、加工物１５５に様々な形状やテーパ状の孔を形成することができる。
【００３５】
また、別の参考形態では、装置からマイクロフィルタ１４５と像伝達レンズ１５０が取り除かれ、加工物１５５が、従来マイクロフィルタ１４５が置かれていた場所に配置される。この場合、装置は大幅に簡略化され、光学位置合わせ誤差が低減される。しかしながら、マイクロフィルタ１４５と像伝達レンズ１５０を使用する上述の参考形態と両方を使用しない別の参考形態とは、その性能がＤＯＥ１３５が形成する複数のビームの強度の一様性に大きく依存しているため、その性能面でどちらを選択するかの問題がある。すなわち、ＤＯＥ１３５の複数のビームの強度が非常に高い一様性を有しているか、或いは、完成加工物の規格が緩やかであれば、後者の参考形態が好ましい。しかし、ＤＯＥ１３５の複数のビームの強度がそれ程高い一様性を示しておらず、貫通孔の最終口径のような非常に厳しい精度が加工物に要求される場合には、前者の参考形態が好ましくなる。
【００３６】
動作時には、図１に示す光路に沿って、ピコ秒レーザ１０５がビーム１０７を放出する。ビーム１０７は、光路に沿って伝搬し、第１のミラー１０８に入射する。第１のミラー１０８は、光路に沿ってビーム１０７の向きを変更し、ビーム１０７は、シャッタ１１０に入射する。シャッタ１１０は、加工物材料を選択的に照射するように開閉する。ビーム１０７は、シャッタ１１０を出て、光路に沿い減衰器１１５まで伝搬する。減衰器１１５は、アブレーション加工パラメータを精密に制御するために、ピコ秒レーザ１０５のエネルギーを濾過する。ビーム１０７は、減衰器１１５を出て、光路に沿って伝搬し、第２のミラー１１７に入射する。第２のミラー１１７は、光路に沿ってビーム１０７の向きを変更し、ビーム１０７は、ビーム拡大器１２０に入射する。
【００３７】
ビーム拡大器１２０は、２つの目的に供するため、ビーム１０７の径を拡大する。第１に、ビーム拡大器１２０は、ＤＯＥ１３５をビームスプリッタとして正確に機能させるためにビーム径を拡大する。ＤＯＥ１３５が正確に機能するためには、ＤＯＥ１３５に入射するビームの径は、ＤＯＥ１３５の複数の周期に対応できるだけの大きさである必要がある。第２に、ビーム拡大器１２０は、走査レンズの瞳径と合致させるためにビーム径を拡大する。ビーム１０７は、ビーム拡大器１２０を出て、光路に沿って伝搬し、第３のミラー１２１に入射する。第３のミラー１２１は、光路に沿ってビーム１０７の向きを変え、ビーム１０７は、第４のミラー１２２に入射する。第４のミラー１２２は、光路に沿ってビーム１０７の向きを変え、ビーム１０７は、回転式半波長板１２５に入射する。回転式半波長板１２５は、ビーム１０７の偏光状態を変える。回転式半波長板１２５を出ると、ビーム１０７は、光路に沿って伝搬し、走査ミラー１３０に入射する。走査ミラー１３０は、フライス加工アルゴリズム（図示せず）を使って所定のパターンで移動し、加工物１５５に孔を形成する。走査ミラー１３０は、光路に沿ってビーム１０７の向きを変更し、ビーム１０７は、ＤＯＥ１３５に入射する。
【００３８】
ＤＯＥ１３５は、ビーム１０７を複数のサブビーム１３７に分割して、加工物１５５に並行に孔を形成できるようにする。サブビーム１３７は、ＤＯＥ１３５を出て、光路に沿って伝搬し、走査レンズ１４０に入射する。走査レンズ１４０は、加工物１５５上でのサブビーム１３７のスポット径を決定する。サブビーム１３７は、走査レンズ１４０を出て、光路に沿って伝搬し、マイクロフィルタ１４５に入射する。マイクロフィルタ１４５は、サブビーム１３７の強度を一様にする。サブビーム１３７は、マイクロフィルタ１４５を出て、光路に沿って伝搬し、像伝達レンズ１５０に入射する。像伝達レンズ１５０は、サブビーム１３７の各焦点を加工物１５５上に再結像する。サブビーム１３７は、所定のフライス加工アルゴリズムに従うパターンで加工物１５５をアブレーション加工する。本参考形態では、像倍率は１であるが、異なる像倍率を使用してもよい。
【００３９】
本参考形態の短パルス（ピコ秒）レーザ源を使用することにより、孔形状の歪曲をもたらす過度の熱影響を抑制するという課題を解決することができる。熱影響は、基板の熱による損傷等、他の望ましくない影響も引き起こすことがある。
【００４０】
フライス加工アルゴリズムは、コンピュータ（図示せず）等の計算手段を使って定義され、ピコ秒レーザ孔あけ装置１００に伝達される。コンピュータは、フライス加工アルゴリズムで指定されたパラメータに従ってシャッタ１１０と走査ミラー１３０に信号を送信する。フライス加工アルゴリズムと走査ミラー１３０を組み合わせることにより、加工物１５５に対する孔あけの精密度を高くするとともに孔の最終形状を制御することができる。
【００４１】
図２に示すように、ピコ秒レーザ孔あけ装置１００を操作する方法２００は、複数のステップを備えている。ステップ２１０では、操作者或いは自動化された装置が、目標領域のレーザアブレーション時に発生するくずを除去するために、ガスフロー弁を開放して加工物１５５をパージガスで洗浄する。ステップ２２０では、シャッタ１１０が開放して、加工物１５５に照射するパルス状のレーザエネルギーをピコ秒レーザ孔あけ装置１００内に伝搬させる。ステップ２３０では、ピコ秒レーザ孔あけ装置１００が加工物１５５に目標を定める。ビーム１０７が光路に沿って加工物１５５の目標領域まで伝搬すると、材料のアブレーションが始まる。加工物１５５の目標領域内の指定の層が所定のアルゴリズムに従ってフライス加工される。アルゴリズムは、所定の最終用途に必要な孔形状、例えば、インクジェットプリンタのノズルのテーパ状孔を形成する命令を含んでおり、それを実施する。ステップ２４０では、ピコ秒レーザ孔あけ装置１００が、フライカッティングやトレパニング等の平滑化又は仕上げ技術を使って孔あけを完了する。このステップでは、孔の真っ直ぐな断面やテーパ状の断面が得られる。ステップ２５０では、シャッタ１１０が閉鎖して、孔あけが終了する。ステップ２６０では、パージガスが遮断される。ステップ２７０では、操作者或いは自動化された装置が、従来の計測技術を利用して加工物１５５が仕様の範囲内に入るか否かが判定される。この工程は、その位置のままで、すなわち、加工物保持具から加工物を取り外すことなく、計測装置を孔あけ構成に組み込んだ状態で行うことができる。或いは、加工物を加工物保持具から取り外し、オフラインで検査することも可能である。このような計測に基づいて、ピコ秒レーザ孔あけ装置１００のパラメータが必要に応じて調整される。
【００４２】
また、本参考形態は、レーザフライス加工孔を幾何学的に再現可能な様々な形状で複数回形成できるように複数のレーザビームの強度分布を制御して一様化するようマイクロフィルタを設計する方法を含んでいる。さらに、その作業を利用して同時に複数のフライス加工孔を並行に形成することもできる。
【００４３】
本参考形態は、マイクロフィルタをマスクパターン以外の役割で使用し、サブビームの強度を一様化する。通常、マイクロフィルタに入射するビームの径は約２０〜約１００μｍである一方、個々のマイクロフィルタの開口径は２００μｍ以上である。マイクロフィルタは、サブビームがマイクロフィルタ開口中心を通過し、サブビームのマスキングが発生しないように位置合わせされる。また、マイクロフィルタの開口を大きくすることにより、サブビームをレーザフライス加工時に必要とされる開口の内側で移動させることができる。
【００４４】
図３に示すように、本参考形態に係るレーザ孔あけ装置のサブアセンブリ（以下、単にサブアセンブリと称する）１１００には、レーザビーム１１０７、走査ミラー１１３０、回折光学素子（ＤＯＥ）１１３５、複数のサブビーム１１３７、走査レンズ１１４０、マイクロフィルタ１１４５、像伝達レンズ１１５０及び加工物１１５５が図示のように配置されている。本参考形態では、ピコ秒レーザ装置を使用してビーム１１０７を生成するが、本参考形態は、エキシマレーザ装置、ＣＯ２レーザ装置、銅蒸気レーザ装置等、他のレーザ装置に対して汎用されてもよい。以下に、サブアセンブリ１１００の動作について簡単に説明する。別の参考形態では、サブアセンブリ１１００の構成要素の変更が必要になることがある。
【００４５】
動作時には、ビーム１１０７が、レーザ源（図示せず）から放出され、図３に示す光路に沿って伝搬して、走査ミラー１１３０に入射する。走査ミラー１１３０は、加工物１１５５に孔を形成するフライス加工アルゴリズム（図示せず）を用いて所定のパターンで動く。走査ミラー１１３０が光路に沿ってビーム１１０７の向きを変えることにより、ビーム１１０７がＤＯＥ１１３５に入射する。
【００４６】
ＤＯＥ１１３５は、ビーム１１０７を複数のサブビーム１１３７に分割して、加工物１１５５に並行に孔を形成できるようにする。サブビーム１１３７は、ＤＯＥ１１３５を出て、光路に沿って伝搬し、走査レンズ１１４０に入射する。走査レンズ１１４０は、加工物１１５５上でのサブビーム１１３７のスポット径を決定する。サブビーム１１３７は、走査レンズ１１４０を出て、光路に沿って伝搬し、マイクロフィルタ１１４５に入射する。マイクロフィルタ１１４５は、各サブビーム１１３７の強度を互いに等しくする。サブビーム１１３７は、マイクロフィルタ１１４５を出て、光路に沿って伝搬し、像伝達レンズ１１５０に入射する。像伝達レンズ１１５０は、サブビーム１１３７の焦点を加工物１１５５上に再結像する。サブビーム１１３７は、所定のフライス加工アルゴリズムに従うパターンで加工物１１５５をアブレーション加工する。
【００４７】
多くの適用例において、理想的な状況下では、サブビーム１１３７によって同一の幾何形状を有する複数の孔が並行に形成されるはずであるが、実際には、幾何形状の仕様は、平均値及び統計上の標準偏差の形で、及び／又は孔の幾何形状がその範囲内に入ることを要求される値の絶対域の形で与えられる。一例では、ＤＯＥ１１３５は、４００個の孔を並行に形成するために４００本のサブビームを生成するが、それらの孔は、平均径が２０μｍ、標準偏差σが０．５μｍ以下、径の絶対域が１８．５μｍから２１．５μｍでなければならない。これらの仕様は、サブビーム１１３７の強度一様性に対する要件となる。
【００４８】
マイクロフィルタ１１４５は、ＤＯＥ１１３５のビーム強度パターンに従って設計された複数の部分反射フィルタからなる特定のパターン形状のアレイである。マイクロフィルタ１１４５は、走査レンズ１１４０の焦点近傍に位置しており、このマイクロフィルタにおいて、各単ビームが分離した状態で各フィルタを透過することができる。
【００４９】
ＤＯＥ１１３５から放出された直後のサブビーム１１３７は、均一な孔を形成するには許容できないほど不均一である。従って、マイクロフィルタ１１４５は、このサブビームの均一性の欠如を補償してサブビームの均質性を向上させ、均一で再現性のある孔を顧客仕様に合わせて形成できるようにする必要がある。
【００５０】
図４に示すように、サブビーム１１３７は、マイクロフィルタ１１４５を透過し、焦点面１２１０に達する。また、図４は、本参考形態の様々な点でのサブビーム１１３７のサイズのサンプルを示している。この例に示すように、サブビーム１１３７の径は、通常、マイクロフィルタ１１４５上の入射点で２０〜５０μｍである。サブビーム１１３７がマイクロフィルタ１１４５を通過すると、図４の範囲を出て光路に沿って像伝達レンズ１１５０まで伝搬する前に、焦点面１２１０に近づくにつれて約１０μｍの径になるまでその径を次第に減少させる。
【００５１】
図５に示すように、マイクロフィルタを使ってレーザ孔あけ装置の光強度分布を制御する方法１３００は、複数のステップを備えている。ステップ１３１０では、操作者、技術者又は自動化された装置がマイクロフィルタ１１４５の設計を行う。マイクロフィルタ１１４５を設計する具体的な方法は、図６に基づいて方法１４００として後述する。ステップ１３２０では、製作者が、従来の方法によってマイクロフィルタ１１４５を製作する。ステップ１３１０で作成された設計により、適正な開口とコーティング膜を有するマイクロフィルタを製作する際に製作者の案内となる仕様が提供される。
【００５２】
ステップ１３３０では、操作者、技術者又は自動化された装置が、従来の位置合わせ技術を使ってサブアセンブリ１１００に対してマイクロフィルタ１１４５を位置合わせする。マイクロフィルタ１１４５は、走査レンズ１１４０の焦点面の近傍に配置されるが、（１）サブビーム１１３７が互いに分離してマイクロフィルタ１１４５が適正に動作するように、しかし、（２）サブビーム１１３７のスポット径がマイクロフィルタ１１４５に損傷を与えないだけの十分な大きさであるように、走査レンズ１１４０の焦点面から十分に遠ざけられる。ＤＯＥ１１３５は、ビーム１１０７を複数のサブビーム１１３７に放射状に分割する。サブビーム１１３７はＤＯＥ１１３５を出た後に重なり合うので、マイクロフィルタ１１４５をそこに配置することはできない。しかしながら、走査レンズ１１４０の焦点面１２１０の近傍では、サブビーム１１３７が重なり合うことはないので、そこにマイクロフィルタ１１４５を配置する。マイクロフィルタ１１４５を焦点面１２１０に配置すれば、光強度によってマイクロフィルタ１１４５が損傷する虞れがある。従って、図４に示すように、マイクロフィルタ１１４５は、その損傷を避けるため、サブビーム１１３７の径がより大きく、光強度がより低い焦点面から離れた位置に配置される。レーザビームの強度はビーム径の二乗に反比例する。一例をあげると、焦点面でのサブビーム１１３７の径が１０μｍのとき、マイクロフィルタ１１４５は、サブビーム１１３７の径が５０μｍの位置に配置される。この例の場合、ビーム１１３７の強度は、焦点面では、マイクロフィルタ１１４５の位置の２５倍である。マイクロフィルタ１１４５を焦点面から遠ざけて配置することは、焦点面１２１０の増幅されたサブビーム１１３７の強度によるマイクロフィルタ１１４５の損傷を抑制するために重要である。
【００５３】
本参考形態では、マイクロフィルタ１１４５を通過するビームパターン全体を結像させることによって、位置合せが実行される。マイクロフィルタ１１４５は、その個々の開口では部分透過性である。マイクロフィルタ１１４５の残りの部分は不透明である（例えば、高反射性誘電体薄膜或いは金属膜でコーティングされている）。従って、マイクロフィルタ１１４５が正確に位置合わせされていないと、マイクロフィルタ１１４５により、サブビーム１１３７が像伝達レンズ１１５０に全く現れないか、或いは一部しか現れない。一例をあげると、像伝達レンズ１１５０は大面積ＣＣＤカメラである。その場合、レーザ装置１１００の操作者は、全てのサブビーム１１３７が像伝達レンズ１１５０上に現れるまで、回転も含め、３つの長さ寸法Ｘ、Ｙ、Ｚの全てにおいてマイクロフィルタ１１４５を移動させる。マイクロフィルタ１１４５は、サブビーム１１３７全てが像伝達レンズ１１５０に入射する場合にのみ、正確に位置合わせされる。
【００５４】
ステップ１３４０では、サブビームの強度分布が計測される。その計測は、形成される孔を確実に仕様に合致させるために、マイクロフィルタ１１４５を通過した後のサブビーム１１３７の光強度を計測するか、或いは、形成された孔を計測することによって行うことができる。サブビームの強度分布が十分に一様であれば、方法１３００は終了する。そうでなければ、ステップ１３１０に進んで方法１３００を繰り返す。
【００５５】
図６に示すように、マイクロフィルタを設計する方法１４００は複数のステップを備えている。ステップ１４１０では、操作者、技術者又は自動化された装置が、ビームスプリッタ（ＤＯＥ１１３５等）を出射した時点のサブビーム１１３７の強度分布を実験データ或いは理論データに基づいて求める。強度は、サブアセンブリ１１００で経験的に計測するか、或いは、サブビーム１１３７を作成するビームスプリッタの設計仕様に基づいて理論的に算出することができる。本参考形態において使用されるビームスプリッタのタイプはＤＯＥ１１３５である。しかしながら、本参考形態は、サブアセンブリ１１００で複数のビームからなる集まりを形成できる要素であればどの要素とでも使用して汎用させることができる。ステップ１４２０では、操作者、技術者又は自動化された装置が、以下に示す数式Ａを使用して、ステップ１４１０で言及した強度分布全体の透過値（Ｔｎ）を算出する。
【００５６】
Ｔｎ＝Ｉｍｉｎ／Ｉｎ                        …（Ａ）
数式Ａにおいて、Ｉｎはサブビームｎの光強度、Ｉｍｉｎは最も弱いビーム強度である。この手法の結果、１．０以下の透過値（分布上で最も弱いビームがＩｍｉｎ＝１のとき）が得られる。
【００５７】
ステップ１４３０では、操作者又は技術者が、マイクロフィルタ１１４５の設計に使用される不連続の透過値の数を予め決定する。このステップは、マイクロフィルタ製作コストを低減させるために重要である。入射ビームをＮ個の目的のサブビームに分割するＤＯＥの場合、数式Ａは、Ｎ個のそれぞれ異なる透過値Ｔｎを理論的に与えることができる。Ｎが大きければ、数式Ａに従ってマイクロフィルタ１１４５を作成しようとすることは非実用的になる。ビニングは、透過値の数を取扱い可能なレベルまで減らすやり方となる。
【００５８】
それほど複雑ではないアレイ（例えば４ｘ３８個）の場合、透過値は容易に求めることができる。一例では、４ｘ３８アレイの１５２本のビームを生成するＤＯＥ１１３５の場合（図７参照）、１５２本のサブビームの正規化強度分布は、０．９７９から１．０２１まで変動する（平均強度は１．０である）。操作者は、１．０（減衰量０％）及び０．９８（減衰量２％）の２つの透過値を使用してビーム強度分布を一様化する。８ｘ３８個のより複雑なアレイの場合、理論的計算又はコンピュータシミュレーションを利用して最適のマイクロフィルタ設計にとって適切な透過値と透過レベル数を求める。本参考形態は、特定のレベル数や透過値に限定されるものではない。
【００５９】
透過レベル数と透過値を求めた後、操作者、技術者又は自動化された装置は、ステップ１４１０で求めた各個別ビームの強度を様々な「ビン」すなわち不連続の透過値に分類することができる。ステップ１４４０では、操作者又は技術者が、ステップ１４３０で上述したビーム強度のビニングに基づいてアレイの配置を設計する。
【００６０】
図７に示すように、マイクロフィルタ１１４５の４ｘ３８アレイ１５００は、基板１５３０上に製作された部分透過フィルタ（１）１５１０と部分透過フィルタ（２）１５２０を備えている。部分透過フィルタ１５１０及び１５２０は、そのそれぞれの透過値に応じて（１）又は（２）で識別される。この例では、操作者又は技術者は、マイクロフィルタアレイ１５００内で識別された（１）及び（２）に対応する２つの透過値を選択している。この例では、マイクロフィルタアレイが上述の４ｘ３８アレイＤＯＥ１１３５と共に使用されるよう設計される場合、（１）は１．０の透過値を有し、（２）は０．９８の透過値を有する。操作者又は技術者は、ステップ１４３０で実行されたビニングを記録し、製作者に仕様を提供する。一例をあげると、その記録は、ＣＡＤファイル等の電子ファイルである。しかしながら、製図等の他の文書化処理が利用されてもよい。
【００６１】
本参考形態では、基板１５３０は、光学ガラス等、エネルギーを殆ど或いは全く損失させることなく光を透過させるあらゆる透明材料である。光学コーティング膜を基板の片面又は両面に施してマイクロフィルタ１１４５の機能性を向上させてもよい。一例では、高反射性誘電体コーティング薄膜（ＨＲコーティング）が、マイクロフィルタアレイの製作面側に施される。これは、上述のステップ１３３０の位置合わせ作業を容易にするためである。別の参考形態では、ＨＲコーティングの代わりに、不透明の金属コーティング薄膜が施される。基板の他方の面には、反射防止誘電体コーティング薄膜を施して、空気−ガラス界面での反射（フレネル反射）による光の損失を低減させてもよい。
【００６２】
本参考形態では、マイクロフィルタアレイ１５００は、ＤＯＥ１１３５のビーム強度パターンに合致するよう設計され、サブビーム１１３７の強度を一様にすることにより、レーザフライス加工実行時に加工物１１５５に形成される孔の幾何形状をより一貫性の高いものにする。本参考形態は、いかなる特定数のアレイ構成にも限定されない。
【００６３】
図８に示すように、別の参考形態では、マイクロフィルタ８ｘ３８アレイ１６００が、部分透過フィルタ１６１０と、細部領域１６２０を備えている。一例として、部分透過フィルタ１６１０は、０．７９と１．０の間で５個の不連続の透過値を有している。特定の透過フィルタ１６１０の透過値は、ステップ１４３０で操作者又は技術者によって割り当てられる。
【００６４】
図９に示すように、細部領域１６２０は、形状及び機能が等しい第１のフィルタ１７１０、第２のフィルタ１７２０及び第３のフィルタ１７３０を備えている。この例では、第１のフィルタ１７１０と第２のフィルタ１７２０との間の配置間隔は３３８μｍであるが、この間隔は、５０μｍ〜５０００μｍであってもよい。図示の第３のフィルタ１７３０は、通常、直径２５０μｍであるが、使用されるアレイパターンの型に応じて１０００μｍの広径であっても５０μｍの狭径であってもよい。フィルタサイズは、マイクロフィルタが重なり合わないように、サブビーム１１３７の中心間距離よりも小さくなければならない。また、フィルタサイズは、サブビームが個々のフィルタの端縁に接触することのないようにレーザフライス加工のツールパスを見込んで十分大きくなければならない。
【００６５】
さらに、本参考形態は、レーザ孔あけ装置のＰＺＴアクチュエータ付き走査ミラー（以下、ＰＺＴ走査ミラーと称する）の動作に固有の２つの現象を補正する方法を包含している。補正が必要な第１の問題は、ＰＺＴ走査ミラーの動きにより生じる、レーザビームの反射による幾何形状効果を補正する方向調整が必要なことである。補正が必要な第２の問題は、ＰＺＴ走査ミラーが示すヒステリシス効果である。本参考形態は、一次近似を利用してこれらの効果に対する補正係数（補正測度）を算出することにより、より単純な、従って、より高速の解を実行可能にして問題を解決する。
【００６６】
図１０に示すように、本発明の実施形態に係るピコ秒レーザ孔あけ装置２１００には、ピコ秒レーザ２１０５、ビーム２１０７、第１のミラー２１０８、シャッタ２１１０、減衰器２１１５、第２のミラー２１１７、ビーム拡大器２１２０、第３のミラー２１２１、第４のミラー２１２２、回転式半波長板２１２５、ＰＺＴ走査ミラー２１３０、制御及び入力手段２１３１、回折光学素子（ＤＯＥ）２１３５、複数のサブビーム２１３７、走査レンズ２１４０、マイクロフィルタ２１４５、像伝達レンズ２１５０及び加工物２１５５が図示のように配置されている。
【００６７】
本発明は、ＰＺＴ走査ミラー２１３０を備えたピコ秒レーザ孔あけ装置２１００を使って図示されている。別の実施形態では、ＰＺＴ走査ミラー２１３０を備えた本発明の構成が、他のレーザ微細加工装置と共に使用される。
【００６８】
ＰＺＴ走査ミラー２１３０は、加工物２１５５のフライス加工を制御するレーザフライス加工アルゴリズム（図示せず）を実行するために使用される市販の製品である。本実施形態では、高解像度小走査範囲のＰＺＴアクチュエータ付きチップチルト走査ミラー２１３０が、フライス加工される孔の幾何形状に応じて走査レンズ２１４０と調整して選択される。一例を挙げると、ＰＺＴ走査ミラー２１３０は、ピエゾシステムジェナ(Piezosystem Jena)社製の圧電傾斜装置ＰＳＨシリーズである。ここでは、ＰＺＴ走査ミラー２１３０とその動作を最適化して精密レーザ孔あけを行う方法に着目する。ピコ秒レーザ孔あけ装置２１００の構成要素と動作について、以下に簡単に説明する。
【００６９】
動作時には、図１０に示す光路に沿って、ピコ秒レーザ２１０５がビーム２１０７を放出する。ビーム２１０７は、光路に沿って伝搬し、第１のミラー２１０８に入射する。第１のミラー２１０８は、光路に沿ってビーム２１０７の向きを変更し、ビーム２１０７は、シャッタ２１１０に入射する。シャッタ２１１０は、加工物材料を選択的に照射するように開閉する。ビーム２１０７は、シャッタ２１１０を出て、光路に沿い減衰器２１１５まで伝搬する。減衰器２１１５は、アブレーション加工パラメータを精密に制御するために、ピコ秒レーザ２１０５のエネルギーを濾過する。ビーム２１０７は、減衰器２１１５を出て、光路に沿って伝搬し、第２のミラー２１１７に入射する。第２のミラー２１１７は、光路に沿ってビーム２１０７の向きを変更し、ビーム２１０７は、ビーム拡大器２１２０に入射する。
【００７０】
ビーム拡大器２１２０は、２つの目的に供するため、ビーム２１０７の径を拡大する。第１に、ビーム拡大器２１２０は、ＤＯＥ２１３５をビームスプリッタとして正確に機能させるためにビーム径を拡大する。ＤＯＥ２１３５が正確に機能するためには、ＤＯＥ２１３５に入射するビームの径は、ＤＯＥ２１３５の複数の周期に対応できるだけの大きさである必要がある。第２に、ビーム拡大器２１２０は、走査レンズの瞳径と合致させるためにビーム径を拡大する。ビーム２１０７は、ビーム拡大器２１２０を出て、光路に沿って伝搬し、第３のミラー２１２１に入射する。第３のミラー２１２１は、光路に沿ってビーム２１０７の向きを変え、ビーム２１０７は、第４のミラー２１２２に入射する。第４のミラー２１２２は、光路に沿ってビーム２１０７の向きを変え、ビーム２１０７は、回転式半波長板２１２５に入射する。回転式半波長板２１２５は、ビーム２１０７の偏光状態を変える。回転式半波長板２１２５を出ると、ビーム２１０７は、光路に沿って伝搬し、ＰＺＴ走査ミラー２１３０に入射する。ＰＺＴ走査ミラー２１３０は、制御及び入力手段２１３１に格納されている、加工物２１５５に孔を形成するフライス加工アルゴリズム（図示せず）を使って所定のパターンで動く。制御及び入力手段２１３１は、フライス加工アルゴリズムを実行するソフトウェア機能を備えたコンピュータ等、ＰＺＴ走査ミラー２１３０の動きを誘導する装置である。ＰＺＴ走査ミラー２１３０は、光路に沿ってビーム２１０７の向きを変更し、ビーム２１０７は、ＤＯＥ２１３５に入射する。
【００７１】
ＤＯＥ２１３５は、ビーム２１０７を複数のサブビーム２１３７に分割して、加工物２１５５に並行に孔を形成できるようにする。サブビーム２１３７は、ＤＯＥ２１３５を出て、光路に沿って伝搬し、走査レンズ２１４０に入射する。走査レンズ２１４０は、加工物２１５５上でのサブビーム２１３７のスポット径を決定する。サブビーム２１３７は、走査レンズ２１４０を出て、光路に沿って伝搬し、マイクロフィルタ２１４５に入射する。マイクロフィルタ２１４５は、サブビーム２１３７の強度を一様にする。サブビーム２１３７は、マイクロフィルタ２１４５を出て、光路に沿って伝搬し、像伝達レンズ２１５０に入射する。像伝達レンズ２１５０は、サブビーム２１３７の焦点を加工物２１５５上に再結像する。サブビーム２１３７は、所定のフライス加工アルゴリズムに従うパターンで加工物２１５５をアブレーション加工する。
【００７２】
ＰＺＴ走査ミラー２１３０を操作する方法の第１の形態は、レーザビーム２１０７がＰＺＴ走査ミラー２１３０に入射し、そこから反射する際に発生する反射幾何形状効果を補正する方法を含んでいる。ＰＺＴ走査ミラー２１３０がＸ−Ｙ平面上で傾斜すると、レーザビーム２１０７の対応する成分が、入射レーザビーム２１０７の幾何形状とＰＺＴ走査ミラー２１３０の既知の偏角に基づいて算出される。これらのデータを利用することにより、対応する制御電圧用の反射補正係数（反射補正測度）が算出される。
【００７３】
図１１に示すように、レーザビーム反射の図解２２００は、入射ビーム２２１０、ＰＺＴ走査ミラーの元の面２２２０、反射ビーム２２３０、ＰＺＴ走査ミラーの新しい面２２４０、及び新しい反射ビーム２２５０からなっている。レーザビーム反射の図解２２００は、ＰＺＴ走査ミラー２１３０の動作時にその平面が変化したとき、レーザビーム２１０７の反射も変化することを示している。入射ビーム２２１０は、ＰＺＴ走査ミラーの元の面２２２０上ではＰＺＴ走査ミラー２１３０に当たっている。その結果として、反射ビーム２２３０が発生する。しかしながら、ＰＺＴ走査ミラー２１３０が傾斜して新しい面２２４０になると、新しい反射ビーム２２５０が発生する。反射ビーム２２３０のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標成分は、ＰＺＴ走査ミラー２１３０が同じ角度に傾斜する場合でさえ変化の仕方が異なるので、ＰＺＴ走査ミラー２１３０の電圧制御用の補正係数が必要となる。
【００７４】
図１２に、反射幾何形状効果とその補正の一例を示す。下側の一連の形状は、反射幾何形状効果に対する補正がなされていない場合のレーザの「推定」円形光路を示し、上側の一連の形状は、反射幾何形状効果が補正された後のものであり、円がはるかに丸くなっている。しかしながら、孔は未だ完全には丸くなっておらず、目的の孔の幾何形状に合致するようにより丸い孔を形成するためには、未だ残っている幾つかのヒステリシスの問題が補正される必要がある。ヒステリシス問題は、図１５に基づいて後述するＰＺＴ走査ミラーの操作方法の第２の形態において取り扱う。
【００７５】
図１３に示すように、ＰＺＴ走査ミラーの反射幾何形状効果を補正する方法２４００は、複数のステップを備えている。ステップ２４１０では、操作者が、制御及び入力手段２１３１を使用して、装置設計に従って入射ビーム２２１０とＰＺＴ走査ミラーの元の面２２２０との間の目的の「ゼロ点」入射角を求める。入射角は、三角形を形成する３つの隣接する光学部品上の衝突点の間で空間分離を行うことによって確認される。別の態様では、角度表示を有する水平回転架台にＰＺＴミラー２１３０を載架することである。架台は、垂直入射角から角度指標が不確実な部分より内側のあらゆる目的の角度まで回転させることができる。一例では、その回転軸は、ＰＺＴ走査ミラー２１３０の反射面上に設定される。別の例では、当初は、Ｘ軸角度が４５度、Ｙ軸角度が０度であるが、別の実施形態では、入射角は１０度〜８０度である。
【００７６】
ステップ２４２０では、操作者又は制御系が入射ビーム２２１０とＰＺＴ走査ミラーの元の面２２２０との角度、ＰＺＴ走査ミラーの元の面２２２０とＰＺＴ走査ミラーの新しい面２２４０との角度及びベクトル幾何の情報を使用して、ＰＺＴ走査ミラー２１３０を制御するための電圧に適正な補正係数（反射補正測度）を求める。
【００７７】
一例を挙げると、ＰＺＴ走査ミラー２１３０は、ピエゾシステムジェナ社製の圧電傾斜装置ＰＳＨシリーズである。この型は、チップチルト走査モード動作を可能にする３個のそれぞれ独立したｘ軸、ｙ軸及びｚ軸ＰＺＴアクチュエータ（図示せず）を備えており、ティルティング角（前後傾き角）の範囲は２ミリラジアンである。本実施形態では、操作者が、制御及び入力手段２１３１を使用して、Ｚ軸アクチュエータを固定した状態でｘ軸及びＹ軸アクチュエータに電圧をかける。別の実施形態では、ＰＺＴ走査ミラー２１３０は、１個、２個或いは３個全てのアクチュエータを使用して動作する。本発明は、ティルティング角の範囲を２ミリラジアンに限定するものではないが、より大きなティルティング角を得るためには、より厚くてより高価なＰＺＴ走査ミラー２１３０が必要である。或いは、この補正技術を、検流計等の他の駆動機構を有する２次元走査ミラーに適用することも可能である。
【００７８】
入射ビーム２２１０、ミラーの法線及び反射ビーム２２３０の単位ベクトルは、反射の原理に従い、かつ、図１１に基づいて、以下のベクトル方程式（１）及び（２）を満たす。
【００７９】
Ｒ＝Ｉ−２（Ｉ・ｘ）ｘ                      …（１）
Ｒ’＝Ｉ−２（Ｉ・ｘ’）ｘ’                …（２）
方程式（１）及び（２）において、ｘ及びｘ’はそれぞれＰＺＴ走査ミラーの元の面２２２０の垂直単位ベクトルと、ＰＺＴ走査ミラーの新しい面２２４０の垂直単位ベクトルであり、Ｉは入射ビーム２２１０の単位ベクトルである。図１１に示すような、ミラーがｚ軸を中心にティルティング（前後に傾斜）及び回転する場合についてのみ説明する。ｙ軸中心のティッピング（左右傾斜）及び回転は、反射の法則の直接の結論としてよく知られているため、本明細書では取り扱わないことにする。
【００８０】
新しい反射ビーム２２５０の射影を求めるため、スカラー積を利用する。元の反射ビーム２２３０と新しい反射ビーム２２５０との角度は、以下のスカラー積の方程式（３）を使って求めることができる。
【００８１】
Cos(ΔΨy)＝R・R'＝1-2(I・x)2-2(I・x')2+4(I・x)(I・x')(x・x')…（３）
操作者は、制御及び入力手段２１３１を使用して、以下の方程式を使って上記スカラー積を算出する。
【００８２】
x・x'＝cos(Δθx)
I・x＝cos(α)
I・x'＝I・x cos(Δθx)＝cos(Δθx)cos(α)
これら３つの方程式において、α及びΔθはそれぞれ入射ビーム２２１０の入射角と（ＰＺＴ走査ミラーの元の面２２２０とＰＺＴ走査ミラーの新しい面２２４０との間の）ミラーのティルティング角を表す。
【００８３】
上記３つのスカラー積とΔθ及びαの角度を使って方程式（３）を表現することにより、方程式を以下の（４）の形に単純化することができる。
【００８４】
cos(ΔΨy)＝1+2cos2(α)[cos2(Δθx)-1]      …（４）
ティルティング角が十分に小さければ、すなわち、Δθx<<１であれば、以下の一次近似が使用される。
【００８５】
ΔΨy＝2cos(α)Δθx+Ο(Δθx)3             …（５）
残差が０．０１％程度であると推定すると（Δθが１０ミリラジアンより小さければ）、方程式を以下の（６）の形までさらに単純化することで足りる。
【００８６】
ΔΨy＝2cos(α)Δθx                        …（６）
元々、入射ビームがＰＺＴミラーに垂直であれば、αはゼロであり、従って、
ΔΨy(α=0)＝2Δθx                         …（７）
この特殊な場合も、反射の法則から直接推論することができる。反射の法則、すなわち、方程式（７）は、反射ミラーがｙ軸回りに傾斜する場合の一般解である。
【００８７】
ΔΨx＝2Δθy                               …（８）
ＰＺＴミラーをティッピング及びティルティングさせるより一般的な状況では、反射の応答はＹ軸方向では方程式（６）に従うが、Ｘ軸方向では方程式（８）に従う。本発明は、方程式（６）と方程式（８）との間の差を補償する。
【００８８】
ΔΨx＝ΔΨy＝ΔΨという目的の反射角変化を実現するため、方程式（６）及び（８）に示す量を変化させることによってミラーをティッピング及びティルティングさせることが必要になる。あるティルティング角αにおいて、反射補正係数はcos(α)である。すなわち、
Δθy／Δθx＝cos(α)                       …（９）
ステップ２４３０では、操作者が、制御及び入力手段２１３１を使用してcos(α)を算出し、反射補正係数をツールパスアルゴリズム（図示せず）を制御するソフトウェアプログラムに組み込む。一例をあげると、ティルティング角αが４５度±１０ミリラジアンの場合には、定係数１／√２を使用してツールパス上のＰＺＴミラーのティッピング角（左右傾き角）Δθyを乗算することにより、幾何補正を行う。ステップ２４４０では、操作者が、制御及び入力手段２１３１を使用して、ピコ秒レーザ孔あけ装置２１００を制御するツールパスアルゴリズム（図示せず）を実行するとともに、ステップ２４２０で求めた補正係数を使用して加工物２１５５に指定の幾何形状の孔を形成する。一例では、ＰＺＴ走査ミラー２１３０は、共振周波数が複数ｋＨｚ範囲にあるとき、より高速な走査速度用の開ループモードで動作する。別の実施形態では、ＰＺＴ走査ミラー２１３０は、閉ループモードで動作するが、これらの装置は、Ｈｚ以下の周波数範囲で動作する場合には、応答がかなり遅くなる。
【００８９】
方法２４００は、一次近似を利用してその後の命令に従って上記の効果に対する反射補正係数を算出する。これにより、より単純で高速な解を実行して問題を解決することができる。より高次の補正は、補正係数全体の結果に大きくは影響を及ぼさないので、必要ではない。係数が算出されるとさらに計算は必要ではないので、一次近似がより高速で的確な解である。
【００９０】
ＰＺＴ走査ミラー２１３０を操作する方法の第２の形態は、ＰＺＴ走査ミラー２１３０に固有のヒステリシスを補正する方法である。ヒステリシス補正係数（ヒステリシス補正測度）は、電圧の経験的計測値及び装置の性能に基づいて算出される。座標値は、フライス加工アルゴリズムを制御する制御及び入力手段２１３１を介してＰＺＴ走査ミラー２１３０に伝達される前に、ヒステリシス補正係数で乗算される。
【００９１】
ヒステリシスは、外部からの影響に対する実際の装置の応答がその影響の現在の大きさのみならず装置内部での以前の動きの履歴によっても左右される現象である。ＰＺＴ走査ミラーは、その動きの動力源である電圧の変化に対してヒステリシスを示す。本発明では、加工物２１５５に所望の孔を形成するのに必要なＰＺＴ走査ミラー２１３０の移動量を求める計算を行う際に、ヒステリシスは明らかになる。ヒステリシスを補正しなければ、指定の孔の幾何形状に合致するように繰返し孔あけを行うことは不可能である。
【００９２】
図１４（ａ）及び１４（ｂ）に、ヒステリシス効果とその補正の一例を示す。図１４（ａ）は、ヒステリシス効果によって目的の円形幾何形状が歪められたことを明示している。ヒステリシス効果が補正された後は、図１４（ｂ）に示すように、欠陥を略完全に消去することができる。
【００９３】
図１５に示すように、ヒステリシス曲線２６００は、ＰＺＴ走査ミラー２１３０を制御する駆動電圧が電圧値の増減と共に変化する様子、さらには、履歴に依存する様子を示している。低駆動電圧の装置を使用することにより、ヒステリシス効果が抑制され、補正が全く不要な程度まで小さくなる。しかしながら、ＰＺＴ走査ミラー２１３０に必要な駆動電圧が大きくなると、ヒステリシス効果がより大きくなり、解消するのがより面倒になる。図１５は、ヒステリシス効果が電圧値Ｖの変動と共に変化することを示している。以下の因子がヒステリシス効果を補正できると考えられる。駆動電圧Ｖがヒステリシス曲線上の別々の方向からＶｏに接近するとき、偏角Θｌ及びΘｓは同じ駆動電圧に対して異なる値となる。言い換えると、電圧応答はたった１つではない。さらに、ヒステリシス曲線の最大駆動電圧ＶＭが大きくなるにつれて（図示せず）、ΘｌとΘｓとの間の開きが単調に増加する。ＰＺＴ走査ミラー２１３０が到達した以前の最大駆動電圧ＶＭがヒステリシス曲線を決めると、現在のループが追従する。ＶＭが変化すると、異なる経路（ヒステリシス曲線）が与えられる。最終的に、Θｌ（Ｖ）とΘｓ（Ｖ）は非線形である。
【００９４】
一旦ヒステリシス効果に寄与する因子がわかると、修正を適用することができる。孔あけ作業間で高い一貫性を実現するためには、全ての機械加工の前に同じＶＭ履歴が作成される必要がある。ΘｌとΘｓとの間の開きを補償するため、操作者は、積層ＰＺＴを制御された非線形のやり方でオーバードライブする。ヒステリシス補正係数は経験的に求めることができる。
【００９５】
図１６に示すように、ピコ秒レーザ孔あけ装置２１００のＰＺＴ走査ミラー２１３０の操作に固有のヒステリシスを補正する方法２７００は、複数のステップを備えている。ステップ２７１０では、操作者が、制御及び入力手段２１３１を使用してＰＺＴ走査ミラー２１３０に装置内の電圧履歴を作成させる。電圧は図１５に示すヒステリシス曲線の起点（Ｖｘ及びＶｙ＝Ｖｏ）から出発し、その後、操作者が制御及び入力手段２１３１を使用して電圧を増減させることにより、ＰＺＴ走査ミラー２１３０の電圧と応答の既知の履歴が作成される。このステップの間に、孔あけ作業期間中の最大電圧と最小電圧が少なくとも１回達成されることが重要である。電圧履歴は、１回でも略条件を満たしているが、１回以上繰り返すことが望ましい。このステップは、孔あけ工程の時間を多少増加させることになるが、電圧履歴を孔あけ作業毎に一貫性あるものにして、次の補正係数が適正に作用するように装置の応答を確実に成立させ既知にすることが重要である。
【００９６】
ステップ２７１０で動きが実行されると、ステップ２７２０で、制御系がＰＺＴ走査ミラー２１３０の電圧応答Θｌ（Ｖ）及びΘｓ（Ｖ）を経験的に計測し記録する。この情報は、操作者或いは制御系によって使用され、ＰＺＴ走査ミラー２１３０のヒステリシス曲線が作成される。ＰＺＴ走査ミラー２１３０のヒステリシス曲線を成立させる目的は、各孔あけ作業及び孔あけ作業の全てに同一のヒステリシス補正係数を算出することである。ステップ２７３０では、操作者が、制御及び入力手段２１３１を使用して、ステップ２７２０で記録された電圧応答Θｌ（Ｖ）及びΘｓ（Ｖ）に基づいてヒステリシス補正係数を算出する。理論上は、Θｌ（Ｖ）及びΘｓ（Ｖ）が計測されると、その逆関数Ｖｌ（Θｌ）及びＶｓ（Θｓ）がまさにその電圧となって目的の偏角が求められる。実際には、Θｌ（Ｖ）及びΘｓ（Ｖ）は数個の不連続の電圧でしか計測されない。その結果、その逆関数Ｖｌ（Θｌ）及びＶｓ（Θｓ）も数個の不連続の偏角についてしかわからない。直接計測することなくヒステリシス曲線を完成させるために、隣接する角度間の一次補間を利用する。演算をさらに簡単にするため、必要な補正係数による経験的近似が展開される。目的のΔＶＭについて、中心電圧Ｖｏの高電圧側の偏角と低電圧側の偏角との比をステップ２７２０の計測値に基づいて算出する。
【００９７】
最初の補正係数は、偏角比の差分平方根をとることによって算出することができる。明らかに、
【００９８】
【数１】
0004284057.tif 000002
【００９９】
この係数ｆを使用して、駆動電圧に対する単純な乗算と線形スケーリングにより偏角間の不均衡を抑制する。単位電圧変化あたりの偏角の変化は高電圧側のほうが常に小さいので、ｆは１未満の大きさの正の値である。目的の近似は、２つの境界条件と１つのガイドラインを満たす必要がある（ΔＶＭは、最大電圧であるＶＭの変化量である）。
【０１００】
Ｖ→±ΔＶＭの極限では、近似により、図１５に示す低電圧側と高電圧側の不均衡が完全に補正される。他方、Ｖ→０の極限では、補正は存在しない。｜Ｖ｜が大きいほど、補正の大きさはゼロから単調増加する。一次、すなわち線形の手法はこれらの要件を満たすように設計される。実際の駆動電圧Ｖｓ及びＶｌは、未補正の、すなわち元の電圧であるＶを用いて以下の方程式で表現することができる。
【０１０１】
【数２】
0004284057.tif 000003
【０１０２】
【数３】
0004284057.tif 000004
【０１０３】
方程式１０で定義される補正係数は一部の適用例には十分であるが、追加的に反復演算することにより、さらにヒステリシスを補正する改良ｆ係数を規定することができる。「追加的に反復演算すること」の意味は、方程式１０で定義されたヒステリシス補正を実行し、孔あけ結果を検討し、孔あけ結果がそれ程よくはない場合に、すなわち、未だ残留ヒステリシスが存在する場合に、再度概略化されたヒステリシス補正を行うことである。
【０１０４】
これらの係数は、ＰＺＴ走査ミラー２１３０の動きを誘導する際にヒステリシス効果を補正するために適用される。ＰＺＴ走査ミラー２１３０内では、Ｖｘ及びＶｙの範囲は、Ｖｏ＝４０ボルトの場合、通常１０〜７０ボルトであり、ｆ係数は通常０．０２〜０．１５であるが、これらの値は、ＰＺＴ走査ミラー２１３０が示すヒステリシスの重大度に大きく依存している。
【０１０５】
別の実施形態では、過去の離散ヒステリシス座標を記憶したルックアップ表を使用する。前の実施形態と同様に、隣接する角度間の一次補間を使用して、直接計測することなくヒステリシス曲線を完成させる。しかしながら、ルックアップ表を使用してヒステリシスを解くのに必要なコンピュータコードは、前の実施形態よりも複雑で実行時間が遅い。従って、この別の実施形態は、ヒステリシス効果が重大であるときやヒステリシス補正要件がより厳しくなる場合に使用することができる。
【０１０６】
ステップ２７４０では、操作者が、制御及び入力手段２１３１を使用して、ヒステリシス補正係数を、ツールパスアルゴリズム（図示せず）によってフライス加工作業を誘導するソフトウェアプログラムに組み込む。円形の孔が必要な例では、ＰＺＴ走査ミラー２１３０に円形座標を付与するのではなく、駆動電圧が１０〜７０Ｖの場合、完全ヒステリシス補正係数はＸ軸方向で８％、Ｙ軸方向で１２％である。Ｘ軸方向の補正係数のほうが低い理由は、反射幾何形状を補正することによって駆動電圧が低下するからである。ステップ２７５０では、操作者又は制御系がツールパスアルゴリズムを実行して、ピコ秒レーザ孔あけ装置２１００を制御するとともに、ステップ２７３０で求めた補正係数を使って加工物２１５５に指定の幾何形状の孔を形成する。
【０１０７】
方法２７００は、一次近似を利用してヒステリシス効果の補正係数を算出する。これにより、より単純な、従って、より高速の解を実行して問題を解決することができる。より高次の補正は、補正係数全体の結果に大きくは影響を及ぼさないので、必要ではない。係数が算出されるとさらに計算は必要ではないので、一次近似がより高速で的確な解である。
【０１０８】
ＰＺＴ走査ミラー２１３０を操作する方法の第３の形態では、上記の両方法を使用してヒステリシス効果と反射幾何形状効果を補正する。しかしながら、ヒステリシス効果及び反射幾何形状効果の補正係数の算出順序は重要ではないので、本形態は詳細な説明を省略する。結果は等しくなるので、どちらの方法を先に実行しても構わない。例えば、反射幾何形状補正係数より先にヒステリシス補正係数を算出する場合、ヒステリシス補正係数算出から得られた値が反射幾何形状補正係数の数式内で説明される。その後、反射幾何形状補正係数が算出されると、最終的に得られる補正係数は、最初に反射幾何形状補正係数を求めることによって得られる補正係数と同一である。
【０１０９】
以下に詳細に説明するように、本発明のレーザ孔あけ装置を使用してインクジェットヘッドのノズル板を作成してもよい。
【０１１０】
図１７に示すように、インクジェットプリンタ３０００は、圧力生成器を介して記録媒体３００４に記録可能なインクジェットヘッド３００２を有している。インクジェットヘッド３００２から噴出されたインク液滴がコピー紙等の記録媒体３００４上に付着することにより、記録媒体３００４に記録される。インクジェットヘッド３００２は、キャリッジ軸３００８に沿って往復移動が可能なキャリッジ３００６上に取り付けられている。具体的には、インクジェットヘッド３００２は、キャリッジ軸３００８に平行な主走査方向Ｘに往復移動可能に構成されている。記録媒体３００４は、ローラ３０１０により、副走査方向Ｙに適時搬送される。インクジェットヘッド３００２及び記録媒体３００４は、ローラ３０１０により相対的に移動する。
【０１１１】
図１８に示すように、圧力生成器３１００は、好ましくは、圧電式装置、熱による装置及び／又はそれらと等価の装置である。本実施形態の圧力生成器３１００は、上部電極３１０２と、圧電素子３１０４と、下部電極３１０６を備えた圧電式装置に相当する。ノズル板３１０８は、ノズル基板３１１０と撥水層３１１２を備えている。ノズル基板３１１０は、金属、樹脂及び／又はそれらの等価材料からなる。撥水層３１１２は、例えばフッ素樹脂或いはシリコン樹脂からなる。本実施形態では、ノズル基板３１１０は、厚さ５０μｍのステンレス鋼からなり、撥水層３１１２は、厚さ０．１μｍのフッ素樹脂からなっている。インク供給路３１１４、圧力室３１１６、インク路３１１８及びノズル３１２０に、インクジェットのインクが充填される。圧力生成器３１００が圧力室部材３１２２を押圧すると、ノズル３１２０からインク液滴が噴出される。本発明の結果、ノズル板にバリや異物（カーボン等）のない非常に優れたノズルが形成される。尚、ノズル出口径の精度は２０μｍ±１．５μｍである。
【０１１２】
本発明には、幾つかの利点がある。第１の利点は、短パルスレーザを使用して材料の並行アブレーション加工を可能にすることである。第２の利点は、アブレーション加工時の熱影響を抑制させて形成される孔の品質と再現性を向上させる方法を提供することである。第３の利点は、レーザアブレーション時の孔あけの精密度を制御する方法を提供することである。第４の利点は、テーパ状の孔を並行して形成する方法を提供することである。第５の利点は、金属箔に対してレーザ孔あけを実行する方法を提供することである。第６の利点は、並行孔あけ用の多重ビーム生成器として無損失の、位相のみ変調させる回折光学素子を使用することによって高効率にレーザ光を利用することである。第７の利点は、平滑な壁を有する高品質の仕上げ孔を形成する方法を提供することである。第８の利点は、加工物の副次的な損傷を抑制する方法を提供することである。第９の利点は、テーパ状孔の並行形成が可能なことによって製造コストを低下できることである。第１０の利点は、インクジェットプリンタ機構のノズルとして有用な所定の形状と機能をもつ製品を製造できることである。
【０１１３】
本発明の１つの短所は、ピコ秒レーザが発生する平均出力が低いことであるが、これは、ピーク出力が非常に高いことによって補償される。
【０１１４】
本発明が対処する問題を解決する他の方法がある。同じ問題を解決する他の第１の方法は、高出力銅蒸気レーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザ等の従来の長パルスレーザを使用して孔あけを行うことであるが、これらのレーザは、短波長のエキシマレーザでさえ、金属加工物に熱影響を及ぼすほどそのパルス幅が長い（数１０ナノ秒）ために、この解決方法は、金属加工物に対して目的の精度及び品質で精密孔あけを行うには問題がある。同じ問題を解決する他の第２の方法は、フェムト秒レーザ装置を使用することであるが、フェムト秒レーザのスペクトルバンド幅は広く、ＤＯＥはスペクトルを分散させるので、ビームスプリッタとしてのＤＯＥとフェムト秒レーザを一緒に使用して加工物の広い領域にわたってサブビームのパターンを生成して並行孔あけを行うことはできない。孔は一度に１つしか形成されないので、製造時間が過大になる。従って、形成される孔の数が非常に少ない場合を除けば、フェムト秒レーザを商業生産用工作機械として使用することは実用的ではない。
【０１１５】
本発明には、さらに幾つかの利点がある。第１１の利点は、顧客が要求する孔の幾何形状に合致させることができることである。第１２の利点は、レーザ孔あけ装置のビーム強度を一様化できることである。第１３の利点は、回折光学素子にとって共通の問題である、アブレーション加工の不均一性を招くサブビーム強度の非一様性を補正することである。第１４の利点は、コンパクトな設計であることである。
【０１１６】
また、本発明は、さらに幾つかの短所も有している。第２の短所は、効率が回折光学素子の光強度分布に依存していることである。第３の短所は、プログラミング不可能な装置であることである。
【０１１７】
同じ問題を解決する他の方法もさらに存在する。同じ問題を解決する他の第３の方法は、適時に加工物の近くに挿入することが可能で、光ビームを遮断する不透明領域と光ビームを透過させる完全透過領域とを有する二元マスクを製造することである。しかしながら、様々なパターンを有する多数のマスクが必要になり、装置を複雑化することになる。また、この手法は、使用されるマスク毎により複雑な位置合わせ作業が必要になる。同じ問題を解決する他の第４の方法は、マイクロフィルタを使用することなく、２つの経路でレーザフライス加工を実行することである。最初の加工経路では、レーザ装置を使用し、孔の最大寸法が仕様を超えないようにしながら不均一な形状の孔を形成する。２番目の加工経路では、単ビーム（或いは、強度を個々に調整可能な数本のビーム）を使用し、最初の加工経路で弱めのビームによって形成された小さめの孔を拡大させる。しかしながら、この方法は、時間のかかるものであり、レーザ孔あけ装置を複雑化する。
【０１１８】
本発明には、さらにまた幾つかの利点がある。第１５の利点は、高再現性かつ高精度にレーザ孔あけが実行することである。第１６の利点は、ＰＺＴ走査ミラーの反射幾何形状効果を補正することである。第１７の利点は、ＰＺＴ走査ミラーに固有のヒステリシスを補正することである。第１８の利点は、レーザ装置の走査ミラーの劣化を防止することである。第１９の利点は、補正係数を算出して使用するための一次近似法が、単純なコンピュータプログラミングで済む点から、ルックアップテーブル法を使用するよりも高速であることである。第２０の利点は、解決法に柔軟性があることである。レーザ装置機器や孔の幾何形状の変更は、ソフトウェアコードに組み込みやすい補正係数の変更で済むからである。ハードウェア（例えば閉ループ帰還やより高価な光学素子）を用いて補正を実行した場合は、より複雑で高価になる。第２１の利点は、解決法が低コストであることである。本発明は、ヒステリシス効果及び反射幾何形状効果に対してソフトウェアによる解決法を実現する。閉ループ帰還やより高価な光学素子を使用して同じ問題を解決するハードウェアによる解決法は、レーザ孔あけ装置全体のコストを大幅に増大させることになる。第２２の利点は、ヒステリシスと反射の問題を解決するのに使用可能な閉ループのハードウェアによる解決法よりもはるかに高速であることである。閉ループの装置は、１秒当たり約２回しか動作することができない。この速度は、高スループットの製造条件下で使用するには実行可能な解決法ではない。
【０１１９】
また、本発明は、さらに幾つかの短所も有している。第４の短所は、各単位体を孔あけする前に、ヒステリシス算出のためにＰＺＴを予め校正する時間が余分にかかることである。しかしながら、ＰＺＴを予め校正するのにかかる時間は、レーザ孔あけ装置の製造スループットにそれほど大きな影響を及ぼすことはなく、それどころか、その校正によって製品の品質が大幅に向上する。第５の短所は、ＰＺＴ走査ミラーが繰返しの微小な動きによって劣化する可能性があることである。しかしながら、現像作業時のＰＺＴ走査ミラーの摩耗を計測すると、ミラーが１００年以上の耐久性を有することが示された。
【０１２０】
本発明が対処する問題を解決する他の方法がさらに存在する。同じ問題を解決する他の第５の方法は、閉ループＰＺＴ走査ミラーを使用することである。しかしながら、そのような閉ループの装置は、電圧情報を処理してフィードバックするのにかかる時間のせいではるかに遅い。また、この解決法は、本発明の開ループ解決法よりも高価である。同じ問題を解決する他の第６の方法は、広走査範囲の積層ＰＺＴ走査ミラーを用いて低ＰＺＴ走査ミラー動作電圧でヒステリシスを低下させることである。これにより、ヒステリシス曲線上の電圧を略線形のＶｘ軸に近づけ、ヒステリシスの影響を抑制する。しかしながら、広走査範囲のＰＺＴはコストが法外に高く、非常に大きい。同じ問題を解決する他の第７の方法は、ＰＺＴ走査ミラーのアクチュエータを４５度だけ移動させて反射幾何形状効果による歪みを消去することである。しかしながら、これを達成するのに必要な制御と計算はより複雑なものになる。同じ問題を解決する他の第８の方法は、ＰＺＴ走査ミラーの代わりに検流計を使用してレーザを加工物上に案内することである。しかしながら、レーザフライス加工時の繰返しの微小な動きによって検流計が劣化するため、これを実施するのは難しい。
【０１２１】
本発明の説明は本質的に例示に過ぎず、従って、本発明の主旨から逸脱しない変形は本発明の範囲内に含まれることが意図されている。そのような変形は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものとみなすべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考形態に係るピコ秒レーザ孔あけ装置の構成図である。
【図２】  参考形態に係るピコ秒レーザ孔あけ装置の操作方法を示すフロー図である。
【図３】  参考形態に係るレーザ孔あけ装置のサブアセンブリの構成図である。
【図４】  サブビームのサイズを示す透視図である。
【図５】  マイクロフィルタを使ってレーザ孔あけ装置の光強度分布を制御する方法を示すフロー図である。
【図６】  マイクロフィルタを設計する方法を示すフロー図である。
【図７】  マイクロフィルタアレイの配置を示す構成図である。
【図８】  マイクロフィルタの８ｘ３８アレイの配置を示す構成図である。
【図９】  マイクロフィルタ８ｘ３８アレイの細部領域の構成図である。
【図１０】  本発明の実施形態に係るピコ秒レーザ孔あけ装置の構成図である。
【図１１】  レーザビームの入射とＰＺＴアクチュエータ付き走査ミラーからの反射を示す透視図である。
【図１２】  反射幾何形状効果とその補正を示す図である。
【図１３】  ＰＺＴアクチュエータ付き走査ミラーの反射幾何形状効果を補正する方法を示すフロー図である。
【図１４】  ヒステリシス効果とその補正を示す図である。
【図１５】  ヒステリシス曲線のグラフである。
【図１６】  ヒステリシス効果を補正する方法を示すフロー図である。
【図１７】  インクジェットプリンタの主要構成部品を示す斜視図である。
【図１８】  インクジェットヘッドの概略断面図である。
【符号の説明】
３０００  インクジェットプリンタ
３００２  インクジェットヘッド
３００４  記録媒体
３００６  キャリッジ
３００８  キャリッジ軸
３０１０  ローラ
３１００  圧力生成器
３１０２  上部電極
３１０４  圧電素子
３１０６  下部電極
３１０８  ノズル板
３１１０  ノズル基板
３１１２  撥水層
３１１４  インク供給路
３１１６  圧力室
３１１８  インク路
３１２０  ノズル
３１２２  圧力室部材
【図１】
0004284057.tif 000005
【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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【図７】
0004284057.tif 000011
【図８】
0004284057.tif 000012
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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