專利名稱：噴墨噴嘴和用于噴墨噴嘴的激光鉆孔工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總地來說涉及激光鉆孔，特別涉及切削噴墨噴嘴中可重復的出口孔的方法。
背景技術：
自從激光發(fā)明以來，使用脈沖式激光源進行材料切除就一直備受關注。二十世紀八十年代初，紫外受激準分子激光輻射技術在聚合物刻蝕方面的應用，導致了激光微加工領域的進一步發(fā)展，通過激光鉆孔、切削、重復等工藝，可以加工更小尺寸的零件。最近，一篇名為“短脈沖激光精密鉆孔”的文章(作者X.Chen與F.Tomoo，發(fā)表于2000年SPIE卷3888——“大功率激光加工制造”)對當今微加工領域的一些關鍵問題進行了綜述。此外，還有如下相關專利美國專利“具有加熱芯片噴墨過濾器的噴墨打印頭”(專利號6,260,957)提到一種利用微加工和激光鉆孔加工而成的硅噴墨過濾器，用于噴墨打印頭的加熱芯片上。這樣一個加熱芯片包括多個過濾器，可用于多個噴墨打印頭的噴嘴。過濾器的構造包括一個微加工形成的噴墨入口區(qū)域，以及多個激光鉆孔加工的出口孔。在進行微加工和激光鉆孔之前，需要在加熱器芯片基底上設置保護層。
美國專利“噴嘴以及形成噴嘴的方法和裝置”(專利號6,089,698)提到先將噴嘴板與打印機主體鍵合在一起，然后通過激光切除的方法形成用于噴墨打印機的噴嘴。激光束在噴嘴板前端會聚為一點，從而在朝向出口位置處形成錐形噴嘴。在聚焦棱鏡前放置第一和第二激光束掩模，其位置在棱鏡中分別與噴嘴的入口和出口相對應，噴嘴的入口和出口的形狀不同。噴嘴中心平面用于控制墨滴的彎月面，以及避免噴射出的墨滴受到來自噴嘴壁的側(cè)向力。
美國專利“使用吸光涂層和可熔化銅控制出口孔再沉淀和直徑變化的方法”(專利號6,023,041)提到一種在層疊基底上加工通孔的方法。這種方法首先在層疊基底的底面上涂覆一層聚合物吸光層，然后使用激光在基底的頂面和底面之間鉆通孔，最后去除基底底面上形成的吸光層。
歐洲專利“噴墨打印頭噴嘴板”(專利號EP0867294)提到一種在包含噴嘴層和粘附層的合成帶上制造加工噴墨打印頭噴嘴板的方法。這種方法首先在合成帶上涂覆一層聚合物犧牲層和一層粘接層，然后激光去除合成帶的流動零件。此外，該專利還提供了一種改善粘接層與犧牲層之間的粘接性能的方法。一旦準備了包含犧牲層的合成帶，然后激光去除涂覆的合成帶，以形成帶中的流動零件，從而形成噴嘴板。在形成流動零件之后，去除犧牲層。通過使用激光將噴嘴板分開，可以從合成帶上分離出單個噴墨打印頭噴嘴板。
美國專利“具有激光切割局部成型噴墨孔的噴墨打印頭及其加工方法”(專利號5,548,894)提到一種制造噴墨打印頭的方法，利用這種方法制造的噴墨打印頭包括具有噴墨腔的噴墨腔組件，以及固定到噴墨腔組件的前端面的噴嘴板，噴嘴板具有和各個噴嘴腔相連的噴墨孔，其中通過注模的方法形成噴嘴板的間隔，這樣在間隔的一個對面上形成多個盲孔，每個盲孔的橫截面積沿端面向著對面的方向逐漸減少。利用激光切割噴嘴板間隔形成噴嘴板，噴嘴板上的小孔與該盲孔一起就形成了噴墨孔。為保證噴噴墨腔與噴墨孔的連接，每個盲孔起始端的尺寸較佳地小于噴墨腔末端的尺寸。
超快激光可以持續(xù)產(chǎn)生約10-11秒(10皮秒)至10-14秒(10飛秒)的強烈激光脈沖，而短脈沖激光產(chǎn)生的強烈激光脈沖則可以持續(xù)大約10-10秒(100皮秒)至10-11秒(10皮秒)。這意味著超快激光和短脈沖激光在醫(yī)療、化學和通訊等領域有著廣泛的應用前景。除此之外，短脈沖激光更可以用于對多種材料進行切削、鉆孔。從某種意義上講，亞微米級別的孔的加工變得非常容易。另外，還可以使用激光在硬質(zhì)材料上加工深寬比高的孔，這樣的應用包括加工渦輪葉片的冷卻通道、噴墨打印機噴嘴以及印刷電路板上的通孔等。
在制造業(yè)質(zhì)量控制中，如何實現(xiàn)可重復孔的形狀，并使其嚴格符合產(chǎn)品規(guī)范，這一點是非常重要的。激光系統(tǒng)就具有這樣的靈活性。在激光加工方面，工程師或者用戶首先設計二維或三維結構，然后利用程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為數(shù)字控制，實現(xiàn)對激光的適時操控。然而，隨著結構特征尺寸的不斷降低，開展微加工產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)變得越來越困難，特別是能夠快速加工、并且節(jié)省成本，同時還能始終如一地滿足產(chǎn)品的規(guī)范要求。
影響噴墨打印機質(zhì)量的關鍵因素是噴嘴設計、施工技術以及操作。噴嘴設計中往往需要在上述材料中加工多個孔，并且每個噴嘴孔還具有成型的截面和出口孔。這些出口孔是控制墨滴從噴墨打印機噴嘴噴出的關鍵所在。任何缺陷都會導致打印機的質(zhì)量問題。如果噴出的墨滴不一致，打印機的質(zhì)量就會大大降低。
噴嘴孔的加工是噴墨打印機制造中的一個重要問題。加工具有特定幾何形狀的噴嘴孔，并測量其尺寸(包括入口半徑、出口半徑、出口孔深、錐形角等)和形狀(圓柱形出口孔的錐度等)，這些對于控制打印機的質(zhì)量以及最終的實際使用來說，都是至關重要的。同時，制造噴嘴的過程中還必須提供激光工具的操作方法、對材料進行控制以及對最終尺寸和形狀進行檢測，判斷其是否滿足重復性要求，這樣才能保證大批量生產(chǎn)的一致性。
相對其他鉆孔方法而言，盡管激光鉆孔方法具有很多優(yōu)點，但仍避免不了產(chǎn)品缺陷這一問題。目前，利用皮秒激光鉆孔系統(tǒng)加工出的產(chǎn)品仍然會產(chǎn)生毛刺、凹口等缺陷。由于出口孔的尺寸和平整性對于噴嘴性能來說非常關鍵，因此出口孔上的缺陷危害更大，比如會限制墨滴的高速噴出、改變墨滴位置或者導致墨滴重復等，這些都會使打印機的質(zhì)量大大降低。當前激光鉆孔技術多采用短脈沖、低能量的激光，通過傳統(tǒng)加工方法(切割圓形圖案、去除中心材料來形成孔)形成出口孔，這也會導致在圓柱形出口孔各個面上產(chǎn)生不可預知的缺陷。正如上面所提到的那樣，這些毛刺、凹口會對打印機質(zhì)量產(chǎn)生負面影響，在加工過程應盡量避免。出于這樣的考慮，在激光鉆孔過程中人們需要一種方法來減小缺陷，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性。針對這點，本發(fā)明提供了一種解決方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，一種在用于制造噴墨噴嘴的工件中激光鉆孔的方法包括起初使用激光束在一點上照射該工件的表面，該點位于所需孔的外周界內(nèi)并且到外周界的距離足以避免初步切除外周界。以可變速率在外周界方向上移動激光束，并控制可變速率以避免外周界變形。根據(jù)可以充分去除外周界內(nèi)的材料的圖形切除工件的材料，從而形成孔。
本發(fā)明具有許多優(yōu)點?？偟貋碚f提高了噴墨打印機的打印質(zhì)量，并且還提高了制造噴墨噴嘴的質(zhì)量和一致性。對噴墨噴嘴孔的激光鉆孔過程中產(chǎn)生的缺陷變得最小。不會產(chǎn)生用于噴墨噴嘴中的可重復出口孔的凹口。相對常規(guī)的激光鉆孔系統(tǒng)而言，本發(fā)明提出的方法和系統(tǒng)可以在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)，在很多情況下甚至無需任何附加工具。因此，本發(fā)明幾乎不會增加現(xiàn)有產(chǎn)品的成本。
本發(fā)明可以應用于許多領域，這一點從后面的詳細描述中可以看出。應當理解，盡管展示了本發(fā)明的較佳實施例，但是詳細說明和特定示例僅僅用于展示目的，而不用于限制本發(fā)明的范圍。


通過下面的詳細說明和附圖可以更完整地理解本發(fā)明，這些附圖中圖1是激光鉆孔系統(tǒng)的示意圖；圖2示出了激光鉆孔系統(tǒng)加工出的示例性工件幾何形狀的橫截面；
圖3示出了傳統(tǒng)穿孔技術加工的出口孔；圖4示出了傳統(tǒng)穿孔技術加工噴墨噴嘴出口孔的現(xiàn)有技術方法；圖5提供了具有凹口問題的噴墨噴嘴孔的照片；圖6示出了沖孔和螺旋技術加工的出口孔；圖7示出了沖孔和螺旋技術加工噴墨噴嘴出口孔的方法；圖8示出了沖孔和慢循環(huán)技術加工的出口孔；圖9示出了沖孔和慢循環(huán)技術加工噴墨噴嘴出口孔的方法；圖10示出了雙通道穿孔技術加工的出口孔；圖11示出了雙通道穿孔技術加工噴墨噴嘴出口孔的方法；圖12提供了噴墨打印機主要組成部件的透視圖；和圖13是噴墨打印頭橫截面的示意圖。
具體實施例方式
下面對于較佳實施例的說明僅僅是示例性的，并不用于限制本發(fā)明、本發(fā)明的應用或使用。
總地來說，本發(fā)明的第一實施例提供了一種制造滿足形狀要求的可重復出口孔的方法。這種方法首先使用激光鉆孔系統(tǒng)在工件上加工一個半徑為A的通孔，且A小于出口孔的半徑B；再將激光移至出口孔直徑，沿出口孔直徑進行圓周運動來進行加工。在本發(fā)明的另一個實施例中，首先從孔中去除初始質(zhì)量X，該質(zhì)量小于最終從孔中去除的總質(zhì)量Y，然后再去除剩余質(zhì)量Y-X。在執(zhí)行所有的切除操作時，實際切除的邊界和理想切除的邊界(激光切除產(chǎn)生的邊界)之間需基本滿足一致性要求，也就是說在預定的閾值(如果公差沿著周長變化，則是閾值函數(shù))范圍內(nèi)。這樣才能滿足產(chǎn)品的加工規(guī)范要求，特別是滿足出口孔或其他孔的質(zhì)量性能要求。
圍繞“金槍魚罐頭效應”產(chǎn)生的原因——也就是出口孔里產(chǎn)生單個毛刺或凹口的原因，兩個實施例采用了兩種截然不同的分析。第一種分析表明，當激光束首先穿透出口孔周界上某一點時，出口孔里就會有毛刺或者凹口產(chǎn)生。因此，第一個實施例通過控制穿透發(fā)生的位置不在周界上(例如在已加工的出口孔直徑范圍內(nèi)的一點)來消除凹口。第二種分析表明，激光束加工出口孔時會逐漸從出口孔一定范圍的截面上去除材料，被去除的材料聚集在一起，會導致出口孔不均勻的裂變或者凹口。因此在第二個實施例中，在完成最后的步驟之前要先從出口孔去除材料；這樣，當加工出口孔至最終直徑時，減少了被去除材料的聚集，從而減小凹口的尺寸直至最終消除。在兩個實施例中，材料去除率是通過切割激光束進行切割時工件上材料的去除率來定義的；另外，穿透孔在被去除材料上的位置也需要進行定義，該位置距周界一定距離，這樣當切割激光束在工件上切割一個定位孔時，材料去除率和激光最小畸變的點尺寸應小于閾值(規(guī)定為切除邊緣缺陷的公差)；激光束路徑距離周界足夠的距離，這樣當切割激光束逐漸切割工件時，材料去除率和切除邊緣最小畸變的點尺寸應小于預定的閾值；當切割激光束沿路徑移動時，需要定義激光束進度率函數(shù)，它是激光束位置的函數(shù)，當切割激光束逐漸切割工件時，材料去除率和光點尺寸使切除邊緣的變形最小，并小于預定的閾值。
下面介紹具體實施例。圖1是激光鉆孔系統(tǒng)100的簡單示意圖，包括激光器105、光束107、第一反射鏡108、第二反射鏡117、第三反射鏡121、第四反射鏡122、快門110、衰減器115、擴束器120、旋轉(zhuǎn)半波片125、掃描反射鏡130、掃描棱鏡140和工件155，相互位置如圖所示。在一個實施例中，激光器105是一個皮秒激光系統(tǒng)。
操作時，激光器105發(fā)射光束107沿激光器105和工件155之間的光路傳播，光束107沿著光路傳播，入射到第一反射鏡108。第一反射鏡108改變光束107的傳播方向，使其繼續(xù)沿光路傳播，入射到快門110?？扉T110開和關，以有選擇地照射工件材料。光束107離開快門110沿光路傳播，到達衰減器115。衰減器115對激光器105的能量進行過濾，實現(xiàn)對去除參數(shù)的精確控制。光束107離開衰減器115沿光路傳播，入射到第二反射鏡117。第二反射鏡117改變光束107的方向，使其繼續(xù)沿光路傳播，入射到擴束器120。
擴束器120將光束107的尺寸增大，與掃描棱鏡140光瞳的大小相匹配。光束107離開擴束器120沿光路傳播，入射到第三反射鏡121。第三反射鏡121改變光束107的方向，使其繼續(xù)沿光路傳播，入射到第四反射鏡122。第四反射鏡122改變光束107的方向，使其繼續(xù)沿光路傳播，入射到旋轉(zhuǎn)半波片125。旋轉(zhuǎn)半波片125改變光束107的偏振態(tài)。光束107離開旋轉(zhuǎn)半波片125后沿光路傳播，入射到掃描反射鏡130。
控制計算機(圖中未示出但應該是明顯的)執(zhí)行適時的鉆孔算法，使掃描反射鏡130按照預定的圖案移動，從而對工件155進行鉆孔加工。掃描反射鏡130改變光束107的方向，使其繼續(xù)沿光路傳播，入射到掃描棱鏡140。掃描棱鏡140決定了光束107在工件155上的光點大小。光束107離開掃描棱鏡140沿光路傳播，入射到工件155。光束107按照預先定義的鉆孔算法對工件155進行切割，形成圖形。所確定的鉆孔算法通過計算機(圖中未示出)傳送到激光鉆孔系統(tǒng)100。同時該計算機還根據(jù)在鉆孔算法中指定的參數(shù)向快門110和掃描反射鏡130發(fā)送信號。
圖2是工件幾何形狀200的橫截面示意圖，包括工件155、外圍直徑260、出口孔直徑280和出口孔深290。
工件幾何形狀200是噴墨噴嘴內(nèi)部一個錐形孔的橫截面，這個錐形孔可以通過激光鉆孔系統(tǒng)100加工而成。但是，這里的工件幾何形狀200只是一個實施例，本發(fā)明并不局限于使用這種形狀。
工件幾何形狀200的特定參數(shù)，包括外圍直徑260、出口孔直徑280和出口孔深290，都是根據(jù)墨盒生產(chǎn)商的要求制定的。
現(xiàn)在考慮現(xiàn)有技術，圖3和圖4所示是一種采用傳統(tǒng)穿孔技術加工噴墨噴嘴出口孔的現(xiàn)有技術方法。圖3所示出口孔300，是通過圖4所示的傳統(tǒng)穿孔技術加工而成的，包括激光束路徑310和周界320。周界320是以出口孔300的中心點測量的半徑來定義的。
為保證加工的清晰度，激光束路徑310與周徑320之間的距離最大可至20微米，但實際中這個距離是由光束107的光點尺寸以及切除率(一定時間內(nèi)光束107去除的材料數(shù))決定的，以實現(xiàn)預定的工件幾何形狀。
圖4所示是一種采用傳統(tǒng)穿孔技術加工噴墨噴嘴出口孔的方法400，包括以下步驟步驟410降低光束107的側(cè)向速度(角速度的標量部分)。相對于加工成型孔時的速度，側(cè)向速度要降低近50％～90％。使用較低的速度來完成圓柱形出口孔300的加工，可以獲得更好的圓孔形狀。在一個實施例中，噴嘴孔和圓柱形出口孔300按照如圖2所示的工件幾何形狀200成型。
步驟420在出口孔周界上穿孔。光束107沿周界320反復做圓周運動，直至去除掉足夠的材料，導致激光束路徑310內(nèi)的材料分離，最終加工出一個半徑滿足預定工件幾何形狀要求的出口孔300。
圖5所示是具有凹口問題的噴墨噴嘴孔的照片。從中可以看出噴墨噴嘴孔在實際加工后的結果，也就是說，依照上述現(xiàn)有技術方法加工的出口孔502內(nèi)會產(chǎn)生凹口501。
現(xiàn)在介紹本發(fā)明的具體實施例，在定義了如何在工件155上鉆出形狀的切削算法中加入了關鍵改進。
如前所述，本發(fā)明著重考慮如何使用激光鉆孔系統(tǒng)制造可重復出口孔，并使其滿足一定的形狀要求。考慮的出發(fā)點都是圍繞著為解釋“沙丁魚罐頭效應”——也就是說加工完成的出口孔里出現(xiàn)單個毛刺或凹口——的產(chǎn)生原因而提出的兩種截然不同的分析。
第一點考慮是消除由于光束107初始“穿透”(當光束107到達工件155最深處時即為初始穿透)出口孔周界上的材料而導致出口孔內(nèi)的毛刺或凹口。通過控制穿透發(fā)生的位置不在周界上(例如在已加工的出口孔直徑范圍內(nèi)的一點)，來消除凹口。
光束107加工出口孔時，逐漸從出口孔一定范圍內(nèi)的截面上去除材料，被去除的材料聚集在一起，最終會導致出口孔不均勻的裂變或者凹口。第二點考慮就是如何消除這部分毛刺或凹口。這種方法在完成最后的步驟之前，先從出口孔去除一部分材料，這樣加工出口孔至最終直徑時，減少了被去除材料的聚集，從而減小了凹口的尺寸直至最終消除。
進一步，圖6和圖7所示是一種采用沖孔和螺旋技術加工噴墨噴嘴出口孔的方法。圖6所示出口孔600，是通過圖7所示的沖孔和螺旋技術加工而成的，包括起始點610、激光束路徑620以及周界630。
為保證加工的清晰度，激光束路徑620和周界630之間的距離最大可至20微米，但實際中這個距離是由光束107的光點尺寸以及切除率(一定時間內(nèi)光束107去除的材料數(shù))決定，以實現(xiàn)預定的工件幾何形狀。
圖7所示是一種采用沖孔和螺旋技術加工噴墨噴嘴出口孔的方法700。
步驟710穿透工件出口孔中心。將光束107聚焦于出口孔600的中心處，直至穿透工件155。
步驟720螺旋向外至出口孔周界。光束107從起始點610中心開始，沿激光束路徑620以0.1秒/轉(zhuǎn)～1秒/轉(zhuǎn)的速度螺旋向外，直至出口孔周界630。光束107在螺旋向外的過程中會去除工件155的材料，導致激光束路徑620內(nèi)的材料分離，出口孔600逐漸擴大，直至光束107到達周界630。
步驟730沿出口孔周界做圓周運動。光束107以0.1秒/轉(zhuǎn)～1秒/轉(zhuǎn)的速度沿周界630做圓周運動，加工出具有圓形周界630的出口孔600。
光束107的瞬時進度率分別與光束107的位置以及定義周界630的軌跡上的點有關，并沿周界630連續(xù)變化；激光束路徑是光束107位置相對周界630的一個函數(shù)；加工中，按照進度率函數(shù)執(zhí)行步驟720和730，沿激光束路徑移動光束107進行切割。這樣，當切割光束107逐漸切割噴嘴板體時，材料去除率和出口孔600邊界上激光最小畸變的點尺寸應該小于一個預定的閾值。對于工件115特殊的設計，首先應根據(jù)經(jīng)驗確定該函數(shù)，然后編寫光束107控制程序，或者指導操作人員對光束107進行操縱。其他實施例中還將該函數(shù)融入到控制電路或機械凸輪的設計中。
采用方法700進行出口孔600的最終加工時，由于光束107發(fā)生穿透破壞的位置遠離周界630，因此可以消除由此產(chǎn)生的毛刺或凹口。
圖8和圖9所示是一種采用沖孔和慢環(huán)繞技術加工噴墨噴嘴出口孔的方法。圖8所示出口孔800，是通過圖9所示的沖孔和慢環(huán)繞技術加工而成的，包括起始點810、激光束路徑820以及周界830。
為保證加工的清晰度，激光束路徑820和周界830之間的距離最大可至20微米，但實際中這個距離由光束107的光點尺寸以及切除率(在一定時間內(nèi)光束107去除的材料數(shù))決定，以實現(xiàn)預定的工件幾何形狀。
圖9所示是一種采用沖孔和慢環(huán)繞技術加工噴墨噴嘴出口孔的方法900。
步驟910在出口孔周界內(nèi)穿透工件。將光束107聚焦于起始點810并穿透工件155，起始點810位于出口孔800的周界830內(nèi)。
步驟920操縱激光束至出口孔周界上一點。從起始點810開始，操作光束107至周界830上一點。
步驟930沿出口孔周界慢速做圓周運動。光束107以0.1秒/轉(zhuǎn)～1秒/轉(zhuǎn)的速度沿周界830慢速做圓周運動，直至去除足夠的材料，導致激光束路徑820內(nèi)的材料分離。最終結果是出口孔800的半徑滿足預定的工件幾何形狀的要求，并且精度在閾值定義的公差范圍內(nèi)。保持激光束路徑820連續(xù)，直到光束107沿出口孔周界830環(huán)繞360度。
采用方法900進行出口孔800的最終加工時，由于光束107發(fā)生穿透破壞的位置遠離周界830，因此可以消除由此產(chǎn)生的毛刺或凹口。
圖10和圖11展示了又一個實施例，其中所示是一種采用雙通道穿孔技術加工噴墨噴嘴出口孔的方法。圖10所示出口孔1000，是通過圖11所示的雙通道穿孔技術加工而成的，包括激光束路徑1010、激光束路徑1020以及周界1030。
圖11所示是一種采用雙通道穿孔技術加工噴墨噴嘴出口孔的方法1100，包括以下步驟步驟1110在出口孔周界內(nèi)鉆孔。光束107以0.1秒/轉(zhuǎn)～1秒/轉(zhuǎn)的速度沿激光束路徑1010反復做圓周運動，直至去除足夠的材料，導致激光束路徑1010內(nèi)的材料分離。
步驟1120在出口孔周界上鉆孔。光束107以0.1秒/轉(zhuǎn)～1秒/轉(zhuǎn)的速度沿周界1030反復做圓周運動，直至去除足夠的材料，導致激光束路徑1020內(nèi)的材料分離。最終結果是出口孔1000的半徑滿足預定的工件幾何形狀的要求。
方法1100中，由于在完成最后的加工之前先從出口孔1000內(nèi)去除掉一部分材料，消除了由于出口孔1000材料聚集而造成的毛刺或凹口。這樣，當最終完成出口孔1000的加工時，減少了被去除材料的聚集，從而減小凹口的尺寸直至最終消除。
另一個實施例還對上述方法進行了擴展首先在噴嘴板體的激光束離開表面上提供一層可刻蝕材料；控制對上述噴嘴板體進行連續(xù)切除，直至噴嘴板體與可蝕刻材料的分界面；在切割激光束完全通過激光束路徑后，再將這層可蝕刻材料蝕刻掉(參照本專利發(fā)明背景部分所引用的美國專利6,023,041和歐洲專利EP0867294)。
圖12和圖13詳細說明了如何利用本發(fā)明提出的激光鉆孔系統(tǒng)制造噴墨打印頭的噴嘴板。
如圖12所示，噴墨打印機1240具有噴墨打印頭1241，噴墨打印頭1241能通過壓力發(fā)生器在記錄介質(zhì)1242上進行記錄。噴墨打印頭1241射出的墨滴沉積在記錄介質(zhì)1242上，就像復寫紙一樣能夠在記錄介質(zhì)1242上進行記錄。噴墨打印頭1241安放在托架1244上，并能夠沿著托架軸1243往復移動。更確切地說，噴墨打印頭1241能沿著平行于托架軸1243的第一掃描方向X往復移動。通過滾筒1245沿第二掃描方向Y適時傳送記錄介質(zhì)1242，這樣，噴墨打印頭1241和記錄介質(zhì)1242之間就可以通過滾筒1245進行相對移動。
圖13顯示了噴墨打印頭1241的具體構造。在本實施例中，壓力發(fā)生器1304較佳地是一個壓電系統(tǒng)、熱系統(tǒng)和/或等效系統(tǒng)。在此實施例中，壓力發(fā)生器1304是一個壓電系統(tǒng)，它包括上電極1301、壓電單元1302和下電極1303。噴嘴板1314(工件155的具體實例)包括噴嘴基片1312和防水層1313兩部分。噴嘴基片1312由金屬、樹脂和/或等效材料構成。防水層由氟樹脂或者硅樹脂構成。在本實施例中，噴嘴基片1312由50微米厚的不銹鋼構成，防水層由0.1微米厚的氟樹脂構成。噴墨充滿噴墨供應通道1309、壓力腔1305、噴墨通道1311以及噴嘴1310中。當壓力發(fā)生器1304產(chǎn)生推力作用于壓力腔組件1306時，墨滴1320便從噴嘴1310噴射而出。
利用本發(fā)明可以制造性能良好的噴嘴，而且制造過程不會在噴嘴板上引入閃光或者雜質(zhì)(例如碳等)。同時，噴嘴出口直徑的精度可以達到20±1.5微米(對于20微米直徑噴嘴的出口面周界與切除邊緣之間的較佳的預定可接受公差閾值)。
如前所述，本發(fā)明提供了從工件進行部分去除的系統(tǒng)與方法，該方法采用具有特殊用途的激光切割工具，可以用于噴墨噴嘴出口孔的鉆孔加工。盡管本發(fā)明以當前較佳的形式進行了說明，但是可以理解，在不背離附加權利要求提出的本發(fā)明的精神的情況下，本發(fā)明可以包含多種修改。
本發(fā)明的說明僅僅是示例性的，因此，可以認為不背離本發(fā)明要旨的變化包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。不應當認為這種變化超出了本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種在用于制造噴墨噴嘴的工件中激光鉆孔的方法，包括起初使用激光束在一點上照射該工件的表面，該點位于所需孔的外周界內(nèi)并且到外周界的距離足以避免初步切除外周界；以為了避免外周界的變形而進行控制的可變速率在外周界方向上移動激光束；和根據(jù)可以充分去除外周界內(nèi)的材料的圖形切除工件的材料，從而形成孔。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，包括計算作為工件材料切除率和激光束光點尺寸的函數(shù)的最小距離；和起初使用激光束在一點上照射該工件的表面，該點位于所需孔的外周界內(nèi)并且到外周界的距離至少為所述最小距離。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，包括通過實驗方法確定當使用激光束照射時包括工件的材料的切除率。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，包括在類似鉆孔操作基礎上通過實驗確定在外周界內(nèi)初始照射工件表面的安全區(qū)域；和在經(jīng)過實驗確定的安全區(qū)域內(nèi)的一點上使用激光束初始照射工件表面。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所需孔對應于出口孔，該方法包括在出口孔的中心點處穿透工件；使激光束向外呈螺旋形到達出口孔的周界；在出口孔的周界處使激光作圓周運動。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所需孔對應于出口孔，該方法包括在出口孔的周界內(nèi)的一點穿透工件；以第一速度操縱激光束至出口孔的周界上的一點；和使激光以低于第一速度的第二速度沿出口孔的周界作圓周運動。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所需孔對應于出口孔，包括以小于出口孔的周界的直徑穿孔；和在出口孔的周界上穿孔。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所需孔對應于噴墨噴嘴的出口孔。
9.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中工件對應于噴墨打印頭的噴嘴板。
10.一種制造噴墨打印頭的方法，包括根據(jù)權利要求9所述的方法在工件上形成孔；連接所述工件到具有墨水通道、壓力腔和壓力發(fā)生器的噴墨打印頭體。
11.一種使用激光切割工具從工件上去除一部分的方法，所述部分具有定義了所述部分的外邊界以及所述工件上相對應的去除邊界的預定周界，所述激光切割工具提供具有光點尺寸的切割光束，所述方法包括以下步驟確定所述切割光束切割所述工件的材料切除率；定義位于所述部分內(nèi)并且到周界具有一定距離的穿孔位置，使得當所述切割光束在所述工件上切割定位孔時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述切割邊界上的變形最小，并小于預定閾值；定義距所述周界具有一定距離的激光束路徑，使得當所述切割光束逐漸切割所述工件時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述切割邊界上的變形最小，并小于預定閾值；定義沿著光束路徑移動所述切割光束的光束進度率函數(shù)，該光束進度率函數(shù)是所述光束相對于所述周界的位置的函數(shù)，使得當所述切割光束逐漸切割工件時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述切割邊界上的變形最小，并小于預定閾值；和運行所述激光工具在所述穿孔位置處穿孔，接著根據(jù)所述進度率函數(shù)沿所述光束路徑連續(xù)切割所述工件，這樣，當所述切割光束經(jīng)過所述光束路徑后，將所述部分從所述工件上切除下來。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述光束路徑提供了會聚性的材料去除，這樣所述切割光束從所述部分內(nèi)逐漸去除所述材料。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中通過如下步驟實現(xiàn)會聚性的材料去除去除所述部分的一部分；和逐漸去除所述部分內(nèi)的剩余部分，直至會聚到所述周界。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中使用螺旋前進的光束路徑實現(xiàn)去除。
15.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述光束根據(jù)穿孔的進度而移動。
16.根據(jù)權利要求11所述的方法，進一步包括提供適時控制計算機來操作所述激光切割工具；對所述計算機編程，以根據(jù)所述穿孔位置、所述光束路徑和所述光束進度率函數(shù)控制所述切割光束。
17.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述工件具有一個光束入口面和一個光束出口面，進一步包括以下步驟在所述工件的光束出口面上安放一層可刻蝕材料；控制所述連續(xù)切割，以穿過所述工件切割至所述工件和所述可刻蝕材料的分界面；和在所述切割光束完全通過所述激光束路徑后，刻蝕掉所述可刻蝕材料。
18.一種使用激光切割工具在噴墨噴嘴的噴嘴板體中切割出口孔的方法，所述孔具有定義了所述噴嘴板體中所述孔的邊緣的位置的預定周界，所述激光切割工具提供具有光點尺寸的切割光束，所述方法包括以下步驟確定所述切割光束切割所述噴嘴板體的材料切除率；定義位于所述噴嘴板體內(nèi)并且到周界具有一定距離的穿孔位置，使得當所述切割光束在所述噴嘴板體上切割定位孔時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述邊緣的變形最小，并小于預定閾值；定義距所述周界具有一定距離的激光束路徑，使得當所述切割光束逐漸切割所述噴嘴板體時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述邊緣上的變形最小，并小于預定閾值；定義沿著光束路徑移動所述切割光束的光束進度率函數(shù)，該光束進度率函數(shù)是所述光束相對于所述周界的位置的函數(shù)，使得當所述切割光束逐漸切割噴嘴板體時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述邊緣的變形最小，并小于預定閾值；和運行所述激光工具在所述穿孔位置處在噴嘴板體中鉆一個穿孔，接著根據(jù)所述進度率函數(shù)沿所述光束路徑連續(xù)切割所述噴嘴板體，這樣，當所述切割光束經(jīng)過所述光束路徑后，在所述噴嘴板體中切割出所述孔。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述光束路徑對所述周界提供了會聚性的材料去除，這樣所述切割光束從所述噴嘴板體內(nèi)逐漸去除所述材料。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中通過如下步驟實現(xiàn)會聚性的材料去除去除所述噴嘴板體的第一部分；和逐漸去除所述噴嘴板體的周界內(nèi)剩余部分，直至會聚到所述噴嘴板體中的周界，從而形成孔。
21.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中使用螺旋前進的光束路徑實現(xiàn)去除。
22.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述光束根據(jù)穿孔的進度而移動。
23.根據(jù)權利要求18所述的方法，進一步包括提供適時控制計算機來操作所述激光切割工具；對所述計算機編程，以根據(jù)所述穿孔位置、所述光束路徑和所述光束進度率函數(shù)控制所述切割光束。
24.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述噴嘴板體具有一個光束入口面和一個光束出口面，進一步包括以下步驟在所述噴嘴板體的光束出口面上安放一層可刻蝕材料；控制所述連續(xù)切割，以穿過所述噴嘴板體切割至所述噴嘴板體和所述可刻蝕材料的分界面；和在所述切割光束完全通過所述激光束路徑后，刻蝕掉所述可刻蝕材料。
25.一種通過使用激光切割工具在噴墨噴嘴的噴嘴板體中切割出口孔的處理制造的噴墨噴嘴，所述孔具有定義了所述噴嘴板體中所述孔的邊緣的位置的預定周界，所述激光切割工具提供具有光點尺寸的切割光束，所述處理包括以下步驟確定所述切割光束切割所述噴嘴板體的材料切除率；定義位于所述噴嘴板體內(nèi)并且到周界具有一定距離的穿孔位置，使得當所述切割光束在所述噴嘴板體上切割定位孔時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述邊緣的變形最小，并小于預定閾值；定義距所述周界具有一定距離的激光束路徑，使得當所述切割光束逐漸切割所述噴嘴板體時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述邊緣上的變形最小，并小于預定閾值；定義沿著光束路徑移動所述切割光束的光束進度率函數(shù)，該光束進度率函數(shù)是所述光束相對于所述周界的位置的函數(shù)，使得當所述切割光束逐漸切割噴嘴板體時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述邊緣的變形最小，并小于預定閾值；和運行所述激光工具在所述穿孔位置處在噴嘴板體中鉆一個穿孔，接著根據(jù)所述進度率函數(shù)沿所述光束路徑連續(xù)切割所述噴嘴板體，這樣，當所述切割光束經(jīng)過所述光束路徑后，在所述噴嘴板體中切割出所述孔。
26.根據(jù)權利要求25的處理制造的噴嘴，其中所述光束路徑對所述周界提供了會聚性的材料去除，這樣所述切割光束從所述噴嘴板體內(nèi)逐漸去除所述材料。
27.根據(jù)權利要求26的處理制造的噴嘴，其中通過如下步驟實現(xiàn)會聚性的材料去除去除所述噴嘴板體的第一部分；和逐漸去除所述噴嘴板體的周界內(nèi)剩余部分，直至會聚到所述噴嘴板體中的周界，從而形成孔。
28.根據(jù)權利要求26的處理制造的噴嘴，其中使用螺旋前進的光束路徑實現(xiàn)去除。
29.根據(jù)權利要求25的處理制造的噴嘴，其中所述光束根據(jù)穿孔的進度而移動。
30.根據(jù)權利要求25的處理制造的噴嘴，進一步包括提供適時控制計算機來操作所述激光切割工具；對所述計算機編程，以根據(jù)所述穿孔位置、所述光束路徑和所述光束進度率函數(shù)控制所述切割光束。
31.根據(jù)權利要求25的處理制造的噴嘴，其中所述噴嘴板體具有一個光束入口面和一個光束出口面，進一步包括以下步驟在所述噴嘴板體的光束出口面上安放一層可刻蝕材料；控制所述連續(xù)切割，以穿過所述噴嘴板體切割至所述噴嘴板體和所述可刻蝕材料的分界面；和在所述切割光束完全通過所述激光束路徑后，刻蝕掉所述可刻蝕材料。
32.一種用于從工件上去除一部分的計算機執(zhí)行激光切割裝置，所述部分具有定義了所述部分的外邊界以及所述工件上相對應的去除邊界的預定周界，所述激光切割工具提供具有光點尺寸的切割光束，所述裝置包括確定所述切割光束切割所述工件的材料切除率的計算機可執(zhí)行邏輯；定義位于所述部分內(nèi)并且到周界具有一定距離的穿孔位置的計算機可執(zhí)行邏輯，使得當所述切割光束在所述工件上切割定位孔時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述切割邊界上的變形最小，并小于預定閾值；定義距所述周界具有一定距離的激光束路徑的計算機可執(zhí)行邏輯，使得當所述切割光束逐漸切割所述工件時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述切割邊界上的變形最小，并小于預定閾值；定義沿著光束路徑移動所述切割光束的光束進度率函數(shù)的計算機可執(zhí)行邏輯，該光束進度率函數(shù)是所述光束相對于所述周界的位置的函數(shù)，使得當所述切割光束逐漸切割工件時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述切割邊界上的變形最小，并小于預定閾值；和運行所述激光工具在所述穿孔位置處穿孔并接著根據(jù)所述進度率函數(shù)沿所述光束路徑連續(xù)切割所述工件的計算機可執(zhí)行邏輯，這樣，當所述切割光束經(jīng)過所述光束路徑后，將所述部分從所述工件上切除下來，運行所述工具的所述計算機可執(zhí)行邏輯通過數(shù)據(jù)通信連接設備連接到定義所述穿孔位置的計算機可執(zhí)行邏輯、定義所述激光束路徑的計算機可執(zhí)行邏輯和定義所述光束進度率函數(shù)的計算機可執(zhí)行邏輯。
33.一種從工件上去除一部分的計算機執(zhí)行激光切割裝置，所述部分具有定義了所述部分的外邊界以及所述工件上小于預定閾值的相對應的去除邊界的預定周界，所述激光切割工具提供具有光點尺寸的切割光束，所述裝置包括確定所述切割光束切割所述工件的材料切除率的設備；定義位于所述部分內(nèi)并且到周界具有一定距離的穿孔位置的設備，使得當所述切割光束在所述工件上切割定位孔時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述切割邊界上的變形最小，并小于預定閾值；定義距所述周界具有一定距離的激光束路徑的設備，使得當所述切割光束逐漸切割所述工件時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述切割邊界上的變形最小，并小于預定閾值；定義沿著光束路徑移動所述切割光束的光束進度率函數(shù)的設備，該光束進度率函數(shù)是所述光束相對于所述周界的位置的函數(shù)，使得當所述切割光束逐漸切割工件時，所述材料切除率和所述光點尺寸使所述切割邊界上的變形最小，并小于預定閾值；和運行所述激光工具在所述穿孔位置處穿孔并接著根據(jù)所述進度率函數(shù)沿所述光束路徑連續(xù)切割所述工件的設備，這樣，當所述切割光束經(jīng)過所述光束路徑后，將所述部分從所述工件上切除下來，運行所述工具的所述設備通過數(shù)據(jù)通信連接到定義所述穿孔位置的設備、定義所述激光束路徑的設備和定義所述光束進度率函數(shù)的設備。
全文摘要
一種在用于制造噴墨噴嘴的工件中激光鉆孔的方法，包括起初使用激光束在一點(610)上照射該工件的表面，該點位于所需孔的外周界(630)內(nèi)并且到外周界(630)的距離足以避免初步切除外周界(630)。以可變速率在外周界(630)方向上移動激光束，并控制可變速率以避免外周界(630)變形。根據(jù)可以充分去除外周界(630)內(nèi)的材料的圖形切除工件的材料，從而形成孔。
文檔編號B23K26/38GK1652894SQ03810689
公開日2005年8月10日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權日2002年7月25日
發(fā)明者劉新兵, 鄭震雄, 瑞山洋介, 豐福洋介, 丹·侯根, 南?！鄣氯A 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社