JP3852398B2

JP3852398B2 - 透光性セラミックスならびにそれを用いた光学部品および光学素子

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Publication number: JP3852398B2
Application number: JP2002334327A
Authority: JP
Inventors: 伸彦田中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-11-18
Also published as: JP2004075512A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高屈折率、高光透過率の常誘電体であって、光学部品として有用な透光性セラミックス、およびそれを用いた光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光ピックアップ等の光学素子に搭載する光学部品の材料としては、ガラスまたはプラスチック、あるいはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）等の単結晶が用いられている。
【０００３】
ガラスやプラスチックは、光透過率が高く、所望の形状への加工が容易であることから、レンズ等の光学部品に用いられている。また、ＬｉＮｂＯ₃の単結晶は、その電気化学特性と複屈折を利用して、光導波路等の光学部品に用いられている。このような光学部品を用いた光ピックアップ等の光学素子では、さらなる小型化や薄型化が要求されている。（例えば、特許文献１、２参照。）
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１０７４６７号公報（全頁、全図）
【特許文献２】
特開平７−２４４８６５号公報（請求項６、段落番号００２４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来のガラスやプラスチックでは、その屈折率が１．９未満であることから、それらを用いた光学部品や光学素子において小型化や薄型化に限界がある。また、プラスチックは吸湿性を有しており、そのうえ、屈折率が低く、複屈折を生じるため、入射光を効率よく透過、集光させるうえで問題があった。さらに、ＬｉＮｂＯ₃等の単結晶は、屈折率は高いものの（ｎ＝２．３）、複屈折を生じるため、レンズ等の光学部品には用いることができず、用途が限定されてしまう。
【０００６】
そこで、本発明においては、複屈折を生じない光学特性に優れた透光性セラミックスおよびそれを用いた光学素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本件第１の発明は、一般式Ｂａ｛（Ｓｎ_uＺｒ_1-u）_xＭｇ_yＴａ_z｝_vＯ_w（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｕ≦１，１≦ｖ≦１．０５，ｗは任意の数）で表され、前記一般式のｘ，ｙ，ｚが、図１に示す三元図において、各点Ａ（０．４，０．２３，０．３７），Ｂ（０，０．３９，０．６１），Ｃ（０，０．２７，０．７３），Ｄ（０．４，０．１１，０．４９）を結んだ四角形ＡＢＣＤで囲まれた領域内（境界線ＡＢ上は含まない）にある組成を主成分とし、さらに、屈折率が２．０以上で、かつ直線透過率が２０％以上であることを特徴とする、透光性セラミックスである。
【０００９】
本件第２の発明は、一般式Ｂａ｛（Ｓｎ_uＺｒ_1-u）_xＭｇ_yＴａ_z｝_vＯ_w（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｕ≦１，１≦ｖ≦１．０５，ｗは任意の数）で表され、前記一般式のｘ，ｙ，ｚが、図１に示す三元図において、各点Ｅ（０．４，０．２１，０．３９），Ｆ（０．１２５，０．３２５，０．５５），Ｇ（０．１２５，０．２９，０．５８５），Ｈ（０．４，０．１７，０．４３）を結んだ四角形ＥＦＧＨで囲まれた領域内にある組成を主成分とし、さらに、屈折率が２．０以上で、かつ直線透過率が５０％以上であることを特徴とする、透光性セラミックスである。
【００１１】
本件第３の発明は、本件第２の発明において、前記主成分に対して、Ａｌ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｕＯ，ＴｉＯ₂，Ｇａ₂Ｏ₃，ＷＯ₃，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｓｍ₂Ｏ₃，Ｅｕ₂Ｏ₃，Ｎｄ₂Ｏ₃，Ｇｄ₂Ｏ₃，Ｄｙ₂Ｏ₃，Ｈｏ₂Ｏ₃，Ｙｂ₂Ｏ₃，Ｅｒ₂Ｏ₃から選ばれる少なくとも１種以上の酸化物が１ｍｏｌ％以下添加されていることを特徴とする透光性セラミックスである。
【００１２】
また、本件第４の発明は、本件第２の発明において、前記主成分に対して、Ｌｉ₂ＯまたはＢａＴｉＯ₃が２ｍｏｌ％以下添加されていることを特徴とする透光性セラミックスである。
【００１３】
また、本件第５の発明は、本件第１〜第４の発明のいずれかにおいて、常誘電体であり、かつ多結晶体であることを特徴とする透光性セラミックスである。
【００１４】
また、本件第６の発明は、本件第１〜第５の発明のいずれかにかかる透光性セラミックスからなることを特徴とする光学部品である。
【００１５】
また、本件第７の発明は、本件第６の発明にかかる光学部品が搭載されていることを特徴とする光学素子である。
【００１６】
ここで、常誘電体とは、電界が印加されても誘電率が変化しないという特性を有するものである。本発明の透光性セラミックスは、常誘電体であり、かつ多結晶体であるため、複屈折を生じない。したがって、レンズ等の光学部品に容易に適用できる。
【００１７】
また、本発明の透光性セラミックスは、２０％以上または５０％以上の高い直線透過率と２．０以上の高い屈折率を有する。このため、比較的小さな外形寸法で所望の光学特性を発揮することができる。
【００１８】
また、本発明の透光性セラミックスは、可視光領域から赤外領域までの光を透過するため、広範囲での利用が可能である。
【００１９】
また、本発明の透光性セラミックスは、主成分に対して酸化物を添加することにより、光学部品としての用途に応じて、直線透過率および屈折率を変化させることが可能である。
【００２０】
さらに、本発明の光学素子においては、上述の高い光学特性を有する透光性セラミックスが光学部品として用いられているため、光学素子の小型化、薄型化を実現することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
【００２２】
【実施例１】
本発明の透光性セラミックスを製造する手順を説明する。
【００２３】
まず、原料として、高純度のＢａＣＯ₃，ＳｎＯ₂，ＺｒＯ₂，ＭｇＣＯ₃およびＴａ₂Ｏ₅を準備した。そして、一般式Ｂａ｛（Ｓｎ_uＺｒ_1-u）_xＭｇ_yＴａ_z｝_vＯ_w（ｗは任意の数）で表される、表１に示す各試料が得られるように、各原料を秤量し、ボールミルで１６時間湿式混合した。この混合物を乾燥させた後、１３００℃で３時間焼成し、仮焼物を得た。なお、仮焼後、ｗの値はほぼ３になっていた。
【００２４】
この仮焼物を水および有機バインダとともにボールミルに入れ、１６時間湿式粉砕した。有機バインダとしては、例えばエチルセルロースが用いられる。エチルセルロース以外でも、セラミックス成形体用の結合剤としての機能を備え、かつ焼結工程において焼結温度に達する前に、例えば５００℃程度で大気中の酸素と反応して炭酸ガスや水蒸気等にガス化して消失するものであれば、有機バインダとして用いることができる。
【００２５】
上記粉砕物を乾燥させた後、５０メッシュの網（篩）を通して造粒し、得られた粉末を２０００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で押圧することにより、直径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板状の成形体を得た。
【００２６】
次に、上記成形体を同組成粉末中に埋め込んだ。ここで、同組成粉末とは、上記成形体と同じ組成となるように調製した原料を仮焼し、粉砕して得られたものである。この同組成粉末により、上記成形体中の揮発成分が焼成時に揮発することを抑制することができる。なお、同組成粉末は、上記成形体と同じ組成を有することが好ましいが、同等の組成系であれば、全く同一の組成でなくともよい。また、必ずしも透光性を備えるものでなくともよい。
【００２７】
上記同組成粉末中に埋め込んだ成形体を焼成炉に入れ、大気雰囲気中で加熱し、脱バインダを行った。引き続き、昇温しながら炉内に酸素を注入し、最高温度域の１６００℃または１６５０℃において、焼成雰囲気の酸素濃度を約９８％まで上昇させた。この焼成温度および酸素濃度を維持し、上記成形物を２０時間焼成して焼結体を得た。なお、焼成時の全圧は１気圧以下とした。
【００２８】
こうして得られた焼結体を鏡面加工し、厚さ０．４ｍｍの円板状に仕上げて透光性セラミックスの試料とした。
【００２９】
上記試料のそれぞれについて、可視光領域（λ＝６３３ｎｍ）における直線透過率および屈折率を測定した。この直線透過率の測定には、島津製分光光度計（ＵＶ−２００Ｓ）を用いた。また、屈折率の測定には、Ｍｅｔｒｉｃｏｎ社製プリズムカプラー（ＭＯＤＥＬ２０１０）を用いた。この測定結果を表１に示す。表１において、試料番号に＊印を付したものは本発明の範囲外のものであり、いずれも未焼結もしくは直線透過率が２０％未満のものである。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１に示す試料のうち、高い直線透過率が得られた試料３５について、紫外から赤外の波長帯（λ＝２００〜１００００ｎｍ）における直線透過率を測定した。なお、赤外領域での直線透過率の測定には、ニコレー社製分光光度計（ＦＴ−ＩＲＭａｇｎａ７５０）を用いた。この直線透過率の測定結果を図２（ａ）（ｂ）に示す。同図から、試料３５は直線透過率において波長依存性を有することが分かる。
【００３２】
また、同じく試料３５について、ＴＥモードにおける屈折率を測定した結果を図３に示す。さらに、試料３５について、λ＝６３３ｎｍ、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍのそれぞれにおけるＴＥモードおよびＴＭモードでの屈折率を測定した結果を表２に示す。表２において、ＴＥモードおよびＴＭモードでの屈折率が同じ値であることから、複屈折が生じていないことが分かる。
【００３３】
【表２】

【００３４】
ここで、試料３５の直線透過率は７５．８％であり、屈折率は２．０７４であった。一般に、直線透過率の測定においては、空気中から試料に対して垂直に光が入射する。このため、例えば、屈折率（ｎ）が２．０７４である場合、Ｆｒｅｓｎｅｌの法則より、試料表面での反射率と裏面での反射率の合計は２３．１％となる。よって、屈折率が２．０７４である試料の直線透過率の理論最大値は、７６．９％となる。試料３５において、直線透過率は７５．８％であるから、理論値に対する相対透過率は９８．５％となる。これは、焼結体内部での透過損失がほとんどないことを示している。したがって、試料３５の表面に反射防止膜（ＡＲ膜＝Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ膜）を形成すれば、得られる直線透過率をほぼ理論値とすることができる。このように、本発明の組成を有する透光性セラミックスは、光学素子として利用可能な優れた特性を有するものである。
【００３５】
また、表１の試料のうち、高い直線透過率が得られた他の試料３４に対して、比較例として、鋳込み成形による２インチ角の成形体を１６００℃で焼成して焼結体を得た。表３は、この試料３４と比較例の直線透過率および屈折率を対比したものである。表３において、両者の直線透過率および屈折率は、互いに同等の値である。このように、本発明の組成を有する透光性セラミックスによれば、成形法に関わらず高い直線透過率および屈折率が得られるものである。
【００３６】
【表３】

【００３７】
また、上記実施例と焼成温度が異なる試料について、直線透過率および屈折率を測定した結果を表１に併せて示す。これらの試料は、上記実施例と同じ原料を用い、同じ条件で混合、仮焼、粉砕、乾燥および造粒を行い、得られた粉末を円板状に成形し、この成形体を最高温度域１６５０℃で焼成したものである。１６５０℃で焼成した試料の中には、１６００℃で焼成した試料に比べて、直線透過率の値が良好なものが見られる。
【００３８】
図１は、本発明の透光性セラミックスの組成である一般式Ｂａ｛（Ｓｎ_uＺｒ_1-u）_xＭｇ_yＴａ_z｝_vＯ_w（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｕ≦１，１≦ｖ≦１．０５，ｗは任意の数）におけるｘ、ｙ、ｚの組成範囲を示す三元図である。
【００３９】
同図において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各点を結んだ四角形ＡＢＣＤで囲まれた領域（境界線ＡＢ上は含まない。）が、本発明の透光性セラミックスの組成範囲である。この組成を有する焼結体は、直線透過率が２０％以上となり、屈折率は２．０７前後の高い値となる。さらに、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈの各点を結んだ四角形ＥＦＧＨで囲まれた領域の組成を有する焼結体では、直線透過率が５０％以上となり、屈折率は同じく２．０７前後の高い値となる。
【００４０】
また、表１における試料番号の一部を図１上に示した。図１において、試料番号に＊印を付したものは、表１においても同じ印が付された、本発明の範囲外の試料である。
【００４１】
【実施例２】
この実施例２は、一般式Ｂａ｛（Ｓｎ_uＺｒ_1-u）_xＭｇ_yＴａ_z｝_vＯ_wで表され、この一般式のｘ，ｙ，ｚが図１に示す三元図における各点Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈを結んだ四角形ＥＦＧＨで囲まれた領域内にある組成を有する主成分に、微量の酸化物を添加したものである。ここでは、微量の酸化物を添加することにより、直線透過率および屈折率を変化させた。
【００４２】
主成分としては、実施例１における表１の試料２６を用いた。実施例１と同様に、高純度のＢａＣＯ₃，ＳｎＯ₂，ＺｒＯ₂，ＭｇＣＯ₃およびＴａ₂Ｏ₅を準備した。表１の試料２６と同じ組成が得られるように、各原料を秤量した。また、微量の酸化物として、Ａｌ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｕＯ，ＴｉＯ₂，Ｇａ₂Ｏ₃，ＷＯ₃，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｓｍ₂Ｏ₃，Ｅｕ₂Ｏ₃，Ｎｄ₂Ｏ₃，Ｇｄ₂Ｏ₃，Ｄｙ₂Ｏ₃，Ｈｏ₂Ｏ₃，Ｙｂ₂Ｏ₃，Ｅｒ₂Ｏ₃，Ｌｉ₂ＣＯ₃，ＢａＴｉＯ₃ を準備し、主成分に対する添加量が表４、表５のとおりになるように秤量した。なお、Ｌｉ₂ＣＯ₃については、Ｌｉ₂Ｏに換算した添加量となっている。このように秤量した主成分原料および添加物原料を混合した。そして、実施例１と同じ要領で仮焼、粉砕、焼成したものを鏡面加工して透光性セラミックスの試料を得た。
【００４３】
上記試料のそれぞれについて、可視光領域（λ＝６３３ｎｍ）における直線透過率および屈折率を測定した。この測定結果を表４、表５に示す。表４、表５において、試料番号に＊印を付したものは本発明の範囲外のものであり、いずれも直線透過率が２０％未満のものである。
【００４４】
【表４】

【００４５】
【表５】

【００４６】
表４、表５と表１の各値を比較すると、各酸化物の添加量に応じて直線透過率および屈折率が増減することが分かる。ここで、一般に、光学部品においては、用途に応じて特性が細分化されており、屈折率については、小数点以下第５位の値までの精度が要求されることが多い。表１と表４、表５とで、屈折率は、小数点以下第３位において異なる値となっており、光学部品として明確に異なる特性を有するものと言える。
【００４７】
このように、酸化物の添加の有無を選択したり、添加量を調整したりすることにより、光学部品としての用途に応じて異なる特性の透光性セラミックスを得ることができる。
【００４８】
また、表４の試料７および表５の試料９２について、それぞれ、λ＝６３３ｎｍにおけるＴＥモードおよびＴＭモードでの屈折率を測定した。その結果を表６に示す。表６において、ＴＥモードおよびＴＭモードでの屈折率が同じ値であることから、複屈折が生じていないことが分かる。
【００４９】
【表６】

【００５０】
【実施例３】
上述のように、実施例１，２にかかる透光性セラミックスは、直線透過率および屈折率において高い値を示し、複屈折も生じないため、光学部品への利用が望める。例えば、図４に示すような両凸レンズ１０、または両凹レンズ１１、あるいは光路長調整板１２、さらには球状レンズ１３等の素材として好適である。
【００５１】
このような光学部品を搭載した光学素子として、光ピックアップを例に取り、説明する。
【００５２】
光ピックアップは、図５に示すように、コンパクトディスクやミニディスクといった記録媒体１に対して、コヒーレントな光であるレーザ光を照射し、その反射光から記録媒体１に記録された情報を再生するものである。
【００５３】
このような光ピックアップにおいては、光源としての半導体レーザ素子５からのレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズ４が設けられ、その平行光の光路上にハーフミラー３が設けられている。このハーフミラー３は、コリメータレンズ４からの入射光は通して直進させるが、記録媒体１からの反射光については、反射光の進行方向を例えば約９０度の反射により変更するものである。
【００５４】
また、光ピックアップには、ハーフミラー３からの入射光を記録媒体１の記録面上に集光するための対物レンズ２が設けられている。この対物レンズ２は、記録媒体１からの反射光を効率よくハーフミラー３に対して出射するものでもある。反射光が入射されたハーフミラー３では、反射により位相が変化することで、上記反射光の進行方向が変更される。
【００５５】
さらに、光ピックアップには、変更された反射光を集光するための集光レンズ６が設けられている。そして、反射光の集光位置に、反射光から情報を再生するための受光素子７が設けられている。
【００５６】
このように構成される光ピックアップにおいて、対物レンズ２の素材として、本発明にかかる透光性セラミックスを用いることができる。この透光性セラミックスは屈折率が大きいため、光ピックアップの小型化や薄型化が可能であり、開口を増加させることができる。
【００５７】
なお、本実施例においては、本発明の透光性セラミックスを対物レンズ２に用いた場合について説明したが、他の光学部品、例えば、コリメータレンズ４または集光レンズ６、あるいはハーフミラー３に用いることもできる。
【００５８】
また、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で適宜、変更を加えることができる。例えば、原料の形態は酸化物もしくは炭酸塩に限定されるものではなく、焼結体とした段階で所望の特性が得られる原料であればよい。また、焼成雰囲気について、上記実施例の約９８％という酸素濃度の値は、使用した実験設備の条件下において最も好ましい値である。この条件下においては、９０％以上の酸素濃度が確保できれば、所望の特性を備えた焼結体が得られる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の透光性セラミックスは、常誘電体であり、かつ多結晶体であるため、複屈折を生じない。したがって、レンズ等の光学部品に容易に適用できる。
【００６０】
また、本発明の透光性セラミックスは、２０％以上さらには５０％以上の高い直線透過率と２．０以上の高い屈折率を有する。このため、比較的小さな外形寸法で所望の光学特性を発揮することができる。
【００６１】
さらに、本発明の透光性セラミックスは、可視光領域から赤外領域までの光を透過するため、広範囲での利用が可能である。
【００６２】
また、本発明の透光性セラミックスは、主成分に対して酸化物を添加することにより、光学部品としての用途に応じて、直線透過率および屈折率を変化させることが可能である。
【００６３】
本発明の光学素子においては、上述の高い光学特性を有する透光性セラミックスが光学部品として用いられているため、光学素子の小型化、薄型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の透光性セラミックスの組成範囲を示す三元図である。
【図２】（ａ）（ｂ）とも、本発明の透光性セラミックスの直線透過率の波長依存性を示すグラフである。
【図３】本発明の透光性セラミックスの屈折率を示すグラフである。
【図４】本発明の透光性セラミックスからなる光学部品の説明図であり、（ａ）は両凸レンズを示し、（ｂ）は両凹レンズを示し、（ｃ）は光路長調整板を示し、（ｄ）は球状レンズを示す。
【図５】本発明の透光性セラミックスからなる光学部品を搭載した光学素子の一実施例（光ピックアップ）を示す説明図である。
【符号の説明】
２対物レンズ（光学部品）
１０両凸レンズ（光学部品）
１１両凹レンズ（光学部品）
１２光路長調整板（光学部品）
１３球状レンズ（光学部品）

Claims

一般式Ｂａ｛（Ｓｎ_uＺｒ_1-u）_xＭｇ_yＴａ_z｝_vＯ_w（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｕ≦１，１≦ｖ≦１．０５，ｗは任意の数）で表され、
前記一般式のｘ，ｙ，ｚが、図１に示す三元図において、各点Ａ（０．４，０．２３，０．３７），Ｂ（０，０．３９，０．６１），Ｃ（０，０．２７，０．７３），Ｄ（０．４，０．１１，０．４９）を結んだ四角形ＡＢＣＤで囲まれた領域内（境界線ＡＢ上は含まない）にある組成を主成分とし、
さらに、屈折率が２．０以上で、かつ直線透過率が２０％以上であることを特徴とする、透光性セラミックス。
一般式Ｂａ｛（Ｓｎ_uＺｒ_1-u）_xＭｇ_yＴａ_z｝_vＯ_w（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｕ≦１，１≦ｖ≦１．０５，ｗは任意の数）で表され、
前記一般式のｘ，ｙ，ｚが、図１に示す三元図において、各点Ｅ（０．４，０．２１，０．３９），Ｆ（０．１２５，０．３２５，０．５５），Ｇ（０．１２５，０．２９，０．５８５），Ｈ（０．４，０．１７，０．４３）を結んだ四角形ＥＦＧＨで囲まれた領域内にある組成を主成分とし、
さらに、屈折率が２．０以上で、かつ直線透過率が５０％以上であることを特徴とする、透光性セラミックス。
前記主成分に対して、Ａｌ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃，ＣｕＯ，ＴｉＯ₂，Ｇａ₂Ｏ₃，ＷＯ₃，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｓｍ₂Ｏ₃，Ｅｕ₂Ｏ₃，Ｎｄ₂Ｏ₃，Ｇｄ₂Ｏ₃，Ｄｙ₂Ｏ₃，Ｈｏ₂Ｏ₃，Ｙｂ₂Ｏ₃，Ｅｒ₂Ｏ₃から選ばれる少なくとも１種以上の酸化物が１ｍｏｌ％以下添加されていることを特徴とする、請求項２に記載の透光性セラミックス。
前記主成分に対して、Ｌｉ₂ＯまたはＢａＴｉＯ₃が２ｍｏｌ％以下添加されていることを特徴とする、請求項２に記載の透光性セラミックス。
常誘電体であり、かつ多結晶体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の透光性セラミックス。
請求項１〜５のいずれかに記載の透光性セラミックスからなることを特徴とする光学部品。
請求項６に記載の光学部品が搭載されていることを特徴とする光学素子。