JP4522315B2 - スキャンミラー、その製造方法およびレーザ加工機 - Google Patents
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Description
この発明は、プリント基板や半導体チップの樹脂材やセラミックス材等に、穴あけ、切断、マーキング等を行うレーザ加工機の加工穴位置決めのガルバノスキャナに取り付けられる、レーザ加工機用のスキャンミラー、その製造方法およびレーザ加工機に関するものである。
従来のレーザ加工装置で用いられているスキャンミラーは、加工速度向上のための高速回転に対応させるために、軽量かつ高剛性であることが求められており、Ｂｅ(特許文献１)、Ｂ4Ｃ、ＳｉＣなど、緻密化された炭化物系セラミックス等のように、比重が小さく、ヤング率の高い材料が用いられている。さらに剛性を保ちつつ軽量化を図るために、一般的なスキャンミラーの背面はリブ構造となっている。
またスキャンミラーの反射面は、加工穴の真円度を確保するため、一般的に収差の影響が実用上問題ない、λ／２０（λはレーザの波長）以下の平面度を有することが必要とされている。例えば、現在プリント基板の加工用に用いられているＣＯ2レーザの波長λは１０μｍ前後であるため、この場合スキャンミラー反射面の平面度は０．５μｍ以下を満たさなければならない。
スキャンミラーに用いられる炭化物系セラミックスは高硬度であるため、反射面加工時には、大きな荷重(加工圧力)を加える必要がある。しかし、前述の通り一般的なスキャンミラーの背面はリブ構造となっているため、リブのない剛性の低い部分では加工圧力に対する逃げが生じ、必要な平面度を得るのが困難となっている。一方、平面度を得易くするため荷重を小さくした場合には、加工速度が低下するため、膨大な加工時間がかかるという問題がある。このような炭化物系セラミックスの難加工性を克服するため、スキャンミラーの反射面となる面にメッキ、蒸着などの手法により、ＮｉやＣｕなどの軟質金属の膜を形成し、金属膜をダイヤモンド切削し、反射面の平面度を得るという手法が示されている。
また、緻密化されたＢ4ＣやＳｉＣにも、空孔が存在している。上記の軟質金属膜を形成した場合には、軟質金属膜が反射面に存在する空孔を埋める効果があり、その分も含めて反射率の向上に寄与している。
特開２００１―１１６９１１号公報
上記のＢｅを用いたスキャンミラーは、Ｂｅが毒性を持つ材料であることから、作業者や環境に対する影響が懸念されている。また、上記レーザ加工装置により高エネルギーのレーザ光により被加工材に対して加工を行った場合、レーザ加工装置内のスキャンミラーの温度が最大１０℃程度上昇する。この場合、スキャンミラーのセラミックス材料上にＮｉ、Ｃｕ等の金属膜を形成し反射面を得るという構成では、スキャンミラー本体（セラミックス材料）と金属膜の線膨張係数の違いによるバイメタル効果により、スキャンミラーが変形し反射面の平面度が悪化する。この結果、被加工材の加工穴形状が著しく悪化し、加工不良を起こすという問題が発生する。
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、セラミックス材料を用い、レーザ光により高エネルギー加工を行う場合においても良好な平面度を保つことができるスキャンミラー、その製造方法およびレーザ加工機を提供することを目的とする。
本発明のレーザ加工機用のスキャンミラーの製造方法は、スキャンミラーの本体をセラミックス材料で形成する工程と、セラミックス材料の本体の表面に、セラミックス材料の線膨張係数βに対して０．７β〜１．５βの範囲内の線膨張係数を持つ金属膜のみを形成する工程と、金属膜を、遊離砥粒による研磨およびダイヤモンド切削による切削のうちのいずれかを行なう仕上げ加工工程とを備える。
本発明のレーザ加工機用のスキャンミラーは、セラミックス材料からなるスキャンミラー本体と、スキャンミラー本体の上に、セラミック材料の線膨張係数βに対して０．７β〜１．５βの範囲内の線膨張係数を有する金属による膜とを備える。
セラミックス材料（スキャンミラー本体）に近い線膨張係数を持つ金属膜により反射面を形成しているため、高エネルギー加工時のスキャンミラーの温度上昇に伴う、スキャンミラー本体と金属膜のバイメタル効果による反射面の平面度の変化を小さくすることができ、被加工品を高エネルギー加工する時でも高い精度の加工を行なうことができる。たとえば、良好な穴形状の加工穴を得ることができる。金属膜の線膨張係数が、０．７β未満または１．５β超えの場合は、上記バイメタル効果により平面度を低下させる。金属膜の線膨張係数が０．７β未満の場合、温度上昇に伴い金属膜に圧縮応力が生じ、ひずみが発生し、平面度が低下する。また、金属膜の線膨張係数が１．５β超えの場合、温度上昇に伴い金属膜に引張応力が生じ、やはりひずみが発生し、平面度が低下する。
また、一般にいえることであるが上記の金属膜は、セラミックス材料(スキャンミラー本体)の反射面に存在する空孔を埋める効果があるため、反射面の反射率が高くなるという効果が得られる。さらに、一般的に金属膜は、セラミックス材料（スキャンミラ−本体）よりも硬度が低く加工性が良いため、反射面の平面度が短時間で容易に得られるという効果がある。
この発明によれば、被加工物の高エネルギー加工時におけるスキャンミラーの温度上昇に伴う、スキャンミラー本体（セラミックス材料）と金属膜とのバイメタル効果による平面度劣化を小さくすることができる。このため、高エネルギー加工時でも高い精度の加工を行なうことができる。また、上記金属膜は、スキャンミラー本体の反射面に存在する空孔を埋める効果があるため、金属膜を形成させないスキャンミラー（セラミックス自体を研磨し反射面とするスキャンミラー）と比較して、高い反射率を得ることができる。さらに、金属膜は、スキャンミラー本体と比較して、硬度が低いため、金属膜を形成させないスキャンミラー（セラミックス自体を研磨し反射面とするスキャンミラー）と比較して、反射面の良好な平面度を短時間で容易に得られる。
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態における、スキャンミラーの背面部を示す斜視図である。また、図２は、本発明のスキャンミラーの部分断面図である。図１において、このスキャンミラーは、プリント基板加工用のレーザ加工機に用いられる。軽量かつ高剛性のスキャンミラーを得るためにスキャンミラー背面部１には複数のリブ２が形成されている。
本実施の形態においては、スキャンミラー本体３はＢ4Ｃ、ＳｉＣなどの炭化物系セラミックスにより形成されている。また、スキャンミラー本体３を被覆する金属膜６には、Ｍｏ、Ｚｒなどの炭化物系セラミックスに近い線膨張係数を持つ金属が用いられる。それぞれの材料の線膨張係数は、Ｂ4Ｃ：４．５×１０-6[１/℃]、ＳｉＣ：４．４×１０-6[１/℃]、Ｍｏ：５．０×１０-6[１/℃]、Ｚｒ：５．４×１０-6[１/℃]である。
したがって、これら金属膜６の線膨張係数と、セラミックス材料の線膨張係数との比は、（Ｍｏ／Ｂ4Ｃ）:1．１１、（Ｍｏ／ＳｉＣ）:１．１４、（Ｚｒ／Ｂ4Ｃ）:1．２０、（Ｚｒ／ＳｉＣ）:１．２３である。したがってこれら金属とセラミックス材料との組み合わせは、上記線膨張係数の比が、０．７〜１．５の範囲に入る組み合わせである。また低線膨張率の合金として知られるＮｉ合金（Ｎｉ―Ｃｏ系など）は、合金組成の調整によりセラミックス材料と同等またはそれ以下の線膨張係数を有するが、スキャンミラー本体のセラミックス材料との対比において、上記範囲内（０．７β〜１．５β）に入れば本実施の形態の対象となる。また、タングステン（Ｗ：線膨張係数４．３×１０-6[１/℃]）、タンタル（Ｔａ：線膨張係数６．５×１０-6[１/℃]）なども、セラミックス材料の線膨張率の０．７〜１．５の範囲に入る金属として、金属膜に用いられる可能性が高い。一方、アルミニウム（Ａｌ：線膨張係数：２３×１０-6[１/℃]）、銅（Ｃｕ：線膨張係数１０×１０-6[１/℃]）などは線膨張係数が過大であり、スキャンミラー本体のセラミックス材料の線膨張係数がよほど大きくないと、本実施の形態の範囲内に入らず、金属膜に用いられる可能性は大きくない。
セラミックス材料から形成されるスキャンミラー本体３は表面が研磨されており、平坦な表面３ｂの中に、セラミックス材料に内在する空孔が表面に露出した凹部３ａが散在し、その凹部３ａを金属膜６が埋め込んでいる（図２および以後の図面においてセラミックス材料の内側に位置する空孔は図示していない）。金属膜６の表面６ｃは仕上げ加工が施されて良好な平坦度となっている。図２に示す仕上がり状態のままでスキャンミラーとして使用可能である。この場合、このあと説明する金（Ａｕ）蒸着膜および増反射膜を形成しないので、より安価にスキャンミラーを提供することができる。
図２に示すスキャンミラーよりも反射率を向上させる場合には、図３に示すように、金属膜６の上に金（Ａｕ）蒸着膜７および増反射膜８を形成する。増反射膜８は、ゲルマニウム（Ｇｅ）および硫化亜鉛（ＺｎＳ）から構成される。
また、図４に示すようにＡｕ膜を介在させることなく、金属膜６に直接に増反射膜８を形成しても、図２に示す金属膜６を反射面とする場合よりも高い反射率を得ることができる。この場合、金膜なしでスキャンミラーとして使用することができ、低コスト化が可能となる。
次に、上記のスキャンミラーの製造方法について説明する。先ず、炭化物系セラミックス材料は炭化物系の材料の粉末を焼成、焼結させてスキャンミラー本体を製造する（図示せず）。次いで、図５に示すように、スキャンミラー本体３の研磨加工を行なう。セラミックス材料には多数の空孔が内在するため、スキャンミラー本体３を研磨加工すると、空孔が表面にあらわれ、平坦な面３ｂのなかに多数の凹部３ａを形成する。この凹部３ａは反射率低下の要因となるが、上述のように金属膜により埋め込まれる。
セラミックスは高硬度であるため、研磨加工時には大きな荷重を加える必要がある。しかし、図１に示すようにスキャンミラーの背面部１にはリブ２が設けられた構造となっているため、リブ２のない剛性の低い部分では加工圧力に対する逃げが生じ、良好な平面度を得るのが困難となっている。一方、荷重を小さくした場合には、加工速度が低下するため、平面度を得るために膨大な加工時間がかかる。本実施の形態では、セラミックス材料の研磨加工は、表面の平面度を３μｍ以下とするレベルとする。本実施の形態において、スキャンミラー本体３の表面で確認された凹部３ａの大きさを実際に測定したところ、幅は最大３μｍ程度、深さは最大１μｍ程度であることがわかった。
次に図６に示すように、スキャンミラー反射面４にＭｏまたはＺｒなどの炭化物系セラミックスに近い線膨張係数を持つ金属により、金属膜６を形成する。金属膜６は、蒸着、スパッタリング等の手法により形成し、厚みは５μｍ程度とする。形成された金属膜６の表面は、図６に示すように、スキャンミラー本体３の表面３ａ，３ｂの形状にならって、平坦状な面６ｂと凹部６ａとを含んだ面形態となる。
金属膜６を形成後、ダイヤモンドやアルミナ等の遊離砥粒を用いての研磨加工やダイヤモンド切削による切削加工により、金属膜６から凹部を除去した表面形態の、図２に示すスキャンミラーを得る。上記の金属膜研磨加工または金属膜切削加工は、凹部をなくし、かつレーザ加工機用のスキャンミラー反射面として必要な平面度λ／２０(λはレーザの波長、例えば９．３μｍのＣＯ2レーザの場合、λ／２０＝０．４６５μｍ)以下となるまで行なう。ここまでの製造工程により、図２に示すスキャンミラーを得ることができる。さらに反射率を向上させる場合には、図３に示すように、スキャンミラーの金属膜６の表面に、金膜７および増反射膜８を形成する。または、図４に示すように、スキャンミラーの金属膜６の表面に、増反射膜８を直接、形成する。
金属膜６を形成しない場合（スキャンミラー本体３を研磨した表面４とし、次いで金属膜を介在させずに金膜および増反射膜を形成した場合）には、スキャンミラー本体に存在する凹部がレーザ光の散乱に悪影響を及ぼし、ＣＯ2レーザに対して最高でも９８．０％の反射率しか得られなかった。これに対して、本実施の形態において、凹部３ａを埋め込む金属膜６を介在させて金膜および増反射膜を形成した場合、反射率は９９．０％以上となり、ＣＯ2レーザに対して高い反射率を持つスキャンミラーを得ることができた。
上述のように、金属膜６としてＭｏを用いた場合、ＭｏはＣＯ2レーザに対して高いレベルの反射率（９８．２％）を有しているため、金コートなしでもスキャンミラーとして使用することができ、低コスト化が可能となる。また、Ｍｏ上に増反射膜コートを施すことで、さらに高い反射率が得られることは云うまでもない。
従来のＮｉ膜による反射面形成を行った場合、高エネルギー加工時のスキャンミラー温度上昇による、スキャンミラー本体３と金属膜６のバイメタル効果による平面度の変化は、スキャンミラーの温度１０℃の上昇で０．３μｍであった。しかるに、本手法を用いてＭｏ膜６による反射面形成を行った場合は、スキャンミラーの温度１０℃の上昇で０．０３μｍと非常に小さくなっていた。この結果、高エネルギー加工時にも良好な加工穴形状を得ることができるスキャンミラーを得ることができた。
さらに、セラミックスの表面に加工が容易な金属膜６を形成し、その金属膜に反射面の加工を行なうので、難加工材であるスキャンミラー本体のセラミックス材料を研磨して反射面を得る場合と比較して、スキャンミラーの反射面の平面度を短時間で容易に得られる。加工性の比較の意味で、材料の硬度をあげると次のとおりである。硬度は１０段階モース硬度による表示であるが、Ｂ4Ｃ、ＳｉＣ、Ｍｏは換算値とした。Ｂ4Ｃ：９．６、ＳｉＣ：９．３、Ｍｏ：５．５、ダイヤモンド：１０、アルミナ：９である。金属膜６にＭｏを用いた場合、硬度比は、Ｂ4Ｃに対して０．５７であり、ＳｉＣに対して０．５９であり、セラミックスの半分に近い値まで減少する。
例えば、スキャンミラー本体３をＢ4Ｃとし、金属膜６をＭｏとして、ダイヤモンドの遊離砥粒による研磨加工を行った場合、平面度３μｍの状態から、平面度０．４６５μｍ以下になるまでに要した加工時間は、金属膜６なしの場合１０時間程度であったのに対し、金属膜ありの場合は３０分（０．５時間）程度であった。
本実施の形態では、金属膜６形成前のスキャンミラー反射面４の平面度を３μｍ以下、金属膜６厚みは５μｍ程度としている。しかし、金属膜６形成前のスキャンミラー本体の表面の平面度を２μｍとした場合は、金属膜６の厚みは４μｍ程度とすることができる。また、金属膜６形成前のスキャンミラー本体の表面の平面度を１μｍとした場合には、金属膜６の厚みは３μｍ程度とすることができる。このように、スキャンミラー本体３の表面の平面度に応じて金属膜６の厚みを変化させることにより、金属膜６形成にかかる時間を短縮することが可能となる。
上記本発明の実施の形態において、本発明の具体例を紹介したが、本発明のレーザ加工機用のスキャンミラーの製造方法の基本的な構成は、スキャンミラーの本体をセラミックス材料で形成する工程と、セラミックス材料のスキャンミラー本体の表面に、セラミック材料の線膨張係数βに対して０．７β〜１．５βの範囲内の線膨張係数を持つ金属による膜を形成する工程と、金属膜を、遊離砥粒による研磨およびダイヤモンド切削による切削のうちのいずれかを行なう仕上げ加工工程とを備えることにある。また、本発明のレーザ加工機用のスキャンミラーの基本的な構成は、セラミックス材料からなるスキャンミラー本体と、スキャンミラー本体の上に、セラミック材料の線膨張係数βに対して０．７β〜１．５βの範囲内の線膨張係数を有する金属による膜とを備えることにある。
上記構成により、高エネルギー加工時のスキャンミラーの温度上昇に伴う、スキャンミラー本体と金属膜のバイメタル効果による反射面の平面度の変化を小さくすることができ、被加工品を高エネルギー加工する時でも高い精度の加工を行なうことができる。金属膜の線膨張係数が、０．７β未満または１．５β超えの場合は、上記バイメタル効果により平面度を低下させる。金属膜の線膨張係数が０．７β未満の場合、温度上昇に伴い金属膜に圧縮応力が生じ、ひずみが発生し、平面度が低下する。また、金属膜の線膨張係数が１．５β超えの場合、温度上昇に伴い金属膜に引張応力が生じ、やはりひずみが発生し、平面度が低下する。金属膜の線膨張係数は０．９β〜１．３βの範囲にあることがより好ましい。その理由は、金属膜の線膨張係数がセラミックス材料により近いほうが、よりバイメタル効果によるひずみが小さいからである。
また、一般にいえることであるが上記の金属膜は、セラミックス材料(スキャンミラー本体)の反射面に存在する空孔を埋める効果があるため、反射面の反射率が高くなるという効果が得られる。さらに、一般的に金属膜は、セラミックス材料（スキャンミラ−本体）よりも硬度が低く加工性が良いため、反射面の平面度が短時間で容易に得られるという効果がある。上記のように加工性を良好にするために、金属膜は、スキャンミラー本体のセラミックスに対する硬度比が０．６５以下の金属から形成されることが好ましい。
また、スキャンミラー本体をセラミックス材料で形成する工程において、セラミックス粉末を本体の形状に焼結した後、焼結された本体の表面を研磨加工する工程を備えることができる。この方法により、最終製品の反射面の平面度をより良好にすることができる。
上記のセラミックス材料のスキャンミラー本体表面を研磨加工した後、金属膜を形成する前にその本体表面の平面度を測定する工程を備えることができる。この方法により、セラミックス材料の平面度に応じて金属膜の厚みを調整でき、金属膜形成に要する処理時間を短縮することができる。
上記のセラミックス材料をＢ4ＣまたはＳｉＣとし、また金属膜をＭｏまたはＺｒとすることができる。この構成により、緻密、軽量かつ高い剛性のスキャンミラー本体にバイメタル効果を抑制できる金属膜を市販の材料を用いて簡単に形成することができる。
また、上記金属膜上に金膜と、その金膜上に増反射膜とをさらに備えることができる。この構成により、最高レベルの高反射率のスキャンミラーを得ることができる。
また、上記の金属膜に接して増反射膜をさらに備えることもできる。この構成により、それほどコストをかけずに最終製品の反射面を金属膜で構成する場合より、より良好な反射率のスキャンミラーを得ることができる。
また、上記のスキャンミラーの背面にリブ構造を備えることができる。この構成により、より軽量で高剛性のスキャンミラーを得ることができる。
本発明のレーザ加工機は、上記のいずれかのスキャンミラーを備える。この構成により、高エネルギーで高精度の加工を被加工物に行なうことが可能となる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明のスキャンミラー、その製造方法およびレーザ加工機を用いることにより、高エネルギーのレーザ加工を高精度で被加工物に施すことが可能となり、この分野に大きな貢献をもたらす。
１ スキャンミラー背面部、２ リブ、３ スキャンミラー本体（セラミックス製）、３ａ 凹部、３ｂ 平坦面、６ 金属膜、６ａ 金属膜の凹部、６ｂ 平坦状面、６ｃ 平坦面、７ 金膜、８ 増反射膜。
Claims (7)
- レーザ加工機用のスキャンミラーにおいて、
セラミックス材料からなるスキャンミラー本体と、
前記スキャンミラー本体の上に、前記セラミックス材料の線膨張係数βに対して０．７β〜１．５βの範囲内の線膨張係数を有する金属膜のみを備えており、
前記金属膜は、前記セラミックス材料に内在する空孔が表面に露出した凹部を埋め込んでいる、スキャンミラー。 - 前記セラミックス材料はＢ4ＣまたはＳｉＣであり、前記金属膜はＭｏまたはＺｒである、請求項１に記載のスキャンミラー。
- 前記スキャンミラーの背面にリブ構造を備える、請求項１または２のいずれかに記載のスキャンミラー。
- 前記請求項１〜３のいずれかに記載のスキャンミラーを備える、レーザ加工機。
- レーザ加工機用のスキャンミラーの製造方法において、
前記スキャンミラーの本体をセラミックス材料で形成する工程と、
前記セラミックス材料のスキャンミラー本体の表面に、前記セラミックス材料の線膨張係数βに対して０．７β〜１．５βの範囲内の線膨張係数を持つ金属膜のみを形成する工程と、
前記金属膜を、遊離砥粒による研磨およびダイヤモンド切削による切削のうちのいずれかを行なう仕上げ加工工程とを備える、スキャンミラーの製造方法。 - 前記スキャンミラー本体をセラミックス材料で形成する工程において、セラミックス粉末を前記本体の形状に焼結した後、前記焼結された本体の表面を研磨加工する工程を備える、請求項５に記載のスキャンミラーの製造方法。
- 前記セラミックス材料のスキャンミラー本体表面を研磨加工した後、金属膜を形成する前にその本体表面の平面度を測定する工程を備える、請求項６に記載のスキャンミラーの製造方法。
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