JP5456290B2 - 結像素子の作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、平面を構成する基板に、これを垂直に貫通する複数の微小孔を形成し、各孔の内面に直交する２つの鏡面を形成して、該各孔を透過する光の屈曲により、前記平面の一方の空間に配置された物体や映像を反対側の空間に実像として結像させる結像素子の作成方法に関する。

従来、この種の結像素子の作成方法としては、特許文献１に示すように、ナノ加工によって金属製の金型に配列した筒状体を作成し、該筒状体の隣接する２側面（微小孔の鏡面に対応した側面）の面粗さを５０ｎｍ以下とする鏡面形成を行った上で、該金型を用いてナノインプリント工法または電鋳工法により反転転写し、基板に所定のピッチで複数の微小貫通孔を形成することが知られている。

しかしながら、かかる従来の結像素子の作成方法では、ナノ加工による金型の作成に加えて、ナノインプリント工法や電鋳工法による反転転写が必要である。さらに、実際には、金型から結像素子を分離するために金型を溶かす必要が生じる。そのため、１つの結像素子を作成するために、莫大な製造コストと時間が掛かるという不都合がある。

一方で、結像素子は、鏡面の加工精度や微小孔の配列精度如何により、結像した実像の歪みや輝度の低下を生じ得る。そのため、微小孔の加工精度を一定以上に維持する必要性から、前記製造プロセスを簡略化することは困難である。

以上の事情に鑑みて、本発明は、加工精度の高い結像素子をコストおよび時間を節約して簡易に作成することができる結像素子の作成方法を提供することを目的とする。

本発明は、平面を構成する基板に、これを垂直に貫通する複数の微小孔を形成し、各孔の内面に直交する２つの鏡面を形成して、該各孔を透過する光の屈曲により、前記平面の一方の空間に配置された物体や映像を反対側の空間に実像として結像させる結像素子の作成方法であって、
前記基板として、アルミニウム、ステンレス、クロム、およびモリブデンのうちのいずれか１つの金属または２以上の金属を含む合金からなる金属製の薄板、又は樹脂製の薄板を用意する工程と、
前記基板を別の基板を下敷きとして又は直接テーブル上に載置して固定する工程と、
前記基板の載置固定する工程と前後して、前記鏡面に対応した少なくとも２側面を有する凸型の打抜き刃を複数配列してなる刃部を超音波ウェルダのホーンに固定し、該ホーンに固定した刃部を該ホーンを介して所定の超音波発振周波数で振動させる工程と、
前記刃部を前記基板に圧接させ、前記打抜き刃と前記基板との当接位置から打抜き完了位置までの間、前記刃部を振動させながら該打抜き刃で該基板を打抜いて複数の微小孔を形成する工程とを備え、
前記打抜き刃は各々、前記２側面のなす角が直角で、前記２側面によってできる角部の一端が当該打抜き刃の先端部となり、該先端部から該２側面に沿って円弧状に形成された先端面を有することを特徴とする。

本発明の結像素子の作成方法によれば、鏡面に対応した少なくとも２側面を有する凸型の打抜き刃で基板を打抜くことにより、基板に複数の微小孔を形成する。そのため、簡単な装置構成で結像素子を簡易に作成することができ、素子の作成コストおよび時間を大幅に節約することができる。

このとき、打抜き刃を超音波で振動させる。これにより、該振動および該振動に伴う刃と基板との間の摩擦熱との相乗効果により打抜き時の切断性が向上し、基板面に対する直角性が高く且つ平滑性の高い鏡面を得ることができる。

このように本発明の結像素子の作成方法によれば、加工精度の高い結像素子をコストおよび時間を節約して簡易に作成することができる。

また、本発明は、平面を構成する基板に、これを垂直に貫通する複数の微小孔を形成し、各孔の内面に直交する２つの鏡面を形成して、該各孔を透過する光の屈曲により、前記平面の一方の空間に配置された物体や映像を反対側の空間に実像として結像させる結像素子の作成方法であって、
前記基板として、アルミニウム、ステンレス、クロム、およびモリブデンのうちのいずれか１つの金属または２以上の金属を含む合金からなる金属製の薄板、又は樹脂製の薄板を用意する工程と、
前記鏡面に対応した少なくとも２側面を有する凸型の打抜き刃を複数配列してなる刃部に対向して、前記基板をテーブル上に載置して固定する工程と、
前記テーブルを所定の超音波発振周波数で振動させる工程と、
前記刃部を前記基板に圧接させ、前記打抜き刃と前記基板との当接位置から打抜き完了位置までの間、前記テーブルを振動させながら該打抜き刃で該基板を打抜いて複数の微小孔を形成する工程とを備え、
前記打抜き刃は各々、前記２側面のなす角が直角で、前記２側面によってできる角部の一端が当該打抜き刃の先端部となり、該先端部から該２側面に沿って円弧状に形成された先端面を有することを特徴とする。

かかる本発明の結像素子の作成方法によれば、打抜き刃を超音波で振動させる代わりに、基板が固定されている台座を超音波で振動させる。これにより、打抜き刃を振動させた場合と同様に、打抜き時の切断性が向上し、基板面に対する直角性が高く且つ平滑性の高い鏡面を得ることができる。このように、かかる本発明の結像素子の作成方法によっても、加工精度の高い結像素子をコストおよび時間を節約して簡易に作成することができる。

本発明において、前記基板を金属製とした場合には、他の材質を用いるよりも打抜き面の反射率を高めることができる。これにより、該打抜き面を鏡面とすることができ、反射膜のコーティング等の処理を必要とせず、コストおよび時間を節約して加工精度の高い結像素子を簡易に作成することができる。かかる金属材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス、クロム、およびモリブデンとのうちのいずれか１つの金属または２以上の金属を含む合金が用いられる。

本発明の好ましい態様において、前記基板は樹脂製の薄板からなり、前記打抜き刃で該基板を打抜いた後に、前記鏡面に反射膜をコーティングすることを特徴とする。

かかる態様によれば、基板を樹脂製とすることにより、例えば金属に比して打抜き面の反射率は低下する。しかしながら、打抜き面に反射膜をコーティングすることにより、樹脂部材に対しても、高い反射率を有する鏡面を形成することができ、加工精度の高い結像素子を得ることができる。

また、本発明の好ましい態様において、前記超音波発振周波数は１５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲の周波数であることを特徴とする。

図１を参照して、本発明の一実施形態として、結像素子を作成するための装置構成について説明する。結像素子を作成するための装置は、超音波ウェルダ１と、超音波ウェルダ１のホーン１１に取り付けられた刃部２とを備える。

超音波ウェルダ１は、ホーン１１に超音波振動を付与する超音波発振部１２と、ホーン１１および超音波発振部１２を一体として昇降させる昇降部１３と、昇降部１３を支柱１４に高さ自在に支持する支持部１５と、ホーン１１の下方で支柱１４を直立に支持する台座１６と、超音波発振部１２および昇降部１３の作動を制御するコントローラ１７とを備える。なお、コントローラ１７と超音波発振部１２および昇降部１３との間が、ケーブル１８で接続されており、ケーブル１８を介して相互に信号が伝達される。

超音波発振部１２は、内部に図示しない超音波発振器が設けられており、コントローラ１７からの制御信号により、所定の発振周波数でホーン１１を振動させる。

昇降部１３は、内部に図示しないサーボモータとサーボモータの主軸（ロータ）に連結されたボールネジとを備え、ボールネジを超音波発振部１２のフレームに設けられた雌ネジを螺合させることにより、サーボモータで超音波発振部１２を昇降させる。

支持部１５は、昇降部１３に連結された横枠１５ａと、横枠１５ａを支柱１４に固定する止めネジ１５ｂとを備え、止めネジ１５ｂによって横枠１５ａおよび昇降部１３の高さ位置が可変となっている。

台座１６は、その上部に平板状のテーブル１６ａが設けられており、テーブル１６ａの上に加工基板（ワーク）３が載置可能となっている。

コントローラ１７は、操作パネル１７ａと、表示部１７ｂとを備え、オペレータの操作パネル１７ａの操作により、超音波発振部１２の超音波発振器の発振周波数および昇降部１３のサーボモータの出力（回転速度およびトルク）が可変に設定される。また、表示部１７ｂには、超音波発振部１２および昇降部１３の制御状態等が表示される。

図２に示すように、刃部２は、厚板状の金属ブロック２１の表面に複数の打抜き刃２２を格子状に配列してなる。なお、金属ブロック２１の裏面側は、図示しない固定手段によりホーン１１に固定されている。

打抜き刃２２は、四角錘の頂点を切欠いた形状であって、４つの側面のうちの隣接する２つの側面２２ａ，２２ｂが金属ブロック２１に対して垂直に立ち上がると共に、これら２つの側面２２ａ，２２ｂのなす角が直角となっている。また、２つの側面２２ａ，２２ｂによってできる角部の一端が、当該打抜き刃２２の先端部２２ｃとなっている。そして、先端部２２ｃから各側面２２ａ，２２ｂに沿って円弧状に座繰られた座繰り部２２ｄが形成されている。

本実施形態において、打抜き刃２２の一辺は１００μｍであり、かかる打抜き刃２２が互いに１００μｍの間隔を空けて金属ブロック２１に縦横に配置されている。

また、本実施形態において、打抜き刃２２は、金属ブロック２１の表面をバイトにより切削したものを用いたが、これに限らず、ワイヤー放電加工や砥石による研磨等により打抜き刃２２を形成してもよい。さらに、金属ブロック２１および打抜き刃２２の材質は、加工対象となる基板３の材質に合わせて適宜選択される。

次に、以上説明した装置構成を用いた結像素子の作成方法について説明する。

まず、平面を構成する金属製の薄板からなる２枚の基板３を重ねてテーブル１６ａに積置して固定する。ここで、基板３は、例えば、アルミニウム、ステンレス、クロム、モリブデンのうちのいずれか１つの金属または２以上の金属を含む合金からなる薄板である。これらの金属または合金であれば、打抜きによる加工に適しており、後述するように打抜き面（加工面）の反射率も高いためである。

なお、本実施形態では、基板３の打抜きを確実とするため、基板３を２枚重ねにし、下側の基板３を下敷きとしているが、１枚の基板３のみをテーブル１６ａに載置してもよい。

そして、基板３のテーブル１６ａへの載置固定と前後して、ホーン１１に刃部２が固定されていることを確認し、事前準備を完了する。

次に、超音波ウェルダ１を起動させ、操作パネル１７ａを操作し、超音波発振部１２の超音波発振器の発振周波数および昇降部１３のサーボモータの出力を設定する。超音波発振器の発振周波数は、例えば、１５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲で基板３の材質等から任意に設定する。サーボモータの出力は、予めティーチングにより、打抜き刃２２と基板３との当接位置から打抜き完了位置まで指定した上で、該当接位置と打抜き完了位置との間を基板３の材質等から打抜きに適した加工速度で移動するように設定する。

次に、設定した条件で、超音波発振部１２および昇降部１３を駆動させて、基板３の打抜きを行う。このとき、打抜き刃２２をホーン１１を介して超音波発振部１２により所定の発振周波数で振動させながら打抜きを行う。そのため、打抜き刃２２は、基板３との当接位置から打抜き完了位置までの移動の間に、該振動および該振動に伴う刃と基板３との間の摩擦熱との相乗効果により切断性の高い打抜きを行うことができる。

これにより、図３に示すように、図２の打抜き刃２２に対応した複数の微小孔３１を基板３に形成することがきる。微小孔３１は、打抜き刃２２の２つの側面が２２ａ，２２ｂに対応する２つ隣接する内面３１ａ，３１ｂが、鏡面でかつ基板３に垂直な面となっている。基板３を金属製とすることにより、他の材質を用いるよりも打抜き面の反射率を高めることができ、反射膜のコーティング等の処理を必要とせず、内面３１ａ，３１ｂを鏡面とすることができる。

このように、本実施形態の結像素子の作成方法によれば、打抜きにより簡易に結像素子を作成することができると共に、基板面に対する直角性が高く且つ平滑性の高い鏡面を得ることができ、加工精度の高い結像素子をコストおよび時間を節約して簡易に作成することができる。

次に、本実施形態の結像素子の作成方法による結像素子の作成例について説明する。

図４は、基板３として１００μｍのアルミニウム薄板を、前記作成方法（４０ｋＨｚの超音波振動を付与）により加工して得られた結像素子の顕微鏡写真である。

図４の顕微鏡写真から明らかなように、かかる結像素子は、打抜き刃２２に対応した四角形の微小孔が縦横に整列している。また、四角形は、その辺と角が均一となっていることから、各微小孔は打抜き刃２２に対応した形状で、隣接する２つの内面には鏡面が形成されていることが分かる。実際に、図４に示す結像素子により結像させた場合には、明るく鮮明な像が得られたことからも、微小孔には反射率の高い鏡面が形成されていることが裏付けられた。

一方、図５は、超音波振動を付与しない場合に得られた結像素子の顕微鏡写真である。この場合、超音波振動の有無以外の条件は、図４の場合と同様である。

図５の顕微鏡写真では、微小孔の輪郭が不鮮明である。これは、微小孔が打抜き刃２２に対応した形状に形成されていないことを示している。この場合には、像を結像させることができず、微小孔には鏡面が形成されていないことが分かる。

次に、基板３として１００μｍのポリカーボネートの薄板を、前記作成方法（４０ｋＨｚの超音波振動を付与）により加工して結像素子を得た。この場合にも、図４と同様に、配列および個々の形状が均一の微小孔を形成することができた。

ただし、この場合には、得られた結像素子により結像させると、像を結ばせることはできても像が暗いという問題あった。そこで、得られた結像素子の表面に、膜厚５００Åのアルミ蒸着膜を形成した。その結果、像は明るく鮮明なものとなり、微小孔に形成された鏡面に反射膜をコーティングすることにより、鏡面の反射率を向上が可能であることが裏付けられた。

なお、上記作成例では、４０ｋＨｚの超音波振動を付与したが、１５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲であれば、いずれの周波数においても同等の結像素子を得ることが確認された。

以上、説明したように、本実施形態の結像素子の作成方法によれば、加工精度の高い結像素子をコストおよび時間を節約して簡易に作成することができる。

なお、本実施形態において、超音波発振部１２により打抜き刃２２を振動させたが、これに代えて、台座１６内に超音波発振器を設け、テーブル１６ａを振動させるようにしてもよい。この場合にも、該振動および該振動に伴う基板３と打抜き刃２２との間の摩擦熱との相乗効果により切断性の高い打抜きを行うことができ、加工精度の高い結像素子をコストおよび時間を節約して簡易に作成することができる。

本実施形態の結像素子の作成方法を行うための装置構成図。 打抜き刃の形状を斜視図。 図２の打抜き刃により形成される結像素子の斜視図。 作成された結像素子の顕微鏡写真。 超音波を付与しない場合の結像素子の顕微鏡写真。

符号の説明

１…超音波ウェルダ、２…刃部、３…基板、１１…ホーン、１２…超音波発振部、１３…昇降部、１６…台座、１７…コントローラ、２２…打抜き刃、３１…微小孔。

Claims (4)

1. 平面を構成する基板に、これを垂直に貫通する複数の微小孔を形成し、各孔の内面に直交する２つの鏡面を形成して、該各孔を透過する光の屈曲により、前記平面の一方の空間に配置された物体や映像を反対側の空間に実像として結像させる結像素子の作成方法であって、
   前記基板として、アルミニウム、ステンレス、クロム、およびモリブデンのうちのいずれか１つの金属または２以上の金属を含む合金からなる金属製の薄板、又は樹脂製の薄板を用意する工程と、
   前記基板を別の基板を下敷きとして又は直接テーブル上に載置して固定する工程と、
   前記基板の載置固定する工程と前後して、前記鏡面に対応した少なくとも２側面を有する凸型の打抜き刃を複数配列してなる刃部を超音波ウェルダのホーンに固定し、該ホーンに固定した刃部を該ホーンを介して所定の超音波発振周波数で振動させる工程と、
   前記刃部を前記基板に圧接させ、前記打抜き刃と前記基板との当接位置から打抜き完了位置までの間、前記刃部を振動させながら該打抜き刃で該基板を打抜いて複数の微小孔を形成する工程とを備え、
   前記打抜き刃は各々、前記２側面のなす角が直角で、前記２側面によってできる角部の一端が当該打抜き刃の先端部となり、該先端部から該２側面に沿って円弧状に形成された先端面を有することを特徴とする結像素子の作成方法。
2. 平面を構成する基板に、これを垂直に貫通する複数の微小孔を形成し、各孔の内面に直交する２つの鏡面を形成して、該各孔を透過する光の屈曲により、前記平面の一方の空間に配置された物体や映像を反対側の空間に実像として結像させる結像素子の作成方法であって、
   前記基板として、アルミニウム、ステンレス、クロム、およびモリブデンのうちのいずれか１つの金属または２以上の金属を含む合金からなる金属製の薄板、又は樹脂製の薄板を用意する工程と、
   前記鏡面に対応した少なくとも２側面を有する凸型の打抜き刃を複数配列してなる刃部に対向して、前記基板をテーブル上に載置して固定する工程と、
   前記テーブルを所定の超音波発振周波数で振動させる工程と、
   前記刃部を前記基板に圧接させ、前記打抜き刃と前記基板との当接位置から打抜き完了位置までの間、前記テーブルを振動させながら該打抜き刃で該基板を打抜いて複数の微小孔を形成する工程とを備え、
   前記打抜き刃は各々、前記２側面のなす角が直角で、前記２側面によってできる角部の一端が当該打抜き刃の先端部となり、該先端部から該２側面に沿って円弧状に形成された先端面を有することを特徴とする結像素子の作成方法。
3. 請求項１または２記載の結像素子の作成方法において、
   前記基板は樹脂製の薄板からなり、前記打抜き刃で該基板を打抜いた後に、前記鏡面に反射膜をコーティングすることを特徴とする結像素子の作成方法。
4. 請求項１または２記載の結像素子の作成方法において、
   前記超音波発振周波数は１５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲の周波数であることを特徴とする結像素子の作成方法。