JP2006265026A - 透光性セラミック構造体およびその製造方法ならびにマイクロレンズアレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化が可能で、均質で寸法精度が高く、光学部品への適用が最適な透光性セラミック構造体およびその製造方法ならびにこのような透光性セラミック構造体からなるマイクロレンズアレイの製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の透光性セラミック構造体は、透光性セラミック粉末と有機バインダーからなる混練物を粉末射出成形により成形した後、焼結することにより得られるものである。この場合、透光性セラミック粉末は平均粒径（Ｘ）が０．１〜５．０μｍ（０．１μｍ≦Ｘ≦５．０μｍ）の範囲内の粉末を用いて、最小粒径が０．２Ｘで、最大粒径が５Ｘの範囲内になるように分級された粉末により構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、透光性セラミック粉末と有機バインダーからなる混練物を粉末射出成形により成形した後、焼結することにより得られた透光性セラミック構造体およびその製造方法、ならびに透光性セラミック構造体からなるマイクロレンズアレイの製造方法に関する。

従来より、高屈折率で、高透過率を有する透光性セラミック構造体を製造するための種々の製造方法が提案されている。例えば、溶融石英法においては、石英をカーボン製の治具内で溶融させて成形するものである。これによれば、石英を溶融させて成形する必要があるため、成形型での成形が困難で、複雑な形状に成形できないという欠点があった。また、ガラス転移点の低いガラスを金型成形にて製造するモールド成型法も提案されている。このモールド成型法においては、精密に加工された金型に一次プリフォーム（鏡面状態を有する光学ガラス素材）を供給し、この一次プリフォームと金型をガラスが変形する温度に加熱した後、適度の圧力でプレス成形することで金型の面形状をガラス素材に転写して、精密光学ガラスを製造するものである。

ところで、上述したモールド成型法においては、金属型で成形が可能となるが、ガラスの溶融粘度が高いため、溶融したガラスの急激な変化を伴う形状に成形ができなく、金型への転写性が悪いという問題を生じた。また、光学ガラスのモールドレンズの成形は通常高い温度で行われるため、超硬合金やセラミックスなどの高価な耐熱用の金型材料を使用する必要があるので、金型が高価になるという問題を生じた。また、耐熱用の金型は加工が困難で形状も制約されるという問題も生じた。さらに、プレス成形作業中の加熱と冷却の繰り返しによる金型の劣化が速いために、金型の寿命も短いという問題も生じた。さらにまた、通常の光学ガラスよりも低温度でプレスできるモールドレンズ用光学ガラスも市販されているが、成形温度が３７０〜４００℃程度と高温にする必要があるため、製造設備も高価になるという問題も生じた。

そこで、セラミック粉末（例えば、石英やガラスなど）と水とバインダーからなるスラリーを型に流し込み、乾燥させた後、焼結して成型物を得るという泥奬鋳込み法が、特許文献１（特開平１２−１０３６３０号公報）や特許文献２（特開平１５−２７０４８６号公報）で提案されるようになった。この場合、この泥奬鋳込み法を用いれば、上述したモールド成型法の問題点を解消できるようになる。
特開平１２−１０３６３０号公報 特開平１５−２７０４８６号公報

しかしながら、上述した泥奬鋳込み法においては、比較的大きなもの（例えば、直径が１０ｍｍ以上のもの）の成形には適しているが、１０ｍｍ未満の小型の部品には適さないとともに、寸法精度も５０μｍ程度であって、光学レンズなどの寸法精度が要求される光学部品には適用できないという問題があった。
そこで、本発明は上記の如き問題点を解消するためになされたものであり、小型化が可能で、均質で寸法精度が高く、かつ光学部品への適用が最適な透光性セラミック構造体およびその製造方法ならびにこのような透光性セラミック構造体からなるマイクロレンズアレイの製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、透光性セラミック粉末と有機バインダーからなる混練物を粉末射出成形により成形した後、焼結することにより得られた透光性セラミック構造体であって、上記目的を達成するため、透光性セラミック粉末は平均粒径（Ｘ）が０．１〜５．０μｍ（０．１μｍ≦Ｘ≦５．０μｍ）の範囲内の平均粒径を有する粉末を用いて、最小粒径が０．２Ｘで、最大粒径が５Ｘの範囲内になるように分級された粉末により構成されていることを特徴とする。

このように平均粒径（Ｘ）が０．１〜５．０μｍ（０．１μｍ≦Ｘ≦５．０μｍ）の範囲内の粒径のものが、分級により、最小粒径が０．２Ｘで最大粒径が５Ｘの範囲内になるように選別されたものを透光性セラミック粉末として用いると、粒径の不均一性が解消されることにより、内部欠陥が減少した透光性セラミック構造体が得られることとなる。これにより、屈折率が均一で透過性に優れるとともに、小形で寸法精度にも優れた透光性セラミック構造体を得ることが可能となる。

この場合、透光性セラミック粉末は、硼珪酸ガラス、シリカ（ＳｉＯ₂）、酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）、カルシア（ＣａＯ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）₂）、硼酸（Ｂ₂Ｏ₃）、酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化リチウム（Ｌｉ₂Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）から選択される少なくとも１種からなるのが望ましい。また、透光性セラミック粉末は合成石英ガラスからなり、光の透過率が紫外から赤外の波長領域で８０％以上であるのが望ましい。

ここで、上述した透光性セラミック構造体を製造するには、平均粒径（Ｘ）が０．１〜５．０μｍ（０．１μｍ≦Ｘ≦５．０μｍ）の範囲内の粉末を用いて、最小粒径が０．２Ｘで、最大粒径が５Ｘの範囲内になるように分級する分級工程と、分級された透光性セラミック粉末に有機バインダーが添加された混練物を粉末射出成形により所定の形状の成形物に成形する射出成形工程と、射出成形物を焼結する焼結工程とを備えるようにすればよい。

このような分級工程を備えることにより、内部欠陥が減少した透光性セラミック構造体を得ることが可能となる。そして、射出成形によるため、生産性が高いとともに、成形型に用いる成形体を薄膜法により成形することが可能であるため、低コストで成形型を得ることができる。また、射出成形の温度も低温度（例えば、１５０〜１８０℃）で行えることから、高価な耐熱用成形型材料を用いる必要もなくなるとともに、成形型の寿命も長くなる。

ついで、本発明の透光性セラミック構造体の実施の形態を図１〜図１０に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。なお、図１は、本発明の透光性セラミック構造体に用いられる原料粉末の分布を示す図であり、図１（ａ）は原料粉末の粒径分布の一例を示す図であり、図１（ｂ）は分級後の原料粉末の粒径分布の一例を示す図である。図２は合成石英からなる透光性セラミック構造体を製造する際の脱バインダ処理および焼結処理の昇温パターン、降温パターンを示す図である。図３は３００〜１７００ｎｍの波長領域での透過率を示す図である。図４は合成石英からなる透光性セラミック構造体の３００〜１７００ｎｍの波長領域での透過率を示す図である。

図５は光学ガラスからなる透光性セラミック構造体を製造する際の脱バインダ処理および焼結処理の昇温パターン、降温パターンを示す図である。図６は実施例１のマイクロレンズアレイを模式的に示す図であり、図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）は側面図である。図７は実施例２のマイクロレンズアレイを模式的に示す図であり、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は側面図である。図８は実施例３のマイクロレンズアレイを模式的に示す図であり、図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は側面図である。図９はマイクロレンズアレイを成形するための成形板の作製工程例を模式的に示す断面図である。図１０は、図９の成形板を用いた成形型の一例を模式的に示す断面図である。

１．合成石英からなる透光性セラミック構造体の作製
まず、シリコン（Ｓｉ）粉末を２０００℃以上に加熱してＳｉをガス化状態にし、このガス化状態のＳｉを酸化させてＳｉＯ₂とした後、このＳｉＯ₂を冷却させた。ここで、ＳｉＯ₂を冷却すると、表面張力により球状化して所定の平均粒径（Ｘ）を有する球状のＳｉＯ₂粉末が得られる。そして、球状のＳｉＯ₂粉末の平均粒径（Ｘ）が０．１μｍのものを採取して原料粉末α１とした。また、平均粒径（Ｘ）が０．５μｍのものを採取して原料粉末α２とし、平均粒径（Ｘ）が１．０μｍのものを採取して原料粉末α３とし、平均粒径（Ｘ）が３．０μｍのものを採取して原料粉末α４とし、平均粒径（Ｘ）が５．０μｍのものを採取して原料粉末α５とし、平均粒径（Ｘ）が７．０μｍのものを採取して原料粉末α６とし、平均粒径（Ｘ）が１０．０μｍのものを採取して原料粉末α７とした。

ついで、得られた原料粉末α３（平均粒径（Ｘ）が１．０μｍのもの）を用いて、これを高性能超微粉分級機（この場合は、日本ニューマチック工業（株）製 マイクロスピンとした）に投入し、分級風量が１５ｍ³／ｍｉｎで、圧縮空気消費量が１．０Ｎｍ³／ｍｉｎとなるようにして分級して、分級粉末ａ３を得た。なお、原料粉末α３（平均粒径（Ｘ）が１．０μｍのもの）の粒度分布を測定すると、図１（ａ）に示すような粒径（粒度）分布が得られた。また、得られた分級粉末ａ３の粒径分布を測定すると図１（ｂ）に示すような粒径（粒度）分布が得られた。

ここで、図１（ａ）においては、平均粒径（Ｘ＝１．０μｍ）のところに度数の最大値が現れ、これよりも粒径が大きく（あるいは小さく）なると急激に度数が低下する正規分布であることが分かる。また、図１（ｂ）においては、分級により粒径の最小値は０．２μｍ（０．２Ｘ）となり、粒径の最大値は５．０μｍ（５．０Ｘ）となることが分かる。即ち、平均粒径（Ｘ）が１．０μｍの原料粉末α３を分級することにより、その平均粒径の分布の範囲は０．２Ｘ（最小粒径）以上で、５．０Ｘ（最大粒径）以下になることが分かる。

ついで、得られた分級粉末ａ３および原料粉末α３をそれぞれ用いて、これらに熱可塑性樹脂とワックス等の数種類の有機バインダーを加えてフィードストック（懸濁液）とし、その後、ペレタイザーによりペレット化した。この場合、熱可塑性樹脂としてはポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル、ＰＯＭ系樹脂などを用いるのが望ましい。また、ワックスとしては、パラフィンワックス、密蝋などを用いるのが望ましい。そして、これらの有機バインダーの添加割合は全粉末の容積に対して３５〜５０体積％となるように添加した。

ついで、得られたペレットを射出成形機のホッパ内に投入した後、所定の形状に形成された成形型（なお、成形型については後述するが、その温度が１５０〜１６０℃になるように加熱されている）を用いて射出成形した。この後、成形型を冷却して射出物を固化させて、外形寸法が１５ｍｍ（幅）×３５ｍｍ（長さ）×２．５ｍｍ（厚み）となる平板形状の射出成形体をそれぞれ得た。この後、得られた射出成形体をそれぞれ非酸化性雰囲気（真空またはＮ₂ガスあるいはＡｒガスの雰囲気）中で、図２に示すような脱バインダー処理の昇温パターン（この場合は、１℃／分の昇温速度とし、最高温度５００℃を２時間保持するようにした）で脱バインダー処理を行った。

また、図２に示すような焼結処理の昇温パターンで、即ち、還元ガス雰囲気で、５℃／分の昇温速度とし、最高温度が１４００℃になるまで昇温し、この最高温度を２時間保持して焼結した。この後、１０℃／分の降温速度で室温まで冷却して焼結体をそれぞれ作製し、これを合成石英構造体Ａ３（分級粉末ａ３を用いたもの）および合成石英構造体Ａｘ（原料粉末α３を用いたもの）とした。なお、この場合は、平均粒径（Ｘ）が１．０μｍの原料粉末α３を用いているので、焼結最高温度を１４００℃としているが、焼結最高温度は原料粉末の平均粒径により最適化する必要があり、例えば、下記の表１に示すような焼結最高温度に設定するのが望ましい。なお、原料粉末の平均粒径がいずれであっても、焼結最高温度が１５００℃以上になるとクリストバライト結晶が析出して失透するので、焼結最高温度の上限値は１５００℃未満にする必要がある。

ついで、得られた焼結体（合成石英構造体）Ａ３，Ａｘを稀沸酸等のエッチング液に３０分間浸漬してエッチングしたり、あるいは反応性イオンエッチング（RIE）などのドライエッチング装置を用いたドライエッチングをすることにより、表面に存在する微少な凹凸を除去して表面を平滑化した。

２．光学特性の測定
ついで、表面が平滑化された得られた焼結体（合成石英構造体）Ａ３，Ａｘを１２ｍｍ（幅）×３０ｍｍ（長さ）×２．０ｍｍ（厚み）になるように加工して試料用の合成石英構造体Ａ３，Ａｘとした。この後、分光光度計を用いて、これらの試料用の合成石英構造体Ａ３，Ａｘの透過率を求めると、図３に示すような結果が得られた。この場合、比較のために、市販の溶融石英ガラス基板（飯山ガラス製）を用いて作製した合成石英構造体Ｚの透過率も同様に求めた。

図３の結果から明らかなように、平均粒径（Ｘ）が１．０μｍの原料粉末α３を分級して得られた分級粉末ａ３を用いた合成石英構造体Ａ３の３００〜１７００ｎｍの波長領域での透過率は、市販の溶融石英ガラス基板を用いて作製した合成石英構造体Ｚと比較してほぼ同等な値が得られていることが分かる。一方、平均粒径（Ｘ）が１．０μｍの原料粉末α３を分級することなくそのまま用いた合成石英構造体Ａｘにおいては、合成石英構造体Ａ３と比較して各波長領域で透過率が低いことが分かる。特に、７００ｎｍ以下の短波長領域において、透過率の低下が顕著である。これは、平均粒径（Ｘ）が１．０μｍの原料粉末α３を分級することなくそのまま用いた合成石英構造体Ａｘに無数の気孔が存在することによる、光の散乱が原因であると考えられる。

以上のことから、平均粒径がＸμｍの原料粉末を分級することにより、その粒度（粒径）が０．２Ｘ（最小粒径）以上で、５．０Ｘ（最大粒径）以下の範囲に分布した分級粉末を用いることにより、各波長領域で透過率が優れた合成石英構造体が得られることが分かる。したがって、各波長領域で透過率が優れた合成石英構造体が得るためには、平均粒径がＸμｍの原料粉末を分級して、その粒径（粒度）が０．２Ｘ（最小粒径）以上で、５．０Ｘ（最大粒径）以下の範囲に分布した分級粉末を用いる必要があるということができる。

３．原料粉末の平均粒径（Ｘ）の検討
ついで、上述のような分級粉末に適した原料粉末の平均粒径（Ｘ）について検討した。そこで、上述のようにして得られた球状のＳｉＯ₂粉末からなる原料粉末α１（平均粒径（Ｘ）が０．１μｍのもの）、原料粉末α２（平均粒径（Ｘ）が０．５μｍのもの）、原料粉末α４（平均粒径（Ｘ）が３．０μｍのもの）、原料粉末α５（平均粒径（Ｘ）が５．０μｍのもの）、原料粉末α６（平均粒径（Ｘ）が７．０μｍのもの）、原料粉末α７（平均粒径（Ｘ）が１０．０μｍのもの）をそれぞれ用意した。

そして、これらの原料粉末α１，α２，α４，α５，α６，α７をそれぞれ用いて、上述同様に０．２Ｘ（最小粒径）以上で、５．０Ｘ（最大粒径）以下の範囲になるように分級して、分級粉末ａ１，ａ２，ａ４，ａ５，ａ６，ａ７を得た。ここで、原料粉末α１を用いたものを分級粉末ａ１とした。同様に、原料粉末α２を用いたものを分級粉末ａ２とし、原料粉末α４を用いたものを分級粉末ａ４とし、原料粉末α５を用いたものを分級粉末ａ５とし、原料粉末α６を用いたものを分級粉末ａ６とし、原料粉末α７を用いたものを分級粉末ａ７とした。

ついで、これらの分級粉末ａ１，ａ２，ａ４，ａ５，ａ６，ａ７を用いて上述同様に焼結して、得られた焼結体をそれぞれ合成石英構造体Ａ１（分級粉末ａ１を用いたもの）、合成石英構造体Ａ２（分級粉末ａ２を用いたもの）、合成石英構造体Ａ４（分級粉末ａ４を用いたもの）、合成石英構造体Ａ５（分級粉末ａ５を用いたもの）、合成石英構造体Ａ６（分級粉末ａ６を用いたもの）、合成石英構造体Ａ７（分級粉末ａ７を用いたもの）とした。ついで、これらの合成石英構造体Ａ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７を用いて、試料用の合成石英構造体Ａ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７とした後、分光光度計を用いて、これらの試料用の合成石英構造体Ａ１，Ａ２，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７の透過率を求めると、図４に示すような結果が得られた。なお、図４においては、上述した合成石英構造体Ａ３，Ｚの結果も併せて示している。

図４の結果から明らかなように、合成石英構造体Ａ１〜Ａ５の３００〜１７００ｎｍの波長領域での透過率は、市販の溶融石英ガラス基板を用いて作製した合成石英構造体Ｚと比較してほぼ同等な値が得られていることが分かる。これに対して、合成石英構造体Ａ６，Ａ７においては、合成石英構造体Ａ１〜Ａ５と比較して各波長領域で透過率が低いことが分かる。特に、７００ｎｍ以下の短波長領域において、透過率の低下が顕著であることが分かる。これは、原料粉末の平均粒径が５μｍより大きくなると焼結密度が低下して、焼結処理をした後も未焼結の微小粒子が存在するようになる。このため、Ｍｉｅ散乱の影響が大きくなって、透過率が低下したと考えられる。ここで、Ｍｉｅ散乱とは、ある波長の光が粒子に当たることによって粒子内部で反射・屈折・干渉が生じて、これに起因して生じる散乱現象を意味する。この場合、光の波長が粒子のサイズよりも小さいと、Ｍｉｅ散乱が起こるようになる。一方、原料粉末の平均粒径が０．１μｍより小さいと原料粉末の凝集が起こり、２次粒子になりやすい。また、原料粉末の平均粒径が小さくなると粉末の流動性が悪くなるため、射出成形するためには流動性を確保するためのバインダー量を多くする必要がある。ところが、バインダー量を多くすると、脱バインダー時に欠陥が生じやすくなる。これらのことから、原料粉末の平均粒径（Ｘ）は０．１〜５．０μｍ（０．１μｍ≦Ｘ≦５．０μｍ）であることが望ましいということができる。

４．光学ガラスからなる透光性セラミック構造体の作製
ついで、光学ガラスからなる透光性セラミック構造体について検討した。そこで、市販の光学ガラス（この場合は一般的な硼珪酸ガラスとした）のインゴットを粉砕した。この後、粉砕した光学ガラスをボールミルに投入し、これにアルコールを加えて、１０ｒｐｍの回転数で４８時間撹拌した。このような湿式粉砕法により、粉砕した光学ガラスを平均粒径が１μｍになるまで微粉化して、原料粉末β１を得た。ついで、得られた原料粉末β１（平均粒径（Ｘ）が１．０μｍのもの）を用いて、上述と同様な高性能超微粉分級機を用いて分級して、分級粉末ｂ１を得た。なお、原料粉末β１（平均粒径（Ｘ）が１．０μｍのもの）の粒度分布を測定すると、図１（ａ）と同様な粒度（粒径）分布が得られた。また、得られた分級粉末ｂ１の粒度分布を測定すると図１（ｂ）と同様な粒度（粒径）分布が得られた。

ついで、得られた分級粉末ｂ１を用いて、これらに熱可塑性樹脂とワックス等の数種類の有機バインダーを加えてフィードストック（懸濁液）とし、その後、ペレタイザーによりペレット化した。この場合、熱可塑性樹脂としてはポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリル、ＰＯＭ系樹脂などを用いるのが望ましい。また、ワックスとしては、パラフィンワックス、密蝋などを用いるのが望ましい。そして、これらの有機バインダーの添加割合は全粉末の容積に対して３５〜５０体積％となるように添加した。

ついで、得られたペレットを射出成形機のホッパ内に投入した後、所定の形状に形成された成形型（なお、成形型については後述するが、その温度が１５０〜１６０℃になるように加熱されている）を用いて射出成形した。この後、成形型を冷却して射出物を固化させて、外形寸法が１５ｍｍ（幅）×３５ｍｍ（長さ）×２．５ｍｍ（厚み）となる平板形状の成形体をそれぞれ得た。この後、得られた成形体をそれぞれ非酸化性雰囲気（真空またはＮ₂ガスあるいはＡｒガスの雰囲気）中で、図５に示すような脱バインダー処理の昇温パターン（この場合は、１℃／分の昇温速度とし、最高温度５００℃を２時間保持するようにした）で脱バインダー処理を行った。

また、図５に示すような焼結処理の昇温パターンで、即ち、還元ガス雰囲気で、５℃／分の昇温速度とし、最高温度が１１００℃になるまで昇温し、この最高温度を２時間保持して焼結した。この後、１０℃／分の降温速度で室温まで冷却して焼結体をそれぞれ作製し、これを合成石英構造体Ｂ１（分級粉末ｂ１を用いたもの）とした。なお、この場合は、平均粒径（Ｘ）が１．０μｍの原料粉末β１を用いているので、焼結最高温度を１１００℃としているが、焼結最高温度は原料粉末の平均粒径により最適化する必要があり、例えば、下記の表２に示すような焼結最高温度に設定するのが望ましい。

ついで、得られた焼結体（光学ガラス構造体）Ｂ１を稀沸酸等のエッチング液に３０分間浸漬してエッチングしたり、あるいは反応性イオンエッチング（RIE）などのドライエッチング装置を用いたドライエッチングをすることにより、表面に存在する微少な凹凸を除去して表面を平滑化した。

そして、上述と同様に、得られた焼結体（光学ガラス構造体）Ｂ１の光学特性（透過率）を測定すると、３００〜１７００ｎｍの波長領域での透過率は上述した合成石英構造体Ａ３とほぼ同等な結果が得られた。このことから、平均粒径がＸμｍの原料粉末を分級することにより、その粒度（粒径）が０．２Ｘ以上で、５．０Ｘ以下の範囲に分布した分級粉末を用いることにより、各波長領域で透過率が優れた合成石英構造体が得られることが分かる。したがって、各波長領域で透過率が優れた光学ガラス構造体を得るためには、平均粒径がＸμｍの原料粉末を分級して、その粒度（粒径）が０．２Ｘ以上で、５．０Ｘ以下の範囲に分布した分級粉末を用いる必要があるということができる。

なお、光学ガラスとしては、上述した硼珪酸ガラス以外に、シリカ（ＳｉＯ₂）、酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）、カルシア（ＣａＯ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）₂）、硼酸（Ｂ₂Ｏ₃）、酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化リチウム（Ｌｉ₂Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）から選択される１種あるいはこれらの複数種を混合して用いるようにしてもよい。この場合も、これらの原料粉末の平均粒径（Ｘμｍ）は０．１〜５．０μｍ（０．１μｍ≦Ｘ≦５．０μｍ）であるのが望ましい。

５．応用例（マイクロレンズアレイ）
ついで、上述のように作製される合成石英からなる透光性セラミック構造体あるいは光学ガラスからなる透光性セラミック構造体の応用例としてのマイクロレンズアレイを図６〜図９に基づいて説明する。なお、図６は実施例１のマイクロレンズアレイを模式的に示す図であり、図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）は側面図である。図７は実施例２のマイクロレンズアレイを模式的に示す図であり、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は側面図である。図８は実施例３のマイクロレンズアレイを模式的に示す図であり、図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は側面図である。さらに、図９は、図６〜８のマイクロレンズアレイを製造するためのマイクロレンズアレイ用成形型の作製工程を模式的に示す断面図である。

（１）実施例１
図６に示すように、実施例１のマイクロレンズアレイ１０は、例えば、上述のように作製された合成石英構造体Ａ２〜Ａ５のいずれかからなる。そして、１５００μｍ（幅）×６０００μｍ（長さ）×５００μｍ（厚み）の大きさの基底部１１を備え、直径が２４０μｍで基底部１１から最大で６０μｍだけ半球状に突出する凸状レンズ１２の６個が１列に配列された片凸レンズ形状のマイクロレンズアレイである。この場合、このマイクロレンズアレイ１０には、２個の取り付け用の貫通孔（図示せず）が設けられている。このように構成される実施例１のマイクロレンズアレイ１０は、電子ボードに実装される光回路や光コネクタ等の用途に用いられるのが最適である。

（２）実施例２
図７に示すように、実施例２のマイクロレンズアレイ２０は、例えば、上述のように作製された合成石英構造体Ａ２〜Ａ５のいずれかからなる。そして、３０００μｍ（幅）×６０００μｍ（長さ）×３０００μｍ（厚み）の大きさの基底部２１を備え、幅が４００μｍで基底部２１から最大で８０μｍだけ半棒状（蒲鉾状）に突出する２７個の凸状レンズ２２，２２が両面に配列された両凸レンズ形状のマイクロレンズアレイである。このように構成される実施例２のマイクロレンズアレイ２０は、高出力レーザーバーのビーム整形の用途に用いられるのが最適である。

（３）実施例３
図８に示すように、実施例３のマイクロレンズアレイ３０は、例えば、上述のように作製された合成石英構造体Ａ２〜Ａ５のいずれかからなる。そして、６０００μｍ（幅）×６０００μｍ（長さ）×１２００μｍ（厚み）の大きさの基底部３１を備え、直径が２４０μｍで基底部３１から最大で３０μｍだけ半球状に突出する凸状レンズ３２の１列が１６個で１６列に配列された片凸レンズ形状のマイクロレンズアレイである。このように構成される実施例３のマイクロレンズアレイ３０は、光通信ネットワーク内の光スイッチにおけるファイバー間の光結合の用途に用いられるのが最適である。

（４）マイクロレンズアレイ用成形型の作製
上述のように構成される実施例１〜３のマイクロレンズアレイ１０，２０，３０は、薄膜法により作製されたマイクロレンズアレイ用成形板を用いた成形型により製造されるが、このようなマイクロレンズアレイ用成形型に用いられる成形板の作製法を図９に基づいて以下に説明する。なお、図９においては、実施例１のマイクロレンズアレイ１０を作製するに適した成形板を作製する例について示しているが、他の成形板もこれとほぼ同様であるので、その説明は省略する。

まず、図９（ａ）に示すように、ガラス基板４１の上にレジスト４２を塗布した後、所定のレジストパターンに形成する。この場合は、レジスト４２は６個の円形のパターンとした。なお、このようなレジストパターンの形成工程においては、縮小投影露光装置を用いて行った。そして、後の工程におけるレンズ材料の線膨張に対応するため、このレジストパターン形成時にスケーリング調整するのが望ましい。ついで、レジスト４２を加熱リフローして、レジスト４２の角部を図９（ｂ）に示すように丸める。この後、この上にＳｉＯ₂をスパッタしてＳｉＯ₂膜４３を形成する。このときレジスト４２，４２間の平坦部がなくなる程度までＳｉＯ₂膜４３を形成する。

ついで、この上にクロム（Ｃｒ）を膜厚が３００Åになるようにスパッタした後、さらに、この上に銅（Ｃｕ）を膜厚が３０００Åになるようにスパッタして、図９（ｃ）に示すようにＣｒ／Ｃｕメッキ下地膜４４を形成する。ついで、この上に膜厚が１００μｍ程度になるまでＮｉＦｅメッキを施して、図９（ｄ）に示すように、ＮｉＦｅメッキ膜４５を形成した。この後、図９（ｅ）に示すように、この上に接着剤からなる固定層４６を形成した後、この上にステンレス（ＳＵＳ）等の補強板４７を接着した。ついで、ガラス基板４１をエッチング等で除去した後、べークしたレジスト４２もアミン系の剥離液あるいは酸素アッシングで除去した。ついで、ＳｉＯ₂膜４３をエッチング（このエッチングにおいては、フッ酸等のエッチング液を用いたり、フルオロカーボン系のエッチングガスを用いたりする）により除去することにより、図９（ｆ）に示すような成形板（この場合は、上成形板となる）４０が得られることとなる。

ついで、上述のようして作製された上成形板４０を用いて、実施例１のマイクロレンズアレイ１０を作製するに適した成形型について図１０に基づいて説明する。この場合、他の成形型も用いる成形板以外はこれとほぼ同様であるので、その説明は省略する。まず、上述の上成形板４０と同様の薄膜プロセスにより形成された下成形板５０を用意する。この場合、下成形板５０は、平板状のＣｒ／Ｃｕメッキ下地膜およびＮｉＦｅメッキ膜からなるメッキ膜５１がステンレス（ＳＵＳ）等の補強板５３に接着剤からなる固定層５２により固定されている。

ついで、相対向する一方の側壁に注入孔６３が設けられ他方の側壁に空気孔６４が設けられた成形板ホルダー６１と、この成形板ホルダー６１を密閉する上蓋６２とからなる成形型６０を用意する。この後、成形板ホルダー６１の底部に下成形板５０をメッキ膜５１が上になるように配置し、この上部に図示しないスペーサを介して上成形板４０をメッキ下地膜４４が下成形板５０のメッキ膜５１に対向するように配置する。これにより、上成形板４０と下成形板５０との間の空間部にレンズアレイ成形空間６０ａが形成されることとなる。なお、メッキ下地膜は上述のように残存させてもよいし、あるいはエッチング液やイオンミリング等により除去するようにしてもよい。

ついで、成形板ホルダー６１の上に上蓋６２を配置し、固着してこの内部を密閉し、その温度が１５０〜１６０℃になるように加熱した。この後、上述した分級粉末ｂ１に有機バインダーを加えてフィードストック（懸濁液）とし、ペレット化された原料が射出成形機の射出孔（図示せず）より、成形板ホルダー６１の側壁に設けられた注入孔６３に射出させる。これにより、上成形板４０と下成形板５０の形状に応じた射出成型物が得られ、この射出成型物を焼結することにより、実施例１のマイクロレンズアレイ１０が形成されることとなる。

本発明の透光性セラミック構造体に用いられる原料粉末の分布を示す図であり、図１（ａ）は原料粉末の粒径分布の一例を示す図であり、図１（ｂ）は分級後の原料粉末の粒径分布の一例を示す図である。 合成石英からなる透光性セラミック構造体を製造する際の脱バインダ処理および焼結処理の昇温パターン、降温パターンを示す図である。 ３００〜１７００ｎｍの波長領域での透過率を示す図である。 合成石英からなる透光性セラミック構造体の３００〜１７００ｎｍの波長領域での透過率を示す図である。 光学ガラスからなる透光性セラミック構造体を製造する際の脱バインダ処理および焼結処理の昇温パターン、降温パターンを示す図である。 実施例１のマイクロレンズアレイを模式的に示す図であり、図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）は側面図である。 実施例２のマイクロレンズアレイを模式的に示す図であり、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は側面図である。 実施例３のマイクロレンズアレイを模式的に示す図であり、図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）は側面図である。 マイクロレンズアレイを成形するための成形板の作製工程例を模式的に示す断面図である。 図９の成形板を用いた成形型の一例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０…マイクロレンズアレイ、１１…基底部、１２…凸状レンズ、２０…マイクロレンズアレイ、２１…基底部、２２…凸状レンズ、３０…マイクロレンズアレイ、３１…基底部、３２…凸状レンズ、４０…上成形板、４１…ガラス基板、４２…レジスト、４３…ＳｉＯ₂膜、４４…Ｃｒ／Ｃｕメッキ下地膜、４５…ＮｉＦｅメッキ膜、４６…固定層（接着剤）、４７…補強板、５０…下成形板、５１…メッキ膜、５２…固定層（接着剤）、５３…補強板、６０…成形型、６０ａ…レンズアレイ成形空間、６１…成形板ホルダー、６２…上蓋、６３…注入孔、６３…空気孔

Claims (5)

1. 透光性セラミック粉末と有機バインダーからなる混練物を粉末射出成形により成形した後、焼結することにより得られた透光性セラミック構造体であって、
   前記透光性セラミック粉末は平均粒径（Ｘ）が０．１〜５．０μｍ（０．１μｍ≦Ｘ≦５．０μｍ）の範囲内の粉末を用いて、最小粒径が０．２Ｘで、最大粒径が５Ｘの範囲内になるように分級された粉末により構成されていることを特徴とする透光性セラミック構造体。
2. 前記透光性セラミック粉末は、硼珪酸ガラス、シリカ（ＳｉＯ₂）、酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）、カルシア（ＣａＯ）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）₂）、硼酸（Ｂ₂Ｏ₃）、酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化リチウム（Ｌｉ₂Ｏ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１に記載の透光性セラミック構造体。
3. 前記透光性セラミック粉末は合成石英ガラスからなり、光の透過率が紫外から赤外の波長領域で８０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の透光性セラミック構造体。
4. 透光性セラミック粉末と有機バインダーからなる混練物を粉末射出成形により成形した後、焼結する透光性セラミック構造体の製造方法であって、
   平均粒径（Ｘ）が０．１〜５．０μｍ（０．１μｍ≦Ｘ≦５．０μｍ）の範囲内の粉末を用いて、最小粒径が０．２Ｘで、最大粒径が５Ｘの範囲内になるように分級する分級工程と、
   前記分級された透光性セラミック粉末に有機バインダーが添加された混練物を粉末射出成形により所定の形状の成形物に成形する射出成形工程と、
   前記射出成形物を焼結する焼結工程とを備えたことを特徴とする透光性セラミック構造体の製造方法。
5. 透光性セラミック粉末と有機バインダーからなる混練物を粉末射出成形により成形した後、焼結するマイクロレンズアレイの製造方法であって、
   平均粒径（Ｘ）が０．１〜５．０μｍ（０．１μｍ≦Ｘ≦５．０μｍ）の範囲内の粉末を用いて、最小粒径が０．２Ｘで、最大粒径が５Ｘの範囲内になるように分級する分級工程と、
   前記分級された透光性セラミック粉末に有機バインダーが添加された混練物を薄膜プロセスにより形成されたレンズ形成面を少なくとも一方に有する一対の成形板間に射出して所定のマイクロレンズアレイ形状の成形物に成形する射出成形工程と、
   前記射出成形物を焼結する焼結工程とを備えたことを特徴とするマイクロレンズアレイの製造方法。
   

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