JPH11223708A - 圧子およびマイクロ光学素子アレイの製造方法 - Google Patents

圧子およびマイクロ光学素子アレイの製造方法

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JPH11223708A
JPH11223708A JP10027302A JP2730298A JPH11223708A JP H11223708 A JPH11223708 A JP H11223708A JP 10027302 A JP10027302 A JP 10027302A JP 2730298 A JP2730298 A JP 2730298A JP H11223708 A JPH11223708 A JP H11223708A
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Yasuhisa Tomita
泰央 冨田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 多数の圧痕をより短時間に形成することでき
る圧子の提供。 【解決手段】 一回の押圧で被加工部材５の表面に各々
独立した圧痕を形成する単位圧子１１ａ〜１１ｄを具備
する。各単位圧子１１ａ〜１１ｄの位置決めをする治具
を設けるようにしても良い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被加工部材の表面
に圧痕を形成するときに用いられる圧子、および、その
圧子を用いたマイクロ光学素子アレイの製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】光学部材に微少光学素子を複数形成して
成るマイクロ光学素子アレイとしては、マイクロレンズ
を多数配列して光学機器（例えば、一眼レフカメラ）の
拡散板として用いられるものや、マイクロプリズムを多
数配列して映写機器の焦点板として用いられるもの等が
従来から知られている。ところで、これらのマイクロ光
学素子アレイの製造方法としては、被加工部材である光
学材料の被加工面に多数の圧痕を形成する方法や、金型
母材に多数の圧痕を形成し、それを金型としてアクリル
等の光学用樹脂を用いた射出成形，圧縮成形，注型成形
等により製造する方法などがある。
【０００３】図９は金型を用いてマイクロ光学素子アレ
イを製造する方法を説明する図である。まず、図９
（ａ）に示すように金型母材８０に圧子８１を繰り返し
押圧して金型母材表面に多数の圧痕８２を所定間隔で形
成することにより、マイクロ光学素子アレイの金型を作
製する。金型母材８０にはマルテンサイト系ステンレス
鋼等が用いられ、先端がマイクロ光学素子と同一形状を
有する圧子８１を所定の圧力で押圧することによりマイ
クロ光学素子１個分の圧痕８２が形成される。図９
（ｂ）はこのようにして作製された金型の一部を示す斜
視図であり、この金型を用いてアクリル等の光学用樹脂
による成形（例えば、射出成形）を行うことによって、
図９（ｃ）に示すようなマイクロ光学素子アレイ８３が
形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方法では、ＸＹテーブル等を用いて押圧方向と直交する
Ｘ方向およびＹ方向に金型母材８０を移動させながら、
圧痕１個分の圧子８１で複数の圧痕８２を一つずつ形成
しているため、圧痕８２の数が数百以上にもおよぶ場合
には、全ての圧痕８２を加工するのに多大な時間を要す
るという問題があった。例えば、一眼レフカメラの焦点
板では、光学材料に全ての圧痕８２を形成するのに４０
〜５０時間もかかっている。
【０００５】本発明の目的は、多数の圧痕をより短時間
に形成することができる圧子、およびその圧子を用いた
マイクロ光学素子アレイの製造方法をを提供することに
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】発明の実施の形態を示す
図１，２、４，５および８に対応付けて説明する。 （１）図１，２に対応付けて説明すると、請求項１の発
明に係る圧子は、一回の押圧で被加工部材５の表面に複
数の圧痕を形成する圧子１であって、被加工部材５の表
面に各々独立した圧痕を形成する単位圧子１１ａ〜１１
ｄを具備することによって上述の目的を達成する。 （２）図４，５に対応付けて説明すると、請求項２の発
明は、請求項１に記載の圧子１において、圧子１を構成
する各単位圧子１１ａ〜１１ｄの軸芯を所定の位置に位
置決めする治具４０，１３を設けた。 （３）図８に対応付けて説明すると、請求項３の発明
は、請求項１または２に記載の圧子において、各単位圧
子１１１ａ〜１１１ｄの押圧凸面（単位圧子１１１ａ〜
１１１ｄの図８の平面図で示される面）の形状を、隣接
する２つの単位圧子１１１ａ，１１１ｂに形成された押
圧凸面の先端同士の距離２Ｐが２つの単位圧子１１１
ａ，１１１ｂの軸芯間距離ｄより小さくなるように形成
した。 （４）図２に対応付けて説明すると、請求項４の発明
は、圧子１を被加工部材５の被加工面に押圧し、被加工
面に複数の微小凹面を形成するマイクロ光学素子アレイ
の製造方法に適用され、請求項１〜３のいずれかに記載
の圧子１を用いて微小凹面を形成する。 （５）請求項５の発明は、圧子１を金型母材５の表面に
押圧して複数の圧痕を形成し、金型母材５の表面に形成
された圧痕の形状を光学部材に転写して複数の微小凸面
を形成するマイクロ光学素子アレイの製造方法に適用さ
れ、請求項１〜３のいずれかに記載の圧子１を用いて複
数の圧痕を形成する。
【０００７】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図８を参照して本発
明の実施の形態を説明する。図２は本発明に係るマイク
ロ光学素子アレイの製造に用いられる圧子押圧装置の概
略構成を示す斜視図であり、本発明者が特開平９−３２
７８６０号で提案した装置と同様の装置である。なお、
マイクロ光学素子アレイの製造方法としては、上述した
ように圧子で光学部材に直接複数の圧痕を形成する方法
と、複数の圧痕が形成された金型を用いて成形により製
作する方法とがあるが、以下では光学部材に圧痕を形成
してマイクロ光学素子アレイを構成するマイクロ光学素
子（以下では、マイクロレンズ）を形成する方法につい
て説明する。
【０００９】図２において、被加工部材５は機械式ある
いは接着等の固定方法によりＸＹステージ６上に載置さ
れる。なお、被加工部材５はマイクロレンズアレイの素
材である光学部材や成形に用いる金型の母材であるが、
以下では光学部材として説明する。ＸＹステージ６はス
テージ駆動回路２０により制御されるステージ移動用モ
ータ７Ｘ，７Ｙによって駆動されるとともに、その位置
はデジタルマイクロメータ８Ｘ，８Ｙによって検出され
る。２１はデジタルマイクロメータ８Ｘ，８Ｙの出力に
基づいてＸＹステージ６の移動量を検出するステージ移
動量検知回路２１である。
【００１０】２は圧子押圧装置の臥体４に固定されてい
るムービングコイル装置であり、ムービングコイル装置
２のシャフト（不図示）には圧子１が取り付けられてい
る。ムービングコイル装置２は、圧子１が取り付けられ
たシャフトを回転するためのモータ３を備えている。モ
ータ３はステッピングモータであり、回転角割り出し回
路２３からのパルス数によりシャフトの回転角が制御さ
れる。２２はムービングコイル装置２のシャフトを上下
方向に駆動するためのムービングコイル駆動回路、２４
は各回路２０，２１，２２，２３に対して所定の指示を
与えるコンピュータである。コンピュータ２４には入力
装置により、作業条件（回転角度や圧痕ピッチ等）を入
力することができる。なお、ムービングコイル装置２の
詳細構造については省略する（特開平９−３２７８６０
号を参照）。
【００１１】次に、図１を用いて圧子１について説明す
る。図１（ａ）は圧子１の先端部分の拡大図であり、ホ
ルダ１５内に４個の単位圧子１１ａ〜１１ｄから成る圧
子束１１を固定したものである。ホルダ１５と圧子束１
１との隙間には接着剤等の充填材１６が充填される。こ
の圧子１を用いることによって、図２（ｂ）に示すよう
なマイクロレンズアレイ２５を形成する。Ｐ１，Ｐ２は
マイクロレンズ２５ａのｘ方向およびｙ方向のピッチで
あり、２６はマイクロレンズ２５ａの内接円を表してい
る。
【００１２】図３（ａ）は単位圧子１１ａを示す図であ
り、単位圧子１１ａには微粒子超硬合金が用いられ、そ
の押圧凸面１１０ａは被加工部材５に形成される圧痕形
状（すなわち、マイクロレンズの形状）に対応した形状
に創成される。マイクロレンズ２５ａ同士の中心間距離
とマイクロレンズ２５ａの内接円２６とが比較的大きい
場合（例えば、ピッチ０．１ｍｍ以上）には、２倍ピッ
チサイズ、すなわち０．２ｍｍ×０．２ｍｍの正方形断
面を有する角柱が用いられる。なお、マイクロレンズア
レイのパターンと単位圧子１１ａ〜１１ｄの配置との関
係については後述する。
【００１３】単位圧子１１ａ〜１１ｄの素材である角柱
の形状精度は、断面の各辺で±１μｍ、各側面の真直度
０．５μｍ以下とした。稜線には幅２〜５μｍ程度の面
取りが施される。押圧凸面１１０ａを形成するときに
は、図３（ｂ）に示すように、ワーク軸３０に固定され
て回転する圧子１１ａの先端に、凹面の砥石３１を当接
させて研削加工を行う。その際に、砥石３１を回転させ
つつ揺動させる。砥石３１には形状精度を考慮してダイ
ヤモンド電着砥石（砥粒は＃５００や＃２０００等が用
いられる）が用いられ、研削後には弾性ポリシャを用い
て研磨仕上げを行う。このような方法で加工することに
より、曲率半径Ｒの圧子先端の形状誤差は０．１μｍ、
表面粗さは０．０２μｍＲｙであった。
【００１４】図４，５は各単位圧子１１ａ〜１１ｄを所
定の位置関係に位置決めする治具の一例を示す図であ
る。図４に示す治具４０の爪４０ａ〜４０ｄの中心部分
に束ねた単位圧子１１ａ〜１１ｄを装着し、単位圧子１
１ａ〜１１ｄが装着された治具４０にホルダ１５（図
５）を外挿する。なお、このホルダ１５には４個の押し
ねじ１３が設けられており、押しネジ１３のねじ込み量
を変えることによって爪４０ａ〜４０ｃを変形させ、圧
子束１１における単位圧子１１ａ〜１１ｃの配列を変え
る。すなわち、各押しネジ１３のねじ込み量を調整する
ことによって、マイクロレンズアレイの配列パターンに
応じた単位圧子配列とすることができる。例えば、図５
（ａ）のように押しネジ１３のねじ込み量を均等にして
正方形の配列としたり、図５（ｂ）のように各押しネジ
１３のねじ込み量を調整して斜めにずれた配列としたり
することができる。
【００１５】図６および図７は、図５（ａ）および図５
（ｂ）に示す圧子により形成されるマイクロレンズアレ
イパターンの一例を示す図である。図６（ａ）は各単位
圧子１１ａ〜１１ｄによって被加工部材５に形成される
圧痕の平面図であり、圧痕６０のＸおよびＹ方向ピッチ
は２Ｐとなっている。図６（ｂ）はマイクロレンズアレ
イパターンの一部を示す図であり、圧痕の配列はスクェ
アパターンを形成している。加工サイズ（圧痕が形成さ
れる範囲）はＸ方向がＬ、Ｙ方向がＨであり、Ｘ方向ピ
ッチＰ１とＹ方向ピッチＰ２は共に等しくＰ１＝Ｐ２＝
Ｐである。
【００１６】図６（ｂ）の圧痕形成手順の一例を図を用
いて説明する。初めに、範囲Ｌ×Ｈに含まれる全ての圧
痕Ａ（Ａ１，Ａ２，…）を４個ずつＡ１，Ａ２，…の順
で形成する。このとき、Ａ１の圧痕を形成したら図２の
ＸＹステージ６をマイナスＸ方向に４Ｐだけ移動し、次
いで、圧痕Ａ２を形成する。このように、ＸＹステージ
６をＸ方向にピッチ４Ｐでステップ移動させながらＸ方
向に並んだ２列の圧痕Ａの全てを形成する。その後、Ｘ
Ｙステージ６をＹ方向に４Ｐ移動した後、同様にして続
く２列の圧痕ＡをＡ３，…の順に形成する。
【００１７】上述のようにして範囲Ｌ×Ｈ内の全ての圧
痕Ａの形成が終了したならば、ＸＹステージ６を圧痕Ａ
形成開始時位置からＸ方向にピッチＰ１＝Ｐだけ移動し
た後、圧痕Ｂ（Ｂ１，Ｂ２，…）を圧痕Ａの場合と同様
に形成する。さらに、同様にして圧痕Ｃ，圧痕Ｄを形成
することにより、範囲Ｌ×Ｈ内の全ての圧痕が形成され
ることになる。
【００１８】一方、図７（ａ）は図５（ｂ）に示した圧
子で形成される圧痕７０を示したもので、図７（ｂ）に
示すマイクロレンズアレイでは圧痕の配列はハニカムパ
ターンとなっている。このハニカムパターンでは２つの
同一パターン（Ｘ方向ピッチＰ、Ｙ方向ピッチ２Ｗのパ
ターン）をＸ方向およびＹ方向にずらしたパターン構造
となっている。すなわち、図７（ｂ）のハニカムパター
ンは、（１）Ｘ方向に並ぶ圧痕の列の内で奇数番の列の
圧痕から成るパターンと（２）偶数番の列の圧痕から成
るパターンとから構成され、後者のパターンを前者に対
してＸ方向に３Ｐ／２およびＹ方向にＷだけ移動したも
のである。
【００１９】なお、図７（ａ）の圧痕７０は、図７
（ｂ）では、例えば、４つの圧痕Ａ１に対応しており、
４つの圧痕７０の位置関係は図７（ａ）に示すような関
係にある。図７（ｂ）に示すパターンを形成する場合に
は、圧痕Ａ（Ａ１，Ａ２，…），Ｂ（Ｂ１，Ｂ２，
…），Ｃ（Ｃ１，Ｃ２，…）の順に形成する。この場
合、圧痕形成時のＸＹステージ６のステップ移動量は、
ｘ方向に３Ｐ、ｙ方向に４Ｗである。
【００２０】例えば、ハニカムパターンの構成が加工範
囲Ｌ×Ｈ＝２６．６ｍｍ×３８．０６ｍｍ，Ｐ＝２０μ
ｍ，Ｗ＝１７．３μｍで、図７（ｂ）に示すピッチずら
し量Ｐ３＝１０μｍであるハニカムパターンのマイクロ
レンズアレイを従来方法（一回の押圧で一個の圧痕しか
形成できない圧子用いた場合）で作製すると、圧子１を
上下に駆動するムービングコイル装置２（図２参照）の
打痕周波数を２０Ｈｚとしたとき、圧痕形成に約４５時
間を要した。一方、図５（ｂ）に示す圧子１を用いた場
合には約１１時間で形成することができた。一般的に、
圧子が４個の単位圧子で構成される場合には圧痕形成時
間は約１／４となり、３×３＝９個の単位圧子を用いる
場合には圧痕形成時間は約１／９となる。
【００２１】また、圧子による押圧回数が多くなるにつ
れて、摩耗等による圧子の押圧凸面の変形が生じ、形成
される圧痕の形状が経時的に変化する。そのため、マイ
クロレンズアレイを構成するマイクロレンズの形状安定
性が低下するという問題があった。しかし、本実施の形
態では、一回の押圧で複数の圧痕が形成される圧子１を
用いているため、従来より少ない押圧回数（上述した４
個の単位圧子を用いる場合には従来の１／４）でマイク
ロレンズアレイを製作することができる。そのため、圧
子１の寿命が長くなり、マイクロレンズ形状の安定した
マイクロレンズアレイを得ることができる。
【００２２】−変形例− 図８は上述した圧子１の変形例を示す図である。図８
（ａ）において、単位圧子１１１ａ〜１１１ｄの先端部
分に示した円弧５０および円５１は、干渉縞を用いた非
接触顕微鏡による観測結果を模式的の表したものであ
る。図５に示した圧子１では、単位圧子１１ａ〜１１ｄ
の圧子先端部分の曲率中心はそれぞれ各単位圧子１１ａ
〜１１ｄの軸芯上となるように形成されているが、図８
に示す単位圧子１１１ａ〜１１１ｄでは曲率中心を圧子
束１１の中心方向に偏心させている。このように曲率中
心を偏心させることにより、曲率中心間のピッチ２Ｐ
（図６（ａ）の圧痕のピッチ２Ｐ）を単位圧子１１１ａ
〜１１１ｄの軸芯間距離ｄより小さくすることが可能と
なり、よりピッチの小さなマイクロレンズアレイを製作
することが可能となる。図８（ｂ）は図５（ｂ）に示し
た圧子と同様に、単位圧子１１１ａ〜１１１ｄの軸芯を
ずらして配列したものである。
【００２３】上述した実施の形態では、マイクロレンズ
アレイを例に説明したが、単位圧子１１ａ〜１１ｄ，１
１１ａ〜１１１ｄの圧子形状を変えることによって種々
のマイクロ光学素子アレイに適用することができる。ま
た、圧子１を構成する単位圧子の数は４個に限らない。
さらにまた、上述した治具４０では、爪４０ａ〜４０ｄ
を押しネジ１３で変形させることによって単位圧子１１
ａ〜１１ｄ，１１１ａ〜１１１ｄの配列を変更したり、
位置の微調整ができる構造としたが、このような調整機
構を設けないで、治具４０に単位圧子を１１ａ〜１１
ｄ，１１１ａ〜１１１ｄを固定するだけで所定の位置関
係に位置決めされるような構造としても良い。
【００２４】上述した実施の形態と特許請求の範囲の要
素との対応において、治具４０および押しネジ１３は治
具を、被加工部材５は金型母材をそれぞれ構成する。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、一回の押圧で被加工部材の表面に複数の圧痕を
形成することができるため、多数の圧痕を従来より短時
間で形成することができる。請求項２の発明によれば、
治具によって各単位圧子の軸芯位置が位置決めされるた
め、圧痕の配列精度が向上する。請求項３の発明によれ
ば、圧痕配列のピッチをより小さくすることができる。
請求項４の発明によれば、圧子を被加工部材に一回押圧
するだけで複数の微小凹面が形成されるため、マイクロ
光学素子アレイ製造に要する時間を短縮することができ
る。請求項５の発明によれば、圧子を金型母材に一回押
圧するだけで複数の圧痕が形成されるため、マイクロ光
学素子アレイを製造する際の金型製造時間を短縮するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧子を説明する図であり、（ａ）
は圧子１の先端部分の拡大図、（ｂ）は（ａ）の圧子１
で形成されるマイクロレンズアレイ斜視図。
【図２】マイクロ光学素子アレイの製造に用いられる圧
子押圧装置。
【図３】単位圧子を説明する図であり、（ａ）は単位圧
子１１ａの斜視図、（ｂ）は押圧凸面１１０ａの形成方
法を示す図。
【図４】治具４０の斜視図。
【図５】圧子１の断面図であり、（ａ）スクウェアパタ
ーン形成時の単位圧子配列を示し、（ｂ）はハニカムパ
ターン形成時の単位圧子配列を示す。
【図６】図５（ａ）に示す圧子１により形成される圧痕
パターンを説明する図であり、（ａ）は一回の押圧で形
成される圧痕パターンを示し、（ｂ）は圧痕形成手順を
示す図。
【図７】図５（ｂ）に示す圧子１により形成される圧痕
パターンを説明する図であり、（ａ）は一回の押圧で形
成される圧痕パターンを示し、（ｂ）は圧痕形成手順を
示す図。
【図８】図５に示す圧子の変形例を示す図であり、
（ａ）スクウェアパターン形成時の単位圧子配列を示
し、（ｂ）はハニカムパターン形成時の単位圧子配列を
示す。
【図９】マイクロ光学素子アレイ製造手順を示す図であ
り、（ａ）は圧子８１による金型作製の行程を示し、
（ｂ）は金型の斜視図、（ｃ）は金型を用いてマイクロ
光学素子アレイ成形の行程を示す。
【符号の説明】
１ 圧子 ５ 被加工部材 ６ ＸＹステージ １１ 圧子束 １１ａ〜１１ｄ，１１１ａ〜１１１ｄ 単位圧子 １３ 押しネジ １５ ホルダ ２５ マイクロレンズアレイ ２５ａ マイクロレンズ ４０ 治具 ４０ａ〜４０ｄ 爪 １１０ａ 押圧凸面 ６０，７０，Ａ１〜Ａ４，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２，Ｄ
１ 圧痕

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一回の押圧で被加工部材の表面に複数の
    圧痕を形成する圧子であって、 前記被加工部材の表面に各々独立した圧痕を形成する単
    位圧子を複数具備することを特徴とする圧子。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の圧子において、 前記圧子を構成する各単位圧子の軸芯を所定の位置に位
    置決めする治具を設けたことを特徴とする圧子。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の圧子におい
    て、 前記各単位圧子の押圧凸面の形状を、隣接する２つの単
    位圧子に形成された押圧凸面の先端同士の距離が前記２
    つの単位圧子の軸芯間距離より小さくなるように形成し
    たことを特徴とする圧子。
  4. 【請求項４】 圧子を被加工部材の被加工面に押圧し、
    前記被加工面に複数の微小凹面を形成するマイクロ光学
    素子アレイの製造方法において、 請求項１〜３のいずれかに記載の圧子を用いて前記微小
    凹面を形成することを特徴とするマイクロ光学素子アレ
    イの製造方法。
  5. 【請求項５】 圧子を金型母材の表面に押圧して複数の
    圧痕を形成し、前記金型母材の表面に形成された圧痕の
    形状を光学部材に転写して複数の微小凸面を形成するマ
    イクロ光学素子アレイの製造方法において、 請求項１〜３のいずれかに記載の圧子を用いて前記複数
    の圧痕を形成することを特徴とするマイクロ光学素子ア
    レイの製造方法。
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