(57)【要約】【課題】光学素子の製造方法において、加熱効率が良好で、エネルギー量が少なくて済み、しかも成形品に残留応力や歪が発生することを低減する。【解決手段】一方の型が透光性材質で構成された分離型（５，６）内に、熱可塑性樹脂２を配置し、型温度を熱可塑性樹脂２のガラス転移温度乃至該温度の−２０度の範囲の所定の温度に制御しつつ、透光性材質で構成された透過型６の側より可視又は近赤外光等のエネルギー線１０を照射することにより微細な凹凸面（凸部５ａ）をガラス転移温度以上の温度とした状態で、分離型で圧縮して、熱可塑性樹脂２の表面に凹凸面を転写し、型温度を所定の温度に制御した状態で熱可塑性樹脂２を硬化させ、かつ型より離型する。これにより、エネルギー線による加熱部位を微小に抑えることができ、加熱効率が良く、高精度に成形できる。【選択図】図２
2005205860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開閉される分離型内に基材としての熱可塑性樹脂を装入し、一方の型表面に形成された微細な凹凸面を、その熱可塑性樹脂に転写することにより形成される光学素子の製造方法であって、
少なくとも一方の型が透光性材質で構成された分離型内に、熱可塑性樹脂を配置する樹脂供給工程と、
分離型の型温度を熱可塑性樹脂のガラス転移温度乃至該温度の−２０度の範囲の所定の温度に制御しつつ、透光性材質で構成された型の側より可視又は近赤外光等のエネルギー線を照射することにより微細な凹凸面をガラス転移温度以上の温度とした状態で、分離型で圧縮して、熱可塑性樹脂の表面に凹凸面を転写する樹脂転写工程と、
分離型の型温度を所定の温度に制御した状態で前記熱可塑性樹脂を硬化させ、かつ分離型より離型する樹脂離型工程と
を備えたことを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記樹脂転写工程において、エネルギー線としてレーザを用い、レーザの照射焦点を、前記凹凸面を有する転写型内の凹凸面に近接した深さ位置としたことを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記分離型は、透光性材質を備えた透光型と、微細な凹凸面を備えた転写型とで構成され、
前記樹脂転写工程において透光型の温度を転写型の温度よりも低く制御し、型の厚さ方向に温度勾配を持たせたことを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
微細な凹凸面を備えた転写型が、透光性材質を備え、
前記樹脂転写工程において該転写型の側よりエネルギー線を照射することを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂を基材とし、微細な凹凸面を持つ光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の光学素子の製造方法において、赤外線を吸収する成形型と、赤外線を透過する加圧型との間に、赤外線を透過する材料を入れ、加圧型側から成形型側に向けて赤外線を照射し、加圧することにより、光学素子を形成する方法が知られている（特許文献１参照）。この方法において、ある程度はエネルギー損失も少なく、成形サイクルを短くすることができる。
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に記載された方法においては、成形型全体を加熱し、その熱伝導により基材を溶融させ、形状を転写するため、加熱効率が良好でなく、エネルギー量は大きくなり、装置が大掛かりになったり、又は加熱・冷却に長時間を要する。また、冷却・固化時には、成形品全体が固化収縮するため、成形品に残留応力や歪が発生し易いといった問題がある。
【特許文献１】特開昭５７−７０６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、加熱効率が良好で、エネルギー量は少なくて済み、しかも成形品に残留応力や歪が発生することが低減される光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、開閉される分離型内に基材としての熱可塑性樹脂を装入し、一方の型表面に形成された微細な凹凸面を、その熱可塑性樹脂に転写することにより形成される光学素子の製造方法であって、少なくとも一方の型が透光性材質で構成された分離型内に、熱可塑性樹脂を配置する樹脂供給工程と、分離型の型温度を熱可塑性樹脂のガラス転移温度乃至該温度の−２０度の範囲の所定の温度に制御しつつ、透光性材質で構成された型の側より可視又は近赤外光等のエネルギー線を照射することにより微細な凹凸面をガラス転移温度以上の温度とした状態で、分離型で圧縮して、熱可塑性樹脂の表面に凹凸面を転写する樹脂転写工程と、分離型の型温度を所定の温度に制御した状態で前記熱可塑性樹脂を硬化させ、かつ分離型より離型する樹脂離型工程とを備えたものである。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１記載の光学素子の製造方法において、樹脂転写工程において、エネルギー線としてレーザを用い、レーザの照射焦点を、前記凹凸面を有する転写型内の凹凸面に近接した深さ位置としたものである。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１記載の光学素子の製造方法において、分離型は、透光性材質を備えた透光型と、微細な凹凸面を備えた転写型とで構成され、樹脂転写工程において透光型の温度を転写型の温度よりも低く制御し、型の厚さ方向に温度勾配を持たせたものである。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１記載の光学素子の製造方法において、微細な凹凸面を備えた転写型が、透光性材質を備え、樹脂転写工程において該転写型の側よりエネルギー線を照射するものである。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、分離型をガラス転移点付近の温度として状態で、エネルギー線照射により型の微細な凹凸面をガラス転移温度以上の温度とするので、少ないエネルギー線を照射するだけで樹脂を賦形することができ、成形品全体の固化収縮でないので、離型時に成形品に割れ等が生じ難くなり、精度良く成形することができる
【００１０】
請求項２の発明によれば、レーザによる加熱部位を微小に抑えることができるので、加熱効率が良い。
【００１１】
請求項３の発明によれば、分離型の厚み方向に温度差を設けることにより、転写側表面層のみを局所的に加熱することが可能となり、加熱効率が良くなる。
【００１２】
請求項４の発明によれば、エネルギー線により熱可塑性樹脂の転写表面層のみガラス転移温度以上に熱することができ、加熱効率が良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明方法により製造される光学素子の一例を示す。この光学素子１は、基材である光透過性の熱可塑性樹脂２に微細な凹凸面が転写されることで形成される光導波路基板（クラッド）であって、ここでは光導波路３は光分岐のスプリッタ構造を持つ。光導波路３をなす凹部の幅寸法は、約１０μｍ前後又はそれ以下とされ、この凹部に屈折率がクラッドよりも高いコア材（図示なし）が装入され、基板上はカバークラッドで覆われる。
【００１４】
図２（ａ）は実施例１による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成を、（ｂ）は転写型へのエネルギー線照射状態を、（ｃ）（ｄ）は転写型の平面及び側面の構成を示す。型装置は、基材としての熱可塑性樹脂２が装入される開閉自在な転写型５と透過型６とから成る分離型を主要構成とする。転写型５には、その型表面に熱可塑性樹脂に転写される微細な凹凸形状が形成されており、図示では発明概念を理解し易くするため模式的に、この微細凹凸形状を凸部５ａで表している。この凸部５ａは、上記図１に示した光学素子１の光導波路３をなす凹部を熱可塑性樹脂２に転写形成するためのものである。透過型６は、任意のエネルギー線１０を転写部に照射するために光透過性材で構成されている。いずれの型も、内部にヒータ７、８、冷却水通路（図示なし）及び温度センサ９が設置されており、製造工程の各段階に応じて温度制御される（詳細後述）。また、転写型５と透過型６とは、装入された熱可塑性樹脂を位置決め固定し、圧縮するために上下から押圧力を付与するための構成を有している。
【００１５】
熱可塑性樹脂２には、例えば、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＣＯＣなどが挙げられる。透過型６の材質は、エネルギー線１０の波長によって異なり、紫外域ではフッ化カルシウム、サファイアなど、可視・近赤外域ではガラスなど、遠赤外ではシリコンなどが挙げられる。分離型の温度は、熱可塑性樹脂２のガラス転移温度からガラス転移温度−２０℃の範囲内にする。分離型の温度制御は、特に、成形品の離型時の離型不良に関係するので重要であり、分離型の温度をガラス転移温度以上にした場合、離型時に熱可塑性樹脂の変形不良が生じ、分離型の温度をガラス転移温度−２０℃よりも低い温度にした場合は、離型時に熱可塑性樹脂の破断不良が生じる。分離型の温度制御は、型内を通す冷却水とヒータ７、８及び温度センサ９を用いて行う。
【００１６】
エネルギー線１０は、転写時に微細形状（凸部５ａ）を有する領域に照射し、エネルギー線照射部１０ａの熱可塑性樹脂２の温度をガラス転移温度以上まで上昇させ、分離型の圧縮によりエネルギー線１０を照射した部分の熱可塑性樹脂２に微細形状を転写する。このように、微細形状を有する領域のみにエネルギー線１０を照射することで、成形品全体の収縮による寸法変化を抑制することができる。分離型により転写に充分な時間だけ圧縮した後、エネルギー線１０の照射を止め、微細形状の温度をガラス転移温度からガラス転移温度−２０℃の範囲になるまで冷却し、離型させる。これにより、離型不良の少ない成形品が得られる。
【００１７】
図３は本実施例における製造工程全体の手順を示している。本実施例では、所定の型温度制御（＃４）をした状態で、エネルギー線照射（＃５）をして転写領域の温度を局部的に上げ、型圧縮による転写（＃６）を行い、その後、エネルギー線照射を停止（＃７）して、所定の型温度制御（＃８）を行った状態で離型（＃９）を行う。このような工程を経ることで、少ないエネルギー線を照射するだけで、成形品全体の固化収縮がなく、離型時に成形品に割れ等が生じ難くなり、樹脂を精度良く成形することができる。
【００１８】
図４（ａ）は実施例２による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成を、（ｂ）はスキャニング方式の場合の転写型へのエネルギー線照射状態、（ｃ）はマスキング方式の場合のマスクを示す。前述と同じ構成については重複説明を省く（以下同様）。本実施例は、エネルギー線としてレーザ光１１を用いる場合であり、レーザとしては、近赤外光を照射可能なＹＡＧレーザなどや、可視光を照射可能な半導体レーザなどを用いる。透過型６には、近赤外光や可視光を透過させるガラスなどを用い、熱可塑性樹脂２には、近赤外光及び可視光を透過しやすいものを使用する。転写型５には、レーザ光を吸収し発熱する材質で、微細形状の加工可能な材質を使用する。例えば、鋼材、銅、ニッケル、シリコンなどが挙げられる。
【００１９】
レーザ照射方法としては、スポット径１１ａを微細形状の凸部５ａに合わせ、レーザ光又は基材をスキャニングにより動かして微細形状部のみを照射するか、若しくはレーザ光のスポット径を微細形状の存在する領域全てを覆う面積まで広げ、開口１２ａを持つマスク１２を透過型６に装着したマスキングにより微細形状のみにレーザ光が照射されるようにする。このように、非転写部にレーザが照射されないようにすることにより、レーザによる加熱部位を微小に抑えることができるので、非転写部に発生する収縮を防止することができ、成形品の微細形状部の型内拘束による熱応力をなくすことが可能となる。また、レーザの焦点位置を、転写型５内で微細形状高さの０．５〜３．０倍の深さにすることで、最も加熱したい型表面部を効率的に加熱することができる。
【００２０】
図５は上記実施例２の変形例による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成を示す。この変形例では、熱可塑性樹脂２として、レーザ光を吸収し易いものを使用する。レーザ光の種類は、遠赤外光、紫外光から選べる。透過型６には、遠赤外光を透過させるシリコンや、紫外光を透過するフッ化カルシウム、サファイアなどを用いる。転写型５は、微細形状の加工可能な材質を使用する。例えば、ガラス、鉄鋼、銅、ニッケル、シリコンなどが挙げられる。レーザの照射方法は、上記実施例２と同様である。この場合においても、最も加熱したい部位を効率的に加熱することができる。
【００２１】
図６は実施例３による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成を示す。本実施例においては、分離型の温度は、熱可塑性樹脂２のガラス転移温度からガラス転移温度−２０℃の範囲に制御し、さらに透過型６の温度を転写型５の温度よりも低く制御する。例えば、熱可塑性樹脂２にＰＭＭＡを用いた場合、ガラス転移温度は１１０℃となり、透過型６の温度を９５℃、転写型５の温度を１０５℃に制御した。これにより、熱可塑性樹脂２の表面温度は、転写型５側が１０５℃、透過型６側が９５℃となり、厚さ方向に温度勾配を有する。この状態で、エネルギー線１０を用いて近赤外光を熱可塑性樹脂２に照射すると、熱可塑性樹脂２の転写面側領域Ａはガラス転移温度以上になるのに対して、透過型６側はガラス転移温度以下になり、熱可塑性樹脂２の透過側における熱応力の抑制などが可能となる。
【００２２】
図７は実施例４による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成を示す。本実施例においては、分離型として、通常の型１５と、エネルギー線１０照射側に透過兼転写の透過・転写型１６とを用いている。エネルギー線１０の波長には、遠赤外域を用い、透過・転写型１６は、遠赤外域の光をよく透過させるシリコンで作製する。熱可塑性樹脂２は、遠赤外波長を吸収し易い材質を用いる。分離型の温度をガラス転移温度以下からガラス転移温度よりも２０℃低い温度の間に制御する。例えば、熱可塑性樹脂２にＰＭＭＡ を用いた場合、ガラス転移温度は１１０℃であり、分離型の温度は１００℃に制御する。エネルギー線１０を透過・転写型１６を介して熱可塑性樹脂２に照射することで、熱可塑性樹脂２の転写表面層の領域Ａのみガラス転移温度以上に熱せられ、分離型を圧縮することで熱可塑性樹脂２に微細形状の転写が可能となる。こうして、樹脂の転写面側のみをガラス転移温度以上に局所的に加熱することによって、非転写部の収縮による熱応力をなくすことができる。
【００２３】
図８（ａ）は実施例５による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成を、（ｂ）（ｃ）は転写型の平面及び側面を示す。本実施例においては、転写型５の微細凹凸表面にＮｉ、Ｃｒをコーティング処理した型を用いた。エネルギー線の種類としては、近赤外光、遠赤外光、可視光、紫外光などが挙げられる。透過型６の材質としては、近赤外光、可視光の場合はガラス、遠赤外光の場合はシリコン、紫外光の場合はフッ化カルシウム、サファイアなどが挙げられる。転写型５の材料には、微細形状を加工しやすい鋼材、銅、ニッケル、シリコンなどを用い、微細形状の表面にＮｉ、Ｃｒなどをコーティングする。透過型６、熱可塑性樹脂２を介して、エネルギー線１０を転写型５の微細形状部に照射すると、コーティング材料に吸収されて発熱し、熱可塑性樹脂２の転写面側を集中的にガラス転移温度以上に加熱でき、分離型を圧縮することで微細形状の転写が可能となる。
【００２４】
図９（ａ）は上記実施例５の変形例による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成を、（ｂ）（ｃ）は透過・転写型の平面及び側面の構成を示す。この変形例は、実施例４と同様、分離型として、通常の型１５と、エネルギー線１０照射側に透過兼転写の透過・転写型１６とを用い、この透過・転写型１６の微細凹凸表面にＮｉ、Ｃｒをコーティング処理した型を用いた。エネルギー線１０の波長としては、近赤外光、遠赤外光、可視光、紫外光などが挙げられる。透過・転写型１６の材質は、近赤外光、可視光の場合はガラス、遠赤外光の場合はシリコン、紫外光の場合はフッ化カルシウム、サファイアなどが挙げられる。透過・転写型１６を介してエネルギー線１０を照射することにより、透過・転写型１６表面のコーティング層がエネルギー線１０を吸収、発熱し、分離型を圧縮させることで熱可塑性樹脂２に微細形状を転写させることができる。こうして、微細形状部のみを加熱することができるため、全体成形品の収縮の抑制が可能となる。
【００２５】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、本実施形態では、分離型内に熱可塑性樹脂２を装入配置する例を示したが、溶融樹脂を型内に注入する形式であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明方法により製造される光学素子の一例を示す斜視図。
【図２】（ａ）は実施例１による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成図、（ｂ）は転写型へのエネルギー線の照射状態を示す平面図、（ｃ）は転写型の平面図、（ｄ）は転写型の側面図。
【図３】本実施例における製造工程全体の手順を示す図。
【図４】（ａ）は実施例２による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成図、（ｂ）はスキャニング方式の場合の転写型へのエネルギー線の照射状態を示す平面図、（ｃ）はマスキング方式の場合のマスクの平面図。
【図５】実施例３による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成図。
【図６】実施例３による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成図。
【図７】実施例４による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成図。
【図８】（ａ）は実施例５による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成図、（ｂ）は転写型へのエネルギー線の照射状態を示す平面図、（ｃ）は転写型の側面図。
【図９】（ａ）は実施例５の変形例による光学素子の製造方法が適用される型装置の概略構成図、（ｂ）は透過・転写型へのエネルギー線の照射状態を示す平面図、（ｃ）は透過・転写型の側面図。
【符号の説明】
【００２７】
１  光学素子
２  熱可塑性樹脂
５  転写型（分離型）
５ａ  凸部
６  透過型（分離型）
１０  エネルギー線
１１  レーザ光
１５  型
１６  透過・転写型
【図１】
2005205860.tif 000003
【図２】
2005205860.tif 000004
【図３】
2005205860.tif 000005
【図４】
2005205860.tif 000006
【図５】
2005205860.tif 000007
【図６】
2005205860.tif 000008
【図７】
2005205860.tif 000009
【図８】
2005205860.tif 000010
【図９】
2005205860.tif 000011