JP2008268277A - 赤外線透過構造体および赤外線センサー - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐衝撃性を有し、しかも耐剥離性と透過率が優れた赤外線透過構造体を提供する。
【解決手段】ＺｎＳ製基板の表面側に、基板面から順に、第１のＹ_２Ｏ_３層、ＹＦ_３層、第２のＹ_２Ｏ_３層、ダイヤモンド状炭素層が積層されていることを特徴とする赤外線透過構造体。前記各層は、第１のＹ_２Ｏ_３層が１０〜２００ｎｍ、ＹＦ_３層が４００〜８００ｎｍ、第２のＹ_２Ｏ_３層が１０〜２００ｎｍ、ダイヤモンド状炭素層が１００〜５００ｎｍの厚さであることを特徴とする赤外線透過構造体。前記第２のＹ_２Ｏ_３層とダイヤモンド状炭素層との間に、さらにＧｅ層が積層されていることを特徴とする赤外線透過構造体。前記ＺｎＳ製基板の裏面側に、基板面から順に、Ｙ_２Ｏ_３層、ＹＦ_３層、ＭｇＦ_２層が積層されていることを特徴とする赤外線透過構造体。
【選択図】図１

Description

本発明は赤外線透過構造体に関し、特に反射防止膜を有し、さらに最外層にダイヤモンド状炭素層が形成された赤外線透過構造体に関する。

近年、赤外線放射温度測定器、人侵入検知センサー等の、赤外線センサーの開発が盛んになされている。通常、赤外線センサーの光学窓に使用される赤外線透過構造体には、硫化亜鉛（以下、「ＺｎＳ」と記す）製基板が使用されているが、ＺｎＳは屈折率が２．２と大きく、そのままでは表面の反射損失が大きく、例えば厚さ５ｍｍのＺｎＳ製基板のままでは最大直線透過率は７０％程度であり、赤外線センサーの感度を向上させる面から問題がある。
また、赤外線センサーは、車載の機器、家電等のみならず、防犯カメラ等屋外で使用されることも多いため、その赤外線透過構造体には、耐水性、耐環境性も必要とされる。

そこで、ＺｎＳ製の基板の表面に、最内層としてＹ_２Ｏ_３層、中間層としてＹＦ_３層、さらに最外層としてＭｇＦ_２層を形成して反射防止膜とすることにより、直線透過率のみならず、耐水性、耐環境性をも改善した赤外線透過構造体が開示されている（特許文献１）。

これは、最内層のＹ_２Ｏ_３層にはＺｎＳ製基板とＹＦ_３層との接着層の役割を担わせ、中間層のＹＦ_３層と最外層のＭｇＦ_２層には測定対象とする波長の赤外線や可視光の反射防止膜としての役割を担わせ、さらには、最外層のＭｇＦ_２層にはＭｇＦ_２が水に強く高温でも安定であるため、耐水性、耐環境性を改善する役割をも担わせたものである。

また、これらの役割を担うため、最内層のＹ_２Ｏ_３層は、測定対象とする赤外領域での透過率にあまり影響が出ない１０〜２００ｎｍ程度の厚さとされ、中間層のＹＦ_３層は１００〜２，２００ｎｍ程度の厚さとされ、最外層のＭｇＦ_２層は２０〜８００ｎｍ程度の厚さとされている。

また、赤外線センサーは、最近では赤外線スキャナ（探知器）として、自動車や電車などにも装備されている。
自動車や電車などに使用される場合には、単に水分に晒されたり、また温度や気圧の変化に遭遇したりするだけでなく、空気中の塵や雨滴、および他の物体に衝突するようなことも少なからずある。このため、従来の赤外線透過構造体では、耐衝撃性、耐剥離性が不足し、その結果短時間で反射防止膜の表面に傷が発生したり、反射防止膜が剥離したりしかねず、ひいては赤外線センサーの寿命が短縮され、また信頼性が損なわれかねない。

このため、赤外線透過構造体として、一番外側に、耐水性、耐環境性が高いだけでなく、硬度と強度が極めて高く、即ち耐衝撃性に優れているため、表面に傷が付き難く、損傷し難いダイヤモンド状炭素（以下、原則として「ＤＬＣ」と記す。「Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ」の略称である）層を設けることがなされている。
特許３７０４７３９号公報

しかしながら、一般的に、ＤＬＣ層が厚くなると膜応力が大きくなり、剥離しやすい他、光を吸収し、透過率が低下する。逆に、薄くなると、耐衝撃性が低下する他、短期間でＤＬＣ層がすり減り、その直下の層が露出してしまう。
このため、優れた耐衝撃性と耐久性を有し、しかも耐剥離性と透過率が優れた赤外線透過構造体の開発が望まれていた。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としてなされたものであり、赤外線透過構造体を構成する各層に用いる材料と、層の厚さに工夫を凝らしたものである。以下、各請求項の発明を説明する。

請求項１に記載の発明は、
ＺｎＳ製基板の表面側に、基板面から順に、第１のＹ_２Ｏ_３層、ＹＦ_３層、第２のＹ_２Ｏ_３層、ダイヤモンド状炭素層が積層されていることを特徴とする赤外線透過構造体である。

本請求項の発明においては、ＺｎＳ製基板の表面側に、基板面から順に、第１のＹ_２Ｏ_３層、ＹＦ_３層、第２のＹ_２Ｏ_３層、ＤＬＣ層が積層されているため、優れた耐衝撃性を有し、しかも耐剥離性と透過率が優れた赤外線透過構造体となる。

具体的には、最外層のＤＬＣ層は、赤外線透過構造体の表面として、優れた耐衝撃性を与える。そして、その直下（内側）に形成されている第２のＹ_２Ｏ_３層とＹＦ_３層とは、Ｙ_２Ｏ_３とＹＦ_３のいずれもが１００ＧＰａ以上の弾性率を有するため、他の物体の衝撃時の緩和層として作用する。

また、２つのＹ_２Ｏ_３層は、それらの上下に位置する層との良好な接着を行い、耐剥離性の向上に寄与する。
また特に、ＤＬＣ層とＹＦ_３層が、反射防止に大きく寄与し、その結果透過率が大きく向上する。

なお、前記２つのＹ_２Ｏ_３層、ＹＦ_３層、ＤＬＣ層は、いずれも成膜（形成）の都合等で不可避的に侵入した不純物を含有していたり、僅かに組成比が相違していたりする場合があるが、その場合でも、本発明に含まれる。また、前記各層の間に他の層が積層されているような場合でも、本発明に含まれる。
また、「基板の表面側」とは、測定対象の赤外線が入射してくる側を指す。

請求項２に記載の発明は、前記の赤外線透過構造体であって、
前記各層は、第１のＹ_２Ｏ_３層が１０〜２００ｎｍ、ＹＦ_３層が４００〜８００ｎｍ、第２のＹ_２Ｏ_３層が１０〜２００ｎｍ、ダイヤモンド状炭素層が１００〜５００ｎｍの厚さであることを特徴とする赤外線透過構造体である。

本請求項の発明においては、各層の厚さが適切であるため、透過率、耐剥離性、耐衝撃性が優れた赤外線透過構造体となる。なお前記各層の厚さは、測定対象の赤外線の波長に応じて前記の範囲内で適宜適切な値が採用される。

ＤＬＣ層は、１００ｎｍ未満であると、耐衝撃性、および反射防止膜の構成要素としての機能を発揮するためには不充分となり、一方、５００ｎｍを越えると剥離し易くなる。測定対象の赤外線の波長にもよるが、より好ましい厚さは、３００ｎｍ程度（±２０％）である。

ＹＦ_３層は、衝撃緩和層としての機能や経済性及びＤＬＣ層との組合せによる反射防止機能を考慮し、６００ｎｍ（±２０％）程度とするのが好ましい。

第１のＹ_２Ｏ_３層と第２のＹ_２Ｏ_３層は、それぞれの層の上下にある層を接着するための層であり、１０ｎｍ未満であれば接着力が不足し、２００ｎｍを越えれば透過率に悪影響を与えるおそれがある。より好ましい厚さは、３０ｎｍ程度（±２０％）である。

請求項３に記載の発明は、前記の赤外線透過構造体であって、
前記第２のＹ_２Ｏ_３層とダイヤモンド状炭素層との間に、さらにＧｅ層が積層されていることを特徴とする赤外線透過構造体である。

本請求項の発明においては、第２のＹ_２Ｏ_３層とＤＬＣ層との間に、特にＤＬＣとの相性が良い（接着性がよい）Ｇｅ層があるため、ＤＬＣ層の耐剥離性がさらに向上する。Ｇｅ層は、接着層として用いるため、１０ｎｍ未満であれば、接着力が不足し、２００ｎｍを越えれば透過率に悪影響を与える。また、Ｇｅ層は、衝撃緩和層の役割も担っている。

請求項４に記載の発明は、前記の赤外線透過構造体であって、
前記ＺｎＳ製基板の裏面側に、基板面から順に、Ｙ_２Ｏ_３層、ＹＦ_３層、ＭｇＦ_２層が積層されていることを特徴とする赤外線透過構造体である。

本請求項の発明においては、ＺｎＳ製基板の裏面側にも反射防止膜が形成されているため、ＺｎＳ製基板を透過し、その裏面側から出て受光素子の方に向かう赤外線のＺｎＳ製基板の裏面での反射が防止される。このため、赤外線透過構造体の透過率が一層向上する。

請求項５に記載の発明は、前記の赤外線透過構造体であって、
波長６，０００〜１０，７００ｎｍの赤外線に対する透過率が８０％以上であることを特徴とする赤外線透過構造体である。

本請求項の発明においては、波長６，０００〜１０，７００ｎｍの範囲で透過率が８０％以上であり、４，９００〜１１，９００ｎｍの範囲で７０％以上であるため、遠赤外線の低波長域を広くカバーできる優れた赤外線透過構造体となる。

本発明者は、さらに、以下の構成よりなる赤外線透過構造体においても、優れた耐衝撃性、耐磨耗性、耐久性を有する赤外線透過構造体となることを見出した。

即ち、請求項６に記載の発明は、
ＺｎＳ製基板の表面側に、基板面から順に、１０〜２００ｎｍ厚さのＺｎＳ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３のいずれか１層、１００〜７５０ｎｍ厚さのＧｅ層、５００〜２，０００ｎｍ厚さのダイヤモンド状炭素層が積層されていることを特徴とする赤外線透過構造体である。

本請求項の発明においては、ＺｎＳ製基板の表面側に、基板面から順に、１０〜２００ｎｍ厚さのＺｎＳ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３のいずれか１層、１００〜７５０ｎｍ厚さのＧｅ層、さらにその上に５００〜２，０００ｎｍ厚さのＤＬＣ層と、適切な厚さの各層が積層されているため、赤外線透過率が優れているだけでなく、優れた耐衝撃性、耐磨耗性、耐久性を有する赤外線透過構造体となる。

なお、ＤＬＣ層の厚さは、十分な強度を得られ、かつ、経済的な厚さとして、５００〜２，０００ｎｍとし、使用上必要とされる強度により、選定する。また、Ｇｅ層の厚さは、ＤＬＣ層の必要厚さにより最適な透過率が得られる厚さを、１００〜７５０ｎｍから選定する。

請求項７に記載の発明は、前記の赤外線透過構造体であって、
前記ＺｎＳ製基板の裏面側に、基板面から順に、Ｙ_２Ｏ_３層、ＹＦ_３層、ＭｇＦ_２層が積層されていることを特徴とする赤外線透過構造体である。

本請求項の発明においては、ＺｎＳ製基板の裏面側にも反射防止膜が形成されているため、ＺｎＳ製基板を透過し、その裏面側から出て受光素子の方に向かう赤外線のＺｎＳ製基板の裏面での反射が防止される。このため、赤外線透過構造体の透過率が一層向上する。

請求項８に記載の発明は、前記の赤外線透過構造体であって、
波長７，６００〜１０，５００ｎｍの赤外線に対する透過率が８０％以上であることを特徴とする赤外線透過構造体である。

本請求項の発明においては、波長７，６００〜１０，５００ｎｍの範囲で透過率が８０％以上であり、７，３００〜１０，９００ｎｍの範囲で７０％以上であり、遠赤外線の低波長域を広くカバーできる優れた赤外線透過構造体となる。

請求項９に記載の発明は、
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の赤外線透過構造体を光学窓に使用していることを特徴とする赤外線センサーである。

本請求項の発明においては、透過率、耐剥離性、耐衝撃性に優れた赤外線透過構造体を光学窓に使用しているため、感度が優れ、さらに自動車や電車等に使用しても、表面に傷が生じ難く、赤外線透過構造体の各層の剥離も生じ難く、ひいては寿命が長く、信頼性が高い赤外線センサーとなる。
なおここに、「赤外線センサー」とは、赤外線を検知するセンサーである限り、赤外線測定器、赤外線探知器等の用途は問わない。

本発明により、優れた耐衝撃性を有し、しかも耐剥離性と透過率が優れた赤外線透過構造体、および、感度が優れ、さらに表面に傷が生じ難く、赤外線透過構造体の各層の剥離も生じ難く、ひいては寿命が長く、信頼性が高い赤外線センサーを提供することが可能となる。

以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態の赤外線透過構造体について、構造、各層の成膜方法、光学的性能、耐剥離性および耐衝撃性につき順に説明する。

（構造）
第１の実施の形態の赤外線透過構造体の断面を、図１に概念的に示す。図１において、１０はＤＬＣ層、３１は第１のＹ_２Ｏ_３層、３２は第２のＹ_２Ｏ_３層、３３は基板の裏面側のＹ_２Ｏ_３層、４１は基板の表面側のＹＦ_３層、４２は基板の裏面側のＹＦ_３層、５０はＺｎＳ製基板、６０はＭｇＦ_２層を示す。
図１に示す様に、この赤外線透過構造体は、ＺｎＳ製基板５０の表裏両面に多層からなる反射防止膜が形成されており、さらに表側の最外層（最上部の層）にはＤＬＣ層１０が形成されている。

（各層の成膜方法）
ＤＬＣ層は、スパッタリングにより成膜した。成膜温度は約１００℃であり、成膜時圧力は１．３×１０^−１Ｐａ以下である。
その他の各層は、いずれも真空蒸着により成膜した。成膜温度は約３５０〜３８０℃であり、成膜時圧力は、ＭｇＦ_２層が６．７×１０^−３Ｐａ以下であり、Ｙ_２Ｏ_３層とＹＦ_３層は２．７×１０^−３Ｐａ以下である。

成膜した各層の厚さは、ＤＬＣ層１０が３００ｎｍ、第１のＹ_２Ｏ_３層３１および第２のＹ_２Ｏ_３層３２は３０ｎｍ、基板の裏面側のＹ_２Ｏ_３層３３は８０ｎｍ、基板の表面側のＹＦ_３層４１は６００ｎｍ、基板の裏面側のＹＦ_３層４２は１，３００ｎｍ、ＭｇＦ_２層６０は４００ｎｍである。

（光学的性能）
図２に、第１の実施の形態のＤＬＣ層を有する赤外線透過構造体の、分光計で計測した赤外線領域における透過率の実測値を示す。図２より、５，０００〜１２，０００ｎｍの幅広い波長の領域に渡って７０％以上の透過率を有しており、波長６，０００〜１０，７００ｎｍの赤外線に対しては８０％以上の透過率となり、特に６，５００〜１０，０００ｎｍの領域の赤外線に対しては９０％以上の透過率となっており、非常に優れた透過性を有していることが判る。

（耐剥離性および耐衝撃性）
第１の実施の形態のＤＬＣ層を有する赤外線透過構造体について、恒温恒湿槽を用いて６０℃×９５％ＲＨ（相対湿度）による湿度試験を行なったが、１１３時間以上経過した時点でも膜に異常は見られず、優れた密着力を有していることが判明した。

（第２の実施の形態）
図３に、第２の実施の形態の赤外線透過構造体の断面を、概念的に示す。第２の実施の形態の赤外線透過構造体は、図３において符号２０を付したＧｅ層を有する他は、図１に示す第１の実施の形態の赤外線透過構造体と同じ構造である。

Ｇｅ層２０の成膜は、電子ビームを用いる真空蒸着で行なった。成膜温度は室温であり、成膜時圧力は０．２Ｐａであり、成膜したＧｅ層の厚さは、３０ｎｍである。また、他の層の成膜は、第１の実施の形態と同じである。

（試験結果）
Ｇｅ層は接着性に優れ、また衝撃緩和層の役割も担っているため、第２の実施の形態の赤外線透過構造体は、特に優れた耐剥離性と耐衝撃性を示した。
また、光学的性能は、Ｇｅ層の厚さが適切であるため、第１の実施の形態の赤外線透過構造体と同様に良好であった。

（第３の実施の形態）
本実施の形態は、ＺｎＳ製基板の表面に、第１層としてＡｌ_２Ｏ_３層を３０ｎｍに形成し、第２層としてＧｅ層を厚さ２４０ｎｍに形成し、第３層としてＤＬＣ層を厚さ１，３００ｎｍに形成したものである。なお、各層の形成方法は先の２つの実施の形態と同じである。

（試験結果）
紫外線および水による耐候性試験で３００時間経過した時点でも膜に異常は見られず、優れた密着性を有していることが判明した。
また、ＤＬＣ層が１，３００ｎｍと厚いため、耐衝撃性、耐磨耗性、耐久性は非常に優れていた。

さらに、第３の実施の形態の赤外線透過構造体の光学的性能試験を行った。その試験結果を図４に示す。
図４より、本実施の形態の赤外線透過構造体は、各層の材料の組合せと厚さが適切であるため、Ｇｅ層、ＤＬＣ層とも比較的厚いにもかかわらず、波長７，６００〜１０，５００ｎｍの範囲で透過率が８０％以上であり、７，３００〜１０，９００ｎｍの範囲で７０％以上であり、遠赤外線の低波長域を広くカバーできているのが判る。

（第４の実施の形態）
第１層としてＺｎＳ層を３０ｎｍに形成した以外は、第３の実施の形態と同様にして、赤外線透過構造体を得た。ＺｎＳ層は、真空蒸着で成膜し、成膜温度は約２００℃であり、成膜時圧力は、２．０×１０^−２Ｐａ以下である。

本実施の形態で得られた赤外線透過構造体は、第３の実施の形態で得られた赤外線透過構造体と同様に、優れた密着性を有し、耐衝撃性、耐磨耗性、耐久性に優れていた。

（第５の実施の形態）
第１層としてＹ_２Ｏ_３層を３０ｎｍに形成した以外は、第３の実施の形態と同様にして、赤外線透過構造体を得た。

本実施の形態で得られた赤外線透過構造体は、第３の実施の形態で得られた赤外線透過構造体と同様に、優れた密着性を有し、耐衝撃性、耐磨耗性、耐久性に優れていた。

本発明の第１の実施の形態の、ＤＬＣ層を有する赤外線透過構造体の断面を、概念的に示す図である。 本発明の第１の実施の形態のＤＬＣ層を有する赤外線透過構造体の、赤外線領域における透過率の実測値を示す図である。 本発明の第２実施の形態の、ＤＬＣ層の下方にＧｅ層を有する赤外線透過構造体の断面を、概念的に示す図である。 本発明の第３の実施の形態のＤＬＣ層を有する赤外線透過構造体の、赤外線領域における透過率の実測値を示す図である。

符号の説明

１０ ＤＬＣ層
２０ Ｇｅ層
３１ 第１のＹ_２Ｏ_３層
３２ 第２のＹ_２Ｏ_３層
３３ 基板の裏面側のＹ_２Ｏ_３層
４１ 基板の表面側のＹＦ_３層
４２ 基板の裏面側のＹＦ_３層
５０ ＺｎＳ製基板
６０ ＭｇＦ_２層

Claims (9)

1. ＺｎＳ製基板の表面側に、基板面から順に、第１のＹ_２Ｏ_３層、ＹＦ_３層、第２のＹ_２Ｏ_３層、ダイヤモンド状炭素層が積層されていることを特徴とする赤外線透過構造体。
2. 前記各層は、第１のＹ_２Ｏ_３層が１０〜２００ｎｍ、ＹＦ_３層が４００〜８００ｎｍ、第２のＹ_２Ｏ_３層が１０〜２００ｎｍ、ダイヤモンド状炭素層が１００〜５００ｎｍの厚さであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線透過構造体。
3. 前記第２のＹ_２Ｏ_３層とダイヤモンド状炭素層との間に、さらにＧｅ層が積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線透過構造体。
4. 前記ＺｎＳ製基板の裏面側に、基板面から順に、Ｙ_２Ｏ_３層、ＹＦ_３層、ＭｇＦ_２層が積層されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の赤外線透過構造体。
5. 波長６，０００〜１０，７００ｎｍの赤外線に対する透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の赤外線透過構造体。
6. ＺｎＳ製基板の表面側に、基板面から順に、１０〜２００ｎｍ厚さのＺｎＳ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３のいずれか１層、１００〜７５０ｎｍ厚さのＧｅ層、５００〜２，０００ｎｍ厚さのダイヤモンド状炭素層が積層されていることを特徴とする赤外線透過構造体。
7. 前記ＺｎＳ製基板の裏面側に、基板面から順に、Ｙ_２Ｏ_３層、ＹＦ_３層、ＭｇＦ_２層が積層されていることを特徴とする請求項６に記載の赤外線透過構造体。
8. 波長７，６００〜１０，５００ｎｍの赤外線に対する透過率が８０％以上であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の赤外線透過構造体。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の赤外線透過構造体を光学窓に使用していることを特徴とする赤外線センサー。

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