特許 7565843 光透過窓接合体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-03

(45)【発行日】2024-10-11

(54)【発明の名称】光透過窓接合体

(51)【国際特許分類】

   B23K 1/00 20060101AFI20241004BHJP

   C04B 41/88 20060101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

B23K1/00 330Z

C04B41/88 B

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2021050994

(22)【出願日】2021-03-25

(65)【公開番号】P2021159996

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-09-15

(31)【優先権主張番号】P 2020061957

(32)【優先日】2020-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003029

【氏名又は名称】弁理士法人ブナ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川端 裕貴

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２３４６３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２３４２７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００１－０６８６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３５３３５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ １／００

Ｃ０４Ｂ ４１／８８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内周側に外周壁と離間して位置する環状面を有する筒状の金属部材と、前記環状面上に円板状の光透過性部材とを備え、
前記環状面と該環状面の側に位置する前記光透過性部材の主面との間にろう付け部が位置しており、
前記外周壁と該外周壁の内周側で分岐して前記環状面を有する支持部との間に、円周上に沿って凹部が位置し、
前記凹部の深さが、前記支持部の高さの４０％以上６０％以下である、
光透過窓接合体。

【請求項2】

前記凹部が連続する環状溝である請求項１に記載の光透過窓接合体。

【請求項3】

前記環状面の内周側が、Ｃ面またはＲ面を介して前記支持部の内周面に接続している請求項１または２に記載の光透過窓接合体。

【請求項4】

前記環状面の外周側が、Ｃ面またはＲ面を介して前記支持部の外周面に接続している請求項１～３のいずれかに記載の光透過窓接合体。

【請求項5】

前記凹部の内周面が、Ｃ面またはＲ面を介して前記凹部の底面に接続している請求項１～４のいずれかに記載の光透過窓接合体。

【請求項6】

前記凹部の外周面が、Ｃ面またはＲ面を介して前記凹部の底面に接続している請求項１～５のいずれかに記載の光透過窓接合体。

【請求項7】

前記光透過性部材は、前記環状面の側に位置する主面がメタライズ層を備え、前記外周壁の内周面と前記メタライズ層の外周面とが離間している請求項１～６のいずれかに記載の光透過窓接合体。

【請求項8】

前記外周壁が、前記光透過性部材の側に延出しており、前記外周壁の内周面と前記光透過性部材の外周面とは当接している請求項１～７のいずれかに記載の光透過窓接合体。

【請求項9】

前記外周壁の内周面および前記光透過性部材の外周面のそれぞれの粗さ曲線における算術平均粗さＲａが、０．０２μｍ以上０．８μｍ以下である請求項１～８のいずれかに記載の光透過窓接合体。

【請求項10】

前記外周壁の内周面および前記光透過性部材の外周面のそれぞれの粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、前記粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差を表す、前記粗さ曲線における切断レベル差（Ｒδｃ）が、いずれも０．０７μｍ以上１．２μｍ以下である、請求項９に記載の光透過窓接合体。

【請求項11】

前記光透過性部材が有色系である請求項１～１０のいずれかに記載の光透過窓接合体。

【請求項12】

前記ろう付け部が位置する側と反対側の前記光透過性部材の第２主面の粗さ曲線における２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、０．０２３μｍ以下である、請求項１～１１のいずれかに記載の光透過窓接合体。

【請求項13】

前記第２主面の粗さ曲線における２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、外周部側よりも軸心部側の方が小さい、請求項１２に記載の光透過窓接合体。

【請求項14】

前記ろう付け部が位置する側と反対側の前記光透過性部材の第２主面の粗さ曲線における平均長さ（Ｒｓｍ）は、９以上である、請求項１～１３のいずれかに記載の光透過窓接合体。

【請求項15】

前記第２主面の粗さ曲線における平均長さ（Ｒｓｍ）は、軸心部側よりも外周部側が大きい、請求項１４に記載の光透過窓接合体。

【請求項16】

前記光透過性部材がサファイアからなり、サファイアのｃ軸と、前記光透過性部材の軸心とが平行である、請求項１～１５のいずれかに記載の光透過窓接合体。

【請求項17】

請求項１～１６のいずれかに記載の光透過窓接合体を備える高輝度発光装置。

【請求項18】

請求項１～１６のいずれかに記載の光透過窓接合体を備える分析装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光透過窓接合体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ランプなどの高輝度発光装置は、ガラスバルブなどのチャンバと、チャンバ内のガスを励起してイオン化するために使用されるアノードおよびカソードとを備えている。このような高輝度発光装置として、特許文献１には、レーザ維持プラズマランプが記載されている。特許文献１に記載のレーザ維持プラズマランプは、チャンバ、チャンバの入口および出口に設けられたサファイア窓、サファイア窓を固定する機械締結構造などを備える。

【0003】

しかし、特許文献１に記載のランプにおいて、サファイア窓と接触する機械締結構造の当接面の平面度を高精度で研磨する必要があるものの、サファイア窓と接触する機械締結構造の当接面の研磨は非常に難しい。そのため、サファイア窓と機械締結構造との間に微小な隙間が生じやすくなる。このような隙間が生じると、隙間からガスが漏洩する。

【0004】

特許文献２には、高温・高圧用容器用窓の構造として、周縁部にテーパが形成されたサファイアなどの透明部材からなり、大径部を容器の内側に配置し、小径部を容器の外側に配置した構造が記載されている。

【0005】

しかし、特許文献２に記載の構造において、サファイアからなる透明部材は、サファイアが硬脆材であるため、傾斜する外周面を加工によって得ることが困難である。たとえ得られたとしても、容器の傾斜している内周面と隙間なく合わせることが困難である。さらに、サファイアからなる透明部材の鋭角部が欠けやすいなどの問題もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１９－１６４９９４号公報

【文献】特開２００５－３２９３３０号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本開示の課題は、優れた接合信頼性を有し、熱サイクルに対する優れた耐久性を有する光透過窓接合体を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示に係る光透過窓接合体は、内周側に外周壁と離間して位置する環状面を有する筒状の金属部材と、環状面上に円板状の光透過性部材とを備える。環状面と環状面の側に位置する光透過性部材の主面との間にろう付け部が位置している。外周壁と外周壁の内周側で分岐して環状面を有する支持部との間に、円周上に沿って凹部が位置している。

【0009】

本開示に係る高輝度発光装置および分析装置は、上記の光透過窓接合体を備える。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、優れた接合信頼性を有し、熱サイクルに対する優れた耐久性を有する光透過窓接合体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】（Ａ）は本開示の一実施形態に係る光透過窓接合体を示す説明図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示すＸ－Ｘ線で切断した際の断面を示す説明図である。

【図2】図１に示す領域Ｙを説明するための拡大説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本開示の一実施形態に係る光透過窓接合体を、図１および２に基づいて説明する。図１（Ａ）に示す一実施形態に係る光透過窓接合体１は、筒状の金属部材２と光透過性部材３とを備える。

【0013】

一実施形態に係る光透過窓接合体１に備えられる金属部材２は、図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、金属部材２は、内周側に外周壁２２と離間して位置する環状面２１を有している。具体的には、環状面２１は、図１（Ｂ）および図２に示すように、金属部材２を断面視した場合に、金属部材２の一部がＵ字状に形成された部分において、外周壁２２と外周壁２２の内周側で分岐して位置する支持部２３の上面に位置している。

【0014】

金属部材２を構成している金属は限定されず、例えば、フェルニコ系合金、Ｆｅ－Ｎｉ合金、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｒ－Ｔｉ－Ａｌ合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｃｒ合金、Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ合金、銅、鉄、ステンレスなどが挙げられる。金属部材２の大きさは限定されない。光透過窓接合体１が備えられる装置に応じて、適宜設定され、例えば、外径は５０ｍｍ～１００ｍｍ程度であり、高さは２０～５０ｍｍ程度である。

【0015】

金属部材２は、外周壁２２と支持部２３との間に、金属部材２の円周上に沿って凹部２４が位置している。凹部２４は、例えば連続する環状溝である。凹部２４の深さは限定されず、例えば、支持部２３の高さの４０％以上６０％以下である。凹部２４の深さが支持部２３の高さの４０％以上であると、ろう材の凹部２４の深さ方向への流量を増やすことができるので、接合の信頼性が向上する。一方、凹部２４の深さが支持部２３の高さの６０％以下であると、支持部２３として必要な剛性を維持することができる。

【0016】

環状面２１の内周側は、例えば、Ｃ面またはＲ面を介して支持部２３の内周面に接続しているのがよい。環状面２１の内周側が、Ｃ面またはＲ面を介して支持部２３の内周面に接続していると、環状面２１の内周側で、金属部材２と光透過性部材３との接合に係わるろう材の体積を増やすことができるので、環状面２１の内周側における接合の信頼性が向上する。

【0017】

環状面２１の外周側は、例えば、Ｃ面またはＲ面を介して支持部２３の外周面に接続しているのがよい。環状面２１の外周側が、Ｃ面またはＲ面を介して支持部２３の外周面に接続していると、環状面２１の外周側で、金属部材２と光透過性部材３との接合に係わるろう材の体積を増やすことができるので、環状面２１の外周側における接合の信頼性が向上する。

【0018】

凹部２４の内周面は、例えば、Ｃ面またはＲ面を介して凹部２４の底面に接続しているのがよい。凹部２４の内周面が、Ｃ面またはＲ面を介して凹部２４の底面に接続していると、凹部２４の底面の内周側で、内周面と底面とが直交する場合よりも、凹部形成後に残る残留応力を緩和することができる。

【0019】

凹部２４の外周面は、例えば、Ｃ面またはＲ面を介して凹部２４の底面に接続しているのがよい。凹部２４の外周面が、Ｃ面またはＲ面を介して凹部２４の底面に接続していると、凹部２４の底面の外周側で、外周面と底面とが直交する場合よりも、凹部形成後に残る残留応力を緩和することができる。

【0020】

一実施形態に係る光透過窓接合体１に備えられる光透過性部材３は、光透過性を有する
素材からなる部材である。光透過性部材３を境界として、金属部材２側の空間と金属部材２と反対側の空間とは、異なる環境になっている。例えば、金属部材２側の空間の温度は室温であり、金属部材２と反対側の空間の温度は１００℃以上の高温である。光透過性部材３は、金属部材２の内周側から、金属部材２と反対側の空間にある対象物を観察するためのものである。光透過性を有する素材としては、例えば、サファイア、石英、ガラス、ダイヤモンドなどが挙げられる。

【0021】

光透過性を有する素材は、セラミックスであってもよく、例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、イットリウムバナジウムオキサイド（ＹＶＯ_４）、イットリウムリチウムフロライド（ＹＬＦ）、イットリウムアルミニウムペロブスカイト（ＹＡＰ）、ルテチウムバナジウムオキサイド（ＬｕＶＯ_４）、イットリウムアルミネート（ＹＡＬＯ）、ガドリニウムバナジウムオキサイド（ＧｄＶＯ_４）、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、二フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）または二フッ化バリウム（ＢａＦ_２）などを主成分とする透光性セラミックスであってもよい。

【0022】

セラミックスにおける主成分とは、着目するセラミックスを構成する成分の合計１００質量％のうち、９０質量％以上を占める成分をいう。特に、主成分は、着目するセラミックスを構成する成分の合計１００質量％のうち、９５質量％以上を占める成分であるとよい。セラミックスを構成する成分は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて求めればよい。各成分の含有量は、成分を同定した後、蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）またはＩＣＰ発光分光分析装置を用いて、成分を構成する元素の含有量を求め、同定された成分に換算すればよい。

【0023】

光透過性部材３の大きさは限定されない。金属部材２の大きさに応じて、適宜設定され、例えば、外径は５０ｍｍ～１００ｍｍ程度であり、厚みは８ｍｍ～１５ｍｍ程度である。さらに、光透過性部材３は有色系であってもよく、無色系であってもよい。光透過性部材３は有色系であれば、目視によって、光透過性部材３の一方側から他方側を確認する場合、目に与えるダメージを低減することができる。

【0024】

ろう付け部が位置する側と反対側の光透過性部材３の第２主面の粗さ曲線における２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、０．０２３μｍ以下であってもよい。２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）がこの範囲であると、第２主面内で険しい凹凸が少なくなるため、浮遊するパーティクルが第２主面内の凹部に挟まるおそれが減少し、長期間に亘って良好な視界を確保、維持することができる。

【0025】

第２主面の粗さ曲線における２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）は、外周部側よりも軸心部側の方が小さくてもよい。良好な視界は、外周部側よりも軸心部側の方が求められ、このような構成であると、浮遊するパーティクルが第２主面内の凹部に挟まるおそれがさらに減少する。

【0026】

光透過性部材３の第２主面の外周部側とは、光透過性部材３の第２主面の最外周から光透過性部材３の半径の３３％以内の領域である。光透過性部材３の第２主面の軸心部側とは、光透過性部材３の第２主面の軸心から光透過性部材３の半径の３３％以内の領域である。

【0027】

ろう付け部が位置する側と反対側の光透過性部材３の第２主面の粗さ曲線における平均長さ（Ｒｓｍ）は９以上であってもよい。平均長さ（Ｒｓｍ）がこの範囲であると、粗さ曲線の周期が長くなって、第２主面における乱反射が抑制されるため、観察する対象物の視認性がよくなる。

【0028】

第２主面の粗さ曲線における平均長さ（Ｒｓｍ）は、軸心部側よりも外周部側が大きくてもよい。外周部の面積は軸心部の面積よりも大きいので、このような構成であると、第２主面における乱反射が抑制される面積が増えるため、観察する対象物の視認性がさらによくなる。

【0029】

光透過性部材３がサファイアからなり、サファイアのｃ軸と、光透過性部材３の軸心とが平行であってもよい。サファイアは、熱伝導率に異方性があり、ｃ軸に平行な方向の熱伝導率が高い。したがって、サファイアのｃ軸と、光透過性部材３の軸心とが平行であると、光透過性部材３の厚み方向の放熱性能を向上させることができる。サファイアのｃ軸と、光透過性部材３の軸心とが平行であることの認定については、Ｘ線回折装置を用い、第２主面が（０００１）面であることが確認できればよい。

【0030】

光透過性部材３は、環状面２１の側に位置する主面にメタライズ層を備えていてもよい。メタライズ層は、例えば、モリブデン－マンガン法（Ｍｏ－Ｍｎ法）、ニッケルめっき、活性金属法などによって形成される。さらに、メタライズ層の外周面と外周壁２２の内周面とは離間しているのがよい。メタライズ層の外周面と外周壁２２の内周面とが離間していると、ろう材の外周側に向かう流れが抑制されるので、昇温および降温が繰り返されても、光透過性部材３に残りやすい残留応力の増加を抑制することができる。

【0031】

メタライズ層を形成する前に、光透過性部材３の両側の主面は、例えば錫（Ｓｎ）からなるラップ盤を用い、平均粒径が２μｍ以下のダイヤモンド砥粒を含むスラリーによって、算術平均粗さ（Ｒａ）を、例えば、０．０１μｍ以下にしておくとよい。

【0032】

一実施形態に係る光透過窓接合体１において、光透過性部材３は金属部材２の内部に収容されるように位置しており、図２に示すように、環状面２１と光透過性部材３の主面のうち環状面２１の側に位置する主面との間に、ろう付け部４が位置している。

【0033】

ろう付け部４を形成しているろう材は限定されず、例えば、ＢＡｇ－８、ＢＡｇ－８Ａ、ＢＡｇ－８Ｂ、ＢＡｇ－９などの銀－銅合金（Ａｇ－Ｃｕ合金）が挙げられる。ろう付けする前に、環状面２１および光透過性部材３の主面のうち環状面２１の側に位置する主面の少なくとも一方に、ニッケルめっき処理が施されていてもよい。

【0034】

図１（Ｂ）に示すように、外周壁２２は、光透過性部材３の側に延出していてもよい。この場合、外周壁２２の内周面と光透過性部材３の外周面とは当接している。外周壁２２の内周面の粗さ曲線における算術平均粗さ（Ｒａ）および光透過性部材３の外周面の粗さ曲線における算術平均粗さ（Ｒａ）は限定されない。

【0035】

外周壁２２の内周面と光透過性部材３の外周面との密着性をより向上させるために、外周壁２２の内周面の粗さ曲線における算術平均粗さ（Ｒａ）は、例えば０．０２μｍ以上０．８μｍ以下であってもよく、光透過性部材３の外周面の粗さ曲線における算術平均粗さＲａは、例えば０．０２μｍ以上０．８μｍ以下であってもよい。

【0036】

算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０２μｍ以上であると、純水に対する接触角が小さくなるので、内周面と外周面との洗浄が容易になる。一方、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．８μｍ以下であると、シール性が向上するので、内周面と外周面との隙間からガスが漏洩するおそれが低減する。

【0037】

一実施形態に係る光透過窓接合体１において、外周壁２２の内周面および光透過性部材３の外周面のそれぞれの粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差を表す、粗さ曲線における切断レベル差（Ｒδｃ_１、Ｒδｃ_２）がいずれも０．０７μｍ以上１．２μｍ以下であってもよい。

【0038】

切断レベル差（Ｒδｃ_１）が０．０７μｍ以上であると、純水に対する接触角がさらに小さくなるので、内周面と外周面との洗浄がより容易になる。一方、切断レベル差（Ｒδｃ_２）が０．８μｍ以下であると、シール性がさらに向上するので、内周面と外周面との隙間からガスが漏洩するおそれが一層低減する。

【0039】

本明細書において「切断レベル差（Ｒδｃ_１）」とは、外周壁２２の内周面の粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差を意味する。一方、本明細書において「切断レベル差（Ｒδｃ_２）」とは、光透過性部材３の外周面の粗さ曲線における２５％の負荷長さ率での切断レベルと、粗さ曲線における７５％の負荷長さ率での切断レベルとの差を意味する。

【0040】

外周壁２２の内周面および光透過性部材３の外周面のそれぞれの粗さ曲線における算術平均粗さ（Ｒａ）および切断レベル差（Ｒδｃ_１、Ｒδｃ_２）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１－２００１に準拠し、形状解析レーザ顕微鏡（（株）キーエンス製、ＶＫ－Ｘ１１００またはその後継機種）を用いて測定することができる。測定条件としては、例えば、倍率を１２０倍、カットオフ値λｓを無し、カットオフ値λｃを０．０８ｍｍ、カットオフ値λｆを無し、測定対象とする面から１か所当たりの測定範囲が１０２４μｍ×７６８μｍに設定して、測定範囲毎に長手方向に沿って、略等間隔となるように測定対象とする線を４本引いて、それぞれの線に対して線粗さ計測を行えばよい。ここで、測定範囲は外周壁２２の内周面および光透過性部材３の外周面それぞれ１箇所、合計２箇所とし、計測の対象とする長さは、例えば、１２８０μｍである。そして、線粗さ計測によって求められた算術平均粗さ（Ｒａ）の平均値および切断レベル差（Ｒδｃ_１、Ｒδｃ_２）の平均値をそれぞれ上述した算術平均粗さ（Ｒａ）、切断レベル差（Ｒδｃ_１、Ｒδｃ_２）とすればよい。

【0041】

光透過性部材３の第２主面の粗さ曲線における２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）および平均長さ（Ｒｓｍ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に準拠し、形状解析レーザ顕微鏡（（株）キーエンス製、ＶＫ－Ｘ１１００またはその後継機種）を用いて測定することができる。測定条件としては、まず、照明方式を同軸落射方式、倍率を４８０倍、カットオフ値λｓを無し、カットオフ値λｃを０．０８ｍｍ、カットオフ値λｆを無し、終端効果の補正を有り、測定対象とする第２主面から１か所当たりの測定範囲を、例えば、７１０μｍ×５３３μｍに設定して、測定範囲毎に、測定範囲の長手方向に沿って測定対象とする線を略等間隔に４本引いて、それぞれの線に対して線粗さ計測を行えばよい。ここで、測定範囲は軸心部および外周部のそれぞれ１箇所、合計２箇所とし、計測の対象とする長さは、例えば、５６０μｍである。そして、線粗さ計測によって求められた２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）の平均値および平均長さ（Ｒｓｍ）の平均値をそれぞれ上述した２乗平均平方根傾斜（ＲΔｑ）、平均長さ（Ｒｓｍ）とすればよい。

【0042】

一実施形態に係る光透過窓接合体１は、種々の装置に備えられる。このような装置としては、例えば、高輝度発光装置、分析装置、高温・高圧用容器、真空容器などが挙げられる。

【符号の説明】

【0043】

１ 光透過窓接合体
２ 金属部材
２１ 環状面
２２ 外周壁
２３ 支持部
２４ 凹部
３ 光透過性部材
４ ろう付け部

【図1】

【図2】