JP2003535807A

JP2003535807A - ガラスセラミック複合材

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Publication number: JP2003535807A
Application number: JP2002503668A
Authority: JP
Inventors: デービッドコンゾーン，サミュエル; ジェイザサードマーカー，アレキサンダー; ディーシンプソン，ロバート; エスハイデン，ジョセフ
Original assignee: Schott Glass Technologies Inc
Current assignee: Schott Glass Technologies Inc
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2003-12-02
Also published as: EP1296904A1; WO2001098225A1; AU2001273599A1; US20020192422A1; US6699341B2; US20040247826A1

Abstract

(57)【要約】シリケート液を使用する、ガラスセラミック表面を相互におよび／または他のタイプの表面へ接合する方法が開示される。製品は例えば、低温において鏡ブランクまたはマイクロリトグラフィーステージとして使用するのに適している。部品片は研摩され、そして次にシリケート含有接合液を使用して接合される。次に、接合液が各部品間の界面を形成する態様で組立てが実施される。低温もしくは少しの上昇温度の硬化期間の後、剛直な接合部が全体に形成され、そして複合材は寸法的に、振動的にそして温度的に安定であり、そして＞４０００ｐｓｉの引張りストレスに耐えることができる。室温硬化させた複合材は、ゆっくりした系統的温度上昇を使用して、接合部を脱水するために熱処理することができる。過剰乾燥した接合液が形成された接合部から剥げ落ちるのを防止するため、任意にシーリングコーティングを施すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【背景】

Ｉ．本発明の分野本発明は、ガラスセラミック複合構造および低温度接合プロセスを使用する複
合ガラスセラミック構造を形成する方法の分野に関する。

【０００２】 II．先行技術の説明結晶相とガラス相を有する無機非多孔性材料より一般的になるガラスセラミッ
クが特定化された応用のために知られている。そのようなガラスセラミックは、
適切な原料を選択し、融解し、清澄化し、均質化し、そして次に材料をガラスブ
ランクに熱成形することによって製造される。ガラスブランクを冷却しそして徐
冷した後、ガラスブランクが制御された体積結晶化（セラミック化）によってガ
ラスセラミックへ転換される熱処理が続く。セラミック化は２工程プロセスであ
り、１温度でガラス内に核が形成し、そして次に高い高度で成長する。ガラスセ
ラミックの二重構造は、非常に低い熱膨張係数を含む非常に特別の性質を与える
ことができる。

【０００３】一つの好ましい材料Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM（ＳｃｈｏｔｔＧｌａｓｓＴｅｃｈ
ｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｄｕｒｙａ，Ｄｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）は、高い石英構造
を持った約６５〜８０重量％の結晶相を含有し、これは負の線熱膨張を付与する
。残りのガラス相（これは結晶を囲む）は正の熱膨張を有する。負のＣＴＥ結晶
相と正のＣＴＥガスラ相からもたらされる挙動は、極めて低いＣＴＥを有する材
料である。

【０００４】ガラスセラミックは、天体望遠鏡、人工衛星のＸ線望遠鏡、彗星探査機の光学
要素、気象衛星およびマイクロリトグラフィーのための鏡基板、リングレーザー
ジャイロスコープのためのフレームおよび鏡、レーザー共振器中の距離ゲージ、
精密測定技術のスタンダードとしての測定ロッド、および非常に低いＣＴＥが重
要である他の用途のような、応範囲の応用において有用である。

【０００５】モノリシックガラスセラミックの大きいセグメントが上に掲げた用途の多数に
しばしば使用される。しかしながらモノリシックガラスセラミックのこれらの大
きいセグメントはしばしば非常に重い。例えば、大型の天体望遠鏡は３．６ｍを
こえる鏡を含むことがあり、そのような望遠鏡に使用するための適切なガラスセ
ラミックは数トンをこえ得る。このため、ガラスセラミックの大きいモノリシッ
クセグメントの重量性に関連する問題を克服するための軽量ガラスセラミック材
料を開発する必要性が存在する。

【０００６】例えば熱融着またはフリット接合のような光学的材料のための種々の接合方法
が知られているが、そのどれもが本発明によって提供されるような低温解決法を
提供しない。

【０００７】軽量ブランクを作成するための既知技術（例えば熱融着、フリット接合）はい
くつかの欠点を蒙る。例えば、高温度において強い接合を形成するためには熱と
圧力を典型的に必要とする。Ｔ＞６００℃における作業のためのローディング／
アンローディング固定具の開発は複雑であり、費用がかかる。さらに熱融着およ
びフリット接合プロセスは、出発材料（例えばガラス状Ｚｅｒｏｄｕｒ^TMまたは
ＵＬＥ）のひずみ点（Ｔｇ）近くもしくはその上で実施される。ガラスの粘度は
、限られた流れ（変形）が発生し得る程にこれらの温度において十分に低い。こ
の変形は、欠陥鏡ブランクを与え得る総寸法変化を生じさせ得る。

【０００８】加えて、厳格な耐熱性を持った大型の高温炉（直径２０ｍまで）が熱融合およ
びフリット接合のために必要である。そのような炉は注文生産であり、そしてし
ばしば非常に高価である。さらにガラス状Ｚｅｒｏｄｕｒ^TMはセラミック化の間
約３％収縮する。この収縮は接合の間鏡ブランクの変形および／または破壊的失
敗に導く接合ストレスを生じさせ得る。

【０００９】先行技術において遭遇する他の困難の一つは、軽量鏡ブランクが接合面におい
て熱的に透発されたストレスが生成された時（特に室温へ冷却の間）、高温度接
合の間失敗し得ることである。そのような接合失敗は鏡ブランクへ多大の価値が
付加された後（すなわち機械加工、研摩、水ジェット切断、アセンブリ、高温度
定着等）１００％失敗を招来する。

【００１０】段階的態様で作成された鏡ブランクの低温度接合を許容する、この問題の解決
法が必要である。

【００１１】

【本発明の概要】

本発明は、例えば複数（例えば２またはそれ以上）のガラスセラミック部品よ
りなり、前記ガラスセラミック部品の各自は各部品上に少なくとも一つの接合表
面を形成するように十分に研摩されている、軽量複合ガラスセラミック構造の低
温度製作方法に関し、該方法は、少なくとも一つの接合表面へシリケート含有接
合液を提供すること、接合を形成するように複数のガラスセラミック部品を合体
すること、そして環境温度において該接合が硬化することを許容し、前記複数の
ガラスセラミック部品間に硬化した接合が形成されることを含む。本発明はまた
、複数のガラスセラミック部品を含み、前記部品はガラスセラミック部品間のシ
リケート含有液を硬化することによって形成されたシリケート含有層によって剛
直に接続されているガラスセラミック複合材に関する。この複合材は好ましくは
注意深く制御された脱水プロセスによって脱水される。

【００１２】例えば、軽量複合ガラスセラミック構造の低温度製作方法は、各部品上に少なくとも一つの接合表面を形成するように各部品が研摩された複
数のガラスセラミック部品を準備し、少なくとも一つの接合表面へシリケート含有接合液を提供し、接合部を形成するように複数のガラスセラミック部品を合体し、接合部を少なくとも２０℃において少なくとも２０時間硬化することを許容し
、それにより前記複数のガラスセラミック部品間に硬化した接合部を形成し、そ
して硬化した接合部を温度をゆっくり上昇させ、そしてガラスセラミックのひずみ
温度以下の上昇温度に少なくとも２０時間維持することによって徐々に脱水する
ことを含む。

【００１３】本発明はまた、ガラスセラミック複合材に関し、該複合材は複数のガラスセラ
ミック部品よりなり、前記部品はガラスセラミック部品間のシリケート含有液を
少なくとも２０℃の温度において少なくとも２０時間硬化することによって形成
されたシリケート含有層によって剛直に接続されているガラスセラミック複合材
；シリケート含有液により接合され、そして少なくとも２０℃において硬化した
複数のガラスセラミック部品よりなる宇宙または飛行用途に使用するのに適した
鏡ブランク；シリケート含有液によって接合され、そして少なくとも２０℃において硬化し
た複数のガラスセラミック部品よりあるマイクロリトグラフィーステージとして
使用するのに適した複合ガラスセラミック構造；少なくとも一つの前記表面へシリケート含有溶液を適用し、そして室温より上
の僅かに上昇した温度において延長期間硬化することよりなる軽量複合ガラスセ
ラミック表面を接合する方法；および形状が円形であるフェースプレート，形状および寸法においてフェースプレートに相当するバックプレート，前記フェースプレートとバックプレートの間に配置され、格子構造を形成する
複数の支持エレメントよりなり、前記支持エレメント、フェースプレートおよびバックプレートは複数のセルを
形成し、前記セルは各自通気孔を備えるまたは環境へ開いており、前記フェースプレート、複数の支持エレメントおよびバックプレートは複数の
接合ステップにおいて複数の接合部を形成するようにシリケート含有液によって
接合されており、そして各ステップにおいて、該接合部は少なくとも２０℃にお
いて少なくとも２０時間の期間硬化されている軽量ガラスセラミック鏡ブランク
、に関する。

【００１４】本発明に従った軽量鏡ブランクは、軽量コアへ融着、接合または接着された薄
い（好ましくは＜５ｃｍ）のフェースおよびバックプレートを含むことができる
。図１Ａ，１Ｂ，１Ｃおよび１Ｄは軽量Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM鏡ブランクを含むこと
ができる別々の部品のいくつかを図示する。ここでの説明の多くは好ましいＺｅ
ｒｏｄｕｒ^TM材料および鏡ブランクの形であるが、どのような応用のためのどの
ようなガラスセラミック材料も本発明に含まれる。

【００１５】図１Ａに関し、フェースプレート１０およびバックプレート１４は、両面を研
摩した平坦もしくはカーブしたＺｅｒｏｄｕｒ^TMのシートであることができる。
軽量コアは研摩したハニカム形の部品であることができ、これはＺｅｒｏｄｕｒ^TM の中実スラブから水ジェット切削セグメントによって作成することができる。
これはまた、フェースおよびバックプレートを支持し、間隔を空けるように配置
した支持エレメント１２よりなることができる。

【００１６】組立ておよび融着後、軽量鏡ブランクはしばしば標準的（中実）Ｚｅｒｏｄｕ
ｒ^TMブランクの３０％、又は５もしくは１０％もしくはそれより低くできる全体
の質量／体積比を有する。

【００１７】図１Ｂは、支持エレメント１６および通気孔１８を含んでいる好ましい配置を
図示する頂面図である。

【００１８】図１Ｄは、対応するスロット２４，２５を使用する二つの支持エレメント２０
，２２を接続する好ましい方法を図示する。

【００１９】出願人は、低温度において複合材、特に軽量ガラスセラミック鏡ブランクおよ
びマイクロリトグラフィーステージを製作するための新規な方法を開発した。こ
こで使用する「低温度」とは、ガラスセラミックのひずみ温度より一般に下の温
度を意味する。５００℃より下の温度もっと好ましくは１４０℃以下、さらに好
ましくは１３０℃以下の温度が本発明の実施に対して適切であり、最も好ましく
は温度は≦１２０℃である。軽量ガラスセラミック鏡ブランクは、寸法安定性、
適切な強度および低い重量／体積比が最重要である用途のために意図される。そ
のような用途は、衛星、ナビゲーションシステムおよび遠隔感知のような宇宙飛
行、および空中ベース用途、陸上ベースシステム、およびマイクロリトグラフィ
ーステージのような精密構造を意図した光学システムを含むが、それらに限定さ
れない。

【００２０】本発明に従った軽量構造は、この構造が代替するガラスセラミックのモノリシ
ック片と比較する時、剛直でなければならない。「剛直」とは、ガラスセラミッ
クのモノリシック片と本質的に区別できないオプトメカニカルおよびサーモオプ
チカル特性を持つように、振動的、熱的および他のように寸法的に安定な、モノ
リシック片と本質的に同じ振動特性を持っていることを意味する。

【００２１】好ましい具体例においては、軽量鏡ブランクを段階的態様で製作することを許
容する低温度接合技術が提供される。

【００２２】好ましい具体例においては、研摩したフェースプレート、バックプレートおよ
び軽量コアがＺｅｒｏｄｕｒ^TMとして知られた商業的に入手し得るガラスセラミ
ックから製作される。

【００２３】研摩した部品は種々の水性または非水性溶液中で洗浄され、乾燥され、そして
クリーンルーム環境に置かれる。

【００２４】水系のシリケート含有接合液の少量が各部品の研摩した接合表面へ適用される
。次に接合液が各部品間（すなわちフェースプレートと軽量コアの間）の界面を
形成するように組立てが実施される。室温硬化のある期間の後、軽量鏡ブランク
全体に剛直な接合が形成され、これは引張り応力＞４０００ｐｓｉに耐える。さ
らに接合した鏡ブランクの寸法安定性は、純粋のモノリシックＺｅｒｏｄｕｒ^TM のそれ（すなわちブランクの熱膨張係数は＜７５ｐｐｂ／Ｋであり、接合によっ
て影響されず、そして代替されるモノリシックガラスセラミックと同じである）
に類似である。次にそのような室温硬化鏡ブランクは、好ましくは接合部脱水を
促進しそして硬化プロセスを加速するため、６０ないし１２０℃の範囲内の温度
へ加熱される。

【００２５】好ましい具体例においては、接合部は接合部を脱水するため僅かの温度上昇の
延長期間へ服される。延長期間にわたる接合部からの水の除去は、急速に脱水さ
れた（例えばマイクロウェーブによる）接合部の強度、信頼性および剛直性を上
廻る、本発明に従った構造の強度、信頼性および剛直性を劇的に増加する。延長
期間脱水の好ましい温度は２０〜５０℃で少なくとも２０時間、もっと好ましく
は３０〜４０℃で少なくとも２０時間から３週間までを含む。

【００２６】新規な低温接合方法からいくつかの利益が発生する。第１に、今や軽量鏡がピ
ース毎に構築でき、このため高温法に関連したリスクのいくつかが排除される。
高温プロセスの間全体の鏡ブランクは、炉取出しまで指示なしに加熱の間に変形
し、または冷却の間に破損することがあり得る。第２に、低温接合のためには約
１２０℃までの温度が可能の乾燥炉が必要である。そのような低温乾燥炉は商業
的に入手可能であり、そして高温炉よりかなり安価である。第３に、低温接合は
、ガラスセラミックスが弾力性固体であるＴｇより良く下の温度で実施されるの
で、材料の変形が発生しない。第４に、低温接合のために完全にセラミック化さ
れたガラスセラミックが利用される。これは、ガラスが熱融着の間ガラスセラミ
ックへ変換される時発生する収縮に関連した問題を排除する。第５に、低温接合
には典型的には圧力を必要としない。このように複雑な装入／取出し固定具を必
要としない。

【００２７】これらおよび他の利益は本開示を参照して当業者には明らかであろう。

【００２８】軽量鏡ブランクは、鏡ブランクを非常に高価にする時間および材料の実質的投
入を代表する。もし欠陥もしくは壊滅的失敗が高温接合プロセス（例えば熱融着
またはフリット接合）の間に発生したならば、全体の付加価値プロセスは損失で
あり、そしてプロセスを新規にスタートしなければならない。出願人は、大きい
軽量構造の部品組立てによる部品を提供し、そして低温度（すなわち典型的なア
ルカリアミノシリケートガラスのＴｇ以下＜５００℃）において実施し得る新規
な方法を開発した。

【００２９】本発明によって接合されるガラスセラミックは、最初に最終複合構造に製作さ
れるモノシリック片を選択することによって作製される。種々のエレメント、例
えば鏡部品のフェースプレート、バックプレートおよび構造接続が製作され、そ
して低い熱膨張を有する複合軽量構造が得られるような寸法とされる。

【００３０】例えば軽量鏡ブランクは、ここで使用されるように、機能的鏡を形成するよう
に反射コーティングをその上に適用することができる物理的構造である。鏡は、
典型的には遠隔感知が実施される飛行もしくは宇宙用途の間に使用される。地球
表面の一部分をイメージする衛星、または他の宇宙系観測プラットフォームはそ
のような鏡を使用する。高レベルの構造および熱的安定性が許容し得るイメージ
を得るために必要である。宇宙系用途は極端な温度へ曝されることがあり、これ
は極度の信頼できるそして堅牢な構造を必要とする。

【００３１】ガラスセラミックスは、温度動揺の間すぐれた安定性を示すのでそのような用
途のために適した材料である。一つのそのようなガラスセラミックはＺｅｒｏｄ
ｕｒ^TMであり、これは０〜５０℃から７５ｐｐｂ／Ｋより小さいＣＴＥのためす
ぐれた寸法安定性を有する。特に好ましい鏡ブランク材料の一例である。日本東
京都の日本製鋼製のガラスセラミックＮｅｘｃｅｒａを含むＳｉＯ₂含有ガラス
系、中国上海のＶＲＣｈｉｎａＸｉｎｈｕＦａｃｔｏｒｙで製造されたリ
チウムアルミノシリケートガラスセラミックであるＶＯ２もしくはＶ２Ｏ、ロシ
アモスクワのＬｙｔｋａｎｉｏによって製造されたリチウムアルミノシリケート
ガラスセラミックであるＣｌｅａｒｃｅｒａｍ，Ａｓｔｒｏ−Ｓｉｔａｌｌおよ
びＳｉｔａｌｌのような他のガラスセラミックスも本発明の実施に適している。

【００３２】通常モノシリック（すなわち中実）鏡がそれらの製造容易性、寸法安定性、お
よびすぐれた機械的強度のために精密オプチックスを製作するために利用される
。モノシリック鏡ブランクは接合部を持っていない単一片から製作され、そして
そのような鏡ブランクは通常重い構造である。例えば、直径１．５ｍおよび０．
２５ｍの厚みを有する標準的円筒形Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM鏡ブランクは、１，１００
ｋｇより大きい（すなわち２，４００ポンドより大きい質量）を持つであろう。
そのような重たい重量の打上げおよびオートメーションは、しばしば飛行または
宇宙系用途にガラスセラミック鏡ブランクの使用を阻止する。

【００３３】本発明は、部品のシリーズの組立てを可能にし、そしてモノシリック鏡ブラン
クの大きい質量に関連する欠点を克服することができる。好ましくは、薄い（好
ましくは５ｃｍ以下）フェースおよびバックプレートよりなる軽量鏡ブランクは
、図１に示した軽量コアへ取付けられる。これら３部品、すなわちフェースプレ
ート、バックプレートおよび軽量コアは、低温度において安定な、剛直な軽量鏡
ブランクを形成するように、本発明に従って接合される。

【００３４】図１を参照して、本発明に従った新規な軽量鏡ブランクが見られる。鏡ブラン
ク１０の外表面は、平坦、カーブした、凸面、凹面、または任意の幾何学的に所
望の形状であることができる。フェースおよびバックプレートは、厚みにおいて
好ましくは０．５ｃｍないし５ｃｍ，最も好ましくは約１〜３ｃｍ厚みである。

【００３５】フェースプレートの下（図１の斜視図から）には軽量コアを形成する支持エレ
メントの格子がある。これらエレメントの各自は、ユニットのための均等な熱膨
張を得るため、好ましくはやはりガラスセラミックである。支持エレメントは十
字ハッチ態様に整列に示されているが、しかし寸法安定性を提供する任意の適切
な配列が許容し得る。支持エレメントは、好ましくは過剰な重量なしで十分な安
定性のために設計される。エレメントは材料の質量をさらに減らすためその中に
ドリルされた隙間（例えば水切削もしくは機械的ドリルにより）を持つことがで
きる。支持エレメントの他の形状およびスタイルはこの開示を参照して当業者に
よって設計することができる。

【００３６】代りの具体例においては、軽量コアはモノリシックＺｅｒｏｄｕｒ^TMから水ジ
ェット切削、超音波ドリリング、レーザー切削、ダイヤモンドソードリリング等
によって形成される。

【００３７】そのような軽量鏡ブランクが仕上った時、全質量をモノシリック構造と比較す
る時、７０％またはそれ以上減らすことができ、高い耐久性が期待される空中も
しくは宇宙用途に完全に適した十分なＣＴＥおよび強度特性をなお保持する。

【００３８】適切な部品（フェースプレート、バックプレートおよび軽量コアを含む）は、
本発明の最大の利益を得るように選択されなければならない。例えば、大きい構
造に製作される複数の部品は以下のように選択されるであろう。

【００３９】殆ど同じＣＴＥを有するガラスセラミックの複数の部品が選択される。例示と
して、殆ど同一のＣＴＥを有するＺｅｒｏｄｕｒ^TMの３個のスラブ（すなわち各
自±２５ｐｐｂ／Ｋ以内）が製作される。この例においては３０ｃｍ鏡ブランク
が製作される。２個のスラブは直径３０ｃｍおよび厚み３ｃｍの各目寸法を有す
るであろう。これら２個のスラブは、本発明に従った軽量鏡ブランクのフェース
およびバックプレートを形成するであろう。第３のスラブはそれぞれ約３０ｃｍ
および４ｃｍの直径および厚みを有するであろう。この第３のスラブは軽量コア
を製作するために使用されるであろう。

【００４０】フェースおよびバックプレートを意図した２個のスラブは適当な厚みへ切削お
よび／または研削され、次に研摩される。接合を意図する表面は１／３λ（ピー
クから谷へ約２００ｎｍ）の表面形状に準備される。フェースおよびバックプレ
ートは平坦であっても良いが、他の幾何学的形状も可能である（すなわち、それ
らは凸面、凹面または他の適当な形状でも良い）。

【００４１】鏡ブランクの全重量を減らし、そして軽量コア内の各セルのための開口を提供
するため、複数の孔がバックプレートを通ってドリルされる。

【００４２】軽量コアを意図するスラブは、適当な厚みへ切削および研削され、次に研摩さ
れる。コアの両表面は１／３λ（ピークから谷へ約２００ｎｍ）の表面形状を持
つ。再びコアは平坦もしくは他の幾何学的形状であることができる（すなわち、
どちらかの側もアセンブリの間フェースおよびバックプレートと合致する表面を
提供するために適切であるように凸面、凹面または他の適当な形状であることが
できる）。

【００４３】コアは次に、コアの構造的完全性を減ずることなく過剰の材料を除去すること
によって重量減少される。例えば、それは水ジェット切削、またはガラスの中実
片をハニカム状構造へ変えるために使用できる切削技術における他の方法（すな
わちレーザー切削、超音波ドリリング、慣用の設備による切削およびドリリング
等）によってハニカム様形状に変えることができる。機械加工したコアは、以後
軽量コアと呼ばれるであろう。もし必要ならば、軽量コアの表面は重量減少ステ
ップにおいて発生した表面損傷を除去するため再仕上げされる。

【００４４】部品片が選択され、準備された後、この新規方法の次のステップは好ましくは
クリーニングを含む。各部品（フェースプレート，バックプレート，軽量コア）
は、もし必要ならば以下の操作を用いて同時にもしくは独立に清浄化される。

【００４５】最初に、部品はＭｉｃｒｏＳｏｌｕｔｉｏｎ１０ｖｏｌ％および脱イオ
ン水９０ｖｏｌ％よりなるクリーニング溶液中に約１０分間浸漬される。この溶
液は好ましくは攪拌、揺動、振動または強制循環によって攪拌される。次にクリ
ーニング溶液が除去され、部品は脱イオン水に約５分間浸漬される。次に部品は
Ｈ₂Ｏから取出され、ＫＯＨ水溶液（０．０１ないし９．０Ｍ）中に約５分間浸
漬される。その後部品はＫＯＨ水溶液から取出され、脱イオン水に約５分間浸漬
される。

【００４６】最後に各部品に高純度（低残渣）エタノールでリンスされ、次に高純度（低残
渣）メタノールでリンスされ、そしてクリーンルーム環境中へ輸送される。部品
をクリーンルームへ輸送後、好ましくは脱イオンＮ₂ガスが接合表面から残留メ
タノールを除去するために使用されるであろう。任意にほこりまたは粒子片を接
合表面から除去するためにＣＯ₂スノーガンが使用される。

【００４７】この時点においてすべての接合表面は化学的にクリーンであり、そして粒子状
破片を含まない。次にクリーンな乾燥部品は、それらの接合表面が粒子状もしく
は化学的汚染物源と接触しないようにして貯蔵される。

【００４８】一旦部品片が要求される程度まで研摩され、クリーニングされると、接合され
る表面は破片を含まず、そして図２から見られるように高濃度のシラノール（Ｓ
ｉＯＨ）を含むであろう。

【００４９】表Ｉに示した一般的酸化物組成物で例示的シリケート接合液が調製され、本発
明に従った低温接合に使用される。接合液は、典型的にはシラノール（Ｓｉ（Ｏ
Ｈ）₄）、アルカリ（Ｎａ⁺）および他の水性種（すなわちＨ₂Ｏ，Ｈ₃Ｏ⁺，
ＯＨ^-）を含有する。接合形成の理論に拘束されるものではないが、「コメント
」の下の注記は接合液中の種の官能性の理論的説明を与える。

【００５０】表Ｉ：接合液のための組成スペシス ─────────────────────────────────── 酸化物成分Ｗｔ％コメント ─────────────────────────────────── Ｈ₂Ｏ５０−９９．９Ｈ₂Ｏは溶剤であり、そして接合界面を横断して水素結合を形成することにより接合強度に貢献する。 ─────────────────────────────────── ＳｉＯ₂ ０．０１−４０液のＳｉＯ成分は主に接合剛直度（すなわち −Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−架橋）に責任がある。 ─────────────────────────────────── Ａl₂Ｏ₃ ０−１０Ａｌ₂Ｏ₃は生成した接合の化学的耐久性を増大し、そして界面区域をＺｅｒｏｄｕｒ（リチウムアルミノシリケートガラスセラミック）に一層化学的に類似にするために添加することができる。 ─────────────────────────────────── Ｌｉ₂Ｏ０−２０Ｌｉ⁺イオンはＬｉ⁺／ＮＢＯ（非架橋酸素，ＳｉＯ^-）結合の形成により接合強度へ貢献できる。 ─────────────────────────────────── Ｎａ₂Ｏ０−２０Ｎａ⁺イオンはＮａ⁺／ＮＢＯ結合の形成により接合強度へ貢献できる。 ─────────────────────────────────── Ｋ₂Ｏ０−２０Ｋ⁺イオンはＫ⁺／ＮＢＯ結合の形成により接合強度へ貢献できる。 ─────────────────────────────────── ＭｇＯ０−１０Ｍｇ⁺⁺イオンはＭｇ⁺⁺／ＮＢＯ結合の形成により接合強度へ貢献できる。 ─────────────────────────────────── ＣａＯ０−１０Ｃａ⁺⁺イオンはＣａ⁺⁺／ＮＢＯ結合の形成により接合強度へ貢献できる。 ─────────────────────────────────── ＢａＯ０−１０Ｂａ⁺⁺イオンはＢａ⁺⁺／ＮＢＯ結合の形成により接合強度へ貢献できる。 ─────────────────────────────────── ＳｒＯ０−１０Ｓｒ⁺⁺イオンはＳｒ⁺⁺／ＮＢＯ結合の形成により接合強度へ貢献できる。 ───────────────────────────────────

【００５１】他の適当な接合液はリチウムシリケート液、カリウムシリケート液、マグネシ
ウムシリケート液、カルシウムシリケート液、バリウムシリケート液、ストロン
チウムシリケート液、混合アルカリシリケート液、混合アルカリ／アルカリ土類
シリケート液、混合アルカリ土類シリケート液およびシリケート液を含み、液と
は水溶液をいう。

【００５２】接合は適切な液を図３に示すように二つのクリーン表面の間にサンドイッチす
ることによって開始される。接合液の少体積（好ましくは約０．５μｌ／ｃｍ² ）のみが強い接合に必要である。本開示を参照して当業者はもっと多いまたは少
ない体積を使用し得る。最小限は少なくとも０．０１μｌ／ｃｍ²であることが
好ましい。

【００５３】本発明の他の具体例においては、粉砕したもしくはフリット化したガラスセラ
ミックまたはガラス、例えばＺｅｒｏｄｕｒ^TMまたはシリカ含有ガラスもしくは
ガラスセラミックをもっと強い接合を形成し、接合界面における空隙を埋め、お
よび接合部脱水を促進するために接合液へ添加することができる。

【００５４】表Ｉに示した一般的組成を有する接合液がフェースおよびバックプレートを軽
量コアへ接合するために使用される。最初、好ましくは粒子状破片が濾過および
／または遠心を使用して接合液から除去される。軽量鏡ブランクを作成するため
に必要な二つの接合（フェースプレートを軽量コアへ、そしてバックプレートを
軽量コアへ）は、同時に作成することができるが、しかしそれらは好ましくは別
々に作成される。

【００５５】接合液は、接合を意図する一方もしくは両方の表面（すなわちフェースプレー
トの裏側と軽量コアの接合側）へ多数のコーティング技術のどれかによって適用
される。例えば、スピンコーティングを使用することができ、その場合は表面へ
過剰の接合液が適用され、次に大部分が高ＲＰＭスピニングによって除去される
。

【００５６】他の適用技術はディップコーティングであり、その場合は表面が適切な粘度の
接合液のバット中に浸漬され、次に接合液の適切な体積（少なくとも０．０１μ
ｌ／ｃｍ²）が残るのを確実にする適切なスピードで取出される。

【００５７】他の適当な方法は、接合表面の種々の点において接合液の液滴をピペットまた
は自動分配することである。接合時これらの液滴はひろがって接合液の適切な体
積を提供するであろう。本発明によって企図されるなお他の方法は、部品が接合
液のバット中に沈んでいる間に接合すること、すなわち鏡ブランクを沈んでいる
間に組立てることを含む。他の方法は、二つの部品を接触させ、接合液を横から
導入し、毛細管作用によって二つの表面の間を引かられることを許容することで
ある。毛細管力は液を界面区域中に引張り、そして接合が形成されるであろう。

【００５８】当業者はこの開示を参照して、例えば接着剤工業において液体を分配するため
に普通に使用されるどれかの自動化技術の使用を予見し得る。好ましくは具体例
においては、接合液の再現性ある体積が接合表面へ適用される。

【００５９】特に好ましい具体例においては、接合前の接合液の早期キュアリング（硬化）
は、接合を湿潤環境において実施することによって回避される。シリケート液は
乾燥大気下（≦３０％相対湿度）では急速に乾燥し、不完全な接合をもたらす残
渣を形成する。

【００６０】例えば、接合を低い相対湿度＜３０％ＲＨにおいて形成する時、以下の問題が
発生し得る。１）接合液の早期乾燥は厚い接合界面＞１ミクロンをもたらす。２）接合液の早期乾燥は接合部白濁を生じさせる。３）接合表面へ適用された接合液の液滴の縁のまわりの早期乾燥は接合界面に
おいてリング形欠陥を生じさせる。４）室温硬化後のデボンディング。５）３０℃ないし６００℃の範囲の温度における熱処理後のデボンディング。６）接合液の早期乾燥は接触させた時部品片の整列を不可能にする。７）上述の問題に遭遇することなしに接合前複雑な軽量構造の均等なコーティ
ングは不可能に近い。

【００６１】問題は接合液の体積を減らす（例えば０．５μｌ／ｃｍ²から０．０５μｌ／
ｃｍ²）につれて強化される。

【００６２】これらの問題を最小にし、そして欠陥を減らした強い接合を得るため、接合は
約３０％ＲＨないし約１００％ＲＨ，好ましくは約６０％ＲＨないし約１００％
ＲＨ，もっと好ましくは約７５％ＲＨないし約９５％ＲＨの範囲の制御された湿
度環境において実施されなければならない。特に好ましい条件は約８０％ＲＨで
ある。溶液適用と表面の接着接触すなわち接着の間の時間範囲は、適用直後から
適用後約１０分、好ましくは適用直後から適用後約５分、もっと好ましくは適用
直後から適用後約１分である。表面を溶液適用後できるだけ早く接触させるのが
特に好ましい。

【００６３】好ましい具体例においては、フェースプレートは整列装置を使用して軽量コア
と接触させられる。接合液は二つのクリーンな研摩した（例えば粗くもしくは密
に研摩した）表面間の界面を形成する。接合した部品は第２の接合を形成する前
に少なくとも１時間硬化することを許容しなければならない。

【００６４】第１の接合（フェースプレートを軽量コアへ）が少なくとも１時間硬化を許容
された後、次に接合液はバックプレートへ適用されるであろう。次にバッグプレ
ートは整列装置を使用して軽量コアの反対側に接触させられる。その時接合液は
ひろがって二つの部品間の界面を形成する。特に好ましい具体例においては、バ
ックプレート中の各孔は軽量コア中の各セル（空隙）と整列させられる。

【００６５】軽量コア中のセルとバックプレート中の孔の整列は軽量鏡内に空気が捕捉され
ないことを確実にする。捕捉された空気は、特に鏡ブランクが認知し得る温度動
揺が発生し得る用途に使用された時に問題になり得る。温度動揺は気密コンパー
トメント内の空気圧を変化させ、そして前方フェースプレートの表面形状に局部
的変動を生じさせ得る。そのような表面形状の変動は鏡の性能を損じ得る。

【００６６】以下の理論的説明に拘束されるのを望むものではないが、以下のメカニズムは
低温接合法による機械的に強力な低ＣＴＥ接合の発達を説明する。

【００６７】一旦液が二つの表面間にサンドイッチされた時、シラノール基がＨ₂Ｏを放出
（縮合）しながら−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−結合を形成するように結合する縮合反応（
式１）が始まる。

【００６８】 −Ｓｉ−ＯＨ＋ＯＨ−Ｓｉ → −Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ− ＋Ｈ₂Ｏ（１）

【００６９】 −Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−架橋が界面区域全体にひろがり、そして図３に示すように
最後は二つの接合表面を一体に結合する。生成した接合は水和したシリケート固
体よりなる。もし接合液のためにケイ酸ナトリウムが使用されたならば、これは
ケイ酸ナトリウム固体である。

【００７０】 −Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−結合は主に接合強度に責任があるものと信じられる。

【００７１】界面区域に存在するＨ₂Ｏ（すなわち縮合反応によって生成したものとそして
接合液中に当初から存在するもの）は、接合界面から蒸発し、接合材料中に拡散
し、または界面を横切って水素結合を形成することができるが、Ｈ₂Ｏは全体の
接合強度に貢献できるものと信じられる。最後に、Ｎａ⁺イオンは接合界面内の
非架橋酸素（ＮＢＯ）原子間の化学結合を形成することが期待される。

【００７２】 −Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−架橋、水素結合およびＮａ⁺／ＮＢＯ結合の結果は、典型
的には強度≧４０００ｐｓｉを有する剛直な結合である。

【００７３】室温硬化後界面区域に残っている残留Ｈ₂Ｏは、水素結合を提供することによ
って全体の接合強度へ貢献し得る。しかしながら、本発明の代替具体例において
は、接合は脱水される。もし例えば接合の最終用途が＞１００℃の温度における
安定性を要求するきであれば、Ｈ₂Ｏの除去は故障のリスクを減らすであろう。

【００７４】完全に接合された軽量鏡ブランクは、室温において少なくとも１日そして好ま
しくは７日間脱水が試みられる前に硬化することが許容されるであろう。

【００７５】本発明に従って接合を形成するためすべての脱水形が有効ではない。例えば、
Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM接合が室温にといて形成され、そして次に
マイクロウエーブ処理にかけられる時、一般に壊滅的失敗が発生する。壊滅的失
敗なしの脱水は、本発明に従った遅い制御された熱処理スケジュールを使用して
最良に達せられる。

【００７６】ガラスセラミックＺｅｒｏｄｕｒ^TMの小さいサンプル（３０×２０×１０ｍｍ
，接合表面１０×１０ｍｍ）を本発明に従って作成する時、これらの接合は手で
破壊できないほど十分に強力である。

【００７７】過剰の力を加える時、発生する破壊は必ずしも接合した表面で生起しない。小
さいＺｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TMサンプルを硬い表面上で衝撃を加える
ことによって破壊する時、破壊はしばしば接合界面のどちらかの側における材料
の引出しを発生させる。本発明に従って室温で形成したＺｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅ
ｒｏｄｕｒ^TM接合は、図４に示したまげ強度テスト結果から明らかなように、す
ぐれた強度特性を示す。室温硬化したＺｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM接合
は、９，０００ｐｓｉをこえることができる曲げ強度を有する。

【００７８】室温におけるＺｅｒｏｄｕｒ^TMの接合および硬化によって得られる大きい曲げ
強度（５，０００ないし１０，０００ｐｓｉ）は、宇宙用途（この場合Ｚｅｒｏ
ｄｕｒ^TMのための許容し得るストレスは７５０ｐｓｉ）に対して十分である。し
かしながら、そのような室温硬化接合の強度および安定性は温度勾配（＞１０Ｋ
／ｈ）によって悪影響を受ける。

【００７９】室温硬化したＺｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM接合の＞５０℃の温度への
急速加熱（すなわち接合を過剰のマイクロウェーブ照射へ服させる）は、しばし
ば壊滅的失敗を発生させる。この理論に拘束されることを望むものではないが、
接合界面における残存Ｈ₂ＯがＺｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM接合が急速
に加熱される時の強度劣化および失敗の受け易さに責任があるらしいと信じられ
る。

【００８０】室温硬化したＺｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM接合が＞１０Ｋ／ｈにおい
て温度＞５０℃へ加熱される時、水和した接合界面中のＨ₂Ｏの蒸気圧が増大す
る。この蒸気圧の上昇はバルクＺｅｒｏｄｕｒ^TM中へのＨ₂Ｏ拡散によって必ず
しも吸収することができない。以前に記載したように、Ｚｅｒｏｄｕｒ^TMは、シ
リカリッチガラスのマトリック中の約５０ｎｍのリチウムアルミノシリケート結
晶約７０ｗｔ％を含むガラスセラミックである。

【００８１】ガラスセラミックのための大部分の拡散モデルは、結晶相がＯＨ^-，Ｈ₃Ｏ⁺ またはＨ₂Ｏのような拡散種に対し不透過性であると推測する。このためＺｅｒ
ｏｄｕｒ^TMの結晶性格がバルク中へのＨ₂Ｏ拡散を多分ブロックし、水和した接
合界面からＨ₂Ｏが逃げるただ一つの道はサンプルの縁への表面拡散によるもの
と信じられる。図６を見よ。一旦Ｈ₂Ｏが接合の縁へ達すれば、それは蒸発によ
って容易に除去できる。

【００８２】Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM接合が急速に加熱され、そして接合界面
内の蒸気圧がＨ₂Ｏ表面拡散によって相殺されない時、界面損傷または結合失敗
が発生し得る。界面損傷は、一般に接合界面に生成する小さい（１ｍｍ）泡の形
において明瞭である。そのような損傷は、Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM 接合を炉またはオーブン中で≧５Ｋ／ｈにおいて加熱する時通常発生する。十分
に速い加熱（すなわち室温硬化したＺｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM接合を
市販のマイクロウェーブオーブン中でマイクロウェーブ照射へかける）する時、
接合が単にとび離れるように壊滅的失敗をしばしば引き起こす。

【００８３】室温で硬化したガラスセラミックおよびＺｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM 接合を脱水するための新規な遅いそして系統的加熱技術が開発された。この熱処
理スケジュールは表IIに示されている。この熱処理スケジュールは、Ｈ₂Ｏ表面
拡散のための平均自由通路が好ましくは１２．５ｍｍ以下の場合に接合脱水に適
している。この例示的処理スケジュールは好ましいスケジュールであるが、もっ
と遅い処理も可能であり、そして異なるタイプの接合に対して好適であり得る。
そのような処理計画は本開示を参照して当業者によって容易に開発することがで
きる。

【００８４】表II. ２５×２５ｍｍ接合部の脱水のための好ましい熱処理スケジュール ─────────────────────────────────── ステップ勾配率（Ｋ／ｈ）温度保持（ｈ）１０．００１−２４０１０−４０２０．００１−３５０１５−１６３０．００１−３６０２０−８０４０．００１−３７０２０５０．００１−３８０２０６０．００１−３９０２０７０．００１−３１００２０８０．００１−３１２０２０ ───────────────────────────────────

【００８５】熱処理したＺｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TMおよび他のガラスセラミック
接合の強度は、室温で硬化したそれよりも僅かに低くなり得る（図４）。これは
多分接合界面における水素結合の不足によるものである（Ｈ₂Ｏが蒸発によって
除去されるため）。しかしながらそのような熱処理された接合の強度および寸法
安定性は、軽量鏡ブランク用途および少なくとも７５０ｐｓｉ強度を必要とする
他の用途に使用するために十分以上である。図４は、６０から１２０℃への熱処
理にもかかわらず、Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM接合の曲げ強度はＺｅ
ｒｏｄｕｒ^TMのための許容できるストレスよりも常に少なくとも５倍大きいこと
を示している。さらに、寸法安定性は、Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM接
合のＣＴＥは、図５に示すようにモノリシックＺｅｒｏｄｕｒ^TMスラブの平均Ｃ
ＴＥ（すなわち−２６±１０ｐｂ／Ｋ）から統計学的に異ならなかったので、１
２０℃までの熱処理によって影響されたように見えない。

【００８６】１２０℃より上の温度における熱処理は、Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM−Ｚｅｒｏｄｕｒ^TM 接合の強度をさらに増大し得る。二つのＺｅｒｏｄｕｒ^TMセクションを一体に
接合する界面接合は、本質的にゾル−ゲル誘導材料である（すなわち、ケイ酸ナ
トリウム液（ゾル）が硬化によって剛直な界面区域（ゲル）へ変換される）。ケ
イ酸ナトリウム液から誘導されるゾル−ゲル材料は、密度および強度を増大させ
るため６００℃をこえる温度で熱処理することができる。しかしながら低温接合
法の主な目標は、可能な限り過剰な熱処理を避けることである。

【００８７】なお他の好ましい具体例においては、そのような接合した部品は、接合が硬化
された後乾燥した接合液の損失を防止するためポリマーコーティングで上塗りさ
れることができる。多数の用途において、剥げ落ちたほこりのような粒子状破片
の回避は高度に望ましく、そしてポリマーまたは他のシーラントコーティングが
好ましい。

【００８８】以上の議論は二以上のガラスセラミック構造の接合の形を枠にしているが、ガ
ラスセラミック表面を上で議論した同じ操作および配慮を使用して他のタイプの
表面へ接合することが可能である。同じシリケート接合液および配慮を使用して
ガラスセラミック表面へ接合できる適当な他の表面は、ガラス、金属、金属合金
、結晶、ポリマー等の性格の表面を含む。典型的には、ある表面は、それが結合
液の成分と反応し、両表面へ結合を形成する表面反応基、例えば−Ｏ−，−Ｎ−
，−Ｃ−含有，−Ｐ−等の結合を介して接合液中のケイ素原子とのＳｉ−結合の
形成を許容する基、例えば表面ＯＨ，ＮＨ₂，ＰＯ₄等の基、または例えば−Ｏ
−もしくは−Ｐ−原子等を含む炭素含有基を有する限り、本発明に従ってガラス
セラミック表面へ接合することができる。適切なそのような表面は、例えば以下
のものを含む。

【００８９】 −ＳｉＯ₂（ガラス，非晶質） −石英 −Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム，結晶） −多成分シリケートガラス −ＢＫ−７ −ＵＬＥ，Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ．ＣｏｒｎｉｎｇＮｅｗＹｏｒｋによって製造されるチタニウムシリケートガラス −アンチモンシリケートガラス −任意にＳｉＯ₂の薄い層でコートされた低膨張金属合金（例えばＩｎｖａｒ） −ゲルマニウムガラス −テルルガラス −ボロシリケートガラス

【００９０】このようにガラス基材が使用される時、それは好ましくは多成分酸化物ガラス
、非酸化物ガラス、または混合酸化物ガラスである。好ましい多成分酸化物ガラ
スは、シリケート、ボレート、ゲルマネート、テルライド、ホスフェートまたは
アルミネートガラスを含む。好ましい非酸化物ガラスは、カルコゲナイド、フッ
化物、重金属フッ化物（例えばＢＢＬＡＮ^TM）または硫化物（例えばＡｓ₂Ｓ₃ ）ガラスである。好ましい混合酸化物／フッ化物ガラスはフルオロホスフェート
ガラスである。結晶性材料が使用される時は、単独の結晶性材料、例えばＬｉＮ
ｂＯ₃のような非半導体材料、ＣａＦ₂もしくはＬｉＦのようなフッ化物、Ｎａ
ＣｌもしくはＡｇＣｌのような塩化物、ＫＩのような沃加物、ＡｇＢｒのような
臭化物、またはサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）のような酸化物が好ましい。代って、
単独の結晶性材料はＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｉ，Ｓｉもし
くはＧｅのような半導体材料でも良い。

【００９１】ガラスセラミック以外の表面への接合のため、上で論じた熱処理の速度は非ガ
ラスセラミックの性格に従って修飾することができる。例えば、シリカのような
ガラスおよび接合界面から水がそれを通って逃げることができる開いたネットワ
ークを持っているか、または吸湿性である材料（例えばホスフェートレーザーガ
ラス）に対しては、上で述べた５°Ｋ／ｈの平均値より高い速度、含まれる材料
に応じて例えば６，７，８，１０°Ｋ／ｈ等を適用することができる。日常的な
実験が容易に適当な値を決定するであろう。

【００９２】さらに、非ガラスセラミック材料の性格は加熱温度に直接影響するであろう。
ガラスを接合する時、最高温度は接合される材料の最も低いひずみ点をこえては
ならない。同様に、最高温度は接合した材料の性質に悪影響する値をこえてはな
らない。例えば、ある材料が他のものより低いＣＴＥを持っている時は、一つ以
上の接合表面を破裂させもしくは許容できないほどストレスを加える温度が避け
られることを確実にする日常的な注意が取られるであろう。

【００９３】上記は主として鏡表面を論じているが、実質上任意の種類の装置、例えばエタ
ロン、真空チャンバー、低膨張構造一般等が本発明の表面接合から利益を受ける
ことができる。

【００９４】さらに考究することなく、当業者は以上の説明を利用して、本発明をその全範
囲において利用できるものと信じられる。それ故以下の特定具体例は、単に例証
であり、どのような態様でも本開示の残部の限定ではないと考えるべきである。

【００９５】上記および以下の実施例において、すべての温度は未補正の摂氏で述べられ、
そして特記しない限りすべての部およびパーセントは重量による。

【００９６】上で引用したすべての出願、特許および発表と、そして２０００年６月２０日
に出願された米国出願Ｎｏ．０９／５９７，１５７の全体の開示は参照としてこ
こに取入れられる。

【００９７】

【実施例】

実施例１６０×２５×２５ｍｍの適切な寸法を有するＺｅｒｏｄｕｒサンプルがすべて
の接合実験に使用された。各サンプルの２５×２５ｍｍフェースの一つが少なく
とも１／３λの表面形状（ピークから谷まで２００ｎｍ，この表面は接合表面と
呼ばれるであろう）に研摩され、他の２５×２５ｍｍフェースは単に透明仕上げ
へ研摩された。

【００９８】接合表面が種々の溶液を使用してクリーニングされた。第１に、サンプルは１
０：９０の体積比のＭｉｃｒｏＣｌｅａｎｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎと脱イオ
ン水で超音波クリーニングされた。サンプルは、次に３０ＭＫＯＨ水溶液で超
音波クリーニングされる前に、脱イオンＨ₂Ｏでリンスされた。ＫＯＨ水溶液で
クリーニング後、サンプルは脱イオンＨ₂Ｏと、エタノールおよびメタノールで
、脱イオンＮ₂ガスで乾燥前にリンスされた。クリーンなサンプルは、接合が実
施されるまでクリーンな、ほこりなしの囲み中に置かれた。

【００９９】Ｚｅｒｏｄｕｒサンプルは、低温接合方法を使用して接合された。低温接合方
法により接合部を形成する時、ケイ酸ナトリウム液が二つのクリーンな研摩した
接合表面間にサンドイッチされる。液が硬化し、二つの接合表面の剛直な界面を
形成する時、機械的に強力な接合部が形成される。

【０１００】強度評価のため行われたすべてのＺｅｒｏｄｕｒ−Ｚｅｒｏｄｕｒ接合実験の
ために、ＳｉＯ₂約１５ｗｔ％およびＮａ₂Ｏ約６ｗｔ％を含んでいるケイ酸ナ
トリウム液が使用された。接合液は市販のケイ酸ナトリウム液を脱イオン水で希
釈することによって調製された。希釈後得られた液は０．２μｍフィルターで濾
過され、その後残りの粒子状破片を分離しそして除去するため遠心が使用された
。遠心したケイ酸ナトリウム接合液の３μｌ液滴がピペットを用いてＺｅｒｏｄ
ｕｒサンプルの接合表面へ適用された。第２の接合表面が次に３μｌ液滴の上に
重ねられ、二つのＺｅｒｏｄｕｒ表面間に拡大およびサンドイッチされた。接合
実験のすべてはクリーンなほこりのない囲みの中で実施された。

【０１０１】接合部アセンブリ（ケイ酸ナトリウム液で接合した２個の６０×２５×２５ｍ
ｍサンプル）は室温（１５ないし３０℃）において少なくとも７日間硬化が許容
された。いくつかのアセンブリは６０ないし１２０℃の範囲の温度で熱処理され
た。曲げサンプルは室温硬化および熱処理アセンブリから図７に示すように機械
加工された。

【０１０２】機械加工の間、サンプルが上昇温度（２５０℃）または腐食性液体（すなわち
酸系ピッチ除去剤）へ服されることがないように注意が取られた。目標は、接合
部アセンブリからサンプルを接合部強度に悪影響することなく機械加工すること
であった。得られた曲げサンプルは、ＡＳＴＭ標準Ｃ１１６１−９４“Ｓｔａｎ
ｄａｒｄＴｅｓｔＭｅｔｈｏｄｆｏｒＦｌｅｘｕｒａｌＳｔｒｅｎｇ
ｔｈｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＣｅｒａｍｉｃｓａｔＡｍｂｉｅｎｔＴ
ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ”に従い、通常３×４×４５ｍｍであった。曲げ標本の４
×４５ｍｍフェースは、曲げ強度試験を行う前に、２０μｍＡｌ₂Ｏ₃研摩媒体
で研摩された。

【０１０３】曲げ強度試験はＡＳＴＭ標準Ｃ１１６１−９４に従って実施された。曲げ強度
は、室温で硬化したものと、そして６０，９０または１２０℃で２０時間熱処理
したＺｅｒｏｄｕｒ−Ｚｅｒｏｄｕｒ接合部について測定された。曲げ強度は比
較目的のためモノリシックＺｅｒｏｄｕｒについても測定された（モノシリック
Ｚｅｒｏｄｕｒ曲げ表面もやはり２０μｍＡｌ₂Ｏ₃研摩媒体で調整されたこと
に注意）。

【０１０４】曲げ強度試験からの結果は図４に示されている。Ｚｅｒｏｄｕｒ−Ｚｅｒｏｄ
ｕｒ接合部の平均曲げ強度は、熱処理温度に関係なく５，０００ｐｓｉより大き
かった。しかしながらＺｅｒｏｄｕｒ−Ｚｅｒｏｄｕｒ接合部は、＞１３，００
０ｐｓｉの平均曲げ強度を有していたモノリシックＺｅｒｏｄｕｒサンプルより
も低い曲げ強度を常に与えた。５，０００ｐｓｉの曲げ強度は許容し得る作業ス
トレス（７５０ｐｓｉ）よりも６倍以上であり、そしてＺｅｒｏｄｕｒに対する
究極取扱いストレス（１，５００ｐｓｉ）よりも３倍以上大きい。このように低
温接合方法によって調製され、そして６０ないし１２０℃の範囲の温度で熱処理
されたＺｅｒｏｄｕｒ−Ｚｅｒｏｄｕｒ接合部は、軽量Ｚｅｒｏｄｕｒ鏡ブラン
クの使用のために適切に強力であることが期待される。

【０１０５】実施例２本発明に従って接合した部品のＣＴＥは、最も好ましくはモノリシックガラス
セラミック材料のそれと同じである。接合部誘発ＣＴＥ変動の最小化または排除
は、鏡ブランクが遠隔感知のような用途に使用される時の寸法安定性を確実にす
る。

【０１０６】複合ガラスセラミック接合部がモノリシックガラスセラミックと同じＣＴＥを
有するかどうかを決定するための試験が実施された。ＣＴＥ評価を意図したすべ
てのサンプルはＺｅｒｏｄｕｒの同じスラブ（メルトＮｏ．Ｆ−９８３１）から
得た。スラブのＣＴＥの固有変動は３位置においてＣＴＥを測定することによっ
て決定された。ＣＴＥの３つの値は、−３３，−２５および−２０ｐｐｂ／Ｋで
あった（ここで報告した各ＣＴＥは０から５０℃で測定した平均値である）。０
ないし５０℃の温度範囲におけるＣＴＥの典型的測定精度は±５ｐｐｂ／Ｋであ
ることに注目せよ。それ故、０ないし５０℃についてＺｅｒｏｄｕｒスラブ（メ
ルトＮｏ．Ｆ−９８３１）の平均ＣＴＥは−２６±１０ｐｐｂ／Ｋであった。

【０１０７】６０×２５×２５ｍｍの名目寸法のサンプルがＣＴＥ評価のためのＺｅｒｏｄ
ｕｒ−Ｚｅｒｏｄｕｒ接合アセンブリを調製するために使用された。これらサン
プルはクリーニングされ、機械的強度セクション（上述）に記載した同じ操作を
用いて接合された。２個のＺｅｒｏｄｕｒ−Ｚｅｒｏｄｕｒ接合アセンブリがＣ
ＴＥ評価のために作製され、そして室温で少なくとも７日間硬化が許容された。
２個の接合アセンブリの各自から、図８に示すように、ＣＴＥロッド（６ｍｍ直
径）がコアドリルされた。

【０１０８】第１のロッドのＣＴＥは６０，１００および１２０℃における熱処理の前と後
で測定され、第２のロッドのＣＴＥは６０，９０および１２０℃における２０時
間熱処理の前と後で測定された。図４は、Ｚｅｒｏｄｕｒスラブ（メルトＮｏ．
Ｆ−９８３１）の平均ＣＴＥを有する接合したＣＴＥロッドの各自から集めたＣ
ＴＥデータを比較する。すべてのＣＴＥデータはＺｅｒｏｄｕｒスラブについて
測定した平均ＣＴＥの１０ｐｐｂ／Ｋ以内であることに注目せよ。このように、
低温接合方法はＣＴＥに影響せず、そして本発明に従った方法が軽量Ｚｅｒｏｄ
ｕｒ鏡ブランクを製作するために使用される時、著しくすぐれたそして安定な複
合構造が形成される。

【０１０９】実施例３シリケート含有液が接着前早期乾燥することを防止するための一般的操作の一
つは以下のとおりである。

【０１１０】Ｚｅｒｏｄｕｒ片間の強力な接着は、環境温度において湿度コントロール（±
２％相対湿度）を有するクラス１００クリーンボックス中でつくられた。一実験
においては、研摩したフェースプレートおよび研摩したバックプレートは、図１
Ｄに示したように、スロットで組立てた格子状２部分研摩リブ構造へ接合された
。第２の実験においては、水ジェットカットした軽量コアが研摩したフェースプ
レートおよび研摩したバックプレートへ接合された。コアの接合表面は粗く研摩
された。フェースプレートは、図１Ｂに示すように、接合部の脱水を許容するた
め４個の通気孔を持っていた。第３の実験においては、３×４×４ｍｍ平行パイ
プが４×４５ｍｍ細研摩側において研摩したプレートへ接合された。相対湿度は
環境温度において２５〜９０％ＲＨ変化させた。溶液適用と接合の間の時間も適
用直後から適用後１０分まで変化させた。

【０１１１】ＲＨ値３０％およびそれ以上において、接合は優秀であり、すなわち３０％よ
り低いＲＨにおいては接合は欠陥を有していた。

【０１１２】以上の実施例は、一般的もしくは特定的に記載した本発明の反応剤および／ま
たは作業条件を以上の実施例に用いたものに代えることによって類似の成功度を
もってくり返すことができる。

【０１１３】以上の説明から、当業者は本発明の必須の特徴を容易に確かめることができ、
そしてその精神および範囲を逸脱することなく、種々の使用および条件に適応す
るように本発明の種々の変更および修飾をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明に従った軽量鏡ブランクの好ましい具体例の斜視図である。

【図１Ｂ】本発明に従った軽量鏡ブランクの好ましい具体例の平面図である。

【図１Ｃ】本発明に従った軽量鏡ブランクの好ましい具体例の側面図である。

【図１Ｄ】本発明に従った軽量鏡ブランクの好ましい具体例の支持エレメント
の斜視図である。

【図２】本発明に従った接合のために適したガラスセラミック材料の表面の分
子構造の図解表示である。

【図３】本発明に従った接合したガラスセラミック材料の分子構造の図解表示
である。

【図４】種々の接合したＺｅｒｏｄｕｒ部品と比較したモノシリックＺｅｒｏ
ｄｕｒの平均曲げ強度のグラフ表示である。

【図５】接合したＺｅｒｏｄｕｒの平均ＣＴＥのグラフ表示である。

【図６】バルクＺｅｒｏｄｕｒブロック間に蓄積した蒸気圧の図解表示である
。

【図７】接合した曲げサンプルの斜視図である。

【図８】接合したＣＴＥロッドの斜視図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＣ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者マーカー，アレキサンダージェイザサードアメリカ合衆国18444、ペンシルベニア、スプリングブルックタウンシップ、ボックス7176、ＲＲ７ (72)発明者シンプソン，ロバートディーアメリカ合衆国18512、ペンシルベニア、ダンモア、ウイルソンストリート215 (72)発明者ハイデン，ジョセフエスアメリカ合衆国18411、ペンシルベニア、クラークスサミット、フォックスランサークル107 Ｆターム(参考） 4G061 AA02 AA14 BA03 BA11 BA12 CA02 CA03 CB04 CB12 CC02 CD02 CD03 CD05 CD06 CD08 CD10 CD12 CD16 DA23 DA29 DA30 DA43 【要約の続き】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各部品が各部品上に少なくとも一つの接合表面を形成するように研摩された複
数のガラスセラミック部品を用意し；少なくとも一つの接合表面へシリケート含有接合液を提供し；複数のガラスセラミック部品の接合表面を接合部に形成するように合体し；接合部を少なくとも２０℃の温度において少なくとも２０時間の期間硬化する
ことを許容し、それにより前記複数のガラスセラミック部品間に硬化した接合部
を形成し；そして硬化した接合部を温度をゆっくり上げ、そしてガラスセラミックのひずみ点よ
り下の上昇温度を少なくとも２０時間維持することによって脱水すること；を含んでいる軽量複合ガラスセラミック構造物の低温製作方法。
【請求項２】前記脱水ステップは、加速したＨ₂Ｏ蒸発から接合部へ損傷を与えることなく
接合部の脱水を許容する速度において温度を徐々に上げることを含む請求項１の
方法。
【請求項３】ガラスセラミック部品はＺｅｒｏｄｕｔ^TM部分である請求項１の方法。
【請求項４】ガラスセラミック部品はリチウムアルミノシリケートガラスを部分的にセラミ
ック化することによって調製された低膨張材料を含んでいる請求項１の方法。
【請求項５】ガラスセラミック部品はＮｅｘｃｅｒａ（登録商標），Ｃｌｅａｒｃｅｒａｍ
（登録商標），ＶＯ２，ＡｓｔｒｏｓｉｔａｌｌおよびＳｉｔａｌｌよりなる群
から選ばれた材料を含んでいる請求項１の方法。
【請求項６】シリケート含有接合液は、リチウムシリケート含有液またはナトリウムシリケ
ート含有液である請求項１の方法。
【請求項７】シリケート含有接合液は、アルカリシリケート、アルカリ土類シリケート、混
合アルカリシリケート、混合アルカリ土類シリケート、または混合アルカリ／ア
ルカリ土類シリケート液である請求項１の方法。
【請求項８】温度を徐々に上げるステップは、３°Ｋ／ｈより低いもしくは等しい速度にお
いて温度を上げることを含む請求項２の方法。
【請求項９】温度は周期的に安定化され、そして保持される請求項８の方法。
【請求項１０】温度は５ないし２０℃の間隔で安定化され、そして少なくとも１０時間保持さ
れる請求項９の方法。
【請求項１１】温度は約１０℃の間隔で安定化され、そして約２０時間保持される請求項１０
の方法。
【請求項１２】部品は、中空の軽量部品を有する少なくとも一つの部品を含んでいる請求項１
の方法。
【請求項１３】部品は軽量コアのセグメントを含んでいる請求項１の方法。
【請求項１４】部品は鏡ブランクを含んでいる請求項１の方法。
【請求項１５】前記時間は少なくとも１時間である請求項１の方法。
【請求項１６】前記時間は少なくとも１日である請求項１の方法。
【請求項１７】前記時間は少なくとも１週間である請求項１の方法。
【請求項１８】シリケート含有液を提供するステップは、少なくとも０．０１μｌ／ｃｍ²の
量においてシリケート含有液を適用することを含んでいる請求項１の方法。
【請求項１９】前記温度は６０ないし６００℃である請求項２の方法。
【請求項２０】前記温度は１２０℃より下である請求項１９の方法。
【請求項２１】複数のガラスセラミック部品が、ガラスセラミック部品の間のシリケート含有
液を少なくとも２０℃の温度で少なくとも２０時間硬化させることによって形成
されたシリケート含有層により剛直に接続されている該複数のガラスセラミック
部品を含んでいるガラスセラミック複合材。
【請求項２２】硬化したシリケート含有層は６００℃またはそれより下の温度で脱水される請
求項２１のガラスセラミック複合材。
【請求項２３】硬化したシリケート含有層は１２０℃またはそれより下の温度で脱水される請
求項２１のガラスセラミック複合材。
【請求項２４】複数のガラスセラミック部品はＺｅｒｏｄｕｒ（登録商標）部品よりなる請求
項２１のガラスセラミック複合材。
【請求項２５】複数のガラスセラミック部品はリチウムアルミノシリケートガラスを部品的に
セラミック化して調製されたガラスセラミック材料よりなる請求項２１のガラス
セラミック複合材。
【請求項２６】複数のガラスセラミック部品はＮｅｘｃｅｒａ，Ｃｌｅａｒｃｅｒａｍ，ＶＯ
２，ＡｓｔｒｏｓｉｔａｌおよびＳｉｔａｌｌよりなる群から選ばれた材料を含
んでいる請求項２１のガラスセラミック複合材。
【請求項２７】少なくとも一つのガラスセラミック部品は中空空間を含んでいる請求項２１の
ガラスセラミック複合材。
【請求項２８】少なくとも一つのガラスセラミック部品は鏡ブランクよりなる請求項２１のガ
ラスセラミック複合材。
【請求項２９】ガラスセラミックの別々のセグメントを組立てることによって軽量セクション
が製作される請求項２１のガラスセラミック複合材。
【請求項３０】剛直な接続は使用の間少なくとも７５０ｐｓｉの引張りストレスに耐えること
ができる請求項２１のガラスセラミック複合材。
【請求項３１】シリケート含有液によって接合され、そして少なくとも２０℃の温度において
硬化された複数のガラスセラミック部品よりなる、宇宙または飛行用途に使用す
るための鏡ブランク。
【請求項３２】鏡ブランクはフェースプレート、バックプレートおよび少なくとも一つの支持
エレメントから形成されている請求項３１の鏡ブランク。
【請求項３３】複数の支持エレメントが存在する請求項３２の鏡ブランク。
【請求項３４】複数の支持エレメントは十字交差した垂直壁を含み、該垂直壁は格子を形成す
るためのスロットを備えている請求項３３の鏡ブランク。
【請求項３５】各格子開口はセルを形成し、該セルは通気孔を備えているか、または周囲の環
境へ開いている請求項３４の鏡ブランク。
【請求項３６】シリケート含有液によって接合され、そして少なくとも２０℃の温度において
硬化された複数のガラスセラミック部品よりなる、マイクロリトグラフィーステ
ージとして使用するのに適した複合ガラスセラミック構造物。
【請求項３７】軽量複合ガラスセラミック表面を接合する方法であって、少なくとも一つの前
記表面へシリケート含有溶液を適用し、そして室温より上の僅かな上昇温度にお
いて延長した期間硬化させることを含む方法。
【請求項３８】前記温度は３０ないし５０℃であり、そして前記延長期間は少なくとも２０時
間である請求項３７の方法。
【請求項３９】前記シリケート含有層は、重量％で、Ｈ₂Ｏ５０−９９．９ＳｉＯ₂ ０．０１−４０Ａｌ₂Ｏ₃ ０−１０Ｌｉ₂Ｏ０−２０Ｎａ₂Ｏ０−２０Ｋ₂Ｏ０−２５ＭｇＯ０−１０ＣａＯ０−１０ＢａＯ０−１０Ｓｒｏ０−１０を含んでいる請求項２１のガラスセラミック複合材。
【請求項４０】形状が円形であるフェースプレート；形状および寸法においてフェースプレートに対応するバックプレート；前記フェースプレートとバックプレートの間に配置され、そして格子を形成し
ている複数の支持エレメントよりなり；前記格子、フェースプレートおよびバックプレートは複数のセルを区画し；前記セルの各自は通気孔を備えるか、または環境へ開いており；前記フェースプレートと、複数の支持エレメントと、そしてバックプレートは
、複数の接合部を形成するための複数の接合ステップにおいてシリケート含有液
によって接合されており、そして各ステップにおいて、接合部は少なくとも２０
℃の温度において少なくとも２０時間硬化されている、軽量ガラスセラミック鏡
ブランク。
【請求項４１】前記接合部は３０ないし５０℃の温度において少なくとも２０時間さらに脱水
されている請求項４０の鏡ブランク。
【請求項４２】請求項２１の複合材を含む光学的もしくは電気光学的装置。
【請求項４３】エタロンである請求項４２の装置。
【請求項４４】請求項２１の複合材を含む真空チャンバー。
【請求項４５】低い膨張係数を持っている請求項２１の複合材。
【請求項４６】少なくとも一方はグラスセラミックであり、他方はガラスセラミックかまたは
シリケート接合液と反応して安定な結合を形成する表面基を持っている他の材料
である少なくとも二つの表面であって、各表面は各自の上に接合表面を形成する
ように研摩されている少なくとも二つの表面を用意し；前記接合表面の少なくとも一つへシリケート含有接合液を提供し；接合表面を接合部を形成するように合体し；前記接合部を少なくとも２０℃の温度において少なくとも２０時間の期間硬化
することを許容し；そして硬化した接合部を、ゆっくり温度を上げ、そして接合した部品の一方が悪影響
される最低温度より下の上昇温度を少なくとも２０時間維持することによって徐
々に脱水することよりなる、軽量複合ガラスセラミック構造物の低温製作方法。
【請求項４７】少なくとも一つの表面はＳｉＯ₂、石英、Ａｌ₂Ｏ₃、多成分シリケートガラ
ス、ＢＫ−７，ＵＬＥ、アンチモンシリケートガラス、任意にＳｉＯ₂の薄い層
でコートされた低膨張金属合金、ゲルマニウムガラス、テルルガラス、またはボ
ロシリケートガラスである請求項４６の方法。
【請求項４８】少なくとも一つの表面はガラスであり、そして前記上昇温度は前記接合した表
面の最低のひずみ点より下である請求項４６の方法。
【請求項４９】ガラスセラミック部品はＺｅｒｏｄｕｒ部分である請求項４６の方法。
【請求項５０】少なくとも一方はガラスセラミックであり、他方はガラスセラミックかまたは
シリケート接合液と反応して安定な接合を形成する表面基を持っている他の材料
である少なくとも二つの表面を含み、前記表面はガラスセラミック表面と前記他
の表面の間のシリカ含有液を少なくとも２０℃の温度において少なくとも２０時
間硬化することによって形成されたシリケート含有層により剛直に接続されてい
る、ガラスセラミック複合材。
【請求項５１】ガラスセラミック表面はＺｅｒｏｄｕｒよりなる請求項５０のガラスセラミッ
ク複合材。
【請求項５２】前記他の表面は、ＳｉＯ₂、石英、Ａｌ₂Ｏ₃、多成分シリケートガラス、Ｂ
Ｋ−７，ＵＬＥ、アンチモンシリケートガラス、任意にＳｉＯ₂の薄い層でコー
トされた低膨張金属合金、ゲルマニウムガラス、テルルガラス、またはボロシリ
ケートガラスである請求項５０のガラスセラミック複合材。
【請求項５３】前記接合液は、粉砕したまたはフリット化したシリカ含有ガラスセラミックも
しくはガラスを含んでいる請求項４６の方法。