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この項目の情報は公開日時点(2001年7月27日)のものです。
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図面 (2)

課題

石英ガラス熱膨張係数が小さく基板材料として優れているが、有機無機複合材料との密着性はやや低く、微細凹凸構造成型型を押し当てて形成した後、離型する際、剥がれが起こる場合があり、光学部材の製造において歩留りが低下するという問題点があった。

解決手段

石英基板1表面に1価もしくは2価の金属元素を5〜15モル%含有するガラス薄膜2を形成することにより、その上層の有機無機複合材料に成型型を用いて微細凹凸形状3,4を形成する際、膜剥がれの発生が防止でき、温度係数の小さい光学素子を高い歩留まりで製造できる。

概要

背景

回折光学素子フレネルレンズ平板マイクロレンズ(多数の微小レンズ平板上に平行配列したレンズ列)などの光学部品CD−ROM、その他の情報記録媒体は、その表面に微小凹凸構造具備している。この表面の微小な凹凸部は、光学部品においては、光の集束もしくは拡散を行い、回折格子もしくはマイクロレンズとして機能し、そして、情報記録媒体においては、ピットまたはトラッキングガイドとして機能する。

これら要求を満たす微細凹凸構造を具備した光学部材を形成するために、本出願人は生産性に優れ、低コストで製造でき、かつ良好な耐候性をもった微細凹凸構造の製造方法を開示している(特許協力条約に基づいて公開された国際出願:WO99/39890)。すなわち、ガラスなど広い温度範囲で安定な基板の表面にゾル材料を膜状に塗布し、これに成形型を押し当てる。次いで離型し、熱処理することによって微細凹凸構造を前記基板上に形成できる。

概要

石英ガラス熱膨張係数が小さく基板材料として優れているが、有機無機複合材料との密着性はやや低く、微細凹凸構造を成型型を押し当てて形成した後、離型する際、剥がれが起こる場合があり、光学部材の製造において歩留りが低下するという問題点があった。

石英基板1表面に1価もしくは2価の金属元素を5〜15モル%含有するガラス薄膜2を形成することにより、その上層の有機無機複合材料に成型型を用いて微細凹凸形状3,4を形成する際、膜剥がれの発生が防止でき、温度係数の小さい光学素子を高い歩留まりで製造できる。

目的

この発明は、このような従来技術の改善を目的としてなされたもので、石英ガラスなどの熱膨張係数の小さい基板材料に対する有機無機複合材料の付着力を向上させる手段を提供する。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

基板の少なくとも1表面に少なくとも1層以上の固体膜層を形成し、該固体膜層の厚さ方向全体もしくは一部分に凹凸形状を形成した光学部材において、基板に接する前記固体膜層が1価または2価の金属元素を5モル%以上15モル%以下含むことを特徴とする光学部材。

請求項2

請求項1記載の金属元素がCa、K、Naのうち少なくともいずれか1種類である光学部材。

請求項3

凹凸形状を形成した前記固体薄膜層の内、少なくとも1層は、つぎの化学式RmMXn-mで表される有機無機複合材料を主成分とした原材料を用いて形成され、該化学式中R基を成分として含むことを特徴とする請求項1または2記載の光学部材。ただし、Rはアルキルまたはアリール基(m=1,2)、Mは原子価n(n=3,4)の金属、Xはアルコキシル基またはハロゲン基である。

請求項4

凹凸形状を形成した前記固体薄膜層のうち少なくとも1層は、つぎの化学式MXnで表される有機無機複合材料と増粘剤を主成分とした原材料を用いて形成されることを特徴とする請求項1または2記載の光学部材。ただし、Mは原子価n(n=3,4)の金属、Xはアルコキシル基またはハロゲン基である。

技術分野

0001

本発明は、表面に微細凹凸形状を有する光学部材、特に微小光学素子および情報記録媒体基板に応用される光学部材に関する。

背景技術

0002

回折光学素子フレネルレンズ平板マイクロレンズ(多数の微小レンズ平板上に平行配列したレンズ列)などの光学部品CD−ROM、その他の情報記録媒体は、その表面に微小凹凸構造具備している。この表面の微小な凹凸部は、光学部品においては、光の集束もしくは拡散を行い、回折格子もしくはマイクロレンズとして機能し、そして、情報記録媒体においては、ピットまたはトラッキングガイドとして機能する。

0003

これら要求を満たす微細凹凸構造を具備した光学部材を形成するために、本出願人は生産性に優れ、低コストで製造でき、かつ良好な耐候性をもった微細凹凸構造の製造方法を開示している(特許協力条約に基づいて公開された国際出願:WO99/39890)。すなわち、ガラスなど広い温度範囲で安定な基板の表面にゾル材料を膜状に塗布し、これに成形型を押し当てる。次いで離型し、熱処理することによって微細凹凸構造を前記基板上に形成できる。

発明が解決しようとする課題

0004

近年、これら微細凹凸構造を具備した光学部品に対する要求性能は高度化している。例えば高密度波長多重通信において光分波器用に用いられる回折格子の場合、使用温度範囲内での回折波長の変動は0.5nm以下であることが求められている。しかも使用温度域保存温度範囲に対する要求範囲も従前に比べて広くなる傾向があり、−40℃から+80℃という広い温度範囲(温度差ΔT=120deg)での使用が要求される場合もある。この場合、要求される回折波長の温度係数は約4.2pm/deg以下となる。このような要求に対しては基板材料石英ガラスなど熱膨張係数の極めて小さい材料を使用しなければならない。ところが、石英ガラスと有機無機複合材料との密着性はやや低く、微細凹凸構造を成型型を押し当てて形成した後、離型する際、剥がれが起こる場合があり、光学部材の製造において歩留りが低下するという問題点があった。

0005

この発明は、このような従来技術の改善を目的としてなされたもので、石英ガラスなどの熱膨張係数の小さい基板材料に対する有機無機複合材料の付着力を向上させる手段を提供する。

課題を解決するための手段

0006

本発明の光学部材は、基板の少なくとも1表面に少なくとも1層以上の固体薄膜層を形成し、該固体薄膜層の厚さ方向全体もしくは一部分に凹凸形状を形成して構成する。この際、基板に接する前記固体薄膜層にNaあるいはKなどの1価金属元素またはCaなどの2価金属元素を5モル%以上15モル%以下含有させることにより、基板と固体薄膜層の付着力を向上させることができる。

0007

なお凹凸形状を形成した前記固体薄膜層のうち少なくとも1層は、つぎの化学式1で表される有機無機複合材料を主成分とした原材料を用いて形成され、化学式1中のR基を成分として含むようにする。

0008

あるいはつぎの化学式2で表される有機無機複合材料と増粘剤を主成分とした原材料を用いて形成される。

発明を実施するための最良の形態

0009

回折格子用基板として熱膨張係数が比較的小さくかつ加工性に優れ低価格で入手できる材料としてはガラスが代表的である。この基板表面に厚さ数μm〜数百μmの有機無機複合材料膜を塗布し、その表面に断面形状が円弧楕円弧正弦波曲線鋸歯状などの微細凹凸形状を形成する。

0010

図1はこの発明の光学部材の例の断面図を示している。基板1上に微細凹凸形状が形成されている。この微細凹凸形状が図1(a)に示すように連続した3からなる場合、回折格子として作用し、円周上に配置される場合はフレネルレンズとして作用する。またこの微細凹凸形状が図1(b)に示したように独立した円弧4または楕円弧である場合は微小レンズとして作用する。

0011

この微細凹凸形状を形成する層の下に必要に応じて下地層2を設けてもよい。また、この凹凸形状表面には、本光学部材光透過型として使用する場合、反射防止膜成膜してもよく、光反射型として使用する場合は反射膜を成膜してもよい。

0012

本発明における微細凹凸形状は以下の方法で製造する。有機無機複合材料を主成分とした液に水を添加し加水分解させる。この溶液は基板および/または微細凹凸形状を有する型の少なくともいずれか一方の表面に塗布する。この塗布膜塑性変形可能な状態であるので、型と基板を押圧することにより、型の構造が塗布膜に転写される。その後、離型し、加熱処理すると基板上に型の微細凹凸構造を反転した構造が安定した状態で形成できる。加熱条件を選択することで微細凹凸構造が形成された膜内に含まれる有機成分の状態を制御できる。

0013

本発明の発明者らは上記方法による光学素子を石英ガラスやソーダライムガラスを基板として作製してきた(特許協力条約に基づいて公開された国際出願:WO99/39890)。その際、石英ガラス基板の場合、ソーダライムガラスを基板とした場合より、離型の際、膜剥がれが生じる度合いがやや多いことに気付いていた。温度依存性の少ない光学素子を得るためには、熱膨張係数がソーダライムガラスの1/10程度である石英ガラスの使用が望ましく、石英ガラスを使用した光学素子の歩留まり向上のためには、上記膜剥がれの頻度を低下させる必要がある。

0014

そこで、ソーダライムガラスへの付着力が優れていることからヒントを得、石英基板1の表面に厚さ数μm〜数百μmの有機無機複合材料膜を塗布する前に、Na,K,Caなどを含むガラス薄膜の下地層2を設けるという本発明に至った。このガラス膜はソーダライムガラスをターゲットとした高周波スパッタリングにより容易に形成できる。この他、電子ビーム蒸着法などによっても成膜ができる。このガラス薄膜を下地層とし、その上に微細凹凸形状を従来の方法で製造できる。

0015

上記のように形成した固体膜層と基板との付着力をつぎのような方法で評価した。比較対象としてガラス薄膜下地層を形成せず、直接石英基板およびソーダライムガラス基板上に有機無機複合材料を塗布して形成したものを使用した。

0016

測定試料の石英基板は9mm×40mmの寸法の矩形とし、厚さは3mmのものを使用した。この基板表面にソーダライムガラスをターゲットとして高周波スパッタリングにより、ガラス薄膜を厚さ約200nmとなるように形成した。ターゲットに含まれるNaの濃度は約15mol%であるが、Naは蒸気圧が高いため、スパッタリングにより形成された薄膜に含まれる濃度はターゲットの濃度より一般に減少する。この濃度減少スパッタリング条件によって変動するが、最低でも5mol%程度のNaは残留する。

0017

有機無機複合材料としてはメチルトリエトキシシランテトラエトキシシランを9:1の割合で混合したものを用いた。これをアルコール希釈した後、酸水溶液を混合、撹拌し加水分解させる。次いでこの液を基板の片面に塗布し、60℃、15分乾燥させた。この後、同サイズのガラス薄膜のみ堆積した基板を十字になるように中央で交叉させて塗布面と薄膜面が触れるように重ねた。この試験片を80℃に加熱したホットプレート上に置き、2枚の基板が重なった部分に2kgのステンレス製重りを乗せて加圧し、3時間の熱処理を加えて熱圧着した。

0018

この2枚のガラスが接着した試験片の剥離強度を引っ張り試験器を用いて評価した。この結果、剥離強度は約14kg/cm2であった。一方、ガラス薄膜を堆積していない石英ガラス基板では8kg/cm2、ソーダライムガラス基板では15kg/cm2であった。すなわち、ガラス薄膜を下地層とした石英基板への付着力は、下地層がない場合に比べて1.5倍以上改善し、ほぼソーダライムガラスに近い値となることがわかった。すなわち、ガラス薄膜中のNa濃度が5〜15mol%の範囲であれば、有機無機複合材料の付着力はほとんど変化しないといえる。

0019

また有機無機複合材料は、上記以外にフェニルトリエトキシシランジメチルエトキシシラン混合系、メチルトリエトキシシラン単体、テトラエトキシシランに増粘剤を添加した液、これらの液にチタンジルコニウムアルミニウムなどの金属有機化合物あるいは、酸化物微粒子を添加した液、上述組成重合体からなる液などであってもガラス下地膜の効果は発揮される。またガラス薄膜はソーダライムガラス以外のKやCaの含有率の高いガラスであってもよい。

発明の効果

0020

石英基板表面に1価もしくは2価の金属元素を5〜15モル%含有するガラス薄膜を形成することにより、その上層の有機無機複合材料に成型型を用いて微細凹凸形状を形成する際、膜剥がれの発生が防止でき、温度係数の小さい光学素子を高い歩留まりで製造できる。

図面の簡単な説明

0021

図1微細凹凸形状の断面構造を示す図である。

--

0022

ガラス基板
2固体薄膜層
峰状微細凹凸構造
4円弧状微細凹凸構造

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