WO2016170903A1 - 光学装置および光学装置の製造方法 - Google Patents

光学装置および光学装置の製造方法 Download PDF

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WO2016170903A1
WO2016170903A1 PCT/JP2016/059243 JP2016059243W WO2016170903A1 WO 2016170903 A1 WO2016170903 A1 WO 2016170903A1 JP 2016059243 W JP2016059243 W JP 2016059243W WO 2016170903 A1 WO2016170903 A1 WO 2016170903A1
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solder layer
glass plate
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window glass
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英之 和田
真一 阪本
幸平 松丸
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株式会社フジクラ
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device provided with an optical element sealed and a method for manufacturing the optical device.
  • an optical device having the optical element hermetically sealed is known.
  • Patent Document 1 describes a configuration in which a MEMS mirror is hermetically sealed by bonding a case and a lid with a bonding material made of a resin in a state where the MEMS mirror as an optical element is disposed inside the case. Has been.
  • Patent Document 2 discloses that a micromirror array is formed by soldering a package substrate and a cover substrate through a sealing medium layer in a state where a micromirror array device as an optical element is disposed inside the package substrate. A configuration for sealing the device is described.
  • Japanese Patent Publication Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2014-168836 (published on September 18, 2014)”
  • Patent Document 1 in a configuration in which an optical element is sealed using a resin as a bonding material, the resin has hygroscopicity, so that the optical element cannot be protected while maintaining high airtightness.
  • Patent Document 2 since the optical element is sealed using solder as a bonding material, the optical element can be sealed while maintaining high airtightness.
  • the solder has a high thermal conductivity
  • the solder is simply used as the bonding material, an external temperature change is easily transmitted to the inside of the package. For this reason, the characteristics of the optical element are likely to change due to a change in the external temperature, and the optical device has a problem that it is difficult to perform a stable operation.
  • an object of the present invention is to provide an optical device that is hardly affected by an external temperature change and a method for manufacturing the optical device.
  • an optical device includes a housing member having an opened window portion, and an optical device that is provided inside the housing member and receives light through the window portion.
  • An optical device comprising: an element; a window glass plate disposed in the window; and a joining member that joins the window glass plate to the housing member so that the inside of the housing member is sealed.
  • the joining member is made of a solder layer, and the solder layer has a gap portion isolated from an external space and an internal space of the optical device.
  • the optical device is not easily affected by an external temperature change, and has an effect that it can operate stably.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along arrow AA in FIG. 3.
  • 5A is a plan view of the window portion glass plate shown in FIG. 4
  • FIG. 5B is a plan view showing a solder frame used for forming the solder layer shown in FIG. 5 (c) is a longitudinal sectional view showing a state in which the solder frame is disposed between the lid member and the window glass plate shown in FIG. 4, and
  • FIG. 5 (d) is formed by the solder frame.
  • FIG. 6A is a plan view of the window glass plate shown in FIG. 4 in the method of manufacturing an optical device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 6B is shown in FIG.
  • FIG. 6C is a longitudinal cross-sectional view showing a state in which the solder frame is disposed between the lid member and the window glass plate shown in FIG. 4.
  • FIG. 6D is a longitudinal sectional view showing a state in which the lid member and the window glass plate are joined by the solder layer formed of the solder frame.
  • FIG. 7A is a plan view of the window glass plate shown in FIG.
  • FIG. 7C is a longitudinal sectional view showing a state in which the solder frame is disposed between the lid member and the window glass plate shown in FIG. 4.
  • FIG. 7D is a longitudinal sectional view showing a state in which the lid member and the window glass plate are joined by the solder layer formed of the solder frame. It is an enlarged view of the principal part explaining the more preferable structure of the solder layer shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an optical device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical device 1 according to the present embodiment is an airtight LCOS package including LCOS (Liquid Crystal On Silicon) as the optical element 12.
  • LCOS Liquid Crystal On Silicon
  • an optical element 12 is provided on a ceramic substrate 11, and light incident from a window portion 16 a of a lid member 16 that seals the optical element 12 is reflected by the optical element 12. It is like that.
  • a diffraction grating is formed in the optical element 12 by a liquid crystal layer, and the voltage applied to the optical element 12 is changed to change the diffraction grating and change the light reflection angle.
  • the optical element 12 reflects the light by controlling the reflection angle for each wavelength. Light is incident on a plurality of optical fibers corresponding to individual wavelength channels.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing individual parts of the optical device 1 shown in FIG.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing the positional relationship between the parts of the optical device 1 shown in FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • the optical device 1 includes a ceramic substrate (housing member, second housing member) 11, an optical element 12, a heater 13, a window glass plate 15, and a lid member (housing member). , First housing member) 16.
  • the ceramic substrate 11 is made of alumina ceramic, for example, and has a recess 11a for placing the optical element 12 on the upper surface.
  • a leg 11b (see FIG. 4) for placing the optical element 12 is partially formed in the recess 11a.
  • the optical element 12 includes a silicon substrate 12a and a liquid crystal layer 12b.
  • a diffraction grating is formed in the liquid crystal layer 12b, and this diffraction grating changes so as to change the reflection angle of incident light when the applied voltage changes.
  • the heater 13 includes a heating circuit (not shown) and a temperature control circuit (not shown) in an alumina ceramic material, and is provided on the lower surface of the optical element 12.
  • the optical element 12 and the heater 13 are connected to a connection terminal (not shown) by wire bonding, for example.
  • the lid member 16 has an outer peripheral portion 16b, a protruding portion 16c, and a sealing frame body portion 16d, and is provided on the ceramic substrate 11.
  • the protruding portion 16c is formed so as to protrude upward one step at the inner portion of the outer peripheral portion 16b.
  • the window 16a is opened in the protrusion 16c.
  • the sealing frame body portion 16d is formed in a rectangular frame shape under the outer peripheral portion 16b.
  • the sealing frame body portion 16 d is located on the ceramic substrate 11 so as to surround the concave portion 11 a of the ceramic substrate 11.
  • the lid member 16 is made of, for example, Kovar (registered trademark), which is an alloy in which nickel and cobalt are mixed with iron.
  • Kovar registered trademark
  • Kovar has a property that its coefficient of thermal expansion near normal temperature is low among metals and is close to that of hard glass.
  • the window glass plate 15 has a translucent substrate 15a made of, for example, Kovar (registered trademark) glass.
  • An antireflection film 15b is provided on the lower surface of the translucent substrate 15a, and an antireflection film 15c and a metallized film 15d are provided on the upper surface.
  • the antireflection film 15 b is provided on the entire lower surface of the translucent substrate 15 a, and the antireflection film 15 c is provided on the surface excluding the outer peripheral portion of the window glass plate 15.
  • the metallized film 15d is provided in an annular shape on the outer peripheral portion of the window glass plate 15, and has a three-layer structure in which, for example, a chromium layer, a nickel layer, and a gold layer are sequentially laminated from the translucent substrate 15a side.
  • An annular solder layer 17 is provided between the upper surface of the metallized film 15 d in the window glass plate 15 and the portion surrounding the window portion 16 a on the lower surface of the protruding portion 16 c of the lid member 16. 16 and the window part glass plate 15 are joined.
  • the solder layer 17 is made of, for example, an alloy of gold and tin, and has a void portion 17a therein.
  • the gap 17a is isolated from the external space and the internal space of the optical device 1 and is in an independent state.
  • a gas is present inside the gap 17a, and the gas is air or nitrogen.
  • a plurality of gaps 17 a may exist inside the solder layer 17. Further, the sizes of the gaps 17a may be uneven. In addition, although it is preferable that the space
  • the internal space of the optical device 1 surrounded by the ceramic substrate 11, the lid member 16, the solder layer 17, and the window glass plate 15 is sealed against the external space of the optical device 1.
  • the optical element 12 existing in the internal space of the optical device 1 is in a sealed state.
  • the internal space of the optical device 1 is filled with at least one gas of helium and nitrogen in a state where the pressure is more positive than the external pressure.
  • FIG. 5A is a plan view of the window glass plate 15 shown in FIG. 4, and FIG. 5B is a plan view showing a solder frame 17p used for forming the solder layer 17 shown in FIG.
  • FIG. 5C is a longitudinal sectional view showing a state in which the solder frame 17p is disposed between the lid member 16 and the window glass plate 15, and FIG. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the state by which the cover member 16 and the window part glass plate 15 were joined by the solder layer 17 formed in this way.
  • the lid member 16 When the optical device 1 is manufactured, the lid member 16, the window glass plate 15 (see FIG. 5A), and the solder frame body 17p used for joining the lid member 16 and the window glass plate 15 (see FIG. 5). 5 (b)), a ceramic substrate 11, an optical element 12, and a heater 13 are prepared. The heater 13 is previously attached to the lower surface of the optical element 12 with an adhesive.
  • the solder frame 17p has a rectangular frame shape as shown in FIG.
  • the dimensions of the solder frame 17p correspond to the dimensions of the metallized film 15d of the window glass plate 15, and are substantially the same as those of the metallized film 15d.
  • the solder frame 17p is cut out from, for example, a plate-like solder by die cutting, and has a cross-section curved in a U shape, for example, as shown in FIG.
  • the lid member 16 and the window glass plate 15 are joined.
  • the solder frame body 17p is disposed on the metallized film 15d of the window glass plate 15, and the lid member 16 is disposed thereon.
  • the arrangement state of the solder frame 17p on the metallized film 15d is a state in which the curved convex portion is directed upward in FIG.
  • the curved convex portion may be in a downward state.
  • the lid member 16, the window glass plate 15 and the solder frame 17p are heated to the melting temperature of the solder frame 17p.
  • This step is performed by, for example, a reflow soldering method.
  • the solder frame 17p is melted from the outer periphery.
  • the heating in this case is performed in an atmosphere of air or nitrogen at normal pressure.
  • the metallized film 15d of the window glass plate 15 and the lower surface of the lid member 16 become wet by the solder of the solder frame 17p, as shown in FIG.
  • the window glass plate 15 and the lid member 16 are joined.
  • air or nitrogen as an atmosphere is confined inside the solder layer 17 formed by the solder frame 17p, and the solder layer 17 has a void portion 17a inside.
  • the optical element 12 and the heater 13 which are joined and integrated are arranged on the leg portion 11b of the concave portion 11a of the ceramic substrate 11, and fixed with an adhesive.
  • the lid member 16 to which the window glass plate 15 is bonded is brazed to the ceramic substrate 11 under an atmosphere of at least one of helium and nitrogen at normal pressure.
  • the thermal conductivity of the solder layer 17 made of Au—Sn solder is 57 W / mK
  • the thermal conductivities of air and nitrogen are 0.024 W / mK and 0.026 W / mK, respectively. Therefore, when the volume ratio of the void portion 17a made of air or nitrogen is set to, for example, 1/3 of the volume of the solder layer 17, the solder layer 17 can reduce the thermal conductivity by 43% and ensure the desired heat insulation. it can. From such a point, it is preferable that the volume ratio of the void portion 17a with respect to the solder layer 17 is 1/4 to 1/2.
  • the solder layer 17 can also have a large area to ensure a heat capacity (a desired heat insulation property can be ensured) without forming the gap portion 17a.
  • the sealing width (formation width) needs to be increased by about 40 times in order to obtain desired heat insulation.
  • the sealing width of the solder layer 17 may be 0.5 mm to 1 mm.
  • the solder layer 17 has a gap portion 17 a in which air or nitrogen is confined, that is, a gap portion 17 a that is isolated from the external space and the internal space of the optical device 1, and the gap portion 17 a has a high thermal conductivity of the solder layer 17. It functions as a heat conduction relaxation layer that relaxes the rate. Therefore, an external temperature change is not easily transmitted to the optical element 12 inside the optical device 1, and the characteristics of the optical element are hardly changed even if the external temperature changes. As a result, the optical device 1 is less susceptible to changes in the external environment and can continue to operate stably.
  • FIG. 6A is a plan view of the window glass plate 15 shown in FIG. 4 in the method of manufacturing the optical device 1 of the present embodiment
  • FIG. 6B is a solder layer shown in FIG.
  • FIG. 6C is a longitudinal sectional view showing a state in which the solder frame body 17q is disposed between the lid member 16 and the window glass plate
  • FIG. 6D is a longitudinal sectional view showing a state where the lid member 16 and the window glass plate 15 are joined by the solder layer 17 formed by the solder frame 17q.
  • a solder frame 17q shown in FIG. 6B is used instead of the solder frame 17p shown in FIG.
  • a slit 17q1 extending in the direction of these sides is formed at the center in the width direction of the four sides excluding the corners.
  • the solder frame body 17q having the slits 17q1 is used in the joining process of the lid member 16 and the window glass plate 15, so the solder frame body 17q is melted to become the solder layer 17.
  • the void portion 17 a is easily formed in the solder layer 17.
  • the gap 17 a can be reliably formed in the solder layer 17.
  • FIG. 7A is a plan view of the window glass plate 15 shown in FIG. 4 in the method for manufacturing the optical device 1 of the present embodiment, and FIG. 7B is a solder layer shown in FIG.
  • FIG. 7C is a longitudinal cross-sectional view showing a state in which the solder frame body 17p is disposed between the lid member 16 and the window glass plate 15;
  • FIG. 7D is a longitudinal sectional view showing a state where the lid member 16 and the window glass plate 15 are joined by the solder layer 17 formed by the solder frame 17p.
  • the window glass plate 15 includes a metallized film 15e shown in FIG. 7A instead of the metallized film 15d shown in FIG. Yes.
  • the metallized film 15e includes an annular inner metallized film 15e1 and an annular outer metallized film 15e2.
  • the inner metallized film 15e1 and the outer metallized film 15e2 are formed with a slit in the center in the width direction of the frame part of the metallized film 15d to separate the metallized film 15d into an inner peripheral part and an outer peripheral part which are independent from each other Is in state.
  • the window glass plate 15 has a metallized film 15e, and a transparent substrate (glass) is formed between the inner metallized film 15e1 and the outer metallized film 15e2 of the metallized film 15e. ) 15a is exposed and does not become wet with solder. Therefore, in the joining step between the lid member 16 and the window glass plate 15, as shown in FIGS. 7C and 7D, the solder frame 17p is attached to the metallized film 15e of the window glass plate 15. When the solder frame body 17p between the lid member 16 and the lid member 16 is melted to form the solder layer 17, the void portion 17a is easily formed in the solder layer 17. As a result, the gap portion 17 a can be easily and reliably formed in the solder layer 17.
  • FIG. 8 is an enlarged view of a main part of the optical device 1 for explaining a more preferable configuration of the solder layer 17.
  • the thermal resistance of the solder layer 17 is smaller than the thermal resistance of other members constituting the housing of the optical device 1, the heat insulation of the housing of the optical device 1 is lowered by the solder layer 17 becoming a heat flow path. End up.
  • the width of the gap 17a in the solder layer 17 is set so that the thermal resistance of the solder layer 17 is equal to or higher than the thermal resistance of other members constituting the housing of the optical device 1. Should be large enough.
  • the thermal resistance of the solder layer 17 is such that the width of the solder layer 17 is Ws [m], the thermal conductivity of the solder composing the solder layer 17 is ms [W / m ⁇ K], and the width of the gap 17a is Wg [m]. If the thermal conductivity of the gas filling the gap 17a is mg [W / m ⁇ K], it is given by (Ws ⁇ Wg) / ms + Wg / mg. On the other hand, the thermal resistance of another member is given by Wo / mo, where the thickness of the member is Wo [m] and the thermal conductivity of the member is mo [W / m ⁇ K]. Therefore, if the width Wg of the gap portion 17a is determined so as to satisfy (Ws ⁇ Wg) / ms + Wg / mg ⁇ Wo / mo, it is possible to avoid a decrease in heat insulation due to the solder layer 17.
  • the solder layer 17 is made of Au—Sn (thermal conductivity 57 W / m ⁇ K), its width Ws is 0.3 mm, and the gap 17 a is made of nitrogen (thermal conductivity 0.026 W / m ⁇ K).
  • the thermal resistance of the solder layer 17 will be the cover member of thickness 0.3mm comprised by Kovar (thermal conductivity 17W / m * K) It can be over 16 thermal resistances.
  • the solder layer 17 is made of Au—Sn (thermal conductivity 57 W / m ⁇ K), its width Ws is 1.0 mm, and the void portion 17 a is nitrogen (thermal conductivity 0.026 W / m ⁇ K). ), If the width Wg of the gap 17a is 0.01 ⁇ m or more, the thermal resistance of the solder layer 17 is 0.3 mm with a thickness composed of Kovar (thermal conductivity 17 W / m ⁇ K). The thermal resistance of the lid member 16 can be increased.
  • An optical device is disposed in a housing member having an opened window portion, an optical element provided inside the housing member and receiving light through the window portion, and the window portion.
  • An optical device comprising: a window glass plate; and a bonding member that bonds the window glass plate to the housing member so that the inside of the housing member is sealed.
  • the solder layer is configured to have an internal space that is isolated from the external space and the internal space of the optical device.
  • the window glass plate disposed in the window is joined to the casing member by the solder layer that is a joining member so that the inside of the casing member is sealed. Therefore, moisture of outside air does not enter the inside of the optical device from between the casing member and the window glass plate, and the optical element can be protected while maintaining high airtightness.
  • the solder layer has a gap portion isolated from the external space and the internal space of the optical device, the high thermal conductivity is relaxed by the gap portion. Therefore, the external temperature change is not easily transmitted to the optical element inside the optical device, and the characteristic of the optical element is difficult to change even if the external temperature changes. As a result, the optical device is less susceptible to changes in the external environment and can continue to operate stably.
  • the volume ratio of the gap to the solder layer may be 1/4 to 1/2.
  • the solder layer can secure a desired heat insulating property by the void portion.
  • the width of the gap portion in the solder layer may be set such that the thermal resistance of the solder layer is equal to or greater than the thermal resistance of the casing member or the window glass plate.
  • the width of the gap portion in the solder layer is such that the thermal resistance of the solder layer is equal to or greater than the thermal resistance of the casing member or the window glass plate. It is possible to surely prevent the situation that it is easy to be transmitted to the optical element inside.
  • a metallized film is formed on a surface of the window glass plate on which the solder layer is provided, and the metallized film is formed on the outer peripheral side of the annular inner peripheral metallized film and the inner peripheral metallized film. It is good also as a structure which consists of the cyclic
  • membrane is a glass surface.
  • the metallized film formed on the surface of the window glass plate on which the solder layer is provided is composed of the annular inner peripheral metallized film and the annular outer peripheral metallized film. Between the metallized film is a glass surface.
  • the glass surface between the inner metallized film and the outer metallized film should not be wetted by the molten solder. Therefore, the gap can be easily and reliably formed in the solder layer.
  • the method of manufacturing an optical device includes a first housing member having an opened window, a window glass plate, an optical element, and a position where light enters the optical element through the window.
  • the space between the window glass plate and the first casing member is sealed by the solder layer, the insides of the first casing member and the second casing member are sealed, and the solder layer Is formed with an outer space of the optical device and a gap portion isolated from the inner space.
  • the moisture of the outside air does not enter the optical device from between the first casing member and the window glass plate, and the optical element can be protected while maintaining high airtightness.
  • the solder layer has a high thermal conductivity that is alleviated by the voids. Therefore, the external temperature change is not easily transmitted to the optical element inside the optical device, and the characteristic of the optical element is difficult to change even if the external temperature changes. As a result, the optical device is less susceptible to changes in the external environment and can continue to operate stably.
  • a metallized film is formed on a surface of the window glass plate on which the solder layer is provided, and the metallized film includes an annular inner peripheral metallized film and an outer peripheral side of the inner peripheral metallized film. It is good also as a structure which consists of the cyclic
  • the metallized film formed on the surface of the window glass plate on which the solder layer is provided is composed of the annular inner peripheral metallized film and the annular outer peripheral metallized film. Between the metallized film is a glass surface.
  • the glass surface between the inner metallization film and the outer metallization film Therefore, the void portion can be easily and reliably formed in the solder layer.
  • the present invention can be used as a switch for switching the optical path of light.
  • Optical device 11 Ceramic substrate (housing member, second housing member) DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Optical element 13 Heater 15 Window part glass plate 15a Translucent base material 15b Antireflection film 15c Antireflection film 15d Metallization film 15e Metallization film 15e1 Inner metallization film 15e2 Outer metallization film 16 Lid member (housing member, 1st Housing member) 16a Window portion 16b Outer peripheral portion 16c Projection portion 17 Solder layer 17a Gap portion 17p Solder frame body 17q Solder frame body

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Abstract

光学装置(1)は、窓部ガラス板(15)が半田層(17)により蓋部材(16)の窓部(16a)に、光学装置(1)の内部が密封されるように接合され、半田層(17)は、光学装置(1)の外部空間および内部空間と隔絶された空隙部(17a)を有する。

Description

光学装置および光学装置の製造方法
 本発明は、光学素子を封止した状態にて備えている光学装置および光学装置の製造方法に関する。
 従来、光学素子に対する湿度等の影響を抑制するために、光学素子を気密封止して備えている光学装置が知られている。
 例えば、特許文献1には、ケースの内部に光学素子としてのMEMSミラーを配置した状態にて、ケースと蓋とを樹脂からなる接合材にて接合することにより、MEMSミラーを密封する構成が記載されている。
 また、特許文献2には、パッケージ基板の内部に光学素子としてのマイクロミラーアレイ装置を配置した状態にて、パッケージ基板とカバー基板とをシーリング媒体層を介して半田付けすることにより、マイクロミラーアレイ装置を密封する構成が記載されている。
日本国公開特許公報「特開2014-168836号公報(2014年9月18日公開)」 日本国公表特許公報「特表2007-524112号公報(2007年8月23日公開)」
 特許文献1に記載のように、接合材として樹脂を使用して光学素子を密封する構成では、樹脂が吸湿性を有することにより、高い気密性を保持して光学素子を保護することができない。一方、特許文献2に記載の構成では、接合材として半田を使用して光学素子を密封しているので、高い気密性を保持して光学素子を密封することができる。
 しかしながら、半田は熱伝導率が高いため、接合材として単に半田を使用した場合には、外部の温度変化がパッケージの内部に伝わり易くなる。このため、外部の温度の変化によって光学素子の特性が変化し易く、光学装置は安定した動作を行い難いという問題点を有している。
 したがって、本発明は、外部の温度変化の影響を受け難い光学装置および光学装置の製造方法の提供を目的としている。
 上記の課題を解決するために、本発明の光学装置は、開口された窓部を有する筐体部材と、前記筐体部材の内部に設けられ、前記窓部を介して光が入射される光学素子と、前記窓部に配置された窓部ガラス板と、前記窓部ガラス板を、前記筐体部材の内部が密封されるように前記筐体部材に接合する接合部材とを備えている光学装置において、前記接合部材は半田層からなり、前記半田層は、光学装置の外部空間および内部空間と隔絶された空隙部を内部に有していることを特徴としている。
 本発明の構成によれば、光学装置は、外部の温度変化の影響を受け難く、安定に動作することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態の光学装置を示す斜視図である。 図1に示した光学装置の個々のパーツを示す分解斜視図である。 図1に示した光学装置の各パーツ同士の位置関係を示す分解斜視図である。 図3におけるA-A矢視断面図である。 図5の(a)は、図4に示した窓部ガラス板の平面図、図5の(b)は、図4に示した半田層の形成に使用する半田枠体を示す平面図、図5の(c)は、図4に示した蓋部材と窓部ガラス板との間に半田枠体を配置した状態を示す縦断面図、図5の(d)は、半田枠体にて形成された半田層により蓋部材と窓部ガラス板とが接合された状態を示す縦断面図である。 図6の(a)は、本発明の他の実施の形態の光学装置の製造方法における、図4に示した窓部ガラス板の平面図、図6の(b)は、図4に示した半田層の形成に使用する半田枠体を示す平面図、図6の(c)は、図4に示した蓋部材と窓部ガラス板との間に半田枠体を配置した状態を示す縦断面図、図6の(d)は、半田枠体にて形成された半田層により蓋部材と窓部ガラス板とが接合された状態を示す縦断面図である。 図7の(a)は、本発明のさらに他の実施の形態の光学装置の製造方法における、図4に示した窓部ガラス板の平面図、図7の(b)は、図5に示した半田層の形成に使用する半田枠体を示す平面図、図7の(c)は、図4に示した蓋部材と窓部ガラス板との間に半田枠体を配置した状態を示す縦断面図、図7の(d)は、半田枠体にて形成された半田層により蓋部材と窓部ガラス板とが接合された状態を示す縦断面図である。 図4に示した半田層のさらに好ましい構成を説明する要部の拡大図である。
 〔実施の形態1〕
 本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。図1は、本発明の実施の形態の光学装置1を示す斜視図である。本実施の形態の光学装置1は、光学素子12としてLCOS(Liquid Crystal On Silicon)を備えた気密のLCOSパッケージとなっている。
 (光学装置1の外観および機能)
 図1に示すように、光学装置1は、セラミック基板11の上に光学素子12が設けられ、光学素子12を封止する蓋部材16の窓部16aから入射した光を光学素子12によって反射させるようになっている。この場合、光学素子12には液晶層によって回折格子が形成され、光学素子12に印加する電圧を変更することにより、回折格子を変化させ、光の反射角度を変化させる。具体的には、光ファイバから出射された波長多重化された光(光信号)をコリメートし、光学素子12に入射した場合に、光学素子12により波長ごとに反射角度を制御して、反射した光を個々の波長チャンネルに対応した複数の光ファイバに入射させるようになっている。
 (光学装置1の構成)
 図2は、図1に示した光学装置1の個々のパーツを示す分解斜視図である。図3は、図1に示した光学装置1の各パーツ同士の位置関係を示す分解斜視図である。図4は、図3におけるA-A矢視断面図である。
 図2から図4に示すように、光学装置1は、セラミック基板(筐体部材、第2の筐体部材)11、光学素子12、ヒータ13、窓部ガラス板15および蓋部材(筐体部材、第1の筐体部材)16を備えている。
 セラミック基板11は、例えばアルミナセラミックからなり、上面に光学素子12を配置するための凹部11aを有している。この凹部11aには、光学素子12を載置するための脚部11b(図4参照)が部分的に形成されている。
 光学素子12は、シリコン基板12aおよび液晶層12bを備えている。液晶層12bには回折格子が形成され、この回折格子は、印加される電圧が変化することにより、入射光の反射角度を変化させるように変化する。ヒータ13は、アルミナセラミック材中に加熱回路(図示せず)および温度制御回路(図示せず)を含むものであり、光学素子12の下面に設けられている。光学素子12およびヒータ13は、例えばワイヤボンディングによって接続端子(図示せず)と接続されている。
 蓋部材16は、外周部16b、突出部16cおよび封止枠体部16dを有し、セラミック基板11の上に設けられている。突出部16cは、外周部16bの内側部分において、上方へ一段突出した状態に形成されている。突出部16cには前記窓部16aが開口されている。封止枠体部16dは、外周部16bの下において、矩形の枠体形状に形成されている。封止枠体部16dは、セラミック基板11の凹部11aを囲むように、セラミック基板11上に位置している。
 蓋部材16は、例えば、鉄にニッケルおよびコバルトを配合した合金であるコバール(登録商標)にて形成されている。コバール(登録商標)は、常温付近での熱膨張率が金属のなかでも低く、硬質ガラスに近いという性質を有する。
 窓部ガラス板15は、例えばコバール(登録商標)ガラスからなる透光性基材15aを有する。この透光性基材15aの下面には反射防止膜15bが設けれ、上面には反射防止膜15cおよびメタライズ膜15dが設けられている。反射防止膜15bは、透光性基材15aの下面の全面に設けられ、反射防止膜15cは、窓部ガラス板15の外周部を除く面に設けられている。メタライズ膜15dは、窓部ガラス板15の外周部に環状に設けられ、例えば透光性基材15a側からクロム層、ニッケル層および金層が順次積層された3層構造を有する。
 窓部ガラス板15におけるメタライズ膜15dの上面と蓋部材16の突出部16cの下面の窓部16aを囲む部分との間には、環状に半田層17が設けられ、この半田層17により蓋部材16と窓部ガラス板15とが接合されている。半田層17は、例えば金とすずとの合金からなり、内部に空隙部17aを有している。
 空隙部17aは、光学装置1の外部空間および内部空間と隔絶され、独立した状態のものである。空隙部17aの内部には、気体が存在し、その気体は、空気または窒素である。空隙部17aは、半田層17の内部に複数個が存在していてもよい。また、それら空隙部17aの大きさは、大小不揃いであってもよい。なお、空隙部17aは、半田層17中に散在しているのが好ましいものの、少なくとも1個存在していればよい。
 光学装置1では、上記のように、光学装置1の外部空間に対して、セラミック基板11、蓋部材16、半田層17および窓部ガラス板15にて囲まれた光学装置1の内部空間が密封されている。したがって、光学装置1の内部空間に存在する光学素子12は、密封された状態となっている。また、光学装置1の内部空間には、ヘリウムと窒素との少なくとも一方の気体が外部圧力よりも陽圧な状態で満たされている。
 (光学装置1の製造方法)
 上記の構成において、光学装置1の製造方法について以下に説明する。図5の(a)は、図4に示した窓部ガラス板15の平面図、図5の(b)は、図4に示した半田層17の形成に使用する半田枠体17pを示す平面図、図5の(c)は、蓋部材16と窓部ガラス板15との間に半田枠体17pを配置した状態を示す縦断面図、図5の(d)は、半田枠体17pにて形成された半田層17により蓋部材16と窓部ガラス板15とが接合された状態を示す縦断面図である。
 光学装置1を製造する際には、蓋部材16、窓部ガラス板15(図5の(a)参照)、蓋部材16と窓部ガラス板15との接合に使用する半田枠体17p(図5の(b)参照)、セラミック基板11、光学素子12およびヒータ13を用意する。ヒータ13は予め光学素子12の下面に接着剤にて貼りつけておく。
 半田枠体17pは、図5の(b)に示すように、矩形の枠体形状を有するものである。半田枠体17pの寸法は、窓部ガラス板15のメタライズ膜15dの寸法に対応し、メタライズ膜15dとほぼ同じ寸法である。半田枠体17pは、例えば板状の半田から型抜きにより切り出したものであり、図5の(c)に示すように、断面が例えばU字形に湾曲している。
 光学装置1の製造工程では、まず、蓋部材16と窓部ガラス板15とを接合する。この工程では、図5の(c)に示すように、窓部ガラス板15のメタライズ膜15dの上に半田枠体17pを配置し、その上に蓋部材16を配置する。なお、メタライズ膜15d上への半田枠体17pの配置状態は、図5の(c)では、湾曲形状の凸部を上にした状態としている。しかしながら、これとは逆に、湾曲形状の凸部を下にした状態であってもよい。
 次に、図5の(c)の状態にて、蓋部材16、窓部ガラス板15および半田枠体17pを半田枠体17pの溶融温度まで加熱する。この工程は、例えばリフロー半田付けの手法により行う。この場合、半田枠体17pは、外周部から溶融される。この場合の加熱は、常圧において空気または窒素の雰囲気下にて行われる。
 その後、半田枠体17pの溶融が進行すると、半田枠体17pの半田により窓部ガラス板15のメタライズ膜15dおよび蓋部材16の下面が濡れた状態となり、図5の(d)に示すように、窓部ガラス板15と蓋部材16とが接合される。この場合、半田枠体17pによって形成される半田層17の内部には、雰囲気である空気または窒素が閉じ込められ、半田層17は内部に空隙部17aを有するものとなる。
 次に、セラミック基板11の凹部11aの脚部11b上に、接合して一体化された光学素子12およびヒータ13を配置し、接着剤にて固定する。
 最後に、窓部ガラス板15が接合されている蓋部材16を、常圧かつヘリウムと窒素との少なくとも一方の雰囲気下にてセラミック基板11にロウ付けする。
 (半田層17の空隙部17aについての考察)
 ここで、Au-Sn半田からなる半田層17の熱伝導率は、57W/mKであり、空気、窒素の熱伝導率は、それぞれ、0.024W/mK、0.026W/mKである。そこで、半田層17は、空気あるいは窒素からなる空隙部17aの体積率を半田層17の体積の例えば1/3にすると、熱伝導率を43%低減でき、所望の断熱性を確保することができる。このような点から、半田層17対する空隙部17aの体積率は1/4~1/2とするのが好ましい。
 半田層17は、空隙部17aを形成せずに、面積を大きくして熱容量を確保すること(所望の断熱性を確保すること)も可能である。しかしながら、Au-Sn半田からなる半田層17では、所望の断熱性を得るために、封止幅(形成幅)を40倍程度広げる必要がある。例えば、本実施の形態の光学装置1で想定している1mmの封止幅に対して、封止幅を40mmに広げる必要がある。したがって、このような構成は、光学装置1の小型化および省部材化の観点から採用できない。なお、本実施の形態の光学装置1では、半田層17の封止幅は0.5mm~1mmとしてもよい。
 (光学装置1の利点)
 以上のように、光学装置1は、半田層17により蓋部材16と窓部ガラス板15とを接合しているので、外気の水分が蓋部材16と窓部ガラス板15との間から光学装置1の内部に浸入することがなく、高い気密性を保持して光学素子12を保護することができる。
 また、半田層17は、空気または窒素を閉じ込めた空隙部17a、すなわち光学装置1の外部空間および内部空間と隔絶された空隙部17aを有し、空隙部17aは、半田層17の高い熱伝導率を緩和する熱伝導緩和層として機能する。したがって、外部の温度変化が光学装置1の内部の光学素子12に伝わり難く、外部の温度の変化があっても光学素子の特性が変化し難い。これにより、光学装置1は外部環境の変化を受け難く、継続して安定に動作することができる。
 〔実施の形態2〕
 本発明の他の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。
 (光学装置1の製造方法)
 図6の(a)は、本実施の形態の光学装置1の製造方法における、図4に示した窓部ガラス板15の平面図、図6の(b)は、図4に示した半田層17の形成に使用する半田枠体17qを示す平面図、図6の(c)は、蓋部材16と窓部ガラス板15との間に半田枠体17qを配置した状態を示す縦断面図、図6の(d)は、半田枠体17qにて形成された半田層17により蓋部材16と窓部ガラス板15とが接合された状態を示す縦断面図である。
 本実施の形態の光学装置1の製造方法では、図5の(b)に示した半田枠体17pに代えて、図6の(b)に示す半田枠体17qを使用する。半田枠体17pは、角部を除く4辺の領域の幅方向の中央部に、それら辺の方向に延びるスリット17q1が形成されている。
 本実施の形態の製造方法では、蓋部材16と窓部ガラス板15との接合工程において、スリット17q1を有する半田枠体17qを使用するので、半田枠体17qが溶融して半田層17となる場合に、半田層17に空隙部17aが形成され易くなっている。これにより、半田層17に確実に空隙部17aを形成することができる。
 光学装置1の製造方法についての他の構成、および製造される光学装置1の構成、並びに光学装置1の利点については、図1から図5に基づいて前述した実施の形態の場合と同様である。
 〔実施の形態3〕
 本発明のさらに他の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。
 (光学装置1の製造方法)
 図7の(a)は、本実施の形態の光学装置1の製造方法における、図4に示した窓部ガラス板15の平面図、図7の(b)は、図4に示した半田層17の形成に使用する半田枠体17pを示す平面図、図7の(c)は、蓋部材16と窓部ガラス板15との間に半田枠体17pを配置した状態を示す縦断面図、図7の(d)は、半田枠体17pにて形成された半田層17により蓋部材16と窓部ガラス板15とが接合された状態を示す縦断面図である。
 本実施の形態の光学装置1の製造方法では、窓部ガラス板15は、図5の(a)に示したメタライズ膜15dに代えて、図7の(a)に示すメタライズ膜15eを備えている。メタライズ膜15eは、環状の内周メタライズ膜15e1および環状の外周メタライズ膜15e2からなる。内周メタライズ膜15e1および外周メタライズ膜15e2は、前記メタライズ膜15dの枠部分の幅方向中央部にスリットを形成して、メタライズ膜15dを互いに独立した内周側部分と外周側部分とに分離した状態のものである。
 本実施の形態の製造方法では、窓部ガラス板15がメタライズ膜15eを有しており、メタライズ膜15eの内周メタライズ膜15e1と外周メタライズ膜15e2との間は、透光性基材(ガラス)15aが露出し、半田により濡れた状態とはならない。したがって、蓋部材16と窓部ガラス板15との接合工程において、図7の(c)および図7の(d)に示すように、半田枠体17pを窓部ガラス板15のメタライズ膜15eと蓋部材16との間の半田枠体17pが溶融して半田層17となる場合に、半田層17に空隙部17aが形成され易くなっている。これにより、半田層17に容易かつ確実に空隙部17aを形成することができる。
 光学装置1の製造方法についての他の構成、および製造される光学装置1の構成、並びに光学装置1の利点については、図1から図5に基づいて前述した実施の形態の場合と同様である。
 (半田層17のさらに好ましい構成)
 ここで、半田層17のさらに好ましい構成について説明する。図8は、半田層17のさらに好ましい構成を説明する光学装置1の要部の拡大図である。半田層17の熱抵抗が光学装置1の筐体を構成する他の部材の熱抵抗よりも小さい場合、半田層17が熱流路となることにより、光学装置1の筐体の断熱性が低下してしまう。このような断熱性の低下を避けるためには、半田層17の熱抵抗が光学装置1の筐体を構成する他の部材の熱抵抗以上となるように、半田層17における空隙部17aの幅を十分に大きくすればよい。
 半田層17の熱抵抗は、半田層17の幅をWs[m]、半田層17を構成する半田の熱伝導率をms[W/m・K]、空隙部17aの幅をWg[m]、空隙部17aを満たす気体の熱伝導率をmg[W/m・K]とすると、(Ws-Wg)/ms+Wg/mgにより与えられる。一方、他の部材の熱抵抗は、その部材の厚みをWo[m]、その部材の熱伝導率をmo[W/m・K]とすると、Wo/moにより与えられる。したがって、(Ws-Wg)/ms+Wg/mg≧Wo/moを満たすように空隙部17aの幅Wgを決めれば、半田層17による断熱性の低下を避けることができる。
 例えば、半田層17をAu-Sn(熱伝導率57W/m・K)により構成し、その幅Wsを0.3mmとし、空隙部17aを窒素(熱伝導率0.026W/m・K)で満たした場合、空隙部17aの幅Wgを0.32μm以上とすれば、半田層17の熱抵抗を、コバール(熱伝導率17W/m・K)により構成された厚さ0.3mmの蓋部材16の熱抵抗以上にすることができる。
 また、例えば、半田層17をAu-Sn(熱伝導率57W/m・K)により構成し、その幅Wsを1.0mmとし、空隙部17aを窒素(熱伝導率0.026W/m・K)で満たした場合、空隙部17aの幅Wgを0.01μm以上とすれば、半田層17の熱抵抗を、コバール(熱伝導率17W/m・K)により構成された厚さ0.3mmの蓋部材16の熱抵抗以上にすることができる。
 本発明の光学装置は、開口された窓部を有する筐体部材と、前記筐体部材の内部に設けられ、前記窓部を介して光が入射される光学素子と、前記窓部に配置された窓部ガラス板と、前記窓部ガラス板を、前記筐体部材の内部が密封されるように前記筐体部材に接合する接合部材とを備えている光学装置において、前記接合部材は半田層からなり、前記半田層は、光学装置の外部空間および内部空間と隔絶された空隙部を内部に有している構成である。
 上記の構成によれば、窓部に配置された窓部ガラス板は、筐体部材の内部が密封されるように、接合部材である半田層により筐体部材に接合されている。したがって、外気の水分が筐体部材と窓部ガラス板との間から光学装置の内部に浸入することがなく、高い気密性を保持して光学素子を保護することができる。
 また、半田層は、光学装置の外部空間および内部空間と隔絶された空隙部を内部に有しているので、高い熱伝導率が空隙部によって緩和される。したがって、外部の温度変化が光学装置の内部の光学素子に伝わり難く、外部の温度の変化があっても光学素子の特性が変化し難くなっている。これにより、光学装置は外部環境の変化を受け難く、継続して安定に動作することができる。
 上記の光学装置において、前記半田層に対する前記空隙部の体積率は1/4~1/2である構成としてもよい。
 上記の構成によれば、半田層に対する空隙部の体積率は1/4~1/2であるので、半田層は空隙部により所望の断熱性を確保することができる。
 上記の光学装置において、前記半田層における前記空隙部の幅は、前記半田層の熱抵抗が前記筐体部材または前記窓部ガラス板の熱抵抗以上となるように設定されている構成としてもよい。
 上記の構成によれば、半田層における空隙部の幅は、半田層の熱抵抗が筐体部材または窓部ガラス板の熱抵抗以上であるから、半田層の存在により外部の温度変化が光学装置の内部の光学素子に伝わり易くなる事態を確実に防止することができる。
 上記の光学装置において、前記窓部ガラス板の前記半田層が設けられている面にはメタライズ膜が形成され、前記メタライズ膜は、環状の内周メタライズ膜および前記内周メタライズ膜の外周側に形成されている環状の外周メタライズ膜からなり、前記内周メタライズ膜と前記外周メタライズ膜との間は、ガラス面となっている構成としてもよい。
 上記の構成によれば、窓部ガラス板の半田層が設けられている面に形成されているメタライズ膜は、環状の内周メタライズ膜および環状の外周メタライズ膜からなり、内周メタライズ膜と外周メタライズ膜との間は、ガラス面となっている。
 したがって、光学装置の製造工程における半田層により窓部ガラス板を筐体部材に接合する工程では、内周メタライズ膜と外周メタライズ膜との間のガラス面が溶融した半田によって濡れた状態とならないことから、半田層に容易かつ確実に空隙部を形成することができる。
 本発明の光学装置の製造方法は、開口された窓部を有する第1の筐体部材、窓部ガラス板、光学素子、および前記光学素子が前記窓部を介して光が入射される位置に固定される第2の筐体部材を準備する工程と、前記窓部ガラス板を、前記窓部ガラス板と前記第1の筐体部材との間が密封されるように、前記第1の筐体部材の前記窓部に半田層により接合し、かつ前記半田層の内部に、光学装置の外部空間および内部空間と隔絶された空隙部を形成する工程と、前記窓部ガラス板が接合された前記第1の筐体部材と前記光学素子が固定された第2の筐体部材とを、これら第1の筐体部材および第2の筐体部材の内部が密封されるように接合する工程とを備えている構成である。
 上記の構成によれば、窓部ガラス板と第1の筐体部材との間が半田層により密封され、第1の筐体部材および第2の筐体部材の内部が密封され、かつ半田層の内部には、光学装置の外部空間および内部空間と隔絶された空隙部が形成される。
 したがって、外気の水分が第1の筐体部材と窓部ガラス板との間から光学装置の内部に浸入することがなく、高い気密性を保持して光学素子を保護することができる。また、半田層は、高い熱伝導率が空隙部によって緩和される。したがって、外部の温度変化が光学装置の内部の光学素子に伝わり難く、外部の温度の変化があっても光学素子の特性が変化し難くなっている。これにより、光学装置は外部環境の変化を受け難く、継続して安定に動作することができる。
 上記の光学装置の製造方法において、前記窓部ガラス板の前記半田層が設けられる面にはメタライズ膜が形成され、前記メタライズ膜は、環状の内周メタライズ膜および前記内周メタライズ膜の外周側に形成されている環状の外周メタライズ膜からなり、前記内周メタライズ膜と前記外周メタライズ膜との間は、ガラス面となっている構成としてもよい。
 上記の構成によれば、窓部ガラス板の半田層が設けられている面に形成されているメタライズ膜は、環状の内周メタライズ膜および環状の外周メタライズ膜からなり、内周メタライズ膜と外周メタライズ膜との間は、ガラス面となっている。
 したがって、窓部ガラス板を第1の筐体部材の窓部に半田層により接合し、半田層の内部に空隙部を形成する工程では、内周メタライズ膜と外周メタライズ膜との間のガラス面が溶融した半田によって濡れた状態とならないことから、半田層に容易かつ確実に空隙部を形成することができる。
 本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
 本発明は、光の光路を切り替えるスイッチとして利用することができる。
  1   光学装置
 11   セラミック基板(筐体部材、第2の筐体部材)
 12   光学素子
 13   ヒータ
 15   窓部ガラス板
 15a  透光性基材
 15b  反射防止膜
 15c  反射防止膜
 15d  メタライズ膜
 15e  メタライズ膜
 15e1 内周メタライズ膜
 15e2 外周メタライズ膜
 16   蓋部材(筐体部材、第1の筐体部材)
 16a  窓部
 16b  外周部
 16c  突出部
 17   半田層
 17a  空隙部
 17p  半田枠体
 17q  半田枠体

Claims (6)

  1.  開口された窓部を有する筐体部材と、
     前記筐体部材の内部に設けられ、前記窓部を介して光が入射される光学素子と、
     前記窓部に配置された窓部ガラス板と、
     前記窓部ガラス板を、前記筐体部材の内部が密封されるように前記筐体部材に接合する接合部材とを備えている光学装置において、
     前記接合部材は半田層からなり、
     前記半田層は、光学装置の外部空間および内部空間と隔絶された空隙部を内部に有していることを特徴とする光学装置。
  2.  前記半田層に対する前記空隙部の体積率は1/4~1/2であることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
  3.  前記半田層における前記空隙部の幅は、前記半田層の熱抵抗が前記筐体部材または前記窓部ガラス板の熱抵抗以上となるように設定されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光学装置。
  4.  前記窓部ガラス板の前記半田層が設けられている面にはメタライズ膜が形成され、
     前記メタライズ膜は、環状の内周メタライズ膜および前記内周メタライズ膜の外周側に形成されている環状の外周メタライズ膜からなり、前記内周メタライズ膜と前記外周メタライズ膜との間は、ガラス面となっていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光学装置。
  5.  開口された窓部を有する第1の筐体部材、窓部ガラス板、光学素子、および前記光学素子が前記窓部を介して光が入射される位置に固定される第2の筐体部材を準備する工程と、
     前記窓部ガラス板を、前記窓部ガラス板と前記第1の筐体部材との間が密封されるように、前記第1の筐体部材の前記窓部に半田層により接合し、かつ前記半田層の内部に、光学装置の外部空間および内部空間と隔絶された空隙部を形成する工程と、
     前記窓部ガラス板が接合された前記第1の筐体部材と前記光学素子が固定された第2の筐体部材とを、これら第1の筐体部材および第2の筐体部材の内部が密封されるように接合する工程とを備えていることを特徴とする光学装置の製造方法。
  6.  前記窓部ガラス板の前記半田層が設けられる面にはメタライズ膜が形成され、
     前記メタライズ膜は、環状の内周メタライズ膜および前記内周メタライズ膜の外周側に形成されている環状の外周メタライズ膜からなり、前記内周メタライズ膜と前記外周メタライズ膜との間は、ガラス面となっていることを特徴とする請求項5に記載の光学装置の製造方法。
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