JP2010256670A - 回折格子およびそれを用いる分光ユニット、分光計ならびに回折格子の作成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストな樹脂製の回折格子において、格子定数の温度依存性を小さくする。
【解決手段】いわゆる２色成型（２材成型、複合成型）を用い、熱膨張係数が小さい材料によって高い剛性に形成されるハウジング２に、薄肉の表層部４ａを一体で積層し、その表層部４ａに回折格子４を形成（成型の際に型から転写）する。したがって、ハウジング２に一体成型される回折格子４において、その熱膨張係数は剛性の高いハウジング２の熱膨張係数に支配的されるので、該ハウジング２に成形後の熱的な安定性および好ましくは経時の安定性にも優れた樹脂材料を用いることで、回折格子４を含むハウジング２全体での熱膨張係数を小さく抑えることができるとともに、前記表層部４ａには、平滑性および好ましくは成形性にも優れた樹脂材料を用いることで、高い光学特性を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折格子およびそれを用いる分光ユニット、分光計ならびに回折格子の作成方法に関し、特に前記回折格子としては、安価な樹脂製のものに関する。

分光計、特にセンサアレイを用いて測定波長域の分光分布を同時に測定する低コストなポリクロメータ型の分光計が、いわば部品としてさまざまな分野で用いられるようになり、より低コスト化が求められるようになっている。そのコストを削減する上で、回折格子とハウジングとを射出成形された樹脂製にすることは効果がある。特許文献１は、両者を一体で射出成形した分光ユニットを提示している。その具体的構成を図４で示す。この分光ユニット５１は、一面を開放した箱形のハウジング５２の内底面５２ａに反射型の凹面回折格子５４が形成され、その箱を閉止する印刷配線基板５５側に、光導入孔（スリット）５６が形成されるとともに、前記光導入孔５６から入射し、前記回折格子５４で分光された各波長の光強度を同時測定するセンサアレイ５７が設けられて構成されている。このような分光ユニット５１に、前記センサアレイ５７からの出力を処理する処理回路を前記印刷配線基板５５などに備えて、分光輝度計や分光測色計などに組み込まれる分光計が構成される。こうして、先ず回折格子５４の材料を従来のガラスから樹脂に変更することでコストを低減し、さらに該回折格子５４をハウジング５２に一体成型することで、組み立てに伴うコストならびに誤差を低減して、一層のコスト低減が図られている。

しかしながら、樹脂の線膨張係数が７×１０^−５／℃前後と、ガラスの１０倍近いために、上述のような樹脂製の回折格子は、格子定数の温度依存性が大きく、波長精度で劣るという問題がある。すなわち、温度変化によって格子のピッチが変わり、波長に応じたシフトが生じてしまう。

そこで、樹脂にガラス繊維などの充填材を入れると、線膨張係数を１／３以下に抑制できるが、充填材が表面の平滑性を損ない、格子の光学性能を損なってしまう。このため、特許文献２では、充填材を含まない樹脂で回折格子を成型して格子の光学性能を確保しつつ、別体のハウジングを回折格子の樹脂に近い線膨張率をもつ樹脂で成型し、格子定数の熱膨張をハウジングの熱膨張で補償する技術を開示している。

この従来技術では、補償は回折格子とハウジングとの温度差が十分小さいことが前提となる。しかし、樹脂製の回折格子やハウジングは熱伝導率が低く、特に光源を内蔵して測定物を照明し、反射光の分光分布を測定する反射特性測定装置では、前記回折格子とハウジング（特にセンサアレイが搭載され、光導入孔（スリット）が形成される印刷配線基板側）との間で温度上昇の不均一性が生じ、補償が不十分となって精度低下が避けられないという問題がある。

一方、温度による波長誤差には、上述のような格子定数の変化に起因するものだけでなく、印刷配線基板５５とハウジング５２や回折格子５４の線膨張係数の差や形状変化に起因するものがある。しかしながら、これらの格子定数変化によらない要因の多くは、全波長一律の誤差を生じるので、たとえば本願発明者による特許文献３の方法で、補正することができる。

特表２００６−５１４２７７号公報 特開２０００−２９８０６６号公報 特開２００５−６９７８４号公報

本発明の目的は、樹脂製であっても、格子定数の温度依存性を小さくすることができる回折格子およびそれを用いる分光ユニット、分光計ならびに回折格子の作成方法を提供することである。

本発明の回折格子は、樹脂製の回折格子において、前記回折格子が形成される薄肉の表層部と、前記表層部よりも熱膨張係数が小さい材料によって、該表層部よりも高い剛性で、該表層部に一体成型される基部とを含むことを特徴とする。

また、本発明の回折格子の作成方法は、樹脂製の回折格子を作成するための方法において、転写すべき前記回折格子が刻設されたコア（たとえば内型）に、第１の所定の空間を空けて第１のキャビティ（外型）を嵌め合せ、前記第１の空間に第１の樹脂材料を射出して薄肉の表層部を形成する工程と、前記第１のキャビティ（外型）に代えて、第２の所定の空間を空けて第２のキャビティ（外型）を嵌め合せ、前記第２の空間に前記第１の樹脂材料よりも熱膨張係数が小さい第２の樹脂材料を射出して、前記表層部よりも高い剛性となる基部を、前記表層部に一体成型する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、低コスト化が可能な樹脂製の回折格子において、単一材料で該回折格子を成型するのではなく、いわゆる２色成型（２材成型、複合成型）を用いて、少なくとも２つの材料で成型する。さらにその成型にあたっては、熱膨張係数が小さい材料によって高い剛性に成型する基部に、薄肉の表層部を積層し、その表層部に前記回折格子を形成（成型の際に型から転写）する。前記基部を前記表層部よりも剛性を高めるためには、該基部を厚く形成したり、リブを形成したりするなどの構造的な工夫や、材料に補強剤を分散させる等の工夫で実現することができる。

したがって、一体成型された回折格子において、その熱膨張係数は剛性の高い基部の熱膨張係数が支配的となり、該基部に成形後の熱的な安定性および好ましくは経時の安定性にも優れた樹脂材料を用いることで、回折格子を含む基部全体での熱膨張係数を小さく抑えることができる。これに対して、前記表層部には、前記補強剤などの格子表面を荒らす材料を含まない、平滑性および好ましくは成形性にも優れた樹脂材料を用いて、高い光学特性を得ることができる。こうして、低コストの樹脂製の回折格子においても、格子定数の温度依存性を小さくすることができる。

さらにまた、本発明の回折格子では、前記表層部は、熱膨張係数の抑制のための充填材を含まない第１の樹脂材料から成り、前記基部は、前記第１の樹脂材料に前記充填材を充填した第２の樹脂材料から成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記表層部と基部とに同一の樹脂ベースを用いることで、前記一体成型によって両者は良好に一体化する。そして、基部だけに充填材を添加することで、前記のような該基部が前記表層部よりも熱膨張係数が小さい状況を実現することができる。

また、本発明の分光ユニットは、前記の回折格子を用い、前記基部がハウジングの少なくとも一部を構成することを特徴とする。

上記の構成によれば、分光輝度計や分光測色計などの分光計に用いられ、光導入孔が形成されたハウジングに、少なくとも回折格子およびそれによる分光強度を測定するセンサを備えて成る分光ユニットにおいて、回折格子には前記の２色成型による回折格子を用い、その基部にハウジングの少なくとも一部を構成させることで、回折格子とハウジングとの結合作業や、結合に伴う調整作業が不要になり、熱的な安定性が高い分光ユニットをより低コストで実現することができる。

さらにまた、本発明の分光計は、前記の分光ユニットに、その分光ユニット内の分光強度測定用のセンサからの出力を処理する処理回路を備えて成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、熱的な安定性が高く安価な分光計を実現することができる。

本発明の回折格子およびそれを用いる分光ユニット、分光計ならびに回折格子の作成方法は、以上のように、いわゆる２色成型（２材成型、複合成型）を用いて、熱膨張係数が小さい材料によって高い剛性に成型する基部に、薄肉の表層部を積層し、その表層部に回折格子を形成（成型の際に型から転写）する。

それゆえ、一体成型された回折格子において、その熱膨張係数は剛性の高い基部の熱膨張係数が支配的となるので、該基部に成形後の熱的な安定性および好ましくは経時の安定性にも優れた樹脂材料を用いることで、回折格子を含む基部全体での熱膨張係数を小さく抑えることができるとともに、前記表層部には、補強剤などの格子表面を荒らす材料を含まない、平滑性および好ましくは成形性にも優れた樹脂材料を用いることで、高い光学特性を得ることができる。こうして、低コストの樹脂製の回折格子においても、格子定数の温度依存性を小さくすることができる。

本発明の実施の一形態に係る分光ユニットの断面図である。 本発明による回折格子の作成方法の一例を説明するための断面図である。 本発明の実施の一形態に係る分光ユニットの断面図である。 典型的な従来技術による分光ユニットのブロック図である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の一形態に係る分光ユニット１の断面図である。この分光ユニット１は、一面を開放した箱形のハウジング２の内底面２ａに反射型の凹面回折格子４が形成され、その箱を閉止する印刷配線基板５に、光導入孔（スリット）６が形成されるとともに、前記光導入孔６から入射し、前記回折格子４で分光された各波長の光強度を同時測定するセンサアレイ７が設けられて構成されている。前記印刷配線基板５に、前記センサアレイ７からの出力を処理する処理回路を備えて、分光輝度計や分光測色計などに組み込まれる分光計が構成される。以上の構成は、前述の図４で示す分光ユニット５１と同様である。

注目すべきは、この分光ユニット１では、コスト低減のために前記回折格子４を樹脂製とし、さらに該回折格子４をハウジング２に一体成型することで、組み立てに伴うコストならびに誤差を低減して、一層のコスト低減を実現するにあたって、さらにその樹脂製の回折格子４を第１の樹脂材料による射出成型で薄肉の表層部４ａに形成し、その表層部４ａに、第２の樹脂材料による射出成型で、基部となる前記ハウジング２を、いわゆる２色成型（２材成型、複合成型）を用いて一体成型することである。

そして、前記第１の樹脂材料には、ガラス繊維などの格子表面を荒らす材料を含んでおらず、平滑性および好ましくは成形性にも優れた樹脂材料、たとえばポリカーボネイトが用いられる。また、前記第２の樹脂材料には、第１の樹脂材料に、前記ガラス繊維などの熱膨張係数が小さい補強材と、遮光のための黒色顔料とが充填材として添加される。さらに、薄肉の表層部４ａに比べて、基部であるハウジング２が厚肉に形成されており、これによってハウジング２は表層部４ａに比べて格段に高い剛性に形成される。この他にも、前記剛性を高めるために、リブを形成するなどの構造的な配慮を施すこともできる。また、前記第２の樹脂材料の充填材には、前記のガラス繊維（針状）に限らず、成型後の等方的な安定性を得るために、ディスク状あるいは球状の充填材を用いてもよい。

図２は、前記表層部４ａおよびハウジング２の成型過程の一例を示す断面図である。前記２色成型（２材成型、複合成型）は、１つのコア型（内型）１１に、異なる形状の２つのキャビティ型（外型）１２，１３を組み合わせて行われる。前記回折格子４を転写するための格子型１１ａは、コア型１１の凸面部１１ｂに形成されている。そして、先ず図２（ａ）で示すように、コア型１１と第１のキャビティ型１２とが嵌め合せられ、格子型１１ａ面を含む狭い間隙（第１の空間）に、前述のようなガラス繊維を含まない第１の樹脂材料が射出され、凹面の回折格子４を含む薄肉の表層部４ａが形成される。

次に、図２（ｂ）で示すように、エジェクターピンなどで前記表層部４ａがコア型１１に付着した状態で、第１のキャビティ型１２が外される。代わって、図２（ｃ）で示すように、表層部４ａが付着したコア型１１に第２のキャビティ型１３が嵌め合せられ、ハウジング２を形成する比較的広い間隙（第２の空間）に、前記ガラス繊維と黒色顔料とを充填した第２の樹脂材料が射出され、ハウジング２が表層部４ａに融合および密着し、それらは一体に形成されることになる。その後、図２（ｄ）で示すように、第２のキャビティ型１３およびコア型１１が外され、凹面の回折格子４と一体化されたハウジング２が取り出されて成型が終了する。

このように前記表層部４ａとハウジング２とを異なる樹脂材料で成型する成型法には、２つのキャビティ型１２，１３を用いる上述の２色成型法に限らず、１つのキャビティ型１３を用い、先ず第１の樹脂材料をコアに射出して前記表層部４ａを成型した後、第２の樹脂材料を射出・充填してハウジング２を成型するサンドイッチ成型法を用いることもできる。その後、コア型１１から外された表層部４ａと一体化したハウジング２の回折格子４の部分にのみアルミ蒸着されて、反射型凹面回折格子が形成される。

一方、前記印刷配線基板５には、予めセンサアレイ７が取付けられるとともに、前記光導入孔６と、位置決め用の孔５ａとが穿設されている。このような印刷配線基板５に、前記のように作成されたハウジング２が、その取付け用のフランジ２ｃに立設された位置決め用のピン２ｂを前記孔５ａに嵌め込んで位置決めされ、接着されることで組付けられる。必要に応じて、前記印刷配線基板５や別途の基板に前記センサアレイ７からの出力を処理する処理回路が取付けられて、分光計が完成する。

このように構成することで、低コスト化が可能な樹脂製の回折格子４と、ハウジング２とを、それぞれに適した材料で、いわゆる２色成型（２材成型、複合成型）を用いて一体成型することで、熱膨張係数については剛性の高いハウジング２に支配されて小さく抑えられ、光学的には平滑性に優れた材料を用いて高い特性をもつ回折格子４を得ることができる。こうして、低コストな樹脂製の回折格子４においても、格子定数の温度依存性を小さくすることができる。

また、前記回折格子４を形成する表層部４ａとハウジング２とに同一の樹脂ベースを用いることで、前記一体成型によって両者は良好に一体化（融合および密着）する。そして、ハウジング２だけに少なくとも前記熱膨張係数の抑制のための充填材を添加することで、前記のように該ハウジング２の熱膨張係数を前記表層部４ａよりも小さくすることができる。

さらにまた、光導入孔６が形成されたハウジング２に、少なくとも回折格子４およびそれによる分散光を受光するセンサアレイ７を備えて成る分光ユニット１において、回折格子４には前記の２色成型による回折格子を用い、その回折格子４の基部にハウジング２の少なくとも一部を構成させることで、回折格子４とハウジング２との結合作業や、結合に伴う調整作業が不要になり、熱的な安定性が高い分光ユニットをより低コストで実現し、分光輝度計や分光測色計などに組み込まれる分光計に用いることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の他の形態に係る分光ユニット２１のブロック図である。この分光ユニット２１は、前述の分光ユニット１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。前述の分光ユニット１では、前記回折格子４を備えるハウジング２が印刷配線基板５に直付けされているのに対して、注目すべきは、本実施の形態の分光ユニット２１では、ハウジング２２の開口部分にもう１つのハウジング２３が接合され、そのハウジング２３に、前記センサアレイ７を搭載した印刷配線基板２５が取付けられることである。このため、前記光導入孔６はハウジング２３に形成され、この光導入孔６には光ファイバ２６によって被測定光が入射する。

前記ハウジング２３もハウジング２と同様に、樹脂ベースに、前記ガラス繊維などの熱膨張係数が小さい補強材および遮光のための黒色顔料が充填材として添加された前記第２の樹脂材料が用いられ、厚肉（高剛性）に成型される。そして、図示しない位置決め部材によって位置決めされた後、開口の端面２ｄ，２３ｄ同士が接着される。

このように構成することで、２つのハウジング部品が必要になるが、光導入孔６の位置や入射方向、センサアレイ７の位置や受光面の方向について、より大きな設計自由度を得ることができる。

１，２１ 分光ユニット
２，２２，２３ ハウジング
２ａ 内底面
４ 回折格子
４ａ 表層部
５，２５ 印刷配線基板
６ 光導入孔
７ センサアレイ
１１ コア型
１１ａ 格子型
１１ｂ 凸面部
１２ 第１のキャビティ型
１３ 第２のキャビティ型
２６ 光ファイバ

Claims (5)

1. 樹脂製の回折格子において、
   前記回折格子が形成される薄肉の表層部と、
   前記表層部よりも熱膨張係数が小さい材料によって、該表層部よりも高い剛性で、該表層部に一体成型される基部とを含むことを特徴とする回折格子。
2. 前記表層部は、熱膨張係数の抑制のための充填材を含まない第１の樹脂材料から成り、前記基部は、前記第１の樹脂材料に前記充填材を充填した第２の樹脂材料から成ることを特徴とする請求項１記載の回折格子。
3. 前記請求項１または２記載の回折格子を用い、前記基部がハウジングの少なくとも一部を構成することを特徴とする分光ユニット。
4. 前記請求項３記載の分光ユニットに、その分光ユニット内の分光強度測定用のセンサからの出力を処理する処理回路を備えて成ることを特徴とする分光計。
5. 樹脂製の回折格子を作成するための方法において、
   転写すべき前記回折格子が刻設されたコアに、第１の所定の空間を空けて第１のキャビティを嵌め合せ、前記第１の空間に第１の樹脂材料を射出して薄肉の表層部を形成する工程と、
   前記第１のキャビティに代えて、第２の所定の空間を空けて第２のキャビティを嵌め合せ、前記第２の空間に前記第１の樹脂材料よりも熱膨張係数が小さい第２の樹脂材料を射出して、前記表層部よりも高い剛性となる基部を、前記表層部に一体成型する工程とを含むことを特徴とする回折格子の作成方法。

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