(57)【要約】【課題】  溶接する際に、熱による局所的な変質や変形等の欠陥を材料に生じさせず、接合後に分解でき部品の再利用が可能な、シリカガラス材料を中心とした光化学的溶接法を確立する。【解決手段】  本発明では、真空紫外Ｆ２レーザー（波長１５７ｎｍ）により、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を光化学的にシリカガラスに改質する過程において、所望の被接合材料を接触させておくことにより、非熱的に材料を接合させる光化学的溶接を行う。その結果、熱による材料の変質・変形が皆無で、かつ希フッ酸の中に短時間浸漬することにより、接合後の分解もでき、部品の再利用が可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、被接合材料を接触させ、前記化合物と前記被接合材料との界面に波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴とするＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法。
【請求項２】
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製板を例とする板状透明材料を接触させ、前記化合物と前記板状透明材料との界面に、前記板状透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴とするＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法。
【請求項３】
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製角柱を例とする多角柱状透明材料を接触させ、前記化合物と前記多角柱状透明材料との界面に、前記多角柱状透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴とするＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法。
【請求項４】
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製光ファイバーを例とする円柱状透明材料を接触させ、前記化合物と前記円柱状透明材料との界面に、前記円柱状透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴とするＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法。
【請求項５】
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製微小球を例とする球状透明材料を接触させ、前記化合物と前記球状透明材料との界面に、前記球状透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴とするＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法。
【請求項６】
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製レンズを例とするレンズ状透明材料を接触させ、前記化合物と前記レンズ状透明材料との界面に、前記レンズ状透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴とするＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法。
【請求項７】
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製中空ファイバーを例とする中空透明材料を接触させ、前記化合物と前記中空透明材料との界面に、前記中空透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴とするＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法。
【請求項８】
請求項１，２，３，４，５，６又は７記載の光化学的溶接法により接合されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物と被接合材料とを、フッ酸を例とするシリカガラスを溶解可能な薬品に浸漬することにより分解することを特徴とする分解法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料の溶接法に係り、とくにＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、所望の被接合材料を接触させ、その界面に波長１９０ｎｍ以下（真空紫外若しくはそれ以下の波長）の光を照射することにより、熱による材料の変質・変形が皆無な非熱的溶接を可能としたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法に関する。また、前記光化学的溶接法により接合された前記Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物と前記被接合材料とを、フッ酸を例とするシリカガラス（ＳｉＯ２）を溶解可能な薬品に浸漬することにより、再利用可能なように分解できる分解法に関する。本発明は、光回路やマイクロ化学分析システム等のマイクロ・ナノデバイス製作へ適用可能となる等、その用途は電気、電子のみならずあらゆる分野で有用である。
【背景技術】
【０００２】
溶接とは一般に、２つ以上の金属部品を局所的に加熱溶融させることにより冶金的に接合させることをいう。接合強度が強く、材料の形状や材質に関する制限が少ない等の多くの利点がある。従って、金属のみならず、ガラスやプラスチックにも適用されている接合手法である。しかし、熱による局所的な変質や変形等、材料に欠陥が生じやすいこと、接合後に分解ができない等の欠点がある。特にガラスやプラスチックの場合、さらには溶接スケールがミクロン領域と微小となる場合、前者欠点がデバイス製作において致命的となる場合が多い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
溶接する際に、熱による局所的な変質や変形等の欠陥を材料に生じさせず、接合後に分解でき部品の再利用が可能な、シリカガラス材料を中心とした光化学的溶接法の確立を課題とする。
【０００４】
本発明は、前記の点に鑑み、熱による材料の変質・変形が皆無な非熱的溶接を可能としたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法を提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明は、前記光化学的溶接法により接合された前記Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物と前記被接合材料とを、フッ酸を例とするシリカガラスを溶解可能な薬品に浸漬することにより、再利用可能なように分解できる分解法を提供することをもう一つの目的とする。
【０００６】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本願請求項１の発明に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、被接合材料を接触させ、前記化合物と前記被接合材料との界面に波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴としている。
【０００８】
本願請求項２の発明に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製板を例とする板状透明材料を接触させ、前記化合物と前記板状透明材料との界面に、前記板状透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴としている。
【０００９】
本願請求項３の発明に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製角柱を例とする多角柱状透明材料を接触させ、前記化合物と前記多角柱状透明材料との界面に、前記多角柱状透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴としている。
【００１０】
本願請求項４の発明に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製光ファイバーを例とする円柱状透明材料を接触させ、前記化合物と前記円柱状透明材料との界面に、前記円柱状透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴としている。
【００１１】
本願請求項５の発明に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製微小球を例とする球状透明材料を接触させ、前記化合物と前記球状透明材料との界面に、前記球状透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴としている。
【００１２】
本願請求項６の発明に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製レンズを例とするレンズ状透明材料を接触させ、前記化合物と前記レンズ状透明材料との界面に、前記レンズ状透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴としている。
【００１３】
本願請求項７の発明に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、波長１９０ｎｍ以下の光を透過させるシリカガラス製中空ファイバーを例とする中空透明材料を接触させ、前記化合物と前記中空透明材料との界面に、前記中空透明材料を通して波長１９０ｎｍ以下の光を照射することを特徴としている。
【００１４】
本願請求項８の発明に係る分解法は、請求項１，２，３，４，５，６又は７記載の光化学的溶接法により接合されたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物と被接合材料とを、フッ酸を例とするシリカガラスを溶解可能な薬品に浸漬することにより分解することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、熱による局所的な変質や変形等の欠陥を材料に生じさせず、接合後に分解でき部品の再利用が可能な、新規光化学的溶接法が確立でき、光導波路の製作技術に利用可能である等、光回路製作のための必要不可欠な技術となる。また本発明は、これら光エレクトロニクスの分野にとどまらず、マイクロ化学分析システムやその他マイクロ・ナノデバイス製作技術等、今後溶接技術を利用して発展するデバイス製作のあらゆる分野に多大に利用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法及び分解法の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１７】
図１は、波長１９０ｎｍ以下の光源として波長１５７ｎｍのＦ２レーザーを用い、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としての厚さ２ｍｍのシリコーンゴム１上にそれぞれ所望の被接合材料（被溶接シリカガラス材料）を接触させ、前記シリコーンゴム１と前記被接合材料との界面に前記Ｆ２レーザーによるレーザー光をマスク２を通して照射して光化学溶接させるときの実験の装置概略である。但し、図１（ａ）は本発明の実施の形態１で前記被接合材料が各種板状透明材料としてのシリカガラス（合成石英ガラス）製板３である場合、（ｂ）は本発明の実施の形態２で前記被接合材料が各種柱状透明材料としてのシリカガラス製光ファイバー４である場合、及び（ｃ）は本発明の実施の形態３で前記被接合材料が各種球状透明材料としてのシリカガラス製微小球５である場合を示す。
【００１８】
前記被接合材料としてのシリカガラス製板３、シリカガラス製光ファイバー４、シリカガラス製微小球５はいずれも入射レーザー光を透過させる性質を有するものであり、それらへの入射レーザー光エネルギー密度は約６ｍＪ／ｃｍ２であった。またレーザー光のパルス繰り返し周波数は１０Ｈｚとした。実験の際、レーザー光照射領域を制限するためにマスク２を使用した。
【００１９】
シリコーンゴム１にＦ２レーザー光を照射すると、分子開裂により一度低分子量化が起こり、その後シリカガラス（ＳｉＯ２）への改質が光化学的に起こる。このため、シリコーンゴム１に被溶接材料としてのシリカガラス製板３、シリカガラス製光ファイバー４、シリカガラス製微小球５を接触させ、シリコーンゴム１と前記被溶接材料（シリカガラス製板３、シリカガラス製光ファイバー４、シリカガラス製微小球５）との界面に、前記被溶接材料を透過させてＦ２レーザー光を照射することで光化学的溶接部が前記界面に形成され、熱を用いないで前記被溶接材料を溶接することが可能となる。
【００２０】
図２は、図１（ａ）の実施の形態１で説明したように、シリコーンゴム上に厚さ１００ミクロンの合成石英ガラス製板を接触させ、その接触面（界面）に前記合成石英ガラス製板を通してＦ２レーザー光を照射することにより、光化学的溶接を行った試料の写真図である。前記接触面に到達するレーザー光エネルギー密度は６ｍＪ／ｃｍ２未満であり、この条件ではレーザー光加熱による溶融は全く起こらない。一方、この試料の接合強度は極めて強いことがわかった。
【００２１】
図３は、図１（ｂ）の実施の形態２で説明したように、シリコーンゴム上に外径１２５ミクロンのシリカガラス製光ファイバーを接触させ、その接触面（界面）にＦ２レーザー光を照射することにより、光化学的溶接を行った試料の写真図である。使用した光ファイバーはクラッド外側にポリマー被覆が施されているため、接触部はポリマー被覆を剥がしている。この実験の場合、平行光線で入射したＦ２レーザー光は、光ファイバーにより線状に集光されるため、シリコーンゴムと光ファイバーとの接触部のみで光化学的溶接が可能となることがわかった。
【００２２】
図４は、シリコーンゴム上に形成されたシリカガラス光導波路の端面近傍に、光結合を目的としたシリカガラス製光ファイバーを置き、図３のシリコーンゴムと光ファイバーとの光化学的溶接結果を基にして、シリカガラス製光ファイバーの位置微調整後にＦ２レーザー光を照射することにより、光化学的溶接を行った試料の写真図である。これにより、シリコーンゴム上で光導波路と光ファイバーのハイブリッド化が可能となることがわかった。
【００２３】
図５は、シリコーンゴム上に直径約３ミクロンの溶融石英ガラス（シリカガラス）製微小球を一様に被覆し、左半分の領域にのみＦ２レーザー光を図１（ｃ）の実施の形態３で説明したように照射することにより、光化学的溶接を行った試料の写真図である。レーザー光照射後、試料表面をテープにより複数回剥離することにより、露光部分のみに微小球が光化学的溶接されていることが判明した。この実験の場合、平行光線で入射したＦ２レーザー光は、それぞれの微小球により点状に集光されるため、シリコーンゴムと微小球との接触部のみで光化学的溶接が可能となることがわかった。
【００２４】
図６は、図５のシリコーンゴムと微小球との光化学的溶接結果を基にして、Ｆ２レーザー光照射領域を約１０ミクロン線幅に制限したときの、シリコーンゴム上での直径約３ミクロンの溶融石英ガラス製微小球の光化学的溶接写真図である。このように、ミクロンオーダーの線幅で微小球を並べることができるため、９０度曲げ光導波路の製作等、微小球フォトニクスへの応用の可能性を示すことができた。
【００２５】
また、図示しないが、液体シリコーンを原料としたシリコーンゴム膜を、厚さ１００ミクロンのシリカガラス製板で挟み、それぞれの接触面にＦ２レーザー光を前記シリカガラス製板を通して照射することにより、ガラス／ゴム積層構造を形成することができた。
【００２６】
なお、本発明の光化学的溶接法において、被接合材料の形状は任意でよく、被接合材料として、シリカガラス製板を例とする各種板状透明材料の他に、シリカガラス製角柱を例とする各種多角柱状透明材料を用いることができる。また、シリカガラス製光ファイバーを例とする各種円柱状透明材料やシリカガラス製微小球を例とする各種球状透明材料の他に、シリカガラス製レンズを例とする各種レンズ状透明材料、シリカガラス製中空ファイバーを例とする各種中空透明材料を被接合材料として用いることができる。
【００２７】
次に、本発明に係る分解法の実施の形態について述べる。上記のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法の各実施の形態において、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としてのシリコーンゴムに被接合材料（シリカガラス材料）が光化学的溶接された試料を１ｗｔ％の希フッ酸の中に短時間浸漬することにより、界面に形成された溶接層（極薄いシリカガラス層）のみを化学エッチングして、接合材料（シリコーンゴム及びシリカガラス材料）を無損傷で分解することができた。この分解法により、接合後の分解が容易であり、部品の再利用も可能となる。
【００２８】
なお、上記各実施の形態では、波長１９０ｎｍ以下の光源として波長１５７ｎｍのＦ２レーザーを用いたが、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に分子開裂を起こさせる波長１９０ｎｍ以下の光であればよく、レーザー光に限定されない。
【００２９】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた光化学的溶接法の実施の形態であって、（ａ）は実施の形態１で被接合材料がシリカガラス製板である場合の説明図、（ｂ）は実施の形態２で被接合材料がシリカガラス製光ファイバーである場合の説明図、（ｃ）は実施の形態３で被接合材料がシリカガラス製微小球である場合の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１について、シリコーンゴム上に接触させたシリカガラス製板が、Ｆ２レーザー光照射により光化学的に溶接された試料を示す写真図である。
【図３】本発明の実施の形態２について、シリコーンゴムに接触させたシリカガラス製光ファイバー（ポリマー被覆を一部剥がしている）が、Ｆ２レーザー光照射により光化学的に溶接された試料を示す写真図である。
【図４】本発明の実施の形態２について、シリコーンゴム上に形成されたシリカガラス製光導波路の端面近傍に置かれた、光結合を目的としたシリカガラス製光ファイバーが、Ｆ２レーザー光照射により光化学的に溶接された試料を示す写真図である。
【図５】本発明の実施の形態３について、シリコーンゴム上に一様に被覆した直径約３ミクロンのシリカガラス製微小球が、左半分のＦ２レーザー光照射領域にのみ光化学的に溶接された試料を示す写真図である。
【図６】本発明の実施の形態３について、シリコーンゴム上に一様に被覆した直径約３ミクロンのシリカガラス製微小球が、線幅１０ミクロンに制限されたＦ２レーザー光照射領域にのみ光化学的に溶接されたことを示す写真図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  シリコーンゴム
２  マスク
３  シリカガラス製板
４  シリカガラス製光ファイバー
５  シリカガラス製微小球
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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