激光加工方法及喷液头的制作方法

专利名称：激光加工方法及喷液头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用激光进行的加工，尤其涉及一种层叠多种不同的材料构成的层叠部件的加工。
背景技术：
在现有技术中，为了将层叠多种不同材料构成的层叠部件中特定的材料切断或者打穿加工成规定形状，而使用利用冲压机或穿孔机(drill)的机械加工、利用激光的激光加工、利用化学反应的蚀刻加工等。[例如，参照特开平11-192701号公报(第10页，段落121～122，段落139，段落142，图5及图9)]。
但是，由冲压机或穿孔机得到的加工形状受到冲压模具及钻头的形状被的限制，因此，难以控制具有复杂细微的变化的形状。另外，在对硬脆材料进行机械加工时，多产生脆性类型的破坏的情况，很难实现高品质化。
另外，在使用激光加工的情况下，必须为了配合切断形状而进行照射激光的准确地定位控制。并且，为了不会由激光对切断部位以外部位造成损坏，必须在切断部位以外加设光掩模等。
并且，在蚀刻加工时，产生了因为光刻·蚀刻工序导致的工艺流程的繁琐化及成本上的问题。另外，还必须考虑药液的处理相关的费用及环境问题，希望得到一种更加简便的加工方法。
除此之外，在使用模具或光掩模等的所述方法中，加工形状依赖于模具或光掩模等的形状，因此，在加工部尺寸有固体形状差别的情况下或者少量多品种生产的情况下，存在不能有效地与之对应的问题。

发明内容
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供一种在层叠第1材料与第2材料，且所述第1材料从所述第2材料突出构成的层叠部件的加工方法中，以不使用模具或光掩模的简易结构，能够高精度地进行目标形状的加工的加工方法及利用该方法的喷液头。
本发明的激光加工方法是一种层叠第1材料与第2材料且所述第1材料中从所述第2材料突出构成的层叠部件的加工方法，其特征在于将相对所述第1材料的光吸收率比相对所述第2材料的光吸收率高的波长的激光照射在所述第2材料端部与所述第1材料的边界部。由此，以第2材料端部为边界，可以仅仅进行从第2材料突出的第1材料的切断、除去等加工而不会损坏第2材料。
此外，也可以使所述激光散焦，并将该散焦的聚光范围(聚光spot)跨越照射在所述第2材料的端部与所述第1材料上。由此，即使第2材料的端部位置在被加工范围内稍微变化，也不需要变更激光扫描轨迹。由此，降低了激光照射定位的精度要求。
另外，也可为作为所述激光将飞秒(10-15秒)激光照射在所述第2材料端部与所述第1材料的边界部。飞秒激光是超短脉冲激光，因此能够期待提高加工品质。
另外，也可为作为所述激光将多个不同波长的激光照射在所述第2材料端部与所述第1材料的边界部。由此，在作为加工对象的第1材料为层叠多个材料构成的情况下，可以向各材料供给更有效的波长的激光进行加工。
另外，也可为将具有比所述第1材料的光吸收率大的光吸收率的材料被膜在所述第1材料的加工位置，或者在所述第1材料的加工位置表面上形成多个凹凸。由此，第1材料的光吸收率增大了，因而，即使在第1材料本身与第2材料的光吸收率的差很小的情况下，也可以仅对第1材料进行加工。
另外，如果可调整所述激光对于所述层叠部件的照射方向，则例如，可以对应加工部位的结构或者形状从适合的方向上进行激光的照射。另外，可以使加工飞溅物的飞散方向改变从而抑制其再次附着到层叠部件上。
另外，如果供给使加工飞溅物飞向所述层叠部件外侧的空气流，则可以防止加工飞溅物再次附着到层叠部件上等。
另外，通过在真空中进行所述激光对于所述层叠部件的照射，而能够提高加工质量。
另外，也可为在利用电流反射镜使激光扫描的同时进行所述激光对于所述层叠部件的照射。由此，可以通过简易的结构进行高精度的激光照射。
另外，也可以使激光分成多束，并且分支的多束激光同时照射在所述层叠部件上。由此，可以提高加工效率。
另外，也可以使用摄像机对所述层叠部件进行摄像并进行图像处理，并根据该处理决定激光照射位置。由此，也可以进行细微的加工。
此外，作为所述层叠部件的例子，可以列举出所述第1材料是金属，所述第2材料是硅的情况；所述第1材料是硅，所属第2材料是玻璃的情况；以及所述第2材料是具有作为液体材料贮存室的凹部的喷液头用空腔基板，所述第1材料是被层叠在所述空腔基板的所述贮存室底面上的多层膜的情况等。
本发明的喷液头，是一种通过所述的方法形成液体材料贮存室制成的喷液头。
本发明的激光加工方法，是一种由光吸收率不同的材料构成的边界部的加工方法，其特征在于将与第1材料相比，第2材料的光吸收率更高的波长的激光照射在所述第1材料所述第2材料的边界部。
由此，光吸收率高的第2材料一侧容易被加工，容易沿边界部加工第2材料，即使边界部具有复杂的形状，也可以进行配合该形状的加工。
本发明的激光加工方法，其特征在于由相对激光具有第1光吸收特性的第1材料，和具有与所述第1光吸收特性不同的第2光吸收特性的第2材料形成边界部，通过在所述边界部上照射所述激光，而加工所述第1材料与所述第2材料中的一方。
光吸收特性主要是指光吸收率，可以利用材料具有的光吸收特性的不同进行配合边界部的形状的加工。
另外，通过改变激光的波长等，配合各种材料的光吸收特性，而也可以改变进行加工的材料。


图1是表示本发明的实施例1的方法的加工示意图。
图2是表示本发明的实施例2的方法的加工示意图。
图3是表示本发明的实施例3的方法的喷墨头的制造工序的局部的工序图。
图4是表示通过本发明的实施例3的方法进行打穿的多层膜的结构说明图。
图5是表示在所述各实施例中可以利用的激光加工装置的结构图。
图6是表示用于扫描照射激光的结构图。
图7是表示在所述各实施例中可以利用的激光加工装置的其他的结构图。
具体实施例方式
本发明的加工方法，是一种对于层叠第1材料与第2材料且第1材料从第2材料上突出构成的层叠部件的第1材料的加工方法，针对层叠部件的各层所具有的光吸收率的差异，在进行第1材料的加工(切断，除去，打穿等)时，利用第2材料的端部作为导引部。从而，选择使用相对第1材料层(加工层)的光吸收率较高、而相对用作导引部的第2材料层(导引层)的光吸收率较低的波长的激光，将该激光通过透镜等聚焦，照射在作为导引部的第2材料层端部与第1材料的边界部。在这种情况下，最好激光的聚光范围的一部分可以落在用作导引部的第2材料层的端部上。此外，根据需要，可以使激光的聚光范围与层叠部件相对移动。由此，在聚光范围内，可以仅仅选择性地除去光吸收率较高的第1材料层，因而，即使第2材料层的端部形状稍微产生误差或偏差，也不会使照射激光的扫描轨迹必须准确地沿着第2材料层的端部形状，而能够沿着第2材料层的端部对第1材料层准确地进行加工。
(实施例1)图1是表示本发明的实施例1的加工示意图。加工对象的层叠部件10是在硅基板11上层叠金属薄膜12(其也可以是层叠多层不同种类材料得到的多层膜)，金属薄膜12呈从硅基板11的下面突出的状态。该层叠部件10的加工对象是金属薄膜12，硅基板11的端部11A被用作加工时的导引部。从而，使用相对金属薄膜12的吸收率高，而相对硅基板11的吸收率低的波长的激光进行加工。这里，通常使用YAG激光中波长为1.064μm的基波激光。
在实际的加工时，如图1(a)所示，通过透镜15使激光16聚光，并将该聚光范围跨越照射在硅基板11的端部11A与金属薄膜12双方上，并且沿着硅基板11的端部11A使聚光范围进行扫描或者使层叠部件10移动。由此，如图1(b)所示，在以对正(alignment)硅基板11的端部11A的状态除去在照射激光的层叠部件10中的、仅光吸收率高的金属薄膜12的对应部分。
此外，实际上，虽然激光也入射到位于硅基板11的正下方的金属薄膜12上，但是因激光贯穿硅基板11时的衰减而其强度降低。从而，位于硅基板11的正下方的金属薄膜12上积蓄的激光能量在可以加工金属薄膜12的阈值以下，使位于硅基板11的下方的金属薄膜12不会被加工。
(实施例2)图2是表示本发明的实施例2的加工示意图。加工对象的层叠部件20在上下玻璃基板21、22之间层叠有硅层23，硅层23呈从上侧玻璃基板21的下面突出的状态。该层叠部件20的实际加工对象是硅层23，上侧玻璃基板21的端部21A被用作加工时的导引部。从而，使用相对硅层23的吸收率高，相对玻璃基板21、22的吸收率低的波长的激光进行加工。这里，使用YAG激光的波长为532nm的第2高次谐波激光。
在实际的加工中，如图2(a)所示，通过透镜25使激光26聚光，并将该聚光范围跨越照射在上侧玻璃基板21的端部21A与硅层23上，并且，沿着上侧玻璃基板21的端部21A使聚光范围进行扫描或者使层叠部件20进行移动。由此，如图2(b)所示，在照射激光的层叠部件20中，仅光吸收率高的硅层23的从上侧玻璃基板21突出的部分积蓄超过加工阈值的激光能量，而以对正上侧玻璃基板21的端部21A的状态除去硅层23的该对应部分。
(实施例3)图3是表示利用压电器件的位移使墨滴从喷嘴喷出的压电式喷墨头的制造过程的一部分的工序图。这里，虽然列举了作为喷液头的一个例子的压电式喷墨头，但是本发明也可以使用其他方式的喷墨头，或者使用喷出墨水以外的液体的喷头。压电式喷墨头已经广为人知，其具备形成有将墨水从外部取入并保持的墨水贮存室、及与该墨水贮存室连通并产生使墨水从喷嘴喷出的压力的压力产生室等空腔部件的空腔基板；在空腔基板上成膜，包括构成所述压力产生室的一部分并产生实际的压力变化的压电器件的多层膜；具有喷嘴孔的喷嘴板；及封装多层膜的一部分并固定空腔基板的封装板(或者固定板)。
然后，就压电式喷墨头的制造方法进行说明。此外，在图3中，符号150表示应作为现有的喷墨头的部件，但是，这里，为了便于说明，将符号150称为喷墨头。喷墨头150是通过在此之前的工序而在硅空腔基板(silicon cavity substrate)100上层叠作为压电元件的后述结构的多层膜110，并且，在硅空腔基板100的多层膜110一侧，固定例如由硅等制成的封装板130。在封装板130上，形成取入从外部供给的墨水并保存的封装板侧贮存室131。
在图3(a)中，在封装板130上覆盖保护膜140后，在空腔基板110上进行蚀刻，形成对应压力产生室101、空腔基板侧贮存室102等的凹部。然后，为了连通空腔基板侧贮存室102与封装板侧贮存室131，而利用激光81通过与实施例1中相同的方法打穿间隔它们之间的多层膜110。该多层膜110的打穿是在使激光照射在硅空腔基板100的端部100A与多层膜110双方上的同时，使激光沿硅空腔基板100的端部100A转一圈，由此，切下以硅空腔基板100的端部100A为边界的内侧的多层膜110。图3(b)表示进行多层膜110的打穿、并除去保护膜140的状态下的喷墨头150。接着，如图3(c)所示，在硅空腔基板100的凹部开口侧，在喷嘴孔121处于对应压力产生室101的位置的状态下固定具备喷嘴孔121的喷嘴板120。此外，喷墨头150，在其后，经过引线接合、壳体头(case head)安装、基板头安装、组入部件安装等，而完成为成品。
但是，在该实施例3中，硅空腔基板100、多层膜110分别对应实施例1的硅基板11与金属薄膜12。
硅空腔基板100的厚度例如为70μm左右，多层膜110的厚度例如为1～5μm左右。此外，图4表示多层膜110的具体结构的一个例子。由此，从靠近硅空腔基板100的一侧开始，由SiO2(二氧化硅)111、ZnO2(过氧化铅)112、下电极113、PZT(钛酸锆酸铅)114、上电极115、布线116构成。下电极113可以由Pt(铂)层、InO(氧化铟)及Ti(钛)层、InO、Ti及Pb(铅)层等构成。另外，上电极115可以由In(铟)等构成，布线116可以由Au及钛层等构成。通过所述的激光加工打穿这样的多层膜110，由硅空腔基板100的端部100A限定边界的贯穿孔不会脆性类型破坏并且可以高品质地形成。另外，在该打穿后，虽然喷嘴板120需要在极细微的误差范围内固定在硅空腔基板100上，但是由于选择首先照射的激光使其不会损坏硅空腔基板100，故不会产生硅空腔基板的表面对喷嘴板120的固定施加不好的影响的问题。从而，通过该方法，贯穿硅空腔基板侧贮存室102与封装板侧贮存室131的喷墨头150可以提高墨水喷出性能的稳定性。
此外，在上述各实施例中，如果通过散焦(defocus)使照射激光的聚光位置错开，或者通过调整透镜的焦距f或入射到聚光透镜的入射光束径，而扩大照射光范围直径，则可以使激光容易定位在导引层的端部11A、21A、100A与加工层12、23、110的边界部处。此外，在散焦时，从加工质量的观点来看最好设定将层叠部件的加工部位处在聚光透镜与由该聚光透镜发出的激光的聚光范围之间。另外，加工中使用的照射激光并不一定是聚光的激光。
可是，在所述各实施例中也可以加上以下方法。例如，也可以使多个不同波长的激光照射在导引层的端部与加工层的边界部上。由此，在加工层由多个材料层叠而成等情况下，可以在各材料上分别使用更有效的波长的激光进行加工，可以扩大加工对象的范围。
另外，在加工层与导引层之间的光吸收率的差较小的情况下，也可以使用具有比加工层自身的光吸收率大的光吸收率的材料，例如黑墨水，覆盖加工层，或者，也可以在加工层的加工位置表面上形成多个凹凸。其需要说明的是，该凹凸用于抑制光的反射，凹凸的深度最好比激光的波长小。通过这些处理，加工层与导引层之间的光吸收率变大，可以不损坏导引层而仅仅对加工层进行加工。
另外，若可以调整激光的照射方向，则即使是复杂结构的加工部位也可以进行激光的照射。另外，也可以调整为使激光向加工飞溅物很少再次附着在层叠部件的方向照射。
并且，也可以在层叠部件的加工部位附近，供给使加工飞溅物向层叠部件的外侧飞散的空气流。此外，若在真空中进行对于层叠部件的激光的照射，则可以防止氧化，并且抑制碎屑(dross)的产生，从而可以提高加工品质。
综合上述实施例所示的激光加工的效果如下。因为加工层的加工端可以在导引层的端部上自定位，所以可以降低装置精度的要求。此外，即使复杂形状的加工也可以高精度地进行加工。
另外，无需特别准备的模具与掩模，因此，可以对应多品种少量生产。无需加工时的前处理，因此，可以简化加工过程。
(关于本发明所利用的激光加工装置)这里，就本发明的方法中使用的激光加工装置的机构的例子进行说明。该激光加工装置50具有作为加工能量源的激光振荡器51，扩大从激光振荡器51射出的激光的光束直径的光束扩展器52，调整被扩大直径的激光的强度的激光强度调整器53，调整光的照射方向的反射镜54(其根据需要也可以设定为任意个数)，承载待加工的工件(层叠部件10、20、150等)并可以在X、Y、Z方向上移动的三轴自动工作台56，控制三轴自动工作台56的动作的工作台控制器57，以及使用计算机控制工作台控制器5的PC58等。此外，从激光振荡器51射出的激光的种类及波长，可以根据实际中加工的层的材料与具有作为导引部的功能的层的材料分别确定。
在该装置50中，通过三轴自动工作台56的移动进行工件与照射在工件上的激光的相对移动，但是也可以使激光一方进行扫描。作为扫描激光的机构，可以利用如图6所示的组合两台电流反射镜(galvano mirror)的装置。图6中，70表示相对X轴方向旋转的第1电流反射镜，71表示相对Y轴方向旋转的第2电流反射镜，两者70、71高精度的设置在规定位置，并通过驱动机构(未图示)同步被驱动。在具有这样的电流反射镜70、71的加工装置中，从激光振荡器(未图示)振荡的激光束72被第1电流反射镜70反射的同时也被第2电流反射镜71反射，再通过未图示的聚光透镜聚光并照射到被加工物上。这时，使被照射的激光束的聚光范围沿着作为导引部的层的端部进行扫描，例如，通过打穿形成对应扫描轨迹73的孔。在激光加工的情况下，使被加工物移动而将该被加工物切断为规定的形状，由此，扫描照射向被加工物的激光而将被加工物切断为规定的形状，可以提高其加工精度，并且，提高加工效率适于量产。
图7是表示在所述各实施例中可以利用激光加工装置的其他的结构图。该激光加工装置50A是在追加设置了几个可以进一步有效利用图5的激光加工装置50的结构。例如，在工件10、20、150上具有多个同形状的加工位置之类的情况下，如果可以同时使激光照射在这些加工位置的进行同时加工的话可以更有效率。为了使其成为可能，在聚光透镜55之前设置将激光分成多个分支的衍射光学元件59。此外，作为将激光分成多个分支的方法，除此之外也可以利用半透半反镜等。另外，在加工部位附近设置了吸引加工产生的飞溅物的吸引装置60。
并且，其还具有对工件10、20、150的加工部位进行摄像的摄像机61，及基于使用该摄像机61拍摄的加工部位的图像决定导引层端部与加工层的交界处，从而计算出激光照射路径的图像处理装置62。将通过图像处理装置62计算出的激光照射路径传送到工作台控制器57，从而被用来进行三轴自动工作台56的驱动控制。
此外，衍射光学元件59、吸引装置60、摄像机61及图像处理装置62名无需全部具备，可以根据需要个别使用。
在所述实施例中，虽然加工用激光使用YAG激光的基波、第2高次谐波，但是加工用激光可根据导引层的材料与实际被加工的加工层的材料个别确定。在这种情况下，例如，也可以探讨使用YLF激光的基波、高次谐波、YVO4激光的基波、高次谐波、CO2激光等。另外，从加工品质这一点出发，也可以考虑使用飞秒激光。此外，在进行该加工中使用的激光的选择时应该考虑的是，层叠部件的部件之间的激光能量的积蓄率的不同，及构成层叠部件的各部件通过激光能量开始加工的能量阈值。即，必须是，在要加工的部件中积蓄其阈值以上的激光能量，而在被用作导引部的部件中不会积蓄其阈值以上的激光能量。
另外，在所述各实施例中，表示了在加工层与导引层被层叠在水平方向上的状态下进行的加工，但是，本发明也包含以下情况，即在加工层与导引层沿垂直方向被层叠时，保持其直立设置的状态，在这些层的边界部照射激光而加工加工层。
权利要求
1.一种激光加工方法，是层叠第1材料与第2材料，且所述第1材料从所述第2材料突出构成的层叠部件的加工方法，其特征在于将相对所述第1材料的光吸收率比相对所述第2材料的光吸收率高的波长的激光照射在所述第2材料的端部与所述第1材料的边界部，在所述第1材料的加工位置形成多个细微凹凸。
2.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于可以调整所述激光对于所述层叠部件的照射方向。
3.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于供给使加工飞溅物飞向所述层叠部件外侧的空气流。
4.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于在真空中进行所述激光对于所述层叠部件的照射。
5.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于利用电流反射镜使激光进行扫描的同时进行所述激光对于所述层叠部件的照射。
6.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于将激光分成多束，并且分支的多束激光同时照射在所述层叠部件上。
7.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于使用摄像机对所述层叠部件的加工部位进行摄像并进行图像处理，再根据该处理决定激光照射位置。
8.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于所述第1材料是金属，所述第2材料是硅。
9.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于所述第1材料是硅，所述第2材料是玻璃。
10.如权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于所述第1及第2材料是喷液头的构成部件，所述第2材料是具有作为贮存喷出用液体的贮存室的凹部的空腔基板，所述第1材料是被层叠在所述空腔基板的所述凹部底面上的多层膜。
11.一种喷液头，其特征在于通过权利要求10所述的方法形成液体材料贮存室而构成。
全文摘要
一种激光加工方法及喷液头，该激光加工方法是以从硅基板的端部突出的状态层叠金属薄膜在该硅基板的底面上的层叠部件的加工方法，将相对金属薄膜的光吸收率比相对硅基板的光吸收率高的波长的激光照射在硅基板端部与金属薄膜的边界部从而切断该金属薄膜。
文档编号B41J2/16GK1872483SQ200610094
公开日2006年12月6日 申请日期2003年11月14日 优先权日2002年11月15日
发明者泽木大辅, 岛田胜人, 梅津一成 申请人:精工爱普生株式会社