JP2002116363A - 光学素子の位置決め方法及び光学素子の位置決め部材並びに光学ユニット及びその製造方法 - Google Patents
光学素子の位置決め方法及び光学素子の位置決め部材並びに光学ユニット及びその製造方法Info
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Abstract
度で位置決めできるようにした光学素子の位置決め方法
及び光学素子の位置決め部材並びに光学ユニット及びそ
の製造方法を提供する。 【解決手段】 基板1の表面に、交差する横方向V溝2
及び縦方向V溝3を形成し、一方のV溝の側面21、2
2とこのV溝に交差するもう一方のV溝の側面31、3
2とから形成される4つの稜に光学素子100を接触さ
せて支持することにより、前記4つの稜と前記光学素子
表面とが接触する4点で幾何学的に決定される3次元的
支持位置に前記光学素子を位置決めする。
Description
イやアレイ型光学素子のインターコネクション、光通信
用の光ファイバ間のカップリングやコリメート光学系、
および、光メモリにおける近接場光学系のマイクロレン
ズおよびマイクロレンズアレイ、浮上型ヘッド等に用い
る光学素子の位置決め方法及びこれら光学素子の位置決
め部材並びにこれら光学素子を用いた光学ユニット及び
その製造方法に関する。
の基板等に位置決めして実装する技術としては、特開昭
59−36214号公報、特公平7−93457号公報
等に記載されている技術が知られている。
術は、基板に設けたV溝の側面(斜面)と底面とに球面
レンズを接触させて位置決め支持するようにしたもので
ある。また、特公平7−93457号公報に記載の技術
は、2つのV溝をTの字状に交差させ、このV溝の交差
部において、一方のV溝の2つの側面(斜面)と他方の
V溝の1つの側面とが交差して形成される2つの稜と、
上記2つの稜と対向する面である他方のV溝の側面とに
球状レンズを接触させて位置決め支持するようにしたも
のである。
59−36214号公報に記載の技術は、球状レンズを
V溝に設置することによって、V溝の幅方向及び高さ方
向の位置決がなされるが、V溝の長手方向の位置につい
ては、これだけでは位置決めがなされない。このため、
球状レンズをV溝に設置した後、V溝の長手方向に球状
レンズを動かして最適位置を定める必要があり、位置決
め作業が繁雑である。しかも、球状レンズを動かして最
適位置を定める際に、V溝側面に貝殻状の欠けを生じさ
せてしまう場合がある。
の技術では、基板上に、2つのV溝をTの字状に交差さ
せた構造を形成する必要がある。このような形状を基板
上に形成する方法としては、現在のところ、異方性エッ
チングによる以外に適当な方法がない。このV溝は、球
状レンズ径が通常数100μm〜1mmであるので、加
工深さが100μm以上必要である。しかるに、加工深
さが100μm以上のV溝を異方性エッチングで加工し
た場合、エッチング量が大きいためにエッチングの制御
が困難で正確な形状のV溝を形成することは著しく困難
であるとともに、加工に膨大な時間がかかるという欠点
もある。したがって、近年要求されている数μm以内の
高い精度での位置決めができるような構造を形成するこ
とは事実上できなかったものである。
のであり、球状レンズ等の光学素子を数μm以内の高精
度で位置決めできるようにした光学素子の位置決め方法
及び装置並びに光学素子及びその製造方法を提供するこ
とを目的とする。
めの手段として、第1の手段は、基板の表面に形成され
た互いに交差するV溝どうしの交差部に光学素子を配置
して位置決めする光学素子の位置決め方法であって、前
記V溝の交差部に前記光学素子を配置したときに前記交
差部に形成された4つの稜と前記光学素子表面とが接触
する4つの接点で前記光学素子を支持して3次元的に位
置決めすることを特徴とする光学素子の位置決め方法で
ある。第2の手段は、前記V溝及び稜の形成は、機械加
工によって形成することを特徴とする第1の手段にかか
る光学素子の位置決め方法である。第3の手段は、前記
V溝の形成は、砥石を用いて総形研削加工で形成するこ
とを特徴とする第2の手段にかかる光学素子の位置決め
方法である。第4の手段は、前記光学素子が、球状レン
ズであることを特徴とする第1〜第3のいずれかの手段
にかかる光学素子の位置決め方法である。第5の手段
は、基板の表面に形成された互いに交差するV溝が設け
られ、前記V溝の交差部に形成された4つの稜で光学素
子を4点支持することによって位置決めすることを特徴
とする光学素子の位置決め部材である。第6の手段は、
前記V溝の交差部がアレイ状に形成されていることを特
徴とする第5の手段にかかる光学素子の位置決め部材で
ある。第7の手段は、前記基板がガラス材料で構成され
ていることを特徴とする第5又は第6の手段にかかる光
学素子の位置決め部材である。第8の手段は、表面に互
いに交差するV溝が設けられた基板と、前記V溝の交差
部に形成された4つの稜上の4点で支持されて位置決め
固定された光学素子とを有することを特徴とする光学ユ
ニットである。第9の手段は、前記光学素子に光を入射
又は出射させるための開口が前記基板に形成されている
ことを特徴とする第8の手段にかかる光学ユニットであ
る。第10の手段は、前記光学素子が球状レンズである
ことを特徴とする第8又は第9の手段にかかる光学ユニ
ットである。第11の手段は、前記基板及び光学素子の
いずれか一方又は双方がガラス材料で構成されているこ
とを特徴とする第8〜第10のいずれかの手段にかかる
光学ユニットである。第12の手段は、前記光学素子の
3次元的位置精度が±5μm以内であることを特徴とす
る第8〜第11のいずれかの手段にかかる光学ユニット
である。第13の手段は、表面に互いに交差するV溝が
形成された基板の前記V溝の交差部に形成された4つの
稜で光学素子を4点支持させてこの光学素子を位置決め
する位置決め工程と、前記位置決め工程で位置決めされ
た光学素子を前記基板又は他の光学素子固定部材に固定
する固定工程と、を有することを特徴とする光学ユニッ
トの製造方法である。第14の手段は、表面に互いに交
差するV溝が形成された基板の前記V溝の交差部に形成
された4つの稜で光学素子を4点支持させてこの光学素
子を位置決めする位置決め工程と、前記位置決め工程で
位置決めされた光学素子を前記基板又は他の光学素子固
定部材に固定する固定工程と、少なくとも前記基板の一
部を除去して前記光学素子に入射または出射させるため
の開口を形成する開口形成工程とを有することを特徴と
する光学ユニットの製造方法である。第15の手段は、
前記V溝は、機械加工によって形成されたことを特徴と
する第13又は第14の手段にかかる光学ユニットの製
造方法。前記V溝は、機械加工によって形成することを
特徴とする第13又は第14の手段にかかる光学ユニッ
トの製造方法である。第16の手段は、前記V溝は、砥
石を用いた総形研削加工によって形成されたことを特徴
とする第13〜15のいずれかの手段にかかる光学ユニ
ットの製造方法である。第17の手段は、前記光学素子
が球状レンズであることを特徴とする第13〜第16の
いずれかの手段にかかる光学ユニットの製造方法であ
る。第18の手段は、半球状又は超半球状の光学素子が
保持された光学ユニットを製造する方法であって、表面
に互いに交差するV溝を有する基板の前記V溝の交差部
に形成された4つの稜で光学素子を4点支持させてこの
光学素子を位置決めする位置決め工程と、前記光学素子
の径より大きい孔径の収納孔を有するホールアレイ基板
の前記収納孔に、前記位置決め工程で位置決めされた光
学素子の上部の少なくとも一部を収納して前記光学素子
を前記収納孔側面に固定する固定工程と、前記基板を取
り外した後、前記ホールアレイ基板に固定された光学素
子の露出した部分を研磨して除去するレンズ研磨工程と
を有することを特徴とする光学ユニットの製造方法であ
る。第19の手段は、前記基板は、前記V溝部に基板裏
面から連通する貫通孔を有するものであり、少なくとも
前記固定工程において前記貫通孔から真空引きを行う工
程を有することを特徴とする第13〜18のいずれかに
かかる光学ユニットの製造方法である。第20の手段
は、第14の手段にかかる光学ユニットの製造方法によ
って製造された複数の光学素子を有する光学ユニットを
分割して製造したことを特徴とするレンズチップであ
る。第21の手段は、第18の手段にかかる光学ユニッ
トの製造方法によって製造された複数の光学素子を有す
る光学ユニットを分割して製造したことを特徴とするレ
ンズチップである。第22の手段は、光メモリ媒体上を
浮上走行してこの光メモリ媒体に記録されている情報を
光学的に読み取るためのレンズチップを含む光学系を有
する光メモリ媒体用浮上型ヘッドであって、前記レンズ
チップとして、第21の手段にかかるレンズチップを用
いて製造されたことを特徴とする光メモリ媒体用浮上型
ヘッドである。
る光学素子の位置決め部材の構成を示す斜視図、図2は
本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の
説明図、図3は図2におけるA−A’線切断面図、図4
及び図5は本発明の実施の形態にかかる光学素子の位置
決め部材の変型例の構成を示す図である。以下、これら
の図面を参照にしながら、本発明の実施の形態にかかる
光学素子の位置決め方法及び装置を説明し、次に、本発
明の実施の形態にかかる光学素子の位置決め部材の製造
方法を説明し、さらに、本発明の実施の形態にかかる光
学素子及びその製造方法を説明する。
学素子の位置決め部材は、基板1の一方の表面1aの側
に、横方向V溝2と、縦方向V溝3とが互いに交差する
ように形成されたものである。横方向V溝2と縦方向V
溝3との交差部には、横方向V溝の2つの側面21及び
22と、縦方向V溝3の2つの側面31及び32とによ
って、4つの稜41、42、43、44が形成されてい
る。
め部材は、図1bに示されるように、上記4つの稜4
1、42、43、44に球状レンズ100の表面を接触
させるようにして配置することにより、球状レンズ10
0を位置決めするものである。
ンズ100の表面を接触させるようにして配置すると、
図2に示されるように、球状レンズ100の表面と4つ
の稜41、42、43、44とは、4点41a,42
a,43a,44aで接触し、この4点で幾何学的に一
義的に定まる3次元的支持位置に位置決めされて支持さ
れる。
m、横5.0mmのソーダ石灰ガラス基板である。横方
向V溝2及び縦方向V溝3は、深さ0.612mm、V
溝の底部稜線を含み基板1に平行な平面に対して両側面
(21,22,31,32)がなす角度θが45度であ
る。また、このとき、図3に示すように、対向する稜4
1と43とのなす角度、又は、稜42と44とがなす角
度α(半角)は54.7度(全角は109.4度)であ
る。
基板1に形成された4つの稜41、42、43、44に
球状レンズ100の表面を接触させるようにして配置
し、位置決め支持した場合に、球状レンズ100の球頂
点高さhが基板1の表面1aから上方に向けて0.50
0mmの距離になる。なお、ここで、球頂点高さhは、
V溝格子基板の上面から球レンズ100の上部頂点まで
の距離をいう。
子の位置決め部材の変型例の構成を示す斜視図である。
この例は、厚さ5.0mm、縦7.5mm、横7.5m
mのホウケイ酸ガラス基板1上に、横方向V溝2と、縦
方向V溝3とをそれぞれ2本設けることによって形成さ
れる4個の交差部にそれぞれ球状レンズ100を配置し
て4個の球状レンズ100を位置決めできるようにした
例である。
子の位置決め部材の他の変型例の構成を示す斜視図であ
る。この例は、厚さ3.0mm、縦75mm、横75m
mのソーダ石灰ガラス基板1上に、横方向V溝2と、縦
方向V溝3とをそれぞれ15本設けることによって形成
される225個の交差部にそれぞれ球状レンズ100を
配置し、225個の球状レンズ100を位置決めできる
ようにした例である。
決め部材の製造方法を説明する。この実施の形態にかか
る光学素子の位置決め部材の製造方法は、上記図5に示
される光学装置の位置決め部材をV溝加工用砥石を用い
て製造する例である。
5×75mm)の表面に、先端角度90°のV溝加工用
砥石を用い、総形研削を行い、互いに平行な15本のV
溝を形成し、横方向V溝2とする。図6(a)はV溝加
工用砥石を示す図である。図6(a)に示されるよう
に、V溝加工用砥石201は、円板状の砥石の外周端部
の輪郭形状を略V字状(交差角度が90度)に形成した
もので、回転軸201aを回転しながら基板1の表面に
V字状部を押し当てて研削する。この場合、V溝加工用
砥石201は、砥石軸位置決め精度0.2μm以内、か
つ、分解能0.1μm以内の超精密研削加工装置に取り
付けられており、上記精度でV溝を研削できるようにな
っている。
転させ、同様な加工方法で、基板1の表面に、上記横方
向V溝2の列に直交し、かつ、前記と同じ深さの15本
の横方向V溝3を加工する。これにより、225個の格
子点(交差部)を有するV溝格子を作製できる。なお、
V溝間のピッチはすべて5.0mmである。
基板1の各格子点に、直径1mmのガラス球または鋼球
(直径精度±0.04μm以内)を搭載したところ、そ
れらの球頂点の高さバラツキは、レンジ1μm以内、ま
た、球のX方向およびY方向のピッチ精度は±0.3μ
m以内と高い位置決め精度が得られた。
のは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、
互いに直交するV溝の側面(斜面)から形成される稜と
球の接点は、幾何学的形状で決定され、4つの稜は、必
ず、球表面との接点を有するので、球は必ず4点支持さ
れる。したがって、ガラス基板上に並べた球は、安定に
支持される。さらに、それらの位置精度は、V溝の機械
加工精度および球の寸法精度に大きく依存することにな
るので、サプミクロンから数ミクロンの精度が容易に得
られる。
条件で研削加工した直交V溝の側面(斜面)からなる稜
には、欠けのない、非常に鋭利な稜(カドの曲率半径で
1μm以内、また、チッピングサイズも1μm以内)と
なるので、位置決め精度は、V溝の加工精度(ピッチ精
度と深さ精度)に主に依存することになる。したがっ
て、砥石軸の位置決め精度および分解能が、0.1μm
以内の超精密研削加工装置を用いれば、格子点に搭載す
る球の位置決め精度をサブミクロンから±5μm以内
(より好ましくは、各球頂点の高さバラツキおよびピッ
チ精度は±1μm以内)と容易に高くすることができ
る。
と考えられる。すなわち、仮に、V溝の深さ方向の加工
誤差が多少あっても、必ず4点支持を確保できる。これ
は、本研削加工手順では、横方向V溝を形成し、次に、
これと交差する縦方向V溝を形成する。こうすることに
よって、交差するV溝の側面によって形成される4本の
稜と球体との接触点は、必ず同一平面内に存在するよう
にできる。これは、交差するV溝が加工されたとき、は
じめて互いに交差する2つのV溝の側面が交わることで
稜が形成されるために、深さ方向の加工誤差が発生して
も、4接触点のうちの少なくとも2接触点が必ず対にな
って(ただし、対角線上に位置していない2接触点が対
になる)位置が移動する(ずれる)ことになるからであ
る。
実際の加工では、ワーク(ガラス基板)の上面の傾き
(平面度、平行度)があるため、加工したV溝は、砥石
の送り方向に沿って連続的に浅く、あるいは、深くなる
場合がある。基板上面に対するV溝の深さの変化をサブ
ミクロンレベル以下にすることははなはだ困難であるか
らである。このような場合でも、4接触点のうち、後か
ら形成されたV溝側面にある2接触点同士を結んででき
る2本の稜は必ず平行になる(4接触点は必ず同一平面
にある)ので、必ず4点支持は維持され、球体の重心位
置の3次元的位置決め精度で±1μm以内という高精度
で安定した位置決めができる。図7は交差V溝の形成深
さが変化しても4つの接触点が同一平面内にあることの
説明図である。図7においては、簡単のために横方向V
溝もしくは縦方向V溝の深さ変化が格子点前後で不連続
に変化した場合を示す。V溝深さが変化してもこの4つ
の接点は必ず同一平面内にあることから、3点もしくは
2点接触にはならず、稜と球とは必ず4つの接点で接触
することになる。横方向及び縦方向の2方向の溝深さが
変化した場合も同様である。
材は、V溝加工用砥石形状をサブミクロンレベルでワー
クに転写加工が可能であるので、砥石の断面形状自体の
精度が仮に理想的なV字状でなくても、正確な位置決め
ができる。これはV溝の形状自体の精度が位置決め精度
を左右するのではなく、V溝の側面のピッチ及びV溝間
の深さの精度が位置決め精度を左右するからである。す
なわち、V溝の側面のピッチ及びV溝間の深さ精度を一
定にすれば、m×n個のV溝格子間(球重心位置)の面
内ピッチ及びV溝間の深さ精度を一定にでき、搭載する
球の位置も一定にできるからである。本発明の実施の形
態では、超精密加工装置を用いることができるので、V
溝加工用砥石形状をサブミクロンレベルでワークに転写
加工することが比較的容易に可能である。したがって、
V溝の側面のピッチ及びV溝間の深さ精度をサブミクロ
ンレベルで一定にできる。これにより、m×n個のV溝
格子間(球重心位置)の面内ピッチ及びV溝間の深さ精
度を一定にでき、搭載する球の位置精度を±1μm以内
にすることができる。
加工の際のチッピング(欠け)の発生を著しく少なくで
きる。これは、まず、V溝の加工を基板との接触面積の
少ないV字状の砥石で加工できるからである。また、先
に形成したV溝に交差するV溝を砥石で削って加工する
場合、V溝交差部付近では、砥石の両側面の空間が解放
されている。そのため、加工点で砥石とワークとの接触
点又は面において、研削くず及び研削水の排出が順調に
行われる。したがって、砥石と加工点との間に、研削く
ずの挟み込みや微小局部の温度上昇もなほとんどない。
その結果、特に稜部でのチッピングが発生しにくく、仮
に発生してもそのサイズは極めて小さい。しかも、V溝
側面が交差してできる稜の傾斜角度は基板面に対して鈍
角になるので、例えば、凹溝の交差部でできるような垂
直の稜や頂点もしくは角を形成するような場合に比較し
て研削加工時のチッピングの発生が著しく少ない。この
効果は、砥粒径が10〜20μmの砥石を用いても得ら
れることが確認されている。図8はV溝上面の角とV溝
交差部の稜でのチッピングサイズの違いの説明図であ
る。図8に示すように、V溝上面のチッピングサイズは
5〜10μmであるのに対して、V溝交差部の稜でのチ
ッピングサイズはサブミクロン以内であり、光学素子の
位置決め精度に対する影響は極めて小さい。従来は、V
溝交差部の稜でのチッピングサイズは、V溝上面のそれ
と同程度以下にすることは困難と考えられていた。
レンズを配置して位置決めする際、ある程度の押圧力や
熱応力等が加えられても支持部である稜の球状レンズと
の接触点が欠けにくく、繰り返しの使用にも十分耐えら
れることが確認されている。特に、V溝の側面で球状レ
ンズを支持するようにした従来の場合に比較してその耐
久性が優れていることが確認されている。これは、傾斜
した稜と球との接触のほうが、面と球との接触に比べ、
力が逃げやすいためであると考えられる。すなわち、傾
斜した稜による4点支持の場合、球状レンズに重力方向
と他の方向との合成ベクトル方向に所定以上の力が加わ
った場合、これが特定の接触点に加わるのではなく、球
が持ち上がってV溝側面へ移動するような状態,すなわ
ち、せり上がり脱線のような状態になって、接触点から
外れ(逃げる)からであると考えられる。その結果、位
置決め中に接触点に材料破壊しきい値以上の力が加わる
ことが効果的に抑止され、欠けがほとんど発生しないも
のと考えられる。この傾向は、球状レンズや基板の材料
がガラスである場合のほうが、シリコン等である場合に
比較して顕著である。さらには、基板及び球状レンズの
双方がガラスである場合が最も好ましい。
装置は、数インチ角の基板上に数百個の球状レンズを実
装するような場合でも、支持部(位置決め部)が稜と球
状レンズとの点接触であるために、ダスト等の異物の挟
み込みが生じにくく、これによる精度低下も生じにく
い。
して球レンズ、半球レンズ及び超半球レンズ等の球状レ
ンズの例を挙げて説明したが、ロッドレンズ、非球面レ
ンズ、その他、4つの稜にその表面を接触させることに
よって位置決めできる光学素子であればどのようなもの
にも適用することができる。また、横方向V溝と縦方向
V溝とが直交する場合についての例を説明したが、必ず
しも、交差角が90度に限定するものではなく、搭載す
る光学素子の形状に適合するように交差したV溝であれ
ばよい。
稜線を含み基板1に平行な平面に対して両側面(21,
22,31,32)がなす角度θ(図1参照)が45度
である場合(V溝の側面同士がなす角度が90度)を掲
げたが、これは、30〜60度(V溝の側面同士がなす
角度が60〜120度)程度の範囲であればよい。
(a)に示されるV溝加工用砥石を用いた総形研削によ
って行う例を掲げたが、これは他の砥石を用いた研削で
もよい。図6(b)はカップ砥石を用いてV溝を形成す
る場合の説明図である。図6(b)に示されるように、
カップ砥石202を用いてV溝の側面を片面ずつ加工し
て行くことも可能である。この加工方法では、加工面の
表面粗さを小さくすることが容易にできる。
ニット及びその製造方法を説明する。この実施の形態に
かかる光学ユニットは、上述の実施の形態にかかる光学
素子の位置決め部材によって位置決めした球状レンズを
基板あるいは他の固定部材に固定したレンズチップもし
くはレンズアレイである。したがって、以下の説明で
は、上述の位置決め部材によって位置決めした以降の工
程を中心にして光学ユニットの製造方法を説明し、あわ
せて光学ユニットを説明する。
製造方法の説明図である。以下、図9を参照にしながら
説明する。まず、ホウケイ酸ガラス基板1(3.0×2
5×25mm)の表面に、上述の実施の形態と同様な方
法で、5×5のV溝からなる25点格子を作製する。な
お、V溝深さは0.612mmとする。これは、直径
1.0mmの球状レンズ100を、互いに直交するV溝
の側面から形成される4つの稜に接触させたとき、球状
レンズ100の頂部の位置が基板表面から0.5mmと
なる深さである。また、V溝間のピッチは縦方向、横方
向ともに5.0mmとした。
たように、V溝格子を加工したガラス基板1の各格子点
に、直径1mmの球状レンズ100(直径精度±0.5
μm以内)を載せ、V溝側面からなる稜で球状レンズを
支持しながら、前記球状レンズとV溝側面とで形成され
る隙間に接着剤あるいはガラスハンダ等の接着手段5を
充填させ、固定する。
に、ガラス基板1の前記V溝が形成された面とは反対側
の面を研磨して図の点線部位から下の部分を除去し、球
状レンズ100に光を入射または出射させるための開孔
部6を形成する。これにより、実施の形態にかかる光学
素子である5×5レンズアレイが得られる。各V溝の格
子点に固定された球レンズ100に、コリメートされた
レーザビームLを入射させれば、裏面の開孔部6を通じ
て、5×5の25点のビームスポットアレイが得られ
る。
の位置決め精度と同様な高い位置精度が得られるので、
レンズアレイとして、面発光レーザアレイやアレイ型光
学素子のインターコネクションに有効である。
ることにより、レンズチップとして、使用することがで
きる。このようなレンズチップは、光ピックアップ用光
学素子、光通信用の光ファイバ間のカップリングやコリ
メート光学系、および、光メモリにおける近接場光学系
などのマイクロオプティクス分野に有用である。
光学素子を基板に固定すること(レンズアレイサブスト
レート)により、フォトリソプロセスやエッチングなど
の微細加工プロセスを取入れることが容易になり、サブ
ストレートあるいはウエハ単位で一括処理できるプロセ
スを構築することができるようになるので、高効率かつ
低コストなマイクロオプティクスが得られる。
3レンズアレイの平面図である。また、図11は実施の
形態の方法で製造した2×2レンズアレイの平面図であ
る。さらに、図12は実施の形態の方法で製造したレン
ズチップを示す図である。図12に示されるレンズチッ
プ201は、図10に示されるレンズアレイを図の点線
に沿って切断して得たものである。さらに図13はディ
スク型レンズチップの平面図である。図13に示される
ディスク型レンズチップは 図12に示した例と同様に
して切断した後、外周側面をレンズの中心に合わせて円
筒研削加工して作成したものである
造する場合、切断の精度及び切断面を高精度に、又は、
基板の表裏面を高精度に仕上げれば、この切断面又は表
裏面を取り付けの位置決め基準にしてレンズチップを所
定の光学装置に位置決めして取り付けることができる。
図14及び図15はレンズチップの実装例を示す図であ
る。図14に示した例は、筺体300の内側面とレンズ
チップ201の切断面とを基準面にして位置決めし、レ
ンズチップ201を筺体300内に取り付けてフィルタ
ーモジュールを形成した例である。なお、図において、
符号301、302は光ファイバ、303はフィルター
素子、301a、301bは光ファイバ固定部材であ
る。このように、本実施の形態によれば、高精度で位置
決めすることができるので、球レンズの光軸合わせが容
易で光伝送性を確保でき、信頼性の高い構成の光学ユニ
ットを得ることができる。
に取り付けた位置決め部材310の両端面とレンズチッ
プ201の表裏面とを基準面にして位置決めし、レンズ
チップ201を筺体300内に取り付けてフィルターモ
ジュールを形成した例である。このように、V溝格子を
形成した基板を光透過性の高い材料(ガラス、結晶化ガ
ラス、樹脂など)からなる材料とすることにより、ガラ
スホルダー付きレンズを得ることができる。従来の金属
ホルダー付きレンズは、モジュールに実装する際、金属
ホルダーが光透過性がないために光硬化性接着剤(例え
ば紫外線(UV)硬化性接着剤)を用いることができな
かったが、上記のように光透過性が高い基板を用いるこ
とにより光硬化性接着剤を使用することが可能である。
さらに、本実施の形態による方法によって製造されたレ
ンズアレイを用いれば、レンズは、V溝格子を形成した
基板に対し、精度よく固定されているので、モジュール
組み立ての際、基板の上面や裏面又は側面をアライメン
トの基準面として用いることができ、パッシブアライメ
ントが可能となる。
ットの製造方法の説明図である。以下、図16を参照に
しながら他の実施の形態にかかる光学ユニットの製造方
法を説明する。まず、ソーダ石灰ガラス基板1(24×
50×50mm)の表面に、上述の実施の形態と同様な
方法で、9×6のV溝からなる54点格子を作製する。
次に、V溝格子を加工したガラス基板1の各格子点に、
同様に、直径1mmの球状レンズ100(直径精度±
0.1μm以内)を載せ、交差するV溝側面からなる稜
で球状レンズ100を位置決めする(図16(a)参
照)。図17は加工した9×6のV溝ガラス格子の球頂
点位置測定結果を示す図である。図17から明らかなよ
うに、球頂点位置の誤差は54点格子の面内において、
最小値0.2μm、最大値1.1μm、レンジ0.9μ
m、であり、非常に高い精度でできていることがわか
る。
径より大きな孔の開いた、ホールアレイ基板7をV溝格
子ガラス基板1の上に載せ(図16(b)参照)、前記
球状レンズ100とホールアレイ基板7の孔の側面とを
接着剤あるいはガラスハンダ等の接着手段8で接着して
固定する(図16(c)参照)。次に、位置決めジグと
して使用したV溝格子ガラス基板1をレンズから取り外
す(図16(d)参照)。以上の工程により、球状レン
ズ保持部材としてのホールアレイ基板7に固定された、
球状レンズアレイが得られる。各V溝の格子点に固定さ
れた球状レンズ100に、コリメートされたレーザビー
ムLを入射させれば、ビームスポットアレイが得られる
(図16(e)参照)。
板に球状レンズを搭載し、接着剤やハンダで固定する
際、接着剤や熔融したハンダの密度差によりレンズが浮
き上がったり、表面張力により引き寄せられたりするな
ど、外力の影響でレンズ位置ずれを生ずる虞れがある。
それを防ぐために、V溝部に基板裏面から連通する貫通
孔を設け、実装工程中(図16(a)〜(c)の間)、
その貫通孔から真空引きすることにより、その圧力差で
レンズをV溝格子の稜に押さえ付け、位置がずれないよ
うにささえることが有効である。また、接着剤やハンダ
の充填具合によってはこれらがはみ出してレンズ面を覆
い、レンズの有効径を狭めるなどの虞れもあるが、上記
真空引きによってこのような虞れも防止可能である。す
なわち、実装工程中、貫通孔からの真空引きの圧力をモ
ニターして調節することにより、接着剤やハンダの充填
具合を制御して有害なはみ出し等を容易に防止すること
ができる。上記の真空引きによる球レンズの固定方法の
好ましい方法を図18および図19を用いてさらに詳し
く説明する。まず、球状レンズ100とホールアレイ基
板7の孔の間に例えば接着手段8としての低融点ガラス
(ガラスハンダ)8’(例えば、日本電気硝子株式会社
製PLS−3123)を充填する。そして、V溝ガラス
格子基板1に設けられた1つ以上の貫通孔9から真空引
きを行いながら、温度を上昇させ、低融点ガラス8’を
熔融させる(図18(a)、(b)参照)。その時に、
真空引き穴の圧力P2と球状レンズ保持部材の外部圧力
P1の圧力差ΔP(=P1−P2)をモニターする(図
19参照)。そしてホールアレイ基板7、球レンズ10
0、V溝格子基板1の間が密閉状態になり、さらに、低
融点ガラス8’の流動性が高くなってくると、外周圧に
より、ホールアレイ基板がV溝基板側(下側)へ押さ
れ、ホールアレイ基板とV溝格子ガラス基板の隙間が徐
々に小さくなってくる(図19のグラフの領域B)。そ
して、ホールアレイ基板とV溝格子ガラス基板の隙間が
ゼロになると、圧力差ΔPの変化が止まり、圧力は一定
になる(図19のグラフの領域C)。圧力差の変化が一
定になってから、一定時間置く。これは、ホールアレイ
基板7が下降することで上昇した低融点ガラス8’をV
溝基板側へ引き戻すために行う(図18(c))。この
ように低融点ガラス8’をV溝基板側へ引き戻すこと
は、球レンズ実装品質としては、後述する球レンズを半
球研磨して使用するフライングヘッド用のSILレンズ
基板の場合は、特に、重要となる。即ち、半球研磨した
際にこうすることで、ホールアレイ基板の裏面と低融点
ガラスの面に凹部がなくなり、同一平面となることで、
ホールアレイ基板−半球レンズ間が平面となり、SIL
搭載のフライングヘッドとしたとき、安定したヘッド浮
上のが得られる。凹部があると、エアーベアリングの原
理でヘッド浮上される際、乱流の発生要因となり、浮上
が不安定になる。図20は、実際、低融点ガラスとして
日本電気硝子株式会社製PLS−3123を用いたとき
に、昇温速度2℃/minで昇温した際にモニターを行
った結果である。このように、圧力差ΔPをモニターす
ることで、各部材の位置や充填剤の状態の変化を、リア
ルタイムに知ることができ、かつ、圧力を調整すること
で、それらの位置や状態を制御することができるので、
精度の高い球レンズの固定ができる。尚、真空引きを行
うためのV溝ガラス格子基板1に設けられた貫通孔は、
少なくとも1つでよく、その位置はレンズの真下に限る
ものではない。
決め部材として用いることにより、ホールアレイ基板7
の孔の中心と球状レンズの中心とが若干ずれた場合で
も、固定工程中、球状レンズはV溝格子ガラス基板によ
り高精度に位置決めされかつ安定に4点保持されるの
で、結果としてホールアレイ基板に球状レンズを3次元
的に高精度に実装することができる。また、保持基板で
あるホールアレイ基板の孔径及びピッチ精度等の許容誤
差を厳しくする必要はない。すなわち、数〜数十μm以
上あってもよい。このため、低コストな保持部材が使用
できる。さらに、このような方法では、高精度な光学素
子の位置決め部材は繰り返し使用できること、ガラスハ
ンダなどの高温プロセスによる固定ができること等か
ら、結果として、高精度、高信頼性かつ低コストな球状
レンズアレイが得られる。
レイのレンズ間の位置精度は、V溝格子の位置精度にな
らった位置精度となる。ホールアレイ基板7として、V
溝格子ガラス基板1と材料特性(特に、熱プロセスが必
要なガラスハンダを用いる場合には、熱膨張係数)がほ
ぼ同じ材料(ガラス又はセラミックス、結晶化ガラス)
を用いた場合、ピッチ精度±1μm以内、球頂点高さ誤
差がレンジで2μm以内となる。また、このレンズアレ
イの球の一部を研磨し、平面とすれば、半球レンズや超
半球レンズのアレイを得ることができる。さらに、この
後、ダイシングすることにより、容易に、レンズチップ
とすることができる。
ス基板を用いることで、ガラスからなる球レンズあるい
はホールアレイ基板として用いるガラスやセラミックス
との材料特性(熱膨張係数、摩耗特性、研磨特性、弾性
定数等)が近くなるため、球状レンズを実装するため
に、レンズを押圧を加えたり、200℃以上の高温プロ
セスや研磨加工などを行っても、材料特性差に起因す
る、精度ずれや割れ、反りを抑制することができる。
尚、図16(d)において得られた球状レンズアレイを
用いて、図10〜図13のようなレンズチップを製造す
ることもできる。この場合、ホールアレイ基板を光透過
性の高い材料(ガラス、結晶化ガラス、樹脂など)から
なる材料とすることにより、ガラスホルダー付きレンズ
をすることができる。従来の金属ホルダー付きレンズ
は、モジュールに実装する際、金属ホルダーが光透過性
がないために光硬化性接着剤(例えば紫外線(UV)硬
化性接着剤)を用いることができなかったが、上記のよ
うに光透過性が高い基板を用いることにより光硬化性接
着剤を使用することが可能である。さらに、本実施の形
態による方法によって製造されたレンズアレイを用いれ
ば、レンズは、ホールアレイ基板に対し、精度よく固定
されているので、モジュール組み立ての際、基板上面や
裏面又は側面をアライメントの基準面として用いること
ができ、パッシブアライメントが可能となる。次に、図
16(d)において得られた球状レンズアレイから、周
知の光メモリ媒体用浮上型光ヘッドに用いられるSIL
(ソリッドイマージョンレンズ)付きスライダチップを
製造する方法を図21を用いて説明する。なお、SIL
(ソリッドイマージョンレンズ)付きスライダチップ
は、図21(e)に示されるように、SIL(ソリッド
イマージョンレンズ)100bが形成されたスライダ基
板7aのそれぞれのSIL(ソリッドイマージョンレン
ズ)100bの上に対物レンズ11が配置固定されたも
のである。図21(e)の点線で仕切られたそれぞれの
領域に1個のSIL付きスライダチップが形成されてい
る。この場合、図16におけるホールアレイ基板7が加
工されてスライダチップにおけるスライダ基板7a(例
えばガラス製)に形成され、球状レンズ100が加工さ
れてSIL(ソリッドイマージョンレンズ)100bに
形成されたものである。このSIL(ソリッドイマージ
ョンレンズ)100bの製造手順は次のとおりである。
すなわち、図16(d)において得られたホールアレイ
基板7に支持された球状レンズ100の裏面から露出し
ている半分を研磨によって除去する(図21(a)
(b)参照)。球状レンズ100は半球状レンズ100
aになる。研磨方法は、例えばオスカー式片面研磨方法
によって行う。次にフォトリソグラフィ法を用いてレン
ズ位置を基準に金属膜等でアライメントマーク(図示せ
ず)を形成する。次に、エアーベアリングで負圧発生さ
せるための凹部を形成するために、アライメントマーク
を基準に、イオンミリングやエッチング等で不要な部分
を除去する(図21(c)参照)。これにより、ホール
アレイ基板7及び半球状レンズ100aは、それぞれ、
スライダ基板7a及びSIL(ソリッドイマージョンレ
ンズ)100bに形成される。次に、裏面に潤滑膜10
を成膜し、対物レンズ11を上面に固定し、ダイシング
し、チップに切断を行う(図21(e)参照)。
て説明したが、本発明は、一定ピッチでレンズを基板に
固定すること(レンズアレイサブストレート)により、
レンズ自体やV溝格子基板、レンズを固定する保持部材
基板に、フォトリソプロセスやエッチングなどの微細加
工プロセスを取入れることが容易になり、レンズアレイ
の配列やレンズの光軸に合わせて回折格子やマイクロホ
ールなどの微細形状や磁場を検出用の金属コイルなどの
電極配線の形成が可能となり、サブストレートあるいは
ウエハ単位で一括処理できるプロセスを構築することが
できる。
部材の形状は、球状に限ることなく、格子点の稜に接す
る曲面を一部に有する形状の部材であってもよい(マイ
クロシリンドリカルレンズ、PC研磨光ファイバフェル
ール、球状シリコンなど)。また、本発明の位置決め部
材に適用可能な部材は、光学レンズに限ることなく、製
作プロセスまたはその機能にアレイ化が不可欠であっ
て、格子点の稜に接する曲面を一部に有する形状からな
るものであればよい(例えば、PC研磨光ファイバフェ
ルール、球状Siなど)。また、V溝格子ガラス基板の
材料は、実装する光学素子やその保持部材との材料特性
に合わせて選定されたものであれば、ソーダ石灰ガラ
ス、ホウケイ酸ガラスの他に、アルミノケイ酸ガラス、
光学ガラス、結晶化ガラス、石英ガラス、超硬セラミッ
クス、SiC、サファイヤやルビー等の単結晶等でもよ
い。また、V溝の加工方法も、砥石による総形研削によ
る以外の他の機械加工、例えば、研磨加工、ドリルを用
いた加工、レーザマシーニングによる加工、放電加工、
超音波加工でもよい。
の表面に、交差するV溝を形成し、一方のV溝の側面と
このV溝に交差するもう一方のV溝の側面とから形成さ
れる4つの稜に光学素子を接触させて支持することによ
り、前記4つの稜と前記光学素子表面とが接触する4点
で幾何学的に決定される3次元的支持位置に前記光学素
子を位置決めすることを特徴とするもので、これによ
り、球状レンズ等の光学素子を数μm以内の高精度で位
置決めできるようにした光学素子の位置決め方法及び光
学素子の位置決め部材並びに光学ユニット及びその製造
方法を得ている。
決め部材の構成を示す斜視図である。
決め部材の説明図である。
決め部材の変型例の構成を示す図である。
決め部材の変型例の構成を示す図である。
ある。
点が同一平面内にあることの説明図である。
グサイズの違いの説明図である。
明図である。
アレイの平面図である。
アレイの平面図である。
を示す図である。
法の説明図である。
置測定結果を示す図である。
法の説明図である。
法の説明図である。
法の説明図である。
スライダチップの製造方法の説明図である。
2、31、32…V溝の側面、41、42、43、44
…稜、100…球状レンズ。
Claims (22)
- 【請求項1】 基板の表面に形成された互いに交差する
V溝どうしの交差部に光学素子を配置して位置決めする
光学素子の位置決め方法であって、 前記V溝の交差部に前記光学素子を配置したときに前記
交差部に形成された4つの稜と前記光学素子表面とが接
触する4つの接点で前記光学素子を支持して3次元的に
位置決めすることを特徴とする光学素子の位置決め方
法。 - 【請求項2】 前記V溝の形成は、機械加工によって形
成することを特徴とする請求項1に記載の光学素子の位
置決め方法。 - 【請求項3】 前記V溝の形成は、砥石を用いて総形研
削加工で形成することを特徴とする請求項2記載の光学
素子の位置決め方法。 - 【請求項4】 前記光学素子が、球状レンズであること
を特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光学素子
の位置決め方法。 - 【請求項5】 基板の表面に互いに交差するV溝が設け
られ、前記V溝の交差部に形成された4つの稜で光学素
子を4点支持することによって位置決めすることを特徴
とする光学素子の位置決め部材。 - 【請求項6】 前記V溝の交差部がアレイ状に形成され
ていることを特徴とする請求項5記載の光学素子の位置
決め部材。 - 【請求項7】 前記基板がガラス材料で構成されている
ことを特徴とする請求項5又は6記載の光学素子の位置
決め部材。 - 【請求項8】 表面に互いに交差するV溝が設けられた
基板と、 前記V溝の交差部に形成された4つの稜上の4点で支持
されて位置決め固定された光学素子とを有することを特
徴とする光学ユニット。 - 【請求項9】 前記光学素子に光を入射又は出射させる
ための開口が前記基板に形成されていることを特徴とす
る請求項8記載の光学ユニット。 - 【請求項10】 前記光学素子が球状レンズであること
を特徴とする請求項8又は9記載の光学ユニット。 - 【請求項11】 前記基板及び光学素子のいずれか一方
又は双方がガラス材料で構成されていることを特徴とす
る光学ユニット。 - 【請求項12】 前記光学素子の3次元的位置精度が±
5μm以内であることを特徴とする請求項8〜11のい
ずれかに記載の光学ユニット。 - 【請求項13】 表面に互いに交差するV溝が形成され
た基板の前記V溝の交差部に形成された4つの稜で光学
素子を4点支持させてこの光学素子を位置決めする位置
決め工程と、 前記位置決め工程で位置決めされた光学素子を前記基板
又は他の光学素子固定部材に固定する固定工程と、を有
することを特徴とする光学ユニットの製造方法。 - 【請求項14】 表面に互いに交差するV溝が形成され
た基板の前記V溝の交差部に形成された4つの稜で光学
素子を4点支持させてこの光学素子を位置決めする位置
決め工程と、 前記位置決め工程で位置決めされた光学素子を前記基板
又は他の光学素子固定部材に固定する固定工程と、 少なくとも前記基板の一部を除去して前記光学素子に入
射または出射させるための開口を形成する開口形成工程
とを有することを特徴とする光学ユニットの製造方法。 - 【請求項15】 前記V溝は、機械加工によって形成さ
れたことを特徴とする請求項13又は14記載の光学ユ
ニットの製造方法。 - 【請求項16】 前記V溝は、砥石を用いた総形研削加
工によって形成されたことを特徴とする請求項13〜1
5のいずれかに記載の光学ユニットの製造方法。 - 【請求項17】 前記光学素子が球状レンズであること
を特徴とする請求項13〜16のいずれかに記載の光学
ユニットの製造方法。 - 【請求項18】 半球状又は超半球状の光学素子が保持
された光学ユニットを製造する方法であって、 表面に互いに交差するV溝を有する基板の前記V溝の交
差部に形成された4つの稜で光学素子を4点支持させて
この光学素子を位置決めする位置決め工程と、前記光学
素子の径より大きい孔径の収納孔を有するホールアレイ
基板の前記収納孔に、前記位置決め工程で位置決めされ
た光学素子の上部の少なくとも一部を収納して前記光学
素子を前記収納孔側面に固定する固定工程と、 前記基板を取り外した後、前記ホールアレイ基板に固定
された光学素子の露出した部分を研磨して除去するレン
ズ研磨工程とを有することを特徴とする光学ユニットの
製造方法。 - 【請求項19】 前記基板は、前記V溝部に基板裏面か
ら連通する貫通孔を有するものであり、少なくとも前記
固定工程において前記貫通孔から真空引きを行う工程を
有することを特徴とする請求項13〜18に記載の光学
ユニットの製造方法。 - 【請求項20】 請求項14記載の光学ユニットの製造
方法によって製造された複数の光学素子を有する光学ユ
ニットを分割して製造したことを特徴とするレンズチッ
プ。 - 【請求項21】 請求項18に記載の光学ユニットの製
造方法によって製造された複数の光学素子を有する光学
ユニットを分割して製造したことを特徴とするレンズチ
ップ。 - 【請求項22】 光メモリ媒体上を浮上走行してこの光
メモリ媒体に記録されている情報を光学的に読み取るた
めのレンズチップを含む光学系を有する光メモリ媒体用
浮上型ヘッドであって、 前記レンズチップとして、請求項21に記載のレンズチ
ップを用いて製造されたことを特徴とする光メモリ媒体
用浮上型ヘッド。
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