(57)【要約】【課題】２５０ｎｍ〜６００ｎｍの紫外・可視透過性に優れた、シリカ焼結体からなる光学部材を提供する。【解決手段】この発明にかかる光学部材は、シリカ粉末が焼結されたシリカ焼結体からなる光学部材であって、第１の球状シリカ粉末を焼結したシリカ焼結体の表面に、第１の球状シリカ粉末の平均粒径より平均粒径が小径の第２の球状シリカ粉末を焼結した第２のシリカ焼結体からなるコーティング層を、有し、前記コーティング層の表面粗さＲａが０．１μｍ以下である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ粉末が焼結されたシリカ焼結体からなる光学部材であって、
前記第１の球状シリカ粉末を焼結したシリカ焼結体の表面に、
前記第１の球状シリカ粉末の平均粒径より平均粒径が小径の第２の球状シリカ粉末を焼結した第２のシリカ焼結体からなるコーティング層を有し、
前記コーティング層の表面粗さＲａが０．１０μｍ以下であることを特徴とする光学部材。
【請求項２】
波長２８０ｎｍの透過率が９１．５％以上であることを特徴とする請求項１記載のレンズ用石英ガラス部材。
【請求項３】
第２のシリカ焼結体は、第１の球状シリカ粉末の平均粒径の１／１０以下の平均径を有する球状シリカ粉末を焼結したものであることを特徴とする請求項１記載の光学部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学部材に関し、特に、２５０ｎｍ〜６００ｎｍの紫外・可視透過性に優れた、シリカ焼結体からなる光学部材に関する。
【０００２】
従来から光学部材として、シリカガラスレンズが知られている。このシリカガラスは、一般的に四塩化ケイ素等のケイ素化合物を酸水素バーナーに通して酸水素炎中に気相搬送し、水素の燃焼により発生した水で加水分解反応によりシリカ微粒子を生成、堆積させることで製造されていた（Journal of Advanced Science, Vol.11, No.3, 1999）（非特許文献１）。
この方法によって製造されたシリカガラスは、２５０ｎｍ〜６００ｎｍの波長において透過率の高い材料として知られている。
【０００３】
しかしながら、酸水素炎によるケイ素化合物の加水分解反応では、水素の使用、高い反応温度、排気設備など特殊な大型装置が必要であり、かつ、製造にあたり、供給ガス量などの高精度の制御が必要なことから、概して製造コストが高いという課題があった。
また、製造されるものはインゴットと呼ばれるシリカの塊であり、所定の形状にするためにはさらに研磨加工等が必要であった。そして、所定の形状が複雑な場合には研磨処理に時間がかかり、また形状によって研磨できないという課題があった。
更に言えば、形状が複雑、あるいはまたサイズが小さい場合には、十分な加工精度が得られ難いという問題があった。
【０００４】
これら課題を解決する方法として、焼結によりシリカガラスを得る方法がある。この焼結によりシリカガラスを得る方法にあっては、前記したようなシリカのインゴットを作るような大掛かりな装置が必要なく、例えば、特開平２−１２０２４７号では、４００ｎｍ〜１，３００ｎｍの波長域に吸収がない、シリカガラスが開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２−１２０２４７号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Journal of Advanced Science,Vol.11, No.3, 1999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に示された方法で製造されたシリカ焼結体からなる光学部材にあっては、４００ｎｍを下回る波長の透過率は急激に悪化し、３５０ｎｍの透過率は０％であった。そのため、紫外線領域で用いられる光学部材としては、好ましくないものであった。
【０００８】
本発明者らは、製造に大掛かりな装置が必要のない、焼結法により製造される光学部材を前提に、シリカ焼結体からなる光学部材において、３８０ｎｍ以下の紫外線領域においても透過率の優れた光学部材の研究を重ね、本発明を想到するに至った。
【０００９】
本発明は、上記状況下でなされたものであり、２５０ｎｍ〜６００ｎｍの紫外・可視透過性に優れた、シリカ焼結体からなる光学部材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】
【００１０】
上記目的を達成するためになされた、本発明にかかる光学部材は、シリカ粉末が焼結されたシリカ焼結体からなる光学部材であって、第１の球状シリカ粉末を焼結したシリカ焼結体の表面に、第１の球状シリカ粉末の平均粒径より平均粒径が小径の第２の球状シリカ粉末を焼結した第２のシリカ焼結体からなるコーティング層を、有し、前記コーティング層の表面粗さＲａが０．１０μｍ以下であることを特徴としている。
このように、第１のシリカ焼結体の表面に第２のシリカ焼結体からなるコーティング層が形成され、コーティング層の表面粗さＲａが０．１０μｍ以下である場合には、２５０ｎｍ〜６００ｎｍの紫外・可視透過性に優れた部材とすることができる。
【００１１】
ここで、前記光学部材は、波長２８０ｎｍの透過率が９１．５％以上であることが望ましい。
また、第２のシリカ焼結体は、第１の球状シリカ粉末の平均粒径の１／１０以下の平均径を有する球状シリカ粉末を焼結したものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、２５０ｎｍ〜６００ｎｍの紫外・可視透過性に優れた、シリカ焼結体からなる光学部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施例１にかかる透過率スペクトル図である。
【図２】図２は、比較例１にかかる透過率スペクトル図である。
【図３】図３は、比較例２にかかる透過率スペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明にかかる光学部材の一実施形態について説明する。
この光学部材は、シリカ粉末が焼結されたシリカ焼結体からなる光学部材である。また、この光学部材は、紫外・可視分光を用いた分析用チップまたは分析機器に組み込まれるプリズム・レンズ・導光板・散乱板、及び紫外線ＬＥＤ用レンズ等の光学部材に好適に用いられる。
このように、前記光学部材がシリカ焼結体で構成されているため、従来のような特殊な大型装置を必要とせず、概して安価に製造することができる。また、従来のような所定の形状にするための研磨加工等が不要であり、容易に所定精度の光学部材を得ることができる。
【００１５】
前記光学部材は、第１の球状シリカ粉末を焼結したシリカ焼結体の表面に、第１の球状シリカ粉末の平均粒径より平均粒径が小径の第２の球状シリカ粉末を焼結した第２のシリカ焼結体からなるコーティング層が形成されている。またコーティング層の表面粗さＲａが０．１０μｍ以下である。
即ち、前記光学部材は、光学部材の基体となる第１のシリカ焼結体の表面に、第２のシリカ焼結体からなるコーティング層が形成され、その表面粗さＲａが０．１０μｍ以下に構成されている。
【００１６】
このように、第１の球状シリカ粉末の平均粒径より平均粒径が小径の第２の球状シリカ粉末で形成された第２のシリカ焼結体からなるコーティング層が形成されているため、表面粗さＲａをより小さくすることができる。
【００１７】
ここで、第１のシリカ焼結体に用いられる第１の球状シリカ粉末は、成形時の充填密度を高めるため、真球度が０．９以上の球状シリカ粉末が用いられる。
真球度が０．９未満の場合、成形時に粒子同士の間に多くの空隙が形成され、密度が低下し、焼結しても光学部材の基体内部に気孔として残る。この気孔は可視光および紫外線の透過を阻害し、また散乱体となり散乱係数が大きくする。
そのため、可視光および紫外線の透過率を向上させるため、第１の球状シリカ粉末として、真球度が０．９以上の球状シリカ粉末を用いるのが好ましい。
【００１８】
この真球度とは、ひとつのシリカ粒子における最大直径に対する最小直径の比によって表され、真球度の値は、シリカ粒子の電子顕微鏡写真において、ランダムに２０個の粒子を選んで、それぞれの最大直径と最小直径を測定して算定したものである。
【００１９】
この第１の球状シリカ粉末における、粒子状シリカの平均粒径は、０．５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。０．５μｍ未満では組成の均一化に時間がかかるとともに粒界相が多くなり透過率が低下する。一方、５μｍより大きいと粒界に気泡が残りやすくなり、強度が低下するとともに、やはり透過率が低下する。
【００２０】
第１の球状シリカ粉末の最大粒径は１０μｍ以下とすることで、金属元素の偏析を防ぎ、成形時に隅々まで緻密にシリカ粒子を充填することができ好ましい。
また、第１の球状シリカ粉末は、成形体としたときに大き目の粒子同士の間にできる空間に小さ目の粒子が入り込み、充填率を高めるような粒度配合ができる程度のばらつきがあることが好ましい。一種で粒度配合が難しい場合は、２種以上の平均粒径の異なる原料を組み合わせて用いると良い。
なお、本発明の平均粒径は、レーザー回折散乱法により測定したものである。
【００２１】
また、第１の球状シリカ粉末により形成される第１のシリカ焼結体の表面には、第１の球状シリカ粉末の粒径より小径の第２の球状シリカ粉末で形成された第２のシリカ焼結体からなるコーティング層が形成される。
【００２２】
この第２の球状シリカ粉末における、粒子状シリカの平均粒径は第１の球状シリカ粉末の平均粒径より小径である必要がある。
第２の球状シリカ粉末の平均粒径が第１の球状シリカ粉末の平均粒径以上である場合には、第２のシリカ焼結体からなるコーティング層の表面粗さが悪化し、透過率が低下するため、好ましくない。
【００２３】
第２の球状シリカ粉末の真球度は０．９以上が好ましい。
真球度が０．９未満の場合、第１球状シリカ粉末（第１のシリカ焼結体）と同様に、成形時に粒子同士の間に多くの空隙が形成され、密度が低下し、焼結しても光学部材の基体内部に気孔として残る。この気孔は可視光および紫外線の透過を阻害し、また散乱体となり散乱係数が大きくする。
そのため、可視光および紫外線の透過率を向上させるため、第２の球状シリカ粉末として、真球度が０．９以上の球状シリカ粉末を用いるのが好ましい。
【００２４】
具体的には、第２の球状シリカ粉末として、真球度が０．９以上の球状シリカ粉末が用いられ、この第２の球状シリカ粉末の平均粒径は５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。
第２の球状シリカ粉末の平均粒径は５０ｎｍ未満の場合には、高濃度のスラリーの作製は困難であり、好ましくない。また、第２の球状シリカ粉末の平均粒径が５００ｎｍを超える場合には、焼結体の表面粗さＲａは０．１０μｍより大きくなり、好ましくない。
【００２５】
そして、第１のシリカ焼結体の表面に、コーティング層として第２のシリカ焼結体が形成され、その表面粗さＲａが０．１０μｍ以下に形成されている。
表面粗さＲａが０．１０μｍを超える場合には２５０ｎｍ〜６００ｎｍの紫外・可視透過性に劣り、好ましくない。
【００２６】
また、第２のシリカ焼結体からなるコーティング層の厚さは、１μｍ〜５０μｍである。
厚さが、１μｍ未満の場合は表面粗さＲａが０．１０μｍを超え、５０μｍを超える場合には、微細な形状の部分への均一なコーティングが困難になり、好ましくない。
【００２７】
このように、第１のシリカ焼結体の表面に第２のシリカ焼結体からなるコーティング層が形成され、コーティング層の表面粗さＲａが０．１０μｍ以下である場合には、２５０ｎｍ〜６００ｎｍの紫外・可視透過性に優れ、波長２８０ｎｍの透過率を９１．５％以上にすることができる。
なお、本発明で透過率とは、０．１ｍｍの厚さのシリカガラスを透過した後の光と透過前の光の強度の比である。
【００２８】
このシリカ焼結体からなる光学部材を製造するには、まず第１の球状シリカ粉末を原料として、結合剤を添加し、イオン交換水を加えてスラリーを製作し、シリコーン型に鋳込み、成形体を得る。
一方、第２の球状シリカ粉末を原料として、前述と同様にスラリーを作製し、作製したスラリーを、得られた前記成形体の表面にコート（被覆）する。コートした後、成形体を乾燥する。
そして、この乾燥した成形体を１４００℃で焼成することにより、シリカ焼結体からなる光学部材が製造される。
【００２９】
成形は、プレス成形、ＣＩＰ成形、鋳込み成形、押出し成形、射出成形、ゲルキャスト成形など一般に知られる方法のいずれでも良いが、複雑形状には鋳込み成形や射出成型が好ましい。
原料からスラリーを作製し鋳込み成形法を用いて製造すれば、複雑形状でも成形しやすい。また、樹脂型を用いて成形すれば、容易に型を作製できることに加えて、型による汚染の心配が無い。
【００３０】
乾燥後の成形体の密度は、１．０ｇ／ｃｍ３以上１．８ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。１．０ｇ／ｃｍ３未満の場合は、十分な焼結体密度が得られず、焼結後に空孔が残りやすい。一方、１．８ｇ／ｃｍ３を超える場合は、成形体中に応力が生じており、焼結中に亀裂を生じてしまうことになる。
成形体強度は、０．５ＭＰａ以上であることが好ましい。０．５ＭＰａを下回ると、気孔が残り透過率を低下させるとともにハンドリング時に破損するという不具合が生じる。
【００３１】
また、成形体表面に第２の球状シリカ粉末のスラリーをコートする方法（コーティング方法）は、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法などあるが、狙いの形状に適するコーティング法を適宜選択することができる。
また、前記焼成は、一般的なセラミックスで用いられる電気炉を使用すればよい。雰囲気も大気、Ｈｅなどの希ガス、窒素などの不活性ガス、および真空雰囲気で焼結可能である。
【００３２】
本発明のシリカ焼結体は、板状、球状、半球状、楕円形状および半楕円形状などをはじめ様々な複雑形状を成形体として作製し、焼結することで得ることができる。焼結体は後加工の必要が無いほど精度よく製造できるが、仮に加工が必要な場合もわずかな加工で済ませることができる。
これらは、ＬＥＤ用、ＬＤ用をはじめ各種レーザー光を用いた紫外線・可視光線分光分析用チップ、紫外線・可視光線分光光度計に組み込まれるプリズム、レンズ、導光板、散乱板、その他のサイズの小さい特殊な分析用のチップやレンズ等に好適に用いることができる。
また、本発明のシリカ焼結体は、その製造にあたり、大きなインゴッから製造する必要がなく、水素の使用や排気装置等の大型装置が不要になるため、従来のシリカガラスに比べて少ない労力とエネルギー消費で製造することができる。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明するが、本発明は下記に示す実施例により権利範囲を制限するものではない。
【００３４】
［実施例１］
真球度０．９５、平均粒径２μｍの球状シリカ粉を原料として結合剤（ポリエチレンイミン（日本触媒）を１ｗｔ％添加し、イオン交換水を加えてスラリー化してボールミルにて５０ｒｐｍで２４時間撹拌した。
撹拌後は、さらに添加剤としてエポキシ（ナガセケムテックス）を１ｗｔ％添加し、真空脱泡しながら混合した。外形１０ｍｍ×１０ｍｍ、深さ２ｍｍの形状を持つシリコーン型にスラリーを鋳込んだ。乾燥後、型から脱型し、外形１０ｍｍ×１０ｍｍ、深さ２ｍｍの成形体を得た。
次に、真球度０．９、平均粒径５０ｎｍの球状粒子シリカ粉を原料とし、結合剤（ポリエチレンイミン（日本触媒）を１ｗｔ％添加し、イオン交換水を加えてスラリー化してボールミルにて５０ｒｐｍで２４時間撹拌した。撹拌後は、さらに添加剤としてエポキシ（ナガセケムテックス）を１ｗｔ％添加し、真空脱泡しながら混合し、スラリーを作製した。
【００３５】
前記作製したスラリーを、前記成形体の表面にディップコーティング法でコートした。コートした後、成形体を乾燥した。尚、ディップコーティングは２回繰り返した。
そして成形体を乾燥した後、得られた成形体を真空雰囲気中１４００℃で焼成させることで、外形９ｍｍ×９ｍｍ、深さ１．８ｍｍのシリカ焼結体からなる光学部材を得た。
【００３６】
前記光学部材（シリカ焼結体）の透過率と表面粗さを測定した。透過率は島津製作所製の紫外・可視分光計で測定した。また表面粗さは（株）キーエンス製のレーザー顕微鏡で測定した。また（株）ニコン製の顕微鏡を用いて光学部材（シリカ焼結体）の内部の気泡の大きさ、数を確認した。
その結果、このシリカ焼結体からなる光学部材の透過率は，２８０ｎｍで９１．７％であった。尚、透過率スペクトルを図１に示す。
また、コーティング層の厚みは、５０μｍで、前記光学部材の表面粗さＲａは０．０４μｍであった。また、光学部材の内部には５μｍ以上の気泡は発見されなかった。
【００３７】
［比較例１］
実施例１と同様に、真球度０．９５、平均粒径２μｍの球状シリカ粉を原料として結合剤（ポリエチレンイミン（日本触媒）を１ｗｔ％添加し、イオン交換水を加えてスラリー化してボールミルにて５０ｒｐｍで２４時間撹拌した。
撹拌後は、さらに添加剤としてエポキシ（ナガセケムテックス）を１ｗｔ％添加し、真空脱泡と混合した。外形１０ｍｍ×１０ｍｍ、深さ２ｍｍの形状を持つシリコーン型にスラリーを鋳込んだ。乾燥後、型から脱型し、外形１０ｍｍ×１０ｍｍ、深さ２ｍｍの成形体を得た。
【００３８】
そして成形体を乾燥した後、前記成形体の表面にディップコーティング法でコートすることなく、得られた成形体を真空雰囲気中１４００℃で焼成させることで、外形９ｍｍ×９ｍｍ、深さ１．８ｍｍのシリカ焼結体からなる光学部材を得た。
【００３９】
そして、実施例１と同様に、前記光学部材（シリカ焼結体）の透過率と表面粗さを測定した。透過率は島津製作所製の紫外・可視分光計で測定した。また表面粗さは（株）キーエンス製のレーザー顕微鏡で測定した。また（株）ニコン製の顕微鏡を用いて光学部材（シリカ焼結体）の内部の気泡の大きさ、数を確認した。
その結果、このシリカ焼結体からなる光学部材の透過率は，２８０ｎｍで９１．２％であった。尚、透過率スペクトルを図２に示す。
また、前記光学部材の表面粗さＲａは０．１５μｍであった。また、光学部材の内部には５μｍ以上の気泡は発見されなかった。
【００４０】
［比較例２］
実施例１と同様に、真球度０．９、平均粒径２μｍの球状シリカ粉を原料として結合剤（ポリエチレンイミン（日本触媒）を１ｗｔ％添加し、イオン交換水を加えてスラリー化してボールミルにて５０ｒｐｍで２４時間撹拌した。
撹拌後は、さらに添加剤としてエポキシ（ナガセケムテックス）を１ｗｔ％添加し、真空脱泡しながら混合した。外形１０ｍｍ×１０ｍｍ、深さ２ｍｍの形状を持つシリコーン型にスラリーを鋳込んだ。乾燥後、型から脱型し、外形１０ｍｍ×１０ｍｍ、深さ２ｍｍの成形体を得た。
次に、真球度０．９、平均粒径１μｍの球状粒子シリカ粉を原料とし、結合剤（ポリエチレンイミン（日本触媒）を１ｗｔ％添加し、イオン交換水を加えてスラリー化してボールミルにて５０ｒｐｍで２４時間撹拌した。撹拌後は、さらに添加剤としてエポキシ（ナガセケムテックス）を１ｗｔ％添加し、真空脱泡しながら混合し、スラリーを作製した。
【００４１】
前記作製したスラリーを、前記成形体の表面にディップコーティング法でコートした。コートした後、成形体を乾燥した。尚、ディップコーティングは２回繰り返した。
そして成形体を乾燥した後、得られた成形体を真空雰囲気中１４００℃で焼成させることで、外形９ｍｍ×９ｍｍ、深さ１．８ｍｍのシリカ焼結体からなる光学部材を得た。
【００４２】
そして、実施例１と同様に、前記光学部材（シリカ焼結体）の透過率と表面粗さを測定した。透過率は島津製作所製の紫外・可視分光計で測定した。また表面粗さは（株）キーエンス製のレーザー顕微鏡で測定した。また（株）ニコン製の顕微鏡を用いて光学部材（シリカ焼結体）の内部の気泡の大きさ、数を確認した。
その結果、このシリカ焼結体からなる光学部材の透過率は，２８０ｎｍで９１．３％であった。尚、透過率スペクトルを図３に示す。
また、コーティング層の厚みは５０μｍで、前記光学部材の表面粗さＲａは０．１１μｍであった。また、光学部材の内部には５μｍ以上の気泡は発見されなかった。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の光学部材は、紫外線域から可視光線域での光透過性に優れ、例えば、紫外・可視分光を用いた分析用チップ、分析機器に組み込まれるプリズム、レンズ・導光板、散乱板およびＬＥＤ用レンズなどに用いられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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