WO2019172411A1 - 構造体の製造方法 - Google Patents

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WO2019172411A1
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lens
temperature
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江原宜伸
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コニカミノルタ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a structure in which a plurality of members are joined.
  • a plasma polymer (organic substance) is formed on one of the members to be bonded, and both surfaces of the member to be bonded are hydrophilized and then pressurized and heated to perform bonding with high accuracy.
  • the surface activated by forming a plasma polymerized film is made into a mirror surface, and the plasma polymerized film is thickened to about 10 nm to 10 ⁇ m. Or measures such as making one member a soft material are required. If the surface of the member is mirrored, the cost increases. Further, when the plasma polymerized film is thickened or the member is made of a soft material, it is difficult to suppress the influence of linear expansion because follow-up to the one member is eased.
  • Patent Document 2 As another method for joining two members, there is a component assembling method in which a DNA single-stranded structure is supported on the surface of a base material and the surface of a component, thereby performing bonding based on hydrogen bonding between both members. Yes (see, for example, Patent Document 2). However, since the method of Patent Document 2 is a bonding with a single hydrogen bond, the bonding may be weakened by moisture or the like, and a strong bonding is difficult.
  • the surface of the object to be joined is made hydrophilic by switching the strength of the chemical treatment between the first half of the plasma treatment and the latter half of the plasma treatment on the joint surface of the work piece.
  • annealing is performed at room temperature to about 200 ° C. after hydrogen bonding is performed (see, for example, Patent Document 3).
  • Patent Document 3 since it is premised on bonding between wafers formed of a material having high surface accuracy and high hardness, temporary bonding can be performed with some bonding force by hydrogen bonding even without pressure, If the surface accuracy is poor, the bond at the time of temporary bonding becomes weak, and there is a possibility that a position shift occurs before annealing.
  • An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a laminated structure that has low cost, high functionality, and high productivity while suppressing the influence of linear expansion.
  • a structure manufacturing method reflecting one aspect of the present invention is different from the first member as the base material and the first member facing the first member.
  • the surface shape of the second member may be a planar shape or a three-dimensional shape.
  • FIG. 1A is a plan view of a structure manufactured by the structure manufacturing method of the first embodiment
  • FIG. 1B is a side cross-sectional view of the structure shown in FIG. 1A
  • 2A to 2D are views for explaining the manufacturing method of the structure according to the first embodiment
  • 3A and 3B are views for explaining the structure manufacturing method of the first embodiment
  • FIG. 3C is a view for explaining a modification of the structure. It is a flowchart explaining the manufacturing method of the structure of 1st Embodiment.
  • 5A is a plan view of a light source unit including a structure
  • FIG. 5B is a side sectional view of the light source unit shown in FIG. 5A
  • 6A to 6D are views for explaining a method of manufacturing the structure according to the second embodiment.
  • FIGS. 7A to 7C are views for explaining a method of manufacturing the structure according to the second embodiment. It is a flowchart explaining the manufacturing method of the structure of 2nd Embodiment.
  • 9A to 9F are views for explaining a method of manufacturing the structure according to the third embodiment. It is a flowchart explaining the manufacturing method of the structure of 3rd Embodiment.
  • the structure 100 includes a substrate 10 that is a first member as a base material, a first lens array 21 that is a second member, and a second lens array 22 that is a second member.
  • a substrate 10 that is a first member as a base material
  • first lens array 21 that is a second member
  • second lens array 22 that is a second member.
  • the substrate 10, the first lens array 21, and the second lens array 22 are stacked and joined in the Z-axis direction perpendicular to the XY plane from which the substrate 10 extends. Further, the first and second lens arrays 21 and 22 are arranged so as to face each other with the substrate 10 interposed therebetween.
  • the structure 100 is a laminated structure in which lens arrays are provided on both surfaces of the substrate 10 and a three-dimensional shape is formed on both surfaces of the substrate 10.
  • the structure 100 has a rectangular outline when viewed from the direction of the optical axis OA.
  • the structure 100 can be used as, for example, a light source unit (see FIG. 5B and the like).
  • the first and second lens arrays 21 and 22 are light-transmitting members that can transmit light in the wavelength range to be used. For example, when transmitting light having a wavelength in the visible light region, the first and second lens arrays 21 and 22 are transparent members. is there.
  • the first and second lens arrays 21 and 22 are made of a resin material.
  • a thermoplastic resin is used as the resin material.
  • the thermoplastic resin include COP (cycloolefin polymer), COC (cycloolefin copolymer), PMMA (acrylic), PC (polycarbonate), and the like.
  • COP cycloolefin polymer
  • COC cycloolefin copolymer
  • PMMA acrylic
  • PC polycarbonate
  • the first lens array 21 includes a plurality of first lens elements 21a and a first support portion 21b that supports the first lens elements 21a from the periphery.
  • the first lens element 21a is, for example, a convex aspheric lens and has a first optical surface 21c.
  • the first lens elements 21 a are two-dimensionally arranged on the substrate 10.
  • the second lens array 22 includes a plurality of second lens elements 22a and a second support portion 22b that supports the second lens elements 22a from the periphery.
  • the second lens element 21a is, for example, a convex aspheric lens and has a second optical surface 22c.
  • the second lens elements 22 a are two-dimensionally arranged on the substrate 10.
  • the first lens element 21a and the second lens element 22a form a pair, and the optical axes OA of the first and second lens elements 21a and 22a facing each other are the same.
  • the first and second lens arrays 21 and 22 and the substrate 10 are firmly bonded by temporarily fixing them during the heating process after being temporarily fixed during positioning in the bonding process.
  • the first lens array 21 is used as, for example, a condenser lens together with the second lens array 22.
  • an example is shown in which 3 ⁇ 3 lens elements are arranged, but the number of lens elements can be appropriately changed according to the application.
  • the substrate 10 is a plate-like member having light transparency in the visible range, for example, and is a glass substrate formed of glass that is an inorganic material. Since the linear expansion of the inorganic material is relatively small, changes due to the linear expansion of the three-dimensional shape on the first and second lens arrays 21 and 22 can be further suppressed. Further, even a material such as glass that is difficult to process can be handled with a simple shape such as a cylinder or a flat plate. In addition to glass, ceramic materials, metals, and the like can be used as the inorganic material.
  • the first lens array 21 is bonded to the first surface 10 a which is one surface of the substrate 10.
  • the second lens array 22 is bonded to the second surface 10 b which is the other surface of the substrate 10.
  • a silane coupling agent (or silanol-containing adhesive) is provided between the first bonding surface 21d of the first lens array 21 facing the substrate 10 and the second bonding surface 10d of the substrate 10 facing the first lens array 21.
  • An adhesive layer 30 is provided.
  • a silane coupling agent (or silanol-containing adhesive) is provided between the first bonding surface 22d of the second lens array 22 facing the substrate 10 and the second bonding surface 10e of the substrate 10 facing the second lens array 22.
  • An adhesive layer 30 is provided.
  • the adhesive layer 30 is a thin layer of about 0.1 nm to 1 ⁇ m, preferably about 0.1 nm to 10 nm, and does not adversely affect the direct bonding between the first and second lens arrays 21 and 22 and the substrate 10. Absent.
  • the surface roughness of at least one of the first bonding surfaces 21d and 22d and the second bonding surfaces 10d and 10e is greater than 1 nm.
  • a method for manufacturing the structure 100 will be described with reference to FIGS. 2A to 2D, FIGS. 3A and 3B, and FIG.
  • a surface activation process, a bonding process, a transfer process, and a heating process are performed.
  • the heating process and the transfer process are performed simultaneously.
  • the simultaneous with the heating step includes a case where the heating step and the transfer step are performed while changing the temperature.
  • a substrate 10 as a first member and a lens member 20 as a base material for the first and second lens arrays 21 and 22 as a second member are prepared (step S11 in FIG. 4).
  • the lens member 20 is a plate-like member in which a desired three-dimensional shape is not formed (see FIG. 2B).
  • an adhesive layer 30 having a silane coupling agent is provided on the second bonding surfaces 10d and 10e of the substrate 10 (step S12 in FIG. 4).
  • the bonding method described later can be applied to a ceramic material such as glass that is unlikely to generate hydrogen bonds, such as the substrate 10.
  • an activation process for activating at least one of the first and second bonding surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e (the surface when the adhesive layer 30 is provided) is activated.
  • the activated state is, for example, a state in which the methyl group or phenyl group of the resin is cleaved, as well as polarities such as OH groups (hydroxyl groups), CHO groups (aldehyde groups), etc., on the unbonded hands and elements on the material surface of the member. The state where the group is connected.
  • the activation treatment corona treatment, plasma treatment, ozone treatment, ultraviolet (UV) treatment, or the like is performed, and the activated state is caused by applying energy to the material.
  • the activation process is performed partially or entirely on the second bonding surfaces 10 d and 10 e of the substrate 10 and the first bonding surfaces 21 d and 22 d of the lens member 20.
  • the activation treatment can be preferably performed at room temperature in the atmosphere.
  • normal temperature means 20 ° C. ⁇ 15 ° C.
  • the resin material By forming the lens member 20 from a resin material, the resin material can easily develop a hydrogen bond by plasma treatment or the like and can maintain the bond.
  • a hydrogen bond is a weak bond in which polar groups represented by OH groups and the like attract each other.
  • a joining step is performed in which the first and second joining surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e are pressurized and the lens member 20 and the substrate 10 are positioned and temporarily fixed by hydrogen bonding (step S14 in FIG. 4).
  • the environmental temperature of the bonding process is a temperature that does not interfere with the surface activation state, that is, a temperature that is lower than the glass transition temperature by a reference temperature that is 30 ° C. subtracted from the load deflection temperature of the resin material of the lens member 20 that is the second member (for example, 90 °C to 140 °C).
  • the load deflection temperature is a temperature at which the material starts to deform under a certain pressure.
  • the glass transition temperature may be 120 to 160 ° C.
  • the lens member 20 as the second member is pressed and bonded at the temperature to the substrate 10 as the first member. Thereby, it can fix temporarily, without dehydration condensation occurring at the time of positioning. In the joining process, it is desirable to set a time during which dehydration condensation does not occur during work.
  • the first bonding surface 21d on the lens member 20 side forming the first lens array 21 and the second bonding surface 10d on the substrate 10 side are opposed to each other, and the first and second bonding surfaces 21d and 10d are formed. While maintaining the surface activated state, the lens member 20 and the substrate 10 are arranged at the joining position with a gap therebetween. Further, the first bonding surface 22d on the lens member 20 side that forms the second lens array 22 is opposed to the second bonding surface 10e on the substrate 10 side, and the surfaces of the first and second bonding surfaces 22d and 10e are activated. While maintaining this state, the lens member 20 and the substrate 10 are arranged at the bonding position with a gap therebetween.
  • the distance between the lens member 20 and the substrate 10 at the time of positioning is preferably 100 nm or more. In positioning, either the lens member 20 or the substrate 10 may be moved, or both may be moved relatively.
  • the lens member 20 and the substrate 10 are provided with positioning marks, for example, and positioning is performed by matching the mark positions. Moreover, if the lens member 20 and the board
  • the lens member 20 forming the first lens array 21 and the substrate 10 are brought into contact with each other and bonded in a state where the first and second bonding surfaces 21d and 10d are activated. Further, the lens member 20 forming the second lens array 22 and the substrate 10 are brought into contact with each other and bonded in a state where the first and second bonding surfaces 22d and 10e are activated. At the time of contact, the first and second bonding surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e are brought into close contact with each other by pressurizing with a pressure higher than a predetermined pressure. In the present embodiment, the lens member 20 is pressed using the mold 40 in order to continuously perform the transfer process and the heating process following the target joining process.
  • the pressurizing pressure is, for example, 10 MPa or less, preferably 0.005 MPa or more and 10 MPa or less.
  • the optimum pressure value of the material to be used varies depending on the material and temperature within the above range, and the pressure may be smaller as the material becomes softer.
  • This bonded state is a state in which the lens member 20 and the substrate 10 are temporarily fixed by hydrogen bonding.
  • the lens member 20 and the substrate 10 are temporarily fixed at predetermined positions, and can be freely removed by being immersed in water or the like.
  • the lens member 20 is molded using a mold 40.
  • the mold 40 is disposed outside the lens member 20.
  • the mold 40 includes a first mold 41 that molds the first lens array 21 and a second mold 42 that molds the second lens array 22.
  • the first mold 41 has a first lens transfer surface 41a that transfers the first lens element 21a of the first lens array 21, and a first support transfer portion 41b that transfers the first support portion 21b.
  • the second mold 42 includes a second lens transfer surface 42a that transfers the second lens element 22a of the second lens array 22, and a second support transfer portion 42b that transfers the second support portion 22b. Attached to the first and second molds 41 and 42 are heaters 43, respectively.
  • the heater 43 maintains a temperature range between a reference temperature obtained by subtracting 30 ° C. from the load deflection temperature of the resin material of the lens member 20 and a glass transition temperature in the molds 41 and 42 in the joining process. Further, the heater 43 maintains the same temperature as the heating step, that is, a temperature higher than the glass transition temperature, specifically, a temperature of 170 ° C. or higher in the transfer step.
  • a transfer step for transferring the three-dimensional shape to the lens member 20 as the second member is performed (step S15 in FIG. 4).
  • the lens member 20 and the substrate 10 are bonded to each other by a predetermined pressure in the temperature environment of the bonding process, and the temperature is continuously increased from the temperature at the time of bonding.
  • the three-dimensional shape is transferred to the lens member 20 by the pressurization.
  • the applied pressure in the transfer process is set in accordance with the relationship between the temperature during pressurization and the molding accuracy of the second member. The applied pressure may be due to the weight of the lens member 20 depending on the shape of the second member.
  • the three-dimensional shape of the lens member 20 can be preserved in the state at the time of molding. Specifically, the three-dimensional shape of the first lens element 21a and the three-dimensional shape of the first support portion 21b of the first lens array 21 are transferred to the upper lens member 20, and the lower lens member 20 has the first shape. The three-dimensional shape of the second lens element 22a of the two-lens array 22 and the three-dimensional shape of the second support portion 22b are transferred. In addition, it is possible to prevent a positional shift when the lens member 20 is bonded to the substrate 10. Furthermore, the manufacturing process can be simplified and the running cost can be reduced.
  • the three-dimensional shape is transferred to the lens member 20 on both surfaces of the substrate 10 simultaneously with the bonding step, the three-dimensional shape alignment of the lens member 20 and the first and second lens arrays 21 and 22 on both sides of the substrate 10 is performed. Can be adjusted by the accuracy of molding.
  • the pressurizing pressure is, for example, 10 MPa or less, preferably 0.05 MPa or more and 10 MPa or less.
  • the optimum pressure value of the material to be used varies depending on the material and temperature within the above range, and the pressure may be smaller as the material becomes softer. Thereby, transfer can be performed to the lens member 20 which is the second member without destroying the substrate 10 which is the first member.
  • a heating process is performed in which the first and second bonding surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e are bonded by a bonding process stronger than hydrogen bonding in the bonding process (step S15 in FIG. 4).
  • dehydration condensation by heating is performed using a heater 43 attached to the mold 40.
  • the heating step the temperature is raised more than in the bonding step, and the bonded body of the lens member 20 and the substrate 10 is heated at a temperature higher than the glass transition temperature.
  • the heating process is performed with the joined body held in the mold 40.
  • the pressurization may be terminated in the heating step.
  • the heating temperature is desirably 170 ° C. or higher, which is higher than the glass transition temperature. Thereby, strong joining can be performed in a shorter time.
  • the dehydration condensation reaction proceeds at 100 ° C. or higher, and the reaction time tends to be shorter as the temperature is higher.
  • the temperature at which the main fixing is completed cannot be removed by moisture
  • the temperature at which the main fixing is completed is 170 ° C. or higher, in general, if the temperature is less than 170 ° C. in the above-described positioning, etc. Not fixed.
  • the first and second lens arrays 21 and 22 and the substrate 10 are completely fixed at a predetermined place with a predetermined accuracy.
  • the manufacturing method of the structure 100 having the first and second lens arrays 21 and 22 on both surfaces of the substrate 10 has been described.
  • FIG. A structure 100 having an array (the first lens array 21 in FIG. 3C) can also be manufactured.
  • the lens array stack 200 can be manufactured by stacking a plurality of the structures 100.
  • the lens array stacked body 200 includes a light source substrate 50, a first structure 100A, and a second structure 100B.
  • Each member 50, 100 ⁇ / b> A, 100 ⁇ / b> B is stacked in the Z-axis direction, that is, the optical axis OA direction via the spacer 60.
  • the lens array stacked body 200 is a light source unit that collects light from a light source 50 a composed of point groups installed on the light source substrate 50.
  • the light source substrate 50 is a rectangular flat plate member and is made of glass.
  • a plurality of light sources 50a are provided on the light source substrate 50 on the side opposite to the surface to which the first structure 100A is bonded.
  • the light sources 50a are two-dimensionally arranged at positions corresponding to the positions of the lens elements included in the first and second structures 100A and 100B.
  • an organic EL element or an LED element is used as the light source 50a.
  • the first structure 100A is obtained by forming the first and second lens arrays 21 and 22 on both surfaces of the substrate 10.
  • a diaphragm 70 is provided on a portion of the upper first lens array 21 excluding the first lens element 21a, that is, on the first support portion 21b.
  • the second structure 100B is obtained by forming the first lens array 21 on one surface of the substrate 10.
  • the second structure 100B is arranged such that the first lens array 21 of the second structure 100B faces the first lens array 21 of the first structure 100A.
  • the light source substrate 50, the first structure 100A, and the second structure 100B may be fixed with an adhesive, or may be fixed using hydrogen bonding as in the above manufacturing method.
  • the first member 10 and the first and second lens arrays 21 and 22 that are the second members are directly joined in a surface activated state by the first member. Even if the member and the second member are formed of different materials, the linear expansion characteristic of the second member having a shape on the surface can be made equal to that of the first member.
  • the first and second are not limited by the surface accuracy and surface state of the material.
  • the members can be joined more strongly. Since the first member may have a simple structure such as a cylinder or a flat plate as a base material, a material that is difficult to process can be selected.
  • first and second members can be joined to each other without any limitation by the surface activation process.
  • the first member and the second member are joined at a lower pressure by setting the second member to a softening temperature that is a reference temperature obtained by subtracting 30 ° C. from the load deflection temperature of the resin material and a glass transition temperature or less.
  • the internal stress resulting from the shape of the second member can be relaxed, and the shape accuracy of the second member can be improved.
  • the structure 100 can be manufactured by the above-described method, which can achieve strong bonding while suppressing linear expansion without taking measures to improve adhesion such as mirror finishing on the bonding surface of the member in advance.
  • a resin material such as a thermoplastic resin, which is relatively inexpensive and easily molded into a three-dimensional shape, and one material to be laminated and bonded in a temperature environment as high as possible below the glass transition temperature, The surfaces can be brought into close contact and hydrogen bonded.
  • strong bonding can be performed by performing the heat treatment while giving the resin a structure in a state where no positional deviation occurs.
  • alkali-free glass AN100: Asahi Glass
  • a cycloolefin polymer COP: ZEONEX (registered trademark) E48R
  • joining was performed at 92 to 139 ° C., which is a temperature in the range from the reference temperature obtained by subtracting 30 ° C. from the load deflection temperature of the resin of the example to the glass transition temperature.
  • the applied pressure at the time of joining was 3 MPa or less, and the pressurizing time was 1 second or more and 5 minutes or less.
  • Table 1 shows the results of joining states of the first and second members at 25 ° C. and 160 ° C. as comparative examples of the above temperature range of the present embodiment.
  • the symbol “ ⁇ ” indicates a state where the natural separation does not occur or the state where the bonding is maintained
  • the symbol “x” indicates a state where the natural separation occurs or the state where the bonding cannot be maintained.
  • bonding is performed at 160 ° C., which exceeds the glass transition temperature of 140 ° C., the surface state of the activated second member made of resin changes greatly, returning to the state before activation, and bonding is performed. I can't. [Table 1]
  • the temperature of the heater was raised, and a transfer process and a heating process for transferring the three-dimensional shape of the second member were performed simultaneously with the heating process.
  • the resin temperature was set to 170 ° C. or higher.
  • the applied pressure during transfer was set to 2 MPa or more and 10 MPa or less.
  • the pressing time during transfer was set to 5 seconds or more.
  • the joined body of the first and second members was heated at 170 ° C. or higher, which is a temperature higher than the glass transition temperature. The structure obtained after the heating step did not separate even when immersed in water, and was fixed securely.
  • the structure manufacturing method according to the second embodiment is a partial modification of the structure manufacturing method according to the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those in the first embodiment.
  • a method for manufacturing the structure 100 of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 6A to 6D, FIGS. 7A to 7C, and FIG.
  • a transfer step for transferring the three-dimensional shape to the second member is performed.
  • the substrate 10 as the first member and the lens member 20 as the base material of the first and second lens arrays 21 and 22 as the second member are prepared (step S11 in FIG. 8).
  • an adhesive layer 30 having a silane coupling agent is provided on the second bonding surfaces 10d and 10e of the substrate 10 (step S12 in FIG. 8).
  • an activation process is performed to activate at least one of the first and second bonding surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e (step S13 in FIG. 8).
  • a joining step is performed in which the first and second joining surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e are pressurized and the lens member 20 and the substrate 10 are positioned and temporarily fixed by hydrogen bonding (step S14 in FIG. 8).
  • the environmental temperature of the joining process is a temperature not lower than a reference temperature obtained by subtracting 30 ° C. from the load deflection temperature of the resin material of the lens member 20 as the second member and not higher than the glass transition temperature (for example, 90 ° C. or higher and 140 ° C. or lower).
  • the lens member 20 as the second member is pressed and bonded at the temperature to the substrate 10 as the first member.
  • the first bonding surface 21d on the lens member 20 side forming the first lens array 21 is opposed to the second bonding surface 10d on the substrate 10 side, and the surfaces of the first and second bonding surfaces 21d and 10d are activated. While maintaining this state, the lens member 20 and the substrate 10 are arranged at the bonding position with a gap therebetween. Further, the first bonding surface 22d on the lens member 20 side that forms the second lens array 22 is opposed to the second bonding surface 10e on the substrate 10 side, and the surfaces of the first and second bonding surfaces 22d and 10e are activated. While maintaining this state, the lens member 20 and the substrate 10 are arranged at the bonding position with a gap therebetween.
  • the lens member 20 forming the first lens array 21 and the substrate 10 are brought into contact with each other and bonded in a state where the first and second bonding surfaces 21d and 10d are activated. Further, the lens member 20 forming the second lens array 22 and the substrate 10 are brought into contact with each other and bonded in a state where the first and second bonding surfaces 22d and 10e are activated. At the time of contact, the first and second bonding surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e are brought into close contact with each other by pressurizing with a pressure higher than a predetermined pressure. At this time, the lens member 20 is pressed from the outside using a flat pressing member 80.
  • the surface shape of the lens member 20 after the joining step is a planar shape.
  • the lens member 20 and the substrate 10 are temporarily fixed by hydrogen bonding.
  • a transfer step for transferring the three-dimensional shape to the lens member 20 as the second member is performed (step S115 in FIG. 8).
  • the pressing member 80 used in the joining process is replaced with a molding die 40, and the three-dimensional shape is transferred to the lens member 20.
  • the environmental temperature of the transfer process is higher than the glass transition temperature, specifically 170 ° C. or higher.
  • the positions of the three-dimensional shapes of the lens member 20 on both sides of the substrate 10 and, in turn, the first and second lens arrays 21 and 22 are obtained.
  • the alignment can be adjusted by the accuracy of molding.
  • the heating temperature is continuously raised in the transfer process after the bonding process, but after the bonding process, the joined body of the lens member 20 and the substrate 10 is returned to about room temperature, and then in the transfer process. It may be heated again.
  • a heating process for bonding the first and second bonding surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e by a bonding process stronger than hydrogen bonding in the bonding process is performed (step S116 in FIG. 8).
  • the first and second lens arrays 21 and 22 and the substrate 10 are completely fixed at a predetermined place with a predetermined accuracy.
  • the transfer step and the heating step can be performed simultaneously or sequentially.
  • the transfer process can also be performed after the heating process.
  • the three-dimensional shape of the second member can be preserved in the state at the time of molding by performing a transfer process after the joining process. Moreover, the position shift at the time of joining of the 2nd member with respect to a 1st member can be prevented.
  • alkali-free glass AN100: Asahi Glass
  • a cycloolefin polymer COP: ZEONEX (registered trademark) E48R
  • joining was performed at 92 to 139 ° C., which is a temperature range from the reference temperature obtained by subtracting 30 ° C. from the load deflection temperature of the resin to the glass transition temperature.
  • the applied pressure at the time of joining was 3 MPa or less, and the pressurizing time was 1 second or more and 5 minutes or less.
  • the temperature of the heater was raised, the resin temperature was about 170 ° C., and the heating time was 350 seconds to 42 hours. During the temperature increase, no pressure is applied.
  • a transfer step for transferring the three-dimensional shape of the second member was performed. In the transfer process, the resin temperature was set to 170 ° C. or higher. The applied pressure during transfer was set to 2 MPa or more and 10 MPa or less. The pressing time during transfer was set to 5 seconds or more.
  • the heating step the joined body of the first and second members was heated at 170 ° C. or higher, which is a temperature higher than the glass transition temperature. The structure obtained after the heating step did not separate even when immersed in water, and was fixed securely.
  • the structure manufacturing method according to the third embodiment is a partial modification of the structure manufacturing method according to the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those in the first embodiment.
  • a method of manufacturing the structure 100 according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 9A to 9F and FIG.
  • a transfer process for transferring the three-dimensional shape to the second member is performed before the bonding process.
  • a substrate 10 that is a first member and a lens member 20 that is a base material for the first and second lens arrays 21 and 22 that are second members are prepared (step S11 in FIG. 10).
  • an energy curable resin such as an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin
  • Resin etc. can be used as the resin material of the first and second lens arrays 21 and 22 in addition to the thermoplastic resin.
  • an adhesive layer 30 having a silane coupling agent is provided on the second bonding surfaces 10d and 10e of the substrate 10 (step S12 in FIG. 10).
  • a transfer step of transferring the three-dimensional shape to the lens member 20 as the second member is performed (step S215 in FIG. 10).
  • the lens member 20 is placed on the support substrate SS, and the first lens array is pressed by pressing the mold 40 toward the support substrate SS in a temperature environment higher than the glass transition temperature, specifically 170 ° C. or higher. 21 is formed. After molding, the first lens array 21 is released from the support substrate SS and the mold 40.
  • the second lens array 22 is formed in the same manner as the first lens array 21.
  • an activation process is performed to activate at least one of the first and second bonding surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e (step S13 in FIG. 10).
  • a joining step is performed in which the first and second joining surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e are pressurized and the lens member 20 and the substrate 10 are positioned and temporarily fixed by hydrogen bonding (step S214 in FIG. 10).
  • the environmental temperature of the joining process is a temperature not lower than a reference temperature obtained by subtracting 30 ° C. from the load deflection temperature of the resin material of the lens member 20 as the second member and not higher than the glass transition temperature (for example, 90 ° C. or higher and 140 ° C. or lower).
  • the bonding step pressure is applied at the temperature, and the substrate 10 as the first member is tightly bonded.
  • the first and second lens arrays 21 and 22 which are the lens members 20 are preferably performed in a state where the molding surfaces are maintained, for example, in a state where the first and second molds 41 and 42 are fitted, respectively.
  • marks are respectively formed on the surfaces of the molds 41 and 42, and the mold 40 is positioned and joined together by aligning the marks.
  • the first bonding surface 21d on the lens member 20 side forming the first lens array 21 is opposed to the second bonding surface 10d on the substrate 10 side, and the surfaces of the first and second bonding surfaces 21d and 10d are activated. While maintaining this state, the lens member 20 and the substrate 10 are arranged at the bonding position with a gap therebetween. Further, the first bonding surface 22d on the lens member 20 side that forms the second lens array 22 is opposed to the second bonding surface 10e on the substrate 10 side, and the surfaces of the first and second bonding surfaces 22d and 10e are activated. While maintaining this state, the lens member 20 and the substrate 10 are arranged at the bonding position with a gap therebetween.
  • the lens member 20 forming the first lens array 21 and the substrate 10 are brought into contact with each other and bonded in a state where the first and second bonding surfaces 21d and 10d are activated. Further, the lens member 20 forming the second lens array 22 and the substrate 10 are brought into contact with each other and bonded in a state where the first and second bonding surfaces 22d and 10e are activated. At the time of contact, the first and second bonding surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e are brought into close contact with each other by pressurizing with a pressure higher than a predetermined pressure.
  • the lens member 20 and the substrate 10 are temporarily fixed by hydrogen bonding.
  • a heating process is performed for bonding the first and second bonding surfaces 21d, 22d, 10d, and 10e by a bonding process stronger than hydrogen bonding in the bonding process (step S216 in FIG. 10).
  • the first and second lens arrays 21 and 22 and the substrate 10 are completely fixed at a predetermined place with a predetermined accuracy.
  • the three-dimensional shape is transferred without considering the destruction of the first member due to the pressurizing condition during shape transfer by performing the transfer step before the joining step. Can do.
  • the structure manufacturing method according to the present embodiment has been described above, but the structure manufacturing method according to the present invention is not limited to the above.
  • the shapes and sizes of the first and second lens arrays 21 and 22 (or the lens member 20) and the substrate 10 constituting the structure 100 can be changed as appropriate according to applications and functions. it can.
  • a convex portion or a concave portion for positioning can be formed on the lens member 20 as a shape.
  • the thicknesses of the first and second members can be changed as appropriate, and may be thick or thin.
  • the first and second members are not limited to the substrate 10 and the lens arrays 21 and 22 and can be changed as appropriate according to the application.
  • the bonded body may be, for example, an electronic component, an inspection device, a semiconductor device, a micro component, or the like.
  • the structure 100 may be cut and separated into optical elements including individual lens elements.
  • the adhesive layer 30 may not be provided.
  • the heating step can be omitted.

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Abstract

線膨張の影響を抑制しつつ、低コスト、高機能、及び高生産性を兼ね備えた構造体の製造方法を提供する。基材としての第１部材である基板１０と、基板１０に対向し基板１０とは異なる樹脂材料で形成され表面に形状を有する第２部材であるレンズアレイ２１，２２とが積層された構造体１００の製造方法であって、基板１０の表面及びレンズアレイ２１，２２の表面の少なくとも一方を活性化状態にする活性化処理を行う表面活性化工程と、レンズアレイ２１，２２を少なくともレンズアレイ２１，２２の樹脂材料の荷重撓み温度から３０℃引いた基準温度以上ガラス転移温度以下の温度下で加圧して、基板１０に密着接合する接合工程とを備える。

Description

構造体の製造方法
　本発明は、複数の部材を接合した構造体の製造方法に関する。
　高精度な寸法精度を要する比較的長い形状を有するデバイスを作製する場合、環境温度による線膨張の影響が大きな問題となっている。これに対し、低線膨張係数の材料を加工して上記のようなデバイスを作製することが考えられるが、低コスト、高機能、高生産性の全てを達成することは難しい。これを解決する方法として、低線膨張係数の材料と加工性に優れた樹脂材料とを接合することで、線膨張の影響を抑制する方法がある。このような異なる部材を接合する方法として、例えば特許文献１に記載の方法がある。
　特許文献１の方法では、被接合部材の一方にプラズマ重合体（有機物）を成膜し、当該被接合部材の両表面を親水化した後に加圧及び加熱することで高精度に接合を行っている。しかしながら、特許文献１の方法では、２つの部材を密着させるために、プラズマ重合物を成膜することで活性化した表面を鏡面にする、プラズマ重合膜を１０ｎｍ～１０μｍ程度に厚肉化する、又は一方の部材を柔らかい材料にする等の対策が必要となる。部材の表面を鏡面化するとコストが高くなる。また、プラズマ重合膜を厚肉化したり、部材を柔らかい材料にしたりする場合には、当該一方の部材への追従が緩和されるため、線膨張の影響を抑制することが難しい。
　なお、２つの部材を接合する他の方法として、基材の表面と部品の表面とにＤＮＡ一本鎖構造を担持させることで、両部材間に水素結合に基づいた接合を行う部品組み付け方法がある（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２の方法は、水素結合単体での接合であるため、水分等により結合が弱まる可能性があり、強固な接合が難しい。
　また、２つの部材を接合する他の方法として、被接合物の接合面についてプラズマ処理前半とプラズマ処理後半とで化学処理の強度を切り替えることで被接合物表面を親水化し、被接合物の表面同士を水素結合させた後に常温～約２００℃でアニーリングを行う接合方法がある（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、特許文献３の方法では、高い面精度、及び高い硬度の材料で形成されたウェハー同士での接合を前提としているため、無加圧でも水素結合によってある程度の結合力で仮接合できるものの、面精度が悪い場合には仮接合の際の結合が弱くなり、アニーリングを行う前に位置ずれが生じるおそれがある。
特開２０１０－１８４４９９号公報 特開２００７－２３７２９９号公報 特開２００６－３３９３６３号公報
　本発明は、線膨張の影響を抑制しつつ、低コスト、高機能、及び高生産性を兼ね備えた積層型の構造体の製造方法を提供することを目的とする。
　上記した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した構造体の製造方法は、基材としての第１部材と、第１部材に対向し第１部材とは異なる樹脂材料で形成され表面に形状を有する第２部材とが積層された構造体の製造方法であって、第１部材の表面及び第２部材の表面の少なくとも一方を活性化状態にする活性化処理を行う表面活性化工程と、第２部材を少なくとも第２部材の樹脂材料の荷重撓み温度から３０℃引いた基準温度以上ガラス転移温度以下の温度下で加圧して、第１部材に密着接合する接合工程とを備える。ここで、第２部材の表面形状は、平面形状でも立体形状でもよい。
図１Ａは、第１実施形態の構造体の製造方法で作製された構造体の平面図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す構造体の側方断面図である。 図２Ａ～２Ｄは、第１実施形態の構造体の製造方法を説明する図である。 図３Ａ及び３Ｂは、第１実施形態の構造体の製造方法を説明する図であり、図３Ｃは、構造体の変形例を説明する図である。 第１実施形態の構造体の製造方法を説明するフローチャートである。 図５Ａは、構造体を含む光源ユニットの平面図であり、図５Ｂは、図５Ａに示す光源ユニットの側方断面図である。 図６Ａ～６Ｄは、第２実施形態の構造体の製造方法を説明する図である。 図７Ａ～７Ｃは、第２実施形態の構造体の製造方法を説明する図である。 第２実施形態の構造体の製造方法を説明するフローチャートである。 図９Ａ～９Ｆは、第３実施形態の構造体の製造方法を説明する図である。 第３実施形態の構造体の製造方法を説明するフローチャートである。
〔第１実施形態〕
　以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る構造体の製造方法によって製造された構造体について説明する。図１Ａ及び１Ｂに示すように、構造体１００は、基材としての第１部材である基板１０と、第２部材である第１レンズアレイ２１と、第２部材である第２レンズアレイ２２とを有する。基板１０、第１レンズアレイ２１、及び第２レンズアレイ２２は、基板１０が延びるＸＹ面に垂直なＺ軸方向に積み重ねられて接合されている。また、第１及び第２レンズアレイ２１，２２は、基板１０を挟んで対向するように配置されている。つまり、構造体１００は、基板１０の両面にレンズアレイが設けられており、基板１０の両面に立体形状を有する積層構造体となっている。構造体１００は、光軸ＯＡ方向から見て四角形の輪郭を有する。詳細は後述するが、構造体１００は、例えば光源ユニットとして利用することができる（図５Ｂ等参照）。
　第１及び第２レンズアレイ２１，２２は、利用しようとする波長範囲の光を透過し得る光透過性を有する部材であり、例えば可視光領域の波長の光を透過する場合は透明の部材である。第１及び第２レンズアレイ２１，２２は、樹脂材料で形成されている。樹脂材料としては、例えば熱可塑性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂としては、例えばＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、ＣＯＣ（シクロオリフィンコポリマー）、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＰＣ（ポリカーボネト）等が用いられる。樹脂材料として熱可塑性樹脂を用いることにより、第１及び第２レンズアレイ２１，２２のプラズマ処理による表面活性化を容易にすることができる。また、第１及び第２レンズアレイ２１，２２の立体形状を熱プレス等の成形方法で容易に転写させることができる。
　第１レンズアレイ２１は、複数の第１レンズ要素２１ａと、第１レンズ要素２１ａを周囲から支持する第１支持部２１ｂとを有する。第１レンズ要素２１ａは、例えば凸状の非球面レンズであり、第１光学面２１ｃを有する。第１レンズ要素２１ａは、基板１０上に２次元的に配列されている。第２レンズアレイ２２は、複数の第２レンズ要素２２ａと、第２レンズ要素２２ａを周囲から支持する第２支持部２２ｂとを有する。第２レンズ要素２１ａは、例えば凸状の非球面レンズであり、第２光学面２２ｃを有する。第２レンズ要素２２ａは、基板１０上に２次元的に配列されている。第１レンズ要素２１ａと第２レンズ要素２２ａとは一対となっており、対向する第１及び第２レンズ要素２１ａ，２２ａの光軸ＯＡは一致している。詳細は後述するが、第１及び第２レンズアレイ２１，２２と基板１０とは、接合工程の位置決め時に仮固定した後に加熱工程によって本固定することで強固に接合されている。第１レンズアレイ２１は、第２レンズアレイ２２と併せて例えば集光レンズとして用いられる。なお、図示では、３×３のレンズ要素を配列した例を挙げているが、レンズ要素の数は、用途に応じて適宜変更することができる。
　基板１０は、例えば可視域で光透過性を有する板状部材であり、無機材料であるガラスで形成されたガラス基板である。無機材料の線膨張は比較的小さいため、第１及び第２レンズアレイ２１，２２上の立体形状の線膨張による変化をより抑えることができる。また、ガラス等の加工が難しい材料であっても、円柱や平板等の単純な形状で対応することができる。無機材料としては、ガラスの他に、セラミック材料や金属等を用いることができる。
　基板１０の一方の面である第１面１０ａには、第１レンズアレイ２１が接合されている。基板１０の他方の面である第２面１０ｂには、第２レンズアレイ２２が接合されている。
　第１レンズアレイ２１の基板１０に対向する第１接合面２１ｄと基板１０の第１レンズアレイ２１に対向する第２接合面１０ｄとの間には、シランカップリング剤（又はシラノール含有接着剤）を有する接着層３０が設けられている。第２レンズアレイ２２の基板１０に対向する第１接合面２２ｄと基板１０の第２レンズアレイ２２に対向する第２接合面１０ｅとの間には、シランカップリング剤（又はシラノール含有接着剤）を有する接着層３０が設けられている。接着層３０を設けることにより、表面を活性化しにくい材料であっても容易に活性化させることができる。なお、接着層３０は、０．１ｎｍ～１μｍ、好ましくは０．１ｎｍ～１０ｎｍ程度の薄い層であり、第１及び第２レンズアレイ２１，２２と基板１０との直接接合に悪影響を及ぼすものではない。
　構造体１００の接合前において、第１接合面２１ｄ，２２ｄと第２接合面１０ｄ，１０ｅとの少なくとも一方の接合面の表面粗さは１ｎｍより大きい。
　以下、図２Ａ～２Ｄ、図３Ａ及び３Ｂ、及び図４を参照しつつ、構造体１００の製造方法について説明する。構造体１００の製造において、表面活性化工程と、接合工程と、転写工程と、加熱工程とが行われる。本実施形態において、加熱工程と転写工程とは同時に行われる。ここで、加熱工程と同時とは、温度を変化させながら加熱工程及び転写工程を行う場合も含む。
〔第１及び第２部材の準備〕
　まず、第１部材である基板１０と、第２部材である第１及び第２レンズアレイ２１，２２の基材となるレンズ部材２０とを準備する（図４のステップＳ１１）。レンズ部材２０は、所望の立体形状が形成されてない板状部材である（図２Ｂ参照）。
〔接着層の形成〕
　図２Ａに示すように、基板１０の第２接合面１０ｄ，１０ｅに、シランカップリング剤（又はシラノール含有接着剤）を有する接着層３０を設ける（図４のステップＳ１２）。これにより、基板１０のような水素結合が発現しにくいガラス等のセラミック材料に対しても後述する接合方法を適用することができる。
〔表面活性化〕
　図２Ｂ及び２Ｃに示すように、第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅ（接着層３０が設けられている場合、その表面）の少なくともいずれかを活性化状態にする活性化処理を行う（図４のステップＳ１３）。活性化状態とは、例えば樹脂が持つメチル基やフェニル基が切断された状態の他、この未結合手や部材の材料表面の元素にＯＨ基（水酸基）、ＣＨＯ基（アルデヒド基）等の極性基が接続された状態をいう。活性化処理として、具体的には、コロナ処理、プラズマ処理、オゾン処理、及び紫外線（ＵＶ）処理等を行い、材料にエネルギーを与えることで、上記活性化状態を引き起こす。図２Ｂ及び２Ｃに示すように、活性化処理は、基板１０の第２接合面１０ｄ，１０ｅ、及びレンズ部材２０の第１接合面２１ｄ，２２ｄに対して一部又は全体に施される。これにより、レンズ部材２０の第１接合面２１ｄ，２２ｄ、及び基板１０の第２接合面１０ｄ，１０ｅがそれぞれ活性化される。活性化処理は、好ましくは、大気中において常温で行うことができる。ここで、常温とは、２０℃±１５℃を意味する。
　レンズ部材２０が樹脂材料で形成されることにより、樹脂材料はプラズマ処理等により容易に水素結合を発現することができ、かつ当該結合を維持することができる。水素結合は、ＯＨ基同士等に代表される極性基が互いに引き合う弱い接合である。
〔接合〕
　次に、第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅを合わせた状態で加圧し水素結合によってレンズ部材２０及び基板１０を位置決め及び仮固定する接合工程を行う（図４のステップＳ１４）。接合工程の環境温度は、表面活性化状態を妨げない温度、つまり第２部材であるレンズ部材２０の樹脂材料の荷重撓み温度から３０℃引いた基準温度以上ガラス転移温度以下の温度（例えば、９０℃以上１４０℃以下）となっている。ここで、荷重撓み温度とは、ある圧力をかけた状態で材料が変形しだす温度である。また、一般的なＣＯＰ材料を用いる場合、ガラス転移温度が１２０～１６０℃になる場合もある。接合工程では、当該温度下で加圧して、第２部材であるレンズ部材２０を第１部材である基板１０に密着接合させる。これにより、位置決め時に脱水縮合が起こらずに仮固定することができる。なお、接合工程において、作業の際には、脱水縮合が起こらない時間を設定することが望ましい。
　具体的には、まず第１レンズアレイ２１を形成するレンズ部材２０側の第１接合面２１ｄと基板１０側の第２接合面１０ｄとを対向させ、第１及び第２接合面２１ｄ，１０ｄの表面を活性化させた状態を維持しつつ、レンズ部材２０と基板１０とを隙間をあけた状態で接合位置に配置する。また、第２レンズアレイ２２を形成するレンズ部材２０側の第１接合面２２ｄと基板１０側の第２接合面１０ｅとを対向させ、第１及び第２接合面２２ｄ，１０ｅの表面を活性化させた状態を維持しつつ、レンズ部材２０と基板１０とを隙間をあけた状態で接合位置に配置する。図示を省略するが、位置決めの際のレンズ部材２０と基板１０との間隔は、１００ｎｍ以上であることが好ましい。また、位置決めにおいて、レンズ部材２０及び基板１０のいずれか一方を移動させてもよいし、両者を相対的に移動させてもよい。レンズ部材２０及び基板１０には、例えば位置決めのマークが設けられており、マーク位置を合わせることで位置決めを行う。また、レンズ部材２０と基板１０とに位置決め基準となる突き当て部を設ければ、当該突き当て部を突き当てることで位置決めすることもできる。
　図２Ｄに示すように、位置決め後、第１及び第２接合面２１ｄ，１０ｄを活性化させた状態で、第１レンズアレイ２１を形成するレンズ部材２０と基板１０とを当接させ接合させる。また、第１及び第２接合面２２ｄ，１０ｅを活性化させた状態で、第２レンズアレイ２２を形成するレンズ部材２０と基板１０とを当接させ接合させる。なお、当接の際には、所定以上の圧力で加圧して第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅを密着させる。本実施形態では、目的とする接合工程に引き続き転写工程及び加熱工程を連続して行うため、金型４０を利用してレンズ部材２０を押圧している。
　接合時の加圧については、レンズ部材２０及び基板１０の材料の弾性率に応じて、圧力を変えることが望ましい。加圧の圧力は、例えば１０ＭＰａ以下、好ましくは０．００５ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下である。使用する材料の加圧の圧力の最適な値は、上記範囲内で材料や温度により異なり、材料が柔らかくなるほど圧力は小さくてよい。これにより、第１部材である基板１０を破壊することなく、基板１０と第２部材であるレンズ部材２０とを接合することができる。
　以上の接合工程において、少なくとも樹脂製のレンズ部材２０の表面が活性化された状態で被接合物表面同士を接触させる必要がある。基板１０とレンズ部材２０との接触前に、温度が上限（例えば、１４０℃）を超えると、レンズ部材２０の樹脂の物性によって表面の活性化状態が変化（非活性化状態化）する。この場合、基板１０とレンズ部材２０との接合に必要な要件である活性化状態での接触ができなくなるため、接合ができなくなる。
　なお、この接合状態は、レンズ部材２０及び基板１０が水素結合によって仮固定された状態である。この仮固定において、レンズ部材２０及び基板１０は所定の場所に一時的に固定されており、水に浸すこと等によって自由に取り外せる状態となっている。
〔加熱及び転写〕
　図２Ｄ及び図３Ａに示すように、レンズ部材２０は、金型４０を用いて成形する。金型４０は、レンズ部材２０の外側に配置される。金型４０は、第１レンズアレイ２１を成形する第１金型４１と、第２レンズアレイ２２を成形する第２金型４２とを有する。第１金型４１は、第１レンズアレイ２１の第１レンズ要素２１ａを転写する第１レンズ転写面４１ａと、第１支持部２１ｂを転写する第１支持転写部４１ｂとを有する。第２金型４２は、第２レンズアレイ２２の第２レンズ要素２２ａを転写する第２レンズ転写面４２ａと、第２支持部２２ｂを転写する第２支持転写部４２ｂとを有する。第１及び第２金型４１，４２に付随して、ヒーター４３がそれぞれ設けられている。ヒーター４３は、接合工程の金型４１，４２において、上述のレンズ部材２０の樹脂材料の荷重撓み温度から３０℃引いた基準温度以上ガラス転移温度以下の温度範囲を維持している。また、ヒーター４３は、転写工程において、加熱工程と同じ温度、つまりガラス転移温度より高い温度、具体的には１７０℃以上の温度を維持している。
　図３Ａに示すように、上記加熱工程と同時に、第２部材であるレンズ部材２０に立体形状を転写させる転写工程を行う（図４のステップＳ１５）。具体的には、接合工程の温度環境下で所定の加圧により、レンズ部材２０と基板１０とが接合し、連続して接合時の温度から昇温させた転写工程の温度環境下で所定の加圧により、レンズ部材２０に立体形状が転写される。転写工程における加圧力は、加圧時の温度と、第２部材の成形精度との関係で設定される。なお、加圧力は、第２部材の形状によってはレンズ部材２０の自重によるものでもよい。このような転写工程により、レンズ部材２０の立体形状を成形時の状態で保存することができる。具体的には、上側のレンズ部材２０には、第１レンズアレイ２１の第１レンズ要素２１ａの立体形状及び第１支持部２１ｂの立体形状が転写され、下側のレンズ部材２０には、第２レンズアレイ２２の第２レンズ要素２２ａの立体形状及び第２支持部２２ｂの立体形状が転写される。また、基板１０に対するレンズ部材２０の接合時の位置ずれを防ぐことができる。さらに、製造工程を単純化することができ、ランニングコストを低減することができる。また、接合工程と同時に基板１０の両面にレンズ部材２０に立体形状を転写させるため、基板１０の両側においてレンズ部材２０、延いては第１及び第２レンズアレイ２１，２２の立体形状の位置合わせを成形の精度により調整することができる。
　転写時の加圧については、接合時と同様に、レンズ部材２０及び基板１０の材料の弾性率に応じて、圧力を変えることが望ましい。加圧の圧力は、例えば１０ＭＰａ以下、好ましくは０．０５ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下である。使用する材料の加圧の圧力の最適な値は、上記範囲内で材料や温度により異なり、材料が柔らかくなるほど圧力は小さくてよい。これにより、第１部材である基板１０を破壊することなく、第２部材であるレンズ部材２０に転写を行うことができる。
　また、転写と同時に、接合工程における水素結合より強い結合処理によって第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅを接合する加熱工程を行う（図４のステップＳ１５）。具体的には、金型４０に付随するヒーター４３を用いて、加熱による脱水縮合を行う。これにより、加熱工程において、外部圧力をかけることなく本固定できるため、より高い寸法精度を出すことができる。加熱工程において、接合工程よりも温度を上昇させ、レンズ部材２０と基板１０との接合体をガラス転移温度より高い温度で加熱する。本実施形態では、接合体を金型４０に保持した状態で加熱工程を行っている。なお、転写工程において、一旦転写がなされた後は、加熱工程において加圧を終了させてもよい。加熱工程において、脱水縮合反応を利用した強固な接合を行うため、表面粗化等の物理締結を行うための処理をする必要がなく、強固な接合を実現することができる。加熱温度はガラス転移温度より高い１７０℃以上であることが望ましい。これにより、より短時間で強固な接合を行うことができる。脱水縮合反応は１００℃以上で進み、温度が高くなるほど反応時間が短くなる傾向がある。なお、仮固定又は仮接合に要する時間と同じ時間をかけて本固定が完了する（水分で取れなくなる）温度は１７０℃以上であるため、上述の位置決め等において１７０℃未満であれば一般に完全に固定されない。なお、加熱工程は、ヒーターを含む加熱装置を用いて行ってもよい。
　以上の加熱工程による本固定によって、第１及び第２レンズアレイ２１，２２及び基板１０は、所期の精度で、所定の場所に完全に固定されている状態となっている。
　以上において、基板１０の両面に第１及び第２レンズアレイ２１，２２を有する構造体１００の製造方法について説明したが、同様の方法で、図３Ｃに示すように、基板１０の片側のみにレンズアレイ（図３Ｃでは、第１レンズアレイ２１）を有する構造体１００を作製することもできる。
　以下、上述の方法で作製した構造体１００の使用例について説明する。図５Ａ及び５Ｂに示すように、構造体１００を複数枚積層することにより、レンズアレイ積層体２００を作製することができる。レンズアレイ積層体２００は、光源基板５０と、第１構造体１００Ａと、第２構造体１００Ｂとを有する。各部材５０，１００Ａ，１００Ｂは、スペーサー６０を介してＺ軸方向、すなわち光軸ＯＡ方向に積層されている。レンズアレイ積層体２００は、光源基板５０上に設置された点群より構成された光源５０ａの光を集光させる光源ユニットである。
　光源基板５０は、矩形の平板部材であり、ガラスで形成されている。光源基板５０には、第１構造体１００Ａが接合される面とは反対側に、複数の光源５０ａが設けられている。光源５０ａは、第１及び第２構造体１００Ａ，１００Ｂが有するレンズ要素の位置に対応する位置に２次元的に配列されている。光源５０ａとしては、例えば有機ＥＬ素子やＬＥＤ素子等が用いられる。
　第１構造体１００Ａは、基板１０の両面に第１及び第２レンズアレイ２１，２２を形成したものである。第１構造体１００Ａにおいて、上側の第１レンズアレイ２１の第１レンズ要素２１ａを除いた部分、すなわち第１支持部２１ｂ上には、絞り７０が設けられている。
　第２構造体１００Ｂは、基板１０の片面に第１レンズアレイ２１を形成したものである。第２構造体１００Ｂは、第２構造体１００Ｂの第１レンズアレイ２１が第１構造体１００Ａの第１レンズアレイ２１に対向するように配置される。
　光源基板５０、第１構造体１００Ａ、及び第２構造体１００Ｂは、接着剤によって固定してもよいし、上記製造方法のように、水素結合を利用して固定してもよい。
　以上説明した構造体の製造方法によれば、第１部材である基板１０と第２部材である第１及び第２レンズアレイ２１，２２とを表面活性化状態で直接接合させることにより、第１部材と第２部材とが異なる材料で形成されていても、表面に形状を有する第２部材の線膨張の特性を第１部材と同等にすることができる。接合工程において、表面活性化状態を妨げない温度下で表面活性化状態を維持したままの状態で高い密着状態を維持できるため、材料の面精度や表面状態に制限されずに第１及び第２部材をより強く接合させることができる。第１部材は、基材として円柱や平板等の単純な構造でよいため、加工しにくい材料を選択することができる。また、表面活性化工程により、第１及び第２部材ともに材料に制限がなく相互に接合させることができる。また、接合工程において、第２部材を樹脂材料の荷重撓み温度から３０℃引いた基準温度以上ガラス転移温度以下の温度という軟化温度とすることにより、より低い圧力で第１及び第２部材を接合することができ、第２部材の形状に起因する内部応力を緩和させて第２部材の形状精度を良好にすることができる。
　また、上記方法によって、事前に部材の接合面に鏡面加工等の密着性を向上させる対策を取ることなく、線膨張を抑制しつつ、強固な接合となる構造体１００を作製することができる。比較的安価であり、容易に立体形状を成形できる熱可塑性樹脂等の樹脂材料と、積層接合させる一方の材料とをガラス転移温度以下のできるだけ高い温度環境で加圧接合することにより、各部材の表面間を密着させ、水素結合させることができる。また、加熱工程と同時に行われる転写工程において、位置ずれが生じない状態で樹脂に構造を持たせつつ、加熱処理を行うことにより、強固な接合を行うことができる。
（実施例）
　以下、本実施形態の実施例を説明する。第１部材として、無アルカリガラス（ＡＮ１００：旭硝子）を用いた。また、第２部材として、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ：ＺＥＯＮＥＸ（登録商標）　Ｅ４８Ｒ）を用いた。製造工程のうち接合工程において、実施例の樹脂の荷重撓み温度から３０℃引いた基準温度からガラス転移温度までの範囲の温度である９２～１３９℃で接合した。接合時の加圧力は、３ＭＰａ以下とし、加圧時間は１秒以上５分以下とした。以下、参考として、表１に本実施例の上記温度範囲の比較例として２５℃及び１６０℃における第１及び第２部材の接合状態の結果を示す。接合状態の評価において、符号「○」は自然剥離しない状態又は接合を維持した状態を示し、符号「×」は自然剥離した状態又は接合を維持できなかった状態を示す。ここで、ガラス転移温度の１４０℃を超えた状態である１６０℃で接合した場合、活性化させた樹脂製の第２部材の表面状態が大きく変化し、活性化前の状態に戻り、接合ができなくなった。
〔表１〕
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　その後、ヒーターの温度を昇温し、加熱工程と同時に第２部材の立体形状を転写する転写工程及び加熱工程を行った。転写工程において、樹脂温度が１７０℃以上となるようにした。転写時の加圧力は、２ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下とした。転写時の加圧時間は５秒以上とした。加熱工程においても、第１及び第２部材の接合体をガラス転移温度より高い温度である１７０℃以上で加熱した。加熱工程後に得られた構造体は、水に浸しても分離せず、確実に固定されたものとなった。
〔第２実施形態〕
　以下、第２実施形態に係る構造体の製造方法について説明する。なお、第２実施形態に係る構造体の製造方法は、第１実施形態の構造体の製造方法を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態と同様である。
　図６Ａ～６Ｄ、図７Ａ～７Ｃ、及び図８を参照しつつ、第２実施形態の構造体１００の製造方法について説明する。本実施形態では、接合工程後に、第２部材に立体形状を転写させる転写工程を行う。
〔第１及び第２部材の準備〕
　まず、第１部材である基板１０と、第２部材である第１及び第２レンズアレイ２１，２２の基材となるレンズ部材２０とを準備する（図８のステップＳ１１）。
〔接着層の形成〕
　図６Ａに示すように、基板１０の第２接合面１０ｄ，１０ｅに、シランカップリング剤を有する接着層３０を設ける（図８のステップＳ１２）。
〔表面活性化〕
　図６Ｂ及び６Ｃに示すように、第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅの少なくともいずれかを活性化状態にする活性化処理を行う（図８のステップＳ１３）。
〔接合〕
　次に、第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅを合わせた状態で加圧し水素結合によってレンズ部材２０及び基板１０を位置決め及び仮固定する接合工程を行う（図８のステップＳ１４）。接合工程の環境温度は、第２部材であるレンズ部材２０の樹脂材料の荷重撓み温度から３０℃引いた基準温度以上ガラス転移温度以下の温度（例えば、９０℃以上１４０℃以下）となっている。接合工程では、当該温度下で加圧して、第２部材であるレンズ部材２０を第１部材である基板１０に密着接合させる。
　まず、第１レンズアレイ２１を形成するレンズ部材２０側の第１接合面２１ｄと基板１０側の第２接合面１０ｄとを対向させ、第１及び第２接合面２１ｄ，１０ｄの表面を活性化させた状態を維持しつつ、レンズ部材２０と基板１０とを隙間をあけた状態で接合位置に配置する。また、第２レンズアレイ２２を形成するレンズ部材２０側の第１接合面２２ｄと基板１０側の第２接合面１０ｅとを対向させ、第１及び第２接合面２２ｄ，１０ｅの表面を活性化させた状態を維持しつつ、レンズ部材２０と基板１０とを隙間をあけた状態で接合位置に配置する。
　図６Ｄに示すように、位置決め後、第１及び第２接合面２１ｄ，１０ｄを活性化させた状態で、第１レンズアレイ２１を形成するレンズ部材２０と基板１０とを当接させ接合させる。また、第１及び第２接合面２２ｄ，１０ｅを活性化させた状態で、第２レンズアレイ２２を形成するレンズ部材２０と基板１０とを当接させ接合させる。なお、当接の際には、所定以上の圧力で加圧して第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅを密着させる。この際、レンズ部材２０は、平板状の押圧部材８０を用いて外側から押圧される。接合工程後のレンズ部材２０の表面形状は、平面形状となっている。
　以上の接合工程において、レンズ部材２０及び基板１０が水素結合によって仮固定された状態となる。
〔転写〕
　図７Ａ及び７Ｂに示すように、上記接合工程後、第２部材であるレンズ部材２０に立体形状を転写させる転写工程を行う（図８のステップＳ１１５）。接合工程で用いた押圧部材８０から成形用の金型４０に交換し、レンズ部材２０に立体形状を転写する。転写工程の環境温度は、ガラス転移温度より高い温度、具体的には１７０℃以上となっている。転写工程により、レンズ部材２０の立体形状を成形時の状態で保存することができる。また、基板１０に対するレンズ部材２０の接合時の位置ずれを防ぐことができる。また、接合工程後に続いて基板１０の両面にレンズ部材２０に立体形状を転写させるため、基板１０の両側においてレンズ部材２０、延いては第１及び第２レンズアレイ２１，２２の立体形状の位置合わせを成形の精度により調整することができる。なお、以上では、接合工程後、連続して転写工程で加熱温度を昇温させているが、接合工程後、レンズ部材２０と基板１０との接合体を常温程度に戻した後、転写工程において、再度加熱してもよい。
〔加熱〕
　次に、接合工程における水素結合より強い結合処理によって第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅを接合する加熱工程を行う（図８のステップＳ１１６）。
　以上の加熱工程による本固定によって、第１及び第２レンズアレイ２１，２２及び基板１０は、所期の精度で、所定の場所に完全に固定されている状態となっている。なお、転写工程と加熱工程とは同時に又は連続して行うことができる。また、転写工程は、加熱工程後に行うこともできる。また、加熱工程を加熱装置を用いて行う場合、構造体１００を金型４０に残した状態で加熱を行ってもよいし、構造体１００を金型４０から離型した後に加熱を行ってもよい。
　以上説明した第２実施形態の構造体の製造方法では、接合工程後に、転写工程を行うことにより、第２部材の立体形状を成形時の状態で保存することができる。また、第１部材に対する第２部材の接合時の位置ずれを防ぐことができる。
（実施例）
　以下、本実施形態の実施例を説明する。第１部材として、無アルカリガラス（ＡＮ１００：旭硝子）を用いた。また、第２部材として、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ：ＺＥＯＮＥＸ（登録商標）　Ｅ４８Ｒ）を用いた。製造工程のうち接合工程において、樹脂の荷重撓み温度から３０℃引いた基準温度からガラス転移温度までの範囲の温度である９２～１３９℃で接合した。接合時の加圧力は、３ＭＰａ以下とし、加圧時間は１秒以上５分以下とした。その後、ヒーターの温度を昇温し、樹脂温度が１７０℃程度、加熱時間を３５０秒以上４２時間以下とした。昇温の際、加圧はされていない。接合工程後、第２部材の立体形状を転写する転写工程を行った。転写工程において、樹脂温度が１７０℃以上となるようにした。転写時の加圧力は、２ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下とした。転写時の加圧時間は５秒以上とした。その後、加熱工程において、第１及び第２部材の接合体をガラス転移温度より高い温度である１７０℃以上で加熱した。加熱工程後に得られた構造体は、水に浸しても分離せず、確実に固定されたものとなった。
〔第３実施形態〕
　以下、第３実施形態に係る構造体の製造方法について説明する。なお、第３実施形態に係る構造体の製造方法は、第１実施形態の構造体の製造方法を一部変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態と同様である。
　図９Ａ～９Ｆ及び図１０を参照しつつ、第３実施形態の構造体１００の製造方法について説明する。本実施形態では、接合工程前に、第２部材に立体形状を転写させる転写工程を行う。
〔第１及び第２部材の準備〕
　まず、第１部材である基板１０と、第２部材である第１及び第２レンズアレイ２１，２２の基材となるレンズ部材２０とを準備する（図１０のステップＳ１１）。なお、本実施形態において、第１及び第２レンズアレイ２１，２２の樹脂材料としては、熱可塑性樹脂の他に、エネルギー硬化性樹脂（紫外線硬化性樹脂、熱硬化性樹脂等）や２液硬化性樹脂等を用いることができる。
〔接着層の形成〕
　図９Ａに示すように、基板１０の第２接合面１０ｄ，１０ｅに、シランカップリング剤を有する接着層３０を設ける（図１０のステップＳ１２）。
〔転写〕
　図９Ｂに示すように、活性化処理工程前及び接合工程前に、第２部材であるレンズ部材２０に立体形状を転写させる転写工程を行う（図１０のステップＳ２１５）。レンズ部材２０は、支持基板ＳＳ上に置かれており、ガラス転移温度より高い温度、具体的には１７０℃以上の温度環境下で金型４０を支持基板ＳＳ側に押し付けることにより第１レンズアレイ２１が形成される。成形後、第１レンズアレイ２１は、支持基板ＳＳ及び金型４０から離型される。第２レンズアレイ２２についても、第１レンズアレイ２１と同様に形成する。
〔表面活性化〕
　図９Ｃ及び９Ｄに示すように、第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅの少なくともいずれかを活性化状態にする活性化処理を行う（図１０のステップＳ１３）。
〔接合〕
　次に、第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅを合わせた状態で加圧し水素結合によってレンズ部材２０及び基板１０を位置決め及び仮固定する接合工程を行う（図１０のステップＳ２１４）。接合工程の環境温度は、第２部材であるレンズ部材２０の樹脂材料の荷重撓み温度から３０℃引いた基準温度以上ガラス転移温度以下の温度（例えば、９０℃以上１４０℃以下）となっている。接合工程では、当該温度下で加圧して、第１部材である基板１０に密着接合させる。接合工程において、レンズ部材２０である第１及び第２レンズアレイ２１，２２は、成形面を維持した状態、例えば第１及び第２金型４１，４２にそれぞれ嵌め込まれた状態で行うことが好ましい。例えば、金型４１，４２の表面にマークをそれぞれ形成し、当該マークを合わせて金型４０を位置決めして接合させる。
　まず、第１レンズアレイ２１を形成するレンズ部材２０側の第１接合面２１ｄと基板１０側の第２接合面１０ｄとを対向させ、第１及び第２接合面２１ｄ，１０ｄの表面を活性化させた状態を維持しつつ、レンズ部材２０と基板１０とを隙間をあけた状態で接合位置に配置する。また、第２レンズアレイ２２を形成するレンズ部材２０側の第１接合面２２ｄと基板１０側の第２接合面１０ｅとを対向させ、第１及び第２接合面２２ｄ，１０ｅの表面を活性化させた状態を維持しつつ、レンズ部材２０と基板１０とを隙間をあけた状態で接合位置に配置する。
　図９Ｅに示すように、位置決め後、第１及び第２接合面２１ｄ，１０ｄを活性化させた状態で、第１レンズアレイ２１を形成するレンズ部材２０と基板１０とを当接させ接合させる。また、第１及び第２接合面２２ｄ，１０ｅを活性化させた状態で、第２レンズアレイ２２を形成するレンズ部材２０と基板１０とを当接させ接合させる。なお、当接の際には、所定以上の圧力で加圧して第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅを密着させる。
　以上の接合工程において、レンズ部材２０及び基板１０が水素結合によって仮固定された状態となる。
〔加熱〕
　次に、接合工程における水素結合より強い結合処理によって第１及び第２接合面２１ｄ，２２ｄ，１０ｄ，１０ｅを接合する加熱工程を行う（図１０のステップＳ２１６）。
　以上の加熱工程による本固定によって、第１及び第２レンズアレイ２１，２２及び基板１０は、所期の精度で、所定の場所に完全に固定されている状態となっている。
　以上説明した第３実施形態の構造体の製造方法では、接合工程前に転写工程を行うことにより、形状転写時の加圧条件による第１部材の破壊を考慮せずに立体形状を転写させることができる。
　以上、本実施形態に係る構造体の製造方法について説明したが、本発明に係る構造体の製造方法は上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、構造体１００を構成する第１及び第２レンズアレイ２１，２２（又はレンズ部材２０）及び基板１０の形状及び大きさは、用途や機能に応じて適宜変更することができる。例えば、レンズ部材２０に形状として位置決めのための凸部や凹部等を形成することができる。
　また、上記実施形態において、第１及び第２部材の厚さは、適宜変更することができ、厚くても薄くてもよい。
　また、上記実施形態において、第１及び第２部材は、基板１０及びレンズアレイ２１，２２に限らず、用途に応じて適宜変更することができる。接合体は、光学ユニットのほかに、例えば、電子部品、検査装置、半導体装置、マイクロ部品等でもよい。
　また、上記実施形態において、構造体１００を切断して、個々のレンズ要素を含む光学素子に個片化してもよい。
　また、上記実施形態において、接着層３０を設けなくてもよい。
　また、上記実施形態において、加熱工程を省略することもできる。

Claims (14)

  1. 　基材としての第１部材と、前記第１部材に対向し前記第１部材とは異なる樹脂材料で形成され表面に形状を有する第２部材とが積層された構造体の製造方法であって、
    　前記第１部材の表面及び前記第２部材の表面の少なくとも一方を活性化状態にする活性化処理を行う表面活性化工程と、
    　前記第２部材を少なくとも前記第２部材の樹脂材料の荷重撓み温度から３０℃引いた基準温度以上ガラス転移温度以下の温度下で加圧して、前記第１部材に密着接合する接合工程と、
    を備える、構造体の製造方法。
  2. 　前記接合工程後、前記ガラス転移温度より高い温度で加熱する加熱工程を備える、請求項１に記載の構造体の製造方法。
  3. 　前記第２部材を形成する樹脂材料は、熱可塑性樹脂である、請求項１及び２のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
  4. 　前記第１部材を形成する材料は、無機材料である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
  5. 　前記加熱工程と同時に、前記第２部材に立体形状を転写させる転写工程を備える、請求項２に記載の構造体の製造方法。
  6. 　前記接合工程後に、前記第２部材に立体形状を転写させる転写工程を備える、請求項１から４までのいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
  7. 　前記接合工程前に、前記第２部材に立体形状を転写させる転写工程を備える、請求項１から４までのいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
  8. 　前記第２部材は、前記第１部材の両面に接合される、請求項１から７までのいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
  9. 　前記接合工程後、又は前記接合工程後に行われる加熱工程と同時に、前記第１部材の両面に前記第２部材に立体形状を転写させる転写工程を行う、請求項８に記載の構造体の製造方法。
  10. 　前記加熱工程は、１７０℃以上の環境下で行う、請求項２、５及び９のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
  11. 　前記転写工程において、１０ＭＰａ以下の圧力で加圧する、請求項５から７まで及び９のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
  12. 　前記接合工程において、１０ＭＰａ以下の圧力で加圧する、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
  13. 　前記表面活性化工程前に、前記第１部材の前記第２部材に対向する表面上にシランカップリング剤を有する接着層を形成する、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
  14. 　前記表面活性化工程において、前記第１部材及び前記第２部材の少なくともいずれか一方に対して紫外線照射及びプラズマ処理、コロナ処理、オゾン処理のいずれかを用いて表面を活性化する、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
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