JP2006015523A

JP2006015523A - 成形方法及び成形装置

Info

Publication number: JP2006015523A
Application number: JP2004193447A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyakoshi; 博史宮越; Kazumi Furuta; 和三古田; Masahiro Morikawa; 雅弘森川
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19
Also published as: US20060001185A1

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】
型の熱膨張率に対して、素材Ｍの熱膨張率が大きい場合でも、素材Ｍの裏面を加熱した状態で離型を行えば、素材Ｍ側の収縮が抑えられるため、離型時における微細形状のちぎれ等を抑制できる。
【選択図】図２

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、ＨＤＤＶＤ（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。

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、前記素材の裏面を加熱した状態で、前記型を前記素材より離型させるステップと、を有す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した後に、前記素材の裏面を加熱した（室温より高くした）状態で離型を行えば、前記素材側の収縮が抑えられるため、離型時における微細形状のちぎれ等を抑制できることを導出したのである。尚、「素材の裏面」とは、微細形状が転写形成される面とは反対側の面をいう。

第２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、前記素材に引っ張り応力を与えつつ、前記型を前記素材より離型させるステップと、を有することを特徴とする。

更に、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した後に、前記素材に引っ張り応力を与えつつ離型を行えば、前記素材側の収縮が抑えられるため、離型時における微細形状のちぎれ等を抑制できることも、また導出した。

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。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。

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、前記型を加熱する第１ヒータと、
前記保持部を加熱する第２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、前記第１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、前記微細形状を前記素材に転写した後、前記第２ヒータにより前記素材の裏面を加熱した状態で、前記型を前記素材より離型させるので、前記微細形状を前記素材に転写した後に、前記素材の裏面を加熱した状態で離型を行うことで、前記素材側の収縮が抑えられるため、離型時における微細形状のちぎれ等を抑制できる

第４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、前記素材の裏面に係合して、引っ張り応力を付与する応力手段を有し、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、前記微細形状を前記素材に転写した後、前記応力手段により前記素材に引っ張り応力を与えつつ、前記型を前記素材より離型させるので、前記微細形状を前記素材に転写した後に、前記素材に引っ張り応力を与えつつ離型を行うことで、前記素材側の収縮が抑えられるため、離型時における微細形状のちぎれ等を抑制できる

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、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。

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。

上型２の内部には、第１ヒータ４が設置されている。一方、下型１の内部には、第２ヒータ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。

図３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は、本実施の形態にかかる成形方法における各パラメータの制御プロファイルを示す図である。図を参照して、かかる成形方法について説明する。まず、ステップＳ１０１で、図２（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（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（図４の時刻ｔ１）で、図２（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（図４の時刻ｔ１）、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）。

続いて、ステップＳ１０４で、第１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、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。

これと相前後し（ここでは図４の時刻ｔ３で）、ステップＳ１０５において、第２ヒータ５を発熱させ、下型２を加熱する。下型２が加熱されると、それに密着する素材Ｍの裏面も加熱される。尚、型円板２ａの熱膨張率をα_２ａとし、素材Ｍの熱膨張率をα_Ｍとし、型円板２ａの温度をΔＴ_２ａだけ低下させた状態で離型を行うとした場合、型円板２ａと素材Ｍとの間の熱膨張差によるズレを回避するためには、素材Ｍの裏面をΔＴ＝（１−α_２ａ／α_Ｍ）・ΔＴ_２ａだけ温度上昇させればよいが、素材Ｍの弾性も考慮すると、厳密にこの温度に管理する必要はない。

更に、図４の時刻ｔ４で、ステップＳ１０６において、上型２を素材Ｍから離すように離型する（素材の裏面を加熱した状態で、型を素材より離型させるステップ）。

本実施の形態によれば、型の熱膨張率に対して、素材Ｍの熱膨張率が大きい場合でも、素材Ｍの裏面を加熱した状態で離型を行えば、素材Ｍ側の収縮が抑えられるため、離型時における微細形状のちぎれ等を抑制できる。

図５（ａ）、（ｂ）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５（ｃ）は、離型時における図５（ａ）の矢印Ｃ部を拡大して示す図である。本実施の形態においては、上述した実施の形態に対して、素材Ｍ’及び下型１’の構成のみが異なるため、共通する構成については同じ符号を付すことで説明を省略する。

本実施の形態においては、保持部である下型１’にはヒータが設けられておらず、その上面に円筒部１ａ’が形成されている。一方、素材Ｍ’の裏面外周には、フランジＭｆ’が形成されている。フランジＭｆ’の内周面は、図５（ｃ）に示すように、逆テーパ形状すなわち底部（図５で上側）に向かうにつれて拡径した形状となっている。このような逆テーパ形状は、フランジＭｆ’の内周面を円筒状に成形した後、機械加工で形成したり、或いは成形後に抜き方向と交差する方向に移動する移動型を用いて直接形成できる。一方、円筒部１ａ’の外周面は、フランジＭｆ’の内周面に応じて逆テーパ形状となっている。常温においては、フランジＭｆ’の端部内径は、円筒部１ａ’の端部外径より小さくなっている（図５（ｃ）参照）。円筒部１ａ’が応力手段を構成する。

図６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、素材Ｍをガラス転移点温度を超えないように加熱する（或いは下型１’の冷却を冷却しても良い）と、熱膨張によりフランジＭｆ’の端部内径が、円筒部１ａ’の端部外径より大きくなるため、フランジＭｆ’を円筒部１ａ’に嵌合させるようにして、図５（ａ）に示すように、型開きした下型１に素材Ｍを固定する（素材を保持部に取り付けるステップ）。素材Ｍ’の温度が下がると収縮して、円筒部１ａ’に嵌合固定される。

更に、ステップＳ２０２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）。

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５（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Ｓ２０３）。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）。

続いて、ステップＳ２０４で、第１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、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。

このとき、フランジＭｆ’の端部内径が、円筒部１ａ’の端部外径より小さくなっているので、かかる状態から、ステップＳ２０５において、上型２を素材Ｍから離すように離型すると、それにつられて素材Ｍ’も下型１’から引き離されるように力を受けるので、フランジＭｆ’は半径方向外向きの力Ｆを受ける（素材に引っ張り応力を与えつつ、型を素材より離型させるステップ）。このとき、上型２と素材Ｍ’との接合力が、素材Ｍ’と下型１’との接合力より低ければ、上型２と素材Ｍ’とを離型させることができる。

本実施の形態によれば、離型時の力を利用して、フランジＭｆ’に半径方向外向きの力Ｆを作用させることで、素材Ｍ’側の収縮が抑えられるため、離型時における微細形状のちぎれ等を抑制できる。尚、素材Ｍ’と下型１’の分離は、素材Ｍ’の加熱或いは下型１’の冷却により容易に行える。

尚、応力手段としては、これ以外にも、離型時に円筒部１ａ’の一部をエアシリンダなどで半径方向外方へ駆動することにより、素材に機械的な引っ張り応力を与える能動的なものも用いることができる。

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おける各パラメータの制御プロファイルを示す図である。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。

符号の説明

１、１’ 下型
２上型
２ａ型円板
４第１ヒータ
５第２ヒータ

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、
前記素材の裏面を加熱した状態で、前記型を前記素材より離型させるステップと、を有することを特徴とする成形方法。
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、
前記素材に引っ張り応力を与えつつ、前記型を前記素材より離型させるステップと、を有することを特徴とする成形方法。
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又は２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乃至３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、
前記型を加熱する第１ヒータと、
前記保持部を加熱する第２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、
前記第１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、前記微細形状を前記素材に転写した後、前記第２ヒータにより前記素材の裏面を加熱した状態で、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。
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、
前記素材の裏面に係合して、引っ張り応力を付与する応力手段を有し、
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、前記微細形状を前記素材に転写した後、前記応力手段により前記素材に引っ張り応力を与えつつ、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。
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５又は６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５乃至７のいずれかに記載の成形装置。