(57)【要約】  【課題】  より簡便に且つ低コストで、高アスペクト比の微細構造を有する成形物を成形できる成形装置及び光学素子を提供する。  【解決手段】  型円板２ａにおいて、微細形状２ｂを周期方向（ラインアンドスペースの並び方向）に挟むようにしてアンカー部２ｃを形成しているので、微細形状２ｂの剪断強度よりも高い剪断強度を有するアンカー部２ｃにより、冷却時における素材Ｍの少なくとも型円板２ａに近い面の変形を抑えることができ、それにより転写された微細形状の離型時における曲がりや、ちぎれを抑制できる。【選択図】    図５
2006015522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的な微細形状と、その周期方向において前記微細形状を挟むアンカー部とを形成した型と、
常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を保持する保持部と、
前記型を加熱するヒータと、
前記型と前記保持部とを相対移動させる駆動部と、を有し、
前記型のアンカー部は、前記微細形状のピッチの２倍以上の幅を有し、
前記ヒータにより加熱した前記型を前記素材に向かって押圧して、前記微細形状及び前記アンカー部を前記素材に転写した後、前記型を前記素材より離型させることを特徴とする成形装置。
【請求項２】
前記型のアンカー部の高さは、前記微細形状の高さ以上であることを特徴とする請求項１に記載の成形装置。
【請求項３】
前記アンカー部は、前記素材に転写されることにより、前記微細形状の方向を示すマークを形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の成形装置。
【請求項４】
前記素材は光学素子の素材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成形装置。
【請求項５】
前記微細形状は、アスペクト比が１以上であり、所定のピッチで並んだ複数のラインアンドスペースを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の成形装置。
【請求項６】
アスペクト比が１以上であり、所定のピッチで並んだ周期的な微細形状と、前記微細形状の周期方向において、前記微細形状を挟む転写アンカー部とを形成したことを特徴とする光学素子。
【請求項７】
前記転写アンカー部の高さは、前記微細形状の高さ以上であることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記転写アンカー部は、前記微細形状の方向を示すマークを有することを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形装置及び光学素子に関し、特に高アスペクト比の微細形状を有する光学素子等を成形するのに好適な成形装置及び光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、急速に発展している光ピックアップ装置の分野では、極めて高精度な対物レンズなどの光学素子が用いられている。プラスチックやガラスなどの素材を、金型を用いてそのような光学素子に成形すると、均一な形状の製品を迅速に製造することができるため、かかる金型成形は、そのような用途の光学素子の大量生産に適しているといえる。
【０００３】
更に、近年の光ピックアップ装置は、より短波長の半導体レーザからの光束を用いて、ＨＤ  ＤＶＤ（High Definition DVD），ＢＤ（Blu-ray Disc）などの記録媒体に対して高密度な情報の記録及び／又は再生を行えるものが開発されており、その光学系の収差特性改善のため、微細構造である回折構造を光学面に設けることが行われている。又、そのような高密度な情報の記録及び／又は再生を行える光ピックアップ装置であっても、従来から大量に供給されたＣＤ、ＤＶＤに対しても情報の記録及び／又は再生を確保する必要があり、そのため波長選択性を備えた回折構造を設けることも行われている。又、ＤＶＤ及びＣＤなど互換可能に情報の記録及び／又は再生を行える光ピックアップ装置において、光学系を共通化するために位相差を与える波長板が用いられるが、微細構造を有するものも開発されている。
【０００４】
ここで、回折構造は、使用する光源波長にもよるが、例えば段差が最小２μｍ程度の輪帯構造であり、又、上述したタイプの波長板では、透過する光の波長１／２以下のピッチで並んだラインアンドスペース構造を有するため、通常の射出成形において、溶融した樹脂を型内に射出するのみでは、型に形成された微細構造の段差の奥深くに素材が入り込みにくく、そのため微細構造の転写が精度良くなされないという問題がある。転写不良（素材のダレ）により設計通りの微細構造が形成されないと、その光学特性が劣化してしまい、かかる光学素子を用いた光ピックアップ装置において書き込みエラーなどが生じる恐れがある。このため、素材の選定や、溶融した樹脂の温度や圧力を調整するなど、種々の工夫がなされているが、従来の方法では、ダレを完全になくすのは困難である。
【０００５】
一方、以下の特許文献１には、加熱軟化状態にあるガラス素材をプレスすることによって、表面に微細パターンを有する光学素子を成形する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２２０２４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１に記載の技術では、ガラス素材の表面に、幅約１００〜５０μｍ、高さが約２０〜１０μｍという、アスペクト比が０．２程度の微細形状を成形するのが限界である。これは、無機ガラスの常温での弾性率が７０ＧＰａ程度と高いため、その表面に３０００Ｎという非常に大きな力で加熱した型を押しつけても、微細構造の奥にガラス素材がスムーズに流れ込まず、その結果アスペクト比が０．２程度の微細形状しか成形できなかったのである。従って、例えばアスペクト比が１以上という微細形状を有する成形物は、試作品としては存在するかもしれないが、形状の揃った工業製品としては未だ存在していないといえる。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、より簡便に且つ低コストで、高アスペクト比の微細構造を有する成形物を成形できる成形装置及び光学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】
【０００８】
第１の本発明の成形装置は、周期的な微細形状と、その周期方向において前記微細形状を挟むアンカー部とを形成した型と、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を保持する保持部と、前記型を加熱するヒータと、前記型と前記保持部とを相対移動させる駆動部と、を有し、前記型のアンカー部は、前記微細形状のピッチの２倍以上の幅を有し、前記ヒータにより加熱した前記型を前記素材に向かって押圧して、前記微細形状及び前記アンカー部を前記素材に転写した後、前記型を前記素材より離型させることを特徴とする。
【０００９】
上述の問題点に鑑みて、本発明者らは鋭意研究の結果、従来と全く異なる視点から、微細形状を有する成形物を成形できる成形方法を創案した。すなわち、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であるような樹脂素材の場合、微細形状を有する型を加熱して、その型表面に押しつけると、押しつけた表面が溶融して微細形状に倣い、その結果、例えばアスペクト比が１以上であっても精密に型の微細形状を転写した成形物を得られることを見出したのである。かかる場合、特許文献１に記載されているように３０００Ｎもの型押圧力は不要であり、従来の射出成形機を改良するだけで足り、製造設備が低コスト化され、また短時間で大量な成形物を製造することが可能となる。
【００１０】
ちなみに、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であるような素材とは、例えばＰＭＭＡ（弾性率１．５〜３．３ＧＰａ）、ポリカーボネイト（弾性率３．１ＧＰａ）、ポリオレフィン（弾性率２．５〜３．１ＧＰａ）などの弾性率が１〜４の範囲の樹脂を組成成分として含有することが好ましい。ここで、常温とは２５℃のことをいう。これらの樹脂は、ガラス転移点が５０〜１６０℃であることが好ましい。弾性率は、ＪＩＳ−Ｋ７１６１、７１６２などに従い求めることができる。ガラス転移点温度は、ＪＩＳ  Ｒ３１０２−３：２００１に従い求めることができる。
【００１１】
ここで、本発明者らは、新たな問題に直面した。新たな問題とは、上述の成形方法により素材を成形した後に離型しようとすると、転写された素材の微細形状が、型の微細形状と分離せず、素材の微細形状の一部が引きちぎられてしまうという現象が生じることである。これを図面を用いて具体的に説明する。
【００１２】
図１（ａ）は、加熱した型ＭＤを素材Ｍに押しつけた状態を示す図であり、図１（ｂ）は、型ＭＤと素材Ｍの矢印Ｂ部を拡大して示す図である。一方、図１（ｃ）、（ｄ）は、冷却後に素材Ｍから型ＭＤを離型させた状態を示す図である。
【００１３】
本発明者らの研究によれば、型ＭＤと素材Ｍとは本来的に熱膨張率が異なるので、冷却時には熱膨張の差に応じて収縮量が異なることから、特に素材Ｍに内側に向かう引っ張り応力が生じることが判明した。かかる引っ張り応力は、微細形状の中央付近では大きな影響を与えないが、その周辺付近では、素材Ｍに大きな変形量を与える。そのため、離型時に、転写された微細形状ＭＳ’の根本が曲がったり（図１（ｃ）参照）、或いは転写された微細形状ＭＳ’が型ＭＤから離れず引きちぎれる（図１（ｄ）参照）という不具合が生じる。
【００１４】
そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、前記型において、周期方向において前記微細形状を挟むようにして前記微細形状のピッチの２倍以上の幅を有するようなアンカー部を形成すれば、前記微細形状の剪断強度よりも高い剪断強度を有する前記アンカー部により、冷却時における前記素材の少なくとも型に近い面の変形を抑えることができ、それにより転写された微細形状の離型時における曲がりや、ちぎれを抑制できることを導出したものである。
【００１５】
前記型のアンカー部の高さは、前記微細形状の高さ以上であると、前記微細形状が完全に離型するまで、前記素材の少なくとも型に近い面の変形を抑えることができる。
【００１６】
前記アンカー部は、前記素材に転写されることにより、前記微細形状の方向を示すマークを形成すると、例えば光学素子など光学特性に偏りがある場合、その方向を示すことができる。
【００１７】
前記素材は光学素子の素材であると好ましい。
【００１８】
前記微細形状は、アスペクト比が１以上であり、所定のピッチで並んだ複数のラインアンドスペースを含むと好ましい。
【００１９】
「アスペクト比」とは、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、微細構造の凹部又は凸部の幅をＡ、深さ又は高さをＢとしたときに、Ｂ／Ａで表される値をいう。「微細形状」とは、Ａの値が１０μｍ以下の形状をいう。素材の厚みは、好ましくは０．１〜２０ｍｍであり、より好ましくは１〜５ｍｍである。
【００２０】
第２の本発明の光学素子は、アスペクト比が１以上であり、所定のピッチで並んだ周期的な微細形状と、前記微細形状の周期方向において、前記微細形状を挟む転写アンカー部とを形成したので、転写成形された微細形状の離型時における曲がりや、ちぎれを抑制できる。
【００２１】
前記転写アンカー部の高さは、前記微細形状の高さ以上であると好ましい。
【００２２】
前記転写アンカー部は、前記微細形状の方向を示すマークを有すると好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、より簡便に且つ低コストで、高アスペクト比の微細構造を有する成形物を成形できる成形装置及び光学素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。図３は、本実施の形態にかかる光学素子の成形装置の断面図である。図３において、ＳＵＳ３０４により形成され不図示のフレームに固定された下型１の上方に、ＳＵＳ３０４により形成された上型２が相対移動可能に配置されている。保持部である下型１は、素材Ｍ（常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であると好ましい）を上面に固定している。
【００２５】
上型２の下面には、シリコン性の型円板２ａが固定されており、その下面には、例えば波長板に用いるため電子ビーム描画などによってアスペクト比が１以上の微細形状２ｂが形成されている。本実施の形態では、ＰＭＭＡ（分子量７万、ガラス転移点温度Ｔｇ１００℃、縦弾性率３．３ＧＰａ）の素材に、パターン面積が１ｍｍ×１ｍｍで、高さ３５０ｎｍ、幅２００ｎｍ、ピッチ２００ｎｍのラインアンドスペースの微細形状を転写形成するものとする。
【００２６】
図４は、型円板２ａの下面図であり、図５は、型円板２ａの拡大断面図であり、素材Ｍから離型した状態を示す。微細形状２ｂは、微少なピッチのラインアンドスペースであるが、アンカー部２ｃは、微細形状２ｂの周囲を取り巻く矩形断面の周溝形状となっている。但し、図４に示すように、アンカー部２ｃは、円周の１カ所がとぎれて不連続部２ｄを形成している。型２の中心から不連続部２ｄの中心を結んだ線に対して、微細形状２ｂのラインアンドスペースは略平行に延在する。アンカー部２ｃの幅Ｗは、周期的な微細形状２ｂのピッチｐの２倍以上となっており、且つアンカー部２ｃの高さ（深さ）Ｈは、周期的な微細形状２ｂの高さ（深さ）ｈ以上となっている。
【００２７】
上型２の内部には、ヒータ４が設置されている。一方、下型１の内部には、冷却用の配管５が配置されている。上型２と型円板２ａとで、請求項にいう型を構成する。尚、図示していないが、上型２を下型１に対して接近・離隔方向に相対移動させる駆動部が設けられている。
【００２８】
本実施の形態にかかる成形装置の動作について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、型開きした下型１の上面に、素材Ｍを固定する。更に、ヒータ４を発熱させて、上型２をガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱する。
【００２９】
型円板２ａの下面がガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱された段階で、図３（ｂ）に示すように、不図示の駆動部を駆動して上型２により素材Ｍを押圧する。すると、素材Ｍの上面は急速にガラス転移点温度以上に加熱され溶融されて、その表面に型円板２ａの微細形状２ｂ及びアンカー部２ｃを転写する。
【００３０】
続いて、ヒータ４の発熱を停止し、上型２を自然冷却（強制冷却でも良い）させ、且つ配管５に冷却水を流して下型１を強制冷却し、それにより素材Ｍの上面温度をガラス転移点温度Ｔｇを下回るように下げる。その後、上型２を素材Ｍから離すように離型することで光学素子を成形できる。ここで、図５に示すように、微細形状２ｂは、素材Ｍに転写されて微細形状２ｂ’を形成し、且つアンカー部２ｃは、素材Ｍに転写されて、微細形状２ｂ’を挟む転写アンカー部２ｃ’を形成する。
【００３１】
本実施の形態によれば、型円板２ａにおいて、微細形状２ｂを周期方向（ラインアンドスペースの並び方向：図５で左右方向）に挟むようにしてアンカー部２ｃを形成しているので、微細形状２ｂの剪断強度よりも高い剪断強度を有するアンカー部２ｃにより、冷却時における素材Ｍの少なくとも型円板２ａに近い面の変形を抑えることができ、それにより転写された微細形状の離型時における曲がりや、ちぎれを抑制できる。
【００３２】
更に、本実施の形態によれば、図４に示すように、目視できるアンカー部２ｃの不連続部２ｄが形成されているので、素材Ｍを光学素子として形成した場合に、素材Ｍに転写された転写アンカー部２ｃ’（図５）の不連続部をマークとして、微細形状２ｂの方向性を確認でき、それにより光学特性の偏りを把握することができる。
【００３３】
図６は、本実施の形態の変形例にかかる型円板２ａの拡大断面図である。本変形例においては、アンカー部２ｃは２つの矩形断面の周溝形状を有する。この場合、周溝の幅をそれぞれＷ１，Ｗ２としたときに、Ｗ１＋Ｗ２＞２ｐ（ｐは微細形状２ｂのピッチ）を満たすので、上述の実施の形態と同様な効果が得られる。
【００３４】
図７は、本実施の形態の別な変形例にかかる型円板２ａの拡大断面図である。本変形例においては、アンカー部２ｃは２つの三角形断面の周溝形状を有する。この場合、周溝の開口幅をＷ３としたときに、Ｗ３＞２ｐ（ｐは微細形状２ｂのピッチ）を満たすので、上述の実施の形態と同様な効果が得られる。
【００３５】
図８は、本実施の形態の別な変形例にかかる型円板２ａの拡大断面図である。本変形例においては、アンカー部２ｃは２つの矩形断面の周溝形状を有する。この場合、周溝の高さＨは、微細形状２ｂの高さｈを超えている（Ｈ＞ｈ）ので、素材Ｍの微細形状の離型時における曲がりや、ちぎれをより効果的に抑制できる。尚、明らかであるため図示しないが、本変形例を用いて成形された光学素子における転写アンカー部の高さは、微細形状の高さより高くなる。
【００３６】
図９は、本実施の形態の別な変形例にかかる型円板２ａの下面図である。本変形例においては、図４の実施の形態に対し、不連続部２ｄに、更に三角形状のマーク部２ｅ（高さはアンカー部２ｃと同じであるが、異ならせても良い）を形成した点が異なる。かかるマーク部２ｅも、光学素子の素材に転写されることで、転写アンカー部（不図示）に微細構造の方向を示すマークを形成する。
【００３７】
図１０は、本実施の形態の別な変形例にかかる型円板２ａの下面図である。本変形例においては、図４の実施の形態に対し、不連続部２ｄを、微細形状２ｂのラインアンドスペースの延在方向に一つ、その並び方向（直交方向）に２つ挟んで形成した点が異なる。かかる不連続部２ｄも、素材に転写されることで、微細構造の方向を示すマークを形成する。
【００３８】
図１１は、本実施の形態の別な変形例にかかる型円板２ａの下面図である。本変形例においては、図４の実施の形態に対し、型円板２ａと微細形状２ｂの領域とが矩形状になっていることに鑑み、アンカー部２ｃを、微細形状２ｂの領域の周囲に矩形状に配置した点が異なる。
【００３９】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。本発明は、光ピックアップ装置用の光学素子に限らず、種々の光学素子、或いはインクジェットプリンタのヘッドなどの成形にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】離型時の問題点を説明するための図である。
【図２】アスペクト比を説明するための図である。
【図３】本実施の形態にかかる成形光学素子の成形装置の断面図である。
【図４】型円板２ａの下面図である。
【図５】型円板２ａの拡大断面図である。
【図６】本実施の形態の変形例にかかる型円板２ａの拡大断面図である。
【図７】本実施の形態の変形例にかかる型円板２ａの拡大断面図である。
【図８】本実施の形態の変形例にかかる型円板２ａの拡大断面図である。
【図９】本実施の形態の変形例にかかる型円板２ａの下面図である。
【図１０】本実施の形態の変形例にかかる型円板２ａの下面図である。
【図１１】本実施の形態の変形例にかかる型円板２ａの下面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  下型
２  上型
２ａ  型円板
４  ヒータ
５  配管
【図１】
2006015522.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006015522.tif 000009
【図８】
2006015522.tif 000010
【図９】
2006015522.tif 000011
【図１０】
2006015522.tif 000012
【図１１】
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