JP2006142775A - Method for manufacturing microoptical component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ファイバへ光を導入する際に必要になるファイバカップリングまたはファイバからファイバへ光を通過させる際に必要になるスポットサイズ変換あるいはＤＶＤ等情報読み出し用に用いられる直径が１ｍｍ以下のマイクロレンズ等の微小光学部品の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fiber coupling required when introducing light into a fiber or a spot size conversion required when passing light from a fiber to a fiber or a micro having a diameter of 1 mm or less used for reading information such as a DVD. The present invention relates to a method of manufacturing a micro optical component such as a lens.
従来、直径が１ｍｍ以下の微小光学部品を製造するのには、機械加工によって形成したレンズ用の金型を用いて、射出成形により形成する方法が採用されていた。レンズ用の金型を形成する方法は、ツールの先端部をレンズと同じ形状に形成し、このツールによって金型の母材をミーリングしながら加工していた。しかしながら、この方法では、ツールの先端部の製造が難しい上に、金型の表面粗さを円滑な面に加工することが困難であった。ツールには、硬度の高い金属またはダイヤモンドの脆性材が用いられているため、ツール刃先のの加工には、ダイヤモンド砥粒を用いて研磨しながら加工する方法が採られている。この加工方法では、全く加工ができない形状があったり、加工に要する時間が多くなるという問題があった。また、仮にツールの先端部が所定の形状に加工できたとしても、ツールの刃先の切削面を高精度に加工することは困難であった。 Conventionally, in order to manufacture a micro optical component having a diameter of 1 mm or less, a method of forming by injection molding using a lens mold formed by machining has been adopted. In the method of forming a lens mold, the tool tip is formed in the same shape as the lens, and the mold base material is processed by milling with this tool. However, in this method, it is difficult to manufacture the tip portion of the tool, and it is difficult to process the surface roughness of the mold into a smooth surface. Since the tool is made of a metal having a high hardness or a brittle material of diamond, the tool blade edge is processed while being polished using diamond abrasive grains. This processing method has a problem in that there are shapes that cannot be processed at all, and the time required for processing increases. Even if the tip of the tool can be machined into a predetermined shape, it has been difficult to machine the cutting surface of the cutting edge of the tool with high accuracy.
図５は従来の微小光学部品を製造する方法を説明するためのモデル図である。同図（Ａ）において、１０は金型の母材、１１は先端部の形状をレンズと同じ形状に形成したツールである。このツール１１の中心を金型の母材１０におけるレンズ形成用凹部１２の中心に一致させて、ツール１１を軸心周りに回転させることによりレンズ形成用凹部１２を形成する。次いで、同図（Ｂ）に示すように、金型の母材１０を所定の大きさに切断して成型用の上型１３を整形加工する。同図（Ｃ）に示すように、この成型用の上型１３と下型１４とを用いて射出成形することにより、複数のレンズ１５が連続するレンズアレイ１８を形成する。なお、上述した従来技術は、出願人が出願時点で知る限りにおいて文献公知ではない。また、出願人は、出願時までに本発明に関連する先行技術文献を発見することができなかった。よって、先行技術文献情報を開示していない。
FIG. 5 is a model diagram for explaining a conventional method of manufacturing a micro optical component. In FIG. 1A, 10 is a mold base material, and 11 is a tool in which the shape of the tip is formed in the same shape as the lens. The center of the
上述した従来の微小光学部品の製造方法においては、ツール１１の中心部分では周速が遅くなるために切削がほとんどできず、所定の形状に形成することが困難であるばかりか、表面を円滑な面に加工することが困難であるという問題があった。一方、通信やＤＶＤ等の情報機器に用いられる微小光学部品は低価格が要求されるため、金型を用いての射出成形による量産化が不可欠であり、微小光学部品用の金型加工が強く要望されている。
In the above-described conventional method for manufacturing a micro optical component, the peripheral speed is slow at the center portion of the
本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、機械加工では得られない高い加工精度および表面粗さを円滑な面に加工できるとともに量産化を可能にすることにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems. The object of the present invention is to enable high processing accuracy and surface roughness, which cannot be obtained by machining, to be processed into a smooth surface and enable mass production. There is.
この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、液状樹脂をノズルから噴射して基板上に球面形状を呈する凸状体を設けた金型マスタを形成する工程と、この金型マスタの表面に金属による下地を形成する工程と、この下地を形成した金型マスタ上に電鋳により金型母材を形成する工程と、この金型母材を前記金型マスタから離型させる工程と、この離型した金型母材を射出成形用の金型に整形する工程と、この射出成型用の金型を用いてレンズを成形する射出工程とを具備するものである。
In order to achieve this object, the invention according to
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記金型マスタに離型材を塗布する工程を具備するものである。
The invention according to
請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記下地を形成する工程において前記金属の膜厚を導電性を有する厚さとするものである。
The invention according to
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか一項に係る発明において、前記基板を光学的に光を透過する部材によって形成したものである。
The invention according to
請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、前記離型材に感光剤を用いるものである。
The invention according to
請求項１に係る発明によれば、金型母材を形成するための金型マスタをノズルから基板上に噴射した液状樹脂によって形成するため、高い加工精度および円滑なキャビティ形成面に加工できる。また、金型マスタに基づいて形成した金型母材を用いてレンズを射出成形することにより、レンズを量産することができる。 According to the first aspect of the present invention, since the mold master for forming the mold base material is formed by the liquid resin sprayed from the nozzle onto the substrate, it can be processed into a high processing accuracy and a smooth cavity forming surface. Further, the lens can be mass-produced by injection molding the lens using a mold base material formed based on the mold master.
請求項２に係る発明によれば、離型材を塗布したことにより金型マスタから金型母材を離型しやすくなる。 According to the second aspect of the present invention, the mold base material is easily released from the mold master by applying the release material.
請求項３に係る発明によれば、金型母材の形成を電解めっきによって行うことができるため、電鋳による形成時間を短縮することができる。
According to the invention of
請求項４に係る発明によれば、液状樹脂２が着弾した位置にずれがないかを基板の裏面から見極めることができる。
According to the invention which concerns on
請求項５に係る発明によれば、基板を透過した光によって感光剤が感光するため金型マスタからの金型母材の離型がより容易になる。 According to the fifth aspect of the present invention, since the photosensitive agent is exposed to the light transmitted through the substrate, it is easier to release the mold base material from the mold master.
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係る微小光学部品の製造方法を説明するためのモデル図であって、同図（Ａ）は金型マスタ形成工程を示し、同図（Ｂ）は金型下地形成工程を示し、同図（Ｃ）は電鋳形成工程を示し、同図（Ｄ）は金型母材離型工程を示し、同図（Ｅ）は金型整形工程を示し、同図（Ｆ）は射出成形工程を示す。図２は本発明に係る微小光学部品の製造方法における金型マスタ形成工程において形成されるマイクロレンズの特性を説明するためのモデル図、図３は同じく金型マスタ形成工程において形成されるマイクロレンズの樹脂粘度とレンズＦ数との関係を示す図、図４は同じく金型マスタ形成工程において形成されるマイクロレンズの樹脂屈折率とレンズＦ数との関係を示す図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a model diagram for explaining a method of manufacturing a micro optical component according to the present invention, in which FIG. 1 (A) shows a mold master forming process, and FIG. 1 (B) shows a mold base forming process. (C) shows an electroforming formation process, (D) shows a mold base material release process, (E) shows a mold shaping process, and (F) in FIG. An injection molding process is shown. FIG. 2 is a model diagram for explaining the characteristics of the microlens formed in the mold master forming step in the method of manufacturing a micro optical component according to the present invention, and FIG. 3 is a microlens formed in the same mold master forming step. FIG. 4 is a view showing the relationship between the resin refractive index of the microlens formed in the mold master forming step and the lens F number.
図１（Ａ）において、１はインクジェット方式のノズルであって、このノズル１を等速度で一直線状に移動させ、かつノズル１から同じ量のＵＶ硬化型の液状樹脂２を同じ時間間隔で光学的に光を透過する透明な基板３上に噴射する。噴射された液状樹脂２は基板３上に着弾すると、基板３上において表面張力によって球面形状を呈し、基板３上に球面形状を呈する複数の凸状体２ａが一直線上に等間隔おいて形成される。
In FIG. 1A,
このように形成された複数の液状樹脂２は、直径のばらつきを±１％以下とすることが可能であり、高い均一性を実現することができる。また、基板３を透明な材料を使用したため、予め基板３の液状樹脂２が着弾する部位にマークを付しておくことにより、液状樹脂２が着弾した位置にずれがないかを見極めることができる。さらに、この球面形状を呈する凸状体２ａは、液状樹脂２と基板３との材質を適宜に選択することにより、その球面形状を長時間にわたって安定させることができる。次いで、これら凸状体２ａにＵＶ光を照射することにより、凸状体２ａが硬化し、マイクロレンズアレイ型の金型マスタ４が形成される。
The plurality of
このように形成された凸状体２ａにおけるレンズの焦点距離（ｆ）、およびＦ数（Ｆ／＃）は（式２）によって表される。すなわち、図２において、凸状体２ａの接触角をθ、凸状体２ａの直径をＤとし、凸状体２ａの硬化後の屈折率をｎとすると、球面レンズに適用される公式から（式１）が得られ、
ｆ＝Ｆ／＃・Ｄ （式１）
Ｆ／＃＝｛２（ｎ−１）ｓｉｎθ｝-1 （式２）
The focal length (f) and F number (F / #) of the lens in the
f = F / # · D (Formula 1)
F / # = {2 (n−1) sin θ} −1 (Formula 2)
（式２）より所望のレンズ特性を得るためには、θもしくはｎを制御すればよいことが分かる。Young の式より、θは液体（液状樹脂２）、固体（基板３）、気体（環境）相互間の表面自由エネルギーの平衡条件により一意に決定されるため、各々の表面張力を適切に調節することで任意のθを実現することができる。例えば、基板３の材料として撥水性の高い材質のものを使用すればθが大きくなり、また液状樹脂２の粘度を高めることにより表面自由エネルギーを大きくすることによりθを大きくすることもできる。
It can be seen from (Equation 2) that θ or n may be controlled in order to obtain desired lens characteristics. From Young's equation, θ is uniquely determined by the surface free energy equilibrium condition between the liquid (liquid resin 2), solid (substrate 3), and gas (environment), so each surface tension is adjusted appropriately. Thus, an arbitrary θ can be realized. For example, if a material having high water repellency is used as the material of the
図３は、同一の材質からなる基板３上に異なる粘度の液状樹脂２を滴下した場合の接触角θおよびレンズＦ数との関係を示した図である。同図から高粘度樹脂を用いる程、θが大きくなり、Ｆ数が小さくなることが分かる。なお、インクジェット方式では、目詰まりや再現性等の観点から高粘度樹脂を用いることが難しいため、略１００cps 以下の樹脂を使用することが望ましい。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the contact angle θ and the lens F number when the
図４は粘度が略同じ３種類の樹脂２を同一の基板３上に滴下したときのレンズ特性を示す図である。同図から、液状樹脂２に含まれるフッ素の含有率を変えることによって屈折率を調整することができる。この屈折率の調整によって、上述した粘度制御を行えるほどではないが、Ｆ数の調整ができることが分かる。
FIG. 4 is a diagram showing lens characteristics when three types of
次に、図１（Ｂ）に示すように、後述する金型母材６を金型マスタ４から離型しやすくするための下地５を蒸着またはスパッタにより付着させ金型マスタ４の表面に形成する。下地５の材料としては、基板３との密着性を確保するために、金型母材６よりも軟質な材料が好ましい。これは、電鋳による積層が進むと、金型母材内部の圧縮応力が大きくなり、金型マスタを変形させる原因となる。下地５に軟質な材料を用いるとこの変形を防ぐ効果があるからである。また、下地５の材料としては、金型母材６を電解めっきで積層するために導電性を有する厚さとした金属を選択することにより、後述する電鋳時間を短縮することができる。本実施の形態においては、金型母材６にはニッケルを主体とする金属を用いたので、下地材料としては、銅、アルミニウム、金、銀、ルテニウム、クロム、ニッケルを選択することが可能である。
Next, as shown in FIG. 1 (B), a
この下地形成工程において、下地を離型材と金属材料の２層とすることにより、金型母材６の金型マスタ４からの離型をより容易にすることができる。すなわち、離型材として有機溶剤での剥離が可能な有機材料を積層し、この離型材の上に、上述した下地材としての金属膜を蒸着またはスパッタによって付着させる。離型材としての有機材料の積層方法としては、スピンコート法の他、ポリエチレン等を用いた蒸着法や水溶性の光硬化型エポキシ樹脂等を用いたインクジェット法が有効である。
In this base formation process, by making the base into two layers of a release material and a metal material, the
このように形成した下層側の有機膜は有機溶剤によって剥離が可能であり、上層の金属膜によって導電性が得られるため、後述する電鋳工程での電解めっきが可能になる。この方法によれば、金属膜はめっきが容易な材料であればよく、錫、ニッケル、クロム、タングステン、チタン、タンタル、アルミニウム、金、銀等も使用可能である。また、下地に離型材を用いた場合は、この離型材にレジスト等の感光剤を用いれば、基板３の裏面側から紫外線を照射することにより、基板３を透過する紫外線によってレジストが感光して溶解しやすくなるため、金型母材６の離型がより容易になる。
The organic film on the lower layer side formed in this way can be peeled off by an organic solvent, and conductivity can be obtained by the upper metal film, so that electroplating can be performed in the electroforming process described later. According to this method, the metal film may be any material that can be easily plated, and tin, nickel, chromium, tungsten, titanium, tantalum, aluminum, gold, silver, and the like can also be used. Further, when a release material is used for the base, if a photosensitive agent such as a resist is used for the release material, the resist is exposed to the ultraviolet rays transmitted through the
次に、図１（Ｃ）に示すように、上述した下地形成工程で形成した下地としての金属膜５を電極として電解めっきを行い、金型マスタ３の表面にめっき膜を積層する電鋳工程を行って金型母材６を形成する。そして、同図（Ｄ）に示すように、金型マスタ３とこれに積層した金型母材６とを有機溶剤に浸漬させることにより、下地５が溶解し金型母材６がマスタ形状を変形させることなく離型される。このように、金型マスタ３上に直接電鋳を行うのではなく、下地５を介して行うため、金型母材６に金型マスタ３の凸状体２ａのレンズの形状、表面粗さをそのまま転写することが可能になる。この場合、電鋳工程における電解めっき時の極性を逆にして電流を流すことにより、より早い離型が可能になる。
Next, as shown in FIG. 1C, an electroforming process is performed in which electrolytic plating is performed using the
次に、同図（Ｅ）に示すように、ミーリングまたはワイヤ放電加工等の機械加工によって、離型した金型母材６から射出成形に用いる成型用の上型７を切断して整形する。そして、同図（Ｆ）に示すように、成型用の上型７と下型８とによってキャビティを形成し、このキャビティ内に光学部品となる樹脂を射出することにより微小光学部品９を形成する。
Next, as shown in FIG. 5E, the molding
このように、インクジェットのノズル１から基板３上に噴射した液状樹脂２によって金型マスタ４を形成することにより、微小の光学部品を製造することができるとともに、樹脂の表面張力を利用してレンズ形状を形成するため、寸法精度が高くかつ表面粗さが円滑な面となる。また、金型マスタ４に基づいて形成した成型用の上型７によって微小光学部品９を製造するため量産性に優れている。
In this way, by forming the
なお、本実施の形態においては、基板３を光学的に光を透過させる材料によって形成したが、必ずしも光学的に光を透過させる材料によって形成しなくてもよい。また、１つのノズル１を移動させ複数の凸状体２ａを形成するようにしたが、形成する凸条体２ａと同じ数量のノズルを１つのユニットとし、このユニットを移動させることなく、複数のノズルから同時に樹脂を噴射して複数の凸条体２ａを一度に形成するようにしてもよい。また、本発明による製造方法は、金型マスタの形状を正確に制御でき、その表面粗さが良好であることから、円柱レンズ、一定ピッチで凹凸を形成してできる回析格子、フレネルレンズ等の微小光学部品の製造にも適用できる。
In the present embodiment, the
１…インクジェット方式のノズル、２…液状樹脂、２ａ…凸状体、３…基板、４…金型マスタ、５…下地、６…金型母材、７…金型、９…微小光学部品。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
5. The method of manufacturing a micro optical component according to claim 4, wherein a photosensitive agent is used for the release material.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008307713A (en) * | 2007-06-12 | 2008-12-25 | Toyoda Gosei Co Ltd | Processing method of irregular pattern on surface of mold |
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2004
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