(57)【要約】【課題】  格子周期が１μｍ以下の微細格子を機械加工で形成してもバリが発生せず、面粗れやうねりも少ない格子形成方法、この方法により成形面に微細格子が形成された金型、およびこの金型の微細格子の形状が表面に転写された成形品を提供すること。【解決手段】  シャンク３２を軸線Ｌ周りに回転させ、ダイヤモンドバイト３０でフライカット加工により、素材Ｗの表面に格子周期が１μｍ以下の微細格子１０を形成する。その際、格子周期に応じて、ダイヤモンドバイト３０の送り速度、振動振幅、あるいは送り量を制御し、バリの発生を防止する。【選択図】  図１
2005099375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材表面に格子周期が１μｍ以下の微細格子を形成するための格子形成方法であって、
前記素材表面をダイヤモンドバイトの刃先で切削して格子周期がＰμｍの微細格子を形成する際、前記ダイヤモンドバイトの送り速度をＦｍｍ／ｍｉｎとしたとき、送り速度Ｆは、以下の条件式
Ｆ＜１００Ｐ3
を満たしていることを特徴とする格子形成方法。
【請求項２】
素材表面に格子周期が１μｍ以下の微細格子を形成するための格子形成方法であって、
前記素材表面をダイヤモンドバイトの刃先で切削して格子周期がＰμｍの微細格子を形成する際、前記ダイヤモンドバイトの前記素材表面に対して垂直方向における振動振幅をＡμm／としたとき、振動振幅Ａは、以下の条件式
Ａ＜０．０１８Ｐ2
を満たしていることを特徴とする格子形成方法。
【請求項３】
素材表面に格子周期が１μｍ以下の微細格子を形成するための格子形成方法であって、
ダイヤモンドバイトの刃先を回転させながら当該刃先で前記素材表面を切削して格子周期がＰμｍの微細格子を形成する際、前記バイトの１回転周期中における当該ダイヤモンドバイトの送り量をＳμmとしたとき、送り量Ｓは、以下の条件式
Ｓ＜２．９Ｐ3
を満たしていることを特徴とする格子形成方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記ダイヤモンドバイトによる切削は、フライカット加工により行うことを特徴とする格子形成方法。
【請求項５】
請求項１において、前記ダイヤモンドバイトによる切削は、プレーナ加工、エンドミル加工、あるいは旋盤加工により行うことを特徴とする格子形成方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記ダイヤモンドバイトは、単結晶ダイヤモンドバイトであることを特徴とする格子形成方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記素材表面は、ニッケル−リンめっき層であることを特徴とする格子形成方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記ダイヤモンドバイトによる切削を行う際、植物油を主成分とする切削油を用いることを特徴とする格子形成方法。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに規定する方法で成形面に前記微細格子が形成されていることを特徴とする金型。
【請求項１０】
請求項９に規定する金型を用いた成形により、前記微細格子の形状が表面に転写されていることを特徴とする成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素材表面に格子周期が１μｍ以下の微細格子を形成するための格子形成方法、この方法により成形面に微細格子が形成された金型、およびこの金型の微細格子の形状が表面に転写された成形品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光の波長と同程度の周期な屈折率分布をもつ光材料であるフォトニック結晶は、光の伝播や発生を自在に制御できる新たな光ナノ材料として、大きな注目を浴びている。このようなフォトニック結晶では、素材表面に格子周期がナノオーダーの微細格子が形成されており、このような微細格子は、従来、Ｘ線リソグラフィや電子線描画などといった薄膜技術（半導体プロセス）が用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、薄膜技術を行うには、成膜装置、露光装置、描画装置、エッチング装置などといった高価な設備が必要であり、かつ、加工に時間がかかり、大量生産できないという問題点がある。
【０００４】
一方、最近になり、超精密加工機が出現し、安価で高効率の加工が可能となっている。また、このような超精密加工機としては、フライカット方式、プレーナ方式、エンドミル方式、旋盤加工方式などといった様々な方式のものがある。
【０００５】
しかしながら、この種の超精密加工機では、格子周期が１μｍ以上のものについては十分な精度で加工できるが、フォトニック結晶に代表される最近のナノテクノロジー分野では、格子周期が１μｍ以下のものが当然のよう要求され、このようなオーダーの加工を行うと、バリが発生し、加工面の面粗れやうねりが目立ってくる。かといって、切削加工の後、バリ取り加工を行うと、加工時間が長くなってしまうという問題点がある。
【０００６】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、格子周期が１μｍ以下の微細格子を機械加工で形成してもバリが発生せず、面粗れやうねりも少ない格子形成方法、この方法により成形面に微細格子が形成された金型、およびこの金型の微細格子の形状が表面に転写された成形品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では、素材表面に格子周期が１μｍ以下の微細格子を形成するための格子形成方法であって、前記素材表面をダイヤモンドバイトの刃先で切削して格子周期がＰμｍの微細格子を形成する際、前記ダイヤモンドバイトの送り速度をＦｍｍ／ｍｉｎとしたとき、送り速度Ｆを、以下の条件式（１）
Ｆ＜１００Ｐ3
を満たすように設定することを特徴とする。
【０００８】
本発明の別の形態では、素材表面に格子周期が１μｍ以下の微細格子を形成するための格子形成方法であって、前記素材表面をダイヤモンドバイトの刃先で切削して格子周期がＰμｍの微細格子を形成する際、前記ダイヤモンドバイトの前記素材表面に対して垂直方向における振動振幅をＡμｍ／としたとき、振動振幅Ａを、以下の条件式（２）
Ａ＜０．０１８Ｐ2
を満たすようにすることを特徴とする。
【０００９】
本発明のさらに別の形態では、素材表面に格子周期が１μｍ以下の微細格子を形成するための格子形成方法であって、ダイヤモンドバイトの刃先を回転させながら当該刃先で前記素材表面を切削して格子周期がＰμｍの微細格子を形成する際、前記バイトの１回転周期中における当該ダイヤモンドバイトの送り量をＳμｍとしたとき、送り量Ｓを、以下の条件式（３）
Ｓ＜２．９Ｐ3
を満たすように設定することを特徴とする。
【００１０】
本発明において、前記ダイヤモンドバイトによる切削は、フライカット加工により行う。
【００１１】
また、前記ダイヤモンドバイトによる切削は、プレーナ加工、エンドミル加工、あるいは旋盤加工により行うこともでき、このような加工方法の場合には、前記ダイヤモンドバイトの送り速度を前記条件式（１）を満たすように設定する。
【００１２】
本発明において、前記ダイヤモンドバイトとしては、単結晶ダイヤモンドバイトを用いることが好ましい。
【００１３】
本発明において、前記素材表面は、ニッケル−リンめっき層である。
【００１４】
本発明において、前記ダイヤモンドバイトによる切削を行う際、植物油を主成分とする切削油を用いることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る格子形成方法は、例えば、金型の成形面に微細格子を形成するのに適用され、このような金型を用いて、射出成形やエンボス成形を行えば、前記微細格子の形状が表面に転写された成形品を製造することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、素材表面をダイヤモンドバイトの刃先で切削して、格子周期が１μｍ以下の微細格子を形成する際、その送り速度、振動振幅、あるいは送り量を格子周期に対応させて制御するため、切削時にバリが発生せず、面粗れやうねりも抑制される。従って、切削加工後、バリ取り加工を必要としないので、工数および加工時間の短縮を図ることができる。また、格子周期に対して設定された条件下であれば、バリが発生せず、面粗れやうねりも抑制されるので、バリが発生しない範囲内で送り速度などを高めることもでき、加工時間の短縮を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
［微細格子の形成方法］
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明を適用した格子形成方法を示す斜視図、および断面図である。
【００１９】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本形態では、素材Ｗの表面に格子周期が１μｍ以下の微細格子１０を形成するにあたって、素材Ｗの表面をダイヤモンドバイト３０の刃先３１で切削する。ここに示す加工方法は、フライカット方式であり、シャンク３２の軸線Ｌに対して直角に突き出たダイヤモンドバイト３０を用いる。ここで、ダイヤモンドバイト３０は、単結晶ダイヤモンドからなり、角度が９０°のＶ字形状の刃先３１を有している。
【００２０】
ここで、素材Ｗは、金型を製作するためのものであり、表面には、ニッケル−リンめっき層が形成されている。このようなめっき層は、アモルファス層であるため、切削性に優れている。このため、切削速度を高く設定できるので、加工効率を向上することができる。また、素材Ｗをダイヤモンドバイト３０により切削する際、植物油を主成分とする切削油を用いる。このような切削油を用いれば、オイルステインの発生が抑制されるので、切削後の仕上げ面の洗浄が容易である。
【００２１】
このようなダイヤモンドバイト３０を用いてフライカット法により素材Ｗの表面に格子周期が１μｍ以下の微細格子１０を形成するには、シャンク３２を軸線Ｌ周りに回転させてダイヤモンドバイト３０の刃先３１で素材Ｗの表面を切削しながら、ダイヤモンドバイト３０と素材Ｗとを送り方向Ｘに相対移動させる。その結果、送り方向Ｘに延びる断面三角形のＶ字溝が形成される。このようなフライカット法によれば、切屑の排出がスムーズに行われるため、加工精度が高い。
【００２２】
次に、ダイヤモンドバイト３０と素材Ｗとをピックフィールド方向Ｙに所定のピッチ分だけ相対移動させてそこで再び、送り方向に延びる断面三角形のＶ字溝を形成する。
【００２３】
そして、このような切削動作を繰り返して格子ピッチが１μｍ以下、ナノオーダーの微細格子１０、例えば、数百ｎｍピッチの微細格子１０を形成する。
【００２４】
このような極めて微細格子１０を形成するにあたって、本形態では、本願出願人が行った検討から得られた新たな知見に基づいて、加工条件を以下のように設定する。
【００２５】
（送り速度について）
図２は、図１に示す加工の際、素材表面に形成する格子の周期、およびダイヤモンドバイトの送り速度と、バリの発生具合との関係を示すグラフである。
【００２６】
まず、図２には、図１に示すフライカット加工を行う際、素材Ｗの表面に形成する微細格子１０の周期、およびダイヤモンドバイト３０の送り速度を種々変化させ、バリが発生しなかった条件については良品として○を付し、バリが発生した条件については不具合品として×を付してある。そして、図２に示す条件、およびその他の実験結果に基づいて、良品と不具合品が発生する境界領域を求め、それを実線Ｌ１で示す。
【００２７】
その結果、素材Ｗの表面をダイヤモンドバイト３０の刃先３１で切削して格子周期がＰμｍの微細格子１０を形成する際、ダイヤモンドバイト３０の送り速度をＦｍｍ／ｍｉｎとしたとき、図２に示す境界線（実線Ｌ１）は、下式
Ｆ＝１００Ｐ3
で表される。従って、送り速度Ｆを、以下の条件式（１）
Ｆ＜１００Ｐ3
を満たすように設定すれば、バリの発生を防止することができる。
【００２８】
（振動振幅について）
図３は、図１に示す加工の際、素材表面に形成する微細格子の周期、およびダイヤモンドバイトの切り込み方向（素材表面に対して垂直方向）における振動振幅と、バリの発生具合との関係を示すグラフである。
【００２９】
図３には、図１に示すフライカット加工を行う際、素材Ｗの表面に形成する微細格子１０の周期、およびダイヤモンドバイト３０の切り込み方向（素材表面に対して垂直方向）における振動振幅とを種々変化させ、バリが発生しなかった条件については良品として○を付し、バリが発生した条件については不具合品として×を付してある。そして、図３に示す条件、およびその他の実験結果に基づいて、良品と不具合品が発生する境界領域を求め、それを実線Ｌ２で示す。
【００３０】
その結果、素材Ｗの表面をダイヤモンドバイト３０の刃先３１で切削して格子周期がＰμｍの微細格子１０を形成する際、ダイヤモンドバイト３０の振動振幅をＡμｍ／としたとき、図３に示す境界線（実線Ｌ２）は、下式
Ａ＝０．０１８Ｐ2
で表される。従って、振動振幅をＡを、以下の条件式（２）
Ａ＜０．０１８Ｐ2
を満たすように設定すれば、バリの発生を防止することができる。
【００３１】
（送り量について）
図４は、図１に示す加工の際、素材表面に形成する微細格子の周期、およびバイトの１回転周期中におけるダイヤモンドバイトの送り量と、バリの発生具合との関係を示すグラフである。
【００３２】
図４には、図１に示すフライカット加工を行う際、素材Ｗの表面に形成する微細格子１０の周期、およびダイヤモンドバイト３０の送り量とを種々変化させ、バリが発生しなかった条件については良品として○を付し、バリが発生した条件については不具合品として×を付してある。そして、図４に示す条件、およびその他の実験結果に基づいて、良品と不具合品が発生する境界領域を求め、それを実線Ｌ３で示す。
【００３３】
その結果、素材Ｗの表面をダイヤモンドバイト３０の刃先３１で切削して格子周期がＰμｍの微細格子１０を形成する際、ダイヤモンドバイト３０の送り量をＳμｍとしたとき、図４に示す境界線（実線Ｌ３）は、式
Ｓ＝２．９Ｐ3
で表される。従って、送り量Ｓを、以下の条件式（３）
Ｓ＜２．９Ｐ3
を満たすように設定すれば、バリの発生を防止することができる。
【００３４】
（本形態の効果）
以上の条件式（１）、（２）、（３）を満たす条件下で素材Ｗの表面をダイヤモンドバイト３０の刃先３１で切削すれば、格子周期が１μｍ以下の微細格子１０を形成する場合でも、切削時にバリが発生しない。従って、切削加工後、バリ取り加工を必要としないので、工数および加工時間の短縮を図ることができる。また、面粗さ、および格子のうねりの発生を防止できるので、格子周期のばらつきを小さくすることができ、微細格子１０の形状精度が向上する。さらに、格子周期に対応して設定された条件内であれば、バリが発生しないので、バリが発生しない範囲内で送り速度などを高めることもできる。それ故、加工時間の短縮を図ることができる。
【００３５】
（金型による成形）
図５は、本発明に係る方法で微細格子が形成した金型を用いて成形される成形品の一例としての、分布帰還形共振器の回折格子の説明図である。
【００３６】
このような方法で製作した金型については、例えば、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化樹脂からなる成形素材の金型内での成形、あるいはホットエンボス法による転写により、金型の微細格子が転写された回折格子、反射防止面などを製造することができる。
【００３７】
このような成形品のうち、微細な回折格子を備えた成形品としては、図５に示すような有機半導体レーザ用のブラッグ反射共振器３００（分布帰還形共振器）用の回折格子２００がある。このレーザ素子では、分布帰還形共振器３００において、クラッド層として機能する透明基板５００（成形品）の表面に、ストライプ状の断面Ｖ字状のＶ字突起２０１（凸部）と、ストライプ状の断面Ｖ字状のＶ字溝２０２（凹部）とが交互に配列された回折格子２００が形成され、この回折格子２００が形成されている側の面に有機色素を含有する活性層３５０が形成されている。このため、活性層３５０の側から励起した光を入射させると、回折格子２００によって特定波長光の反射、増幅が起こり、特定波長のレーザ光が出射される。
【００３８】
［変形例］
なお、上記形態は、フライカット加工において、刃先３１がＶ字形状のダイヤモンドバイト３０を用いたため、断面Ｖ字（三角形）の三角格子を形成した例であったが、図６（Ａ）に示すように、シャンク３２の軸線Ｌに対して、鋸刃状の刃先３１Ａを備えたダイヤモンドバイト３０Ａが直角に突き出た工具を用いれば、鋸刃状格子１０Ａを形成することができる。また、図６（Ｂ）に示すように、シャンク３２の軸線Ｌに対して、矩形の刃先３１Ｂを備えたダイヤモンドバイト３０Ｂが直角に突き出た工具を用いれば、矩形格子１０Ｂを形成することができる。また、図６（Ｃ）に示すように、シャンク３２の軸線Ｌに対して、台形の刃先３１Ｃを備えたダイヤモンドバイト３０Ｃが直角に突き出た工具を用いれば、台形格子１０Ｃを形成することができる。また、図６（Ｄ）に示すように、シャンク３２の軸線Ｌに対して、波形の刃先３１Ｄを備えたダイヤモンドバイト３０Ｄが直角に突き出た工具を用いれば、正弦波格子１０Ｄを形成することができる。
【００３９】
［その他の加工方法］
上記形態では、フライカット加工を例に説明したが、図７（Ａ）に示すように、ダイヤモンドバイト３０Ｅを回転させずにそのまま送り方向Ｘに移動させて、刃先で素材表面を引き切るプレーナ加工を行って微細格子を形成する際に本発明を適用してもよい。この場合、上記条件式（１）、（２）、（３）のうち、条件式（１）を満たすように加工条件を設定する。
【００４０】
また、図７（Ｂ）に示すように、シャンク３２に対して軸線方向に突き出たダイヤモンドバイト３０Ｆを、シャンク３２の軸線Ｌ周りに回転させながら送り方向Ｘに移動させて、刃先で素材表面を切削するエンドミル加工を行って微細格子を形成する際に本発明を適用してもよい。この場合、上記条件式（１）、（２）、（３）を満たすように加工条件を設定する。
【００４１】
また、図７（Ｃ）に示すように、シャンク３２に対して軸線方向に突き出たダイヤモンドバイト３０Ｇの方を固定しておき、素材の方を回転させて、同心円状の格子を形成する旋盤加工を行って微細格子を形成する際に本発明を適用してもよい。この場合、上記条件式（１）、（２）、（３）のうち、条件式（１）を満たすように加工条件を設定する。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明では、素材表面をダイヤモンドバイトの刃先で切削して、格子周期が１μｍ以下の微細格子を形成する際、その送り速度、振動振幅、あるいは送り量を格子周期に対応させて制御するため、切削時にバリが発生せず、面粗れやうねりも抑制される。従って、切削加工後、バリ取り加工を必要としないので、工数および加工時間の短縮を図ることができる。また、格子周期に対して設定された条件下であれば、バリが発生せず、面粗れやうねりも抑制されるので、バリが発生しない範囲内で送り速度などを高めることもでき、加工時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明を適用した格子形成方法を示す斜視図、および断面図である。
【図２】図１に示す加工の際、素材表面に形成する格子の周期、およびダイヤモンドバイトの送り速度と、バリの発生具合との関係を示すグラフである。
【図３】図１に示す加工の際、素材表面に形成する格子の周期、およびダイヤモンドバイトの切り込み方向（素材表面に対して垂直方向）における振動振幅と、バリの発生具合との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す加工の際、素材表面に形成する格子の周期、およびバイトの１回転周期中におけるダイヤモンドバイトの送り量と、バリの発生具合との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る方法で微細格子が形成された金型を用いて成形される成形品の一例としての、分布帰還形共振器の回折格子の説明図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明を適用した格子形成方法の変形例として、鋸刃状格子を形成する方法を示す説明図、矩形格子を形成する方法を示す説明図、および正弦波格子を形成する方法を示す説明図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明を適用した別の格子形成方法として、プレーナ加工方法を示す説明図、エンドミル加工方法を示す説明図、および旋盤加工方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  微細格子
３０  ダイヤモンドバイト
３１  刃先
Ｗ  素材
【図１】
2005099375.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005099375.tif 000007
【図６】
2005099375.tif 000008
【図７】
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