JP2023068625A - 単結晶サファイアの種結晶、所望の結晶配向を有するサファイア単結晶を製造する方法、及び携行型時計及び宝飾品のための外側部品又は機能部品 - Google Patents

単結晶サファイアの種結晶、所望の結晶配向を有するサファイア単結晶を製造する方法、及び携行型時計及び宝飾品のための外側部品又は機能部品 Download PDF

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Abstract

【課題】欠陥が少なく加工しやすいサファイア単結晶の製造方法の提供。【解決手段】方法は、るつぼ内で溶融溶融したアルミナ及び／又はサファイアを、単結晶サファイアの種結晶１に接触させ、成長方向に沿って徐々に結晶化させて、サファイア単結晶６を形成するステップを備える。単結晶サファイアの種結晶１は、３つの結晶軸Ａ、Ｃ及びＭを定める菱面体晶系結晶構造を有し、３つの結晶軸Ａ、Ｃ及びＭは、互いに垂直であり、かつ、それぞれ結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、単結晶サファイアの種結晶１は、互いに平行かつ離れて延在している２つの平坦な面４によって境界が形成されたプレート２あり、単結晶サファイアプレート２の結晶軸Ａ、Ｃ又はＭのいずれかが、単結晶サファイアプレート２の平坦な面４の法線Ｄ１と、５～８５°の角度αを形成するように初期サファイア単結晶を切り出して得られる。【選択図】図１

Description

本発明は、所望の結晶配向を有する単結晶サファイアの種結晶を製造する方法に関する。本発明は、さらに、このような単結晶サファイアの種結晶から所望の結晶配向を有するサファイア単結晶を製造する方法に関する。本発明は、さらに、このようなサファイア単結晶から切り出した携行型時計（例、腕時計、懐中時計）及び宝飾品のための外側部品又は機能部品に関する。
いわゆる単結晶材料は、１ｍｍ～数ｍの大きさのマクロ規模の１つの結晶によって構成している。単結晶の最も一般的な用途の１つは、宝飾品に用いることである。実際に、宝石によって作られた装飾品は、ルビー、サファイア、ダイヤモンドのような単結晶を用いて作られていることが多い。しかし、あまり知られていないだけで最先端の技術分野においても単結晶は不可欠なものとなっている。エレクトロニクスや一部の太陽電池に用いられるケイ素、そして、かなり多くの固体レーザーに用いられる化合物が単結晶であるためである。単純なレーザーポインターから、航空機用タービン、光学機器、核融合用のパワーレーザーまで、至るところで用いられており、単結晶材料の用途は多岐にわたる。
化合物が単結晶の形態であると、透明性や複屈折のような特定の光学的性質を有することがある。アルミナＡｌ2Ｏ3結晶は、純度が高いと透明であり、携行型時計の製造業界では携行型時計用風防の製造において、よく用いられている。アルミナＡｌ2Ｏ3結晶は、ドーパントや不純物で着色して貴石として用いられる。単結晶を構成する原子やイオンの化学的環境は、完全に定められ、同じ単位が繰り返されて組織化しており、このために、この環境に導入されるドーパントの占有可能なサイトはごくわずかであるが、これによって、そのドーパントは単結晶に非常に特異な性質を与えることができる。例えば、単結晶材料にドープしてレーザー発光源を作る場合、限られたサイトにしかドーパントが分布しないために、ドーパントの電子遷移時に発するエネルギーの変化が小さく、このことによって、精密なレーザー発光を得ることができる。同様に、単結晶ドーパントにおいてドーパントが占有しうるサイトが具体的に定まっているために、このようなドーパントの存在に固有の性質を変えることが可能になる。例えば、アルミナ結晶中のＣｒ+3イオンの存在によって、ルビーの赤色が発生し、同じＣｒ+3イオンを含むベリル（ＢｅeＡｌ2Ｓｉ6Ｏ18）は緑色になり、これがエメラルドと呼ばれる。
このため、単結晶化合物においてドーパントの形態の欠陥が存在することが技術的な応用のために望まれることがある。しかし、制御されていない不純物、転位や破断のような構造欠陥については、望まれていない。このため、一般的には、可能な限り品質の高い単結晶を用いることが望まれる。自然界でも単結晶を見つけることは可能だが、一般的には希であり、欠陥が非常に多い。このため、２０世紀初頭から数々の合成技術が開発されてきた。人工単結晶を得るには、以下のようないくつかの方法がある。
－ 化合物の過飽和溶液から得る。
－ 溶融した化合物から得る。
－ 化学気相成長法によって得る。
ここにおいて、製造された人工単結晶の８０％近くを占める、溶融状態での結晶化による単結晶の合成に焦点を当てる。溶融状態において単結晶化合物を結晶化させる方法は、フランスのオーギュスト・ヴェルヌイユ（Auguste Verneuil）によるところが大きい。この方法は、ヴェルヌイユが宝飾品を作るためにルビーの合成を考えていたときに１８９１年に提案されており、予め用意された種結晶と呼ばれる単結晶の一部を、溶融された材料に接触させて結晶化させるものである。ルビーやサファイアを構成する化学式がＡｌ2Ｏ3であるコランダムを合成するためには、炎温度が約２７００℃である酸素水素トーチ（Ｈ2＋Ｏ2→Ｈ2Ｏ）を用いて到達させるような非常に高い温度（融点：２０５０℃）にする必要がある。微粉末の状態のアルミナ（ドープされている場合もある）が、バイブレーターによってトーチの炎に直接少量ずつ落とされる。こうして形成される溶融アルミナ滴は、種結晶の頂部に落下し、この種結晶の結晶構成に従って結晶化される。一定の温度で結晶化させるために、成長している単結晶を徐々に下げていく。合成の最後には、瓶の形をした単結晶が得られる。
ヴェルヌイユ法は、現在もほぼ同じ形態で、特に、宝飾品や携行型時計用のコランダム（ルビー、サファイア、携行型時計用風防など）の工業生産のために、用いられている。ヴェルヌイユ法は、他の方法よりも単結晶の欠陥が多くなるが、比較的安価であり迅速であるという利点がある。この方法を用いると、例えば、１０時間程度で単結晶を得ることができる。しかし、ヴェルヌイユ法によって得られるサファイア単結晶は、転位密度が大きく、局所的な配向ずれを制御することができない。また、気泡、網目、含有物のような欠陥がヴェルヌイユ法による単結晶にあると、携行型時計用風防などの完成品において肉眼で確認することができてしまうことがある。
本発明は、るつぼ内において溶融状態で結晶化させることによって単結晶を合成する方法に着目している。特に、本発明は、ＥＦＧタイプ、ＨＥＭタイプ、Kyropoulosタイプ、Czochralskiタイプ、Bridgman Verticalタイプ、Bridgman Horizontalタイプ及びMicro Pulling Downタイプの単結晶成長技術に着目している。
１９１５年にJ. Czochralskiによって提案されたCzochralski法は、溶融状態において単結晶を結晶化するための代表的な方法である。Czochralski法は、Verneuil法と同じ原理、すなわち、材料を溶融させて予め得た単結晶の種結晶に接触させて結晶成長させること、に基づいているが、Verneuil法とは、溶融する材料を少量ずつ徐々に投入するのではなく実験開始時に全量投入されて溶融させる点で異なっている。このため、化学的に不活性であり高温に耐えられる材料、例えば、白金やイリジウム、によって作られたるつぼ内に、溶融する材料を入れる。高周波電流が流れる導電性コイルの中心にるつぼを置いて、誘導によってるつぼを加熱する。材料が溶融して温度が安定したら、耐火性の棒体上に予め得た単結晶の種結晶を配置して、溶融材料と接触させる。その後に、比較的温度が低い領域の方へと種結晶をゆっくりと引き上げて、種結晶に接触している溶融材料を結晶化させる。このようにして、単結晶を引き上げて溶融材料から単結晶を得る。耐火性の棒体を継続的に回転させて、結晶化しようとする溶融材料層を均質化する。
Czochralski法において、結晶化させる材料の融点に非常に近い温度であるが高すぎない温度にセットする必要があるために、温度制御には注意が必要である。温度が高すぎると、種結晶が溶けてなくなってしまう。しかし、Czochralski法を実行することが難しくても、作られる結晶の品質は高く、この観点からCzochralski法は実績のある結晶成長技術である。
化学組成がＡｌ2Ｏ3であるサファイアは、その優れた物理的性質のおかげで、様々な用途に適している。サファイアはダイヤモンドの次に硬く耐久性の高い材料であるため、携行型時計の業界において、さらには、高性能が求められる分野において、用いることができる。合成サファイアは、不活性であり、研磨された状態では透明であり、耐酸性があり、導電率が低く、融点が２０００℃よりも高く、非常に需要が高い用途に適している。サファイアは、ほぼ破壊されず、実際に、あらゆる外的攻撃に耐えることができる。サファイアによって作られた携行型時計用風防や技術的部品は、傷がつきにくく、その表面は無孔で光沢があり、研磨すれば完璧な透明度を得ることができる。
上記のように、るつぼ内において溶融状態で結晶化させて単結晶を合成する方法によって、高品質の単結晶サファイアを製造することができる。しかし、このような方法は、所望の結晶の品質を得るために成長速度を一般的には遅くする必要があり、るつぼのような道具を多く必要とし、複雑であるために、高コストである。したがって、Czochralski法による単結晶の製造には、１週間以上の時間がかかることがある。このため、可能な限り欠陥のない単結晶を作ることが望まれる。
携行型時計用風防は、サファイア単結晶を切って形成したブランクを機械加工して得られる。しかし、これまでは、るつぼ内において溶融状態で結晶化させることによって作るサファイア単結晶は、サファイアの主結晶軸、一般的には［Ａ］又は［Ｍ］、のいずれかに対応する方向に沿ってサファイア単結晶を成長させることによって得てきた。これらの結晶成長モードは、現状では、表面の法線が結晶軸［Ａ］又は［Ｍ］でありこの表面に結晶軸［Ｃ］が含まれるようなブランクが作られる。このような結晶配向であるために、加工に対してブランクが脆くなり、破片の発生が多くなってしまうことがわかっている。したがって、携行型時計用風防の加工が難しくなり、スクラップ率が高くなり、このような風防のコストを大幅に上げてしまう。
本発明は、欠陥が少なく加工しやすいサファイア単結晶を得ることができるような、サファイア単結晶を製造する方法を提供することによって、上記問題点及び他の問題点を克服することを目的とする。
前置きとして、以下において検討される単結晶サファイアの種結晶が、特定の第１のサファイア単結晶から切り出され、そして、この単結晶サファイアの種結晶を用いてを成長させて第２のサファイア単結晶を作り、この第２のサファイア単結晶を切って所望の風防のブランクを形成することを理解することは重要である。
このため、本発明は、単結晶サファイアの種結晶を製造する方法に関し、前記単結晶サファイアの種結晶は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有し、前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、前記単結晶サファイアの種結晶は、互いに平行かつ離れて延在している２つの平坦な面によって境界が形成されたプレートであり、前記単結晶サファイアプレートは、前記単結晶サファイアプレートの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、前記単結晶サファイアプレートの前記平坦な面の法線と、５～８５°の角度を形成するように初期サファイア単結晶を切り出して得られる。
特別な実施形態において、本発明は、さらに、単結晶サファイアの種結晶を製造する方法に関し、前記単結晶サファイアの種結晶は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有し、前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ菱面体構造の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、前記単結晶サファイアの種結晶は、結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、得られる単結晶サファイアバーの断面の法線と、５～８５°の範囲内の角度を形成するように初期サファイア単結晶を切り出して予め得たバーである。
別の特別な実施形態において、本発明は、さらに、サファイア単結晶を製造する方法（６、１８Ｂ）に関し、アルミナ及び／又はサファイアをるつぼ内で溶融させ、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを、プレート状又はバー状の単結晶サファイアの種結晶に接触させて、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを成長方向に沿って徐々に結晶化させて、サファイア単結晶を形成するステップを備える。
別の特別な実施形態において、本発明は、さらに、型の上部において溶融状態で結晶化することによって得られるサファイア単結晶を製造する方法に関し、アルミナ及び／又はサファイアをるつぼで溶融させ、溶融したアルミナ及び／又はサファイアをダイのチャネルを通して、予め得た単結晶サファイアの種結晶に接触させて、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを成長方向に沿って徐々に結晶化させて、サファイア単結晶を形成するステップを備え、前記単結晶サファイアの種結晶は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有し、前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ菱面体構造の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、前記単結晶サファイアの種結晶は、互いに平行かつ離れて延在している２つの平坦な面によって境界が形成された第１のプレートであり、前記結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、前記第１の単結晶サファイアプレートの前記平坦な面に垂直であり、前記第１の単結晶サファイアプレートは、前記ダイの前記チャネルによって定められる平坦な面に対する垂直方向に対して５～８５°の範囲内の角度傾斜しており、前記結晶成長によって得られたサファイア単結晶は、互いに平行に距離を置いて延在している２つの平坦な面によって境界が形成される第２の単結晶サファイアプレートであり、前記第２の単結晶サファイアプレートにおいては、結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］が、前記平坦な面の法線に対して、前記ダイの前記チャネルに対する前記第１のプレートの傾斜に対応する配向ずれがある。
本発明に係る方法の特定の実施態様は、以下の特徴を有する。
－ 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアプレートの前記平坦な面の前記法線と、２５～３５°の範囲内の角度を形成する。
－ 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアプレートの前記平坦な面の前記法線と、５～１５°の範囲内の角度を形成する。
－ 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアバーの断面の法線と、２５～３５°の範囲内の角度を形成する。
－ 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアバーの断面の法線と、５～１５°の範囲内の角度を形成する。
－ 前記サファイア単結晶を製造する方法は、ＥＦＧ法、ＨＥＭ法、Kyropoulos法、Czochralski法、Bridgman Vertical法、Bridgman Horizontal法及びMicro Pulling Down法から選択される方法を用いる。
－ 溶融したアルミナ及び／又はサファイアは、純物質である又はドープされている。
－ サファイアのスクラップを用いる。
－ 前記サファイア単結晶を得た後に、携行型時計又は宝飾品のための外側部品又は機能部品を前記サファイア単結晶から切り出す。
－ 前記外側部品又は機能部品は、携行型時計のブリッジ、プレート、風防、ケース、表盤又はリストレットリンクである。
別の特別な実施形態において、本発明は、単結晶サファイアシリンダーを製造する方法に関し、この方法は、切削工具を用いて、結晶軸［Ａ］又は［Ｍ］又は［Ｃ］のいずれかに沿って成長したサファイア単結晶ボールに対して、前記サファイア単結晶ボールの成長結晶軸と５～８５°の範囲内の角度を形成する方向に沿ってコアドリリングを行うステップを備える。
本発明は、さらに、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有する単結晶サファイアの種結晶に関し、前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ菱面体構造の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、前記単結晶サファイアの種結晶は、互いに平行かつ離れて延在している２つの平坦な面によって境界が形成されたプレートであり、前記単結晶サファイアプレートの前記結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかは、前記単結晶サファイアプレートの平坦な面の法線と、５～８５°の範囲内の角度を形成する。
本発明は、さらに、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める単結晶サファイアの種結晶に関し、前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、前記単結晶サファイアの種結晶は、単結晶サファイアバーであり、前記単結晶サファイアバーの前記結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかは、前記単結晶サファイアバーの断面の法線と、５～８５°の範囲内の角度を形成する。
本発明は、さらに、互いに離れて延在している２つの面によって境界が形成される携行型時計用風防のブランクに関し、前記２つの面のうちの少なくとも１つの面は、平坦であり、前記ブランクは、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体構造を有する単結晶サファイアによって作られ、前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、前記結晶軸［Ｃ］が前記ブランクの前記平坦な面内に含まれないように、前記結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかは、前記ブランクの平坦な面の法線と、５～８５°の範囲内の角度を形成する。
最後に、本発明は、本発明の方法に従って得られたサファイア単結晶から切り出された、携行型時計及び宝飾品のための外側部品又は機能部品、特に、携行型時計のブリッジ、プレート、風防、ケース、表盤、又はリストレットリンク、に関する。
これらの特徴によって、本発明は、加工しやすい状態の携行型時計用風防を製造することを可能にする方法を提供する。特に、本発明に係る方法によって得られる携行型時計用風防は、サファイア単結晶から切り出して得られ、このサファイア単結晶は、プレート又はバーの形態の単結晶サファイアの種結晶に接触させて結晶成長させることによって得られ、この種結晶は、単結晶サファイアのプレート又はバーの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、プレートの平坦な面の法線又はバーの断面の法線と、５～８５°の範囲内の角度を形成するように加工される。本発明に係る方法を実行して得られたサファイア単結晶から切り出して得た携行型時計用風防のブランクは、その結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］の１つが、その表面の法線に対して、そのブランクが切り出されたサファイア単結晶の元となったサファイアの種結晶の結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］の１つの配向ずれと同じ値だけ、角度的にずれている。この結果、サファイア単結晶の結晶成長の種結晶となる単結晶サファイアプレートの平坦な面又は単結晶サファイアバーの断面の法線に対する結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］の角度的なずれのおかげで、結晶軸［Ｃ］が、一般的には携行型時計用風防のブランクの平坦な面内に含まれず、このために、この結晶軸［Ｃ］が携行型時計用風防のブランクのエッジをまたがる箇所において通常発生する機械加工に対する最大の脆弱性を概して回避することができる。このため、この携行型時計用風防のブランクは、硬度が低く、これによって、加工がしやすくなっている。特に、この携行型時計用風防のブランクは壊れにくいため、加工時にブランクのエッジが欠けてしまうリスクがかなり低くなる。また、本発明の方法によって得られた携行型時計用風防においては、サファイア単結晶における転位、そして、局所的かつ制御されていない配向の変化がほとんどなく、又はまったくない。
添付の図面を参照しながら本発明に係る方法の実装例についての以下の詳細な説明を読むことによって、本発明の他の特徴及び利点が明確になる。この例は、純粋に例示的な目的のためにのみ与えられるものであって、限定するためのものではない。
本発明に従って用意されたプレート状の単結晶サファイアの種結晶からいくつかのサファイア単結晶を得ることを可能にするＥＦＧタイプの結晶成長法を示している。 本発明に従って用意されたプレート状の単結晶サファイアの種結晶に接触させて結晶成長させることによって得たサファイア単結晶から切り出した携行型時計用風防のブランクを示している。 本発明に従って用意されたバー状の単結晶サファイアの種結晶を示している。 図４Ａは、結晶軸［Ａ］に沿って成長したいわゆるKyropoulosボールを示しており、このKyropoulosボールからバーが採取され、このバーは本発明に係るサファイア単結晶の成長のための種結晶として機能する。図４Ｂは、図４Ａの種結晶を用いて得られたKyropoulosボールの形態のサファイア単結晶を示しており、本発明に係る携行型時計用風防のブランクを得ることができるように、ダイヤモンド工具を用いて、このKyropoulosボールから、このサファイア単結晶の成長方向に沿ってシリンダーを採取している。図４Ｃは、いわゆるKyropoulosボールを示しており、本発明に係る携行型時計用風防のブランクを得ることができるように、ダイヤモンド工具を用いて、このKyropoulosボールからシリンダーを直接採取している。 本発明に係る方法の別の実施形態に係るサファイア単結晶の成長のためのダイの上面図である。 図５のダイの側方断面図である。 ２つの交差型偏光子の間に配置される本発明に係る方法によって得られた携行型時計用風防の上面図である。 ＥＦＧタイプのサファイア単結晶から携行型時計用風防のブランクを切り出す様子を模式的に示している。 単結晶サファイアシリンダーから携行型時計用風防のブランクを切り出す様子を模式的に示している。
本発明は、特に、プレート状又はバー状の単結晶サファイアの種結晶と接触させて、るつぼ内で溶融状態で結晶成長させて得られたサファイア単結晶から切り出したブランクから、携行型時計用風防を作るという創造性のある概念に基づいている。本発明の独創性は、特に、次の点にある。すなわち、サファイア単結晶を成長させるために用いる単結晶サファイアの種結晶自体が、風防のブランクが切り出されるサファイア単結晶の基本単位格子の結晶面（0001）に垂直な結晶軸［Ｃ］がその結晶面内に含まれないように、そのサファイア単結晶から切り出す。具体的には、第１のサファイア単結晶から切り出して、結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、プレートの平坦な面の法線又はバーの断面と、５～８５°の範囲内の角度を形成するような、平坦な面があるプレート状の単結晶サファイアの種結晶を得る。そして、単結晶サファイアの種結晶における結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］の配向ずれが、この単結晶サファイアの種結晶に接触して成長したサファイア単結晶にあり、そして、このサファイア単結晶から切り出された携行型時計用風防のブランクにおいてもある。最後に、結晶軸［Ｃ］は、風防のブランクの平面内にて延在しておらず、したがって、これらのブランクのエッジをまたがらない。このため、結晶軸［Ｃ］が携行型時計用風防のブランクのエッジをまたがる場合に通常認識される加工に対する最大の脆弱性を回避することができる。このため、携行型時計用風防のブランクは壊れにくく、その結果、加工がしやすくなっている。特に、欠片の発生のリスクがかなり軽減される。
図１は、本発明に従って得られた単結晶サファイアの種結晶を用いてサファイア単結晶を製造するためのＥＦＧタイプの方法を模式的に示している。参照数字１によって示している単結晶サファイアの種結晶は、互いに平行かつ離れて延在している２つの平坦な面４によって境界が形成されたプレート２の形態である。この単結晶サファイアの種結晶１は、互いに垂直でありそれぞれサファイアの基本単位格子の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直である、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有する。
本発明に従って、例えば、得られたプレート２の結晶軸［Ｃ］を結晶軸［Ｍ］のまわりに回転させて、このプレート２の平坦な面４の法線Ｄ１と、５～８５°の範囲内、例えば１０°、の角度αを形成するように、第１のサファイア単結晶から切り出して単結晶サファイアの種結晶１を形成する。結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、結晶軸［Ａ］もプレート２の平坦な面４に対して同じ角度αだけずれており、一方、結晶軸［Ｍ］は自身のまわりを１０°回転し、したがって、移動しない。
なお、所望の方向に沿ってサファイア単結晶の種結晶を切り出す技術は、サファイア単結晶成長の分野の当業者に知られているために、ここでは詳細な説明はしない。
図１によってわかるように、単結晶サファイアの種結晶１は、サファイア単結晶６の成長方向Ｌを定める結晶軸［Ｍ］に沿って引き上げられる。溶融したアルミナ及び／又はサファイアをダイの頂部のうちの１つにおいて単結晶サファイアの種結晶１に接触させ、この単結晶サファイアの種結晶１を成長方向Ｌに沿って徐々に引き上げて、溶融したアルミナ及び／又はサファイアからゆっくりと遠ざけて、サファイア単結晶６の漸進的な成長を可能にすることによって、各サファイア単結晶６が得られる。
本発明によると、単結晶サファイアの種結晶１をサファイア単結晶６を成長させるために用い、このサファイア単結晶６から携行型時計用風防１０のブランク８を切り出す。このような携行型時計用風防１０のブランク８は、互いに離れて延在している２つの面によって境界が形成され、その２つの面のうちの少なくとも１つの面１２は平坦である。単結晶サファイアの種結晶１は、例えば、結晶軸［Ｃ］を結晶軸［Ｍ］のまわりに回転させて、プレート２の平坦な面４の法線Ｄ１と、５～８５°、例えば、１０°、である角度αを形成するように、初期サファイア単結晶から切り出されるプレート２の形態である。そして、単結晶サファイアの種結晶１における結晶軸［Ａ］及び［Ｃ］の配向ずれが、この単結晶サファイアの種結晶１に接触して成長したサファイア単結晶６にあり、そして、このサファイア単結晶６から切り出された携行型時計用風防１０のブランク８にある。
最後に、図２に示しているように、結晶軸［Ａ］及び［Ｃ］の配向ずれのため、結晶軸［Ｃ］は、携行型時計用風防１０のブランク８の平坦な面１２内に含まれず、したがって、これらのブランク８のエッジ１４をまたがらない。したがって、この結晶軸［Ｃ］が携行型時計用風防１０のブランク８のエッジ１４をまたがる箇所において通常認識される加工に対する最大の脆弱性を回避することができる。したがって、携行型時計用風防１０のブランク８は、壊れにくく、結果的に加工しやすくなる。特に、欠片の発生のリスクがかなり軽減され、損失も少なくなる。
図３は、Kyropoulosタイプなどの結晶成長法に用いられる単結晶サファイアバー１６Ａを模式的に示している。この単結晶サファイアバー１６Ａは、互いに垂直であり、かつ、それぞれサファイアの基本単位格子の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直な３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有する。
本発明によると、図４Ａに示しているように、予め得たサファイア単結晶ボール１８Ａから、例えば結晶軸［Ｍ］のまわりに回転させて、単結晶サファイアバー１６Ａを切り出し、得られた単結晶サファイアバー１６Ａの結晶軸［Ａ］が、この単結晶サファイアバー１６Ａの断面Ｓの法線Ｄ２と、５～８５°の範囲内、例えば１０°、の角度αを形成するようにする。結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、結晶軸［Ｃ］も単結晶サファイアバー１６ａの断面Ｓに対して同じ角度αだけずれているが、結晶軸［Ｍ］は自身のまわりを回転するために移動しない。そして（図４Ｂを参照）、単結晶サファイアバー１６Ａにおける結晶軸［Ａ］及び［Ｃ］の配向ずれが、この単結晶サファイアバー１６Ａに、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを接触させて成長させたサファイア単結晶ボール１８Ｂにある。次に、ダイヤモンド切削工具２０を用いて、サファイア単結晶ボール１８Ｂから、単結晶サファイアバー１６Ａからのサファイア単結晶ボール１８Ｂの成長方向Ｄ３に沿って単結晶サファイアシリンダー１６Ｂを切り出すことができる。その後で、本発明に係る携行型時計用風防１０のブランク８を、順次、この単結晶サファイアシリンダー１６Ｂから切り出すことができる。
図４Ｃにおいて、Kyropoulosタイプなどのサファイア単結晶ボール１８Ｃを示しており、これにおいて、このサファイア単結晶ボール１８Ｃの成長の結晶軸［Ａ］と、５～８５°の範囲内、例えば１０°、の角度αを形成する方向に沿って、切削工具２０を用いてコアドリリングが行われる。これによって、本発明に係る携行型時計用風防１０のブランク８の切り出しを可能とする単結晶サファイアシリンダー１６Ｃも得ることができる。
なお、予め得たサファイア単結晶ボールから、所望の方向に沿ってKyropoulosタイプなどの単結晶サファイアの種結晶を切り出す技術は、この種結晶が平坦な面４があるプレート２の形態であろうと、バー１６Ａの形態であろうと、サファイア単結晶成長の分野の当業者には知られているので、ここでは詳細な説明をしない。
最後に、単結晶サファイアバー１６Ａの断面Ｓの法線に対する結晶軸［Ａ］の配向ずれのため、結晶軸［Ｃ］は、一般的に、携行型時計用風防１０のブランク８の平坦な面１２内になく、したがって、一般的に、これらのブランク８のエッジ１４をまたがらない。したがって、この結晶軸［Ｃ］が携行型時計用風防１０のブランク８のエッジ１４をまたがる箇所において通常認識される最大の脆弱性を回避することができる。したがって、携行型時計用風防１０のブランク８は、壊れにくく、結果的に加工しやすくなる。特に、欠片の発生のリスクがかなり軽減され、損失も少なくなる。
当然、本発明は、ここで説明した実施態様に限定されず、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなく、様々な単純な変更及び変異形態を考えることができる。特に、ここにおいて説明したように、結晶軸がこのプレートの境界を形成する平坦な面の法線に対して非ゼロの角度を形成するような、プレートの形態の単結晶サファイアの種結晶を準備するのではなく、図５及び６に示しているように、結晶軸［Ｃ］が例えばこの第１のプレート２４の境界を形成する平坦な面２６に対して伝統的なように垂直であるような、第１のプレート２４の形態の単結晶サファイアの種結晶２２を用いることも考えることができる。本発明の特別な実施形態において、このような単結晶サファイアの種結晶２２は、互いに平行かつ離れて延在しており溶融したアルミナ及び／又はサファイアが内部を通る複数のチャネル３２によって構成しているダイ３０の頂部においてサファイア単結晶２８を成長させるために用いる。その後に、この溶融したアルミナ及び／又はサファイアが単結晶サファイアの種結晶２２と接触して結晶化し始めて、第２のプレート状のサファイア単結晶２８を形成する。これらの第２の単結晶サファイアプレートはそれぞれ、互いに平行かつ互いに離れて延在している２つの平坦な面３４によって境界が形成される。この場合、単結晶サファイアの種結晶２２を、ダイ３０のチャネル３２が延在している平坦な面に対する垂直方向Ｐに対して、５～８５°の範囲内、例えば１０°、の角度αだけ傾斜させることによって、結晶成長によって得られた第２の単結晶サファイアプレートにおいては、図１を参照しながら上で説明したように結晶軸の配向ずれを有する単結晶サファイアの種結晶を用いて得られたプレートと比べて、平坦な面３４の法線に対する結晶軸［Ａ］の配向ずれが同じである。
図７は、本発明の方法によって得られた携行型時計用風防１０を上から見た図であり、これは、２つの交差した偏光子の間に配置される。この図７において、携行型時計用風防１０には、転位や制御不能な局所的な配向の変化のような欠陥が見られないことを確認できる。また、本発明の方法によると、アルミナ及び／又はサファイアを溶融させることを理解することができる。これらの材料は、純粋なものであることができ、また、ドープされたものであることができる。好ましくは、ドープ物質は、単独又は組み合わさって、チタン、鉄、クロム、コバルト及びバナジウムからなる群から選択される。しかし、これに限定されない。用いられるサファイアは、好ましくは、品質の悪いサファイア結晶のようなスクラップ、又は携行型時計用風防１０の製造における別のステップに由来する機械加工の欠片やスクラップによって構成する。特に携行型時計用風防１０の製造に関連して、本発明について説明した。当然、このような例は、純粋に例示的な目的のためにのみ与えられ、本発明は、より一般的に、携行型時計のブリッジ、プレート、ケース、表盤、リストレットリンクのような、特に携行型時計及び宝飾品のための、外側部品や機能部品の製造に適用することができる。
図８に示しているように、携行型時計用風防１０のブランク８をＥＦＧタイプのサファイア単結晶６から切り出す。図９に示しているように、携行型時計用風防１０のブランク８は、単結晶サファイアシリンダー１６Ｂを加工して切り出される。この単結晶サファイアシリンダー１６Ｂは、単結晶サファイアバー１６Ａからのサファイア単結晶ボール１８Ｂの成長方向Ｄ３に沿ってサファイア単結晶ボール１８Ｂから切り出されたものである。具体的には、携行型時計用風防１０のブランク８は、サファイア単結晶ボール１８Ｂの成長方向Ｄ３に対して垂直に切られる。典型的には、携行型時計用風防１０のブランク８の厚みは、１～２ｍｍの範囲内であり、１０ｍｍに達する可能性もある。最後に、上において、「バー」という用語は種結晶に適用され、「シリンダー」という用語はサファイア単結晶に適用されるものとして用いている。
１ 単結晶サファイアの種結晶
２ プレート
４ 平坦な面
α 角度
Ｄ１ 法線
Ｌ 成長方向
６ サファイア単結晶
８ ブランク
１０ 携行型時計用風防
１２ 平坦な面
１４ エッジ
１６Ａ 単結晶サファイアバー
１６Ｂ 単結晶サファイアシリンダー
１６Ｃ 単結晶サファイアシリンダー
１８Ａ サファイア単結晶ボール
１８Ｂ サファイア単結晶ボール
１８Ｃ サファイア単結晶ボール
Ｄ２ 法線
Ｓ 断面
Ｄ３ 成長方向
２０ 切削工具
２２ 単結晶サファイアの種結晶
２４ 第１のプレート
２６ 平坦な面
２８ サファイア単結晶
３０ ダイ
３２ チャネル
３４ 平坦な面

Claims (24)

  1. 単結晶サファイアの種結晶を製造する方法であって、
    前記単結晶サファイアの種結晶（１）は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有し、
    前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
    前記単結晶サファイアの種結晶（１）は、互いに平行かつ離れて延在している２つの平坦な面（４）によって境界が形成されたプレート（２）であり、
    前記単結晶サファイアプレート（２）は、前記単結晶サファイアプレート（２）の結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、前記単結晶サファイアプレート（２）の前記平坦な面（４）の法線（Ｄ１）と、５～８５°の角度（α）を形成するように初期サファイア単結晶を切り出して得られる
    ことを特徴とする方法。
  2. 単結晶サファイアの種結晶を製造する方法であって、
    前記単結晶サファイアの種結晶は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有し、
    前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ菱面体構造の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
    前記単結晶サファイアの種結晶は、結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、前記単結晶サファイアバー（１６Ａ）の断面（Ｓ）の法線（Ｄ２）と、５～８５°の範囲内の角度（α）を形成するように初期サファイア単結晶（１８Ａ）を切り出して予め得た単結晶サファイアバー（１６Ａ）である
    ことを特徴とする方法。
  3. サファイア単結晶を製造する方法（６、１８Ｂ）であって、
    アルミナ及び／又はサファイアをるつぼ内で溶融させ、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを、請求項１に記載の方法によって得られた単結晶サファイアの種結晶に接触させて、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを成長方向に沿って徐々に結晶化させて、サファイア単結晶（６）を形成するステップを備える
    ことを特徴とする方法。
  4. サファイア単結晶を製造する方法（６、１８Ｂ）であって、
    アルミナ及び／又はサファイアをるつぼ内で溶融させ、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを、請求項２に記載の方法によって得られた単結晶サファイアの種結晶に接触させて、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを成長方向に沿って徐々に結晶化させて、サファイア単結晶（６）を形成するステップを備える
    ことを特徴とする方法。
  5. 単結晶サファイアシリンダー（１６Ｃ）を製造する方法であって、
    前記単結晶サファイアシリンダー（１６Ｃ）は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有し、
    前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ菱面体構造の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
    前記方法は、切削工具（２０）を用いて、結晶軸［Ａ］又は［Ｍ］又は［Ｃ］のいずれかに沿って成長したサファイア単結晶ボール（１８Ｃ）に対して、前記サファイア単結晶ボール（１８Ｃ）の成長結晶軸と５～８５°の範囲内の角度を形成する方向に沿ってコアドリリングを行うステップを備える
    ことを特徴とする方法。
  6. 型の上部において溶融状態で結晶化することによって得られるサファイア単結晶（２８）を製造する方法であって、
    アルミナ及び／又はサファイアをるつぼで溶融させ、溶融したアルミナ及び／又はサファイアをダイ（３０）のチャネル（３２）を通して、予め得た単結晶サファイアの種結晶（２２）に接触させて、溶融したアルミナ及び／又はサファイアを成長方向に沿って徐々に結晶化させて、サファイア単結晶（２８）を形成するステップを備え、
    前記単結晶サファイアの種結晶（２２）は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有し、
    前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ菱面体構造の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
    前記単結晶サファイアの種結晶（２２）は、互いに平行かつ離れて延在している２つの平坦な面（２６）によって境界が形成された第１のプレート（２４）であり、
    前記結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかが、前記第１の単結晶サファイアプレート（２４）の前記平坦な面（２６）に垂直であり、
    前記第１の単結晶サファイアプレート（２４）は、前記ダイ（３０）の前記チャネル（３２）によって定められる平坦な面に対する垂直方向（Ｐ）に対して５～８５°の範囲内の角度（α）傾斜しており、
    前記結晶成長によって得られたサファイア単結晶（２８）は、互いに平行に距離を置いて延在している２つの平坦な面（３４）によって境界が形成される第２の単結晶サファイアプレートであり、
    前記第２の単結晶サファイアプレートにおいては、結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］のうちの１つが、前記平坦な面（３４）の法線に対して、前記ダイ（３０）の前記チャネル（３２）に対する前記第１のプレート（２４）の角度（α）の傾斜に対応する配向ずれがある
    ことを特徴とする方法。
  7. 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアプレート（２）の前記平坦な面（４）の前記法線（Ｄ１）と、２５～３５°の範囲内の角度を形成する
    ことを特徴とする請求項３に記載を製造する方法。
  8. 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアプレート（２）の前記平坦な面（４）の前記法線（Ｄ１）と、２５～３５°の範囲内の角度を形成する
    ことを特徴とする請求項４に記載を製造する方法。
  9. 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアプレート（２）の前記平坦な面（４）の前記法線（Ｄ１）と、５～１５°の範囲内の角度を形成する
    ことを特徴とする請求項７に記載を製造する方法。
  10. 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアプレート（２）の前記平坦な面（４）の前記法線（Ｄ１）と、５～１５°の範囲内の角度を形成する
    ことを特徴とする請求項８に記載を製造する方法。
  11. 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアバー（１６Ａ）の断面（Ｓ）の法線（Ｄ２）と、２５～３５°の範囲内の角度を形成する
    ことを特徴とする請求項３に記載を製造する方法。
  12. 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアバー（１６Ａ）の断面（Ｓ）の法線（Ｄ２）と、２５～３５°の範囲内の角度を形成する
    ことを特徴とする請求項４に記載を製造する方法。
  13. 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアバー（１６Ａ）の断面（Ｓ）の法線（Ｄ２）と、５～１５°の範囲内の角度を形成する
    ことを特徴とする請求項１１に記載を製造する方法。
  14. 前記結晶軸［Ａ］、［Ｍ］又は［Ｃ］は、前記単結晶サファイアバー（１６Ａ）の断面（Ｓ）の法線（Ｄ２）と、５～１５°の範囲内の角度を形成する
    ことを特徴とする請求項１２に記載を製造する方法。
  15. 前記サファイア単結晶を製造する方法は、ＥＦＧ法、ＨＥＭ法、Kyropoulos法、Czochralski法、Bridgman Vertical法、Bridgman Horizontal法及びMicro Pulling Down法から選択される方法を用いる
    ことを特徴とする請求項３～１４のいずれか一項に記載を製造する方法。
  16. 溶融したアルミナ及び／又はサファイアは、純物質である又はドープされている
    ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. サファイアのスクラップを用いる
    ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 前記サファイア単結晶を得た後に、携行型時計又は宝飾品のための外側部品又は機能部品を前記サファイア単結晶から切り出す
    ことを特徴とする請求項３～１４のいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記外側部品又は機能部品は、携行型時計のブリッジ、プレート、ケース、表盤又はリストレットリンクである
    ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  20. ３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体晶系結晶構造を有する単結晶サファイアの種結晶（１）であって、
    前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ菱面体構造の結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
    前記単結晶サファイアの種結晶（１）は、互いに平行かつ離れて延在している２つの平坦な面（４）によって境界が形成されたプレート（２）であり、
    前記単結晶サファイアプレート（２）の前記結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかは、前記単結晶サファイアプレート（２）の平坦な面（４）の法線（Ｄ１）と、５～８５°の範囲内の角度（α）を形成する
    ことを特徴とする単結晶サファイアの種結晶。
  21. ３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める単結晶サファイアの種結晶であって、
    前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
    前記単結晶サファイアの種結晶は、単結晶サファイアバー（１６Ａ）であり、
    前記単結晶サファイアバー（１６Ａ）の前記結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかは、前記単結晶サファイアバー（１６Ａ）の断面（Ｓ）の法線（Ｄ２）と、５～８５°の範囲内の角度（α）を形成する
    ことを特徴とする単結晶サファイアの種結晶。
  22. 互いに離れて延在している２つの面によって境界が形成される携行型時計用風防（１０）のブランク（８）であって、
    前記２つの面のうちの少なくとも１つの面（１２）は、平坦であり、
    前記ブランク（８）は、３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］を定める菱面体構造を有する単結晶サファイアによって作られ、
    前記３つの結晶軸［Ａ］、［Ｃ］及び［Ｍ］は、互いに垂直であり、かつ、それぞれ結晶面Ａ（11-20）、Ｃ（0001）及びＭ（10-10）に垂直であり、
    前記結晶軸［Ｃ］が前記携行型時計用風防（１０）のブランク（８）の前記平坦な面（１２）内に含まれないように、前記結晶軸［Ａ］、［Ｃ］又は［Ｍ］のいずれかは、前記ブランクの平坦な面の法線と、５～８５°の範囲内の角度を形成する
    ことを特徴とする携行型時計用風防のブランク。
  23. 請求項３～１４のいずれか一項に記載の方法によって得られたサファイア単結晶を切り出して得る
    ことを特徴とする携行型時計及び宝飾品のための外側部品又は機能部品。
  24. 携行型時計のブリッジ、プレート、風防、ケース、表盤又はリストレットリンクによって構成している
    ことを特徴とする請求項２３に記載の外側部品又は機能部品。
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