JP2015224177A - 光学部品 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間の過酷環境下での使用においても、赤外線透過特性が低下しない、優れた耐候性を有する光学部品を提供する。【解決手段】光学部品は、ＺｎＳ焼結体を含む基材と、基材の主面上に積層される２種類以上の中間層を含む多層中間膜と、多層中間膜上に積層されるダイヤモンドライクカーボンで形成される表面層とを有し、多層中間膜は、ダイヤモンドライクカーボンで形成される中間層を含む。【選択図】なし

Description

本発明は光学部品に関し、より特定的には赤外線光学部品に関する。

近年、物体から放射又は放散される熱による赤外線を検知する各種の赤外線検出機器の開発が進められている。これらの赤外線検出機器の光学窓などを構成する赤外線光学部品は、必要な波長帯の赤外線を透過する材料で作製することが要求される。

赤外線透過材料としては、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）などの誘電体や、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体が挙げられる。これらの材料のうち、ＺｎＳは、透光性を示す波長領域が０．４μｍ以上１４．４μｍ以下と広く、比較的大きな多結晶バルク材料を得ることができるので、赤外線光学部品の構成材料として、今後の応用が期待されている。

しかしながら、ＺｎＳはヌープ硬度が約２５０ｋｇ／ｍｍ^２程度で、機械的接触に対してやや弱く、表面損傷を受けやすいため、長期間の使用に伴い赤外線透過特性が低下するという問題があった。

特開平４−２１７２０２号公報（特許文献１）には、赤外線光学部品の表面の機械的強度を向上するために、基材の少なくとも一表面に、最外層に形成したダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素層と、このダイヤモンド層またはダイヤモンド状炭素層の内側に隣接させて形成したＧｅ層とを含む多層コート膜を形成した赤外線光学部品が開示されている。

特開平４−２１７２０２号公報 米国特許第５５１０１８６号明細書 特開平５−０６５６２５号公報

近年では、赤外線光学部品は、たとえば防犯カメラ、航空機や人工衛星などの屋外で使用されることが多くなっている。このような環境下では、赤外線光学部品は雨滴や紫外線に暴露されることになる。赤外線光学部品に使用されるＺｎＳは、水分および紫外線により容易に酸化する。したがって、ＺｎＳを用いた赤外線光学部品は、屋外での使用により、赤外線透過特性が低下してしまうという問題があった。

そこで、本目的は、長時間の過酷環境下での使用においても、赤外線透過特性が低下しない、優れた耐候性を有する光学部品を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光学部品は、ＺｎＳ焼結体を含む基材と、基材の主面上に積層される２種類以上の中間層を含む多層中間膜と、多層中間膜上に積層されるダイヤモンドライクカーボンで形成される表面層とを有し、多層中間膜は、ダイヤモンドライクカーボンで形成される中間層を含む、光学部品である。

上記態様によれば、長時間の過酷環境下での使用においても、赤外線透過特性が低下しない、優れた耐候性を有する光学部品を提供することが可能となる。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

本発明の一態様に係る光学部品は、（１）ＺｎＳ焼結体を含む基材と、前記基材の主面上に積層される２種類以上の中間層を含む多層中間膜と、前記多層中間膜上に積層されるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ，以下ＤＬＣとも記す）で形成される表面層（以下、ＤＬＣ表面層とも記す）とを有し、前記多層中間膜は、ダイヤモンドライクカーボンで形成される中間層（以下、ＤＬＣ中間層とも記す）を含む、光学部品である。

本発明の一態様に係る光学部品は、ＺｎＳ焼結体上に、ＤＬＣ中間層およびＤＬＣ表面層が形成されているため、外部環境の影響でＤＬＣ表面層が破壊または剥離されても、ＤＬＣ中間層によって、ＺｎＳ焼結体を保護することができる。したがって、光学部品を過酷環境下で長期間使用しても、光学部品の赤外線透過特性の低下を抑制することができ、優れた耐候性を有する光学部品を提供することが可能となる。

（２）前記多層中間膜はＺｎＳで形成される中間層を含まないことが好ましい。従来、基材の保護膜としてダイヤモンドライクカーボンを使用する際には、膜設計の容易性の観点から中間層としてゲルマニウムとＺｎＳの組合せを使用していた。しかし、ＺｎＳは水分や紫外線の影響により酸化されやすいため、外部環境によって赤外線透過性が低下しやすい。したがって、光学部品の多層中間膜がＺｎＳで形成される中間層を含まないと、光学部品の耐候性が向上する。
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る光学部品の具体例を、以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜光学部品＞
本発明の一実施形態に係る光学部品は、ＺｎＳ焼結体を含む基材と、前記基材の主面上に積層される２種類以上の中間層を含む多層中間膜と、前記多層中間膜上に積層されるダイヤモンドライクカーボンで形成される表面層とを有し、前記多層中間膜は、ダイヤモンドライクカーボンで形成される中間層を含む。

＜基材＞
本発明の一実施形態に係る光学部品は、基材として、ＺｎＳ焼結体を用いる。従来、光学部品の基材には、気相合成（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて作製される高純度な緻密体であるＺｎＳが用いられていた。しかし、気相合成によるＺｎＳの作製では、合成装置や原材料にコストがかかるため、コスト面の改善が望まれていた。

本発明で用いるＺｎＳ焼結体は、共沈法などの粉末合成法で安価に作製可能なＺｎＳ粉末を焼結して得られるため、コスト面で有利である。

ＺｎＳ焼結体はたとえば下記の製造方法によって得ることができる。まず、原料粉末を準備する。この工程では、平均粒径１〜３μｍ、純度が９５％以上であるＺｎＳの原料粉末を準備することが好ましい。

次に、成形工程が実施される。この工程では、たとえば超硬合金、工具鋼などからなる硬質の金型を使用した一軸式金型プレスを用いた成形により、前工程において準備された原料粉末がプレス成形されて、所望の概略形状を有する成形体が作製される。

次に、予備焼結工程が実施される。この工程では、成形工程において作製された成形体に対して、たとえば３０Ｐａ以下の真空雰囲気下または大気圧の窒素ガス等の不活性雰囲気下で５００℃以上１０００℃以下の温度に加熱され、０．５時間以上１５時間以下保持される熱処理が実施されて、予備焼結体が作製される。これにより、たとえば相対密度５５〜８０体積％程度の予備焼結体が得られる。

次に、加圧焼結工程が実施される。この工程では、予備焼結工程において作製された予備焼結体が、型により拘束されつつ加圧され、かつ加熱されることにより変形されて、加圧焼結体が作製される。具体的には、まず、たとえばガラス状カーボンからなり、鏡面研磨された拘束面を有する１対の型（上型および下型）の間に予備焼結体を載置する。そして、当該１対の型を用いて予備焼結体をたとえば温度５５０℃以上１２００℃以下、圧力１０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下の条件で１分以上６０分以下保持して、加圧しつつ加熱する。これにより、上記予備焼結体が加圧されつつ焼結され、加圧焼結体（ＺｎＳ焼結体）が得られる。その後、必要に応じてＺｎＳ焼結体に対して仕上げ加工が実施される。この仕上げ加工は、加圧焼結工程が完了した時点において、ＺｎＳ焼結体が目的の形状となっている場合、省略することができる。

＜多層中間膜＞
前記基材の主面上には２種類以上の中間層を含む多層中間膜が積層されており、前記中間層のうち、少なくとも１層はダイヤモンドライクカーボンで形成される。ダイヤモンドライクカーボンは、結晶構造中にダイヤモンドのｓｐ３結合と、グラファイトのｓｐ２結合の両方を含むアモルファス（非晶質）構造の炭素膜である。

ダイヤモンドライクカーボン中に含まれるｓｐ３結合とｓｐ２結合の比率や、結晶構造中の水素原子の比率、結晶構造中の他の金属元素の有無などによって、ＤＬＣの物性が変化する。一般的に、ＤＬＣ中のｓｐ３結合の比率が高ければ、ダイヤモンドに似た物性になり、ｓｐ２結合の比率が高ければグラファイトに似た物性となる。また、ＤＬＣ中の水素原子の比率が高くなると、ポリマー様の物性になる傾向がある。

ＤＬＣは、たとえば、ｓｐ３結合、ｓｐ２結合および水素含有量に基づき、ｔａ−Ｃ（テトラへドラルアモルファスカーボン）、ａ−Ｃ（アモルファスカーボン）、ｔａ−Ｃ：Ｈ（水素化テトラへドラルアモルファスカーボン）、ａ−Ｃ：Ｈ（水素化アモルファスカーボン）に分類することができる。中でも、ｔａ−Ｃは高硬度であるため、中間層の材料として適している。

ダイヤモンドライクカーボンで形成される中間層は、ヌープ硬度が２０００〜１００００ｋｇ／ｍｍ^２と非常に高く、機械的強度および耐候性に優れている。したがって、基材上にＤＬＣで形成される中間層が積層されると、機械的接触や長期間の過酷環境下での使用による基材の損傷を防止することができる。

中間層の材料としては、ＤＬＣ以外に、シリコン、ゲルマニウム、ＧａＰ、ＢＰ、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＹＦ_３、ＬａＦ_３、ＣｅＦ_３、ＭｇＦ_２、ＺｎＳｅからなる群より選ばれる１種類以上を用いることができる。中でも、シリコンおよびゲルマニウムは、ＤＬＣとの接着性に優れているため、中間層の材料として用いると、ＤＬＣ中間層およびＤＬＣ表面層の剥離を抑制することができる。

多層中間膜における中間層の積層順は、多層中間膜の表面層と接する層がＤＬＣ中間層でなければ特に限定されない。たとえば、基材の上にＤＬＣ中間層を積層し、その上にＤＬＣ以外の材料で形成される中間層を積層してもよい。また、基材の上にＤＬＣ以外の材料で形成される中間層を積層し、その上にＤＬＣ中間層を積層し、さらにＤＬＣ中間層上にＤＬＣ以外の材料で形成される中間層を積層してもよい。

多層中間膜中のＤＬＣ中間層の数は１層以上であれば特に限定されない。ＤＬＣ中間層の数が多いほど、光学部品の強度および耐候性が向上する。生産性の観点から、多層中間膜中のＤＬＣ中間層の数は４層以下が好ましい。各ＤＬＣ中間層の厚みは適宜選択すればよいが、たとえば、５ｎｍ以上２００μｍ以下とすることが好ましく、５０ｎｍ以上５μｍ以下とすることがさらに好ましい。

多層中間膜中のＤＬＣ以外の材料で形成される中間層の数は１層以上であれば特に限定されない。生産性の観点から、ＤＬＣ以外の材料で形成される中間層の数は４層以下が好ましい。ＤＬＣ以外の材料で形成される各中間層の厚みは適宜選択すればよいが、たとえば、５ｎｍ以上２００μｍ以下とすることが好ましく、５０ｎｍ以上２０μｍ以下とすることがさらに好ましい。

多層中間膜全体の厚みは適宜選択すればよいが、たとえば、１０ｎｍ以上４００μｍ以下とすることが好ましく、１００ｎｍ以上２５μｍ以下とすることがさらに好ましい。

ＤＬＣ中間層は、公知のプラズマＣＶＤ法、熱フィラメント法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、イオンビーム法などにより形成することができる。ＤＬＣ以外の材料で形成される中間層は、公知のスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法およびプラズマＣＶＤ法などにより形成することができる。

＜表面層＞
表面層はダイヤモンドライクカーボンで形成される。表面層を形成するＤＬＣとしては、ＤＬＣ中間層のＤＬＣと同様のものを用いることができる。

表面層の厚みは適宜選択すればよいが、たとえば、２０ｎｍ以上２００μｍ以下とすることが好ましく、１００ｎｍ以上１０μｍ以下とすることがさらに好ましい。

表面層は公知のプラズマＣＶＤ法、熱フィラメント法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、イオンビーム法などにより形成することができる。

本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。

＜ＺｎＳ焼結体の準備＞
原料粉末としてＺｎＳからなり、平均粒径が２μｍ、純度９８％であるＺｎＳの粉末を準備した。次に、当該原料粉末を一軸式金型プレス（冷間プレス）により成形し、直径φ２０ｍｍ、厚み５ｍｍの円盤状の予備成形体を作製した。次に、得られた予備成形体を窒素雰囲気中で８００℃に加熱し、５時間保持することにより、相対密度約６０％の予備焼結体を得た。

次に、ガラス状カーボンからなり、鏡面研磨された拘束面を有する１対の型（上型および下型）の間に予備焼結体を載置し、当該１対の型を用いて５０ＭＰａの圧力で予備焼結体を加圧しつつ、１０００℃に加熱して３００秒間保持した。以上のプロセスにより、直径φ２０ｍｍ、厚み３ｍｍのＺｎＳ焼結体からなる基材を得た。

＜多層中間膜および表面層の形成＞
［製造例１］
得られた基材上に、中間層としてシリコン層を積層して形成し、さらに中間層上に表面層としてＤＬＣ層を形成し、光学部品を得た。

［製造例２］
得られた基材上に、多層中間膜としてシリコン層、ゲルマニウム層、ＤＬＣ層、シリコン層およびゲルマニウム層を前記の順に積層して形成し、さらに多層中間膜上に表面層としてＤＬＣ層を形成し、光学部品を得た。

［製造例３］
得られた基板上に、多層中間膜としてシリコン層、ＤＬＣ層、シリコン層およびゲルマニウム層を前記の順に積層して形成し、さらに多層中間膜上に表面層としてＤＬＣ層を形成し、光学部品を得た。

なお、製造例１〜３において、シリコン層およびゲルマニウム層は電子ビームを用いる真空蒸着法により、基板温度１５０℃で形成した。ＤＬＣ層は、原料としてメタンガスを用い、１３．５６ｍＨｚの高周波によるプラズマＣＶＤ法により基板温度１５０℃で形成した。シリコン層の厚みは５ｎｍ以上２μｍ以下、ゲルマニウム層の厚みは５ｎｍ以上１０μｍ以下、ＤＬＣ層の厚みは２０ｎｍ以上２００μｍ以下、多層中間膜の合計の厚み１００ｎｍ以上２５μｍ以下となるように設計した。

＜評価＞
得られた光学部品について、耐候性試験および付着試験を行った。

（耐候性試験）
ＪＩＳ Ｄ ０２０５（自動車部品の耐候性試験方法）に準拠して、耐候性試験を行った。具体的には、光学部品に温度６３±３℃、湿度５０±５％の環境下で、サンシャインカーボンアーク灯（２５５Ｗ／ｍ^２）を１０００時間照射した。試験の前後で、光学部品の波長８μｍ以上１２μｍ以下の赤外光の平均透過率を測定した。試験前の赤外光の平均透過率に対する、試験後の赤外光の平均透過率の低下率について、以下の評価基準で評価した。結果を表１に示す。
赤外光の平均透過率の低下率が１５％以内：Ａ
赤外光の平均透過率の低下率が１５％を超える：Ｂ
（付着試験）
多層中間膜および表面層の付着性に関して、ＭＩＬ−Ｆ−４８６１６に準拠して、テープテストで評価した。具体的には、コーティング表面にセロハンテープをしっかりと貼付、剥がした。製造例１の付着性を基準（良好）として、各製造例について相対評価を行った。結果を表１に示す。

＜評価結果＞
製造例１の光学部品はＤＬＣ層を１層含み、製造例２および製造例３の光学部品は、ＤＬＣ層を２層含む。製造例２および製造例３は、製造例１と同等の良好な付着性を維持したまま、耐候性が向上していた。

本発明の光学部品は、屋外の劣悪環境下で使用される機器に用いると有益である。

Claims (2)

1. ＺｎＳ焼結体を含む基材と、
   前記基材の主面上に積層される２種類以上の中間層を含む多層中間膜と、
   前記多層中間膜上に積層されるダイヤモンドライクカーボンで形成される表面層とを有し、
   前記多層中間膜は、ダイヤモンドライクカーボンで形成される中間層を含む、光学部品。
2. 前記多層中間膜はＺｎＳで形成される中間層を含まない、請求項１に記載の光学部品。