JP2003342025A

JP2003342025A - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2003342025A
Application number: JP2002154282A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshizu Kinuta; 精鎮絹田; Hiromi Watabe; 洋己渡部; Tomohiro Saito; 智宏斎藤; Kazuya Aida; 和哉相田; Shigeto Sawanobori; 成人沢登
Original assignee: OPTONIX SEIMITSU KK; Sumita Optical Glass Inc
Current assignee: OPTONIX SEIMITSU KK; Sumita Optical Glass Inc
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2003-12-03
Anticipated expiration: 2022-05-28
Also published as: JP4106407B2

Abstract

(57)【要約】【課題】金型を用いて作られた光学素子を製造する際
に、従来の技術による場合よりも高精度に製造すること
の可能な光学素子の製造方法を提案することを目的とす
る。【解決手段】光学素子を製造する際に、導電性のある
基板にくぼみの有るパターンを形成するステップと、電
鋳法によりニッケルあるいはその合金からなる金型を作
製するステップと、その金型を用いたモールドプレスで
ガラスの光学素子を成形するステップとを含むことを特
徴とする製造方法、あるいは、さらに、屈伏温度が４５
０℃以下のガラスであることを特徴とする製造方法、あ
るいは、金型を作製するプロセスにおける電流密度につ
いて、上記のガラスに近い部分の金型形成におけるその
電流密度を、上記のガラスから遠い部分の金型形成にお
ける電流密度よりも増加させることを特徴とする製造方
法を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高精度で信頼性の
高いレンズ、レンズアレイ、フレネルレンズ、導光板、
回折格子等の光学素子を安価に製造する方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】最近、非球面レンズやレンズアレイなど
のレンズを容易に製造するために、従来の機械的な研磨
によらない微細加工技術が用いられる場合がある。この
様な加工製造方法としては、特開２００２−１１３７２
３号公報に記載された熱可塑材を用いた作製方法、ある
いは、特開２００１−３０１０５２号公報に記載された
液状透明樹脂を用いた作製方法、あるいは、下記にその
製造方法を示すような金型を用いる作製方法が知られて
いる。

【０００３】金型を用いてマクロレンズアレイを製造す
るためには、精密加工された金型を製造する必要がある
が、このような金型の製造方法としては、特開２００２
−０９６３９９号公報に記載されたダイヤモンド工具に
よる加工方法や、特開平０７−１０４１０６号公報に記
載されたドライエッチングによる製造方法、あるいは特
開平１１−２７７５４３に記載されたポンチを用いて製
造する方法、あるいは、特開２０００−２６３５５６号
公報に記載された電解エッチングにより半球状あるいは
半円筒形状の凹部を形成する方法、あるいは、特開２０
００−２８０２５４号公報に記載された電着ないし電気
メッキにより凸パターンを形成して金型あるいは金型マ
スターを形成する方法等が知られている。

【０００４】また、近年、プラスチックに限らず、ガラ
スを加熱し、金型を用いた成形により目的とする形状に
加圧成形したガラス製光学素子製品を多量に且つ安価に
製造するモールドプレス成形法が実施されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ガラスを加熱
し加圧成形する問題点として、プレスに用いる金型とガ
ラスの化学的反応性、また、常温と成形時の温度差によ
る金型寸法変化のための寸法精度と、製品となるガラス
の常温と成形時の温度差による寸法精度への影響が知ら
れている。また、金型とガラスの化学反応により金型表
面に喰われ現象が発生し、離型性や金型寿命を低下させ
ることも知られている。この様な問題を回避するために
は、寸法精度を確保するために金型設計において成形時
温度とガラス成形製品使用時の温度を考慮し、金型素材
金属および成形するガラスの熱線膨張係数を夫々考慮し
たガラス製成形時の成形温度における金型の寸法変化量
と、ガラスの寸法変化量を正確に推測し、ガラス製品使
用時の温度差における金型の寸法挙動と、ガラスの寸法
挙動を正確に推測し金型を作成する必要がある。

【０００６】一般に、ガラスモールド用の金型では、特
開平５−３１３００３号公報に記載された、タングステ
ンカーバイト（WC）の表面にイリジウム、白金をスパッ
タリングして、合金膜を形成し、あるいは、特開平５−
１７８６２８号公報に記載された、炭化ケイ素焼結体金
型の表面に金属窒化物を形成して強化してその表面の安
定化が図られている。これらは、高温におけるガラスと
金型表面の化学反応を引き起こさないような表面状態を
作り、金型の喰われ現象を防ぐよく知られた手法であ
る。これらの金型表面組成の形成方法としてスパッタリ
ング法、イオンプレーティング法等があり、表面形成素
材としてイリジウム、白金等が一般に用いられている
が、これらは稀少金属であり、工業的な観点からは使用
しづらい材料である。これらの材料がコスト高の一要因
となっており、ガラス成型金型製作の普及を妨げてい
る。

【０００７】さらに、このような高耐熱性、高強度の金
型材料を使用する上でさらに大きな問題点は、微細な加
工が困難となる点である。マイクロレンズアレイ、グレ
ーティングなどのサブマイクロメータオーダーの精度が
要求される金型加工はかなり難しいことが知られてい
る。また、ガラスと金型の熱膨張係数の違いに起因する
寸法精度の誤差も微小光学素子をモールド成形技術で製
造する上での課題の一つであることも知られている。

【０００８】本発明は、金型を用いて作られた光学素子
を製造する際に、従来の技術による場合よりも高精度に
製造することの可能な光学素子の製造方法を提案するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明を概観すれば、ま
ず、温度差による金型寸法変化のための寸法精度につい
ての従来技術の問題点を解決する手段として、熱線膨張
係数が成形に使用するガラスと同程度の値を持つ材質を
使用して成形用金型を作成することに特徴がある。ま
た、この金型は、電鋳法だけを用いてその寸法を高精度
に加工することのできる材料であるニッケルあるいはニ
ッケル合金からなる金型であることに特徴がある。ここ
で、電鋳プロセスにより生じるニッケル合金の析出につ
いては、通電時に電流密度を変化させることにより、そ
の析出する結晶格子間隔を制御することが可能であり、
この方法により金型の熱膨張係数を変化させることがで
きる。これにより、ガラスにより適した膨張係数を持つ
金型を作製することができる、という点にも特徴があ
る。

【００１０】金型を用いた光学素子の製造方法における
上記した問題を回避するために、本発明における第1の
発明は、導電性のある基板にくぼみの有るパターンを形
成し、電鋳法によりニッケルあるいはその合金（Ｆｅ／
Ｎｉ（重量比率２５〜４０％／残部Ｎｉ））からなる金
型を作製し、その金型を用いたモールドプレスでガラス
の光学素子を成形することを特徴とする製造方法により
光学素子を製造することである。

【００１１】また、第２の発明は、第１の発明に加え
て、光学素子の素材としては、４５０℃以下の低温で成
形が可能なガラス素材を用いることである。

【００１２】また、第３の発明は、第１の発明に加え
て、電鋳法を用いて金型を作製するプロセスにおける電
流密度について、上記のガラスに近い部分の金型形成に
おけるその電流密度を、上記のガラスから遠い部分の金
型形成における電流密度よりも増加させることにより、
光学素子の素材の熱膨張係数に近づけることことであ
る。

【００１３】また、第４の発明は、第１の発明に加え
て、電鋳法を用いて金型を作製するプロセスにおける電
流密度は、通常用いられる電流密度（２から１０Ａ／
（ｄｍ） ²）よりも増加させ、３０から１００Ａ／（ｄ
ｍ）²にすることにより、光学素子の素材の熱膨張係数
に近づけることことである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態とし
て本発明を用いた製造事例を示す。

【００１５】

【実施例】［実施例１］光学素子用の金型を作成する方
法として、よく知られたフォトリソグラフィーを用いる
プロセスを図１に沿って述べる。図１（ａ）に示す様
に、導電性のある基板１１にフォトレジスト１２を塗布
する。図１（ｂ）に示すこのフォトレジスト１２が塗布
された基板に、光学素子作製用のパターンのついた2次
元形状のクロムマスク１３を介して紫外線を照射し、図
１（ｂ）の様にレジスト１２へ2次元形状を転写する。
この後、図１（ｄ）に示す様に電気鍍金液に浸漬し、目
的とする光学素子の形状になる様に金属１４を析出す
る。これにより、くぼみの有るパターンを形成する。こ
の後、この金属１４の表面に離型処理を施し、電析生成
物の鉄の重量含有量が２５〜３０％になるＦｅ−Ｎｉ共
析電気ニッケル鍍金液に浸漬し、図１（ｅ）に示す光学
素子のプレス成形に用いるために必要十分な厚さまで電
析を行う。

【００１６】このとき用いる電流密度は、３０から１０
０Ａ／（ｄｍ）²に設定するが、特に３５から４５Ａ／
（ｄｍ）²にすることが望ましい。また、電鋳プロセス
の途中で電流密度を変え、当初は通常用いられる電流密
度（２から１０Ａ／（ｄｍ） ²）で進め、徐々に増加さ
せてそのプロセスの途中から、３０から１００Ａ／（ｄ
ｍ）²にすることにより、光学素子の素材と、それによ
り近い部分の熱膨張係数の差をできるだけ無くすことも
可能である。

【００１７】鍍金液から取り出した後、レジスト１２，
光学素子と同一形状の金属１４および導電性のある基板
１１を剥離除去することにより、プレス金型１５が作成
される。このときの金型の熱線膨張係数は７〜８×１０
^-6／℃（０〜４５０℃において）を示す。この金型を用
いて屈伏温度が４５０℃以下の低融点ガラスを用いて光
学部品写真１を成形する。この低融点ガラスを用いる事
は、成形時の温度による溶融状態のガラスが金型表面に
侵食する現象を無くする効果がある。この低融点ガラス
素材としてヴィドロンＰＧ３７５があり、これを用いて
光学素子を成形した。金型とガラスは成型加工の加温お
よび冷却の全工程でほぼ同一の熱線膨張係数を示す為、
熱応力によるガラスの変形や欠損が生じる事が皆無であ
る。

【００１８】光学素子となるガラス素材ヴィドロンＰＧ
３７５の熱線膨張係数は１６×１０ ^-6を示し夫々が成型
加工のあらゆる過程でほぼ同一の値を示し、加熱成形
時、冷却時に熱応力によるガラスの変形や欠損は生じる
ことが皆無であった。更にヴィドロンＰＧ３７５は成形
温度が３７０℃〜３７５℃と従来のガラス成形温度とは
格段に低い為、温度によりガラスによる金型の喰われ現
象を生ずる事が無く、金型寿命の長期化も図られた。こ
の為、今までガラスモールド用金型に必要とされてき
た、金型を構成する金属及び表面組成の特殊耐熱合金素
材および白金属合金等による表面改質を必要としない
為、金型製作コストの低減が図られた。

【００１９】［実施例２］実施例１と同様のフォトリソ
グラフィーを用いるプロセスにより光学素子の2次元形
状のレジストパターンを形成し、次に、電気鍍金による
光学素子同一形状の金属物を形成し、金属物表面の離型
処理を経て、電析生成物の鉄の重量含有量が４０％にな
るＦｅ−Ｎｉ共析電気ニッケル鍍金液に浸漬し、光学素
子をプレス成形するプロセスに用いるに必要十分な厚さ
まで電析を行った。ここで、そのプロセスの主用部は、
図１と同様であるため、本実施例に対応する図面は、図
１で代用するものとする。

【００２０】鍍金液から取り出した後、導電性のある基
板１１、レジスト１２、金属１４を剥離除去することに
より、プレス金型１５が作成される。このときの金型の
熱線膨張係数は４〜５×１０^-6／℃（０〜４５０℃にお
いて）となり、上記の場合よりも小さい値を示す。この
金型を用いて実施例１と同様に表１のＫ−ＰＧ３７５を
用いて光学部品を成形する。この低融点ガラスを用いる
事は、成形時の温度による溶融状態のガラスが金型表面
に侵食する現象を無くする効果がある。

【００２１】［実施例３］）次に、多様な形状の金型の
場合や高精度の表面面精度を要求される場合の実施例を
示す。この実施例においては、図2に示したプロセスを
用いて、レジストパターン２２を形成し、その後、金型
２５の電析を行うものである。レジストパターンの形成
においては、上記した実施例１あるいは２で示したプロ
セス、つまりクロムマスクを使用したＵＶ光によるレジ
ストパターンの形成を行うプロセスではなく、X線マス
ク２３を使用し、導電性をもたせた基板２１上に塗布さ
れた感光レジストであるPMMA（ポリメチルメタクリレー
ト）を基板２１ごと移動させながらＳＲ（ストレージリ
ング）からのＸ線により露光を行うものである。この
後、現像により未重合のPMMAを除去すると、光学素子と
同一形状のレジストパターン２２を形成できる。この
後、レジストパターン２２の表面を、よく知られたウエ
ットプロセスにて導電化した後、実施例１および実施例
２の電鋳プロセスと同様にＦｅ／Ｎｉ合金鍍金液に浸漬
し金型として十分な厚さまで電析を行った。この後、レ
ジストパターン２２および導電性をもたせた基板２１を
除去し金型２５を得る事が出来た。この金型２５を用い
て実施例１あるいは実施例２と同様に、表１に示すＫ−
ＰＳＫ５０を用いてコンプレッション成形により、図３
の光学素子を得る事が出来た。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【発明の効果】このように、導電性のある基板にくぼみ
の有るパターンを形成するステップと、電鋳法によりニ
ッケルあるいはその合金からなる金型を作製するステッ
プと、その金型を用いたモールドプレスでガラスの光学
素子を成形するステップとを含む製造方法で、また、低
融点ガラスを用いて光学素子を作成することにより、さ
らに、低融点光学素子用ガラスと同程度の熱線膨張係数
を有した素材で成形金型を製作することとにより、形状
転写精度が向上し、また、高温対策表面加工が不必要と
なり、さらに、高温による金型形状損傷程度の低下が図
られた。この結果金型の製造コストを低減でき、さらに
は、ガラス成形温度が通常の成形用ガラス素材に比べて
５０℃から１００℃低くなった結果、昇温や冷却時の生
産サイクル時間が短縮され、加熱や冷却エネルギーの削
減が図られた。

【００２４】上記した様に、本発明の光学素子の製造方
法を使用することにより、光学部品の製造に多大な効果
をもたらすことは明らかであり、特に、例えば、サブミ
クロンの精度管理が必要な光学部品である、凸レンズア
レイやフレネルレンズ、あるいは、導光板や回折格子等
をガラスで容易に製造可能となり、長期間に渡って高精
度に維持することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の第１の実施例を示す模式図である。

【図２】本発明の第３の実施例を示す模式図である。

【図３】本発明にそって製造したマイクロレンズアレイ
の写真である。

【符号の説明】

１１基板１２レジスト１３クロムマスク１４金属１５プレス金型２１基板２２レジストパターン２３Ｘ線マスク２５金型

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡部洋己埼玉県さいたま市針ヶ谷４丁目７番25号株式会社住田光学ガラス内 (72)発明者斎藤智宏埼玉県さいたま市針ヶ谷４丁目７番25号株式会社住田光学ガラス内 (72)発明者相田和哉埼玉県さいたま市針ヶ谷４丁目７番25号株式会社住田光学ガラス内 (72)発明者沢登成人埼玉県さいたま市針ヶ谷４丁目７番25号株式会社住田光学ガラス内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性のある基板にくぼみの有るパター
ンを形成するステップと、電鋳法によりニッケルあるい
はその合金からなる金型を作製するステップと、その金
型を用いたモールドプレスでガラスの光学素子を成形す
るステップとを含むことを特徴とする光学素子の製造方
法。
【請求項２】請求項１におけるガラスは、その屈伏温
度が４５０℃以下のガラスであることを特徴とする光学
素子の製造方法。
【請求項３】電鋳法を用いて金型を作製するプロセス
における電流密度について、上記のガラスに近い部分の
金型形成におけるその電流密度を、上記のガラスから遠
い部分の金型形成における電流密度よりも増加させるこ
とを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】電鋳法を用いて金型を作製するプロセス
における電流密度は、３０から１００Ａ／（ｄｍ）²で
あることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造
方法。