JP2000033619A - 成形用金型及びその製造方法、並びにマイクロレンズの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、圧子に非球面形状の加工を
施さなくとも、金型の表面に再現性良く同じ形状の非球
面形状の圧痕を形成することのできる金型を得ること、
及び圧子に非球面形状の加工を施さなくとも非球面形状
のマイクロレンズを製造可能な製造方法を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 圧子を押圧することで得られる圧痕の形
状が金型の転写面に形成された成形用金型において、金
型は圧子で与えられるひずみに対し塑性変形量がそれぞ
れ異なる複数種の材料（ｓ，ｂ）からなり、複数種の材
料のうち少なくとも一種類の材料は転写面に層状に設け
られていることとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１眼レフカメラ、
ムービカメラの焦点板、液晶ディスプレイ、プラズマデ
ィスプレイなどの表示素子に使用されるマイクロレンズ
アレイの成型用金型に関する。

【０００２】

【従来の技術】一眼レフカメラにおける焦点板や、実像
式ファインダーを有するコンパクトカメラでは、カメラ
ファインダーを覗いたときに、明るく鮮明な画像が見え
る必要がある。この様な焦点板に適用されるマイクロレ
ンズでは、光の波長による拡散の違いが少なく、焦点板
全体に明るさのムラが生じないことが要求されている。

【０００３】例えば、光の波長による拡散に違いがある
と、焦点板に入射した光が白色光であっても、ある方向
から見ると色づいて見えてしまう。なお、明るさにムラ
が生じると非常に見苦しい。また、明るさは、拡散角が
大きくなるにしたがって、自然に明るさが弱くなるもの
が望ましい。この様な要求を満たすために、焦点板に形
成されるマイクロレンズアレイの形状を非球面形状にす
ることが既に知られている。

【０００４】また、この焦点板などにマイクロレンズを
形成する方法としては、金型にレンズと同じ若しくは反
転形状を有した圧痕を形成し、圧痕が形成された金型を
用いて射出成形や圧縮成形、注型成形などによりマイク
ロレンズが形成された焦点板を形成する。なお、マイク
ロレンズが非球面形状であるときには、圧痕を形成する
圧子自体を非球面形状に加工して、圧痕形成を行う。

【０００５】なお、使用される圧子の材質は、超硬材料
やダイヤモンドなどで形成されているので圧子の加工が
難しく、非球面形状の加工となると非常に長い時間かけ
て、圧子の加工を行わなくてはならない。また、圧子は
打痕を繰り返すうちに摩耗してゆくので、所定回数打痕
したら、圧子を取り換えることが必要となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に、従来、非球面形状の圧痕を形成する場合、圧子の先
端を非球面形状に形成しなければならない。しかし、圧
子に用いる材料は非常に硬い材料を用いるため非常に加
工が難しく、特に、非球面形状にした場合、非球面形状
に圧子を加工する技術が完成されていないため、再現性
良く同一非球面形状を得ることは極めて難しい。

【０００７】したがって、圧子を交換する必要が出てく
ると、交換前と交換後に形成された圧痕の形状が変わっ
てしまう。そこで、本発明の目的は、圧子に非球面形状
の加工を施さなくとも、金型の表面に再現性良く同じ形
状の非球面形状の圧痕を形成することのできる金型を得
ること、及び圧子に非球面形状の加工を施さなくとも非
球面形状のマイクロレンズを製造可能な製造方法を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、上記課題を解決
するために、本発明の第１の態様では圧子を押圧するこ
とで得られる圧痕の形状が金型の転写面に形成された成
形用金型において、金型は圧子で与えられるひずみに対
し塑性変形量がそれぞれ異なる複数種の材料からなり、
複数種の材料のうち少なくとも一種類の材料は転写面に
層状に設けられていることとした。

【０００９】この様に与えられるひずみに対し、それぞ
れ塑性変形量の異なる材料を複数種類用いて金型を構成
し、用いられた材料のうち一種類を金型の表面に層状に
形成した金型を用いた。この金型に、例えば球面形状の
圧子でもって塑性変形が起こる程度押圧して圧痕を形成
すれば、表面に層状に形成された材料に生ずる形状と、
その層状に形成された材料と隣り合う材料に生ずる形状
とに差が生じ、圧子の形状とは異なる非球面形状の圧痕
が形成される。

【００１０】また、本発明の第２の態様では、金型の転
写面に圧子を押圧することで非球面形状の圧痕が形成さ
れた金型を製造する成形用金型の製造方法において、圧
子で与えれるひずみに対し金型の基材に生ずる塑性変形
量とは異なる塑性変形量を有する材料を金型の基材の転
写面に層状に備え、そして、転写面に球状の圧子でもっ
て圧痕を形成することで非球面形状を有する圧痕を形成
することとした。

【００１１】また、本発明の第３の態様として、金型の
転写面に圧子を押圧することで非球面形状の圧痕が形成
された金型を製造する成形用金型の製造方法において、
金型の基材とは異なる材料を金型の基材の転写面に層状
に備えて第１層を形成し、更に転写面に、圧子で与えれ
るひずみに対し第１層に生ずる塑性変形量とは異なる塑
性変形量を有する材料をその第１層の表面に層状に備え
て、第２層を形成する。その後に、第１層と第２層が形
成された転写面に、球状の圧子でもって圧痕を形成す
る。この様にして、非球面形状の圧痕を形成することと
した。

【００１２】この様に金型母材と最表面に形成されてい
る第２層との間に、それぞれの物質とは異なる物質から
なる第１層を形成することで、金型材料や最表面に形成
されている第１層の材料を最適な物質に選択することを
可能とする。例えば、金型基材を形成する材料としてあ
る程度の機械的強度が求められるが、そのために金型基
材を形成する材料は限定されてしまう。圧痕の形状は、
主に最表層を形成する材料とその下にある材料の塑性変
形量の違いで、大方決定される。したがって、金型基材
の材料として選択された材料に対して、最表層を形成す
る材料として最適な材料を選択しなくてはならず、選択
の幅を小さくしてしまう。そこで、本発明は、最表層に
形成された第２層と、金型母材との間に第１層を設ける
ことで、金型母材を形成する材料や最表層を形成する材
料の選択幅を広げることができる。

【００１３】また、本発明の第４の形態では、非球面形
状を有したマイクロレンズの形成方法において、光学素
子を形成する材料に非球面のレンズ形状を転写する転写
面を有した金型の基材に、与えられる同一のひずみに対
し金型の基材に生ずる塑性変形量とは異なる塑性変形を
生ずる材料を、金型の母材の転写面に層状に設け、次
に、転写面に球状の圧子でもって圧痕を形成し、光学素
子を形成する材料に圧痕からなる形状を転写すること
で、光学素子を形成する材料に非球面形状のマイクロレ
ンズを形成することとした。

【００１４】また、本発明の第５の形態では、非球面形
状を有したマイクロレンズの形成方法において、光学素
子を形成する材料に非球面のレンズ形状を転写する転写
面を有した金型基材に、金型材料とは異なる材料でもっ
て、転写面に層状に設けて第１層を形成し、次に、第１
層の表面に、更に与えられる同一のひずみに対し、金型
基材に生ずる塑性変形量とは異なる塑性変形を生ずる材
料を前記金型の母材の転写面に層状に設けて第２層を形
成する。そして、第１層と第２層とが転写面に、球面形
状を有する圧子でもって圧痕を形成し、光学素子を形成
する材料に圧痕からなる形状を転写することで、光学素
子を形成する材料に非球面形状のマイクロレンズを形成
することとした。

【００１５】次に、実施の形態を例示して、本発明を更
に詳しく説明することとする。なお、本発明は以下に説
明する形態のみ限られるものではない。

【００１６】

【発明の実施の形態】まず、最初に本発明の実施の形態
である金型について、図１を用いて説明することとす
る。なお、図１（ａ）（ｂ）は、本発明の実施の形態で
ある金型母材の断面構造を示す図であり、（ａ）、
（ｂ）のそれぞれに図示された金型は、金型母材の転写
面に金型の基材１とは異なる材質からなる層２が形成さ
れ、金型母材の転写面に非球面形状の圧痕が形成されて
いる。

【００１７】ところで、本発明の実施の形態では、金型
の基材１を形成する材質と金型母材の転写面に形成され
た層２を形成する材質とは、所定のひずみが与えられた
ときに、形成される塑性変形が各々異なる材質を選択し
ている。この様に、ひずみに対する塑性変形量が異なる
材質を用いていることによって、球形状の圧子でもって
圧痕を形成しても、金型の基材１での変形量と層２で形
成される変形量とに違いが生じるので、得られる圧痕は
非球面形状を形成することができる。

【００１８】なお、図１には（ａ）と（ｂ）とに、それ
ぞれ圧痕が形成された金型母材の断面構造を示している
が、（ａ）に図示された金型母材は、金型の基材１に用
いられた材料ｓでの変形量が、層２で形成される材料ｂ
の変形量より大きいものを用いている。また、（ｂ）に
図示された金型母材は、材料ｓを金型の基材１に用い、
かつ材料ｂを層２に形成している。また、この図１の
（ａ）と（ｂ）とを比較すればわかるように、形成され
た圧痕の曲率が中央部と周縁部とで異なる。例えば、図
１（ａ）の場合は、縁の曲率と中央部の曲率とを比較す
ると中央部の曲率が縁の曲率よりも大きく、図２（ｂ）
の場合は、その反対の関係を有する。この様に金型の基
材１と層２との塑性変形量の大小関係によって、形成さ
れる圧痕の形状が異なる。

【００１９】次に、変形量の違いで非球面形状が形成さ
れることについて、詳しく説明する。なお、ここでは図
１（ａ）に示された構造によるものを説明する。図２に
は、本発明の実施の形態で用いられたそれぞれの材料の
応力σ−ひずみε線図を示す。なお、曲線ｓは、材料ｓ
の応力σ−ひずみε線図であり、曲線ｂは、材料ｂの応
力σ−ひずみε線図である。そして、材料ｂの降伏点を
σeb、材料ｓの降伏点をσesである。そして、材料ｂ
は、材料ｓより大きいひずみを与えられなければ降伏点
に達しないものを選択している。

【００２０】本発明の実施の形態では、図１（ａ）に示
した構造を有する金型母材の転写面に、先端が球面形状
である圧子を用いて、それぞれの材料における降伏点に
おけるひずみより大きいひずみが与えられるように金型
母材を押圧する。そして、金型の基材１及び層２にそれ
ぞれひずみＱが生じる。なお、金型の基材１及び層２に
生じるひずみは、同一の圧子でもって形成されるので、
同じになる。

【００２１】そして、圧子による押圧を止め圧子を取り
除くと、金型の基材１と層２とのそれぞれに生じる塑性
変形量は、図２に示したｄｓ、ｄｂとなる。この様に、
与えられたひずみに対し、各々の層２と基材１で降伏点
におけるひずみが異なるので、層２と基材１とで形成さ
れる塑性変形量が異なる。したがって、圧痕の中央部と
周辺部ではそれぞれ異なるの球面形状を有する。

【００２２】なお、本発明の実施の形態に示す金型につ
いて、その金型母材に用いられている金型の基材１は、
例えば、工具鋼やステンレス鋼などの鉄鋼材、あるいは
どう、銅合金やアルミ、アルミ合金などの非鉄金属材料
などの金型として十分な強度を持つ材料を用いている。
また層２は、この金型の基材１の上にメッキやコーティ
ングによって形成する。

【００２３】なお、メッキの方法は化学メッキでも電気
メッキでも良く、メッキ厚として１マイクロメートルか
ら５０マイクロメートルの範囲で選択して施す。なお、
メッキの種類としては、ニッケル、ニッケル・リン合
金、銅、クロム、金、銀などがある。例えば、金型母材
に焼入れ鋼を用いる場合、その転写面の表面に銅メッキ
を施せば、銅メッキは焼入れ鋼より小さいひずみで降伏
点に到達するので、図１（ａ）に示すような圧痕を金型
母材の転写面に形成することができる。

【００２４】また、コーティングによって、金型母材の
表面に異なる物質の層を形成する場合は、電子ビーム蒸
着法、イオンアシスト蒸着法、スパッタリング法、イオ
ンプレーティング蒸着法等の真空蒸着法を利用すればよ
い。以上の様に、本発明の実施の形態では、球面形状の
圧子でもって、非球面形状の圧痕を得ることができる。

【００２５】圧子の材質としては、通常、超硬材料やダ
イヤモンドを用いている。この様な材料で非球面形状を
形成することは、非常に難しく、形状の再現性は悪い。
しかしながら、本発明の実施の形態で説明した金型を用
いれば、球面形状の圧子が使用できるので、製造の難し
い非球面形状の圧子を使わなくとも、非球面形状の圧痕
を形成することができる。

【００２６】ところで、本発明の実施の形態では、同一
のひずみを与えたときに発生する塑性変形量の大きい材
料を最表層にするか、最表層と隣り合う層に適用するに
よって、圧痕の形状を変えられることができる。なお、
図１（ａ）、（ｂ）に示された金型は、金型の基材１と
層２とに用いられる材料の生じる塑性変形量の大小関係
を変えた場合、圧痕の形状が違うことを示している。な
お、最表層に同じひずみを与えたときに塑性変形量の大
きい材料を選択した場合、圧痕の形状は図１（ａ）に示
した形状になり、また、その反対の関係になるものは図
１（ｂ）に示した形状になる。

【００２７】ところで、目的の形状を得るための組み合
わせにおいて、柔らかくて成形面に適さない材料を層２
に形成した場合は、ニッケル電鋳や無電解めっき法など
を適用して、得られた形状を写し取り、さらに反転する
ことで成形面に適した金型を得ることが出来る。なお、
上述のように層２と金型の基材１とにそれぞれ異なる２
種類の材質で形成された金型母材について説明してきた
が本発明はこれだけに限らない。他には、金型の基材１
又は層２に用いた材料のどちらとも異なる材質を金型の
基材１と層２との間に設けた金型母材でも構わない。特
に、金型としては、金型の基材１は強度が優れたものを
選択し、層２は離型性が優れたものが好ましい。この様
にしてそれぞれ材質を選択すると、金型の基材１と層２
とに用いた物質の降伏点におけるひずみの大きさの差
が、とても小さい値を取る場合がある。その様な場合
は、層２に適用した材質の有する降伏点のひずみに対し
て、降伏点におけるひずみが大きく異なる材質を選択
し、その選択された材質を金型の基材１と最表層に形成
される層２との間に層状に形成すれば良い。この様にす
ることで、金型の基材１や最表層に形成される層２に適
用する材料の選択範囲が広がり、容易に本発明を実施し
やすくなる。また、金型母材に形成される層の数や層の
厚さは、非球面形状を考慮して決めればよい。

【００２８】ところで、以上のようにして得られた金型
母材を用いて、マイクロレンズアレイを製造する場合
は、インジェクション成形を用いることができる。この
成型方法では、まず、圧痕が形成された金型母材の面を
キャビティ面にして、マイクロレンズアレイ用の材料で
ある溶融樹脂を流入させる空間を形成し、その空間に溶
融樹脂を流し込み溶融樹脂が固まるまで放置する。この
様にして、金型母材の転写面に形成された非球面形状を
マイクロレンズアレイ用の材料に転写させることができ
る。

【００２９】なお、これ以外の方法でもコンプレッショ
ン成形を適用して製造することも可能である。この場
合、まず最初に、固まっているマイクロレンズアレイの
材料に加熱する。そして、加熱された材料に非球面形状
が形成された金型母材を、押し付けて、非球面形状を転
写する。この様にして非球面形状を有したマイクロレン
ズアレイを製造しても良い。

【００３０】

【発明の効果】以上の様に、本発明の金型を用いれば、
圧子先端の形状が球面形状であっても、容易に非球面形
状を有した圧痕が形成できる。この様に球面形状の圧子
でもって非球面形状の圧痕を形成することができるの
で、圧子にかけるコストを低減することができる。ま
た、球面形状の圧子であれば、再現性良く圧子を形成で
きるので、圧痕形成の途中で圧子が使用不能になって、
圧子を交換したとしても再現性良く非球面形状の圧痕を
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】：本発明の実施の形態における金型の構成と、
形成される圧痕の形状を示した図である。（ａ）は、層
２に塑性変形量の大きい材料ｓを用い、金型の基材１に
塑性変形量の小さい材料ｂを用いた場合であり、（ｂ）
は、層２に塑性変形量の小さい材料ｂを用い、金型の基
材１に塑性変形量の大きい材料ｓを用いた場合である。

【図２】：本発明の実施の形態における材料ｓの応力σ
−ひずみε線図と、材料ｂに用いられた材質の応力σ−
ひずみε線図との相関関係を示す。

【符号の説明】

１ 金型母材 ２ 層 σ 応力 σｅ 弾性限度 ε ひずみ Ｑ 圧子によって与えられるひずみ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧子を押圧することで得られる圧痕の
   形状が、金型の転写面に形成された成形用金型におい
   て、 前記金型は、前記圧子で与えられるひずみに対し、塑性
   変形量がそれぞれ異なる複数種の材料からなり、前記複
   数種の材料のうち少なくとも一種類の材料は、前記転写
   面に層状に設けられていることを特徴とする成形用金
   型。
2. 【請求項２】 金型の転写面に圧子を押圧することで非
   球面形状の圧痕が形成された金型を製造する成形用金型
   の製造方法において、 前記圧子で与えれるひずみに対し前記金型の基材に生ず
   る塑性変形量とは異なる塑性変形量を有する材料を、前
   記金型の基材の転写面に層状に備え、 前記転写面に球状の圧子でもって圧痕を形成すること
   で、非球面形状を有する圧痕を形成する成形用金型の製
   造方法。
3. 【請求項３】 金型の転写面に圧子を押圧することで非
   球面形状の圧痕が形成された金型を製造する成形用金型
   の製造方法において、 前記金型の基材とは異なる材料を、前記金型の基材の転
   写面に層状に備えて第１層を形成し、 更に、前記圧子で与えれるひずみに対し前記第１層に生
   ずる塑性変形量とは異なる塑性変形量を有する材料を、
   前記第１層の表面に層状に備えて第２層を形成し、 前記第１層と前記第２層が形成された転写面に、球状の
   圧子でもって圧痕を形成することで、非球面形状を有す
   る圧痕を形成する成形用金型の製造方法。
4. 【請求項４】 非球面形状を有したマイクロレンズの形
   成方法において、 光学素子を形成する材料に非球面のレンズ形状を転写す
   る転写面を有した金型基材に、与えられるひずみに対し
   前記金型基材に生ずる塑性変形量とは異なる塑性変形を
   生ずる材料を、前記金型の基材の転写面に層状に設け、 前記転写面に球状の圧子でもって圧痕を形成し、 前記光学素子を形成する材料に前記圧痕からなる形状を
   転写することで、前記光学素子を形成する材料に非球面
   形状のマイクロレンズを形成することを特徴とするマイ
   クロレンズの形成方法。
5. 【請求項５】 非球面形状を有したマイクロレンズの形
   成方法において、 光学素子を形成する材料に非球面のレンズ形状を転写す
   る転写面を有した金型母材に、前記金型材料とは異なる
   材料でもって、前記転写面に層状に設けて第１層を形成
   し、 前記第１層の表面に、更に与えられる同一のひずみに対
   し、前記第１層に生ずる塑性変形量とは異なる塑性変形
   を生ずる材料を、前記金型の母材の転写面に層状に設け
   て第２層を形成し、 前記第１層と前記第２層とが転写面に、球面形状を有す
   る圧子でもって圧痕を形成し、 前記光学素子を形成する材料に前記圧痕からなる形状を
   転写することで、前記光学素子を形成する材料に非球面
   形状のマイクロレンズを形成することを特徴とするマイ
   クロレンズの形成方法。