JP2006015522A - Molding machine and optical element - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a molding apparatus and an optical element, and more particularly to a molding apparatus and an optical element suitable for molding an optical element having a fine shape with a high aspect ratio.
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。 In recent years, optical elements such as objective lenses with extremely high accuracy are used in the field of optical pickup devices that are rapidly developing. When a material such as plastic or glass is molded into such an optical element using a mold, a product having a uniform shape can be quickly produced. It can be said that it is suitable for mass production.
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、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。 Furthermore, recent optical pickup devices record high-density information on recording media such as HD DVDs (High Definition DVDs) and BDs (Blu-ray Discs) using light beams from shorter-wavelength semiconductor lasers. In order to improve the aberration characteristics of the optical system, a diffractive structure which is a fine structure is provided on the optical surface. Further, even in an optical pickup device capable of recording and / or reproducing such high-density information, it is necessary to ensure the recording and / or reproducing of information even with respect to CDs and DVDs that have conventionally been supplied in large quantities. For this reason, a diffractive structure having wavelength selectivity is also provided. In addition, in an optical pickup device capable of recording and / or reproducing information in a compatible manner such as a DVD and a CD, a wave plate that gives a phase difference is used in order to share an optical system. ing.
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。 Here, although the diffraction structure depends on the light source wavelength to be used, for example, it is an annular structure having a step of about 2 μm at the minimum, and the wavelength plate of the type described above has a pitch less than 1/2 of the wavelength of transmitted light. Therefore, in normal injection molding, simply injecting the molten resin into the mold makes it difficult for the material to enter deeply into the steps of the microstructure formed in the mold. There is a problem that the transfer is not performed with high accuracy. If the designed fine structure is not formed due to transfer failure (sagging of the material), its optical characteristics are deteriorated, and there is a possibility that a write error or the like occurs in an optical pickup device using such an optical element. For this reason, various ideas such as selection of materials and adjustment of the temperature and pressure of the molten resin have been made. However, it is difficult to completely eliminate sagging with conventional methods.
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。
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。 However, the technique described in Patent Document 1 is limited to molding a fine shape having a width of about 100 to 50 μm and a height of about 20 to 10 μm with an aspect ratio of about 0.2 on the surface of the glass material. . This is because the elastic modulus of inorganic glass at room temperature is as high as about 70 GPa, so even if a mold heated with a very large force of 3000 N is pressed on its surface, the glass material does not flow smoothly into the back of the microstructure, As a result, only a fine shape having an aspect ratio of about 0.2 could be formed. Therefore, for example, a molded product having a fine shape with an aspect ratio of 1 or more may exist as a prototype, but it does not yet exist as an industrial product with a uniform shape.
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。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and an object thereof is to provide a molding apparatus and an optical element capable of molding a molded article having a microstructure with a high aspect ratio more easily and at low cost. And
第1の本発明の成形装置は、周期的な微細形状と、その周期方向において前記微細形状を挟むアンカー部とを形成した型と、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、前記型のアンカー部は、前記微細形状のピッチの2倍以上の幅を有し、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、前記微細形状及び前記アンカー部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。 A molding apparatus according to a first aspect of the present invention includes a mold having a periodic fine shape and an anchor portion sandwiching the fine shape in the periodic direction, and a material having an elastic modulus of 1 to 4 (GPa) at room temperature. A holding portion for holding the die, a heater for heating the die, and a driving portion for moving the die and the holding portion relative to each other, wherein the anchor portion of the die is at least twice the pitch of the fine shape. And pressing the mold heated by the heater toward the material to transfer the fine shape and the anchor portion to the material, and then releasing the mold from the material. And
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。 In view of the above-mentioned problems, the present inventors have devised a molding method capable of molding a molded product having a fine shape from a completely different viewpoint as a result of intensive studies. That is, in the case of a resin material having an elastic modulus of 1 to 4 (GPa) at room temperature, when a mold having a fine shape is heated and pressed against the mold surface, the pressed surface is melted to a fine shape. As a result, it was found that, for example, even if the aspect ratio is 1 or more, a molded product in which the fine shape of the mold is accurately transferred can be obtained. In such a case, as described in Patent Document 1, a pressing force of 3000 N is unnecessary, it is sufficient to improve the conventional injection molding machine, the manufacturing equipment is reduced in cost, and a large amount of molding is performed in a short time. It becomes possible to manufacture a thing.
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。 Incidentally, materials having an elastic modulus of 1 to 4 (GPa) at room temperature include, for example, PMMA (elastic modulus of 1.5 to 3.3 GPa), polycarbonate (elastic modulus of 3.1 GPa), polyolefin (elastic modulus of 2). It is preferable to contain, as a composition component, a resin having an elastic modulus in the range of 1 to 4 such as .5 to 3.1 GPa). Here, room temperature means 25 ° C. These resins preferably have a glass transition point of 50 to 160 ° C. The elastic modulus can be obtained according to JIS-K7161, 7162, and the like. The glass transition temperature can be determined according to JIS R3102-3: 2001.
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。これを図面を用いて具体的に説明する。 Here, the present inventors faced a new problem. The new problem is that when the material is molded by the above molding method and then released, the fine shape of the transferred material is not separated from the fine shape of the mold, and a part of the fine shape of the material is torn off. This is a phenomenon that occurs. This will be specifically described with reference to the drawings.
図1(a)は、加熱した型MDを素材Mに押しつけた状態を示す図であり、図1(b)は、型MDと素材Mの矢印B部を拡大して示す図である。一方、図1(c)、(d)は、冷却後に素材Mから型MDを離型させた状態を示す図である。 FIG. 1A is a view showing a state where a heated mold MD is pressed against the material M, and FIG. 1B is an enlarged view showing an arrow B portion of the mold MD and the material M. FIG. On the other hand, FIGS. 1C and 1D are views showing a state in which the mold MD is released from the material M after cooling.
本発明者らの研究によれば、型MDと素材Mとは本来的に熱膨張率が異なるので、冷却時には熱膨張の差に応じて収縮量が異なることから、特に素材Mに内側に向かう引っ張り応力が生じることが判明した。かかる引っ張り応力は、微細形状の中央付近では大きな影響を与えないが、その周辺付近では、素材Mに大きな変形量を与える。そのため、離型時に、転写された微細形状MS’の根本が曲がったり(図1(c)参照)、或いは転写された微細形状MS’が型MDから離れず引きちぎれる(図1(d)参照)という不具合が生じる。 According to the study by the present inventors, the mold MD and the material M inherently have different coefficients of thermal expansion, and therefore the amount of shrinkage varies depending on the difference in thermal expansion during cooling. It was found that tensile stress was generated. Such tensile stress does not have a large influence in the vicinity of the center of the fine shape, but gives a large amount of deformation to the material M in the vicinity of the periphery. Therefore, at the time of mold release, the root of the transferred fine shape MS ′ is bent (see FIG. 1C), or the transferred fine shape MS ′ is torn off without leaving the mold MD (see FIG. 1D). ) Occurs.
そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、前記型において、周期方向において前記微細形状を挟むようにして前記微細形状のピッチの2倍以上の幅を有するようなアンカー部を形成すれば、前記微細形状の剪断強度よりも高い剪断強度を有する前記アンカー部により、冷却時における前記素材の少なくとも型に近い面の変形を抑えることができ、それにより転写された微細形状の離型時における曲がりや、ちぎれを抑制できることを導出したものである。 Therefore, as a result of earnest research, the present inventors have determined that if the anchor portion having a width of twice or more the pitch of the fine shape is formed in the mold so as to sandwich the fine shape in the periodic direction, the fine shape is formed. With the anchor portion having a shear strength higher than the shear strength of the shape, it is possible to suppress deformation of at least the surface of the material close to the mold at the time of cooling, thereby bending at the time of mold release of the transferred fine shape, It is derived that tearing can be suppressed.
前記型のアンカー部の高さは、前記微細形状の高さ以上であると、前記微細形状が完全に離型するまで、前記素材の少なくとも型に近い面の変形を抑えることができる。 If the height of the anchor portion of the mold is equal to or higher than the height of the fine shape, deformation of at least the surface of the material close to the mold can be suppressed until the fine shape is completely released.
前記アンカー部は、前記素材に転写されることにより、前記微細形状の方向を示すマークを形成すると、例えば光学素子など光学特性に偏りがある場合、その方向を示すことができる。 When the anchor portion is transferred to the material to form a mark indicating the direction of the fine shape, for example, when the optical characteristic such as an optical element is biased, the direction can be indicated.
前記素材は光学素子の素材であると好ましい。 The material is preferably a material of an optical element.
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。 The fine shape preferably has an aspect ratio of 1 or more and includes a plurality of lines and spaces arranged at a predetermined pitch.
「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。素材の厚みは、好ましくは0.1〜20mmであり、より好ましくは1〜5mmである。 As shown in FIGS. 2A and 2B, the “aspect ratio” is represented by B / A, where A is the width of the concave or convex portion of the fine structure, and B is the depth or height. Value. “Fine shape” means a shape having a value of A of 10 μm or less. The thickness of a raw material becomes like this. Preferably it is 0.1-20 mm, More preferably, it is 1-5 mm.
第2の本発明の光学素子は、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と、前記微細形状の周期方向において、前記微細形状を挟む転写アンカー部とを形成したので、転写成形された微細形状の離型時における曲がりや、ちぎれを抑制できる。 The optical element according to the second aspect of the present invention has an aspect ratio of 1 or more, a periodic fine shape arranged at a predetermined pitch, and a transfer anchor portion sandwiching the fine shape in the periodic direction of the fine shape Therefore, it is possible to suppress bending and tearing at the time of mold release of the fine shape that has been transferred and molded.
前記転写アンカー部の高さは、前記微細形状の高さ以上であると好ましい。 The height of the transfer anchor portion is preferably equal to or higher than the height of the fine shape.
前記転写アンカー部は、前記微細形状の方向を示すマークを有すると好ましい。 The transfer anchor portion preferably has a mark indicating the direction of the fine shape.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the shaping | molding apparatus and optical element which can shape | mold the molding which has the microstructure of a high aspect ratio more simply and at low cost can be provided.
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。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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical element molding apparatus according to the present embodiment. In FIG. 3, an
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。
A
図4は、型円板2aの下面図であり、図5は、型円板2aの拡大断面図であり、素材Mから離型した状態を示す。微細形状2bは、微少なピッチのラインアンドスペースであるが、アンカー部2cは、微細形状2bの周囲を取り巻く矩形断面の周溝形状となっている。但し、図4に示すように、アンカー部2cは、円周の1カ所がとぎれて不連続部2dを形成している。型2の中心から不連続部2dの中心を結んだ線に対して、微細形状2bのラインアンドスペースは略平行に延在する。アンカー部2cの幅Wは、周期的な微細形状2bのピッチpの2倍以上となっており、且つアンカー部2cの高さ(深さ)Hは、周期的な微細形状2bの高さ(深さ)h以上となっている。
4 is a bottom view of the
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。
A heater 4 is installed inside the
本実施の形態にかかる成形装置の動作について説明する。まず、図3(a)に示すように、型開きした下型1の上面に、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。
The operation of the molding apparatus according to this embodiment will be described. First, as shown in FIG. 3A, the material M is fixed to the upper surface of the lower mold 1 that has been opened. Further, the heater 4 generates heat, and the
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。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及びアンカー部2cを転写する。
When the lower surface of the
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、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。ここで、図5に示すように、微細形状2bは、素材Mに転写されて微細形状2b’を形成し、且つアンカー部2cは、素材Mに転写されて、微細形状2b’を挟む転写アンカー部2c’を形成する。
Subsequently, the heat generation of the heater 4 is stopped, the
本実施の形態によれば、型円板2aにおいて、微細形状2bを周期方向(ラインアンドスペースの並び方向:図5で左右方向)に挟むようにしてアンカー部2cを形成しているので、微細形状2bの剪断強度よりも高い剪断強度を有するアンカー部2cにより、冷却時における素材Mの少なくとも型円板2aに近い面の変形を抑えることができ、それにより転写された微細形状の離型時における曲がりや、ちぎれを抑制できる。
According to the present embodiment, in the
更に、本実施の形態によれば、図4に示すように、目視できるアンカー部2cの不連続部2dが形成されているので、素材Mを光学素子として形成した場合に、素材Mに転写された転写アンカー部2c’(図5)の不連続部をマークとして、微細形状2bの方向性を確認でき、それにより光学特性の偏りを把握することができる。
Furthermore, according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, since the
図6は、本実施の形態の変形例にかかる型円板2aの拡大断面図である。本変形例においては、アンカー部2cは2つの矩形断面の周溝形状を有する。この場合、周溝の幅をそれぞれW1,W2としたときに、W1+W2>2p(pは微細形状2bのピッチ)を満たすので、上述の実施の形態と同様な効果が得られる。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a
図7は、本実施の形態の別な変形例にかかる型円板2aの拡大断面図である。本変形例においては、アンカー部2cは2つの三角形断面の周溝形状を有する。この場合、周溝の開口幅をW3としたときに、W3>2p(pは微細形状2bのピッチ)を満たすので、上述の実施の形態と同様な効果が得られる。
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a
図8は、本実施の形態の別な変形例にかかる型円板2aの拡大断面図である。本変形例においては、アンカー部2cは2つの矩形断面の周溝形状を有する。この場合、周溝の高さHは、微細形状2bの高さhを超えている(H>h)ので、素材Mの微細形状の離型時における曲がりや、ちぎれをより効果的に抑制できる。尚、明らかであるため図示しないが、本変形例を用いて成形された光学素子における転写アンカー部の高さは、微細形状の高さより高くなる。
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a
図9は、本実施の形態の別な変形例にかかる型円板2aの下面図である。本変形例においては、図4の実施の形態に対し、不連続部2dに、更に三角形状のマーク部2e(高さはアンカー部2cと同じであるが、異ならせても良い)を形成した点が異なる。かかるマーク部2eも、光学素子の素材に転写されることで、転写アンカー部(不図示)に微細構造の方向を示すマークを形成する。
FIG. 9 is a bottom view of a
図10は、本実施の形態の別な変形例にかかる型円板2aの下面図である。本変形例においては、図4の実施の形態に対し、不連続部2dを、微細形状2bのラインアンドスペースの延在方向に一つ、その並び方向(直交方向)に2つ挟んで形成した点が異なる。かかる不連続部2dも、素材に転写されることで、微細構造の方向を示すマークを形成する。
FIG. 10 is a bottom view of a
図11は、本実施の形態の別な変形例にかかる型円板2aの下面図である。本変形例においては、図4の実施の形態に対し、型円板2aと微細形状2bの領域とが矩形状になっていることに鑑み、アンカー部2cを、微細形状2bの領域の周囲に矩形状に配置した点が異なる。
FIG. 11 is a bottom view of a
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。 The present invention has been described above with reference to the embodiments. However, the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and can be modified or improved as appropriate. The present invention is not limited to an optical element for an optical pickup device, but can also be applied to molding various optical elements or an inkjet printer head.
1 下型
2 上型
2a 型円板
4 ヒータ
5 配管
1
Claims (8)
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、
前記型のアンカー部は、前記微細形状のピッチの2倍以上の幅を有し、
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、前記微細形状及び前記アンカー部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。 A mold in which a periodic fine shape and an anchor portion sandwiching the fine shape in the periodic direction are formed,
A holding unit for holding a material having an elastic modulus at room temperature of 1 to 4 (GPa);
A heater for heating the mold;
A drive unit that relatively moves the mold and the holding unit;
The anchor portion of the mold has a width that is twice or more the pitch of the fine shape,
A molding apparatus, wherein the mold heated by the heater is pressed toward the material to transfer the fine shape and the anchor portion to the material, and then the mold is released from the material.
The optical element according to claim 6, wherein the transfer anchor portion has a mark indicating the direction of the fine shape.
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