JP5023719B2 - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子の成形技術に関し、特に熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を用いて光学素子を成形する成形方法、それにより成形された光学素子に関する。

近年においては、携帯電話等に撮像装置を搭載することが通常行われている。一般的な撮像装置は、基板上にレンズ等の光学素子を接合し、光学素子を介して固体撮像素子の受光面に被写体像を結像させるようになっている。ところで、製造プロセスの簡略化のために、基板に光学素子を搭載した状態で、高温のハンダリフロー槽内を通過させたいという要請がある。ところが、光学素子の素材として現在用いられているアクリルやポリカーボネートは耐熱性が低く、高温のハンダリフロー槽内を通過させたとき、容易に溶融・変形してしまうという問題がある。これに対し、熱硬化性の樹脂は、加熱することで粘度が低下して流れ易くなるが、さらに加熱して一旦固化すると、より高温下でもその形状を維持するという特徴を有する。又、光硬化性の樹脂も、光を当てない状態では液状であるが、光を当てて一旦固化すると、高温下でもその形状を維持するという特徴を有する。従って、熱硬化性の樹脂又は光硬化性の樹脂を用いれば、ハンダリフロー槽を通過させることができる光学素子を成形することができる。
特開２００３−２３６８４３号公報

ここで、熱硬化性の樹脂又は光硬化性の樹脂を用いて成形を行う際の問題点の一つは、硬化反応時に反応ガスが発生しやすいということである。このような反応ガスは気泡となって樹脂素材中に在留する恐れがあるが、特に樹脂が比較的粘度が低い液状であると、気泡は光学面に浮き上がって残留し、そのまま固化することで成形不良を生じ、成形された光学素子に入射した光の正常な透過や反射を阻害するという問題がある。

これに対し、射出成形時に充填された樹脂内に気泡が巻き込まれることを防止するために、例えば特許文献１に示すように成形キャビティ内を真空にしたり、或いは樹脂流路の形状を改良することなどが既に行われている。しかしながら、熱硬化性の樹脂又は光硬化性の樹脂においては、樹脂内部から気泡が発生するものであり、成形キャビティ内を真空にしたり、樹脂流路の形状を改良することでは、本質的に対処できないという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、熱硬化性の樹脂又は光硬化性の樹脂を用いた場合でも、気泡の影響を排除できる光学素子の成形方法、及びそれにより成形された光学素子を提供することを目的とする。

請求項１に記載の光学素子の成形方法は、
光学素子の光学面を転写成形する転写成形面を有する上型と、前記上型より重力方向下方に配置された下型とを合わせることによって、前記上型と前記下型との間に、前記転写成形面に接続する成形キャビティと、前記転写成形面に対して重力方向上方かつ前記転写成形面を取り巻くように配置された凹部とを形成する工程と、
液体状の熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を前記成形キャビティに移送する工程と、を有し、
前記成形キャビティ内で、前記熱硬化性樹脂又は前記光硬化性樹脂から生じた気泡が、前記凹部に逃避するようになっていることを特徴とする。

本発明によれば、前記成形キャビティ内で、前記熱硬化性樹脂又は前記光硬化性樹脂から生じた気泡が、前記凹部に逃避するようになっているので、前記転写成形面に気泡が残留することが抑制され、光学素子の成形不良を抑えることができる。さらに前記凹部は、前記転写成形面を取り巻いているので、前記転写成形面からいずれの方向の凹部にも気泡を逃避させることができる。ここで、「光学面」とは光透過面、光反射面のいずれも含む。

請求項２に記載の光学素子の成形方法は、請求項１に記載の発明において、前記上型と前記下型とを合わせる際に、板状のインサート部材を介在させる工程を含むことを特徴とする。前記インサート部材にエアベントなどを形成することもできる。

請求項３に記載の光学素子は、請求項１又は２に記載の光学素子の成形方法により成形され、少なくとも凹状の光学面を有することを特徴とする。

ここで「熱硬化性樹脂」としては、シリコン樹脂、アリルエステル、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド、ウレタン系樹脂などがある。又、「熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂」としては、シリコン樹脂、アリルエステル、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド、ウレタン系樹脂などがある。

更に、「光学素子」としては、例えばレンズ、プリズム、回折格子光学素子（回折レンズ、回折プリズム、回折板）、光学フィルター（空間ローパスフィルター、波長バンドパスフィルター、波長ローパスフィルター、波長ハイパスフィルター等々）、偏光フィルター（検光子、旋光子、偏光分離プリズム等々）、位相フィルター（位相板、ホログラム等々）があげられるが、以上に限られることはない。

本発明によれば、熱硬化性の樹脂又は光硬化性の樹脂を用いた場合でも、気泡の影響を排除できる光学素子の成形方法、及びそれにより成形された光学素子を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる光学素子の成形方法に用いる金型及びインサート部材の斜視図である。図２は、成形状態における光学素子の金型及びインサート部材の断面図である。図３は、図２の構成の矢印III部を拡大して示す図である。本実施の形態では、ブロック状の上型１０と下型２０との間に、板状のインサート部材３０が配置されるようになっているが、インサート部材３０は必ずしも必要なものではない。

上型１０の下面（分割面）には、中央が円形凸状となった上方キャビティ１１が２列に並べて配置されており、又、対角線上に離れて２つ（図１で一方のみ図示）のピン孔１２が形成されている。一方、下型２０の上面（分割面）には、上方キャビティ１１に対応して２列に並べられた円形凹状の下方キャビティ２１が形成されており、又、ピン孔１２に対応して整合ピン２２が植設されている。本実施の形態の成形方法により成形される光学素子の凸状の光学面は、転写光学面である下方キャビティ２１により成形され、光学素子の凹状の光学面は、転写光学面である上方キャビティ１１により成形される。即ち、上型１０と下型２０とを合わせることで、光学素子成形用の成形キャビティが形成される。

図３において、上方キャビティ１１の全周囲に接続するようにして、環状の凹部１６が形成されている。環状の凹部１６の底面１６ａは、上方キャビティ１１よりも重力方向上方（図３で上方）に位置しており、その内周面１６ｂは下型２０に向かうにつれて広がるような抜き勾配が設けられている。

更に図１において、上型１０の下面における上方キャビティ１１の列間には、上型１０の端部から延在する大溝１３が形成されており、更に大溝１３から各上方キャビティ１１に向かうが連通していないテーパ溝１４が形成されている。尚、大溝１３とテーパ溝１４とでランナーを構成する。更に、上型１０の下面には、各列の上方キャビティ１１を挟んで大溝１３と反対側に、逃げ溝１５が形成されており、大溝１３が開放する端部とは反対側の端部に開放している。

インサート部材３０は銅板であって、キャビティ１１，２１に対応して２列に円形の開口３１を形成しており、更に各開口３１の両側に切欠３７，３８を形成しており、又、整合ピン２２に対応して整合孔３２を形成している。尚、インサート部材３０の熱伝導率は、金型１０，２０の熱伝導率と同じか、より高いと好ましい。又、インサート部材３０は、りんせい銅、アルミ等の他の金属や、ガラス、或いはテフロン、ＰＣなどの樹脂材料を用いても良い。

図２に示すように、上型１０と下型２０との間にインサート部材３０を重ね合わせたとき、インサート部材３０の切欠３７はテーパ溝１４に連通し、切欠３８は逃げ溝１５に連通するようになる。切欠３７とテーパ溝１４との重ね合った面積を調整することで、ゲート部として機能させることができる。

更に図２において、下型２０は、その分割面に、下方キャビティ２１を挟んで２つの突出部２６を形成している。自由状態では、インサート部材３０の上面は、突出部２６の上端より高い位置にある。

図４は、本実施の形態の金型及びインサート部材を用いて光学素子を成形する工程を示す概略図であるが、理解しやすいようにキャビティを単一として示している。まず、図４（ａ）に示すように、定盤上に設置した下型２０の上に、インサート部材３０を載置し、その上方に上型１０をセットする。このとき、図１に示す下型２０の整合ピン２２は、インサート部材３０の整合孔３２と、上型１０のピン孔１２に嵌合するので、金型１０，２０及びインサート部材３０は、上下方向に精度良く整列されることとなる。

ここで、図４（ｂ）を参照すると、上型１０は、油圧シリンダ４０により加圧されるようになっている。油圧シリンダ４０には、圧力センサ４１が設けられており、プレス圧力を検出できるようになっている。圧力センサ４１により検出されたプレス圧力は、制御装置４２に入力される。制御装置４２は、検出されたプレス圧力に応じて油圧シリンダ４０の圧力制御が可能となっている。

図４（ｂ）において、油圧シリンダ４０により加圧された上型１０は、インサート部材３０に圧縮力を付与する。これにより、インサート部材３０は、上型１０と下型２０との間に所定の面圧で密着することとなる。更に、インサート部材３０の弾性変形領域内で、プレス圧力を調整することで、上型１０と下型２０との距離が変化するため、それにより、成形された後の光学素子の軸上厚さを調整することができる。

図４（ｃ）において、プレス圧力を保持しながら金型１０，２０及びインサート部材３０をヒータ５０で加熱し、更に加熱された粘度の低い熱硬化性の樹脂（又は光硬化性樹脂）を、外部から上型１０の大溝１３（図１）を介して内部に注入する。インサート部材３０は上型１０及び下型２０の分割面に密着しているので、大溝１３，テーパ溝１４（ゲート部含む）とで形成される樹脂の流路は、インサート部材３０自体により遮蔽されシールされているため、加熱された粘度の低い熱硬化性樹脂（又は光硬化性樹脂）の漏れが生じることはない。外部から注入された樹脂は、大溝１３，テーパ溝１４、切欠３７を通過して、キャビティ１１，２１内に至る。このときキャビティ１１，１２内に流れ込んだ樹脂により押し出されたエアは、切欠３８から逃げ部１５を介して外部へと逃避することとなる。これにより、成形される光学素子の高精度な形状を確保できる。

熱硬化性樹脂の場合は更に加熱し、光硬化性樹脂の場合には透明な素材からできた金型を介して紫外線を照射することで、樹脂を固化させた後に、上型１０を上方に移動させると、フランジ部がインサート部材３０に密着するように成形された光学素子ＯＥが露出する。そこで、図４（ｄ）に示すように、インサート部材３０を下型２０から取り外すことにより、インサート部材３０に付着した全ての光学素子ＯＥを一度に取り外すことができる。その後、別のインサート部材３０を、上型１０と下型２０との間に配置して、再び成形の準備を行うことができる（図４（ａ）参照）。これと並行して、取り外したインサート部材３０から光学素子ＯＥを分離することができる。これにより成形サイクルタイムを短縮できる。光学素子ＯＥを取り外した中間部材３０は再利用可能である。

図５は本実施の形態の効果を示す図である。固化するために、熱硬化性樹脂を加熱したり、紫外線を光硬化性樹脂に照射すると、樹脂内部から気泡が発生する。このとき、樹脂の粘度が低いため、発生した気泡は重力方向上方へと移動する。ここで、図５（ａ）に示すように、下型２０の凹状のキャビティ２１が上方に位置すると、気泡ＢＬはキャビティ２１の中央に捕捉されることとなる。この状態で樹脂が固化すると、光学素子の光学面に気泡による穴欠陥が生じ、光学特性を劣化させる恐れがある。

これに対し本実施の形態によれば、図５（ｂ）に示すように、凸状のキャビティ１１が上方に位置するので、気泡ＢＬはキャビティ１１の表面に沿って外周に回り込み、環状の凹部１６へと逃避することとなる。従って、キャビティ１１に気泡ＢＬが接触したまま樹脂が固化することがなく、光学素子の成形不良を抑制することができる。尚、環状の凹部１６内で固化した樹脂はフランジ部の一部となり、光学素子を他部品に取り付けるための基準面として用いられることが多いが、一部に気泡による穴が生じていても、取り付けに支障は生じない。

更に、キャビティ１１の周囲に凹部１６を設けると、上型１０を切削加工などする際に、工具との干渉が抑制されるという利点もある。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

本実施の形態による光学素子の金型及びインサート部材の斜視図である。 成形状態における光学素子の金型及びインサート部材の断面図である。 図２の構成の矢印III部を拡大して示す図である。 本実施の形態の金型及びインサート部材を用いて光学素子を成形する工程を示す概略図である。 図５（ａ）は比較例にかかる金型の断面図であり、図５（ｂ）は本実施の形態にかかる金型の断面図である。

符号の説明

１０ 上型
１１ 上方キャビティ
１２ ピン孔
２０ 下型
２１ 下方キャビティ
２２ 整合ピン
１３ 大溝
１４ テーパ溝
１５ 逃げ溝
２６ 突出部
３０ インサート部材
４０ 油圧シリンダ
４１ 圧力センサ
４２ 制御装置
５０ ヒータ
ＯＥ 光学素子

Claims (3)

1. 光学素子の光学面を転写成形する転写成形面を有する上型と、前記上型より重力方向下方に配置された下型とを合わせることによって、前記上型と前記下型との間に、前記転写成形面に接続する成形キャビティと、前記転写成形面に対して重力方向上方かつ前記転写成形面を取り巻くように配置された凹部とを形成する工程と、
   液体状の熱硬化性樹脂又は光硬化性樹脂を前記成形キャビティに移送する工程と、を有し、
   前記成形キャビティ内で、前記熱硬化性樹脂又は前記光硬化性樹脂から生じた気泡が、前記凹部に逃避するようになっていることを特徴とする光学素子の成形方法。
2. 前記上型と前記下型とを合わせる際に、板状のインサート部材を介在させる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
3. 請求項１又は２に記載の光学素子の成形方法により成形され、少なくとも凹状の光学面を有することを特徴とする光学素子。