使用超短脉冲激光束的激光加工方法

专利名称：使用超短脉冲激光束的激光加工方法
技术领域：
本发明涉及一种使用超短脉冲激光束的激光加工法。
背景技术：
近几年，在激光工业中具有对能够以高精度精密加工工件的激光加工技术的需求。具体来说，使用短脉冲激光束的精密加工正在引起公众的注意。
各种需要此种精密加工的应用也正在增加。比如，其中一种应用就是用在喷墨头中的喷嘴板。随着目前打印速度的提高，喷墨打印机的图像质量的改善，喷嘴板的管嘴被缩小，需要高性能激光加工技术来生产高精度的微小喷嘴。
在微加工过程中，因为即使是加工精度的微小降低也会导致产品质量的显著下降，所以迫切需要提高加工精度。然而，传统的激光加工是一个热加工过程，被加工工件的加工部分被熔化，这样就很难获得想要的精度和形状。
考虑到这一点，本发明的发明人对在相对低频的情况下具有短脉冲宽度和高强度的激光脉冲的使用进行研究。结果，我们实现了一种使用超短脉冲激光束的加工工艺作为高精度激光加工技术，该激光束的振动脉冲宽度约为0.1ps到100ps。使用此种超短脉冲激光束的加工过程是冷加工过程，这样就能避免与热加工相关的上述问题。
然而，我们通过使用超短脉冲激光束来对实际工件进行加工发现，仅仅通过减少振动脉冲的宽度，工件表面将会粗糙并出现微米量级的不规则的突起。这种不规则表面和粗糙表面是不利的，因为它们降低了工件的质量。
具体来说，在喷墨头喷嘴板的喷嘴中出现的这种不规则表面或粗糙表面将堵塞墨水向喷嘴出口的流动。这样，在某些情况下，造成了墨水流动的不良扰动，因此使墨水释放方向发生偏离，或改变了预设的墨水释放速度。这样就会造成喷墨头喷嘴释放的墨滴落点的偏差，以及打印位置的偏差等，导致了打印缺陷等问题。因此，只是应用超短脉冲激光束会导致打印质量降低这样的问题。

发明内容
本发明的一个目的是用超短脉冲激光束减小工件的表面不规则度或表面粗糙度，来实现高质量的激光加工。
本发明的一种激光加工方法是这样一种激光加工方法，其包括用超短脉冲激光束加工金属工件的步骤，其中施加在工件的被加工面上的能量是300mJ/cm2或更大。
这样，被加工部分只有很少部分融化，并且被加工的部分瞬间蒸发，这样就减小了工件的表面粗糙度或表面不规则度。
优选地，工件包含有氧化物，该氧化物是氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；并且施加在工件被加工表面的能量是400mJ/cm2或更大。
优选地，气体以15pis或更大的吹气压力被吹到加工工件上。
优选地，工件包含氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；并且工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的数目是20或更少。
优选地，工件包含氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；施加在工件的加工表面的能量是400mJ/cm2或更大；并且气体以15psi或更大的吹气压力吹到工件的加工表面。
优选地，工件包含氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；施加在工件的加工表面的能量是300mJ/cm2或更大；并且工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的数目是20或更少。
优选地，工件包含氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的数目是20或更少；并且气体以15psi或更大的吹气压力被吹到工件加工表面。
优选地，工件包含氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；施加在工件加工表面的能量是300mJ/cm2或更多；工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的数目是20或更少；并且气体以15psi或更大的吹气压力被吹到工件加工表面。
本发明的另一种激光加工方法是这样一种激光加工方法，其包括用超短脉冲激光束来加工工件的步骤，其中，工件包含氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；施加在工件加工表面的能量是400mJ/cm2或更多。
这样，可以减小工件加工表面的粗糙度和不规则度。
并且气体优选地以15psi或更大的除气压力被吹到工件加工表面。
优选地，工件包含氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种，工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的数目是20或更少。
优选地，工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的数目是20或更少；并且气体以15psi或更大的吹气压力被吹到工件加工表面。
本发明的另外一个加工方法是这样一种激光加工方法，其包括使用超短脉冲激光束加工金属工件的步骤，其中气体以15psi或更大的吹气压力吹到工件的加工表面上。
这样，可以减小加工表面的粗糙度或不规则度。
优选地，工件包含氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的数目是20或更少。
本发明的另外一个加工方法是这样一种激光加工方法，其包括使用超短脉冲激光束加工工件的步骤，其中工件包含氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的数目是20或更少。
这样，可以减小工件加工表面的表面粗糙度或表面不规则度。
工件可以是喷墨头的喷嘴板。
这样，可以减小喷嘴板的喷嘴表面的表面粗糙度和表面不规则度，可以得到高质量的喷嘴板。
优选地，超短脉冲激光束的脉冲宽度为0.1ps到100ps。
这样，工件的融化被克服，可以进行有效的冷加工。
如果脉冲宽度是4ps或更大，在激光加工装置中应用的全息图(hologram)的限制被减少。因此，超短脉冲激光束的脉冲宽度较优选的为4ps或更大，并且更优选的是10到20ps。


图1是表示喷墨头一部分的剖面图。
图2是表示喷嘴板一部分的剖面图。
图3是表示激光加工装置的构造。
图4是被加工的喷嘴板一部分的放大透视图。
图5是表示加工能量和表面粗糙度最大值之间关系的曲线图。
图6是表示加工能量和突起数之间的关系的曲线图。
图7是表示在提供吹入气体的情况下进行的激光加工过程的示意图。
图8是表示吹入的气体压力和表面粗糙度最大值之间关系的曲线图。
图9是表示暴露在喷嘴板上的氧化物微粒的示图。
图10是表示氧化物数和突起数之间关系的曲线图。
具体实施例方式
下面将根据附图对本发明的一个实施例进行说明。
在本实施例中，本发明的一种激光加工方法被用来加工喷墨头上喷嘴板的喷嘴。
如图1所示，喷墨头1包括层压在一起的一个喷嘴板8，一个通过将多层不锈钢板层压获得的喷头本体4，一个光感玻璃制成的压力室形成板(pressure chamber forming plate)3，和一个压电执行元件2。喷嘴板8包括一个喷嘴9，尽管没有表示在图1中，喷嘴板8包括了多个垂直于图1的纸面方向排列的喷嘴9。
在喷墨头内提供有多个通过墨水通道7与各个喷嘴9连通的压力室6，和一个与压力室6相通的普通墨水压力室5。
如图2所示，喷嘴9的上部分呈锥形，其内径沿着向上的方向而增大，在下部为具有恒定内径的通孔。尽管喷嘴板8的形状和喷嘴9不局限于任何具体形状，作为例子，在适于使用的喷嘴板8和喷嘴9中，喷嘴板8的厚度L1为50μm，具有恒定内径的通孔的长度L2为10μm，通孔的内径d1为20μm，锥形部分的最大内径是85μm，并且锥角φ为80°。
图3表示使用超短脉冲激光束的激光加工装置10的结构。激光加工装置10包括用于输出脉冲宽度至少为0.1到100ps(皮秒)超短脉冲激光束的超短脉冲激光器11，一个光闸12，一个衰减器13，一个第一反射镜14，一个射束放大器15，一个PZT扫描镜16，一个衍射光栅DOE17，和一个远心镜18。这些元件按照这样的顺序排列。包括了相板21和偏光镜22的衰减器13的用来调整激光束20的强度，该激光束由超短脉冲激光器11发射出来。这样，激光加工装置10就构造成形，以便调整加工能量。
工件19按照下面描述的方法用激光加工装置10进行加工。从超短脉冲激光器11发射出的激光束20通过光闸12，随后通过衰减器13。激光束20穿过了衰减器13，被第一发射镜14反射并通过激光束放大器15放大到合适的倍数来形成平行光束。然后，该平行激光束20被PZT扫描镜16反射并穿过DOE17。该激光束20被DOE17衍射成为多个激光束。
衍射束通过远心镜18被会聚来垂直到达被加工工件19的表面，因此加工工件19。在加工工件19被加工时，可以通过移动扫描镜16使激光束相对于工件19移动。因此，加工位置可以通过移动扫描镜16来按需要进行调整，从而可以将工件19加工为需要的形状。
如上所述，利用本激光加工装置10，激光束20的强度可以用衰减器13来进行调整。在本实施例中，在加工实际的工件19之前，在工件19上安置一个功率表，并且根据功率表的测量结果来调整能量的水平。
接下来说明加工作为工件19的喷嘴板8并在其中形成喷嘴9的加工方法。
在本加工方法中，执行一个通过用激光束20来扫描喷嘴板8上表面的研磨过程来将喷嘴板8的一部分从上表面剥离。激光束20的扫描运动通过摆动扫描镜16来完成。
具体来讲，被激光束20照射的位置23以喷嘴9为圆心做圆周运动，如图4所示。重复激光束20的环形扫描，以便形成以喷嘴9为圆心的半径连续增大或缩小的圆环。随着加工的进行和打孔深度的增加，被激光束20扫描的圆周半径逐渐减小。这可以通过这样来完成，即在加工初始时将扫描镜16的摆动角设置得较大，然后随着加工的进行，逐渐减小摆动角。这样，形成了具有臼状锥形部分的喷嘴9。
在形成喷嘴9的锥形部分后，局部修整喷嘴9的中心部分，以形成具有恒定内径的通孔。
如上所述，喷嘴9形成在喷嘴板8中。需要注意的是，喷嘴板8被通过DOE17的衍射而得到的多个激光束20所照射，从而在单独的喷嘴板8上同时形成多个喷嘴9。
下面将描述加工方法的多个实施例。
实施例1在实施例1中，激光加工的进行是使用诸如不锈钢或镍等金属制成的喷嘴板作为工件。加工过程是利用多个加工能量级别来执行，以检查加工能量和加工表面的表面粗糙度之间的关系。实施例1的检查结果表示在图5中。
使用现有技术的加工方法，加工能量为大约80mJ/cm2。然而，在这种情况下，加工表面的表面粗糙度很明显，并且加工质量较低。考虑到这一点，本实施例中使用了比现有技术能量更高的加工能量级别。因此，业已发现加工表面的表面粗糙度可以通过增加加工能量来减少，举例来说，通过使用二倍于现有技术的加工能量级别。而且，据发现，被加工表面的表面粗糙度最大值，可以通过将加工能量设置在300mJ/cm2或更多来显著减少。而且也发现，当加工能量为300mJ/cm2或更高时，加工表面的表面粗糙度基本上保持在恒定的水平。
这样，当金属制成的喷嘴板被加工来在其中形成喷嘴的时候，通过将加工能量设置为300mJ/cm2或更大，可以减小表面粗糙度，从而获得高质量的喷嘴。通过按照上面所述的方法降低表面粗糙度，流过喷嘴的墨水流动更加平缓，并且墨水不良扰动的可能性也更少。而且，减小了由于喷嘴表面的粗糙度的墨水压力损失。因此，可以获得高性能的喷嘴。
通过提高喷嘴板中喷嘴的性能，墨水释放方向和墨水释放素速度获得所需的稳定行。因此，可以获得高性能的喷墨头，并且可以获得印刷位置精确、图像质量很高的印刷品。
实施例2在实施例2中，进行激光加工使用的工件是包含有氧化铝和氧化镁中的一种或两种都包括的喷嘴板。加工过程是用多个加工能量级别来进行，以检查加工能量和突起频率(“突起数目”)之间的关系。实施例2的检查结果表示在图6中。
图6表示了加工能量和加工表面上每10μm2突起数目之间的关系。从图6中可以看到，已发现通过将加工能量设置为大于现有技术的能量级别(大约80mJ/cm2)，可以显著减少喷嘴板的加工表面上的突起数目。而且，已发现通过把加工能量设置为400mJ/cm2或更大，突起数目在低水平上保持稳定。
这样，业已发现，包含氧化铝和氧化镁中一种或两种都包含的喷嘴被加工以在其中形成喷嘴，通过将加工能量设置在400mJ/cm2或更高，可以减小突起数目和表面粗糙度，从而获得高质量的喷嘴。因此，根据本实施例，可减小现有技术出现的喷嘴表面上的微米大小的突起状不规则度。这样就可以防止流经喷嘴的墨水流中的扰动，并使墨水流更加平缓。墨水释放方向和墨水释放速度变得稳定，并且可以获得印刷位置精确的高质量印刷品。
实施例3在实施例3中，在进行激光加工时同时向工件19吹气，如图7所示。加工能量被设置在大约400mJ/cm2。使用多个的吹气压力级别来进行加工，以便检验吹气压力和加工表面的表面粗糙度之间的关系。实施例3的检验结果显示在图8中。
图8表示了吹气压力和加工表面的表面粗糙度最大值之间的关系。从图8可以看到，已经发现，通过提供15psi或更大的吹气压力，喷嘴板表面粗糙度的最大值明显地下降。而且，业已发现，表面粗糙度的最大值在吹入气体压力为15psi或更大时，保持在基本稳定的状态。这主要是因为加工过程中产生的碎屑被空气强行去除，从而提高了去除碎屑的性能。因此，已经发现，通过在加工中向加工表面提供15psi或更大压力的空气，可以减少加工表面上突起的出现或表面粗糙度。
因此，在本实施例中，也可以获得高性能的喷墨头，并且获得如实施例1和实施例2的高质量的印品。
实施例4在实施例4中，更改了作为工件的喷嘴板材料的性质。
在实施例4中，喷嘴板包含氧化铝和氧化镁中的一种或两种作为氧化物。在本实施例中，调整了混合在喷嘴板中氧化物的量。在实施例4的实验中，所混合的氧化物的量对突起数目的影响将被检验.“氧化物数目”(喷嘴板8上每1000mm2任意横截面上暴露氧化物24的位置数目，如图9所示)被用做代表混合的氧化物量的参数。氧化物数目是通过使用现有技术中公知的图像处理技术来计算的。该检测结果表示在图10中。
如图10中可以观察到的，已发现通过设置所要混合的氧化物的量，使得氧化物数目为20或更少，可以显著减少喷嘴中突起的出现。
这样，通过将氧化物数目设置为20或更少，就可以获得高质量的喷墨头，并得到如实施例1到3的高质量的印品。
本发明并不局限于实施例或上述的第一到第四实施例，在不偏离其实质和主要特征的情况下，可以用多种其他方式实现。结合使用第一到第四实施例可以获得更好的加工性能。
这样，上述实施例只是用来说明各个方面，并不应该被看作是范围的限制。本发明的范围是由所附的权利要求来确定，并且不应被限制为上述的说明。并且，任何与权利要求范围等同的变型和/或修改都落入发明的范围内。
权利要求
1.一种激光加工方法，包括利用超短脉冲激光束来加工由金属制成的工件的步骤，其中施加在工件加工表面上的能量为300mJ/cm2或更大。
2.如权利要求1所述的激光加工方法，其中所述工件是喷墨头的喷嘴板。
3.如权利要求1所述的激光加工方法，其中超短脉冲激光束的脉冲宽度是0.1ps到100ps。
4.如权利要求1所述的激光加工方法，其中工件包含有氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；并且施加在工件的被加工表面上的能量为400mJ/cm2或更多。
5.如权利要求1所述的激光加工方法，其中气体以15psi或更大的吹气压力被吹到被加工的工件上。
6.如权利要求1所述的激光加工方法，其中工件包含有氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；并且工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置数目是20或更少。
7.如权利要求1所述的激光加工方法，其中；工件包含有氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；施加在工件的被加工表面上的能量为400mJ/cm2或更多；并且气体以15psi或更大的吹气压力被吹到工件上。
8.如权利要求1所述的激光加工方法，其中工件包含有氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；施加在工件的被加工表面上的能量为300mJ/cm2或更大；并且工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置数目是20或更少。
9.如权利要求1所述的激光加工方法，其中工件包含有氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置数目是20或更少；并且气体以15psi或更大的吹气压力被吹到工件上。
10.如权利要求1所述的激光加工方法，其中工件包含有氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；施加在工件的被加工表面上的能量为300mJ/cm2或更大；工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置数目是20或更少；并且气体以15psi或更大的吹气压力被吹到工件上。
11.一种激光加工方法，其包括利用超短脉冲激光束加工工件的步骤，其中工件包含有氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；并且施加在工件的被加工表面上的能量为400mJ/cm2或更多。
12.如权利要求11所述的激光加工方法，其中所述工件是喷墨头的喷嘴板。
13.如权利要求11所述的激光加工方法，其中超短脉冲激光束的脉冲宽度为0.1ps到100ps。
14.如权利要求11所述的激光加工方法，其中气体以15psi或更大的吹气压力被吹到被加工工件上。
15.如权利要求11所述的激光加工方法，其中工件包含有氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；并且工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置数目是20或更少。
16.如权利要求11所述的激光加工方法，其中；工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置数目是20或更少；并且气体以15psi或更大的吹气压力被吹到被加工工件上。
17.一种激光加工方法，其包括用超短脉冲激光束加工由金属制成的工件的步骤，其中气体以15psi或更大的吹气压力被吹到被加工工件上。
18.如权利要求17所述的激光加工方法，其中所述工件为喷墨头上的喷嘴板。
19.如权利要求17所述的激光加工方法，其中超短脉冲激光束的脉冲宽度为0.1到100ps。
20.如权利要求17所述的激光加工方法，其中；工件包含有氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；并且工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置数目是20或更少。
21.一种激光加工方法，其包括利用超短脉冲激光束来加工工件的步骤，其中工件包含有氧化物，该氧化物包括氧化铝和氧化镁中的一种或全部两种；工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置数目是20或更少。
22.如权利要求21所述的激光加工法，其中所述工件为喷墨头的喷嘴。
23.如权利要求21所述的激光加工法，其中超短脉冲激光束的脉冲宽度为0.1ps到100ps。
全文摘要
一种激光加工装置(10)包括用来输出脉冲宽度为0.1ps到100ps的激光束的超短脉冲激光器(11)，和用来调整激光束能量的衰减器(13)。通过使用加工能量为300mJ/cm
文档编号B23K26/00GK1655937SQ0381168
公开日2005年8月17日 申请日期2003年5月15日 优先权日2002年5月23日
发明者丰福洋介, 水山洋右 申请人:松下电器产业株式会社