JPS59124818A - プラスチツク光学部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、高精度のプラスチック光学部品を量産する場
合に用いることができるプラスチック光学部品の製造方
法に関するものである。

従来例の構成とその問題点 熱可塑性の透明高分子材料（透明プラスチック）を用い
てプラスチック光学部品を製造することは広く行われて
いる。透明プラスチックとしては、ポリメチルメタクリ
レート、ポリスチレン、ポリカーボネー］・、ポリメチ
ルペンテン、アクリロニトリルとスチレンとの共重合体
（ＡＳ）、ポリ塩化ビニル、メチルメタクリレートとス
チレンとの共重合体などが著名であり、多く使用されて
いる。

プラスチック光学部品としては、フレネルレンズ、カメ
ラ用焦点板などが用いられてきた。最近では、ポリメチ
ルメタクリレートの表面をレーザ光の照射で潜像を形成
し、エツチングでその部分を除去して回折格子を作るな
ど、それら光学、′１モ品中の種々のパターンが微細化
してきた。

これにともない、これら微細パターンを有するプラスチ
ック部品の製造も、フレネルレンズを圧縮成形や射出成
形で形成することが行なわれている。しかしこれらの方
法は、樹脂を高圧下で加工するため微細パターンを彫り
込んだ型の損傷が起こるという問題や、高価な金型を要
するという問題があった。またセラミックやガラスなど
の、もろいが緻密な材料に微細なパターンを彫りこみ、
型とすることができなかった。

発明の目的 本発明は上記従来の欠点を解消するもので、高性能の微
細パターン形状をもつ低価格の金型によって、極めて低
圧力下でプラスチックの表面に微細パターンを形成し、
プラスチック回折格子、プラスチックビデオディスク基
材、プラスチックオーディ第１イスク基材プラスチツク
マイクロプリスム集合体、プラスチック光テ゛イスクメ
モリー基材、プラスチックフレネルレンズなどのプラス
チック光学部品を得る仁とができるプラスチック光学部
品の製造方法を提供することを目的とする。

発明の構成 上記目的を達するため、本発明のプラスチック光学部品
の製造方法は、少なくとも一方に深さ１００μｍ以内の
微細なパターンを有する一対の型からなる光学部品型に
、あらかじめ微細パターンを有さないものの形状は５０
μｍ以内の誤差で前記光学部品型と合致するように加工
されたプラスチック母材を挿入し、これらプラスチック
母材と光学部品型との界面の空気を排除すると共に、前
記パターンが形成された型を加熱して前記プラスチック
母材を内部は固化したままで型のパターンの深さの数倍
または０．２ｍｍまでの表面層を充軟化あるいは溶融さ
せ、ｉ　ｏ　ｏｋｇ／ｃｔｄ以下の圧力を付加して型の
パターンをプラスチック母材の表面に転写し、この後プ
ラスチック母材を冷却する構成占したものである。

実施例の説明 以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明す
る。

第１図はプラスチック光学部品の製造に用いる金型の基
本的構成を示す概略断ｄＩｉ図であり、この実施例では
、光学部品は回折格子であるとし、また金型は上の部分
が可動側、下の部分が固定側とする。第１図において、
（１）は可動側の取り付は板、（２）は可動側のキャビ
ティーブロック、（３）はオプトインサート、（４）は
冷却流路、（５）は真空排気孔、（６）は加熱流路もし
くはヒーター、（７）は真空シールリング、く９月よ固
定側の取り付は板、Ｏｏは固定側のキャビティーブロッ
ク、αυはオプトインサート、θオは冷却流路、（至）
は加熱流路もしくはヒーターである。固定側の取り付は
板（９）は、冷却流路（２）および加熱流路もしくはヒ
ーター（至）を内部に有し、表面が鏡面に仕上げられた
平面であるオプトインサート（６）が取り付けられてお
り、その外側には真空シ−ルリング（７）を有するキャ
ビティーブロックαｏが配置されてレンズの側端を決定
するようになっている。可動側の取り付は板（１）は、
冷却流路（４）および加熱流路もしくはヒーター（６）
を内部に有し、周期的な格子パターンを有するオプトイ
ンサート（３）が取り付けられており、その外側には真
空排気孔（５）を有するキャビティーブロック（２）が
配置されて回折格子の側端を規制するようになっている
。

次に上記金型によ−リ、プラスチック母材表面のｒｆＪ
ｆｄ）側に格子パターンを、固定側に鏡平面を同時に作
成する場合について説明する。成形の工程に入る前の金
型は、プラスチックのガラス転移点以下、望ましくは熱
変形温度以下に保たれている。

この温度コントロールは主として冷却流路（４）（６）
を通る冷却媒体の温度・流速を制御して行われるので、
冷却媒体としては油あるいは望ましくは温水が用いられ
る。第２図のように、Ｌｉ１Ｊ動側金型が後退した状態
で、下側のオプトインサート（ロ）の上にあらかじめ外
径寸法、厚さを最終形状に加工したプラスチック母材（
８）を位置をしっかり決めてのせる。次に第３図のよう
に、可動側金型を静かに降ろしてきて、真空シールリン
グ（７）と可動側のキャビティーブロック（２）とを接
触させ、プラスチック母材（８）のあるキャビティーを
真空に排気できるようにする。ここで望ましくは、プラ
スチック母材（８）の表面が型温になるまで待ってから
、真空排気孔（５）より真空ポンプで排気を行ない、キ
ャビティー内をＩＴｏｒｒ以下とする。これは熱時の微
細パターン転写の際に、残留空気によるピンホールの発
生を避けるために実施するものである。この時、側 真空排気により可動、金型は自重及び大気とキャビティ
ー内との圧力差によって次第に密着してくる。

この荷重が大きい場合は、これらの力とバランスを取る
方法が取られねばならない１．そして第４図のように、
表面層のみが柔軟あるいは溶融して流動できるようにな
った時に、取りつけ板（１）より力を加えて、柔軟にな
った表面層を流動させて、型表面のパターンをプラスチ
ック母材（８）（こ転写する。

この時加える圧力は１００綴佃以下の小さな圧力であり
、通常の圧縮成形（８００ｋｇ／ｌｙｔ！以上）と比べ
ると著るしく小さい。これは１０表面層のみを加熱して
１５ｉＥ動状態にすることで、熱膨張による収縮量は熱
膨張率が同一でも絶対量として小さくなり、この熱時に
おける加工層は冷却により収縮しても変形が小さく正確
な転写ができるからである。またこれ以上過大な圧力を
、表面層のみを加熱する本発明のプロセスで用いると、
プラスチック母材（８）にクラックが生じるという問題
がある。転写が完了したら、内部まで溶融させることは
微細パターン精度を損うので、直ちに加熱をやめて冷却
工程に移り、冷却流路（４）（２）に冷却媒体を流して
、プラスチック母材（８）を全体に渡って、熱変形温度
、望ましくは熱変形温度以下の温度まで冷却する。次に
可動側金型を後退させ、金型を開いて、第５図のように
なったところで製品を取り出す。これで本発明による製
造工程の１サイクルが完了する。

なお、このような上下両面転写の場合、圧力が上または
下のどちらかに不均衡にかかり、片方の面の転写精度が
得られない場合がある。この時は、第４図のように密着
した時に、まず上面のみを加熱転写して冷却し、次に下
面を加熱転写して冷却の後、製品取り出しをすれば、こ
の問題を解決することができる。また反射型の回折格子
であれば、片面だけが重要であり、上面のみで転写をす
るだけで良い。

次に、加熱溶融または流動可能状）諒にされるべきプラ
スチック母材の表層の厚さについて説明する。本発明の
工程をモデル的に表現したのが第６図である。型α９の
微細パターンの深さをＴとする。

このとき、それよりも大なる。ｆｆ１ｔなる深さまでプ
ラスチック母校Ｑゆの表ｒａｇ　Ｑのが加熱により流動
化もしくは溶融されている。これに重りｆ１４９による
荷重を加えることにより（第６図：ｉ）＞　＞、プラス
チック母材０４の平滑表面に型（Ｌｉはめり込んでいき
、型ＵＳの微細パターンがプラスチック母１．Ｊ’　（
１４１に転写される（第６図（Ｃ））。

第７図において、型θ榎の表面に規則的な形状Ａ−Ｂ−
Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇがある時には、プラスチック母材の
表面Ｐ−Ｐ’にこの規則的な形状をくい込ませると、こ
のパターンの前進につれて（Ｓｌ）部分の樹脂は（Ｓ２
）部分へ流動させられ、（Ｓ□）部分と（Ｓ２）部分と
の断面積が等しくなるようなＰ　−１’の位置は必ずこ
の段差の高さτの中に存在するので、段差τだけの層を
加熱するだけでよい。

種々の現別的なパターンが混在している場合には、最大
の段差τｍａｘをもって最大侵入深さと考えることがで
きる。

樹脂が（Ｓｌ）部分から（Ｓ２）部分へ流動するための
温度は、力貝える圧力によって異なることが知られてい
る。即ち、 ０ビ力ツト軟化点・・−］　ｍｒｌＯ針に１　ｋｇの荷
重をかけ、針が１ｍｍ針人する時の温度。

０ノ一フロ一温度−・・バレル中のＵ脂に５０ＤＪ？ａ
の圧力を加えてバレル温度を１０’Ｑずつ上げていった
ときに樹脂が飾れ出す温度。

という２つの温度が特定温度として用いられる、本発明
に要する圧力、温度について実験をしたところ、■にｇ
／ｌｒｄの圧力下でもノーフロ一温度まで表面ｒＩＲ力
硝１】熱されておれば、型θ榎の表面の段差の山が侵入
して排除された樹脂を谷部へ送り込み、微細パターンの
転写が可能であることが分った。

英国のＲＡＰＲＡ（Ｒｕｂｂｅｒ　ａｎｄ　Ｐｌａｓｔ
ｉｃｓ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏ
ｆ　Ｇｒｅａｔ　Ｂｒ１ｔａｉｎ　）の研究により、こ
れらの温度があらゆる樹脂について調べられており、ポ
リメチルメタクリレートで１５０　’（！、ポリカーボ
ネートは２００　’Ｏである。

圧力をあげることによって温度をノーフロ一温度以下、
ビカット軟化点以上にすることができる。

ビカット軟化点はポリメチルメタクリレートで１２０℃
、ポリカーボネートで１５０　”（！である。

上記のように、必要流動層の厚さは、型の段差の高さτ
はとあれば良いが、付加圧力については、１ｋｇｆｉｒ
／ｌの低圧でも可能ではあるが、圧力が小さい場合、摺
動抵抗、プラスチック母材の前加工の精度、固定側への
設置方法等の影響を受けやすいため、８ｋｇ／７以上あ
るのが望ましい。しかしながら過大になるとプラスチッ
ク母材にクラックが生じやすいので、最大でＡ工ｏｏｋ
ｇ／ｃｒｔＩ以下におさえるべきである。実際には、加
熱時間、加熱方法等により流動層を制御しつつ小さな圧
力より少しずつ大きくしていき、形状精度を測定して必
要最小限の圧力を付加するようにするのが望ましい。

以上を統合して本発明の工程を整理したものが第１６図
である。第１６図（ａ）は両面を同時に転写する場合、
第１６図（ｂ）はまず固定側を次に可動側を転写する場
合で、これとは逆にまず可動側を、次に固定側を転写し
てもよい、９１６図（Ｃ）はあらかじめ型を加熱してお
き、プラスチック母材をのせ可動側を進めてきて排気し
つつ型じめをする方法を示している。

なお第８図に示すように、オプトインサート（３）θυ
には温度制御流路を設けずに取り付は板（１）　（９）
に設け、オプトインサート（３）αｐを熱伝導性の良い
材料で形成する方法や、第９図のように、取り付は板（
１）　（９）とオプトインサート（３）（ロ）との間に
、温度制御流路を堀り込んだスペーサブロックσ燵を設
けることも、オプトインサート（３）０υの価格を低減
するために有効である。

加熱には、スチーム、ヒーター、高周波加熱コイルなど
を用いることができる。冷却に温水を用いる場合には、
高圧スチームと温水とを同一の流路に流すようにすれば
型加工個所が少なくて良いが、スチームでは２００°Ｃ
以上を実現することは困難である。これらのことを考慮
してプラスチックごとに加熱方法を選択する。

微細パターンを形成するための型材としては、金属、セ
ラミック、ガラス、あるいはそれらの複合体を用いるこ
とができる。作成するパターンの種類によって素材を選
択することができる。たとえば回折格子を製造する場合
には、ルーリングエンジンを用いてガラスの上に格子線
を引いたものや、フォトレジストを用いて露光、エツチ
ングでガラス、アルミナ、ガラス基板の上にクロムある
いは酸化クロムなどをコートした複合材料などを用いる
ことができる。支持体基板は別として、微細パターンを
作成する部分には、欠陥の少ない材料、多組織をもたな
い緻密な組織を有するものが適切である。旋盤などのダ
イヤモンドで加工する場合には、炭素含有のない非鉄金
属がのぞましい。

本発明はこれらの素材によって限定されることもなく微
細パターン形成法によって制約されるわけでもないこと
は上記の説明により明らかである。

使用する樹脂については、透過型光学部品については可
視光あるいは特定波長に透明で〆ればどんな材料にも適
用できる。反射型光学部品であれば、その材料の上にア
ルミニウム、クロム、あるいは赤外線用には金などの反
射材料がコートされるので、材料の選択の幅は一層大き
くなり、はとんどすべての熱可塑性材料を用いることが
できる。

本発明の適用範囲はきわめて広いが、第１０図は圓折格
子の一例を示したものである。

第１１図はフィリップス方式による光学式ビデオディス
クの表面形状を示しており、よく用いられる基板はポリ
メチルメタクリレートであり、反射層にはアルミニウム
薄膜が用いられる。形状の微細さは図示の通りで、片面
は平面で片面のみにパターンが形成されており、ポリメ
チルメタクリレート層を通してレーザ光線が往復す′る
。基板はキャスト重合板を用いることができるし、押し
出し成形で製造したものでも良、い。

第１２図は光学式ディジタルオーディオディスクの表面
形状を示しており、よく用いられる基板はポリカーボネ
ートであり、反射層にはビデオディスク同様アルミニウ
ム薄膜が用いられる。

第１１図、第１２図に示すようなパターンを作成するた
めの型材は、フォトエツチングでオリジナルパターンを
形成し、ニッケルを無電解メッキでつけるか、−たん無
電解メッキのパターンをさらに電鋳法で複製したニッケ
ルスタンパが用いられる。

第１３図は一眼レフカメラに採用されている多数のマイ
クロプリズムからなる焦点板を示している。

四角錐、六角錐などが用いられているが、型材には多く
プラスを用いる。これはダイヤモンド、超硬ハイドなど
による旋削が容易なためである。

第１４図はレーザ光で書き込みレーザ光で読み出す光デ
イスクメモリーの一例を示す断面図である。

記録層にはテルル化物がよく用いられるが、同図（ｂ）
に示すように深さ７００λ位の案内溝がついてぃ−る。

型材には第１１図、第１２図の例で用いられた金属スタ
ンパを用いることもできるが、金属母材の上に直接パタ
ーンを旋削で形成したり、エツチングで形成したり、あ
るいは金属母材の上に金属薄ｌＪ−のパターンを形成し
たり、セラミック、ガラスなどのパターンを形成したも
のを用いることができる。この場合プラスチック母材と
してはポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートや
、それらの変性ポリマーがよく用いられている。これら
は従来、射出成形でｓ　００ｋｇ／ｄの圧力下で製造さ
れたり、フォトポリマーを用いて製造されているが、メ
モリとして必要なピットエラーレート１０−６を実現す
るには、射出成形では高圧の成形のため、ちみつなパタ
ーンを形成するのには適切であるがもろい材料を使用で
きないので問題が残り、またて′ フォトポリマー４は離型性に問題があって特定の材料し
か用いることができず、たとえばニッケル以外は適切で
ないといった問題がある。本発明ではこれらの問題によ
り制約されないため、パターン形成上もつとも良い材料
を型材に用いることができるという利点がある。

第１５図はフレネルレンズの形状を示す。フレネルレン
ズは大きさによって山の高さが著るしく異なるが、本発
明の方法では、山の高さが０．１ｍｍを越える場合には
適切な方法ではない。しかし０．１ｍｍ以下のものにつ
いては完全溶融型圧縮成形に比べて、型材、サイクルタ
イムからみて適切な方法である。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば、低圧力の加圧で足り
るので、型としてもろいが緻密な組織を有するセラミッ
クやガラスなど、あるいは、低剛性ではあるが加工しや
すいアルミニュウムやプラスなどを用いるととができ、
鋼製でないと寿命の短かい従来の射出成形や圧縮成形の
型よりもより高性能の微細パターンを利用し得、型構造
も簡素かつ低価格でありながら高性能なプラスチック光
学部品を生産し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の一実施例を示す概略断面図、
第６図は型の表面段差とプラスチック母材の流動層厚さ
との関係の説明図、第７図は規則的な型の段差パターン
がプラスチック母料に侵入する状態の説明図、第８図及
び第９図はそれぞれ別の実施例における光学部品型の断
面図、第１０図（ａ）は回折格子の斜視図、同図（ｂ）
は同要部拡大斜視図、第１１図（ａ）はフィリップス方
式の光学式ビデオディスクの斜視図、同図（ｂ）は同要
部拡大斜視図、第１２図（ａ）は光学式ディジタルオー
ディオディスクの斜視図、同図（ｂ）は同要部拡大斜視
図、第１３図（ａ）は焦点板マイクロプリズムの平面図
、同図（ｂ）は同正面図、第１４図（ａ）は光デイスク
基板の断面図、同図（１））は同記録層の断面図、第１
５図はフレネルレンズの側面図、第１６図（ａ）〜（Ｃ
）はそれぞれ製造工程の説明図である。 （］）　（９）・・・取り付は板、（２）　ＱＵ・・・
キャビティーブロック、（３〕（ロ）・・・オプトイン
サート、（４）０■・・・冷却流路、（５）°・・真空
排気孔、（６）　０３−・・加熱流路もしくはヒーター
、（７）・・・真空シールリング、（ｓ）　Ｑ４・・・
プラスチック母材、ＧＧａｓ・・・型、０Ｉ１９・・・
重り、θη・・・表層、四・・・スペーサーブロック 代理人　森本義弘 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 １ ｉ３　　ｔｔ　　ｑ 第５図 第７図 、９゜ 第１図 第９図 ’７　　／／？ 第１ρ図 第ｉｔ図 第１７図 第１３図 第７４図 第１５図 第１６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　少なくとも一方に探さ１００μｌη以内の黴細な
   パターンを有する一対の型からなる光学部品型番弁に、
   あらかじめ微細パターンを有さなし）ものの形状は５０
   μｍ以内の誤差で前記光学部品型と合致するように加工
   されたプラスチック母材を挿入し、これらプラスチック
   母材と光学部品型との界面の空気を排除すると共に、前
   記／Ｎ６ターンが形成された型を加熱して前記プラスチ
   ック母材を内部は固化したままで型の７文ターンの深さ
   の数倍または０．２ｍｍまでの表面層を柔軟化あるいは
   溶融させ、１００にβ以下の圧力を付加して型のパター
   ンをプラスチック母材の表面に転写し、この後プラスチ
   ック母材を冷却するプラスチック光学部品の製造方法。 ２、型に彫られた微細なパターンは回折格子であり、プ
   ラスチック回折格子を得る構成とじた特許請求の範囲第
   １項記載のプラスチック光学部品の製造方法。 ３、型に彫られた微細なパターンは画像信号・音声信号
   を表現する凸部または四部であり、ビデオディスク基材
   を得る構成とした特許請求の範囲第１項記載のプラスチ
   ック光学部品の製造方法。 ４、型に彫られた微細なパターンは音声信号を表現する
   四部または凸部であり、プラスチックオーディオディス
   ク基材を得る構成とした特許請求の範囲第１項記載のプ
   ラスチック光学部品の製造方法。 ５、型に彫られた微細なパターンは多数のマイクロプリ
   ズムであり、プラスチックマイクロプリズムまたは焦点
   板を得る構成とした特許請求の範囲第１項記載のプラス
   チック光学部品の製造方法。 ６、　型に彫られた微細なパターンはピックアップの案
   内溝あるいはトラック分離の溝であり、プラスチック光
   デイスク基板を得る構成とした特許請求の範囲第１項記
   載のプラスチック光学部品の製造方法。 ７、　型に彫られた微細なパターンはフレネルレンズで
   あり、プラスチックフレネルレンズを得る構成とした特
   許請求の範囲第１項記載のプラスチック光学部品の製造
   方法。