JP2005049829A - 微細形状を有する成形物、光学素子、成形方法及び成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
より簡便に且つ低コストで、高アスペクト比又は角Ｒの小さい微細構造を有する成形物を成形できる成形方法及び成形装置、並びにその成形物、光学素子を提供する。
【解決手段】
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、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。
【選択図】 図３

Description

本発明は、微細形状を有する成形物、光学素子、成形方法及び成形装置に関し、特に高アスペクト比を有する微細形状を有する成形物、光学素子、成形方法及び成形装置に関する。

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。

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、ＡＯＤ（Advanced Optical Disc），ＢＤ（Blueray 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。

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）により設計通りの回折構造が形成されないと、その回折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。

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。
特開２００２−２２０２４１号公報

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。

加えて、近年、使用する光源の波長の数倍からそれよりも小さな微細構造を光学面に施して、新たな光学的機能を光学素子に付加することが試みられている。例えば、成形レンズの屈折による通常の集光機能とその時に副作用として発生する正の分散を、その非球面光学面の表面に回折溝を施すことで得られる回折による大きな負の分散を利用してうち消し、本来、屈折だけでは不可能な色消し機能を単玉光学素子に付加することが、ＤＶＤ／ＣＤ互換の光ディスク用ピックアップ対物レンズで実用化されている。これは、光学素子を透過する光の波長の数１０倍の大きさの回折溝による回折作用を利用したもので、このように波長より十分大きな構造による回折作用を扱う領域は、スカラー領域と呼ばれている。

一方、光学素子を透過する光の波長の数分の一という微細な間隔で、円錐形状の突起を光学面の表面に密集させて形成させることで、光の反射抑制機能を発揮できることが判っている。即ち、光波が光学素子に入射する際の空気との境界面での屈折率変化を、従来の光学素子のように１から媒体屈折率まで瞬間的に変化させるのではなく、微細な間隔で並んだ突起の円錐形状によって緩やかに変化させ、それにより光の反射を抑制することができるのである。このような突起を形成した光学面は、いわゆる蛾の眼（ｍｏｔｈ ｅｙｅ）と呼ばれる微細構造で、光の波長よりも微細な構造体が波長よりも短い周期で並ぶことにより、もはや個々の構造が回折せずに光波に対して平均的な屈折率として働くものである。このような領域を等価屈折率領域と一般に呼んでいる。このような等価屈折率領域に関しては、例えば電子情報通信学会論文誌Ｃ Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ｃ Ｎｏ．３ｐｐ．１７３−１８１ ２０００年３月に述べられている。

等価屈折率領域の微細構造によれば、従来の反射防止コートに比べて反射防止効果の角度依存性や波長依存性を少なくしながら大きな反射防止効果を得られるが、プラスチック成形等によれば、光学面と微細構造を同時に創成できることから、レンズ機能と反射防止機能が同時に得られて、従来のように成形後に反射防止コート処理をするといった後加工が不要となる等の生産上のメリットも大きいと考えられ注目されている。さらに、このような等価屈折率領域の微細構造を光学面に対して方向性を持つように配すると、強い光学異方性を光学面に持たせることもでき、従来、水晶などの結晶を削りだして製作していた複屈折光学素子を成形によって得ることができ、また、屈折や反射光学素子と組み合わせて新たな光学的機能を付加することができる。この場合の光学異方性は、構造性複屈折と呼ばれている。

上述したスカラー領域と等価屈折率領域の間には、回折効率が入射条件のわずかな違いにより急激に変化する共鳴領域がある。例えば、回折輪帯の溝幅を狭くしていくと、波長の数倍程度で急激に回折効率が減少し、また増加するという現象（アノマリー）が発生する。この領域の性質を利用して、特定の波長のみを反射する導波モード共鳴格子フィルターを微細構造で実現して、通常の干渉フィルターと同等の効果をより角度依存性を少なくして実現できる。

ところで、スカラー領域や、等価屈折率領域や、共鳴領或を利用して光学素子を形成しようとする場合、その光学面に微細な突起（又はくぼみ）を形成する必要がある。このような微細な突起（又はくぼみ）を備えた光学素子を大量生産するには、一般的には樹脂を素材として成形を行うことが適しているといえるが、かかる場合、微細な突起（又はくぼみ）に対応したくぼみ（又は突起）を備えた光学面転写面をどのようにして形成するかが問題となる。

すなわち、上述したような等価屈折領域や共鳴領域の突起（又はくぼみ）に関しては、数十乃至数百ナノメートルの間隔で突起（又はくぼみ）を光学素子の光学面に形成しなくてはならないが、従来の射出成形では、それに対応した型の微細形状の奥底まで樹脂が行き届かず、微細形状を精度良く転写することは極めて困難である。

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、高アスペクト比又は角Ｒの小さい微細構造を有する成形物を成形できる成形方法及び成形装置、並びにその成形物、光学素子を提供することを目的とする。

第１の本発明の成形物は、型を押し当てることで成形される成形物において、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であり、成形後の厚みが０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、成形面に形成された微細形状のアスペクト比が１以上であることを特徴とする。

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、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。

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。

「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。成形後の厚みとは、型を押し当てる方向に対しての成形物の厚みをいい、例えば図２に示すＴの値である。この成形後の厚みは、０．１〜２０ｍｍであり、好ましくは１〜５ｍｍである。

更に、前記微細形状は、構造性複屈折を生じさせると好ましい。

更に、前記微細形状は、光の波長以下のサイズで周期構造を持ち反射防止機能を有すると好ましい。

更に、前記成形物は、光学素子であると良好な光学特性を得ることができ好ましいが、インクジェットプリンタのヘッドなどにも適用できる。

第２の本発明の光学素子は、型を押し当てることで光学面を成形される光学素子において、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であり、成形後の厚みが０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、前記光学面に形成された輪帯状の回折構造における半径方向のピッチが１０μｍ以下であり、前記回折構造の光軸方向断面における角部の曲率半径は１μｍ未満であることを特徴とする。

従来の射出成形においては、回折構造に対応した型の微細構造の奥まで樹脂が入り込みにくいことから、それにより得られる光学素子の回折構造は、その光軸方向断面における角部がダレてその曲率半径が１μｍを大きく超えており、光透過率が悪化する恐れがある。これに対し、本発明の光学素子では、前記回折構造の光軸方向断面における角部の曲率半径が１μｍ未満となり、より高い光透過率を得ることができる。尚、このような成形物や光学素子は、以下の成形方法又は成形装置により得ることができる。

第３の本発明の成形方法は、微細形状を有する型の温度を、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材のガラス転移点温度より高く設定するステップと、前記型を前記素材に向かって押圧することで、前記微細形状を前記素材に転写するステップと、前記微細形状を有する型を冷却するステップと、を有するので、アスペクト比が１以上の微細形状を有する成形物又は光軸方向断面における角部の曲率半径が１μｍ未満の回折構造を有する光学素子を容易に成形できる。

尚、「ガラス転移点温度」とは、非晶質重合体又は部分非晶質重合体の非晶域が、硬いガラス状の脆い状態と、軟いエラストマー状の粘稠な状態との間で急に変化する温度範囲の中央をいう。しかし、可塑剤を添加すると一般的にガラス転移点温度は低下するので、本明細書においては、可塑剤の添加剤を含有する場合は、それらも含めた場合のガラス転移点温度を指し、ＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ：示差走査熱量測定）によりＩＳＯ１１３５７−２：１９９９に従って求めることができる。

更に、前記型を前記素材に向かって押圧する前に、前記微細形状の型と、それに対向する型の間に前記素材を射出するステップと前記素材を冷却するステップとを有すると好ましい。

第４の本発明の成形方法は、微細形状を有する型の温度を、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材のガラス転移点温度より高く設定するステップと、前記素材の表面温度及び内部温度を、そのガラス転移点温度より高くなるまで加熱するステップと、前記型を前記素材に向かって第１の押圧力で押圧するステップと、前記素材の内部温度が、そのガラス転移点温度より低くなるまで冷却するステップと、前記素材の内部温度をそのガラス転移点温度より低く維持しつつ、前記素材の表面温度を、そのガラス転移点温度より高くなるまで加熱するステップと、前記型を前記素材に向かって第２の押圧力で押圧するステップと、前記微細形状を有する型を冷却するステップと、を有するので、前記型の母形状を転写できると共に、素材のはみ出しや充填不足を回避して、アスペクト比が１以上の微細形状を有する成形物又は光軸方向断面における角部の曲率半径が１μｍ未満の回折構造を有する光学素子を容易に成形できる。

更に、前記第２の押圧力を、前記第１の押圧力より低くすることで、微細形状を精度良く転写することができる。

第５の本発明の成形方法は、少なくとも、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である微細形状を有する型の温度を、素材のガラス転移点温度より高く設定するステップと、前記素材の微細形状を有する型と実質的に接触する部分のみを、前記ガラス転移点温度以上に加熱するステップと、前記型を前記素材に向かって押圧するステップと、前記型を前記素材から離型するステップと、を有するので、前記素材の表面だけを加熱することで、元の形状を崩すことなく、アスペクト比が１以上の微細形状を有する成形物又は光軸方向断面における角部の曲率半径が１μｍ未満の回折構造を有する光学素子を容易に成形できる。尚、「素材の微細形状を有する型と実質的に接触する部分」とは、微細形状の高さを１．５〜４．０倍した距離に等しい深さだけ、素材の表面から内部に入り込んだ範囲をいうものとする。

更に、前記素材の微細形状を有する型と実質的に接触する部分のみを、前記ガラス転移点温度以上に加熱するステップにおいて、前記型自身で、前記素材の前記型と実質的に接触する部分のみを加熱すると、加熱効率が高くなるので好ましいが、輻射熱等を用いて加熱しても良い。

第６の本発明の成形装置は、微細形状を有する可動型と、前記可動型の微細形状を包囲するように遮蔽する固定型と、前記可動型を加熱するヒータと、前記可動型と前記固定型とを相対移動させる駆動部と、を有し、前記可動型と前記固定型とで閉鎖される空間に、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を配置し、少なくとも前記素材の内部が固化した状態で、前記ヒータにより前記可動型を加熱し、前記移動部が前記可動型を前記素材に向かって相対移動させることにより、前記可動型の微細形状が転写されるようになっているので、アスペクト比が１以上の微細形状を有する成形物又は光軸方向断面における角部の曲率半径が１μｍ未満の回折構造を有する光学素子を容易に成形できる。

尚、本発明の成形装置を用いて成形する場合、微細形状以外の母形状を予め射出成形等により成形し、その後、前記素材の内部が固化した状態で、素材のガラス転移点以上に加熱された前記可動型を素材に押しつけることで、母形状を維持しつつ微細形状が素材に転写される。従って、前記素材は、前記可動型と前記固定型とで閉鎖される空間内に射出されると良い。ただし、母形状を成形する型と微細形状を成形する可動型とは別個にしても良く、かかる場合、型交換時に素材を冷却することが可能となる。

本発明によれば、より簡便に且つ低コストで、高アスペクト比又は角Ｒの小さい微細構造を有する成形物を成形できる成形方法及び成形装置、並びにその成形物、光学素子を提供することができる。

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、第１の実施の形態にかかる成形方法を実施できる光学素子の成形装置の断面図である。図２において、下型１の上に円管状の上型２が移動自在に配置されている。円筒状の可動型３が、上型２に対して摺動可能に内包されており、可動型３’が、下型１に対して摺動可能に内包されている。

可動型３の下面には、成形しようとする光学素子の非球面形状に対応した母形状３ａと、構造性複屈折を生じさせる形状に対応した微細形状３ｂとが形成されている。又、可動型３の内側には、ヒータ４が設置されている。可動型３’の上面には、成形しようとする光学素子の非球面形状に対応した母形状３ａ’と、回折構造に対応した微細形状３ｂ’とが形成されている。又、可動型３’の内側には、ヒータ４’が設置されている。尚、本実施の形態では、下型１と上型２とで固定型を構成する。

図３は、第１の実施の形態にかかる成形方法を示すフローチャート図である。図３を参照して、かかる成形方法について説明する。まず、ステップＳ１０１で、下型１，上型２，可動型３、３’を、図２に示す状態に配置し、いわゆる型締めを行う。続いて、ステップＳ１０２で、外部の加熱シリンダー（不図示）にて加熱溶融された樹脂素材（常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であると好ましい）を、ゲートＧを介して下型１，上型２内へと射出する（素材を射出するステップ）。

ステップＳ１０３で、射出された素材を冷却する（自然冷却でも、可動型３，３’の少なくとも一方を退避させて素材を雰囲気に暴露する強制冷却を行っても良い）。このとき、素材の表面には、可動型３の非球面形状３ａが転写されているが、素材の射出のみでは、微細形状３ｂは十分に転写するのは困難である。そこで、ステップＳ１０４で、ヒータ４、４’により可動型３、３’を加熱し、樹脂素材のガラス転移点以上の温度にする（型の温度を素材のガラス転移点温度より高く設定するステップ）。その後、ステップＳ１０５で、不図示の駆動部によってわずかな力（重力方向上側の可動型３は自重でも良い）で、可動型３、３’を樹脂素材に向かって押圧すると、微細形状３ｂ、３ｂ’が当たる樹脂素材の表面が溶融し、微細形状３ｂ、３ｂ’の溝底まで行き渡るようになる（微細形状を転写するステップ）。従って、アスペクト比が１以上の微細形状、及び光軸方向断面の角部の曲率半径が１μｍ以下の微細形状でも精度良く転写できる。

その後、ステップＳ１０６で、ヒータ４の加熱を停止し、樹脂素材を冷却固化させ（冷却するステップ）、ステップＳ１０７で、不図示の駆動部を用いて下型１から上型２及び可動型３、３’を退避させる型開きにより、高精度な微細形状を得る光学素子を形成できる。

従来の射出成形においては、微細形状の転写を行わない場合で数１０秒程度、微細形状の転写を行う場合は１分程度のサイクルタイムを要していたが、本願発明の成形方法によれば、予め設計形状誤差範囲内に成形された被成形物表面に微細形状を転写し形状を整形する場合には、２〜３秒のサイクルタイムで成形が完了する。又、成形素材を射出するステップから始めた場合でも、微細形状を転写し形状を整形する場合に、従来の射出成形に＋２〜３秒程度の工程を加えるのみで、従来技術では困難であった、微細形状を誤差数ｎｍ以内で精度良く確実に転写することが可能となる。

図４は、以上の成形方法により成形される光学素子の例を示す図である。図４（ａ）の斜視図で示される形状の光学素子１０は、図４（ｂ）に示すように表面には構造性複屈折の微細形状１０ａを有しており、図４（ｂ）に示すように裏面には光軸方向断面が鋸歯状の回折構造１０ｂを有している。構造性複屈折の微細形状１０ａは、輪帯状の矩形溝を有しており、図４（ｄ）に示す断面形状を有している。ここで、一例として、光学素子１０の素材の屈折率を１．９２とし、入射する光の波長をλとすると、構造性複屈折の微細形状１０ａにおける各部寸法は、ｄ１＝０．２５λ、ｄ２（溝幅）＝０．３９λ、ｄ３＝２λ、ｄ４（溝深さ）＝１．２２λとなる。又、図４（ｃ）において、鋸歯状の回折構造１０ｂの光軸方向断面における角部の曲率半径Ｒは１μｍ未満である。

図５は、以上の成形方法により成形される光学素子の別の例を示す図である。図５（ａ）の断面図を示される形状の光学素子２０は、図５（ｂ）に示すように表面には光軸方向断面が鋸歯状の回折構造２０ａを有している。更に、回折構造２０ａの傾斜面には、深さ方向に向かうにつれ縮径した円錐形状の多数の孔２０ｂが形成されている。反射防止機能を有するこの孔２０ｂは、傾斜面の面積の２０％乃至４０％（好ましくは３０％）を占める。

図６は、第２の実施の形態にかかる成形方法を実施できる光学素子の成形装置の断面図である。図６（ａ）において、固定された下型１１の上に、上型１２が移動自在に配置されている。上型１２の内部には、ヒータ４が設置されており、下型１１の内部には、冷却水を流すための配管５が設けられている。

上型１２の下面には、成形しようとする光学素子の非球面形状に対応した母形状１２ａと、構造性複屈折を生じさせる形状に対応した微細形状１２ｂとが形成されている。一方、下型１１の上面には、成形しようとする光学素子の非球面形状に対応した母形状１１ａが形成されている。

図７は、第２の実施の形態にかかる成形方法を示すフローチャート図である。図８は、本実施の形態にかかる成形方法における制御プロファイルを示す図である。図６〜８を参照して、かかる成形方法について説明する。まず、ステップＳ２０１で、図６（ａ）に示すように下型１１に対して上型１２を開いた状態に置き、バルク材としての素材Ｍを下型１１のキャビティ内に投入する。更に、ステップＳ２０２で、素材Ｍ（常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であると好ましい）の表面に上型１２の下面を押し当てた状態で、ヒータ４を発熱させて、上型１２をガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱する（型の温度を素材のガラス転移点温度より高く設定するステップ）。それにより素材Ｍの表面温度及び内部温度は、上型１２の温度上昇と共に上昇し、ガラス転移点温度Ｔｇ以上になる（素材の表面温度及び内部温度を、そのガラス転移点温度より高くなるまで加熱するステップ）。

更に、上型１２の下面がガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱された段階（図８のｔ１）で、図６（ｂ）に示すように、上型１２により素材Ｍを第１の押圧力Ｐ１で押圧する（ステップＳ２０３：型を素材に向かって第１の押圧力で押圧するステップ）。すると、内部までガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱された素材Ｍは変形し、その上表面に上型１２の母形状１２ａを転写し、下表面に下型１１の母形状１１ａを転写する。なお、この時点では微細形状１２ｂは殆ど転写されていない。

続いて、ヒータ４の発熱を停止し、且つ配管５を介して外部より冷却水を導入し、下型１１を強制冷却すると共に、上型１２を自然冷却（強制冷却でも良い）させ、それにより素材Ｍの温度をガラス転移点温度Ｔｇを下回るように下げる（ステップＳ２０４：素材の内部温度が、そのガラス転移点温度より低くなるまで冷却するステップ）。ここで、上型１２による素材Ｍの押圧を中断する（図８の時刻ｔ２）。

更に、ステップＳ２０５で、ヒータ４の発熱を再開し上型１２の温度を上昇させると、上型１２の下面に接触した素材Ｍの表面は加熱されてガラス転移点温度Ｔｇ以上となるが、下型１１の強制冷却が続行されているため、素材Ｍの内部温度はガラス転移点温度Ｔｇより低くなる（素材の内部温度をそのガラス転移点温度より低く維持しつつ、素材の表面温度を、そのガラス転移点温度より高くなるまで加熱するステップ）。

素材Ｍの上型１２に当接する下面がガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱された段階（図８のｔ３）で、上型１２により素材Ｍを、第１の押圧力Ｐ１より低い第２の押圧力Ｐ２で押圧する（ステップＳ２０６：型を素材に向かって第２の押圧力で押圧するステップ）。すると、内部はガラス転移点温度Ｔｇ未満であることから、素材Ｍは全体としては剛体であるため、母形状１２ａ、１１ａにより転写された母非球面状態を維持しつつ、且つその上表面のみがガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱されていることから、溶融した素材Ｍが微細形状の中に入り込み（図６（ｃ）参照）、微細形状１２ｂを精度良く転写することができる。

更に、ヒータ４の発熱を停止しつつ、所定の時間だけ押圧している間に（図８のｔ４）、素材Ｍ全ての表面温度がガラス転移点温度Ｔｇを下回って室温に近づくように冷却されるので（ステップＳ２０７：型を冷却するステップ）、微細形状１２ｂを転写された形状も固まって安定した状態になる。その後、ステップＳ２０８で、下型１１から上型１２を離型させ、成形された光学素子を取り出すことができる。

本実施の形態によれば、上型１２の第１の押圧により光学素子の母非球面を形成し、第２の押圧により光学素子の微細形状を形成することができるため、大がかりな製造装置が必要な射出成形に頼らず、バルク材としての素材から微細形状を有する光学素子を形成できる。

図９は、第３の実施の形態にかかる成形方法を実施できる光学素子の成形装置の断面図である。図９（ａ）において、固定された下型１１’の上に、上型１２’が移動自在に配置されている。上型１２’の内部には、ヒータ４が設置されており、下型１１’の内部には、冷却水を流すための配管５が設けられている。

全体的に平面である上型１２の下面は、例えば波長板に用いるためのアスペクト比が高い平行なスリット状の微細形状１２ｂ’が形成されている。一方、下型１１の上面は平面である。

図１０は、第３の実施の形態にかかる成形方法を示すフローチャート図である。図１１は、本実施の形態にかかる成形方法における制御プロファイルを示す図である。図９〜１１を参照して、かかる成形方法について説明する。まず、図９（ａ）に示すように下型１１’に対して上型１２’を開いた状態に置き、板状の素材Ｍ（常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であると好ましい）を下型１１’のキャビティ内に配置する。次に、ステップＳ３０１で、素材Ｍの表面から上型１２’の下面を離した状態で、ヒータ４を発熱させて、上型１２’をガラス転移点温度以上（Ｔｇ＋α）に加熱する（型の温度を素材のガラス転移点温度より高く設定するステップ）。一方、配管５を介して外部より冷却水を導入し、下型１１’を強制冷却することで、素材Ｍは室温以下に維持する。

更に、ステップＳ３０２で、ガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱された上型１２’の下面を、図９（ｂ）に示すように、素材Ｍの表面に例えば２ＭＰａの圧力で押し当てながら（図１１の時刻ｔ１）、素材Ｍの上型１２’と実質的に接触する部分のみをガラス転移点温度以上（Ｔｇ＋β）に加熱する（ステップＳ３０２）。この押し当て時間が長すぎると、素材Ｍの上型１２’と実質的に接触する部分以外の部分も加熱されてしまうので、時刻ｔ２〜ｔ３の制御は注意を要する。

更に、時刻ｔ３からｔ４にかけて、上型１２’を、微細形状１２ｂ’の高さ分に相当する距離だけ、下型１１’に向かって近接させ、例えば１４ＭＰａの圧力で素材Ｍを押圧する（ステップＳ３０３：型と実質的に接触する部分のみを、ガラス転移点温度以上に加熱するステップ及び型を素材に向かって押圧するステップ）。すると、素材Ｍの内部はガラス転移点温度Ｔｇ未満であることから、素材Ｍはその形状を維持しつつ、その上表面のみがガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱されていることから、溶融した素材Ｍが微細形状の中に入り込み、微細形状１２ｂ’を精度良く転写することができる。

その後、ヒータ４の発熱を停止しつつ、所定の時間だけ押圧している間に、素材Ｍ全ての表面温度がガラス転移点温度を下回って（Ｔｇ−γ）、室温に近づくように冷却されるので（ステップＳ３０４）、微細形状１２ｂ’を転写された形状も固まって安定した状態になる。かかる状態になれば、下型１１’から上型１２’を離型させ、成形された光学素子を取り出すことができる（ステップＳ３０５：型を素材から離型するステップ）。

本実施の形態によれば、素材Ｍの内部温度を維持したまま、その表面温度のみを上型１２’により加熱押圧することで、素材Ｍの形状を維持しつつ微細形状をその表面に精度良く転写形成することができる。

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。

アスペクト比を説明するための図である。 第１の実施の形態にかかる成形方法を実施できる光学素子の成形装置の断面図である。 本実施の形態にかかる成形方法を示すフローチャート図である。 本実施の形態にかかる成形方法により成形される光学素子の例を示す図である。 本実施の形態にかかる成形方法により成形される光学素子の別の例を示す図である。 第２の実施の形態にかかる成形方法を実施できる光学素子の成形装置の断面図である。 本実施の形態にかかる成形方法を示すフローチャート図である。 本実施の形態にかかる成形方法における制御プロファイルを示す図である。 第３の実施の形態にかかる成形方法を実施できる光学素子の成形装置の断面図である。 本実施の形態にかかる成形方法を示すフローチャート図である。 本実施の形態にかかる成形方法における制御プロファイルを示す図である。

符号の説明

１、１１、１１’ 下型
２、１２，１２’ 上型
３ 可動型
４ ヒータ
５ 配管

Claims (21)

1. 型を押し当てることで成形される成形物において、
   常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であり、成形後の厚みが０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、成形面に形成された微細形状のアスペクト比が１以上であることを特徴とする微細形状を有する成形物。
2. 前記微細形状は、構造性複屈折を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の成形物。
3. 前記微細形状は、光の波長以下のサイズで周期構造を持ち反射防止機能を有することを特徴とする請求項１に記載の成形物。
4. 光学素子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微細形状を有する成形物。
5. 型を押し当てることで光学面を成形される光学素子において、
   常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であり、成形後の厚みが０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、前記光学面に形成された輪帯状の回折構造における半径方向のピッチが１０μｍ以下であり、前記回折構造の光軸方向断面における角部の曲率半径は１μｍ未満であることを特徴とする光学素子。
6. 微細形状を有する型の温度を、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材のガラス転移点温度より高く設定するステップと、
   前記型を前記素材に向かって押圧することで、前記微細形状を前記素材に転写するステップと、
   前記微細形状を有する型を冷却するステップと、を有することを特徴とする成形方法。
7. 前記型を前記素材に向かって押圧する前に、前記微細形状の型と、それに対向する型の間に前記素材を射出するステップと前記素材を冷却するステップとを有することを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の成形方法。
8. 微細形状を有する型の温度を、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材のガラス転移点温度より高く設定するステップと、
   前記素材の表面温度及び内部温度を、そのガラス転移点温度より高くなるまで加熱するステップと、
   前記型を前記素材に向かって第１の押圧力で押圧するステップと、
   前記素材の内部温度が、そのガラス転移点温度より低くなるまで冷却するステップと、
   前記素材の内部温度をそのガラス転移点温度より低く維持しつつ、前記素材の表面温度を、そのガラス転移点温度より高くなるまで加熱するステップと、
   前記型を前記素材に向かって第２の押圧力で押圧するステップと、
   前記微細形状を有する型を冷却するステップと、を有することを特徴とする成形方法。
9. 前記第２の押圧力は、前記第１の押圧力より低いことを特徴とする請求項８に記載の成形方法。
10. 少なくとも、微細形状を有する型の温度を、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材のガラス転移点温度より高く設定するステップと、
    前記素材の微細形状を有する型と実質的に接触する部分のみを、前記ガラス転移点温度以上に加熱するステップと、
    前記型を前記素材に向かって押圧するステップと、
    前記型を前記素材から離型するステップと、を有することを特徴とする成形方法。
11. 前記素材の微細形状を有する型と実質的に接触する部分のみを、前記ガラス転移点温度以上に加熱するステップにおいて、前記型自身で、前記素材の前記型と実質的に接触する部分のみを加熱することを特徴とする請求項１０に記載の成形方法。
12. 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６〜１１のいずれかに記載の成形方法。
13. 前記微細形状は輪帯状の回折構造であり、前記回折構造の半径方向のピッチは１０μｍ以下であり、前記回折構造の光軸方向断面における角部の曲率半径は１μｍ未満であることを特徴とする請求項１２に記載の成形方法。
14. 前記微細形状は、アスペクト比が１以上であり、構造性複屈折を生じさせることを特徴とする請求項１２に記載の成形方法。
15. 前記微細形状は、アスペクト比が１以上であり、光の波長以下のサイズで周期構造を持ち反射防止機能を有することを特徴とする請求項１２に記載の成形方法。
16. 微細形状を有する可動型と、
    前記可動型の微細形状を包囲するように遮蔽する固定型と、
    前記可動型を加熱するヒータと、
    前記可動型と前記固定型とを相対移動させる駆動部と、を有し、
    前記可動型と前記固定型とで閉鎖される空間に、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を配置し、少なくとも前記素材の内部が固化した状態で、前記ヒータにより前記可動型を加熱し、前記移動部が前記可動型を前記素材に向かって相対移動させることにより、前記可動型の微細形状が転写されるようになっていることを特徴とする成形装置。
17. 前記素材は、前記可動型と前記固定型とで閉鎖される空間内に射出されることを特徴とする請求項１６に記載の成形装置。
18. 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１６又は１７に記載の成形装置。
19. 前記微細形状は輪帯状の回折構造であり、前記回折構造の半径方向のピッチは１０μｍ以下であり、前記回折構造の光軸方向断面における角部の曲率半径は１μｍ未満であることを特徴とする請求項１８に記載の成形装置。
20. 前記微細形状は、アスペクト比が１以上であり、構造性複屈折を生じさせることを特徴とする請求項１８に記載の成形装置。
21. 前記微細形状は、アスペクト比が１以上であり、光の波長以下のサイズで周期構造を持ち反射防止機能を有することを特徴とする請求項１８に記載の成形装置。
    
    
    

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