CN110494789B

CN110494789B - 电控反射镜及其制造方法、电扫描器、激光加工机

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Publication number: CN110494789B
Application number: CN201780088522.3A
Authority: CN
Inventors: 久米将实; 熊田辉彦; 伊藤洋平; 小林广纪
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2037-04-12
Also published as: CN110494789A; TWI654461B; KR20190126364A; TW201837521A; WO2018189828A1; KR102273981B1; JPWO2018189828A1; JP6272587B1

Abstract

电控反射镜(10)具有：具有镜面的镜面部(10A)和与镜面的背面侧接合的背面增强部(12)，通过单晶SiC晶片构成镜面部(10A)，通过C/SiC材料形成背面增强部(12)。由此，提高镜面部的刚性，并且减薄镜面部，使镜面部的背面增强部轻量化。由此，得到提高电控反射镜的共振频率、即使使其高速移动也高精度且难以歪斜的电控反射镜。

Description

电控反射镜及其制造方法、电扫描器、激光加工机

技术领域

本发明涉及在扫描激光束的电扫描器中使用的电控反射镜、使用了电控反射镜的电扫描器、使用了电控反射镜的激光加工机及电控反射镜的制造方法。

背景技术

近年来，在电子设备中搭载的基板的高集成化在发展，要求加工机的高精度化、高速化。在对基板进行加工的激光加工机中，通过电控反射镜扫描激光束。在该电控反射镜的驱动时使用电扫描器。因此，为了使加工高速化，需要使该电扫描器进行的电控反射镜的驱动高速化。

现有的电扫描器具有：定子，其固定于外壳；转子轴，其可旋转地被支撑；以及电控反射镜，其安装于转子轴。而且，通过在定子所具有的线圈产生的磁力，具有永磁铁的转子轴被旋转，对电控反射镜进行旋转驱动。此外，电控反射镜的旋转与电动机等旋转电机不同，在相对于基准位置正负几十度的范围内摆动。

在连续地对被加工物进行穿孔的激光加工中，为了通过电控反射镜扫描激光，反复进行转子轴的旋转的加速和停止，因此，如果高速地动作则驱动电流的频率变高。因此，在永磁铁会流过涡电流而产生涡流损耗，永磁铁的温度变高。如果永磁铁的温度变高，则产生热退磁而磁铁特性恶化，电扫描器的动作产生故障。

如果使电扫描器高速动作，则在固定了电控反射镜的转子轴施加有大的负载。因此，如果将动作速度加快，则转子轴的扭曲增大，在电控反射镜产生位置偏移，另外，如果也使电控反射镜自身高速地动作，则由于变形，所以镜的反射面歪斜，激光的扫描的偏移变大，加工精度恶化。

因此，电控反射镜的材料使用低比重且刚性高的铍合金，并且，在电控反射镜的固定部加入切口，减轻基于螺钉固定的应力传递至镜面(例如，参照专利文献1)。另外，已知在共振光学装置中，使用碳纤维增强树脂将镜与杆一体成型，由此，将镜的支撑部轻量化，能够进行高速的振幅(例如参照专利文献2)。

专利文献1：日本专利第3531554号公报

专利文献2：日本特开平11－183822号公报

发明内容

但是，在专利文献1中，在电控反射镜的固定部附近的伸展部加入切口，因此，固定部的刚性降低，在高速驱动时有可能产生加工位置偏移。另外，专利文献2利用共振，因此，不能应用于使速度变化的装置。

本发明是为了解决上述课题而提出的，得到即使高速地移动、也高精度且难以歪斜的电控反射镜。

本发明涉及的电控反射镜具有：镜面部，其具有镜面；以及背面增强部，其与镜面的背面侧接合，由单晶SiC晶片构成镜面部。

发明的效果

本发明通过减薄镜面部并且轻量化，从而提高电控反射镜的共振频率。由此，能够得到即使高速地摆动也高精度且难以歪斜的电控反射镜。

附图说明

图1是使用了本发明的实施方式1的电控反射镜的激光加工机的示意图。

图2是从背面观察实施方式1的电控反射镜的斜视图。

图3是实施方式1中的电控反射镜的后视图。

图4是实施方式1中的电控反射镜的侧视图。

图5是表示使用了实施方式1的电控反射镜的电扫描器的示意图。

图6是表示实施方式1的电控反射镜的制造过程的图。

图7是将实施方式1的电控反射镜和现有例以及对比例的电控反射镜的特性进行了比较的图。

图8是将图7的各电控反射镜的共振频率进行了比较的图。

具体实施方式

下面，使用附图说明本发明的电控反射镜以及电控反射镜的制造方法的优选实施方式。

实施方式1

图1是使用了本发明的实施方式1中的电控反射镜10的激光加工机1的示意图。如图1所示，激光加工机1具有激光振荡器300、具有电控反射镜10的2台电扫描器100A以及100B、以及fθ透镜400。

激光加工机1从激光振荡器300向电扫描器100A的电控反射镜10照射激光束300A。电扫描器100A使电控反射镜10摆动，将通过电控反射镜10反射过的激光束300A向电扫描器100B的电控反射镜10照射。

电扫描器100B的电控反射镜10往复旋转驱动电控反射镜10，将通过电控反射镜10反射过的激光束300A向fθ透镜400照射。射入了fθ透镜400的激光束300A在被加工物200之上形成斑点S。激光束300A的斑点S与各电控反射镜10的往复旋转移动相伴地，在被加工物200之上沿二维方向移动，对被加工物200实施穿孔、切断等加工。

下面，说明电控反射镜10。图2是表示实施方式1的电控反射镜10的背面侧的斜视图。另外，图3是电控反射镜10的后视图，图4是电控反射镜10的侧视图。

如图2～图4所示，实施方式1的电控反射镜10具有镜面部10A和背面增强部12。镜面部10A具有对激光束300A进行反射的镜面R。背面增强部12具有主框架12A、从主框架12A延伸出的多个副框架12B、以及在主框架12A的基部侧形成的转子接合部12C。背面增强部12通过主框架12A以及多个副框架12B，从镜面R的背面侧对镜面部10A进行增强，抑制镜面R的振动、歪斜、扭曲。

如图2以及图3所示，多个副框架12B从主框架12A斜着延伸出，形成为随着从主框架12A离开而朝向主框架12A的前端侧。而且，多个副框架12B形成为宽度以及高度随着从主框架12A离开而变小。通过形成这样的形状，使背面增强部12轻量化。

此外，多个副框架12B也可以形成为宽度以及高度中的任意一方随着从主框架12A离开而变小。另外，多个副框架12B也可以从主框架12A向垂直的方向延伸出。但是，如果多个副框架12B形成为随着从主框架12A离开而朝向主框架12A的基部侧，则增强效果变弱，因此不优选。另外，副框架12B也可以不延伸至镜面部10A的周边端部。

电控反射镜10的镜面部10A是将镜面研磨后的单晶晶片修整成电控反射镜10的形状而得到。另外，背面增强部12是将混合了碳纤维的研磨纤维和粉末树脂和石墨粉末而得到的材料磨削加工成平面而形成的。通过将这样得到的镜面部10A和背面增强部12接合成一体，得到电控反射镜10。此外，电控反射镜10的制造方法的详情在后面叙述。

这样，实施方式1的电控反射镜10具有镜面部10A和从背面对镜面部10A进行增强的背面增强部12。而且，在背面增强部12具有主框架12A和从主框架12A延伸出的多个副框架12B。由此，在将电控反射镜10往复旋转移动的情况下，能够抑制镜面部10A的镜面R的振动、歪斜、扭曲。

下面，说明电扫描器100。图5是电扫描器100的剖面图。如图5所示，电扫描器100具有外壳20、转子轴21、以及电控反射镜10。转子轴21通过一对轴承23可旋转地支撑于外壳20。另外，电控反射镜10连接于转子轴21的一端侧，在转子轴21的另一端侧安装有编码器板24。转子轴21内置有永磁铁22。而且，在外壳20的内壁以覆盖转子轴21的周围的方式安装有线圈25。

转子轴21例如由C/SiC(Carbon/Siliconcarbide)复合材料形成。另外，永磁铁22例如由钕烧结磁铁形成，通过粘接剂固定于转子轴21。编码器板24构成用于与未图示的传感器头协动而对电控反射镜10的角度位移进行反馈控制的旋转编码器。此外，也可以取代旋转编码器，使用解析器。

下面，使用图6说明电控反射镜10的制造方法的详情。图6表示本发明的实施方式1涉及的电控反射镜10的制造过程的流程。

如图6所示，电控反射镜10的制造过程由以下过程构成：过程A，形成镜面部10A；过程B，形成背面增强部12；过程C，将镜面部10A和背面增强部12一体化。下面，依次说明过程A至过程C。

在过程A中，首先，准备将单晶SiC的锭切片后的晶片(A1)。例如，使用厚度350μm的Cree公司制4H－Ntype。

然后，将晶片的、成为镜面部10A的镜面R的面进行抛光而完成加工，将表面粗度完成加工至小于或等于10nm rms(均方根(Root Mean Square))，将平面度完成加工至λ/2(λ＝633nm)(A2)。

然后，使用电火花线切割机将晶片修整加工成镜面部10A的形状(A3)。修整加工可以通过基于激光加工法或金刚石工具的磨削加工进行，但需要注意不在镜面部10A产生剥落或裂缝等损害。

然后，通过蒸镀或者溅射使成为晶片的镜面R的面的背面侧金属化(A4)。在金属化中使用的材质优选能够扩散接合的母材或者形成固溶体的材质。这里，通过使用了金属硅的溅射，进行厚度1μm的成膜。在金属化中使用的材质也可以是Cu、Au、Ni、Pt、Ag、Ti、Al。通过以上步骤形成镜面部10A，过程A结束。

在过程B中，首先，将PAN类碳纤维的研磨纤维、沥青类碳纤维的研磨纤维、粉末酚醛树脂以及石墨粉末这4种原料以预定的比率进行配合，使其均质地混合(B1)。

然后，将混合后的原料填充至成型用的模具，加热以及加压，进行粉体的成型以及硬化，形成CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)的块(B2)。CFRP块的成型温度优选120℃至170℃的范围。另外，可以以成型后的CFRP块的体积比重是0.85～0.95的方式设定成型压力。

然后，将CFRP的块在氮或者氩等惰性气体中，以700℃至1000℃的温度进行热处理而使其碳化，得到C/C(Carbon Fiber Reinforced－Carbon matrix－composite)的块(B3)。在该B3的碳化工序中，需要以至少大于或等于600℃进行热处理，优选大于或等于800℃。

然后，对C/C的块进行形状加工，得到对镜面部10A进行增强的背面增强部12(B4)。在该形状加工中，加工成符合背面增强部12的最终形状的形状。C/C的块是通过研磨纤维强化过的、具有多孔形状的复合材料。C/C的块的加工性良好，具有足够的强度，因此，与SUS以及铝材相比，加工简单，能够得到足够的精度。此外，通常的陶瓷材料硬而脆，因此加工性差，不适于微细且复杂的构造的加工。

然后，使在1600℃左右的温度下熔融的金属硅浸渍于加工过的背面增强部12，使碳和金属硅反应而得到C/SiC化的背面增强部12(B5)。

然后，将背面增强部12的与镜面部10A的接合面加工成平面，进行完成加工(B6)。在C/C的块的状态下加工成最终形状，在C/SiC化之后仅进行接合面的平面加工是由于C/SiC化之后与C/C的状态时相比，硬而易碎，加工性变差。因此，除了需要尺寸精度的部分以外，在C/SiC化之前的加工性良好的C/C的状态时进行加工。

然后，使背面增强部12的与镜面部10A的接合面金属化(B7)。在金属化中使用的材质与镜面部10A的金属化过程(A4)相同，优选能够进行扩散接合的母材或者形成固溶体的材质。在镜面部10A的金属化中使用了金属硅，因此，这里，选定与镜面部10A不同的Au，在背面增强部12的接合面通过溅射进行0.1μm的成膜。选定不同的材质进行金属化是为了利用共晶化现象使镜面部10A和背面增强部12在更低温下一体化。

通过以上步骤形成背面增强部12，过程B结束。之后，在过程C中，使由在过程A得到的单晶SiC构成的镜面部10A和在过程B得到的C/SiC制的背面增强部12一体化。

在过程C中，首先，在将由单晶SiC构成的镜面部10A的接合面和背面增强部12的接合面匹配的状态下，通过在惰性气体的电炉内加压以及加热的扩散接合而一体化(C1)。加热的温度根据在下面的涂层工序中，在镜面部10A和背面增强部12分别使用的涂层材料的组合而不同。例如，已知在背面增强部12的涂层材料是Au、镜面部10A的涂层材料是Si的情况下，在Au和Si的体积比率是4：1时，共晶化的温度降低至363℃左右。因此，在该情况下，加热至450℃左右使其一体化。

然后，在镜面部10A的镜面R进行基于Au或者Ag等的增反射涂层(C2)。这样，形成电控反射镜10，过程C结束。

此外，在实施方式1的电控反射镜10的制造方法中，通过扩散接合，使镜面部10A和背面增强部12一体化，但不限于此。例如，在一体化的过程中，也可以使用钎焊。在通过钎焊进行接合的情况下，在将钎料配置于匹配部附近的状态下，直至钎料熔融的温度为止进行加热处理。

这样，根据实施方式1的电控反射镜10的制造方法，通过在电控反射镜10的背面增强部12使用C/SiC材料，可以以近净形状进行C/SiC化。由此，能够缩短加工时间，能够进行金属并列的薄壁加工。因此，也能够进行来自金属部件的置换。

并且，通过单晶SiC晶片形成的镜面部10A能够单独地进行镜面加工，因此，不需要在与背面增强部12一体化后进行镜面完成加工。因此，能够形成与现有的电控反射镜的镜面部相比更薄、更轻的镜面部10A，电控反射镜10轻量化，能够高速驱动。

另外，镜面部10A的材料即单晶SiC和背面增强部12的材料即C/SiC的主要组分都是SiC，因此，热膨胀率等物性类似。由此，在通过热处理过程将镜面部10A和背面增强部12接合的情况下，在接合前后几乎不产生变形。因此，能够得到镜面精度高的电控反射镜10。

如果将驱动速度加快，则电控反射镜10在某个特定的速度，产生振动的振幅变大的共振现象。将产生该共振现象时的振动的频率称为共振频率或者固有频率。共振频率由电控反射镜10的构造和比刚度(杨氏模量/比重)的关系确定。如果产生共振现象，则电控反射镜10不能跟随驱动速度。因此，电控反射镜10需要以小于或等于共振频率的速度进行驱动。因此，电控反射镜10的共振频率越高，电控反射镜10越能够以高速进行驱动。

图7是将实施方式1的电控反射镜10(No.1)以及4个对比例的电控反射镜No.2～No.5的特性与现有产品的电控反射镜C1、C2进行了比较的结果。此外，就实施方式1的电控反射镜10(No.1)而言，镜面部10A由SiC构成，背面增强部12由C/SiC构成。另外，4个对比例的电控反射镜No.2～No.5分别由Al、Si₃N₄、B₄C、Al₂O₃的单一材料构成镜面部和背面增强部。而且，在现有产品的电控反射镜C1中，使用了通过BeCu的单一材料构成镜面部和背面增强部的电控反射镜，在现有产品的电控反射镜C2中，使用了通过烧结工序制造的SiC材料的单一材料构成镜面部和背面增强部的电控反射镜。

在图7中表示如下结果，即，“◎”表示“比现有产品好”、“○”表示“比现有产品稍好”、“△”表示“与现有产品等同”、“▲”表示“比现有产品稍差”、“×”表示“比现有产品差”。图7中的“镜面精度”是将各电控反射镜组装至装入了永磁铁22的转子轴21之后进行了确认。另外，图7中的“共振频率”是以高速驱动转子轴21而测定出的。

图8对图7的各电控反射镜的共振频率的测定值进行了比较。在图8中，横轴的C1以及C2表示现有产品的电控反射镜、1表示实施方式1的电控反射镜10(No.1)、2～5表示对比例的电控反射镜No.2～No.5。此外，图8的纵轴通过将现有产品的电控反射镜C1的共振频率作为1的相对比较值表示各电控反射镜的共振频率F。

如图7以及图8所示，能够确认实施方式1的电控反射镜10(No.1)的共振频率F比现有产品的电控反射镜C1、C2以及对比例的电控反射镜No.2～No.5高。因此，能够确认实施方式1的电控反射镜10(No.1)能够进行高速驱动。并且，如图7所示，能够确认实施方式1的电控反射镜10(No.1)的镜面精度以及加工性也比现有产品的电控反射镜C1、C2以及对比例的电控反射镜No.2～No.5高。另外，在加工成本上，能够确认与现有产品的电控反射镜C1、C2以及对比例的电控反射镜No.2～No.5是等同以上。

如图8所示，与仅使用SiC形成的现有例的电控反射镜10(C2)相比，将使用SiC形成的镜面部10A和使用C/SiC形成的背面增强部12进行了接合的实施方式1的电控反射镜10的共振频率F高。这是由于通过将使用C/SiC形成的背面增强部12接合于使用SiC形成的镜面部10A，与仅由SiC形成的情况相比，比刚度变高。

此外，在实施方式1中，使用了在镜面部10A使用SiC形成的晶片，但不限于此。例如，也可以取代SiC，使用由蓝宝石(Al₂O₃)、二氧化钛(TiO₂)、氧化镁(MgO)、氮化铝(AlN)、碳氮化钛(TiCN)、碳化硼(B₄C)、铍(Be)、硅(Si)构成的晶片。

标号的说明

1激光加工机，10电控反射镜，10A镜面部，12背面增强部，12A主框架，12B副框架，12C转子接合部，20外壳，21转子轴，22永磁铁，23轴承，24编码器板，25线圈，100、100A、100B电扫描器，200被加工物，300激光振荡器，300A激光束，400fθ透镜，R镜面，S斑点。

Claims

1.一种电控反射镜，其具有：

镜面部，其具有镜面；以及

背面增强部，其与所述镜面的背面侧接合，

所述镜面部由单晶SiC晶片构成，

所述背面增强部由C/SiC材料构成，

所述镜面部和所述背面增强部通过金属化后的金和硅的固溶体一体地接合。

2.根据权利要求1所述的电控反射镜，其中，

所述固溶体的金和硅的体积比率是4：1。

3.一种电扫描器，其使用了权利要求1或2所述的电控反射镜。

4.一种激光加工机，其使用了权利要求1或2所述的电控反射镜。

5.一种电控反射镜的制造方法，其是由镜面部和背面增强部构成的电控反射镜的制造方法，该电控反射镜的制造方法具有以下工序：

对单晶晶片的一个面进行镜面加工；

使所述单晶晶片的另一个面金属化，形成所述镜面部；

将PAN类碳纤维、沥青类碳纤维、酚醛树脂和石墨进行混合而形成碳纤维增强树脂；

对所述碳纤维增强树脂进行热处理而使其碳化，获得C/C的块；

对所述C/C的块进行形状加工而获得所述背面增强部；

使金属硅浸渍于所述背面增强部，获得使其C/SiC化后的背面增强部；

使所述C/SiC化后的背面增强部的与所述镜面部接合的面金属化；以及

将所述镜面部和所述背面增强部接合。

6.根据权利要求5所述的电控反射镜的制造方法，其中，

对所述单晶晶片使用单晶SiC晶片。