JP2006015650A - 成形方法、成形装置及び構造物 - Google Patents

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構造物を成形できる成形方法及び成形装置並びに構造物を提供する。
【解決手段】
型ＭＤを素材Ｍから引き離すと、まず先端側の領域（Ｒ１）から、転写された微細形状ＭＳが剥がれようとする。しかし、奥側の領域（Ｒ２）からは微細形状ＭＳが剥がれていないので、微細形状ＭＳの根本側の幅Ｗ１が細くなるように変形する。すると、微細形状ＭＳと型ＭＤの内側面との間にスキマが生じ、ここから空気が侵入するため、微細形状ＭＳは型ＭＤから、より離型しやすくなり、ちぎれなどの破損を抑制することができる。最終的に、型ＭＤが微細形状ＭＳから離隔したときは、型ＭＤの微細形状の幅は一様であるにも関わらず、微細形状ＭＳの根本の幅Ｗ１が、その先端の幅Ｗ２よりも小さく（Ｗ１＜Ｗ２）となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成形方法、成形装置及び構造物に関し、特に高アスペクト比の微細形状を有する構造物を成形するのに好適な成形方法及び成形装置並びに構造物に関する。

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、ＨＤ ＤＶＤ（High Definition DVD），ＢＤ（Blue-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構造物を成形できる成形方法及び成形装置並びに構造物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、微細形状を備えた型を製作するステップと、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、前記素材における転写された微細形状の根本側が奥側より早く剥がれるように、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、ＪＩＳ Ｒ３１０２−３：２００１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、かかる現象の原因の一つを、素材に転写された高アスペクト比の微細形状と、型との密着度が高いから、それらを分離する力を、微細形状が支持することができないため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、離型の際に、転写された微細形状と型との密着度を、転写された微細形状の根本側から低くなるようにし、それにより転写された微細形状の根本側が奥側より早く剥がれるようにしている。

図１は、本発明の原理を示す図であり、転写後の型と素材の一部を拡大して示している。１（ａ）に示すように、冷却直後における型ＭＤと素材Ｍとは殆どスキマなく密着している。この状態から型ＭＤを上方に勢いよく引き剥がすと、転写された微細形状ＭＳがちぎれる恐れがある。そこで、例えば型ＭＤの微細形状の内側面ＩＳにおいて、先端側の領域（Ｒ１）より奥側の領域（Ｒ２）において、密着力が高まるような処理を施すことができる。このような処理としては、内側面に凹凸を設けたり、先端側の領域（Ｒ１）だけ撥水性のコートを被覆したりすることが考えられる。

このような処理を施すことにより、型ＭＤを素材Ｍから引き離すと、まず先端側の領域（Ｒ１）から、転写された微細形状ＭＳが剥がれようとする。ここで、奥側の領域（Ｒ２）からは微細形状ＭＳが剥がれていないので、微細形状ＭＳの根本側の幅Ｗ１が細くなるように変形する（図１（ｂ）参照）。すると、微細形状ＭＳと型ＭＤの内側面ＩＳとの間にスキマが生じ、ここから空気が侵入するため、微細形状ＭＳは型ＭＤから、より離型しやすくなり、ちぎれなどの破損を抑制することができる。最終的には、図１（ｃ）に示すように、型ＭＤが微細形状ＭＳから離隔することになるが、離型終了時において、型ＭＤの微細形状の溝幅はその深さ方向に一様であるにも関わらず、微細形状ＭＳの根本の幅Ｗ１が、その先端の幅Ｗ２よりも小さく（Ｗ１＜Ｗ２）となっている。尚、本発明者らの検討結果によれば、型ＭＤの微細形状の内側面ＩＳに凹凸を設ける場合、その引き抜き方向に直交する向きに凹凸を設けると離型力の制御を容易にするので望ましく、更に内側面の粗さをＲｙ、高さ（溝深さ）をＨとしたときに、Ｒｙ／Ｈ＜１／２０である場合に、素材のちぎれなどの離型不良の発生率が低くなるので望ましいことがわかった。

従って、前記型は、離型時の引き抜き方向に沿って延在する面に凹凸を形成した微細形状を有すると好ましい。

更に、前記素材は光学素子の素材であると好ましい。

更に、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。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、離型時の引き抜き方向に沿って延在する面に凹凸を形成した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、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、前記型を前記素材より離型させることによって光学素子を成形することを特徴とする。本発明によれば、転写された微細形状のちぎれなどを抑制して離型性を高めることができ、高アスペクト比の微細形状を形成できる。

前記素材は光学素子の素材であると好ましい。

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。

第３の本発明の構造物は、アスペクト比が１以上であり、１０００ｎｍ以下のピッチで並んだ複数のラインアンドスペースを含む微細構造を有し、前記微細構造におけるラインの幅が、先端側より根本側で細い部位を有することを特徴とする。光学素子がこのような形状になるように成形されることで、転写された微細形状のちぎれなどが抑制され、高アスペクト比の微細形状を形成できる。

前記構造物は光学素子であると好ましいが、それ以外にも、マイクロ流路、フィルタ、電池のセル、インクジェットヘッド等種々の用途に用いることができる。

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構造物を成形できる成形方法及び成形装置並びに構造物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、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。

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。微細形状２ｂは、離型時の引き抜き方向（図３で上下方向）に沿って延在する内側面に凹凸を形成してなる。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、ヒータ４が設置されている。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、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を転写して微細形状ＭＳを形成する（型を素材に向かって押圧して、微細形状を転写するステップ）。

続いて、ステップＳ１０４で、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、素材Ｍにおける転写された微細形状ＭＳの根本側が奥側より早く剥がれるように、上型２を素材Ｍより離型させる（離型するステップ）。

本実施の形態によれば、型円板２ａの微細形状２ｂにおいて、離型時の引き抜き方向（図３で上下方向）に沿って延在する内側面に凹凸を形成してなるので、上型２を素材Ｍから引き離すと、図１に示すように、まず微細形状２ｂの先端側の領域のみから、転写された微細形状が剥がれようとするため、微細形状の幅が狭まり、より離型しやすくなり、ちぎれなどの破損を抑制することができる。

図２の成形装置を用いて、本発明者らが、実際に素材を成形して得られた光学素子（例えば波長板）の微細形状の電子顕微鏡写真を図５に示す。図５から明らかなように、かかる光学素子は、１０００ｎｍ以下のピッチで並んだ複数のラインアンドスペース（凸部と溝が交互に並んだ構造）を含む微細構造を有し、微細構造におけるラインが、先端側より根本側で細くなっている。尚、先端側より根本側で幅が狭くなっている部位があれば足り、例えば先端の幅と根本の幅に対して、その中間の幅がそれらより細い形状なども含む。

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。 本発明者らが実際に素材を成形して得られた微細形状の電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１ 下型
２ 上型
２ａ 型円板
４ ヒータ

Claims (9)

1. 微細形状を備えた型を製作するステップと、
   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、
   前記素材における転写された微細形状の根本側が奥側より早く剥がれるように、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。
2. 前記型は、離型時の引き抜き方向に沿って延在する面に凹凸を形成した微細形状を有することを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
3. 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。
4. 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。
5. 離型時の引き抜き方向に沿って延在する面に凹凸を形成した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、
   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、前記型を前記素材より離型させることによって光学素子を成形することを特徴とする成形装置。
6. 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に記載の成形装置。
7. 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又は６に記載の成形装置。
8. アスペクト比が１以上であり、１０００ｎｍ以下のピッチで並んだ複数のラインアンドスペースを含む微細構造を有し、前記微細構造におけるラインの幅が、先端側より根本側で細い部位を有することを特徴とする構造物。
9. 前記構造物は光学素子であることを特徴とする請求項８に記載の構造物。
   
   

Images