JP2005205860A - Method for production of optical element - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a method for manufacturing an optical element having a fine uneven surface using a thermoplastic resin as a base material.
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。 Conventionally, in this type of optical element manufacturing method, a material that transmits infrared light is inserted between a mold that absorbs infrared light and a pressure mold that transmits infrared light, and infrared light is directed from the pressure mold side toward the mold side. A method of forming an optical element by irradiating and pressurizing is known (see Patent Document 1). In this method, energy loss is small to some extent, and the molding cycle can be shortened.
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。
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。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is an optical element that has good heating efficiency, requires a small amount of energy, and reduces the occurrence of residual stress and distortion in a molded product. An object is to provide a manufacturing method.
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。
In order to achieve the above-mentioned object, the invention according to
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。 According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing an optical element according to the first aspect, in the resin transfer step, a laser is used as an energy beam, and the focal point of the laser is close to the concave / convex surface in the transfer mold having the concave / convex surface. This is the depth position.
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。 According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing an optical element according to the first aspect, the separation mold is composed of a translucent mold provided with a translucent material and a transfer mold provided with fine uneven surfaces, and a resin. In the transfer process, the temperature of the translucent mold is controlled to be lower than the temperature of the transfer mold, and a temperature gradient is provided in the mold thickness direction.
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。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an optical element according to the first aspect, the transfer mold having a fine uneven surface is provided with a translucent material, and an energy beam is applied from the transfer mold side in the resin transfer step. Irradiation.
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 According to the first aspect of the present invention, since the fine uneven surface of the mold is set to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature by irradiation with energy rays in a state where the separation mold is at a temperature near the glass transition point, only a small amount of energy rays are irradiated. Since the resin can be shaped with no solidification shrinkage of the entire molded product, it becomes difficult to cause cracks in the molded product at the time of mold release and can be molded with high accuracy.
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。 According to the second aspect of the present invention, the heating portion by the laser can be suppressed to be minute, so that the heating efficiency is good.
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。
According to the invention of
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。
According to invention of
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。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of an optical element manufactured by the method of the present invention. The
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。
2A shows a schematic configuration of a mold apparatus to which the optical element manufacturing method according to the first embodiment is applied, FIG. 2B shows an energy beam irradiation state on the transfer mold, and FIG. 2C and FIG. The structure of a plane and a side is shown. The mold apparatus is mainly composed of a separation mold composed of a
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。
Examples of the
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。
The
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。 FIG. 3 shows the procedure of the entire manufacturing process in the present embodiment. In this embodiment, in a state where the predetermined mold temperature control (# 4) is performed, energy beam irradiation (# 5) is performed to locally increase the temperature of the transfer region, and transfer by mold compression (# 6) is performed. Then, energy beam irradiation is stopped (# 7), and mold release (# 9) is performed in a state where predetermined mold temperature control (# 8) is performed. By passing through such a process, only a small amount of energy rays are irradiated, so that there is no solidification shrinkage of the entire molded product, cracking or the like hardly occurs in the molded product at the time of mold release, and the resin can be molded with high accuracy.
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。
4A shows a schematic configuration of a mold apparatus to which the optical element manufacturing method according to the second embodiment is applied, FIG. 4B shows an energy beam irradiation state on a transfer mold in the case of a scanning method, and FIG. 4C shows a masking method. The mask in the case of. The same description as above will be omitted (the same applies hereinafter). In this embodiment, the laser beam 11 is used as the energy beam. As the laser, a YAG laser capable of irradiating near infrared light, a semiconductor laser capable of irradiating visible light, or the like is used. The
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。
As a laser irradiation method, the spot diameter 11a is adjusted to the fine-shaped
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。
FIG. 5 shows a schematic configuration of a mold apparatus to which an optical element manufacturing method according to a modification of the second embodiment is applied. In this modification, a
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。
FIG. 6 shows a schematic configuration of a mold apparatus to which the optical element manufacturing method according to the third embodiment is applied. In this embodiment, the temperature of the separation mold is controlled in the range from the glass transition temperature of the
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。
FIG. 7 shows a schematic configuration of a mold apparatus to which the optical element manufacturing method according to the fourth embodiment is applied. In this embodiment, a normal mold 15 and a transmission / transfer mold 16 for transmission and transfer on the irradiation side of the
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。
FIG. 8A shows a schematic configuration of a mold apparatus to which the optical element manufacturing method according to the fifth embodiment is applied, and FIGS. 8B and 8C show a plane and side surfaces of the transfer mold. In the present embodiment, a mold in which Ni and Cr are coated on the fine uneven surface of the
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。
FIG. 9A shows a schematic configuration of a mold apparatus to which an optical element manufacturing method according to a modification of the fifth embodiment is applied, and FIGS. 9B and 9C show a plane and side configuration of a transmission / transfer mold. Similar to the fourth embodiment, this modification uses a normal mold 15 as a separation mold and a transmission / transfer mold 16 for transmission and transfer on the irradiation side of the
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。
In addition, this invention is not restricted to the said embodiment, Various deformation | transformation are possible. For example, in the present embodiment, the example in which the
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
DESCRIPTION OF
10 energy beam 11 laser beam 15 type 16 transmission / transfer type
Claims (4)
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。 A method of manufacturing an optical element formed by inserting a thermoplastic resin as a base material into a separation mold that is opened and closed, and transferring a fine uneven surface formed on one mold surface to the thermoplastic resin Because
A resin supply step of disposing a thermoplastic resin in a separation mold in which at least one mold is made of a translucent material;
While controlling the mold temperature of the separation mold to a predetermined temperature in the range of the glass transition temperature of the thermoplastic resin to −20 degrees of the temperature, visible or near infrared light or the like from the mold side made of a translucent material A resin transfer step of transferring the uneven surface to the surface of the thermoplastic resin by compressing with a separation mold in a state where the fine uneven surface is set to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature by irradiating
A method for producing an optical element, comprising: a resin mold release step of curing the thermoplastic resin in a state in which a mold temperature of a separation mold is controlled to a predetermined temperature and releasing the mold from the separation mold.
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。 The separation mold is composed of a translucent mold provided with a translucent material and a transfer mold provided with a fine uneven surface,
2. The method of manufacturing an optical element according to claim 1, wherein the temperature of the translucent mold is controlled to be lower than the temperature of the transfer mold in the resin transfer step so as to have a temperature gradient in the thickness direction of the mold.
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。 The transfer mold with fine uneven surface has a translucent material,
2. The method of manufacturing an optical element according to claim 1, wherein energy rays are irradiated from the transfer mold side in the resin transfer step.
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