(57)【要約】【課題】従来に比べて耐久性及び放熱性を向上させる。【解決手段】光学窓１０は、光透過板１２と遮光フレーム１４とを備えている。光透過板ルミナ焼結体で構成されている。遮光フレーム１４は、光透過板１２に接合され、遮光アルミナ焼結体で構成されている。【選択図】図２
2019152662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子及び受光素子の両方を備えた電子部品に用いられる光学窓であって、
透明アルミナ焼結体で構成された光透過板と、
前記光透過板に接合され、遮光アルミナ焼結体、遮光窒化アルミニウム焼結体、遮光炭化ケイ素焼結体及び金属からなる群より選ばれた材料で構成された遮光フレームと、
を備えた光学窓。
【請求項２】
前記遮光フレームは、前記光透過板と無機系接合材又は焼結により接合されている、
請求項１に記載の光学窓。
【請求項３】
前記透明アルミナ焼結体は、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの全域における直線透過率が６０％以上であり、
前記遮光アルミナ焼結体は、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの全域における直線透過率が１０％以下である、
請求項１又は２に記載の光学窓。
【請求項４】
前記電子部品は、測距センサである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学窓。
【請求項５】
前記遮光フレームは、多孔質体又は緻密体である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学窓。
【請求項６】
前記光透過板は、前記電子部品によって決定される特定波長領域の光を選択的に透過するコート層によって被覆されている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学窓。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学窓に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発光素子と受光素子を含むイメージセンサとを備えた測距センサのパッケージに、光学窓を取り付けたものが知られている。例えば特許文献１の光学窓は、熱可塑性樹脂からなるレンズの縁を熱可塑性樹脂からなる遮光フレームで取り囲んだものである。発光素子から発せられた赤外光又は近赤外光は、光学窓のレンズを通過して測距対象物で反射されたあと光学窓のレンズを通過して受光素子に戻ってくる。測距センサは、その反射された光を評価・演算して距離に換算する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１４８３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した光学窓は、レンズや遮光フレームが熱可塑性樹脂から構成されているため、耐候性や耐光性が十分でなく寿命が短いという問題があった。また、こうした樹脂は熱を逃がしにくい性質を有しているため、測距センサの動作時に発生する熱が光学窓の内部に溜まりやすく、測距センサの測定精度に影響を及ぼすおそれがあった。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、従来に比べて耐久性及び放熱性を向上させることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光学窓は、
発光素子及び受光素子の両方を備えた電子部品に用いられる光学窓であって、
透明アルミナ焼結体で構成された光透過板と、
前記光透過板に接合され、遮光アルミナ焼結体、遮光窒化アルミニウム焼結体、遮光炭化ケイ素焼結体及び金属からなる群より選ばれた材料で構成された遮光フレームと、
を備えたものである。
【０００７】
この光学窓では、遮光フレームが樹脂で構成されている場合に比べて、耐候性や耐光性が高く、製品寿命が長くなる。また、樹脂の熱伝導度は概ね０．５［Ｗ／ｍＫ］以下であるのに対して、アルミナ焼結体、遮光窒化アルミニウム焼結体及び遮光炭化ケイ素焼結体の熱伝導度はそれぞれ３０，１５０，２００［Ｗ／ｍＫ］であり、金属（例えばＡｌ，Ｃｕ）の熱伝導度は２４０(Ａｌ)，４００(Ｃｕ)［Ｗ／ｍＫ］であるため、電子部品の動作時に熱が発生したとしてもその熱は光透過板や遮光フレームから効率よく放出される。したがって、本発明の光学窓によれば従来に比べて耐久性及び放熱性が向上する。
【０００８】
本発明の光学窓において、前記遮光フレームは、無機系接合材又は焼結により前記光透過板に接合されていてもよい。こうすれば、遮光フレームが有機系接合材により光透過板に接合されている場合に比べてより耐久性が高くなる。
【０００９】
本発明の光学窓において、前記透明アルミナ焼結体は、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの全域における直線透過率が６０％以上であり、前記遮光フレームを構成する材料は、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの全域における直線透過率が１０％以下であることが好ましい。
【００１０】
本発明の光学窓において、前記電子部品は、測距センサであってもよい。測距センサは発光素子と受光素子を含むイメージセンサとを備えており、動作時に発光素子から熱が発生しやすいことから高い放熱性が要求される。そのため、本発明の光学窓を適用する意義が高い。
【００１１】
本発明の光学窓において、前記遮光フレームは、多孔質体であってもよいし、緻密体であってもよい。遮光フレームが多孔質体の場合、光学窓の内部の水分が多くなった場合には遮光フレームからその水分が外部へ放出されるため、光学窓の内部が高湿になるのを防ぐことができる。
【００１２】
本発明の光学窓において、前記光透過板は、前記電子部品によって決定される特定波長領域の光を選択的に透過するコート層によって被覆されていてもよい。こうすれば、電子部品に必要な特定波長領域の光を選択的に透過するため、他の光によるノイズを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は光学窓１０の斜視図。
【図２】Ａ−Ａ断面図。
【図３】光学窓１０を測距センサ２０のパッケージ３０に取り付ける様子を示す説明図。
【図４】光学窓１１０の変形例の断面図。
【図５】光学窓２１０の変形例の断面図。
【図６】光学窓３１０の変形例の断面図。
【図７】光学窓４１０の変形例の断面図。
【図８】実施例１で作製した光学窓の説明図で、（ａ）は光学窓の平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。図１は光学窓１０の斜視図、図２はＡ−Ａ断面図である。
【００１５】
本実施形態の光学窓１０は、光透過板１２と、遮光フレーム１４とを備えている。
【００１６】
光透過板１２は、平面視が四角形の平板であり、透明アルミナ焼結体で構成されている。透明アルミナ焼結体としては、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの全域における直線透過率が６０％以上のものが好ましく、６５％以上のものがより好ましく、７０％以上のものが更に好ましい。こうした透明アルミナ焼結体は、板状アルミナ粉末と微細アルミナ粉末とを混合した混合粉末を用いてＴＧＧ（Ｔｅｍｐｌａｔｅｄ  Ｇｒａｉｎ  Ｇｒｏｗｔｈ）法によって製造することができる。具体的な製造方法は、例えばＷＯ２０１６／８４７２１に記載されている。
【００１７】
遮光フレーム１４は、平面視が四角形の枠であり、遮光アルミナ焼結体で構成されている。遮光アルミナ焼結体としては、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの全域における直線透過率が１０％以下のものが好ましく、５％以下のものがより好ましく、０％のものが更に好ましい。こうした遮光アルミナ焼結体としては、例えば焼結体中のアルミナ粒子の結晶方位がランダムな白色アルミナ焼結体を用いることができる。遮光フレーム１４は、光透過板１２の縁と無機系接合材（例えば銀ろう、コバールなど）によって接合されているが、焼結によって接合されていてもよいし、ＷＯ２０１２／１１１８５４に記載された接合方法によって接合されていてもよい。
【００１８】
次に、本実施形態の光学窓１０の使用例について説明する。図３は光学窓１０を測距センサ２０のパッケージ３０に取り付ける様子を示す説明図である。測距センサ２０は、発光素子と受光素子を含むイメージセンサとを備えたものである。発光素子は、特定波長の光（例えば近赤外レーザ光とか赤外レーザ光）を照射する素子である。パッケージ３０は、リードフレーム３２に測距センサ２０を搭載したものであり、測距センサ２０が光学窓１０の光透過板１２に対向するように配置された状態で遮光フレーム１４の下端面と接合されている。
【００１９】
このように光学窓１０と一体化されたパッケージ３０（これを光学窓付きパッケージ４０と称する）では、測距センサ２０の発光素子から発せられた特定波長の光は、光学窓１０の光透過板１２を通過して測距対象物で反射されたあと光学窓１０の光透過板１２を通過して受光素子に戻ってくる。測距センサ２０は、その反射された光を評価・演算して距離に換算する。具体的には、特定波長の光が発射されてから戻ってくるまでの時間を測定し、測距対象物までの距離に換算する。
【００２０】
以上説明した光学窓１０では、光透過板１２も遮光フレーム１４もアルミナで構成されているため、樹脂で構成されている場合に比べて耐候性や耐光性が高く製品寿命が長くなる。また、樹脂の熱伝導度は概ね０．５［Ｗ／ｍＫ］以下であるのに対してアルミナ焼結体の熱伝導度は３０［Ｗ／ｍＫ］であるため、測距センサ２０の動作時に熱が発生したとしてもその熱はアルミナ焼結体製の光透過板１２や遮光フレーム１４から効率よく放出される。したがって、本実施形態の光学窓１０によれば、従来に比べて耐久性及び放熱性が向上する。
【００２１】
また、光学窓１０は、光透過板１２も遮光フレーム１４も熱膨張係数が樹脂より低いアルミナ焼結体で構成されているため、両者の熱膨張差による構造変化の影響を小さくすることができる。
【００２２】
更に、測距センサ２０は遮光フレーム１４によって囲まれているため、散乱した光や外部からの光が側面から入りづらくなっている。そのため、そうした光によるノイズが低減される。
【００２３】
更にまた、測距センサ２０は発光素子と受光素子を含むイメージセンサとを備えており、動作時に発光素子から熱が発生しやすいことから高い放熱性が要求される。そのため、こうした光学窓１０を適用する意義が高い。
【００２４】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００２５】
例えば、上述した実施形態では、光透過板１２の上面にコート層を設けなかったが、図４の光学窓１１０に示すように、光透過板１２の上面に特定波長の光（例えば赤外光とか近赤外光）は透過するが可視光は透過しないＡＲコート層１６を設けてもよい。ＡＲはＡｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅの略である。こうすれば、測距センサ２０に必要な特定波長領域の光を選択的に透過するため、他の光によるノイズを防止することができる。
【００２６】
上述した実施形態では、遮光フレーム１４の内周壁を垂直面としたが、図５の光学窓２１０に示すように遮光フレーム２１４の内周壁をテーパ面にしてもよい。
【００２７】
上述した実施形態では、遮光フレーム１４の外寸（外側の寸法）を光透過板１２の外寸と一致させたが、図６の光学窓３１０に示すように、遮光フレーム３１４の高さを高くして、遮光フレーム３１４の内寸（内側の寸法）を光透過板３１２の外寸と一致させてもよい。
【００２８】
上述した実施形態では、遮光フレーム１４の内側に仕切りを設けなかったが、図７の光学窓４１０に示すように、遮光フレーム１４の内側に仕切り板１８を設けてもよい。仕切り板１８は、遮光アルミナ焼結体で構成され、光透過板１２を測距センサ２０の発光素子に対向する部分１２ａと受光素子に対向する部分１２ｂとに仕切っている。
【００２９】
上述した実施形態の遮光フレーム１４を緻密な遮光アルミナ焼結体で構成してもよいが、多孔質の遮光アルミナ焼結体で構成してもよい。遮光フレーム１４を多孔質の遮光アルミナ焼結体で構成した場合、光学窓１０の内部の水分が多くなった場合には遮光フレーム１４からその水分が外部へ放出されるため、光学窓１０の内部が高湿になるのを防ぐことができる。
【００３０】
上述した実施形態では、遮光フレーム１４の材料として遮光アルミナ焼結体を用いたが、遮光アルミナ焼結体に代えて、遮光窒化アルミニウム焼結体、遮光炭化ケイ素焼結体又は金属を用いてもよい。これらの熱伝導度も比較的低いため、測距センサ２０の動作時に熱が発生したとしてもその熱は光透過板１２や遮光フレーム１４から効率よく放出される。遮光窒化アルミニウム焼結体や遮光炭化ケイ素焼結体としては、それぞれＷＯ９５／２１１３９や特公平０４−０３５４３５に記載された窒化アルミニウム焼結体や炭化ケイ素焼結体を用いることができる。金属としては、銅やアルミニウムを用いることができる。銅としては、無酸素銅やタフピッチ銅、りん脱酸銅などを用いることができ、アルミニウムとしては、純度の高いＡ１０８０や純度はやや劣るが成形性に優れるＡ１１００などを用いることができる。
【００３１】
上述した実施形態において、測距センサ２０は、レンズを備えていてもよい。例えば、発光素子として集光性の高いレーザーダイオードを用いる場合には、特にレンズを備えなくてもよいが、発光素子として集光性の悪い発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる場合には、集光性を高めるためにレンズを備えるのが好ましい。
【実施例】
【００３２】
［実施例１］
上述した実施形態の光透過窓１０を以下の１．〜３．の手順にしたがって作製した。
【００３３】
１．光透過板の作製
（１）板状アルミナ粉末の作製
高純度γ−アルミナ（ＴＭ−３００Ｄ、大明化学製）９６質量部と、高純度ＡｌＦ3（関東化学製、鹿特級）４質量部と、種結晶として高純度α−アルミナ（ＴＭ−ＤＡＲ、大明化学製、Ｄ５０＝１μｍ）０．１７質量部とを、溶媒をＩＰＡ（イソプロピルアルコール）としてφ２ｍｍのアルミナボールを用いて５時間ポットミルで混合した。得られた混合粉末中のＦ，Ｈ，Ｃ，Ｓ以外の不純物元素の質量割合の合計は１０００ｐｐｍ以下であった。得られた混合原料粉末３００ｇを純度９９．５質量％の高純度アルミナ製のさや（容積７５０ｃｍ3）に入れ、純度９９．５質量％の高純度アルミナ製の蓋をして電気炉内でエアフロー中、９００℃、３時間熱処理した。エアの流量は２５０００ｃｃ／ｍｉｎとした。熱処理後の粉末を大気中、１１５０℃で４０時間アニール処理した後、φ２ｍｍのアルミナボールを用いて４時間粉砕して平均粒径２μｍ、平均厚み０．２μｍ、アスペクト比１０の板状アルミナ粉末を得た。粒子の平均粒径、平均厚みは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で板状アルミナ粉末中の任意の粒子１００個を観察して決定した。平均粒径は、粒子の長軸長の平均値、平均厚みは、粒子の短軸長の平均値、アスペクト比は平均粒径／平均厚みである。得られた板状アルミナ粉末は、α−アルミナであった。
【００３４】
（２）テープ成形
上記（１）で作製した板状アルミナ粉末５質量部と、微細なアルミナ粉末（ＴＭ−ＤＡＲ、平均粒径０．１μｍ、大明化学製）９５質量部とを混合し、混合アルミナ粉末とした。この混合アルミナ粉末１００質量部に対し、酸化マグネシウム（５００Ａ、宇部マテリアルズ製）０．０２５質量部（２５０質量ｐｐｍ）と、グラファイト粉末（ＵＦ−Ｇ５、昭和電工製）０．０１質量部と、バインダーとしてポリビニルブチラール（品番ＢＭ−２、積水化学工業製）７．８質量部と、可塑剤としてジ（２−エチルヘキシル）フタレート（黒金化成製）３．９質量部と、分散剤としてトリオレイン酸ソルビタン（レオドールＳＰ−Ｏ３０、花王製）２質量部と、分散媒として２−エチルヘキサノールとを加えて混合した。分散媒の量は、スラリー粘度が２００００ｃＰとなるように調整した。このようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によってＰＥＴフィルムの上に乾燥後の厚さが２０μｍとなるようにシート状に成形した。得られたテープを矩形に切断した後１５０枚積層し、厚さ１０ｍｍのＡｌ板の上に載置した後、パッケージに入れて内部を真空にすることで真空パックとした。この真空パックを８５℃の温水中で１００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力にて静水圧プレスを行い、矩形板状の成形体を得た。
【００３５】
（３）焼成
得られた成形体を脱脂炉中に配置し、６００℃で１０時間の条件で脱脂を行った。得られた脱脂体を黒鉛製の型を用い、ホットプレスにて窒素中１９７５℃で４時間、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ2の条件で焼成し、アルミナ焼結体を得た。続いて、このアルミナ焼結体を所定形状に切断し、ラップ研磨を行い、透明アルミナ焼結体を得た。この透明アルミナ焼結体の波長３００〜１０００ｎｍの全域における直線透過率は７９％以上であった。この透明アルミナ焼結体を光透過板として用いた。
【００３６】
２．遮光フレームの作製
白色のアルミナ焼結板（ニッカトー社製のＳＳＡ−Ｓ（Ａｌ2Ｏ3９９．６％））を所定形状に切断しラップ研磨を行った。そのアルミナ焼結板の内部をレーザ加工でくりぬくことにより、遮光フレームを得た。使用した白色のアルミナ焼結板の波長３００〜１０００ｎｍの全域における直線透過率は＜０．０１％であった。
【００３７】
３．光学窓の作製
銀、銅、亜鉛を主成分とする銀ろうを用いて、光透過板と遮光フレームとを接合し、光学窓とした。得られた光学窓のサイズを図８に示す。図８（ａ）は光学窓の平面図、図８（ｂ）はＢ−Ｂ断面図であり、数値の単位はｍｍである。
【００３８】
［実施例２］
実施例２では、実施例１で作製した光学窓１０を用いて、図３に示す光学窓付きパッケージ４０を作製した。実施例２の光学窓付きパッケージ４０では、測距センサ２０の発光素子から発せられた特定波長の光（ここでは赤外波長となる１μｍ以上の光）は、光学窓１０の光透過板１２を通過して測距対象物で反射されたあと光学窓１０の光透過板１２を通過して受光素子で検出することが可能である。
【００３９】
［比較例１］
比較例１では、光透過板１２として光透過性の熱可塑性樹脂（ポリメチルメタクリレート樹脂）を用いて、図３に示す光学窓付きパッケージ４０（サイズは実施例１と同じ）を作製した。比較例１の光学窓付きパッケージ４０では、測距センサ２０の発光素子から発せられた特定波長の光（ここでは赤外波長となる１μｍ以上の光）は、光学窓１０の光透過板１２を通過して測距対象物で反射されたあと光学窓１０の光透過板１２を通過して受光素子で検出することが可能である。
【００４０】
［長時間撮像時のノイズ性能評価］
実施例２及び比較例１のそれぞれの光学窓付きパッケージ４０に対し、信号出力が飽和レベルとなる照度（１×１０2ｌｕｘ）で白熱電球を照射し、１０時間経過時の信号出力を測定した。続いて照射を停止し、その直後の光学窓付きパッケージ４０の信号出力(雑音)を測定し、実施例２及び比較例１のそれぞれのＳ／Ｎ比(１０時間経過時の信号出力／雑音)を算出した。その結果、実施例２のＳ／Ｎは比較例１のＳ／Ｎの約３倍となっていた。
【００４１】
このことは、各光学窓付きパッケージ４０は白熱電球の連続照射により光と共に熱を受けたが、比較例１では実施例２よりも温度が上昇したことにより雑音が大きくなったことが示唆される。一方、実施例２では熱伝導性の高い光透過板１２の効果により比較例１よりも温度上昇を抑制できたと考えられる。
【００４２】
［長時間測距時のノイズ性能評価］
実施例２及び比較例１のそれぞれの光学窓付きパッケージ４０を連続使用した際のノイズ性能を評価した。ここでは、使用開始直後と５時間経過後の信号出力を測定した。その結果、実施例２のＳ／Ｎは比較例１のＳ／Ｎの約７倍となっていた。
【００４３】
このことは、比較例１では、連続使用により発光素子等から発生した熱の影響により実施例２よりも温度が上昇し、それによって雑音が大きくなったことが示唆された。一方、実施例２では熱伝導性の高い光透過窓１２の効果により比較例１よりも温度上昇を抑制できたと考えられる。
【００４４】
以上の２つのノイズ性能評価から、本発明の光透過窓を用いることで、従来の技術と比べダイナミックレンジの大きな検出が可能となるとともに、素子に与える熱の影響が小さくなることで、より長期間の使用が可能となると想定される。
【００４５】
なお、本発明は、上述した実施例に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４６】
１０，１１０，２１０，３１０，４１０  光学窓、１２，３１２  光透過板、１２ａ  発光素子に対向する部分、１２ｂ  受光素子に対向する部分、１４，２１４，３１４  遮光フレーム、１６  ＡＲコート層、１８  仕切り板、２０  測距センサ、３０  パッケージ、３２  リードフレーム、４０  光学窓付きパッケージ。
【図１】
2019152662.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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