JP4742833B2 - 光通信用ガラス部材の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は光通信用ガラス部材の接合方法に関する。

従来より、光通信用ガラス部材の接合方法の分野では、接合強度の向上の観点から、ガラス部材に対して予めシランカップリング剤の数％溶液をブラッシング法、ディップ法、スピンコート法、またはスプレーコート法等の方法により塗布した後、当該ガラス部材を接着剤により接合する方法が知られている（例えば、特許文献１〜３）。
特開２００５−１７４３１号公報 特開２００２−３３３５５０号公報 特開平５−２２４１０８号公報

しかしながら、上記方法では、シランカップリング剤層の厚みが不均一なため、接合強度が不十分であった。その結果、ガラス部材と接着剤層との間で剥離が起こった。そのような問題はガラス部材が小さいほど、またはその表面形状が複雑なほど顕著であった。光通信用ガラス部材の接合方法の分野で、特に、ガラス部材と接着剤層との間で剥離が起こると、光路の破断による光損失が顕著になり、光通信用としての使用に耐えないため、剥離の問題は一層深刻であった。

本発明は、十分な接合強度を達成でき、ガラス部材と接着剤層との間での剥離を抑制する光通信用ガラス部材の接合方法を提供することを目的とする。

本発明は、シランカップリング剤を加温により蒸発させ、シランカップリング剤蒸気によって光通信用ガラス部材を処理した後、該ガラス部材を接着剤により接合することを特徴とする光通信用ガラス部材の接合方法に関する。

本発明の光通信用ガラス部材の接合方法によると、接着剤による接合に先立って、シランカップリング剤を加温により蒸発させ、シランカップリング剤蒸気によって光通信用ガラス部材を均一に処理するので、十分な接合強度を達成でき、ガラス部材と接着剤層との間での剥離を抑制できる。

また、シランカップリング剤の蒸発を加温単独によって行うので、光通信用ガラス部材が接着剤層を有する複合部材であっても、接着剤層の蒸発を回避でき、部材接合面の汚染を防止できる。そのため、ガラス部材と接着剤層との間での剥離を顕著に抑制できる。

特に、シランカップリング剤の加温処理を１００℃以上、好ましくは１００〜２００℃、さらに好ましくは１３０〜２００℃で行うと、ガラス部材表面の吸着水が有効に除去されるので、ガラス部材と接着剤層との間での剥離を顕著に抑制できる。

本発明の方法では、シランカップリング剤を蒸気の状態でガラス部材に処理するため、比較的高濃度（例えば、１００％）での均一な処理が可能である。そのため、従来の低濃度での処理より、その効果も高い。またシランカップリング剤を高濃度で使用するほど、酢酸等のシランカップリング剤溶媒による接着剤の加水分解を有効に防止でき、長期にわたって十分な接合強度を達成し、剥離を抑制する。

本発明の方法は、ガラス平板だけでなく、凹凸のある複雑な形状のガラス部材に対しても有効である。さらには前工程で接着された複合部材同士の接合にも有効である。
本発明の方法は、処理が簡便で効率が良いため、部材の加工工程のどの段階でも導入でき、また高価な設備を必要としないため接合強度向上および剥離防止のための設備コストを抑えることができる。
本発明の方法は、複数個の部材を一括で処理できるので、他の塗布法と比較して量産性が高い。

本発明の光通信用ガラス部材の接合方法では、シランカップリング剤を加温により蒸発させ、シランカップリング剤蒸気によって光通信用ガラス部材（本明細書中、単に「ガラス部材」ということがある）を処理する。すなわち、シランカップリング剤を加温により蒸発させて一旦、気体状態にして、ガラス部材表面を処理することで、ガラス部材表面にシランカップリング剤層を形成する。

本発明においてはシランカップリング剤の蒸気でシランカップリング剤層を形成するため、均一な層の形成が可能になり、接合強度が向上し、結果としてガラス部材と接着剤層との間で剥離を抑制する。本発明の方法において接合強度が向上する現象は以下のメカニズムに基づくものと考えられる。すなわち、従来ではシランカップリング剤層は塗布によって形成されるため層厚が不均一である。そのため、当該層に対する外部応力が厚みの薄い部分に集中し、当該部分において、シランカップリング剤層とガラス部材または接着剤層との間で剪断力が作用するようになる。その結果、剥離が起こり、やがて接合破断に至るものと考えられる。本発明においては比較的均一なシランカップリング剤層が形成されるため、外部応力が適度に分散し、剪断力の作用を抑制でき、剥離を防止できるものと考えられる。

また従来では、ガラス部材の表面形状が複雑であると、接着剤層の厚みが不均一になるので、周囲の温度変化や湿度変化によって接着剤層の膨張・収縮が起きると、内部応力の発生によって、剥離が一層起こり易かった。しかしながら、本発明においては、上記のように少なくともシランカップリング剤層が均一であり、剥離を防止するため、そのような表面形状を有していても、剥離を有効に防止できる。

さらに従来では、ガラス部材の接合面が濡れ性の異なる２以上の物質（例えば、接着剤とガラス）からなっていると、剥離が一層起こり易かった。しかしながら、本発明においては、シランカップリング剤層を均一に接合面に形成するため、剥離を有効に防止できる。

本発明においてシランカップリング剤の蒸発はシランカップリング剤を加温することのみによって達成する。蒸発を、加温と系内の減圧との併用によって達成すると、例えば、２以上のガラス部材が予め接着剤によって接着されてなる複合部材を処理する場合、接着剤も蒸発し、ガラス部材接合面を汚染するので、接合強度が低下する。本発明においては加温単独でシランカップリング剤の蒸発を達成するので、接着剤の蒸発を回避でき、ガラス部材と接着剤層との間での剥離を有効に抑制できる。また、蒸発を加温単独で行うと、チャンバー、ポンプが汚染されることがないので、設備を繰り返し使用できる。さらに減圧設備を要しないので、設備コストを低減できる。

シランカップリング剤の処理方法の好ましい具体例の一例を以下に示す。すなわち、図１に示すように、ガラス部材（１，２）を載置した密閉容器４内でシランカップリング剤３を加温して蒸発させ、シランカップリング剤の蒸気によってガラス部材の接合面にシランカップリング剤層を形成する。シランカップリング剤の加温は、密閉容器内で、シランカップリング剤を収容した容器のみを加温することによって達成してもよいし、または密閉容器全体を加温することによって達成してもよい。

シランカップリング剤の処理温度、すなわち加温温度は、シランカップリング剤が蒸発する温度であれば特に制限されるものではないが、１００℃以上が好ましく、より好ましくは１００〜２００℃、さらに好ましくは１３０〜２００℃である。加温温度を１００℃以上とすることによって、処理時にガラス部材表面の吸着水を除去できるので、ガラス部材と接着剤層との間での剥離をより有効に抑制できる。加温温度を特に１３０℃以上とすると、ガラス部材表面の吸着水をより有効に除去できるので、ガラス部材と接着剤層との間での剥離を最も有効に抑制できる。加温温度が高すぎると、複合部材を処理する場合、複合部材の接着剤層が溶融する。

処理時間は、本発明の目的が達成される限り特に制限されず、例えば、１０〜６００分間、特に３０〜３００分間が好適である。

シランカップリング剤処理は、接合を行う２つのガラス部材の接合面のうち、少なくとも一方の接合面がシランカップリング剤層を形成されるように、ガラス部材を密閉容器内に載置して行えばよい。ガラス部材は通常、密閉容器内において、シランカップリング剤層が形成されるべき面を上に載置される。

ガラス部材の接合面に形成されるシランカップリング剤層の厚みは本発明の目的が達成される限り特に制限されるものではない。

本発明の方法が適用される光通信用ガラス部材は、光通信用のいかなるガラス組成を有していてよく、例えば、成形性と光学特性の観点から好ましくは石英、ソーダガラス、硼珪酸ガラス、または鉛ガラスからなる。

接合されるガラス部材はそれぞれ１のガラス部材からなる単体であってよいが、少なくとも一方は２以上のガラス部材が予め接着剤によって接着されてなる複合部材であることが好ましい。本発明においてはそのような接着剤層を有する複合部材を処理する場合であっても、シランカップリング剤の蒸発を加温単独で行うことによって、接着剤層の蒸発を回避でき、部材接合面の汚染を防止できるためである。

シランカップリング剤は分子内に有機材料と反応結合する官能基および無機材料と反応結合する官能基を同時に有する有機ケイ素化合物であり、ガラス部材の接合方法の分野で公知のいかなるシランカップリング剤も使用可能である。シランカップリング剤は上記処理温度でも分解されることなく蒸発可能な物質であることが好ましい。

そのようなシランカップリング剤として、例えば、アクリル系、メタクリル系、エポキシ系、アルキル系、スチリル系、ビニル系、アミノ系、ウレイド系、メルカプト系、スルフィド系およびイソシアネート系のシランカップリング剤が挙げられ、それらの群から選択される１種類または２種類以上のものが使用される。接合強度のさらなる向上の観点から、好ましいシランカップリング剤は、アクリル系、メタクリル系、エポキシ系、アルキル系、スチリル系、ビニル系およびアミノ系のシランカップリング剤であり、最も好ましくはアクリル系、メタクリル系、エポキシ系、スチリル系のシランカップリング剤である。

シランカップリング剤は原液のまま使用されてもよいし、または酢酸、メタノール、エタノール等の溶媒に溶解されて溶液の形態で使用されてもよい。シランカップリング剤の使用濃度は１〜１００重量％であってよく、接合強度のさらなる向上の観点からは、８０〜１００重量％、特に１００重量％が好適である。シランカップリング剤は高濃度で使用するほど、酢酸等の溶媒による接着剤の加水分解を有効に防止できるので、長期にわたって十分な接合強度を達成し、剥離を抑制できる。

シランカップリング剤は市販品として容易に入手可能である。
アクリル系シランカップリング剤は、例えば、信越化学工業社製のＫＢＭ５１０３等が使用可能である。
メタクリル系シランカップリング剤は、例えば、信越化学工業社製のＫＢＭ５０２、ＫＢＭ５０３、ＫＢＥ５０２、ＫＢＥ５０３等が使用可能である。
エポキシ系シランカップリング剤は、例えば、信越化学工業社製のＫＢＭ３０３、ＫＢＭ４０３、ＫＢＥ４０２、ＫＢＥ４０３等が使用可能である。

アルキル系シランカップリング剤は、例えば、信越化学工業社製のＫＢＭ７０３等が使用可能である。
スチリル系シランカップリング剤は、例えば、信越化学工業社製のＫＢＭ１４０３等が使用可能である。
ビニル系シランカップリング剤は、例えば、信越化学工業社製のＫＡ１００３、ＫＢＭ１００３、ＫＢＥ１００３等が使用可能である。
アミノ系シランカップリング剤は、例えば、信越化学工業社製のＫＢＭ６０２、ＫＢＭ６０３、ＫＢＥ６０３、ＫＢＭ９０３、ＫＢＥ９０３、ＫＢＥ９１０３、ＫＢＭ５７３、ＫＢＭ５７５、ＫＢＭ６１２３等が使用可能である。

シランカップリング剤処理によってガラス部材にシランカップリング剤層を形成した後は、当該ガラス部材を接着剤により接合する。このとき、接合を行う２つのガラス部材の接合面のうち、少なくとも一方の接合面がシランカップリング剤層を形成されていればよく、接合強度のさらなる向上の観点からは両方の接合面がシランカップリング剤層を形成されていることが好ましい。

接着剤は樹脂を含有する有機系接着剤が使用される。有機系接着剤を使用することによって、接着剤層とシランカップリング剤層との界面における接合強度が有効に向上する。有機系接着剤は樹脂を含有する限り特に制限されるものではないが、光または熱によって硬化する樹脂を含有する反応性接着剤が好ましい。反応性接着剤を使用すると、含有される樹脂が硬化するとともに、シランカップリング剤とも反応するので、ガラス部材の接合をより有効に達成できる。硬化速度や硬化時の熱膨張・収縮の観点から好ましい反応性接着剤は光反応性接着剤である。

光反応性接着剤として、例えば、アクリル系、メタクリル系、エポキシ系、ウレタンアクリル系、およびオキセタン系の光反応性接着剤が挙げられ、それらの群から選択される１種類または２種類以上のものが使用される。光反応性接着剤の種類はシランカップリング剤の種類に応じて決定されることが、接合強度のさらなる向上の観点から好ましい。

例えば、アクリル系、メタクリル系、スチリル系、ビニル系のシランカップリング剤を使用する場合には、アクリル系、メタクリル系の光反応性接着剤を使用することが好ましい。
また例えば、エポキシ系のシランカップリング剤を使用する場合には、エポキシ系またはオキセタン系の光反応性接着剤を使用することが好ましい。
また例えば、アルキル系、アミノ系、アクリル系、メタクリル系のシランカップリング剤を使用する場合には、ウレタンアクリル系、アクリル系、メタクリル系の光反応性接着剤を使用することが好ましい。

光通信用ガラス部材の接合方法においては、光学特性と接合強度との両立の観点から、アクリル系、メタクリル系、エポキシ系、ウレタンアクリル系、オキセタン系、特にアクリル系、メタクリル系、エポキシ系、ウレタンアクリル系の光反応性接着剤を使用することがより好ましい。上記光反応性接着剤は屈折率等の光学特性を阻害しないが、無機物との接着力は必ずしも強くない。本発明においてはそのような光反応性接着剤を使用しても、良好な光学特性を保持しつつ、無機物との十分な接着力を発揮できるためである。上記光反応性接着剤からなる硬化樹脂のガラス転移点は一般に２００℃以下程度である。

光反応性接着剤は市販品として容易に入手可能である。
アクリル系、メタクリル系、ウレタンアクリル系の光反応性接着剤は、例えば、Ablestik社製のAbleux OGR150THTG、株式会社アーデル社製のＥＳ８９等が使用可能である。
エポキシ系光反応性接着剤は、例えば、ＮＴＴ−ＡＴ社製のＡＴ３９２５Ｍ等が使用可能である。
オキセタン系光反応性接着剤は、例えば、東亜合成社製のＵＸ−０１１０、ＵＸ−０１２０等が使用可能である。

接合は通常、接合を行う少なくとも一方のガラス部材における接合面に接着剤を塗布し、貼り合わせ、乾燥させることによって達成される。特に、光反応性接着剤を用いた場合において接合は、予め固定された２つのガラス部材の間隙に接着剤を充填した後、そのまま紫外線等の光線を照射して十分に硬化させることによって達成されることが好ましい。

接着剤の塗布は、ブラッシング法、ディップ法、スピンコート法、またはスプレーコート法等の方法によって行えばよい。

以上のような本発明の光通信用ガラス部材の接合方法は、ガラス部材が小さいほど、かつ／またはガラス部材の表面形状が複雑なほど、有効である。すなわち、ガラス部材が小さかったり、その表面形状が複雑であると、従来では、接着剤層およびシランカップリング剤層の厚みが不均一になってシランカップリング剤層とガラス部材または接着剤層との間で剥離が一層、起こり易いが、そのような場合でも本発明によると剥離を有効に防止できるためである。

本発明の光通信用ガラス部材の接合方法は、接着強度に優れ、光学特性を著しく低下させる剥離を有効に防止できるので、光損失等のないファイバーアレイ、ＷＤＭモジュール、レンズファイバーアレイ、光アイソレーター等の光通信用部品を効率よく得ることができる。本発明の光通信用ガラス部材の接合方法によって得られる光通信用部品は、耐湿性にも優れ、長期にわたって剥離を防止できる。

実験例Ａ
（参考例１Ａ；ファイバーアレイ）
・部材のシランカップリング剤処理
図１に示すように、ガラス製の押さえ基板１とＶ型溝を有するガラス製の基板２を、シランカップリング剤（信越化学工業社製；ＫＢＥ４０３）３が入った小瓶とともに、密閉容器４内に入れて、密閉する。その後、内部温度を１４０℃で３０分間維持して、シランカップリング剤の処理を行った。

・部材の組み立て
図２に示すように、シランカップリング剤処理された押さえ基板１と基板２を取り出し、基板２のＶ型溝にリボンファイバー５を設置した。なお、シランカップリング剤層は図示しない。次いで、その上に、押さえ基板１を載置すると共に、基板１と基板２との間に接着剤（ＮＴＴ−ＡＴ社製；ＡＴ３９２５Ｍ、エポキシ系)６を充填して紫外線照射により十分に硬化させ、ファイバーアレイ１０を得た。基板１は、密閉容器内での上面が接着剤と接触するように用いた。

（参考例２Ａ；ファイバーアレイ）
シランカップリング剤処理において内部温度を１１０℃、維持時間を３０分間としたこと以外、参考例１Ａと同様の方法によりファイバーアレイを得た。

（参考例３Ａ；ファイバーアレイ）
シランカップリング剤処理において内部温度を９０℃、維持時間を３０分間としたこと以外、参考例１Ａと同様の方法によりファイバーアレイを得た。

（比較例１Ａ；ファイバーアレイ）
シランカップリング剤層を形成しなかったこと以外、参考例１Ａと同様の方法によりファイバーアレイを得た。

（比較例２Ａ；ファイバーアレイ）
基板１の接着剤との接触面（接合面）および基板２のＶ型溝形成面に、シランカップリング剤を２重量％含有する酢酸溶液をスプレーコートし、常温で乾燥することによって、シランカップリング剤層を形成したこと以外、参考例１Ａと同様の方法によりファイバーアレイを得た。

（評価）
各参考例／比較例で２０個のファイバーアレイを接合後、微小部分でも剥離が見られたものに関しては剥離とし、剥離発生数を目視確認した。詳しくは金属顕微鏡において１０倍で検査した。その後、オーブンにサンプルを入れ、表に記載の各加温時間に３０分間保持した後の剥離発生数を確認した。剥離発生率として「剥離した個体数／試験した個体数」で示した。表に記載の加温温度は試験温度であり、温度が高く、剥離が少ないほど、接着は良好であると判断できる。

接合直後において、比較例１Ａおよび２Ａでは、基板１と基板２との間で気泡が発生しており、剥離が起こっていたが、参考例１Ａ〜３Ａでは気泡は全く発生していなかった。
参考例１Ａ〜３Ａから、処理時の内部温度が高いほど剥離が発生し難いことがわかる。

実験例Ｂ
（実施例１Ｂ；ＷＤＭモジュール）
・部材のシランカップリング剤処理
別のシランカップリング剤（信越化学工業社製；ＫＢＭ５１０３）を用いたこと以外、参考例１Ａと同様の方法により、図３に示すようなファイバーアレイ１１、フィルター１４が接合済みの光導波路１２およびファイバーアレイ１３に対してシランカップリング剤の処理を行った。なお、いずれの部材も少なくとも後述の接着剤と接触する面にはシランカップリング剤層が形成されている。また光導波路１２は接着剤を用いて予めフィルター１４を接合されている。

・部材の組み立て
図３に示すように、シランカップリング剤処理（１４０℃３０分間）された部材１１，１２，１３を取り出し、設置した後、部材１１と部材１２との間１５および部材１２と部材１３との間１６に接着剤（Ablestik社製；Ableux OGR150THTG、アクリレート系）を充填して紫外線照射により十分に硬化させ、ＷＤＭモジュール２０を得た。

（実施例２Ｂ；ＷＤＭモジュール）
シランカップリング剤処理において内部温度を１１０℃、維持時間を３０分間としたこと以外、実施例１Ｂと同様の方法によりＷＤＭモジュールを得た。

（実施例３Ｂ；ＷＤＭモジュール）
シランカップリング剤処理において内部温度を９０℃、維持時間を３０分間としたこと以外、実施例１Ｂと同様の方法によりＷＤＭモジュールを得た。

（比較例１Ｂ；ＷＤＭモジュール）
シランカップリング剤層を形成しなかったこと以外、実施例１Ｂと同様の方法によりＷＤＭモジュールを得た。

（比較例２Ｂ；ＷＤＭモジュール）
部材１１，１２，１３の接着剤との接触面（接合面）に、シランカップリング剤を２重量％含有する酢酸溶液をスプレーコートし、常温で乾燥することによって、シランカップリング剤層を形成したこと以外、実施例１Ｂと同様の方法によりＷＤＭモジュールを得た。

（比較例３Ｂ；ＷＤＭモジュール）
シランカップリング剤処理において密閉容器内を０．１ＭＰａ、９０℃の減圧状態に３０分間維持したこと以外、実施例１Ｂと同様の方法によりＷＤＭモジュールを得た。

（評価）
実験例Ａと同様の方法により評価を行い、剥離発生率を求めた。

接合直後において、比較例１Ｂ〜３Ｂでは、基板１と基板２との間で気泡が発生しており、剥離が起こっていたが、実施例１Ｂ〜３Ｂでは気泡は全く発生していなかった。
実施例１Ｂ〜３Ｂから、処理時の内部温度が高いほど剥離が発生し難いことがわかる。
比較例３Ｂから、シランカップリング剤処理時において減圧すると、剥離が発生し易くなることがわかる。比較例３Ｂにおいては前工程で使用の接着剤に起因するものと考えられる揮発成分による白濁が部材の表面に確認された。

本発明の光通信用ガラス部材の接合方法は、例えば、ファイバーアレイ、ＷＤＭモジュール、レンズファイバーアレイ、光アイソレーター等の光通信用部品の製造に特に有効であり、またビームスプリッター、マクロマティクレンズ、グラントムソンプリズム等のガラス接合が必要な他の光学部品の製造にも有効である。

実施例１Ａにおけるシランカップリング剤の処理方法を説明するための概略見取り図である。 実施例１Ａにおけるファイバーアレイの製造方法を説明するための概略見取り図である。 実施例１ＢにおけるＷＤＭモジュールの製造方法を説明するための概略見取り図である。

符号の説明

１；押さえ基板、２；Ｖ型溝を有する基板、３；シランカップリング剤、４；密閉容器、５；ファイバー、６；接着剤層、１０；ファイバーアレイ、１１；ファイバーアレイ、１２；光導波路、１３；ファイバーアレイ、１４；フィルター、１５；１６；接着剤層、２０；ＷＤＭモジュール。

Claims (6)

1. シランカップリング剤を加温単独により蒸発させ、シランカップリング剤蒸気によって光通信用ガラス部材を処理した後、該ガラス部材を接着剤により接合する光通信用ガラス部材の接合方法であって、接合を行う光通信用ガラス部材の少なくとも一方が、２以上のガラス部材が予め接着剤によって接着されてなる複合部材であり、加温処理温度が１００〜２００℃である光通信用ガラス部材の接合方法。
2. シランカップリング剤の蒸発およびシランカップリング剤蒸気による処理を密閉容器内で行い、該密閉容器全体を加温することによりシランカップリング剤を加温する請求項１に記載の光通信用ガラス部材の接合方法。
3. シランカップリング剤がアクリル系、メタクリル系、エポキシ系、アルキル系、スチリル系、ビニル系およびアミノ系のシランカップリング剤からなる群から選択されるものである請求項１または２に記載の光通信用ガラス部材の接合方法。
4. シランカップリング剤が濃度８０〜１００重量％で使用される請求項１〜３のいずれかに記載の光通信用ガラス部材の接合方法。
5. 接着剤がアクリル系、メタクリル系、エポキシ系、ウレタンアクリル系、およびオキセタン系の光反応性接着剤からなる群から選択されるものである請求項１〜４のいずれかに記載の光通信用ガラス部材の接合方法。
6. ガラス部材が石英、ソーダガラス、硼珪酸ガラス、または鉛ガラスからなる請求項１〜５のいずれかに記載の光通信用ガラス部材の接合方法。

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