JP2018089910A

JP2018089910A - 空洞包含樹脂の製造方法及び型枠

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Publication number: JP2018089910A
Application number: JP2016237040A
Authority: JP
Inventors: 雄司興; Yuji Oki; 金市森田; Kinichi Morita
Original assignee: Kyushu University NUC; Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Kyushu University NUC; Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2036-12-06
Also published as: JP6872187B2

Abstract

【課題】本発明は、曲面部の曲率に対する自由度が高く、光学素子の各面の面精度を容易に高精度にすることが可能な樹脂製導光路中の光学部材製造方法等を提供することを目的とする。【解決手段】樹脂の中に特定の形状の空洞を包含する空洞包含樹脂の製造方法であって、前記特定の形状を保持する固体である第１部材の周囲に、固体の前記樹脂からなる樹脂部を成形する樹脂部成形ステップと、前記第１部材の融点以上かつ前記樹脂部の最大耐熱温度以下で、前記第１部材を液化させ、液体第１部材にする第１部材液化ステップと、前記液体第１部材を前記樹脂部の外に取り出す液体第１部材取出ステップとを含む空洞包含樹脂の製造方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、空洞包含樹脂の製造方法及び型枠、特に液体金属を用いて空洞を成型する空洞包含樹脂の製造方法に関するものである。

近年、吸光度法、レーザ誘起蛍光法などの光分析技術を用いた光測定装置の小型化、高性能な測定可能化などが要請されている。このような光測定装置は、例えば、ライフサイエンス分野における広範囲なバイオアナリシスにおいて採用されており、例えば、ポイントオブケア検査（ＰＯＣＴ）用の測定機器として期待されている。ＰＯＣＴ用測定機器として使用する場合、上記光測定装置は、携帯可能な程度の小型化の要請がある。

光測定装置の小型化を行うと、当該装置内において、試料に測定光を照射するための光源と、試料からの観測光をモニタする検出器との距離が近くなる。また、光源からの測定光を試料に導く測定光学系を構成する導光路や、試料からの観測光を検出器に導光する観測光収集光学系を構成する導光路には、集光レンズや光学フィルタ等の光学素子が存在する。

よって、これらの導光路を光が進行する際に発生する反射光、散乱光といった、測定においてノイズとなりうる迷光の影響は、光測定装置が小型化するにつれて顕著になる。このような、迷光の影響をできるだけ抑制し、光学測定装置の小型化を実現するために、発明者らは、例えば、導光路をシリコーン樹脂で形成したことを主な特徴とする光測定装置を提案した（特許文献１及び特許文献２）。

上記光測定装置における導光路は、少なくともその一部に、光源からの測定光、試料からの観測光に透明なシリコーン樹脂（透明樹脂）が充填されている。更にこの透明樹脂からなる導光路は、上記迷光を吸収する特性を有する顔料が分散したシリコーン樹脂（顔料含有樹脂）で包囲されている。

ここで、導光路を構成する透明樹脂と、顔料含有樹脂との材質とを同じとすることにより、両樹脂が接触する界面において光の反射や散乱は抑制される。また、顔料含有樹脂に入射した迷光は顔料により吸収され、導光路を構成する透明樹脂に戻ることはほとんどなく、また、顔料含有樹脂から外部へ迷光が漏えいすることもない。

よって、迷光の複雑な多重反射から生じる迷光の影響は殆ど抑制されるので、導光路中の光学系は、複雑な多重反射に対応する必要がない。

透明樹脂からなる導光路には、導光する光の整形や波長フィルタリングのため、適宜レンズ、光学フィルタ、プリズム等の光学素子が埋設される。

ここで、光測定装置の導光路を透明樹脂で形成すると、上記特徴に加え、以下のような利点がある。

透明樹脂からなる導光路に、一部当該樹脂が充填されていない空洞を設ける。そして例えば、図８に示すように、空洞１０１と透明樹脂１０３との境界面であって互いに対向する曲面１０５と平面１０７をレンズ形状に構成する。透明樹脂１０３と空洞１０１を満たす空気との屈折率が互いに相違するので、空洞１０１との境界面がレンズ形状となっている透明樹脂１０３部分は、レンズとして機能させることが可能となる。よって、導光路１０８の中にガラス等のレンズを別途設ける必要がなく、部品点数を少なくすることができる。

図８に示す例では、矢印方向に進行する拡散光１０９を、曲面１０５の曲率を調整することにより、光軸１１１に平行な平行光１１３に整形することが可能となる。

特許文献１にも同様構造のレンズが開示されている。また、特許文献２には、透明樹脂と空洞からなるプリズムが開示されている。さらに、ＰＤＭＳ製の光学素子を製造する方法や、ＰＤＭＳ内に金属製の光学素子を製造する方法も知られていた（非特許文献１）。

特許第５６６５８１１号公報特開第２０１６−１０９５６４号公報

James L. Wilbur et al, Chem. Mater. 1996, 8, 1380-1385

シリコーン樹脂内に空洞を作る方法としては、例えば、図９に示すような金型１１５を用いて透明樹脂１１７内にレンズ形状の空洞１１９を設ける方法が考えられる。ここで、金型１１５は、一方の面が平面で、この面に対向する他方の面が曲面形状である平凸レンズ形状であるとする。

図９（ａ）に示すように、直方体の型１２１に、平凸レンズ形状の金型平面部の高さまで透明樹脂１１７を注入する。次いで図９（ｂ）に示すように、金型１１５の平面部が透明樹脂１１７に接するように、透明樹脂１１７表面の所定の位置に金型１１５を設置する。

そして、図９（ｃ）（ｄ）に示すように、透明樹脂１１７が金型１１５の上に堆積するように透明樹脂１１７を注入する。結果として、図９（ｄ）に示すように、金型１１５が内部に埋設された透明樹脂１１７を得る。そして、透明樹脂１１７を直方体の型１２１から取り出す。

次いで、図９（ｅ）に示すように、金型１１５と接する切れ目１２３を透明樹脂１１７に設け、図９（ｆ）に示すように、切れ目１２３から金型１１５を取り出す。

その結果、図９（ｇ）に示すように、内部にレンズ形状の空洞１１９を有する透明樹脂１１７からなる導光路１２５が得られる。

しかしながら、上記製造方法は、例えば、以下のような短所を有する。
（１）例えば、レンズ形状の空洞を設ける場合、レンズの曲率に応じて複数の金型を設ける必要がある。
（２）一般に光学レンズの面精度は、高精度が求められる。これに対応するように金型の面精度を高精度にすることには高度な製造技術が必要となり、また製造コストも増大する。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであって、曲面部の曲率に対する自由度が高く、光学素子の各面の面精度を容易に高精度にすることが可能な樹脂製導光路中の光学部材製造方法等を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、樹脂の中に特定の形状の空洞を包含する空洞包含樹脂の製造方法であって、前記特定の形状を保持する固体である第１部材の周囲に、固体の前記樹脂からなる樹脂部を成形する樹脂部成形ステップと、前記第１部材の融点以上かつ前記樹脂部の最大耐熱温度以下で、前記第１部材を液化させ、液体第１部材にする第１部材液化ステップと、前記液体第１部材を前記樹脂部の外に取り出す液体第１部材取出ステップとを含む空洞包含樹脂の製造方法である。

本発明の第２の観点は、第１の観点の空洞包含樹脂の製造方法であって、前記樹脂部成形ステップの前に、前記樹脂部の融点よりも高融点の中空状の固体からなる第２部材を液体の前記樹脂の中に配置する配置ステップと、前記液体第１部材が、当該液体第１部材の表面張力によって前記第２部材の中に保持されるように注入する液体第１部材注入ステップと、前記第１部材の融点以下かつ前記樹脂に流動性がある温度で、前記液体第１部材を固化させる第１部材固化ステップとをさらに含み、前記樹脂部成形ステップにおいて、液体の前記樹脂の流動性を低下させることで前記樹脂部を成形する、空洞包含樹脂の製造方法である。

本発明の第３の観点は、第２の観点の空洞包含樹脂の製造方法であって、前記液体第１部材注入ステップと、前記第１部材固化ステップの間に、前記液体第１部材注入ステップで注入した前記液体第１部材の一部を吸引する、液体第１部材吸引ステップをさらに含む、空洞包含樹脂の製造方法である。

本発明の第４の観点は、第２又は第３の観点の空洞包含樹脂の製造方法であって、前記第２部材の内壁が粗面である、空洞包含樹脂の製造方法である。

本発明の第５の観点は、第２から第４のいずれかの観点の空洞包含樹脂の製造方法であって、前記第１部材固化ステップにおいて、前記液体第１部材に第４部材を接触させる、空洞包含樹脂の製造方法である。

本発明の第６の観点は、第５の観点の空洞包含樹脂の製造方法であって、前記第４部材は金属からなる、空洞包含樹脂の製造方法である。

本発明の第７の観点は、第６の観点の空洞包含樹脂の製造方法であって、前記第１部材と前記第４部材は同種の金属からなる、空洞包含樹脂の製造方法である。

本発明の第８の観点は、第１の観点の空洞包含樹脂の製造方法であって、前記樹脂部成形ステップの前に、酸素を除去した雰囲気下で、箱型の固体である第３部材の中に、固体の前記第１部材を配置する第１部材配置ステップと、前記第１部材配置ステップにおいて前記第１部材が配置された前記第３部材の中に、液体の前記樹脂を注入する液体樹脂注入ステップとをさらに備え、前記樹脂部成形ステップにおいて、前記液体樹脂注入ステップで注入された液体の前記樹脂を固化することで前記樹脂部を成形する、空洞包含樹脂の製造方法である。

本発明の第９の観点は、第１から第８のいずれかの観点の空洞包含樹脂の製造方法であって、前記樹脂は、ＰＤＭＳであり、前記第１部材は、ガリウム、インジウム、ウッドメタル、ローズメタル、フィールドメタル、又は、ガリンスタンである、空洞包含樹脂の製造方法である。

本発明の第１０の観点は、樹脂の中に光学素子形状の空洞を成型するための型枠であって、前記光学素子形状の光学素子形状部と、前記光学素子形状部の光軸に平行な軸を有し、前記光学素子形状部の前記光軸と平行な側面を覆う管状の第１管部と、前記第１管部の側面に連結している管状の第２管部とを備え、前記光学素子形状部は、前記樹脂の最大耐熱温度以下で融解する、金属又は合金からなる、型枠である。

本発明の各観点によれば、樹脂からの第１部材の取り出しが容易な空洞包含樹脂の製造方法等を提供することが可能になる。図９に示すように固体の金型を取り出す場合は、空洞として構成したい光学素子の形状によっては、樹脂から金型を取り出すために、例えば樹脂に複数の切れ目を入れ、元通りに成形するなどの困難な作業を伴う。そこで、本発明では、樹脂部の最大耐熱温度以下の融点を有する第１部材を金型として用い、樹脂部成形後に第１部材を液化させるステップを設ける。これにより、どのような構造の空洞であっても、第１部材（金型）を容易に取り出すことが可能になる。

本発明の第２の観点によれば、空洞の曲面の曲率を容易に調整することが可能になる。また、図９に例示した製造方法では、曲面の曲率が異なる空洞を設けるためには、それぞれの曲率に応じた金型を用意する必要がある。一方、本発明では、液体第１部材注入ステップにおいて、注入量を調整することで、曲面の曲率を調整できる。よって、複数の金型を用意する必要はない。

さらに、本発明の第２及び第３の観点によれば、樹脂部成形ステップにおいて、固体の第１部材の境界面に液体の樹脂が密着した状態で当該樹脂を固化するため、滑らかな曲面の空洞を製造することが可能になる。

また、液体第１部材注入ステップにおいて、液体の樹脂中又は酸素を除去した雰囲気下で第１部材を注入するため、第１部材の酸化を抑制することが可能である。

本発明の第４の観点によれば、液体第１部材を吸引することで、空洞の曲率を調整することが容易になる。また、凹レンズ形状の空洞を作成することも可能となる。

本発明の第５の観点によれば、液体第１部材によって第３部材が濡れやすくなり、第１部材の形状の制御が容易になる。

本発明の第６及び第７の観点によれば、液体第１部材に第４部材を接触させることで、第１部材の固化を促進させることが可能になる。

本発明の第８の観点によれば、樹脂の物理的性状は保たれる温度にて、光学素子形状部のみを融解し取り出すことで、樹脂の中に空洞を成型できる型枠を提供することが可能になる。

本発明に係る金型形成用リングの一例を示す図である。本発明に係る両凸レンズ形状金型及び両凹レンズ形状金型の製造手順の一例を示す図である。本発明に係る空洞包含樹脂の製造手順の一例を示す図である。本発明に係る両凸レンズ形状金型を構成する液体金属の固化手順の一例を示す図である。本発明に係る両凹レンズ形状の空洞包括樹脂による導光経路の一例を示す図である。本発明に係る空洞包含樹脂の製造手順の一例を示す図である。固体Ｇａの表面の酸化状態を示す画像である。先行技術に係る空洞を包含する透明樹脂からなる光学素子を示す図である。先行技術に係る空洞包含樹脂の製造手順の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について述べる。なお。本発明の実施の形態は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、レンズ形状の金型を製造するための補助部材である金型形成用リング１（本願請求項に記載の「第２部材」の一例）を示す図である。図１（ａ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ａ）に示すように、金型形成用リング１は筒状部材３と、液体金属注入管５とを備える。液体金属注入管５が筒状部材３の側面に接続された構造であり、液体金属注入管５の貫通穴７と筒状部材３の空洞部分９とは空間的に連結されている。後で示すように、液体金属注入管５から筒状部材３の空洞部分９に対して、液体金属が供給される。

なお、図１（ｂ）に示すように、金型形成用リング１の筒状部材３に固形化用部材挿入管１１を接続してもよい。固形化用部材挿入管１１の機能は、後で述べる。

金型形成用リング１は、例えば、プラスチックからなり、特にアクリルが好ましい。鏡面処理をしていない又は粗面処理をした、表面粗さが２０〜３０μｍほどのアクリルであれば、液体金属との密着性が良いため、注入した液体金属を目的の形状に成形することが容易である。また、金型形成用リング１に、PDMSを用いても良い。

次に、図２を用いて、両凸レンズ形状金型１３及び両凹レンズ形状金型１５の製造手順を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、図１に示す金型形成用リング１を準備し、図２（ｂ）に示すように、液体金属注入管５から、液体金属である液体ガリウム（液体Ｇａ、本願請求項記載の「液体第１部材」の一例）１７を注入する（本願請求項記載の「液体第１部材注入ステップ」の一例）。液体Ｇａ１７の先端側表面は、表面張力により曲面となる。そして液体Ｇａ１７の注入を継続することにより、図２（ｃ）に示すように、上記した液体Ｇａ１７の先端側表面は、金型形成用リング１の内壁１９に到達し、最終的には、金型形成用リング１の空洞部分９は液体Ｇａ１７により完全に充填される。

ここで、金型形成用リング１の空洞部分９が液体Ｇａ１７により完全に充填されたあと、更に液体金属注入管５から液体Ｇａ１７を供給続ける。すると、金型形成用リング１に充填されている液体Ｇａ１７は、図２（ｄ）に示すように、金型形成用リング１の内壁１９に接触している部分を除き、同図の矢印方向に膨張する。表面張力により、膨張する方向の液体Ｇａ１７表面の形状は曲面となる。

ここで、図２（ｃ）のように金型形成用リング１の空洞部分９が液体Ｇａ１７により完全に充填されたあとに、追加的に供給する液体Ｇａ１７の量を調整することにより、図２（ｄ）に示す液体Ｇａ１７の曲面形状部分の曲率を所望の値に調整することが可能となる。曲面形状部分の曲率が所望の値になったあと、図２（ｅ）に示すように液体Ｇａ１７を固化し、固体Ｇａ２１（本願請求項記載の「第１部材」の一例）とすることにより、所望の曲率を持った両凸レンズ形状金型１３が形成される。

また、以下の製造ステップを採用すれば、両凹レンズ形状金型１５とすることもできる。

すなわち、図２（ｃ）に示すように、金型形成用リング１の空洞部分９が液体Ｇａ１７により完全に充填されたあと、図２（ｆ）に示すように、液体金属注入管５から液体Ｇａ１７の一部を吸引して、排出させる（本願請求項記載の「液体第１部材吸引ステップ」の一例）。すると、金型形成用リング１に充填されている液体Ｇａ１７は、同図に示すように、金型形成用リング１の内壁１９に接触している部分を除き、同図の矢印方向に収縮する。表面張力により、収縮する方向の液体Ｇａ１７の表面の形状は曲面となる。

ここで、図２（ｃ）のように金型形成用リング１の空洞部分９が液体Ｇａ１７により完全に充填されたあとに、吸引して排出する液体Ｇａ１７の量を調整することにより、図２（ｆ）に示す液体Ｇａ１７の曲面形状部分の曲率を所望の値に調整することが可能となる。曲面形状部分の曲率が所望の値になったあと、図２（ｇ）に示すように液体Ｇａ１７を固化し、固体Ｇａ２１とすることにより、所望の曲率を持った両凹レンズ形状金型１５が形成される。

続いて、図３、図４を用いて、上記金型を使用して樹脂中に光学素子形状の空洞を製造する手順を示す。樹脂は例えば、ＰＤＭＳなどのシリコーン透明樹脂（本願請求項記載の「樹脂」の一例）である。

まず、図３（ａ）に示すように、ＰＤＭＳ用金型２３の内部に金型形成用リング１の空洞部分９が位置するように金型形成用リング１を保持する（本願請求項記載の「配置ステップ」の一例）。なお、金型形成用リング１の保持は、不図示の保持手段を用いて行う。

次に、図３（ｂ）に示すように、ＰＤＭＳ用金型２３に液体ＰＤＭＳ（液体シリコーン樹脂）２５を空洞９が満たされるまで注入する。その後、金型形成用リング１の液体金属注入管５から液体Ｇａ１７を注入し、図２（図２（ａ）〜（ｄ））に示した手順により、所定の形状の液体Ｇａを得る（本願請求項記載の「液体第１部材注入ステップ」の一例）。図３に示す例では、両凸レンズ形状の液体Ｇａ１７を構成する例である。

その後、図３（ｄ）に示すように、液体Ｇａ１７を固化して固体金属である固体Ｇａ２１を得る（本願請求項記載の「第１部材固化ステップ」の一例）。液体Ｇａ１７の固化は、液体Ｇａ１７を冷却することで行う。ここで、発明者らの空気中における液体Ｇａ１７の固化実験によれば、液体Ｇａ１７は単に冷却してもなかなか固化しない場合があった。例えば、雰囲気温度を−２０℃として冷却しても、Ｇａは過冷却状態となり、液体のままであった。この過冷却状態で振動等の衝撃を加えても、固化する場合と固化しない場合があった。このような傾向は、液体ＰＤＭＳ２５中で液体Ｇａ１７を固化する場合はより顕著となった。すなわち、空気中より液体ＰＤＭＳ２５の液中の方が、液体Ｇａ１７は固化しにくかった。

ここで、我々は、液体Ｇａ１７を冷却して固化する際に、液体Ｇａ１７の一部に固体のＧａを接触させると、液体Ｇａ１７の固化が進むことを発見した。この理由は必ずしも明らかではないが、液体Ｇａ１７が固化する際の固化熱が高く、低温にしても過冷却状態となることが一因と考えられる。よって、液体Ｇａ１７の冷却中に、液体Ｇａ１７の一部に固体のＧａを接触させると、上記固化熱が固体のＧａに熱伝導するため、液体Ｇａ１７の固化が進展するものと思われる。なお、固化熱の熱伝導のためであればＧａ以外の金属でもよいが、同種の金属を用いることで結晶成長が促進され、さらに固化しやすくなるものと思われる。

上記知見をもとに発明者らは、図１（ｂ）に示すように、金型形成用リング１を、当該金型形成用リング１の筒状部材３に固形化用部材挿入管１１を接続した構造とした。そして図４に示すように、金型形成用リング１の空洞部分９に充填されレンズ形状（図４（ａ）では、両凸レンズ形状）に調整されている液体Ｇａ１７を冷却する際、図４（ｂ）に示すように、固形化用部材挿入管１１から棒状の固体のＧａからなる固形化用部材２７（本願請求項記載の「第４部材」の一例）を挿入して、この固形化用部材２７を液体Ｇａ１７に接触させる。すると、液体Ｇａ１７の固化が進み、図４（ｃ）のような固体Ｇａ２１からなる光学部材形状の金型が得られる。なお、理解を容易にするために、固形化用部材２７は棒状としたがこれに限るものではなく、例えば、液体Ｇａ１７と接する部分が針状であってもよい。

図３に戻り、液体Ｇａ１７を固化（図３（ｄ））後、図３（ｅ）に示すように、液体ＰＤＭＳ２５を固化し、固体ＰＤＭＳ２６（本願請求項記載の「樹脂部」の一例）とする（本願請求項記載の「樹脂部成形ステップ」の一例）。その後、図３（ｆ）に示すように、固体Ｇａ２１を再び液化して液体Ｇａ１７とし（本願請求項記載の「第１部材液化ステップ」の一例）、当該液体Ｇａ１７を、液体金属注入管５を介し吸引して外部排出して（本願請求項記載の「液体第１部材取出ステップ」の一例）、図３（ｇ）に示すような空洞２９を形成する。なお、金型形成用リング１の空洞部分９からの液体Ｇａ１７を吸引して空洞２９とする場合、液体Ｇａ１７の吸引と同時に空気供給が必要となるが、この空気供給は、図４に示した固形化用部材挿入管１１を介して行われる。

液体Ｇａ１７は固体ＰＤＭＳ２６に包囲されているため、液体Ｇａ１７を吸引して当該液体Ｇａ１７を空気と置換して得られる空洞２９は、光学部材形状（図３の例では、両凸レンズ形状）となる。液体Ｇａ１７を排出して固体ＰＤＭＳ２６内に空洞形成後、図３（ｇ）に示すように、固体ＰＤＭＳ２６をＰＤＭＳ用金型２３から取り出して、内部に光学部品形状の空洞２９を有するシリコーン樹脂を得る（図３（ｈ））。

図３（ｈ）に示すように、内部に光学部品形状の空洞２９を有するシリコーン樹脂３１（本願請求項記載の「空洞包含樹脂」の一例）は、金型形成用リング１が残ることになる。しかしながら例えば図５に示すように、光ファイバ３３から放出される光３４を導光する場合のように空洞３５に照射される光の広がりが比較的小さければ、導光される光は固体ＰＤＭＳ２６内の金型形成用リング１の影響を受けない。なお、図５は例として、空洞３５を両凹レンズ形状とした。すなわち、固体ＰＤＭＳ２６と空洞３５の境界面は凸レンズとして機能する。

上記した、内部に光学部品形状の空洞を有するシリコーン樹脂を製造する方法においては、図３、図４に示すように、液体ＰＤＭＳ２５中で金型となる液体Ｇａ１７を固化させ、次いで、液体ＰＤＭＳ２５を固化後、再度固体Ｇａ２１を液化して外部に取り出すことにより、固体ＰＤＭＳ２６中に光学素子形状の空洞２９を設けた。しかしながら、図６に示すように、あらかじめ金型形成用リング１と液体Ｇａ１７を用いて、図２に示す手順で、液体Ｇａ１７を固化してなる光学素子形状空洞に対応する金型３７を用意しておいてもよい。

すなわち、図６（ａ）に示すように、あらかじめ用意した光学素子形状空洞に対応する金型３７を、ＰＤＭＳ用金型２３（本願請求項記載の「第３部材」の一例）内に位置するように光学素子形状空洞に対応する金型３７（本願請求項記載の「型枠」の一例）を保持する（本願請求項記載の「第１部材配置ステップ」の一例）。なお、光学素子形状空洞に対応する金型３７の保持は、不図示の保持手段を用いて行う。

次に、図６（ｂ）に示すように、ＰＤＭＳ用金型に液体ＰＤＭＳ２５を筒状部材３が浸るくらい注入する（本願請求項記載の「液体樹脂注入ステップ」の一例）。

次いで図６（ｃ）に示すように固体Ｇａ２１の融点である２９．７６℃以下の条件で液体ＰＤＭＳ２５を固化し（本願請求項記載の「樹脂部成形ステップ」の一例）、その後図６（ｄ）に示すように固体Ｇａ２１の温度を３０℃以上にして固体Ｇａ２１を再び液化して液体Ｇａ１７とし、当該液体Ｇａ１７を、液体金属注入管５を介して吸引して外部排出して、図６（ｅ）に示すような空洞２９を形成する。

液体Ｇａ１７を包囲するシリコーン樹脂（ＰＤＭＳ）は固化されているので、液体Ｇａ１７を吸引して当該液体Ｇａ１７を空気と置換して得られる空洞２９は、光学部材形状（図６の例では、両凸レンズ形状）となる。
液体Ｇａ１７を排出してシリコーン樹脂内に空洞２９を形成後、固体ＰＤＭＳ２６をＰＤＭＳ用金型２３から取り出して、内部に光学部品形状の空洞２３を有するシリコーン樹脂３１を得る（図６（ｆ））。

図６に示す製造方法の場合、固体Ｇａ２１からなる光学素子形状空洞に対応する金型３７を用意し、図６（ａ）に示すようにＰＤＭＳ用金型２３内に上記金型３７（金型形成用リング）を保持するので、その間金型３７を構成する固体Ｇａ２１表面は空気中に露出することになる。ここで、図７に（ａ）空気雰囲気下、及び、（ｂ）窒素で酸素をパージした雰囲気下で固化した固体Ｇａの表面の拡大画像を示す。図７（ａ）に比べ、酸化されていない図７（ｂ）は表面の凹凸が少なく、滑らかである。よって、予め液体金属を固化してなる光学素子形状空洞に対応する金型を用意する場合には、図２に示す金型の製造工程、及び、図６（ａ）（ｂ）に示す光学素子形状空洞に対応する金型３７をＰＤＭＳ用金型２３内に配置して前記ＰＤＭＳ用金型２３内に液体ＰＤＭＳ２５を注入する工程は、酸素をパージした雰囲気で行うことが好ましい。

なお、図３、６に示すように、液体状のシリコーン樹脂中で金型となる液体Ｇａ１７を固化させる場合には、固体Ｇａ２１からなる金型表面は酸素と接触しないので、酸素をパージした雰囲気を用意する必要性は低い。

上記した例では、液体金属としてガリウム（Ｇａ、融点２９．７６℃）を用いる場合を示したがこれに限るものではない。本発明に用いる液体金属は、融点がシリコーン樹脂の最大耐熱温度以下かつ液体シリコーン樹脂を固化するときの温度より高い液体金属であればよく、例えば、インジウム（融点１５７℃）や低融点合金であるウッドメタル（融点７０℃）、ローズメタル（融点９８℃）、フィールドメタル（融点６２℃）、ガリンスタン（融点−１９℃）などを用いることが可能である。なお、ここで最大耐熱温度とは、樹脂の物理的性状の保持が可能な温度の上限値を指す。

以上のように、本発明においては液体金属を用いてシリコーン樹脂内に設ける光学素子形状の空洞に相当する金型を用意する。非特許文献１においては、予め光学素子に相当する形状を有するシリコーン樹脂の当該形状部分にＧａ等の液体金属を流しこみ、その液体金属をシリコーン樹脂で封入することにより、シリコーン樹脂内に金属製の反射部を設けていた。一方、本発明は、常温で液体であるという液体金属の特性を利用して、光学素子形状の空洞に対応する金型を用意するものである。

更に、この金型を液体状のシリコーン樹脂内に配置し、当該シリコーン樹脂を固化後再び金型を液化して取り出すので、従来のように、樹脂に切れ目を設けて固体の金型を除去する必要はなく、切れ間から金型を取り出せないような形状の光学素子形状の空洞を構成することも可能となる。

また、例えば、レンズ形状の空洞に対応した金型を製造する場合は、液体金属の表面張力を利用可能であるので、金型の面精度も簡単に高精度とすることができる。

更に図１に示す金型形成用リングを用いることにより、当該金型形成用リングの空洞部分に液体金属を充填後、更に液体金属を供給したり、充填された液体金属の一部を吸引することにより、金型表面の曲率を容易に設定することが可能となる。

１・・・金型形成用リング、３・・・筒状部材、５・・・液体金属注入管、７・・・貫通穴、９・・・空洞部分、１１・・・固形化用部材挿入管、１３・・・両凸レンズ形状金型、１５・・・両凹レンズ形状金型、１７・・・液体Ｇａ、１９・・・内壁、２１・・・固体Ｇａ、２３・・・ＰＤＭＳ用金型、２５・・・液体ＰＤＭＳ、２６・・・固体ＰＤＭＳ、２７・・・固形化用部材、２９・・・空洞、３１・・・空洞を有するシリコーン樹脂、３３・・・光ファイバ、３４・・・光、３５・・・空洞、３７・・・光学素子形状空洞に対応する金型
１０１・・・空洞、１０３・・・透明樹脂、１０５・・・曲面、１０７・・・平面、１０８・・・導光路、１０９・・・拡散光、１１１・・・光軸、１１３・・・平行光、１１５・・・金型、１１７・・・透明樹脂、１１９・・・空洞、１２１・・・直方体の型、１２３・・・切れ目、１２５・・・導光路

Claims

樹脂の中に特定の形状の空洞を包含する空洞包含樹脂の製造方法であって、
前記特定の形状を保持する固体である第１部材の周囲に、固体の前記樹脂からなる樹脂部を成形する樹脂部成形ステップと、
前記第１部材の融点以上かつ前記樹脂部の最大耐熱温度以下で、前記第１部材を液化させ、液体第１部材にする第１部材液化ステップと、
前記液体第１部材を前記樹脂部の外に取り出す液体第１部材取出ステップとを含む空洞包含樹脂の製造方法。
前記樹脂部成形ステップの前に、
前記樹脂部の融点よりも高融点の中空状の固体からなる第２部材を液体の前記樹脂の中に配置する配置ステップと、
前記液体第１部材が、当該液体第１部材の表面張力によって前記第２部材の中に保持されるように注入する液体第１部材注入ステップと、
前記第１部材の融点以下かつ前記樹脂に流動性がある温度で、前記液体第１部材を固化させる第１部材固化ステップとをさらに含み、
前記樹脂部成形ステップにおいて、液体の前記樹脂の流動性を低下させることで前記樹脂部を成形する、請求項１記載の空洞包含樹脂の製造方法。
前記液体第１部材注入ステップと、前記第１部材固化ステップの間に、
前記液体第１部材注入ステップで注入した前記液体第１部材の一部を吸引する、液体第１部材吸引ステップをさらに含む、請求項２記載の空洞包含樹脂の製造方法。
前記第２部材の内壁が粗面である、請求項２又は３記載の空洞包含樹脂の製造方法。
前記第１部材固化ステップにおいて、前記液体第１部材に第４部材を接触させる、請求項２から４のいずれかに記載の空洞包含樹脂の製造方法。
前記第４部材は金属からなる、請求項５記載の空洞包含樹脂の製造方法。
前記第１部材と前記第４部材は同種の金属からなる、請求項６記載の空洞包含樹脂の製造方法。
前記樹脂部成形ステップの前に、
酸素を除去した雰囲気下で、流動性のある前記樹脂を保持する保持部材の中に、前記第１部材を配置する第１部材配置ステップと、
前記保持部材の中の前記第１部材を浸すように、流動性のある前記樹脂を注入する液体樹脂注入ステップとをさらに含み、
前記樹脂部成形ステップにおいて、前記液体樹脂注入ステップで注入された前記樹脂の流動性を低下させることで前記樹脂部を成形する、請求項１記載の空洞包含樹脂の製造方法。
前記樹脂は、ＰＤＭＳであり、
前記第１部材は、ガリウム、インジウム、ウッドメタル、ローズメタル、フィールドメタル、又は、ガリンスタンである、請求項１から８のいずれかに記載の空洞包含樹脂の製造方法。
樹脂の中に光学素子形状の空洞を成型するための型枠であって、
前記光学素子形状の光学素子形状部と、
前記光学素子形状部の光軸に平行な軸を有し、前記光学素子形状部の前記光軸と平行な側面を覆う管状の第１管部と、
前記第１管部の側面に連結している管状の第２管部とを備え、
前記光学素子形状部は、前記樹脂の最大耐熱温度以下で融解する、金属又は合金からなる、型枠。