(57)【要約】      （修正有）【課題】光学式ガスセンサに組み込まれる際にガラスが破損し難く、赤外光を十分に透過することが可能な光学部品を提供する。【解決手段】光学部品１は、カルコゲナイドガラスからなる窓材２と、窓材を支持する支持部材３とを備えている。支持部材は、先端側及び基端側に開口部を有する筒状の側壁部を備えているキャップ部材であり、窓材２がキャップ部材の開口部を覆うように固定されている。【選択図】図１Ａ
2020016519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルコゲナイドガラスからなる窓材と、窓材を支持する支持部材とを備えていることを特徴とする光学部品。
【請求項２】
支持部材が、先端側及び基端側に開口部を有する筒状の側壁部を備えているキャップ部材であり、窓材がキャップ部材の開口部を覆うように固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
【請求項３】
窓材が、レンズ形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学部品。
【請求項４】
カルコゲナイドガラスが、組成として、モル％で、Ｇｅ＋Ｇａ＋Ｓｂ＋Ｂｉ＋Ｓｎ＋Ｉｎ＋Ａｇ＋Ｓｉ  ０超〜７０％、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ  ０超〜９０％を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学部品。
【請求項５】
カルコゲナイドガラスが、厚み１ｍｍにて波長３〜１２μｍの範囲で最大透過率が４０％以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学部品。
【請求項６】
カルコゲナイドガラスが、０〜１５０℃の温度範囲で熱膨張係数が２５０×１０−７／℃以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学部品。
【請求項７】
窓材の表面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学部品。
【請求項８】
支持部材が、０〜１５０℃の温度範囲で熱膨張係数が２５０×１０−７／℃以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学部品。
【請求項９】
光学センサ用途に使用されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光学部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ、ガス警報機、ガス濃度測定器等に使用される光学部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、室内のエアクオリティーが注目され、小型かつ安価でメンテナンス性に優れたガスセンサが求められている。この要求に対して半導体、セラミックス等を用いた様々なガスセンサが開発されている。例えば、ＣＯ２センサには、感度・安定性共に優れた赤外光吸収を利用した光学式センサが使用されている。
【０００３】
赤外光吸収を利用した光学式ガスセンサには、センサ受光部に赤外光を透過するための部材が必要である。このような部材として、ガラス等が使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０７８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ガラスは機械的強度が低く、光学式ガスセンサに組み込まれる際に破損しやすいという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、光学式ガスセンサに組み込まれる際にガラスが破損し難く、赤外光を十分に透過することが可能な光学部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光学部品は、カルコゲナイドガラスからなる窓材と、窓材を支持する支持部材とを備えていることを特徴とする。カルコゲナイドガラス単体を光学式ガスセンサに組み込むと、カルコゲナイドガラスが他部材との接触等により破損する虞がある。本発明では、カルコゲナイドガラスを支持する支持部材を備えることにより取り扱いが容易となるため、光学式ガスセンサに組み込む際にカルコゲナイドガラスと他部材との接触を防止しやすく、カルコゲナイドガラスが破損し難くなる。また、カルコゲナイドガラスは赤外光透過特性に優れているため、光学式ガスセンサの感度を向上させることが可能となる。
【０００８】
本発明の光学部品は、支持部材が、先端側及び基端側に開口部を有する筒状の側壁部を備えているキャップ部材であり、窓材がキャップ部材の開口部を覆うように固定されていることが好ましい。支持部材をキャップ部材にすることにより、光学式ガスセンサ内に固定しやすくなる。
【０００９】
本発明の光学部品は、窓材が、レンズ形状であることが好ましい。レンズ形状にすることにより、優れた集光能力を有するため、赤外光吸収を利用した光学式ガスセンサの感度をさらに向上させることが可能となる。また、拡散光をコリメート光に変換することも可能である。
【００１０】
本発明の光学部品は、カルコゲナイドガラスが、組成として、モル％で、Ｇｅ＋Ｇａ＋Ｓｂ＋Ｂｉ＋Ｓｎ＋Ｉｎ＋Ａｇ＋Ｓｉ  ０超〜７０％、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ  ０超〜９０％を含有することが好ましい。なお、「Ｇｅ＋Ｇａ＋Ｓｂ＋Ｂｉ＋Ｓｎ＋Ｉｎ＋Ａｇ＋Ｓｉ」は、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｓｉの各含有量の合量を意味し、「Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ」は、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの各含有量の合量を意味する。
【００１１】
本発明の光学部品は、カルコゲナイドガラスが、厚み１ｍｍにて波長３〜１２μｍの範囲で最大透過率が４０％以上であることが好ましい。
【００１２】
本発明の光学部品は、カルコゲナイドガラスが、０〜１５０℃の温度範囲で熱膨張係数が２５０×１０−７／℃以下であることが好ましい。このようにすれば、温度変化による変形を抑制できる。
【００１３】
本発明の光学部品は、窓材の表面に反射防止膜が形成されていることが好ましい。このようにすれば、赤外域の光透過率を向上しやすい。
【００１４】
本発明の光学部品は、支持部材が、０〜１５０℃の温度範囲で熱膨張係数が２５０×１０−７／℃以下であることが好ましい。このようにすれば、温度変化による変形を抑制できる。
【００１５】
本発明の光学部品は、光学センサ用途に使用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光学式ガスセンサに組み込まれる際にガラスが破損し難く、赤外光を十分に透過することが可能な光学部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る光学部品を示す模式的平面図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る光学部品のＡ−Ａ断面を示す模式的断面図である。
【図２Ａ】本発明の第２の実施形態に係る光学部品を示す模式的平面図である。
【図２Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る光学部品のＢ−Ｂ断面を示す模式的断面図である。
【図３Ａ】本発明の第３の実施形態に係る光学部品を示す模式的平面図である。
【図３Ｂ】本発明の第３の実施形態に係る光学部品のＣ−Ｃ断面を示す模式的断面図である。
【図４Ａ】本発明の第４の実施形態に係る光学部品を示す模式的平面図である。
【図４Ｂ】本発明の第４の実施形態に係る光学部品のＤ−Ｄ断面を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の光学部品の実施形態について説明する。
【００１９】
（１）第１の実施形態
図１Ａは本発明の第１の実施形態に係る光学部品（光学用キャップ部品）を示す模式的平面図であり、図１Ｂは本発明の第１の実施形態に係る光学部品のＡ−Ａ断面を示す模式的断面図である。
【００２０】
本実施形態において、光学部品１は、カルコゲナイドガラスからなる窓材２と、窓材２を支持する支持部材３とを備えている。上述した通り、支持部材３を備えることにより、光学部品１を光学式ガスセンサに組み込む際に、カルコゲナイドガラスからなる窓材２が破損し難くなる。
【００２１】
支持部材３は、先端側に開口部３ａ及び基端側に開口部３ｂを有する側壁部３ｃを備えているキャップ部材である。なお、側壁部３ｃは全長に亘って略同一の内径を有する円筒形状である。窓材２は、支持部材３の先端側の開口部３ａを覆うように、又は先端側の開口部３ａと基端側の開口部３ｂとの間に固定されている。
【００２２】
窓材２を支持部材３に固定する方法としては、低融点ガラス、接着剤、はんだ等の接合材を窓材２と支持部材３の間に塗布する手法が挙げられる。また、窓材２自体を融解させ、支持部材３に融着させてもよい。あるいは、支持部材３の熱膨張係数が窓材２の熱膨張係数より高い場合、窓材２を支持部材３に収納させた後、加熱、冷却することにより、支持部材３と窓材２の熱収縮率差によって、支持部材３で窓材２を締め付け、窓材２を固定することもできる。
【００２３】
以下に各構成要素ごとに説明する。
【００２４】
（窓材２）
窓材２は、カルコゲナイドガラスからなる。カルコゲナイドガラスは、赤外域において良好な光透過率を有する。
【００２５】
カルコゲナイドガラスは、組成として、モル％で、Ｇｅ＋Ｇａ＋Ｓｂ＋Ｂｉ＋Ｓｎ＋Ｉｎ＋Ａｇ＋Ｓｉ  ０超〜７０％、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ  ０超〜９０％を含有することが好ましい。ガラス組成範囲をこのように限定した理由を以下に説明する。なお、以下の各成分の含有量の説明において、特に断りがない限り「％」は「モル％」を示す。
【００２６】
Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｓｉはガラス化範囲を広げる成分であり、これらの含有量の合量は０超〜７０％であることが好ましく、１〜６０％であることがより好ましく、１０〜５０％であることがさらに好ましい。Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｓｉを含有しない場合は、ガラス化しにくくなる。一方、これらの含有量が多すぎると、逆にガラス化しにくくなる。なお、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｓｉの含有量は、それぞれ０〜７０％であることが好ましく、０〜５０％であることがより好ましい。
【００２７】
カルコゲン元素であるＳ、Ｓｅ、Ｔｅはガラス骨格を形成する成分である。Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅの含有量（Ｓ、Ｓｅ及びＴｅの合量）は０超〜９０％であることが好ましく、１０〜８５％であることがより好ましく、２０〜８０％であることがさらに好ましい。Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅを含有しない場合は、ガラス化しにくくなる。一方、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅの合量が多すぎると耐候性が低下する恐れがある。
【００２８】
なお、カルコゲン元素としては、環境面からＳ、又はＴｅを選択することが好ましい。
【００２９】
カルコゲナイドガラスは、有毒物質であるＡｓ、Ｃｄ、Ｔｌ及びＰｂを実質的に含有しないことが好ましい。このようにすれば、環境面への影響を最小限に抑えることができる。ここで、「実質的に含有しない」とは、意図的に原料中に含有させないという意味であり、不純物レベルの混入をも排除するものではない。客観的には、各成分の含有量が１０００ｐｐｍ未満を指す。
【００３０】
上記のような組成を有するガラスは、厚み１ｍｍにて波長３〜１２μｍの範囲で最大透過率が４０％以上、４５％以上、特に５０％以上になりやすい。
【００３１】
また、カルコゲナイドガラスの熱膨張係数は０〜１５０℃の温度範囲で２５０×１０−７／℃以下、２２０×１０−７／℃以下、２００×１０−７／℃以下、１８０×１０−７／℃以下であることが好ましい。熱膨張係数が大きすぎると、温度変化により変形しやすく、集光能力が低下して、センサの感度が低下するおそれがある。熱膨張係数の下限は特に限定されないが、現実的には、５０×１０−７／℃以上である。
【００３２】
赤外光透過率の向上を目的として、窓材２の表面（光入射面または光出射面）に、反射防止膜を形成してもよい。
【００３３】
反射防止膜の構造としては、高屈折率層と低屈折率層が交互に積層された多層膜が挙げられる。反射防止膜を構成する材質としては、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｇｄ２Ｏ３、ＷＯ３等の酸化物、水素化炭素、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、Ｇｅ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ａｓ２Ｓ３、Ａｓ２Ｓｅ３、ＰｂＦ２、テルル化金属、フッ化金属（ＭｇＦ２、ＣａＦ２，ＢａＦ２等）が好ましい。なお、屈折率層の材質は、樹脂でもよく、例えばオレフィン系樹脂等を用いることができる。反射防止膜としては多層膜に限られるものではなく、単層膜を使用することもできる。
【００３４】
窓材２の形状は、特に限定されないが、集光能力を考慮すると、両凸形状（例えば球状）、平凸形状、メニスカス形状等のレンズ形状であることが好ましい。
【００３５】
次に、窓材２の製造方法について説明する。
【００３６】
上記のガラス組成となるように、原料を混合し、原料バッチを得る。次に、石英ガラスアンプルを加熱しながら真空排気した後、原料バッチを入れ、真空排気を行いながら酸素バーナーで石英ガラスアンプルを封管する。
【００３７】
原料としては、元素原料（Ｔｅ、Ｇｅ、Ｇａ等）を用いてもよく、化合物原料（ＧｅＴｅ、ＧｅＴｅ２、Ｇａ２Ｔｅ３等）を用いても良い。また、これらを併用することも可能である。
【００３８】
次に、封管された石英ガラスアンプルを溶融炉内で１０〜８０℃／時間の速度で６５０〜１０００℃まで昇温後、６〜１２時間保持する。保持時間中、必要に応じて、石英ガラスアンプルの上下を反転し、溶融物を攪拌する。
【００３９】
その後、石英ガラスアンプルを溶融炉から取り出し、室温まで急冷することによりガラス母材を得る。
【００４０】
続いて、得られたガラス母材を所定形状（円盤状、レンズ状等）に加工する。
【００４１】
必要に応じて、所定形状に加工したガラス母材の片面又は両面に、反射防止膜を形成させ窓材２を得る。反射防止膜の形成方法としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等が挙げられる。
【００４２】
なお、ガラス母材に反射防止膜を形成した後、ガラス母材を所定形状に加工しても構わない。ただし、加工工程において反射防止膜の剥離が生じやすくなるため、特段の事情がない限り、ガラス母材を所定形状に加工した後に、反射防止膜を形成することが好ましい。
【００４３】
（支持部材３）
支持部材３の材質は、金属、セラミックスのいずれでも構わないが、加工性を考慮するとハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）、ＳＵＳ等の金属であることが好ましい。
【００４４】
支持部材３の熱膨張係数は０〜１５０℃の温度範囲において２５０×１０−７／℃以下、２２０×１０−７／℃以下、２００×１０−７／℃以下、１８０×１０−７／℃以下であることが好ましい。熱膨張係数が大きすぎると、温度変化により変形しやすく、集光能力が低下して、センサの感度が低下するおそれがある。熱膨張係数の下限は特に限定されないが、現実的には、５０×１０−７／℃以上である。
【００４５】
（２）第２の実施形態
図２Ａは本発明の第２の実施形態に係る光学部品を示す模式的平面図であり、図２Ｂは本発明の第２の実施形態に係る光学部品のＢ−Ｂ断面を示す模式的断面図である。第１の実施形態に係る光学部品との違いは、第２の実施形態では、さらに、側壁部３ｃの周囲に突起部３ｄが存在する点である。突起部３ｄを設けることにより、支持部材３をガスセンサ内に固定しやすくなる。また、窓材２と支持部材３の光軸を合わせやすくなる。
【００４６】
（３）第３の実施形態  図３Ａは本発明の第３の実施形態に係る光学部品を示す模式的平面図であり、図３Ｂは本発明の第３の実施形態に係る光学部品のＣ−Ｃ断面を示す模式的断面図である。第１の実施形態に係る光学部品との違いは、第３の実施形態では、側壁部３ｃが角筒形状である点である。側壁部３ｃを角筒形状にすることにより、支持部材３をガスセンサ内に固定しやすくなる。また、窓材２と支持部材３の光軸を合わせやすくなる。
【００４７】
（４）第４の実施形態
図４Ａは本発明の第４の実施形態に係る光学部品を示す模式的平面図であり、図４Ｂは本発明の第４の実施形態に係る光学部品のＤ−Ｄ断面を示す模式的断面図である。第１の実施形態に係る光学部品との違いは、第４の実施形態では、さらに、側壁部の一部に切り欠き３ｅが存在している点である。ガスセンサ内の所定の位置に切り欠き３ｅに対応する突起部を設けると、その突起部に切り欠き３ｅを嵌め込めるため、支持部材３の位置決めが容易になる。また、窓材２と支持部材３の光軸を合わせやすくなる。
【００４８】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  光学部品
２  窓材
３  支持部材
３ａ  開口部
３ｂ  開口部
３ｃ  側壁部
３ｄ  突起部
３ｅ  切り欠き
【図１Ａ】
2020016519.tif 000003
【図１Ｂ】
2020016519.tif 000004
【図２Ａ】
2020016519.tif 000005
【図２Ｂ】
2020016519.tif 000006
【図３Ａ】
2020016519.tif 000007
【図３Ｂ】
2020016519.tif 000008
【図４Ａ】
2020016519.tif 000009
【図４Ｂ】
2020016519.tif 000010