JP2013129547A - マイクロレンズアレイの成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状の制御を容易に、かつ、形状精度を向上させて、歩留まりを向上できるマイクロレンズアレイ用成形型及びマイクロレンズアレイの成形方法を提供する。
【解決手段】上型２及び下型３のいずれか一方の面に複数のマイクロレンズ成形部２ａを有してなる成形型１の下型２の上面にガラス素材１０を載置し、該ガラス素材１０を加熱により軟化させ、軟化したガラス素材１０を上型２及び下型３でプレスしてガラス素材にマイクロレンズ成形部の形状を転写させ、ガラス素材１０を成形型１と接触させたまま冷却、固化させてなるマイクロレンズアレイの成形方法であって、ガラス素材１０と成形型１を成形温度から冷却終了温度まで冷却した際に生じる歪の差Δεを、１．０×１０^−３未満としたマイクロレンズアレイの成形方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロレンズアレイの成形方法に係り、特に、成形型とガラス素材との熱膨張特性差（特に、熱収縮）に起因する形状不良の発生を防止するマイクロレンズアレイの成形方法に関する。

デジタルカメラのイメージセンサー、液晶プロジェクター、光通信用のレーザープロジェクターなどに用いられるマイクロレンズは、通常、マイクロレンズアレイと呼ばれる、マイクロレンズが碁盤目状等に複数個整列した形状で用いられる。

このマイクロレンズアレイは、マイクロレンズに対応する部分に凹状の成形部が設けられた成形型を用い、成形用のガラス素材を上型及び下型とで挟み込んでプレスして、１度の成形操作で複数個のマイクロレンズを成形して得られる（例えば、特許文献１参照）。

ところで、このマイクロレンズアレイの製造において、凹状の成形部にレンズ形状が形成されるが、プレスした後、冷却、固化する際に、成形型とガラス素材との熱膨張率の差から、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズに応力がかかり、その結果、転写されるパターンの精度が低下してしまうことがあった。

この形状不良は、マイクロレンズが整列して構成されてできるマイクロレンズアレイの領域が大きくなるほど、その外周付近のマイクロレンズと成形型との収縮量の差が大きくなり、かかる応力が大きくなるため、発生し易い。

そこで、精度の低下を生じさせないように、冷却せずに成形型から離型し、離型させた後に冷却するのが一般的な方法として知られている（特許文献２参照）。

特開２００２−１１４５２４号公報 特開２００３−２６４２５号公報

しかしながら、離型した後冷却する方法では、ガラス表面が軟化状態のまま大気中へ解放されるため、その冷却過程において、マイクロレンズアレイ中の各マイクロレンズの形状のバラツキが生じやすく、形状精度が低下して冷却後の製品の性能がバラついてしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためになされ、マイクロレンズアレイの製造にあたって、形状精度を向上させつつ形状不良の発生を抑制し、歩留まりを向上できるマイクロレンズアレイの成形方法の提供を目的とする。

本発明のマイクロレンズアレイの成形方法は、上型及び下型のいずれか一方の面に複数のマイクロレンズ成形部を有してなる成形型の前記下型の上面にガラス素材を載置し、該ガラス素材を加熱により軟化させ、軟化したガラス素材を前記上型及び下型でプレスして前記マイクロレンズ成形部の形状を転写させ、前記ガラス素材を前記成形型と接触させたまま冷却、固化させてなるマイクロレンズアレイの成形方法であって、下記（１）式で表される、前記ガラス素材と前記成形型を成形温度から冷却終了温度まで冷却した際に生じる歪の差Δεを、１．０ ×１０^−３未満、としたことを特徴とする。

（ただし、（１）式中、ε_ｍは成形温度から冷却終了温度まで冷却したときの成形型の熱収縮によって生じる歪を、ε_ｇは成形温度から冷却終了温度まで冷却したときのガラス素材の熱収縮によって生じる歪を表す。）なお、成形温度は、ガラスの形状を変化させ、マイクロレンズを成形した温度である。本発明では、成形用のガラス素材および成形型を加熱後に、ガラス素材を成形型によってプレスするが、プレス時の温度を成形温度として考えることもできる。このように、プレス時の温度を成形温度とする場合、この成形温度をとくに、「プレス温度」と言い換えてもよく、本明細書中においてそのように記載する場合がある。また、冷却終了温度は、常温付近の温度であって、１０℃〜６０℃の範囲で設定できる。また、この冷却終了温度の範囲で成形型を離型するとよい。

本発明のマイクロレンズアレイの成形方法によれば、マイクロレンズアレイの冷却時に、ガラス素材にかかる応力を減じて、とくに外周部に位置するマイクロレンズの形状不良の発生を抑制でき、マイクロレンズアレイの製品歩留まりを向上できる。

本発明に使用するマイクロレンズアレイの成形型を説明する断面図である。 ガラス素材及び成形型の材料について、線熱膨張係数αと温度との関係を示す図である。 本発明のマイクロレンズアレイの成形方法を説明する図である。 実施例１の成形操作における成形型の温度と時間との関係を示した図である。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。

ここで、図１は本発明の一実施形態であるマイクロレンズアレイ用成形型の側断面図である。この図では、成形型の概略構成を説明するため凹状孔の個数を簡略して示した。

図１に示したマイクロレンズアレイ用成形型１は、下面に複数のレンズ成形用の凹状孔２ａを有する上型２、上面にガラス素材１０を載置する平板状の下型３、とから構成される。なお、図１に基づき、便宜的に凹状孔２ａを有する側を上型２としたが、これに限らず、上型が平板状であって下型が凹状孔を有するマイクロレンズアレイ用成形型の組合せであってもよい。

図１において、上型２は、下面に複数のレンズ成形用の凹状孔２ａを有する平板状の成形型である。この凹状孔２ａは碁盤目状に整列して設けられ、その一つが成形するマイクロレンズ一つの大きさに対応した円形状の開口部を有する。なお、碁盤目状の他、千鳥配置などでも同様である。

また、凹状孔２ａはマイクロレンズを成形できればよく、マイクロレンズ形状に形成され、その形状をガラス素材１０に転写できればよい。ここでマイクロレンズ形状は球面又は非球面のいずれでもよく、半球状の凹部として構成される。

凹状孔２ａの開口部の大きさは、その直径が３０μｍ〜１０００μｍであり、その凹状孔２ａ間のピッチは３０μｍ〜５０００μｍである。また、凹状孔の（直径／ピッチ）で表される比は０．１〜１であり、好ましくは０．２〜０．９である。なお、開口部のピッチとは、隣り合う凹状孔２ａの開口部の中心間の距離に相当する。

下型３は、平板状の成形型であり、その上面は成形用のガラス素材１０を載置し、プレス時にマイクロレンズの片面を平らにする機能を有し、その成形型表面も滑らかで平らな面となっている。

ガラス素材１０としては、矩形又は円形の平板状のものが挙げられ、そのときプレス前の厚さは通常、１ｍｍ〜３０ｍｍである。また、ガラス素材は上記した平板状だけではなく、球形や球状が潰れた偏平状等の種々の形状のものを使用できる。

そして、本発明においては、上記した成形型のうちマイクロレンズアレイを成形する側の上型２の素材と、成形するガラス素材１０の素材との熱膨張特性差をなるべく小さくし、プレス後の冷却時におけるガラス素材１０と成形型との相対的な歪みの差が所定の範囲となるものを使用する点に特徴を有する。

ここで、ガラス素材１０と成形型との熱収縮量の差Δλは、次の（２）式

Δλ ＝ Δε・ｒ …（２）

（ただし、（２）式中、Δεは熱収縮時に発生するガラス素材と成形型の相対的な歪みの差を、ｒは成形型の中心からマイクロレンズアレイの成形面における平面距離を、示す。）により算出される。なお、（２）式は、成形型の中心とマイクロレンズアレイの中心とが一致することを前提としたときの関係を示す。

本発明者らが、ガラス素材と成形型との材料の相違により、マイクロレンズの剥れや割れが生じる範囲を調べたところ、Δλが約２×１０^−６ｍとなるｒよりも外側の領域において、せん断応力が生じて、剥れや割れ等の形状不良が発生しやすいことを見出した。

そして、本願発明において、例えば、２０ｍｍ×２０ｍｍの成形面領域が与えられ、この領域において形状不良が生じない条件を考えた場合、形成面領域の中心を基点として、ｒが１４．１ｍｍより大きい範囲で不良が生じないことが求められる。そして、この条件に基づくとき上記成形面領域において形状不良を生じさせないためには、ガラス素材と成形型（上型２）との熱収縮量の差Δεを０．１４×１０^−３未満とするとよい。

さらに、８ｍｍ×８ｍｍの成形面領域が与えられ、この領域において形状不良が生じない条件を考えた場合、ｒが５．７ｍｍより大きい範囲で不良が生じないことが求められる。そして、この条件に基づくとき上記成形面領域において形状不良を生じさせないためには、ガラス素材と成形型（上型２）との熱収縮量の差Δεを０．３５×１０^−３未満とする材料の条件を与えるとよい。また、ｒが３．５ｍｍまでの領域の範囲内において不良が生じないことが求められる場合、熱収縮量の差Δεを０．５７×１０^−３未満とする材料の条件を与えるとよい。さらに、ｒが２．０ｍｍまでの領域の範囲内において不良が生じないことが求められる場合、熱収縮量の差Δεを１．０×１０^−３未満とする材料の条件を与えるとよい。

すなわち、マイクロレンズアレイの径が大きくなった際に、所定の領域において剥れや割れ等の形状不良が発生しない条件を検討したところ、Δεを０．１４×１０^−３より小さくする材料の条件での形成が効果的であることを見出した。なお、マイクロレンズアレイは、ｒが１４．１ｍｍ（２０ｍｍ×２０ｍｍの成形面領域）以下となる大きさで成形されることが多い。

なお、Δεは（１）式で算出される値であり、ε_ｍは成形温度から冷却終了温度まで冷却したときの成形型の熱収縮によって生じる歪を、ε_ｇは成形温度から冷却終了温度まで冷却したときのガラス素材の熱収縮によって生じる歪を表すが、これら、ε_ｍ及びε_ｇは次の（３）式及び（４）式

（式中、α_ｍは成形型の線熱膨張係数を表す温度の関数、α_ｇはガラス素材の線熱膨張係数を表す温度の関数を表す。また、ｐは成形温度、ｃは冷却終了温度を表す。）によって、それぞれ算出される。
すなわち、上記（２）式は、成形温度（ｐ）から冷却終了温度（ｃ）までの温度変化において、ガラス素材と成形型との間に生じる歪がどの程度であるかを算出するものである。なお、成形温度が、使用するガラス素材のガラス転移点（Ｔｇ）＋３０℃よりも高い場合には、（３）及び（４）式の成形温度ｐを、「ガラス転移点（Ｔｇ）＋３０℃」と読み替えて算出してもよい。

このような関係を満たすようにするのは、マイクロレンズアレイの領域（面積）が大きくなるほど重要となり、本発明は、ｒが２．０ｍｍ以上の場合に有用であり、ｒが５．７ｍｍ以上の場合に特に有用である。

このとき、ｒが２．０ｍｍ以上となる場合に、形状不良を生じさせない組合せとしては、ガラス素材としてホウケイ酸ガラス（日本無線ガラス株式会社製、商品名：ＴｙｐｅII ０８５（ＫＳ−７０））と成形型として鉄ニッケル合金（日立金属株式会社製、商品名：ＨＲＡ９２９）の組合せが挙げられる。また、成形型の素材としては、他にも超硬、コバール合金等が挙げられ、その際ガラス素材との熱膨張特性について、製造するマイクロレンズアレイの大きさを考慮して、上記（１）式で算出されるΔεが所定の範囲を満たすように選定すればよい。なお、凹状孔が形成されない平板状の成形型（上記実施形態では下型３）の素材としては、ガラス素材との熱膨張特性差を特に考慮する必要はなく、例えば、超硬合金やＳＵＳ等のステンレスのように一般にプレス成形に使用される素材で構成すればよい。

また、上記（３）式及び（４）式において、各素材の線熱膨張係数の温度の関数としては、各素材について、任意の温度幅での線熱膨張係数の平均値を算出し、温度と線熱膨張係数の関係を導いた値を用いてもよい。その際、各温度幅における平均値に基づいて、各熱膨張率を算出してもよい。ここで、温度幅は２５℃〜５０℃に設定するのが好ましい。なお、理論的にはガラス転位点（Ｔｇ）以上ではガラスは流体とみなされるが、これまでの成型実績から、ガラス転位点（Ｔｇ）＋３０℃程度までは熱膨張特性の差に起因する応力が発生し、それよりも高温では応力の発生を無視できると考えられる。そのため、例えば、成形温度（プレス温度）が、使用するガラス素材のガラス転移点（Ｔｇ）＋３０℃よりも高い場合には、５０℃からガラス転位点（Ｔｇ）＋３０℃程度までの線熱膨張係数と温度との関係を、温度幅２５℃でプロットしたグラフを作成し、これに基づいて（３）式及び（４）式から求められた値に基づいてΔεを算出すればよい。

なお、参考として、ガラス素材としてホウケイ酸ガラス（日本無線ガラス株式会社製、商品名：ＴｙｐｅII ０８５（ＫＳ−７０））とホウケイ酸バリウム系低融点ガラス（旭硝子株式会社製、商品名：Ｒ１Ｂ）、成形型として鉄ニッケル合金（日立金属株式会社製、商品名：ＨＲＡ９２９）とステンレス鋼（ウッデホルム株式会社製、商品名：ＳＴＡＶＡＸ）の各材料の線熱膨張係数と温度との関係について、各素材の５０℃から高温側に温度幅２５℃での線熱膨張係数の平均値をプロットしたグラフを図２に表した。この図において、線熱膨張係数の各平均値は、温度幅の下限値においてプロットした。例えば、５０℃〜７５℃の平均値は、５０℃にプロットした。

このとき、後述する実施例及び比較例から、形状不良の発生する境界部分において、Δλはいずれも約２×１０^−６ｍであった。すなわち、この関係を満たす上記ｒの関数に基づく領域よりも内側の領域で形状不良が発生しないため、使用する素材の線熱膨張係数の特性を調べることで、所定の領域内やその領域の外周部においても、所望する形状のマイクロレンズアレイに形状不良を生じないかを事前に確認できる。

次に、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて、上記成形型を用いたマイクロレンズアレイの成形方法について説明する。

まず、図１のマイクロレンズアレイ用成形型１の下型３の上にガラス素材１０を載置する（図３（ａ））。

次に、上下の成形型２，３を成形温度まで加熱し、ガラス素材１０も同温度にまで加熱して軟化させる。このときの加熱温度は、ガラス素材１０が軟化する温度とすればよく、用いるガラス素材によって異なるが、一般に、５００〜１１００℃程度である。また、このとき、ガラスの粘度を１×１０^４〜１×１０^１２［ｄＰａ・ｓ］とすればよく、成形操作を円滑に行うために１×１０^５〜１×１０^１０［ｄＰａ・ｓ］とするのが好ましい。

次に、十分に加熱して軟化状態となったガラス素材１０の上方から上型２を下降させ、下型と上型でガラス素材を挟んでプレスする。プレス圧力により開口部のガラスは、球面状に押し上げられ、上型の凹状孔２ａ内に各マイクロレンズを形成する（図３（ｂ））。このとき、プレス圧力は０．１〜１００ＭＰａ、プレス時間は１０〜６００秒が好ましい。その後、後述するように、冷却までの過程でプレス圧力を低く設定する。また、この成形は高温に加熱した状態で実施され、成形型の酸化による劣化を防止するため、例えば、１×１０^−２Ｐａ以下の真空条件下や、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気下で実施するのが好ましい。

ここでガラス素材の粘度とプレス圧力を調整すれば、上型の凹状孔の形状に応じて、得られるマイクロレンズの形状も容易に制御できる。例えば、高さが１０〜１００μｍ、曲率半径が０．０１〜１０ｍｍの範囲のマイクロレンズを高い形状精度で得られる。本発明によれば、従来のような、成形型を離型後に冷却する形成方法プロセスを採用する場合とは異なるので、マイクロレンズが垂れて形状精度が低下する等の不具合が生じない。

つまり、プレス後も、ガラス素材１０を上型２及び下型３で挟み込んだまま冷却し、固化させ（図３（ｂ））、十分低い温度となってから上型２を上昇させる（図３（ｃ））。このようにして、球面状のマイクロレンズが隣接するマイクロレンズと等間隔に碁盤目状に整列したマイクロレンズアレイが得られる。

なお、通常、ガラス素材１０と使用している成形型と、の熱膨張率差から、従来では、プレス後は上型２を上昇させてからガラス素材１０の冷却をするが、本発明においては、プレスした状態を維持したまま冷却を可能とし、このようにプレス状態を維持することでマイクロレンズの形状精度が高められる。この冷却時に押圧する圧力は、１ｋＰａ〜０．５ＭＰａが好ましい。なお、冷却時間は、１０〜３００分が好ましい。また、冷却のプロセスとしては、自然放冷であっても、特定のプロファイルに沿って冷却してもよい。特定のプロファイルとして、例えば、転位点付近は−１℃〜−５℃／分程度で徐冷させ、それ以外の温度付近では−５℃〜−４０℃／分程度で急冷するプロファイルが挙げられる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

（実施例１）
図１のマイクロレンズ用成形型１を用いて、以下の操作によりマイクロレンズアレイを成形した。ここで用いたマイクロレンズアレイ用成形型は、８×８ｍｍの平板状の上型と下型とからなる。また、成形型１は、凹部の形状が半径（Ｒ）２５μｍの半球となる型を用いた。

上型には、下型と対向する面（下面）に、開口部のφ５０μｍの球面形状のレンズを成形するための成形面が、ピッチ１００μｍで碁盤目状に全面に整列されている。下型は、上成形面と対向する面が平滑な平面となっており、平板状である。この成形型は、鉄ニッケル合金（日立金属株式会社株式会社製、商品名：ＨＲＡ９２９）で形成され、その表面をＩｒ−Ｒｅでコートしてなる。

次に、直径１２ｍｍ、高さ６．３ｍｍの円柱状であり、先端部の曲率がＲ＝８ｍｍのホウケイ酸ガラス（日本無線ガラス株式会社製、商品名：ＴｙｐｅII ０８５（ＫＳ−７０）；ガラス転移点４９０℃、屈伏点６１０℃）製のガラス素材を、下型の上に載置し、上下の成形型を６１５℃まで加熱し、ガラス素材も同温度にまで加熱して軟化させた。このときのガラスの粘度は１×１０^９．５ｄＰａ・ｓ程度であった。

十分に加熱して軟化状態となったガラス素材の上方から上型を下降させ、下型と上型でガラス素材を挟んで、プレス温度が６１５℃で、圧力０．４ＭＰａ、プレス時間１８０秒でプレスした。このとき、プレス雰囲気は１．０×１０^−３Ｐａの真空条件とした。

上型をプレス状態のままガラス素材１０を５０℃まで冷却（自然冷却）、固化させて離型し、φ５０μｍの球面形状のマイクロレンズ（曲率半径２５μｍ）が１００μｍピッチで碁盤目状に整列したマイクロレンズアレイを得た。なお、この実施例１における加熱、プレス、冷却の一連の成形操作における成形型の温度と時間との関係を図４に示した。

（比較例１）
ガラス素材と成形型を、ホウケイ酸ガラス（旭硝子株式会社製、商品名：Ｒ１Ｂ；ガラス転移点４９５℃、屈伏点５４２℃）からなるガラス素材、ステンレス鋼（ウッデホルム株式会社製、商品名：ＳＴＡＶＡＸ）で形成された成形型、とした以外は実施例１と同様の条件でプレス成形操作を行い、マイクロレンズアレイを得た。

実施例及び比較例で得られたマイクロレンズアレイのマイクロレンズ形状を調べたところ、実施例１では成形型の中心からφ７．４ｍｍ（ｒ＝３．７ｍｍ）程度、比較例１ではφ３ｍｍ（ｒ＝１．５ｍｍ）程度の領域においてマイクロレンズ形状がきれいに転写されていた。一方で、実施例１および比較例１における、それぞれ上記の領域よりも外側の領域では剥離が確認され、とくに、比較例１においては少なくともｒ＝２．０ｍｍでは剥離が目立った。

このとき、５０〜５２５℃までの範囲で、図２の結果に基づいて算出された実施例１のΔεは０．４９×１０^−３であり、比較例１のΔεは１．６×１０^−３であった。ここで、実施例１におけるｒ＝３．７ｍｍでのΔλと比較例１におけるｒ＝１．５ｍｍでのΔλはいずれも約２×１０^−６であり、形状不良が発生する境界の位置とほぼ一致した。

以上より、製品において形状不良の発生を抑制するため、製品の半径を考慮し、Δεを所定の範囲とするガラス素材と成形型との組み合わせとすることにより、所定の領域内において形状不良のないマイクロレンズアレイを製造でき、歩留まりを良好にできる。

本発明のマイクロレンズアレイの成形方法は、プレス成形によるマイクロレンズアレイの製造に用いられる。また、マイクロレンズアレイの成形にあたって、ガラス素材と成形型との組み合わせが、製品製造に妥当であるか否か事前に評価できる。

１…マイクロレンズアレイ用成形型、２…上型、２ａ…凹状孔、３…下型、１０…ガラス素材

Claims (8)

1. 上型及び下型のいずれか一方の面に複数のマイクロレンズ成形部を有してなる成形型の前記下型の上面にガラス素材を載置し、該ガラス素材を加熱により軟化させ、軟化したガラス素材を前記上型及び下型でプレスしてガラス素材に前記マイクロレンズ成形部の形状を転写させ、前記ガラス素材を前記成形型と接触させたまま冷却、固化させてなるマイクロレンズアレイの成形方法であって、
   下記（１）式で表される、前記ガラス素材と前記成形型を成形温度から冷却終了温度まで冷却した際に生じる歪の差Δεを、１．０×１０^−３未満としたマイクロレンズアレイの成形方法。
   

   

   （ただし、（１）式中、ε_ｍは成形温度から冷却終了温度まで冷却したときの成形型の熱収縮によって生じる歪を、ε_ｇは成形温度から冷却終了温度まで冷却したときのガラス素材の熱収縮によって生じる歪を表す。）
2. 前記Δεが０．５７×１０^−３未満である請求項１記載のマイクロレンズアレイの成形方法。
3. 前記成形型の中心から最も外周にある凹状成形面までの平面距離ｒが２．０ｍｍ以上である請求項１又は２記載のマイクロレンズアレイの成形方法。
4. 前記ガラス素材がホウケイ酸ガラス製、前記成形型が鉄ニッケル合金である請求項１乃至３のいずれか１項記載のマイクロレンズアレイの成形方法。
5. 前記マイクロレンズ成形部を前記上型に設けている請求項１乃至４のいずれか１項記載のマイクロレンズアレイの成形方法。
6. 前記ガラス素材のプレス時の粘度を１×１０^４〜１×１０^９ｄＰａ・ｓ、プレス圧力を０．１〜１００ＭＰａとする請求項１乃至５のいずれか１項記載のマイクロレンズアレイの成形方法。
7. 前記ガラス素材のプレス時間が１０〜６００秒である請求項６記載のマイクロレンズアレイの成形方法。
8. 前記ガラス素材の冷却時間が１０〜３０分である請求項６又は７記載のマイクロレンズアレイの成形方法。

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