(57)【要約】【課題】基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法であって、真空引きや金型コアの温度制御のための装置が不要であり、成形後の後処理が不要な方法を提供する。【解決手段】本発明による複合型光学素子を製造する方法は、基材２上にエネルギー硬化型樹脂１を塗布し、エネルギーを与えるステップと、その後、金型によって、基材上のエネルギー硬化型樹脂を、常温でプレス成形するステップと、を含む。本発明による複合型光学素子を製造する方法において、プレス成形する際のエネルギー硬化樹脂の粘度が、取り扱いの際に形状を維持することができ、かつ、常温において複合型光学素子に光学ひずみを生じさせない圧力で、プレス成形することができる値となるように、エネルギー硬化樹脂に与えるエネルギーおよびエネルギーを与えてからプレス成形するまでの時間を定める。【選択図】図１
2007313678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形した複合型光学素子を製造する方法であって、
基材上にエネルギー硬化型樹脂を塗布し、エネルギーを与えるステップと、
その後、金型によって、基材上のエネルギー硬化型樹脂を、常温でプレス成形するステップと、を含み、
プレス成形する際のエネルギー硬化樹脂の粘度が、取り扱いの際に形状を維持することができ、かつ、常温において複合型光学素子に光学ひずみを生じさせない圧力で、プレス成形することができる値となるように、エネルギー硬化樹脂に与えるエネルギーおよびエネルギーを与えてからプレス成形するまでの時間を定める、製造方法。
【請求項２】
プレス成形する際のエネルギー硬化樹脂の粘度が、１０３ 乃至１０５パスカル・秒の範囲となるように、エネルギー硬化樹脂に与えるエネルギーおよびエネルギーを与えてからプレス成形するまでの時間を定める、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
基材上にエネルギー硬化型樹脂を塗布し、エネルギーを与えるステップにおいて、基材をスピンコータに取付け、スピンコータを回転させて、塗布したエネルギー硬化型樹脂を均一にしながらエネルギーを与える請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
スピンコータを回転させて、基材上に塗布したエネルギー硬化型樹脂を均一にしながらエネルギーを与える際に、第１の所定の時間エネルギーを与えず、その後の第２の所定の時間エネルギーを与える請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
基材上にエネルギー硬化型樹脂を塗布し、エネルギーを与えるステップにおいて、基材の側壁にマスクを設け、当該ステップの終了後にマスクを取り除く請求項３に記載の製造方法。
【請求項６】
金型によって、基材上のエネルギー硬化型樹脂を成形するステップにおいて、金型の構造を、キャビティ内圧縮構造であって樹脂の逃げのない構造とする請求項１から５のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項７】
基材がガラス基材である請求項１から６のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項８】
エネルギー硬化型樹脂がいったんエネルギーを加えると、硬化反応が進むタイプの樹脂である請求項１から６のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項９】
エネルギーが紫外線である請求項１から６のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１０】
金型およびプレス成形装置が、エネルギー硬化型樹脂に紫外線が照射されるように構成されていない請求項９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法に関する。特に、成形後の樹脂のはみ出しを除去するための後処理や、金型温度の制御を必要としない、高精度の複合型光学素子を製造する方法に関する。
【０００２】
本発明による複合型光学素子を製造する方法は、マイクロレンズアレイ、回折レンズ、フレネルレンズ、サブ波長格子などの製造に使用される。
【背景技術】
【０００３】
一般に、光学素子の製造方法には、ガラス素材の研削や研磨あるいは型を使用した成形、または熱可塑性樹脂素材の射出成形やプレス成形などがある。ガラス素材は、樹脂素材と比較して、温度などの環境変化に対する性能の変動が小さい。他方、樹脂による成形は、形状精度に優れている。このような素材および製造方法の特徴にしたがって、素材および製造方法が使い分けられている。
【０００４】
表面に微細な構造を有する光学素子などの場合には、ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法が採用される。その理由は以下のとおりである。表面の微細な構造は、ガラス素材によって製造するのは、形状精度の点から困難である。他方、光学素子全体を樹脂素材とすると、温度などの環境変化に対する性能の変動が大きくなる。
【０００５】
図１１は、従来技術による、ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法の流れ図である。図１２乃至１４は、当該方法を、装置に関連して説明するための図である。従来技術による、ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法の手順を図１１にしたがって以下に説明する。
【０００６】
ステップＳ１１１０において、図１２に示すように、ガラス基材２を支持部材１４に配置し、握時部材１３によって握持する。
【０００７】
ステップＳ１１２０において、図１２に示すように、ガラス基材２上にエネルギー硬化型樹脂１を供給する。エネルギー硬化型樹脂１の粘度は、0.1乃至300パスカル・秒である。
【０００８】
ステップＳ１１３０において、図１３に示すように、金型コア５によって、エネルギー硬化型樹脂１を成形する。
【０００９】
ステップＳ１１４０において、成形中に、ガラス基材の側から、エネルギー硬化型樹脂１にエネルギーを供給し、エネルギー硬化型樹脂１を硬化させる。
【００１０】
ステップＳ１１５０において、図１４に示すように、ガラス基材２およびその上の成形されたエネルギー硬化型樹脂１を、金型コア５から取り出す。
【００１１】
上記の従来の方法は、たとえば、特許文献１に記載されている。
【００１２】
しかし、上記の従来の方法には以下に述べる問題点があった。
【００１３】
ガラス基材２上にエネルギー硬化型樹脂１を供給するステップ（Ｓ１１２０）において、エネルギー硬化型樹脂１がガラス基材２上に展開する間に、エネルギー硬化型樹脂１に気泡が入り込むことがある。また、金型コア５によって、エネルギー硬化型樹脂１を成形するステップ（Ｓ１１３０）において、金型コア５とエネルギー硬化型樹脂１との間に、エアが残留する場合がある。気泡やエアの対策として、ガラス基材と型部材の間の空間を真空引きする方法が提案されている。上記の方法は、たとえば、特開平９−２４５２２号公報に記載されている。
【００１４】
成形中に、ガラス基材の側から、エネルギー硬化型樹脂１にエネルギーを供給し、エネルギー硬化型樹脂１を硬化させるステップ（Ｓ１１４０）において、エネルギーが紫外線の場合、プレス成形時に紫外線を照射できるようにするので、金型コア５および装置の構造が複雑になる。また、金型コア５を、紫外線が透過する材料にした場合には、その材料による加工方法の制約が生じる。
【００１５】
また、エネルギー硬化型樹脂１を硬化させるステップ（Ｓ１１４０）において、エネルギー硬化型樹脂１は硬化しながら収縮する。ここで、圧力を保持しながら硬化させるためには、エネルギー硬化型樹脂１の量を多めにする必要がある。このため、エネルギー硬化型樹脂１の、金型コア５からのはみ出しが生じる。したがって、はみ出しを処理するための、後処理工程が必要となる。
【００１６】
後処理工程は、成形後外形の仕上げのために切断、研磨、バリ仕上げなどである。この作業において切断および研磨カスが製品表面へ付着することがある。この製品表面は手で触れることが出来ないので洗浄液に浸して製品表面を傷つけないように洗浄する工程が必要となり、洗浄液による製品の劣化などが発生する可能性がある。また切断時の研磨カスそのものが光学面にぶつかることにより傷が発生することも考えられる。
【００１７】
成形中に、ガラス基材の側から、エネルギー硬化型樹脂１にエネルギーを供給し、エネルギー硬化型樹脂１を硬化させるステップ（Ｓ１１４０）において、エネルギーを加えることにより、エネルギー硬化型樹脂１や金型コア５の温度が上昇する。したがって、成形品の精度を向上させるためには、金型コア５の温度制御などが必要となる。金型の温度を制御する複合型光学素子の製造方法は、特許文献２に記載されている。
【００１８】
【特許文献１】特開２００３−７１８５８号公報
【特許文献２】特許３３５９６３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する従来の方法においては、高精度の成型品を得るために、真空引きや金型コアの温度制御が必要であり、そのための装置が必要となる。また、成形後の後処理が必要である。
【００２０】
したがって、基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法であって、真空引きや金型コアの温度制御のための装置が不要であり、成形後の後処理が不要な方法に対するニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明による複合型光学素子を製造する方法は、基材上にエネルギー硬化型樹脂を塗布し、エネルギーを与えるステップと、その後、金型によって、基材上のエネルギー硬化型樹脂を、常温でプレス成形するステップと、を含む。本発明による複合型光学素子を製造する方法において、プレス成形する際のエネルギー硬化樹脂の粘度が、取り扱いの際に形状を維持することができ、かつ、常温において複合型光学素子に光学ひずみを生じさせない圧力で、プレス成形することができる値となるように、エネルギー硬化樹脂に与えるエネルギーおよびエネルギーを与えてからプレス成形するまでの時間を定める。
【００２２】
エネルギー硬化型樹脂にエネルギーを与えてある程度硬化させた状態で成形するので、金型とエネルギー硬化型樹脂との間で気泡が発生しにくい。このため、真空引きは不要である。また、エネルギー硬化型樹脂にエネルギーを与えてある程度硬化させた状態で成形するので、金型内での、エネルギー硬化型樹脂の硬化時に重合や架橋反応による発熱を抑えることができる。このため、金型コアの温度制御は不要である。ただし、室温を管理する必要はある。また、成型後の後処理工程が不要となるので、外形形状の公差±0.01ミリメータ以下で加工できる。
【００２３】
本発明によれば、常温で成形できるため金型の形状がそのまま転写できる。したがって、成形時の熱膨張の金型補正は必要ない。
【００２４】
しかも、取り扱いの際に形状を維持することができ、かつ、常温において複合型光学素子に光学ひずみを生じさせない圧力で、プレス成形することができるので、製造が容易である。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、プレス成形する際のエネルギー硬化樹脂の粘度が、１０３ 乃至１０５パスカル・秒の範囲となるように、エネルギー硬化樹脂に与えるエネルギーおよびエネルギーを与えてからプレス成形するまでの時間を定める。
【００２６】
本発明の他の実施形態によれば、基材上にエネルギー硬化型樹脂を塗布し、エネルギーを与えるステップにおいて、基材をスピンコータに取付け、スピンコータを回転させて、塗布したエネルギー硬化型樹脂を均一にしながらエネルギーを与える。
【００２７】
したがって、成形前にエネルギー硬化型樹脂の厚さを一定とする結果、成形工程において、樹脂量が少ないことによる樹脂の未充填や、樹脂量が多いことによる樹脂の過剰なはみ出しを防止することができる。また、回転停止後においても、エネルギー硬化型樹脂がある程度硬化しているので、端部の樹脂が回転軸側に戻ることはなく、端部においても厚さは均一に保持される。
【００２８】
本発明の他の実施形態によれば、スピンコータを回転させて、基材上に塗布したエネルギー硬化型樹脂を均一にしながらエネルギーを与える際に、第１の所定の時間エネルギーを与えず、その後の第２の所定の時間エネルギーを与える。
【００２９】
したがって、第１の所定の時間でエネルギー硬化型樹脂の厚さが均一となり、第２の所定の時間で、エネルギー硬化型樹脂がある程度まで硬化される。
【００３０】
本発明の他の実施形態によれば、基材上にエネルギー硬化型樹脂を塗布し、エネルギーを与えるステップにおいて、基材の側壁にマスクを設け、当該ステップの終了後にマスクを取り除く。
【００３１】
したがって、基材の側壁にはみ出した樹脂を容易に除去することができる。
【００３２】
本発明の他の実施形態によれば、金型によって、基材上のエネルギー硬化型樹脂を成形するステップにおいて、金型の構造を、キャビティ内圧縮構造であって樹脂の逃げのない構造としている。
【００３３】
したがって、成形後の成型品の後仕上げが不要となる。
【００３４】
本発明の他の実施形態によれば、基材がガラス基材である。
【００３５】
したがって、ガラスの、温度などの環境変化に対する性能と、樹脂の、加工性の両方を活用することができる。
【００３６】
本発明の他の実施形態によれば、エネルギー硬化型樹脂がいったんエネルギーを加えると、硬化反応が進むタイプの樹脂である。
【００３７】
したがって、金型内でエネルギー硬化型樹脂にエネルギーを与える必要がない。また、金型内でエネルギー硬化型樹脂にエネルギーを与える必要がないので、金型およびプレス成形装置の構造が簡単になる。
【００３８】
本発明の他の実施形態によれば、エネルギーが紫外線である。
【００３９】
したがって、エネルギー硬化型樹脂に紫外線を照射することにより、容易にエネルギーを与えることができる。
【００４０】
本発明の他の実施形態によれば、金型およびプレス成形装置が、エネルギー硬化型樹脂に紫外線を照射するように構成されていない。
【００４１】
したがって、金型およびプレス成形装置の構造が簡単になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
図１は、本発明の一実施形態による、基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法の流れ図である。図２および３は、当該方法を、金型装置に関連して説明するための図である。基材は、セラミックや金属でもよいが、以下の実施形態ではガラスとする。本発明の一実施形態による、ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法の手順を以下に説明する。
【００４３】
ステップＳ０１１０において、スピンコータへ基材を取付ける。
【００４４】
ステップＳ０１２０において、基材上にエネルギー硬化型樹脂を供給し、スピンコータを回転させる。スピンコータの回転速度は、たとえば、２０００ｒｐｍである。スピンコータを回転させる時間は、エネルギー硬化型樹脂の厚さを均一にするために必要な時間である。具体的に、スピンコータを６０秒間回転させる。ここで、エネルギー硬化型樹脂の厚さは、約２５マイクロ・メータである。
【００４５】
ステップＳ０１３０において、引き続きスピンコータを回転させながら、紫外線照射装置を使用して、エネルギー硬化型樹脂に紫外線を照射して、樹脂をある程度まで硬化させる。ここで、硬化の程度は、低い圧力で成形できる程度が望ましい。他方、取り扱いの観点から、その形状を保持できる硬化の程度が必要である。紫外線照射の間、スピンコータの回転速度は、２０００ｒｐｍのままである。
【００４６】
図４は、プレス成形圧力の種々の値に対して、樹脂粘度（横軸）とプレス成形による充填率（縦軸）との関係を示す図である。プレス成形される樹脂は常温である。充填率は、金型の格子高さに対する、成形された樹脂の格子高さの比である。成形された樹脂の格子高さは、原子間力顕微鏡で測定した。図４において、一点鎖線は５メガ・パスカル、実線は１０メガ・パスカル、点線は３０メガ・パスカルのプレス成形圧力を示す。
【００４７】
３０メガ・パスカルのプレス成形圧力であれば、成形された光学素子に光学ひずみが生じることはない。３０メガ・パスカルのプレス成形圧力の場合でも、樹脂粘度が、１０５パスカル・秒を超えると、充填率は低下する。この場合に、プレス成形を行うには、樹脂を加熱して軟化させることが必要である。したがって、常温でプレス成形を行うことはできない。
【００４８】
他方、樹脂粘度が、１０５パスカル・秒以下であれば、１０メガ・パスカルのプレス成形圧力であっても、常温のプレス成形によって９０％以上の充填率を達成することができる。また、樹脂粘度は、取り扱い易さの点から、樹脂の形状を維持することができる粘度以上であるのが好ましい。具体的には、１０３パスカル・秒以上であるのが好ましい。すなわち、プレス成形の際の樹脂粘度は、１０３パスカル・秒以上１０５パスカル・秒以下であるのが好ましい。
【００４９】
図５は、紫外線照射条件に対して、紫外線照射後の時間（横軸）と樹脂粘度（縦軸）との関係を示す図である。図５において、一点鎖線は３０ｍＷ／ｃｍ２で５秒間照射した場合、実線は４５ｍＷ／ｃｍ２で１０秒間照射した場合、点線は４５ｍＷ／ｃｍ２で２０秒間照射した場合を示す。
【００５０】
４５ｍＷ／ｃｍ２で１０秒間照射した場合および４５ｍＷ／ｃｍ２で２０秒間照射した場合には、樹脂粘度が、１０５パスカル・秒になるまでに、紫外線照射後約５００秒かかる。したがって、紫外線照射後５００秒以内にプレス成形を行う場合には、４５ミリワットで１０秒乃至２０間照射すればよい。紫外線照射後プレス成形を行うまでの時間が５００秒以上である場合には、照射強度または照射時間を小さくすればよい。
【００５１】
上記のように、ステップＳ０１３０において与えるエネルギーの量を制御することにより、硬化速度を制御することができる。成形まで、エネルギー硬化型樹脂のある程度の柔らかさを維持しながら、金型内での、エネルギー硬化型樹脂の硬化時に重合や架橋反応による発熱を抑えることができ、発熱による金型温度上昇に起因する形状変化を抑えることができる。
【００５２】
ここで、留意すべき点は、いったんエネルギーを加えると、硬化反応が進むタイプの樹脂を使用することにより、金型内でエネルギーを与える必要がないことである。このようなタイプの樹脂としては、重合タイプの樹脂で、たとえばエポキシ基材にスルホニウム塩系重合開始剤などの重合開始剤が入ったものなどがある。上記のタイプの樹脂であれば、他のエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂であってもよい。
【００５３】
スピンコータの回転停止後ではなく、回転中にエネルギーを与える方がよい理由は次の通りである。スピンコータの回転中にエネルギーを与えなかった場合における、エネルギー硬化型樹脂の、スピンコータの回転中および回転停止後の形状を図７および８に示す。スピンコータの回転中は、図７に示すように、エネルギー硬化型樹脂１の厚さは均一である。しかし、回転停止後に、図８に示すように、端部の樹脂が回転軸側に戻り、端部の厚さが厚くなると考えられる。つぎに、スピンコータの回転中にエネルギーを与えた場合における、スピンコータの回転停止後の、エネルギー硬化型樹脂１の形状を図９および１０に示す。スピンコータの回転の回転停止後においても、エネルギー硬化型樹脂１がある程度硬化しているので、図９に示すように、端部の樹脂が回転軸側に戻る量は少なく、端部においても厚さはほぼ均一に保持される。図９において、さらに、基材２の側壁にマスキングテープ２１を貼り付けている。スピンコータの回転停止後にマスキングテープ２１を取り除くことにより、図１０に示すように、基材２の側壁にはみ出した樹脂を容易に除去することができる。図１０において、基材２からはみ出した樹脂の部分は、カッターなどによって容易に除去することができる。
【００５４】
ここで、留意すべき点は、後工程の成形前にエネルギー硬化型樹脂の厚さを一定とする点である。成形前にエネルギー硬化型樹脂の厚さを一定とする結果、成形工程において、樹脂量が少ないことによる未充填や樹脂量が多いことによる過剰なはみ出しを防止することができる。
【００５５】
図１のステップＳ０１４０において、エネルギー硬化型樹脂が塗布された基材を金型に取付ける。図２において、基材は２で、基材上に塗布されたエネルギー硬化型樹脂は１で示される。金型は、金型コア５、取付け板３、上型板４、下型板７ならびに取付け板１０を含む。金型は、さらに、基材圧縮コア８および基材圧縮ブロック１１を含む。このように、金型の構造は、キャビティ内圧縮構造であって樹脂の逃げのない構造としている。したがって、成形後の後仕上げが不要となる。
【００５６】
本実施形態において、金型および図示しないプレス成形装置が、エネルギー硬化型樹脂に紫外線を照射するように構成されていない。したがって、金型およびプレス成形装置の構造が簡単になる。
【００５７】
ステップＳ０１５０において、図３に示すように、コア圧縮ブロック１１に圧力をかけて、基材圧縮コア８と金型コア５との間で、エネルギー硬化型樹脂１を成形する。圧力の範囲は、５乃至３０メガ・パスカルである。このように、比較的低い圧力で成形することができるため、硬化していない樹脂を金型内に充填した場合と同じプレス機構で成形することができる。
【００５８】
ステップＳ０１６０において、基材２とその上の成形されたエネルギー硬化型樹脂１を金型から取り出す。
【００５９】
本実施形態においては、樹脂を塗布するのにスピンコータを使用したが、ディスペンサーなど他の装置を使用してもよい。
【００６０】
図６は、本発明の方法によって製造されたマイクロレンズアレイを示す。基材上に、エネルギー硬化型樹脂からなる、片面凸のマイクロレンズが配置されている。マイクロレンズの数は、図を簡単にする目的で、実際の数とは対応していない。基材の寸法は、縦横およそ、６０ミリ・メータ、マイクロレンズの径は、およそ５０マイクロ・メータ、マイクロレンズのサグ量は、およそ１０マイクロ・メータである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態による、基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法の流れ図である。
【図２】本発明の一実施形態による、ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法に使用される金型を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による、ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法に使用される金型を示す図である。
【図４】プレス成形圧力の種々の値に対して、樹脂粘度（横軸）とプレス成形による充填率（縦軸）との関係を示す図である。
【図５】紫外線照射条件に対して、紫外線照射後の時間（横軸）と樹脂粘度（縦軸）との関係を示す図である。
【図６】本発明の方法によって製造されたマイクロレンズアレイを示す図である。
【図７】スピンコータの回転中にエネルギーを与えなかった場合の、エネルギー硬化型樹脂の、スピンコータの回転中の形状を示す図である。
【図８】スピンコータの回転中にエネルギーを与えなかった場合の、エネルギー硬化型樹脂の、スピンコータの回転停止後の形状を示す図である。
【図９】スピンコータの回転中にエネルギーを与えた場合において、スピンコータの回転停止後の、エネルギー硬化型樹脂の形状を示す図である。
【図１０】スピンコータの回転中にエネルギーを与えた場合において、スピンコータの回転停止後にマスクを除去した、エネルギー硬化型樹脂の形状を示す図である。
【図１１】従来技術による、ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法の流れ図である。
【図１２】従来技術による、ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法を、装置に関連して説明するための図である。
【図１３】従来技術による、ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法を、装置に関連して説明するための図である。
【図１４】従来技術による、ガラス基材上にエネルギー硬化型樹脂を成形して複合型光学素子を製造する方法を、装置に関連して説明するための図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…エネルギー硬化型樹脂、２…基材、５…金型コア
【図１】
2007313678.tif 000003
【図２】
2007313678.tif 000004
【図３】
2007313678.tif 000005
【図４】
2007313678.tif 000006
【図５】
2007313678.tif 000007
【図６】
2007313678.tif 000008
【図７】
2007313678.tif 000009
【図８】
2007313678.tif 000010
【図９】
2007313678.tif 000011
【図１０】
2007313678.tif 000012
【図１１】
2007313678.tif 000013
【図１２】
2007313678.tif 000014
【図１３】
2007313678.tif 000015
【図１４】
2007313678.tif 000016