JP2016534206A - 硬化用導波路が埋め込まれた接着剤 - Google Patents

Abstract

光学装置は、支持構造の表面と光学素子の表面の間に配置された硬化済みの接着剤組成物を用いて前記光学素子を保持するように構成された前記支持構造を備え、構造体光学粒子状材料が、前記硬化済みの接着剤全体に亘って分散されている。前記構造体光学粒子状材料は、前記接着剤組成物のうち照射光に直接露光されることができない部分を硬化され易くするために、散乱メカニズムを通して硬化照射光の方向を変え、それにより、急速な、かつ、該構造体光学粒子状材料が無い他の場合に達成されうる硬化よりも完全な硬化を起こり易くする。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１３年８月２８日出願の米国特許出願第１４／０１２，３５５号の優先権の利益を主張し、その内容は依拠され、全体として参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、接着剤（ａｄｈｅｓｉｖｅ）に関し、より詳しくは、光学素子を、その光学素子を支持するように構成された構造体に取り付けるために用いられる照射硬化性接着剤組成物に関する。

照射硬化性接着剤組成物は、部品間での耐久性を有する永久的な接着または封止が望まれるような様々な応用で採用されている。接着剤の使用は、機械的な装着に代わる、コスト効果が高い装着を提供し、互いに接合される部品に対して、より低い応力がかかる。接着剤が、互いに結合または封止されるべき部品間のギャップ内に全て位置決めされている場合、または、部品のうち少なくとも１つが、接着剤組成物を硬化させる（化学的に固化させる）のに必要な周波数（または、波長）の照射光を透過する場合等の多くの場合には、硬化性接着剤組成物の全ての部分を直接照射光に露光することが可能である。しかしながら、その接着剤組成物の少なくとも一部分が、化学線をブロックする材料を含む部品間に配置されている場合等の多くの場合には、照射硬化性接着剤組成物の全ての部分(つまり、全容積または質量)を、その接着剤組成物の硬化を開始させる周波数（または、波長）の照射光（つまり、化学線）に直接露光することが不可能である。さらに、接着剤の劣化の原因となりうる照射光を遮断またはブロックするために、光学素子の表面に亘って、遮光コーティングが塗布されうる。接着剤組成物のうち露光されなかった部分は、非常にゆっくり硬化しうるので、結果として、許容できないような長い固定時間につながる。したがって、照射硬化性接着剤またはシーラント組成物中の、化学線に（例えば、照射光源から接着剤までの直線に沿って）直接露光されることができない、それらの部分の急速な硬化を起こり易くする構造および方法を提供する必要性が認識されてきた。

特許文献１には、光を拡散する光ファイバーの使用が記載されており、その光ファイバーは、化学光の光源につなげられると共に、互いに接合されるべき部品（例えば、ホルダーと光学素子）の間の領域に位置している、照射硬化性接着剤組成物の一部分内に少なくとも部分的に配置されており、その領域は、外部光源から照射光を直接受光することからブロックされている。外部光源による照射からブロックされている照射硬化性組成物を、化学線に露光するという課題に対しては、実行可能な解決策を提供しているものの、この技術は、化学光の光源につなげられた、光を拡散する光ファイバーを提供する工程、および、その組成物を化学線に露光および急速に硬化され易くするために、光を拡散する光ファイバーを接着剤組成物内に適切に位置決めする工程が追加されることにより、相対的に高価である。

米国特許出願公開第２０１３／００９０４０２Ａ１号の明細書

化学線を散乱させることが可能な照射硬化性接着剤組成物を開示する。より詳しくは、その組成物は、外部光源から化学線を直接受光することからブロックされている、その組成物の一部分の急速な硬化を起こり易くするために、化学線の十分な散乱および方向を変えた分散を可能にするものであり、その一部分は、その外部光源から化学線を直接受光することからブロックされてはいない、その組成物の別の部分と接触している。

化学線を直接受光することからブロックされた、接着剤の一部分の急速な硬化を起こり易くするために、化学線を散乱させることが可能な照射硬化性接着剤組成物は、光硬化性材料、および、その光硬化性材料全体に亘って分散された構造体光学粒子状材料（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を含んでもよく、その構造体光学粒子状材料は、その化学線をその光硬化性材料全体に亘るように散乱させることが可能である。

さらに、ここに記載されるような硬化済みの接着剤組成物を用いて、接着性により支持構造に接合された光学素子を有する光学装置、および、化学線を散乱させることが可能な本開示の照射硬化性接着剤組成物を用いて光学素子を支持構造に取り付ける方法を開示する。

支持構造と光学素子の間に配置されている接着剤を硬化させるために化学線を外部光源から受光する公知の光学装置を、概略的に表す図であり、その照射光が、接着剤の劣化の原因になる波長スペクトルの光をブロックするコーティングの真下に配置されている、その接着剤の一部分には届かないことを表す拡大挿入図と共に示されている。 図１の接着剤組成物を、照射光を直接受光することからブロックまたは遮断された、その接着剤組成物の部分に亘って光を散乱させることが可能な構造体光学粒子状材料を含む接着剤組成物と置き換えたものである他の拡大挿入図を示している。 図１または２の接着剤組成物を、照射光を直接受光することからブロックまたは遮断された、その接着剤組成物の部分に亘って光を散乱させることが可能な構造体光学粒子状材料、および、その硬化照射光の波長とは異なる波長の照射光を吸収することが可能な第２の粒子状材料の両方を含む接着剤組成物と置き換えたものである他の拡大挿入図を示している。 照射光を直接受光することからブロックまたは遮断される、その接着剤組成物の部分に亘って光を散乱させることが可能な構造体光学粒子状材料を照射硬化性接着剤に添加することによって、鏡面加工が施された光学素子と金属のホルダーの間の接着が向上された装置を概略的に表す図である。

本開示の様々な実施形態およびアスペクトにおいて採用される照射硬化性接着剤組成物は、様々な異なる化学的性質のうち任意のものを用いた重合および／または架橋結合等の化学反応によりその組成物を凝固および固化させるために、照射光（例えば、紫外線照射光または電子ビーム）に露光されることが可能な流動性組成物である。これらの光硬化性組成物は、小さい分子（例えば、モノマー）、オリゴマーおよびポリマーの組み合わせを含んでもよく、例えば、照射硬化性のエポキシ系、オキセタン系、ビニルエーテル系、プロペニルエーテル系、クロチルエーテル系、アリルエーテル系、プロパルギルエーテル系、マレイン酸エステル系、フマル酸エステル系、ケイ皮酸エステル系、スチレン系、アクリルアミド系、メタクリルアミド系、アクリル酸系、メタクリル酸系、マレイミド系およびチオール‐エン系樹脂組成物を含んでもよい。

この明細書および請求項で用いられる「接着剤組成物」という用語は、接着性（つまり、支持構造の表面に、および、その支持構造上に保持された光学素子に結合できる特性）を有するシーラントおよびポッティング（ｐｏｔｔｉｎｇ）組成物を包含することを意味する。

照射光を集光および散乱させることが可能である、構造体光学粒子状材料は、光硬化性液に分散されており、その照射光は、少なくとも、その光硬化性液の硬化を引き起こすことが可能な周波数（または、波長）の照射光を含むものである。その構造体光学粒子状材料は、機械的な混合装置を用いてその光硬化性液中に均一に分散されていてもよい。概して、構造体光学粒子状材料の小さな粒子サイズは、光硬化性材料の粘性と組み合わさって、さらにまた、その構造体光学粒子状材料の濃度（または、比重）が光硬化性材料のそれと比べて相対的に差が小さいことも、急速な沈殿を妨いで、使用前に再混合が必要になる前の妥当な期間、その接着剤組成物を保存することを可能にする。

構造体光学粒子状材料の散乱性に影響する要因は、粒子のサイズおよび非球面性、散乱されるべき化学線の波長、構造体光学粒子状材料の屈折率の光硬化性液の屈折率に対する比、並びに構造体光学粒子状材料の表面粗さを含む。構造体光学粒子状材料は、光硬化を引き起こすことが可能な化学線を透過および／または反射することが可能な任意の粒子状材料であってもよい。その粒子は有機（例えば、合成または天然のポリマー等）若しくは無機（例えば、ガラス、セラミック、ガラス‐セラミック、ミネラル等）であってもよい。粒子は、規則正しい形状（例えば、回転楕円体または円柱）、繊維状、または、粉砕により得られる粒子におけるように不規則な形状であってもよい。使用可能な構造体光学粒子状材料の一例は、溶融シリカ微小球（ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ）である。そのような粒子は、約３０から約３００マイクロメートルの直径を有していてもよい。その他の構造体光学粒子状材料としては、ガラスまたはポリマーの微小球、若しくは非球面粒子（例えば、回転楕円体または円柱）を含んだものでもよい。

接着剤組成物に組み入れてもよい構造体光学粒子状材料の量は、特に限定されない。一般的に、粒子状の構造体光学材料は、硬化照射光を、さもなければ硬化照射光に露光されないであろう接着剤の部分にまで散乱させることによって接着を向上させるのに十分な量で、過剰な量の構造体光学材料が接着剤の特性または硬化済みの組成物の凝集強さに悪影響を与えるのを避けながら添加される。量は、例えば、接着剤組成物の総重量の０．０１％から５０％、０．１％から３０％、０．５％から２５％、１％から２０％、２％から１５％、および５％から１０％である。

本開示の幾つかの態様においては、構造体光学粒子状材料を、光硬化液材料を硬化させる化学線の波長とは異なる波長の光を吸収するように選択してもよい。さらに詳しくは、吸収される波長は、硬化済みの接着剤組成物を劣化させるような影響がある波長、若しくは、波長スペクトルまたは範囲であってもよい。若しくは、第２の粒状材料が、劣化させる照射光を吸収するように接着剤組成物の中に分散されていてもよい。

図１は、内部リング３２０によって定められ、かつ、反応した光硬化性接着剤材料２７０によって支持構造に最終的には固定される光学素子３００を受けるように構成されたリップ３３０によって部分的には定められる中央開口部３１６を有する光学マウントまたは支持構造３１０を有している公知の光学装置３１２を示している。化学線源１５０は、光硬化性材料２７０の硬化を引き起こすように照射光１５２を光硬化性材料２７０に向けるように用いられる。レンズ１８０は、照射光１５２が光硬化性材料２７０の表面２７１に向けられて、十分に広い面積のボンドラインをカバーするように照射パターンを形成するために、組立の際に光源１５０と装置３１２の間に配置されてもよい。光学素子３００の１つ以上の面（例えば、底面３０４または側面３０２）が、コーティング３０１、または硬化照射光（化学線）の透過をブロックする他の処理で処理されているか、若しくは、硬化照射光を透過しない材料で作られていると、光源１５０からの照射光１５２によって直接照らされない、接着剤２７０の部分２７０Ｂは、目に見える程の速度では硬化されないであろう。その結果、部分２７０Ｂが照射光１５２の恩恵なしで硬化されるまでのかなり長い時間、支持構造３１０と光学素子３００の間の結合が不十分でありうる。

図２は、図１に示したものと同様の組立または装置の、他の拡大挿入図を示しており、光硬化性材料２７０全体に亘って分散された構造体光学粒子状材料４００を含む接着剤組成物を用いている。構造体光学粒子状材料４００は、硬化照射光１５２を直接受光することからブロックされた、光硬化性材料２７０の部分２７０Ｂに、散乱メカニズムによって硬化照射光１５２を伝達する。

構造体光学粒子状材料４００は、さもなければ光源１５０からの照射光１５２の受光から遮断されるであろう、光硬化性材料２７０（例えば、接着剤、シーラントまたはポッティング組成物）中の領域に、照射光の方向を変えて向けるための、照射光１５２の導波路として作用する。

図３は、図１および２に示したものと同様の組立または装置の、わずかに変更した他の拡大挿入図を示しており、光硬化性組成物２７０全体に亘って分散された構造体光学粒子状材料４００、および、その硬化照射光の波長若しくは波長スペクトルまたは範囲とは異なる波長若しくは波長スペクトルまたは範囲の照射光を吸収する、第２の粒子状材料４１０を含む接着剤組成物を用いている。第２の粒子状材料４１０は、接着剤組成物２７０の硬化物の劣化の原因となる照射光（例えば、紫外線であり、通常は、支持装置３１２で用いられる動作波長中の紫外線の波長より短い）を吸収するためのものである。したがって、いくつかの実施形態によれば、接着剤組成物は、（ａ）光硬化性材料、および（ｂ）その光硬化性材料全体に亘って分散された構造体光学粒子状材料を含み、その構造体光学粒子状材料は、第１の波長の照射光を、その光硬化性材料全体に亘って散乱させることが可能である。いくつかの代表的な実施形態においては、構造体光学粒子状材料は、溶融シリカ微小球である。いくつかの実施形態において、構造体光学粒子状材料は、第２の波長の光を吸収することが可能である。いくつかの実施形態においては、接着剤組成物は、第２の波長の照射光を吸収する第２の粒子状材料を、さらに含んでいる。

図４は、ミラー５００を金属ホルダー５１０に結合するために紫外線照射硬化性接着剤組成物５７０を用いる装置５１２を概略的に表している。その鏡面加工が施された表面は、ボンドラインが、照射光源５５０から発せられた硬化照射光５５２によって直接照らされるのを妨げる。ミラー５００の外径を超えて外側に延びる、接着剤組成物５７０の小さな部分５８０が照射光５５２に露光され、その照射光５５２は、接着剤組成物５７０中の構造体光学粒子状材料によって方向を変えられて、照射光源５５０からの照射光５５２を直接受光することから遮断された、その接着剤組成物のより大きな部分に向けられる。

上記、および図４に示したものと同様の配置における、光学素子とホルダーの間の接着剤ボンドラインを切断するのに必要な力を確定するための押出力（ｐｕｓｈｏｕｔ ｆｏｒｃｅ）試験は、構造体光学粒子状材料（例えば、溶融シリカ微小球）によって散乱された光が、直接照射からコーティングによって遮蔽されているボンドラインの完全な硬化を起こり易くすることを立証しており、その硬化は、ボンドラインが遮蔽されずに直接照射を受光する、他の点では同一の配置における硬化と同等なものである。この結果は、構造体光学粒子状充填剤の添加が、許容できるような時間以内には、さもなければ硬化しないであろう、接着剤組成物の遮断された部分の照射による硬化を起こり易くすることを立証している。

したがって、いくつかの実施形態によれば、光学装置は、（ａ）光学素子を保持するように構成された支持構造と、（ｂ）その支持構造上に位置決めされた光学素子と、（ｃ）接着性により光学素子を支持構造に結合させるために支持構造の表面と光学素子の表面の間に配置された硬化済みの接着剤組成物とを備えた光学装置であって、その硬化済みの接着剤組成物が、架橋結合したポリマーマトリックス材料、および、そのマトリックス全体に亘って分散された構造体光学粒子状材料を有するものである。その硬化済みの接着剤組成物は、直接照射の光路内ではない、光学素子と支持構造の間の領域に配置されていてもよい。例えば、硬化済みの接着剤組成物は、光学素子の表面に塗布されたコーティングによって直接照射の光路から遮蔽された、光学素子と支持構造の間の領域に配置されていてもよい。

いくつかの実施形態によれば、接着性により光学素子を支持構造に取り付ける方法は、（ａ）光硬化性接着剤組成物が支持構造の表面と光学素子の表面の間に配置された状態で、その光学素子をその支持構造上に位置決めする工程、および（ｂ）その光硬化性接着剤組成物を硬化させるのに適切な波長の照射光を、その光硬化性接着剤組成物に向ける工程を備えている。いくつかの実施形態によれば、その方法は、照射光を光硬化性接着剤組成物に向ける前に、表面処理またはコーティングを光学素子の表面の一部分に付与する工程をさらに備えており、その表面処理またはコーティングが、接着剤組成物の少なくとも１つの領域を、直接の照射光路に沿った照射光の受光から遮蔽するものである。その光学部材は、例えば、レンズまたはミラーであってもよい。方法の実施形態のいくつかによれば、光硬化性接着剤組成物は、その中に位置する構造体光学粒子状材料を有しており、その構造体光学粒子状材料は第２の波長を吸収可能なものである。第２の波長の照射光を吸収する第２の粒子状材料も、光硬化性接着剤組成物中に位置していてもよい。

ここに開示された装置の支持構造に固定された光学素子は、ミラー等の反射素子、屈折レンズ等の屈折素子、若しくは回折格子またはレンズ等の回折素子であってもよい。

上述の実施形態は、好ましい、および／または、例示されたものであり、限定するものではない。添付の請求項の範囲およびスコープの中で、様々な変更を考えうるものである。

２７０ 光硬化性材料
３００ 光学素子
３１０ 支持構造
４００ 構造体光学粒子状材料
４１０ 第２の粒子状材料
５００ ミラー
５１０ 金属ホルダー
５７０ 接着剤組成物

Claims (5)

1. 光硬化性材料と、
   前記光硬化性材料全体に亘って分散された構造体光学粒子状材料であって、前記光硬化性材料全体に亘って第１の波長の照射光を散乱させることが可能である構造体光学粒子状材料と、
   を含むことを特徴とする接着剤組成物。
2. 光学素子を保持するように構成された支持構造と、
   前記支持構造上に位置決めされた前記光学素子と、
   接着性により前記光学素子を前記支持構造に結合するように該支持構造の表面と該光学素子の表面の間に配置された硬化済みの請求項１記載の接着剤組成物であって、架橋結合したポリマーマトリックス材料、および該マトリックス全体に亘って分散された構造体光学粒子状材料を有する硬化済みの接着剤組成物と、
   を備えたことを特徴とする光学装置。
3. 接着性により光学素子を支持構造に取り付ける方法であって、
   前記支持構造の表面と前記光学素子の表面の間に配置された請求項１記載の光硬化性接着剤組成物で、該光学素子を該支持構造上に位置決めする工程と、
   前記光硬化性接着剤組成物を硬化させるのに適切な波長の照射光を、該光硬化性接着剤組成物に向ける工程と、
   を有してなることを特徴とする方法。
4. 前記硬化済みの接着剤組成物の少なくとも一部分が、（ｉ）直接照射の光路内ではない、前記光学素子と前記支持構造の間の領域、または（ｉｉ）該光学素子の表面に塗布されたコーティングによって直接照射の光路から遮蔽されている、該光学素子と該支持構造の間の領域に配置されていることを特徴とする請求項２記載の光学装置または請求項３記載の方法。
5. 前記構造体光学粒子状材料が、溶融シリカ微小球であることを特徴とする請求項１記載の接着剤組成物、または請求項２記載の光学装置、または請求項３記載の方法。

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