JP4406825B2 - 光学素子成形用金型の製造方法及び金型 - Google Patents

Description

本発明は、金型の製造方法及び金型に関し、特に光学素子を成形するような金型を高精度に製造するのに好適な金型の製造方法及びそれにより製造された金型に関する。

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。ここで、金型は消耗品であり、また不測の事態による破損なども予想されることから、高精度な光学素子を成形するためには、定期的或いは不定期の金型交換が必要であるといえる。従って、光学素子を成形するための金型（光学素子成形用金型ともいう）も、一定精度のものをある程度の量だけ予め用意しておく必要があるといえる。

ここで、単結晶ダイヤモンド工具などを用いた切削加工で金型を製造した場合、手間がかかる上に、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。

特に、光ピックアップ装置に用いるある種の光学素子には、収差特性を良好にすべく、光学面の光軸に同心に、断面がブレーズ形状の微細な回折輪帯等を設けることが行われている。このような回折輪帯に対応した同心溝の微細パターンを、金型の光学面転写面に形成する場合、切削加工に手間と時間がかかるという問題がある。光学素子成形用金型を超鋼などで形成する場合、精度良く所望の光学面転写面形状を得るためには、ダイアモンド工具による切削加工等によらなくてはならない。

このような問題に対し、例えば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、化学反応を通じて電鋳等を成長させることで、金型を製作しようとする試みがある（特許文献１）。このような電鋳による金型製作手法を用いると、例えば光学素子の回折輪帯に対応した輪帯を備えた非球面を精度良く形成した母型を一つ用意するだけで、寸法バラツキの少ない光学素子成形用金型を比較的容易に転写形成することができる。
特開平６−８２８２号公報

しかるに、本発明者らの実験結果によれば、シリコン製の母型に対してニッケルの電鋳を成長させた場合、その固着力が高くなるため、脱型時に母型が劈開（剥離）したりして、電鋳の型に貼り付くという問題が明らかとなった。このようにして型に固着したシリコンは、高温の強アルカリ溶液に浸漬することで、そのシリコンのみを溶かし出すことができるが、それにより電鋳面が侵され、例えば光学素子の光学面を形成する金型として用いるには、その面粗さ等が問題となる恐れがある。

一方、母型に回折輪帯などの微細形状を形成する場合、電子ビーム描画やエッチングなど、手間のかかる処理が行われる場合があるが、脱型時に母型が損傷してしまうということは、同じ金型を製造するために、それらの手間のかかる処理を再度行って母型を形成しなくてはならないことを意味する。従って、金型の製造コストを減少させるために、同じ母型を再利用して金型を製造したいという要請もある。

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、成長した電鋳と母型との脱型を、損傷なく適切に行える金型の製造方法及びそれにより製造された金型を提供することを目的とする。

本発明の光学素子成形用金型の製造方法は、表面に光学面形状を有するシリコン製の母型の外周をなす側面に樹脂層を形成させるステップと、前記母型に導電層を形成するステップと、前記母型から電鋳を成長させるステップと、成長した電鋳を、前記母型から脱型させるステップと、を有することを特徴とする。

本発明の光学素子成形用金型の製造方法によれば、表面に光学面形状を有するシリコン製の母型の外周をなす側面に樹脂層を形成させることで、電鋳が前記母型の側面に対する固着力を低下させ、脱型時に前記母型が電鋳側に剥離するなどの不具合を抑制することができる。ここで、「側面」とは、母型の軸線に沿った面をいうものとする。

前記母型と治具との間に、エポキシ樹脂製の接着剤を塗布した後、前記母型と前記治具とを密着することにより、はみでた接着剤が前記母型の側面を覆うようになっていると、前記母型と前記治具との接着工程で、前記樹脂層の付着まで行うことができるので、工程の低減を図れる。

前記成長した電鋳は、前記母型の軸線方向にのみ相対移動させられることで脱型されるようになっていると、前記母型に微細形状が形成されている場合に、その損傷を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態にかかる金型の製造方法につき、図面を参照して説明する。図１は、電鋳により金型を製作する工程を示す図である。まず、母型を保持するためのＳＵＳ製の円筒状治具２の端面に、円筒状袋孔２ｅを形成する。この袋孔２ｅの内径は、母型１の外径にほぼ等しい。

次に、点対称な光学面形状を有するシリコンの母型１を、機械的処理により形成する。ここで、袋孔２ｅの底部にエポキシ系樹脂からなる接着剤（不図示）を適量おき、図１（ａ）に示すように、治具２の袋孔２ｅ内へと軸線を合わせながら母型１を挿入して取付を行う。このとき、はみ出した接着剤で、母型１の露出した側面に、自然に樹脂層が形成される（樹脂層を形成するステップ）ようになるが、不足している場合には、作業者の手で側面全体に塗り広げてもよい。

その後、母型１の光学面形状の表面にレジストＲを薄く均一に塗布し、電子ビームで微細パターン形状を描画した後、微細パターン保護用、導電化用、金型としての表面硬度向上用のニッケル燐の膜３をスパッタリングで形成する（導電層を形成するステップ）。

更に、図１（ｂ）において、純ニッケルの電鋳を成長させ金型素材４を形成する（電鋳を成長させるステップ）。治具２に予め絶縁剤を塗布することで電鋳防止処理を行うと、不要な電鋳の付着を抑制できる。このとき母型１の光学面形状に応じた転写面４ｃが金型素材４に形成される。形成後に、図に二点鎖線で示すように、金型素材４を整形する。このとき、金型素材４の中央にはボス４ａを機械加工形成し、更にその中央に凹部４ｂを機械加工する。

図１（ｃ）に示すように、金型素材４とは別に、裏打ち部材５を用意する。予め、裏打ち部材５の端部中央に凸部５ａを機械加工形成しておく。更に、図１（ｄ）に示すように、金型素材４に対して裏打ち部材５を仮固定する。より具体的には、金型素材４の凹部４ｂを裏打ち部材５の凸部５ａに正対させるように接近させ、凹部４ｂに凸部５ａを嵌入させる。

金型素材４と裏打ち部材５とを仮固定した状態で、接合面外周に電鋳を成長させ連結部材６を形成する。連結部材６が金型素材４と裏打ち部材５の外周を取り巻くようにして架橋されることで、両者は接合される。電鋳を形成したくない領域には、上述したように電鋳防止処理を施しておくと良い。仮固定の手法は、電鋳に限らず、接着、溶射、低融点合金を用いた接合、ねじ止めなどが考えられる。

図１（ｅ）において、電鋳後に十分な洗浄を行い、治具２の外周面２ａ又は端面２ｃを基準面として、平面研削盤などを用いて裏打ち部材５の端面５ｄを加工し、所定の平行度を得る。従って、端面５ｄも、軸線Ｘに対して精度良く直交していることになる。更に、治具２を回転させながら、摺動面となる裏打ち部材５の外周面５ｅ、５ｆを切削加工し、その後金型素材４を、図中Ａで示す位置でカットして、脱型方向である母型１の軸線方向に引き抜くことで、治具２及び母型１から分離し（脱型させるステップ）、図１（ｆ）に示す構成を得る。

図２は、脱型治具を用いて脱型する状態を示す図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の構成を矢印IIB方向に見た図である。図２（ａ）に示すように、脱型治具７は、一端が閉止された円管状の本体７ａと、閉止端中央に形成された孔７ｂとを有する。本体７ａの内径は、治具２の外径とほぼ等しくなっている。脱型治具７の本体７ａの外周面には、軸線方向に長い長孔７ｃが形成されている。この長孔７ｃに挿通した係止ボルト９が、治具２に螺合している。係止ボルト９の円筒軸部９ａは、長孔７ｃの幅と略等しくなっている。

脱型時には、脱型治具７を治具２に嵌合させ、孔７ｂから挿通したボルト８を、治具２の電鋳時電極固定用のねじ孔２ｇに螺合させる。この状態からボルト８を締め上げると、本体７ａの端部が、金型素材４の端部に当接し、矢印Ｂ方向に等しく押すので、容易に脱型を行え、且つ脱型時における母型１及び治具２の軸線と金型素材４の軸線とのズレが防止される。

尚、ボルト８を締め上げると、摩擦力を介してトルクが脱型治具７に伝達され、更に金型素材４を回転させる恐れがある。かかる場合、母型１にクラックが生じる恐れがあり、また金型素材４に回転非対称の微細パターンが形成されていると、それを損傷する恐れもある。これに対し、本実施の形態によれば、図２（ｂ）に示すように脱型治具７が矢印方向に力を受けた場合でも、係止ボルト９の円筒軸部９ａが長孔７ｃの側面に当接しているので、脱型治具７の回動が抑制される。しかしながら、係止ボルト９と長孔７ｃとは、軸線方向には相対変位可能であるので、ボルト８に締め上げによる治具２と脱型治具７との相対移動は阻害されることがない。

本実施の形態によれば、母型１の側面に樹脂層Ｐが形成されており、しかも母型１の軸線に沿って脱型が行われるため、母型１の剥離が生じず、金型素材４の転写光学面に、母型１の表面を精度良く転写することが可能となる。

その後、図１（ｆ）において、裏打ち部材５を回転させながら、金型素材４を、ワイヤカットやフライス盤などを用いて、矢印Ｃの位置でカットすることで粗加工を行う。最後に、裏打ち部材５の端面５ｄを基準として、円筒研削盤（もしくは精密旋盤等）を用いて、金型素材４の外周面４ｇと、連結部材６の外周面とを仕上げ加工する（図１（ｇ））。このとき金型素材４の外周面４ｄと、連結部材６の外周面とは、裏打ち部材５の小径外周面５ｆの外径に等しいか、それよりわずかに小さく形成されると好ましい。純ニッケルの電鋳により形成された連結部材６は、鋼などで形成される裏打ち部材５に比して硬度が低いため、繰り返し成形により早期摩耗や発熱などの恐れがあるからである。このようにして形成された金型は、射出成形などに用いられると好適である。

図３は、別な実施の形態にかかる脱型治具の断面斜視図である。ベース１０上に、第１固定ブロック１１を取り付け、その上に移動ブロック１２を載置している。移動ブロック１２に隣接して、ベース１０に取り付けられた第２固定ブロック１３が配置されている。移動ブロック１２に形成された雌ネジ孔１２ａには、第２固定ブロック１３の貫通孔１３ａを貫通して回転運動用ネジ１４が螺合されている。

更に、第１固定ブロック１１に隣接して、ベース１１には、脱型治具７’が取り付けられている。脱型治具７’は、図２に示す構成と同様に、母型１を接着した治具２を内包し、かつ型素材４に端面当たりしている。治具２に形成された雌ネジ孔２ｇには、直線運動用ネジ８’が螺合されており、直線運動用ネジ８’の頭部は、板材１５により移動ブロック１２に対して軸線方向に位置固定されている。尚、回転運動用ネジ１４と直線運動用ネジ８’の軸線は一致している。

本実施の形態の動作について説明する。図３に示す状態で、回転運動用ネジ１４を右回転させると、第２固定ブロック１３に対して、移動ブロック１２が近接する方向に接近する。移動用ブロック１２が移動すると、直線運動用ネジ８’も、回転運動用ネジ１４の軸線方向に移動し、脱型治具７’の端部７ａ’が、金型素材４の端面に当接し、矢印Ｄ方向に一様に押すので、母型１を損傷することなく容易に脱型を行える。

本実施の形態によれば、回転運動用ネジ１４の回転運動は、直線運動用ネジ８’に伝達されることなく、直線運動用ネジ８’は軸線方向にのみ移動することから、脱型時に母型１の剥離が生じず、金型素材４の転写光学面に、母型１の表面を精度良く転写することが可能となる。

以上、実施の形態を参照して本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、その趣旨を損ねない範囲で適宜変更、改良可能であることはもちろんである。例えば、樹脂層はエポキシ系の接着剤に限らず、導電性樹脂を含む他の樹脂であってよい。

本実施の形態にかかる金型の製造方法を構成する工程を示すフローチャートである。 図２（ａ）は、脱型時に用いる脱型治具を、脱型前の治具、母型、金型素材と共に示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の構成を矢印IIB方向に見た図である。 別な実施の形態にかかる脱型治具の断面斜視図である。

符号の説明

１ 母型
２ 治具
４ 金型素材
５ 裏打ち部材
７、７’ 脱型治具
Ｐ 樹脂層
Ｒ レジスト

Claims (4)

1. 表面に光学面形状を有するシリコン製の母型の外周をなす側面に樹脂層を形成させるステップと、
   前記母型に導電層を形成するステップと、
   前記母型から電鋳を成長させるステップと、
   成長した電鋳を、前記母型から脱型させるステップと、を有することを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。
2. 前記母型と治具との間に、エポキシ樹脂製の接着剤を塗布した後、前記母型と前記治具とを密着することにより、はみでた接着剤が前記母型の外周をなす側面を覆うようになっていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型の製造方法。
3. 前記成長した電鋳は、前記母型の軸線方向にのみ相対移動させられることで脱型されるようになっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子成形用金型の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の金型の製造方法によって製作されたことを特徴とする光学素子成形用金型。

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