JP5257642B2 - セラミックス光学部品及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、遠赤外光を透過する光学部品に関し、可視光から近赤外光までの光に対して遮光性がある遠赤外光学系部品に用いられる光学部品及びその製造方法に関するものである。
赤外光の持つ優れた機能を利用した新たな高機能装置の開発が進んでいる。例えば、そのセンシング機能を活用した実用途には、物体の表面温度を非接触で測定する表面温度計、地球上の資源分布を上空から検知する資源探査システム、暗視野中で物体を検知する装置、人体検知用センサーとしてそれを利用したセキュリティーシステム、ガス分析装置等を挙げることができる。また、これらの収集データーを画像処理する赤外画像処理装置、赤外光の熱エネルギーを利用したハイパワーのレーザー加工装置等も知られている。
このように高機能な赤外光利用装置の実用化に伴い、それらの装置に組み込まれる光学的な機能を果たす部品、例えば、窓材、レンズ材等の種々の光学部品に対して高い実用機能と低コスト化が以前にも増して要求されるようになってきている。
このような光学部品材料のうち、波長８〜１２μｍ帯用の部品材料としては、従来からＧｅ、ＺｎＳｅおよびＺｎＳのような無機材料が主に用いられてきた。しかしながら、最近は安価かつ加工性に優れたポリエチレンのような樹脂も用いられるようになってきた。前者の無機材料は、例えば屋外で用いる機器や振動や衝撃を受ける車両に搭載される機器のように、過酷な使用環境に曝される用途では、使用する条件によっては、これら単独では機械的な強度や表面硬度、さらには紫外線による表面酸化等の点で不十分な場合もあった。そこでこのような場合には、その表面に耐環境性の膜を被覆する試みもなされてきた。例えば特開昭５６−８７００２号公報には、光学部品の表面を赤外線透過性のダイヤモンド様カーボン（ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ）の膜で被覆したものが紹介されているが、この方法ではコスト高になる。
一方光学部品本体を樹脂製のものにすると、無機材料に比べ耐熱性はもとより特に光学部品全体としての機械的な強度の低下等の問題は避けられない。例えばその透過率を上げるためには全体の厚みを薄くしなければならないが、機械的な強度の低下は避けられない。
また、これらの光学部品材料は、通常可視光から赤外光の広い波長域の光を透過する。このため例えば８〜１２μｍの波長域の人体表面から発する赤外線の選択的な検知を目的とするような場合には、波長域の異なる検知対象外の光、特に波長０．４〜Ｓμｍの可視光から近赤外光はノイズとなる。その結果、検知部以降の信号処理部に誤動作が生じたり、バックグランドが上昇して検知精度が低下するという問題がある。
したがってこのようなノイズをカットするため、従来は光学部品本体の表面にこの機能を有するフィルター層を形成していた。しかしながらこの層は、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法のような気相蒸着法で形成されるため、製造コストが嵩むという問題があった。そこで所望の波長帯の赤外光の透過率の低下を極力抑えるとともに、確実に可視光〜近赤外光を遮蔽する機能を有し、しかも安価に製造できる光学部品の開発が、望まれてきた。つまり、０．４〜３μｍの波長域での透過率はできるだけ低く、かつ８〜１２μｍの波長域での透過率はできるだけ高い材料の開発が望まれてきた。
可視光から近赤外光を遮蔽するため、光学部品本体に粒子を分散させ、それに可視光から近赤外光を選択的に吸収させる手段が、主に樹脂を母材に使って研究されてきた。例えば特開昭６１−３９００１号公報には、高密度ポリエチレンのような樹脂に、酸化チタン（ＴｉＯ2）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ4）、べんがら（Ｆｅ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、亜鉛（Ｚｎ）等の無機顔料を分散させたものが紹介されている。しかしながらこの場合には、ノイズとなる１〜２μｍの波長の光の遮蔽が不十分であり、波長３μｍ以上の赤外光を選択検知するセンサーのレンズには向かない。また特開昭６２−２８４３０３号公報には、同様の樹脂にジルコニウム（Ｚｒ）化合物を分散させ７〜１４μｍの波長の光を選択的に透過させるものが提案されている。しかしながらこの場合には、Ｚｒ化合物を５〜１５重量％分散させないと遮蔽できないため、赤外光の透過率の低下が大きくなる。
そこで特開平９−２１７０１号公報に記載のように、同様の樹脂にＺｎＳの微粒子を４重量％以下分散させたものが提案されている。また特公平７−８６５６６号公報には、同様の樹脂中に四三酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）、カーボンブラック、酸化錫（ＳｎＯ2）で被覆された酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）等の微細な顔料粒子を分散させたものが開示されている。さらに特開平８−５４４７８号公報は、同様の樹脂製レンズにおいて、近赤外光を選択的に遮蔽するためには、顔料としてセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を用いることが望ましいことを提案している。しかしながら可視光〜近赤外光の遮蔽能と遠赤外光の透過率とは、お互いに相反する関係にあるため、これらの方法でも両者をバランス良く満たす光学部品材料は、未だに得られていない。さらに、緻密なＺｎＳ焼結体は、１〜１４μｍの広い赤外領域での透過特性はよい。そこで、特開平１１−２９５５０１号公報には、ＺｎＳ焼結体に含まれる気孔率を制御することにより、可視光〜近赤外光を遮蔽し遠赤外光の透過性を向上させたＺｎＳ多結晶焼結体およびその製造方法が提案されている。この気孔率を制御する方法は、可視光を散乱させることにより見かけ上可視光を遮蔽している。このため、センサーなどの用途で、このようなＺｎＳ多結晶焼結体を窓あるいはレンズとして用いた場合、窓あるいはレンズとセンサーとの距離が長いと可視光は遮蔽されるが、距離が短い場合には散乱光をノイズとして検出してしまうという問題があった。
本発明の目的は、遠赤外光用光学部品に関し、上記問題点を解消して、遠赤外光（波長８〜１２μｍ）の透過率を向上させるとともに、ノイズとなる可視光から近赤外光（波長０．４〜３μｍ）の遮光性を向上させた材料ならびにその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
本発明は、可視光から近赤外光を遮蔽したセラミックス赤外光学部品に関し、セラミックスであって、厚みが０．５ｍｍとして測定したときに、波長域８〜１２μｍの領域で、透過率が５０％以上であり、波長３μｍ以下の可視光および近赤外光の透過率が、５０％以下であることを特徴とする。また、前記波長３μｍ以下の透過率が、３０％以下であることを特徴とする。さらには、前記波長３μｍ以下の透過率が、５％以下であることを特徴とする。セラミックスはＺｎＳを主成分とする。また、好ましくは、ＺｎＳである。さらにセラミックスはＺｎＳｅもしくはＧｅであってもよい。
本発明は、可視光から近赤外光を遮蔽したセラミックス赤外光学部品に関し、セラミックスであって、厚みが０．５ｍｍとして測定したときに、波長域８〜１２μｍの領域で、透過率が５０％以上であり、波長３μｍ以下の可視光および近赤外光の透過率が、５０％以下であることを特徴とする。また、前記波長３μｍ以下の透過率が、３０％以下であることを特徴とする。さらには、前記波長３μｍ以下の透過率が、５％以下であることを特徴とする。セラミックスはＺｎＳを主成分とする。また、好ましくは、ＺｎＳである。さらにセラミックスはＺｎＳｅもしくはＧｅであってもよい。
また、波長３μｍ以下の光を遮蔽する手段として、波長３μｍ以下の光を遮蔽するような添加剤を前記セラミックスに含有させることを特徴とする。前記添加剤は、鉄、コバルト、銀、Ｆｅ３Ｏ４、カーボンブラック、黒鉛、ダイヤモンド、チタンブラック、銅、ニッケル、クロム、金、マンガン、モリブデン、タングステン、シリコン、ゲルマニウムの中から選ばれる１種類もしくは２種類以上、あるいは銀、銅、金、マンガン、モリブデン、タングステン、シリコン、ゲルマニウムの中から選ばれる１種類もしくは２種類以上の元素の化合物であって、Ｆｅ ３ Ｏ ４ を添加する場合はその添加量が０．０１ｗｔ％以上０．０５ｗｔ％以下、かつカーボンブラックを添加する場合はその添加量が０．００１ｗｔ％以上０．０５ｗｔ％以下、かつ鉄を添加する場合はその添加量が０．２ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下、かつＦｅ ３ Ｏ ４ およびカーボンブラックおよび鉄以外の添加剤を添加する場合はその添加量が０．００１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下である。
本発明のセラミックス材料は、８〜１２μｍの波長域の遠赤外光での直線透過率が高いセラミックス、例えばセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、弗化バリウム（ＢａＦ2）およびガリウム砒素（ＧａＡｓ）を主成分とするセラミックスならびに珪素（Ｓｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）の多結晶体が用いられる。これらの中では安価で透過率の波長特性に優れたＺｎＳを主成分としたものやＺｎＳｅもしくはＧｅが望ましい。また遠赤外光の透過率レベルを上げるため、セラミックスの結晶粒子の平均粒径は、その光の波長よりも小さい方が望ましい。本発明の遠赤外光の波長域では、結晶粒子の平均粒径は、８μｍ以下、さらには５μｍ以下であるのが望ましい。同じ理由でその粒界相の幅も小さい方が望ましい。したがって結晶の粒界相を形成する焼結助剤さらには主成分以外の添加剤や不純物の量は、できるだけ少ない方が望ましい。また、反射防止コーティングを施すと赤外光の透過レベルをさらに上げることができる。特にＧｅを用いる場合は、反射防止コーティングを施さないと本発明の赤外光透過率を得ることはできない。
０．４〜３μｍの波長の可視光から近赤外光を遮蔽する添加剤としては、鉄、コバルト、銀、カーボンブラック、Ｆｅ３Ｏ４、黒鉛、ダイヤモンド、チタンブラック、銅、ニッケル、クロム、金、マンガン、モリブデン、タングステン、シリコン、ゲルマニウムや、銀、銅、金、マンガン、モリブデン、タングステン、シリコン、ゲルマニウムの化合物がある。これらの添加剤は、可視光から近赤外光を直接吸収して遮蔽する。使用する添加剤の平均粒径は、遠赤外光の透過率を維持するために、その波長以下、すなわち８μｍ以下にするのが望ましい。また添加剤粒子は、光学部品の可視〜近赤外光の遮蔽性能と遠赤外光の透過性能双方のレベルをバランス良く制御するため、母材中で可能な限り微細かつ均一に分散させるのが望ましい。したがって添加剤の平均粒径は、小さいほど望ましい。しかしながら小さくなり過ぎると個々の粒子が凝集し易くなるので、その平均粒径の下限は、０．０１μｍ（１０ｎｍ）とするのが望ましい。さらに好ましい範囲は、０．０１〜２μｍである。
添加剤の添加量も、光学部品の可視〜近赤外光の遮蔽性能と遠赤外光の透過性能をバランス良く制御するための重要な因子である。セラミックスに添加される１種類の添加剤の添加革は、通常は０．００１〜５ｗｔ％の範囲とするのが望ましい。なおこの場合、ノイズとなる可視〜近赤外光の遮蔽性能を重視する用途に対しては、遠赤外光の透過率は低下しても確実に可視〜近赤外光を遮蔽できる添加剤を、少量添加するのが望ましい。このような場合には、黒化度の高い、例えばカーボンブラックや黒鉛のような添加剤を用いるのが望ましい。またその際の添加量は、０．００１〜０．０５ｗｔ％の範囲とするのが望ましい。一方どちらかと言えば遠赤外光の透光性を高めたい用途に対しては、それらよりも黒化度が低く可視〜近赤外光の遮蔽性能には劣るが、遠赤外光の透過率を余り低下させない添加剤を、多めに添加するのが望ましい。このような添加剤には、例えばＦｅ3Ｏ4やＡｇのようなものが挙げられる。その際の添加量は、０．０１〜５ｗｔ％の範囲とするのが望ましい。遠赤外光の透過率を余り落とさないで、可視〜近赤外光の遮蔽を行うためには、このように添加剤の黒化度に応じて添加剤の適正な添加量を選ぶのが望ましい。さらに、可視〜近赤外光の特定の波長を吸収して遮断したい用途に対しては、ＦｅやＣｏのようなものが挙げられる。これらの添加剤は、可視〜近赤外光の特定の波長域の光を遮蔽するが、遠赤外光はほとんど吸収しないので、前記特定波長の遮蔽効果を高めるために、添加量は、０．０１〜５ｗｔ％の範囲とするのが望ましい。
さらに、可視〜近赤外光のより広い範囲の光を遮蔽するためには、前記添加剤を２種類以上添加することが望ましい。各添加剤には、前述のようにそれぞれに特有の波長の光を遮蔽するあるいは、可視光から近赤外光全体の透過率を低下させる効果がある。したがって、添加剤の種類と組合せと添加量を適時選択することによって、セラミックス光学部品の光学特性をその用途や目的に応じて制御することができる。この場合の添加量総量は、０．０１〜１０ｗｔ％の範囲とするのが望ましい。
以下本発明の光学部品材料の製造方法について述べる。光学部品材料のセラミックスは、前述のような各種の主成分からなるものを用いる。このセラミックスは、まず主成分原料粉末に前述のような添加剤粉末を混合し、所定の形状に成形した後、焼結して焼結体とし、さらに所定の形状に仕上げ加工する手順によって得られる。なお添加剤の種類、平均粒径およびその添加量は、前述の通りである。
本発明のセラミックス光学部品材料の主原料であるセラミックス原料粉末の純度は、９９．９％以上であるのが望ましい。また、添加される添加剤粉末も可能な限り純度が高いものであることが望ましい。セラミックスには、その緻密化を促進させるために、少量の焼結助剤を含んでもよいが、その添加量が多くなると、粒界相の幅が大きくなり透過率低下の一因となるため好ましくない。したがってその添加量は、少ない方がよい。無添加が望ましいが、必要な場合、その添加量は、せいぜい全体の１ｗｔ％以下とするのが望ましい。本発明のセラミックス光学部品は、従来のものに比べ添加剤粒子が極めて微細かつ均一に分散されている。
このような分散状態を得るためには、主成分粉末と添加剤粉末との混合物の調製過程において、微細な添加剤粉末の粒子が可能な限り凝集せず、主成分のセラミックス粉末中に均一に分散させるようにする。例えば（１）予め主成分と添加剤成分の有機金属化合物等の前駆体を共沈させてから焼成して、所望の組成の混合物とする、（２）予め主成分粒子に添加剤成分粒子またはその前駆体を複合化した粉末を調製する、（３）混合に先立ち粒子の凝集を防ぐために、少量の解膠剤を添加する、（４）混合時に添加剤の平均粒径に見合った波長の超音波振動を加える、（５）溶媒を用いた混合系での乾燥時の凝集を防ぐため、粉砕・混合効果の大きい乾式ボールミル混合を行う、等々の種々の手段またはそれらを併用する手段が考えられる。
本発明のセラミックス光学部品の場合、可視光から近赤外光の広い範囲の光を遮蔽するためには、前述のように添加剤を２種類以上添加することが望ましい。この時、添加剤の種類と組合せならびに添加量を選択することにより、可視光から近赤外光の遮光特性と遠赤外光の透過特性の双方を制御して、使用目的に最適な光学特性を有するセラミックス光学部品を得ることができる。尚、２種類以上を添加する場合でも、前述したいずれの混合方法を採ることができる。
以上のように調製されたセラミックス混合粉末を成形した後、それぞれのセラミックス主成分に見合った適正な条件で焼結する。ただしその過程では、セラミックス母材の透過率を低下させる添加剤以外の不純物の混入を可能な限り避けるのが望ましい。例えば混合された粉末の充填性を高めるために行う造粒や成形体の作製は、乾式で有機質のバインダーの要らない方法とするのが望ましい。したがって例えば成形は、静水圧成形によって行うのが望ましい。さらに焼結時のコンテナーや加熱の雰囲気にも、セラミックスを変質させないように配慮するのが望ましい。さらにまた透過率を低下させないために、焼結助剤の量も少なくする。このため常圧下での焼結による緻密化が困難であれば、型内でのホットプレスや熱間静水圧成形（ＨＩＰ）のような加圧焼結法も有効な手段である。以上のように不純物の混入を抑えることによって、焼結されたセラミックスは、可視光から近赤外光を遮蔽し、遠赤外光の透過性に優れ、微細な添加剤が均一に分散した焼結体となる。
以上のようにして得られた焼結体を、目的とする光学部品の形状に加工する。例えば、赤外光センサーに用いられるフィルターの場合には、焼結時の型を所定の直径の円形として円板状の焼結体を得た後、上下面を研磨することにより、フィルターを得ることができる。また、レンズの場合には、同様の円板状の焼結体を得た後、球面研磨加工機や超精密旋盤などを用いて所定のレンズ形状を得ることができる。さらに、必要に応じてそれら光学部品に、反射防止コーティングを施せば、赤外光の透過レベルを上げることができる。光学部品の透過特性を高めるためには、該光学部品の両面に反射防止コーティングを施すことが望ましいが、経済的には少なくとも片面に施す方がよい。反射防止コーティングは、Ｇｅを主成分とする場合には必須である。
実施例１
セラミックス素材として、ＺｎＳを主成分としたセラミックスからなる素材を調製した。主成分の原料となる粉末としてＺｎＳからなり、その平均粒径が１μｍ、純度が９９．９９％以上のものを用意した。これら主成分粉末に次に記載の各種添加剤の粉末を添加し、以下に述べる混合法によって添加剤と主成分とを混合した。平均粒径２μｍ、純度９８．２％以上の鉄粉末と平均粒径１μｍ，純度９９．９％以上のコバルト粉末ならびに平均粒径０．５μｍ、純度９９．７％以上のＦｅ３Ｏ４粉末を用意した。前記ＺｎＳ粉末に、鉄粉末を０．２ｗｔ％、コバルト粉末を０．２ｗｔ％、Ｆｅ３Ｏ４粉末を０．０１ｗｔ％配合し、乾式で２０時間ボールミル混合した。
セラミックス素材として、ＺｎＳを主成分としたセラミックスからなる素材を調製した。主成分の原料となる粉末としてＺｎＳからなり、その平均粒径が１μｍ、純度が９９．９９％以上のものを用意した。これら主成分粉末に次に記載の各種添加剤の粉末を添加し、以下に述べる混合法によって添加剤と主成分とを混合した。平均粒径２μｍ、純度９８．２％以上の鉄粉末と平均粒径１μｍ，純度９９．９％以上のコバルト粉末ならびに平均粒径０．５μｍ、純度９９．７％以上のＦｅ３Ｏ４粉末を用意した。前記ＺｎＳ粉末に、鉄粉末を０．２ｗｔ％、コバルト粉末を０．２ｗｔ％、Ｆｅ３Ｏ４粉末を０．０１ｗｔ％配合し、乾式で２０時間ボールミル混合した。
その後混合した粉末をゴム型に振動を加えながら充填し、さらにゴム蓋をして真空脱気しつつ封入した。その後静水圧成形装置内に入れて、圧力９８ＭＰａにて円板形状に静水圧成形した。
次いでこの成形体を黒鉛製であり上下パンチ付きの一軸加圧方式の型内に配置し、０．１５Ｐａの真空雰囲気中にて昇温した。その後同じ雰囲気中で１０００℃にて保持後、上パンチによって４０ＭＰａの圧力を１時間加えつつホットプレス焼結した。得られた焼結体はほぼ相対密度１００％（混合組成から算定した理論密度に対する水中法で実測した焼結体の密度の割合）に緻密化していた。
得られた焼結体の試料の上下面を鏡面仕上げし、最終的に直径５５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの円板形状とした。その後試料の厚み方向の可視光から赤外光領域の直線透過率をダブルビーム式分光光度計により測定した。この時、試料と検出器との距離は７５ｍｍであった。結果を図１に実線で示す。図１には、比較のために特開平１１−２９５５０１号公報に記載されているＺｎＳ（以降従来型ＺｎＳと呼ぶ）の同じ測定結果を破線で示す。図１から判るように、従来型ＺｎＳは波長０．４〜３μｍの範囲の光が大きく透過している。これに対して、本発明のＺｎＳでは、波長０．４〜３μｍの範囲の光は、ほぼ完全に遮断し、かつ８〜１２μｍの範囲の光の透過率は、６５％以上と良く透過している。尚、本実施例では、２μｍ付近の光の透過率が約２．２％であったが、本実施例の添加剤の組合せで、２μｍ付近の光の透過率をさらに低減し、波長０．４〜３μｍのすべての範囲の光を効率的に遮蔽するには、Ｆｅ３Ｏ４粉末の添加量を増加させればよい。例えば、Ｆｅ３Ｏ４粉末の添加量を０．０２ｗｔ％にすると、２μｍ付近の光の透過率は０．５％以下に低減することができた。しかし、この場合８〜１２μｍの光の透過率も約５％低下した。
さらに、散乱光の評価を８３０ｎｍ、１．５μｍならびに１０μｍの各波長のレーザーを用いて行った。この時、試料と検出器との距離は、５ｍｍとした。その結果を図１に併せてプロットした。▲が本発明、●が従来型ＺｎＳを示す。波長１０μｍでは、従来型も本発明品も分光光度計による測定結果とほとんど同じ透過率であるが、波長が１．５μｍ、８３０ｎｍと短くなると、レーザーを用いて評価した透過率が高くなっていることが判る。特に従来型ＺｎＳは、その上がり方が顕著であり、８３０ｎｍでは４０％以上の透過率となっている。このことは、従来型のＺｎＳを、例えば赤外線センサーの窓材として使用した場合、窓とセンサーの距離が近いと可視光がノイズとして検出されてセンサーの性能の低下をまねくことを示している。これに対して、本発明品は、１５％以下の透過率であり、上記のような性能低下の恐れのないことが判る。また、添加剤を含有させることにより、可視光を直接吸収して遮蔽したことが判る。
実施例２
実施例１と同じＺｎＳ粉末を主成分として用意した。さらに、平均粒径１μｍ、純度９９．９％以上のコバルト粉末と平均粒径２μｍ，純度９８．２％以上の鉄粉末ならびに平均粒径０．０１μｍ、純度９９．８％以上のカーボンブラックを用意した。前記ＺｎＳ粉末に、コバルト粉末を０．５ｗｔ％、鉄粉末を０．５ｗｔ％，カーボンブラックを０．００１ｗｔ％配合し、乾式で２０時間ボールミル混合した。さらに、実施例１と同様に成形、焼結を行い、上下面を鏡面加工し、最終的に直径５５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの焼結体を得た。得られた焼結体はほぼ相対密度１００％に緻密化していた。
実施例１と同じＺｎＳ粉末を主成分として用意した。さらに、平均粒径１μｍ、純度９９．９％以上のコバルト粉末と平均粒径２μｍ，純度９８．２％以上の鉄粉末ならびに平均粒径０．０１μｍ、純度９９．８％以上のカーボンブラックを用意した。前記ＺｎＳ粉末に、コバルト粉末を０．５ｗｔ％、鉄粉末を０．５ｗｔ％，カーボンブラックを０．００１ｗｔ％配合し、乾式で２０時間ボールミル混合した。さらに、実施例１と同様に成形、焼結を行い、上下面を鏡面加工し、最終的に直径５５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの焼結体を得た。得られた焼結体はほぼ相対密度１００％に緻密化していた。
得られた焼結体の試料の直線透過率を実施例１と同様の方法で分光光度計とレーザーにより測定した。結果を図２に実線で示す。実線と■が本発明であり、破線と●が従来型ＺｎＳである。図２から判るように、本発明のＺｎＳでは、波長０．４〜３μｍの範囲の光の透過率は、２０％以下に遮断し、かつ８〜１２μｍの範囲の光の透過率は、６５％以上と良く透過している。尚、本実施例の添加剤の組合せで、波長０．４〜３μｍのすべての範囲の光を効率的に遮蔽するには、コバルトと鉄は、それぞれ０．０１ｗｔ％以上、カーボンブラックは０．００１ｗｔ％以上添加することが必要であった。
図１と比較すると、実施例２の添加剤の組合せでは、波長２μｍ付近の光の透過率が約１９％と実施例１の添加剤の組合せに比べて高いが、レーザーによる測定では、特に８３０ｎｍでの透過率が１０％以下と大きく低下したことが判る。
実施例３
実施例１と同じＺｎＳ粉末を主成分として用意した。さらに、平均粒径０．５μｍ、純度９９．７％以上のＦｅ3Ｏ4粉末と平均粒径２μｍ，純度９９．９％以上の銀粉末を用意した。前記ＺｎＳ粉末に、Ｆｅ3Ｏ4粉末を０．０５ｗｔ％、銀粉末を０．０５ｗｔ％配合し、乾式で２０時間ボールミル混合した。さらに、実施例１と同様に成形、焼結を行い、上下面を鏡面加工し、最終的に直径５５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの焼結体を得た。得られた焼結体の密度は、４．０９とほぼ理論密度と同じであり緻密に焼結していることが確認できた。実施例１と同様の方法で、透過率を分光光度計ならびにレーザーを用いて測定した。その結果を図３に示す。実線と▲が本発明、破線と●が従来のＺｎＳを示す。分光光度計による測定では、本実施例のものは、波長０．４〜３μｍの光を１０％以下の透過率に抑えており、この波長域がノイズとなって性能の低下を引き起こす赤外線センサーのフィルターなどに好ましいことが判る。また、図１と比較すると、波長８μｍ以下の透過率が抑えられ、波長８〜１２μｍの領域での透過率が高くなっていることが判る。つまり、添加剤の種類及び組合せを選択することによって遮光特性と透過特性を制御することができる。また、レーザーによる評価でも、短波長で、従来のＺｎＳよりもよく光を遮蔽していることが判る。尚、本実施例の添加剤の組合せでは、銀とＦｅ3Ｏ4をそれぞれ０．０１ｗｔ％以上添加しないと効果はなかった。
実施例１と同じＺｎＳ粉末を主成分として用意した。さらに、平均粒径０．５μｍ、純度９９．７％以上のＦｅ3Ｏ4粉末と平均粒径２μｍ，純度９９．９％以上の銀粉末を用意した。前記ＺｎＳ粉末に、Ｆｅ3Ｏ4粉末を０．０５ｗｔ％、銀粉末を０．０５ｗｔ％配合し、乾式で２０時間ボールミル混合した。さらに、実施例１と同様に成形、焼結を行い、上下面を鏡面加工し、最終的に直径５５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの焼結体を得た。得られた焼結体の密度は、４．０９とほぼ理論密度と同じであり緻密に焼結していることが確認できた。実施例１と同様の方法で、透過率を分光光度計ならびにレーザーを用いて測定した。その結果を図３に示す。実線と▲が本発明、破線と●が従来のＺｎＳを示す。分光光度計による測定では、本実施例のものは、波長０．４〜３μｍの光を１０％以下の透過率に抑えており、この波長域がノイズとなって性能の低下を引き起こす赤外線センサーのフィルターなどに好ましいことが判る。また、図１と比較すると、波長８μｍ以下の透過率が抑えられ、波長８〜１２μｍの領域での透過率が高くなっていることが判る。つまり、添加剤の種類及び組合せを選択することによって遮光特性と透過特性を制御することができる。また、レーザーによる評価でも、短波長で、従来のＺｎＳよりもよく光を遮蔽していることが判る。尚、本実施例の添加剤の組合せでは、銀とＦｅ3Ｏ4をそれぞれ０．０１ｗｔ％以上添加しないと効果はなかった。
実施例４
実施例１と同じＺｎＳ粉末を主成分として用意した。さらに、表１に示す各添加剤を用意した。ＺｎＳ粉末に、表１に示す各添加剤を１種類づつ配合し、乾式で２０時間ボールミル混合し４種類の混合粉末を得た。それぞれの粉末を、実施例１と同様に成形、焼結を行い、上下面を鏡面加工し、最終的に直径５５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの焼結体を４種類得た。得られた焼結体の密度は、いずれも相対密度がほぼ１００％に緻密化していた。実施例１と同様の方法で、透過率を分光光度計を用いて測定した。また、レーザーによる評価も実施例１と同様に行った。その結果を図４に示す。ａ〜ｄが本発明であり、破線が従来のＺｎＳである。レーザーによる評価の結果は、ＦｅならびにＦｅ3Ｏ4添加のものは記載せず、Ｃｏ添加のものは、△で、Ａｇ添加のものは、◇で、従来のＺｎＳは●で示す。尚、波長１０μｍのプロットは重なっている。
実施例１と同じＺｎＳ粉末を主成分として用意した。さらに、表１に示す各添加剤を用意した。ＺｎＳ粉末に、表１に示す各添加剤を１種類づつ配合し、乾式で２０時間ボールミル混合し４種類の混合粉末を得た。それぞれの粉末を、実施例１と同様に成形、焼結を行い、上下面を鏡面加工し、最終的に直径５５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの焼結体を４種類得た。得られた焼結体の密度は、いずれも相対密度がほぼ１００％に緻密化していた。実施例１と同様の方法で、透過率を分光光度計を用いて測定した。また、レーザーによる評価も実施例１と同様に行った。その結果を図４に示す。ａ〜ｄが本発明であり、破線が従来のＺｎＳである。レーザーによる評価の結果は、ＦｅならびにＦｅ3Ｏ4添加のものは記載せず、Ｃｏ添加のものは、△で、Ａｇ添加のものは、◇で、従来のＺｎＳは●で示す。尚、波長１０μｍのプロットは重なっている。
本実施例のように添加剤が１種類の場合は、その添加剤によって、可視光から近赤外光で、それぞれ特有の透過特性を示す。Ｆｅを単独で添加すると、波長２〜４μｍの範囲の光を選択的に吸収できる。Ｃｏの場合は、波長１〜２μｍの範囲の光を選択的に吸収する。Ａｇの場合は、可視光〜近赤外光の透過率を全体的に低下させることができ、波長０．４〜３μｍの範囲の光の透過率を５０％以下にすることができる。さらに、Ｆｅ3Ｏ4の場合も、可視光から近赤外光の透過率を全体的に低下させることができ、波長０．４〜３μｍの範囲の光の透過率を２０％以下にすることができる。そのため、特に０．４〜３μｍの範囲の光がノイズとして作用するので、できるだけ遮蔽したい場合には好ましい。このような用途としては、赤外線センサー用フィルターが挙げられる。また、同図に示すように前記レーザーによる評価でも、Ｃｏ，Ａｇを添加したものは、可視光の散乱光が少ないことが判る。以上のように、特定の添加剤を１種類だけ添加すれば、添加剤の種類に応じてある特定の波長域の光を遮蔽することができる。
実施例５
セラミックス素材として、ＺｎＳを主成分としたセラミックスからなる素材を調製した。主成分の原料となる粉末としてＺｎＳからなり、その平均粒径が１μｍ、純度が９９。９９％以上のものを用意した。添加剤として平均粒径２μｍ、純度９８．２％のＦｅ粉末と平均粒径０．０１μｍ、純度９９．８％のカーボンブラックを用意した。これらの粉末を予め予備粉砕した。このＦｅ粉末を０．５ｗｔ％とカーボンブラックを０．００１ｗｔ％とを前記ＺｎＳ粉末に配合し、乾式でボールミル混合した。その後、実施例１と同様に、成形、焼結、鏡面加工を行い、直径３０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの焼結体を得た。この焼結体の透過特性を実施例１と同様の分光光度計で測定したところ、０．４〜１．４μｍならびに２．１μｍ〜４．１μｍの透過率が１５％以下であり、８〜１２μｍでの透過率が、５５％以上という光学特性であった。
セラミックス素材として、ＺｎＳを主成分としたセラミックスからなる素材を調製した。主成分の原料となる粉末としてＺｎＳからなり、その平均粒径が１μｍ、純度が９９。９９％以上のものを用意した。添加剤として平均粒径２μｍ、純度９８．２％のＦｅ粉末と平均粒径０．０１μｍ、純度９９．８％のカーボンブラックを用意した。これらの粉末を予め予備粉砕した。このＦｅ粉末を０．５ｗｔ％とカーボンブラックを０．００１ｗｔ％とを前記ＺｎＳ粉末に配合し、乾式でボールミル混合した。その後、実施例１と同様に、成形、焼結、鏡面加工を行い、直径３０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの焼結体を得た。この焼結体の透過特性を実施例１と同様の分光光度計で測定したところ、０．４〜１．４μｍならびに２．１μｍ〜４．１μｍの透過率が１５％以下であり、８〜１２μｍでの透過率が、５５％以上という光学特性であった。
実施例６
セラミックス素材として、ＺｎＳｅを主成分としたセラミックスからなる素材を調製した。主成分の原料となる粉末としてＺｎＳｅからなり、その平均粒径が１μｍ、純度が９９．９９％以上のものを用意した。添加剤として平均粒径２μｍ、純度９８．２％のＦｅ粉末と平均粒径０．０１μｍ、純度９９．８％のカーボンブラックを用意した。前記ＺｎＳｅ粉末に、Ｆｅ粉末を０．５ｗｔ％、カーボンブラックを０．００１ｗｔ％配合し、実施例１と同様に、混合、成形した。次いでこの成形体を黒鉛製であり上下パンチ付きの一軸加圧方式の型内に配置し、０．１５Ｐａの真空雰囲気中にて昇温した。その後同じ雰囲気中で９５０℃にて保持後、上パンチによって４０ＭＰａの圧力を１時間加えつつホットプレス焼結した。得られた焼結体の密度は、５．４１と相対密度１００％に緻密化していた。さらに、鏡面加工を行い、最終的に直径５５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの焼結体を得た。実施例１と同様の方法で、透過率を分光光度計を用いて測定した。また、前記レーザーによる評価も実施例１と同様に行った。その結果を図５に示す。実線と■が本発明、破線と□が無添加のＺｎＳｅを示す。
セラミックス素材として、ＺｎＳｅを主成分としたセラミックスからなる素材を調製した。主成分の原料となる粉末としてＺｎＳｅからなり、その平均粒径が１μｍ、純度が９９．９９％以上のものを用意した。添加剤として平均粒径２μｍ、純度９８．２％のＦｅ粉末と平均粒径０．０１μｍ、純度９９．８％のカーボンブラックを用意した。前記ＺｎＳｅ粉末に、Ｆｅ粉末を０．５ｗｔ％、カーボンブラックを０．００１ｗｔ％配合し、実施例１と同様に、混合、成形した。次いでこの成形体を黒鉛製であり上下パンチ付きの一軸加圧方式の型内に配置し、０．１５Ｐａの真空雰囲気中にて昇温した。その後同じ雰囲気中で９５０℃にて保持後、上パンチによって４０ＭＰａの圧力を１時間加えつつホットプレス焼結した。得られた焼結体の密度は、５．４１と相対密度１００％に緻密化していた。さらに、鏡面加工を行い、最終的に直径５５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの焼結体を得た。実施例１と同様の方法で、透過率を分光光度計を用いて測定した。また、前記レーザーによる評価も実施例１と同様に行った。その結果を図５に示す。実線と■が本発明、破線と□が無添加のＺｎＳｅを示す。
図５に示すように、何も添加しないＺｎＳｅは、０．４μｍ以上の波長すなわち可視光から赤外光までの広い範囲の光を良く透過するが、本実施例にように添加剤を添加すると、波長０．４〜３μｍの範囲の光の透過率を２５％以下にでき、かつ波長８〜１２μｍの範囲の光の透過率を６０％以上とすることができる。また、レーザーによる評価では、本実施例の場合は分光光度計による透過率との差はほとんど見られなかった。すなわち、ＺｎＳｅを主成分とすれば、散乱の影響は受け難いと言える。
実施例７
セラミックス素材として、Ｇｅを主成分としたセラミックスからなる素材を調製した。主成分の原料となる粉末としてＧｅからなり、その平均粒径が２μｍ、純度が９９．９９％以上のものを用意した。添加剤として平均粒径２μｍ、純度９８．２％のＦｅ粉末を用意した。前記Ｇｅ粉末に、Ｆｅ粉末を０．５ｗｔ％配合し、実施例１と同様に、混合、成形した。次いでこの成形体を黒鉛製であり上下パンチ付きの一軸加圧方式の型内に配置し、０．１５Ｐａの真空雰囲気中にて昇温した。その後同じ雰囲気中で５５０℃にて保持後、上パンチによって４０ＭＰａの圧力を１時間加えつつホットプレス焼結した。得られた焼結体の密度は、５．３４と相対密度１００％に緻密化していた。さらに、鏡面加工を行い、最終的に直径５５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの焼結体を得た。実施例１と同様の方法で、透過率を分光光度計を用いて測定した。その結果を図６に示す。実線と▲が本発明、破線と△がＧｅを示す。尚、波長８３０ｎｍと１．５μｍのプロットは、重なっている。
セラミックス素材として、Ｇｅを主成分としたセラミックスからなる素材を調製した。主成分の原料となる粉末としてＧｅからなり、その平均粒径が２μｍ、純度が９９．９９％以上のものを用意した。添加剤として平均粒径２μｍ、純度９８．２％のＦｅ粉末を用意した。前記Ｇｅ粉末に、Ｆｅ粉末を０．５ｗｔ％配合し、実施例１と同様に、混合、成形した。次いでこの成形体を黒鉛製であり上下パンチ付きの一軸加圧方式の型内に配置し、０．１５Ｐａの真空雰囲気中にて昇温した。その後同じ雰囲気中で５５０℃にて保持後、上パンチによって４０ＭＰａの圧力を１時間加えつつホットプレス焼結した。得られた焼結体の密度は、５．３４と相対密度１００％に緻密化していた。さらに、鏡面加工を行い、最終的に直径５５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの焼結体を得た。実施例１と同様の方法で、透過率を分光光度計を用いて測定した。その結果を図６に示す。実線と▲が本発明、破線と△がＧｅを示す。尚、波長８３０ｎｍと１．５μｍのプロットは、重なっている。
図６に示すように、何も添加しないＧｅは、２μｍ以上の波長すなわち近赤外光から遠赤外光までの広い範囲の光を良く透過するが、本実施例にように添加剤を添加すると、波長２〜４μｍの範囲の光を選択的に遮蔽することができる。また、Ｇｅは反射係数が高いので、図６に示すように波長８〜１２μｍの範囲の光の透過率は４０％程度である。したがって、Ｇｅを主成分とする場合は、本発明の５０％以上の透過率を得るために、少なくとも片面に反射防止コーティングを施すことが必須である。反射防止コーティングは、既知のいずれの方法でもよい。
本発明のセラミックス光学部品は、その素材となるセラミックスに可視光から近赤外光を遮蔽する添加剤を１種類もしくは２種類以上従来に無く均一かつ微細に分散添加することにより、可視光から近赤外光の光を部分的あるいは全体的に遮蔽し、遠赤外光の光を良く透過するという独特の光学特性を持った材料である。このため、高機能な赤外光利用装置に用いられる窓材やレンズ材等の光学部品として、その目的や用途に最適な材料を提供することができる。
ａ：Ｆｅ添加の実施例を示す。
ｂ：Ｃｏ添加の実施例を示す。
ｃ：Ａｇ添加の実施例を示す。
ｄ：Ｆｅ3Ｏ4加の実施例を示す。
ｂ：Ｃｏ添加の実施例を示す。
ｃ：Ａｇ添加の実施例を示す。
ｄ：Ｆｅ3Ｏ4加の実施例を示す。
Claims (4)
- 硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）のいずれか１種類を主成分として用い、厚みが０．５ｍｍとして測定したときの、０．４〜３μｍの波長域での透過率が５０％以下であり、かつ８〜１２μｍの波長域での透過率が５０％以上であるセラミックス光学部品であって、前記セラミックス光学部品は０．４〜３μｍの波長域を遮蔽する添加剤を含有しており、前記添加剤は鉄、コバルト、銀、カーボンブラック、Ｆｅ３Ｏ４、黒鉛、ダイヤモンド、チタンブラック、銅、ニッケル、クロム、金、マンガン、モリブデン、タングステン、シリコン、ゲルマニウムの中から選ばれる１種類もしくは２種類以上、あるいは銀、銅、金、マンガン、モリブデン、タングステン、シリコン、ゲルマニウムの中から選ばれる１種類もしくは２種類以上の元素の化合物であって、Ｆｅ３Ｏ４を添加する場合はその添加量が０．０１ｗｔ％以上０．０５ｗｔ％以下、かつカーボンブラックを添加する場合はその添加量が０．００１ｗｔ％以上０．０５ｗｔ％以下、かつ鉄を添加する場合はその添加量が０．２ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下、かつＦｅ ３ Ｏ ４ およびカーボンブラックおよび鉄以外の添加剤を添加する場合はその添加量が０．００１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下であるセラミックス光学部品。
- 前記厚みが０．５ｍｍとして測定したときの、０．４〜３μｍの波長域での透過率が３０％以下であり、かつ８〜１２μｍの波長域での透過率が５０％以上である請求項１に記載のセラミックス光学部品。
- 前記厚みが０．５ｍｍとして測定したときの、０．４〜３μｍの波長域での透過率が５％以下であり、かつ８〜１２μｍの波長域での透過率が５０％以上である請求項１に記載のセラミックス光学部品。
- 厚みが０．５ｍｍとして測定したときの、０．４〜３μｍの波長域での透過率が５０％以下であり、かつ８〜１２μｍの波長域での透過率が５０％以上であるセラミックス光学部品の製造方法であって、硫化亜鉛（ＺｎＳ）粉末、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）粉末もしくはゲルマニウム（Ｇｅ）粉末に、添加剤として鉄、コバルト、銀、カーボンブラック、Ｆｅ３Ｏ４、黒鉛、ダイヤモンド、チタンブラック、銅、ニッケル、クロム、金、マンガン、モリブデン、タングステン、シリコン、ゲルマニウムの中から選ばれる１種類もしくは２種類以上の粉末、あるいは銀、銅、金、マンガン、モリブデン、タングステン、シリコン、ゲルマニウムの中から選ばれる１種類もしくは２種類以上の元素の化合物粉末を、Ｆｅ３Ｏ４を添加する場合はその添加量が０．０１ｗｔ％以上０．０５ｗｔ％以下、かつカーボンブラックを添加する場合はその添加量が０．００１ｗｔ％以上０．０５ｗｔ％以下、かつ鉄を添加する場合はその添加量が０．２ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下、かつＦｅ ３ Ｏ ４ およびカーボンブラックおよび鉄以外の添加剤を添加する場合はその添加量が０．００１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下となるように添加し、混合、成形、焼結することを特徴とするセラミックス光学部品の製造方法。
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