JP2006257394A - 部材の低温接合方法およびその方法によって生産された製品 - Google Patents

Abstract

【課題】部材、特にアルミニウム−酸素網状組織によって結合された状態のレンズシステムなどの光学部材を低温で接合する方法を提供する。
【解決手段】２つの部材を、アルミン酸塩含有溶液を使用して接合し、前記アルミン酸塩溶液の成分を、接合された部材の表面の間で反応させる接合方法であり、好ましくは、水酸化ナトリウム等の塩基によって安定化されたテトラヒドロキシ・アルミン酸含有溶液を使用して、１００℃未満の温度で２つの部材を接合する方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、一般に、低温結合（ＬＴＢ）として一般に知られる、部材を結合する技術に関する。特に、本発明は、この技術によって、複数の部材をともに接合する方法およびその方法によって生産可能な製品に関する。

結合される部材の２つの表面が、適当な溶液を使用して接合され、部材界面と溶液成分との化学反応の結果として、部材間で固定した結合を生成する、一般に、低温結合として一般に知られる部材の接合技術が、従来技術分野で知られている。この方法は、とりわけ、光学用途においてガラス部材を接合するのに使用される。本発明の関連において、低温結合という用語は、低温、すなわち、通常、室温から約１００℃で、接合される少なくとも２つの部材の間で生成される結合を意味するものと理解される。

これに関連して、最も普及した方法は、通常ケイ酸ナトリウムからなるケイ酸塩含有溶液によって接合することである。この場合、反応中、ケイ素／酸素網状組織が形成され、部材間に安定した結合を生成する。このタイプの結合は、たとえば、国際公開第９７／４３１１７号から知られる。米国特許第６，２８４，０８５号は、同様に、表面でヒドロキシル基を形成することによる表面間の結合および石英ガラスを結合するためにケイ酸塩充填剤材料の使用について記載している。
国際公開第９７／４３１１７号パンフレット 米国特許第６，２８４，０８５号明細書

しかし、用途によっては、低温で生成される、これらの知られている結合に比べて熱的に安定である結合を提供することが可能であることが望ましい。
この目的は、独立請求項の主題によって、驚くほど簡単に達成される。有利な構成および改善が従属請求項で与えられる。

それに応じて、本発明は、２つの部材を結合する方法を提供する。この方法において、部材は、アルミン酸塩含有溶液を使用して接合され、アルミン酸塩溶液の成分は、接合された部材の表面の間で反応するようにされる。

こうして、本発明によれば、少なくとも２つの結合された部材を有する製品が得られ、製品において、それぞれの場合に、部材の１つの表面は、アルミニウム／酸素網状組織によって、別の部材の表面に結合される。

この方法は、ケイ酸塩の使用に基づく、以前から通例であるＬＴＢ方法を使用して達成することが可能であったものに比べて、大幅に熱的に安定な結合を形成する低温プロセスの使用を可能にする。形成されるアルミニウム／酸素網状組織は、２００℃より大きいサファイア結晶の融点と同じ融点を有する。

これに関連して、アルミン酸塩含有溶液さえも、部材の低温結合に適していることが意外にも発見された。この状況では、接合中に、テトラヒドロキシ・アルミン酸塩含有溶液を使用することが好ましい。テトラヒドロキシ・アルミン酸塩は、低温結合用の多くの知られている溶液に含有されるオルト・ケイ酸塩用の中間体として考えられ、オルト・ケイ酸塩の場合、負電荷が酸素原子上にあり、一方、テトラヒドロキシ・アルミン酸塩においては、アルミニウムが負電荷を担持する。したがって、テトラヒドロキシ・アルミン酸塩が同じ方法で反応することになることは明らかでない。さらに、オルト・ケイ酸塩と違って、テトラヒドロキシ・アルミン酸塩は、Ａｌ（ＯＨ）_３とＯＨ⁻で平衡状態にある。これは、オルト・ケイ酸塩と比較して、溶液内でテトラヒドロキシ・アルミン酸塩の安定化の問題をもたらす。

この点で、溶液中のアルミン酸塩が、塩基を使用して安定化することができることが意外にも発見された。この処置は、標準的な結合用の溶液では必要とされない。しかし、溶液中で塩基を使用するにもかかわらず、著しく安定した低温結合を得ることが意外にも可能である。塩基が存在するにもかかわらず、安定したアルミニウム／酸素網状組織が形成され、その強度は、塩基の存在によって、影響を受けないか、または、少なくとも大幅には影響を受けない。この状況では、水酸化ナトリウムで安定化されたアルミン酸ナトリウム溶液は、特に有利な配合物であることがわかった。

本発明の状況では、低温結合すなわち「ＬＴＢ」は、部材が、融点より低い溶液温度を使用して接合されることを意味するものと理解される。接合は、室温または１００℃より低い温度で起こることが好ましい。接合操作は、溶液成分による化学反応を伴い、化学反応は、好ましくは、低温で、特に、２００℃までの範囲で、特に好ましくは、１００℃までの範囲で、特には、室温で実行される。

光学品質と結合強度の両方は、接合される部材の表面の状態によって、決定的な程度の影響を受ける。部材の表面が平坦であればあるほど、結合がよりよくなる。それに応じて、研磨された部材表面が、互いに接合されることが好ましい。たとえば、１マイクロメートルより良好な、好ましくは、２００ｎｍより良好な平坦性を有する、研磨された部材表面を使用することが好都合である。低い平坦性はまた、接合の高品質にとって有利である。

さらに、光学品質、および、低温結合の、特に、アルミニウム／酸素網状組織による結合の強度は、周囲雰囲気内の二酸化炭素の存在に依存することが、意外にも明らかになった。二酸化炭素または溶液中で形成される炭酸が、結合に対して著しく有害な影響を与えることがわかった。それに応じて、本発明の有利な改善は、接合、および／または、化学反応が、低二酸化炭素雰囲気内で実行されることを可能にする。低二酸化炭素雰囲気は、通常の周囲空気に比べて、より多くの二酸化炭素を含まない雰囲気、特に、より少ない二酸化炭素しか含有しない雰囲気を意味するものと理解される。周囲空気内より多い二酸化炭素は、たとえば、ドライアイスによる部材の洗浄中に起こる場合がある。

本方法は、少なくとも１つの部材が酸化アルミニウムを含有する製品を生産するのに使用されるのが特に好ましい。こうして、アルミニウム／酸素網状組織を使用して、本発明に従って形成される結合が、特に、強度、熱安定性、および屈折率に関して、部材に対して同じまたは同様な状態を有することができる製品を作成することが可能である。本発明の改善によれば、少なくとも１つのサファイア部材が、別の部材、たとえば、別のサファイア部材または酸化アルミニウム・セラミックに接合される。たとえば、本発明の一実施形態によれば、より大きな結晶を形成するために、複数のサファイア結晶を、本発明の低温結合に従って、アルミン酸塩含有溶液を使用して結合することができる。

しかし、他の材料からなる部材を使用することも、また、可能である。例を挙げると、本方法はまた、ガラスまたはガラス−セラミック部材の、あるいは、結晶材料の高強度結合に適する。本発明によれば、これらを、その後、たとえば、サファイアのような酸化アルミニウム部材に結合することができる。

さらに、結合の強度および光学品質の点については、接合されることを意図された部材の表面の少なくとも１つの表面を、特に、表面でヒドロキシル基を形成することによって、活性化することが好都合である。活性化は、アルミン酸塩含有結合用溶液から形成されるアルミニウム／酸素網状組織と直接化学結合することをもたらす。これに関連して、酸化アルミニウムを含有する部材に関して、特定の問題が生じる。これらの部材は、塩基または酸によって、十分に活性化されないか、または、全く活性化するこができないことがわかった。しかし、アルミン酸塩含有溶液によって接合される前に、ペルオキソ一硫酸を活性化に使用した場合、このタイプの部材であっても高い強度の結合が、全く意外にも達成された。それに応じて、本発明はまた、これらの部材の低温結合のために、部材、特に、酸化アルミニウム部材を処理するための、ペルオキソ一硫酸の使用を可能にする。

したがって、本発明による方法は、全ての範囲の技術的可能性および新製品を切り開く。たとえば、複数の酸化アルミニウム部材、特に、サファイア部材が、サファイア結晶、特に、サファイア単結晶を形成するために、接合され、結合され、その後、帯域溶融法において変形されることが可能である。このようにして、さらに、４インチ以上の寸法を有する単結晶としてこれまで得られなかったサイズの、非常に大きなサファイア結晶を生産することが可能である。本発明の改善によれば、接合した部材より大きな直径を有する、サファイア結晶、特に、サファイア単結晶を形成するために、部材はまた、帯域溶融法において変形することができる。この目的で、棒状の基板を形成するために、基板を、たとえば、次々と結合することができ、こうして形成された棒は、帯域溶融中にその直径を増加することができる。こうして、少なくとも一方向に少なくとも４インチのサイズの、特に、このサイズの直径を有するサファイア単結晶を生産することが可能である。

本発明は、本発明に従って接合され、アルミニウム／酸素網状組織で結合された、少なくとも２つの光学部材または光学要素または光学部品を備える、レンズ・システムなどの光学部品の生産に、とりわけ、適している。例を挙げると、本発明によれば、サファイア窓が、高い強度および高い光学品質を持った状態で、低温結合によって、さらなる部品に結合されることが可能である。

後に続く文では、本発明は、例示的な実施形態に基づいて、かつ、図面を参照してより詳細に説明され、図面において、同じ参照名によって、同じ要素および同様な要素が提供され、種々の例示的な実施形態の特徴を、互いに組み合わせることができる。

図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態に従って、本発明による製品を生産するのに使用される工程を示す。具体的には、２つの接合された部材３および５を備えるレンズ・システムの生産が述べられる。

部材３、５を結合する方法は、部材３、５がアルミン酸塩含有溶液を使用して接合され、そして、アルミン酸塩含有溶液を、接合された部材の表面の間で反応させることに基づいている。部材３，５はそれぞれ、接合されることを意図された、表面３１または５１を有する。安定した結合を得るために、これらの表面は、１マイクロメートルより良好な、好ましくは、２００ｎｍより良好な平坦性または平面性を有するように、研磨されるのが好ましい。研磨すること、または、研磨された部材を設けることは、洗浄手順を伴う。この状況では、洗浄剤としてドライアイスを使用することが、特に、有利であることがわかった。その理由は、ドライアイスが、表面を引っ掻くリスク無しで、効率的な機械的洗浄を可能にするためである。たとえば、表面を脱脂するための、さらなる洗浄剤が、当業者に知られている。

図１Ａは、接合操作前の、さらなる準備工程を示す。表面３１、５１に対して、できる限り多くの化学結合を生成するために、表面３１、５１は、表面にヒドロキシル基を形成するために活性化される。この目的で、表面３１、５１は、活性化剤１０、１１によってそれぞれ処理される。図１Ａに示す実施例では、部材３、５のそれぞれについて、異なる活性化剤１０および１１が使用される。部材材料が同じである場合、もちろん、同じ活性化剤を使用することも可能である。

ガラスまたはガラス−セラミック部材用に適した活性化剤の例は、水酸化カリウム溶液、水酸化カリウム溶融物、濃塩酸または硝酸を含む。本発明によれば、サファイア部材には、ペルオキソ一硫酸が使用される。これは、過酸化水素および濃硫酸の混合物から得られ、表面を活性化するための、上述した塩基または酸などの、他の活性化剤より著しく優れていることがわかった。

上述した処理に続いて、部材３、５の表面３１、５１は、化学的に反応するため、化学結合が表面に形成されることができる。例を挙げると、化学結合が可能であるヒドロキシル基を、表面における活性化によって形成することができる。活性化は、たとえば、濡れ試験によって、調べることができる。表面上での水滴の小さい濡れ角は、多数のヒドロキシル基を有する反応表面を指示し、表面が首尾よく活性化されたことを実証する。一方、水滴が表面に対して低い濡れ特性を有する場合、すなわち、小水滴の濡れ角が、特に、３０°より大きい場合、表面は、比較的、反応性に乏しく、生産される低温結合の強度について不利である。

図１Ｂに示す、活性化に続いて、テトラヒドロキシ・アルミン酸塩溶液が、結合される部材５の一方の表面５１に塗布されるため、この表面上に、コーティング溶液の薄い液体膜８が形成される。アルミン酸塩が析出することを防止するため、溶液はまた、溶液を安定化する塩基を含有する。水酸化ナトリウムで安定化されたアルミン酸ナトリウム溶液は、特に適していることがわかった。テトラヒドロキシ・アルミン酸塩は、以下の反応式
ＮａＡｌＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ→Ｎａ［Ａｌ（ＯＨ）_４］
に従って、溶液内で形成される。

その後、図１Ｃに示すように、部材３および５は、互いの上部に設置することによって、結合される側面３１、５１を介して、張り合わされる。次に、アルミニウム溶液を含む液体膜８内で、化学反応が起こり、アルミニウム／酸素網状組織が形成される。接合する工程と、アルミン酸塩含有溶液を化学的に反応させる工程は共に、低温で行われる。接合は、特に、１００℃より低い温度で、特に好ましくは、室温で行われるが、室温から、約２００℃までの、特に、１００℃までの温度が、化学反応には適している。

たとえば、気候室の適度に加熱された炉において実行される化学反応中に、アルミニウム／酸素網状組織が形成され、網状組織は、部材３、５の活性化された表面３１、５１の表面において、反応基に結合する。存在する水は、結合の縁部で部分的に蒸発し、同様に、部材の性質に応じて、部材内に部分的に拡散する。

たとえば、部材を洗浄するのに、ドライアイスが使用された場合、比較的多量の炭酸が結合用溶液７または液体膜８内で形成されることを防止するために、部材が接合される前に、雰囲気が、低二酸化炭素雰囲気と交換されることも有利である。結合の強度および光学品質にとって、炭酸の存在が著しく不利であることが、意外にもわかったため、このことは当を得ている。

光学部品の形態で最終的に得られる製品において、ここで示す実施例、特に、２つの光学部材３、５を備えるレンズ・システムにおいて、特に、部材３、５の少なくとも１つの部材は、酸化アルミニウムを含有する部材であってよい。例を挙げると、酸化アルミニウム・セラミック、または、特に、サファイア部材はまた、この状況において適している。例を挙げると、両方の部材３および５が酸化アルミニウムを含有するため、サファイア部材が、酸化アルミニウム・セラミック部材に結合されることも可能である。

しかし、本発明による方法はまた、ケイ酸塩ガラスまたはリン酸塩ガラス、ガラス−セラミック、あるいは、結晶材料などの、他の材料の結合を可能にする。したがって、例を挙げると、本発明によれば、サファイア・レンズまたはサファイア窓が、ガラスでできた別の部品に結合されることが可能である。したがって、適当な材料を組み合わせることによって、赤外領域用の光学部品を作成することも可能である。

部材３、５の間で形成される、本発明による結合は、図２に図式的に示される。表面３１、５１の間に残る空間において、高強度で、かつ、高温耐性のあるアルミニウム／酸素網状組織からなる結合９が形成され、網状組織はまた、表面３１、５１の方に向いた結合線で示すように、表面の原子と化学結合するか、架橋される。安定化のために、添加された水酸化ナトリウムからの、たとえば、ナトリウム・イオン（図示せず）などの、結合溶液のさらなる成分が、網状組織内にたとえ含有されるとしても、これは、サファイアまたは純粋な酸化アルミニウムのものに匹敵する、高い強度と光学品質と熱安定性が非常に高い低温結合を形成する。

図３は、本発明に従って結合された部材のさらなる例示的な実施形態を示す。この例示的な実施形態では、複数のサファイア単結晶６１、６２、６３、６４が、接合されて、アルミン酸塩含有溶液を使用して低温結合することによる、本発明に従って生産可能な結合９によって、より大きなサファイア結晶６０が形成される。有利な改善によれば、サファイア単結晶は、結晶配向が一致するように接合される。この場合、例えば結晶６０の直径において、４インチより大きい寸法を達成することが容易に可能である。

図４は、より大きなサファイア結晶の生産についての、さらなる例示的な実施形態を示す。この実施例では、棒を形成するために、低温結合による本発明に従って複数の酸化アルミニウム部材６１、６２、６３が、接合された。部材は、たとえば、多結晶または単結晶サファイアであってよい。こうして得られる棒は、サファイア結晶、特に、サファイア単結晶を生成するために、その後、帯域溶融法で変形される。この場合、棒は、溶融ゾーン２０において、棒を局部的に溶融する加熱装置１９を通して、進行方向１８に沿って誘導される。方向１８への移動によって、溶融ゾーン２０が、棒を通して進行する。漏れ出る材料は、本方法によって変形され、個々の部材６１、６２、６３から融着された単結晶６０を生成する。もちろん、棒を固定位置に保持すること、および、加熱装置１９を棒に沿って移動することも可能である。本発明による低温結合によって、任意所望の数の部材を一列に接合することができるため、本発明は、特に、サファイア単結晶を含む、非常に長いサファイア結晶の成長を可能にする。

図５は、図４に示す実施例の変形を示す。この変形では、部材６１、６２、６３は、帯域溶融法において変形されて、サファイア結晶６０、特に、サファイア単結晶が生成され、サファイア結晶６０は、棒を形成するために、連続して張り合わされた部材６１、６２、６３より大きな直径を有するように変形された。この目的で、溶融ゾーン２０を通過した後に形成されるサファイア結晶６０は、張り合わされた部材６１、６２、６３より低い進行速度で移動する。この場合の溶融ゾーン２０は、張り合わされた部材６１、６２、６３の直径ｄから、帯域溶融法においてこれらの部材から生産されるサファイア結晶６０の直径Ｄまで広がる。

直径のかなりの変化を達成することを可能にするために、進行速度は、対応して異ならなければならない。そのため、特に、十分に長い結晶６０を得るため、または、さらに、方法がともかく実行されることを可能にするために、出発部材のある程度長い棒が必要とされる。本発明は、一列に配列され、その後、図４または図５を参照して示す方法において再溶融される、酸化アルミニウム部材、特に、サファイア結晶の十分に長い棒を生産することを初めて可能にする。たとえば、ケイ酸塩ベースの低温結合のような、以前から知られていた結合は、部材が溶融される前に、溶融し、取り外されるであろう。これに対し、本発明による結合は、サファイア結晶６０、６１、６２、６３と同様熱安定性を有し、先に概説したように、長さが長く、かつ／または、直径の大きいサファイア結晶の生産を可能にする。

したがって、図５に示す方法は、４インチ以上の直径Ｄを有するサファイア部材を得るのに容易に使用することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるのではなく、多数の方法で変更することができることが、当業者にとって明らかとなるであろう。特に、個々の例示的な実施形態の特徴が、互いに組み合わされることも可能である。

本発明による製品の生産に伴う工程段階を示す図である。 本発明による製品の生産に伴う工程段階を示す図である。 本発明による製品の生産に伴う工程段階を示す図である。 本発明による結合を図式で示す図である。 本発明に従って結合された複数のサファイア結晶を有する例示的な実施形態を示す図である。 サファイア結晶の生産のための、さらなる例示的な実施形態を示す図である。 図４に示す実施例の変形例を示す図である。

Claims (30)

1. ２つの部材を結合する方法であって、前記部材を、アルミン酸塩含有溶液を使用して接合し、前記アルミン酸塩溶液の成分を、接合された前記部材の表面の間で反応させることを特徴とする方法。
2. テトラヒドロキシ・アルミン酸塩含有溶液を、前記接合中に使用する請求項１に記載の方法。
3. 塩基によって安定化したアルミン酸塩溶液を使用する請求項１乃至２に記載の方法。
4. 前記部材を、水酸化ナトリウムで安定化したアルミン酸ナトリウム溶液を使用して接合する請求項３に記載の方法。
5. 前記２つの部材を、１００℃未満の温度で接合する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 接合された前記表面間における前記アルミン酸塩溶液の前記成分の反応を、２００℃までの範囲の温度で行う請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 接合される部材の前記表面は、１マイクロメートル未満、好ましくは、２００ｎｍ未満の平面性に研磨するか、または、この程度に研磨された表面を有する部材を使用する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 接合されることを意図される前記部材の表面は、接合される前に、特に、前記表面においてヒドロキシル基を形成するために活性化される請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 接合されることを意図される前記部材の表面の少なくとも一方の表面は、ペルオキソ一硫酸で処理される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 少なくとも一方の部材が酸化アルミニウムを含有する、少なくとも２つの部材が接合される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. サファイア部材が、さらなる部材に接合される請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 複数のサファイア単結晶部材は、接合されることによってより大きな結晶を形成するように結合される請求項１１に記載の方法。
13. 複数の酸化アルミニウム部材、特に、サファイア部材は、接合され、結合され、その後、帯域溶融法において、サファイア結晶、特に、サファイア単結晶に変換される請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記部材は、サファイア結晶、特に、接合された前記部材より大きな直径を有するサファイア単結晶を形成するために、帯域溶融法において変形される請求項１３に記載の方法。
15. 複数の部材は、光学部品、特に、レンズ・システムを生産するために接合される請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記部材の前記接合および／または前記アルミン酸塩含有溶液の成分の前記反応を、二酸化炭素が低い雰囲気で行う請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 少なくとも一方向に、少なくとも４インチのサイズの、特に、少なくとも４インチの直径を有し、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の方法によって、特に、生産可能であるサファイア単結晶。
18. 部材の低温結合のためのアルミン酸塩含有溶液。
19. アルミン酸テトラヒドロキシを含有する請求項１８に記載のアルミン酸塩含有溶液。
20. 前記溶液中の前記アルミン酸塩は、塩基によって安定化されている請求項１８または１９に記載のアルミン酸塩含有溶液。
21. 水酸化ナトリウムによって安定化されたアルミン酸ナトリウムを含有する請求項１乃至２０のいずれか１項に記載のアルミン酸塩含有溶液。
22. 少なくとも２つの結合された部材を備える製品であって、いずれの場合も、部材の１つの表面が、アルミニウム−酸素網状組織によって、別の部材の表面に結合されるていることを特徴とする製品。
23. 前記部材の研磨された表面が互いに結合される請求項２２に記載の製品。
24. 前記部材の接合された表面は、１マイクロメートル未満、好ましくは、２００ｎｍ未満の平面性を有する請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の製品。
25. 前記部材の少なくとも一方は、酸化アルミニウムを含有する請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の製品。
26. 前記部材の少なくとも一方は、サファイア結晶または酸化アルミニウム・セラミックである請求項２５に記載の製品。
27. 一方向に少なくとも４インチのサイズの、サファイア結晶、特に、サファイア単結晶を備える請求項２５または２６に記載の製品。
28. 少なくとも２つの光学部材が、前記アルミニウム−酸素網状組織によって結合された状態の、光学部品、特に、レンズ・システムを備える請求項１乃至２７のいずれか１項に記載の製品。
29. 前記結合された部材の少なくとも一方の部材が、ガラスか、ガラス−セラミック部材か、または、結晶材料である請求項１乃至２８のいずれか１項に記載の製品。
30. 部材、特に、酸化アルミニウム部材を、低温結合のために活性化するための、ペルオキソ一硫酸の使用。

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