WO2011142372A1 - 金型の切削加工方法 - Google Patents
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23C—MILLING
- B23C3/00—Milling particular work; Special milling operations; Machines therefor
- B23C3/16—Working surfaces curved in two directions
- B23C3/20—Working surfaces curved in two directions for shaping dies
Definitions
- the present invention relates to a die cutting method.
- a mold When manufacturing a resin lens part of a wafer lens, a mold is generally used. A resin is filled between a mold and a glass substrate and cured, and a lens part having a lens shape is formed on the glass substrate. Molding. An alignment mark for alignment is formed on the mold, the shape is transferred to the resin part of the wafer lens transferred from the mold, and the alignment mark is positioned when the wafer lenses are stacked. used.
- the alignment mark is usually formed by cutting a mold, but a so-called “burr” may occur on the processed surface of the alignment mark, and the surface roughness may increase.
- there is a zero-cut process in short, the same process is performed twice on the same part.
- the object to be cut is a sintered layer of metal powder, which is different from the mold, but at the same position to be cut, the cutting depth of the cutting tool (ball end mill) is divided into two stages to remove burrs. Trying to.
- JP 2009-222732 A Japanese Patent Laying-Open No. 2005-154830 (see paragraphs 0019-0023, FIG. 1, etc.)
- a main object of the present invention is to provide a die cutting method capable of sufficiently removing so-called burrs generated when cutting a die.
- the burrs formed by the movement in the first direction can be sufficiently removed.
- FIG. 3A It is a perspective view which shows schematic structure of a concave mold. It is sectional drawing which follows the II line
- FIG. 3A It is a perspective view which shows schematic structure of a cutting device. It is the elements on larger scale of the cutting device of FIG. 3A. It is a perspective view which shows the modification of the cutting device of FIG. 3A. It is the elements on larger scale of the cutting device of FIG. 3C.
- FIG. 6A It is a side view of the cutting blade of FIG. 6A. It is the schematic which shows the manufacturing method of a metal mold
- FIG. 7B is a diagram for explaining a step subsequent to FIG. 7B. It is drawing for demonstrating the process of following FIG. 7C.
- 7D is a diagram for explaining a step subsequent to FIG. 7D. It is drawing for demonstrating the process of following FIG. 7E. It is drawing for demonstrating the mode of a finishing process roughly. It is a top view for demonstrating schematically the aspect of an alignment mark.
- FIG. 11B is a diagram for explaining a step subsequent to FIG. 11B.
- the mold 100 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and a plurality of concave portions 102 (cavities) are formed in an array on the surface.
- the mold 100 is an example of a mold for an array lens, and is particularly suitable for molding a resin lens portion of a wafer lens, or can be used for manufacturing the resin transfer mold.
- the flat portion 104, the inclined portion 106, the flat portion 108, the inclined portion 110, and the flat portion 112 are formed around the concave portion 102. These parts are formed concentrically around the recess 102 in order.
- the optical axis (the optical axis of the optical system molded from the mold 100) is orthogonal to the center of the recess 102.
- the shape of the mold 100 is not limited to a substantially rectangular parallelepiped, but may be a substantially cylindrical shape or a divided circle shape.
- the cutting device 120 ⁇ / b> A has a surface plate 122.
- a stage 124 having an orthogonal axis and a turning axis is provided.
- the stage 124 can move along the X-axis direction and the Z-axis direction, and can rotate along the B-axis direction.
- a spindle 126 is installed on the stage 124.
- the surface plate 122 is provided with a fixture 128 for fixing an object to be cut (work material).
- the spindle 126 and the fixture 128 are disposed to face each other.
- the fixing tool 128 can move in the Y-axis direction, and the spindle 126 and the object to be cut can move relatively.
- the spindle 126 has a built-in spindle motor. As shown in FIG. 3B, a ball end mill 132 is installed on the spindle 130 of the spindle motor. The ball end mill 132 is an example of a cutting tool. The spindle 126 provided with the ball end mill 132 is preferably a spindle having an air bearing in order to process the optical surface with high accuracy.
- the power for rotating the spindle 126 includes a spindle motor system that incorporates a spindle motor and an air turbine system that supplies high-pressure air. As the power, it is desirable to adopt a spindle motor system for high rigidity.
- the cutting device 120B of FIG. 3C may be used instead of the cutting device 120A of FIG. 3A.
- the spindle 126 (ball end mill 132) can also rotate in the A-axis direction and the C-axis direction.
- the rotation axes A, B, and C are orthogonal to each other.
- Other configurations of the cutting device 120B are the same as those of the cutting device 120A (see FIG. 3D).
- the ball end mill is configured so that the normal to the edge contour at an arbitrary point of the tip edge of the ball end mill 132 (such as a cutting edge 134 described later) and the normal to the processing surface are always parallel.
- the posture of 132 can be controlled. As a result, machining can be performed at one point of the tool edge, and the influence of the tool edge contour error on the machining shape can be reduced.
- a cutting blade 134 is brazed and fixed to the tip of the ball end mill 132.
- the cutting blade 134 is a diamond tip made of single crystal diamond.
- the cutting blade 134 has an arc portion 134a and a straight portion 134b.
- the cutting blade 134 has straight portions 134c, 134d, and 134e as shown in FIG. 4B.
- the arc portion 134a and the straight portions 134b to 134e correspond to ridge lines where the planes constituting the cutting blade 134 intersect.
- the cutting blade 134 rotates while drawing a hemispherical locus in conjunction with the rotation (see the two-dot chain line in FIGS. 4A and 4B).
- the contact points of the arc portion 134a and the straight portions 134b, 134c, and 134d are the rotation center portion 134f of the spindle 126, and the rotation center portion 134f does not substantially rotate.
- the cutting blade 134 is disposed on the rotation shaft 250 (rotation center axis) of the ball end mill 132.
- the rotation center portion 134 f is disposed on the rotation shaft 250.
- the cutting blade 136 of FIG. 5 may be used instead of the cutting blade 134 of FIGS. 4A and 4B.
- the cutting blade 136 has straight portions 136a and 136b, an arc portion 136c, and straight portions 136d and 136e. It is bent from the straight line part 136a to the straight line part 136b, and is bent from the straight line part 136b to the straight line part 136d via the arc part 136c.
- the straight portion 136d is bent from the straight portion 136e, and the rotation shaft 250 is arranged at a position intersecting with the straight portion 136e.
- the straight portion 136d is a portion corresponding to a so-called bottom blade, and forms a certain angle ⁇ with the surface having the rotation axis 250 as a normal line.
- the angle ⁇ satisfies the condition of the expression (1), assuming that the angle parallel to the surface having the rotation axis 250 as a normal line is 0 °. -0.9 ° ⁇ ⁇ ⁇ + 0.9 ° (1)
- the relationship between the cutting speed F (mm / min (minutes)) of the cutting blade 136 and the rotational speed S (rpm) of the spindle 126 satisfies the condition of Expression (2). Satisfies.
- the cutting blade 138 of FIGS. 6A and 6B may be used.
- the cutting blade 138 When the cutting blade 138 is viewed in plan, the cutting blade 138 has a straight portion 138a, an arc portion 138b, and a straight portion 138c, as shown in FIG. 6A.
- the rotation shaft 250 is arranged at a position intersecting with the straight line portion 138c.
- the cutting blade 138 When the cutting blade 138 is viewed from the side, the cutting blade 138 has straight portions 138d, 138e, 138f, an arc portion 138g, and a straight portion 138h, as shown in FIG. 6B.
- the mold 100 is generally manufactured through steps (a) to (g).
- the contents shown in FIGS. 7A to 7F correspond to the process contents of the steps (a) to (f).
- a cutting object 140 is prepared and blank processing is performed on a predetermined region.
- D The surface of the cutting target 140 after rough machining is polished and smoothed.
- the surface of the cutting object 140 is planarized to form a reference surface, and an alignment mark 144 is formed on the reference surface.
- the reference plane is a plane that serves as a reference when adjusting the height position with another member.
- the alignment mark 144 is used for alignment with other members, alignment between the molded product of the mold 100 and other members, and the like.
- polishing for smoothing the surface is performed after the steps (e) and (f).
- the cutting object 140 is washed to remove machining wastes, and a SiO 2 film is formed on the surface of the cutting object 140 to apply a release agent.
- the SiO 2 film functions as a base when applying the release agent.
- the formation of the SiO 2 film is performed by any of vapor deposition, CVD, and sputtering. In order to form a SiO 2 film with a uniform film thickness on the surface of the cutting object 140, it is desirable to perform a CVD process.
- the mold release agent facilitates mold release from the mold 100.
- the cutting device 120A is basically used.
- the spindle motor of the spindle 126 is operated to rotate the ball end mill 132 at a high speed.
- the movement of the stage 124 in the X-axis direction and the Z-axis direction and the movement of the fixture 128 in the Y-axis direction are cooperated to rotate the ball end mill 132 with respect to the workpiece 140. That is, the ball end mill 132 is swirled while rotating to finish the surface of the recess 102.
- the ball end mill 132 is swirled in a spiral shape while being rotated while being held in a state parallel to the optical axis.
- a part or the whole of the concave portion 102 and the flat portion 104 is processed by contact.
- a region 150 is a central portion of the recess 102 and includes a region orthogonal to the optical axis.
- a region 152 is a region adjacent to the region 150 around the recess 102.
- the region 154 is a region that is part or all of the flat portion 104 and is adjacent to the region 152.
- the cutting device 120B may be used. Even when the cutting device 120B is used, the spindle motor of the spindle 126 is operated and the ball end mill 132 is rotated at a high speed as shown in FIG. At the same time, the movement of the stage 124 in the X-axis direction and the Z-axis direction and the movement of the fixture 128 in the Y-axis direction are cooperated to rotate the ball end mill 132 with respect to the workpiece 140.
- the ball end mill 132 is swirled so as to be always processed at one point of the tool cutting edge (cutting blades 134 and 136), and the concave portion 102 or the flat portion 104 is thereby rotated. , 108, 112 are finished.
- the cutting devices 120A and 120B are used.
- the cutting blade 134 is replaced with the cutting blade 136 of FIG. ) Process.
- the above cutting blade 136 since it has a special shape, it is possible to form a smooth surface excellent in specularity while suppressing an increase in tool radius and processing time. That is, theoretically generated irregularities can be suppressed to 50 nm or less, and the flat portions 104, 108, 112 can be processed with high accuracy and high efficiency.
- the mirror surface portion such as a lens or a mirror part formed from the concave mold 100 is made highly accurate, or dirt or resin (such as resin transferred from the concave mold 100) on the flat surfaces 104, 108, 112 is attached. Can be reduced.
- a cross-shaped alignment mark 144 (groove) having a constant line width is formed on the flat surface portion 112.
- the intersection of the center lines of the vertical line width and the horizontal line width is used for alignment.
- the cutting blade 136 is replaced with the cutting blade 138 of FIGS. 6A and 6B, and the ball end mill 132 is rotated and moved linearly along the forward direction 146 (solid line portion) of FIG. 9B.
- the ball end mill 132 is moved along the reverse direction 148 (dotted line portion) opposite to the forward direction 146 so as to follow the movement locus in the forward direction 146 while rotating without changing the rotation direction.
- the movement along the forward direction 146 is a down cut, and the movement along the reverse direction 148 is an up cut.
- burrs 162 minute irregularities
- the ball end mill 132 is moved with a space 164 between the tip of the cutting blade 138 and the machining surface 160 (with the cutting blade 138 slightly lifted).
- the interval 164 is preferably about 20 nm.
- the ball end mill 132 is moved in the forward direction 146 and then moved in the reverse direction 148 so as to follow the movement locus thereof, as shown in FIG. 10B.
- the burr 162 can be sufficiently removed (suppressed to 20 nm or less corresponding to the interval 164), and the formation surface (processed surface) of the alignment mark 144 can be processed with high accuracy. As a result, it is possible to reduce the adhesion of the resin, which is a problem in the resin transfer process using the mold 100.
- the mold 200 in a plan view has a larger diameter than the mold 100 (see FIG. 1) and has a wafer shape.
- the mold 200 has a plurality of recesses 102, and the mold 200 has more recesses 102 than the mold 100.
- a plane portion 104, a slope portion 106, a plane portion 108, a slope portion 110, and a plane portion 112 are concentrically formed between the recesses 102.
- the mold 200 is processed by the cutting devices 120 ⁇ / b> A and 120 ⁇ / b> B in the same manner as the mold 100, but the processing range 210 is narrower than the planar area of the mold 200 and is about 1 ⁇ 4 of the mold 200.
- the manufacturing method of the mold 200 is basically the same as the manufacturing method of the mold 100 and is different in the following points. Since the processing range 210 of the cutting devices 120A and 120B is about 1 ⁇ 4 of the mold 200, the mold 200 is divided into four regions 202, 204, 206, and 208 as shown in FIG. The processes of steps (c) to (f) of 7F are repeated four times and repeated for each of the areas 202, 204, 206, and 208.
- the region 202 included in the processing range 210 and the peripheral recess 102 are processed, and one alignment mark 144 is formed in each region 202, 204, 206, 208.
- the mold 200 is rotated by 1 ⁇ 4 with respect to the processing range 210, and the concave portion 102 of the region 204 included in the processing range 210 is processed.
- the alignment mark 144 in the region 204 is aligned with the position of the alignment mark 144 in the region 202, and the mold 200 is positioned when switching from the first time to the second time.
- the mold 200 is further rotated by 1 ⁇ 4 to process the concave portion 102 of the region 206 included in the processing range 210.
- the alignment mark 144 in the region 206 is matched with the position of the alignment mark 144 in the region 202, and the mold 200 is positioned when switching from the second time to the third time.
- the mold 200 is further rotated by 1 ⁇ 4 (the alignment mark 144 in the region 208 is aligned with the position of the alignment mark 144 in the region 202), and the processing range 210 is reached. What is necessary is just to process the recessed part 102 etc. of the area
- the mold 200 is divided into four areas 202, 204, 206, and 208, and the mold 200 is processed while being aligned for each of the areas 202, 204, 206, and 208. Therefore, even if the processing range 210 of the cutting devices 120A and 120B is narrower than the area of the mold 200, the large-diameter size die 200 can be processed by the general-purpose cutting devices 120A and 120B. As a result, there is no need to introduce a large cutting device, and there is no need to consider introduction costs for the cutting device and securing the installation space.
- the mold 200 is processed four times as described above, and the processing time is long, and there is a possibility that the processing accuracy may decrease due to the influence of changes in the environmental temperature. Uses a material with a low coefficient of thermal expansion.
- a shift (position shift) of the alignment mark 144 occurs when switching between the regions 202, 204, 206, and 208, the shift amount is detected, and software control is performed by processing the recess 102 or the like based on the detection result. The error may be corrected by.
- the machining area of the mold 200 is not limited to the four areas 202, 204, 206, and 208, and may be divided into the number of areas corresponding to the machining range 210. In this case, in addition to the alignment mark 144 for positioning used in the second and subsequent processes, the alignment mark 144 for molding may be formed from the first time to the last time.
- the present invention can be suitably used for cutting a mold.
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Abstract
切削工具(132)を回転させながら移動させ金型を切削加工する金型の切削加工方法であって、切削工具(132)を第1の方向(146)に移動させる工程と、切削工具(132)を、第1の方向(146)に沿う移動軌跡を辿るように、第1の方向(146)とは反対の第2の方向(148)に移動させる工程と、を備える。
Description
本発明は金型の切削加工方法に関する。
従来、光学レンズの製造分野においては、ガラス基板に対し硬化性樹脂からなるレンズ部を設けることで、耐熱性の高い光学レンズを得る技術が検討されている(たとえば特許文献1参照)。この技術を適用した光学レンズの製造方法の一例として、ガラス基板の表面に硬化性樹脂からなる光学部材を複数設けたいわゆる「ウエハレンズ」を形成し、その後にレンズ部ごとにガラス基板をカットする方法が用いられている。
ウエハレンズの樹脂製レンズ部を製造する場合、一般的には金型が使用され、金型とガラス基板との間に樹脂を充填して硬化させ、ガラス基板上にレンズ形状を有するレンズ部を成形している。金型には位置合わせ用のアライメントマークが形成されており、金型から転写されるウエハレンズの樹脂部分にその形状が転写され、そしてウエハレンズ同士を積層する際などにそのアライメントマークが位置決めに使用される。
この場合に、アライメントマークは通常、金型を切削加工することで形成されるが、アライメントマークの加工面にいわゆる「バリ」が発生し、表面粗さが大きくなることがある。この状態でレンズ部の樹脂成形をおこなうと、離型時において樹脂が金型(アライメントマークの加工面)に付着するという事態が発生しやすい。これに対しては、切削加工における表面粗さ向上をおこなうための技術として、ゼロカット加工(端的にいえば同一箇所を2度にわたり同じ加工をすること)がある。たとえば、特許文献2では、切削対象物が金属粉末の焼結層で金型とは異なるが、同じ切削対象位置において、切削工具(ボールエンドミル)の切削深さを2段階に分けてバリを除去しようとしている。
しかしながら、特許文献2の技術のように切削工具の切削深さを変動させたとしても、切削工具の送り方向(移動方向)が一定であれば、その方向と同じ方向に沿って形成されたバリに対しては切削工具が滑ってしまい、バリを十分に除去できない可能性がある。
したがって、本発明の主な目的は、金型を切削加工する際に発生するいわゆるバリを十分に除去することができる金型の切削加工方法を提供することにある。
したがって、本発明の主な目的は、金型を切削加工する際に発生するいわゆるバリを十分に除去することができる金型の切削加工方法を提供することにある。
上記課題を解決するため本発明によれば、
切削工具を回転させながら移動させ金型を切削加工する金型の切削加工方法であって、
前記切削工具を第1の方向に移動させる工程と、
前記切削工具を、前記第1の方向に沿う移動軌跡を辿るように、前記第1の方向とは反対の第2の方向に移動させる工程と、
を備えることを特徴とする金型の切削加工方法が提供される。
切削工具を回転させながら移動させ金型を切削加工する金型の切削加工方法であって、
前記切削工具を第1の方向に移動させる工程と、
前記切削工具を、前記第1の方向に沿う移動軌跡を辿るように、前記第1の方向とは反対の第2の方向に移動させる工程と、
を備えることを特徴とする金型の切削加工方法が提供される。
本発明によれば、切削工具を、第1の方向に移動させ、それとは反対の第2の方向に移動させるから、第1の方向の移動で形成されたバリを十分に除去することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。
[金型(母型)]
図1に示すとおり、金型100は略直方体状を呈しており、表面に複数の凹部102(キャビティ)がアレイ状に形成されている。金型100はアレイレンズ用金型の一例であり、特にウエハレンズの樹脂製レンズ部を成形するのに好適に使用され、またはその樹脂製転写型を製造する場合にも使用可能である。
図1に示すとおり、金型100は略直方体状を呈しており、表面に複数の凹部102(キャビティ)がアレイ状に形成されている。金型100はアレイレンズ用金型の一例であり、特にウエハレンズの樹脂製レンズ部を成形するのに好適に使用され、またはその樹脂製転写型を製造する場合にも使用可能である。
凹部102が形成された1ブロックを詳しく断面視すると、図2に示すとおり、凹部102の周辺には平面部104、斜面部106、平面部108、斜面部110、平面部112が形成されており、凹部102を中心として同心円状にこれらの部位が順に形成されている。凹部102の中心部には光軸(金型100から成形される光学系の光軸)が直交するようになっている。
金型100の形状は略直方体に限らず、略円柱状や分割円状を呈してもよい。
金型100の形状は略直方体に限らず、略円柱状や分割円状を呈してもよい。
[切削装置]
図3Aに示すとおり、切削装置120Aは定盤122を有している。定盤122上には、直交軸および旋回軸を有するステージ124が設けられている。ステージ124はX軸方向,Z軸方向に沿って移動可能であるとともに、B軸方向に沿って回動可能となっている。ステージ124上にはスピンドル126が設置されている。定盤122には切削対象物(ワーク材)を固定するための固定具128が設けられている。定盤122上では、スピンドル126と固定具128とが対向配置されている。固定具128はY軸方向に移動可能となっており、スピンドル126と切削対象物とが相対的に移動できるようになっている。
図3Aに示すとおり、切削装置120Aは定盤122を有している。定盤122上には、直交軸および旋回軸を有するステージ124が設けられている。ステージ124はX軸方向,Z軸方向に沿って移動可能であるとともに、B軸方向に沿って回動可能となっている。ステージ124上にはスピンドル126が設置されている。定盤122には切削対象物(ワーク材)を固定するための固定具128が設けられている。定盤122上では、スピンドル126と固定具128とが対向配置されている。固定具128はY軸方向に移動可能となっており、スピンドル126と切削対象物とが相対的に移動できるようになっている。
スピンドル126はスピンドルモータを内蔵している。図3Bに示すとおり、スピンドルモータの主軸130にはボールエンドミル132が設置されている。ボールエンドミル132は切削工具の一例である。
ボールエンドミル132が設置されたスピンドル126は、光学面を高精度に加工するため、エアベアリングを有するスピンドルであることが望ましい。スピンドル126を回転させる動力には、スピンドルモータを内蔵するスピンドルモータ方式と、高圧エアを供給するエアタービン方式とがある。当該動力としては、高剛性化のため、スピンドルモータ方式を採用するのが望ましい。
ボールエンドミル132が設置されたスピンドル126は、光学面を高精度に加工するため、エアベアリングを有するスピンドルであることが望ましい。スピンドル126を回転させる動力には、スピンドルモータを内蔵するスピンドルモータ方式と、高圧エアを供給するエアタービン方式とがある。当該動力としては、高剛性化のため、スピンドルモータ方式を採用するのが望ましい。
なお、図3Aの切削装置120Aに代えて、図3Cの切削装置120Bが用いられてもよい。
図3Cに示すとおり、切削装置120Bは、スピンドル126(ボールエンドミル132)がA軸方向,C軸方向にも回動可能である。A軸,B軸,C軸の各回転軸は互いに直交している。切削装置120Bのこれ以外の構成は、切削装置120Aと同様である(図3D参照)。
切削装置120Bによれば、ボールエンドミル132の先端刃先(後述の切削刃134など)の任意点における刃先輪郭線との法線と、加工面の法線とが常に平行になるように、ボールエンドミル132の姿勢を制御することができる。その結果、工具刃先の1点で加工することができ、加工形状に対する工具刃先輪郭誤差の影響を小さくすることができる。
図3Cに示すとおり、切削装置120Bは、スピンドル126(ボールエンドミル132)がA軸方向,C軸方向にも回動可能である。A軸,B軸,C軸の各回転軸は互いに直交している。切削装置120Bのこれ以外の構成は、切削装置120Aと同様である(図3D参照)。
切削装置120Bによれば、ボールエンドミル132の先端刃先(後述の切削刃134など)の任意点における刃先輪郭線との法線と、加工面の法線とが常に平行になるように、ボールエンドミル132の姿勢を制御することができる。その結果、工具刃先の1点で加工することができ、加工形状に対する工具刃先輪郭誤差の影響を小さくすることができる。
図4A,図4Bに示すとおり、ボールエンドミル132の先端部には切削刃134がロウ付けされ固定されている。切削刃134は単結晶ダイヤモンドで構成されたダイヤモンドチップである。
切削刃134を平面視すると、図4Aに示すとおり、切削刃134は円弧部134aと直線部134bとを有している。切削刃134を側面視すると、図4Bに示すとおり、切削刃134は直線部134c,134d,134eを有している。円弧部134a,直線部134b~134eは切削刃134を構成する各平面が交わる稜線に相当する。
切削刃134を平面視すると、図4Aに示すとおり、切削刃134は円弧部134aと直線部134bとを有している。切削刃134を側面視すると、図4Bに示すとおり、切削刃134は直線部134c,134d,134eを有している。円弧部134a,直線部134b~134eは切削刃134を構成する各平面が交わる稜線に相当する。
スピンドル126では、スピンドルモータが回転すると、これに連動して切削刃134が半球状の軌跡を描きながら回転するようになっている(図4A,図4B中2点鎖線参照)。この場合、円弧部134a,直線部134b,134c,134dの接点がスピンドル126の回転中心部134fとなっており、回転中心部134fは実質的に回転しない。
図4A,図4Bに示すとおり、切削刃134はボールエンドミル132の回転軸250(回転中心軸)上に配置されている。切削刃134のなかでも、回転中心部134fが回転軸250上に配置されている。
図4A,図4Bの切削刃134に代えて、図5の切削刃136が用いられてもよい。
図5に示すとおり、切削刃136は直線部136a,136b,円弧部136c,直線部136d,136eを有している。直線部136aから直線部136bにかけて屈曲しており、直線部136bから直線部136dにかけて円弧部136cを介して湾曲している。直線部136dから直線部136eにかけては屈曲しており、直線部136eと交差する位置に回転軸250が配置されるようになっている。
直線部136dはいわゆる底刃に対応する部位であり、回転軸250を法線とする面との間で一定の角度θをなしている。角度θは、回転軸250を法線とする面と平行な角度を0°として、式(1)の条件を満たしている。
-0.9°≦θ≦+0.9° … (1)
切削刃136が切削加工に使用される場合は、切削刃136の切削速度F(mm/min(分))とスピンドル126の回転数S(rpm)との関係が、式(2)の条件を満たしている。
S>(F/0.00005)×|tanθ| … (2)
直線部136dの幅W1と、回転半径(回転軸250から直線部136dの末端までの距離)の幅W2との関係が、式(3)の条件を満たしている。
W2-W1≧1μm … (3)
図5に示すとおり、切削刃136は直線部136a,136b,円弧部136c,直線部136d,136eを有している。直線部136aから直線部136bにかけて屈曲しており、直線部136bから直線部136dにかけて円弧部136cを介して湾曲している。直線部136dから直線部136eにかけては屈曲しており、直線部136eと交差する位置に回転軸250が配置されるようになっている。
直線部136dはいわゆる底刃に対応する部位であり、回転軸250を法線とする面との間で一定の角度θをなしている。角度θは、回転軸250を法線とする面と平行な角度を0°として、式(1)の条件を満たしている。
-0.9°≦θ≦+0.9° … (1)
切削刃136が切削加工に使用される場合は、切削刃136の切削速度F(mm/min(分))とスピンドル126の回転数S(rpm)との関係が、式(2)の条件を満たしている。
S>(F/0.00005)×|tanθ| … (2)
直線部136dの幅W1と、回転半径(回転軸250から直線部136dの末端までの距離)の幅W2との関係が、式(3)の条件を満たしている。
W2-W1≧1μm … (3)
図4A,図4Bの切削刃134に代えて、図6A,図6Bの切削刃138が用いられてもよい。
切削刃138を平面視すると、図6Aに示すとおり、切削刃138は直線部138a,円弧部138b,直線部138cを有している。直線部138cと交差する位置に回転軸250が配置されるようになっている。切削刃138を側面視すると、図6Bに示すとおり、切削刃138は直線部138d,138e,138f,円弧部138g,直線部138hを有している。
切削刃138を平面視すると、図6Aに示すとおり、切削刃138は直線部138a,円弧部138b,直線部138cを有している。直線部138cと交差する位置に回転軸250が配置されるようになっている。切削刃138を側面視すると、図6Bに示すとおり、切削刃138は直線部138d,138e,138f,円弧部138g,直線部138hを有している。
[金型の製造方法]
図7A~図7Fに示すとおり、金型100は大きくは(a)~(g)の工程を経て製造される。
図7A~図7Fが示す内容は、(a)~(f)の工程の処理内容に対応している。
(a)切削対象物140を準備して所定領域にブランク加工を施す。
(b)切削対象物140の所定領域に無電解ニッケルリンメッキ処理を施し、メッキ層142を形成する。
(c)汎用のマシニングセンタを用いて切削対象物140の表面(メッキ層142)を粗加工し、凹部102などの原形(凹凸形状)を形成する。
(d)粗加工後の切削対象物140の表面を研磨して滑らかにする。
(e)ダイヤモンド切削刃を用いて凹部102などを仕上げ加工する。
(f)切削対象物140の表面を平面加工して基準面を形成し、その基準面に対しアライメントマーク144を形成する。
基準面は他の部材との間で高さ位置を調整する際に基準となる面である。
アライメントマーク144は他の部材との位置合わせや、金型100の成形物とその他の部材との位置合わせなどに使用される。
加工面(基準面)の表面状態によっては、(e),(f)の工程の後に、表面を滑らかにする研磨を行う。
(g)切削対象物140を洗浄して加工屑などを除去し、切削対象物140の表面にSiO2膜を形成して離型剤を塗布する。
SiO2膜は離型剤を塗布する際の下地として機能する。SiO2膜の形成は蒸着,CVD,スパッタのいずれかの処理でおこなう。切削対象物140の表面にSiO2膜を均一な膜厚で形成するには、CVD処理をおこなうのが望ましい。
離型剤は金型100から成形物の離型を容易にするものである。
図7A~図7Fに示すとおり、金型100は大きくは(a)~(g)の工程を経て製造される。
図7A~図7Fが示す内容は、(a)~(f)の工程の処理内容に対応している。
(a)切削対象物140を準備して所定領域にブランク加工を施す。
(b)切削対象物140の所定領域に無電解ニッケルリンメッキ処理を施し、メッキ層142を形成する。
(c)汎用のマシニングセンタを用いて切削対象物140の表面(メッキ層142)を粗加工し、凹部102などの原形(凹凸形状)を形成する。
(d)粗加工後の切削対象物140の表面を研磨して滑らかにする。
(e)ダイヤモンド切削刃を用いて凹部102などを仕上げ加工する。
(f)切削対象物140の表面を平面加工して基準面を形成し、その基準面に対しアライメントマーク144を形成する。
基準面は他の部材との間で高さ位置を調整する際に基準となる面である。
アライメントマーク144は他の部材との位置合わせや、金型100の成形物とその他の部材との位置合わせなどに使用される。
加工面(基準面)の表面状態によっては、(e),(f)の工程の後に、表面を滑らかにする研磨を行う。
(g)切削対象物140を洗浄して加工屑などを除去し、切削対象物140の表面にSiO2膜を形成して離型剤を塗布する。
SiO2膜は離型剤を塗布する際の下地として機能する。SiO2膜の形成は蒸着,CVD,スパッタのいずれかの処理でおこなう。切削対象物140の表面にSiO2膜を均一な膜厚で形成するには、CVD処理をおこなうのが望ましい。
離型剤は金型100から成形物の離型を容易にするものである。
(e)の工程では、基本的に切削装置120Aを使用する。
図3Bに示すとおり、スピンドル126のスピンドルモータを作動させ、ボールエンドミル132を高速で回転させる。併せて、ステージ124のX軸方向,Z軸方向の移動と固定具128のY軸方向の移動とを協働させ、切削対象物140に対しボールエンドミル132を旋回させる。すなわち、ボールエンドミル132を回転させながら渦巻状に旋回させ、凹部102の表面を仕上げ加工する。
図3Bに示すとおり、スピンドル126のスピンドルモータを作動させ、ボールエンドミル132を高速で回転させる。併せて、ステージ124のX軸方向,Z軸方向の移動と固定具128のY軸方向の移動とを協働させ、切削対象物140に対しボールエンドミル132を旋回させる。すなわち、ボールエンドミル132を回転させながら渦巻状に旋回させ、凹部102の表面を仕上げ加工する。
この場合、図8に示すとおり、最も外側の領域154から領域152を経て中央の領域150にかけて、ボールエンドミル132を、光軸に平行な状態に保持した状態で、回転させながら渦巻状に旋回・当接させ、凹部102と平面部104の一部または全部を加工する。
領域150は凹部102の中央部であって光軸と直交する領域を含む。
領域152は凹部102の周辺部であって領域150に隣接する領域である。
領域154は平面部104の一部または全部であって領域152と隣り合う領域である。
領域150は凹部102の中央部であって光軸と直交する領域を含む。
領域152は凹部102の周辺部であって領域150に隣接する領域である。
領域154は平面部104の一部または全部であって領域152と隣り合う領域である。
なお、(e)の工程では、切削装置120Bを使用してもよい。
切削装置120Bを使用した場合も、切削装置120Aを使用した場合と同様に、図3Dに示すとおり、スピンドル126のスピンドルモータを作動させ、ボールエンドミル132を高速で回転させる。併せて、ステージ124のX軸方向,Z軸方向の移動と固定具128のY軸方向の移動とを協働させ、切削対象物140に対しボールエンドミル132を旋回させる。
このとき、ボールエンドミル132を、A軸,C軸方向にも回動させながら、工具刃先(切削刃134,136)の一点で常に加工するように渦巻状に旋回させ、凹部102や平面部104,108,112の表面を仕上げ加工する。
切削装置120Bを使用した場合も、切削装置120Aを使用した場合と同様に、図3Dに示すとおり、スピンドル126のスピンドルモータを作動させ、ボールエンドミル132を高速で回転させる。併せて、ステージ124のX軸方向,Z軸方向の移動と固定具128のY軸方向の移動とを協働させ、切削対象物140に対しボールエンドミル132を旋回させる。
このとき、ボールエンドミル132を、A軸,C軸方向にも回動させながら、工具刃先(切削刃134,136)の一点で常に加工するように渦巻状に旋回させ、凹部102や平面部104,108,112の表面を仕上げ加工する。
(f)の工程でも、切削装置120A,120Bを使用する。
この場合、切削刃134を図5の切削刃136に代え、ボールエンドミル132を回転させながら旋回させ、平面部104(仕上げ加工した領域を除く残りの領域),108,112の表面を平面(平滑)加工する。
以上の切削刃136によれば、特殊な形状を有するから、工具半径や加工時間の増大を抑えながら、鏡面性に優れた平滑面を形成することができる。すなわち、理論上発生する凹凸を50nm以下に抑えることが可能であり、平面部104,108,112を高精度・高効率に加工することができる。その結果、凹状金型100から形成されるレンズやミラー部品などの鏡面部分を高精度化したり、平面部104,108,112における汚れや樹脂(凹状金型100から転写される樹脂など)の付着を低減したりすることができる。
この場合、切削刃134を図5の切削刃136に代え、ボールエンドミル132を回転させながら旋回させ、平面部104(仕上げ加工した領域を除く残りの領域),108,112の表面を平面(平滑)加工する。
以上の切削刃136によれば、特殊な形状を有するから、工具半径や加工時間の増大を抑えながら、鏡面性に優れた平滑面を形成することができる。すなわち、理論上発生する凹凸を50nm以下に抑えることが可能であり、平面部104,108,112を高精度・高効率に加工することができる。その結果、凹状金型100から形成されるレンズやミラー部品などの鏡面部分を高精度化したり、平面部104,108,112における汚れや樹脂(凹状金型100から転写される樹脂など)の付着を低減したりすることができる。
その後、平面部112に対し、図9Aに示すとおり、一定の線幅を有する十字状のアライメントマーク144(溝)を形成する。アライメントマーク144は、縦の線幅と横の線幅との各中心線の交点が位置合わせに使用される。
アライメントマーク144を形成する場合、切削刃136を図6A,図6Bの切削刃138に代え、ボールエンドミル132を回転させながら、図9Bの順方向146(実線部)に沿って直線的に移動させる。その後、ボールエンドミル132を、回転方向を変えずに回転させながら、順方向146の移動軌跡を辿るように、順方向146と反対の逆方向148(点線部)に沿って移動させる。
順方向146に沿う移動ではダウンカットとし、逆方向148に沿う移動ではアップカットとする。
アライメントマーク144を形成する場合、切削刃136を図6A,図6Bの切削刃138に代え、ボールエンドミル132を回転させながら、図9Bの順方向146(実線部)に沿って直線的に移動させる。その後、ボールエンドミル132を、回転方向を変えずに回転させながら、順方向146の移動軌跡を辿るように、順方向146と反対の逆方向148(点線部)に沿って移動させる。
順方向146に沿う移動ではダウンカットとし、逆方向148に沿う移動ではアップカットとする。
ボールエンドミル132を順方向146にのみ移動させると、図9Cに示すとおり、ボールエンドミル132の順方向146への移動で形成された加工面160には微小な凹凸(いわゆるバリ162)が形成されるため、ここでは逆方向148にも移動させバリ162を除去する。
この場合、切削刃138の先端部と加工面160との間に間隔164をあけた状態で(切削刃138を少し浮かせた状態で)ボールエンドミル132を移動させる。間隔164として好ましくは20nm程度確保する。
この場合、切削刃138の先端部と加工面160との間に間隔164をあけた状態で(切削刃138を少し浮かせた状態で)ボールエンドミル132を移動させる。間隔164として好ましくは20nm程度確保する。
アライメントマーク144を実際に形成した場合の顕微鏡写真をみると、ボールエンドミル132を順方向146にのみ移動させた場合は、図10Aに示すとおり、アライメントマーク144の側縁部にバリ162が形成されているのがわかる。これに対し、ボールエンドミル132を逆方向148にも移動させた場合には、図10Bに示すとおり、バリ162が十分に除去されているのが確認できる。
以上のアライメントマーク144を形成するための切削加工方法によれば、ボールエンドミル132を順方向146に移動させた後に、その移動軌跡を辿るように逆方向148に移動させるから、図10Bに示すとおり、バリ162を十分に除去する(間隔164に対応した20nm以下に抑える)ことができ、アライメントマーク144の形成面(加工面)を高精度に加工することができる。その結果、金型100を用いた樹脂の転写工程において問題となる樹脂の付着を低減することができる。
[大径金型]
図11Aに示すとおり、平面視した場合の金型200は金型100(図1参照)より大径であり、ウエハ状を呈している。金型200には複数の凹部102が形成されており、金型200は凹部102の数が金型100より多い。
なお、金型100と同様に、凹部102間には平面部104、斜面部106、平面部108、斜面部110、平面部112が同心円状に形成されている。
金型200の中央部には凹部102が形成されていない4つの領域があり、当該領域にはアライメントマーク144が1つずつ形成されている。
金型200は金型100と同様に切削装置120A,120Bにより加工されるが、その加工範囲210は金型200の平面面積より狭く、金型200の1/4程度となっている。
図11Aに示すとおり、平面視した場合の金型200は金型100(図1参照)より大径であり、ウエハ状を呈している。金型200には複数の凹部102が形成されており、金型200は凹部102の数が金型100より多い。
なお、金型100と同様に、凹部102間には平面部104、斜面部106、平面部108、斜面部110、平面部112が同心円状に形成されている。
金型200の中央部には凹部102が形成されていない4つの領域があり、当該領域にはアライメントマーク144が1つずつ形成されている。
金型200は金型100と同様に切削装置120A,120Bにより加工されるが、その加工範囲210は金型200の平面面積より狭く、金型200の1/4程度となっている。
[大径金型の製造方法]
金型200の製造方法は基本的には金型100の製造方法と同じであり、下記の点で異なっている。
切削装置120A,120Bの加工範囲210が金型200の1/4程度であるため、図11Aに示すとおり、金型200を4つの領域202,204,206,208に分割し、図7C~図7Fの(c)~(f)の工程の処理を4回に分けて各領域202,204,206,208ごとに繰り返しおこなう。
金型200の製造方法は基本的には金型100の製造方法と同じであり、下記の点で異なっている。
切削装置120A,120Bの加工範囲210が金型200の1/4程度であるため、図11Aに示すとおり、金型200を4つの領域202,204,206,208に分割し、図7C~図7Fの(c)~(f)の工程の処理を4回に分けて各領域202,204,206,208ごとに繰り返しおこなう。
1回目では、図11Aに示すとおり、加工範囲210に包含される領域202とその周辺の凹部102などの加工をおこなうとともに、各領域202,204,206,208に1つずつアライメントマーク144を形成する。
2回目では、図11Bに示すとおり、加工範囲210に対し金型200を1/4回転させ、加工範囲210に包含される領域204の凹部102などの加工をおこなう。
この場合、領域204のアライメントマーク144を領域202のアライメントマーク144の位置に合致させ、1回目から2回目に切り替わる際の金型200の位置決めをおこなう。
2回目では、図11Bに示すとおり、加工範囲210に対し金型200を1/4回転させ、加工範囲210に包含される領域204の凹部102などの加工をおこなう。
この場合、領域204のアライメントマーク144を領域202のアライメントマーク144の位置に合致させ、1回目から2回目に切り替わる際の金型200の位置決めをおこなう。
3回目では、図11Cに示すとおり、金型200をさらに1/4回転させ、加工範囲210に包含される領域206の凹部102などの加工をおこなう。
この場合も、領域206のアライメントマーク144を領域202のアライメントマーク144の位置に合致させ、2回目から3回目に切り替わる際の金型200の位置決めをおこなう。
最後の4回目でも、2回目,3回目と同様に、金型200をさらに1/4回転させ(領域208のアライメントマーク144を領域202のアライメントマーク144の位置に合致させ)、加工範囲210に包含される領域208の凹部102などの加工をおこなえばよい。
この場合も、領域206のアライメントマーク144を領域202のアライメントマーク144の位置に合致させ、2回目から3回目に切り替わる際の金型200の位置決めをおこなう。
最後の4回目でも、2回目,3回目と同様に、金型200をさらに1/4回転させ(領域208のアライメントマーク144を領域202のアライメントマーク144の位置に合致させ)、加工範囲210に包含される領域208の凹部102などの加工をおこなえばよい。
以上の金型200の製造方法によれば、金型200を4つの領域202,204,206,208に分割して領域202,204,206,208ごとに位置合わせしながら金型200を加工するから、切削装置120A,120Bの加工範囲210が金型200の面積より狭くても、汎用の切削装置120A,120Bで大径サイズの金型200を加工することができる。その結果、大型の切削装置を導入する必要もなくなり、切削装置にかかる導入コストやその設置スペースの確保を考慮する必要がなくなる。
なお、金型200の加工は上記のとおり4回にわけておこなわれその加工時間が長く、環境温度の変化の影響を受け加工精度が低下する可能性があるため、金型200の素材として好ましくは低熱膨張係数の材料を使用する。
領域202,204,206,208を切り替える際にアライメントマーク144のズレ(位置ズレ)が発生した場合には、そのズレ量を検出してその検出結果に基づき、凹部102などの加工でソフトウエア制御による誤差補正をしてもよい。
金型200の加工領域は領域202,204,206,208の4つに限らず、加工範囲210に応じた領域数に分割してもよい。
この場合、2回目以降の処理で使用する位置決め用のアライメントマーク144の他に、1回目から最終回までの間に成形用のアライメントマーク144を形成してもよい。
領域202,204,206,208を切り替える際にアライメントマーク144のズレ(位置ズレ)が発生した場合には、そのズレ量を検出してその検出結果に基づき、凹部102などの加工でソフトウエア制御による誤差補正をしてもよい。
金型200の加工領域は領域202,204,206,208の4つに限らず、加工範囲210に応じた領域数に分割してもよい。
この場合、2回目以降の処理で使用する位置決め用のアライメントマーク144の他に、1回目から最終回までの間に成形用のアライメントマーク144を形成してもよい。
本発明は金型の切削加工に好適に利用することができる。
100 金型
102 凹部(キャビティ)
104 平面部
106 斜面部
108 平面部
110 斜面部
112 平面部
120A,120B 切削装置
122 定盤
124 ステージ
126 スピンドル
128 固定具
130 (スピンドルモータの)主軸
132 ボールエンドミル
134 切削刃
134a 円弧部
134b 直線部
134c,134d,134e 直線部
134f 回転中心部
136 切削刃
136a,136b 直線部
136c 円弧部
136d,136e 直線部
138 切削刃
138a 直線部
138b 円弧部
138c 直線部
138d,138e,138f 直線部
138g 円弧部
138h 直線部
140 切削対象物
142 メッキ層
144 アライメントマーク
146 順方向
148 逆方向
150,152,154 領域
160 加工面
162 バリ
164 間隔
200 金型
202,204,206,208 領域
210 切削加工範囲
102 凹部(キャビティ)
104 平面部
106 斜面部
108 平面部
110 斜面部
112 平面部
120A,120B 切削装置
122 定盤
124 ステージ
126 スピンドル
128 固定具
130 (スピンドルモータの)主軸
132 ボールエンドミル
134 切削刃
134a 円弧部
134b 直線部
134c,134d,134e 直線部
134f 回転中心部
136 切削刃
136a,136b 直線部
136c 円弧部
136d,136e 直線部
138 切削刃
138a 直線部
138b 円弧部
138c 直線部
138d,138e,138f 直線部
138g 円弧部
138h 直線部
140 切削対象物
142 メッキ層
144 アライメントマーク
146 順方向
148 逆方向
150,152,154 領域
160 加工面
162 バリ
164 間隔
200 金型
202,204,206,208 領域
210 切削加工範囲
Claims (6)
- 切削工具を回転させながら移動させ金型を切削加工する金型の切削加工方法であって、
前記切削工具を第1の方向に移動させる工程と、
前記切削工具を、前記第1の方向に沿う移動軌跡を辿るように、前記第1の方向とは反対の第2の方向に移動させる工程と、
を備えることを特徴とする金型の切削加工方法。 - 請求項1に記載の金型の切削加工方法において、
前記切削工具を前記第2の方向に移動させる工程では、
前記切削工具を、前記第1の方向に沿う移動で形成された加工面に対し、間隔をあけた状態で移動させることを特徴とする金型の切削加工方法。 - 請求項1または2に記載の金型の切削加工方法において、
前記金型は光学レンズに位置合わせ用のアライメントマークを転写するためのものであることを特徴とする金型の切削加工方法。 - 請求項1~3のいずれか一項に記載の金型の切削加工方法において、
前記切削工具を回転させながら直線的に移動させることにより前記金型を切削加工することを特徴とする金型の切削加工方法。 - 請求項4に記載の金型の切削加工方法において、
前記切削工具を前記第1の方向に移動させる工程ではダウンカットとし、
前記切削工具を前記第2の方向に移動させる工程ではアップカットとすることを特徴とする金型の切削加工方法。 - 請求項2に記載の金型の切削加工方法において、
前記間隔が20nmであることを特徴とする金型の切削加工方法。
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