JP2008168503A

JP2008168503A - 光学素子製造用金型の製造方法及び光学素子の製造方法

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Publication number: JP2008168503A
Application number: JP2007003564A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Izumitani; 俊一泉谷; Masaaki Yamazaki; 正明山崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2027-01-11
Also published as: JP4930774B2

Abstract

【課題】圧痕加工法によって連続した形状を成形面に精度良く形成することができるようにする。
【解決手段】母材に成形面を形成し、その成形面に圧痕加工する。次に、電鋳法によって圧痕加工された母材の反転形状である光学素子製造用金型母材１Ｂを得る。その後、光学素子製造用金型母材１Ｂの成形面１ａの平面部１ｄに圧痕加工して、マイクロプリズムアレイの反転形状を光学素子製造用金型１の成形面１ａに形成する。
【選択図】図４

Description

この発明は光学素子製造用金型の製造方法及び光学素子の製造方法に関する。

マイクロ光学素子（微小な凸レンズ、凹レンズ、プリズム等）を多数配列してなるマイクロ光学素子アレイを製造する方法として、成形面（キャビティ面）に凹凸が交互に連続する形状を有するマイクロ光学素子アレイの反転形状を有する金型を用いて、射出成形、圧縮成形、注型成形等により樹脂を成形する方法が知られている。金型の成形面の加工法の代表的なものとしては、切削加工法や圧痕加工法等がある。

しかし、切削加工法では一度に１つのマイクロ光学素子に対応する反転形状しか加工できず、アレイ状のものを形成するには膨大な時間を要するため、圧痕加工が多用されている。

特開平１１−１４２６０９号公報には、成形面に対して圧子を所定の圧力で押圧して所定の間隔で多数の圧痕を形成する圧痕加工法が開示されている。
特開平１１−１４２６０９号公報

しかし、上記圧痕加工法では、先に成形された圧痕はその隣りに圧痕を形成するときの圧子によって変形するため、圧痕加工法によって凹凸が交互に連続する形状を成形面に精度良く形成することは難しかった。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は圧痕加工法によって凹凸が交互に連続する形状を精度良く形成することができるようにすることである。

上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、金型製造用金型母材に成形面を形成し、その成形面に圧痕加工して複数の凹部を作成する第１工程と、前記第１工程で作成された金型製造用金型を用いて、光学素子製造用金型母材を作成する第２工程と、前記第２工程で作成された前記光学素子製造用金型母材の成形面であって、前記第１工程で作成された金型製造用金型の前記複数の凹部に対応する複数の凸部間に位置する複数の平面部に、圧痕加工して光学素子の反転形状を形成する第３工程とを含むことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の光学素子製造用金型の製造方法において、前記第２工程が電鋳法によって実施されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の光学素子製造用金型の製造方法において、前記第１工程において、前記金型製造用金型母材の成形面に圧痕加工する前に、その成形面を鏡面研磨加工することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の光学素子製造用金型の製造方法によって製造された光学素子製造用金型を用いて光学材料に前記光学素子製造用金型の成形面の形状を転写することを特徴とする光学素子の製造方法である。

この発明によれば、圧痕加工法によって凹凸が交互に連続する形状を精度良く形成することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１はこの発明の第１実施形態に係る製造方法によって製造された光学素子製造用金型を示す斜視図である。

この光学素子製造用金型1は図示しないマイクロプリズムアレイを製造するためのものである。

光学素子製造用金型１の成形面１ａには、マイクロプリズムアレイの反転形状が形成されている。なお、凸部１ｂのピッチは０.１ｍｍであり、その凸部１ｂの高さは０.０３ｍｍである。

なお、図１には図示されていないが、成形面１ａにはマイクロプリズムアレイの反転形状以外に多数のマイクロ光学素子（例えば凸レンズ、凹レンズ等）の反転形状が圧痕加工法によって形成される。

光学素子製造用金型１は圧痕加工機を使用して製造される。圧痕加工機はビッカース硬度計（松沢精機、ＭＶ−１Ｓ）を改造したものを用いた。

次に、この発明の第１実施形態に係る光学素子製造用金型の製造方法を説明する。

図２は第１工程を説明するための断面図である。

図２（ａ）は圧子５を母材（金型製造用金型母材）２の成形面２ａに押圧してマイクロプリズムアレイの反転形状を形成している途中の状態、図２（ｂ）はプリズムアレイの反転形状が形成された後の状態をそれぞれ示す。

母材２の成形面２ａは圧痕加工の前に金属研磨されて鏡面状態に仕上げられている。母材２の材料としては、結晶質の材料であるマルテンサイト系ステンレスが用いられる。マルテンサイト系ステンレスは高強度、高硬度という特性を有する。なお、マルテンサイト系ステンレスに代えて真鍮、ニッケル等を用いてもよい。

圧子５はくさび形状の先端部を有するダイヤモンドチップからなる圧子である。

母材２の成形面２ａに圧子５の先端を当てて押圧して凹部２ｂを形成する（図２（ａ））。圧子５の押込み深さは、先に形成された圧痕がその隣りに圧痕を形成するときの圧子によって変形しないように設定される。例えば、予め母材２に用いる材料と同じ材料のテストピースを使って試し打ちを行い、所定の押込み深さを得るのに必要な供給電力を確認しておく（供給電力は母材２の硬さ、母材２に加える荷重によって決まる）。

以下、母材２をＸ軸及びＹ軸方向（図１参照）へ所定距離ずつ移動させて成形面２ａに所定数の凹部２ｂを形成することによって金型製造用金型２Ａが完成する（図２（ｂ）参照）。

図３は第２工程を説明するための断面図である。

図３（ａ）は電鋳の前、図３（ｂ）は電鋳の途中、図３（ｃ）は電鋳の後をそれぞれ示す。

電鋳は例えば以下の工程によって行われる。

まず、金型製造用金型２Ａのめっき前処理（水洗等）を行う（図３（ａ）参照）。

次に、金型製造用金型２Ａをニッケルめっき槽（図示せず）に浸し、ニッケル電鋳を行う。電鋳条件であるｐＨ、温度、電流密度及び時間はそれぞれｐＨ３〜４．５、４０〜５０℃、５〜３０Ａ/ｄｍ²、１０日（２１６Ｈ）である。

その結果、マルテンサイト系ステンレスからなる金型製造用金型２Ａの表面に厚さ約５ｍｍのめっき層１Ａが形成される（図３（ｂ）参照）。

その後、例えばくさび等の治具（図示せず）をめっき層１Ａと金型製造用金型２Ａとの間に挿入し、めっき層１Ａを金型製造用金型２Ａから分離する。金型製造用金型２Ａから分離されためっき層１Ａが光学素子製造用金型母材１Ｂである（図３（ｃ）参照）。光学素子製造用金型母材１Ｂの成形面１ａには平面部１ｄと凸部１ｂとが交互に配列されている。

図４は第３工程を説明するための断面図である。

図４（ａ）は圧痕加工の前、図４（ｂ）は圧痕加工の途中、図４（ｃ）は圧痕加工の後をそれぞれ示す。

光学素子製造用金型母材１Ｂ（図４（ａ）参照）の成形面１ａの凸部１ｂと凸部１ｂとの間に位置する平面部１ｄに、圧子５を押圧（圧痕加工）する（図４（ｂ））。このとき、予め光学素子製造用金型母材１Ｂに用いる材料と同じ材料のテストピースを使って試し打ちを行い、所定の押込み深さを得るのに必要な供給電力を確認しておく。全ての平面部１ｄを圧痕加工することによって、マイクロプリズムアレイの反転形状が成形面１ａに形成され、光学素子製造用金型１が完成する（図４（ｃ）参照）。

その後、例えば光学材料になりえるプラスチック原料（例えばアクリル樹脂）を射出成形機中に投入して溶融温度に加熱、可塑化し、そのプラスチック原料を光学素子製造用金型１を組み込んだ金型内に充填し、冷却固化させた後、光学素子製造用金型１から分離する。その結果、光学素子製造用金型１の成形面１ａの反転形状を有するマイクロプリズムアレイが完成する。

この実施形態によれば、先端部が鈍角の圧子５を用いた場合は勿論のこと、鋭角の圧子５を用いた場合であっても、光学素子製造用金型母材１Ｂの成形面１ａに先に成形された圧痕（凹部１ｃ）がその隣りに圧痕（別の凹部１ｃ）を形成するときの圧子５によって変形しないので、凸部１ｂと凹部１ｃとが交互に連続するマイクロプリズムアレイの反転形状を圧痕加工法によって光学素子製造用金型母材１Ｂの成形面１ａに精度よく形成することができる。

次に、マイクロレンズアレイの製造方法を説明する。

図５はこの発明の第２実施形態に係る光学素子製造用金型の製造方法を説明する図である。

図５（ａ）は第１工程、図５（ｂ）、（ｃ）は第２工程、図５（ｄ）は第３工程にそれぞれ対応する。

この第１工程で用いられる圧子（図示せず）はマイクロレンズの形状に対応する半球形状の先端部を有する圧子である。

まず、鏡面研磨された金型製造用金型母材（図示せず）の成形面に圧痕加工法によって等間隔に凹部を形成する。圧子の押し込み深さは、先に形成された圧痕が隣りに圧痕を形成するときの圧子によって変形しないように設定される。このとき、予め金型製造用金型母材に用いる材料と同じ材料のテストピースを使って試し打ちを行い、所定の押込み深さを得るのに必要な供給電力を確認しておく。

成形面２ａに所定数の凹部１２ｂを形成することによって金型製造用金型１２Ａが完成する。（（図５（ａ）参照）。

次に、金型製造用金型１２Ａのめっき前処理（水洗等）を行った後、ニッケルめっき槽（図示せず）中に浸し、ニッケル電鋳を行う。電鋳の条件は先に述べた条件と同じである。

その結果、金型製造用金型１２Ａの成形面２ａに厚さ約５ｍｍのめっき層１１Ａが形成される（図５（ｂ）参照）。

その後、第１実施形態と同様に、めっき層１１Ａを金型製造用金型１２Ａから分離する。金型製造用金型１２Ａから分離されためっき層１１Ａが光学素子製造用金型母材１１Ｂである（図５（ｃ）参照）。光学素子製造用金型母材１１Ｂの成形面１１ａには平面部１１ｄと凸部１１ｂとが交互に配列されている。

次に、光学素子製造用金型母材１１Ｂの成形面１１ａの凸部１１ｂと凸部１１ｂとの間に位置する平面部１１ｄに圧子を押圧（圧痕加工）する。このとき、予め光学素子製造用金型母材１１Ｂに用いる材料と同じ材料のテストピースを使って試し打ちを行い、所定の押込み深さを得るのに必要な供給電力を確認しておく。すべての平面部１１ｄに圧痕加工することによって、半球状の凹部１１ｃと凸部１１ｂとが交互に並ぶマイクロレンズアレイの反転形状が成形面１１ａに形成され、光学素子製造用金型１１が完成する（図５（ｄ）参照）。

その後、例えば光学材料になりえるプラスチック原料（例えばアクリル樹脂）を射出成形機中に投入し溶融温度に加熱、可塑化し、そのプラスチック原料を光学素子製造用金型１１を組み込んだ金型（図示せず）内に充填し、冷却固化させた後、光学素子製造用金型１１から分離する。その結果、光学素子製造用金型１１の成形面１１ａの反転形状を有するマイクロレンズアレイが完成する。

このマイクロレンズアレイの表面には凸レンズ（凹部１１ｃに対応する）と凹レンズ（凸部１１ｂに対応する）とが交互に並ぶ。

この実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

なお、上記第各実施形態では第１工程と第３工程とで同じ圧子５を用いたが、第１工程と第３工程とで用いる圧子を変えることによって第１実施形態では凸部１ｂの頂角と凹部１ｃの頂角とを異ならせることができ、第２実施形態では凸部１１ｂの曲率半径と凹部１ｃの曲率半径とを異ならせることができる。

図１はこの発明の第１実施形態に係る製造方法によって製造された光学素子製造用金型を示す斜視図である。図２は第１工程を説明するための断面図である。図３は第２工程を説明するための断面図である。図４は第３工程を説明するための断面図である。図５はこの発明の第２実施形態に係る光学素子製造用金型の製造方法を説明する図である。

符号の説明

１，１１：光学素子製造用金型、１Ｂ，１１Ｂ：光学素子製造用金型母材、１ａ，２ａ：成形面、１ｂ，１１ｂ：凸部、１ｃ，２ｂ，１１ｃ：凹部、１ｄ，１１ｄ：平面部、２：母材（金型製造用金型母材）、２Ａ，１２Ａ：金型製造用金型。

Claims

金型製造用金型母材に成形面を形成し、その成形面に圧痕加工して複数の凹部を作成する第１工程と、
前記第１工程で作成された金型製造用金型を用いて、光学素子製造用金型母材を作成する第２工程と、
前記第２工程で作成された前記光学素子製造用金型母材の成形面であって、前記第１工程で作成された金型製造用金型の前記複数の凹部に対応する複数の凸部間に位置する複数の平面部に、圧痕加工して光学素子の反転形状を形成する第３工程と
を含むことを特徴とする光学素子製造用金型の製造方法。
前記第２工程が電鋳法によって実施されることを特徴とする請求項１記載の光学素子製造用金型の製造方法。
前記第１工程において、前記金型製造用金型母材の成形面に圧痕加工する前に、その成形面を鏡面研磨加工することを特徴とする請求項１又は２記載の光学素子製造用金型の製造方法。
請求項１〜３のいずれか１項記載の光学素子製造用金型の製造方法によって製造された光学素子製造用金型を用いて光学材料に前記光学素子製造用金型の成形面の形状を転写することを特徴とする光学素子の製造方法。