JP2014524594A - 化学エッチングを行って高剛性且つ低慣性のミラーを提供するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

有限回転モータシステムに用いるミラーを作製する方法を開示する。本方法は、少なくとも一つの壁面区画を含むミラー構造体を設けるステップと、前記少なくとも一つの壁面区画を液状エッチング剤に曝して、ミラー構造体の化学的フライス加工を提供するステップと、を含む。

Description

（優先権）
本願は、２０１１年７月２９日に出願された米国仮特許出願第６１／５１３，２７４号の優先権を主張するものであり、前記出願は、その開示内容全体を本願明細書の一部として援用する。

本発明は、概して、有限回転モータシステムの光学構成要素の作製に関し、特に、剛性が高く慣性の低い光学構成要素の作製に関する。

走査ミラーシステムは、一般に、基板に取り付けられるか、又は、基板の一部として形成されるミラー表面を含み、前述の基板は、モータシステムのシャフトに連結される。このようなモータは、連続動作するものであっても（例えば、多面鏡と共に用いる場合）、又は限定的角度範囲内での移動を提供する有限回転モータであってもよい。これらの用途では、ミラーに対して、可能な限り剛性が高いことと両立して、限定的角度範囲に亘る加速された往復移動の際の慣性が最小であることが求められる。

一般的な有限回転走査システム（検流計システムとも呼ばれる）において、ミラーは、有限回転モータの出力シャフトに取り付けられ、有限回転モータは、位置及び速度コマンド波形に、モータのロータ、ひいてはミラーを適度に高い忠実度で追従させるようにシークする制御ループによって制御される。

ただし、システムがコマンドに従い得る忠実度には限界がある。例えば、システム内のミラーの加速は、モータ巻き線内の電流の上昇率によって制限される。位置精度は、フィードバック法の信号対雑音比によって制限される。システムの帯域幅（すなわち、所望の高速度で位置Ａから位置Ｂまで移動して、可能な限り短時間で正確に位置Ｂに停止するシステムの能力）は、主として移動部品の振動によって制限される。システムのこの帯域幅は、定格で移動構造体の一次ねじり共振の２分の１になる。

したがって、許容可能なシステム慣性の制約内で、移動部品の剛性を可能な限り高くする慣例になっている。指定の加速度に到達するためにモータが必要とするトルクは、慣性に正比例すると共に、電流（この上昇率は前述したように制限される）に比例するため、システムパラメータが特定の慣性について最適化されると、一部の、通常はミラー等の構成要素は、剛性対慣性比が非常に大きい材料で作製されたとしても、システム帯域幅の目標を達成するのに必要な剛性を持たない。この場合、余分な慣性が加わることになっても、追加の材料をミラーに加えて剛性を改善するが、これにより、より大きく且つより高価なモータが必要になり、この余分な慣性を駆動できる制御ループも必要になる。

米国仮特許出願第６１／５１３，２７４号明細書

したがって、より大きく高価なモータ及び付随する制御システムを必要とせずに、向上した帯域幅を提供する有限回転モータシステムが求められている。

実施形態によれば、本発明は、有限回転モータシステムに用いるミラーを作製する方法を提供する。本方法は、少なくとも一つの壁面区画を含むミラー構造体を設けるステップと、少なくとも一つの壁面区画を液状エッチング剤に曝して、ミラー構造体の化学的フライス加工（chemical milling）を提供するステップとを含む。

他の実施形態によれば、本発明は、有限回転モータシステムに用いるミラーを提供し、本ミラーは、ミラー前面の反対側に裏当て構造を含む。裏当て構造は、テーパ形状を有する少なくとも一つの壁面区画を含み、テーパ形状は、壁面がミラーの前面から離れるにつれて先細になる。

更に他の実施形態によれば、本発明は、有限回転モータシステムに用いるミラーを提供し、前記ミラーは、ミラー前面の反対側に裏当て構造を含み、裏当て構造は、ミラーに剛性を与える特徴物であって、その厚さがミラーの前面から離れる方向に薄くなる特徴物を含む。

下記の説明は、付属の図面を参照することでよりよく理解され得る。

本発明に従って加工される、有限回転モータの一部を示す模式的拡大図である。 本発明の実施形態に従って加工された後の有限回転モータの一部を示す模式的拡大図である。 本発明の実施形態に従って加工されるミラー基板を示す模式的前面図である。 図３に示したミラー基板を図３のライン４−４から見た模式的上面図である。 図３に示したミラー基板を図３のライン５−５に沿って切断した模式的側面断面図である。 図３に示したミラー基板の模式的背面図である。 図６に示したミラー基板の背面の一部を示す模式的拡大図である。 本発明の実施形態に従って加工されているミラー基板の一部を示す模式的拡大図である。 本発明の実施形態に従って加工されているミラー基板の一部を示す模式的拡大図である。 本発明の実施形態に従って加工されているミラー基板の一部を示す模式的拡大図である。 本発明の実施形態に従って加工されたミラー基板を示す模式的背面図である。 図９に示したミラー基板の背面の一部を示す模式的拡大図である。 図９に示したミラー基板を図９のライン１１−１１から見た模式的側面図である。 図９のミラー基板の模式的投影図である。 本発明のミラー基板を含む光学部品を用いる有限回転モータシステムを示す模式図である。

図面は、例示のみを目的としたものである。

ある種の高剛性且つ低慣性の材料は、限定回転式モータシステムにおけるミラー等、使用中に移動する移動式（すなわち動的）ミラーの作製に用いられることが知られている。このようなミラーには、（理想的には）剛性が無限に高い一方で慣性がゼロであることが求められ、例えば、ベリリウムは、剛性が高く質量が小さいため、最高の選択肢となる。

また、ミラー構造を機械加工して、ミラーの質量、特に、ミラー背面においてミラーの回転軸から最も遠い端縁付近の質量を低減できることも知られている。この機械加工は、ミラーの質量を減らしながらも、ミラーの剛性を大きく損なうことがないように設計される。このため、可能な限り薄く壁面を残して（例えば、ハチの巣状に残して）剛性を提供するようにミラーを加工することが望ましい。

ミラー構造体に用いられる材料は、非常に低い固有慣性（単位面積当たりのｇｍ−ｃｍ^２）を有するが、ベリリウム等、慣性の低い特定の材料を非常に薄い厚さに、クラッキングを生じずに機械加工することは困難である。また、ベリリウムは、機械加工に費用がかさむことに加え、有害な粉塵を生じる。工作機械の処理は、一般に、特定の材料に固有の処理であり、各種異なる速度、送り、潤滑剤、冷却剤、工具の形状、材質、コーティングを必要とする。したがって、ベリリウム製ミラーの製造速度を向上させると同時に、既知の機械加工技術の制約を克服することが望ましい。

図１に、材料の除去後に残る壁面区画１２及び底面１４を含むベリリウムミラー基板を１０として示す。この分野において知られるように、ソリッドモデルを表すコンピュータファイルは、工作機械において直接機械加工命令に変換することができ、工作機械は、所定の平面部分の削り出し、長手穴のドリル加工を行うと共に、親ベリリウムブロックの表面の一区画のままである間に、必要に応じて穴加工とねじ切り等の二次加工を行う。

基板１０は、ワイヤＥＤＭ（放電加工）や電解鋸引き等の鋸引きプロセスを利用して基板１０がフライス加工される母材ブロックから取り出すことによって更に処理することができる。この後、分離された基板には、通常は所望の公差に従った仕上げ加工が行われる。この後、基板は、都合よくそのまま利用されても、又は、メッキ加工、真空塗装、若しくはその両方によって更に処理されてもよい。

本発明は、基板自体を生成するプロセスに関する。機械加工の分野の当業者に知られているように、親ブロックの表面への単一の基層の作製や、親ブロックの一つ以上の表面への複数の基層の作製や、更には単一のニアネットシェイプブロックからの単一の基層の作製は全て同じ問題を共有しているため、このような変形例も本発明の精神及び範囲から外れるものではない。基層の正確な寸法及び形状、並びにミラー背面の補強構造体の正確な構成は、種々異なるが、これらは本発明の精神及び範囲から逸脱しない変形例である。

ベリリウムを機械加工する際の一つの難点は、機械加工力及び熱の発生によって表面にクラッキングが生じることである。非常に尖鋭な工具、放水式冷却剤、及び、フライス加工における１０，０００ＲＰＭ未満のスピンドル速度を用いるという措置を取ることで、クラックは表面の上部１０ミクロン程度までに限定される。この程度であったとしても、クラックは、機械加工の後で且つ使用前に除去されなければならない。除去されないと、これらのクラックは、特に加速中に部品に応力が加わった場合に、長さ及び深さが大きくなる傾向にあり、部品の内部で互いに結合して破損の原因となる。

残念ながら、ベリリウム区画の厚さを大幅に薄くすると（このことは、ミラー基板に求められる低慣性を得るために必要とされる）、ある薄さにおいて、機械加工中に区画が湾曲する。この湾曲によりクラックが深くなる。その結果、実用的な最小区画厚さは、図１にｄ_１として示すようなミラー基板程度の構造体において約０．５ｍｍである。基本的に、この区画厚さは、達成し得る慣性に下限の制約を課す。

フライス加工などの機械加工中に生じる表面のクラッキングは、機械加工後にクリーニングした部品を、濃度６０％のフッ化水素酸（ＨＦ）が１容量部で濃度６９％の硝酸（ＨＮＯ_３）が９容量部のエッチング剤溶液、又は他の適切なエッチング剤の溶液等に浸すことによって除去できる。２０Ｃ±５Ｃでの材料除去率は、エッチング剤への暴露表面当たり毎分約１８ミクロンである。これは、１００００ＲＰＭのスピンドル回転数で５ミクロンという一般的なフライス歯処理量と比べて遅いように見えるが、フライス加工は、部品のどこかに接触している単一のライン上で行われるのに対し、エッチングは、部品の暴露表面全体に同時に作用するため、エッチング処理の方が遥かに高速である。一般に、除去される材料は、浸漬時間、攪拌槽の組成、及び温度残存定数と比例関係にあるため、所望の材料除去深さは、部品を槽に浸漬する時間によって十分に制御できる。

ただし、裏当て構造体上のいずれかの囲まれた領域の深さ対幅の比が大きくなると、全体的な攪拌の効率が低下し、エッチング液の表面張力によって、薄肉化される壁面の定位置に消耗した化学物質が保持されがちである。エッチング剤の局所効率をより完全に回復するためには、エッチング剤の局所表面を周期的に壁面の上下に移動させて、時間で積分したエッチング剤の表面位置が、ディザを用いた攪拌槽からの部品の低速の引き抜きと類似するようにしなればならない。すなわち、部品は、壁面に張り付いている疲弊したエッチング剤を洗い流す効果のある僅かな上下移動を間に挟みながら、一定の速度で引き抜かれる。

本発明の実施形態によれば、ベリリウム製のミラー構造体（図１に示したもの等）は、例えば、５〜６分という長い時間、エッチング槽に留まることができ、最後の１分に、例えば、エッチング槽から基板をゆっくりと除去する時間を提供できる。これについては下記でより詳細に説明する。このような処理の後、ベリリウム構造体の区画は、図２に２０として示すように、かなり小さい寸法にエッチングされる。エッチングされた壁面は２２に示され、エッチングされた底面は２４に示されている。底面区画の厚さは、例えば、ｄ_２（例えば、約０．５ｍｍ）からｄ_４（例えば、約０．４ｍｍ）に低減できる。また、壁面区画は、テーパになって三角形の断面形状を有する。壁面区画の厚さは、例えば、ｄ_１（同様に約０．５ｍｍ）から、厚さが変化する壁になり得、この厚さは、例えば、最も太い部分（ｄ_３）の約０．２５ｍｍの厚さから、最上部において限りなくゼロに近くなる。これにより、特に、ミラーの回転軸から遠いところで質量が除かれるため、リブ部の質量、ひいては部品の慣性が更に抑制されるという望ましい効果が得られる。テーパ状態は、下記で詳細に説明するように、液体槽からの基板の取り出し速度を制御すると共に、液体槽内での基板の攪拌を制御することによって調整できる。

このようなプロセスで形成されたミラーを検査し、固有の慣性が極めて低いことを発見した。このプロセスを更に発展させているときに、浸漬時間を制御するだけで、高さ（剛性）を減じることなく、最上部のリブをライン状に小さくできることが判明した。リブ断面の三角形の形状は、閉じたセル内部におけるエッチング剤の部分的消耗を考慮したものである。

基板の反射面から材料を除去すると慣性は小さくなるが、同時に剛性も低くなる。ただし、反射表面の研磨中に生じる力を支えるために、最低限の剛性は必要である。反射表面が、１／４波長の平面度、又は使用波長において１／４波長より高い平面度であるという要件を維持すると、必要な最小区画厚さ（一次剛性ひいては慣性の逆数で他は全て一定）は、意図する使用波長に応じて変化する。逆に言うと、意図する使用波長と反比例する断面厚さ（短波長の１／４は、平面度から逸脱できる許容絶対値が小さいため、より剛性の高い基板を必要とする）まで、ミラー基層を加工する必要があった。

図３〜図７に、反射性の高い反射表面を提供する前面３２及び背面３４を有するベリリウムミラー構造体３０を示す。ミラーの回転軸（Ａ_Ｒ）から最も遠い両側面は、３５に示すように縮小され、米国特許出願公開第２０１０／０２７１６７９号に開示されるようなミラー制振材料を収容する空洞３３を設けることができる。前記特許出願は、その開示内容全体を本願明細書の一部として援用する。図６及び図７において３６に示すように、背面３４を機械加工して、領域３６からハチの巣状にベリリウム材料を除去しながら、互いに隣接して形成される六角形の壁面区画３８を残すことで、ミラーに対する支持を提供しつつ重量を抑制（材料の除去により抑制）する。

図８Ａ〜図８Ｃに示すように、基板４０は、前述したようにエッチング液４２内への浸漬によって加工できる。高反射ミラー表面全体に保護膜４４を設けて、高反射ミラー表面のエッチングを防止する。エッチング液４２からの基板４０の離脱率を制御することによって、壁面４６が高反射ミラー表面から最も遠いところでより薄くなるように壁面４６の形状を制御することができる。したがって、壁面のテーパは、直線状であっても又は直線状でなくてもよい。壁面４６及び底面４８により、依然として六角形の形状が形成されているが、特に、底面から遠い端部において薄くなっている。

図９〜図１２を参照すると、液状のエッチング剤内での化学的処理の後、ミラー構造体５０の壁面区画５８及び底面５９はエッチングされて、図２に示すようなテーパ形状になっている。特に、壁面区画は、壁面がミラーの高反射表面から離れるに従って先細になる形状を有する。繰り返すが、ミラー５０の前面５２は、マスキングによりエッチングされないまま残る。図９及び図１０に示すように、六角形の壁面は、エッチングにより薄くなった厚さを有するが、依然としてミラーに対する構造的支持を提供する。図１１及び図１２において５７に示すように、六角形の壁面は、ミラーの回転軸（Ａ_Ｒ）から離れた側方端部付近において高さが低減される。

エッチングプロセスは、高速であり、操作員を必要としないため、本発明は、離散的な個別区画の厚さを機械加工することに比べて非常に経済的であり、将来的に、現時点で可能なものよりも薄い区画を直接機械加工できる方法が発見されたとしても、本発明のプロセスは、非常に薄く且つ極めて低慣性のミラーを作製する、より経済的な手法を提供し続けるであろう。したがって、実際には、むしろ厚みのある単一の基板が、フライス加工又は他の機械加工によって複数のユニットに形成され、その後、各ユニットが、エッチングを用いて、特定の波長、使用する波長間隔に必要な最終寸法に加工される。

したがって、本発明の各種の実施形態によれば、ベリリウムミラーの補強リブの区画及び表面の少なくともいずれかは、効果的にリブを太くするように、エッチング、若しくは、露出したミラー面のマスキング、又はその両方を行うことによって、反射面にクラックを生じることなく所望の厚さに低減できる。更に他の実施形態によれば、機械的攪拌率を制御して、エッチング液の部分的消耗を調整することで、開口端において薄くなる三角形の断面を生成できる。更に他の実施形態によれば、ミラー基板のうちの選択した領域は、その領域がエッチングされないように、エッチング前にマスクされてよい。また、更に他の実施形態おいて、エッチング基層は、所望の最終的な可変区画厚さよりも寸法が大きめの区画厚さに均一に機械加工されてよい。

図１３に更に示すように、有限回転モータシステム６０において、光学部品６２（例えば、ミラー５０）は、ミラー取り付け構造体６６を介して（例えば、開示内容全体を本願の一部として援用する米国特許第７，２１２，３２５号に開示されるように、クランプ、ねじ式取り付け構造体、及びテーパ式取り付け構造体の少なくともいずれかを介して）有限回転モータ６４に連結されて、ミラー回転軸Ａ_Ｒを中心に回転する。システム６０は、フィードバック制御システム７０に連結された位置検出器６８も含み、フィードバック制御システム７０は、入力ノード７４からの入力コマンド信号及び位置検出器６８からのフィードバック信号に応じてモータ６４にコマンド信号７２を提供し、モータシャフト、ひいては光学部品６２の速度及び位置の少なくともいずれかを制御する。

フィードバック制御システムを用いて、任意の高い忠実度で位置及び速度のコマンド波形に、モータのロータひいてはミラーを追従させる。ただし、システムが入力コマンド信号に従い得る忠実度には限界がある。例えば、システム内のミラーの加速度は、モータ巻き線内の電流の上昇率によって制約され、位置精度は、フィードバックシステムの信号対雑音比によって制約される。位置Ａから位置Ｂに所望の高速度でミラーを移動し、最短の時間で正確に位置Ｂに停止させるシステムの能力（システムの帯域幅）は、主として移動部品の振動によって制約される。本発明に係るミラー基板を提供することで、ミラーの剛性を極めて高くしながらも慣性を低くすることを有利に実現できる。

本発明の精神及び範囲から外れることなく、上記に開示した実施形態に各種の変形及び変更を行えることは、当業者であれば理解されるであろう。

Claims (20)

1. 有限回転モータシステムに用いるミラーを作製する方法であって、
   少なくとも一つの壁面区画を含むミラー構造体を設けるステップと、少なくとも一つの壁面区画を液状エッチング剤に曝して、ミラー構造体の化学的フライス加工(chemical milling)を提供するステップと、を含む方法。
2. 前記ミラー基板はベリリウムを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記液状エッチング剤はフッ化水素酸（ＨＦ）を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記液状エッチング剤は硝酸（ＨＮＯ_３）を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記方法は、保護領域にマスクを適用して、保護領域のエッチングを防止するステップを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記保護領域はミラーの前面反射表面である、請求項５に記載の方法。
7. 前記方法は、ベリリウム構造体及び液状エッチング剤を含む溶液槽を攪拌するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記方法は、ベリリウム及び液状エッチング剤を含む溶液槽の攪拌率を制御して、少なくとも一つの壁面区画の形状を調整するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記ミラー構造体は、ミラーが目標の低減重量に達したときに、液状エッチング剤から取り出される、請求項１に記載の方法。
10. 前記方法は、少なくとも一つの壁面区画がテーパ状の壁面を構成するように、制御された速度でベリリウム構造体を液状エッチング剤から引き出すステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記方法は、ベリリウム構造体の露出表面の均一なフライス加工を提供する、請求項１に記載の方法。
12. 有限回転モータシステムで用いられる、請求項１の方法で形成されたミラー。
13. 有限回転モータシステムで用いられるミラーであって、前記ミラーは、ミラー前面の反対側に裏当て構造を含み、前記裏当て構造は、少なくとも一つの壁面区画を含み、壁面区画は、壁面がミラーの前面から離れるにつれて先細になるテーパ形状を有する、ミラー。
14. 前記裏当て構造はベリリウムを含む、請求項１３に記載のミラー。
15. 前記壁面区画は、化学的エッチングによって形成される、請求項１３に記載のミラー。
16. 壁面区画の前記テーパ形状は、約０．２５ｍｍ未満の厚さである、請求項１３に記載のミラー。
17. 前記裏当て構造は、複数のハチの巣状壁面区画を含み、各壁面区画は、壁面が前記ミラーの前面から離れるにつれて先細になる、請求項１３に記載のミラー。
18. 有限回転モータシステムに用いられるミラーであって、前記ミラーは、ミラー前面の反対側に裏当て構造を含み、前記裏当て構造は、ミラーに剛性を与える特徴物であって、前記ミラーの前面から離れる方向に薄くなる厚さを有する特徴物を含む、ミラー。
19. 前記裏当て構造はベリリウムを含む、請求項１８に記載のミラー。
20. 前記特徴物は、約０．２５ｍｍ未満の厚さである、請求項１８に記載のミラー。

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