(57)【要約】  青色レーザー光に耐久性のある斜方蒸着による配向膜を用いる場合であって、０．５μｍ以上の微細な凹凸を有する基板に液晶を安定的に垂直配向させた液晶素子の提供。  基板１１、１２上の電極１３、１４の表面に斜方蒸着により無機酸化物の配向膜を形成し、その表面をＣＦ３（ＣＦ２）７−ＣＨ２ＣＨ２−ＳｉＣｌ３のようなフルオロシランカップリング剤で表面処理する。その後、２枚の基板１１、１２の周辺をシール１５でシールし、液晶を封入して液晶素子１０を形成する。
2008143295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方の基板表面には０．５μｍ以上の凹凸が設けられた一対の電極付き基板間に液晶層を挟持した液晶素子であって、
前記電極付き基板がその表面に斜方蒸着することにより形成された無機酸化物被膜と、前記無機酸化物被膜の表面を下記式（１）にて表されるフルオロシランカップリング剤で処理することにより形成された表面処理層とを有することを特徴とする液晶素子。
【化１】
2008143295.tif 000006
ただし、Ｒｆは、−ＣｍＦ２ｍ−（ただし、ｍは２〜２０の整数）を含む炭素数２４以下の有機基（ただし、前記有機基のケイ素原子に結合する末端原子は炭素原子からなり、アルキレン基の炭素−炭素原子間には酸素原子またはイオウ原子を有していてもよい）であり、Ｘ１及びＸ２は、それぞれ独立に、加水分解性基またはケイ素原子に結合する末端原子が炭素原子である炭素数６以下の有機基を表す。
【請求項２】
Ｒｆが、−（ＣＦ２）ｍ−（ただし、ｍは２〜２０の整数）を含む有機基である請求項１に記載の液晶素子。
【請求項３】
Ｒｆが、Ｆ−（ＣＦ２）ｍ−（ＣＨ２）ｎ−（ただし、ｍは２〜２０の整数、ｎは１〜６の整数、ｍ＋ｎは２４以下の整数）であるフルオロシランカップリング剤である請求項２に記載の液晶素子。
【請求項４】
Ｘ１及びＸ２が、塩素原子であるフルオロシランカップリング剤である請求項１〜３のいずれかに記載の液晶素子。
【請求項５】
凹凸がフレネルレンズ形状を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の液晶素子。
【請求項６】
少なくとも一方の基板表面には０．５μｍ以上の凹凸が設けられた一対の電極付き基板の夫々の電極側の表面に無機酸化物を斜方蒸着して無機酸化物被膜を形成し、前記無機酸化物被膜の表面を前記式（１）にて表されるフルオロシランカップリング剤により処理して表面処理層を形成し、得られた前記電極付き基板間に液晶を封入することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液晶素子の製造方法。
【請求項７】
光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、集光されて前記光記録媒体により反射された前記出射光を受光する光検出器とを備え、請求項１〜５のいずれかに記載の液晶素子を前記光源と前記光記録媒体との間に備えることを特徴とする光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板内面に微細な凹凸が設けられた電極付き基板を用いた液晶素子及びそれを用いた光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光ディスク等に光学情報を書き込んだり、光学的情報を読み取る光ヘッド装置において、ＣＤとＤＶＤのように、異なったカバー厚の光記録媒体に対して、信号の読み書きをひとつの光ヘッド装置で行うこと必要とされている。【０００３】
さらに最近では、光ディスクの記録密度を向上させるため、光源からの出射光の波長を４００ｎｍ程度とし、カバー厚を１００μｍとした光ディスク（Ｂｌｕ-ｒａｙ  ＤＩＳＣ。以下「ＢＤ」という。）や、出射光の波長を４００ｎｍ程度とし、カバー厚を６００μｍとした光ディスク（ＨＤＤＶＤ）が登場している。さらに、両光ディスクにおいて、カバー厚が２０〜２５μｍ異なる２層光ディスクも開発されている。
本発明では、この２種類の光ディスクの規格に限定されることなく、波長が３９０〜５００ｎｍのレーザー光を青色レーザー光と定義する。カバー厚についてもこれら２種類の光ディスクの規格に限定されない。【０００４】
このようなカバー厚補正のため、焦点距離を変える必要がある。このため、対物レンズを機械的に移動させて、複数の異なる焦点距離に切り替えたり、光路中にレンズ機能を有する液晶素子を設置して電圧の印加状態により、複数の異なる焦点距離に切り替えることが提案されている。【０００５】
レンズ機能を有する液晶素子（以下「液晶レンズ素子」ともいう）は、液晶素子を構成する基板の少なくとも１枚の基板の透明電極上に鋸歯状の凹凸を形成し、一対の基板間に液晶を充填している。このような液晶レンズ素子は、印加電圧に応じて液晶の屈折率が変化するので、焦点距離を切り替えることができ、光ヘッド装置に用いて２層の記録層に対して読み書きを可能にする（特許文献１参照）。【０００６】
液晶レンズ素子ではたとえば、液晶の常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅのいずれか一方を、凹凸の凸部を形成する材料の屈折率ｎｓにほぼ等しい構成とすることにより、電圧非印加時と電圧印加時で液晶と凸部との屈折率差が、Δｎ（＝ｎｏ−ｎｅ）からゼロまで変化する。また、屈折率ｎｏの凹凸の深さを電圧非印加時にΔｎ×ｄ（凹凸の深さ）＝λ（真空中の光の波長）の関係を満たすように形成することにより、電圧非印加時にはほぼ１００％の回折効率が得られフレネルレンズとして機能する。また、この場合、電圧印加時には液晶の屈折率はｎｏとなり、フレネルレンズとして機能せず、光は全て透過する。その結果、液晶レンズ素子の印加電圧を変化させることにより、２つの焦点を切り替えることができる。【０００７】
さらに、凹凸の凸部を形成する材料の屈折率ｎｓを液晶の常光屈折率ｎｏ、液晶の異常光屈折率ｎｅの間に設定し、電圧オフ（充分に低い電圧を印加）、電圧オン（充分に高い電圧）及び中間の電圧で液晶の屈折率が材料の屈折率ｎｓと等しくなる電圧の３つの電圧を制御して、液晶レンズを凹レンズ、凸レンズ、レンズなしの３つの焦点を切り替えて使用することができる（特許文献１参照）。【０００８】
これらの光ヘッド装置に用いられる液晶素子は、初期（電界非印加）状態において、液晶分子が基板に対しておおよそ水平配向（ホモジニアス配向）とした水平配向型と、初期（電界非印加）状態において、液晶分子が基板に対しておおよそ垂直配向（ホメオトロピック配向）とした垂直配向型とがある。垂直配向型の液晶素子には、負の誘電率異方性を有するネマティック液晶が用いられ、基板に垂直に配列させた液晶分子を、印加電圧によって基板の水平方向に配向させるモードが用いられる。【０００９】
このような用途に用いられる液晶素子は、通常、配向膜が設けられた一対の基板間に液晶層が封止された構成となっている。配向膜は、ポリイミド膜をラビングしたものが一般的に用いられているが、波長が５００ｎｍ以下の青色レーザー光をポリイミド配向膜で構成された液晶素子に入射させた場合、液晶素子が光損傷を受けやすく、液晶素子が時間と共に劣化しやすいという問題点があった。この原因として、ポリイミド膜が短波長の光照射により劣化し、液晶の配向性に影響を与えていることが知られている。【００１０】
そこで、青色レーザー光に用いる液晶素子の配向膜を、酸化シリコン等の無機物材料により形成する方法が提案、実施されている。この方法は、酸化シリコン等の無機物材料を基板の法線に対して所定の斜め方向から蒸着供給することで、一方向に蒸着分子をそろえた配向膜を得ることができ、斜方蒸着法と呼ばれる。無機物材料の斜方蒸着法による配向膜は、ポリイミド膜による配向膜と異なり、ラビングレスであるため、ごみの付着や傷の発生もなく、また、無機配向膜であるため、光照射による配向膜の劣化も無視できる。【００１１】
一方、無機配向膜からなる垂直配向膜は、有機配向膜と比較して配向安定性が劣ることが知られている。また、無機酸化物の斜方蒸着法による配向膜の表面構造は、多孔質であり、その表面には分極した水酸基が多数存在しているために、液晶素子に含まれる不純物などを吸着しやすい。特に高温高湿度試験において、水を吸着しやすく、配向膜表面に水分などの不純物を吸着すると、表面の形状や極性が変化して、垂直アンカリング力が低下し、配向異常を起こすことが知られている。【００１２】
そこで、無機配向膜の垂直アンカリング力を強化して配向安定性を改良する方法として、斜方蒸着法による配向膜をシランカップリング剤で表面処理する表面改質法が提案されている（特許文献２参照）。
また、斜め蒸着配向膜を金属アルコラート剤で表面処理する表面改質が提案されている（特許文献３参照）。【００１３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００５−７６２６５号公報
【特許文献２】特開平５−２０３９５８号公報
【特許文献３】特開２００６−４７６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
通常のシランカップリング剤や前記特定の金属アルコラート剤で斜方蒸着法による配向膜を表面処理した場合、平面基板では良い垂直配向性が得られる。しかし、微細な凹凸、すなわち０．５μｍ以上の微細な凹凸を有する基板に配向させる場合では、いずれも均一な垂直配向が得られにくい。特に、特許文献３に記載のような金属アルコラート剤は段差がある基板に用いた場合、反応生成物が部分的に厚膜になりやすいためか、均一な垂直配向が得られにくいことが想定される。
本発明は、微細な凹凸を有する電極付き基板において、斜方蒸着法による配向膜を表面処理した場合であっても、安定な垂直配向性が得られる液晶素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
すなわち、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、下記の要旨を有する。【００１６】
［１］少なくとも一方の基板表面には０．５μｍ以上の凹凸が設けられた一対の電極付き基板間に液晶層を挟持した液晶素子であって、前記電極付き基板がその表面に斜方蒸着することにより形成された無機酸化物被膜と、前記無機酸化物被膜の表面を下記式（１）にて表されるフルオロシランカップリング剤で処理することにより形成された表面処理層とを有することを特徴とする液晶素子。【００１７】
【化１】
2008143295.tif 000003
【００１８】
ただし、Ｒｆは、−ＣｍＦ２ｍ−（ただし、ｍは２〜２０の整数）を含む炭素数２４以下の有機基（ただし、前記有機基のケイ素原子に結合する末端原子は炭素原子からなり、アルキレン基の炭素−炭素原子間には酸素原子またはイオウ原子を有していてもよい）であり、Ｘ１及びＸ２は、それぞれ独立に、加水分解性基またはケイ素原子に結合する末端原子が炭素原子である炭素数６以下の有機基を表す。【００１９】
［２］Ｒｆが、−（ＣＦ２）ｍ−（ただし、ｍは２〜２０の整数）を含む有機基である前記［１］に記載の液晶素子。【００２０】
［３］Ｒｆが、Ｆ−（ＣＦ２）ｍ−（ＣＨ２）ｎ−（ただし、ｍは２〜２０の整数、ｎは１〜６の整数、ｍ＋ｎは２４以下の整数）であるフルオロシランカップリング剤である前記［２］に記載の液晶素子。【００２１】
［４］Ｘ１及びＸ２が、塩素原子であるフルオロシランカップリング剤である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の液晶素子。【００２２】
［５］凹凸がフレネルレンズ形状を有する、前記［１］〜［４］のいずれかに記載の液晶素子。【００２３】
［６］少なくとも一方の基板表面には０．５μｍ以上の凹凸が設けられた一対の電極付き基板の夫々の電極側の表面に無機酸化物を斜方蒸着して無機酸化物被膜を形成し、前記無機酸化物被膜の表面を前記式（１）にて表されるフルオロシランカップリング剤により処理して表面処理層を形成し、得られた前記電極付き基板間に液晶を封入することを特徴とする前記［１］〜［５］のいずれかに記載液晶素子の製造方法。【００２４】
［７］光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、集光されて前記光記録媒体により反射された前記出射光を受光する光検出器とを備え、前記［１］〜［５］のいずれかに記載の液晶素子を前記光源と前記光記録媒体との間に備えることを特徴とする光ヘッド装置。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、０．５μｍ以上の微細な凹凸が設けられた電極付き基板に、無機酸化物を斜方蒸着して配向膜を形成し、その配向膜の表面を、ポリフルオロアルキレン基を含む特定のクロルシラン系のシランカップリング剤で表面処理する。これにより、良好な液晶の垂直配向性が得られ、光の利用性能に優れた液晶素子を提供できる。
また、無機酸化物の斜方蒸着による配向膜及び本発明のポリフルオロアルキレン基を含むクロルシラン系のシランカップリング剤は、３９０〜５００ｎｍの短波長域に吸収を持たないため、波長が５００ｎｍ以下の青色レーザー光に用いても液晶素子の配向膜劣化を生じにくい。また、不純物や水などの吸着を抑制して優れた信頼性を有しており、前記液晶素子を搭載した光ヘッド装置も安定に機能させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の液晶素子の代表的な例の断面図である。
【図２】本発明の液晶素子を光ヘッド装置に使用した場合の例の模式図である。
【符号の説明】
【００２７】
１１、１２：基板
１３、１４：電極
１５：シール
１６：液晶層
１７：凹凸
１８：駆動用電源
２１：光源
２２：ビームスプリッター
２３：コリメーターレンズ
２４：液晶素子
２５：対物レンズ
２６：光学記録媒体
２６Ａ、２６Ｂ：記録層
２７：光検出器
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の液晶素子は、一対の電極付き基板（その少なくとも一方は０．５μｍ以上の微細な凹凸が設けられた電極付き基板である）を無機酸化物の斜方蒸着による配向膜を式（１）で表されるシランカップリング剤で表面処理した垂直配向膜が備わった液晶素子である。また、光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、集光されて前記光記録媒体により反射された前記出射光を受光する光検出器と、前記光源と前記光記録媒体との間の光路中に前記液晶素子が配された光ヘッド装置である。【００２９】
本発明の液晶素子を、図１および図２を参照しながら説明する。
図１は、本発明の液晶素子の代表的な例の断面図である。
図１において、液晶レンズ素子１０は、基板１１、１２、電極１３、１４、シール１５、液晶層１６、凹凸１７、駆動用電源１８を有している。
本発明においては、少なくとも一方の電極付き基板の内面（液晶層側）には０．５μｍ以上の微細な凹凸が設けられ、両方の電極付き基板表面には斜方蒸着による配向膜が設けられ、さらにその表面に前記式（１）にて表されるフルオロシランカップリング剤による処理層が設けられている。基板の内面の微細な凹凸は、０．５〜１０μｍ程度とされる。【００３０】
基板１１、１２は、少なくとも一方は透明基板であり、ガラス、プラスチック、セラミック、金属等の各種材料からなる基板が使用できる。透過型液晶素子として使用する場合には、両基板とも透明基板とする。青色レーザー光用の光ヘッド用としては、耐久性の点からガラス基板の使用が好ましい。
電極１３、１４は、少なくとも一方は透明電極であり、ＩＴＯ、ＳｎＯ２等の透明電極が用いられる。通常は、両方の電極とも透明電極とすればよい。なお、これらは一部にアルミニウム、クロム等の低抵抗の金属配線による給電電極を接続してもよい。【００３１】
本発明の凹凸は、基板自身に凹凸を形成してもよいし、基板上に透明な材料を積層して透明材料層による凹凸を形成してもよいし、電極を形成した基板の電極面上に透明な材料を積層して透明材料層による凹凸を形成してもよい。図１の例では、基板上に透明な材料を積層して透明材料層による凹凸を形成して、その上に電極を形成している。この凹凸を形成する透明な材料は、所望の屈折率を有する有機材料あるいは無機材料が各種使用できるが、青色レーザー光用の光ヘッド用としては耐光性の点から、金属酸化物、金属酸窒化物、金属フッ化物等の無機材料が好ましい。この凹凸は、エッチング法やプレス法等の公知の製法で形成すればよい。【００３２】
本発明の凹凸は、図１において高さｄで表される０．５μｍ以上の微細な凹凸である。その凸部または凹部を基点としてみた場合、凹部の深さまたは凸部の高さである段差が実際上は、水平距離に対して１／２０以上の傾きまたは段差を有する凹凸である。すなわち、１μｍの段差が水平距離２０μｍの範囲内で生じるような凹凸を意味する。本発明では、凸部または凹部の両側で計測できる水平距離が異なる場合には、そのいずれか短い水平距離を意味するものとする。本発明は、このような条件を満足する凸部または凹部が少なくとも１個ある液晶素子に使用できる。もちろん、複数ある凸部または凹部の内、複数または全ての凸部または凹部がこれに該当してもよい。【００３３】
図１の例のようなフレネルレンズを構成する鋸歯状の場合、傾斜面の基板面への投影距離が水平距離にあたり、凸部の頂点の高さが高さｄにあたる。この鋸歯状を階段状にした擬似鋸歯状の場合には、個々の階段の段差で０．５μｍ以上を満足していてもよいし、個々の階段の段差ではなく、複数の段数を有する階段全体としての段差が０．５μｍ以上を満足してもよい。後者の場合には、一番上の段と底辺との段差が高さｄにあたり、最上段を除く複数の階段の階段面の水平距離の合計が水平距離にあたる。本発明は特に、この階段状の擬似鋸歯状の形状を用いた場合に効果が大きい。これは、階段状の段差部で配向の乱れが生じやすいためであり、本発明の前記式（１）で表されるフルオロシランカップリング剤による配向膜表面の表面処理の効果が大きい。【００３４】
また、凹凸が、断面が矩形の線状凸部からなる回折格子の場合には、凹部の底辺が水平距離にあたり、凸部の高さが高さｄにあたる。また、回折格子で断面形状が台形状の場合には、凹部の底辺と傾斜面である凸部の側辺の基板面への投影距離の合計が水平距離にあたり、凸部の高さが高さｄにあたる。回折格子の場合も、段差の一方が階段状になっている回折格子の場合に、本発明の効果は大きい。【００３５】
本発明では、このような０．５μｍ以上の微細な凹凸がある基板を用いた場合においても、本発明の特定のシランカップリング剤を用いることにより、波長が３９０〜５００ｎｍ、特に波長が４０５ｎｍ付近の光を照射し続けても、無機物材料から形成される垂直配向膜は劣化しにくく、液晶素子を構成する液晶層の配向性に影響を与えにくい。したがって、この液晶素子を光ヘッド装置に搭載した場合、長期にわたり入射光の波面変化が生じにくく、安定性の高い光ヘッド装置が得られる。【００３６】
本発明の液晶素子の代表的な例では、図１に示すようなフレネルレンズを構成する鋸歯状の凹凸のほか、鋸歯状を階段状にして近似した擬似鋸歯状の凹凸でフレネルレンズ機能をもたせることもできる。また、単純なレンズ構造でない収差補正用の液晶素子や、回折格子用の液晶素子とすることもできる。
本発明では、青色レーザー光の焦点距離を切り替える目的に最適なので、以下の説明では、凹レンズまたは凸レンズとして機能する液晶レンズ素子を代表例として説明する。【００３７】
液晶素子を構成する基板は、２枚に限らず、３枚以上であってもよい。いずれの構成も１つの電極付き基板と他の電極付き基板との間には液晶層が挟持され、電極付き基板が液晶層に接する面には無機酸化物の斜方蒸着による配向膜を前記式（１）で表されるシランカップリング剤で表面処理した垂直配向膜が備えられている。電極付き基板の枚数は、使用目的に応じて選択すればよく、液晶レンズ素子を複数個積層した構成や、液晶レンズ素子に液晶収差補正素子や液晶回折格子を積層した構成等がある。また、必要に応じて電極付き基板の外面側（液晶層とは反対側）を凹状、凸状などのレンズ形状にしたり、回折格子を形成したりしてもよい。また、電極付き基板の外面に無反射コート層や位相板を形成してもよい。【００３８】
本発明では、微細な凹凸を有する電極付き基板の表面の電極または凹凸の表面に斜方蒸着により無機酸化物を堆積させて配向膜を形成する。本発明の斜方蒸着は、斜め方向から基板上に無機酸化物を堆積させることができればよいので、通常の狭義の斜方蒸着のほか、斜方スパッタも含み、斜方蒸着にイオンビームエッチングを併用することもでき、液晶素子毎に最適な方法で形成すればよい。なお、この斜方蒸着を行う前に、電極または凹凸の表面に無機酸化物の絶縁層を積層して、斜方蒸着膜の付着力を強化してもよい。また、表面に凹凸を有しない電極付き基板についても同様に斜方蒸着により無機酸化物を堆積させて配向膜を形成する。【００３９】
斜方蒸着して堆積される無機酸化物として、ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＷＯ３、Ｂｉ２Ｏ３等が挙げられる。また、これらの複合酸化物も使用でき、たとえば、（１−ｙ）ＳｉＯｘ＋ｙＺｒＯ２ 、（１−ｙ）ＳｉＯｘ＋ｙＴｉＯ２ （０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜１）などの酸化物でもよい。これらの中で、液晶分子の配向状態の優れた安定性が得られるため、ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）を使用することが好ましい。なお、斜方蒸着に用いられる原料は、堆積される無機酸化物と同じ材料でもよいし、蒸着工程中に酸化されたり、２種類の化合物による複合酸化物を形成するような材料を選択してもよい。【００４０】
斜方蒸着する方法として、たとえば堆積される無機酸化物としてＳｉＯｘを用いる場合、真空蒸着装置内において、ＳｉＯｘ蒸着源の鉛直上に電極付き基板を配し、鉛直線と電極付き基板表面の法線とがなす角度を例えば３０°〜７０°になるように設定し、電極付き基板温度を室温から３００℃までの間に設定してＳｉＯｘを真空蒸着させる。酸素量ｘの調整は、酸素ガス濃度を調整することで実現できる。なお、上記の原料のＳｉＯｘのｘと堆積物のＳｉＯｘのｘとは同じでなくてもよい。【００４１】
次に、上記斜方蒸着により形成した無機酸化物被膜を、下記式（１）にて表されるフルオロシランカップリング剤により処理して配向膜を形成する。【００４２】
【化２】
2008143295.tif 000004
【００４３】
ただし、Ｒｆは、−ＣｍＦ２ｍ−（ただし、ｍは２〜２０の整数）を含む炭素数２４以下の有機基（ただし、前記有機基のケイ素原子に結合する末端原子は炭素原子からなり、アルキレン基の炭素−炭素原子間には酸素原子またはイオウ原子を有していてもよい）であり、
Ｘ１及びＸ２は、それぞれ独立に、加水分解性基またはケイ素原子に結合する末端原子が炭素原子である炭素数６以下の有機基を表す。【００４４】
上記Ｒｆは、少なくとも炭素数２〜２０のペルフルオロアルキレン基を含むポリフルオロアルキレン基を含む炭素数が２４以下の有機基である。有機基のアルキレン基の炭素−炭素原子間に酸素原子またはイオウ原子を有していている基としては、ペルフルオロオキシアルキレン基やペルフルオロポリ（オキシアルキレン）基が好ましい。Ｒｆの有機基のケイ素原子と反対側にはペルフルオロアルキル基とされていることが好ましい。この有機基のケイ素原子側の末端にはフッ素原子を含まない比較的短い２価の連結基があることが好ましい。この２価の連結基としては炭素数1〜６のアルキレン基、−ＣＯＯＲ１−、−ＣＯＮＨＲ１−、−ＣＯＮ（Ｒ２）Ｒ１−、−ＳＯ２ＮＨＲ１−などがあり（Ｒ１は炭素数２〜６のアルキレン基、Ｒ２は炭素数１〜４のアルキル基を表す）、そのうちでもアルキレン基が好ましい。なお、Ｒｆで表される有機基のケイ素原子側末端は炭素原子からなり、これによりこの有機基は加水分解性の基ではない。【００４５】
Ｘ１、Ｘ２は、それぞれ独立に、加水分解性基または非加水分解性の有機基であり、非加水分解性の有機基としては炭素数４以下のアルキル基が好ましい。Ｘ１、Ｘ２の内少なくとも１つは加水分解性基であることが好ましく、特に、いずれも加水分解性基であることが好ましい。加水分解性基としては、ハロゲン原子、アルコキシ基、アルコキシアルコキシ基、アシル基などがあり、特に塩素原子や炭素数４以下のアルコキシ基が好ましい。【００４６】
一般に、配向膜表面の臨界表面張力と液晶の表面張力の差が大きいほど液晶の垂直アンカリング力が増すという経験則がある。そこで、前記式（１）で表されるフルオロシランカップリング剤で表面修飾をすることによって、配向膜表面の表面張力は小さくなり、強い垂直アンカリング力が得られる。【００４７】
また、高温高湿度試験では、斜方蒸着した無機酸化物による配向膜表面にある水酸基に水などが吸着すると垂直アンカリング力が低下し配向異常を起こす恐れがあるが、前記修飾剤を用いることによって、安定した配向性能を得ることができる。【００４８】
特に、０．５μｍ以上の凹凸を有する基板を用いた液晶素子に垂直配向させる場合では、フルオロシランカップリング剤であっても、ケイ素原子に結合する加水分解基としてアルコキシ基のみを有するフルオロシランカップリング剤を用いた場合には、良い配向性能が得られなかった。具体的には、斜方蒸着によるＳｉＯ２膜を加水分解基としてアルコキシ基のみを有するフルオロシランカップリング剤で表面修飾する場合では、反応性が低く、形成される表面処理層の膜厚は不均一に厚くなりやすく、ポリフルオロアルキレン基含有有機基は無秩序な方向に並び、均一な液晶の配向性が得られなかった。【００４９】
一方、加水分解基として塩素原子を有する前記式（１）のフルオロシランカップリング剤は、斜方蒸着により形成された無機酸化物被膜の水酸基との脱塩化水素反応によって、室温で反応が速やかに起こるため、無機酸化物被膜との反応性が高く室温で反応が速やかに起こるため、基板表面との結合力が強く、均一な薄膜の表面処理層が形成されやすい。特に、膜厚１５ｎｍ程度のより高密度に配列したポリフルオロアルキレン基含有有機基の表面処理層が形成されやすい。このため、均一に配向したポリフルオロアルキレン基含有有機基に配向して、均一で安定した液晶の垂直配向が得られやすい。【００５０】
前記した効果を得るためには、本発明では前記したようにＲｆは、−ＣｍＦ２ｍ−（ただし、ｍは２〜２０の整数）を含む。特に、直鎖状のフルオロメチレン基連鎖−（ＣＦ２）ｍ−（ただし、ｍは２〜２０の整数）を含むことが好ましい。すなわち、炭素数が２〜２０のジフルオロメチレン基連鎖や、連結基としての酸素原子または硫黄原子を除いた場合に、−（ＣＦ２）ｍ−（ただし、ｍは２〜２０の整数）になるようなペルフルオロオキシアルキレン基、またはそれらの基とペルフルオロアルキレン基、ペルフルオロオキシアルキレン基との組み合わせが用いられる。たとえば、ペルフルオロオキシアルキレン基の例として、−（ＣＦ２）４−Ｏ−（ＣＦ２）２−Ｏ−や−（ＣＦ２）２−Ｏ−（ＣＦ２）２−などがあり、前者は酸素原子を除いてｍを計算するのでｍ＝６、後者は同様にｍ＝４となる。なお、ケイ素原子側とは逆の末端は、酸素原子や硫黄原子を含まない炭素数が２以上、特には、４以上のペルフルオロアルキル基であることが、安定な垂直配向性の観点からは好ましい。【００５１】
特に、Ｒｆとしては、−（ＣＦ２）ｍ−と連結基としてのアルキレン基とを含む炭素数２４以下の有機基は、表面修飾基の結合エネルギーが高く、さらに３９０〜５００ｎｍの青色レーザー光波長域にも吸収を持たないため、５００ｎｍ以下の青色レーザー光に用いた場合の耐光性を向上させるため好ましい。特に、このＲｆは、Ｆ−（ＣＦ２）ｍ−（ＣＨ２）ｎ−（ただし、ｍは２〜２０の整数、ｎは１〜６の整数で、ｍ＋ｎは２４以下の整数）であることが好ましい。【００５２】
さらに、このＲｆは、Ｆ−（ＣＦ２）ｍ−（ＣＨ２）ｎ−で表され、ｍが４〜１２であり、ｎが２〜４である有機基が好ましい。ｍが４以上であると、フルオロアルキル基の配向性（結晶性）が高くなり、それに伴って液晶の配向性を向上させるため好ましい。【００５３】
Ｘ１及びＸ２としては、いずれもが塩素原子であると反応性が高くなり、短時間で表面処理が完了するため、好ましい。また、無機酸化物被膜とフルオロシランカップリング剤との反応だけで無く、フルオロシランカップリング剤同士の反応も起こると考えられるため、より密度が高く強固な表面処理層が得られるため、表面処理層の信頼性が向上して好ましい。【００５４】
以下において、液晶素子を構成する電極付き基板は２枚使用するものとして説明する。
液晶素子を構成する２枚の透明な電極付き基板には、液晶層に電圧を印加することで液晶素子を透過する光の波面形状を変化させることができるように、一方は凹凸を有する基板１１とし、他方は平面状の基板１２とし、いずれもその表面に透明電極１３，１４が形成されている。この液晶素子を液晶レンス素子として光ヘッド装置に用いることにより、印加電圧の大きさに応じて焦点距離を切り替え、光ディスクのカバー厚を補正することができる。【００５５】
基板１１と基板１２とは周辺部をシール１５で封止して、基板１１上の凹凸１７が基板１２上の電極と接触しないように間隙ｇをおいて空セルを構成し、その空セル内に液晶を封入して液晶層１６を設ける。ここで用いられる液晶は、ネマチック液晶が用いられる。このネマチック液晶は、電圧無印加時に基板面にほぼ垂直配向し、印加電圧を上げてゆくと徐々に水平に配向する。【００５６】
この液晶層１６には、常光屈折率ｎｏ及び異常光屈折率ｎｅを有するネマチック液晶を用いている。凹凸１７は、屈折率ｎｓ（ただしｎｏ＝ｎｓ）の透明材料を用いて形成しており、高さｄを有する断面凹凸形状となっている。この凹凸１７は、焦点距離を可変とする液晶レンス素子の場合には、フレネルレンズを構成する鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した擬似鋸歯状を有するものであり、図１の有効径Φの領域では入射光の光軸（Ｚ軸）に対して回転対称性を有するように形成すればよい。【００５７】
図２は、本発明の液晶素子を光ヘッド装置に使用した場合の例の模式図である。
図２において、光源２１から出たレーザー光は、ビームスプリッター２２を経由してコリメーターレンズ２３に入射し、平行光線化されて本発明の液晶素子２４に入射し、対物レンズ２５で光学記録媒体２６の記録層２６Ａ、２６Ｂのいずれかに集光される。この記録層２６Ａ、２６Ｂから反射した戻り光は、対物レンズ２５、液晶素子２４、コリメーターレンズ２３、ビームスプリッター２２を経て光検出器２７に到達する。【００５８】
液晶素子２４として液晶レンズ素子を用いた例に基いて説明する。液晶素子２４の区画２８は図１の有効径Φの領域を示す。
液晶素子２４に電圧を印加していない場合には、液晶素子の中で液晶分子はほぼ基板に垂直に配向していて、常光屈折率ｎｏを示す。凹凸を形成する材料の屈折率ｎｓを液晶の常光屈折率ｎｏと一致させておくことにより、凹凸と液晶の屈折率の差がなくなり、液晶素子２４はレンズとして機能しない。このため、手前側の記録層２６Ａに焦点が合う。【００５９】
一方、液晶素子２４に充分高い電圧を印加した場合には、液晶素子の中で液晶分子はほぼ基板に水平に配向していて、入射光の偏光方向により常光屈折率ｎｏ〜異常光屈折率ｎｅを示す。液晶分子の長軸に直交する偏光方向の入射光を除く直線偏光の入射光またはランダム偏光の入射光の場合には、液晶素子２４の液晶は、常光屈折率ｎｏ〜異常光屈折率ｎｅの間の屈折率ｎｘを示す。このため、図２の区画２８で示す領域ではｎｘ＞ｎｓとなり、液晶レンズは凹レンズとして機能し、記録層２６Ｂに焦点が合う。【００６０】
前記例では、鋸歯状の凹凸が凹レンズになる構成にしたが、鋸歯状の凹凸が凸レンズになるような構成にすることもでき、その場合には、電圧を印加しないときに奥の記録層２６Ｂに焦点が合うようにしておき、電圧を印加したときに凸レンズとして機能して手前側の記録層２６Ａに焦点が合うようにすればよい。また、液晶素子を２個重ね、夫々の液晶素子の液晶が水平配向したときの配向方向、すなわち液晶分子の長軸方向を直交するように配置しておくことにより、任意の直線偏光の入射光に対してレンズ機能をもたせることができる。【００６１】
また、前記例では、屈折率ｎｓ（ただしｎｏ＝ｎｓ）の透明材料を用いた例を説明したが、屈折率ｎｓ（ただしｎｘ＝ｎｓ）の透明材料を用いてもよい。この場合には、電圧を印加したときに凹凸と液晶の屈折率を合わせることができ、液晶素子はレンズとして機能しなく、電圧を印加しないときに凹凸と液晶の屈折率がずれることにより、レンズとして機能することになる。【００６２】
図２には示されていないが、４分の１波長板などの位相板を液晶素子に積層して用いたり、レーザー光を回折させるための回折格子を組み込んだり、複数の光源や複数の検出器を設ける等、通常の光ヘッド装置で用いられる構成を付加してもよい。
【実施例】
【００６３】
以下、実施例及び比較例を用いて説明するが、本発明は、以下の実施例に限定して解釈されるものではない。
例１〜例６
ガラス基板上にＩＴＯを蒸着して透明電極付きの平面状の基板を２枚作製した。一方のガラス基板上にＳｉＯｘＮｙを用いて屈折率ｎｓ＝１．５２になるようにｘとｙとを実験的に求めて４段の階段状の擬似鋸歯状のフレネルレンズを構成するエッチングにより凹凸を形成した。この凹凸はｄが２．５μｍ（４段分の高さ）であり、擬似鋸歯状の階段の基板面への投影距離である水平距離は９５μｍ〜１６μｍであった。階段の逆側はほぼ垂直の側面であった（水平距離はほぼ０）。
なお、ＳｉＯｘＮｙの膜は、先ず製造条件を振って製造を行い、製造条件と屈折率との関係を求めた。これに従い、所望の屈折率になるように、製造条件を決めて製造した。【００６４】
この平面状の基板及び凹凸状の基板の上に、電子線加熱（ＥＢ）法を用いた斜方蒸着により、ＳｉＯｘ（１＜ｘ＜２）膜を膜厚が８０ｎｍとなるよう真空蒸着して配向膜となる無機酸化物被膜を形成した。このとき基板温度は２００℃、基板の法線と蒸着角とのなす角度が５０°となるように設定した。【００６５】
続いて、斜方蒸着により形成した無機酸化物被膜の表面を何も処理しないか（試験例１）、下記式（２）〜（６）の化合物を用いて無機酸化物被膜の表面を処理した（試験例２〜試験例６）。この表面処理は、下記式（２）〜（６）の化合物２ｇをヘキサンに溶かして合計２００ｇになるようにした溶液に浸漬後、表面処理した基板を含フッ素系の溶媒中で超音波洗浄した。【００６６】
ＣＦ３（ＣＦ２）７−ＣＨ２ＣＨ２−ＳｉＣｌ３            （２）
ＣＦ３（ＣＦ２）７−ＣＨ２ＣＨ２−Ｓｉ（ＣＨ３）２Ｃｌ    （３）
ＣＦ３（ＣＦ２）５−ＣＨ２ＣＨ２−ＳｉＣｌ３            （４）
ＣＨ３（ＣＨ２）７−ＳｉＣｌ３                          （５）
ＣＦ３−ＣＨ２ＣＨ２−ＳｉＣｌ３                        （６）【００６７】
このようにして表面処理した（試験例１は表面処理なし）２枚の基板を、互いにアンチパラ配向になるように対向させ、周辺部でシールして空セルを形成し、空セル内に負の誘電異方性のネマチック液晶（常光屈折率ｎｏ＝１．５２、異常光屈折率ｎｅ＝１．７０）を封入して、注入口を封止した。この液晶レンズ素子の初期配向状態と、６０℃９０％の高温高湿槽内で１００時間経過後の配向状態を確認した。その結果を表１に示す。
また、初期における無処理の場合と上記式（２）〜（６）の化合物で表面処理した場合の配向膜表面の接触角を表１に示す。表１の「接触角Ａ」は水に対する接触角、「接触角Ｂ」はヘキサデカンに対する接触角を示す。
なお、接触角の測定は、協和界面科学社製のウエハー洗浄処理評価装置（ＣＡ−Ｘ２００）を用いて行った。【００６８】
【表１】
2008143295.tif 000005
【００６９】
例１（比較例）では、斜方蒸着による無機酸化物被膜を、表面処理を行わないで使用しているため、ＳｉＯｘの表面のトポロジカルな効果でのみ配向していて、垂直アンカリング力が弱い。このため、初期には正常に配向をしていたが、配向安定性が悪く、高温高湿試験１００時間後は配向不良が起こってしまった。【００７０】
例２〜例４（実施例）は、斜方蒸着による無機酸化物被膜を本発明のフルオロシランカップリング剤を用いて表面処理している。この液晶素子の配向性は良く、初期での配向はもちろん、高温高湿試験１００時間後も配向の劣化はなく、配向は良好であった。また、所望の電圧を印加しても均一な液晶配向が得られた。
また、例２は塩素原子が３つであり、例３は塩素原子が１つであるフルオロシランカップリング剤で表面処理をしている。塩素原子の数が増えると反応性が高くなるため、例３ではフルオロシランカップリング剤の反応に１時間以上かかってしまったのに対し、例２では１分で反応がほぼ完了した。【００７１】
例５（比較例）は、非フッ素系のアルキルシランカップリング剤で表面処理をしている。アルキルシランカップリング剤では、アルキル基は親油性が高く、アルキル基と液晶分子のアルキル基との表面張力差が小さいことから垂直アンカリング力は不充分である。このため、表面処理を行わない例１よりは配向不良の程度が改善されるものの、高温高湿試験１００時間後は配向不良が起こってしまった。【００７２】
例６（比較例）は、フルオロアルキル基の炭素数が１でアルキル基の合計炭素数が３のフルオロシランカップリング剤を用いて表面処理している。この表面処理では、表面処理を行わない例１より配向性が悪くなり、初期においても均一配向が得られなかった。これはフルオロアルキル基を含むアルキル基の炭素鎖長が短いため、アルキル基自身の配向性が弱く、それによって液晶の配向性も悪くなったためと考えられる。【００７３】
凹凸状の基板として、ガラス基板上にＳｉＯｘＮｙを用いて屈折率ｎｓ＝１．５２になるようにｘとｙとを実験的に求めて４段の階段状の擬似鋸歯状のフレネルレンズを構成するエッチングにより凹凸を形成し、その表面にＩＴＯを蒸着して透明電極付を形成したものを用いる他は、例１〜例６と同様にして液晶レンズ素子をすることにより、表１と同様な結果を得ることができる。【００７４】
例７
例２の液晶レンズ素子を図２の光学系に配置する。電圧を印加しないときには、液晶レンズ素子の中で液晶分子はほぼ基板に垂直に配向し、常光屈折率ｎｏを示す。凹凸を形成する材料の屈折率ｎｓを液晶の常光屈折率ｎｏと一致させておくことにより、凹凸と液晶の屈折率の差がなくなり、液晶素子２４はレンズとして機能しなく、光学記録媒体２６の手前側の記録層２６Ａに焦点が合う。【００７５】
液晶レンズ素子にＡＣ２０Ｖを印加することにより、液晶レンズ素子の中で液晶分子はほぼ基板に水平に配向する。入射光の偏光方向を水平配向した液晶分子の長軸方向に一致するようにすれば、入射光に対して液晶はほぼ異常光屈折率ｎｅを示し、液晶レンズ素子は凹レンズとして機能し、光学記録媒体２６の奥側の記録層２６Ｂに焦点が合う。
すなわち、電圧のオンオフにより、液晶レンズ素子の焦点位置を変更して、複数の記録層に選択的に焦点を結ばせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、収差補正素子や回折格子等の他の微細な凹凸を有する液晶素子にも使用でき、基板内面に微細な凹凸がある配向膜への表面処理に起因する配向不良を減少させることができる。【００７７】
また、本発明の液晶素子を用いることにより、電圧のオンオフのみで機械的な駆動をしなくても容易に焦点位置を変更でき、青色レーザー光用の光ヘッド装置において優れた特性で耐久性のある光ヘッド装置を得ることができる。
なお、２００７年５月２１日に出願された日本特許出願２００７−１３４１４１号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
【図１】
2008143295.tif 000007
【図２】
2008143295.tif 000008
【国際調査報告】
2008143295.tif 000009
2008143295.tif 000010