專利名稱：用于激光系統(tǒng)中偏轉(zhuǎn)單元的包括金剛石基底的反射鏡、用于制造該反射鏡的方法及用于 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于激光系統(tǒng)中偏轉(zhuǎn)單元的反射鏡，它由一個(gè)在至少一側(cè)上包含反射面的平的反射鏡基底組成。此外，本發(fā)明涉及一種用于制造這種反射鏡的方法，以及一種包含該反射鏡的偏轉(zhuǎn)單元。
偏轉(zhuǎn)單元用于借助激光來加工工件，特別是用于鉆孔和構(gòu)造電路基底，目的是通過至少一個(gè)、最好是兩個(gè)可移動反射鏡使激光束在兩維內(nèi)偏轉(zhuǎn)，并且由此可以使激光束指向預(yù)先確定的加工區(qū)的任一點(diǎn)。通常，電流電動機(jī)被用來使反射鏡偏轉(zhuǎn)，它使得可以非?？焖贉?zhǔn)確地運(yùn)動。然而，關(guān)于運(yùn)動速度和精確性的要求是越來越高。另一方面，光學(xué)系統(tǒng)要求的反射鏡越大，例如要鉆的孔的直徑就越小，以便在使光學(xué)器件聚焦(F-θ)之后獲得相應(yīng)小的光點(diǎn)直徑。然而，反射鏡的慣性質(zhì)量隨著它們的尺寸的增大而增大，這意味著可實(shí)現(xiàn)的速度減小。
然而，除了慣性質(zhì)量外，可實(shí)現(xiàn)的速度的決定參數(shù)還有該反射鏡的剛性。通常剛性不是慣性，而是極限參數(shù)。如果要設(shè)法使反射鏡變薄而面積尺寸是預(yù)先確定的以減少慣性質(zhì)量，那么反射鏡的剛性也將降低，即在每次跳躍運(yùn)動時(shí)將產(chǎn)生反沖，使得必須等待停機(jī)，直到激光束可以被接通以進(jìn)行加工。在較高的運(yùn)動速度情況下對反射鏡的剛性的要求也將提高。通常，剛性是由彈性模量和反射鏡基底密度或質(zhì)量之間的比率確定的。
目前，在偏轉(zhuǎn)單元中，優(yōu)選使用由玻璃或硅制成的反射鏡，在特定的情況下也可以由鈹制成。然而，其它的材料也一定是可以的。所述的材料在一定的情況下密度(或在反射鏡的規(guī)定尺寸的情況下質(zhì)量)降低。然而，在所有這些材料中，彈性模量都很小，以致限制了當(dāng)前使用的反射鏡尺寸的剛性和所使用的速度。如果在偏轉(zhuǎn)單元中使用例如不同尺寸的兩個(gè)反射鏡，由于設(shè)置在光程中的第一個(gè)反射鏡僅僅需要在一點(diǎn)上使激光束偏轉(zhuǎn)，然而當(dāng)它撞擊到第二反射鏡上時(shí)該激光束已經(jīng)在一維內(nèi)散開，可能發(fā)生的是，較小的第一反射鏡仍然需要符合剛性的要求，而較大的第二反射鏡不再滿足這些要求并且不允許所要求的工作速度。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于激光偏轉(zhuǎn)單元的反射鏡和一種用于制造該反射鏡的方法，借助它能夠?qū)崿F(xiàn)較小的慣性力矩，同時(shí)反射鏡尺寸和反射鏡表面分別保持相同，而剛性仍然保持很高或增加。
按照本發(fā)明，該目的通過開頭所述類型的反射鏡來實(shí)現(xiàn)，其中反射鏡基底由金剛石制成。
金剛石在所有材料中具有最大的彈性模量并且這也導(dǎo)致了它具有較高的剛性，這允許用類似的電流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)較高的工作速度，或者甚至可以使用較小的電動機(jī)而反射鏡尺寸保持相同，這反過來必須移動較小的質(zhì)量，例如軸可以更輕。由于天然金剛石太昂貴，對于本發(fā)明優(yōu)選使用人造的HOD(高定向的金剛石)，其特性在于，它們可以與天然金剛石相比。這種金剛石通過高壓/高溫合成或者以低壓合成下而制成。在該過程中，金剛石薄膜分別被用于異質(zhì)基底，例如硅。淀積可以通過例如微波能量或通過激光輻射從氣相中產(chǎn)生；該方法被稱為CVP(化學(xué)氣相淀積)。
相應(yīng)地，用于制造反射鏡的本發(fā)明所述方法包括來自氣相的多個(gè)薄的金剛石層通過氣相淀積被淀積在承載基底上，例如通過蝕刻分離出各自的反射鏡基底或由此從金剛石板上產(chǎn)生所要求尺寸的金剛石部分，以及將反射層涂覆到各自的反射鏡基底表面上。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，制造金剛石所需的承載基底可以完全或部分地被去除，例如被蝕刻掉，以使反射鏡保持小的慣性質(zhì)量。也可以通過局部蝕刻掉承載基底而留下支桿和肋條的框架，然后它可以有助于附加地加固反射鏡。此外，可以分別在相應(yīng)的支桿和肋條中進(jìn)行蝕刻，也可以蝕刻到金剛石層本身中，從背面來進(jìn)一步減少質(zhì)量。
當(dāng)金剛石層在承載基底的兩側(cè)上淀積時(shí)，承載基底可以保留在反射鏡內(nèi)部用作支桿。
在反射鏡基底作為人造金剛石(HOD)的制造過程中，僅僅可以達(dá)到一定程度的平整性。該可達(dá)到的平整性取決于反射鏡基底的尺寸。與最佳均勻性不可避免的偏離由制造過程中產(chǎn)生的基底內(nèi)應(yīng)力所導(dǎo)致。為了提高較大反射鏡的平整性，本發(fā)明有利的改進(jìn)提供了由在一個(gè)表面上相鄰設(shè)置的多個(gè)金剛石部分形成的金剛石基底。這些金剛石部分分別具有例如10×10mm范圍內(nèi)的面積，每個(gè)金剛石部分的平面的平整性都大于例如50mm邊長的金剛石板的平整性。
各金剛石部分可以通過各種方式被連接以形成較大的反射鏡。因此，在沒有承載基底的情況下，可以在一個(gè)平面中連接各金剛石部分并且使它們粘合或粘結(jié)在一起。然而，也可以使它們連接或在兩層上側(cè)向交錯地重疊，并由此使它們彼此連接。
如果使用承載基底，金剛石部分可以分別地被粘合或粘結(jié)到承載基底的一側(cè)或兩側(cè)上，并且能夠有利地側(cè)向交替地設(shè)置相對的金剛石部分。
在下面基于附圖通過實(shí)施例詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中

圖1示出了包含兩個(gè)電流反射鏡的激光加工裝置，圖2用透視圖示出了本發(fā)明反射鏡的一個(gè)實(shí)例，圖3示出了本發(fā)明反射鏡從背面看的另一實(shí)施例，圖4和5示出了圖3所示反射鏡的兩個(gè)可能的截面輪廓，圖6到10分別以側(cè)視圖示出了由多個(gè)金剛石部分組成的本發(fā)明反射鏡的其它實(shí)施例。
圖1用示意圖示出了用于通過激光束來加工例如鉆孔或構(gòu)造電路板的裝置，其中按照本發(fā)明的反射鏡被用在偏轉(zhuǎn)單元中。在該裝置中，由激光器1發(fā)射的激光束2通過由兩個(gè)電流偏轉(zhuǎn)元件3和4組成的偏轉(zhuǎn)單元、然后通過成像單元5(最好是F-θ透鏡)被指向?qū)⒈患庸さ幕?，例如被設(shè)置在支載臺7上的電路板6，該電路板可以通過支承臺至少在兩個(gè)水平方向上移動，最好也可以在垂直方向上移動。
偏轉(zhuǎn)單元3包括電流電動機(jī)31組成，它驅(qū)動反射鏡32并且使反射鏡圍繞與雙箭頭34對應(yīng)的軸33旋轉(zhuǎn)。相應(yīng)地，偏轉(zhuǎn)元件4包括電流電動機(jī)41和反射鏡42，它圍繞與雙箭頭44對應(yīng)的軸43旋轉(zhuǎn)。由于第一反射鏡32的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，激光束2被射向第二反射鏡42中的線45上的所需的任一點(diǎn)上，并且由于反射鏡42的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，激光束可以指向通過電路板6的區(qū)域61內(nèi)的任一點(diǎn)，例如用于在那里鉆孔或構(gòu)造電路層。
為了可以達(dá)到激光加工所需的高速度，偏轉(zhuǎn)單元的反射鏡需要具有盡可能小的慣性質(zhì)量，亦即盡可能薄的厚度。然而，同時(shí)它們也需要高剛性，以便它們不需要反沖時(shí)間或者需要盡可能少的反沖時(shí)間直到停機(jī)。反射鏡面積越大，要滿足這些要求就越困難。
在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中所使用的反射鏡不必具有相同的尺寸。例如從圖1中可以看出，只在光程中的點(diǎn)35上，激光束2理想地碰撞在第一反射鏡3上，同時(shí)由于第一反射鏡的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，該激光束可以在線45上的任一點(diǎn)碰撞在第二反射鏡上。因此，第二反射鏡42一定要比第一反射鏡32大。這意味著，第一反射鏡可以滿足例如常規(guī)基底所要求的低慣性質(zhì)量和高剛性，該基底例如由玻璃或硅制成并具有基底厚度d1，而可以為僅僅具有較薄厚度d2的第二反射鏡42得到相同的工作速度。按照本發(fā)明，在這種情況下，第二反射鏡42具有由金剛石制成的反射鏡基底，它能保證具有較低厚度d2的所需要的剛性。當(dāng)然兩個(gè)反射鏡32和42都可以由金剛石制成。
圖2用透視圖示出了本發(fā)明的金剛石反射鏡，其中可以是任何其它可想象的形狀而不限定為這里所示出的八角形狀。具有厚度d的反射鏡基底10設(shè)置在其具有反射涂層11的正面上，這個(gè)反射涂層最好適應(yīng)于特別是所使用的激光的波長。金剛石反射鏡基底的厚度d可以在0.2到0.5mm數(shù)量級的范圍內(nèi)，例如，同時(shí)在由玻璃或硅制成的并另外具有同樣反射鏡尺寸的常規(guī)反射鏡基底情況下，該厚度d可以接近為1到2mm。因此，由于金剛石較高的彈性模量和由此導(dǎo)致金剛石較高的剛性，本發(fā)明的反射鏡可以相當(dāng)薄，以使其具有較小的質(zhì)量且允許較高的工作速度。
此外，圖2示出了承載基底12，它首先用作為用于制造金剛石基底10的底座，然后可以完全或部分地移走，以減少反射鏡基底的厚度和質(zhì)量。圖3到5示出了承載基底12的質(zhì)量是如何可以降低的例子，但仍然可以用來附加地加固反射鏡。圖3示出了從背面看的反射鏡基底10。在此，肋條14和支桿15通過凹槽13暴露出來，它們只輕微地增加所完成的反射鏡基底的質(zhì)量，但是相當(dāng)大地增強(qiáng)了反射鏡基底10的剛性。圖4和5示出了承載基底形狀的兩個(gè)不同的實(shí)例。
如前所述，僅僅在一定程度上取決于反射鏡基底尺寸的平整性可以在由人造金剛石制成的反射鏡基底的制造中獲得。為了使用較大的反射鏡，例如具有邊長超過25mm的反射鏡，已經(jīng)提供了本發(fā)明的改進(jìn)，其中反射鏡基底由多個(gè)金剛石部分結(jié)合而得到。圖6到10分別示出了這樣結(jié)合的反射鏡基底的實(shí)例的側(cè)視圖。在此，首先生產(chǎn)第一金剛石部分21，它們由于其例如10×10mm的小面積而具有高的平整性。這些金剛石部分例如通過蝕刻工藝從金剛石板上分離出來。由此所產(chǎn)生的金剛石部分21被結(jié)合、粘合和或粘結(jié)在一起，從而得到具有所要求的較大面積的反射鏡基底20。如圖6所示，各個(gè)金剛石部分21可以無須附加承載基底地在一個(gè)平面上結(jié)合。如圖7所示，這樣的金剛石部分也可以被結(jié)合或在兩個(gè)水平面上交替地側(cè)向重疊。
此外，圖8到10示出了可以使用的附加承載基底22，金剛石部分21分別與其結(jié)合或粘合，或者如圖8所示在一個(gè)面上或者如圖9所示在兩個(gè)面上。在這種情況下，相對的金剛石部分也可以側(cè)向地交錯，如圖10所示。此外，在這種情況下，支桿或特定的柵格，例如如圖3到5所示，可以結(jié)合到承載基底22中，它又可以減少質(zhì)量和增加剛性。
在任何情況下，所連接的反射鏡基底20的表面是拋光的，并且最好配置有反射涂層11。
權(quán)利要求
1.一種用于激光系統(tǒng)中偏轉(zhuǎn)單元的反射鏡，包括一個(gè)至少在一側(cè)上包含反射表面(11)的平的反射鏡基底(10；20)，其特征在于，所述的反射鏡基底(10；20)是由金剛石制成的。
2.如權(quán)利要求1所述的反射鏡，其特征在于，所述的金剛石是人造HOD金剛石(高定向的金剛石)。
3.如權(quán)利要求2所述的反射鏡，其特征在于，所述的反射鏡基底(10；20)以多個(gè)金剛石薄膜的形狀在一承載基底(12)上形成。
4.如權(quán)利要求2或3所述的反射鏡，其特征在于，所述的承載基底(12)由硅制成。
5.如權(quán)利要求2到4之一所述的反射鏡，其特征在于，所述的反射鏡基底(10；20)由金剛石在承載框架上制成，該承載框架由肋條(14)和支桿(15)構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1到3所述之一的反射鏡，其特征在于，所述的反射鏡基底(10；20)包含一個(gè)由在背離反射表面(11)的側(cè)面上的凹槽形成的加固框架。
7.如權(quán)利要求2到4之一所述的反射鏡，其特征在于，反射鏡基底(10；20)分別設(shè)置在所述承載基底(22)的兩側(cè)上。
8.如權(quán)利要求1到7之一所述的反射鏡，其特征在于，所述的反射鏡基底(20)由多個(gè)相鄰設(shè)置的金剛石部分(21)形成。
9.如權(quán)利要求8所述的反射鏡，其特征在于，所述的金剛石部分(21)在至少兩個(gè)平面上交替地側(cè)向設(shè)置并且彼此連接。
10.如權(quán)利要求8所述的反射鏡，其特征在于，所述的金剛石部分(21)被設(shè)置在一承載基底(22)的一個(gè)表面的至少一側(cè)上。
11.如權(quán)利要求11所述的反射鏡，其特征在于，所述的金剛石部分(21)被設(shè)置在承載基底(22)的兩個(gè)相對的表面上。
12.如權(quán)利要求12所述的反射鏡，其特征在于，所述的金剛石部分(21)交替地側(cè)向設(shè)置在承載基底(22)的兩個(gè)相對的表面上。
13.如權(quán)利要求8到13之一所述的反射鏡，其特征在于，所述的金剛石部分(21)粘合在一起和/或與一承載基底(22)粘合。
14.如權(quán)利要求8到13之一所述的反射鏡，其特征在于，所述的金剛石部分(21)彼此粘結(jié)和/或與一承載基底(22)彼此粘結(jié)。
15.一種用于制造如權(quán)利要求1到15之一所述的反射鏡的方法，其中將來自氣相的多個(gè)金剛石層通過氣相淀積(CVP)淀積在承載基底(12)上，從由此產(chǎn)生的金剛石板中分離出各個(gè)反射鏡基底(10)或所要求尺寸的金剛石部分(21)，以及在各個(gè)反射鏡基底(10)的表面上淀積一反射層(11)。
16.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述的承載基底(12)完全或部分地從背離金剛石層的一側(cè)上被蝕刻掉。
17.如權(quán)利要求16到17之一所述的方法，其特征在于，從所述的金剛石板上特別是通過蝕刻分離出具有預(yù)先確定的形狀和尺寸的金剛石部分(21)，并且多個(gè)金剛石部分(21)被結(jié)合以形成較大的反射鏡基底(20)。
18.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述的金剛石部分(21)在其邊緣處被粘合或粘結(jié)在一起。
19.如權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述的金剛石部分(21)被粘合或粘結(jié)到一承載基底(22)上。
20.一種在激光系統(tǒng)中的偏轉(zhuǎn)單元，其中激光束(2)通過至少一個(gè)設(shè)置在光程中并經(jīng)由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置(31，41)旋轉(zhuǎn)的反射鏡(32，42)偏轉(zhuǎn)到工件(6)上，其特征在于，至少一個(gè)所述反射鏡(42)由如權(quán)利要求1到14所述的用金剛石制成的反射鏡基底(10)構(gòu)成。
21.如權(quán)利要求21所述的偏轉(zhuǎn)單元，其特征在于，設(shè)置在所述激光束(1)的光程中的兩個(gè)反射鏡(32，42)中，在光程中處于下游方向的所述反射鏡(42)與所述上游方向的反射鏡(32)相比具有較大的面積和較小的厚度(d2)，并且至少一個(gè)所述下游方向的反射鏡(42)由用金剛石制成的反射鏡基底(10)構(gòu)成。
全文摘要
公開了一種用于激光系統(tǒng)中的電流偏轉(zhuǎn)單元(3，4)的反射鏡(42)。所述反射鏡(42)包含一個(gè)由金剛石材料制成的反射鏡基底(10)，該反射鏡基底也可以由較小的金剛石部分結(jié)合而成。根據(jù)本發(fā)明的金剛石基底(10)與常規(guī)的反射鏡基底(32)相比具有較高的剛性和較小的厚度(d2)，因此在激光系統(tǒng)中可以有較高的工作速度。
文檔編號B23K26/06GK1842728SQ200480024314
公開日2006年10月4日 申請日期2004年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月26日
發(fā)明者汗斯·科林格爾, 汗斯·于爾根·梅爾, 丹尼爾·麥茲 申請人:日立比亞機(jī)械股份有限公司