JP2007503607A - レーザーシステムにおける偏向装置のためのミラー、その製造方法およびレーザーシステムのための偏向装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザーシステムにおける偏向装置のためのミラー、その製造方法およびレーザーシステムのための偏向装置を提供する。
【解決手段】レーザー加工システムにおけるガルボ偏向装置（３，４）のミラー（４２）は、ダイヤモンド素材から造られるミラー基板（１０）を有する。また上記ミラー基板は、小さいダイヤモンド部分を接合してもよい。
このダイヤモンドから造られるミラー基板（１０）は剛性が高く、従来型ミラー基板（３２）と比較して剛性が高く、かつ厚み（ｄ２）が小さく、従って、レーザーシステムにおける加工速度を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも片側が反射面で構成される平面ミラー基板によって構成されるレーザーシステムにおける偏向装置のためのミラーに関する。さらに、本発明はそのようなミラーによって構成される偏向装置およびそのようなミラーを製造する方法に関する。

偏向装置は、レーザーを用いての被加工物の加工、特に電子回路基板の穿孔および形成のために用いられ、少なくとも１つ、望ましくは２つの可動ミラーを経由して２次元にレーザービームを偏向し、その後上記レーザービームを所定の加工領域の任意の点に照射できるようにするものである。一般に、ガルバノモーターはミラーを偏向するために用いられ、非常に高速かつ精密な動作を可能にする。しかし近年、動作速度および精密さに対する要求は、ますます高いものとなってきている。一方、光学系において必要とされるミラーが大きくなるにつれ、集束（ｆ−θ）光学系の後における対応する小さいスポットサイズが、例えば穿孔される孔の直径もより小さいものとなる。しかし、ミラーの慣性質量はそのサイズの大きさに伴って増大し、これによって達成される速度が減少してしまう。

しかしながら、慣性質量とは別に、そのミラーの剛性もまた達成できる速度の決定的なパラメータとなる。慣性ではなく、この剛性が制限されるパラメータとなる場合が非常に多い。もし上記慣性質量を低減するためにミラーの領域サイズを決めて上記ミラーを薄く作ることを試みるならば、同時に上記ミラーの剛性もまた低減してしまう。つまり、ミラーをジャンプ運動させる度に、加工のためにレーザービームがスイッチオンできるまで、停止状態になるのを待っていなければ、跳ね返りが生じるでしまう。動作速度がより速い場合には、ミラーの剛性を高めて作る必要がある。通常、該剛性はミラー基板の弾性率と密度あるいは質量それぞれとの間の比率によって決まる。

現在、偏向装置には、ガラスあるいはシリコンから、また例外的な場合としてベリリウムから作られたミラーを用いるのが好ましいとされる。しかし、色々な手段によってその他の材料を用いることも可能である。上述の材料では、この定まった順序で密度（あるいはミラーサイズが確定している場合は質量）が低くなる。しかし、これら全ての材料は弾性率が小さく、現在用いられるミラーのサイズおよび速度においては剛性が制限される。例えば偏向装置において異なるサイズの２つのミラーを用いる場合、光路上に配置された第１のミラーは上記レーザービームを１つの点のみに偏向することが必要となるので、このレーザービームは第２ミラーに突き当たるときには既に一次元に扇形に広がるため、第１の小さいミラーはまだ剛性に関する必要条件に適合するが、第２の大きなミラーはもはやこれらの条件を満たさず、それぞれ所望の作動速度を達し得ない、ということが起こり得る。

従って、本発明の目的は、ミラーのサイズおよびミラーの表面はそのままで、低慣性を実現し、かつ、剛性は高いまま、あるいはさらに大きくなる、レーザー偏向装置のためのミラーおよびその製造方法を提供することである。

本発明によれば、この目的は、最初に述べた、ミラー基板がダイヤモンドによって作られル種類のミラーによって達成することができる。

ダイヤモンドは全ての材料中最も弾性率が高い物質の１つであって、この結果剛性が高まり、同等のガルバノモーターによる加工速度を高めることができ、あるいはミラーサイズは同じにしたまま、例えば軸を軽くして回転の際質量を小さくすることによって、より小さいモーターを使用することを可能にする。天然ダイヤモンドは高価すぎるので、天然ダイヤモンドの特長に匹敵する特長を有する合成ＨＯＤ（highly oriented diamond）ダイヤモンド（高配向性ダイヤモンド）を用いるのが望ましい。このダイヤモンドは高圧力／高温合成によってあるいは低圧力合成によって製造される。この工程で、薄いダイヤモンド被膜がシリコンなどの異種基板にそれぞれ圧着される。例えばマイクロ波エネルギーあるいは気相からのレーザー照射によって蒸着が発生する。この方法はＣＶＤ（chemical vapor deposition：化学気相反応法）として知られる。

従って、本発明のミラー製造法は、蒸着法によってキャリア基板上に上記気相からの複数の薄いダイヤモンド層を成膜する工程と、例えばエッチングによって、個々のミラー基板あるいは製造されたダイヤモンドプレートから所望のサイズのダイヤモンド部分を分離する工程と、反射層を各ミラー基板の表面に付着させる工程とから構成される。

本実施の形態においては、ダイヤモンドの製造に必要なキャリア基板は、全体的にまたは部分的に除去、例えばエッチングされ、ミラーの慣性質量は低い状態に保たれる。また上記キャリア基板を部分的にエッチングすることによってストラット（支え部分）およびリブ（骨）のフレーム構造を残すことも可能であり、これによって上記ミラーをさらに補強することができる。さらに、上記ストラットおよびリブのそれぞれの対応部分、また上記ダイヤモンド層自体に、背面からエッチングを施して、さらに質量を低減することも可能である。

ダイヤモンド層が上記キャリア基板の両面に成膜される際、キャリア基板はストラットとして上記ミラー内部に残る。

合成ダイヤモンド（ＨＯＤ）としてミラー基板を製造する間において、一定量の平面性のみが達成される。この達成された平面性は、ミラー基板のサイズに基づく。最適な均一性からの不可避な偏差は、基板の製造工程中に起こる基板の内部応力によって生じる。大きなミラーの平面性をより向上させるため、本発明の好適な形態においては、表面上に隣接して配置される複数のダイヤモンド部分のダイヤモンド基板を形成する。これらのダイヤモンド部分は１０×１０ｍｍの範囲の領域をそれぞれ有しており、各領域は例えば側面の長さが５０ｍｍのダイヤモンドプレートよりも、平面にわたって高い平面性を有している。

上記各ダイヤモンド部分は大きなミラーを形成するために色々な形態で結合することが可能である。このように、一つの平面内においてキャリア基板なしでダイヤモンド部分を結合し、そしてそれらを共に接合あるいは接着することが可能である。けれども、またそれらを二層にして互い違いに横に結合または重ねることも、さらにそれらを互いに接続することも可能である。

キャリア基板を用いれば、上記ダイヤモンド部分は、上記キャリア基板の片側あるいは両面にそれぞれ接着及び接合でき、さらに対向するダイヤモンド部分を交互に横に配置することにも好適である。

本発明は、図面に基づく実施の形態によって、以下により詳細に説明される。

図１は、加工、つまりレーザービームによって回路基板を穿孔あるいは形成するための装置を概略的に示し、本発明に基づくミラーが偏向装置において用いられている。この装置において、レーザー１から照射されるレーザービーム２は、２つのガルバノ偏向素子３および４から構成される偏向装置を経由し、次に結像装置５、好ましくはｆθレンズを経由して、加工される基板、例えば回路基板６に照射される。この回路基板は搬送テーブル７上に配置され、この搬送テーブルによって少なくとも２つの水平方向また好ましくは垂直方向にも動かすことができる。

上記偏向装置３は、ミラー３２を駆動するガルバノモーター３１によって構成され、二重矢印３４によって示されるように、その軸３３を中心としてミラーを回転させる。これに対して偏向素子４は、ガルバノモーター４１、および二重矢印４４によって示されるように軸４３を中心として回転させられるミラー４２によって構成されている。第１のミラー３２の回転によって、レーザービーム２は第２のミラー４２上のライン４５の任意の所定位置に照射され、ミラー４２の回転によって、上記レーザービームは、回路基板６の領域６１内の任意の位置に照射され、例えば穿孔あるいは回路層を形成する。

レーザー加工において必要とされる高速度を得るために、上記偏向装置のミラーはその慣性質量をできるだけ小さくする、つまり厚みをできるだけ少なくする必要がある。しかし同時に、動作を停止するまでの間にその跳ね返り時間を無くすか、あるいはできるだけ少なくするためにその剛性を高める必要がある。ミラーの領域が大きいほど、これらの必要を満たすこともより困難となる。

偏向システムにおいて用いられる上記各ミラーは、同じサイズである必要はない。例えば図１からわかるように、上記レーザービーム２は光路を通って第１のミラー３２上の点３５上のみに突き当たるが、同時にこの第１のミラーの回転の動作によってライン４５上のいずれの点にも突き当たる。結果として、上記第２のミラー４２は第１のミラー３２よりも大きくしなければならない。これは、上記第１のミラーは、基板厚みｄ１を有する、例えばガラスあるいはシリコンからなる通常の基板で、所望の低い慣性質量および高剛性を満足でき、一方上記第２のミラー４２においては、小さな厚みｄ２のみによっても同じ動作速度を達成できることを意味する。本発明によれば、上記第２のミラー４２は、この場合、小さな厚みｄ２で所望の剛性を保証するダイヤモンドで製造されたミラー基板を有している。当然ながら、両方のミラー３２、４２をダイヤモンドで製造してもよい。

図２は本発明のダイヤモンドミラーを示す斜視図であるが、ここにおいて示される８面体の形状以外に他の形状も考えられる。厚みｄを有する上記ミラー基板１０は、特に用いられるレーザーの波長に合わせて好適に調節される反射被膜１１を前面に被覆して備えて形成される。上記ダイヤモンドミラー基板の厚みは、０．２ｍｍから０．５ｍｍ位でよい。一方、同じミラーサイズを有するガラスあるいはシリコン、その他からなる通常のミラー基板では、その厚みｄはおよそ１ｍｍから２ｍｍである。従って、ダイヤモンドが高弾性率および高剛性を有するため、本発明のミラーは、質量が低く、かつ動作速度をより速くできるような、かなりの薄さとすることができる。

さらに、図２はダイヤモンド基板１０の製造の際に最初にベースとして用いられるキャリア基板１２を示す。上記キャリア基板はその後、ミラー基板の厚みおよび質量を低減するため、全部あるいは部分的に除去される。図３乃至図５は、上記キャリア基板１２の質量がどのように低減され、上記ミラーをさらに補強するためにどのように用いられるのかの実施例を示す。図３は、ミラー基板１０を後方から見た図である。ここで、リブ（骨）１４およびストラット（支え部材）１５は凹部１３を介して露出している。上記リブおよびストラットは完成後のミラー基板の質量をわずかに増加させるが、しかし、上記ミラー基板１０の剛性をかなり増強する。図４および図５は、上記キャリア基板の側面図の２つの異なる実施例を示す。

上述のように、人工ダイヤモンドから造られたミラー基板の製造において、上記ミラー基板のサイズによって、一定の平面性のみを得ることができる。大きなミラー、例えば辺長が２５ｍｍ以上のミラーの使用においては、本発明をさらに展開して、複数のダイヤモンド部分を接合してミラー基板を形成した。図６から図１０までは、そうした接合されたミラー基板の実施例を側面図によってそれぞれ示す。ここでまず、例えば１０×１０ｍｍといったような小さな面積のゆえに、高い平面性を有するダイヤモンド部分２１が作られる。これらのダイヤモンド部分は、例えばエッチング工程によってダイヤモンドプレートから分離される。このようにして作られた上記ダイヤモンド部分２１は、結合及び接着または接合されて、所望の大きい面積を有するミラー基板２０が得られる。図６によれば、上記個々のダイヤモンド部分２１は、キャリア基板をさらに使用することなく一つの平面に結合される。図７によれば、こうしたダイヤモンド部分は結合または２つの層に交互に横に重ね合わせられる。

さらに図８から図１０においては、さらにキャリア基板２２が用いられ、ダイヤモンド部分２１が、図８によればその片側に、あるいは図９によればその両側にそれぞれ接合及び接着される。またこの場合、図１０に示されるように、反対側のダイヤモンド部分は横方向に互い違いとなるように配置される。さらに、この場合もまた、例えば図３から図５までに従ってストラット（支え部材）あるいは特定のグリッド（格子）がキャリア基板２２に組み入れられ、その質量を低減し、剛性を強化する。

いずれの場合も、上記結合されたミラー基板２０の表面は研磨され、それぞれ反射被膜１１が設けられる。

２つのガルバノミラーから成るレーザー加工装置を示す図である。 本発明のミラーの一実施例を示す斜視図である。 後方から見た本発明のミラーの他の実施形態を示す図である。 図３のミラーの可能な一つの断面図である。 図３のミラーの可能な他の一つの断面図である。 複数のダイヤモンド部分から組み立てられた本発明のミラーを側面から見た、さらに別の実施形態を示す図である。 複数のダイヤモンド部分から組み立てられた本発明のミラーを側面から見た、図６とは異なるさらに別の実施形態を示す図である。 複数のダイヤモンド部分から組み立てられた本発明のミラーを側面から見た、図６及び図７とは異なるさらに別の実施形態を示す図である。 複数のダイヤモンド部分から組み立てられた本発明のミラーを側面から見た、図６乃至図８とは異なるさらに別の実施形態を示す図である。 複数のダイヤモンド部分から組み立てられた本発明のミラーを側面から見た、図６乃至図９とは異なるさらに別の実施形態を示す図である。

符号の説明

１…レーザー、２…レーザービーム、３…偏向素子（偏向装置）、４…偏向素子、５…結像装置、６…回路基板、７…搬送テーブル、１０…ミラー基板、１１…反射被膜、１２…キャリア基板、１３…凹部、１４…リブ（骨）、１５…ストラット（支え部材）、２０…ミラー基板、２１…ダイヤモンド部分、２２…キャリア基板、３１…ガルバノモータ、３２…第１のミラー、３３…軸、４１…ガルバノモータ、４２…第２のミラー、６１…領域。

Claims (21)

1. 少なくとも片面に反射面（１１）を有する平面ミラー基板（１０；２０）で構成される、レーザーシステムにおける偏向装置のためのミラーであって、
   前記ミラー基板（１０；２０）がダイヤモンドで作られていることを特徴とするレーザーシステムにおける偏向装置のためのミラー。
2. 前記ダイヤモンドが合成ＨＯＤ（高配向性ダイヤモンド）ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１に記載のミラー。
3. 前記ミラー基板（１０；２０）が、キャリア基板（１２）上に複数の薄いダイヤモンド被膜の形で形成されていることを特徴とする請求項２に記載のミラー。
4. 前記キャリア基板（１２）が、シリコンで作られていることを特徴とする請求項２または３に記載のミラー。
5. 前記ミラー基板（１０；２０）は、リブ（１４）およびストラット（１５）により形成されたキャリアフレーム構造上に、ダイヤモンドによって作られることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記ミラー基板（１０；２０）は、反射面（１１）の背面側に凹部によって形成される補強フレーム構造を備えて構成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のミラー。
7. ミラー基板（１０；２０）は、前記キャリア基板（２２）の両面のそれぞれに配置されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のミラー。
8. 前記ミラー基板（２０）は、隣接して配置される複数のダイヤモンド部分（２１）によって形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のミラー。
9. 前記ダイヤモンド部分（２１）は、少なくとも２つの平面において交互に横に配置され、かつ互いに接続されることを特徴とする請求項８に記載のミラー。
10. 前記ダイヤモンド部分（２１）は、キャリア基板（２２）の表面上の少なくとも片側に配置されることを特徴とする請求項８に記載のミラー。
11. 前記ダイヤモンド部分（２１）は、前記キャリア基板（２２）の２つの対向面に配置されることを特徴とする請求項１１に記載のミラー。
12. 前記ダイヤモンド部分（２１）は、前記キャリア基板（２２）の対向面の各々において交互に横に配置されることを特徴とする請求項１２に記載のミラー。
13. 前記ダイヤモンド部分（２１）は、共に、及び／又はキャリア基板（２２）に接着されることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれかに記載のミラー。
14. 前記ダイヤモンド部分（２１）は、互いに、及び／又はキャリア基板（２２）に接合されることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれかに記載のミラー。
15. 請求項１乃至１５のいずれかに記載のミラーの製造方法であって、
    気相からの複数のダイヤモンド層は、蒸着法（ＣＶＰ）によってキャリア基板（１２）上に成膜され、
    所望のサイズの個々のミラー基板（１０）またはダイヤモンド部分（２１）は、前記のように製造されたダイヤモンドプレートから分離され、
    反射層（１１）は、各ミラー基板（１０）の表面上に成膜することを特徴とするミラーの製造方法。
16. 前記キャリア基板（１２）は、前記ダイヤモンド層の背面側から全部または部分的にエッチングされることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
17. 所定の形状およびサイズのダイヤモンド部分（２１）は、前記ダイヤモンドプレートから、特にエッチングによって分離され、
    複数のダイヤモンド部分（２１）は、大きなミラー基板（２０）を形成するために結合されることを特徴とする請求項１６乃至１７のいずれかに記載の方法。
18. 前記ダイヤモンド部分（２１）は、それらの端部において共に接着または接合されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
19. 前記ダイヤモンド部分（２１）は、キャリア基板（２２）に接着または接合されることを特徴とする請求項１８または１９に記載の方法。
20. レーザービーム（２）が、光路上に配置され、回転ドライブ（３１、４１）を介して回転する少なくとも１つのミラー（３２、４２）を経由して、被加工品（６）に向けて偏向される、レーザーシステムにおける偏向装置であって、
    前記ミラー（４２）の少なくとも１つは、請求項１乃至１５のいずれかに記載のダイヤモンドによって作られたミラー基板（１０）によって形成されることを特徴とするレーザーシステムにおける偏向装置。
21. 前記レーザー（１）の光路上に位置する２つのミラー（３２、４２）のうち、前記光路の下流側にある前記ミラー（４２）は、上流側の前記ミラー（３２）より大きな領域と小さな厚み（ｄ２）を有し、
    さらに、少なくとも前記下流側のミラー（４２）にはダイヤモンドによって作られるミラー基板（１０）を備えて形成されることを特徴とする請求項２１に記載の偏向装置。

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