JP4259332B2

JP4259332B2 - 光学素子の製造方法及び光学素子

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Publication number: JP4259332B2
Application number: JP2004017388A
Authority: JP
Inventors: 薫戸根
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-01-26
Also published as: JP2005208512A

Description

本発明は、型を用いた樹脂成形による光学素子の製造方法及び光学素子に関する。光学素子としては、ポリマ型の光導波路、レンズ、フィルター、回折格子、プリズム、光学記録媒体などがある。

従来、この種の光学素子の製造においては、成形金型と成形樹脂との密着による離型性に問題があり、その原因は次の二つが考えられる。（１）金型金属と成形樹脂が分子間力により密着性を有すること。（２）金型表面に有機物や酸素が付着汚染することで、成形樹脂との密着層の働きをすること。

（１）の原因に対しては下記のような対策がとられている。
（１−１）シリコンやフッ素化合物からなる離型剤を金型表面へ塗布すること（汎用技術）、
（１−２）成形樹脂中へ微量の離型剤を含有させること（特許文献１参照）
（１−３）金型表面へ成形樹脂と密着性の弱いＣｏ、Ｔｉなどの金属又は合金、若しくは窒化物などを蒸着やスパッタリングや湿式メッキで被覆すること

（２）の原因に対しては下記のような対策が取られている。
（２−１）金型表面を窒素プラズマ処理する方法（特許文献２参照）
（２−２）金型表面に金の被覆膜を形成する方法（特許文献３参照）
（２−３）金型表面を酸素アッシング処理後、不活性ガスプラズマ照射する方法（特許文献４参照）

しかしながら、上記対策だけでは次のような問題がある。
上記（１−１）の離型剤を用いる場合、光学素子の透過率や屈折率や光伝送損失などの性能を落とすだけでなく、例えば光学素子上に形成する層の密着性をも低下させる。
上記（１−２）（１−３）、及び（２−１）から（２−３）の対策では、高温の成形条件で繰り返し使用した場合に、成形樹脂成分により汚染されるため、密着による離型性の問題が生じる。このため、各処理を定期的に行う必要がある。しかし、この処理により型表面の粗さが大きくなり、光学素子の上記性能が劣化することが問題となる。このため、金型の寿命が短くなる。
特開平１０−３０８０４０号公報特公平３−３９３４０号公報特公平３−３５４号公報特許第２７５３３８８号

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、光学素子の透過率や屈折率や光伝送損失などの性能を落とす離型剤を用いることなく、微細な凹凸を備えた光学素子を容易に離型することができ、また、型表面に傷や汚れが付着し難く、型寿命が向上する光学素子の製造方法と光学素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、不活性被膜が形成されたステンレス又は表面が酸化処理された銅からなる型の微細凹凸を持つ型表面に、型材質に対して成形温度下で拡散しない金属膜を形成する金属膜形成工程と、前記微細凹凸を持つ型を少なくとも一面に持つキャビティ内に樹脂を充填・硬化させて、微細構造体を形成する光学素子成形工程と、前記型表面より前記金属膜を剥離させ、該金属膜が微細構造体表面に付着した状態で型開きを行う光学素子離型工程と、前記樹脂を溶解せず金属膜層のみを溶解可能な溶剤に前記微細構造体を浸すことで、微細構造体表面より金属膜を除去する金属膜除去工程と、を備えた光学素子の製造方法である。

請求項２の発明は、請求項１記載の光学素子の製造方法において、金属膜形成工程において、金属膜として銅、ニッケル、クロム、コバルト又はそれらの化合物を形成し、金属膜除去工程において、溶剤として過酸化水素、過マンガン酸塩、重クロム酸塩を用いるものである。

請求項３の発明は、請求項１記載の光学素子の製造方法において、金属膜形成工程において、金属膜として型材よりも線膨張率の小さい金属を用い、光学素子成形工程と光学素子離型工程の間に、型の温度を成形温度から低下させる型冷却工程を備えたものである。

請求項１の発明によれば、金属膜を微細構造体表面に付着した状態で型開きを行うので、屈折率等に影響を及ぼす離型材を用いることなく、微細な凹凸を備えた光学素子を容易に離型可能となる。また、離型材を用いて行う成形方法に較べて、型と金属膜間できれいに剥がれるので、型表面に傷・汚れが付着し難くなり、型寿命が向上する。

請求項２の発明によれば、金属膜及び溶剤を用いることにより、処理薬品濃度、温度、時間により容易にピール強度を制御できるため、金属層の除去が容易に可能である。

請求項３の発明によれば、光学素子の離型工程時に型材と金属膜との間の熱膨張の差により剥離し易くなっているので、光学素子の離型工程時の欠けが防止できる。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明方法により製造される光学素子の一例を示す。この光学素子１は、基材である光透過性の成形樹脂（熱可塑性樹脂）２に微細な凹凸が転写されることで形成される光導波路基板（クラッド）であって、ここでは光導波路３は光分岐のスプリッタ構造を持つ。光導波路３をなす凹部の幅寸法は、約１０μｍ前後又はそれ以下とされ、この凹部に屈折率がクラッドよりも高いコア材（図示なし）が装入され、基板上はカバークラッドで覆われる。

（実施例１）
図２は、光学素子、詳細には、その基材である光導波路基板の製造方法の工程を概念的に示しており、以下、時系列の番号順に説明する。

（１）先ず、上述した光導波路基板に光導波路用の微細な凹凸を成形するための凹凸部５ａ（微細凹凸）を持つ型５を加工する（型加工工程）。ここに、型５は、材質ＳＵＳ３０４の金属へ切削加工方法により光学素子となる形状を形成する。

（２）型５の表面に、型５の材質に対して成形温度下で拡散しない金属膜６を厚さ０．０５〜１．０μｍで形成する（金属膜形成工程）。ここに、金属膜６は、厚さ０．０５〜１．０μｍであればよく、本例では、厚さ０．２μｍの銅金属膜を電気メッキ法により形成した。電気銅メッキは、液組成が、硫酸銅五水和：８０ｇ／Ｌ、硫酸：１８０ｇ／Ｌ、塩素イオン：６０ｍＬ／Ｌ、光沢剤：微量とし、液温度：２３℃、電流密度：１Ａ／ｄｍ^２、メッキ時間：６０秒とした。
なお、切削加工した材質ＳＵＳ３０４の表面には、大気中で不活性被膜が形成されているため、同材質と金属膜６とは密着していない。このため、金属膜６上にセロハンテープを貼り付け剥離するテープテスト（ピール強度試験）を行ったところ、金属膜６と型５の界面で容易に剥離できた。金属膜６の形成方法としては、上記電気メッキ法の他に、無電解メッキ法、スパッタリング法、蒸着法がある。そして、生産性の点で電気メッキ法が最も優れている。

（３）金属膜６を被覆した型５と図示していない型とにより区画したキャビティ内に温度２３０℃の成形樹脂２を充填し、その後、７０℃まで冷却して硬化させて、微細構造体を形成する（光学素子成形工程）。成形樹脂２としては、例えば、熱可塑性アクリル樹脂を用いる。

（４）上記による硬化後、型開きを行うことで、前記金属膜６を型５の表面より剥離させ、成形樹脂２の表面に金属膜６が付着した状態の微細構造体７を離型する（光学素子離型工程）。ここに、金属膜６は型５との界面で容易に剥離でき、金属膜６は光学素子となる樹脂側に密着する。型開き温度：７０℃、型開き速度：５ｍｍ／秒とした。
量産を行う場合、型５は、上記（２）の金属膜形成から（４）の型開きの工程を繰り返す。この場合、型を二台または複数用いて連続して成形することもできる。また、（２）の金属膜形成、（３）の成形、及び（４）の型開きを、後述する図３に示すように、同一装置内で処理することも可能である。型開きの時の温度と開き速度は特に限定しないが、温度が高い場合には、成形樹脂２が柔らかいために、光学素子の形状が崩れやすく、また、型開き速度が速い場合には、金属膜６が型５側に付着し、成形樹脂２の表面層が破壊される。

（５）前記成形樹脂２を溶解せず金属膜６のみを溶解可能な溶剤に浸漬することで、金属膜６を微細構造体７の表面より溶解除去する（金属膜除去工程）。金属膜６を除去した成形樹脂２からなる微細構造体７’は光学素子のもとになる光導波路基板となる。ここに、溶剤は、２０％過硫酸ナトリウム水溶液を用いた。目視で観察される除去時間は２０秒であったが、微量の残渣物を除去するために、４０秒間浸漬させた。本実施例では、１０００ショット成形した後も、型に傷や汚れの付着もなく容易に離型が可能であった。また、成形した光学素子も形状の崩れや光学特性の劣化が認められなかった。

本実施例によれば、離型材を用いることなく、微細な凹凸を備えた光学素子を容易に離型可能であるので、光学素子の屈折率等に影響を及ぼすことがなくなり、また、型と金属膜間できれいに剥がれるので、型表面に傷・汚れが付着し難く、型寿命が向上する。

図３は、上記の金属膜形成（２）、成形（３）、及び型開き（４）を一つの装置内で処理することが可能な成形装置の構成例を示す。この装置は、回転ドラム成形装置８であり、軸回りに回転駆動されるドラムを備え、ドラムには型５が固定され、ドラムの周囲に各処理を行うステーションが設けられている。金属膜形成（２）のステーションでは、電気メッキ槽１０内のメッキ液１１に型５を浸漬し、金属膜６を形成する。金属膜６のメッキは、電源１３より電気メッキ槽１０内の電極１２から型５に電流を流すことで成される。次に、金属膜６をスプレー水洗／熱風乾燥するステーションがあり、次に、型５と型１５とにより形成したキャビティに真空／樹脂充填を行う成形（３）のステーションがあり、さらに、冷却／離型により、型開き（４）を行うステーションがある。こうして得られた微細構造体７は、金属膜除去（５）へ移される。

（実施例２）
本実施例２は、上述図２に示した実施例１において金属膜形成の前処理として、型表面を酸化処理する工程を付加したものである。型として、材質が銅の金属へ切削加工方法により光学素子となる形状を形成後、酸化処理を行なう。ここに、酸化処理は、５％重クロム酸カリウム水溶液へ浸漬することにより行い、液温：２３℃、処理時間：３０秒とした。酸化処理後は、ニッケルメッキにより０．２μｍの金属膜を形成した。ここに、ニッケルメッキ液組成は、スルファミン酸ニッケル：３００ｇ／Ｌ、ホウ酸：４０ｇ／Ｌ、塩酸：５ｍＬ／Ｌとした。

上記ニッケルメッキは、析出応力が１５ｋｇ／ｍｍ^３と大きい被膜であったが、被膜の割れや剥がれが観られなかった。また、ニッケル金属膜上にセロハンテープを貼り付け剥離するテープテストでは、ニッケル金属膜と型の界面で容易に剥離できた。次に、実施例１と同様、成形後に型開きを行うと、上記ニッケル金属膜は型との界面で容易に剥離でき、ニッケル金属膜は光学素子となる樹脂側に密着していた。その後、ニッケル金属膜は、塩化銅と過酸化水素を混合したエッチング液にてエッチング除去した。

酸化処理する薬品としては、上記重クロム酸カリウムの他、過酸化水素水、過マンガン酸カリウムなどが挙げられ、これらの濃度、温度が高く処理時間が長いほど酸化被膜は厚くなり、容易な離型ができる。しかし、その一方、ニッケルやクロム金属膜は内部応力が大きいため、成膜途中や成形前の外形加工などにより、金属膜の割れや剥離が生じる。上記酸化処理を最適化することで、成形工程まで金属膜の割れや剥離が生じることなく、かつ容易な離型が可能となる。

上記酸化処理を付加することにより、処理薬品の濃度、温度、時間を変えることで、金属膜の型に対する密着強度を容易に制御できるため、離型工程まで型に金属膜を密着保持させ、かつ離型を容易にできる。

（実施例３）
上記実施例２におけるニッケルメッキ液へ硫黄を１ｐｐｍ以上添加し、複合メッキにより金属膜へ含有させた。成形樹脂には、ポリカーボネイトを用いて成形し、その後、この金属膜を２０％過硫酸ナトリウム水溶液に５分浸漬させて溶解除去した。上記金属膜及び溶剤を用いることにより、金属層の除去が容易となり、また、この方法で製造された光学素子は、外観及び屈折率、透過率の光学特性に劣化が見られなかった。

ここで、比較例として、ニッケルメッキ液に硫黄を含有しないメッキ液を用いて金属膜を形成し、同様に成形後に２０％過硫酸ナトリウム水溶液に１０分浸漬したが、ニッケル金属膜は溶解しなかった。そこで、５０％硝酸水溶液に１分浸漬し、ニッケル金属膜を溶解除去した。この結果、ポリカーボネイトは硝酸により薄黄色に変色し、光透過率が低下した。

（実施例４）
本実施例４は、上述実施例１の金属膜形成工程において、金属膜として型材よりも線膨張率の小さい金属を用い、光学素子成形工程と光学素子離型工程の間に、型の温度を成形温度から低下させる型冷却工程を備えたものである。型材と金属膜との間の熱膨張の差により、剥離し易くなり、離型工程時に光学素子の欠けが防止できる。

型材料として、熱膨張率１７．３×１０^−６のＳＵＳ３０４、金属膜として熱膨張率１０．２×１０^−６ニッケルクロム合金を用いた。成形を２６０℃にて行い、５０℃まで冷却後に離型を行なった。上記合金金属膜は、型との界面で容易に剥離でき、合金金属膜は光学素子となる樹脂側に密着していた。型材及び金属膜に用いる材料としては、熱膨張率が、型材＞金属膜材料となればよく、下表の各材料の熱膨張率より、材料組合せを適宜選ぶことができる。

本発明方法により製造される光学素子の表面形状の例を図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。光学素子としては、微細かつ高精度表面形状を必要とする光導波路２ａ、光学レンズ２ｂ、フィルター、回折格子２ｃ、プリズム及び光学記録媒体などが挙げられる。成形材料としては、光透過するメタクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、透明ポリイミド、含フッ素透明ポリマ等が挙げられる。本発明方法によれば、離型時の傷・欠けが少ない凹凸形状を形成できるので、性能劣化を防止できる。なお、本発明は、上記実施例構成に限られるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明方法により製造される光学素子の一例を示す斜視図。本発明の一実施例に係る光学素子の製造方法を概念的に示す工程図。金属膜形成、成形、及び型開きを一つの装置内で処理することが可能な成形装置の例を示す側面構成図。本発明方法により製造される光学素子の表面形状の例を示す側断面図。

符号の説明

１光学素子
２成形樹脂
５型
５ａ凹凸部（微細凹凸）
６金属膜
７’ 微細構造体（光学素子）

Claims

不活性被膜が形成されたステンレス又は表面が酸化処理された銅からなる型の微細凹凸を持つ型表面に、型材質に対して成形温度下で拡散しない金属膜を形成する金属膜形成工程と、
前記微細凹凸を持つ型を少なくとも一面に持つキャビティ内に樹脂を充填・硬化させて、微細構造体を形成する光学素子成形工程と、
前記型表面より前記金属膜を剥離させ、該金属膜が微細構造体表面に付着した状態で型開きを行う光学素子離型工程と、
前記樹脂を溶解せず金属膜層のみを溶解可能な溶剤に前記微細構造体を浸すことで、微細構造体表面より金属膜を除去する金属膜除去工程と、
を備えたことを特徴とする光学素子の製造方法。
前記金属膜形成工程において、金属膜として銅、ニッケル、クロム、コバルト又はそれらの化合物を形成し、
前記金属膜除去工程において、溶剤として過酸化水素、過マンガン酸塩、重クロム酸塩を用いることを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。
前記金属膜形成工程において、金属膜として型材よりも線膨張率の小さい金属を用い、
前記光学素子成形工程と光学素子離型工程の間に、型の温度を成形温度から低下させる型冷却工程を備えたことを特徴とする請求項１記載の光学素子の製造方法。