(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、光学ガラス、結晶化ガラス、石英ガラス、超硬セラミックス、ＳｉＣ、サファイヤ、ルビーの何れか１つの材料より構成される基板の表面に互いに交差する状態で複数のＶ溝を形成するとともに、砥石を用いた総形研削加工によって前記複数のＶ溝を形成してなり、
前記Ｖ溝の交差部に形成された４つの稜で光学素子を４点支持することによって位置決めすることを特徴とする光学素子の位置決め部材。
【請求項２】
前記光学素子が球状レンズであることを特徴とする請求項１記載の光学素子の位置決め部材。
【請求項３】
前記Ｖ溝の交差部がアレイ状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光学素子の位置決め部材。
【請求項４】
ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、光学ガラス、結晶化ガラス、石英ガラス、超硬セラミックス、ＳｉＣ、サファイヤ、ルビーの何れか１つの材料より構成される基板の表面に互いに交差する状態で複数のＶ溝を形成し、前記Ｖ溝の交差部に形成された４つの稜で光学素子を４点支持することによって位置決めする光学素子の位置決め部材を製造する場合に、
前記複数のＶ溝を、砥石を用いた総形研削加工によって形成することを特徴とする光学素子の位置決め部材の製造方法。
【請求項５】
表面に互いに交差する状態で複数のＶ溝を形成するとともに、砥石を用いた総形研削加工によって前記複数のＶ溝を形成してなるもので、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、光学ガラス、結晶化ガラス、石英ガラス、超硬セラミックス、ＳｉＣ、サファイヤ、ルビーの何れか１つの材料より構成される基板と、
前記Ｖ溝の交差部に形成された４つの稜上の４点で支持されて位置決め固定された光学素子とを有することを特徴とする光学ユニット。
【請求項６】
前記光学素子に光を入射又は出射させるための開口が前記基板に形成されていることを特徴とする請求項５記載の光学ユニット。
【請求項７】
前記光学素子に光を入射又は出射させるための開口が、前記基板のＶ溝が形成された面とは反対側の面に形成されていることを特徴とする請求項６記載の光学ユニット。
【請求項８】
前記光学素子が球状レンズであることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項９】
前記光学素子がガラス材料で構成されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項１０】
前記光学素子の３次元的位置精度が±５μｍ以内であることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項１１】
表面に互いに交差するＶ溝が砥石を用いた総形研削加工によって形成されるとともに、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、光学ガラス、結晶化ガラス、石英ガラス、超硬セラミックス、ＳｉＣ、サファイヤ、ルビーの何れか１つの材料より構成された基板を用いて、前記Ｖ溝の交差部に形成された４つの稜で光学素子を４点支持させてこの光学素子を位置決めする位置決め工程と、
前記位置決め工程で位置決めされた光学素子を前記基板又は他の光学素子固定部材に固定する固定工程と、を有することを特徴とする光学ユニットの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の光学ユニットの製造方法において、
少なくとも前記基板の一部を除去して前記光学素子に入射または出射させるための開口を形成する開口形成工程をさらに有することを特徴とする光学ユニットの製造方法。
【請求項１３】
前記開口形成工程においては、前記基板のＶ溝が形成された面とは反対側の面の一部を除去して前記開口を形成することを特徴とする請求項１２記載の光学ユニットの製造方法。
【請求項１４】
前記光学素子が球状レンズであることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の光学ユニットの製造方法。
【請求項１５】
前記固定工程においては、前記光学素子の径より大きい孔径の収納孔を有するホールアレイ基板の前記収納孔に、前記位置決め工程で位置決めされた光学素子の上部の少なくとも一部を収納して前記光学素子を前記収納孔側面に固定し、
その後の工程として、前記基板を取り外した後、前記ホールアレイ基板に固定された光学素子の露出した部分を研磨して除去するレンズ研磨工程とを有することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の光学ユニットの製造方法。
【請求項１６】
前記基板は、前記Ｖ溝部に基板裏面から連通する貫通孔を有するものであり、少なくとも前記固定工程において前記貫通孔から真空引きを行う工程を有することを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載の光学ユニットの製造方法。
【請求項１７】
請求項１１〜１６のいずれかに記載の光学ユニットの製造方法によって製造された複数の光学素子を有する光学ユニットを分割して製造したことを特徴とするレンズチップ。
【請求項１８】
光メモリ媒体上を浮上走行してこの光メモリ媒体に記録されている情報を光学的に読み取るためのレンズチップを含む光学系を有する光メモリ媒体用浮上型ヘッドであって、
前記レンズチップとして、請求項１７に記載のレンズチップを用いて製造されたことを特徴とする光メモリ媒体用浮上型ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光レーザアレイやアレイ型光学素子のインターコネクション、光通信用の光ファイバ間のカップリングやコリメート光学系、および、光メモリにおける近接場光学系のマイクロレンズおよびマイクロレンズアレイ、浮上型ヘッド等に用いる光学素子の位置決め方法及びこれら光学素子の位置決め部材並びにこれら光学素子を用いた光学ユニット及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、球状レンズ等の光学素子を所定の基板等に位置決めして実装する技術としては、特開昭５９−３６２１４号公報、特公平７−９３４５７号公報等に記載されている技術が知られている。
【０００３】
特開昭５９−３６２１４号公報に記載の技術は、基板に設けたＶ溝の側面（斜面）と底面とに球面レンズを接触させて位置決め支持するようにしたものである。また、特公平７−９３４５７号公報に記載の技術は、２つのＶ溝をＴの字状に交差させ、このＶ溝の交差部において、一方のＶ溝の２つの側面（斜面）と他方のＶ溝の１つの側面とが交差して形成される２つの稜と、上記２つの稜と対向する面である他方のＶ溝の側面とに球状レンズを接触させて位置決め支持するようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭５９−３６２１４号公報に記載の技術は、球状レンズをＶ溝に設置することによって、Ｖ溝の幅方向及び高さ方向の位置決がなされるが、Ｖ溝の長手方向の位置については、これだけでは位置決めがなされない。このため、球状レンズをＶ溝に設置した後、Ｖ溝の長手方向に球状レンズを動かして最適位置を定める必要があり、位置決め作業が繁雑である。しかも、球状レンズを動かして最適位置を定める際に、Ｖ溝側面に貝殻状の欠けを生じさせてしまう場合がある。
【０００５】
また、特公平７−９３４５７号公報に記載の技術では、基板上に、２つのＶ溝をＴの字状に交差させた構造を形成する必要がある。このような形状を基板上に形成する方法としては、現在のところ、異方性エッチングによる以外に適当な方法がない。このＶ溝は、球状レンズ径が通常数１００μｍ〜１ｍｍであるので、加工深さが１００μｍ以上必要である。しかるに、加工深さが１００μｍ以上のＶ溝を異方性エッチングで加工した場合、エッチング量が大きいためにエッチングの制御が困難で正確な形状のＶ溝を形成することは著しく困難であるとともに、加工に膨大な時間がかかるという欠点もある。したがって、近年要求されている数μｍ以内の高い精度での位置決めができるような構造を形成することは事実上できなかったものである。
【０００６】
本発明は、上述の背景のもとでなされたものであり、球状レンズ等の光学素子を数μｍ以内の高精度で位置決めできるようにした光学素子の位置決め方法及び装置並びに光学素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するための手段として、第１の手段は、
基板の表面に形成された互いに交差するＶ溝どうしの交差部に光学素子を配置して位置決めする光学素子の位置決め方法であって、
前記Ｖ溝の交差部に前記光学素子を配置したときに前記交差部に形成された４つの稜と前記光学素子表面とが接触する４つの接点で前記光学素子を支持して３次元的に位置決めすることを特徴とする光学素子の位置決め方法である。
第２の手段は、
前記Ｖ溝及び稜の形成は、機械加工によって形成することを特徴とする第１の手段にかかる光学素子の位置決め方法である。
第３の手段は、
前記Ｖ溝の形成は、砥石を用いて総形研削加工で形成することを特徴とする第２の手段にかかる光学素子の位置決め方法である。
第４の手段は、
前記光学素子が、球状レンズであることを特徴とする第１〜第３のいずれかの手段にかかる光学素子の位置決め方法である。
第５の手段は、
基板の表面に形成された互いに交差するＶ溝が設けられ、前記Ｖ溝の交差部に形成された４つの稜で光学素子を４点支持することによって位置決めすることを特徴とする光学素子の位置決め部材である。
第６の手段は、
前記Ｖ溝の交差部がアレイ状に形成されていることを特徴とする第５の手段にかかる光学素子の位置決め部材である。
第７の手段は、
前記基板がガラス材料で構成されていることを特徴とする第５又は第６の手段にかかる光学素子の位置決め部材である。
第８の手段は、
表面に互いに交差するＶ溝が設けられた基板と、
前記Ｖ溝の交差部に形成された４つの稜上の４点で支持されて位置決め固定された光学素子とを有することを特徴とする光学ユニットである。
第９の手段は、
前記光学素子に光を入射又は出射させるための開口が前記基板に形成されていることを特徴とする第８の手段にかかる光学ユニットである。
第１０の手段は、
前記光学素子が球状レンズであることを特徴とする第８又は第９の手段にかかる光学ユニットである。
第１１の手段は、
前記基板及び光学素子のいずれか一方又は双方がガラス材料で構成されていることを特徴とする第８〜第１０のいずれかの手段にかかる光学ユニットである。
第１２の手段は、
前記光学素子の３次元的位置精度が±５μｍ以内であることを特徴とする第８〜第１１のいずれかの手段にかかる光学ユニットである。
第１３の手段は、
表面に互いに交差するＶ溝が形成された基板の前記Ｖ溝の交差部に形成された４つの稜で光学素子を４点支持させてこの光学素子を位置決めする位置決め工程と、
前記位置決め工程で位置決めされた光学素子を前記基板又は他の光学素子固定部材に固定する固定工程と、
を有することを特徴とする光学ユニットの製造方法である。
第１４の手段は、
表面に互いに交差するＶ溝が形成された基板の前記Ｖ溝の交差部に形成された４つの稜で光学素子を４点支持させてこの光学素子を位置決めする位置決め工程と、
前記位置決め工程で位置決めされた光学素子を前記基板又は他の光学素子固定部材に固定する固定工程と、
少なくとも前記基板の一部を除去して前記光学素子に入射または出射させるための開口を形成する開口形成工程とを有することを特徴とする光学ユニットの製造方法である。
第１５の手段は、
前記Ｖ溝は、機械加工によって形成されたことを特徴とする第１３又は第１４の手段にかかる光学ユニットの製造方法。
前記Ｖ溝は、機械加工によって形成することを特徴とする第１３又は第１４の手段にかかる光学ユニットの製造方法である。
第１６の手段は、
前記Ｖ溝は、砥石を用いた総形研削加工によって形成されたことを特徴とする第１３〜１５のいずれかの手段にかかる光学ユニットの製造方法である。
第１７の手段は、
前記光学素子が球状レンズであることを特徴とする第１３〜第１６のいずれかの手段にかかる光学ユニットの製造方法である。
第１８の手段は、
半球状又は超半球状の光学素子が保持された光学ユニットを製造する方法であって、
表面に互いに交差するＶ溝を有する基板の前記Ｖ溝の交差部に形成された４つの稜で光学素子を４点支持させてこの光学素子を位置決めする位置決め工程と、
前記光学素子の径より大きい孔径の収納孔を有するホールアレイ基板の前記収納孔に、前記位置決め工程で位置決めされた光学素子の上部の少なくとも一部を収納して前記光学素子を前記収納孔側面に固定する固定工程と、
前記基板を取り外した後、前記ホールアレイ基板に固定された光学素子の露出した部分を研磨して除去するレンズ研磨工程とを有することを特徴とする光学ユニットの製造方法である。
第１９の手段は、
前記基板は、前記Ｖ溝部に基板裏面から連通する貫通孔を有するものであり、少なくとも前記固定工程において前記貫通孔から真空引きを行う工程を有することを特徴とする第１３〜１８のいずれかにかかる光学ユニットの製造方法である。
第２０の手段は、
第１４の手段にかかる光学ユニットの製造方法によって製造された複数の光学素子を有する光学ユニットを分割して製造したことを特徴とするレンズチップである。
第２１の手段は、
第１８の手段にかかる光学ユニットの製造方法によって製造された複数の光学素子を有する光学ユニットを分割して製造したことを特徴とするレンズチップである。
第２２の手段は、
光メモリ媒体上を浮上走行してこの光メモリ媒体に記録されている情報を光学的に読み取るためのレンズチップを含む光学系を有する光メモリ媒体用浮上型ヘッドであって、
前記レンズチップとして、第２１の手段にかかるレンズチップを用いて製造されたことを特徴とする光メモリ媒体用浮上型ヘッドである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の構成を示す斜視図、図２は本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の説明図、図３は図２におけるＡ−Ａ’線切断面図、図４及び図５は本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の変型例の構成を示す図である。以下、これらの図面を参照にしながら、本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め方法及び装置を説明し、次に、本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の製造方法を説明し、さらに、本発明の実施の形態にかかる光学素子及びその製造方法を説明する。
【０００９】
図１において、この実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材は、基板１の一方の表面１ａの側に、横方向Ｖ溝２と、縦方向Ｖ溝３とが互いに交差するように形成されたものである。横方向Ｖ溝２と縦方向Ｖ溝３との交差部には、横方向Ｖ溝の２つの側面２１及び２２と、縦方向Ｖ溝３の２つの側面３１及び３２とによって、４つの稜４１、４２、４３、４４が形成されている。
【００１０】
この実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材は、図１ｂに示されるように、上記４つの稜４１、４２、４３、４４に球状レンズ１００の表面を接触させるようにして配置することにより、球状レンズ１００を位置決めするものである。
【００１１】
４つの稜４１、４２、４３、４４に球状レンズ１００の表面を接触させるようにして配置すると、図２に示されるように、球状レンズ１００の表面と４つの稜４１、４２、４３、４４とは、４点４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａで接触し、この４点で幾何学的に一義的に定まる３次元的支持位置に位置決めされて支持される。
【００１２】
基板１は、厚さ３．０ｍｍ、縦５．０ｍｍ、横５．０ｍｍのソーダ石灰ガラス基板である。横方向Ｖ溝２及び縦方向Ｖ溝３は、深さ０．６１２ｍｍ、Ｖ溝の底部稜線を含み基板１に平行な平面に対して両側面（２１，２２，３１，３２）がなす角度θが４５度である。また、このとき、図３に示すように、対向する稜４１と４３とのなす角度、又は、稜４２と４４とがなす角度α（半角）は５４．７度（全角は１０９．４度）である。
【００１３】
球状レンズ１００は、直径１ｍｍであり、基板１に形成された４つの稜４１、４２、４３、４４に球状レンズ１００の表面を接触させるようにして配置し、位置決め支持した場合に、球状レンズ１００の球頂点高さｈが基板１の表面１ａから上方に向けて０．５００ｍｍの距離になる。なお、ここで、球頂点高さｈは、Ｖ溝格子基板の上面から球レンズ１００の上部頂点までの距離をいう。
【００１４】
図４は本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の変型例の構成を示す斜視図である。この例は、厚さ５．０ｍｍ、縦７．５ｍｍ、横７．５ｍｍのホウケイ酸ガラス基板１上に、横方向Ｖ溝２と、縦方向Ｖ溝３とをそれぞれ２本設けることによって形成される４個の交差部にそれぞれ球状レンズ１００を配置して４個の球状レンズ１００を位置決めできるようにした例である。
【００１５】
図５は本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の他の変型例の構成を示す斜視図である。この例は、厚さ３．０ｍｍ、縦７５ｍｍ、横７５ｍｍのソーダ石灰ガラス基板１上に、横方向Ｖ溝２と、縦方向Ｖ溝３とをそれぞれ１５本設けることによって形成される２２５個の交差部にそれぞれ球状レンズ１００を配置し、２２５個の球状レンズ１００を位置決めできるようにした例である。
【００１６】
次に、実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の製造方法を説明する。この実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の製造方法は、上記図５に示される光学装置の位置決め部材をＶ溝加工用砥石を用いて製造する例である。
【００１７】
まず、ソーダ石灰ガラス基板（３．０×７５×７５ｍｍ）の表面に、先端角度９０°のＶ溝加工用砥石を用い、総形研削を行い、互いに平行な１５本のＶ溝を形成し、横方向Ｖ溝２とする。図６（ａ）はＶ溝加工用砥石を示す図である。図６（ａ）に示されるように、Ｖ溝加工用砥石２０１は、円板状の砥石の外周端部の輪郭形状を略Ｖ字状（交差角度が９０度）に形成したもので、回転軸２０１ａを回転しながら基板１の表面にＶ字状部を押し当てて研削する。この場合、Ｖ溝加工用砥石２０１は、砥石軸位置決め精度０．２μｍ以内、かつ、分解能０．１μｍ以内の超精密研削加工装置に取り付けられており、上記精度でＶ溝を研削できるようになっている。
【００１８】
次に、ガラス基板１を面内方向に９０°回転させ、同様な加工方法で、基板１の表面に、上記横方向Ｖ溝２の列に直交し、かつ、前記と同じ深さの１５本の横方向Ｖ溝３を加工する。これにより、２２５個の格子点（交差部）を有するＶ溝格子を作製できる。なお、Ｖ溝間のピッチはすべて５．０ｍｍである。
【００１９】
このようにしてＶ溝格子を加工したガラス基板１の各格子点に、直径１ｍｍのガラス球または鋼球（直径精度±０．０４μｍ以内）を搭載したところ、それらの球頂点の高さバラツキは、レンジ１μｍ以内、また、球のＸ方向およびＹ方向のピッチ精度は±０．３μｍ以内と高い位置決め精度が得られた。
【００２０】
このような優れた位置決め精度が得られるのは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、互いに直交するＶ溝の側面（斜面）から形成される稜と球の接点は、幾何学的形状で決定され、４つの稜は、必ず、球表面との接点を有するので、球は必ず４点支持される。したがって、ガラス基板上に並べた球は、安定に支持される。さらに、それらの位置精度は、Ｖ溝の機械加工精度および球の寸法精度に大きく依存することになるので、サブミクロンから数ミクロンの精度が容易に得られる。
【００２１】
特に、適切なＶ溝加工用砥石と適切な加工条件で研削加工した直交Ｖ溝の側面（斜面）からなる稜には、欠けのない、非常に鋭利な稜（カドの曲率半径で１μｍ以内、また、チッピングサイズも１μｍ以内）となるので、位置決め精度は、Ｖ溝の加工精度（ピッチ精度と深さ精度）に主に依存することになる。したがって、砥石軸の位置決め精度および分解能が、０．１μｍ以内の超精密研削加工装置を用いれば、格子点に搭載する球の位置決め精度をサブミクロンから±５μｍ以内（より好ましくは、各球頂点の高さバラツキおよびピッチ精度は±１μｍ以内）と容易に高くすることができる。
【００２２】
さらには、以下のような理由にもよるものと考えられる。すなわち、仮に、Ｖ溝の深さ方向の加工誤差が多少あっても、必ず４点支持を確保できる。これは、本研削加工手順では、横方向Ｖ溝を形成し、次に、これと交差する縦方向Ｖ溝を形成する。こうすることによって、交差するＶ溝の側面によって形成される４本の稜と球体との接触点は、必ず同一平面内に存在するようにできる。これは、交差するＶ溝が加工されたとき、はじめて互いに交差する２つのＶ溝の側面が交わることで稜が形成されるために、深さ方向の加工誤差が発生しても、４接触点のうちの少なくとも２接触点が必ず対になって（ただし、対角線上に位置していない２接触点が対になる）位置が移動する（ずれる）ことになるからである。
【００２３】
例えば、多数のＶ溝格子を形成する場合、実際の加工では、ワーク（ガラス基板）の上面の傾き（平面度、平行度）があるため、加工したＶ溝は、砥石の送り方向に沿って連続的に浅く、あるいは、深くなる場合がある。基板上面に対するＶ溝の深さの変化をサブミクロンレベル以下にすることははなはだ困難であるからである。このような場合でも、４接触点のうち、後から形成されたＶ溝側面にある２接触点同士を結んでできる２本の稜は必ず平行になる（４接触点は必ず同一平面にある）ので、必ず４点支持は維持され、球体の重心位置の３次元的位置決め精度で±１μｍ以内という高精度で安定した位置決めができる。図７は交差Ｖ溝の形成深さが変化しても４つの接触点が同一平面内にあることの説明図である。図７においては、簡単のために横方向Ｖ溝もしくは縦方向Ｖ溝の深さ変化が格子点前後で不連続に変化した場合を示す。Ｖ溝深さが変化してもこの４つの接点は必ず同一平面内にあることから、３点もしくは２点接触にはならず、稜と球とは必ず４つの接点で接触することになる。横方向及び縦方向の２方向の溝深さが変化した場合も同様である。
【００２４】
また、本実施の形態の位置決め方法及び部材は、Ｖ溝加工用砥石形状をサブミクロンレベルでワークに転写加工が可能であるので、砥石の断面形状自体の精度が仮に理想的なＶ字状でなくても、正確な位置決めができる。これはＶ溝の形状自体の精度が位置決め精度を左右するのではなく、Ｖ溝の側面のピッチ及びＶ溝間の深さの精度が位置決め精度を左右するからである。すなわち、Ｖ溝の側面のピッチ及びＶ溝間の深さ精度を一定にすれば、ｍ×ｎ個のＶ溝格子間（球重心位置）の面内ピッチ及びＶ溝間の深さ精度を一定にでき、搭載する球の位置も一定にできるからである。本発明の実施の形態では、超精密加工装置を用いることができるので、Ｖ溝加工用砥石形状をサブミクロンレベルでワークに転写加工することが比較的容易に可能である。したがって、Ｖ溝の側面のピッチ及びＶ溝間の深さ精度をサブミクロンレベルで一定にできる。これにより、ｍ×ｎ個のＶ溝格子間（球重心位置）の面内ピッチ及びＶ溝間の深さ精度を一定にでき、搭載する球の位置精度を±１μｍ以内にすることができる。
【００２５】
さらに、本実施の形態の位置決め部材は、加工の際のチッピング（欠け）の発生を著しく少なくできる。これは、まず、Ｖ溝の加工を基板との接触面積の少ないＶ字状の砥石で加工できるからである。また、先に形成したＶ溝に交差するＶ溝を砥石で削って加工する場合、Ｖ溝交差部付近では、砥石の両側面の空間が解放されている。そのため、加工点で砥石とワークとの接触点又は面において、研削くず及び研削水の排出が順調に行われる。したがって、砥石と加工点との間に、研削くずの挟み込みや微小局部の温度上昇もなほとんどない。その結果、特に稜部でのチッピングが発生しにくく、仮に発生してもそのサイズは極めて小さい。しかも、Ｖ溝側面が交差してできる稜の傾斜角度は基板面に対して鈍角になるので、例えば、凹溝の交差部でできるような垂直の稜や頂点もしくは角を形成するような場合に比較して研削加工時のチッピングの発生が著しく少ない。この効果は、砥粒径が１０〜２０μｍの砥石を用いても得られることが確認されている。図８はＶ溝上面の角とＶ溝交差部の稜でのチッピングサイズの違いの説明図である。図８に示すように、Ｖ溝上面のチッピングサイズは５〜１０μｍであるのに対して、Ｖ溝交差部の稜でのチッピングサイズはサブミクロン以内であり、光学素子の位置決め精度に対する影響は極めて小さい。従来は、Ｖ溝交差部の稜でのチッピングサイズは、Ｖ溝上面のそれと同程度以下にすることは困難と考えられていた。
【００２６】
また、本実施の形態の位置決め部材は、球レンズを配置して位置決めする際、ある程度の押圧力や熱応力等が加えられても支持部である稜の球状レンズとの接触点が欠けにくく、繰り返しの使用にも十分耐えられることが確認されている。特に、Ｖ溝の側面で球状レンズを支持するようにした従来の場合に比較してその耐久性が優れていることが確認されている。これは、傾斜した稜と球との接触のほうが、面と球との接触に比べ、力が逃げやすいためであると考えられる。すなわち、傾斜した稜による４点支持の場合、球状レンズに重力方向と他の方向との合成ベクトル方向に所定以上の力が加わった場合、これが特定の接触点に加わるのではなく、球が持ち上がってＶ溝側面へ移動するような状態，すなわち、せり上がり脱線のような状態になって、接触点から外れ（逃げる）からであると考えられる。その結果、位置決め中に接触点に材料破壊しきい値以上の力が加わることが効果的に抑止され、欠けがほとんど発生しないものと考えられる。この傾向は、球状レンズや基板の材料がガラスである場合のほうが、シリコン等である場合に比較して顕著である。さらには、基板及び球状レンズの双方がガラスである場合が最も好ましい。
【００２７】
さらに、本実施の形態の位置決め方法及び装置は、数インチ角の基板上に数百個の球状レンズを実装するような場合でも、支持部（位置決め部）が稜と球状レンズとの点接触であるために、ダスト等の異物の挟み込みが生じにくく、これによる精度低下も生じにくい。
【００２８】
なお、上述の実施の形態では、光学素子として球レンズ、半球レンズ及び超半球レンズ等の球状レンズの例を挙げて説明したが、ロッドレンズ、非球面レンズ、その他、４つの稜にその表面を接触させることによって位置決めできる光学素子であればどのようなものにも適用することができる。また、横方向Ｖ溝と縦方向Ｖ溝とが直交する場合についての例を説明したが、必ずしも、交差角が９０度に限定するものではなく、搭載する光学素子の形状に適合するように交差したＶ溝であればよい。
【００２９】
また、上述の実施の形態では、Ｖ溝の底部稜線を含み基板１に平行な平面に対して両側面（２１，２２，３１，３２）がなす角度θ（図１参照）が４５度である場合（Ｖ溝の側面同士がなす角度が９０度）を掲げたが、これは、３０〜６０度（Ｖ溝の側面同士がなす角度が６０〜１２０度）程度の範囲であればよい。
【００３０】
さらに、Ｖ溝を加工する場合に、図６（ａ）に示されるＶ溝加工用砥石を用いた総形研削によって行う例を掲げたが、これは他の砥石を用いた研削でもよい。図６（ｂ）はカップ砥石を用いてＶ溝を形成する場合の説明図である。図６（ｂ）に示されるように、カップ砥石２０２を用いてＶ溝の側面を片面ずつ加工して行くことも可能である。この加工方法では、加工面の表面粗さを小さくすることが容易にできる。
【００３１】
次に、本発明の実施の形態にかかる光学ユニット及びその製造方法を説明する。この実施の形態にかかる光学ユニットは、上述の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材によって位置決めした球状レンズを基板あるいは他の固定部材に固定したレンズチップもしくはレンズアレイである。したがって、以下の説明では、上述の位置決め部材によって位置決めした以降の工程を中心にして光学ユニットの製造方法を説明し、あわせて光学ユニットを説明する。
【００３２】
図９は実施の形態にかかる光学ユニットの製造方法の説明図である。以下、図９を参照にしながら説明する。まず、ホウケイ酸ガラス基板１（３．０×２５×２５ｍｍ）の表面に、上述の実施の形態と同様な方法で、５×５のＶ溝からなる２５点格子を作製する。なお、Ｖ溝深さは０．６１２ｍｍとする。これは、直径１．０ｍｍの球状レンズ１００を、互いに直交するＶ溝の側面から形成される４つの稜に接触させたとき、球状レンズ１００の頂部の位置が基板表面から０．５ｍｍとなる深さである。また、Ｖ溝間のピッチは縦方向、横方向ともに５．０ｍｍとした。
【００３３】
次に、図９（ａ）にその部分断面図を示したように、Ｖ溝格子を加工したガラス基板１の各格子点に、直径１ｍｍの球状レンズ１００（直径精度±０．５μｍ以内）を載せ、Ｖ溝側面からなる稜で球状レンズを支持しながら、前記球状レンズとＶ溝側面とで形成される隙間に接着剤あるいはガラスハンダ等の接着手段５を充填させ、固定する。
【００３４】
次に、図９（ｂ）〜（ｄ）に示したように、ガラス基板１の前記Ｖ溝が形成された面とは反対側の面を研磨して図の点線部位から下の部分を除去し、球状レンズ１００に光を入射または出射させるための開孔部６を形成する。これにより、実施の形態にかかる光学素子である５×５レンズアレイが得られる。各Ｖ溝の格子点に固定された球レンズ１００に、コリメートされたレーザビームＬを入射させれば、裏面の開孔部６を通じて、５×５の２５点のビームスポットアレイが得られる。
【００３５】
このビームスポットの位置精度は、レンズの位置決め精度と同様な高い位置精度が得られるので、レンズアレイとして、面発光レーザアレイやアレイ型光学素子のインターコネクションに有効である。
【００３６】
また、レンズを固定した後、ダイシングすることにより、レンズチップとして、使用することができる。このようなレンズチップは、光ピックアップ用光学素子、光通信用の光ファイバ間のカップリングやコリメート光学系、および、光メモリにおける近接場光学系などのマイクロオプティクス分野に有用である。
【００３７】
また、このように一定ピッチでレンズ等の光学素子を基板に固定すること（レンズアレイサブストレート）により、フォトリソプロセスやエッチングなどの微細加工プロセスを取入れることが容易になり、サブストレートあるいはウエハ単位で一括処理できるプロセスを構築することができるようになるので、高効率かつ低コストなマイクロオプティクスが得られる。
【００３８】
図１０は実施の形態の方法で製造した３×３レンズアレイの平面図である。また、図１１は実施の形態の方法で製造した２×２レンズアレイの平面図である。さらに、図１２は実施の形態の方法で製造したレンズチップを示す図である。図１２に示されるレンズチップ２０１は、図１０に示されるレンズアレイを図の点線に沿って切断して得たものである。さらに図１３はディスク型レンズチップの平面図である。図１３に示されるディスク型レンズチップは  図１２に示した例と同様にして切断した後、外周側面をレンズの中心に合わせて円筒研削加工して作成したものである
【００３９】
レンズアレイを切断してレンズチップを製造する場合、切断の精度及び切断面を高精度に、又は、基板の表裏面を高精度に仕上げれば、この切断面又は表裏面を取り付けの位置決め基準にしてレンズチップを所定の光学装置に位置決めして取り付けることができる。図１４及び図１５はレンズチップの実装例を示す図である。図１４に示した例は、筺体３００の内側面とレンズチップ２０１の切断面とを基準面にして位置決めし、レンズチップ２０１を筺体３００内に取り付けてフィルターモジュールを形成した例である。なお、図において、符号３０１、３０２は光ファイバ、３０３はフィルター素子、３０１ａ、３０１ｂは光ファイバ固定部材である。このように、本実施の形態によれば、高精度で位置決めすることができるので、球レンズの光軸合わせが容易で光伝送性を確保でき、信頼性の高い構成の光学ユニットを得ることができる。
【００４０】
図１５に示した例は、筺体３００の内側面に取り付けた位置決め部材３１０の両端面とレンズチップ２０１の表裏面とを基準面にして位置決めし、レンズチップ２０１を筺体３００内に取り付けてフィルターモジュールを形成した例である。
このように、Ｖ溝格子を形成した基板を光透過性の高い材料（ガラス、結晶化ガラス、樹脂など）からなる材料とすることにより、ガラスホルダー付きレンズを得ることができる。従来の金属ホルダー付きレンズは、モジュールに実装する際、金属ホルダーが光透過性がないために光硬化性接着剤（例えば紫外線（ＵＶ）硬化性接着剤）を用いることができなかったが、上記のように光透過性が高い基板を用いることにより光硬化性接着剤を使用することが可能である。さらに、本実施の形態による方法によって製造されたレンズアレイを用いれば、レンズは、Ｖ溝格子を形成した基板に対し、精度よく固定されているので、モジュール組み立ての際、基板の上面や裏面又は側面をアライメントの基準面として用いることができ、パッシブアライメントが可能となる。
【００４１】
図１６は他の実施の形態にかかる光学ユニットの製造方法の説明図である。以下、図１６を参照にしながら他の実施の形態にかかる光学ユニットの製造方法を説明する。まず、ソーダ石灰ガラス基板１（２４×５０×５０ｍｍ）の表面に、上述の実施の形態と同様な方法で、９×６のＶ溝からなる５４点格子を作製する。次に、Ｖ溝格子を加工したガラス基板１の各格子点に、同様に、直径１ｍｍの球状レンズ１００（直径精度±０．１μｍ以内）を載せ、交差するＶ溝側面からなる稜で球状レンズ１００を位置決めする（図１６（ａ）参照）。図１７は加工した９×６のＶ溝ガラス格子の球頂点位置測定結果を示す図である。図１７から明らかなように、球頂点位置の誤差は５４点格子の面内において、最小値０．２μｍ、最大値１．１μｍ、レンジ０．９μｍ、であり、非常に高い精度でできていることがわかる。
【００４２】
次に、球状レンズ保持部材として、レンズ径より大きな孔の開いた、ホールアレイ基板７をＶ溝格子ガラス基板１の上に載せ（図１６（ｂ）参照）、前記球状レンズ１００とホールアレイ基板７の孔の側面とを接着剤あるいはガラスハンダ等の接着手段８で接着して固定する（図１６（ｃ）参照）。次に、位置決めジグとして使用したＶ溝格子ガラス基板１をレンズから取り外す（図１６（ｄ）参照）。以上の工程により、球状レンズ保持部材としてのホールアレイ基板７に固定された、球状レンズアレイが得られる。各Ｖ溝の格子点に固定された球状レンズ１００に、コリメートされたレーザビームＬを入射させれば、ビームスポットアレイが得られる（図１６（ｅ）参照）。
【００４３】
なお、図１６のような工程で、Ｖ溝格子基板に球状レンズを搭載し、接着剤やハンダで固定する際、接着剤や熔融したハンダの密度差によりレンズが浮き上がったり、表面張力により引き寄せられたりするなど、外力の影響でレンズ位置ずれを生ずる虞れがある。それを防ぐために、Ｖ溝部に基板裏面から連通する貫通孔を設け、実装工程中（図１６（ａ）〜（ｃ）の間）、その貫通孔から真空引きすることにより、その圧力差でレンズをＶ溝格子の稜に押さえ付け、位置がずれないようにささえることが有効である。また、接着剤やハンダの充填具合によってはこれらがはみ出してレンズ面を覆い、レンズの有効径を狭めるなどの虞れもあるが、上記真空引きによってこのような虞れも防止可能である。すなわち、実装工程中、貫通孔からの真空引きの圧力をモニターして調節することにより、接着剤やハンダの充填具合を制御して有害なはみ出し等を容易に防止することができる。
上記の真空引きによる球レンズの固定方法の好ましい方法を図１８および図１９を用いてさらに詳しく説明する。まず、球状レンズ１００とホールアレイ基板７の孔の間に例えば接着手段８としての低融点ガラス（ガラスハンダ）８’（例えば、日本電気硝子株式会社製ＰＬＳ−３１２３）を充填する。そして、Ｖ溝ガラス格子基板１に設けられた１つ以上の貫通孔９から真空引きを行いながら、温度を上昇させ、低融点ガラス８’を熔融させる（図１８（ａ）、（ｂ）参照）。その時に、真空引き穴の圧力Ｐ２と球状レンズ保持部材の外部圧力Ｐ１の圧力差ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）をモニターする（図１９参照）。そしてホールアレイ基板７、球レンズ１００、Ｖ溝格子基板１の間が密閉状態になり、さらに、低融点ガラス８’の流動性が高くなってくると、外周圧により、ホールアレイ基板がＶ溝基板側（下側）へ押され、ホールアレイ基板とＶ溝格子ガラス基板の隙間が徐々に小さくなってくる（図１９のグラフの領域Ｂ）。そして、ホールアレイ基板とＶ溝格子ガラス基板の隙間がゼロになると、圧力差ΔPの変化が止まり、圧力は一定になる（図１９のグラフの領域Ｃ）。圧力差の変化が一定になってから、一定時間置く。これは、ホールアレイ基板７が下降することで上昇した低融点ガラス８’をＶ溝基板側へ引き戻すために行う（図１８（ｃ））。このように低融点ガラス８’をＶ溝基板側へ引き戻すことは、球レンズ実装品質としては、後述する球レンズを半球研磨して使用するフライングヘッド用のＳＩＬレンズ基板の場合は、特に、重要となる。即ち、半球研磨した際にこうすることで、ホールアレイ基板の裏面と低融点ガラスの面に凹部がなくなり、同一平面となることで、ホールアレイ基板−半球レンズ間が平面となり、ＳＩＬ搭載のフライングヘッドとしたとき、安定したヘッド浮上のが得られる。凹部があると、エアーベアリングの原理でヘッド浮上される際、乱流の発生要因となり、浮上が不安定になる。図２０は、実際、低融点ガラスとして日本電気硝子株式会社製ＰＬＳ−３１２３を用いたときに、昇温速度２℃／ｍｉｎで昇温した際にモニターを行った結果である。
このように、圧力差ΔPをモニターすることで、各部材の位置や充填剤の状態の変化を、リアルタイムに知ることができ、かつ、圧力を調整することで、それらの位置や状態を制御することができるので、精度の高い球レンズの固定ができる。
尚、真空引きを行うためのＶ溝ガラス格子基板１に設けられた貫通孔は、少なくとも１つでよく、その位置はレンズの真下に限るものではない。
【００４４】
以上のように、Ｖ溝格子ガラス基板を位置決め部材として用いることにより、ホールアレイ基板７の孔の中心と球状レンズの中心とが若干ずれた場合でも、固定工程中、球状レンズはＶ溝格子ガラス基板により高精度に位置決めされかつ安定に４点保持されるので、結果としてホールアレイ基板に球状レンズを３次元的に高精度に実装することができる。また、保持基板であるホールアレイ基板の孔径及びピッチ精度等の許容誤差を厳しくする必要はない。すなわち、数〜数十μｍ以上あってもよい。このため、低コストな保持部材が使用できる。さらに、このような方法では、高精度な光学素子の位置決め部材は繰り返し使用できること、ガラスハンダなどの高温プロセスによる固定ができること等から、結果として、高精度、高信頼性かつ低コストな球状レンズアレイが得られる。
【００４５】
このような工程で実装した、球状レンズアレイのレンズ間の位置精度は、Ｖ溝格子の位置精度にならった位置精度となる。ホールアレイ基板７として、Ｖ溝格子ガラス基板１と材料特性（特に、熱プロセスが必要なガラスハンダを用いる場合には、熱膨張係数）がほぼ同じ材料（ガラス又はセラミックス、結晶化ガラス）を用いた場合、ピッチ精度±１μｍ以内、球頂点高さ誤差がレンジで２μｍ以内となる。また、このレンズアレイの球の一部を研磨し、平面とすれば、半球レンズや超半球レンズのアレイを得ることができる。さらに、この後、ダイシングすることにより、容易に、レンズチップとすることができる。
【００４６】
また、位置決め部材の構成材料としてガラス基板を用いることで、ガラスからなる球レンズあるいはホールアレイ基板として用いるガラスやセラミックスとの材料特性（熱膨張係数、摩耗特性、研磨特性、弾性定数等）が近くなるため、球状レンズを実装するために、レンズを押圧を加えたり、２００℃以上の高温プロセスや研磨加工などを行っても、材料特性差に起因する、精度ずれや割れ、反りを抑制することができる。
尚、図１６（ｄ）において得られた球状レンズアレイを用いて、図１０〜図１３のようなレンズチップを製造することもできる。この場合、ホールアレイ基板を光透過性の高い材料（ガラス、結晶化ガラス、樹脂など）からなる材料とすることにより、ガラスホルダー付きレンズをすることができる。従来の金属ホルダー付きレンズは、モジュールに実装する際、金属ホルダーが光透過性がないために光硬化性接着剤（例えば紫外線（ＵＶ）硬化性接着剤）を用いることができなかったが、上記のように光透過性が高い基板を用いることにより光硬化性接着剤を使用することが可能である。さらに、本実施の形態による方法によって製造されたレンズアレイを用いれば、レンズは、ホールアレイ基板に対し、精度よく固定されているので、モジュール組み立ての際、基板上面や裏面又は側面をアライメントの基準面として用いることができ、パッシブアライメントが可能となる。
次に、図１６（ｄ）において得られた球状レンズアレイから、周知の光メモリ媒体用浮上型光ヘッドに用いられるＳＩＬ（ソリッドイマージョンレンズ）付きスライダチップを製造する方法を図２１を用いて説明する。なお、ＳＩＬ（ソリッドイマージョンレンズ）付きスライダチップは、図２１（ｅ）に示されるように、ＳＩＬ（ソリッドイマージョンレンズ）１００ｂが形成されたスライダ基板７ａのそれぞれのＳＩＬ（ソリッドイマージョンレンズ）１００ｂの上に対物レンズ１１が配置固定されたものである。図２１（ｅ）の点線で仕切られたそれぞれの領域に１個のＳＩＬ付きスライダチップが形成されている。この場合、図１６におけるホールアレイ基板７が加工されてスライダチップにおけるスライダ基板７ａ（例えばガラス製）に形成され、球状レンズ１００が加工されてＳＩＬ（ソリッドイマージョンレンズ）１００ｂに形成されたものである。
このＳＩＬ（ソリッドイマージョンレンズ）１００ｂの製造手順は次のとおりである。すなわち、図１６（ｄ）において得られたホールアレイ基板７に支持された球状レンズ１００の裏面から露出している半分を研磨によって除去する（図２１（ａ）（ｂ）参照）。球状レンズ１００は半球状レンズ１００ａになる。研磨方法は、例えばオスカー式片面研磨方法によって行う。次にフォトリソグラフィ法を用いてレンズ位置を基準に金属膜等でアライメントマーク（図示せず）を形成する。次に、エアーベアリングで負圧発生させるための凹部を形成するために、アライメントマークを基準に、イオンミリングやエッチング等で不要な部分を除去する（図２１（ｃ）参照）。これにより、ホールアレイ基板７及び半球状レンズ１００ａは、それぞれ、スライダ基板７ａ及びＳＩＬ（ソリッドイマージョンレンズ）１００ｂに形成される。次に、裏面に潤滑膜１０を成膜し、対物レンズ１１を上面に固定し、ダイシングし、チップに切断を行う（図２１（ｅ）参照）。
【００４７】
以上の通り、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、一定ピッチでレンズを基板に固定すること（レンズアレイサブストレート）により、レンズ自体やＶ溝格子基板、レンズを固定する保持部材基板に、フォトリソプロセスやエッチングなどの微細加工プロセスを取入れることが容易になり、レンズアレイの配列やレンズの光軸に合わせて回折格子やマイクロホールなどの微細形状や磁場を検出用の金属コイルなどの電極配線の形成が可能となり、サブストレートあるいはウエハ単位で一括処理できるプロセスを構築することができる。
【００４８】
なお、本発明の位置決め部材に適用可能な部材の形状は、球状に限ることなく、格子点の稜に接する曲面を一部に有する形状の部材であってもよい（マイクロシリンドリカルレンズ、ＰＣ研磨光ファイバフェルール、球状シリコンなど）。また、本発明の位置決め部材に適用可能な部材は、光学レンズに限ることなく、製作プロセスまたはその機能にアレイ化が不可欠であって、格子点の稜に接する曲面を一部に有する形状からなるものであればよい（例えば、ＰＣ研磨光ファイバフェルール、球状Ｓｉなど）。また、Ｖ溝格子ガラス基板の材料は、実装する光学素子やその保持部材との材料特性に合わせて選定されたものであれば、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスの他に、アルミノケイ酸ガラス、光学ガラス、結晶化ガラス、石英ガラス、超硬セラミックス、ＳｉＣ、サファイヤやルビー等の単結晶等でもよい。また、Ｖ溝の加工方法も、砥石による総形研削による以外の他の機械加工、例えば、研磨加工、ドリルを用いた加工、レーザマシーニングによる加工、放電加工、超音波加工でもよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述したように、、本発明は、基板の表面に、交差するＶ溝を形成し、一方のＶ溝の側面とこのＶ溝に交差するもう一方のＶ溝の側面とから形成される４つの稜に光学素子を接触させて支持することにより、前記４つの稜と前記光学素子表面とが接触する４点で幾何学的に決定される３次元的支持位置に前記光学素子を位置決めすることを特徴とするもので、これにより、球状レンズ等の光学素子を数μｍ以内の高精度で位置決めできるようにした光学素子の位置決め方法及び光学素子の位置決め部材並びに光学ユニット及びその製造方法を得ている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の構成を示す斜視図である。
【図２】  本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の説明図である。
【図３】  図２におけるＡ−Ａ’線切断面図である。
【図４】  本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の変型例の構成を示す図である。
【図５】  本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の変型例の構成を示す図である。
【図６】  砥石を用いてＶ溝を形成する場合の説明図である。
【図７】  交差Ｖ溝の形成深さが変化しても４つの接触点が同一平面内にあることの説明図である。
【図８】  Ｖ溝上面の角とＶ溝交差部の稜でのチッピングサイズの違いの説明図である。
【図９】  実施の形態にかかる光学素子の製造方法の説明図である。
【図１０】  実施の形態の方法で製造した３×３レンズアレイの平面図である。
【図１１】  実施の形態の方法で製造した２×２レンズアレイの平面図である。
【図１２】  実施の形態の方法で製造したレンズチップを示す図である。
【図１３】  ディスク型レンズチップの平面図である。
【図１４】  レンズチップの実装例を示す図である。
【図１５】  レンズチップの実装例を示す図である。
【図１６】  他の実施の形態にかかる光学素子の製造方法の説明図である。
【図１７】  加工した９×６Ｖ溝ガラス格子の球頂点位置測定結果を示す図である。
【図１８】  他の実施の形態にかかる光学素子の製造方法の説明図である。
【図１９】  他の実施の形態にかかる光学素子の製造方法の説明図である。
【図２０】  他の実施の形態にかかる光学素子の製造方法の説明図である。
【図２１】  他の実施の形態にかかる光学素子を用いたスライダチップの製造方法の説明図である。
【符号の説明】
１…基板、２…横方向Ｖ溝、３…縦方向Ｖ溝、２１、２２、３１、３２…Ｖ溝の側面、４１、４２、４３、４４…稜、１００…球状レンズ。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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