JP5031759B2 - 前駆体副コンポーネントをユニタリモノリスに変換接合するためのシステム、方法、及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して前駆体をセラミックに変換することに関し、詳しくは、離隔したグラファイトコンポーネントを、２個以上の部片から形成された走査ミラーなどの単一のユニタリ炭化珪素モノリスセラミックに変換接合するためのプロセスに関する。

レーザスキャナは、目標物、例えばバーコードの上でレーザ光のビームを反射させるために発振又は回転ミラーを使用し、光電セルが反射した光を受け入れる。スキャナは、水平方向若しくは垂直方向にのみ掃引する１個のミラーを有してもよく、又はスキャナは、走査線の格子を作るために水平方向と垂直方向との両方にビームを掃引する２個のミラーを有してもよい。この形式のスキャナは、小売チェックアウトラインにおいて最も頻繁に使用されるものであり、この利点は、走査線の少なくとも１つがバーコードの明確な読取りを得るという機会が良好なことである。したがって、操作者はスキャナの狙いを定めたり、又は注意深くバーコードを位置決めする必要がない。

走査ミラーは一般的に、通常使用される材料は炭化珪素（ＳｉＣ）であるが、このような材料を機械切削又は鋳造することによってワンピース設計として形成される。さらにまた、ミラーをグラファイトなどの前駆体から機械切削してもよく、次いで炭化珪素などのセラミックに変換してもよい。炭化珪素は、低質量及び高強度を有し、ミラーを高速度で回転可能にするという走査ミラーのための要件を満たす。ミラーは、反射面を有する光学セクションと、ミラーをスキャナのドライブ装置に取り付けるための取付けブラケットを有する支持セクションとを備えるように構成される。

走査ミラーを形成する現在の方法には、いくつかの問題点がある。走査ミラーを形成する現在の方法における１つの問題点は、ミラーが取付けブラケットにおいて、又はその近くにおいて作用しなくなる傾向があることである。光学セクション及び支持セクションは１つのユニットとして形成され、これは取付けブラケットのために工学技術的妥協を導くこともある。さらにまた、この方法は、反射面のサイズ、形状、方向に基づいて、及びミラーが取り付けられることになるドライブ装置に基づいて、各ミラーのために個別の成形又は機械切削プロセスを必要とする。

したがって、ミラーの光学セクション及び支持セクションが前駆体の材料から個別に形成されて、セラミックへの変換の前に組み立てられる、改善された走査ミラー及び製造方法が必要とされる。さらにまた、所与のドライブ装置に取り付けられるようになっている支持セクションを、サイズ、形状、又は方向が様々な複数の光学セクションのいずれかに、セラミックへの変換の前に組み立てることもできる、走査ミラーを製造する方法が必要である。

グラファイトはグラファイト結晶構造からより大きな結晶の炭化珪素構造に変換されるので、粒成長は、粒が隣接部分の界面を横切って成長するために、変換中にコンポーネントの接合を可能にする。この現象は、経済的な費用及び高い信頼性で閉空洞を有する錯体コンポーネントを増強する能力を提供する。このような炭化珪素（ＳｉＣ）変換接合は、単一（モノリス）ＳｉＣ変換部片と同じ程度に強いか、又はこれよりも強い。

例えば、モノリス光学走査ミラーを２つ以上の部片から形成してもよい。光学セクションは少なくとも１つの光学表面と少なくとも１つの付着表面とを有し、支持セクションは少なくとも１つの付着表面を有し、また好ましくは取付け区域を有する。光学セクション及び支持セクションはグラファイトなどの前駆体の材料から個別の部片として形成され、こうして、選択された支持セクションは、異なるサイズ、形状、又は方向を有する複数の光学セクションのいずれをも受け入れる。ミラーを形成するために、付着表面を互いに隣接して置き、次いでこれらのセクションを炭化珪素などのセラミック材料に同時に変換し、モノリス走査ミラーを形成する。

本発明の上記並びにその他の目的及び利点は、添付の特許請求の範囲と附随の図面に関連して行なわれる本発明の下記の詳細な説明から、当業者には明白になろう。

本発明において特徴的と思われる新規の特徴を、添付の特許請求の範囲の中に記載した。しかし本発明自体、並びに本発明の好ましい使用様式、さらなる目的、及び利点は、附随の図面に関連して読まれる例証的な実施形態の下記の詳細な説明を参照すれば、最もよく理解されよう。

第１材料（例えばグラファイト）の２つ以上の前駆体部片を、他の材料（例えばＳｉＣなどのセラミック）に変換させながら互いに接触させておくと、これらの部片は互いに接合して、分離することが困難になってくる。この開示では、この現象を「変換接合」と名づける。結合部表面は、事前に分離した部分を組み合わせる変換されたＳｉＣの連続相となる。例えば、高純度のグラファイトの表面は、これらが高純度環境における高温でＳｉＣに変換すると、互いに接合する。

図７及び図８に示すように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）からの顕微鏡写真によって、変換接合の性質に関するさらなる定性的情報が提供される。顕微鏡写真は、画像のために一貫した基準点を提供するために×１８〜×１０００の倍率範囲で撮られた。面取りされた溝７１は、２つの前駆体オブジェクト７３、７５（図７）及び単一組合せオブジェクト７７（図８）の面図及び断面図の両方における（１つ又は複数の）部分の外側のための基準を提供する。

オブジェクト７７が形成されると、事前に分離したオブジェクト７３、７５間の継ぎ目には粒成長構造が横切る。合わされた部片と継ぎ目との間には観察可能な構造的又は形態学的相違は現われない。高倍率の画像は、継ぎ目の区域を横切る粒構造の形成を示している。合わさった部片は変換接合の後に１つのユニタリ部片となる。直径１．０００インチの区域の中に０．００１インチから０．００５インチまでの範囲にわたる締りばめを有するＳｉＣ変換接合サンプルのせん断強度は、初めに単一ユニットとして形成された同一のコンポーネントと強度が同じか、又はそれより強度が大きかった。

図１から図６までは、２つの隣接するセクションがモノリスセラミック構造に同時に変換することによって光学ミラーが形成される、本発明の一実施形態を示す。ミラーは一般的に、検流計ミラー又はその他の形式の高速度走査ミラーとして使用される。

本発明は、取付け区域を含む非光学セクションを、反射表面が上に形成される光学セクションから分離するための手段を提供する。これによって、サイズ、形状、及び方向が様々な複数の光学セクションのいずれにも、選択された非光学セクションを合わせることが可能になる。例えば、共通の非光学セクションが特定のスキャナドライブにインタフェース連絡し、複数の光学コンポーネントの構成と変形形態とに適応することになる。本発明によって、各コンポーネントのための工学技術的問題、設計の問題、及び製造の問題に個別に焦点を当てることが可能になる。

図１及び図２は、光学セクション１３と非光学支持セクション１５とを備えるミラー１１の分解斜視図である。各セクション１３、１５は、ＳｉＣに変換することができるグラファイトなどの前駆体から形成される。代替として、各セクション１３、１５を、セクション１３、１５を異なるセラミック材料へ変換させることを可能にする同様な前駆体で形成してもよい。

セクション１３は、円滑な光学表面１７と反対側の付着表面１９とを有する平面状コンポーネントとして形成されている。図示されてはいないが、セラミックへの変換の後に、光学表面１７は微粒ＳｉＣで被覆され、研磨されて、ミラー１１へ向かうレーザ光を反射するための反射表面を形成する。付着表面１９は、平行で互いに離隔している２本のレール２１、２３を有するように形成されている。レール２１、２３は、セクション１３を二分する中心線（図示せず）と平行であり、一般的には、該中心線から等距離に位置付けられる。

セクション１５は様々な形状で形成することができるが、付着部分２５と取付け部分２７とを有する半円筒形構造を有するものとして示されている。付着部分２５は半円形の横断面を有し、２つの付着表面２９、３１で終端しており、これらの付着表面２９、３１は、ミラー１１を組み立てるときにセクション１３の付着表面１９に隣接して位置決めされる。付着部分２５の各側の上には、レール２１、２３の１つを受け入れるためのレリーフ３３が形成されている。取付け部分２７は、２つのスロット３７を有する半円筒形の取付けブラケット３５を含み、前記２つのスロット３７は、ミラー１１を設置するときにスキャナドライブ（図示せず）上の対応する機構と配列する。ブラケット３５はさらに、スキャナドライブシステムのシャフト（図示せず）の一部分を受け入れるために形状化されサイズ決めされた湾曲内表面を有する。

組み立てられると、ドライブシステムのシャフトの回転軸が光学表面１７を二分し、これに一点で接し、表面１７上に位置付けられる回転軸を光学表面１７に提供することは好ましい。この配置は、ミラー１１のための一貫した位置付けを維持し、ミラー１１が回転するときのミラー１１上のあらゆる追加的な径方向の力を除去する。

図３及び図４は、セクション１３、１５の組立て後及びセラミックへの変換の前のミラー１１を示す。セクション１５の付着表面２９、３１は、セクション１３の付着表面１９に隣接して位置付けられ、付着部分２５はセクション１３の全長を横切って延在している。付着表面１９上の各レール２１、２３はセクション１５上のレリーフ３３の中に位置付けられ、セクション１３をセクション１５に対する所望の方向に配列させる。セクション１３をドライブシステムのシャフトの近くに置くために、ブラケット３５がセクション１３の外縁部の近くに位置付けられる。ミラー１３は今やセラミックへの変換に準備済みである。

ＳｉＣからミラー１１を形成するとき、セクション１３、１５がグラファイトから機械切削され、組み立てられ、次いでＳｉＣに変換される。ＳｉＣは極度に高い比剛性と、高い熱伝導度と、高い寸法安定度とを有するので、炭化珪素は高性能光学コンポーネントのために必要な品質を有する。結果的に得られるミラー１１は、高い強度を保持しながら熱質量を低減した。

複雑な形状は、これがＳｉＣに変換される前にグラファイトの中に容易に機械切削され、この変換方法は、ＳｉＣ品目の加圧、鋳造、形状化、及び最終仕上げに関連する高価なツーリング及び長いリードタイムの必要性を除去する。珪素原子がグラファイト内の炭素原子のほぼ半分と置換したときに変換が起る。変換中は、付着表面１９、２９、３１の界面を横切るＳｉＣ結晶構造の粒成長がセクション１３、１５を接合し、ワンピース構造（一つの部片からなる構造）を形成する。

図１から図４までを参照すると、特定の最終使用者の用途のためのミラー１１を形成するために、必要とされる光学表面１７の形状、サイズ、及び方向、並びにその用途のドライブシステムの形式を含む適用の要件がまず確認される。セクション１３は所望の特徴に機械切削することが必要となるかもしれない、要件に対応する光学セクション１３は、好ましくは異なるセクション１３の明細目録から選択することによって得られる。次いで支持セクション１５が、好ましくは、特定のドライブシステム上での使用のために適合されたセクション１５の明細目録から得られる。セクション１３、１５は、セクション１５の付着表面２９、３１をセクション１３の付着表面１９に隣接させることによって組み立てられる。次いでセクション１３、１５はセラミック材料に変換され、セクション１３、１５は結合してミラー１１をワンピース構造として形成する。ミラー１１に所望の最終寸法を与えるために追加の機械切削が必要とされることもあり、次いで光学表面１７が研磨されて鏡面仕上げ品となる。次にミラー１１を操作のためにドライブシステムの上に設置することができる。

図５及びお図６は、異なる形状又は方向の光学セクションが、取付けブラケット状のブラケット３５を有する支持セクションと共に組み立てられる、本発明の追加の実施形態を示す。

図５に示す走査ミラー４１は、長円形状を有する光学セクション４３を有し、長軸はドライブシャフト（図示せず）の回転軸に平行である。支持セクション４５がセクション４３の付着表面４７に隣接して位置付けられ、取付けブラケット４９はセクション４３の外縁部の近くに位置付けられている。光学表面５１は、ドライブシャフト（図示せず）の軸が光学表面５１を二分して表面５１に一点で接触するように、ミラー１１のために上述したように回転軸に対して位置決めされる。

図６では、この実施形態ではミラー軸が回転軸に平行になるように位置決めされているが、走査ミラー５３もまた長円形状の光学セクション５５を有する。支持セクション５７は、ミラー５３をドライブシステムのシャフト（図示せず）に取り付けるために、やはりブラケット３５に似た取付けブラケット５９を有する。光学表面６１が回転軸に一点で接触して位置付けされ、回転軸によって二分されている。

ある実施形態では、本発明は、５ｋＨｚより帯域幅におけるサブマイクロラジアンポインティングの要件に取り組む。ある用途では、エアボーンレーザ及び自由空間光学通信のために有用な直径１２インチのクローズドバックＳｉＣミラーが含まれる。ミラーの構造及び重量は、作動界面及び最小動力要件に適応するための重要な要因である。

いくつかの利点が本発明によって実現される。走査ミラーは、前駆体の材料から形成された互換性のある光学セクションと支持セクションとから組み立てられ、次いで前駆体はセラミック材料に変換される。変換の前に組み立てられる個別のセクションを有することによって、技術者は各セクションの特定の要件に集中して、両セクションの性能を改善することが可能になる。互換性によって、１つ又は両方のセクションが最終使用者の適用に基づいて既存のセクション詳細目録から選択される、ミラー形成方法が可能になる。代替として、１つ又は両方のコンポーネントを必要に応じて容易に、前駆体から機械切削し、対応するセクションと共に組み立て、次いで変換してセラミック材料にすることができる。

本発明をその形式の一部のみにおいて図示又は記載したが、本発明は限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を受けやすいことが、当業者には明白になるはずである。

組立て前のミラーが示されている、本発明による走査ミラーの分解斜視図である。 組立て前のミラーが示されている、図１の走査ミラーの分解斜視図である。 組立て後のミラーが示されている、図１の走査ミラーの斜視図である。 組立て後のミラーが示されている、図１の走査ミラーの斜視図である。 本発明による走査ミラーの代替実施形態の斜視図である。 本発明による走査ミラーの代替実施形態の斜視図である。 変換接合前の２つの前駆体の材料間の継ぎ目の顕微鏡写真である。 変換接合後の前述の継ぎ目における図７の２つの前駆体の材料の断面部分の顕微鏡写真である。

Claims (17)

1. セラミック材料のモノリス構造を形成する方法であって、
   （ａ）少なくとも１つの表面と少なくとも１つの付着表面とを有する第１グラファイトコンポーネントを形成するステップと、
   （ｂ）少なくとも１つの付着表面を有する第２グラファイトコンポーネントを形成するステップと、
   （ｃ）前記第１グラファイトコンポーネントを、前記第２グラファイトコンポーネントと選択された方向で組み立て、前記第１グラファイトコンポーネントの付着表面は前記第２グラファイトコンポーネントの付着表面に隣接して、直接接触させるステップと、
   （ｄ）前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントとをシリコン源の存在下で変換接合するステップであって、前記変換接合は、前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントの両方のグラファイトを炭化珪素に変換し、前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントとは、モノリス構造として形成されるユニタリオブジェクトへと接合されるステップとを含む方法。
2. 変換接合ステップ（ｄ）が、前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントとをグラファイト結晶構造からより大きな結晶の炭化珪素構造に変換し、こうして粒は前記第１グラファイトコンポーネントと第２グラファイトコンポーネントとの間の界面を横切って成長するステップを含む請求項１に記載の方法。
3. 組み立てステップ（ｃ）が前記第１グラファイトコンポーネントと第２グラファイトコンポーネントとの間の継ぎ目を決めるステップを含み、変換接合ステップ（ｄ）が前記継ぎ目を除去するステップを含む請求項１に記載の方法。
4. 変換接合ステップ（ｄ）が、前記各付着表面を、事前には別々の第１グラファイトコンポーネントと第２グラファイトコンポーネントとを組み合わせる変換された炭化珪素の連続相に変えることを含む請求項１に記載の方法。
5. 組み立てステップ（ｃ）が、０．００１インチから０．００５インチの分離範囲を有する前記第１グラファイトコンポーネントと第２グラファイトコンポーネントとの間の締りばめを形成するステップを含む請求項１に記載の方法。
6. 変換接合ステップ（ｄ）が、ユニタリオブジェクトが変換されるときにユニタリオブジェクトの熱質量を低減するステップを含む請求項１に記載の方法。
7. 変換接合ステップ（ｄ）が、前記第１グラファイトコンポーネントと第２グラファイトコンポーネント中の炭素原子の約半分を珪素原子に置き換えるステップを含む請求項１に記載の方法。
8. 請求項１に記載の方法であって、最終使用者の用途に応じて選択された形状とサイズを有する前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントが形成され、前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントが前記ステップ（ｃ）で組み立てられ、前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントの付着表面がそれらの間の継ぎ目を決める締りばめを有し、変換接合ステップ（ｄ）が前記継ぎ目を除去する、上記方法。
9. 変換接合ステップ（ｄ）が、前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネント中の炭素原子の約半分を珪素原子に置き換えるステップを含む請求項８に記載の方法。
10. 変換接合ステップ（ｄ）が、前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントの付着表面をグラファイト結晶構造からより大きな結晶の炭化珪素構造に変換し、こうして粒は前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントとの間の継ぎ目を横切って成長するステップを含む請求項８に記載の方法。
11. 変換接合ステップ（ｄ）が、前記付着表面を、事前には別々の前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントとを組み合わせて前記モノリス構造にする変換された炭化珪素の連続相に変えるステップを含む請求項８に記載の方法。
12. 組み立てステップ（ｃ）が、０．００１インチから０．００５インチの分離範囲を有する前記第１グラファイトコンポーネントと前記第２グラファイトコンポーネントと付着表面の間に締りばめを形成するステップを含む請求項８に記載の方法。
13. 変換接合ステップ（ｄ）が、ユニタリオブジェクトが変換されるときにユニタリオブジェクトの熱質量を低減するステップ含む請求項８に記載の方法。
14. 変換接合ステップ（ｄ）が、グラファイト中の炭素原子の約半分を珪素原子に置き換え、こうして前記第１グラファイトコンポーネントと第２グラファイトコンポーネントは変換され、グラファイト結晶構造からより大きな結晶の炭化珪素構造になるステップを含む請求項１に記載の方法。
15. 変換接合ステップ（ｄ）が、前記第１グラファイトコンポーネントと第２グラファイトコンポーネントのそれぞれの付着表面を変換し、事前には別々の前記第１グラファイトコンポーネントと第２グラファイトコンポーネントを組み合わせて前記モノリス構造にする変換された炭化珪素の連続相に変えるステップを含む請求項１４に記載の方法。
16. 組み立てステップ（ｃ）が、０．００１インチから０．００５インチの分離範囲を有する前記第１グラファイトコンポーネントと第２グラファイトコンポーネントとの間の締りばめを形成するステップを含む請求項１４に記載の方法。
17. 変換接合ステップ（ｄ）が、ユニタリオブジェクトがグラファイトから炭化珪素に変換されるときに、ユニタリオブジェクトの熱質量を低減するステップを含む請求項１４に記載の方法。

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