JP2005092088A - 光学部品および金属ホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】 透光性光学材料の金属ホルダへの接合時に、透光性光学材料に引っ張り応力が働かないようにして、亀裂や剥離が生じなく、かつ信頼性が高い光学部品を提供する。
【解決手段】 本発明は接合材料１３により透孔性光学材料１１の周壁の一部が金属ホルダ１２に接合された光学部品１０である。透光性光学材料１１の金属ホルダ１２との接合時に発生し透光性光学材料１１に付与される応力が常に透光性光学材料１１の圧縮方向に働くように接合されていることを特徴とする。このように、常に該光学材料１１の圧縮方向に働くように接合されていると、透光性光学材料１１に剥離や亀裂が生じることが防止できるようになる。この結果、環境温度が変化しても光学特性に異常が生じることが防止でき、信頼性が高い光学部品１０を提供することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接合材料によりレンズなどの透光性光学材料の周壁の一部が金属ホルダに接合された光学部品および透光性光学材料を保持する金属ホルダに関する。

従来のレンズなどの透光性光学材料が金属ホルダに保持された光デバイス（光学部品）としては、低融点ガラスにより透光性光学材料が金属ホルダに接合されたものがある。このような光デバイス（図５参照）は、例えば、特許文献１に提案されている。図５に示される光デバイス４０においては、熱膨張係数が１２０×１０^-7／℃の光学レンズからなる透光性光学材料４１が、熱膨張係数が１７０×１０^-7／℃のステンレス鋼からなる金属ホルダ４２内に配置された後、軟化点が３５０℃で、熱膨張係数が１１０×１０^-7／℃のＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃系の低融点ガラス４３により金属ホルダ４２に接合されて作製されている。

このような透光性光学材料４１と金属ホルダ４２からなる光デバイス４０としては、上述の低融点ガラス４３の代わりに、接着剤を用いる方法、あるいは鉛と錫の合金半田を用いる方法も知られている。しかしながら、接着剤を用いる場合においては、接着剤は一般に吸湿性が高いため、環境条件によっては脆くなり易い。しかも、ガラス転移点温度が低いため、接着剤を用いた光デバイスの使用温度範囲は狭くなる。また、アウトガスが生じるという問題もあることから、長期的な信頼性に欠けるという問題点もあった。

一方、鉛と錫の合金半田は、相対的に融点が低いため、特に、半田接合部に重力等の荷重が常にかかる場合には、半田が時間とともに歪んでいくというクリープ現象を生じ易いという問題があった。このため、透光性光学材料４１と金属ホルダ４２をこの半田で固定した場合、透光性光学材料４１の位置が時間と共に変化していくことになり、長期にわたる光学系の安定性が確保できないという問題が生じた。さらに、鉛と錫の合金半田は熱膨張係数が２５０×１０^-7／℃であり、透光性光学材料４１の熱膨張係数１２０×１０^-7／℃に比較して大きな差がある。

したがって、透光性光学材料４１をこの半田で固定する場合、熱膨張係数の違いにより、半田の冷却時に透光性光学材料に応力が加わり、亀裂や複屈折化等の問題が生じた。また、温度変化や電子回路の発熱等による周囲温度に変化があると、半田接合部に引っ張りと圧縮の応力が繰り返しかかる。このような熱的疲労により半田に亀裂が生じて透光性光学材料４１の位置が変化し、光軸がずれるという問題も生じた。以上のような理由により、上述した低融点ガラス４３を用いた光デバイス４０が使用されている。

ところで、近年、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）などの薄膜を真空蒸着して、透光性光学材料（光学レンズ）の光の入射面あるいは出射面に反射防止膜を形成するようにして光の反射を防止し、透光率を高めるようにした透光性光学材料が用いられるようになった。このような透光性光学材料を用いた光デバイス５０としては、図６に示されるように、反射防止膜５４が施された透光性光学材料５１を金属ホルダ５２内に配置した後、低融点ガラス５３により金属ホルダ５２に接合されて作製されている。

ところが、反射防止膜５４の耐熱性は４００℃以下である。これに対して、通常使用されるＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃系の低融点ガラス５３は、焼成温度を４５０℃以下にすることが困難であり、反射防止膜５４の耐熱温度以下とすることができなかった。さらに、環境保護の観点から、ＰｂＯを低融点ガラス５３から除外することが望まれていた。また、低融点ガラス５３は、透光性光学材料５１および金属ホルダ５２との接合面以外に外気露出表面があり、低融点ガラス５３の高湿度環境における劣化が促進される恐れがあった。

そこで、上述した鉛ガラスを主成分とする低融点ガラス４３よりも低温で焼成可能な低融点ガラスが提案されるようになった（例えば特許文献２）。また、鉛の含有量が０．１重量％以下の低融点ガラスを用いて、透光性光学材料と金属ホルダを接合した光デバイスが特許文献３で提案されるようになった。この場合、鉛の含有量が０．１重量％以下の低融点ガラスで透光性光学材料を接合して光デバイスを構成したことによって、焼成温度を４００℃以下に抑えることができ、透光性光学特性の信頼性を向上することができた。また、鉛の含有量が０．１重量％以下の低融点ガラスを用いたことにより、地球環境に優しい光デバイスの製造が可能となった。
特開平２−２８１２０１号公報 特開平８−２５９２６２号公報 特開２００３−４０６４８号公報

しかしながら、上述した各特許文献に記載された光デバイス（光学部品）においては、透光性光学材料（光学レンズ）と金属ホルダとの間に低融点ガラスが存在するため、透光性光学材料に入射した光の光学特性が変化するという問題を生じた。そこで、本発明者等は、透光性光学材料を金属ホルダに接合するに際して、金属ホルダに低融点ガラスの溜部を設けて透光性光学材料（光学レンズ）の外周に低融点ガラスが存在しない状態とすることで、透光性光学材料（光学レンズ）の光学特性の低下を抑えることを提案した。しかしながら、金属ホルダと透光性光学材料（光学レンズ）とのクリアランス部にも低融点ガラスが充填されるため、光学特性の低下を招来するという問題も生じた。

一方、低融点ガラスなどの接合材料により透光性光学材料を金属ホルダに接合する場合、接合時、即ち、低融点ガラスの固着時に、各部品の熱膨張係数の違いに基づく応力に起因して、透光性光学材料に亀裂が生じたり、複屈折が生じて消光比が劣化するといった問題が生じた。これらの対策として、熱膨張係数が透光性光学材料の熱膨張係数に近似した低融点ガラスを用いたところ、材料の組み合わせによっては、透光性光学材料に働く引っ張り応力に起因して、透光性光学材料の表面に剥離が生じるという問題も生じた。

そこで、本発明は上述したような問題点を解消するためになされものであって、透光性光学材料の金属ホルダへの接合時に、透光性光学材料に引っ張り応力が働かないようにして、亀裂や剥離が生じなく、かつ信頼性が高い光学部品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は接合材料により透孔性光学材料の周壁の一部が金属ホルダに接合された光学部品であって、透光性光学材料の金属ホルダとの接合時に発生して透光性光学材料に付与される応力が常に該透光性光学材料の圧縮方向に働くように接合されていることを特徴とする。このように、透光性光学材料に付与される応力が常に該光学材料の圧縮方向に働くように接合されていると、接合時に透光性光学材料に剥離や亀裂が生じることが防止できるようになる。この結果、環境温度が変化しても光学特性に異常が生じることが防止でき、信頼性が高い光学部品を提供することが可能となる。

そして、透光性光学材料の熱膨張係数をα１とし、接合材料の熱膨張係数をα２とし、かつ金属ホルダの熱膨張係数をα３とした場合に、α１＜α２＜α３の関係を満たすように透光性光学材料、接合材料および金属ホルダの各材料を選択すれば、透光性光学材料の金属ホルダとの接合時に、透光性光学材料に付与される応力は常に透光性光学材料の圧縮方向になる。これにより、透孔性光学材料の周壁の一部を接合材料により金属ホルダに接合しても、透光性光学材料に剥離や亀裂が生じることが防止できるようになる。

この場合、接合材料と透光性光学材料との熱膨張係数差（α２−α１）が５〜５０×１０^-7／℃で、金属ホルダと接合材料の熱膨張係数差（α３−α２）が５〜１００×１０^-7／℃となるように接合材料、透光性光学材料および金属ホルダの各材料を選択するのが望ましい。そして、透光性光学材料の熱膨張係数α１は６０〜８０×１０^-7／℃で、接合材料の熱膨張係数α２は７０〜９０×１０^-7／℃で、金属ホルダの熱膨張係数α３は８０〜１００×１０^-7／℃であるのが好ましい。なお、透光性光学材料は該透光性光学材料の中心軸に対して対称の少なくとも２箇所以上で接合材料により接合されているのが強度的に望ましい。

また、本発明の光学部品においては、金属ホルダはその中心軸に沿って透光性光学材料が挿入される貫通孔が形成されているとともに、この貫通孔の一端部の透光性光学材料との接合部に接合材料の溜部となるテーパー部が形成されていて、この貫通孔の一端部以外の透光性光学材料との接合部には接合材料が流れ込まないようになされている。このように、テーパー部が接合材料の溜部となるようになされていると、この溜部に十分な量の接合材料が充填されることとなるので、接合強度および気密性に優れた光学部品が形成されることとなる。また、貫通孔の一端部以外では、透光性光学材料との接合部に接合材料が流れ込まないようになされているので、光学特性に異常が生じることが防止でき、信頼性が高い光学部品を提供することが可能となる。

そして、テーパー部は透光性光学材料の挿入方向に対して傾斜するように形成されていて、接合材料の厚みがテーパー部の傾斜に沿って薄くなるように形成されていると、重力により溶融した接合材料がテーパー部の傾斜に沿って金属ホルダと濡れながら流動するため、金属ホルダとの接合性が向上して、接合強度および気密性に優れた光学部品が形成されることとなる。この場合、透光性光学材料に反射防止膜（ＡＲコート）が形成されている場合は、接合処理温度は反射防止膜の耐熱温度よりも低くする必要がある。

なお、透光性光学材料は光学ガラス、光学結晶、セラミックから選択されるいずれか１種であるのが望ましい。この場合、光学結晶としては、石英結晶、ルチル（酸化チタン）、ガーネット、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、弗化カルシウム（蛍石）（ＣａＦ₂）、弗化リチウム（ＬｉＦ）、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、弗化バリウム（ＢａＦ₂）、臭沃化タリウム（ＫＲＳ−５）、臭塩化タリウム（ＫＲＳ−６）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、沃化セシウム（ＣｓＩ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等から選択して用いるのが好ましい。

また、光学ガラスとしては、ＦＫ（弗珪クラウン），ＰＫ（リン酸クラウン），ＺＫ（亜鉛クラウン），ＢａＫ（バリウムクラウン），ＬａＫ（ランタンクラウン），ＬＦ（軽フリント），ＳＦ（重フリント），ＬａＦ（ランタンフリント），ＬａＳＦ（重ランタンフリント）等から選択して用いるのが好ましい。特に、ＴａＦ３（タンタルフリントガラス（ＨＯＹＡ社製））を用いるのが好ましい。なお、透光性光学材料の形状としては、円柱状、球状、平板状、角柱状などの各種形状のものを用途に応じて選択するようにすればよい。この場合、光学レンズの材料や目的の反射率に応じて、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等から選択される反射防止膜を光学面に形成するのが好ましい。この反射防止膜は、要求特性や用途により、光学レンズの光学面の両面、もしくは片面に施したり、あるいは反射防止膜を施さない場合もある。

また、接合材料は有機系接着剤、低融点ガラス、半田から選択されるいずれか１種であるのが望ましい。この場合、有機系接着剤としては、ポリイミド系接着剤、エポキシ系接着剤、ＵＶ系接着剤、アクリル系接着剤、ウレタン系接着剤等から選択して用いるのが好ましい。また、低融点ガラスとしては、ＳｉＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃を主成分とし、これにＡｌ₂Ｏ₃，ＰｂＯ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，ＢａＯ，Ｌｉ₂Ｏ等を含有させた低融点ガラスを用いるのが好ましい。また、半田としては、ＡｕＳｎ合金半田，ＰｂＳｎ合金半田，ＳｎＡｇＣｕ合金半田等から選択して用いるのが好ましい。なお、半田を用いる場合は、光学部品の周囲にメタライズ層を設ける必要がある。

さらに、金属ホルダはＦｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金から選択されるいずれか１種であるのが望ましい。この場合、Ｆｅ−Ｎｉ系合金としては、５８Ｆｅ４２Ｎｉ（４２Ａｌｌｏｙ），５５Ｆｅ４５Ｎｉ（４５Ａｌｌｏｙ），５２Ｆｅ４８Ｎｉ（４８Ａｌｌｏｙ），５０Ｆｅ５０Ｎｉ（５０Ａｌｌｏｙ），４８Ｆｅ５２Ｎｉ（５２Ａｌｌｏｙ），５２Ｆｅ４２Ｎｉ６Ｃｒ（４２６Ａｌｌｏｙ），４７Ｆｅ４７Ｎｉ６Ｃｒ（４７６Ａｌｌｏｙ）を用いるのが好ましい。Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金としては、５４Ｆｅ２９Ｎｉ１７Ｃｏ，５５Ｆｅ２８Ｎｉ１７Ｃｏ，５６Ｆｅ２７Ｎｉ１７Ｃｏなどを用いるのが好ましい。

このように、本発明の接合材料により透孔性光学材料の周壁の一部が金属ホルダに接合された光学部品においては、透孔性光学材料に付与される応力が常にこの透孔性光学材料の圧縮方向に働くように接合されている。このため、接合時に透孔性光学材料に剥離や亀裂が生じることが防止できるようになる。この結果、環境温度が変化しても光学特性に異常が生じることが防止でき、信頼性が高い光学部品を提供することが可能となる。

ついで、本発明の光学部品の一実施の形態を図１および図２に基づいて説明する。なお、図１は金属ホルダに光学材料としての光学レンズが接合された光学部品を模式的に示す図であり、図１（ａ）は上面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の中心を通る縦断面を示す断面図である。また、図２は金属ホルダに光学材料としての光学レンズを接合する状態を模式的に示す図であり、図２（ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、図２（ｂ）は接合後の状態を示す断面図である。
１．光学部品

本実施の形態の光学部品１０は、図１に示すように、略円柱状に形成された光学レンズ（透光性光学材料）１１と、この光学レンズ１１を固定する金属製レンズホルダ（金属ホルダ）１２と、これらを溶融接合する低融点ガラス（接合材料）１３とから構成される。そして、光学レンズ１１の上部の外周壁の一部の周面は低融点ガラス（接合材料）１３により金属ホルダ１２に接合されている。

この場合、光学レンズ１１としては、熱膨張係数（α１）が６５×１０^-7／℃であるＬａＳＦ（重ランタンフリント）から形成されているものをａ１とし、熱膨張係数（α１）が３３×１０^-7／℃であるホウケイ酸ガラス（ＳｉＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ａｌ₂Ｏ₃）から形成されているものをａ２とした。なお、光学レンズ１１の光の入射面および出射面には反射防止膜１１ａが形成されている。反射防止膜１１ａは光学レンズ１１の材料や目的の反射率に応じて、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等から選択が可能である。また、この反射防止膜１１ａは、要求特性や用途により、光学レンズ１１の光学面の両面、もしくは片面に施されたり、もしくは反射防止膜１１ａを施さない場合もある。

金属製レンズホルダ１２は中心部に貫通孔を有した円筒状に形成されていて、一端部にテーパ部１２ｂが形成された面取り加工部１２ａが形成されている。そして、金属製レンズホルダ１２が腐食により劣化する恐れがある場合には、予め、金属製レンズホルダ１２の表面に耐食性のニッケルメッキ等の防錆層を形成するのが望ましい。この場合、金属製レンズホルダ１２の低融点ガラス１３が接合される部分のニッケルメッキ等の防錆層を剥離しておくのが望ましい。

ここで、金属製レンズホルダ１２としては、熱膨張係数（α３）が５７×１０^-7／℃のフェルニコ系のＦｅ５４％，Ｎｉ２９％，Ｃｏ１７％の合金（５４Ｆｅ２９Ｎｉ１７Ｃｏ）を用いたものをｂ１とした。また、熱膨張係数（α３）が１７０×１０^-7／℃のＳＵＳ３１６を用いたものをｂ２とし、熱膨張係数（α３）が１７５×１０^-7／℃のＳＵＳ３１６Ｌを用いたものをｂ３とし、熱膨張係数（α３）が１８７×１０^-7／℃のＳＵＳ３０４を用いたものをｂ４とした。また、熱膨張係数（α３）が４５×１０^-7／℃のＦｅ５８％，Ｎｉ４２％の合金（５８Ｆｅ４２Ｎｉ）を用いたものをｂ５とし、熱膨張係数（α３）が７５×１０^-7／℃のＦｅ５５％，Ｎｉ４５％の合金（５５Ｆｅ４５Ｎｉ）を用いたものをｂ６とした。

また、熱膨張係数（α３）が７８×１０^-7／℃のＦｅ５４％，Ｎｉ４６％の合金（５４Ｆｅ４６Ｎｉ）を用いたものをｂ７とし、熱膨張係数（α３）が８８×１０^-7／℃のＦｅ５２％，Ｎｉ４８％の合金（５２Ｆｅ４８Ｎｉ）を用いたものをｂ８とした。また、熱膨張係数（α３）が１００×１０^-7／℃のＦｅ５０％，Ｎｉ５０％の合金（５０Ｆｅ５０Ｎｉ）を用いたものをｂ９とし、熱膨張係数（α３）が１０５×１０^-7／℃のＦｅ４８％，Ｎｉ５２％の合金（４８Ｆｅ５２Ｎｉ）を用いたものをｂ１０とし、熱膨張係数（α３）が１２５×１０^-7／℃のＦｅ４０％，Ｎｉ６０％の合金（４０Ｆｅ６０Ｎｉ）を用いたものをｂ１１とした。

低融点ガラス１３は、ＳｉＯ₂およびＢ₂Ｏ₃を主成分とし、これにＰｂＯを添加して形成し、熱膨張係数（α２）が７０×１０^-7／℃で、ガラス転移温度が３１５℃で、接合温度が３５０℃に調整されたガラス粉末をｃ１とした。また、ＰｂＯを主成分（７０％程度）とし、これにＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃を添加して形成し、熱膨張係数（α２）が４０×１０^-7／℃で、ガラス転移温度が３００℃以下で、接合温度が３５０℃に調整されたガラス粉末をｃ２とした。そして、これらのガラス粉末ｃ１（あるいはｃ２）にバインダーを加えて、プレス成形後に仮焼成してリング形状に形成して低融点ガラスプリフォームとしている。
２．光学部品の作製法

ついで、このような光学レンズ１１（ａ１，ａ２）、金属製レンズホルダ１２（ｂ１〜ｂ１１）および低融点ガラスプリフォーム１３（ｃ１，ｃ２）を用いた光学部品１０（Ａ１〜Ａ１１，Ｂ１，Ｂ２）の作製法を以下に詳述する。まず、図２（ａ）に示すように、金属製レンズホルダ１２（ｂ１〜ｂ１１）を３００℃に加熱した大気オーブンに入れて１０分間酸化処理を施した。この後、金属製レンズホルダ１２（ｂ１〜ｂ１１）内に光学レンズ１１（ａ１あるいはａ２）を挿入するとともに、金属製レンズホルダ１２（ｂ１〜ｂ１１）の一端部に形成された面取り加工部１２ａ内にリング状にプレス成形された低融点ガラスプリフォーム１３（ｃ１あるいはｃ２）を配置した。

ついで、これらを図示しないカーボン製治具にセットした後、これらをリフロー炉（加熱炉）内に配置した。ついで、このリフロー内を窒素が４０％で酸素が６０％の雰囲気にした後、リフロー速度が５０ｍｍ／分で、昇温速度１０℃／分で、最高温度が５００℃で、約１０分間熱処理を行った。これにより低融点ガラスプリフォーム１３は溶融して、図２（ｂ）に示すように、金属製レンズホルダ１２の一端部に形成された面取り加工部１２ａのテーパ部１２ｂに沿って流れ込み、面取り加工部１２ａに低融点ガラス１３が充填されることとなる。

この後、接合時に光学レンズ１１および金属製レンズホルダ１２に付与された残留歪みを除去するためにアニール処理を行った。このアニール処理においては、窒素雰囲気中で、１５０℃の温度条件で１００時間の熱処理を行った後、徐冷して、室温まで降温した。このときの降温速度は１℃／分とした。なお、上述の熱処理条件は、光学レンズ１１（ａ１あるいはａ２）および金属製レンズホルダ１２（ｂ１〜ｂ１１）の大きさ、材質あるいは低融点ガラスプリフォーム１３（ｃ１あるいはｃ２）の材質、投入量等に応じて適宜変更して実施するようにすればよい。このようにして、光学部品１０（Ａ１〜Ａ１１，Ｂ１，Ｂ２）を作製した。

ここで、熱膨張係数（α１）が６５×１０^-7／℃の光学レンズ（ａ１）と熱膨張係数（α２）が７０×１０^-7／℃の低融点ガラスプリフォーム（ｃ１）を用いるとともに、熱膨張係数（α３）が５７×１０^-7／℃の５４Ｆｅ２９Ｎｉ１７Ｃｏ合金（ｂ１）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを比較例１の光学部品Ａ１とし、熱膨張係数（α３）が４５×１０^-7／℃の５８Ｆｅ４２Ｎｉ（ｂ５）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを比較例２の光学部品Ａ５とし、熱膨張係数（α３）が１７５×１０^-7／℃のＳＵＳ３１６Ｌ（ｂ３）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを比較例３の光学部品Ａ３とし、熱膨張係数（α３）が１８７×１０^-7／℃のＳＵＳ３０４（ｂ４）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを比較例４の光学部品Ａ４とした。

また、熱膨張係数（α１）が６５×１０^-7／℃の光学レンズ（ａ１）と熱膨張係数（α２）が７０×１０^-7／℃の低融点ガラスプリフォーム（ｃ１）を用いるとともに、熱膨張係数（α３）が７５×１０^-7／℃の５５Ｆｅ４５Ｎｉ（ｂ６）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを実施例１の光学部品Ａ６とし、熱膨張係数（α３）が７８×１０^-7／℃の５４Ｆｅ４６Ｎｉ（ｂ７）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを実施例２の光学部品Ａ７とし、熱膨張係数（α３）が８８×１０^-7／℃の５２Ｆｅ４８Ｎｉ（ｂ８）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを実施例３の光学部品Ａ８とし、熱膨張係数（α３）が１００×１０^-7／℃の５０Ｆｅ５０Ｎｉ（ｂ９）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを実施例４の光学部品Ａ９とし、熱膨張係数（α３）が１０５×１０^-7／℃の４８Ｆｅ５２Ｎｉ（ｂ１０）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを実施例５の光学部品Ａ１０とし、熱膨張係数（α３）が１２５×１０^-7／℃の４０Ｆｅ６０Ｎｉ（ｂ１１）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを実施例６の光学部品Ａ１１とし、熱膨張係数（α３）が１７０×１０^-7／℃のＳＵＳ３１６（ｂ２）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを実施例７の光学部品Ａ２とした。

さらに、熱膨張係数（α１）が３３×１０^-7／℃の光学レンズ（ａ２）と熱膨張係数（α２）が４０×１０^-7／℃の低融点ガラスプリフォーム（ｃ２）を用いるとともに、熱膨張係数（α３）が５７×１０^-7／℃の５４Ｆｅ２９Ｎｉ１７Ｃｏ合金（ｂ１）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを実施例８の光学部品Ｂ１とし、熱膨張係数（α３）が７５×１０^-7／℃の５５Ｆｅ４５Ｎｉ（ｂ６）よりなるレンズホルダ１２を用いたものを実施例９の光学部品Ｂ２とした。
３．熱冷サイクル試験

ついで、上述のようにして各光学部品１０（Ａ１〜Ａ１１，Ｂ１，Ｂ２）を５０個ずつ作製した後、これらの各光学部品１０（Ａ１〜Ａ１１，Ｂ１，Ｂ２）の信頼性を確認するための熱冷サイクル試験を行った。この熱冷サイクル試験においては、−４０℃まで冷却してこの温度を３０分間保持した後、今度は８５℃まで加熱してこの温度を３０分間保持するサイクルを５０サイクル繰り返して行った。この熱冷サイクル試験後の各５０個の光学部品１０（Ａ１〜Ａ１１，Ｂ１，Ｂ２）について、５０倍の光学顕微鏡を用いて観察を行った。

この観察により、光学部品１０（Ａ１〜Ａ１１，Ｂ１，Ｂ２）の光学レンズ１１に亀裂が発生した個数を求めると、下記の表１に示すような結果が得られた。なお、下記の表１においては、リフローにより光学レンズ１１を金属製レンズホルダ１２（ｂ１〜ｂ１１）に接合した直後に、光学レンズ１１に亀裂が発生した個数も併せて示している。なお、熱冷サイクル試験においては、アニール処理後の試料に歪みが生じていれば、熱冷サイクル時にさらに大きな歪みが導入されて、光学レンズ１１に亀裂が発生するようになる。この発生した亀裂の有無により、接合時の光学レンズ１１の歪みの大きさが推測できるために行った。

上記表１の結果から明らかなように、比較例１，２の光学部品Ａ１，Ａ５のように、α１＜α２＜α３の関係を有さず、かつ金属ホルダ１２の熱膨張係数（α３）と低融点ガラス１３の熱膨張係数(α２)との差（Δα＝α３−α２）が５×１０^-7／℃未満（Δα＜５×１０^-7／℃）である場合は、光学レンズ１１の低融点ガラス１３の接合面に剥離による亀裂が生じているものがあった。また、比較例３，４の光学部品Ａ３，Ａ４のように、Δαが１００×１０^-7／℃より大きく（Δα＞１００×１０^-7／℃）なると、光学レンズ１１と低融点ガラス１３との接合面を基点として、光学レンズ１１の内部に向けた圧縮力による亀裂が生じているものがあった。

これらに対して、実施例１〜６の光学部品Ａ６〜Ａ１１、実施例７の光学部品Ａ２および実施例８〜９の光学部品Ｂ１〜Ｂ２のように、α１＜α２＜α３の関係を有し、かつ金属ホルダ１２と低融点ガラス１３との熱膨張係数の差（Δα＝α３−α２）が５×１０^-7／℃以上で、１００×１０^-7／℃以下であると、即ち、５×１０^-7／℃≦Δα≦１００×１０^-7／℃であると、リフロー後（接合後）であっても熱冷サイクル試験後であっても、光学レンズ１１に亀裂が生じることはなく、良好な結果となっていることが分かる。これは、金属ホルダ１２と低融点ガラス１３との熱膨張係数の差が、５×１０^-7／℃以上で１００×１０^-7／℃以下であると、光学レンズ１１に常に微小な圧縮応力が付与されるように働くので、光学レンズ１１に剥離や亀裂が生じることが防止できたと考えられる。

これらのことから、金属ホルダ１２の材料としては、α１＜α２＜α３の関係を有し、熱膨張係数の差（Δα＝α３−α２）が５×１０^-7／℃以上１００×１０^-7／℃以下で、かつ、熱膨張係数が７５×１０^-7／℃の合金ｂ６（５５Ｆｅ４５Ｎｉ）、熱膨張係数が７８×１０^-7／℃の合金ｂ７（５４Ｆｅ４６Ｎｉ）、熱膨張係数が８８×１０^-7／℃の合金ｂ８（５２Ｆｅ４８Ｎｉ）、熱膨張係数が１００×１０^-7／℃の合金ｂ９（５０Ｆｅ５０Ｎｉ）、熱膨張係数が１０５×１０^-7／℃の合金ｂ１０（４８Ｆｅ５２Ｎｉ）、熱膨張係数が１２５×１０^-7／℃の合金ｂ１１（４０Ｆｅ６０Ｎｉ）、および熱膨張係数が１７０×１０^-7／℃の合金ｂ２（ＳＵＳ３１６）、あるいは熱膨張係数が５７×１０^-7／℃の合金ｂ１（５４Ｆｅ２９Ｎｉ１７Ｃｏ）、熱膨張係数が４５×１０^-7／℃の合金ｂ５（５８Ｆｅ４２Ｎｉ）を用いるのが好ましいということができる。
４．金属ホルダの接合部の構造について

ついで、金属ホルダの接合部の構造の相違に基づく気密性の相違について検討した。そこで、図３に示すように、テーパ部が形成されない面取り加工部２２ａを一端部に形成された円筒状の５０Ｆｅ５０Ｎｉ製レンズホルダ２２を形成した。そして、この金属製レンズホルダ２２と、上述と同様な光学レンズ１１と低融点ガラスプリフォーム１３とを用いて、これらを上述と同様に接合して光学部品２０（Ｘ）を作製した。

そして、得られた光学部品２０（Ｘ）と、上述の光学部品１０（Ａ９）とをそれぞれ１５個ずつ用いて気密性試験を行った。この気密性試験においては、図４（ａ）（ｂ）に示すように、ヘリウム（Ｈｅ）リークディテクタ（島津製作所製）３０を用い、このリークディテクタ３０に形成された開口３１の上部にＯリング３２を介して、光学部品Ａ９（Ｘ）を配置した。そして、光学部品Ａ９（Ｘ）にヘリウム（Ｈｅ）ガスを吹き付けながら、リークディテクタ３０により吸引するようにした。これにより、光学レンズ１１とレンズホルダ１２（２２）との間に隙間があって気密でない場合は、リークディテクタ３０内に多くのＨｅガスが流入することとなる。このような気密性試験を１５個ずつの試料について行った結果、下記の表２に示すような結果が得られた。

上記表２の結果から明らかなように、光学部品Ａ９においては、全ての試料の気密性が良好であるのに対して、光学部品Ｘにおいては、１／３の試料の気密性が劣っていることが分かる。これは、光学部品Ａ９においては、レンズホルダ１２の一端部にテーパ部１２ｂが形成された面取り加工部１２ａが形成されているので、低融点ガラス１３の溶融時に、溶融した低融点ガラス１３が重力によりテーパ部１２ｂに沿って下方に流れるようになる。この結果、溶融した低融点ガラス１３がテーパ部１２ｂに気密性を維持しながら充填されたと考えられる。

一方、光学部品Ｘにおいては、レンズホルダ２２の一端部に形成された面取り加工部２２ａにテーパ部が形成されていないため、低融点ガラス１３のレンズホルダ２２への濡れが悪くなるとともに、面取り加工部２２ａの下方への湯流れが悪くなって、光学レンズ１１とレンズホルダ２２との間に未充填部が形成されたためと考えられる。

なお、上述した実施形態においては、透光性光学材料として熱膨張係数α１が６５×１０^-7／℃のＬａＳＦ（重ランタンフリント）を用い、接合材料として熱膨張係数α２が７０×１０^-7／℃のＳｉＯ₂およびＢ₂Ｏ₃を主成分としこれにＰｂＯが添加された低融点ガラスを用いて、接合材料と透光性光学材料との熱膨張係数差α２−α１を５×１０^-7／℃とした例、あるいは透光性光学材料として熱膨張係数α１が３３×１０^-7／℃のホウケイ酸ガラス（ＳｉＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ａｌ₂Ｏ₃）を用い、接合材料として熱膨張係数α２が４０×１０^-7／℃のＰｂＯを主成分（７０％程度）とし、これにＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃を添加して形成した低融点ガラスを用いて、接合材料と透光性光学材料との熱膨張係数差α２−α１を７×１０^-7／℃とした例について説明した。

ところが、接合材料と透光性光学材料との熱膨張係数差α２−α１は５×１０^-7／℃あるいは７×１０^-7／℃に限られることなく、５〜５０×１０^-7／℃の範囲になるような接合材料および透光性光学材料を選択して用いるようにすればよい。これは、接合材料と透光性光学材料との熱膨張係数差α２−α１が５０×１０^-7／℃より大きくなると、透光性光学材料に過度な圧縮応力がかかり、透光性光学材料に亀裂が発生したり、消光比などの光学特性が低下するためである。一方、接合材料と透光性光学材料との熱膨張係数差α２−α１が５×１０^-7／℃未満では再現性に問題があるため、好ましくないためである。

この場合、透光性光学材料としては上述のＬａＳＦ（重ランタンフリント）あるいはホウケイ酸ガラス（ＳｉＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ａｌ₂Ｏ₃）に限られず、熱膨張係数（α１）が６０〜８０×１０^-7／℃の光学ガラス、光学結晶、セラミックから選択されるいずれか１種から選択して用いるようにすればよい。なお、光学ガラスとしては、ＴａＦ３（タンタルフリントガラス（ＨＯＹＡ社製）），ＦＫ（弗珪クラウン），ＰＫ（リン酸クラウン），ＺＫ（亜鉛クラウン），ＢａＫ（バリウムクラウン），ＬａＫ（ランタンクラウン），ＬＦ（軽フリント），ＳＦ（重フリント），ＬａＦ（ランタンフリント）等から選択して用いるのが好ましく、特に、ＴａＦ３を用いるのが好ましい。

また、光学結晶としては、石英結晶、ルチル（酸化チタン）、ガーネット、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、弗化カルシウム（蛍石）（ＣａＦ₂）、弗化リチウム（ＬｉＦ）、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、弗化バリウム（ＢａＦ₂）、臭沃化タリウム（ＫＲＳ−５）、臭塩化タリウム（ＫＲＳ−６）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、沃化セシウム（ＣｓＩ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等から選択して用いるのが好ましい。

また、接合材料としては上述の低融点ガラスに限られず、熱膨張係数（α２）が７０〜９０×１０^-7／℃の有機系接着剤、低融点ガラス、半田から選択されるいずれか１種であるのが望ましい。この場合、有機系接着剤としては、ポリイミド系接着剤、エポキシ系接着剤、ＵＶ系接着剤、アクリル系接着剤、ウレタン系接着剤等から選択して用いるのが好ましい。また、低融点ガラスとしては、ＳｉＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃を主成分とし、これにＡｌ₂Ｏ₃，ＰｂＯ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，ＢａＯ，Ｌｉ₂Ｏ等を含有させた低融点ガラスを用いるのが好ましい。また、半田としては、ＡｕＳｎ合金半田，ＰｂＳｎ合金半田，ＳｎＡｇＣｕ合金半田等から選択して用いるのが好ましい。

また、上述した実施形態においては、光学レンズ（透光性光学材料）１１の上部の外周壁の一部の周面は低融点ガラス（接合材料）１３により金属ホルダ１２に接合されている例について説明したが、外周壁の一部の全周面を接合する必要はなく、光学レンズ１１の中心軸に対して対称の少なくとも２箇所の周壁で低融点ガラス（接合材料）１３により金属ホルダ１２に接合されるようにすればよい。

また、上述した実施形態においては、低融点ガラスとして、リング状にプリフォームした低融点ガラスを用いる例について説明したが、リング状にプリフォームした低融点ガラスに代えてペースト状の低融点ガラスを用いるようにしてもよい。

金属ホルダに光学材料としてのレンズが接合された光学部品を模式的に示す図であり、図１（ａ）は上面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 金属ホルダに光学材料としてのレンズを接合する状態を模式的に示す図であり、図２（ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、図２（ｂ）は接合後の状態を示す断面図である。 従来例の金属ホルダに光学材料としてのレンズを接合する状態を模式的に示す図であり、図３（ａ）は接合前の状態を示す断面図であり、図３（ｂ）は接合後の状態を示す断面図である。 ヘリウム（Ｈｅ）リークディテクタに光学部品を配置して、光学部品の気密性試験を行う様子を模式的に示した断面図である。 従来例の金属ホルダに光学材料としてのレンズが接合された状態を模式的に示す断面図である。 他の従来例の金属ホルダに光学材料としてのレンズが接合された状態を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０…光学部品、１１…光学レンズ（透孔性光学材料）、１１ａ…反射防止膜、１２…金属製レンズホルダ、１２ａ…面取り加工部、１２ｂ…テーパ部、１３…低融点ガラス、２０…光学部品、２２…金属製レンズホルダ、２２ａ…面取り加工部、３０…リークディテクタ、３１…開口、３２…リング

Claims (14)

1. 接合材料により透光性光学材料の周壁の一部が金属ホルダに接合された光学部品であって、
   前記透光性光学材料の前記金属ホルダとの接合時に発生して該透光性光学材料に付与される応力が常に該透光性光学材料の圧縮方向に働くように接合されていることを特徴とする光学部品。
2. 接合材料により透光性光学材料の周壁の一部が金属ホルダに接合された光学部品であって、
   前記透光性光学材料の熱膨張係数をα１とし、前記接合材料の熱膨張係数をα２とし、かつ前記金属ホルダの熱膨張係数をα３とした場合に、α１＜α２＜α３の関係を満たすように、前記透光性光学材料、前記接合材料および前記金属ホルダの各材料が選択されていることを特徴とする光学部品。
3. 前記接合材料と前記透光性光学材料との熱膨張係数差（α２−α１）が５〜５０×１０^-7／℃で、前記金属ホルダと前記接合材料の熱膨張係数差（α３−α２）が５〜１００×１０^-7／℃となるように前記接合材料、前記透光性光学材料および前記金属ホルダの各材料が選択されていることを特徴とする請求項２に記載の光学部品。
4. 前記透光性光学材料は熱膨張係数α１が６０〜８０×１０^-7／℃であり、前記接合材料は熱膨張係数α２が７０〜９０×１０^-7／℃であり、前記金属ホルダは熱膨張係数α３が８０〜１００×１０^-7／℃であることを特徴とする請求項２に記載の光学部品。
5. 前記透光性光学材料は該透光性光学材料の中心軸に対して対称の少なくとも２箇所以上で前記接合材料により前記金属ホルダに接合されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学部品。
6. 接合材料により透光性光学材料の周壁の一部が金属ホルダに接合された光学部品であって、
   前記金属ホルダはその中心部に前記透光性光学材料が挿入される貫通孔が形成されているとともに、該貫通孔の一端部の前記透光性光学材料との接合部に前記接合材料の溜部となるテーパー部が形成されていることを特徴とする光学部品。
7. 前記テーパー部は前記透光性光学材料の挿入方向に対して傾斜するように形成されていて、前記接合材料の厚みが前記テーパー部の傾斜に沿って薄くなるように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の光学部品。
8. 接合材料により透光性光学材料の周壁の一部が金属ホルダに接合された光学部品であって、
   前記金属ホルダはその中心部に前記透光性光学材料が挿入される貫通孔が形成されているとともに、該貫通孔の一端部の前記透光性光学材料との接合部に前記接合材料の溜部となるテーパー部が形成されており、前記貫通孔の前記一端部以外の前記透光性光学材料との接合部には前記接合材料が流れ込まないようになされており、
   前記接合材料の接合処理温度が前記透光性光学材料に形成されている反射防止膜の耐熱温度よりも低いことを特徴とする光学部品。
9. 前記透光性光学材料は光学ガラス、光学結晶、セラミックから選択されるいずれか１種であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の光学部品。
10. 前記光学ガラスはＴａＦ３（タンタルフリントガラス）であることを特徴とする請求項９に記載の光学部品。
11. 前記金属ホルダはＦｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金から選択された合金により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光学部品。
12. 前記接合材料は有機系接着剤、低融点ガラス、半田から選択されるいずれか１種であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の光学部品。
13. 透光性光学材料を接合材料により固定、保持する円筒状の金属ホルダであって、
    その中心軸に沿って前記透光性光学材料が挿入される貫通孔が形成され、
    前記貫通孔の一端部に該貫通孔より内径が大きくて該貫通孔に連続する接合材保持部が形成され、
    前記接合材保持部のうち、少なくとも前記貫通孔に連続する箇所においてテーパー部が形成されていることを特徴とする金属ホルダ。
14. Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金から選択された合金により形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の金属ホルダ。
    

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