JP2005134680A

JP2005134680A - 反射ミラー、導光光学系システム、レーザ加工機、および反射ミラーの製造方法

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Publication number: JP2005134680A
Application number: JP2003371362A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Ida; 英紀伊田; Shigeki Maekawa; 滋樹前川; Noriyuki Nakayama; 敬之中山; Yoshimizu Takeno; 祥瑞竹野; Yoshio Hijikata; 祥雄土方
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP4099135B2

Abstract

【課題】環境にやさしく、入手が容易かつ低コストであり、レーザ加工機のスキャンミラーなどの高速揺動系に用いることができ、従来よりも大型化可能な反射ミラーを提供することを技術課題としている。
【解決手段】表面部に反射面が形成された基体部２１０と、この基体部の背面部に一体的に設けられ該基体部の歪みを防ぐ補強構造部２２０とが一体に形成された反射ミラー２００において、上記基体部および補強構造部の構成材として炭化物系セラミックスを用いるように構成したものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばプリント基板の所定位置に多数の細孔をあける場合などに好ましく用いることができる揺動装置に取り付けて用いられる反射ミラー、導光光学系システム、レーザ加工機、および反射ミラーの製造方法に関するものである。

従来のレーザ加工機の光学系に用いるスキャンミラーなどの反射ミラーでは、例えば揺動軸と同軸上に重心を有し、揺動軸回りに揺動してその反射面において入射レーザビームを反射させる反射ミラーが知られている。この反射ミラーでは、反射面を正面視した外形輪郭に、所定の入射角で入射された入射ビームに対する楕円形状の反射スポットの輪郭に沿う楕円輪郭部および楕円輪郭部に連続し揺動軸に平行な直線輪郭部を有することにより、レーザビームの反射に必要のない領域のミラー材料を除去することで、揺動軸回りの慣性モーメントを小さくし、反射ミラーの運動の応答速度を早くするとともに、他の部品との干渉を避けて、光学系システムの小型化に寄与させている（例えば特許文献１参照）。

一方、同様に揺動軸と同軸上に重心を有し、揺動軸回りに揺動してその反射面において入射レーザビームを反射する反射ミラーにおいて、反射ミラーの素材をベリリウムで構成し、ミラーの裏側をリブ構造として、軽量化と高剛性化を図り、より高速の揺動動作を実現すると共に、リブ構造の一部、背面構造周辺リブの一部を切り欠くことで、特にスキャンモータ（スキャナ）との取り付け部の締め付け力による歪みを伝えないようにして、反射面の平面度を確保し、反射するレーザビームの形状（加工穴形状、真円度）を維持できるようにした発明が開示されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０００−３４７１１３号公報（第３頁〜第４頁、図１）特開２００１−１１６９１１号公報（第４頁、図１）

上記特許文献１に記載されたような従来の反射ミラーにおいては、その材料がシリコンあるいはベリリウム等の軽量材料で構成されており、スキャナの高速動作に追従できる設計となっているが、楕円形状の短軸で２０〜２５ｍｍ長軸側で３０〜３５ｍｍの大きさが限界であり、さらに反射ミラーを大型化すると、揺動軸まわりの回転の加速度によりミラーに撓みと振動が発生し、揺動周波数が現在以上に増大できない、あるいは反射ビームの真円度ひずみが発生するなどの問題があった。またベリリウム金属は毒性を有することから地球環境に対する影響が懸念される。また、材料の貴重性あるいは海外からの輸入に頼るしかないという入手困難性からベリリウムに代わる材料を用いたスキャンミラーの開発が望まれている。

一方、上記特許文献２に記載された反射ミラーにおいては、その材料がベリリウムであるため、特許文献１と同様、環境上の問題と入手性の問題がある。また、取り付け部の近傍にあるリブを切り欠くことで取り付け部の剛性不足が生じ、揺動速度の増大に伴う応答性の劣化（反射面のひずみによる反射ビームの真円度の劣化）するなどの問題があった。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解消するためになされたものであり、環境にやさしく低コストで高速揺動系に用いることができ、従来よりも大型化可能な反射ミラーを提供することを第１の目的とするものである。
また、環境にやさしく低コストで高速揺動系に用いることができ、従来よりも大型化可能な反射ミラーを備えた導光光学系システム、およびこの導光光学系システムを用い性能が改善されたレーザ加工機を提供することを第２、および第３の目的とするものである。
また、環境にやさしく低コストで高速揺動系に用いることができ、従来よりも大型化可能な反射ミラーの製造方法を提供することを第４の目的とするものである。

この発明に係る反射ミラーは、表面に反射面が形成された基体部と、この基体部の裏面に設けられ該基体部の歪みを防ぐ補強構造部とが一体に形成された反射ミラーにおいて、上記基体部および補強構造部の構成材として炭化物系セラミックスを用いるようにしたものである。
また、この発明に係る導光光学系システムは、光源と被加工物との間に配設され、反射面を形成する基体部および補強構造部の構成材として炭化物系セラミックスを用いてなる反射ミラーと、この反射ミラーを揺動することにより上記光源から出射された光束の上記被加工物に対する照射位置を変化させる揺動装置と、上記光源から出射された光束を上記被加工物上に集光する集光レンズとを備えるようにしたものである。

また、この発明に係るレーザ加工機は、光源としてのレーザ発振器と、反射面を形成する基体部および補強構造部の構成材として炭化物系セラミックスを用いてなる反射ミラーと、この反射ミラーを揺動することにより上記光源から出射された光束の上記被加工物に対する照射位置を変化させる揺動装置と、上記光源から出射された光束を上記被加工物上に集光する集光レンズとを備えるようにしたものである。
また、この発明に係る反射ミラーの製造方法は、反射面を形成する基体部および補強構造部の構成材として炭化物系セラミックスを用いてなる反射ミラーの基体部表面を研磨した後、該研磨面に鏡面加工可能な金属膜を成膜し、しかる後その成膜した金属膜をダイヤモンド切削して反射面を形成するようにしたものである。

この発明によれば、環境にやさしく低コストで、高速揺動系に用いることができ、大型化が可能な反射ミラーを得ることができる。
また、環境にやさしく低コストで、高速揺動系に用いることができ、大型化が可能な反射ミラーを備えた導光光学系システムを得ることができる。
また、環境にやさしく低コストで、高速揺動ができ、大型化が可能な反射ミラーを備えた導光光学系システムを用いたことにより性能が改善されたレーザ加工機を得ることができる。
また、環境にやさしく低コストで、高速揺動系に用いることができ、大型化が可能な反射ミラーの製造方法を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明による実施の形態１を図１ないし図８について説明する。なお、各図を通じて同一符合は同一もしくは相当部分を示すものとする。
図１に示すように、被加工物であるプリント基板２の穴あけ加工用のレーザ加工機には、レーザ発振器１から出射された加工用のレーザビーム（光路）６を加工位置に振るためのＸ軸の反射ミラー１００およびＹ軸の反射ミラー２００と、集光レンズ（ｆ−θレンズと記述するか、あるいは「エフシータレンズ」と呼ばれる）５、および図示しないがその他導光のための反射光学系を有している。上記Ｘ軸の反射ミラー１００はＸ軸のスキャナ３に、Ｙ軸の反射ミラー２００はＹ軸のスキャナ４にそれぞれ固定されている。この光学系において、穴あけの加工速度（単位時間あたりの加工穴の数）を決めるのが上記反射ミラー１００、２００の回転軸（Ｘ軸、およびＹ軸）回りの揺動速度である。

回転軸回りの揺動角度は一般にプラスマイナス７〜８度程度の狭い範囲であるが、積層方式で多層構造を実現するプリント基板（例えば携帯電話などの回路基板に用いられるビルドアップ基板など）では、加工される穴の数が非常に多くなっており、現在では１０００Ｈｚ程度の周波数でＸ軸、Ｙ軸の反射ミラー１００、２００が同期して揺動運動している。すなわち一秒間に１０００個程度の穴加工を実施している。この揺動運動による加速度に加振され、例えば従来のベリリウムを用いた反射ミラーについて測定された固有値解析結果では、図２の矢印３６あるいは矢印３７に示すような方向に反射ミラー３０が変形する。

最も固有振動の低い一次モード（図２中矢印３６）は反射ミラー３０が揺動回転軸３５に対して直角方向にお辞儀をするような変形モードであり、次の高次モードである二次モード（図２中矢印３７）では揺動回転軸３５に対して反射ミラー３０全体がねじれ変形するモードとなっている。なお、３２は図の下面部側に形成された反射面（ミラー面）である。このような反射ミラーの変形を抑制するためには、ミラーの構造体の動剛性を向上させて固有振動数を上昇させる必要がある。最も簡単な方法は密度が小さくヤング率の高い材料を選択して使用することにある。すなわち密度とヤング率の比（比剛性）が高いほど有利となるため、これまで反射ミラーの材料として過去にはシリコン、最近ではベリリウムが主として用いられてきた。

ベリリウムの密度（ρ）は１．８５ｇ／ｃｍ^３、ヤング率（Ｅ）は２７５ＧＰａであり、ここで比剛性をＥ／ρと定義すれば、その比剛性は１４８．６となり、この程度の比剛性をもつ素材であればベリリウム製のミラーと同等の共振周波数（固有値）をもつスキャナミラーが構成できるはずである。しかし、ベリリウム以外の材料でスキャナ用の反射ミラーが製造できなかった背景には、同等の比剛性を有する金属材料が無いことにあった。ベリリウム材料でも１０００Ｈｚの高速揺動を実現するためには、図２に示すように反射面３２とは反対側にミラーの背骨となる背面構造中心軸部３１から左右に伸びる複数本のリブ３３や周辺リブ３４を一体的に設けた構造体としてさらに剛性を高める必要があり、このリブ構造を作るためには加工しやすい金属材料であることが必須であった。

しかし、上記のようなベリリウムの毒性に伴う環境問題と、入手性の問題から、ベリリウム以外の材料で地球環境に優しい材料で構成され、かつ高速揺動できる高剛性の反射ミラーの開発が望まれていた。本発明者らは、セラミックス材料は非常に硬く、自由な加工が困難ではあるものの、比剛性の点で例えば炭化珪素ＳｉＣ（比剛性１３１．３）や炭化硼素Ｂ_４Ｃ（比剛性１７２．０）などの炭化物系セラミックス材料はベリリウム材料に比較的近く、加工の困難性を克服することができれば、高速運動光学系に用いることができるのではないかとの技術課題を得て、鋭意研究を重ねた結果この発明を完成させるに至ったものである。

図３は本発明の実施の形態１に係る炭化物系セラミックスをベース材料とした反射ミラーを模式的に示す背面部から見た斜視図である。この実施の形態１になる反射ミラー２００は炭化物系セラミックス素材からなる一体構造物であり、表面側（図の下面部側）にレーザ光を反射する反射面２１１を形成した板状の基体部２１０と、この基体部２１０の背面部に形成され該基体部２１０の撓みや歪みを防ぐ補強構造部２２０が一体的に形成されている。補強構造部２２０は、基体部２１０の裏側に揺動回転軸（図示省略）に沿って一体的に設けられた背面構造中心軸部２２１と、この背面構造中心軸部２２１から基体部２１０の裏側面に沿って左右に対称的に延びるリブ２２２から構成されている。

上記反射ミラー２００は、図３に示すように背面構造中心軸部２２１とスキャナとミラーの取り付け側付け根部分（矢印Ｃ部付近）の小さな凹形状のＲ曲線部を除いてほぼ全周にわたり滑らかな外膨らみの曲線で構成されている。両端矢印で図示した長手方向の寸法Ｂ１は隣り合うリブ相互の間隔寸法を意味し、Ｂ２は中心軸の頂点から最初のリブまでの距離、Ｂ３は基体部２１０を構成する概ね滑らかな曲線が始まる部分（矢印Ｃ部付近）から最初のリブまでの距離を意味している。

上記反射ミラー２００の構成部材のベース材料としては、この実施の形態１では炭化珪素（ＳｉＣ）が用いられており、例えば回転軸方向（図３の矢印Ｌの方向）に５０ｍｍ程度、幅方向（図３の矢印Ｗの方向）に４０ｍｍ程度の反射面積を有する反射ミラーを構成する場合、軽量化と固有振動数を高くするために、反射面２１１を形成している基体部２１０は、厚み（ｔ）を０．５ｍｍ程度以下とし、その背面部に厚みが１．０ｍｍ程度で、高さ（ｈ）が３．０ｍｍ程度のリブ２２２を図示のように左右対称的に二組程度設けられる。この形状は従来のベリリウムミラーに比べてリブの本数が大幅に少なく非常にシンプルとなっているが、この背面構造に本発明の重要なポイントがある。

炭化物系セラミックスを反射ミラーの素材に用いた場合、比剛性がベリリウムと同程度か若干上回るため、ベリリウムと同様の背面構造をとることで、ほぼベリリウムと同等の固有振動数が得られるはずである。しかし、本発明者らが一連の反射ミラーの試作、レーザ加工実験を鋭意推進した結果、炭化物系セラミックスを用いた反射ミラーはベリリウムを用いた反射ミラーに比べて性能の低下が生じることがわかった。

例えば図２に示したベリリウムミラーは、揺動回転軸方向の反射面の長さが４０ｍｍ、反射面の幅が３０ｍｍの反射ミラーであるが、この反射ミラーの固有値解析を実施するとミラーがお辞儀をするような一次モードが２．２４ＫＨｚとなることがわかり、一次モードの固有値が動作周波数１ＫＨｚに対して二倍程度のマージンを有していることが分かった。

そこでまず実験として図２に示す形状そのままで材質を炭化物系セラミックスにして反射ミラーを試作したが、レーザで加工した穴位置が図４にその加工結果イメージを示すとおり、破線で示す設計穴あけ位置３００に対して、例えば図４のＡ列に模式的に示すように実線で示す加工穴３０１がΔｐだけずれてしまうことがわかった。この原因として試作に用いたＳｉＣセラミックスの密度ρが３．２ｇ／ｃｍ^３、あるいはＢ_４Ｃセラミックスの密度が２．８５ｇ／ｃｍ^３とベリリウムの１．８５ｇ／ｃｍ^３に比べてかなり大きく、このことが反射ミラーの運動に対して何らかの影響を与えるため固有振動の１次モードの変形であるたおれを発生させ加工穴位置がずれたものと推定された。

そこでミラーの剛性を高めるためにリブの高さを増す、あるいはリブ本数を増加させて反射ミラーを構成してみたが、高速運動させて反射させたレーザ光の真円度や照射位置精度が全く確保できなくなることがわかった。例えばリブ本数を変えた一連の実験からリブ本数と位置ずれ量Δｐは図５に示す関係があることがわかった。上記ベリリウム材質の３０×４０ｍｍ寸法と同程度のＳｉＣ材質の反射ミラーにおいて、背面リブ構造を反射面を等間隔に分割するように配置した場合、リブ本数が４本を超えると位置ずれΔｐが大きくなり、リブ５本の場合はΔｐの量が測定レンジをオーバーするほどに増大することが分かった。

本来、リブ本数の増加は構造強度を向上させるため固有振動を上昇させる方向に働くと考えられ、実験結果において反射光の位置決め精度が劣化したのは別の要因が関係していると考えられる。例えば反射ミラーが安定して揺動運動するためにはそのダイナミックバランスがとれている必要があり、ダイナミックバランスが得られる条件の一つとして揺動回転軸が反射ミラーの重心を通る必要がある。

すなわち反射ミラーを駆動するスキャナの回転軸の回転中心が反射ミラーの重心を通っていることが安定した揺動運動を得る第一条件となるが、実際には取り付け治具との取り付け誤差や反射ミラーの左右の厳密な意味での非対称性があることで、完全にはバランスをとることができない状態となっていることがあげられる。すなわち切削加工で得られる寸法精度が、炭化物系セラミックスミラーではベリリウム材料に比べて得にくく、かつその比重が大きいため、わずかな外形形状の非対称性や揺動回転軸中心と反射ミラーの重心とのずれがダイナミックバランスを大きく崩したため、回転によって生じる遠心力が反射ミラーを変形させたと考えられた。

そこで、反射ミラーとして剛性の低下が生じるが全体の質量を軽減させ、揺動回転軸と反射ミラーの重心位置とのずれに起因する加振力を軽減することを目的としてリブの本数を減らして実験したところ、反射光の照射位置精度の向上が認められた（例えば図４のＢ列、Ｃ列）。そこでさらに、背面リブの本数を２〜３本としてリブの間隔を変化させレーザによる穴あけ加工実験を実施したところ、リブの間隔を広げ過ぎると例えば図４のＤ列に示すように次第に加工穴３０１の形状が劣化する現象が認められるようになった。

これはリブとリブとの間の平板部の固有振動が下がってきたため、揺動回転の加速度によって上記平板部がわずかに撓み、あるいは撓んだ際の振動が減衰せずに残っていることが原因と推定された。実際、リブ間隔が広がると加工穴の真円度Δｄが劣化し、試作した４０ｍｍ×５０ｍｍ程度の反射面積を有する反射ミラーにおいては、リブ間隔と真円度の関係が図６に示すような傾向となることがわかった。

なお、真円度Δｄは図４に示すように、加工円の最大外接円の直径ΦＭＡＸと最小内接円ΦＭＩＮとの差、即ち、
Δｄ＝ΦＭＡＸ−ΦＭＩＮをいう。
更に追加した実験結果などを含む上記した一連の実験結果から、炭化物系セラミックスを用いて１０００Ｈｚ程度以上（概略８００〜１０００Ｈｚ以上）の高速揺動運動させる反射ミラーを構成する場合にはリブが反射面の裏面全体を仕切ってできた平面部の形状の縦横比率に適正範囲があることが分かった。

即ち、上記検討結果から図３中に示す隣接する２つのリブ２２２に挟まれる揺動軸方向の間隔Ｂとリブ２２２の長手方向の長さＡに関して、寸法Ａと寸法Ｂの比率（Ａ／Ｂ）が０．５〜２．０の範囲のときに加工穴の位置ずれが小さくかつ加工穴の真円度が維持される。さらに、高精度の加工穴位置と加工穴の真円度を得るためには、上記寸法ＡとＢの比率（Ａ／Ｂ）を望ましくは０．７〜１．４程度にすることが好ましい。なお、因みに従来のベリリウムミラーにおいては上記寸法ＡとＢの比率は概ね２．０以上となっている。

なお、上記比率（Ａ／Ｂ）は炭化珪素に比べて若干密度の小さい炭化硼素系セラミックス材料を用いたときには適用範囲がわずかに拡大される傾向にあるが、ほぼ炭化珪素系セラミックス材料の場合と同等である。一方、反射ミラーを駆動する通常のスキャナ（揺動モータ）を用いる場合、駆動トルクの関係から、ベリリウムあるいはシリコンに比べて比重の大きい炭化物系セラミックスを用いた反射ミラーの軽量化（慣性モーメントの減少）は必須で、ミラーの反射面２１１を形成する基体部２１０の厚み（ｔ）は概略０．５ｍｍ以下にすることが望ましい。さらに望ましくは０．４ｍｍ以下であれば現行よく使用されているスキャナの駆動トルクで１０００〜１２００Ｈｚ以上の加工速度が確保できる慣性質量以内で設計することができる。なお、スキャナの駆動トルクの高トルク化が実現され、あるいは高トルクの駆動系を用いた場合は、反射面の厚みは０．５ｍｍを超えても設計可能となることはいうまでもない。

以上から、この実施の形態１に係る炭化物系セラミックスを用いた反射ミラーは、代表的形状を図３に示すように、揺動軸方向の長さ（Ｌ）が３０〜１００ｍｍ、揺動軸方向に垂直なミラーの幅方向の長さ（Ｗ）が３０〜１００ｍｍの各長さの各種組み合わせをもつミラーにおいて、高さ２．０〜４．０ｍｍ、幅０．３〜１．０ｍｍのリブ２２２を二本設け、概ね上記リブの間隔Ｂとリブ長さＡとの比率（Ａ／Ｂ）が０．５〜２．０の範囲とすることにより、８００〜１０００Ｈｚの揺動速度において、許容範囲の位置ずれと許容範囲の加工穴の真円度を得ることができる。

また、幅３０ｍｍ前後、揺動軸方向長さ１００ｍｍと長方形に近い反射ミラーを構成する場合には、リブ２２２を３本設け、リブの間隔と長さの比率（Ａ／Ｂ）を０．５〜２．０の範囲にすることで、反射ミラーの性能としては加工位置精度や加工穴の形状精度が最も安定したものを得ることができる。このように、炭化物系セラミックスで反射ミラーを構成する本発明においては、ベリリウム材料に比べてその密度が大きいことに起因するスキャナ回転軸と反射ミラーのセッティングの難しさを克服するために、補強構造部２２０の背面リブ構造として、できるだけリブ本数は少なくするべきで、かつリブの間隔とリブの長さ比率を上記比率に選ぶことが重要である。

さらに、最もよく用いられる反射ミラーのサイズである幅（Ｗ）４０〜５０ｍｍで揺動軸方向長さ（Ｌ）が４０〜６０ｍｍの反射ミラーにおいては、背面構造中心軸部２２１の厚みが３〜４ｍｍで幅が８〜１２ｍｍ、基体部２１０の厚みは０．５ｍｍ以下、背面構造のリブの間隔は長手方向を等間隔から若干３等分する長手方向長さ（Ｂ１）を両端部の長さ（Ｂ２、Ｂ３）より１．１〜１．３倍長く設定（概略Ａ／Ｂ＝１．２〜１．５）し、リブ２２２の厚みは１ｍｍ以下、リブ２２２の高さ（ｈ）は４ｍｍ以下とすることで、１０００〜１２００Ｈｚの範囲でベリリウムミラーを用いた場合とほぼ同等の加工位置精度、加工穴形状精度を有する反射ミラーを得ることができる。

つぎに、上記実施の形態１になる反射ミラーの製造方法について説明する。上記図３に示すような薄肉の三次元構造からなる反射ミラーの反射面２１１を従来の一般的な方法で研磨すると、リブ２２２部分の研磨レートが高くなり、リブの無い薄板部分が研磨圧力に対して逃げてしまうため、仕上がり面のイメージは図７に示すようになり、使用レーザ波長の２０分の１程度の平面度には仕上げることはできない。

ここで対象としているレーザの波長は９．３ミクロン程度であるので、その波長の２０分の１に相当するおよそ０．４７ミクロン以下の平面度が必要となる。この実施の形態１では、図８に示すようにリブ構造の部分をよけて反射面の裏側とはまり込む形状の研磨治具２３０を製作し、反射ミラー２００の背面部のリブ２２２と互いに嵌合させ、嵌合した隙間におおむね８０℃以下の低温で溶融するワックスからなる接着材２３１を流し込んで、見かけ上一枚の板として研磨するようにしたものである。

研磨治具を用いないで反射面を研磨した場合には、平面度が１〜４ミクロンと悪い仕上がりであったのに対し、図８に示す互いにはまり込む研磨治具２３０をセットして研磨した場合には、その平面度は０．１〜０．３μｍ程度となり、プリント基板の穴あけに使用しているレーザ加工機の波長９．３μｍの２０分の１である０．４６５μｍ以下にすることができた。

また、上記のようにして製造されたＳｉＣからなる反射ミラーの研磨面の面粗さは０．０２〜０．０５μｍＲＭＳ程度に仕上がっており、このＳｉＣ研磨面に例えば金（Ａｕ）を蒸着し、さらに反射率を高める増反射コートを施して９．３μｍ波長帯のレーザに対して反射率は９９％以上の反射面を確保することができた。
なお、ＳｉＣの反射面に金を蒸着する際、ＳｉＣ素地との密着力を確保するために、ＳｉＣ面にクロムを蒸着してから金を蒸着することも有効である。

なお、上記炭化物系セラミックスにより構成したこの発明の反射ミラーは、波長１０ミクロン前後のレーザ光に有効であるだけではなく、例えば他の広い波長領域の高精度が要求される光学系でも用いることができ、さらにレーザ加工機など、反射ミラーを高速で揺動させて光学系を構成する導光用反射光学系に特に好ましく用いられるほか、反射ミラーを静止させて用いる用途でも広く好ましく利用が可能であることは言うまでもない。さらに、揺動装置としては、図１に示すような回転運動のみではなく、動剛性の高さから、例えば反射ミラー２００がリニアモータで駆動される高速の往復運動、ステップ運動を必要とする直線運動系などの揺動装置に取り付ける反射ミラーとして用いても同様の効果が期待できる。

上記のように、この実施の形態１による反射ミラーは、金属にはない高ヤング率を有する炭化珪素（ＳｉＣ）系セラミックスなどの炭化物系セラミックスを素材に用いたもので、ミラーの取り付け等の外力に対する変形を抑制し、また高速揺動時の加速度が発生する際のミラーの平面度を確保し、レーザ反射光の真円度など反射光の品質を高めることができる。なお、炭化物系セラミックスとしては、上記炭化珪素（ＳｉＣ）系セラミックスのほか、例えば炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）系セラミックスなどでも同様の効果が期待できる。

また、研磨時の加工反力による反射面の平面度の劣化を防ぐために、背面のリブを覆うような補強用の研磨治具を用いることにより、加工技術上困難であった平面度を確保することができる。またセラミックス材料を使用することで、入手も容易で環境上の問題もクリアされ、大型化も容易であるなどの効果が得られる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による反射ミラーとして、炭化硼素系セラミックス、例えば炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）と硼化クロム（ＣｒＢ_２）の複合物、炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）と硼化チタン（ＴｉＢ_２）の複合物、あるいは炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）と窒化アルミ（ＡｌＮ）の複合物などからなる複合材料系の炭化硼素系セラミックス材料を用いた他は、実施の形態１で示した方法と同様の方法により反射ミラー（図示省略）を得た。この反射ミラーは上記実施の形態１に示すＳｉＣセラミックス材料などを使用して得られた反射ミラーと同等以上の性能を有するものであった。

炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）は粒子状材料として研磨砥粒や研削工具などに使用されてきた。また、その焼結体も多くの空孔欠陥（ボイド）があるため、サンドブラスト用ノズルヘッド等、耐磨耗部品にしか利用されてこなかった。炭化硼素は耐磨耗部品としては非常に高性能を発揮するが、その空孔欠陥が材料強度の低下を招いており、耐磨耗部品として炭化硼素の本来の性能（硬さ他の材料物性）を発揮するには空孔欠陥をなくす必要があった。当然のことながら、この空孔欠陥はミラー材料として障害となり、高エネルギ密度のレーザ光を照射した場合に空孔欠陥からの熱エネルギ吸収がおこり、発熱、温度上昇してミラーとして使用できなくなる。

本発明者らは最近の炭化硼素系の各種材料について組織をＳＥＭ観察した結果、炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）と硼化クロム（ＣｒＢ_２）の複合物、炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）と硼化チタン（ＴｉＢ_２）の複合物、あるいは炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）と窒化アルミ（ＡｌＮ）材料系セラミックスなどで、複合化され緻密化された組織をもつものがあることがわかり、鋭意研究を重ねた結果、上記のようにこの発明を完成するに至ったものである。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３による反射ミラーの背面部を示す斜視図である。この反射ミラー２００は、炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）と硼化クロム（ＣｒＢ_２）の複合材料、あるいは炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）と硼化チタン（ＴｉＢ_２）の複合材料などの炭化硼素系セラミックスからなるものであり、特にこれらの炭化硼素系セラミックス材料が若干の電気伝導性を有することから、図９に示す曲面を有する背面部の補強構造部２２０の一部または全部を放電加工により加工したものである。

ＳｉＣ系セラミックスなど導電性をもたないセラミックス材料の場合には、補強構造部を含む反射ミラーの概略形状を焼成時に予め成形しておく必要があり、リブ構造を仕上げ加工した後に反射面を研磨もしくは切削で仕上げ加工する必要があったが、上記した炭化硼素の複合材料の場合、放電加工が可能であることから、平板素材の状態で背面の補強構造部を型彫り放電加工した後、表面側の反射面となる基体部２１０表面全体を研磨仕上げし、その後ミラーとなる外形形状をワイヤカットで切り出すことで、平面度を維持したまま高精度の反射ミラーを得ることができた。この方法で得られた炭化硼素の複合材料からなる反射ミラー２００は、反射面の平面度０．１〜０．３μｍと、実用上十分に優れたものであった。

この実施の形態３における放電加工を用いた反射ミラーの加工プロセスは、ＳｉＣの場合に比べて研磨の際の治具が不要となるため、製造コストが安くなるメリットがある。また、凹凸の大きいものでも型彫りの放電加工機で自由に加工できるため、図９に示すような曲面や凹凸のある背面構造形状でも容易に目的物を得ることができるようになり、余分な質量となる厚肉部分を薄肉化し、背面構造の薄肉リブを高くして全体的にシェル構造としたため、さらに高性能の反射ミラーを得ることができる。

上記のように、実施の形態３によれば、導電性を有する複合材料系炭化硼素セラミックスを用い、ミラーの製造プロセスに放電加工を利用するように構成したことにより、背面構造中心軸部２２１が例えば円筒あるいは角管断面化など一部中空構造のものや、ハニカム構造などであっても問題なく、放電加工による背面の補強構造部の形成プロセスにより板素材状態で反射面研磨が可能で反射面の平面度を確保した反射ミラーを容易に得ることができる効果が得られる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４によるスキャンミラーとして用いる反射ミラーの製造方法について説明する。上記実施の形態１では研磨による反射面の加工方法は加工反力が大きいことから研磨面の平面度が得にくいことについても述べたが、この実施の形態４は、反射ミラーの平面度を確保する手段として、加工反力の小さい切削加工を用いて反射面を加工して反射ミラーを製造する方法を提供するものである。

図３に示した炭化物系セラミックスベースの反射ミラー形状を作った後、研削加工により反射面の平面度を１０μｍ以下程度に加工し、次いで反射面に無電解ニッケルメッキを数十〜１００μｍ程度厚膜形成し、上記厚膜部分を正面旋盤でダイヤモンド切削仕上げして鏡面を得、そのニッケル層の上に金メッキを施し、増反射コートを施して得た反射面はその平面度が０．１μｍ程度と良好な平面度を得ることができ、面粗さも０．０２μｍＲＭＳ程度と良好であった。

また上記メッキ手法とダイヤモンドターニング（単結晶ダイヤモンド工具を用いた切削加工仕上げ）を用いて得られた本発明の反射ミラーに至っては、反射率が９９．２％以上となり、非常に良好な光学特性を有するものであった。このダイヤモンド切削を使った反射面の構成はセラミックスベースのスキャナミラーを得るには非常に都合がよく、ダイヤモンド切削できる金属層としてニッケル以外にアルミの蒸着膜、銅や金、銀あるいは上記金属を主成分とする合金等の軟質金属メッキ膜も有効である。この反射面の金属層の構成方法としてダイヤモンド切削が可能な金属の厚膜がえられれば、とくにメッキでも蒸着でも成膜の手法は特に限定されるものではない。

以上のように、この発明による実施の形態４によれば、ダイヤモンド工具を用いた切削により反射面を構成できるようになったことにより、難加工材料である炭化物系セラミックスの素材を高精度研磨するプロセスを省略することが可能となった。また切削加工による反射面の高精度加工が実現し、反射率が向上した反射ミラーを提供することができる。

ところで上記各実施の形態の説明では、便宜上、この発明をレーザ加工機、ないしはレーザ加工機の導光光学系システムのスキャンミラーとして用いられるＹ軸用の反射ミラー２００について説明したが、形状が若干違うもののＸ軸用の反射ミラー１００としても同様に構成できることはいうまでもなく、さらにレーザ加工機に限定されるものではない。また、反射ミラーが平面鏡である場合について説明したが、反射面２１１ないしは基体部２１０は必ずしも平面でなくてもよく、例えば凹面鏡、凸面鏡などであっても同様の効果が期待できる。

この発明の実施の形態１によるレーザ加工機を模式的に示す構成図である。一般的な反射ミラーにおける揺動運動時の変形モードを説明する斜視図である。この発明の実施の形態１によるレーザ加工機用の炭化物系セラミックスをベース材料とした反射ミラーの背面部を示す斜視図である。試作した反射ミラーを用いたレーザ加工機による穴あけ位置と設計穴あけ位置とのずれを模式的に示す説明図である。炭化物系セラミックスをベース材料とした反射ミラーについて測定された反射ミラーのリブ本数に対する加工穴の位置ずれ量（Δｐ）の関係を示す特性図である。炭化物系セラミックスをベース材料とした反射ミラーについて測定された反射ミラーのリブ本数に対する加工穴の真円度（Δｄ）の関係を示す特性図である。炭化物系セラミックスをベース材料とした反射ミラーの反射面を研磨したときのリブ位置と研磨面の凹凸との関係を模式的に示す断面図である。この発明の実施の形態１による反射ミラーの製造時に用いる研磨治具の使用方法を説明する断面図である。この発明の実施の形態３によるレーザ加工機の炭化物系セラミックスをベース材料とした反射ミラーの背面部を示す斜視図である。

符号の説明

１レーザ発振器、２被加工物（プリント基板）、３スキャナ（Ｘ軸）、４スキャナ（Ｙ軸）、５集光レンズ（ｆ−θレンズ）、６レーザビーム（光路）、１００反射ミラー（Ｘ軸）、２００反射ミラー（Ｙ軸）、２１０基体部、２１１反射面、２２０補強構造部、２２１背面構造中心軸部、２２２リブ、２０５揺動回転軸、２０６倒れ方向（１次モード）、２０７ねじれ方向（２次モード）、２３０研磨治具、２３１接着材、３００設計穴位置、３０１加工穴。

Claims

表面に反射面が形成された基体部と、この基体部の裏面に設けられ該基体部の歪みを防ぐ補強構造部とが一体に形成された反射ミラーにおいて、上記基体部および補強構造部の構成材として炭化物系セラミックスを用いてなることを特徴とする反射ミラー。
上記補強構造部は、上記基体部の裏面に一体的に形成された背面構造中心軸部と、この背面構造中心軸部に交差する方向に向かって該基体部の裏面に沿って対称的に伸びる複数組のリブを有し、上記リブの長さ（Ａ）と隣接するリブの間隔（Ｂ）の比率（Ａ／Ｂ）を、０．５〜２．０の範囲としてなることを特徴とする請求項１に記載の反射ミラー。
上記炭化物系セラミックスは、炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分としたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の反射ミラー。
上記炭化物系セラミックスは、炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）を主成分としたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の反射ミラー。
光源と被加工物との間に配設される導光光学系システムにおいて、上記請求項１ないし請求項４の何れか一つに記載の反射ミラーと、この反射ミラーを揺動することにより上記光源から出射された光束の上記被加工物に対する照射位置を変化させる揺動装置と、上記光源から出射された光束を上記被加工物上に集光する集光レンズとを備えたことを特徴とする導光光学系システム。
光源としてのレーザ発振器と、請求項５に記載の導光光学系システムとを備えてなることを特徴とするレーザ加工機。
炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）を主成分とし、かつ導電性を有する炭化物系セラミックスから、請求項１に記載の反射ミラーを構成する補強構造部を放電加工により成形する工程、上記補強構造部の反対側の反射面となる面を必要な面粗さに光学研磨する工程を含むことを特徴とする反射ミラーの製造方法。
請求項１に記載の炭化物系セラミックスからなる反射ミラーの背面部に、該背面部に設けられた補強構造部に嵌合するように形成された研磨治具を装着し、反射ミラーの基体部表面を研磨する工程を含むことを特徴とする反射ミラーの製造方法。
請求項１に記載の炭化物系セラミックスからなる反射ミラーの基体部表面を研磨した後、該研磨面に鏡面加工可能な金属膜を成膜し、しかる後その成膜した金属膜をダイヤモンド切削して反射面を形成することを特徴とする反射ミラーの製造方法。