(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源からのレーザービームを所定のビーム径に調整後、被穿孔部材に形成すべき通孔とほぼ同程度の範囲で、かつ形成すべき孔の中心軸を中心として公転運動させて穿設すべき穿孔の中心領域に外周側よりも高いエネルギを与えつつテーパ部を形成する工程と、
前記工程の後、前記公転運動の半径を縮小してストレート部を形成する工程とからなるインクジェット記録ヘッドの構成部材の開口穿孔方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、レーザービームの光エネルギを用いて薄板に多数の孔を形成する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光ビームの高いエネルギ密度を利用して、ビームを複数に分割し、複数の微小な領域を同時に切断したり、膜を除去する技術が数多く提案されている。
これらの技術は、レーザー光源からのビームを集光した後、ハーフミラーやレンズ等により複数のビームを発生させ、これを被加工物に照射するものである（特開昭61-249693号公報、特開平4-266492号公報）。
【０００３】
一方、図４、図５に示したように圧力発生室Ａを形成するスペーサＢ、スペーサＢの一方の開口部を封止する第１の蓋部材Ｃ、他方の開口を封止する第２の蓋部材Ｄ、一定の流路抵抗を与えながら圧力発生室Ａにインクを供給するインク供給口Ｅを備えたインク供給口形成基板Ｆ、共通のインク室Ｇを形成する共通のインク室形成基板Ｈ、及び圧力発生室Ａに連通するノズル開口Ｊを備えたノズルプレートＫを積層して構成されたインクジェット式記録ヘッドにあっては、圧力発生室Ａに設けられた発熱素子や、また第１の蓋部材Ｃに設けられた圧電振動子Ｌにより圧力発生室Ａを加圧してノズル開口Ｊからインク滴を吐出させるように構成されている。なお、図中符号Ｍ，Ｎは接着剤層を、符号Ｐ、Ｑ、Ｒ，Ｓは連通孔をそれぞれ示す。
【０００４】
このようなインクジェット式記録ヘッドにおいては、特にインク滴の吐出性能に影響を与えるインク供給口Ｅ及びノズル開口Ｊは、その開口径が数十μｍと極めて微小であるばかりでなく、ノズル開口Ｊにはテーパ部とストレート部を形成することが必要で、その上、印字品質を確保する上から相互間で均一であることが求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザー光源からの光ビームをハーフミラーやレンズ等の光学部材により分割すると、各ビームは、光分布の強度が相互間で微妙に異なっているため、直径数十μｍ程度の微小な孔を均一に穿設することが不可能であるという問題がある。
【０００６】
このような問題を解消するために、特開平7-174965号公報に見られるように、穿孔するべき通孔に対応するパターンを、レーザービームの遮光が可能な金属等に形成した縮小投影マスクを用い、紫外線レーザービーム縮小投影マスクを介して被穿孔材料である高分子材料に照射する方法も提案されている。
【０００７】
しかしながら、記録ヘッドの強度と耐久性を求めて金属やセラミックを構成材料に使用したインクジェット記録ヘッドの加工に適用しようとすると、レーザービームの内、マスクに遮光される成分が多く、穿設作業に時間を要するばかりでなく、マスクや光学系の損傷を速めるため、大量生産に適さないという問題がある。
【０００８】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは金属やセラミック等の硬質材料に、レーザー光の損失を可及的に少なくして均一な微小孔を一定のピッチで同時に穿設することができるインクジェット記録ヘッドの構成部材の開口穿孔方法を提案することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解消するために本発明においては、レーザー光源からのレーザービームを所定のビーム径に調整後、被穿孔部材に形成すべき通孔とほぼ同程度の範囲で、かつ形成すべき孔の中心軸を中心として公転運動させて穿設すべき穿孔の中心領域に外周側よりも高いエネルギを与えつつテーパ部を形成する工程と、前記工程の後、前記公転運動の半径を縮小してストレート部を形成する工程とを備える。
【００１０】
【作用】
穿孔パターンが形成された精密なマスクを不要として、レーザービームのエネルギを穿孔のために有効に利用しつつ、被穿孔部材に照射する回折ビームを穿孔すべき孔の中心に対して揺動させるため、回折ビームの断面形状が非円形であっても可及的に円形に近く、かつテーパ部とストレート部とを備えた孔を穿孔することができる。
【００１１】
【発明の実施の態様】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施例を示すものであって、図中符号１は、レーザー光源装置で、この実施例においてはパルスレーザー、特に銅イオンを使用した繰り返し周波数５乃至７ＫＨｚ程度ものが好適に使用できる。
【００１２】
レーザ光源装置１からのビームは、ＮＤフィルタ２により一定光量に調整された後、ビーム径調整手段であるエキスパンダコリメータ３により所定のビーム径に拡大、または縮小されて、モノクロ化手段であるビームスプリッタ４により単一波長、銅イオンを使用したものの場合には、５１１ｎｍのビームだけが取り出される。
【００１３】
図中符号５は、ビーム走査手段で、この実施例では被穿孔材の平面の直交する方向にビームを移動させる２つのミラー６、７により構成されていて、被穿孔材の垂直線に所定の角度、つまり照射面での直径が穿孔しようとする孔とほぼ同等となるように光ビームを走査するものである。
【００１４】
ビーム走査手段５から出射したビームは、アパチャーマスク８により所定のビーム径に調整された後、後述する位相格子９に入射する。
【００１５】
９は、前述の位相格子で、単一の光ビームを複数、この実施例では３２本又は６４本の回折ビームに分岐させるように、一次元の表面凹凸型位相格子として構成され、後述する集光レンズ１０を通過したとき、被穿孔部材Ｗに穿孔すべき微小孔Ｖの配列ピッチに一致するように位相分布が選択されている。
【００１６】
すなわち、このような位相格子は、穿設すべき開口のピッチをΔＸとすると、位相格子の周期Ｐは、
Ｐ＝ｍλｆ／Δｘ
ただし、λはレーザービームの波長、ｆは集光レンズ１０の焦点距離、ｍは分岐数が奇数の場合には１、また偶数の場合には２の値を取る。
【００１７】
そして、位相格子９のサイズＤは、
Ｄ＞ｄ＝２ｆ・tan［sin  （２λ／πｗ）］
ただしｄは入射ビームの径（１／ｅ）、ｗは所要の集光スポット径（１／ｅ）である。
例えば、焦点距離ｆが１００ｍｍの集光レンズ１０を使用し、集光スポットの径ｗを１０μｍとすると、４ｍｍの位相格子が必要となる。
【００１８】
このような位相格子９の位相分布に関するデータは、Appl. Opt. 31,27-37(1992), 31, 3320-3336(1992),  32, 2512-2518(1993),等に記載されているシュミレーテッドアニーリング法により求めることができ、このデータをフォトマスクデータとして石英基板にフォトマスクを作り付け、反応性エッチングすることにより、石英基板の表面に凹凸を形成して位相格子として使用することができる。
【００１９】
１０は集光レンズで、被穿孔材側にノズルとしても機能する開口１０ａを備えたレンズマウンタ１１に装着され、位相格子９からの複数のビームのうち、両側の不要なビームを開口１１ａで遮光して、被穿孔部材Ｗに照射するものである。レンズマウンタ１１にはエア供給口１１ｂが設けられていて図示しないエア源からのエアの供給を受けて、開口１１ａからエアを噴出させるように構成されている。
【００２０】
なお、図中符号１２は、出力検出手段で、ビームスプリッタ１３により光ビームから一部を分岐させてレーザー光の強度を検出するものである。
【００２１】
この実施例において、レーザー光源装置１から出射したレーザー光は、エキスパンダコリメータ３により所定径、つまり穿孔すべき領域をカバーできる以上のビーム径に調整され、モノクロ化手段であるビームスプリッタ４を通過して単一波長の光に変換されて、ビーム走査手段５により被穿孔部材の面に形成すべき孔を中心とするように移動するように走査されて、位相格子９に入射する。
【００２２】
ビームは、位相格子９により所定の一定ピッチで並ぶ複数の回折ビームに分割され、集光レンズ１０により所定の倍率で絞られてレンズマウンタ１１の開口１１ａに入射し、両側のビームを除く回折ビームが被穿孔部材Ｗを照射する。
前述のようにビームは、走査手段５により被穿孔部材Ｗの平面のＸ−Ｙ方向に走査されているから、各回折ビームも図２に示したように穿孔すべき孔Ｖの中心軸を中心とするように公転運動しながら被穿設部材を照射して、穿設すべき穿孔Ｖの中心領域に高いエネルギを与えながらほぼ円形の軌跡を描きながら照射することになる。
【００２３】
一方、レンズマウンタ１１の開口１１ａを規定している領域はエア供給口１１ｂから流入したエアにより、また被穿孔部材Ｗは、開口１１ａから噴出したエアにより冷却され、無用に過熱するのが防止される。
【００２４】
そして、レーザー光源装置１にパルスレーザーが使用されているため、穿孔すべき領域以外の領域の過熱を可及的に防止して、熱膨張等による穿設座標に誤差が生じるを防止できる。
【００２５】
このようにしてノズル開口Ｊを形成するテーパ部が形成された段階で、ビームの走査回転半径を小さくして、さらに照射を継続する。これによりノズル開口Ｊで最も重要なストレート部を円筒型の貫通孔として穿設することが可能となる。所定数の孔を穿孔した段階で、必要に応じて被穿設部材を孔のピッチに一致するように加工テーブル１４に移動させることにより同一被穿設部材Ｗに回折ビームの分岐数よりも多くの孔を穿孔することができる。
【００２６】
なお、上述の実施例においては集光レンズ１０からの回折ビームを１つの開口１１ａを介して被穿孔部材Ｗに照射するようにしているが、図３に示したような回折ビームに一致させて通孔２１、２１、２１‥‥が穿設されたマスク２０を介して照射するようにしてもよい。
【００２７】
すなわち、この実施例においては位相格子９から複数の回折ビームの内、穿孔すべき孔Ｖを照射する回折ビームに対応する位置に窓２１、２１、２１‥‥を形成し、各窓２１、２１、２１‥‥を区分する枠部２２に遮光層２２ａを形成し、特に両側を及びゼロ次の回折ビームが照射する領域の遮光層２２ｂ、２２ｃを厚くして回折ビームの焦点を大きくずらせて、ビームによるマスクの損傷や過熱を防止するように構成されている。
【００２８】
この実施例によればマスク２０の通過の際には、回折ビームが所定の間隔で予め分割されているため、マスク２０に遮光される成分が極めて少なく、ただ位相格子９によりビームの断面形状が歪んだ場合には、歪み分を除去したり、またゼロ次のビーム、及び両側のビームを確実に遮光することができる。
【００２９】
なお、上述の実施例においては、ノズルプレートＫのノズル開口Ｊを穿設する場合に例を採って説明したが、ノズル開口Ｊと同程度の径の通孔として形成されるインク供給口形成基板Ｆのインク供給口Ｅを穿設する場合に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザー微小穿孔装置の一実施例を示す光学系でもって示す図である。
【図２】同上装置の回折ビームが被穿孔部材に照射される状態を模式的に示す説明図である。
【図３】同上装置に使用可能なマスクの一実施例を示す図である。
【図４】インクジェット式記録ヘッドの一例を示す組立斜視図である。
【図５】インクジェット式記録ヘッドの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  レザー光源装置
２  ＮＤフィルタ
３  エキスパンダコリメータ
４  ビームスプリッタ
５  ビーム走査手段
９  位相格子
１０  集光レンズ
１１  レンズマウンタ
Ｗ  被穿設部材
【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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