JP6582584B2 - プラスチック光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラスチック光学素子に関する。

従来、複数の微小なレンズを並べることにより構成されるマイクロレンズアレイが、例えば液晶パネルに適用されている。このようなマイクロレンズアレイを用いることにより、各レンズによって各画素に入射する光を集光することで光利用効率が向上し、表示画面を明るくすることができる。

また近年では、携帯電話等の電子端末に小型で薄型の撮像ユニットが搭載されており、このような撮像ユニットのコストを低減させるため製造工程の簡略化が求められている。そこで、例えば面上に複数のレンズ（レンズアレイ）を同時形成し、切断して複数のレンズをそれぞれ分離させることでレンズモジュールを量産する方法が知られている。この方法により数百から数千個のレンズを一度に製作することができるため、量産効果が大きくコスト低減が図られる。

このような光学素子の製造方法としては、予め所望のレンズ反転形状が形成された平板状の上モールド及び下モールドを用意し、各モールド間で液状の熱硬化性樹脂を挟み込み、加熱することによりレンズ反転形状を樹脂に転写硬化させる方法が知られている。また、熱硬化性樹脂を用いた光学素子の製造方法において、製造時間の短縮と光学機能面の向上とを両立する目的のものが知られている。これは、ロードセルによって成形型に作用する圧力を監視し、圧力が負となった時点で成形型に作用する圧力を正圧まで増加させ、その後正圧を維持するように成形型の位置を制御しつつ樹脂を硬化させる方法である（例えば「特許文献１」参照）。

しかし今までの熱硬化性樹脂からなる光学素子の製造方法では、樹脂の熱硬化に伴い生じる硬化収縮からモールド転写面より樹脂が剥離して成形品に材料不足による凹部、いわゆるヒケが発生するという問題点がある。この凹部の発生を抑制するためには、モールド転写面から樹脂が剥離しないように、樹脂の硬化収縮挙動に合わせて適宜所望の圧力が加えられるようにモールドを制御して移動させる必要がある。

硬化前の樹脂は液状であるため、圧力を加えると成形品が大きく変形してしまう。一方、硬化がある程度進んだ状態で圧力を加えると、上述したように硬化収縮の影響で凹部が生じてしまう。また、凹部を補うべく無理に圧力を加えると、硬化している樹脂に圧力を加えることとなるため樹脂に作用する応力が大きくなって大きな歪みが発生してしまう。従って、変形、凹部、歪みの発生を抑制するためには、樹脂の硬化収縮挙動が開始されるタイミングに合わせて圧力を加え、その硬化収縮挙動に合わせてモールド位置を適宜移動制御する必要がある。

生産性の観点からは樹脂硬化時における加熱速度は速い方が望ましいが、加熱速度を速くすればするほど樹脂の硬化収縮挙動も急峻となる。このため、樹脂の硬化収縮挙動に合わせて応答性よくモールドを移動させることが困難となり、高精度な圧力モニタ装置やモールド移動機構、フィードバック機構等が必要となって非常に高価で複雑な装置構成が必要となるという問題点がある。
本発明は、上述した問題点を解決し、非常に簡素な装置で製造時間を犠牲にすることなく少ない歪みでかつ高転写精度を有する光学素子の製造方法の提供を目的とする。

本発明は、所望のパターンが形成された上下一対のモールド間に熱硬化性樹脂を挟み込み、前記所望のパターンの反転形状を前記熱硬化性樹脂に転写させる工程と、前記各モールド間に挟まれた前記熱硬化性樹脂の側面部を非拘束の開放状態とし、前記開放状態を保ったまま前記各モールドに対して外部から圧力を加えることなく前記各モールドを加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる工程とからなり、前記所望のパターンと対応しない前記熱硬化性樹脂の外周部における厚みを変更することを特徴とする。

本発明によれば、硬化収縮に伴い各モールドに拘束されていない側面部において優先的に凹部が生じるので、転写面と熱硬化性樹脂とが剥離することを防止することができ、転写面の形状を熱硬化性樹脂に対して忠実に転写することができる。これにより、高精度な圧力モニタ装置、モールド移動機構、フィードバック機構等を用いることなく、非常に簡素かつ低コストの装置で歪みの低い高転写精度のプラスチック光学素子の製造方法を提供することができる。

熱硬化性樹脂の加熱に伴う粘度変化の一例を示す線図である。 本発明の第１の実施形態にて製造されるレンズアレイ概略図である。 本発明の第１の実施形態に用いられるレンズアレイの製造装置及び製造方法を説明する概略図である。 本発明の第２の実施形態にて製造されるレンズアレイの概略図である。 本発明の第２の実施形態にて製造される外周部の他の例を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態及びその変形例に用いられる各モールドを説明する概略図である。 本発明の第３の実施形態に用いられるレンズアレイの製造装置を説明する概略図である。

常温で液状を呈する熱硬化性樹脂材料を用いた平板型光学素子の製造方法としては、先ず、予め所望のレンズ反転形状が形成された上下一対のモールドを用意する。そして、下側のモールドに所定量の樹脂を塗布し、次いで上側のモールドと樹脂とを密着及び加圧させながら熱エネルギを付与することで、熱硬化性樹脂を硬化させると同時にモールド形状を転写させる方法が一般的である。

ここで、この方法の問題点について説明する。
図１は、熱硬化性樹脂の加熱に伴う粘度変化の一例を示している。熱硬化性樹脂は常温で液体であり加熱するとその粘度が低下し始め、このときは液体の熱膨張があるため樹脂の比容積は増大する。その後、図１に符号Ｔ１で示す所定の温度に達すると、急激に粘度が上昇して固体化する。この粘度上昇は、樹脂がゲル点に達して三次元架橋が開始されたことによるものである。樹脂は三次元架橋に伴い硬化収縮が始まるため、このときに比容積が減少する。そして、さらに加熱すると樹脂の架橋密度が増加して硬化率が高くなり、硬化収縮量よりも固体としての加熱膨張量が大きくなるために比容積が増大する。

熱硬化性樹脂は、上述したように加熱に伴い液体状態での熱膨張と固体状態での熱膨張との間に硬化収縮による比容積の減少が生じるため、モールド転写面と樹脂とが剥離して凹部、いわゆるヒケが生じてしまう。従来は、硬化収縮に伴うモールド転写面と樹脂との剥離を防ぐため、モールドを介して外部から樹脂に対して圧力を加えており、圧力を加えるタイミングが早いと樹脂が液体状態であるときに加圧することとなり形状が大きく変形してしまう。一方、圧力を加えるタイミングが遅いと上述した凹部が発生してしまう。また、加圧時における硬化の度合いによっては樹脂に歪みが残留し、光学素子の場合にはその特性に悪影響を与えてしまう。

上述した課題を解決するためには、樹脂の硬化収縮挙動のタイミングに合わせて加圧圧力を制御（モールド位置を移動）する必要がある。また、生産性の点からなるべく加熱速度を速めることが望ましいが、同時に架橋速度も速くなり、すなわち硬化収縮挙動も急峻となり、応答性よくモールドを移動させることが困難となる。その結果、高精度な圧力モニタ装置、モールド移動機構、フィードバック機構等が必要となる。本発明は、このような問題点に対し、非常に簡素な装置構成で生産性と面転写性とを両立させ、かつ非常に歪みが少ないレンズを得るためのものである。以下、本発明の特徴を説明する。

図２は、本発明の第１の実施形態に用いられる平板型光学素子の斜視図を、図３はその製造装置の構成断面図をそれぞれ示している。図２に示すプラスチック光学素子としてのレンズアレイ１は熱硬化性樹脂からなる平板型光学素子であり、上面には複数のレンズ２が配列され下面には鏡面３が形成されている。そして、レンズアレイ１のレンズ２形成面と直交する側面部１ａには、熱硬化樹脂の硬化収縮に伴う凹部４が形成されている。

図３は、レンズアレイ１を製造するための製造装置５を示している。製造装置５は、上下２枚のダイプレート６，７、各ダイプレート６，７の四隅に配設された４本のタイバー
を有しており、各ダイプレート６，７のうちの少なくとも一方が上下動可能（本実施形態ではダイプレート６のみ上下動可能）に構成されている。各ダイプレート６，７には加熱手段であるヒータ９が設けられているが、ヒータ９は各ダイプレート６，７に設けられている必要はなく、ヒータ９が設けられた加熱板が各ダイプレート６，７に装着されていてもよい。また、加熱手段はヒータ９には限定されず、熱媒体や赤外線等の他の手段を用いてもよい。上側のダイプレート６にはレンズ２の反転形状１０が形成された上側モールド１１が、下側のダイプレート７には鏡面加工された下側モールド１２がそれぞれ取り付けられている。

次に、図３に基づいて製造装置５の動作を説明する。
先ず、図示しない樹脂塗布装置から所定量の熱硬化性樹脂１３が下側モールド１２上に塗布される。このとき、各モールド１１，１２の温度は、熱硬化性樹脂１３のゲル化温度以下（硬化しない温度）となるように保持されている（図３（ａ）参照）。次に、熱硬化性樹脂１３を塗布したときの温度を維持した状態でダイプレート６を下降させ、上側モールド１１の転写面１４と熱硬化性樹脂１３とを完全に密着させる（図３（ｂ）参照）。ここで、本実施形態では熱硬化性樹脂１３の塗布時における温度と転写面１４と熱硬化性樹脂１３との密着時における温度とを同じとしたが、熱硬化性樹脂１３のゲル化温度以下の範囲であれば塗布時と密着時との温度を変化させてもよい。

その後、各モールド１１，１２の位置を固定した状態（各モールド１１，１２間の間隔Ｈを保持した状態）で各ダイプレート６，７のヒータ９にそれぞれ通電して加熱を開始する。加熱初期における熱硬化性樹脂１３がゲル化温度以下の場合には、転写面１４と直交する熱硬化性樹脂１３の側面部１３ａには図３（ｂ）に示すように凸部１５が形成されている。加熱温度が熱硬化性樹脂１３のゲル化温度に達すると三次元架橋が開始されて熱硬化性樹脂１３が硬化収縮するが、非拘束の開放状態である側面部１３ａにおいて優先的に収縮（ヒケ）が発生し、側面部１３ａには図３（ｃ）に示すように凹部１６が形成される。すなわち、硬化収縮に伴う凹部は、各モールド１１，１２に拘束されていない側面部１３ａにおいて優先的に発生している。従って、転写面１４と熱硬化性樹脂１３とが剥離することを防止することができ、転写面１４の形状を熱硬化性樹脂１３に対して中実に転写することができる。

次に、各モールド１１，１２に密着した後の温度変化に対する熱硬化性樹脂１３の挙動について説明する。
加熱すると液体樹脂の状態で膨張が進む（本実施形態では転写面と直交する方向を拘束しているので側面部に樹脂が広がる）が、ゲル化温度に到達して架橋が開始されると熱膨張を大幅に上回る硬化収縮が生じるために比容積が小さくなる。本実施形態では、ゲル化点に到達した直後の硬化収縮が大きい場合に比容積の減少により側面部で優先的に凹部が形成され、さらに加熱し続けると架橋反応が進み樹脂の硬度が高くなると共に硬化収縮量が小さくなり、逆に樹脂の膨張により比容積が増加し始める。本発明では、各モールド１１，１２を固定して間隔Ｈを保持した状態で加熱し、かつ樹脂の硬化（固体化）が進んでいるため、比容積を大きくすることができずに転写面方向に樹脂の膨張に伴う内圧が発生する。そして、この内圧が転写圧力となり、精度よい転写を実現することができる。

以上より本発明では、熱硬化性樹脂を用いた平板型光学素子の製造方法において、高精度な圧力モニタ装置、モールド移動機構、フィードバック機構等を用いることなく、非常に簡素かつ低コストの装置で歪みの低い高転写精度の光学素子を提供することができる。また本発明では、上下のモールド位置を固定しているため、非常に肉厚のばらつきが少ない平板型光学素子を提供することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態を示している。同図においてプラスチック光学素子としての両面レズアレイ１７は、上述した第１の実施形態と同様に製造される。両面レンズアレイ１７は、その両面にレンズ２が複数配列されており、レンズ形成面から外れた外周部１８の肉厚Ａがレンズ２の厚みよりも厚くなるように構成され、外周部１８の側面に凹部４が形成される。

両面レンズアレイ１７は、上述した製造装置５によって製造され、ゲル化温度以下で熱硬化性樹脂１３を各モールド１１，１２と完全に密着させ、その状態を維持しつつ加熱を開始する。このとき、加熱温度が熱硬化性樹脂１３のゲル化温度に到達すると、三次元架橋が開始されて熱硬化性樹脂１３が硬化収縮する。しかし、非拘束の外周部１８において優先的に収縮（ヒケ）が発生して凹部４が形成されるため、各モールド１１，１２に拘束されている転写面が剥離して凹部が生じることが防止される。

加工品の肉厚が厚いと熱硬化性樹脂１３の硬化収縮量が大きくなり、側面部の凹部によって硬化収縮量を補うことができず、転写面から熱硬化性樹脂１３が剥離する場合がある。しかし、第２の実施形態のようにレンズ２の形成面から外れた外周部１８を肉厚調整領域として適宜その肉厚を調整する（相対的に厚くする）ことにより、側面部に生じる凹部４の量を調整して対応することが可能となる。本実施形態では、外周部１８の肉厚の調整形状を図４に示す半円形状としたが、調整形状はこれに限定されず、例えば図５（ａ）に示すテーパ形状や図５（ｂ）に示す矩形状であっても、他の形状であってもよい。

図６は、外周部１８を形成するときに用いられる上側モールドと下側モールドの一例を示している。通常は、図６（ａ）に示すように、外周部１８の肉厚が大きくなるように上側モールド１９と下側モールド２０を形成すればよい。また、図６（ｂ）に示すような各モールド１１，１２よりも幅の短い上側モールド２１と下側モールド２２とを用い、熱硬化性樹脂１３を各モールド２１，２２に密着させるときに、熱硬化性樹脂１３を故意に各モールド２１，２２からはみ出させてもよい。これにより、はみ出し部分の厚みを制御することは困難であるがはみ出し部分によって外周部１８を容易に形成することができ、各モールド２１，２２を簡素化して低コスト化を図ることができる。なお、本実施形態で形成する外周部１８は光学的有効範囲外において形成されるが、外周部１８が使用上不要である場合には、切断して光学素子として使用することができる。

図７は、本発明の第３の実施形態に用いられる平板型光学素子の製造装置２３を示している。この製造装置２３は、上述した製造装置５と比較すると、熱硬化性樹脂１３の側面部１３ａに対して送風を行い、熱硬化性樹脂１３を空冷する圧縮ガス供給装置２４を有する点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。

圧縮ガス供給装置２４は製造装置２３の外周部に（本実施形態では少なくとも２個）設けられており、熱硬化性樹脂１３の側面部１３ａに向けて空気流としての圧縮ガス２５を送風する。本実施形態では、熱硬化性樹脂１３の硬化収縮が開始されるときに圧縮ガス２５を側面部１３ａに吹き付け、側面１３ａでの凹部４の形成を促進させるように構成されている。これにより、熱硬化性樹脂１３の硬化収縮により熱硬化性樹脂１３が転写面から剥離することを防止でき、確実な面精度を実現することができる。

なお、圧縮ガス２５の温度は、加熱上昇している熱硬化性樹脂１３の温度と同等以下であることが望ましい。これは、熱硬化性樹脂１３よりも高温の圧縮ガス２５を送風すると、側面部１３ａにおける架橋反応が転写面よりも速く進み、熱硬化性樹脂１３が硬化するための十分な凹部を形成できず、熱硬化性樹脂１３が転写面から剥離してしまうためである。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ プラスチック光学素子（レンズアレイ）
４，１６ 凹部
１１，１９，２１ 上側モールド
１２，２０，２２ 下側モールド
１３ 熱硬化性樹脂
１３ａ 側面部
１７ プラスチック光学素子（両面レンズアレイ）
１８ 外周部
２５ 空気流（圧縮ガス）

特開２０１３−７５４９９号公報

Claims (1)

1. 所望のパターンが形成された上下一対のモールド間に熱硬化性樹脂を挟み込み、前記所望のパターンの反転形状を前記熱硬化性樹脂に転写させる工程と、
   前記各モールド間に挟まれた前記熱硬化性樹脂の側面部を非拘束の開放状態とし、前記開放状態を保ったまま前記各モールドに対して外部から圧力を加えることなく前記各モールドを加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる工程とからなり、
   前記所望のパターンと対応しない前記熱硬化性樹脂の外周部における厚みを変更するプラスチック光学素子の製造方法。

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