(57)【要約】  ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料を含むミラー本体（２）と、ミラー本体（２）上に配置された研磨層（３）とを備えたミラー支持体（１）が記載されている。ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中のダイヤモンド粒子の含有量は、５質量％〜５０質量％であり、かつミラー本体（２）の熱膨張係数が研磨層（３）の熱膨張係数に適応するように選択される。さらに、ミラー支持体（１）の製造方法について説明する。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料を含むミラー本体（２）と、
前記ミラー本体（２）上に配置された研磨層（３）と
を有するミラー支持体（１）であって、
前記ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中のダイヤモンド粒子の含有量が５質量%〜５０質量%であり、かつ
前記ミラー本体（２）の熱線膨張係数が、前記研磨層（３）の熱線膨張係数に適合するように前記ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中のダイヤモンド粒子の含有量が選択される、
ミラー支持体（１）。
【請求項２】
前記ミラー本体（２）は、積層造形により製造される、
請求項１に記載のミラー支持体。
【請求項３】
前記ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中のダイヤモンド粒子の含有量は、−１８０℃〜１００℃の温度での前記ミラー本体（２）の熱膨張係数が３×１０−６／Ｋ〜２０×１０−６／Ｋの範囲となるように選択される、
請求項１または２に記載のミラー支持体。
【請求項４】
前記ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中のダイヤモンド粒子の含有量が、１０質量％〜２０質量％である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のミラー支持体。
【請求項５】
前記ミラー本体（２）に冷却構造（６）および／または支持構造（７）が組み込まれている、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のミラー支持体。
【請求項６】
前記ミラー本体（２）に軽量構造が組み込まれている、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のミラー支持体。
【請求項７】
前記研磨層（３）が、ＮｉＰ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４またはＺｒＯ２を含む、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のミラー支持体。
【請求項８】
前記研磨層（３）が、最大５ｎｍのＲＭＳ粗さを有する表面を含む、
請求項１〜７のいずれか一項に記載のミラー支持体。
【請求項９】
少なくとも１つの反射層（５）が前記研磨層（３）上に配置されている請求項１〜８のいずれか一項に記載のミラー支持体（１）を含む、
ミラー（４）。
【請求項１０】
ミラー支持体（１）の製造方法であって、
積層造形によりダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料を含むミラー本体（２）を製造する工程と、
前記ミラー本体（２）上に研磨層（３）を付与する工程と
を有し、
前記ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中のダイヤモンド粒子の含有量は、５質量％〜５０質量％であり、かつ当該ダイヤモンド粒子の含有量は、前記ミラー本体（２）の熱線膨張係数が、前記研磨層（３）の熱線膨張係数に適合するように選択される、
ミラー支持体（１）の製造方法。
【請求項１１】
前記積層造形が、選択的レーザー溶融によって達成される、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記積層造形を行う間に、支持構造および／または冷却構造が、前記ミラー本体（２）に組み込まれる、
請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ミラー本体（２）と前記研磨層（３）の複合体を１３０℃〜２００℃の温度で熱処理する工程をさらに含む、
請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記研磨層（３）の表面を研磨して、前記研磨層（３）の表面のＲＭＳ粗さを５ｎｍ未満にする工程をさらに含む、
請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料で作られたミラー支持体、特に金属ミラーのような光学ミラー用のミラー支持体に関する。本発明はさらに、ミラー支持体の製造方法に関する。
【０００２】
本出願は、ドイツ特許出願ＤＥ １０ ２０１８ １１１ ２１２．２の優先権を主張し、その内容は、本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００３】
光学測定および信号技術において、複雑な表面を有するミラー（例えば、自由曲面光学系、非球面）が強く求められており、その上に、成形精度に関して高い要求がある。同時に、ミラーは、軽量で剛性が高いという特徴がある。ミラーは、典型的には、１以上の反射層が配置される、所望の表面を有するミラー支持体を含む。少なくとも１つの反射層は、好ましくは、物理蒸着によって、例えば、スパッタリング、蒸着、イオンアシストコーティングまたは原子層蒸着によって付与される。
【０００４】
例えば、アルミニウム、銅または真鍮で作られたミラー支持体は、所望の表面形状が得られるまで、例えば、ダイヤモンド工具で機械加工される。したがって、ダイヤモンド旋削またはフライス削りのような、よく知られた超精密機械加工方法は、例えば、直径１００ｍｍでの形状偏差（ＰＶ）が２００ｎｍ未満であり、粗さ（ＲＭＳ）が２ｎｍ〜５ｎｍである球面、非球面、または自由形状の表面を有する金属光学部品を製造する可能性を提供する。機械加工を使用することにより、達成可能な粗さおよび表面形状偏差は、スペクトル赤外線範囲での適用に十分な値に限定され、より短い波長に対しては不十分である。
【０００５】
粗さおよび表面形状の偏差は、微細研磨または補正研磨によって低減できることが知られている。この目的のために、ミラー本体を備えたミラー支持体、例えば非晶質ニッケル-リン合金製の研磨層を備えたアルミニウム製のミラー本体を有するミラー支持体が使用され、これらは研磨に供される。
【０００６】
ミラー本体および研磨層の材料は、様々な熱的、機械的または製造上の要求を参照して選択される。ミラー本体、特に可動光学ミラーの場合、ミラー本体は軽く、しかも寸法的に安定でなければならないが、研磨層は研磨可能であり、周囲条件(酸素、湿度)に対して不活性でなければならない。このような理由から、ミラー本体および研磨層は、通常、異なった材料で作られる。
【０００７】
異なった材料を組み合わせることの欠点は、熱線膨張係数に大きな違いがあり得ることである。例えば、基材本体として一般に使用されるアルミニウム合金Ａｌ６０６１（例えば、国際公開第２００４／０７７１１４号パンフレット、米国特許第６ ３５０ １７６号パンフレットを参照）の熱膨張係数は２３．８×１０−６／Ｋであり、ＮｉＰ研磨層は、通常、１３．５×１０−６／Ｋの熱膨張係数を有する。
【０００８】
このようなミラー支持体を有する光学ミラーが、使用中に熱サイクルにさらされると、バイメタル要素におけるように、変形またはストレス要因での様々な熱膨張係数が、光学機能を著しく損なう可能性があり、さらには機能不全につながる可能性がある。
【０００９】
ミラー本体に対する機械的な要求のため、これまでのミラー支持体に使用できる材料は、ほんのわずかである。これらの材料（ミラー支持体に使用できる材料）には、前述のアルミニウム合金Ａｌ６０６１に加えて、他のアルミニウム合金、ベリリウムおよびベリリウム合金が含まれる。酸化ベリリウムは有毒であり、原料は非常に高価であるため、ベリリウムの使用は問題となり得る。実際には、上記の熱線膨張係数の不適合を避けるために、熱線膨張係数がミラー本体の熱膨張に適合する物質から研磨層を製造する試みがこれまで行われてきた。この概念の欠点は、ＮｉＰなどの研磨層に一般的に使用される材料を研磨する際に得られる経験が、他の材料を研磨することに容易に転用できないことである。
さらに、研磨層は、その上に堆積された反射層の材料と適合しなければならない。
【００１０】
ＤＥ １０ ２００５ ０２６ ４１８ Ｂ４には、アモルファスＮｉＰ研磨層でコーティングされたシリコン粒子を有するアルミニウム複合材料が記載されており、それは光学素子に使用されている。
【発明の概要】
【００１１】
発明が解決しようとする課題
解決すべき目的は、特に改良された寸法および温度安定性、可動ミラーの用途のための十分に低い質量密度および高い機械的安定性を有する改良されたミラー支持体を提供することである。さらに、ミラー支持体の製造のための適切な方法を詳細に述べる。
【００１２】
課題を解決するための手段
これらの目的は、独立請求項によるミラー支持体および方法によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項から生じる。
【００１３】
少なくとも１つの実施形態によれば、ミラー支持体は、ミラー本体および研磨層を含む。ミラー本体は、ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料を含み、当該ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料は、所定の含有量のダイヤモンド粒子を含む。ダイヤモンド粒子の含有量は、有利には５質量％〜５０質量％である。以下、「ダイヤモンド粒子の含有量」は、ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中のダイヤモンド粒子の質量分率を意味する。ダイヤモンド粒子は、天然または合成起源のダイヤモンド粒子である。特に、ダイヤモンド粒子は、多結晶構造（ＰＣＤ、Polycristalline Diamond）を含んでいる。これによって、ダイヤモンド粒子は、特にダイヤモンド状炭素と区別される。ダイヤモンド粒子のサイズは、１μｍ〜１００μｍ、好ましくは２０μｍ〜５０μｍである。ダイヤモンド粒子の形状は、多角形、回転楕円体、鋭いエッジ形状、または好ましくは回転楕円体である。
【００１４】
ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中に含まれるダイヤモンド粒子は、高い弾性率および熱伝導率を提供し、これは、高い形状精度の設定のためだけでなく、軽量の用途にも有利である。ミラー本体上には、例えば、ＰＶＤ−ＳｉＣ、ＰＶＤ−Ｓｉ、ＣＶＤ−Ｓｉ、ＰＥＣＶＤ−ＳｉＯ２、ＰＥＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４、ＰＶＤ−ＺｒＯ２または好ましくはＮｉＰを含む研磨層が配置されている。
【００１５】
ミラー本体の材料として、ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料を使用することは、特に、高い熱伝導率および高い剛性が得られるという利点を有する。一方、ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料は、それ自体でミラー本体を製造することができない機械的性質を有する。特に、この材料の比較的高い硬度と脆性により、フライス加工や穴あけ加工などの材料除去方法による機械的処理は容易にはできない。
本発明は、ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料から積層造形によってミラー本体を製造するという考えを特に利用する。この製造プロセスは、従来の方法では容易に可能ではなかった、ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料からモノリシックミラー本体を製造することを有利に可能にする。したがって、積層造形プロセスは、硬度および熱特性などの材料の利点を活用するために、その特性に起因してミラー本体の製造が極めて困難で、ミラー本体に容易に利用可能でない材料を、本用途に利用可能にする。
【００１６】
ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中のダイヤモンド粒子の含有量は、ミラー本体の熱線膨張係数が、研磨層の熱線膨張係数に適合するような方法で決定される。「適合」という語は、ここでは、ミラー本体と研磨層の熱線膨張係数の差が２．５×１０−６／Ｋ未満、好ましくは１×１０−６／Ｋ未満であるような熱線膨張係数の近似を示すために使用される。特に好ましい本発明の実施形態は、ミラー本体および研磨層の熱線膨張係数が実質的に等しく、その結果、ミラー本体と研磨層の熱線膨張係数の差は、特に０．５×１０−６／Ｋ未満である。
【００１７】
ミラー本体の熱線膨張係数を研磨層の熱線膨張係数に適合させることは、ミラー支持体が高い熱負荷、特に温度勾配負荷に耐えるという長所を有する。
【００１８】
本発明のより好ましい実施形態によれば、ミラー本体は、ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料からなり、当該ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料のダイヤモンド粒子の含有量は、−１８０℃〜＋１００℃の範囲、好ましくは−４０℃〜＋６０℃の範囲の熱線膨張係数が１０×１０−６／Ｋ〜１６×１０−６／Ｋの範囲となるように調整されている。このようなミラー本体の使用により、研磨層の一般的に使用される材料への特に良好な適合が得られる。
【００１９】
ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中のダイヤモンド粒子の含有量は、特に５質量％〜５０質量％、特に好ましくは１０質量％〜２０質量％である。この範囲のダイヤモンド粒子の含有量は、一方では、研磨層の熱線膨張係数に対するミラー本体の熱線膨脹係数の調整を可能にする。さらに、ダイヤモンド粒子の含有量により、熱伝導率、熱容量および機械的剛性を改善できる。
【００２０】
ダイヤモンド粒子の含有量を変えることにより、アルミニウム複合材料を、研磨層の種々の可能な材料に適合させることができる。特に好ましい実施形態では、１１×１０−６／Ｋ〜１４×１０−６／Ｋの有利な熱線膨張係数を有するニッケル−リン合金で作られた研磨層である。ＮｉＰ研磨層の使用は、この材料の研磨に多くの経験があるという特別な利点を有する。したがって、ミラー支持体は、従来のミラー支持体から知られているのと同じ研磨手順に供することができる。
【００２１】
好ましい構成では、研磨層は、５ｎｍ未満のＲＭＳ粗さを有する。このようにして、特に高い反射率が得られる。ミラー支持体が、１ｎｍ以下のＲＭＳ粗さを有する研磨層を含む場合、可視スペクトル領域またはより短波長用のミラー支持体を備えたミラーを使用することにはさらなる利点がある。
【００２２】
ミラー支持体は、特に、ミラー、特に光学ミラーの製造に使用される。ミラーは、ミラー支持体と、それに付与される反射層、例えば金属層とを含む。ミラー層は、幾つかのサブ層、例えば、金属層および／または誘電体層を含むことができる。
【００２３】
本発明によるミラー支持体の製造方法では、ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料を含むミラー本体が、積層造形によって製造され、続いて、研磨層がミラー本体に付与される。そして、当該ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料中のダイヤモンド粒子の含有量が５質量％〜５０質量％、特に１０質量％〜３０質量％であり、かつダイヤモンド粒子の含有量が、ミラー本体の熱線膨張係数が、研磨層の熱線膨張係数に適合するように選択される。
【００２４】
ダイヤモンド粒子の含有量が５質量％〜５０質量％の範囲にあるアルミニウム複合材料は、その硬度および脆性のために機械加工が困難であるにも係わらず、上述したように、積層造形により、当該材料からモノリシックミラー本体を製造することが可能となる。積層造形プロセスでは、材料除去方法を使用しないことが有利である。その代わり、ミラー本体は、特にＣＡＤモデルに基づいて、例えば選択的レーザー溶融によって、最終的な輪郭に近い層で形成される。
【００２５】
好ましい設計の場合、積層造形は、選択的なレーザー溶融によって行われる。選択的レーザー溶融では、粉末状のダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料をスキージで層毎に塗布し、レーザー放射によって局所的に完全に再溶融させて、固体材料となる。その後、新しい層の粉末を塗布し、レーザー放射によって再溶融する。このサイクルは、ミラー本体全体が多数の局所的に再溶融された粉末層からなるまで繰り返される。
【００２６】
積層造形、殊に選択的なレーザー溶融によってミラー本体を製造する時、追加の製造ステップなしで、軽量構造体、冷却構造体および／または支持構造体を、ミラー本体に組み込むことができる。組み込まれた冷却構造は、液体または気体媒体のために提供され得る。
【００２７】
好ましい実施形態によれば、ミラー支持体、すなわちミラー本体と研磨層との複合体は、熱処理を受ける。このようにして、ミラー本体と研磨層との材料の組み合わせの寸法安定化を有利に達成することができる。熱処理は、１５０℃〜２００℃の温度範囲で行うことが好ましい。この温度範囲での熱処理中に、依然として存在する残留応力を大幅に除去することができ、その結果、ミラー支持体を用いて製造されたミラーは、光学特性の高い安定性および再現性を有する。熱処理に続いて、研磨層を研磨して、最小化された粗さを有するミラー支持体を所望の形状にすることが好ましい。
【００２８】
ミラー支持体について記載した有利な設計は、この方法にも適用され、逆もまた同様である。
【００２９】
本発明のさらなる詳細および利点は、図１および図２の以下の説明において見ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】図１Ａは、第１の例示的な実施形態による、ミラー支持体を備えたミラーの概略断面図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、第１の例示的な実施形態によるミラー支持体を備えたミラーの断面を示す。
【図２】図２は、別の例示的な実施形態による、ミラー支持体を備えたミラーの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１Ａおよび図１Ｂの例示的な実施形態による光学ミラー４は、ミラー支持体１と反射層５とを備える。ミラー支持体１は、ミラー本体２と、ＮｉＰ合金を含む研磨層３とを備える。図２の光学ミラー４は、内部冷却構造６および支持構造７を備える。
【００３２】
例示的な実施形態では、ミラー４は、球面を有する光学ミラーである。本発明の実施は、このミラーの形態に限定されず、平面もしくは非球面湾曲ミラーまたは自由形状ミラーでも可能である。本明細書で示唆されるミラー支持体の積層造形は、球形または非球形に湾曲した形状または自由形状を有するミラー支持体を製造するのに特に有利である。なぜなら、ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料の機械的性質のために、従来の製造方法(例えば、鋳造)ではこれを達成することが非常に困難であるからである。さらに、積層造形は、例えば、従来の製造プロセスでは容易に実現することができない、非常に薄い壁、例えば、０．１ｍｍ〜１ｍｍを有する凹部またはキャビティをミラー支持体に形成することによって、ミラー支持体の質量を低減することを可能にする。
【００３３】
ミラー本体２は、ＮｉＰ研磨層に適合した熱線膨張係数を発現させるようなダイヤモンド粒子の含有量を有するダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料を含む。研磨層３は、化学的または電気的に製造された、リン濃度が１０質量％〜１５質量％（好ましくは＞１０．５質量％、例えば１２質量％）の非晶質ニッケル−リン合金を含み、約１０μｍ〜２０００μｍの厚さを有する。
【００３４】
ミラー４は、例えば、以下のようにして製造される。まず、ミラー本体２は、ダイヤモンド粒子強化アルミニウム複合材料から、積層造形(好ましくは、選択的レーザー溶融)によって製造される。Ａｌ６０６１とダイヤモンド粉末とからなる均質な粉末混合物を使用する。ダイヤモンド粒子の含有量の具体的な選択は、使用した複合材料の利用可能な材料データに基づいている。
【００３５】
研磨層、例えば２００μｍ未満の層厚を有する、ＰＶＤ−ＳｉＣ、ＰＶＤ−Ｓｉ、ＣＶＤ−Ｓｉ、ＰＥＣＶＤ−ＳｉＯ２、ＰＥＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４、ＰＶＤ−ＺｒＯ２または好ましくは化学的に製造されたＮｉＰを使用する場合、ブランクの表面が機械加工される。ブランクは、従来の超硬工具またはダイヤモンド工具(例えば、多結晶ダイヤモンドで作られたＰＣＤ工具)によって超精密に機械加工することができる。本発明に従って使用される複合材料は、従来のミラー本体と比較して高い割合の脆性−硬質介在物を含み、比較的脆いため、切削深さは小さく、送り速度は低いことが機械加工には好ましい。
【００３６】
２００μｍを超える層厚を有する、例えば電気的に製造されたＮｉＰなどの研磨層を使用することによって、ブランクの機械加工による再加工を回避することができる。
【００３７】
その後、熱処理を行って、導入される応力を低減することができる。熱処理は、好ましくは、３５０℃で６時間行われる。
【００３８】
さらなるステップでは、研磨層３が堆積される。研磨層３の堆積は、特に電気メッキまたは電気化学プロセスによって達成することができる。堆積には、無電解ニッケルメッキが含まれることが好ましい。この目的のために、ミラー本体２の表面は、最初に洗浄され、活性化され、次いで堆積に供される。研磨層３が付与された後、ミラー支持体１の材料化合物における層応力を低減するために、例えば１５０℃で６時間のさらなる熱処理が続けられる。続いて、５ｎｍ未満、好ましくは１ｎｍ未満のＲＭＳ表面粗さにする最終研磨を実施することができる。
【００３９】
ミラー支持体１を有するミラー４を作製するために、更なるステップにおいて、反射層５を、好ましくは物理蒸着によって研磨層３上に堆積させる。反射層５は、単一層であってもよいし、複数の部分層を含んでいてもよい。反射層５は、例えば金属層とすることができる。あるいは、反射層５は、多層システム、例えば誘電体干渉層システム、または、１以上の金属層と１以上の誘電体層との組合せであり得る。
【００４０】
図２は、光学ミラー４の別の例示的な実施形態を示す。光学ミラーは、内部冷却構造6および支持構造７を備える。光学ミラー４およびその中に含まれるミラー支持体ならびにその製造方法のさらなる設計は、第１の例示的な実施形態に対応してもよく、したがって、再度説明はしない。
【００４１】
上記の説明、図面、および特許請求の範囲に開示された本発明の特徴は、個々にまたは組み合わせて、様々な形態で本発明を実現するために重要であり得る。
【図１Ａ】
2021523411.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２】
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【国際調査報告】
2021523411.tif 000006
2021523411.tif 000007
2021523411.tif 000008
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