JP6006391B1 - CaF2結晶体の接合方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】接合界面における微細な線傷や微細な気泡の発生を防止し、光学特性に優れたCaF2結晶体の接合方法の提供。【解決手段】CaF2結晶体ブロックから所定寸法のCaF2結晶体片を切り出して表面を研削する研削工程、研削した後のCaF2結晶体片を研磨する工程、研磨が終了したCaF2結晶体片をアルコールや有機酸などの水分を含まない洗浄剤で洗浄する工程、2つのCaF2結晶体片の洗浄した面同士を常温下で接触させ、この接触させた面の一端を互いに強く押し付けてオプティカルコンタクト状態とし(a),(b)、接触させた面の他の部分には干渉縞が発生する程度の非接合状態(c)とする仮接着工程、一部がオプティカルコンタクト状態となった2つのCaF2結晶体片を、CaF2の融点以下の温度で保持し、接触面全面を接合面の干渉縞が消失したオプティカルコンタクト状態(d)とする焼成工程からなるCaF2結晶体の接合方法。【選択図】図2

Description

本発明は接着剤を用いないCaF2結晶体の接合方法に関する。
合成コランダム(合成サファイア)を接合してフローセルなどの光学部品とする方法を本出願人は特許文献1として提案している。
この接合方法は、図1に示すように、第1工程として合成コランダムの結晶ブロックから板状片を切り出して研削し、第2工程で切り出した板状片を研磨し、その後第3工程で洗浄し、第4工程で洗浄した2枚の板状片を重ね合わせ一端部を強く挟み込みこんでアニーリングによって前記一端部をオプティカルコンタクト状態とし、第5工程で第3工程において得られた重ね合わせ体を合成コランダムの融点以下の温度で焼成して、スペーサと透光板との接触面全面をオプティカルコンタクト状態として接合強度を高めている。
合成コランダムは硬度、透明性及び耐薬品性に優れているが、高価で加工しにくい欠点がある。
一方、高純度のフッ化カルシウム(CaF2)結晶は、幅広い波長の光(130nm〜8μm)を透過することから、光学材料としてレンズや窓板等、多様な用途に使用されている。また、色分散が小さい特徴があるので、CaF2結晶体を光学部品の材料とした例が多い。
例えば、特許文献2には、板状のCaF2結晶体を多数圧着し、この圧着体を研削・研磨することで対物レンズとすることが記載されている。
また特許文献3には、レンズやプリズムの材料として、CaF2結晶体の代わりに、非結晶性のガラスを材料に用い、リヒートプレスすることで所望形状のレンズやプリズムとすることが提案されている。この特許文献3では、ガラスをレンズやプリズムに加工する際、耐酸性が悪い材料では、ガラス成分が溶出して研磨面の仕上がりが悪くなりやすい。そこで、清浄で平滑な研磨面を得るために耐酸性が3級以上のガラスを用いるとしている。
特許第3499717号公報 特表2004−526331号公報 特開2008−094650号公報
CaF2結晶体を材料としてレンズやプリズムを作製する場合は、ブロック体を研削・研磨するのが一般的である。一方フローセルのような場合には、研削加工によって制作するのは困難なため、特許文献1に開示されるような、研削によって板状体とし、この板状体を接合することが考えられる。
しかしながら、温度条件をCaF2に適合するようにして、特許文献1と同様の条件で接合しても、研磨後の洗浄によって線傷が多数発生することが判明した。また、接合面に微細な気泡が存在することも判明した。
特許文献2では、多数の板状CaF2を圧着することが記載されているが、圧着前に洗浄しているか否か、圧着条件などは具体的に何ら開示されていない。
CaF2は水、アセトンに不溶ではあるが、若干の潮解性を示すことが知られている。本発明者らは、この潮解性が微細な多数の線傷発生及び接合面の気泡の原因ではないかと考えた。即ち、焼成前の洗浄において、合成コランダムの接合と同様に水または水を含んだ洗浄液を使用すると、洗浄液中のCaF2が水の存在下で反応し(CaF2→Ca2++2F-)、細かな傷が発生し、その傷に起因して気泡が残ってしまうと考えた。
本発明に係るCaF2結晶体の接合方法は、以下の第1工程〜第5工程を経てCaF2結晶体同士を接合するようにした。
第1工程
CaF2結晶体ブロックから所定寸法のCaF2結晶体片を切り出して表面を研削する研削工程。
第2工程。
研削した後のCaF2結晶体片を研磨する工程。
第3工程
研磨が終了したCaF2結晶体片を水分を含まない洗浄剤で洗浄する工程
第4工程。
2つのCaF2結晶体片の洗浄した面同士を常温下で接触させ、この接触させた面の一端を互いに強く押し付けてオプティカルコンタクト状態とし、接触させた面の他の部分には干渉縞が発生する程度の仮接合状態とする仮接合工程。
第5工程
一部がオプティカルコンタクト状態となった2つのCaF2結晶体片を、CaF2の融点以下の温度で保持し、接触面全面をオプティカルコンタクト状態とする焼成工程。
本発明によれば、柔らかく加工しやすいCaF2結晶体を、接合面での屈折や反射を実質的に生じることがない状態で接合することができる。
したがってCaF2結晶体の用途として、レンズやプリズム以外のフローセルや他の光学部品にも広げることができる。
合成コランダム及びCaF2結晶体の接合の工程を示す図 (a)はCaF2結晶体ブロックを示す図、(b)は切り出されたCaF2結晶体片を示す図、(c)アニーリング後の接合面を示す図、(d)は焼成後の接合面を示す図 (a)はスパークアウトなしの研削面を示す写真、(b)はスパークアウト有りの場合の研削面を示す写真 (a)粗研磨後の研磨面を示す写真、(b)精研磨後の研磨面を示す写真 洗浄前の研磨面と水または水溶液を洗浄剤とした場合のCaF2結晶体片の写真で右側が洗浄前、左側が洗浄液に水または水溶液を用いた場合の写真 接合面を示す写真 接合後のCaF2結晶体片の写真
以下に本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、CaF2結晶体の接合も基本的には合成コランダムと同様に、切り出し、研削、研磨、洗浄、仮接合及び焼成(本接合)からなる。
切り出し用に、CaF2結晶体ブロックを用意する。CaF2結晶体は図2(a)に示すように等軸晶系の立方晶で、劈開面を持ち八面体になる性質がある。
次いで、図2(b)に示すように、CaF2結晶体ブロックから板状のCaF2結晶体片を切り出す。結晶体片の寸法は例えば、縦12mm、横12mm、厚み11mmとする。また、結晶体片の辺が結晶軸と平行または垂直になるように切り出す。
この後上記のCaF2結晶体片をベースプレートにワックスを用いて接着し、ゼネレータを用いて表面を研削した。
スパークアウトなしの場合は、図3(a)に示すように小さな劈開が発生したが、スパークアウト(30秒)の場合は(b)に示すように劈開が減少した。 ここで、スパークアウトとは研削の最終段階で行う作業で、砥石に切り込みを与えずに砥石を回転させて研削による火花や研削音がなくなるまで加工を続けることを指す。
研削終了後に、粗研磨を行い、更に精研磨を施した。粗研磨の結果を図4(a)に、精研磨の結果を(b)に示す。
粗研磨により研削によって生じていたツール目は消失した。また、精研磨により研磨面が光沢面へと変化していることが分かる。
洗浄には(1)〜(6)の6種類の洗浄剤を用いてテストを行った。
(1)炭化水素系洗剤
(2)溶剤系洗剤
(3)水系洗剤
(4)超音波洗浄
(5)純水置換
図5の右側部分は洗浄前の状態を示し、左側部分は上記の洗浄剤のうち水または水溶液である(3)、(4)、(5)を用いた場合を示す。水または水溶液を用いた場合には、微細な線傷が発生した。この原因は、CaF2は潮解性を示すため、水と接触することで、表面に線傷が生じると考えられる。
尚、水を含まない(1)、(2)を用いた場合には、微細な線傷は認められなかった。
次いで、洗浄が終了したCaF2結晶体片同士を重ね合わせる。この時、2つの結晶体片の結晶の軸、稜線及び軸角が同じになるように重ね合わせる。そして、重ね合わせた2つの結晶体片の一端を押え治具で押えた状態で仮接着を行う。仮接着の温度は常温(25℃)近辺とする。
この仮接合により、図2(c)に示すように、治具で押えられた端部がオプティカルコンタクト状態(物理吸着)で他の部分が干渉縞が見える程度の非接合状態となる。この状態が仮接着状態である。尚、非接合状態であることは目視では確認できない。
仮接着の後に、焼成によって再接合を行う。焼成条件は最高到達温度をCaF2の融点以下とする。また、昇温速度及び降温速度は、再接合の確実性と効率との関係で決定する。
焼成により図2(d)に示すように、接合面の干渉縞は消失し、全面がオプティカルコンタクト状態となっていることが確認できた。このとき、干渉縞の消失は既にオプティカルコンタクト状態にある端部側から始まり、徐々に他端側に移行する。その結果、接合面から気泡は追い出され、接合面に気泡が残ることがなく強固に接合がなされる。
図6は得られた接合体の接合面(斜めに入っている白い線)を示し、図7は接合体の全体写真である。得られた接合体は、接合界面において屈折、反射はなく、更に微細な線傷、気泡は存在していない。
本発明方法は、フローセルに限らず、CaF2結晶体を接合して得られるあらゆる部材に適用できるものである。

Claims (2)

  1. 以下の第1工程〜第5工程からなるCaF2結晶体の接合方法。
    第1工程
    CaF2結晶体ブロックから所定寸法のCaF2結晶体片を切り出して表面を研削する研削工程。
    第2工程。
    研削した後のCaF2結晶体片を研磨する工程。
    第3工程
    研磨が終了したCaF2結晶体片を水分を含まない洗浄剤で洗浄する工程
    第4工程。
    2つのCaF2結晶体片の洗浄した面同士を常温下で接触させ、この接触させた面の一端を互いに強く押し付けてオプティカルコンタクト状態とし、接触させた面の他の部分には干渉縞が発生する程度の非接合状態とする仮接着工程。
    第5工程
    一部がオプティカルコンタクト状態となった2つのCaF2結晶体片を、CaF2の融点以下の温度で保持し、接触面全面をオプティカルコンタクト状態とする焼成工程。
  2. 請求項1に記載のCaF2結晶体の接合方法において、前記第5工程における最高到達温度は500〜700℃とすることを特徴とするCaF2結晶体の接合方法。
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