JPH11348117A - 金型の製造方法およびこの金型により製造した光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】転写率のよい所望の形状の圧痕を成形した金型
を得る。 【解決手段】圧子１を金型母材２の表面に押圧して複数
の圧痕を成形するにあたり、同じ位置で圧子１を複数
回、金型母材２表面に押圧する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金型の製造方法お
よびこの金型により製造した光学素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロ光学素子は、単体として
は光学通信用などに用いられ、多数配列したアレイとし
ては光学機器の集光板や拡散板などに用いられている。
このようなマイクロ光学素子には凸レンズ、凹レンズ、
反射鏡などがある。上記マイクロ光学素子を製造する方
法としては所望の光学素子の反転形状が表面に形成して
ある金型を用いて樹脂を射出成形や圧縮成形することに
より製造する方法がある。

【０００３】そして、金型表面にマイクロ光学素子の反
転形状を成形するために、特開平９―３２７８６０号公
報に記載されている圧痕法を用いることができる。この
方法を使用する装置は、圧子を保持して金型母材に押圧
するムービングコイル装置とＸＹステージと制御装置と
で構成されている。ムービングコイル装置とＸＹステー
ジとは制御装置によって電気的に制御されており、圧子
の上下の繰り返しと共に金型母材を水平面内で移動させ
ることによってマイクロ光学素子アレイの反転形状を金
型表面に形成する。その際、転写率の良い圧痕を形成す
るために、圧子の押し込み時間を長くすると、その前に
形成された隣り合わせの圧痕形状が崩れてしまい形状精
度の良いマイクロ光学素子アレイが得られないという問
題があった。すなわち、金型母材上で圧子の押圧を順次
進めていくと、形成された凹面形状が、隣接する次の凹
面形状の形成時に、圧子の押圧による金型母材の境の材
料の横移動によって変形し、所望の形状を得られない。

【０００４】

【発明が解決使用とする課題】そこで本発明は所望の形
状の圧痕を形成する金型の製造方法と、この金型を用い
て成形した光学素子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】本発明では、圧子を金型
母材の表面に押圧して複数の圧痕を成形する金型の製造
方法において、前記圧痕を成形する際に同じ位置で前記
圧子を数回に渡って前記金型母材表面に押圧する。好ま
しくは、一つの圧痕を形成するのに複数回数圧子を押し
込む、その回数は必要とする圧痕、ひいては必要とする
光学素子の大きさを考慮して実験的に決める。圧子の押
し込み力としては回数毎に大きくしていくとよい。すな
わち、１回目の押し込み力をＦ１とし、ｎ回目をＦｎと
するとＦ１＜Ｆ２＜ ・・・ ＜Ｆｎという関係がよ
い。このように押し込み力を調整することにより、所望
の形状の圧痕を形成でき、転写率がよくなる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を添
付図面に基づいて説明する。図１は、本発明によるマイ
クロ光学素子アレイ製造用金型の製造工程を説明する図
である。また、図２は金型母材の表面に多数の圧痕を形
成するための圧子押圧装置の構成を概略的に示す斜視
図、図３は、図２の圧子押圧装置の一部であるムービン
グコイル装置の構成を説明するための断面図である。

【０００７】本実施の形態ではマイクロ光学素子アレイ
成形用金型の製造に際して、マルテンサイト系ステンレ
ス鋼からなる金型母材の表面（キャビティ面となるべき
表面であり、以下「キャビティ面」という）に金属研磨
加工を施し、金型母材のキャビティ面を鏡面状に形成す
る。図１にこのような金型母材２を示す。まず、Ｆ１の
押圧力で、圧子１をキャビティ面に押圧する（ａ）。キ
ャビティ面全面に押圧力Ｆ１で圧痕を成形した後、Ｆ１
より大きな押圧力Ｆ２で既に成形した圧痕上に圧子１を
押圧する（ｂ）。ついで、押圧力Ｆ２よりさらに大きな
力Ｆ３で既に成形した圧痕上に圧子１を押圧する
（ｃ）。このようにして、押圧力を徐々に増加して数回
に渡って押圧することにより、金型母材２の隣接する圧
痕の境の材料２ａが横移動することを抑え、精度よく圧
痕を形成でき、転写率の良い金型を作ることができる。

【０００８】次に図２に示す圧子押圧装置を用いた圧痕
法により、金型母材の表面に多数の圧痕を形成する。以
下、図２の圧子押圧装置の構成および動作を参照しなが
ら、マイクロ光学素子アレイ成形用金型のキャビティ面
への圧痕加工方法を説明する。図２に示す押圧装置は、
機械式の固定方法あるいは接着などの固定方法により金
型母材２を保持するためのＸＹステージ４を備えてい
る。このＸＹステージ４上において、金属研磨加工が既
に施された金型母材２のキャビティ面はＸＹ平面に水平
に保持される。ＸＹステージ４には、ＸＹステージ４を
Ｘ方向に駆動するためのモータ５Ｘと、ＸＹステージ４
をＹ方向に駆動するためのモータ５Ｙとが設けられてい
る。モータ５Ｘおよびモータ５Ｙは、ステージ駆動回路
２０によりコンピュータ２０からの指令に基づいて制御
されるように構成されている。

【０００９】また、ＸＹステージ４には、ＸＹステージ
４のＸ方向位置を検出するためのデジタルマイクロメー
タ６Ｘと、ＸＹステージ４のＹ方向位置を検出するため
のデジタルマイクロメータ６Ｙとが設けられている。デ
ジタルマイクロメータ６Ｘおよび６Ｙの出力は、ステー
ジ移動量検知回路２１に供給されるように構成されてい
る。

【００１０】従って、ＸＹステージ４は、ステージ駆動
回路２０により制御されるモータ５Ｘとモータ５Ｙとの
作動により、ＸＹ平面において二次元的に移動可能であ
る。また、ＸＹステージ４のＸＹ平面における位置情
報、すなわちＸＹステージ４のＸ方向移動量およびＹ方
向移動量は、デジタルマイクロメータ６Ｘおよび６Ｙの
出力に基づいてステージ移動量検出器２１で検出され
る。

【００１１】さらに、図２に示す圧子押圧装置は、支持
体７に固定されたムービングコイ装置３を備えている。
ムービングコイル装置３の断面図を図３に示し、詳述す
る。ムービングコイル装置３のシャフト１１には、先端
部分が円錐をした圧子１が取り付けられている。３３は
シャフト１１に外挿するように設けられた円筒状の永久
磁石であり、ベース板３２に固定されている。３５はシ
ャフト１１に取り付けられ、永久磁石に外挿するようよ
うに設けられたコイル支持枠であり、コイル３６が環状
に巻き付けてられている。３７はコイル１４に外挿する
ように設けられた環状の永久磁石であり、ベース板３４
に固定されている。

【００１２】３０、３１は板バネであり、板バネ３０の
基端は、ベース板３２に固定されたブロック３８に押さ
え板３８ａとボルトにて固定されている。板バネ３０の
先端は、シャフト１１と一体となっている連結リング３
９によりシャフト１１と連結されている。一方、板バネ
３１も板バネ３０と同様にベース板３４に固定、シャフ
ト１１に連結されている。したがって、シャフト１１は
板バネ３０、３１によって鉛直線上を往復移動可能に弾
性支持されている。

【００１３】永久磁石３７は下部がＳ極、上部がＮ極
に、一方、永久磁石３３は下部がＮ極、上部がＳ極に着
磁されており、シャフト１１の中心軸での磁力線の向き
は鉛直下方である。ここで、コイル３６で発生する磁力
線がシャフト１１の中心軸で鉛直下向きとなるように電
流を与えると、コイル３６に対して鉛直下向きの力が働
いてシャフト１１が鉛直下方へ移動する。一方、逆向き
の電流をコイル３６に与えると、鉛直上方の力が働いて
シャフト１１が鉛直上方へ移動する。ムービングコイル
駆動回路２２は可変パルス電流発生器を有しており、周
期的に極性が変化するパルス波形状の電流をコイル３６
へ出力することにより圧子１を高速で上下動させること
ができる。この上下動の周期は０．１〜５０Ｈｚにする
ことができる。なお、上下のストロークは５０μｍ程度
である。また、コイル３６に供給する電流の大きさを変
えることにより、金型母材２のキャビティ面に対する圧
子１の押し付け力を変えることができる。

【００１４】従って、図３の圧子押圧装置では、ムービ
ングコイル駆動装置２２により、ムービングコイル装置
３のシャフト１１をひいてはダイヤモンド圧子１を＋Ｚ
方向に移動させ、ＸＹステージ４上に保持された金型母
材２のキャビティ面の所定位置にダイヤモンド圧子１の
先端部を所定の圧力で押圧することができる。その結
果、金型母材２のキャビティ面にはダイヤモンド圧子１
の先端部に対応した形状を有する圧痕が形成される。こ
の圧痕形成工程は、成形すべきマイクロ光学素子アレイ
を構成するマイクロ光学素子の数と同数回に亘って繰り
返される。

【００１５】従って、本実施例では、コンピュータ２３
は、予めプログラミングされた圧痕開始位置へＸＹステ
ージ４を移動するようにステージ駆動回路２２に指令信
号を出力すると共に、１回目のダイヤモンド圧子１の押
圧力１．８Ｖの電圧をムービングコイル駆動回路２２が
出力する指令をムービングコイル駆動回路２２に出力す
る。ムービングコイル駆動回路２２は、ステージ位置検
知回路２１の出力と圧痕開始位置とが一致すると、コン
ピュータ２３からの指令に基づき、ダイヤモンド圧子１
を押圧力１．８Ｖの電圧で金型母材２のキャビティ面に
打ち付ける。コンピュータ２３は、ステージ駆動回路２
０によりＸＹステージ４を二次元的に移動する。ステー
ジ移動量検知回路２１はＸＹステージ４の位置に応じた
信号をムービングコイル駆動回路２２に入力する。ムー
ビングコイル駆動回路２２は、コンピュータ２３からの
位置指令とステージ移動量検知回路２１からのＸＹステ
ージ４の位置信号が一致する毎にコイル３６の駆動電圧
１．８Ｖで、ダイヤモンド圧子１をＺ方向に周期的に往
復移動させ、金型母材２のキャビティ面に順次圧痕を成
形する。金型母材のキャビティ面に成形される圧痕の数
は、例えば、２５ｍｍ×３５ｍｍの範囲に約２２０万個
となる。

【００１６】このようにして行われた１回目の加工終了
後、ＸＹステージ４が圧痕開始位置へ戻るように、コン
ピュータ２３はステージ駆動回路２０を通じてＸＹステ
ージ４を移動する。そして、コンピュータ２３は、１回
目の圧痕上に順次２回目の圧痕を成形するようステージ
駆動回路２０、ムービングコイル駆動回路２２を制御す
る。２回目の圧痕成形時にコンピュータ２３がムービン
グコイル駆動回路２２へ指令するダイヤモンド圧子１の
駆動電圧は２．４Ｖである。そして、１回目と同範囲へ
同回数の圧痕加工を行う。２回目の圧痕成形が終わる
と、１回目（２回目も同じ）と同じ圧痕開始位置へＸＹ
ステージ４が戻り、ムービングコイル駆動回路２２から
コイル３６には３回目の押圧力３．２Ｖの電圧が印加さ
れ、１回目及び２回目と同範囲へ同回数の圧痕加工を行
う。金型母材２のキャビティ面の２５ｍｍ×３５ｍｍの
範囲へ３回の圧痕加工を施し、転写率の良い圧痕を形成
した。なお、圧子１の押し込み力Ｆはムービングコイル
装置がムービングコイルに与える電圧に依存しており、
Ｖ１＜Ｖ２＜ ・・・ ＜Ｖｎなる電圧Ｖ１、Ｖ２、・
・・Ｖｎを与えたときの押し込み力Ｆ１、Ｆ２、・・・
ＦｎはＦ１＜Ｆ２＜・・・ ＜Ｆｎとなる。そして、順
次押圧力を強くしていくことが好ましいが、本発明は、
必ずしもこれに限られない。

【００１７】本実施の形態では、上述の工程に従って製
造されたマイクロ光学素子アレイ成形用金型とアクリル
樹脂を用いて射出成形することにより、マイクロ光学素
子として凸レンズを多数配置したマイクロレンズアレイ
を製造した。なお、本発明に係る製造方法では圧子の押
圧手段として、前記ムービングコイル装置に限定される
ものではなく、ピエゾ素子などを用いてもよい。また、
上記実施の形態では、第１の押し込み力で圧痕を打った
後、他の押し込み力でさらに圧痕を打ったが、１つの圧
痕を押し込み力を変えて打った後、次の圧痕を打つよう
にしても良い。

【００１８】さらに上記実施の形態では、マイクロレン
ズアレイを製造する例を上げたが、圧痕を成形する金型
一般に適用できる。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、隣り合わ
せの圧痕形状が崩れず、形状の良い圧痕を成形した金型
を容易かつ迅速に製造できる。また、このように成形さ
れた金型を用いることによって、転写率の良い光学素子
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマイクロ光学素子アレイの製造を
説明する図である。

【図２】圧子押圧装置の概略を示す斜視図である。

【図３】ムービングコイル装置３の詳細を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１圧子 ２金型母材 ３ムービングコイル装置 ４ＸＹステージ ５ ステージ駆動回路 ６ ステージ移動量検知回路 ７ ムービングコイル駆動回路 ８ コンピュータ ３６ コイル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧子を金型母材の表面に押圧して複数の
   圧痕を成形する金型の製造方法において、前記圧痕を成
   形する際に同じ位置で前記圧子を数回に渡って前記金型
   母材表面に押圧することを特徴とする金型の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の金型の製造方法におい
   て、前記圧子の押し込み回数をＮとしその時の押し込み
   力をそれぞれＦ１、Ｆ２・・・Ｆｎとする時に Ｆ１＜Ｆ２＜ ・・・ ＜Ｆｎ であることを特徴とする金型の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１で製造された金型の圧痕形状を
   光学部材に転写したことを特徴とする光学素子。