JP2002319642A - 光透過用金属キャップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結露が発生し易い環境下で使用しても光の透
過率が低下しない光透過用金属キャップを提供する。 【解決手段】 光を通すガラス部材と金属ケースとが、
低融点ガラスと耐火性フィラーからなる封着材料により
封着されてなる光透過用金属キャップにおいて、封着材
料が、５０℃の純水中に４８時間浸漬した後の耐水性を
示す重量減が１ｍｇ／ｃｍ²未満の性質を有することを
特徴とする。低融点ガラスには、質量％で、ＰｂＯ ５
５〜８５％、Ｂ₂Ｏ₃ ２〜２０％、Ｂｉ₂Ｏ₃ １〜３０
％、ＳｉＯ ₂ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１４％、Ｆｅ₂
Ｏ₃ ０〜６％、ＣｕＯ ０〜６％、ＢａＯ ０〜５
％、ＣａＯ ０〜５％、ＳｒＯ ０〜５％、ＺｎＯ／
（Ｂ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）≦１であるガラスを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザダイオード
用金属キャップ等の光透過用金属キャップに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図１に示すように、従来、レーザダイオ
ード用金属キャップ１は、光を通過させるガラス窓２０
とコバール等からなる金属ケース部分１０からなり、こ
の両者を信頼性よく接合するために低融点ガラスと耐火
フィラーからなる封着材料３０が使われてきた。封着材
料としては、レンズや金属の耐熱温度である５５０℃以
下で焼成でき、各種構成物と熱膨張係数が適合し、また
ガラス窓をケースに信頼性よく接着させることができる
材料が使用されている。この種の材料として、ＰｂＯ−
Ｂ₂Ｏ₃系の低融点ガラスに耐火性フィラーを添加してな
る複合材料が多く使用されている。なお、ガラス部材と
金属ケースの封着は、金属の酸化防止のため、一般的に
Ｎ₂雰囲気で行われることが多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のレー
ザダイオード用金属キャップは、結露が発生するような
高湿度で温度差が発生するような環境下で使用された場
合、封着材料からガラス成分が溶出してガラス窓表面を
汚染すると、光の透過率が低下し、光学部品としての機
能を果たすことができなくなることがある。そのため、
封着材料には高い耐水性が求められる。

【０００４】しかしながら、前記したＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃系
ガラスでは十分な耐水性が得られない。

【０００５】本発明の目的は、結露が発生し易い環境下
で使用しても光の透過率が低下しない光透過用金属キャ
ップを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の光透過用金属キ
ャップは、光を通すガラス部材と金属ケースとが、低融
点ガラスと耐火性フィラーからなる封着材料により封着
されてなる光透過用金属キャップにおいて、封着材料
が、５０℃の純水中に４８時間浸漬した後の耐水性を示
す重量減が１ｍｇ／ｃｍ²以下の性質を有することを特
徴とする。

【０００７】また本発明の光透過用金属キャップは、光
を通すガラス部材と金属ケースとが、低融点ガラスと耐
火性フィラーからなる封着材料により封着されてなる光
透過用金属キャップにおいて、前記低融点ガラスの組成
は質量％で、ＰｂＯ ５５〜８５％、Ｂ₂Ｏ₃ ２〜２０
％、Ｂｉ₂Ｏ₃ １〜３０％、ＳｉＯ₂ ０〜１０％、Ｚ
ｎＯ ０〜１４％、Ｆｅ₂Ｏ₃ ０〜６％、ＣｕＯ ０〜
６％、ＢａＯ ０〜５％、ＣａＯ ０〜５％、ＳｒＯ
０〜５％、ＺｎＯ／（Ｂ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）≦１であるこ
とを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明のキャップは、ガラス部材
と、金属ケースと、それらを封着する封着材料からな
る。

【０００９】本発明で使用する封着材料は、その焼結体
を５０℃の純水中に４８時間浸漬した後の重量減が１ｍ
ｇ／ｃｍ²以下である。このような特徴を有する封着材
料を使用することにより、高湿度などの環境下でも、ガ
ラス成分が溶け出す心配がなく、目的とする光学的特性
を満足し、信頼性の高い光透過用金属キャップが得られ
る。

【００１０】また本発明者は、上記したような高耐水性
を有する封着材料を得るべく種々の実験を行った結果、
特定組成のＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃−Ｂｉ₂Ｏ₃系低融点ガラスを
用いることによって達成可能になることを見いだした。

【００１１】具体的には、質量％で、ＰｂＯ ５５〜８
５％、Ｂ₂Ｏ₃ ２〜２０％、Ｂｉ₂Ｏ₃ １〜３０％、Ｓ
ｉＯ₂ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１４％、Ｆｅ₂Ｏ₃
０〜６％、ＣｕＯ ０〜６％、ＢａＯ ０〜５％、Ｃａ
Ｏ ０〜５％、ＳｒＯ ０〜５％、ＺｎＯ／（Ｂ₂Ｏ₃＋
ＳｉＯ₂）≦１の組成を有する低融点ガラスが好適に使
用できる。

【００１２】低融点ガラス粉末の組成を上記のように限
定した理由を以下に述べる。

【００１３】ＰｂＯは本発明のガラスの主成分であり、
その含有量は５５〜８５％、好ましくは５５〜８３％で
ある。ＰｂＯが５５％より少ないとガラスの粘度が増加
して流動性が悪くなり、８５％より多いとガラスが不安
定になり、結晶が析出して所定温度で封着ができなくな
る。

【００１４】Ｂ₂Ｏ₃は本発明のガラスの主成分であり、
その含有量は２〜２０％、好ましくは２〜１９％であ
る。Ｂ₂Ｏ₃が２％より少ないとガラスが不安定になり、
結晶が析出して低温封着ができなくなる。２０％よりも
多いとガラスの粘度が増大して低温での封着が困難とな
る。

【００１５】Ｂｉ₂Ｏ₃ は、５０℃の純水中に４８時間
浸漬した後の重量減を１ｍｇ／ｃｍ²以下にするための
必須成分であり、その含有量は１〜３０％、好ましくは
１〜２９％である。Ｂｉ₂Ｏ₃が１％よりも少ないと所望
の耐水性が得られず、３０％よりも多いとガラスが不安
定になる。

【００１６】ＳｉＯ₂はガラスの網目構成成分でガラス
を安定化させるが、その含有量は０〜１０％、好ましく
は０〜９％である。ＳｉＯ₂が１０％より多いとガラス
の粘度が増大し、所定温度で封着できない。

【００１７】ＺｎＯは粘性をあまり増大させることなく
ガラスの熱膨張係数を低くする性質を有するが、その含
有量は０〜１４％、好ましくは０〜１０％である。Ｚｎ
Ｏが１４％を超えるとガラスが失透しやすくなり、所定
温度で封着できなくなる。

【００１８】Ｆｅ₂Ｏ₃、ＣｕＯはガラスを安定させる性
質を有するが、その含有量は、それぞれ０〜６％、好ま
しくは０〜５％である。これらの成分が６％を超えると
失透しやすくなる。

【００１９】ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＯの各成分はガラス
の耐水性を向上させる性質があり、その含有量は、それ
ぞれ０〜５％、好ましくは０〜４％である。これらの成
分が５％を超えるとガラスの封着温度が上昇する。

【００２０】低融点ガラスの組成において、ＺｎＯ／
（Ｂ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）の含有比率は、ガラスの安定化と
耐水性に影響する。その含有比率は、質量比でＺｎＯ／
（Ｂ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）が１以下、好ましくは０．９以下
である。ＺｎＯ／（Ｂ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂）の含有比率が、
１より大きいと前記特性が悪化する。

【００２１】また上記の成分以外にも５％以下のＶ
₂Ｏ₅、Ａｇ₂Ｏ、Ｐ₂Ｏ5、Ｃｏ₂Ｏ3、Ｍｏ₂Ｏ3、ＷＯ3、Ｎｂ₂
Ｏ5、Ｔａ₂Ｏ5、ＣｅＯ2、Ｇａ₂Ｏ3、Ｓｂ₂Ｏ3、ＳｎＯ₂、Ｆ
₂やＩ₂等のハロゲン及び希土類酸化物を含有させること
ができる。

【００２２】以上の組成を有するガラスは、ガラス転移
点が３５０℃以下と低く、良好な流動性を示す非晶質ガ
ラスである。また３０〜２５０℃における熱膨張係数が
１１７×１０^-7／℃以下であり、５００℃以下の低温で
封着することが可能である。

【００２３】また封着材料に含まれる耐火性フィラー粉
末は、封着材料の熱膨張係数を調整し、熱膨張係数の異
なるガラス部材と金属ケースとの封着を可能にする成分
である。この耐火性フィラ−粉末は機械的強度を高める
効果も併せ持っている。

【００２４】耐火性フィラ−粉末としては、ウイレマイ
ト系セラミック、チタン酸鉛系セラミック、コーディエ
ライト、酸化スズ固溶体、ジルコン系セラミック等の粉
末を単独、或いは組み合わせて使用することができる。

【００２５】低融点ガラス粉末と耐火性フィラ−粉末の
混合割合は低融点ガラス粉末４５〜９２体積％と耐火性
フィラ−粉末８〜５５体積％であることが好ましい。両
者の割合をこのように限定した理由は、耐火性フィラ−
粉末が８体積％より少ないとその効果がなく、５５体積
％より多くなると流動性が悪くなるためである。

【００２６】また本発明の光透過用金属キャップは、ガ
ラス部材として、ＢＬＣ（熱膨張係数５１×１０^-7／
℃、日本電気硝子製）、ＢＳ６７（６７×１０^-7／℃、
日本電気硝子製）、ＬａＳＦ０１５（７４×１０^-7／
℃）、ＢＫ−７（８６×１０^-7／℃）等のガラスを、ま
た金属ケースとして、コバール（約４５×１０^-7／
℃）、４２鉄ニッケル合金（６５×１０^-7／℃）、５０
鉄ニッケル合金（９０×１０^-7／℃）、ステンレス（１
２０×１０^-7／℃）等の材料を用いることができる。

【００２７】なお、本発明の光透過用金属キャップは、
ガラス部材に板ガラスを使用することで、レーザダイオ
ード、ＣＣＤ、光学センサー等の金属キャップとして使
用することができる。また、ガラス部材にレンズを使用
することにより、光通信用レンズキャップ等として使用
することもできる。

【００２８】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を説明する。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【００３２】

【表４】

【００３３】表１、２は、本実施例又は比較例で使用す
る低融点ガラス試料Ａ〜Ｍを示している。一方、表３、
４は、表１、２のガラス試料を用いて作製したレーザダ
イオード用金属キャップの実施例（試料Ｎｏ．１〜１
１）及び比較例（試料Ｎｏ．１２、１３）を示してい
る。

【００３４】各試料は次のようにして調製した。

【００３５】まず表１、２の組成になるように原料を調
合し、白金坩堝に入れて９００〜１０００℃で１〜２時
間溶融した。次いでこれを薄板状に成形し、粉砕した後
２５０メッシュの篩を通過させて平均粒径４μｍのガラ
ス粉末試料を得た。得られた試料について耐水性、ガラ
ス転移点及び熱膨張係数を評価した。

【００３６】表１、２の試料Ａ〜Ｋについては、耐水性
は０．０６〜０．１４ｍｇ／ｃｍ²と良好であったが、
試料Ｌ、Ｍの耐水性は、１０．５〜１２．０ｍｇ／ｃｍ
²と著しく悪かった。

【００３７】次に、表３、４に示す混合比になるように
表１、２の各ガラス粉末試料に２５０メッシュの篩を通
過した耐火性フィラー粉末を加えた後に、振動ミルを用
いて封着材料を混合作製した。得られた試料について封
着材料の耐水性、熱膨張係数及び封着温度を測定し、そ
れらの結果を表３、４に示した。

【００３８】さらに、この封着材料をビークルに混ぜて
スラリ−とし、スプレ−ドライヤーにて顆粒状にし、こ
れをプレスして成形体を得た。次にこれを焼成し焼結体
（タブレット）とした後、図１に示したコバール製の金
属ケース１０内にはめ込みその上からガラス窓部材２０
となるホウケイ酸系ガラス板を載せ、Ｎ₂雰囲気で封着
することでレーザダイオード用金属キャップ１を作製し
た。なお、図中３０は封着材料を示している。

【００３９】上記方法で作製したレーザダイオード用金
属キャップの各試料についてＰＣＴ試験（プレッシャー
クッカーテスト）、押し付け強度、気密性を評価した。
それらの結果を表３、４に示す。

【００４０】表３、４から、各封着材料とも硼珪酸系ガ
ラスとコバールの熱膨張係数にほぼ適合する熱膨張係数
を有し、また５００℃以下の温度で封着可能なものであ
った。しかも、実施例である試料Ｎｏ．１〜１１で用い
る封着材料の耐水性は０．０４〜０．１０ｍｇ／ｃｍ²
あり、比較例である試料Ｎｏ．１２、１３の耐水性１
１．５〜１２．１ｍｇ／ｃｍ²に比べて優れていた。

【００４１】このような封着材料を用いて作製したＮ
ｏ．１〜１１の試料は、ＰＣＴ試験が良好であり、押し
付け強度が２．１ｋｇ以上、気密性も良好であった。こ
れに対して、Ｎｏ．１２、１３の試料は、ＰＣＴ試験で
ガラス成分が溶出し、ガラス窓表面上に成分が析出し
た。また、押しつけ強度が、０．９ｋｇと低く、気密性
も不良であった。

【００４２】なお、表１、２の低融点ガラスの耐水性
は、各ガラスを８φ×１０ｍｍの円盤状に成形し、その
表面を研磨して試料とし、次いで試料を５０℃の純水中
に４８時間浸漬した後試料の単位表面積あたりの重量減
（ｍｇ／ｃｍ²）で評価した。表３、４の封着材料の耐
水性は、２０×２０×１０ｍｍの寸法の試料を作製し、
ガラスと同様の方法で耐水性を評価したものである。

【００４３】表１、２のガラス転移点は各ガラスを粉砕
し、２５０メッシュの篩を通過したものを試料とし、示
差熱分析計（ＤＴＡ）により測定した。

【００４４】表１〜４の熱膨張係数は各ガラス又は各封
着材料を５φ×２０ｍｍの棒状に成形したものを試料と
し、Ｄｉｌａｔｏメーターによって測定し、３０〜２５
０℃の平均熱膨張係数の値で評価した。

【００４５】表３、４の封着温度は、低融点ガラス粉末
と耐火性フィラー粉末を混合した封着材料を２０φ×５
ｍｍの大きさのボタンに成形した後、種々の焼成温度で
加熱して流動径が２１ｍｍになったときの温度とした。

【００４６】ＰＣＴ試験は、恒温恒湿の加速試験で１２
１℃、湿度９５％、２４時間後の上記評価サンプル（レ
ーザダイオード用金属キャップ）の変化を目視で観察
し、ガラス窓面上に封着材料に起因する異物がないもの
を良、異物が発生したものを不良として評価した。

【００４７】押し付け強度は、ＰＣＴ試験後のレーザダ
イオード用金属キャップの評価サンプルを用いて、金属
キャップ外側面部にφ１ｍｍの棒を押し付け、荷重を懸
けてガラス板が剥がれた時又は割れた時の荷重で評価し
た。

【００４８】気密性は、ＰＣＴ試験後のレーザダイオー
ド用金属キャップの評価サンプルを治具でＨｅリークデ
ィテクターに取り付け、Ｈｅガスを吹き付けてリーク速
度を検定した結果が、１．０×１０^-8ａｔｍ・ｃｃ／ｓ
ｅｃ以下であるものを良とし、その値より大きいものを
不良とした。

【００４９】また、本実施例で使用したフィラー粉末は
次のようにして調製した。

【００５０】ウイレマイト系セラミック粉末は、亜鉛
華、光学石粉、酸化アルミニウムを質量％で、ＺｎＯ
７０％、ＳｉＯ₂ ２５％、Ａｌ₂Ｏ₃ ５％の組成にな
るように調合し、混合した後、１４４０℃で１５時間焼
成し、次にアルミナボールで粉砕し、２５０メッシュの
ステンレス篩を通過したものを用いた。

【００５１】チタン酸鉛系セラミック粉末は、ＰｂＴｉ
Ｏ₃結晶中にＣａＯを固溶させたものであり、リサー
ジ、酸化チタン、酸化カルシウムをＰｂＯ ７０％、Ｔ
ｉＯ₂２０％、ＣａＯ １０％の組成になるように調合
し、混合した後、１１００℃で５時間焼成し、次いでこ
の焼成物を粉砕した後、これを３５０メッシュのステン
レス篩を通過したものを用いた。

【００５２】コーディエライト粉末は、酸化マグネシウ
ム、酸化アルミニウム、光学石粉を２ＭｇＯ・２Ａｌ₂
Ｏ₃・５ＳｉＯ₂になるように調合し、混合した後、１４
００℃で１０時間焼成し、次いでアルミナボールミルで
粉砕し、２５０メッシュのステンレス篩を通過したもの
を用いた。

【００５３】酸化スズ固溶体粉末は、質量％でＳｎＯ₂
９３％、ＴｉＯ₂ ２％、ＭｎＯ₂５％の組成になるよ
うに酸化錫、酸化チタン、二酸化マンガンを調合し、混
合した後、１４００℃で１６時間焼成し、次いでアルミ
ナボールミルで粉砕し、２５０メッシュのステンレス篩
を通過したものを用いた。

【００５４】ジルコン系セラミック粉末は、天然ジルコ
ンサンドを一旦ソーダ分解し、塩酸に溶解させた後、濃
縮結晶化を繰り返すことによってα線放出物質である
Ｕ、Ｔｈの極めて少ないオキシ塩化ジルコニウムにし、
アルカリ中和後、加熱して精製しＺｒＯ₂を得た。これ
に高純度珪石粉、酸化第二鉄を質量％で、ＺｒＯ₂ ６
６％、ＳｉＯ₂ ３２％、Ｆｅ₂Ｏ₃ ２％の組成になる
ように調合し、混合した後、１４００℃で１６時間焼成
し、次いでアルミナボールで粉砕し、２５０メッシュの
ステンレス篩を通過したものを用いた。

【００５５】なお、本実施例では、レーザダイオード用
金属キャップを例にあげて説明したが、光通信用レンズ
キャップ等としても同様に好適に使用することが出来
る。

【００５６】

【発明の効果】本発明の光透過用金属キャップは、５０
℃の純水中に４８時間浸漬した後の重量減が１ｍｇ／ｃ
ｍ²以下となるような高耐水性の封着材料を使用してい
るため、結露が発生し易いような環境下で使用されて
も、光の透過率が低下しないため、光学部品として好適
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザダイオード用金属キャップの断
面図である。

【符号の説明】

１ レーザダイオード用金属キャップ １０ 金属ケース ２０ ガラス窓部材 ３０ 封着材料

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を通すガラス部材と金属ケースとが、
   低融点ガラスと耐火性フィラーからなる封着材料により
   封着されてなる光透過用金属キャップにおいて、封着材
   料が、５０℃の純水中に４８時間浸漬した後の耐水性を
   示す重量減が１ｍｇ／ｃｍ²以下の性質を有することを
   特徴とする光透過用金属キャップ。
2. 【請求項２】 光を通すガラス部材と金属ケースとが、
   低融点ガラスと耐火性フィラーからなる封着材料により
   封着されてなる光透過用金属キャップにおいて、前記低
   融点ガラスの組成は質量％で、ＰｂＯ ５５〜８５％、
   Ｂ₂Ｏ₃ ２〜２０％、Ｂｉ₂Ｏ₃ １〜３０％、ＳｉＯ₂
   ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１４％、Ｆｅ₂Ｏ₃ ０〜６
   ％、ＣｕＯ ０〜６％、ＢａＯ ０〜５％、ＣａＯ ０
   〜５％、ＳｒＯ ０〜５％、ＺｎＯ／（Ｂ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ
   ₂）≦１であることを特徴とする光透過用金属キャッ
   プ。
3. 【請求項３】 レーザダイオード用金属キャップである
   ことを特徴とする請求項１又は２の光透過用金属キャッ
   プ。