(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と素材Ｍとの離型時に、素材Ｍの上面中央部の隆起などの不具合が生じない。これは、転写時に素材Ｍの上面が外側に張り出すような変形を枠部材３が防止しているためであり、即ち被転写部の面内における応力分布の不均一さが抑制されるので、離型時に開放される応力もより均一化され、素材Ｍの上面と型円板２ａとが均一に分離されるためである。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的な微細形状を形成した型と、
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、
前記素材の少なくとも被転写部の周囲を囲う枠部材と、
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】
前記枠部材は、前記型を前記素材に押圧することに応じてその押圧方向に変位す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又は２に記載の成形装置。
【請求項４】
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３のいずれかに記載の成形装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかの成形装置によって成形されたことを特徴とする光学素子。
【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を有することを特徴とする請求項５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、位相差を与える波長板が用いられことがあるが、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、透過する光の波長が４０５ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍの３種類の場合、例えばライン幅＝２７５ｎｍ、ライン間隔＝１２５ｎｍ、ライン高さ＝１２００ｎｍである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】
本発明の成形装置は、
周期的な微細形状を形成した型と、
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、
前記素材の少なくとも被転写部の周囲を囲う枠部材と、
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する際に、かかる素材が変形し、さらに成形後に離型しようとすると、転写された素材の表面が波打つなどの現象が生じることである。
【００１２】
本発明者らは、鋭意研究の結果、かかる問題が被転写部の面内における応力分布の不均一に起因することを解明した。従って、かかる解明に基づいて、素材の加熱押圧時における被転写部の面内における応力分布の不均一を低減するには、素材の少なくとも被転写部の周囲を前記枠部材で囲うのが良いことを見いだしたのである。
【００１３】
更に、前記枠部材は、前記型を前記素材に押圧することに応じてその押圧方向に変位すると、前記枠部材が転写動作を阻害する恐れが抑制され、より適切な転写を行うことができる。
【００１４】
更に、前記素材は光学素子の素材であると好ましい。
【００１５】
光学素子が前記成形装置によって形成されると、精度良く型形状を転写できるので、良好な光学特性を発揮できる。更に、前記光学素子が、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を有すると、回折など所定の光学機能を発揮できるので好ましい。
【００１６】
「アスペクト比」とは、図１（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である。
【発明の効果】
【００１７】
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】
【００１８】
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２は、本実施の形態にかかる光学素子の成形装置１０の断面図である。図２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。
【００１９】
円筒状の素材Ｍの外径に等しい内径及び高さを有する枠部材３が、素材Ｍの周囲に嵌合配置されている。枠部材３の剛性及び肉厚は任意に設定できるが、微細形状転写時の素材Ｍの圧力に抗することができる程度であることが望ましい。尚、素材Ｍが角柱状である場合、その外形状に一致する内形状を有する枠部材が配置されることとなる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
図３は、比較例にかかる光学素子の成形装置２０を示す図である。成形装置２０が、本実施の形態にかかる成形装置１０と異なる点は、枠部材３を設けていないことのみであり、それ以外の構成については同様であるので詳細な説明は省略する。
【００２３】
本実施の形態にかかる成形装置１０の動作について、比較例である成形装置２０と比較しながら説明する。まず、図２（ａ）に示すように、型開きした下型１の上面に、枠部材３により囲われた素材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。
【００２４】
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２（ｂ）に示すように、不図示の駆動部を駆動して上型２により型円板２ａを介して素材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を転写する。
【００２５】
かかる段階で、図３（ｂ）に示す比較例においては、素材Ｍの上面が溶融され、転写時に型円板２ａにより押圧されることによって素材Ｍの上面が外方に張り出すように変形し、被転写部の面内における応力分布が不均一となる。
【００２６】
これに対し、本実施の形態によれば、素材Ｍの上面が溶融押圧されても、枠部材３によって、素材Ｍの外方への張り出しが抑えられ応力分布の不均一さが抑制されるので変形が防止される。尚、型円板２ａが素材Ｍに接触した時点で、枠部材３にも型円板２ａが接触する。しかるに、微細形状２ｂは非常に小さいため、型円板２ａが素材Ｍに接触した時点からの押し込み量は少なくて足りる（例えば４００ｎｍ程度）。従って、枠部材３を剛性の高い金属性とした場合でも、枠部材３が４００ｎｍ程度の弾性変形を生ずれば、素材Ｍの転写と変形防止とを両立させることができる。
【００２７】
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、図２（ｃ）に示すように、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。
【００２８】
ここで、図３（ｃ）に示す比較例においては、型円板２ａと素材Ｍとの離型性が悪く、素材Ｍの中央部が盛り上がるように変形する。これは、図３（ｂ）において、転写時に素材Ｍの上面において応力分布の不均一が生じ、離型時にこの不均一な応力が解放されるためであり、それにより素材Ｍの上面中央部が盛り上がるように変形してしまう。素材Ｍが変形すると、所望の微細形状が転写されず、所望の光学特性を発揮できない光学素子が形成されてしまう恐れがある。このような不具合は、特に素材Ｍの径（上面の面積）が大きい場合に顕著に生じることが確認されている。
【００２９】
これに対し、本実施の形態によれば、型円板２ａと素材Ｍとの離型時に、素材Ｍの上面中央部の隆起などの不具合が生じない。これは、転写時に素材Ｍの上面（被転写部）が外側に張り出すような変形を枠部材３が防止しているためであり、即ち被転写部の面内における応力分布の不均一さが抑制されるので、離型時に開放される応力もより均一化され、素材Ｍの上面と型円板２ａとが均一に分離されるためである。
【００３０】
表１に、図２，３に示す成形装置を用いて本発明者らが行った実験結果を示す。素材Ｍの外径を変更しつつ、枠部材３の有り無しでの転写性の評価を行った。素材Ｍの外径φが１．０ｍｍでは、いずれの場合も転写性は良好であるが、素材Ｍの外径φが２．０ｍｍ以上になると、明らかに枠部材３を有する方が、転写性に優れることがわかった。
【００３１】
【表１】
2006150884.tif 000003
【００３２】
図４は、本実施の形態の変形例にかかる光学素子の成形装置１０’を示す図である。本変形例が、図２の実施の形態と異なる点は、枠部材３がコイルばね６によって上下方向（型押圧方向）に変位可能に支持されていることである。本変形例によれば、不図示の駆動部を駆動して上型２により型円板２ａを介して素材Ｍを押圧したときに、枠部材３は型円板２ａに押されて下方へと変位する。
【００３３】
即ち、型円板２ａの押し込みと同時に枠部材３も押し込み方向に変位するから、素材Ｍの上面の外方への張り出しを抑えつつ、素材Ｍに接触した後に更に大きなストロークで上型２を移動させた場合でも、枠部材３が突っ張って転写を阻害するという不具合を回避できる。かかる変形例は、微細形状２ｂの高さが比較的高く、枠部材３の弾性変形のみでは吸収できないような場合に特に有効である。
【００３４】
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】
【００３５】
【図１】アスペクト比を説明するための図である。
【図２】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】比較例にかかる光学素子の成形装置の断面図である。
【図４】変形例にかかる光学素子の成形装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  下型
２  上型
２ａ  型円板
３  枠部材
４  ヒータ
５  配管
６  コイルばね
【図１】
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【図２】
2006150884.tif 000005
【図３】
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【図４】
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