(57)【要約】【課題】金型でガラス素材をプレスにより成形する際、熱効率を向上させ、成形不良をなくした光学ユニットの製造方法を提供する。【解決手段】雰囲気ガスを従来の窒素ガスからこれよりも熱伝導率の高い、例えばヘリウムガスに変更し、この雰囲気の中で加熱、成形を行う。伝熱効率の向上により工程の短縮化が図れた他、石英ガラスに対する透過率が向上してエア溜り不良をなくすことができた。【選択図】  図３
2004339005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状を有した複数の金型間にガラス素材を配置し、
窒素ガスよりも熱伝導率の高い雰囲気中で前記金型および前記ガラス素材を加熱し、
前記金型に圧力をかけて前記ガラス素材の成形を行って光学ユニットを得る、光学ユニットの製造方法。
【請求項２】
前記窒素ガスよりも熱伝導率の高い雰囲気が、ヘリウムガス雰囲気であることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニットの製造方法。
【請求項３】
前記窒素ガスよりも熱伝導率の高い雰囲気が、ネオンガス雰囲気であることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニットの製造方法。
【請求項４】
前記ガラス素材が、石英ガラスであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに項記載の光学ユニットの製造方法。
【請求項５】
前記光学ユニットが、マイクロ化学チップであることを特徴とする前記請求項１ないし４のいずれかに記載の光学ユニットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス製光学ユニットの成形方法に関るもので、特にマイクロ化学チップの成形に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス製光学ユニットの代表的なものとして、電気泳動チップあるいはマイクロ化学チップが知られている。
【０００３】
このマイクロ化学チップは、光学的な分析のための幅１００μｍ、深さ５０μｍ程度の微細な溝や、直径数百μｍの窪み等を含む流路を一辺が数十ｍｍのガラス基板上に集積したもので、ＤＮＡチップが代表的なものである。
【０００４】
このマイクロ化学チップを用いた分析は、ガラス基板上に設けられた上述した溝を電気泳動現象により流れる流体あるいは窪みに蓄積された化学物質を分析対象とし、これら微小な溝あるいは窪みに赤外光や赤外光を照射して、その部分からの反射光、透過光を光学ユニットを通して分析部に導くことにより行われる。
【０００５】
したがって、反射光、透過光を少ない損失で効率良く分析部に伝えるには、精密な光学系が必要不可欠であり、しかも、微小溝、微小窪みと各種光学ユニットとの間の位置関係は、きわめて正確に調整されたものでなければならない。
【０００６】
マイクロ化学チップは従来、流路をエッチング等で形成した流路形成基板と、透明板に光学ユニットとしてのレンズを搭載したレンズ搭載基板とを別々に作製し、これらを貼り合わせることにより形成している（非特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、この方法では、深さの異なる複数の溝を形成する場合にはエッチングおよびそれに伴う各種工程の増加を招き、複雑な工程となって製造コストが上昇し、流路形成基板と光学ユニットを精度良く一体化することが困難であり、露光やエッチングのための特殊で高価な設備が必要である等の問題がある。
【０００８】
このため、軟化させたガラスを金型で成形して流路を形成することにより光学ユニットを得る方法が提案されている（特願２００２−８９４９５号参照）。
【０００９】
このような方法を実現するための装置としては、周囲に加熱用のヒータを有する石英管の中に、上型および下型間に成形材料としてのガラス硝体を挟んでプレスを行う機構が設けられたものが使用され、石英管の中は、金型の酸化を防止するために、当初は排気が、続いて窒素ガスの充填が行われる。
【００１０】
【非特許文献１】
「マイクロマシニング技術を用いた石英製電気泳動チップの作製とその基本特性評価」中西博昭他、島津評論ｖｏｌ．５６  Ｎｏ．１−２，  １９９９．８
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような成形方法は、以下の問題点を有している。
【００１２】
１）電熱量の小さい窒素雰囲気中での加熱となるため、金型をより高温まで昇温しなくてはならない。これにより加熱時間が長くなり、供給電力量も多くなる。
【００１３】
２）上下金型を開いた状態で加熱すると、ガラス素材の上部は下部ほど高温にならないため温度差が生じ、成形時に生じるガラス素材の流動性に影響を与える。その結果、成形品の寸法精度が確保できない。この問題は特に窒素雰囲気の場合に、その熱伝導の悪さから顕著となる。
【００１４】
３）成形を行うために、金型を閉じた瞬間にガラス素材の上部が急激に温度上昇することとなる。これにより成形品精度が低下する。
【００１５】
４）ガラス素材として球状硝材を使用する場合、雰囲気からの伝熱量が昇温速度に大きく影響するが、窒素雰囲気の場合には伝熱量が小さく、熱効率が悪い。
【００１６】
５）逆に冷却時には、成形品から金型を介して放熱される熱量が主となるが、金型を開いた状態で冷却する場合には雰囲気への放熱割合も大きくなる。しかし、雰囲気が窒素であるために、熱伝導率が悪く、放熱効率も悪いために、冷却時間が長くなり、サイクルタイムが長くなってしまう。
【００１７】
６）図１に示すように、溝形状を有する下金型１８を用いて平板材料３０にエンボス形状を形成するような場合、窒素雰囲気内で成形を行うと、図２に示すように金型と材料間に存在するガスが残存することで成型品３０Ａの一部にエア溜り３１と称する空洞状の成形不良が発生する。
【００１８】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、熱効率を向上させ、成形不良をなくした光学ユニットの製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施の一形態によれば、
所定の形状を有した複数の金型間にガラス素材を配置し、
熱伝導率の高い雰囲気中で前記金型および前記ガラス素材を加熱し、
熱伝導率の高い雰囲気中で前記金型に圧力をかけて前記ガラス素材の成形を行って光学ユニットを得る、光学ユニットの製造方法が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
図３は本発明の実施の一形態に適用される成形装置の概略を示す構成図である。
【００２２】
上金型１と下金型１８との間にガラス素材７が挿入され、成形が行われる。上金型１はフレームに固定された上軸４に固定されている。一方、下金型１８は上下に移動可能な下軸６に搭載されている。下軸６の下部には、モータ１２の駆動によりプレス力を発生するジャッキ１１が設置されている。なお、プレス力を検知するための検知装置１０も下軸６の近傍に設けられる。
【００２３】
この検知装置１０で検知されたプレス力は、出力調整装置１３に伝送され、設定値と検知されたプレス力との差分に応じて、モータ出力が調整される。
【００２４】
金型の外周には、石英管３、その周囲には加熱を行う赤外線ランプ群２が配置されている。下金型１８には、その温度を測定するための熱電対９が取り付けられている。
【００２５】
また、石英管３および赤外線ランプ群２は金型および素材を最大効率で加熱するため、金型の大きさ、種類に応じて上下に移動できるように、可撓性部材５によりフレームに連結されている。
【００２６】
出力調整装置１３は、熱電対９による測温結果と、設定温度との差に応じて赤外線ランプ群２への出力を調整する。
【００２７】
石英管３の内部を真空雰囲気にすることを可能とするため、真空排気装置１５が接続されている。排気は図中バルブ１４の開閉で行われ、排気はドレーン１６より外部に排出される。
【００２８】
さらに、金型および材料を冷却するため、上軸４および下軸１０内を加熱冷却気体８が通過できるように、上軸４および下軸１０は中空体となっており、加熱冷却気体の流量はバルブ１９により制御される。
【００２９】
次に、この装置における動作を説明する。ここでは、成形材料としてボール硝材を用いるものとする。
【００３０】
まず、バルブ１４を開き、ポンプ１５を駆動して成形室（石英管３）内を真空排気することにより、成形室３内の酸素を外部に排気する。これを行う理由は、酸素が成形室内に残存していると金型加熱時に金型が酸化してしまい成形品質に悪影響を与えるためである。
【００３１】
所定の圧力まで排気後、高純度ヘリウム８を図１中の１９から供給する。成形室３内がヘリウム雰囲気になったところで、赤外線ランプ群２を出力調整装置１３により点灯させ、金型、ガラス素材２３を所定温度まで加熱する。
【００３２】
図４は加熱時の熱の移動を示す模式図である。
【００３３】
これらを参照すると、加熱時には、ガラス素材２３に対し、赤外線ランプからの直接伝熱２０，２０ａ、金型からの伝熱２１，２１ａ、ガラス素材周囲からの伝熱２２，２２ａの３系統の伝熱路が考えられる。なお、図４に示すプレス前の状態では、金型からの伝熱は、下金型１８からのみの伝熱となる。
【００３４】
加熱は真空中で行うことも可能であるが、ガラス素材周囲からの伝熱は期待できない。特に図４に示したような球状硝材を使用する場合には、下金型１８と硝材２３の接触面を通しての伝熱は殆ど存在しないので、加熱効率は高くない。
【００３５】
このため、従来のような窒素雰囲気を用いた加熱が行われていたのであるが、本願発明においては加熱雰囲気としてヘリウムガス雰囲気としている。
【００３６】
図６に窒素、ヘリウム及び水素の熱伝導率の温度依存性を示す。同図から、ヘリウムは窒素ガスの４倍程度の熱伝導率を有していることが分かる。なお、ネオンについては、この図には図示されていないが、窒素ガスよりも高い熱伝導率を有していることが知られている。
【００３７】
したがって、成形時にヘリウムガスを介してガラス素材２３に伝熱される熱量はかなり大きなものとなり、熱効率は向上し、金型やガラス素材の温度を迅速に向上させることができる。また、ガラス素材内の温度のばらつきも抑えることができる。
【００３８】
金型温度が所定の温度に到達したら、下軸に固定された下金型を上昇させ、ガラス素材を成形する。以上により金型形状がガラス素材に転写され、所望の成形品を得る事ができる。
【００３９】
成形終了後は、成形品を取出せる温度まで窒素ガスにより冷却を行う。
【００４０】
図５は冷却時の熱の移動を示す模式図である。成形済みのガラス素材２３ａからの熱は主に金型を介した伝熱２４、２４ａにより放熱されるが、ガラス素材周囲からの伝熱２２，２２ａによっても放熱される。この場合、熱伝導率の良好なヘリウム雰囲気では温度の低下が早められる。
【００４１】
以上の前提のもとに、実際に成形のシミュレーションを行った。まず金型に取り付けた熱電対とは別にガラスそのものに熱電対を装着し、温度測定を実施した。そして、成形を行わず、金型とガラス素材の温度差を計測した。
【００４２】
その結果、加熱時、保温時、及び冷却時ともに、窒素ガスに比して格段に上記温度差が減少することが確認できた。また、加熱時間、供給電力量も、窒素ガスを使用した場合の８０％まで低減され、また冷却時間については６０％まで短縮化することができた。
【００４３】
更にヘリウムを使用した場合の副次的効果として、ヘリウム雰囲気で石英を成形すると図２で前述したエア溜りという転写不良が生じにくくなることが分かった。すなわち、実験によれば、窒素ガス雰囲気で成形した場合にはエア溜り欠陥が観察されたのに、雰囲気ガスをヘリウムガスに変更したところ、図８に示すように、エア溜り欠陥が解消された。
【００４４】
これは、ヘリウムガスが、窒素ガスと比較して石英ガラスに溶解しやすい元素であることに起因すると考えられる。
【００４５】
図７は各種のガスの石英ガラスに対する溶解度および拡散距離を示す図表である。この図表には１０００℃温度域での石英ガラスヘの各種ガスの拡散距離と、７００℃温度域での透過率データが示されている。ここで、拡散距離は、各種ガスが石英ガラス内で単位時間に拡散する距離を示したものであり、透過率は石英ガラスに各種ガスがどの程度透過するか、具体的には、７００℃の温度域で１ｃｍＨｇの圧力差を与えたときに、単位時間に１ｃｍ２辺りの面積を通過するガスの体積を示すデータである。なお、このデータでは但し素材の厚さを考慮して、厚さで体積を除した値となっている。
【００４６】
図７から、ヘリウムが石英ガラスヘの透過率が高く、かつ石英ガラス内での拡散係数が大きいことが分かる。特に透過率に関しては他のガスに比べて桁違いに大く、従来使用していた窒素ガスと比較してその差が大きいことが分かる。
【００４７】
したがって、ヘリウムあるいはネオン等を成形雰囲気ガスとして選定することにより、成形中に石英ガラスと金型との間に生じる閉空間に閉じ込められたこれらのガスが吸収され、エア溜り不良が生じにくくなることを示しており、ヘリウムガスが成形の雰囲気ガスとして最適であることが判明した。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数の金型間にガラス素材を配置し、窒素ガスよりも熱伝導率の高い雰囲気中で金型およびガラス素材を加熱した状態でプレスを行い光学ユニットを得ているので、熱伝達効率が向上し、加熱時間、冷却時間の短縮化を図ることができ、生産効率の向上を図ることが可能となった。
【００４９】
また、加熱に必要とされる電力量も低減でき、コスト低減を実現することが可能となった。
【００５０】
さらに、特にヘリウムガス、ネオンガスを雰囲気として用いた場合、エア溜りという転写不良をなくすことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】プレス成形による光学ユニットの形成を説明する模式図である。
【図２】従来発生していた、成型品のエア溜り不良を示す説明図である。
【図３】本発明にかかる光学ユニットの製造方法に用いられる成形装置の構造を示す断面図である。
【図４】加熱時の熱伝導経路を示す模式図である。
【図５】冷却時の熱伝導経路を示す模式図である。
【図６】雰囲気ガスの熱伝導率を示すグラフである。
【図７】各種ガスの石英ガラスに対する透過率および拡散距離を示す図表である。
【図８】本発明の方法により得られた成型品を示す説明図である。
【符号の説明】
１  上金型
２  赤外線ランプ群
３  石英管
４  上軸
６  下軸
７、２３  ガラス素材（硝材）
８  加熱冷却気体
９  熱伝対
１０  検知装置
１３  出力調整装置
１４、１９  バルブ
１５  真空排気装置
１８  下金型
３０  平板材料
３０Ａ  成型品
３１  エア溜まり
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004339005.tif 000009
【図８】
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