(57)【要約】【課題】作製が容易で比較的安価な金型を利用して、高い転写性によって優れた光学特性を達成できる光学素子の製造装置を提供すること。【解決手段】可動型１４を構成する突き出し部１１４の母材部分１１４ｄは、その熱伝導率よりも大きな熱伝導率を有する表面膜１１４ｅで被覆されている。突き出し部１１４全体としての熱伝導率は、鉄系鋼材等を用いている従来型の型部材に比較して低くなる。このことは、加工性等の都合から表面膜１１４ｅの熱伝導率が大きくなる場合にも、突き出し部１１４の成形面１１４ａに接する溶融プラスチック樹脂が急冷されにくくなることを意味し、成形面１１４ａを正確に転写した回折レンズ面からなる回折レンズを成形することができる。【選択図】    図１
2004284110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細パターンを有する光学素子をプラスチック材料から成形するための型部材を備える光学素子の製造装置であって、
前記型部材は、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・ｋ以下の材料を母材として形成されていることを特徴とする製造装置。
【請求項２】
前記型部材のうち、前記光学素子の微細パターンに対応する転写パターンを有する成形面は、前記母材よりも硬度の小さな材料で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の製造装置。
【請求項３】
前記母材は、前記型部材の外形に対応する外形を有することを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の製造装置。
【請求項４】
前記母材は、チタン、アルミニウム、及びヴァナジウムを主成分とする合金で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載の製造装置。
【請求項５】
前記成形面を被覆する材料は、ニッケル、及びリンを主成分とする無電解ニッケルメッキであることを特徴とする請求項２記載の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折パターン等の微細パターンを有するプラスチック製の光学素子の製造装置に関し、特に光ピックアップ用の対物レンズ等に用いられる回折レンズの製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラスチック製の回折レンズの製造装置として、鉄系鋼材等で形成された金型基材の表面に、例えば無電界メッキ法を利用してＮｉ−Ｃｕ−Ｐの被覆層を形成した金型を用いるものが存在する（例えば、特許文献１、２参照）。このような金型は、被覆層のダイヤモンド加工が容易で、光学素子の成形に際して高い耐久性を有する。
【０００３】
一方、本願の対象とするレンズ等の光学素子とは異なるが、光ディスクの成形用の金型として、母材よりも熱伝導率の低い断熱層を型面に沿って内部に設けたものが存在する（例えば、特許文献３参照）。このような金型は、スタンパ等に接触する樹脂温度を高めて光ディスクの転写性を良好なものとする。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３５３７２９号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５５０７７号公報
【特許文献３】
特開２００１−３３４５３４号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｐの被覆層を備える金型では、その金型基材が鉄系鋼材等であるので、キャビティ中に導入された溶融プラスチック樹脂の温度が急速に低下して樹脂粘度が高まり、転写性が低下して光学特性が劣化する場合がある。
【０００５】
ここで、光ディスクの場合と同様に、断熱層を型面に沿って内部に設けることも考えられるが、金型基材中に断熱層を設けることは容易でなく、特に、小型で全体として凹凸を有する立体形状である回折レンズの場合、断熱層の形成は技術的に困難であり、金型が高価なものとなってしまう。また、断熱層を設けた型は、型構造が複雑になることに起因して、形状精度が低下せざるを得ない。さらに、線膨張係数の異なる部材を張り合わせた金型は、成形における加熱と冷却が繰り返されることに起因して、一般に機械的強度が低下する。
【０００６】
そこで、本発明は、小型で全体として凹凸を有する回折レンズ等の場合であっても、作製容易で比較的安価なだけでなく高い形状精度及び機械強度を有するとともに高い転写性を有する金型を利用して、優れた光学特性を有する回折レンズを成形することができる光学素子の製造装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光学素子の製造装置は、微細パターンを有する光学素子をプラスチック材料から成形するための型部材を備える光学素子の製造装置であって、前記型部材が熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・ｋ以下の材料を母材として形成されている。ここで、「微細パターン」とは、局所的な凹凸形状を含むパターンを意味し、回折パターンや位相差形成パターン等の光路差付与構造のほか、段差を利用して２次元的な照明を行う導光板等も含む。なお、回折パターンとは、光学素子表面、例えばレンズ表面にレリーフを設けて、回折によって光線の角度を変える作用を持たせた形態をいい、位相差形成パターンとは、光学素子表面、例えばレンズ表面に階段形状を設けて、光線に位相差を設ける作用を持たせた形態をいう。
【０００８】
上記製造装置では、型部材が熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・ｋ以下の材料を母材として形成されているので、型部材が全体として熱伝導率の低いものとなり、型部材に接する溶融プラスチック樹脂が冷却されにくい。よって、このような型部材を使用すれば、小型で全体として大きな凹凸を有する回折レンズのような光学素子であっても、高い転写性を達成することができ、優れた光学特性の光学素子を提供することができる。
【０００９】
また、上記装置の具体的態様では、前記型部材のうち、前記光学素子の微細パターンに対応する転写パターンを有する成形面が、前記母材よりも硬度の小さな材料で被覆されている。この場合、被覆の存在によって成形面の加工を精密なものとすることができ、光学素子の光学特性を高めることができる。なお、被覆自体は薄く形成され、型部材全体としての熱伝導率に影響しないので、転写パターンの作製容易性を考慮してその材料が選択される。かかる被覆材料は、熱処理によって強度を高めることができる。
【００１０】
また、上記装置の具体的態様では、前記母材が、前記型部材の外形に対応する外形を有する。この場合、型部材の構造を簡単なものとすることができるので、型部材の作製が簡易で精密なものになるとともに、型部材の耐久性を高めることができる。
【００１１】
また、上記装置の具体的態様では、前記母材が、チタン、アルミニウム、及びヴァナジウムを主成分とする合金で形成されている。この場合、型部材は、熱伝導率が適度に調整されるので、光学素子の光学特性をさらに高めることができる。
【００１２】
また、上記装置の具体的態様では、前記成形面を被覆する材料が、ニッケル、及びリンを主成分とする無電解ニッケルメッキであることを特徴とする請求項２記載の製造装置。この場合、優れた加工性と耐久性とを有する材料からなる成形面を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る光学素子の製造装置に組み込まれる、成形型の形状及び構造を説明する側方断面図である。この成形型は、固定型１２と可動型１４とを備える。固定型１２に対して可動型１４を突き合わせることにより、両型１２、１４間にキャビティＣＡが形成され、その周囲の一部には、キャビティＣＡに連通するゲートＧＡが形成される。このキャビティＣＡには、ゲートＧＡを介して溶融プラスチック樹脂が供給され、内部を充填する。
【００１４】
固定型１２は、中央側の第１部材１２Ａと周辺側の第２部材１２Ｂとからなり、両部材１２Ａ，１２Ｂは、ともに単一の鋼材で形成されており、相互に一体的に固定されている。このうち、第１部材１２Ａは、可動型１４に対向する滑らかな凹面の成形面１２ａを有しており、第２部材１２Ｂは、成形面１２ａの周囲に配置される環状溝の成形面１２ｂを有している。前者の成形面１２ａは、成形品である回折レンズ（不図示）の一方のレンズ面に対応し、後者の成形面１２ｂは、この回折レンズの周囲に設けたフランジに対応する。
【００１５】
可動型１４は、中央側の型部材である突き出し部１１４と、この突き出し部１１４を周囲から支持する型本体２１４とからなる。このうち、突き出し部１１４に形成された中央側の成形面１１４ａは、上述の回折レンズのうち、他方のレンズ面に対応するものであり、全体として凹面になっており、輪帯状の回折パターンＤＰを有している。この回折パターンＤＰは、通常数μｍの深さを有している。一方、型本体２１４によって形成される周囲側の成形面２１４ａは、回折レンズの周囲のフランジに対応する。
【００１６】
突き出し部１１４は、型本体２１４に設けた孔２１４ｂ中に嵌合した状態で軸ＡＸ方向に摺動可能になっている。両型１２、１４を離間させる型開き後において、この突き出し部１１４を型本体２１４に対して固定型１２側に移動させることにより、可動型１４側に残る回折レンズを簡単に離型させることができる。
【００１７】
突き出し部１１４は、第１材料からなる直径４ｍｍ程度の円柱状の母材部分１１４ｄを、第２材料からなる約５０μｍ程度の厚さの表面膜１１４ｅで被覆した構造となっている。ここで、母材部分１１４ｄは、従来用いられているプレハードン鋼すなわち低炭素鋼（熱伝導率：６０．０Ｗ／ｍ・Ｋ）等に比較して低熱伝導率の材料で形成されている。母材部分１１４ｄの材料としては、例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ（６４Ｔｉ）が好適であり、その熱伝導率は、８．０Ｗ／ｍ・Ｋとなっている。また、表面膜１１４ｅは、特開２００１−３５３７２９号公報、及び２００１−３５５０７７号公報に開示された無電解メッキ法を用いて形成した無電解メッキ層とすることができる。
【００１８】
このように、可動型１４を構成する母材部分１１４ｄの材料の熱伝導率を２０．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることにより、成形面１１４ａを正確に転写した回折レンズ面からなる回折レンズを成形することができる。つまり、加工性等の都合から表面膜１１４ｅの熱伝導率が多少大きくなる場合を含め、型部材である突き出し部１１４全体としての熱伝導率は、鉄系鋼材等を用いている従来型の型部材に比較して低くなる。よって、突き出し部１１４の成形面１１４ａに接する溶融プラスチック樹脂が急冷されにくくなり、成形中の回折レンズを徐々に冷却するすることができる。なお、母材部分１１４ｄの硬度は、表面膜１１４ｅの硬度よりも大きくなっている。これにより、突き出し部１１４すなわち可動型１４の強度を高めることができる。ただし、表面膜１１４ｅにも一定以上の強度が必要とされるので、表面膜１１４ｅは、熱処理（例えば２５０〜４００℃、数時間〜数１０時間）によって目的とする適度な硬度とされている。
【００１９】
なお、表面膜１１４ｅは、上記の無電解メッキ層に限らず、他の種類の被覆層とすることができる。例えば、特開２０００−９４４５４号公報、特開平１１−１２３７２８号公報等に開示された無電解ニッケルメッキ法を用いて形成した無電解ニッケルメッキ層を表面膜１１４ｅとすることもできる。この場合、表面膜１１４ｅは、Ｐの含有率が９〜１１ｗｔ％であり、残りの主成分がＮｉである。具体的な実施例では、表面膜１１４ｅを構成するＮｉ、Ｐの重量比を約９０：１０とした。上述のような無電解メッキ層の熱伝導率は、約５．０Ｗ／ｍ・Ｋとなる。つまり、母材部分１１４ｄがその熱伝導率とほぼ等しい熱伝導率を有する表面膜１１４ｅで被覆されていることになり、型部材である突き出し部１１４全体としての熱伝導率も、鉄系鋼材等を用いている従来型の型部材に比較して低くなる。
【００２０】
以下、図１に示す成形型を用いた回折レンズの成形について簡単に説明する。まず、可動型１４を固定型１２に接合することによって型閉じを行う。この際、固定型１２と可動型１４は、図示を省略する嵌合ピン等のアライメント手段を利用して互いに位置合わせされた状態で固定される。このような型閉じによって、固定型１２の成形面１２ａ、１２ｂと可動型１４の成形面１１４ａ、２１４ａとを閉じ合わせた形状のキャビティＣＡが両型１２、１４間に形成される。
【００２１】
次に、両型１２、１４間に形成されたキャビティ中に溶融プラスチック樹脂を射出する。つまり、溶融プラスチック樹脂を、ゲートＧＡを介して両型１２、１４間のキャビティＣＡ中に導入し、キャビティＣＡを溶融プラスチック樹脂で充填する。
【００２２】
次に、キャビティＣＡ中に充填された溶融プラスチック樹脂を放熱・冷却する。キャビティＣＡ中に射出された溶融プラスチック樹脂の温度は、通常２００〜３００℃であり、通常１００〜１８０℃に保持された両型１２、１４の成形面１２ａ、１２ｂ、１１４ａ、２１４ａに接すると、溶融プラスチック樹脂が冷却されて硬化する。この際、可動型１４については、突き出し部１１４が小さな熱伝導率を有するものとなっているので、突き出し部１１４の成形面１１４ａに接する溶融プラスチック樹脂が急冷されず安定して冷却されるので、成形面１１４ａに形成された回折パターンＤＰに溶融プラスチック樹脂がほぼ完全に入り込む。
【００２３】
次に、キャビティＣＡ中に充填された溶融プラスチック樹脂が完全に硬化するまで待つ。これにより、キャビティＣＡの形状に対応する回折レンズが得られる。この回折レンズの一方の面は、成形面１２ａに対応して滑らかな凸面となっており、回折レンズの他方の面は、成形面１１４ａに対応して輪帯状の回折パターンを有する凸面となっている。また、回折レンズの周囲には、成形面１２ｂ、２１４ａに対応してフランジが形成されている。
【００２４】
次に、可動型１４を固定型１２から離間させる型開きを行う。この結果、成形品は、可動型１４側に残り、固定型１２から離型した状態となる。ここで、型開き距離は、回折レンズの肉厚程度以上のものとする。これは、次の離型によって成形品である回折レンズが固定型１２に当たって成形不良が生じることを防止したものである。
【００２５】
次に、不図示の駆動装置を用いて、突き出し部１１４を、型本体２１４に収納された図示の退避状態から固定型１２側に成形面２１４ａの溝の深さ以上に突起した動作状態に駆動する。これにより、回折レンズを可動型１４から完全に離型すなわち分離させることができる。
【００２６】
このようにして得た回折レンズは、光ピックアップ装置に適用することができる。つまり、図１の成形型１２、１４を用いて成形した回折レンズは、ＤＶＤ及びＣＤの如く、異なる光情報記録媒体の記録面に対して情報の記録又は再生を行う場合に、共通して情報記録／再生光を結像させることができる対物レンズとして用いることができる。なお、回折レンズとは、複数の輪帯から構成され、かつ、回折作用により所定の入射光に対して所定の次数の回折光を生じさせる輪帯構造を、少なくとも１つの光学面上に有したレンズをいう。
【００２７】
図２は、上記実施形態の金型と比較例の金型とを用いて作製した回折レンズの転写性の試験結果をまとめたグラフである。ここで、横軸は、可動型１４等の母材部分の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）を示し、縦軸は、可動型１４等によって形成された回折レンズの転写率を示す。
【００２８】
ここで、転写率は、図３に示す成形品ダレ量（Ｗｍ）と回折輪帯ピッチ（Ｐｍ）とに基づいて、
転写率＝（Ｐｍ−Ｗｍ）／Ｐｍ
で与えられる。図３において、突き出し部１１４に形成された回折パターンの溝ＤＰａに回折レンズである成形品ＰＬの突起が十分に入り込んでない部分ＰＬａをダレ部とし、このダレ部の光軸ＯＡに垂直な方向の幅を成形品ダレ量としている。一方、回折輪帯ピッチは、光学面上の輪帯構造構造の、隣接する輪帯同士の光軸ＯＡに垂直な方向の間隔である。具体的には、注目している溝ＤＰａを含む回折パターンすなわち回折輪帯の光軸ＯＡに垂直な方向の幅として与えられる。グラフからも明らかなように、可動型１４のうち突き出し部１１４の母材部分１１４ｄを熱伝導率が２０．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも小さい材料で形成した実施形態の製造装置では、回折レンズについての転写率が急激に向上していることが分かる。一方、突き出し部１１４の母材部分１１４ｄの熱伝導率を２０．０Ｗ／ｍ・Ｋよりも大きく比較例の製造装置では、回折レンズの転写率が相対的に低くなることが分かる。
【００２９】
以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、母材部分１１４ｄを６４Ｔｉからなるものとしたが、その他の材料であっても、適当な強度を有し熱伝導率が２０Ｗｍ・Ｋ以下のもの（例えば、ジルコニアセラミックス、ＳＵＳ等）であれば、比較的小型の回折レンズの成形型の母材として好適に用いることができる。
【００３０】
また、上記実施形態では、可動型１４の突き出し部１１４のみの母材を低熱伝導率の材料で形成したが、これは、成形面１１４ａのみに回折パターンＤＰを形成しているからである。したがって、固定型１２側に回折パターンが形成されている場合、固定型１２の母材を熱伝導率が２０Ｗｍ・Ｋ以下のもので作製する。
【００３１】
なお、上記実施形態のような成形型を利用して形成される回折レンズすなわち光学素子は、光ピックアップ装置に適用する場合に限らず、様々な光学系に適用することができる。すなわち、本発明に係る製造装置によって得た光学素子は、例えば、プラスチック製の対物レンズにおける環境温度の変化に起因して生ずる球面収差の悪化を緩和するカップリングレンズ（コリメートレンズも含む）、或いは回折効果によって環境温度変化に起因して生ずる球面収差悪化を自ら緩和する対物レンズ、更には回折のパワーを高めて大開口数を実現した対物レンズなど、種々のものに適用できる。さらに、上記のような回折レンズを、レーザービームプリンタの走査光学系や、光通信装置における半導体レーザとファイバとの結合光学系や、バーコードの読み取り光学系の半導体レーザ応用光学系にも使用可能である。その他、撮影レンズやファインダ等の可視光を使う光学系について、曲面上に回折効果を発揮する段差を設ける例は種々提案されているが、これらに対しても、本発明に係る製造装置によって得た光学素子を適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る光学素子の製造装置によれば、型部材に接する溶融プラスチック樹脂が冷却されにくいので、小型で全体として大きな凹凸を有する回折レンズのような光学素子であっても、高い転写性を達成することができ、優れた光学特性の光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る製造装置を構成する金型の構造を説明する縦断面図である。
【図２】転写性の試験結果を説明するグラフである。
【図３】成形品の転写率を説明する部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１２      固定型
１２ａ      成形面
１２ｂ      成形面
１４      可動型
１１４      突き出し部
１１４ａ      成形面
１１４ｄ      母材部分
１１４ｅ      表面膜
２１４      型本体
２１４ａ      成形面
２１４ｂ      孔
ＣＡ      キャビティ
ＤＰ      回折パターン
ＧＡ      ゲート
【図１】
2004284110.tif 000003
【図２】
2004284110.tif 000004
【図３】
2004284110.tif 000005