JPH0894812A - セグメントミラー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 凹面状の面を持つベース上に鏡面を持つ複数
のセグメントが配列されているりレーザによる表面改質
に用いるレーザビーム集光用セグメントミラーにおい
て、各セグメントは鏡面部材とその裏側にある鏡面部材
より軟質の部材とからなる複合体で、該軟質の部材がベ
ースの凹面形状と同じ曲率の凸面形状をなして、ベース
の凹面形状と面接触している。 【効果】 セグメントの裏側が純銅や真鍮のような軟質
の部材を使用しているから、ベースの凹面形状の曲率に
合わせて軟質の部材を凸面状に高精度に容易に加工で
き、従って、このように加工された軟質の部材を裏側に
持つセグメントとベースとは面接触しており、高い熱伝
導率が得られ高い冷却効率を実現することができる。ま
た、セグメントのベースへの組み付けは、そのための労
力と時間を大幅に軽減でき、しかも高精度で実現でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザによる金属等の
表面の改質に用いられるレーザ加工機用光学部品である
レーザビーム集光用セグメントミラーに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】切断、溶接、表面改質などのレーザ加工
の中で、レーザによる表面改質は、金属表面の焼き入
れ、溶体化処理、合金化、肉盛り、蒸着などを実現する
高付加価値の加工技術である。表面改質では、切断、溶
接で利用される極小さなスポットに絞り込まれた非常に
高いエネルギー密度のレーザビームではなく、ある広い
領域内で均一化されたエネルギー分布のレーザビームが
必要となる。そのために、表面改質には特殊な集光光学
系が用いられており、その一つにセグメントミラー（ま
たはインテグレーションミラー、インテグレーターと称
せられている）がある。

【０００３】図２にセグメントミラーを用いた集光光学
系の一例を表す略図を、図３にセグメントミラーの正面
図を示す。セグメントミラー２は、例えば米国特許4,19
5,913号にあるように、矩形の鏡面１３を持つ複数のセ
グメント７が凹面形のベース８上に格子状に隙間１５な
く並べられたミラーで、各セグメント７からの反射光が
図２に示すように焦点４で重ねられることにより、エネ
ルギー分布が均一で断面形状が矩形のレーザビームを実
現する。セグメント７は、レーザ表面改質中に発生する
溶融飛散物による損傷が小さく、容易に鏡面１３のクリ
ーニングができるモリブデン製の反射鏡が用いられる。
セグメントミラー２の高い光学性能（均一化）を得るた
めに、焦点４にて全てのセグメント７からの反射像が正
確に重ね合わされるように、また、入射レーザビーム１
を可能な限り高い反射率で反射するようできるだけ各セ
グメント間の隙間１５を小さくするように、セグメント
７は、凹面を持つベース８上に高精度に並べられ、ベー
ス８の裏側からボルトで固定されている。

【０００４】従来のセグメントミラー２では、モリブデ
ンを高い精度で曲面加工することが容易でないため、セ
グメント７は、図４の斜視図に示すように、その鏡面１
３の裏側に円柱部１７を設け、該円柱部１７の端面は平
面１６に加工されていた。そのため、セグメント７の裏
側の円柱部１７はその円周端部でベース８と円形に線接
触していた。硬質のモリブデンから成るセグメント７を
線接触しているベース８に高い精度で確実に固定するた
めに、ベース８にも高い硬度が要求され、このような要
求を満たすベース８の材料としてベリリウム銅やモリブ
デンが用いられていた。なお、１８はネジ穴である。

【０００５】図５は、セグメント７をベース８の凹面に
取り付けた状態を示す従来のセグメントミラーの詳細断
面図で、セグメント７の裏側の平面１６とベース８の凹
面１４との間に隙間１９がある。なお、セグメントミラ
ーの冷却は、図２に示すように、通常はベース８の裏側
にある水冷機構付きホルダー３により間接水冷される。
セグメントミラー２の温度上昇を抑えるための方法とし
て、特公平5-46713号や実開昭61ー46502号にあるように
セグメント７とベース８との間の隙間１９に銀ロウ等の
熱伝導性の良好な材料を充填してベース側での冷却効率
を向上させるなどの方法が採られることがあった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のセグメントミラ
ー２は、ベースにベリリウム銅またはモリブデンが使用
されていたが、これらの材料は極めて高価であり、また
高い精度で曲面加工することが極めて困難であるという
問題があった。また、従来のセグメントミラー２におい
て、図５に見られるような隙間１９は、セグメント７の
表側の鏡面１３でのレーザエネルギーの吸収熱を水冷機
構のあるベース側へ効率よく伝達するのを阻害するた
め、特に大出力のレーザではセグメントミラー２が過度
に温度上昇して、セグメントミラー２が過熱によって変
形し、光学性能が劣化するという問題があった。また、
焦点４において、全てのセグメント７からの反射像が正
確に重ね合わされるようにセグメント７をベース８に高
い精度で組付ける作業や、入射レーザビーム１を可能な
限り高い反射率で反射するように各セグメント間の隙間
１５を最小にする調整作業は、時間と労力を要し、必ず
しも容易ではなかった。また、セグメント７の裏側平面
１６とベース８の凹面１４との間の隙間１９や、各セグ
メント間の隙間１５に熱伝導性の良好な材料を充填する
ことは、実際上極めて困難であり、さらに、一担充填さ
れた後に各セグメントを調整することは実際上は不可能
に近い。本発明は、上記の課題を解決して、セグメント
で発生する熱の散逸に優れ、各セグメントの向き等の調
整作業が容易であって、比較的製作が容易で安価に高精
度、高性能のセグメントミラーを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のセグメントミラ
ーは、凹面形状のベース表面上に格子状に配列された各
セグメントが鏡面部材とベースの凹面形に略等しい曲率
の凸面形を持つ該鏡面部材よりも軟質の部材とからなる
複合体としたことに特徴がある。

【０００８】本発明において、鏡面部材として、モリブ
デン、タングステン、シリコン、シリコンカーバイド、
ベリリウム、ベリリウム銅、ステンレス鋼、石英などの
硬質材料が使用され、特に、レーザの反射率が高く、表
面改質中に発生する溶融飛散物による損傷が少なくクリ
ーニングが容易なモリブデンが望ましい。鏡面部材より
軟質の部材として、銅、銅合金（例えば、真鍮、青銅な
ど）が使用される。本発明のさらに好ましい鏡面部材と
軟質の部材の組合せとして、鏡面部材としてモリブデン
を、軟質の部材として銅あるいは軟質の銅合金を、ベー
スの材料として銅あるいは軟質の銅合金を用いることが
推奨される。その理由は、モリブデンと銅あるいは銅合
金との界面は、ロウ付けの場合において接着が極めて優
れていると共に、銅あるいは銅合金自体の熱伝導が優れ
ているのは勿論のこと、界面における熱抵抗も他の材料
の組合せに比べて小さいからである。

【０００９】セグメントの鏡面部材と軟質の部材との接
合には、種々の方法が考えられるが、本発明のより好ま
しい態様として、例えば、半田付けあるいは金ロウまた
は銀ロウ付けにより接合することである。容易に高強
度、高耐熱性の接合が可能となるからである。また、よ
り好ましくは、各セグメントの軟質の部材の凸面形状
と、該軟質の部材の凹面が接するベースの凹面形状と
が、１％以下の曲率精度および０．５μｍ以下の面精度
に加工され、また、各セグメントの硬質の部材の鏡面の
形状と軟質の部材の凸面形状とが、１分以下の偏心に加
工されていることである。

【００１０】矩形の硬質部材と該硬質部材よりも軟質の
部材を接合した後、前記軟質の部材の接合面と反対側の
硬質部材の面を鏡面加工して鏡面部材とし、ついで、前
記鏡面部材との接合面と反対側の軟質の部材の面を前記
ベースの凹面と相補するように凸面形に加工してセグメ
ントを形成し、しかる後、該セグメントの複数を前記ベ
ースの凹面上に格子状に配列して設けることによりセグ
メントミラーを製造する方法が採用される。

【００１１】各セグメントをベースに配列・固定する手
段は、特に限定されないが、例えば、各セグメントの軟
質の部材の凸面側に複数のセグメント側リーマ穴を設
け、かつ上記各セグメントがベースに組み付けられたと
きに上記各セグメント側リーマ穴に、直径、位置、方向
が合致するようベースの凹面側に設けられた複数のベー
ス側リーマ穴を有し、適当な直径と長さのピンを各セグ
メント側のリーマ穴とそれに対応するベース側のリーマ
穴とに通した状態で、各セグメントをボルトにてベース
に固定することが行なわれる。

【００１２】

【作用】本発明では、上記の構成からなるセグメントミ
ラーであるから、以下のような作用が得られる。各セグ
メント７を鏡面部材１１となる硬質部材と該硬質部材よ
りも軟質の部材１２の複合体とすることで、表側に高強
度の鏡面１３を持つと同時に、裏側が軟質で加工性に優
れているから、ベースの凹面形状に合わせて高精度に加
工された凸面形を持つセグメント７とすることができ
る。この精密加工により、軟質の部材１２とベース８の
間を隙間なく面接触させることが可能となる。特に、セ
グメント７の軟質の部材１２として、銅あるいは軟質の
銅合金を用いることにより、裏面側の凸面形を容易に高
精度で加工することが可能である。その結果、セグメン
ト７からベース８への高い熱伝導性が実現され、セグメ
ント７の熱は軟質の部材を介してベース８の方へ有効に
拡散して、セグメントミラー２の過度の温度上昇を避け
ることができる。軟質の部材１２の材料として、特に、
熱伝導率の高い銅あるいは軟質の銅合金を用いることに
より、なお一層有効に作用する。また、各セグメント７
がベース８と面接触することは、従来における線接触と
異なり、ベース８の材料として、高硬度な材料を用いる
必要がなくなり、従って、高価で加工性の比較的良くな
いベリリウム銅やモリブデンを用いずに、比較的安価で
加工性の良い例えば銅や軟質の銅合金を用いることが可
能となる。

【００１３】セグメント７の軟質の部材１２の材料及び
ベース８の材料が、加工性の良い銅や軟質の銅合金であ
ることにより、軟質の部材１２の凸面形状とベースの凹
面形状とが、１％以下の曲率精度および０．５μｍ以下
の面精度に加工され、また、各セグメントの硬質の部材
の鏡面の形状と軟質の部材１２の凸面形状とが、１分以
下の偏心に加工されることが可能となる。上記のように
高精度で加工された各セグメント７及びベース８によ
り、焦点にて全てのセグメント７からの反射像が正確に
重ね合わされるように各セグメント７をベース８に組み
付けることを調整不要にて容易に実現可能となる。

【００１４】たとえ、各セグメント７のベース８を凹面
上に取り付ける際に、各セグメント８の傾き、位置等の
微調整が必要な場合があったとしても、各セグメント７
の軟質の部材１２とベース８の加工が容易であるから、
例えば、以下のような手段を用いることができる。すな
わち、軟質の部材１２の凸面側に複数のリーマ穴を設
け、かつ上記各セグメントがベースに組み付けられたと
きに上記複数のリーマ穴に、直径、位置、方向が合致す
るようにベースの凹面側に複数のリーマ穴を設け、適当
な直径と長さのピンを各セグメント側のリーマ穴とそれ
に対応するベース側のリーマ穴とに通した状態で、各セ
グメントをボルトにてベースに固定することにより、各
セグメント間の隙間をできる限り小さくした状態で各セ
グメントをベースに組み付けることを調整不要にて容易
に実現することができる。

【００１５】セグメントミラーの製造方法において、矩
形の硬質部材と該硬質部材よりも軟質の部材を接合した
後、前記軟質の部材の接合面と反対側の硬質部材の面を
鏡面加工して鏡面部材とし、その後に、前記鏡面部材と
の接合面と反対側の軟質の部材の面を前記ベースの凹面
と相補するように凸面形に加工してセグメントを形成
し、しかる後、該セグメントの複数を前記ベースの凹面
上に格子状に配列して設ける方法を採用することによ
り、セグメントの鏡面と凸面の偏心を制御し、セグメン
トを特に調整することなく鏡面を所望の方向、すなわち
焦点にて反射像が重なる方向に向けてベースに組付ける
ことが可能になる。

【００１６】

【実施例】以下に、添付の図を参照しつつ、本発明の実
施例について詳細に説明する。本発明によるセグメント
ミラーの構造の断面図を図１に示す。この実施例では、
入射ビーム径６０ｍｍ、焦点距離２５４ｍｍで、焦点に
て１２．７ｍｍ×１２．７ｍｍの正方形で均一強度分布
のレーザビームを得るように設計されており、６行６列
で３６個のセグメント７が格子状にベース８の上に並べ
られている。各セグメント７は、図６に示す形状をなす
ものであって、ダイヤモンド砥粒にて研磨された１２．
７ｍｍ×１２．７ｍｍの正方形の平面の鏡面１３を持つ
厚さ５ｍｍのモリブデン製の鏡面部材１１と、曲率半径
Ｒの凸面２０を持つ直径１２．７ｍｍ、厚さ５ｍｍの純
銅製の軟質の部材１２を真空中にて金ロウ付けして接合
してある。セグメント７は鏡面加工後に軟質の部材に凸
面加工を施す。この軟質の部材１２の凸面側には、Ｍ４
のネジ穴１８が１つと直径３ｍｍ、はめあい公差Ｈ７の
セグメント側リーマ穴２１が２つ加工されている。

【００１７】また、ベース８は、曲率半径Ｒの凹面１４
を持つ直径１２０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの真鍮製で、各セ
グメント７の組み付けられる位置にセグメント固定用ボ
ルト９の取り付け穴が１つと直径３ｍｍ、はめあい公差
Ｈ７のベース側リーマ穴が２つ加工されており、各セグ
メント７のリーマ穴２１とベース８のリーマ穴の直径、
位置、方向が合致するようにマシニングセンタにて高精
度に仕上げられている。ここで、セグメント７の裏側の
凸面２０とベース８の凹面１４の曲率半径Ｒは、焦点距
離２５４ｍｍの２倍の５０８ｍｍにセグメントの厚み１
０ｍｍを加えた値Ｒ＝５１８ｍｍである。セグメント７
の軟質の部材１２の凸面２０と、ベース８の凹面１４と
は、ダイヤモンド切削（singleーpoint diamond turnin
g）にて、１％以下の曲率精度および０．５μｍ以下の
面精度に、また、各セグメント７の硬質の部材１１の鏡
面１３の形状と軟質の部材１２の凸面２０の形状とが１
分以下の偏心に加工されている。

【００１８】図７は、セグメント７をベース８に組み付
けた状態のセグメントミラーを示す詳細断面図で、各セ
グメント７は、ベース８に固定する際に、直径３ｍｍ、
はめあい公差ｇ６で適当な長さのピン１０により位置決
めされて、ボルト９にて固定されている。このとき、セ
グメント７はその裏側にある軟質の部材の凸面２０全体
でベース８の凹面１４と面接触している。以上のように
して、ベース８に３６箇のセグメント７を持つセグメン
トミラーを作成した。

【００１９】

【発明の効果】上記の本発明によるセグメントミラー
は、セグメントの鏡面をモリブデンのような材料を反射
面として高い耐損傷性を実現するとともに、各セグメン
トの裏側にある軟質の部材の凸面形状とベースの凹面形
状とが面接触して、高い熱伝導率が得られる構造とする
ことで高い冷却効率を実現した。これは、高価なベリウ
ム銅やモリブデンに代わって、各セグメントの軟質の部
材とベースの材料として、例えば、純銅や真鍮のように
高精度の加工が容易である軟質の材料を使用すること
で、セグメント及びベースの部品単体での形状精度を飛
躍的に向上させることで実現されたものであり、また、
労力と時間を大幅に軽減する簡単で高精度な組み付けも
実現された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例であるセグメントミラーの構造
を表す断面図である。

【図２】セグメントミラーを用いた集光光学系の一例を
表す概略図である。

【図３】セグメントミラーの構造を表す正面図である。

【図４】従来のセグメントミラーの詳細断面図である。

【図５】従来のセグメントミラーのセグメントの形状を
表す斜視図である。

【図６】本発明の実施例であるセグメントミラーのセグ
メントの形状を表す斜視図である。

【図７】セグメントをベースに組み付けた本発明の実施
例であるセグメントミラーを示す詳細断面図である。

【符号の説明】

１：入射レーザビーム ２：セグメントミラー ３：水冷機構付きホルダー ４：焦点 ５：冷却水入口 ６：冷却水出口 ７：セグメント ８：ベース ９：ボルト １０：ピン １１：鏡面部材 １２：軟質の部材 １３：鏡面 １４：凹面 １５：セグメント間の隙間 １６：平面 １７：円柱部 １８：ネジ穴 １９：セグメントとベース間の隙間 ２０：凸面 ２１：セグメント側リーマ穴

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一面が凹面形を成すベース
   と、該ベースの凹面上に格子状に配列された複数のセグ
   メントとからなるレーザビームの集光用セグメントミラ
   ーであって、前記セグメントが、平面あるいは曲面の鏡
   面部材と、前記ベース側にあって該ベースの凹面形に略
   等しい曲率の凸面形を持ちかつ前記鏡面部材よりも軟質
   の部材とからなる複合体であることを特徴とするセグメ
   ントミラー。
2. 【請求項２】 各セグメントの軟質の部材の材料が銅あ
   るいは銅合金である特許請求の範囲第１項記載のセグメ
   ントミラー。
3. 【請求項３】 ベースの材料が銅あるいは銅合金である
   特許請求の範囲第１項記載のセグメントミラー。
4. 【請求項４】 各セグメントの軟質の部材の凸面側に複
   数のセグメント側リーマ穴を設け、かつ上記各セグメン
   トがベースの凹面側に組み付けられたときに上記複数の
   セグメント側リーマ穴に、直径、位置、方向が合致する
   複数のベース側リーマ穴を有し、ピンを各セグメント側
   リーマ穴とそれに対応するベース側リーマ穴とに通した
   状態で、各セグメントがボルトにてベースに固定されて
   いる特許請求の範囲第１項記載のセグメントミラー。
5. 【請求項５】 ベースの凹面上に複数のセグメントを格
   子状に配列してなるレーザビームの集光用セグメントミ
   ラーの製造方法において、矩形の硬質部材と該硬質部材
   よりも軟質の部材を接合した後、前記軟質の部材の接合
   面と反対側の硬質部材の面を鏡面加工して鏡面部材と
   し、ついで、前記鏡面部材との接合面と反対側の軟質の
   部材の面を前記ベースの凹面と相補するように凸面形に
   加工してセグメントを形成し、しかる後、該セグメント
   の複数を前記ベースの凹面上に格子状に配列して設ける
   ことを特徴とするセグメントミラーの製造方法。