JP6464593B2 - ガスセルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセルの製造方法に関する。

電子部品や半導体のパッケージを封止する技術が知られている。例えば、特許文献１には、光学的加熱手段を用い、照射パワーに分布を持たせながら、ガラス部材表面に所定の温度分布を生じさせて封着部材を溶融することが記載されている。特許文献２には、ガラス基板の間に配置された複数のディスプレイパッケージに沿って配置されたシーリング材を加熱溶融して気密密封部を形成するためのレーザー加工組立体と、レーザー加工組立体の下方に配置された作業テーブルにガラス基板を供給するための移送組立体と、作業テーブルに移送組立体を通じて連続的にガラス基板が供給されるようにガラス基板を保有するバッファー組立体とを含み、作業テーブルは、移送組立体がガラス基板を配置する際にガラス基板を１次整列する仮位置整列手段と、ガラス基板と２次整列するための精密整列手段と、レーザー加工組立体から照射されるビーム照射方向に対向する方向に空気を噴射する複数の噴射口を含むガラス基板の密封システムが記載されている。

特開２００２−１３７９３９号公報 特許第４６６５２６０号公報

ところで、生体の心臓等から発せられる磁場を検出する生体磁気測定装置として、光ポンピング式の磁気センサーが用いられている。この磁気センサーには、アルカリ金属ガスが封入されたガスセルが用いられる。ガスセルの封止方法として、ガスセルに設けられた穴をリッドで封止する方法がある。このガスセルを封止する工程において、ガスセル本体とリッドとをシール材で接合する場合、接合のためにシール材を加熱することによってガスセルやガスセル内部のガスに熱負荷を与えてしまう場合があった。特許文献１および２に記載の技術でも、比較的広範囲にわたる加熱により広範囲の封止を行うことができるものの、微小な領域の封止の精度を高くすることはできなかった。

本発明は、ガスセル本体やガスセル内部のガスに熱負荷を与えることなく、ガスセルの封止の精度を高くすることを目的とする。

本発明は、ガスセルの開口部の封止方法であって、レーザー光を集光させる光学素子と、前記開口部を封止するためのリッドと、を用い、前記ガスセルと前記リッドとを接合するためのシール材に対して前記レーザー光を集光させ、前記リッドと前記ガスセルとが押し付けられる方向に圧力をかけることで前記ガスセルと前記リッドとが接合されることを特徴とするガスセルの封止方法を提供する。この封止方法によれば、ガスセル本体やガスセル内部のガスに熱負荷を与えることなく、ガスセルの封止の精度が高くなる。

本発明の好ましい態様において、前記圧力は、前記光学素子を用いての加圧によるものであることを特徴とする。この封止方法によれば、光学素子により加圧が行われない場合に比べて、ガスセルを封止する封止部材の構成を簡易なものとすることができる。

別の好ましい態様において、前記加圧の加重点は、前記開口部の内側であることを特徴とする。この封止方法によれば、加重点が開口部の内側に位置しない場合に比べて、リッドを均等に加圧することができ、封止の精度が高くなる。

別の好ましい態様において、前記ガスセルと前記リッドとの接合は、真空の状態で行われることを特徴とする。この封止方法によれば、真空の状態で行われるガスセルの封止の精度が高くなる。

磁気測定装置の構成を表すブロック図 ガスセルアレイの外観図 ガスセルの断面図 ガスセルの製造工程を示すフローチャート 第１実施形態に係るガスセルの封止方法を示す図。 第２実施形態に係るガスセルの封止方法を示す図。 第３実施形態に係るガスセルの封止方法を示す図。 第４実施形態に係るガスセルの封止方法を示す図。 変形例１に係るガスセルの封止方法を示す図。 変形例２に係るガスセルの封止方法を示す図。

１．第１実施形態
（１）構成
図１は、一実施形態に係る磁気測定装置１の構成を表すブロック図である。磁気測定装置１は、心臓から発生する磁場（心磁）または脳から発生する磁場（脳磁）等、生体から発生する磁場を、生体の状態の指標として測定する生体状態測定装置である。磁気測定装置１は、ガスセルアレイ１０と、ポンプ光照射ユニット２０と、プローブ光照射ユニット３０と、検出ユニット４０とを有する。ガスセルアレイ１０は、複数のガスセルを有する。ガスセル内には、アルカリ金属ガス（例えば、セシウム（Ｃｓ））が封入されている。ポンプ光照射ユニット２０は、アルカリ金属原子と相互作用するポンプ光（例えば、セシウムのＤ１線に相当する波長８９４ｎｍの光）を出力する。ポンプ光は円偏光成分を有する。ポンプ光が照射されると、アルカリ金属原子の最外殻電子が励起され、スピン偏極が生じる。スピン偏極したアルカリ金属原子は、被測定物が生じる磁場Ｂによって歳差運動をする。一つのアルカリ金属原子のスピン偏極は、時間の経過とともに緩和するが、ポンプ光がＣＷ（Continuous Wave）光であるので、スピン偏極の形成と緩和は、同時平行的かつ連続的に繰り返される。その結果、原子の集団全体としてみれば、定常的なスピン偏極が形成される。

プローブ光照射ユニット３０は、直線偏光成分を有するプローブ光を出力する。ガスセルの透過前後において、プローブ光の偏光面は、ファラデー効果により回転する。偏光面の回転角は、磁場Ｂの関数である。検出ユニット４０は、プローブ光の回転角を検出する。検出ユニット４０は、入射した光の光量に応じた信号を出力する光検出器と、信号を処理するプロセッサーと、データを記憶するメモリーとを有する。プロセッサーは、光検出器から出力された信号を用いて磁場Ｂの大きさを算出する。プロセッサーは、算出した結果を示すデータをメモリーに書き込む。こうして、ユーザーは、被測定物から発生する磁場Ｂの情報を得ることができる。

図２は、ガスセルアレイ１０の外観図である。この例で、ガスセルアレイ１０は、ｘｙ平面上に２次元配置された複数（２×２個）のガスセル１１を有する。

図３は、ガスセルアレイ１０を構成するガスセル１１のIII−III断面図である。この断面は、ｘｚ平面に平行である。ガスセル１１は、内部にアルカリ金属ガスが封入される、直方体のセル（箱）である。ガスセル１１は、石英ガラスまたはホウケイ酸ガラス等、光透過性を有する材料を用いて形成される。ガスセル１１は、例えばガラス成型により製造される。なお、ガスセル１１は、ガラス加工により形成されてもよい。ガスセル１１は、アルカリ金属ガスが封入される主室１１１を有する。主室１１１は、排気管１１２によって外部に向けて開口されている。排気管１１２は、管状の形状をしている。排気管１１２の一端は真空ポンプ（図示略）に接続され、排気または必要に応じてアルカリ金属ガスが封入される。

排気管１１２の開口部は、リッド１１３により封止される。リッド１１３は、ガスセル１１の本体と同じ材料（例えば、石英ガラス）で製造されている。リッド１１３には、ガスセル１１の排気管１１２の開口部を囲む位置に対向する位置にシール材が塗布される。このシール材によりリッド１１３とガスセル本体とが接合され、ガスセル１１が封止される。リッド１１３の排気管１１２との接合面は、シール材との接合強度を高めるために、表面がざらざらした、いわゆる梨地面であることが好ましい。この例で、シール材は、ガスセル１１本体の材料のガラスよりも融点の低い低融点ガラスフリットが用いられる。

（２）製造方法
図４は、ガスセル１１の製造工程を示すフローチャートである。

ステップＳ１０（コーティング工程）において、ガスセル１１の内壁にコーティング層が形成される。コーティング層には、例えばパラフィンが用いられる。コーティング層は、ドライプロセスまたはウェットプロセスにより塗布される。

ステップＳ２０（アンプル収納工程）において、ガスセル１１にアンプルが収納される。アンプルの内部にはアルカリ金属固体が封入されている。

ステップＳ３０（封止工程）において、ガスセル１１は封止される。ガスセル１１の封止は、真空加熱の環境下で行われる。

図５は、ガスセル１１の封止方法を示す図である。図５に示す例では、レーザー光源２０１と、レンズ２０２と、加圧用基板２０３とが用いられてガスセル１１の封止がなされる。レーザー光源２０１は、ガスセル１１本体とリッド１１３の接合部分を加熱するためのレーザー光Ｐを照射する。レンズ２０２は、レーザー光源２０１から照射されるレーザー光Ｐを集光する光学素子である。リッド１１３とガスセル１１本体の接合部分Ｑには、ガスセル１１の開口部を囲む位置にシール材２０４が輪状に塗布されている。この例で、シール材２０４は、比較的高い温度で接合を行うものが用いられてもよい。ガスセル１１の接合部分Ｑにはリッド１１３が重ねられて配置される。更にその上に、シール材２０４の加圧手段として加圧用基板２０３が配置される。レーザー光源２０１とレンズ２０２とは、レーザー光がレンズ２０２によって接合部分Ｑに集光される位置関係で設けられている。

加圧用基板２０３は、リッド１１３がガスセル１１本体に押し付けられる方向に加圧する加圧手段である。この例で、加圧用基板２０３としては、レーザー光が透過する透明基板が用いられる。レンズ２０２によって集光されたレーザー光は加圧用基板２０３を透過して接合部分Ｑに照射される。接合部分Ｑは照射されるレーザー光により局所的に加熱される。レーザー光を接合部分Ｑに集光させながら、加圧用基板２０３によりリッド１１３がガスセル１１本体に押し付けられる方向（図５に示す例では、矢印Ａ１の方向）に加圧される。これにより、シール材２０４は加熱されながら加重により押しつぶされ、リッド１１３がガスセル１１本体に接合される。

再び図４を参照する。ステップＳ４０（アンプル破壊工程）において、アンプルが破壊される。具体的には、アンプルに焦点を合わせたレーザー光がアンプルに照射され、アンプルに穴が開けられる。

ステップＳ５０（気化工程）において、アンプル内のアルカリ金属固体が気化される。具体的には、ガスセル１１を加熱することによりアルカリ金属固体を加熱し、気化させる。

ステップＳ６０（拡散工程）において、アルカリ金属ガスが拡散される。具体的には、ある温度（室温より高い温度が望ましい）で一定時間保持することにより、アルカリ金属ガスが拡散される。

ところで、ガスセル本体とリッドを接合するシール材として低融点ガラスフリットを用いる場合、プロセスの温度を下げることができるため、ガスやガスセルに対する熱の影響を少なくすることができるという利点がある。しかし、低融点ガラスフリットは一般的に耐薬品性が弱い傾向があり、ガスセル内の還元性の高いガス成分によりフリットが侵食されてしまい、封止が破れてしまう場合があった。

本願の発明者は、従来の技術において、低融点ガラスフリットを用いて封止したガスセル封止部分の耐久性を調べた。その結果、エージング前には問題なく封止されているが、エージング後（１００℃×２４時間）は、内側の接触部から変質しているのが確認され、常温放置１年後では、封止が完全に破られていることが確認された。

また、低融点ガラスフリットの中でも耐薬品性が高いものは、比較的接合温度が高くなる傾向にある。接合温度が高いフリットをホットプレート等のステージで加熱してしまうと、ガスやガスセルに熱負荷を与えてしまう。さらに、真空中でホットプレートでの加熱を行う場合、面加重でなければ温度が伝わらないため、面加重が必須となる。しかし、平行度の高い基材を用いて微小のリッドを少しでも斜めに押してしまうと、加重点がフリット輪から外れてしまい、フリットによる接合がなされない箇所ができてしまう場合もあった。

それに対しこの実施形態では、レーザー光を集光させてリッド１１３とガスセル１１本体との接合部分を局所的に加熱し、加熱と並行してリッド１１３に対する加圧を行う。これにより、ガスやガスセルに影響を与えることなく、破られにくい封止を行うことができる。

また、この実施形態では、接合部分を局所的に加熱することができるため、封止温度を上げることができ、耐薬品性の高いシール材を用いることができる。これにより、封止の精度を高くすることができる。

２．第２実施形態
図６は、第２実施形態に係るガスセル１１の封止方法を示す図である。上述の第１実施形態では、レーザー光を集光する光学素子としてレンズ２０２を用いたが、この実施形態では、レンズ２０２に代えて、光学素子２０５が用いられる。光学素子２０５は、第１実施形態よりも更に効率良く選択的にレーザー光を照射するために、レーザービームを制御する光学素子である。光学素子２０５は、シール材２０４の配置に応じたビーム強度分布の整形を行う。例えば、シール材２０４が開口部の周囲に輪状に配置されている場合、ビーム強度分布もシール材の配置に合わせた輪状になるように光学素子２０５により制御される。

光学素子２０５は、レーザー光を集光する集光機能と、レーザー光のビーム強度分布を輪状にする輪状機能の両方を実現する。この場合の光学素子２０５の具体的な位相パターンφ(r)は、次の式（１）で表すことができる。
φ(r)＝MOD[(φ1(r)+φ2(r)), 2π] …（１）
ただし、φ1(r)は集光機能に係る光学素子の位相分布を示し、φ2(r)は輪状機能に係る光学素子の位相分布を示す。φ1(r)とφ2(r)の位相関数の和をとり、２πで折り返すことで、光学素子２０５の位相関数が表される。

この実施形態では、複雑な光学系は不要であり、一枚の光学素子２０５を用いるだけで、シール材の配置にあった強度分布を実現することができ、高効率で選択的にレーザー光を照射することができる。

３．第３実施形態
図７は、第３実施形態に係るガスセル１１の封止方法を示す図であり、上述した第１実施形態で示した図５に対応するものである。第１実施形態では、光学素子であるレンズ２０２と加圧用基板２０３とが別体として構成されていた。これに対し、この実施形態では、光学素子と加圧用基板とが一体となった加圧用基板２０６が用いられる。加圧用基板２０６の面２０６ａには、レーザー光を制御する光学素子（例えば、回折格子）が配置されている。面２０６ａの反対側の面２０６ｂでリッド１１３が加圧される。

この実施形態では、光学素子が加圧用基板と一体となっていることにより、収差などの影響が軽減されるため、さらに効率よく選択的にレーザー光を照射することができる。

４．第４実施形態
図８は、第４実施形態に係るガスセル１１の封止方法を示す図である。図８に示される封止方法が、第３実施形態で示した封止方法と異なる点は、加圧用基板２０６に代えて、加圧用部材２１０が用いられる点である。加圧用部材２１０は、光学素子２０７が、加圧用基板２０９に密着して一体となって構成されている。光学素子２０７は、図６に示した光学素子２０５と同様である。加圧用基板２０９は、リッド１１３を加圧する側の面が曲面となっている。加圧用基板２０９とリッド１１３とが接触する位置（以下、「接触位置」という）は、シール材２０４の輪の内側に位置している。すなわち、リッドへの加圧の際、輪状に配置されているシール材２０４の輪の内側に、加重点ｇ２がくるように加圧される。

ところで、ガスセルの封止工程において、ホットプレートで加熱を行う場合、シール材へ温度を伝えるために面加重が必須である。それに対しこの実施形態では、レーザー光を熱源として用いるため、シール材の輪の内側であれば、点加重であってもよい。この実施形態では、加圧用基板２０９とリッド１１３との接触位置がシール材２０４の内側に位置していることにより、微小のリッド１１３を均等に加圧することができる。この場合、高精度で垂直に加圧する機構は不要となる。リッド１１３を均等に加圧できることにより、封止の精度を高めることができる。

５．他の実施形態
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

（１）変形例１
上述の第３実施形態では、光学素子と加圧用基板とが一体となった加圧用基板２０６を用いてガスセル１１の封止がなされたが、加圧用基板２０６に代えて、他の部材が用いられてもよい。

図９は、ガスセル１１の他の封止方法を示す図である。この例では、光学素子２０７を加圧用基板２０８と別で作製し、光学素子２０７を加圧用基板２０８に密着させて一体としている。レーザー光は光学素子２０７において、シール材に最適な照射強度分布を形成し、シール材２０４に照射される。シール材２０４は、レーザー光による熱と加圧用基板２０８の加圧により融着し、ガスセル１１が封止される。

この態様によれば、光学素子が加圧用基板と密着していることにより、収差などの影響が軽減されるため、さらに効率よく選択的にレーザー光を照射することができる。

（２）変形例２
図１０は、ガスセル１１の他の封止方法を示す図である。図１０に例示される封止方法が、図６に示した封止方法と異なる点は、加圧用基板２０３とリッド１１３の間に、点加圧用部材２１１が設けられる点である。点加圧用部材２１１は、シール材２０４の輪の内側に配置される。すなわち、加圧用基板２０３による加圧の加重点がシール材２０４の輪の内側に配置される。

この構成によれば、加重点がシール材２０４の輪の内側となるため、微小のリッド１１３を均等に加圧することができる。これにより、封止の精度を高めることができる。

（３）変形例３
上述の各実施形態および各変形例において、レーザー光の利用効率を高めるために、加圧用基板、点加圧用部材、リッドなどの表面に、誘電体膜などの反射防止膜が設けられてもよい。

（４）変形例４
上述の実施形態では、主室１１１と排気管１１２とを有するガスセル１１を用いたが、ガスセル１１の形状は上述したものに限られない。例えば、排気管１１２を有しないガスセルが用いられてもよい。この場合、アルカリ金属ガスが封入される主室に開口部が設けられ、この開口部がリッドで封止される。

（５）変形例５
ガスセルの製造方法は、図４で例示したものに限定されない。図４に示した工程に別の工程が加えられてもよい。または、工程の順番が入れ替えられてもよいし、工程のうち一部が省略されてもよい。例えば、コーティング工程が省略されてもよい。

（６）変形例６
ガスセルの形状は実施形態で説明したものに限定されない。実施形態では、ガスセルの形状が直方体である例を説明したが、ガスセルの形状は、直方体以外の多面体、または、円柱等、一部に曲面を有するものであってもよい。例えば、ガスセルは、アルカリ金属原子が凝固する温度以下に温度が低下したときにアルカリ金属固体を溜めるためのリザーバー（金属溜まり）を有していてもよい。なお、アルカリ金属は、少なくとも測定時にガス化していればよく、常にガス状態である必要はない。

（７）変形例７
アンプル破壊工程の具体的内容は、実施形態で説明したものに限定されない。アンプルは、熱膨張係数が異なる２つの材料が張り合わされた部分を有してもよい。この場合、アンプル破壊工程においては、レーザー光照射に代わり、アンプル（が収納されたガスセル全体）が加熱される。加熱の際は、熱膨張係数の違いによりアンプルが破壊する程度の熱が加えられる。また、力学的な衝撃や振動を与えることにより、アンプルを主室１１１の内壁に衝突させ、アンプルを破壊してもよい。

別の例で、封止工程は、ガスセル内に、アルカリ金属ガスに加え、希ガス等の不活性ガス（バッファーガス）が封入された状態で行われてもよい。すなわち、ガスセル１１の封止は、不活性ガス雰囲気の中で行われてもよい。

（８）変形例８
上述の実施形態および変形例において、ガスセルにアルカリ金属原子を導入する際に固体状態で導入する例を説明した。しかし、ガスセルにアルカリ金属原子を導入するときの状態は、固体に限定されない。アルカリ金属原子は、固体、液体、または気体のうち、どの状態でガスセルに導入されてもよい。また、アンプルの変わりにカプセルが用いられてもよい。

また、コーティング工程において、コーティング材料をアンプル等に内蔵し、これを封止前に予めガスセル内に入れておき、封止後、レーザー照射等でアンプルを破壊し、気相成膜でコーティングさせても構わない。

（９）変形例９
ガスセル１１の用途は、磁気センサーに限定されない。例えば、ガスセル１１は、原子発振器に用いられてもよい。

本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において広く適用が可能である。

１…磁気測定装置、１０…ガスセルアレイ、１１…ガスセル、２０…ポンプ光照射ユニット、３０…プローブ光照射ユニット、４０…検出ユニット、１１１…主室、１１２…排気管、１１３…リッド、２０１…レーザー光源、２０２…レンズ、２０３…加圧用基板。

Claims (4)

1. アルカリ金属ガスが封入されたガスセルの製造方法であって、
   レーザー光を集光させる光学素子と、前記ガスセルの開口部を封止するためのリッドと、を用い、
   前記ガスセルと前記リッドとを接合するためのシール材に対して前記レーザー光を集光させる集光工程と、
   前記リッドと前記ガスセルとが押し付けられる方向に加圧することで前記ガスセルと前記リッドとを接合させる接合工程と、
   を備えることを特徴とするアルカリ金属ガスが封入されたガスセルの製造方法。
2. 前記接合工程において、前記光学素子を用いて加圧することを特徴とする請求項１に記載のアルカリ金属ガスが封入されたガスセルの製造方法。
3. 前記加圧の加重点は、前記開口部の内側であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアルカリ金属ガスが封入されたガスセルの製造方法。
4. 前記接合工程は、前記ガスセルの内部が真空の状態で行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアルカリ金属ガスが封入されたガスセルの製造方法。
   
   
   

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