JP4930774B2 - Manufacturing method of optical element manufacturing mold and optical element manufacturing method - Google Patents
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Description
この発明は光学素子製造用金型の製造方法及び光学素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a mold for manufacturing an optical element and a method for manufacturing an optical element.
マイクロ光学素子(微小な凸レンズ、凹レンズ、プリズム等)を多数配列してなるマイクロ光学素子アレイを製造する方法として、成形面(キャビティ面)に凹凸が交互に連続する形状を有するマイクロ光学素子アレイの反転形状を有する金型を用いて、射出成形、圧縮成形、注型成形等により樹脂を成形する方法が知られている。金型の成形面の加工法の代表的なものとしては、切削加工法や圧痕加工法等がある。 As a method of manufacturing a micro optical element array in which a large number of micro optical elements (micro convex lenses, concave lenses, prisms, etc.) are arranged, a micro optical element array having a shape in which irregularities are alternately continued on a molding surface (cavity surface) A method is known in which a resin is molded by injection molding, compression molding, cast molding, or the like using a mold having an inverted shape. Typical examples of the processing method of the molding surface of the mold include a cutting method and an indentation method.
しかし、切削加工法では一度に1つのマイクロ光学素子に対応する反転形状しか加工できず、アレイ状のものを形成するには膨大な時間を要するため、圧痕加工が多用されている。 However, in the cutting method, only inversion shapes corresponding to one micro optical element can be processed at a time, and an enormous amount of time is required to form an array, and therefore indentation processing is frequently used.
特開平11−142609号公報には、成形面に対して圧子を所定の圧力で押圧して所定の間隔で多数の圧痕を形成する圧痕加工法が開示されている。
しかし、上記圧痕加工法では、先に成形された圧痕はその隣りに圧痕を形成するときの圧子によって変形するため、圧痕加工法によって凹凸が交互に連続する形状を成形面に精度良く形成することは難しかった。 However, in the above indentation processing method, the indentation previously formed is deformed by the indenter when forming the indentation next to the indentation. Was difficult.
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は圧痕加工法によって凹凸が交互に連続する形状を精度良く形成することができるようにすることである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to make it possible to accurately form a shape in which irregularities are alternately continued by an indentation processing method.
上記課題を解決するため請求項1記載の発明は、金型製造用金型母材に成形面を形成し、その成形面に圧痕加工して複数の凹部を作成する第1工程と、前記第1工程で作成された金型製造用金型を用いて、光学素子製造用金型母材を作成する第2工程と、前記第2工程で作成された前記光学素子製造用金型母材の成形面であって、前記第1工程で作成された金型製造用金型の前記複数の凹部に対応する複数の凸部間に位置する複数の平面部に、圧痕加工して光学素子の反転形状を形成する第3工程とを含むことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の光学素子製造用金型の製造方法において、前記第2工程が電鋳法によって実施されることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a mold for manufacturing an optical element according to the first aspect, the second step is performed by an electroforming method.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2記載の光学素子製造用金型の製造方法において、前記第1工程において、前記金型製造用金型母材の成形面に圧痕加工する前に、その成形面を鏡面研磨加工することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing a mold for manufacturing an optical element according to the first or second aspect, in the first step, before the molding surface of the mold base material for the mold manufacturing is indented. Further, the molding surface is mirror-polished.
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項記載の光学素子製造用金型の製造方法によって製造された光学素子製造用金型を用いて光学材料に前記光学素子製造用金型の成形面の形状を転写することを特徴とする光学素子の製造方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an optical material manufacturing method using the optical element manufacturing mold manufactured by the optical element manufacturing mold manufacturing method according to any one of the first to third aspects. It is a manufacturing method of the optical element characterized by transferring the shape of the molding surface of the metal mold.
この発明によれば、圧痕加工法によって凹凸が交互に連続する形状を精度良く形成することができる。 According to this invention, it is possible to accurately form a shape in which irregularities are alternately continued by an indentation processing method.
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1はこの発明の第1実施形態に係る製造方法によって製造された光学素子製造用金型を示す斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view showing an optical element manufacturing mold manufactured by the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
この光学素子製造用金型1は図示しないマイクロプリズムアレイを製造するためのものである。
This optical
光学素子製造用金型1の成形面1aには、マイクロプリズムアレイの反転形状が形成されている。なお、凸部1bのピッチは0.1mmであり、その凸部1bの高さは0.03mmである。
A reverse surface of the microprism array is formed on the
なお、図1には図示されていないが、成形面1aにはマイクロプリズムアレイの反転形状以外に多数のマイクロ光学素子(例えば凸レンズ、凹レンズ等)の反転形状が圧痕加工法によって形成される。
Although not shown in FIG. 1, in addition to the inverted shape of the microprism array, inverted shapes of a number of micro optical elements (for example, convex lenses, concave lenses, etc.) are formed on the
光学素子製造用金型1は圧痕加工機を使用して製造される。圧痕加工機はビッカース硬度計(松沢精機、MV−1S)を改造したものを用いた。
The optical
次に、この発明の第1実施形態に係る光学素子製造用金型の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing an optical element manufacturing mold according to the first embodiment of the present invention will be described.
図2は第1工程を説明するための断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the first step.
図2(a)は圧子5を母材(金型製造用金型母材)2の成形面2aに押圧してマイクロプリズムアレイの反転形状を形成している途中の状態、図2(b)はプリズムアレイの反転形状が形成された後の状態をそれぞれ示す。
FIG. 2A shows a state in the middle of forming the inverted shape of the microprism array by pressing the
母材2の成形面2aは圧痕加工の前に金属研磨されて鏡面状態に仕上げられている。母材2の材料としては、結晶質の材料であるマルテンサイト系ステンレスが用いられる。マルテンサイト系ステンレスは高強度、高硬度という特性を有する。なお、マルテンサイト系ステンレスに代えて真鍮、ニッケル等を用いてもよい。
The
圧子5はくさび形状の先端部を有するダイヤモンドチップからなる圧子である。
The
母材2の成形面2aに圧子5の先端を当てて押圧して凹部2bを形成する(図2(a))。圧子5の押込み深さは、先に形成された圧痕がその隣りに圧痕を形成するときの圧子によって変形しないように設定される。例えば、予め母材2に用いる材料と同じ材料のテストピースを使って試し打ちを行い、所定の押込み深さを得るのに必要な供給電力を確認しておく(供給電力は母材2の硬さ、母材2に加える荷重によって決まる)。
The tip of the
以下、母材2をX軸及びY軸方向(図1参照)へ所定距離ずつ移動させて成形面2aに所定数の凹部2bを形成することによって金型製造用金型2Aが完成する(図2(b)参照)。
Thereafter, the
図3は第2工程を説明するための断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the second step.
図3(a)は電鋳の前、図3(b)は電鋳の途中、図3(c)は電鋳の後をそれぞれ示す。 FIG. 3A shows before electroforming, FIG. 3B shows the middle of electroforming, and FIG. 3C shows after electroforming.
電鋳は例えば以下の工程によって行われる。 Electroforming is performed, for example, by the following steps.
まず、金型製造用金型2Aのめっき前処理(水洗等)を行う(図3(a)参照)。 First, the pre-plating process (water washing etc.) of the metal mold | die 2A for metal mold | die manufacture is performed (refer Fig.3 (a)).
次に、金型製造用金型2Aをニッケルめっき槽(図示せず)に浸し、ニッケル電鋳を行う。電鋳条件であるpH、温度、電流密度及び時間はそれぞれpH3〜4.5、40〜50℃、5〜30A/dm2、10日(216H)である。
Next, the
その結果、マルテンサイト系ステンレスからなる金型製造用金型2Aの表面に厚さ約5mmのめっき層1Aが形成される(図3(b)参照)。
As a result, a plating layer 1A having a thickness of about 5 mm is formed on the surface of the mold manufacturing
その後、例えばくさび等の治具(図示せず)をめっき層1Aと金型製造用金型2Aとの間に挿入し、めっき層1Aを金型製造用金型2Aから分離する。金型製造用金型2Aから分離されためっき層1Aが光学素子製造用金型母材1Bである(図3(c)参照)。光学素子製造用金型母材1Bの成形面1aには平面部1dと凸部1bとが交互に配列されている。
Thereafter, a jig (not shown) such as a wedge is inserted between the plating layer 1A and the mold manufacturing
図4は第3工程を説明するための断面図である。 FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the third step.
図4(a)は圧痕加工の前、図4(b)は圧痕加工の途中、図4(c)は圧痕加工の後をそれぞれ示す。 4A shows before indentation processing, FIG. 4B shows in the middle of indentation processing, and FIG. 4C shows after indentation processing.
光学素子製造用金型母材1B(図4(a)参照)の成形面1aの凸部1bと凸部1bとの間に位置する平面部1dに、圧子5を押圧(圧痕加工)する(図4(b))。このとき、予め光学素子製造用金型母材1Bに用いる材料と同じ材料のテストピースを使って試し打ちを行い、所定の押込み深さを得るのに必要な供給電力を確認しておく。全ての平面部1dを圧痕加工することによって、マイクロプリズムアレイの反転形状が成形面1aに形成され、光学素子製造用金型1が完成する(図4(c)参照)。
The
その後、例えば光学材料になりえるプラスチック原料(例えばアクリル樹脂)を射出成形機中に投入して溶融温度に加熱、可塑化し、そのプラスチック原料を光学素子製造用金型1を組み込んだ金型内に充填し、冷却固化させた後、光学素子製造用金型1から分離する。その結果、光学素子製造用金型1の成形面1aの反転形状を有するマイクロプリズムアレイが完成する。
Thereafter, for example, a plastic raw material (for example, acrylic resin) that can be an optical material is put into an injection molding machine, heated to a melting temperature, plasticized, and the plastic raw material is put into a mold in which the optical
この実施形態によれば、先端部が鈍角の圧子5を用いた場合は勿論のこと、鋭角の圧子5を用いた場合であっても、光学素子製造用金型母材1Bの成形面1aに先に成形された圧痕(凹部1c)がその隣りに圧痕(別の凹部1c)を形成するときの圧子5によって変形しないので、凸部1bと凹部1cとが交互に連続するマイクロプリズムアレイの反転形状を圧痕加工法によって光学素子製造用金型母材1Bの成形面1aに精度よく形成することができる。
According to this embodiment, not only when the
次に、マイクロレンズアレイの製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing a microlens array will be described.
図5はこの発明の第2実施形態に係る光学素子製造用金型の製造方法を説明する図である。 FIG. 5 is a view for explaining a method of manufacturing an optical element manufacturing mold according to the second embodiment of the present invention.
図5(a)は第1工程、図5(b)、(c)は第2工程、図5(d)は第3工程にそれぞれ対応する。 5A corresponds to the first step, FIGS. 5B and 5C correspond to the second step, and FIG. 5D corresponds to the third step.
この第1工程で用いられる圧子(図示せず)はマイクロレンズの形状に対応する半球形状の先端部を有する圧子である。 An indenter (not shown) used in the first step is an indenter having a hemispherical tip corresponding to the shape of the microlens.
まず、鏡面研磨された金型製造用金型母材(図示せず)の成形面に圧痕加工法によって等間隔に凹部を形成する。圧子の押し込み深さは、先に形成された圧痕が隣りに圧痕を形成するときの圧子によって変形しないように設定される。このとき、予め金型製造用金型母材に用いる材料と同じ材料のテストピースを使って試し打ちを行い、所定の押込み深さを得るのに必要な供給電力を確認しておく。 First, recesses are formed at equal intervals on the molding surface of a mirror-finished mold base material (not shown) by an indentation method. The indentation depth of the indenter is set so that the previously formed indentation is not deformed by the indenter when the indentation is formed next to the indentation. At this time, trial placement is performed in advance using a test piece made of the same material as that used for the mold base material for mold manufacture, and the supply power necessary to obtain a predetermined indentation depth is confirmed.
成形面2aに所定数の凹部12bを形成することによって金型製造用金型12Aが完成する。((図5(a)参照)。
A predetermined number of
次に、金型製造用金型12Aのめっき前処理(水洗等)を行った後、ニッケルめっき槽(図示せず)中に浸し、ニッケル電鋳を行う。電鋳の条件は先に述べた条件と同じである。
Next, after pre-plating (water washing etc.) of the
その結果、金型製造用金型12Aの成形面2aに厚さ約5mmのめっき層11Aが形成される(図5(b)参照)。
As a result, a
その後、第1実施形態と同様に、めっき層11Aを金型製造用金型12Aから分離する。金型製造用金型12Aから分離されためっき層11Aが光学素子製造用金型母材11Bである(図5(c)参照)。光学素子製造用金型母材11Bの成形面11aには平面部11dと凸部11bとが交互に配列されている。
Thereafter, similarly to the first embodiment, the
次に、光学素子製造用金型母材11Bの成形面11aの凸部11bと凸部11bとの間に位置する平面部11dに圧子を押圧(圧痕加工)する。このとき、予め光学素子製造用金型母材11Bに用いる材料と同じ材料のテストピースを使って試し打ちを行い、所定の押込み深さを得るのに必要な供給電力を確認しておく。すべての平面部11dに圧痕加工することによって、半球状の凹部11cと凸部11bとが交互に並ぶマイクロレンズアレイの反転形状が成形面11aに形成され、光学素子製造用金型11が完成する(図5(d)参照)。
Next, an indenter is pressed (indented) into the flat surface portion 11d located between the
その後、例えば光学材料になりえるプラスチック原料(例えばアクリル樹脂)を射出成形機中に投入し溶融温度に加熱、可塑化し、そのプラスチック原料を光学素子製造用金型11を組み込んだ金型(図示せず)内に充填し、冷却固化させた後、光学素子製造用金型11から分離する。その結果、光学素子製造用金型11の成形面11aの反転形状を有するマイクロレンズアレイが完成する。
Thereafter, for example, a plastic raw material (for example, acrylic resin) that can be an optical material is put into an injection molding machine, heated to a melting temperature and plasticized, and the plastic raw material is a mold (not shown) in which an optical
このマイクロレンズアレイの表面には凸レンズ(凹部11cに対応する)と凹レンズ(凸部11bに対応する)とが交互に並ぶ。
Convex lenses (corresponding to the
この実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を奏する。 According to this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
なお、上記第各実施形態では第1工程と第3工程とで同じ圧子5を用いたが、第1工程と第3工程とで用いる圧子を変えることによって第1実施形態では凸部1bの頂角と凹部1cの頂角とを異ならせることができ、第2実施形態では凸部11bの曲率半径と凹部1cの曲率半径とを異ならせることができる。
In the first embodiment, the
1,11:光学素子製造用金型、1B,11B:光学素子製造用金型母材、1a,2a:成形面、1b,11b:凸部、1c,2b,11c:凹部、1d,11d:平面部、2:母材(金型製造用金型母材)、2A,12A:金型製造用金型。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記第1工程で作成された金型製造用金型を用いて、光学素子製造用金型母材を作成する第2工程と、
前記第2工程で作成された前記光学素子製造用金型母材の成形面であって、前記第1工程で作成された金型製造用金型の前記複数の凹部に対応する複数の凸部間に位置する複数の平面部に、圧痕加工して光学素子の反転形状を形成する第3工程と
を含むことを特徴とする光学素子製造用金型の製造方法。 A first step of forming a molding surface on a mold base material for mold production and creating a plurality of recesses by indenting the molding surface;
A second step of creating a mold base material for producing an optical element using the mold for producing a mold produced in the first step;
A plurality of convex portions corresponding to the plurality of concave portions of the mold manufacturing die formed in the first step, which are molding surfaces of the optical element manufacturing die base material created in the second step. And a third step of forming an inverted shape of the optical element by performing indentation in a plurality of flat portions positioned therebetween.
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