JP2006007435A

JP2006007435A - 成形方法及び成形装置

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Publication number: JP2006007435A
Application number: JP2004183638A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyakoshi; 博史宮越; Kazumi Furuta; 和三古田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【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方法及び成形装置を提供する。
【解決手段】
転写時に素材Ｍに撓みを与えており、従って冷却後において、素材Ｍの内部に蓄積された機械的内部応力の解放により素材Ｍの撓みが戻り、素材Ｍに転写された微細形状の間隔が広がるように展開するので、転写された微細形状の破損を抑制しつつスムーズな離型を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、成形方法及び成形装置に関し、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。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。

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。

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。

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方法及び成形装置を提供することを目的とする。

第１の本発明の成形方法は、
常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を、保持部に取り付けるステップと、
微細形状を有する型の温度を、前記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して、前記微細形状を前記素材に転写するステップと、
前記型を前記素材より離型させるステップと、を有し、
前記微細形状を前記素材に転写する際に、前記素材に対して、前記型の微細形状より押圧される方向の撓みを与え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。

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、ＪＩＳＲ３１０２−３：２００１に従い求めることができる。

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。本発明者らは、かかる現象の原因を、加熱された型と素材との冷却時において、それらの熱膨張の差に応じて収縮量が異なることから、素材側の微細形状が型の微細形状を強く挟み込むような内部応力が、素材に生じたことによるものではないかと考えた。そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、前記微細形状を前記素材に転写する際に、前記素材に対して、前記型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることで、冷却時における内部応力の問題を解決できることを導出したのである。

本発明の原理を図１を参照して説明する。図１（ａ）において、保持部ＨＤはくぼみＣを形成しており、その上に跨るようにして素材Ｍを保持している。ここで、下面に微細形状ＭＳを有する型ＭＤを加熱して、素材Ｍの上面に押しつけると、素材Ｍの上面のみが加熱溶融して、微細形状ＭＳが転写される。この際に、型ＭＤより押圧された素材Ｍは、その下面が保持部ＨＤのくぼみＣに入り込むように撓むことになるが（点線で図示）、素材Ｍの表面以外はガラス転移点温度を下回っていることから、微細形状ＭＳの転写時に素材Ｍ全体に機械的内部応力（上面側で圧縮応力、下面側で引っ張り応力）が蓄積されることとなる。すると、図１（ｂ）に示すように、微細形状ＭＳの転写及び冷却後に型ＭＤを素材Ｍから離す際には、その機械的内部応力の解放により素材Ｍの撓みが戻り、素材Ｍ側の微細形状ＭＳの間隔が広がるようになるので、冷却時の収縮により生じた内部応力を相殺し、転写された微細形状ＭＳの破損を抑制しつつスムーズな離型を実現できるのである。

前記保持部は、前記素材の裏面に対向し、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に投影してなる第１領域と、それ以外の第２領域とを有し、前記第１領域にくぼみを設けると、前記微細形状を前記素材に転写する際に、前記素材に対して、前記型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることができる。

前記第２領域には、前記素材の弾性率より低い弾性率を有する部材が配置されると好ましい。

前記保持部は、前記素材の裏面に対向し、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に投影してなる第１領域と、それ以外の第２領域とを有し、前記第１領域において前記素材に接触する第１部材の弾性率は、前記第２領域において前記素材に接触する第２部材の弾性率より低いと、前記微細形状を前記素材に転写する際に、前記素材に対して、前記型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることができる。

前記第２部材の弾性率は、前記素材の弾性率より低いと好ましい。

前記保持部は、前記素材の裏面に対向し、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に投影してなる第１領域と、それ以外の第２領域とを有し、前記第１領域において前記素材に接触する部材は、前記微細形状を前記素材に転写する際に、前記型より遠ざかる方向に移動すると、前記微細形状を前記素材に転写する際に、前記素材に対して、前記型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることができる。

前記素材は、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に前記素材の裏面に投影してなる投影領域に凹部を有していると、前記微細形状を前記素材に転写する際に、前記素材に対して、前記型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることができる。

前記素材はフランジを有していると好ましい。

前記素材は光学素子の素材であると好ましいが、インクジェットプリンタのヘッドなどにも適用できる。

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。

「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。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。

第２の本発明の成形装置は、微細形状を有する型と、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、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する際に、前記素材に対して、前記型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えるので、機械的内部応力が蓄積され、更に微細形状の転写及び冷却後に型を素材から離す際には、その機械的内部応力の解放により素材の撓みが戻り素材側の微細形状を展開するようになるので、冷却時の収縮により生じた内部応力を相殺し、転写された微細形状の破損を抑制しつつスムーズな離型を実現できるのである。

前記素材は、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に前記素材の裏面に投影してなる投影領域に凹部を有していると好ましい。

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方法及び成形装置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３は、本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。下型１の上面には、保持部である両面テープ３（厚さｔ１＝０．２ｍｍ）が貼り付けられ、その上に円盤状の素材Ｍ（直径Ｄ＝８ｍｍ、厚さｔ２＝２ｍｍ）が固定されている。尚、両面テープ３の中央がくりぬかれて、内径ｄ＝６ｍｍの孔３ａが形成されている。

ここで、素材Ｍの裏面に対向し、微細形状を転写される領域を押圧方向に投影してなる第１領域を、両面テープ３が素材Ｍの下面に当接しない領域３ｂとし、それ以外の第２領域を、両面テープ３が素材Ｍの下面に当接する領域３ｃとする。更に、第１領域３ｂにおいて素材Ｍに接触する第１部材は空気であり、その弾性率は、第２領域３ｃにおいて素材Ｍに接触する第２部材としての両面テープ３の弾性率より低くなっている。尚、素材Ｍの側面は固定されておらず、自由な変形が可能となっている。両面テープ３の弾性率は、型１及び素材Ｍの弾性率より低い。

一方、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。上型２の内部には、ヒータ４が設置されており、下型１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。

図４は、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。図４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、図３（ａ）に示すように、型開きした下型１の上面に、両面テープ３を用いて素材Ｍ（常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であると好ましい）を固定する（素材を保持部に取り付けるステップ）。更に、ステップＳ１０２で、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（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）。

更に、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（ステップＳ１０３）。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（型を素材に向かって押圧して、微細形状を素材に転写するステップ）。この際に、上型２より押圧された素材Ｍは、その下面が両面テープ３の孔３ａに入り込むように撓むことになるが、素材Ｍの表面以外はガラス転移点温度を下回っていることから、微細形状２ｂの転写時に素材Ｍ全体に機械的内部応力が蓄積される。

続いて、ステップＳ１０４で、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１を強制冷却すると共に、上型２を自然冷却（強制冷却でも良い）させ、それにより素材Ｍの表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、ステップＳ１０５で、上型２を素材Ｍから離すように離型する（離型するステップ）。ここで、型円板２ａも素材Ｍも冷却により収縮するが、素材Ｍの方が熱膨張率が高いことから収縮量が大きくなる。そこで、これを相殺すべく、転写時に素材Ｍに撓みを与えており、従って冷却後において、素材Ｍの内部に蓄積された機械的内部応力の解放により素材Ｍの撓みが戻り、素材Ｍに転写された微細形状の間隔が広がるように展開するので、転写された微細形状の破損を抑制しつつスムーズな離型を実現できる。

本発明者らが図３に示す成形装置を用いて行った実験によれば、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、ＰＭＭＡ（分子量７万、ガラス転移点温度Ｔｇ１００℃、縦弾性率３．３ＧＰａ）の素材に転写形成したところ、綺麗に転写された。

図５は、本実施の形態の変形例における素材と保持部との関係を示す図である。本変形例においては、保持部の第１領域３ｂにおいて素材Ｍに接触する第１部材はスポンジ６であり、その弾性率は、第２領域３ｃにおいて素材Ｍに接触する第２部材としての両面テープ３の弾性率より低くなっている。従って、微細形状を素材Ｍに転写する際に、素材Ｍに対して、型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることができる。ここで、両面テープ１とスポンジ６とで保持部を構成する。

図６は、別な変形例における素材と保持部との関係を示す図である。本変形例においては、第２領域３ｃにおいて、両面テープは用いておらず、その代わりに素材ＭをＳＵＳ３０４の下型１’により直接載置する。又、第１領域３ｂとして下型１’に深孔１ａ’が形成され、その底にＳＵＳ３０４より弾性率の低い樹脂材７が配置されており、その上方にＳＵＳ３０４の可動部材８が配置されている。微細形状を素材Ｍに転写する際に、不図示の上型により押圧されたとき、スポンジ３０４が圧縮されるこことで可動部材８が下降し（即ち上型から遠ざかる方向に移動し）、それにより素材Ｍに対して、型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることができる。ここで、下型１’と樹脂材７と可動部材８とで保持部を構成する。尚、樹脂材７の代わりにバネを用いても良い。

図７は、別な変形例における素材と保持部との関係を示す図である。本変形例においても、第２領域３ｃにおいて、両面テープは用いておらず、その代わりに素材ＭをＳＵＳ３０４の下型１’により直接載置する。又、第１領域３ｂとして下型１”に孔１ａ”が形成されている。保持部の第１領域３ｂにおいて素材Ｍに接触する第１部材は空気であり、その弾性率は、第２領域３ｃにおいて素材Ｍに接触する第２部材としての下型１”の弾性率より低くなっている。従って、微細形状を素材Ｍに転写する際に、素材Ｍに対して、型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることができる。ここで、下型１”が保持部を構成する。

図８は、別な変形例における素材と保持部との関係を示す図である。本変形例においては、図７の構成において、孔１ａ”内に樹脂材７を充填した点のみが異なる。即ち、保持部の第１領域３ｂにおいて素材Ｍに接触する第１部材は樹脂材７であり、その弾性率は、第２領域３ｃにおいて素材Ｍに接触する第２部材としての下型１”の弾性率より低くなっている。従って、微細形状を素材Ｍに転写する際に、素材Ｍに対して、型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることができる。ここで、下型１”と樹脂材７とで保持部を構成する。

尚、図６〜８の構成においては、孔１ａ’、１ａ”の縁がノッチ形状だと、撓んだ素材Ｍを傷つける恐れがある。そこで、孔１ａ、１ａ”の縁は、図９に示すように面取り（Ｃ）やＲ取りをすることが望ましい。

図１０は、別な変形例における素材と保持部との関係を示す図である。本変形例においては、素材Ｍは、保持部を構成する下型２に対向する面の周囲に、フランジＭｆを形成している。従って、上型２に取り付けられた型円板２ａの微細形状２ｂを転写される領域を押圧方向に素材Ｍの裏面に投影してなる投影領域に凹部Ｍｃを有していることとなるので、微細形状２ａを素材Ｍに転写する際に、素材Ｍに対して、微細形状２ａより押圧される方向の撓みを与えることができる。

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。

本発明の原理を説明するための図である。アスペクト比を説明するための図である。本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。本実施の形態の変形例を示す図である。本実施の形態の変形例を示す図である。本実施の形態の変形例を示す図である。本実施の形態の変形例を示す図である。本実施の形態の変形例を示す図である。本実施の形態の変形例を示す図である。

符号の説明

１、１’、１” 下型
２上型
２ａ型円板
３両面テープ
４ヒータ
５配管
６スポンジ
７樹脂材
８可動部材

Claims

常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を、保持部に取り付けるステップと、
微細形状を有する型の温度を、前記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して、前記微細形状を前記素材に転写するステップと、
前記型を前記素材より離型させるステップと、を有し、
前記微細形状を前記素材に転写する際に、前記素材に対して、前記型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることを特徴とする成形方法。
前記保持部は、前記素材の裏面に対向し、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に投影してなる第１領域と、それ以外の第２領域とを有し、前記第１領域にくぼみを設けたことを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
前記第２領域には、前記素材の弾性率より低い弾性率を有する部材が配置されることを特徴とする請求項２に記載の成形方法。
前記保持部は、前記素材の裏面に対向し、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に投影してなる第１領域と、それ以外の第２領域とを有し、前記第１領域において前記素材に接触する第１部材の弾性率は、前記第２領域において前記素材に接触する第２部材の弾性率より低いことを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
前記第２部材の弾性率は、前記素材の弾性率より低いことを特徴とする請求項４に記載の成形方法。
前記保持部は、前記素材の裏面に対向し、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に投影してなる第１領域と、それ以外の第２領域とを有し、前記第１領域において前記素材に接触する部材は、前記微細形状を前記素材に転写する際に、前記型より遠ざかる方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
前記素材は、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に前記素材の裏面に投影してなる投影領域に凹部を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の成形方法。
前記素材はフランジを有していることを特徴とする請求項７に記載の成形方法。
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１〜８のいずれかに記載の成形方法。
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１〜９のいずれかに記載の成形方法。
微細形状を有する型と、
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、
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する際に、前記素材に対して、前記型の微細形状より押圧される方向の撓みを与えることを特徴とする成形装置。
前記保持部は、前記素材の裏面に対向し、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に投影してなる第１領域と、それ以外の第２領域とを有し、前記第１領域にくぼみを設けたことを特徴とする請求項１１に記載の成形装置。
前記第２領域には、前記素材の弾性率より低い弾性率を有する部材が配置されることを特徴とする請求項１２に記載の成形装置。
前記保持部は、前記素材の裏面に対向し、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に投影してなる第１領域と、それ以外の第２領域とを有し、前記第１領域において前記素材に接触する第１部材の弾性率は、前記第２領域において前記素材に接触する第２部材の弾性率より低いことを特徴とする請求項１１に記載の成形装置。
前記第２部材の弾性率は、前記素材の弾性率より低いことを特徴とする請求項１４に記載の成形装置。
前記保持部は、前記素材の裏面に対向し、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に投影してなる第１領域と、それ以外の第２領域とを有し、前記第１領域において前記素材に接触する部材は、前記微細形状を前記素材に転写する際に、前記型より遠ざかる方向に移動することを特徴とする請求項１１に記載の成形装置。
前記素材は、前記型の微細形状を転写される領域を押圧方向に前記素材の裏面に投影してなる投影領域に凹部を有していることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の成形装置。
前記素材はフランジを有していることを特徴とする請求項１７に記載の成形装置。
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１１〜１８のいずれかに記載の成形装置。
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１１〜１９のいずれかに記載の成形装置。