JP3925696B2 - 金型の製作方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子の光学面などを成形可能な金型の製作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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を成形すると、均一な形状の製品を迅速に製造することができるため、金型成形は大量生産に適しているといえる。かかる金型は、一般的には、例えば単結晶ダイヤモンド工具などによって、一つ一つ切削されて製作されることが多い。しかるに、金型は、使用回数に応じて各部が摩耗する消耗品であることから、定期的に交換することが必要である。従って、交換に備えて同一形状の金型を用意しなくてはならないが、単結晶ダイヤモンド工具などによる切削加工で金型を製造した場合、全く同一形状の金型を切り出すことは困難といえ、それ故金型交換前後で光学素子製品の形状バラツキが生じる恐れがあり、又コストもかかるという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これに対し、光学素子の光学面に対応した母光学面を有する母型に対し、電鋳を成長させることで、金型を作成しようとする試みがある。しかしながら、電鋳の成長により金型を形成すると、母型の母光学面に対応した光学転写面を精度よく写し取ることができるものの、例えば金型の基準面をどのようにとるか困難という問題がある。すなわち、工具による切削加工の場合には、回転中心を光軸とみなすことで、金型の外周の中心を光軸に精度よく一致させることができるのに対し、電鋳を成長させた場合、光軸が光学転写面上のいずれの位置にあるか不明であり、光軸の位置が定まらないと、かかる金型を用いて精度のよい光学素子を成形できないという問題がある。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、電鋳を用いて金型を製作する場合において、基準面を精度よく導ける金型の製作方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の金型の製作方法は、光学面に所定のパターンを有する光学素子を成形する金型の製作方法において、前記所定のパターンを母光学面に形成した母型の周囲に、電鋳を成長させるステップと、前記母型から金型を取り外すステップと、取り外した前記金型の、前記母光学面に対応する光学転写面に形成された前記所定のパターンに対応した転写パターンに基づいて、前記金型又は前記金型の保持部材を加工するステップと、を有するものである。光ピックアップ装置の光学素子の例である対物レンズにおいて、素材であるプラスチックにおける温度に対する特性変化を補正する等のため、回折輪帯と呼ばれる構造を、対物レンズの光学面に形成することが一部で行われている。回折輪帯とは、光軸を中心とした同心円の溝を光学面に形成したものである。従って、所定のパターンとして回折輪帯のパターンが光学転写面に転写されていれば、かかる金型が電鋳により形成されたものであっても、前記所定のパターンに対応した転写パターンに基づいて、その光軸の位置を精度よく導き出すことができるのである。光軸が導き出されれば、それに同心の金型の外周面や光軸直交面などを任意に形成でき、かかる面を用いて他部品への取り付けを精度よく行うことができる。
【０００６】
更に、前記母型の母光学面には、電鋳を成長させる前にニッケル燐層を被覆するステップを有すると、前記母型より前記金型を分離するときに、そのニッケル燐層が前記母光学面より剥離して前記金型の光学転写面側に移動し、それにより前記光学転写面の硬度をより高くすることができ、金型摩耗を抑えてその寿命を延長させることが可能となる。
【０００７】
又、前記ニッケル燐層は、厚さ方向において変化した成分分布を有すると、前記ニッケル燐層が剥離しやすいので好ましい。
【０００８】
更に、前記母型もしくは前記母型に取り付けられた治具に基準面を設け、前記基準面を基準として、前記母型から分離される前の前記金型を加工（カット等）すると好ましい。例えば、前記母型もしくは前記母型に取り付けられた治具の基準面に対して、前記金型の光軸に直交する面を形成し、前記所定のパターンに基づいて前記金型の外周面を加工することができる。尚、前記所定のパターンは、回折輪帯に限らず、又微細パターンである必要もない。
【０００９】
又、前記所定のパターンは、光軸と同心の円形パターンを含むと、光軸の位置を特定しやすいので好ましい。
【００１０】
更に、前記光学面は、非球面形状を有すると、光学素子の光学性能をより向上させることができる。
【００１１】
又、前記母型から分離した前記金型を回転させながら、前記光学転写面に形成された所定パターンに光を投射して、その反射光を検出することによって、前記光学転写面の光軸の位置を求めると、精度よく光軸の位置が求まるので好ましい。
【００１２】
更に、前記金型の表面に無電解メッキ層を形成すると、かかる無電解メッキ層に対して加工処理を行えるので好ましい。
【００１３】
又、前記金型の表面に形成された無電解メッキ層に対して機械加工及び熱処理の少なくとも一方を施すことで、表面硬度を向上させることができるので好ましい。
【００１４】
更に、前記金型と前記保持部材を用いて可動コアを形成したときに、前記金型の外径は、前記保持部材（例えば摺動部材）の外径より小さいと、可動コアの摺動時に前記金型が摺動することが抑制される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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１、３は、電鋳により金型を製作する状態を示す図である。図２は、図１における母光学面周辺を拡大して示す図である。図１を参照して、電鋳を形成する工程について説明する。まず、母光学面１ａを形成した母型１を、円筒状の治具２の先端に固定する。母光学面１ａは、本実施の形態で製作された金型により成形される光学素子の光学面の設計形状に等しく形成されており、従って、非球面形状及び微細パターン（後述）を有している。円筒状の治具２は、周溝２ａを形成している。
【００１６】
続いて、母光学面１ａにニッケル燐層３を被覆する（ニッケル燐層を被覆するステップ）。この処理としては、スパッタやメッキなどが考えられるが、重要な点は、被覆されたニッケル燐層３が、厚さ方向に変化した成分分布を有するということである。より具体的には、図２において、母型１に近づくにつれて、高硬度及び低付着性の特性を有し、一方、電鋳４側に近づくにつれて、電鋳４とのなじみ性に優れた成分を有するものである。
【００１７】
母光学面１ａにニッケル燐層３を被覆した後、図１に点線で示す治具２の外周及び把持部（図で左端側）に絶縁剤５をスプレーする。その後、母型１を治具２と共に電鋳処理する（電鋳を成長させるステップ）。より具体的には、母型１の母光学面１ａを界面活性剤によって活性処理した後、スルファミン酸ニッケル浴中に陰極（不図示）と結合することで、ニッケル電鋳４が成長する。電鋳４は、絶縁剤５がスプレーされた領域には成長せず、従って、図１で右端側に瘤状に成長することとなる。所定の大きさになったとき（特に光軸方向厚さが所定値を超えたとき）、スルファミン酸ニッケル浴から取り出し、洗浄する。
【００１８】
電鋳４が形成された後、これを金型４’として母型１から取り外す工程（ステップ）について説明する。治具２には周溝２ａが形成されているので、そのままでは、電鋳４を母型１から分離できない。そこで、まず電鋳４をカットする。より具体的には、図３で▲１▼（丸付数字１）に示す位置で、基準面である治具２の端面２ｂに平行に、もしくは基準面である治具２の周面２ｃに垂直に、電鋳４の端部をカットする。続いて、図３の▲２▼（丸付数字２）で示す位置に、ピン孔４ａ（中央）及びネジ孔４ｂを加工する。
【００１９】
更に、図３の▲３▼、▲４▼（丸付数字３，４）の位置で電鋳４をカットすると、電鋳４を母型１より分離できるようになる。分離した後で、▲５▼（丸付数字５）の位置でカットすると、光学転写面４ａ’上のパターンを損傷することなく、金型４’を形成できる。母型１より取り外された金型４’の光学転写面４ａ’には、ニッケル燐層３が固着している。
【００２０】
このようにして形成した金型４’を、他部品と組み合わせて可動コア１０を形成する。図４（ａ）は、可動コア１０の断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の矢印IVBで示す部分を拡大して示す図である。図４（ａ）において、可動コア１０は、先端（図で右側）に配置した金型４’と、後端（図で左側）に配置した押圧部６と、その間に配置された摺動部材５とから構成される。摺動部材５が金型の保持部材となる。
【００２１】
金型４’は、そのピン孔４ｃ’に、円筒状の摺動部材５の端面中央から突出したピン部５ａを係合させることで、摺動部材５と所定の関係で位置決めされ、更に、摺動部材５を軸線に平行に貫通する２つのボルト孔５ｂに挿通したボルト７を、ネジ孔４ｂ’に螺合させることで、金型４’は摺動部材５に取り付けられる。
【００２２】
摺動部材５は、ピン部５ａの設けられた端面（図で右端）に対向する端面（図で左端）の中央に突出して形成されたネジ軸５ｃを、略円筒状の押圧部６の端部に形成されたネジ孔６ａに螺合させることで、押圧部６に対して所定の位置関係で取り付けられている。ここで、図４（ｂ）に示すように、押圧部６の右端に形成された段部６ｅに対し、摺動部材５における対向する端面から突出した環状部５ｄが、わずかなスキマΔをもって嵌合している。図４（ａ）において、摺動部材５の外周面５ｅは、金型４’及び押圧部６のフランジ部６ｂ以外の部分の外周面よりも大径となっている。
【００２３】
押圧部６は、左端にフランジ部６ｂを形成しており、ネジ孔６ａの設けられた端面（図で右端）に対向する端面（図で左端）の中央に突出して形成されたネジ孔６ｃに、偏心軸８の端部に形成されたネジ軸８ａを螺合させることで、偏心軸８に対して所定の位置関係で取り付けられている。偏心軸８は、不図示の機構により、その回転中心を任意の位置に設定できるようになっている。
【００２４】
ところで、上述したように、図１に示す母型１の母光学面１ａには所定のパターンとしての微細パターン（不図示）が形成されている。ここでは、微細パターンは、同心円で形成された複数の回折輪帯パターンであるものとする。従って、金型４’の光学転写面４ａ’（ここでは、その表面にニッケル燐層３が被覆されている）は、かかる微細パターンに応じて同心円状にくぼんでいる。これを転写パターンと呼ぶ。その同心円の中心と光軸とを精度よく一致させないと、かかる金型４’により成形される光学素子の性能が低下する。かかる場合、金型４’の外周面は、治具２の基準面から暫定的に切り出されたものであるため、その外周面の中心が必ずしも光軸に一致しているとは限らない。従って、金型４’の外周面を基準として、可動コア１０の設定を行うと、最良の性能を有する光学素子を成形できない恐れがある。そこで、本実施の形態では、以下のようにして、金型４’の中心を光軸と一致させるようにしている。
【００２５】
図４（ａ）において、可動コア１０の金型４’の光学転写面４ａ’に対向して、半導体レーザ２１を配置し、光学転写面４ａ’の同心円のくぼみ（転写パターン）に向かって、レーザ光を照射する。そのレーザ光は、同心円のくぼみに当たって反射し、撮像素子２２で検出され、信号をＣＰＵ２３に出力する。かかる状態で、偏心軸８を回転させたとき、その回転中心が、金型４’の中心すなわち光軸と一致しないと、同心円のくぼみから反射したレーザ光は、回転位相に応じて、撮像素子２２の受光面をふらつくこととなる。そのふれ量を撮像素子２２からの信号に基づくＣＰＵ２３の処理により求め、そのふれ量が最も小さくなるように、偏心軸８の偏心方向及び偏心量を調整すれば、その回転中心を、金型４’の光学転写面４ａ’の中心すなわち光軸と精度よく一致させることができる。偏心軸８の回転中心と、金型４’の光軸とを精度よく一致させた後、更に、可動コア１０を偏心軸８により回転させつつ、工具Ｔで摺動部材５の外周面５ｅと、押圧部６のフランジ部６ｂの外周面６ｄを切削加工（金型又は金型の保持部材を加工するステップ）することで、それら外周面５ｅ、６ｄの中心を金型４’の光軸に対して精度よく一致させることができる。尚、偏心軸８を回転させながら、光学転写面４ａ’の同心円のくぼみを高倍率の顕微鏡で観測して、そのふらつきから、偏心軸８の回転中心を、金型４’の光学転写面４ａ’の中心すなわち光軸と精度よく一致させるよう調整を行ってもよい。
【００２６】
図５は、このようにして形成された可動コア１０を用いて光学素子を成形する状態を示す図である。図５において、光学転写面３１ａを有する金型３１を保持する保持部３２は、可動側キャビティ３３に固定されている。可動側キャビティ３３は、小開口３３ａと、それに同軸な大開口３３ｂとを有している。可動側キャビティ３３内に可動コア１０を挿入したときに、摺動部材５の外周面５ｅが、小開口３３ａの内周面と摺動し、押圧部６のフランジ部６ｂの外周面６ｄが、大開口３３ｂの内周面と摺動する。かかる２つの摺動部によって案内されることで、可動側キャビティ３３に対して、大きく傾くことなく可動コア１０は軸線方向に移動可能となる。金型３１、４’の間に溶融した樹脂を射出し、可動コア１０を矢印方向に加圧することで、光学素子ＯＥが成形される。本実施の形態によれば、金型４’の外周面形状に関わらず、光学素子ＯＥの光学面には、金型４’の光学転写面４ａ’の同心円状のくぼみに対応した微細パターンが、光軸に同心的に精度よく形成されることとなる。尚、光学転写面４ａ’に被覆されたニッケル燐層３は、硬度が高いので、長期間にわたって金型４’を使用した場合でも、その摩耗量は低く抑えることができる。但し、電鋳４の硬度をより高くできれば、ニッケル燐層３は不要となる。
【００２７】
図６は、第２の実施の形態にかかる可動コア４０を示す図４と同様な断面図である。図６に示す可動コア４０において、保持部材である摺動部材４５と押圧部４６については、図４に示す実施の形態と同様である。異なる点は、把持部材４８を用いて金型４４’を保持している点である。より具体的には、把持部材４８の中央開口４８ａ内に形成した縮径部４８ｂに、金型４４’の先端をつき当てるようにして嵌合させ、２本のボルト４７をネジ孔４８ｃに螺合させることで、把持部材４８は金型４４’に保持されるようになっている。このような構成によれば、電鋳である金型４４’には、圧縮応力しか加わらないので、電鋳が脆性的な素材であっても、その破損を効果的に抑制できる。本実施の形態においても、摺動部材４５の外周面４５ｅと、押圧部４６のフランジ部外周面４６ｄとは、その中心が、電鋳４４’の光学転写面４４ａ’に形成された微細パターンによって、精度よく光軸と一致するように形成される。
【００２８】
図７は、第３の実施の形態にかかる可動コア５０を示す図４と同様な断面図である。図７に示す可動コア５０は、摺動部材５５の外周面が、可動側キャビティ（不図示）に摺動しないよう縮径した構成となっている点で、上述した実施の形態に対して主として異なる。本実施の形態においては、保持部材である押圧部５６のフランジ部外周面５６ｄは、その中心が、電鋳５４’の光学転写面５４ａ’に形成された微細パターンによって、精度よく光軸と一致するように形成される。
【００２９】
図８は、第４の実施の形態にかかる可動コア６０の側面図である。図８に示す可動コア６０の機械的構造自体は、図４に示す実施の形態と同様であるので説明を省略する。本実施の形態では、可動コア６０の円周方向の外周面全体に、図８で点線で示すように無電解ニッケル燐層（無電解メッキ層）９を被覆している。このように、可動コア６０の外周面全体にニッケル燐層９を比較的厚く被覆した後、その外周面の中心が、図４に示すごとく金型４’の光軸と一致するように切削加工（シングル・ポイント・ダイヤモンド・ターニング加工が望ましい）を行うことで、精度のよい光学素子を成形できる可動コア６０を形成することができる。
【００３０】
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。例えば、金型４’の外周面を可動側キャビティの内周面に対して摺動させるような場合には、所定のパターンに基づいて、金型４’の外周面を精度良く加工してもよい。更に、電鋳４の状態ではピン孔を加工せず、金型４’を形成した後に、その外周をチャックしながら、微細パターンに基づいて光学転写面４ａ’の光軸を求め、それに基づいて反対側面にピン孔を加工することも考えられる。このようにして形成されたピン孔は、光軸に対して精度よく位置決めされているので、摺動部材５のピン５ｂをその外周面に対して精度よく形成すれば、可動コア１０を組み立てた後の外周面加工を不要としながらも、精度のよい光学素子を成形できる可動コア１０を提供することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、電鋳を用いて金型を製作する場合において、基準面を精度よく導ける金型の製作方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電鋳により金型を製作する状態を示す図である。
【図２】図１における母光学面周辺を拡大して示す図である。
【図３】電鋳により金型を製作する状態を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、可動コア１０の断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の矢印IVBで示す部分を拡大して示す図である。
【図５】可動コア１０を用いて光学素子を成形する状態を示す図である。
【図６】第２の実施の形態にかかる可動コア４０を示す図４と同様な断面図である。
【図７】第３の実施の形態にかかる可動コア５０を示す図４と同様な断面図である。
【図８】第４の実施の形態にかかる可動コア６０を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 母型
２ 治具
３ ニッケル燐層
４ 電鋳
４’、４４’、５４’ 金型
５、４５，５５ 摺動部材
６，４６，５６ 押圧部
１０，４０，５０ 可動コア

Claims (10)

1. 光学面に所定のパターンを有する光学素子を成形する金型の製作方法において、
   前記所定のパターンを母光学面に形成した母型の周囲に、電鋳を成長させるステップと、
   前記母型から金型を取り外すステップと、
   取り外した前記金型の、前記母光学面に対応する光学転写面に形成された前記所定のパターンに対応した転写パターンに基づいて、前記金型又は前記金型の保持部材を加工するステップと、を有することを特徴とする金型の製作方法。
2. 前記母型の母光学面には、電鋳を成長させる前にニッケル燐層を被覆するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の金型の製作方法。
3. 前記ニッケル燐層は、厚さ方向において変化した成分分布を有することを特徴とする請求項２に記載の金型の製作方法。
4. 前記母型もしくは前記母型に取り付けられた治具に基準面を設け、前記基準面を基準として、前記母型から分離される前の前記金型を加工することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金型の製作方法。
5. 前記所定のパターンは、光軸と同心の円形パターンを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金型の製作方法。
6. 前記光学面は、非球面形状を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金型の製作方法。
7. 前記母型から分離した前記金型を回転させながら、前記光学転写面に形成された所定パターンに光を投射して、その反射光を検出することによって、前記光学転写面の光軸の位置を求めることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の金型の製作方法。
8. 前記金型の表面に無電解メッキ層を形成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の金型の製作方法。
9. 前記金型の表面に形成された無電解メッキ層に対して機械加工及び熱処理の少なくとも一方を施すことを特徴とする請求項８に記載の金型の製作方法。
10. 前記金型と前記保持部材を用いて可動コアを形成したときに、前記金型の外径は、前記保持部材の外径より小さいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の金型の製作方法。

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