JP2007182372A - 構造化された表面を有するガラス部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造化された表面を有するガラス部材を製造する方法であって、容易で費用効果の高い製造が可能で、かつ大量生産に適した方法を開示する。
【解決手段】構造化された表面を有するガラス部材を製造する方法が開示されており、少なくとも１つの凹部１６が延びる表面２０を有する型１０が提供され、ガラス基板１２が型１０の表面２０に載置され、ガラス転移温度Ｔ_ｇより高い温度に加熱され、型１０の表面２０に対してプレスされ、それによって、凹部１６の底部に接触することなく、ガラス基板１２に凸部１８を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造化された表面、特にマイクロレンズを備えて成形された表面を有するガラス部材を製造する方法に関する。

今日の光学部品類において、各種マイクロレンズまたはレンズアレイを形成する表面に様々なガラス部材が利用されている。研削および研磨または光沢プレス加工といった古典的な方法を用いてかかる部材を製造するのは極めて面倒である。また、そのような部材は非常に数多く必要とされるため、公知の製造方法は適していない。
リソグラフ法を用いた製造も、大量生産には適さないようである。

光沢プレス加工による製造に関しては、非常に高精度なプレス鋳型を要するため、生産コストが高くなる。また、特に、作製すべきレンズの領域において鋳型と接触することにより、汚染が生じ、これによって品質が低下する。
構造化された表面を有するガラス部材の製造に関する下記特許文献１によれば、まず、凹部が生成された表面に第１基板を提供する。この第１基板の表面上にガラス基板が載置され、適当な方法、好ましくは減圧下での陽極結合を用いて、第１基板の表面に接合される。その後、このガラス基板を第１基板と共に焼鈍することで、第１基板の凹部にガラス材料が流入して、ガラス基板の表面に凸部が形成される。その後、第１基板は、好ましくはエッチングによって、構造化されたガラス体から除去される。好ましくは、第１基板はシリコンウエハから形成されている。
独国特許出願公開第１９９５６６５４号明細書

そのような製造方法は、複雑な結合手順および第１基板を除去する後続のエッチング工程のために、比較的複雑で費用がかかり、第１基板を破壊してしまう。また、その結合技術は、ガラス中の移動可能な陽イオン（例えば、ホウ素または硫黄）に依存するため、どのような種類のガラスにも用いることができるというわけではない。さらにより重大な制約として、シリコンウエハに結合されるガラスは、そのシリコンに対する熱拡張挙動において熱拡張係数が約３・１０^―６Ｋ^−１に調整されなければならない。これによって、使用できる光学ガラスの選択がかなり制限される。

したがって、本発明は、容易で費用効果の高い製造が可能で、かつ大量生産に適した、構造化された表面を有するガラス部材を製造する方法を開示することを目的とする。

本目的は、以下のステップを含む、構造化された表面を有するガラス部材を製造する方法によって達成される。
・表面を有し、そこから延びる少なくとも１つの凹部を有する鋳型を提供するステップ。
・前記鋳型の前記表面上にガラス基板を載置するステップ。
・前記鋳型および前記基板をガラス転移点Ｔ_ｇより高い温度に加熱するステップ。
・前記凹部の底部に接触することなく、前記鋳型の各凹部において、凸部を生成するために、前記鋳型の前記表面に前記ガラス基板をプレスするステップ。

こうして、本発明の目的は完全に達成される。

すなわち、従来の光沢プレス加工とは対照的に、本発明によれば、鋳型の表面にガラス基板をプレスして、その結果生じる凸部が凹部の底部に接触せずに、鋳型の凹部で凸部の非接触成形が行われる。このようにして、鋳型表面とは直接接触しないが、凸部の寸法は、鋳型の凹部の断面積によってのみ決定される。したがって、鋳型は各凹部の領域においてその外周を提供するのみでなければならず、ガラス基板の表面に対する各凸部の最大寸法は、プレス圧力、プレス温度、およびプレス時間といった他のパラメータによって決定される。したがって、光沢プレス加工に比べて、鋳型の製造はかなり簡略化されることになる。また、凸部は全く接触することなく成形されるので、汚染されることがないため、極めて高品質の表面を生成することができる。また、こうした表面の表面粗さは、火で仕上げされた表面のように極めて低い（Ｒｍｓ＜１ｎｍ）。先行技術で公知であるように、圧力をかけない沈下に関して、先行技術では必要に応じて行っていたガラス基板表面と鋳型との間の真空密着も必要とせず、また第１基板をエッチングプロセスによって除去する必要もなく、プレス加工体の精度がかなり向上している。

対照的に、本発明による鋳型表面は、プレス加工体がプレスステップ後の鋳型から簡単に離型するように設計されている。さらに、この鋳型は１万回まで、またはそれ以上の利用が可能である。
事前に設定した圧力が０ＭＰａ〜０．１ＭＰａ（気圧）である上記特許文献１から公知の方法とは対照的に、本発明によれば、この圧力は０．１ＭＰａ〜１００ＭＰａ（表面１ｃｍ^２上にかかるプレス加工力１０ｋＮ）に設定され、さらに高圧にすることも可能であり、時間の経過とともに変化させることも可能である。そのために、かなり高いパラメータ空間が利用でき、種々様々な形の製造および精密な調整を可能にしている。

その少なくとも１つの凸部は、好ましくはレンズとして構成されてもよい。
作製されるガラス部材は、ガラス基板の表面に様々なマイクロレンズを備えて成形されてもよい。作製される凸部の外周はいかなる種類であってもよい。例えば、円形形状の断面、楕円形状の断面、正方形の断面、または矩形の断面を有する凹部を備えた鋳型表面を利用してもよい。こうして、独自の特性を備えたレンズを形成することができる。また、鋳型には必ずしも平坦な表面がなくてもよく、また、湾曲した表面を用いた鋳型を利用してもよい。このため、通常、鋳型にガラス基板をプレスする適当な湾曲プレススタンプを利用する。

このように、さらに、マイクロレンズとして成形した複数の凸部が延びる湾曲した表面を有するガラス部材を作製することも可能である。
本発明のさらなる開発によれば、鋳型の表面から垂直に延びる互いに平行な壁を備えた少なくとも１つの凹部を有する鋳型が利用される。
本発明のさらなる開発によれば、互いに対して傾斜する壁を有する少なくとも１つの凹部を備えた鋳型が利用される。

本発明のさらなる構成によれば、少なくとも１つの凹部が、鋳型の表面から延びる第１領域と、これに続きこの第１領域より断面積の小さい第２領域とを備えた鋳型が利用される。
本明細書中において、この第１領域は、例えば、傾斜縁部として構成されてもよい。
こうした方法によって、ガラス基板の表面に作製される凸部およびマイクロレンズの特定の構成を達成することができる。特に、その形状の表面と各凹部の開始部分との間の移行領域での凹部の形状によって、ガラスの流動特性は、プレスステップ時に特に影響される場合がある。第１領域は、傾斜縁部とは別に、屈曲形状も考えられる。

それによって、形成されるレンズまたは凸部の輪郭は、それぞれ特定の方法で影響される場合がある。
本発明の好ましい開発によれば、プレスステップ時のガラス基板の粘度は、０．５・１０^８ｄＰａｓ〜２・１０^９ｄＰａｓ、好ましくは１０^８ｄＰａｓ〜１０^９ｄＰａｓに設定される。

プレスステップ時にこのようなガラス基板の粘度を用いると、一方では、プレス加工時間が十分に短くなり、他方では、優れた成形プロセスを達成することができる。また、ガラス基板は凹部がほぼ完全に充填されるほど液状ではない。これに対して、プレスステップは、特定の曲率半径を有する凸部が形成されるように、この粘度範囲において制御することができる。

このため、特定の鋳型および特定のガラスを用いて、粘度、プレス圧力、およびプレス時間を制御することによって、各凹部が特定の計画された曲率半径に達するようにすることができる。
本明細書中において、事前に設定された時間になると、または事前に設定された曲率半径に達すると、プレスステップを終了させることができる。

本発明のさらなる開発によれば、所定の経過時間の後、または凸部がある一定の曲率半径に達すると、冷却が開始される。
本発明のさらなる開発によれば、凸部が所望の形状になると成形プロセスが中断され、その結果、でき上がった構成を最終的なガラス体として確定することができる。
好ましくは、プレス圧力は、０．５〜１０ＭＰａ、より好ましくは１〜８ＭＰａ、さらに好ましくは１〜６ＭＰａに設定される。

そのようなプレス圧力、特に、前述した粘度範囲内の圧力を用いて、高さおよび作製される凸部の曲率半径に対する厳密な要件を満たすことができる。
残りのパラメータをどれも変化させず、プレス圧力を変化させることによって、作製される凸部の曲率半径を調整することができる。より高いプレス圧力を用いて、より小さな曲率半径を生成することができる。

本発明のさらなる開発によれば、各凹部の底部と鋳型の表面との間の距離は、ガラス基板の表面に対して作製される凸部の高さの少なくとも２倍、または、好ましくは３倍もしくは４倍である。
こうして、作製される凸部と凹部の底部とが接触するのを安全に回避することができる。同時に、ガラスの凹部への流入時に生じるガストラップによって、凹部内の圧力が大幅に上昇することを回避できる。

本発明のさらなる開発によれば、所要の温度範囲内で十分に安定していて、プレス加工されたガラス体を鋳型から容易に外すことができる、金属、セラミックス、ガラスセラミックス、またはガラス製の鋳型が利用される。
この鋳型は、例えば、鋼（スチール）、炭化タングステン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、またはシリコンでできていてもよい。

鋳型の材料の選択は、プレスステップが行なわれる温度範囲に影響される。もちろん、この温度範囲は、使用するガラスの種類によって異なる。
さらに、プレス加工されたガラス体を特に容易に鋳型から外すことができるコーティングを備えた鋳型を利用することができる。
穿孔、切削（ミリング）、エッチング、ラッピング、リソグラフ法を用いた方法などの任意の適当な方法によって、鋳型内に凹部それ自体を生成してもよい。凹部を作製するためにレーザー光線を用いることは、極めて精密な構造を作製するのに有利である。

前述した特徴および以下にこれから説明される特徴を、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の与えられた組み合わせにおいてのみならず、他の組み合わせ、または独立して適用可能であることが理解されよう。
本発明のさらなる特徴および利点は、図面に対する以下の好適な実施形態の説明から得ることができる。

まず、本発明による方法の基本原理は、図１を参照して説明されるものとする。
ガラス基板１２と、複数の凹部１６が中に設けられている鋳型１０とを用いて、プレスステップによって、構造化された表面を有するガラス部材を加工し、鋳型１０の各凹部１６の領域において、ガラス基板１２に凸部１８を生成する。
この工程は、そのガラスのガラス転移点Ｔ_ｇより高い温度で圧力を加えて行われる。その成形プロセス時に、ガラス基板１２はプレススタンプ１４によって鋳型１０上にプレス加工される。ここでは、先行技術の光沢プレス加工とは対照的に、ガラスが鋳型１０の凹部１６へ部分的にしか流れ込まないようにパラメータを選択し、その結果、マイクロレンズとして成形される凹部１６が生成される。以下に説明されるように、凸部１８の形状およびそれらの曲率半径は、凹部１６の形状および大きさだけでなく、特に、使用するガラスの種類、すなわちそのガラス転移点Ｔ_ｇ、利用するプレス圧力、および他のパラメータにも依存している。

もちろん、そのガラスのガラス転移点Ｔ_ｇは、ガラス成分によって大きく異なってもよいので、プレスステップ時の全体の温度は、その工程の限られた部分しか示していない。これに対して、プレス加工工程時にガラス基板の粘度を特定することによって、その工程中に粘性流が生じる範囲内が良好であるものと特徴づけることができる。ガラス基板１２の粘度は、プレス加工工程中、好ましくは０．５・１０^８ｄＰａｓ〜２・１０^９ｄＰａｓ、特に１０^８ｄＰａｓ〜１０^９ｄＰａｓとなるように選択される。

上記特許文献１によれば、単なる流動または沈下プロセスは、上記の粘度範囲よりも少なくとも１桁低いような、かなりの低粘度で行なわれるので、この粘度範囲は、それらのプロセスと明確に異なることは明らかである。先行技術のガラス流入プロセスは、４・１０^７ｄＰａｓ〜１・１０^４ｄＰａｓの粘度範囲で行なわれる。
しかし、本発明によれば、そのような低粘度範囲を避け、反対に、より高粘度およびより高いプレス圧力で行われる。

プレス加工時に形成される凸部１８が凹部１６の底部３０と接触しないようにパラメータを選択するため、凸部１８の表面は滑らかであり、したがって高品質な表面となっている。
凹部１６の深さｄ、つまり鋳型１０の表面２０からの凹部１６の底部３０の距離は、形成される凸部１８の高さｈの少なくとも２倍であるが、好ましくは、その割合はかなり大きく、少なくとも４倍である。この方法で、プレス加工中に凹部内に残留しているガスによって、プレス加工プロセス時に凸部１８の成形に有害となるおそれのあるかなり高いガス圧が生じることを回避している。

本発明による方法は、特に、様々な用途に必要な、マイクロレンズまたはマイクロレンズアレイを備えるガラス部材を製造するのに用いられる。
プレス加工用ツール１０の考えられる設計が、図４に例として図示されている。
この構成は単なる例示的種類にすぎず、凹部または凸部の、それぞれ異なる種類および形状が可能であることが理解できよう。

図５は、また、単なる例として示す、縦方向のマイクロレンズを製造するための矩形凹部１６ｂを備えた鋳型１０ｂを示している。
鋳型それ自体は、十分に耐熱性があり、プレス加工プロセス完了後に鋳型からプレス加工体を容易に外すことができる、任意の適当な材料でできていてもよい。例えば、炭化タングステン、炭化ケイ素、鋼（スチール）、シリコン、ガラス、窒化ケイ素からできていてもよく、また、他の鉄材料、非鉄合金または他のセラミックスからできていてもよい。ガラスの貼り付きを避けるため、ガラス、材料、および温度範囲に応じて、鋳型にコーティングを施してもよい。

凹部を加工するため、穿孔、切削（ミリング）、エッチング、ラッピング、リソグラフ法を用いた方法、レーザーを用いた方法など、任意の適当な方法を用いてもよい。
凹部１６の距離および寸法は、凹部の製造方法によって決定される。極めて精密または微細な凹部の加工をレーザー穿孔によって行ってもよい。この特定の方法は、鋳型から加工される光学部材の特定の形状によって決定される。

凹部１６の形状が円形または円筒形状から逸脱している場合、方向によって焦点が異なっていてもよい。これは、例えば、縦のレンズに対して望ましい。焦点は、その長辺に沿って大きくなり、その短辺に沿って小さくなる。このように、２つの機能が１つのレンズに組み合わされてもよい。
また、作製された凹部１８またはレンズの形状も、それぞれ鋳型の表面と凹部との間の移行領域の設計に影響されている。これは、基本的に図３に示している。ここに記載の鋳型１０ａは、表面２０に現れる第１領域２４とこれに連続する第２領域２６とを有する凹部１６ａとを備えている。この第２領域２６は円筒状に形成され、図３の設計によれば、第１領域２４は傾斜縁部によって形成され、第１領域２４を介した第２領域２６と鋳型１０ａの表面２０との間で、傾斜した移行部分となっている。

もちろん、この傾斜の角度が変化してもよく、また、他の形状、特に湾曲した表面を備えた形状が考えられることが理解される。
図１〜図５による設計において、凹部１６、１６ａまたは１６ｂは、それぞれ互いに平行し、鋳型の表面２０から始まり、内部へ垂直に延びる壁２２を常に有し、また傾斜した壁２２を備えた設計も可能である。

作製される凸部１８またはレンズのそれぞれの形状は、様々なパラメータに影響される。こうしたパラメータには、ガラスの種類および成分、プレス加工時の粘度、プレス圧力、プレス時間、凹部の寸法および形状、全体の温度、鋳型１０およびプレス加工型１４の各温度、ならびに時間に応じた圧力特性（例えば、冷却工程開始前までに圧力を除去しておく）がある。さらなるパラメータとしては、例えば、ガラスの表面張力、およびガラス基板１２の厚さが挙げられ、流量特性はそれらに影響される。

図７は、本発明によって加工された直径３０ｍｍのプレス加工体の写真を示している。各レンズの直径は２．５ｍｍである。それを、ガラスＰ−ＬａＳＦ４７（ショット社のカタログに掲載のガラス、Ｔ_ｇ＝５３０℃）を用いて、２００秒間にわたって、１０^８ｄＰａｓ、加圧力２２５６Ｎ（２３０ｋｐ）で鋼型を用いて加工した。図７の左部にそのプレス加工体が見られ、また、図７の右部にそのシルエット写真および各レンズの焦点内に集中した光が見られる。

図６は、プレス加工工程時に、凸部またはマイクロレンズの曲率半径が、それぞれ圧力によってどのように影響を受けるかを示している。ここでは、Ｐ−ＬａＳＦ４７のプレス加工体を、プレス時間２００秒、１０^８ｄＰａｓの粘度でプレス加工した。鋳型１０の凹部１６は直径０．７ｍｍであった。
図６から、プレスステップ中の圧力を変化させ、残りのパラメータは一定にしたままにすることによって、形成すべきマイクロレンズの曲率半径ｒは影響を受けることが分かる。したがって、例えば、加圧力が約８５０Ｎ（８５ｋｐ）の場合、曲率半径は約５．２５ｍｍになるが、加圧力が約３１００Ｎ（３２０ｋｐ）の場合、曲率半径は約１．８ｍｍになる。

また、異なる位置で異なる光学特性を備えたレンズを生成するため、１つの鋳型上に異なる凹部が設けられてもよいことが理解されよう。
また、本発明による方法は、例えば、回折構造により、凸部の反対側のガラス基板の表面を構造化し、その結果、各光学部材の光学的機能が、それぞれ向上、または最適化される可能性も提供する。

凹部の断面積に応じて、凸部の球形状からのずれが小さくなってもよく、または大きくなってもよい。例えば、図６によれば、その曲率半径が約１．８〜５．２ｍｍの、直径０．７ｍｍのレンズが生成されている。ここでは、その直径の８０％を超えても、その形状からのずれはわずか約±１μｍである。用途によっては、コスト効率の高いマイクロレンズを提供するには、このような許容差で十分である。少なくともこれらの許容差は、センサー上に光を集中させるのに、またはＬＥＤ用の照明光学部品類を加工するのに十分に小さい。例えば、より広い面積に入射する光はセンサーの感度領域上に束ねられてもよい。所望の半径および所望の形状（球形または非球形）ならびに所望の形状精度は、特定の用途に依存する。ここに示す特定の用途に関する結果は、本発明による方法で作製される形状および／または達成される形状のずれを限定しておらず、可能な例の一部を示しているにすぎない。

本発明の方法は、特に、ＬＥＤ用の微小光学部品類を製造するため、およびセンサーを製造するために利用されてもよい。

プレス加工型を用いて鋳型上にプレス加工されるガラス基板に接触している本発明の鋳型を簡略的に示す断面図である。 凹部の領域内を示した、図１の鋳型の拡大断面図である。 図２の構成に対して変形させた凹部の断面図である。 図１の鋳型の縮尺上面図である。 変形した構成の鋳型の部分的な上面図である。 加圧力による凸部の曲率半径の依存性を示す。 プレス加工体サンプルの拡大写真である。

Claims (18)

1. 構造化された表面を有するガラス部材を製造する方法であって、
   表面（２０）を有し、そこから延びる少なくとも１つの凹部（１６、１６ａ、１６ｂ）を有する鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）を提供するステップと、
   前記鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）の前記表面（２０）上にガラス基板（１２）を載置するステップと、
   前記鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）および前記基板（１２）をガラス転移点Ｔ_ｇより高い温度に加熱するステップと、
   前記凹部（１６、１６ａ、１６ｂ）の底部（３０）に接触することなく、前記鋳型の各凹部（１６、１６ａ、１６ｂ）で凸部（１８）を生成するために、前記鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）の前記表面（２０）に前記ガラス基板（１２）をプレスするステップと、
   を含む方法。
2. 前記凸部（１８）の少なくとも１つがレンズとして構成されている、請求項１記載の方法。
3. 平坦面（２０）を有する鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）を利用する、請求項１または２に記載の方法。
4. 湾曲面（２０）を有する鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）を利用する、請求項１または２に記載の方法。
5. 鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）を利用し、少なくとも１つの凹部（１６、１６ａ、１６ｂ）が互いに対して平行で、前記鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）から垂直に延びる壁（２２）を備えている、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）を利用し、少なくとも１つの凹部（１６、１６ａ、１６ｂ）が互いに対して傾斜した壁を備えている請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 鋳型（１０ａ）を利用し、少なくとも１つの凹部（１６ａ）が前記鋳型（１６ａ）の前記表面から延びる第１領域（２４）と、これに続き、この第１領域（２４）より断面積の小さい第２領域（２６）とを備えている請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 鋳型（１０ａ）を利用し、前記第１領域（２４）が傾斜縁部として構成されている請求項７に記載の方法。
9. 前記プレスステップ時に、前記ガラス基板（１２）の粘度が、０．５・１０^８ｄＰａｓ〜２・１０^９ｄＰａｓ、好ましくは１０^８ｄＰａｓ〜１０^９ｄＰａｓに設定される、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 粘度、プレス圧力、およびプレス時間を制御することにより、ある鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）およびあるガラスに対して、各凸部に、ある計画された曲率半径が設定される、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 事前に設定された時間の後、またはある曲率半径が達成された後に、前記プレスステップを終了する、請求項１０に記載の方法。
12. 所定の経過時間の後、または凸部がある曲率半径に達すると、冷却が開始される、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記プレス圧力が０．５〜１０ＭＰａ、好ましくは１〜６ＭＰａに設定される、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 各凹部の前記底部と前記鋳型の前記表面との間の距離（ｄ）が、前記ガラス基板の前記表面（２８）に対して作製される前記凸部の高さ（ｈ）の少なくとも２倍、または、好ましくは３倍もしくは４倍である、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
15. 金属、セラミックス、ガラスセラミックス、またはガラス製であり、前記使用する温度範囲内で十分に安定していて、前記プレス加工されたガラス体を前記鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）から容易に外すことができる、鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）を利用する、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 鋼、炭化タングステン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、またはシリコン製の鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）を利用する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記プレス加工されたガラス体を容易に鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）から外すことができるコーティングで覆われた、鋳型（１０、１０ａ、１０ｂ）を利用する、請求項１〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の方法によって製造されるプレス加工体。

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