JP4186519B2

JP4186519B2 - 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

Info

Publication number: JP4186519B2
Application number: JP2002174515A
Authority: JP
Inventors: 悟志呉竹
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: JP2004018301A

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、例えば特開平５−１０７４６７号公報や特開平９−２４５３６４号公報に記載されているように、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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した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。
【０００５】
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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本件発明は上述の課題を解決するものであり、第１の発明は、一般式（Ｌａ_uＡｌ_1-u）_x（Ｃａ_vＴｉ_1-v）_1-xＯ_w（但し、ｕは０．２≦ｕ≦０．８の範囲内にある数値であり、ｖは０．３≦ｖ≦０．７５の範囲内にある数値であり、ｘは０．４５≦ｘ≦０．６の範囲内にある数値であり、ｗは任意の数値である。）で表される組成を有することを特徴とする透光性セラミックスである。
【０００７】
また、本件第２の発明は、本件第１の発明において、屈折率が２．２以上で、かつ、試料厚さ０．２ｍｍ、λ＝６３３ｎｍにおける直線透過率が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。
【０００８】
本件第３の発明は、一般式（Ｌａ_uＡｌ_1-u）_x（Ｃａ_vＴｉ_1-v）_1-xＯ_w（但し、ｕは０．３５≦ｕ≦０．７の範囲内にある数値であり、ｖは０．４≦ｖ≦０．７５の範囲内にある数値であり、ｘは０．５≦ｘ≦０．６の範囲内にある数値であり、ｗは任意の数値である。）で表される組成を有することを特徴とする透光性セラミックスである。
【０００９】
また、本件第４の発明は、本件第３の発明において、屈折率が２．２以上で、かつ、試料厚さ０．２ｍｍ、λ＝６３３ｎｍにおける直線透過率が３０％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。
【００１２】
また、本件第５の発明は、本件第１〜第４のいずれかの発明において、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。
【００１３】
また、本件第６の発明は、本件第１〜第５のいずれかの発明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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
また、本発明の透光性セラミックスは、２．２以上の高い屈折率を有する。さらに、２０％以上もしくは３０％以上、あるいは５０％以上の高い直線透過率を有する。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。
【００１７】
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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例にかかる透光性セラミックスを製造する手順を説明する。
【００１９】
まず、原料として、高純度のＬａ₂Ｏ₃，Ａｌ₂Ｏ₃，ＣａＯおよびＴｉＯ₂を準備した。そして、一般式（Ｌａ_uＡｌ_1-u）_x（Ｃａ_vＴｉ_1-v）_1-xＯ_w（但し、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、１２００℃で３時間焼成し、仮焼物を得た。
【００２０】
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。
【００２１】
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の圧力でプレス成形することにより、直径３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板状の成形体を得た。
【００２２】
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。
【００２３】
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１７００℃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４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。
【００２４】
こうして得られた焼結体を鏡面加工し、厚さ０．２ｍｍの円板状に仕上げて透光性セラミックスの試料とした。
【００２５】
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。
【００２６】
上述の直線透過率および屈折率の測定結果を表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、いずれも未焼結あるいは直線透過率が２０％未満のものである。＊印のない試料は、本発明の透光性セラミックスであり、いずれも直線透過率が２０％以上もしくは３０％以上、あるいは５０％以上であり、屈折率は２．２以上とそれぞれ高い値となっている。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１に示す試料のうち、高い直線透過率が得られた試料番号３について、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。
【００２９】
【表２】

【００３０】
さらに、試料番号３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１７００℃で焼成して焼結体を得た。表３は、この試料番号３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、それぞれ同等の値である。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ことが分かる。
【００３１】
【表３】

【００３２】
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（Ｌａ_uＡｌ_1-u）_0.6（Ｃａ_vＴｉ_1-v）_0.4Ｏ_w（但し、ｗは任意の数値である。）におけるｕ，ｖの組成範囲を示すグラフである。
【００３３】
同図において、点Ａ（ｕ＝０．８，ｖ＝０．７５），点Ｂ（ｕ＝０．８，ｖ＝０．３），点Ｃ（ｕ＝０．２，ｖ＝０．３），点Ｄ（ｕ＝０．２，ｖ＝０．７５）を結んだ四角形ＡＢＣＤで囲まれた領域が、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、屈折率が２．２以上とそれぞれ高い値となる。
【００３４】
さらに、点Ｅ（ｕ＝０．７，ｖ＝０．７５），点Ｆ（ｕ＝０．７，ｖ＝０．４），点Ｇ（ｕ＝０．３５，ｖ＝０．４），点Ｈ（ｕ＝０．３５，ｖ＝０．７５）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３０％以上、屈折率が２．２以上となる。
【００３５】
さらにまた、点Ｉ（ｕ＝０．５５，ｖ＝０．７），点Ｊ（ｕ＝０．５５，ｖ＝０．５），点Ｋ（ｕ＝０．４７５，ｖ＝０．５），点Ｌ（ｕ＝０．４７５，ｖ＝０．７）を結んだ四角形ＩＪＫＬ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、屈折率が２．２以上となる。
【００３６】
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。
【００３７】
上述のように、本実施例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２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。
【００３８】
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。
【００３９】
光ピックアップは、図３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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
また、本発明は、上記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。
【００４６】
【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。
【００４７】
また、本発明の透光性セラミックスは、２．２以上の高い屈折率を有する。さらに、２０％以上もしくは３０％以上、あるいは５０％以上の高い直線透過率を有する。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。
【００４８】
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グラフである。
【図２】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３】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（Ｌａ_uＡｌ_1-u）_x（Ｃａ_vＴｉ_1-v）_1-xＯ_w（但し、ｕは０．２≦ｕ≦０．８の範囲内にある数値であり、ｖは０．３≦ｖ≦０．７５の範囲内にある数値であり、ｘは０．４５≦ｘ≦０．６の範囲内にある数値であり、ｗは任意の数値である。）で表される組成を有することを特徴とする透光性セラミックス。
屈折率が２．２以上で、かつ、試料厚さ０．２ｍｍ、λ＝６３３ｎｍにおける直線透過率が２０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の透光性セラミックス。
一般式（Ｌａ_uＡｌ_1-u）_x（Ｃａ_vＴｉ_1-v）_1-xＯ_w（但し、ｕは０．３５≦ｕ≦０．７の範囲内にある数値であり、ｖは０．４≦ｖ≦０．７５の範囲内にある数値であり、ｘは０．５≦ｘ≦０．６の範囲内にある数値であり、ｗは任意の数値である。）で表される組成を有することを特徴とする透光性セラミックス。
屈折率が２．２以上で、かつ、試料厚さ０．２ｍｍ、λ＝６３３ｎｍにおける直線透過率が３０％以上であることを特徴とする請求項３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。