金型の製造方法および金型
【課題】被加工物の表面に目的とする所望の形状と同時に溝形状を形成することができるとともに、加工時間が増大しない加工方法を提供する。
【解決手段】回転状態で振れが発生するように、被加工物を加工するための工具を加工し、その加工後の工具を回転させた状態で、被加工物の一例である金型１１に接触させることにより、金型１１の表面に、所望の形状の一例である単一光学面形状１２を形成すると同時に、溝形状１３を形成する。
【解決手段】回転状態で振れが発生するように、被加工物を加工するための工具を加工し、その加工後の工具を回転させた状態で、被加工物の一例である金型１１に接触させることにより、金型１１の表面に、所望の形状の一例である単一光学面形状１２を形成すると同時に、溝形状１３を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金型を製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子を成形するための金型として、光学素子の光学面を転写するための光学面形状に凹溝を有する金型が、例えば特許文献１に提案されている。特許文献１では、この凹溝を用いて、光学素子の素材を加熱軟化して金型内に充填する工程におけるガス抜け不良を改善している。
【０００３】
以下、特許文献１に記載された光学素子成形用の金型について説明する。図１０（ａ）〜（ｃ）は特許文献１に記載された従来の光学素子成形用の金型を示す。具体的には、図１０（ａ）は金型の平面図であり、図１０（ｂ）は金型の斜視図であり、図１０（ｃ）は金型の要部拡大図である。
【０００４】
図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、従来の光学素子成形用の金型１には、光学素子の光学面を転写するための転写部３に１本のガス抜き用の凹溝２が設けられている。この凹溝２は、転写部３の中心側の根元部ＲＣから、転写部３の周囲の縁部４の外周端にかけて、直線的に伸びている。さらに、この凹溝２は、転写部３の中心側の根元部ＲＣから外側の転写端部ＲＰにかけて、その溝幅が徐々に太くなっている。
【０００５】
ガス抜き用の凹溝が設けられた金型を用いて成形された光学素子の光学面には、その光学面にとって無効な、凹溝の反転形状である凸形状が形成される。だが、上記した従来の金型によれば、凹溝２の溝幅が、転写部３の転写端部ＲＰから根元部ＲＣにかけて徐々に細くなっているため、成形される光学素子の光学性能に凹溝２が及ぼす影響を少なくできる。
【０００６】
したがって、上記従来の光学素子成形用の金型は、光学性能に及ぼす影響を少なくしつつ、光学素子の成形時に発生するガスを容易に排出できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−９８５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の光学素子成形用の金型は、成形対象である光学素子の光学面に対応する所望の形状に被加工物を加工するときの加工の進行方向と直交する方向にガス抜き用の凹溝２が配置されている。詳しく述べると、回転対称な形状を有する光学面を備えた光学素子成形用の金型の製造時には、被加工物を回転させながら、工具を、被加工物の加工領域の外周部または内周部から、光学面の形状に沿って移動させることにより、被加工物の加工領域を、回転対称な形状を有する光学面形状に加工する。上記従来の光学素子成形用の金型も、回転対称な形状の光学面を成形するためのものである。つまり、光学素子の光学面を転写するための転写部３に形成する、目的とする所望の形状は、回転対称な形状であるので、転写部３の中心側の根元部ＲＣから、転写部３の周囲の縁部４の外周端にかけて、直線的に伸びている凹溝２の方向は、目的とする所望の形状を転写部３に形成するときの加工の進行方向と直交する。そのため、上記従来の光学素子成形用の金型では、光学面に対応する所望の形状と同時に凹溝２を形成することができず、転写部３を光学面に対応する所望の形状に加工した後に凹溝２を形成する必要がある。
【０００９】
このように、成形対象の光学素子の光学面に対応する所望の形状を形成した後に、ガス抜き用の凹溝を形成すると、加工時間が増大する。
【００１０】
また、加工時間が増大すると、加工中に、加工装置が置かれている環境の変化が発生する。そのため、複数の光学面を有する光学素子を成形するための金型を製造するときには、環境の変化により、成形対象である光学素子の各光学面を転写するための各光学面形状の配置にずれが生じる場合がある。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、被加工物の表面に所望の形状と同時に溝形状を形成することができる金型の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の金型の製造方法は、回転状態で振れが発生するように工具を加工した後、加工した前記工具を回転させた状態で被加工物に接触させることにより、被加工物の表面の加工領域を所望の形状に加工すると同時に、前記加工領域に溝形状を形成して、光学面形状が形成された金型を製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被加工物の表面に所望の形状と同時に溝形状を形成することができる。したがって、本発明により金型を製造すれば、加熱軟化した素材を金型内に充填する工程においてガスの排出を容易に行うための溝形状を金型に設ける場合でも加工時間の増大を防ぐことができる。さらに、加工時間の増大を防ぐことで、加工時間の増大に起因する光学面形状の配置のずれを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態における光学素子成形用の金型の一例を示す平面図、（ｂ）本発明の実施の形態における光学素子成形用の金型の一例の要部を拡大して示す断面図
【図２】本発明の実施の形態における加工装置の一例の全体を示す斜視図
【図３】本発明の実施の形態における加工方法の一例を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態における加工方法の第１前工程を実施する際の加工装置の側面図
【図５】本発明の実施の形態における加工方法の第２前工程を実施する際の加工装置の斜視図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態における本工程を実施する際の工具の配置を説明するための正面図、（ｂ）本発明の実施の形態における本工程を実施する際の工具の移動方向を説明するための断面図
【図７】本発明の実施の形態における金型の電子顕微鏡写真
【図８】本発明の実施の形態における光学素子の比較例の電子顕微鏡写真
【図９】本発明の実施の形態における光学素子の電子顕微鏡写真
【図１０】（ａ）従来の光学素子成形用の金型を示す平面図、（ｂ）従来の光学素子成形用の金型を示す斜視図、（ｃ）従来の光学素子成形用の金型の凹溝の拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。また図示された各構成要素の厚み、長さ、個数等は、図面作成の都合上から実際とは異なる。なお、以下の実施の形態で示す各構成要素の材質や形状、寸法等は、一例であって特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００１６】
この実施の形態では、複数の光学面を有する光学素子を成形するための金型を製造する場合について説明するが、無論、単一の光学面を有する光学素子を成形するための金型を製造する場合も同様に実施できる。
【００１７】
図１（ａ）は本発明の実施の形態における光学素子成形用の金型の一例を示す平面図であり、図１（ｂ）はその金型の要部拡大断面図である。詳しくは、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ｂ線に沿った断面を示している。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、この実施の形態で製造する光学素子成形用の金型１１は、その表面の一例である先端面に、成形対象である光学素子の複数の光学面を転写するための複数の光学面形状（以下、「単一光学面形状」という。）１２が形成されている。そして、各単一光学面形状１２には、複数の溝形状１３が渦を巻くように形成されている。あるいは、単一光学面形状１２の中心から外周端にかけてカーブする複数の溝形状１３が放射状に形成されている。また、図１（ｂ）に示すように、溝形状１３として、深さの異なる２種類の溝を形成している。
【００１９】
なお、図示しないが、金型１１の外観は、概略、円板状の支持体１１ｂ上に円筒部１１ａが接合された形状となっている。但し、金型１１の外観形状はこの形状に限定されるものではない。また、この実施の形態では、光学素子成形用の金型１１の素材の一例として、一般的に用いられる超硬合金を用いている。
【００２０】
図２は、この実施の形態における加工装置の一例の全体を示す斜視図である。この加工装置１４は、成形対象の光学素子の光学面に対応する所望の形状を被加工物（加工前の金型１１）に形成するのに使用する。
【００２１】
図２に示すように、この加工装置１４は、図示しない駆動装置によって駆動することができる直交軸として、Ｘ軸ステージ１４ａ、Ｙ軸ステージ１４ｂ、Ｚ軸ステージ１４ｃを有している。Ｘ軸ステージ１４ａ、Ｙ軸ステージ１４ｂ、Ｚ軸ステージ１４ｃは、互いに直交する３軸方向に移動するステージである。
【００２２】
Ｘ軸ステージ１４ａ上に配置されたＹ軸ステージ１４ｂには、工具１５を保持して、回転させることができる工具スピンドル１６が設けられている。
【００２３】
この実施の形態では、工具スピンドル１６の軸心が工具１５の中心を通るように、工具１５を配置した。また、工具スピンドル１６として、高圧エアーにより、軸が浮上し回転するエアー・タービン・スピンドルを用いた。また、工具１５には、♯２０００番のダイヤモンド砥粒を結合したビトリファイドボンド砥石であって、正面視したときの形状が台形形状で、平面視したときの形状が直径φ０．５ｍｍの円形状のものを用いた。
【００２４】
Ｚ軸ステージ１４ｃ上には、工具スピンドル１６の軸心に直交する方向に軸心を有する回転軸１７が設けられている。この回転軸１７は、その回転位置（回転角度）を割り出す機能を有しており、この加工装置１４は、割り出された回転位置を基に回転軸１７の回転数（回転速度）を調整することができる。
【００２５】
回転軸１７の工具１５に対向する端面には、可動プレートを有するワーク固定治具１８が取り付けられている。このワーク固定治具１８に、被加工物（金型１１）が取り付けられる。この加工装置１４では、ワーク固定治具１８の可動プレートにより、回転軸１７の一方の端面（Ｘ−Ｙ面）上で被加工物の位置を微調整することができる。
【００２６】
なお、図示しないが、加工装置１４は、その全体の動作を制御するための制御部と記憶部を備えており、Ｘ軸ステージ１４ａ、Ｙ軸ステージ１４ｂ、Ｚ軸ステージ１４ｃ、工具スピンドル１６、回転軸１７の動作は、記憶部に事前に記憶されたプログラムに従って制御部により制御される。
【００２７】
続いて、以上のように構成された加工装置１４により光学素子成形用の金型１１を製造する方法について詳しく説明する。この実施の形態では、図１に示すように、金型１１の円筒部１１ａの直径φ８．０ｍｍの先端面に、概略六角形状でその最大幅が７５０μｍとなる７面の単一光学面形状１２を、それらの中心間距離が６５０μｍとなるように形成する。
【００２８】
図３はこの実施の形態における加工工程の一例を示すフローチャートである。本加工工程は、金型１１の製造工程であり、第１前工程、第２前工程、本工程に大別される。まず、図４を用いて、第１前工程から説明する。図４は第１前工程を実施する際の加工装置１４を示す側面図である。
【００２９】
第１前工程では、まず、図３のステップＳ１において、図４に示すように、第２工具の一例である工具ツルア１９を回転軸１７に取り付ける。回転軸１７に取り付ける第２工具は、第１工具である工具１５を成形し直す（ツルーイング工程）か、または成形する（フォーミング工程）ためのものである。この実施の形態では、工具ツルア１９として、♯１６０番のダイヤモンド砥粒を電着によって平板上に固着させたツルーイング砥石を用いて、第１工具である工具１５をツルーイングした。
【００３０】
次に、図３のステップＳ２において、図４に示すように、工具１５を振動させるための振動素子の一例である圧電振動素子２０を取り付ける。圧電振動素子２０は、発振電源から交番電圧が供給されることにより振動する。
【００３１】
次に、図３のステップＳ３において、工具スピンドル１６に固定されている工具１５を所定の回転数で回転させる。この実施の形態では、工具１５を６００００ｒｐｍ（回転周波数１ｋＨｚ）で回転させる。
【００３２】
次に、図３のステップＳ４において、圧電振動素子２０を周波数２ｋＨｚ、振幅１μｍで振動させる。これにより、工具スピンドル１６に振動が与えられ、さらに、回転している工具１５に振動が与えられる。
【００３３】
次に、図３のステップＳ５において、回転している工具１５に振動を与えた状態で工具ツルア１９と接触させて、工具１５のツルーイングを実施した。
【００３４】
この実施の形態では、工具スピンドル１６がその軸心１６ａと直交する方向に振動するように圧電振動素子２０を取り付けて、回転している工具１５の周縁部を、その回転軸と直交する方向に振動させて、工具ツルア１９に接触させている。
【００３５】
本実施の形態では、以上のように、回転している工具１５に圧電振動素子２０が与える振動の周波数を、工具１５（工具スピンドル１６）の回転周波数１ｋＨｚの２倍となる２ｋＨｚに設定している。そのため、工具１５を工具ツルア１９に接触させることにより、回転する工具１５の周縁部にほぼ２周期の振れが発生した状態で、工具１５を加工することができる。その結果、回転する工具１５の周縁部に、加工によるほぼ２周期の振れが発生する。
【００３６】
なお、工具１５（工具スピンドル１６）の回転周波数１ｋＨｚよりも低い周波数の振動を、回転している工具１５に与えた場合には、工具スピンドル１６自体の振れにより、回転する工具１５の周縁部に、加工による振れが発生しないことがあった。
【００３７】
また、工具１５（工具スピンドル１６）の回転周波数１ｋＨｚの２倍を超える周波数の振動を、回転している工具１５に与えた場合には、単一光学面形状１２に形成される溝形状１３の深さが浅くなり、溝形状１３の形成が困難になった。これは、回転周波数１ｋＨｚの２倍を超える周波数の振動を与えた場合は、工具１５の周縁部の１回転での振れが多くなり、工具ツルア１９に接触させて加工した工具１５の周縁部の加工痕が均一化されたためだと考えられる。
【００３８】
したがって、回転している工具１５に与える振動の周波数（圧電振動素子２０の振動周波数）は、工具１５（工具スピンドル１６）の回転周波数の１．０倍以上かつ２．０倍以下の範囲内が望ましい。このようにすれば、工具１５の回転周波数の１．０倍以上かつ２．０倍以下となる周波数の振れ、つまり１周期以上かつ２周期以下の振れが回転状態の工具１５の周縁部に発生するように、工具１５を加工することができる。
【００３９】
このようにして、回転する工具１５の周縁部にほぼ２周期の振れを発生させている。その結果、図１（ｂ）に示すように、単一光学面形状１２に、互いに深さが異なる２種類の溝形状１３が形成される。ここで、溝形状１３として、深さの異なる２種類の溝を形成しているのは、光学素子の成形時に発生するガスの抜ける速度や部位にズレを生じさせ、ガスの吸出し効果を高め、ガス溜りを生じないようにするためである。
【００４０】
また、この実施の形態では、工具スピンドル１６自体の回転振れを考慮して、圧電振動素子２０を振幅１μｍで振動させて、回転状態の工具１５の周縁部に２μｍ以下の振れが発生するように工具１５の周縁部の加工（ツルーイング）を実施した。
【００４１】
続いて、第２前工程について説明する。図５は第２前工程を実施する際の加工装置１４を示す斜視図である。
【００４２】
第２前工程では、まず、図３のステップＳ６において、回転する工具１５の周縁部に発生する振れを計測するために、快削性の素材を回転軸１７に取り付ける。この実施の形態では、図５に示すように、快削性の素材としてシリコン平面ワーク２１を取り付けた。
【００４３】
次に、図３のステップＳ７において、回転軸１７を６０ｒｐｍにて回転させるとともに、工具スピンドル１６を回転周波数１ｋＨｚ（６００００ｒｐｍ）で回転させた状態で、Ｘ軸ステージ１４ａおよびＹ軸ステージ１４ｂを駆動して、回転する工具１５をシリコン平面ワーク２１に対向する所定位置に移動させる。その後、Ｚ軸ステージ１４ｃを駆動して、回転する工具１５の周縁部をシリコン平面ワーク２１に接触させる。そして、シリコン平面ワーク２１が１回転する前に、Ｚ軸ステージ１４ｃを駆動して、回転する工具１５をシリコン平面ワーク２１から引き離す。
【００４４】
これにより、シリコン平面ワーク２１に、回転する工具１５の周縁部による加工痕が形成されるとともに、その加工痕上に、回転する工具１５の周縁部に発生する振れにより、溝形状が形成される。
【００４５】
次に、図３のステップＳ８において、回転軸１７の回転を停止してシリコン平面ワーク２１を取り外し、シリコン平面ワーク２１に残った溝形状の深さを確認する。
【００４６】
たとえば、可視光領域で用いられる光学素子を成形するための金型を製造する場合には、溝形状の深さが１５０ｎｍ以下であるかどうかを確認する。これは、金型に深さが１５０ｎｍを超える溝形状が存在すると、可視光領域で用いられる光学素子の光学面に高さが１５０ｎｍを超える凸形状が形成され、その凸形状が光学素子の光学性能に影響を及ぼすためである。
【００４７】
溝形状の深さが所定値を超える場合は、図３のステップＳ９において、第１前工程における圧電振動素子２０の振幅値および第２前工程における回転軸１７の回転数を減少させて、第１前工程のステップＳ１からやり直す。ここで、回転軸１７の回転数を減少させる（下げる）のは、回転する工具１５の周縁部の振れの影響を小さくして溝形状の深さを浅くするためである。すなわち、回転軸１７の回転数を下げることによって、回転軸１７上に保持されている被加工物に対して作用する、工具１５の振れから発生する遠心力に起因する力を弱めて、回転軸１７の保持力を強くし、振れの影響を小さくすることができる。
【００４８】
なお、回転する工具１５の周縁部に２μｍよりも大きい振れが発生すると、振れの影響を小さくするために回転軸１７の回転数を下げても溝形状の深さを１５０ｎｍ以下にすることができなかった。よって、可視光領域で用いられる光学素子を成形するための金型を製造する場合には、回転する工具１５に振幅２μｍ以下の振れを発生させることが望ましい。
【００４９】
続いて、本工程について説明する。図６（ａ）は本工程を実施する際の工具１５の配置を説明するための正面図であり、図６（ｂ）は本工程を実施する際の工具１５の移動方向を説明するための断面図である。
【００５０】
本工程では、まず、図３のステップＳ１０において、被加工物である加工前の光学素子成形用の金型１１をワーク固定治具１８に取り付ける。この実施の形態では、各単一光学面形状１２が形成される各加工領域１２ａのうち、加工対象の加工領域１２ａの中心が回転軸１７の軸心と一致するように、金型１１を取り付ける。したがって、この実施の形態では、加工領域１２ａを一箇所加工するごとに、金型１１の取り付け位置を変更する。
【００５１】
次に、図３のステップＳ１１において、ツルーイングが実施された工具１５を、工具スピンドル１６によって回転させながら、所定の設計形状に基づき、金型１１の円筒部１１ａの先端面に接触させて、回転軸１７によって回転する金型１１に対して相対的に移動させることにより、単一光学面形状１２を形成する。このとき、工具１５を回転周波数１ｋＨｚで回転させるとともに、回転軸１７を第２前工程で決定された定速回転数にて回転させる。
【００５２】
具体的には、図６（ａ）に示すように、Ｘ軸ステージ１４ａおよびＹ軸ステージ１４ｂを駆動して、回転軸１７の軸心上に配置された加工対象の加工領域１２ａの半径位置に対応する位置に、回転する工具１５を位置決めする。その後、Ｚ軸ステージ１４ｃを駆動して、回転する工具１５の周縁部を加工対象の加工領域１２ａに接触させる。接触後、Ｘ軸ステージ１４ａおよびＺ軸ステージ１４ｃを駆動して、回転する工具１５を、単一光学面形状１２に沿うように、回転する金型１１に対して相対的に、加工対象の加工領域１２ａの外周部から中心部に向かって移動させる。詳細には、工具１５の中心が図６（ｂ）の加工軌跡２２に沿って移動するように、Ｘ軸ステージ１４ａおよびＺ軸ステージ１４ｃを毎分０．２ｍｍの送り速度にて駆動する。その後、Ｚ軸ステージ１４ｃを駆動して、回転する工具１５を、回転する金型１１から引き離す。
【００５３】
これにより、被加工物である金型１１が１回転する前に、工具１５が金型１１から引き離されて、加工対象の加工領域１２ａ内の所定の加工範囲に加工痕が形成される。それとともに、その加工痕上に、回転する工具１５の周縁部に発生する振れにより、２種類の深さの溝を有する溝形状１３が形成される。
【００５４】
以上の操作を、加工対象の加工領域１２ａのすべてに加工痕が形成されるまで繰り返す。これにより、工具１５の所定の加工軌跡２２に沿った移動と回転軸１７の所定の回転角度分の回転が繰り返されて、加工対象の加工領域１２ａに、概略六角形状の単一光学面形状１２が形成される。また、単一光学面形状１２と同時に、単一光学面形状１２上に、その中心から外周端に至る複数の溝形状１３が、渦を巻くように形成される。あるいは、単一光学面形状１２の中心から外周端にかけてカーブする複数の溝形状１３が放射状に形成される。
【００５５】
加工対象の加工領域１２ａの加工が完了すると、金型１１を回転軸１７のワーク固定治具１８から取り外して、金型１１の取り付け位置を変更する（図３のステップＳ１２）。具体的には、上述したように、次の加工対象の加工領域１２ａの中心が回転軸１７の軸心と一致するように、金型１１の取り付け位置を変更する。そして、その次の加工対象の加工領域１２ａの加工を行う（図３のステップＳ１１）。
【００５６】
以降、ステップＳ１１とステップＳ１２を、全加工領域１２ａの加工が完了するまで繰り返して（図３のステップＳ１３）、本工程を終了する。
【００５７】
以上説明した本工程を実施することにより、図７の電子顕微鏡写真に示すような概略渦巻き状となる複数の溝形状１３を、単一光学面形状１２と同時に形成することができる。あるいは、単一光学面形状１２と同時に、その単一光学面形状１２の中心から外周端にかけてカーブする複数の溝形状１３を放射状に形成することができる。
【００５８】
本実施の形態によって、複数の光学面を有する光学素子を成形するための金型１１の製造時に、各光学面を転写するための各単一光学面形状１２と同時に、加熱軟化した光学素子の素材を金型内に充填する工程においてガスの排出を容易に行うための溝形状１３を形成することができる。そのため、溝を有する金型の加工時間の増大を防ぐことができ、加工時間の増大に起因する光学面形状の配置のずれを防ぐことができる。具体的には、この実施の形態の条件では、単一光学面形状１２のＺ軸方向におけるバラツキを０．５μｍ以下に抑えることができた。
【００５９】
単一光学面形状１２上に、その中心から外周端に至る複数の溝形状１３が、渦を巻くように形成されるのは、あるいは単一光学面形状１２の中心から外周端にかけてカーブする複数の溝形状１３が放射状に形成されるのは、工具１５の所定の加工軌跡２２に沿った移動と、回転する工具１５の周縁部における周期的な振れと、被加工物である光学素子成形用の金型１１を保持する回転軸１７の回転数の影響を受けてのことである。なお、回転する工具１５の周縁部に周期的な振れが無ければ、図１（ｂ）に示すような溝形状１３は形成されない。
【００６０】
ここで、単一光学面形状１２の近似半径は、単一光学面形状が多角形の場合は、その外接円の半径であり、円形の場合は、その半径であり、円弧の連続である場合は、その最小曲率半径である。また、ツルーイング実施後の回転する工具１５の近似半径は、その周縁部が通る軌跡の最大半径である。この実施の形態では、回転状態において振幅２μｍの振れが発生するように工具１５の周縁部が加工されているが、加工前の工具１５の平面視形状は直径φ０．５ｍｍの円形状であり、振れの振幅に対して非常に大きいので、ツルーイング実施後の回転する工具１５の近似半径は、加工前の工具１５の半径と略同じである。
【００６１】
ツルーイング実施後の回転する工具１５の近似半径と単一光学面形状１２の近似半径との比率は、ツルーイング実施後の回転する工具１５の近似半径：単一光学面形状１２の近似半径＝０．６：１．０以上かつ０．８：１．０以下が望ましい。
【００６２】
ここで、０．６：１．０以上としたのは、ツルーイング実施後の回転する工具１５の近似半径と単一光学面形状１２の近似半径との比率が０．５以下になると、単一光学面形状１２に接触する工具１５の周縁部の弧の長さが短くなって、溝形状１３が繋がらなくなるためである。また、０．８：１．０以下としたのは、その比率が０．８を超えると、単一光学面形状１２の中心部分において溝形状１３が消滅してしまう現象が発生しやすくなるためである。
【００６３】
また、溝形状１３の２種類の溝の深さの平均は５０ｎｍ以上が望ましい。これは、溝形状１３の深さの平均が５０ｎｍよりも小さくなると、溝形状１３によるガスの排出が悪化するためである。図８に、溝形状１３の深さの平均を５０ｎｍよりも浅くした金型を用いて成形した光学素子の顕微鏡写真を示す。また、図９に、溝形状１３の深さの平均を１２０ｎｍ程度に調整した金型を用いて成形した光学素子の顕微鏡写真を示す。
【００６４】
前記した金型の製造工程（加工工程）において、圧電振動素子２０の振幅値や回転軸１７の回転数を低下させて、溝形状の深さを浅くし、金型の単一光学面形状の表面粗さを５０ｎｍよりも小さくしたところ、加熱軟化した素材を金型内に充填する工程においてガスの排出が著しく悪化し、図８に見られるようなガス溜まりが発生した。
【００６５】
これは、溝形状１３の深さが浅くなることで、ガスが抜ける前に、加熱軟化した光学素子の素材が単一光学面形状をシールしてしまい、ガスの逃げ場が失われたためであると考えられる。ガスが抜ける前に、加熱軟化した光学素子の素材が単一光学面形状をシールしてしまうのは、溝形状１３の深さが浅くなった結果として、単一光学面形状の表面の粗さが小さくなり、光学素子成形用の金型と光学素子の素材との摩擦が低下し、加熱軟化した光学素子の素材が加圧されて単一光学面形状の内部へ流入するときの光学素子の素材の速度が速くなるためであると考えられる。
【００６６】
一方、実際に、溝形状１３の深さの平均を１２０ｎｍ程度に調整した金型を用いて成形した光学素子には、図９に示すように、ガス溜まりが発生していない。なお、図９に示す電子顕微鏡写真において、符号１３ａは、溝形状１３が反転転写された凸形状である。
【００６７】
したがって、光学素子の成形時におけるガス抜きを容易にするためには、単一光学面形状１２の表面の粗さを粗くすることが望ましい。可視光領域で用いられる光学素子を成形するための金型を製造する場合には、光学性能への影響を考えると、溝形状１３の深さは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。
【００６８】
また、この実施の形態では、加工対象の加工領域１２ａの中心を回転軸１７の軸心に一致させて、回転軸１７を定速回転させている。そのため、工具１５によって加工される金型１１の部位（加工部位）が工具１５の１回転中に移動する量は、加工部位の位置が加工領域１２ａの外周部に近づくにつれて大きくなる。その結果、溝形状１３は、単一光学面形状１２の中心から外周端に向かって溝幅が拡大する形状となる。
【００６９】
但し、回転軸１７の回転数が増加するほど、工具１５が１回転する間に加工部位が移動する量が大きくなり、その結果、単一光学面形状１２の中心と外周端との間における溝形状１３の角度のずれ（単一光学面形状１２の中心から外周端に向かって伸びる直線に対する溝形状１３のずれ幅）が大きくなる。そのため、回転軸１７の回転数が増加するほど、溝形状１３によるガス抜きの効果が妨げられる。したがって、回転軸１７を定速回転させる場合には、ガス抜きの効果が得られるように、回転軸１７の回転数を調整する必要がある。
【００７０】
また、この実施の形態では、回転軸１７を定速回転させたが、回転軸１７の回転位置の割り出し機能を用いて、工具１５が１回転する間に回転軸１７が回転する角度が、加工部位の各半径位置で同一となるように、回転軸１７の回転数を制御すれば、つまり、回転軸１７の回転を角速度一定に制御すれば、回転する工具１５の金型１１に対する相対的な移動を制御することにより、単一光学面形状１２の中心と外周端との間における溝形状１３の角度のずれや、溝形状１３の深さをコントロールすることができる。
【００７１】
さらに、回転軸１７の回転を角速度一定に制御した場合には、単一光学面形状１２の中心から外周端にかけて、直線状の溝形状を放射状に形成することが可能となり、ガス抜き効果を拡大させることができるので、なお好適である。
【００７２】
また、この実施の形態によれば、単一光学面形状１２に複数本の溝形状１３が形成されるため、ガス抜き用の溝形状が１本設けられた構成よりも、単一光学面形状１２における溝形状１３の表面積が拡大して、加熱軟化した光学素子の素材の流れ込み速度が低下するという効果が得られる。その結果、ガス抜き用の溝形状が１本設けられた構成よりも、光学素子の成形時に発生するガスを、さらに容易に排出できるようになる。
【００７３】
また、この実施の形態では、回転する工具に振れを持たせるために、工具ツルアと圧電振動素子を用いたが、回転する工具の周縁部に振れを持たせることができる方法であれば、他の方法、例えばレーザ加工装置による加工等の方法を用いても問題無く実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明にかかる金型の製造方法は、被加工物に、所望の形状と同時に溝形状を形成することができ、例えば光学素子を成形する金型の製造に適用できる。
【符号の説明】
【００７５】
１ 金型
２ 凹溝
３ 転写部
４ 縁部
１１ 金型
１１ａ 円筒部
１１ｂ 支持体
１２ 単一光学面形状
１３ 溝形状
１３ａ 凸形状
１４ 加工装置
１４ａ Ｘ軸ステージ
１４ｂ Ｙ軸ステージ
１４ｃ Ｚ軸ステージ
１５ 工具
１６ 工具スピンドル
１６ａ 軸心
１７ 回転軸
１８ ワーク固定治具
１９ 工具ツルア
２０ 圧電振動素子
２１ シリコン平面ワーク
２２ 加工軌跡
【技術分野】
【０００１】
本発明は金型を製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子を成形するための金型として、光学素子の光学面を転写するための光学面形状に凹溝を有する金型が、例えば特許文献１に提案されている。特許文献１では、この凹溝を用いて、光学素子の素材を加熱軟化して金型内に充填する工程におけるガス抜け不良を改善している。
【０００３】
以下、特許文献１に記載された光学素子成形用の金型について説明する。図１０（ａ）〜（ｃ）は特許文献１に記載された従来の光学素子成形用の金型を示す。具体的には、図１０（ａ）は金型の平面図であり、図１０（ｂ）は金型の斜視図であり、図１０（ｃ）は金型の要部拡大図である。
【０００４】
図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、従来の光学素子成形用の金型１には、光学素子の光学面を転写するための転写部３に１本のガス抜き用の凹溝２が設けられている。この凹溝２は、転写部３の中心側の根元部ＲＣから、転写部３の周囲の縁部４の外周端にかけて、直線的に伸びている。さらに、この凹溝２は、転写部３の中心側の根元部ＲＣから外側の転写端部ＲＰにかけて、その溝幅が徐々に太くなっている。
【０００５】
ガス抜き用の凹溝が設けられた金型を用いて成形された光学素子の光学面には、その光学面にとって無効な、凹溝の反転形状である凸形状が形成される。だが、上記した従来の金型によれば、凹溝２の溝幅が、転写部３の転写端部ＲＰから根元部ＲＣにかけて徐々に細くなっているため、成形される光学素子の光学性能に凹溝２が及ぼす影響を少なくできる。
【０００６】
したがって、上記従来の光学素子成形用の金型は、光学性能に及ぼす影響を少なくしつつ、光学素子の成形時に発生するガスを容易に排出できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−９８５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の光学素子成形用の金型は、成形対象である光学素子の光学面に対応する所望の形状に被加工物を加工するときの加工の進行方向と直交する方向にガス抜き用の凹溝２が配置されている。詳しく述べると、回転対称な形状を有する光学面を備えた光学素子成形用の金型の製造時には、被加工物を回転させながら、工具を、被加工物の加工領域の外周部または内周部から、光学面の形状に沿って移動させることにより、被加工物の加工領域を、回転対称な形状を有する光学面形状に加工する。上記従来の光学素子成形用の金型も、回転対称な形状の光学面を成形するためのものである。つまり、光学素子の光学面を転写するための転写部３に形成する、目的とする所望の形状は、回転対称な形状であるので、転写部３の中心側の根元部ＲＣから、転写部３の周囲の縁部４の外周端にかけて、直線的に伸びている凹溝２の方向は、目的とする所望の形状を転写部３に形成するときの加工の進行方向と直交する。そのため、上記従来の光学素子成形用の金型では、光学面に対応する所望の形状と同時に凹溝２を形成することができず、転写部３を光学面に対応する所望の形状に加工した後に凹溝２を形成する必要がある。
【０００９】
このように、成形対象の光学素子の光学面に対応する所望の形状を形成した後に、ガス抜き用の凹溝を形成すると、加工時間が増大する。
【００１０】
また、加工時間が増大すると、加工中に、加工装置が置かれている環境の変化が発生する。そのため、複数の光学面を有する光学素子を成形するための金型を製造するときには、環境の変化により、成形対象である光学素子の各光学面を転写するための各光学面形状の配置にずれが生じる場合がある。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、被加工物の表面に所望の形状と同時に溝形状を形成することができる金型の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の金型の製造方法は、回転状態で振れが発生するように工具を加工した後、加工した前記工具を回転させた状態で被加工物に接触させることにより、被加工物の表面の加工領域を所望の形状に加工すると同時に、前記加工領域に溝形状を形成して、光学面形状が形成された金型を製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被加工物の表面に所望の形状と同時に溝形状を形成することができる。したがって、本発明により金型を製造すれば、加熱軟化した素材を金型内に充填する工程においてガスの排出を容易に行うための溝形状を金型に設ける場合でも加工時間の増大を防ぐことができる。さらに、加工時間の増大を防ぐことで、加工時間の増大に起因する光学面形状の配置のずれを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態における光学素子成形用の金型の一例を示す平面図、（ｂ）本発明の実施の形態における光学素子成形用の金型の一例の要部を拡大して示す断面図
【図２】本発明の実施の形態における加工装置の一例の全体を示す斜視図
【図３】本発明の実施の形態における加工方法の一例を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態における加工方法の第１前工程を実施する際の加工装置の側面図
【図５】本発明の実施の形態における加工方法の第２前工程を実施する際の加工装置の斜視図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態における本工程を実施する際の工具の配置を説明するための正面図、（ｂ）本発明の実施の形態における本工程を実施する際の工具の移動方向を説明するための断面図
【図７】本発明の実施の形態における金型の電子顕微鏡写真
【図８】本発明の実施の形態における光学素子の比較例の電子顕微鏡写真
【図９】本発明の実施の形態における光学素子の電子顕微鏡写真
【図１０】（ａ）従来の光学素子成形用の金型を示す平面図、（ｂ）従来の光学素子成形用の金型を示す斜視図、（ｃ）従来の光学素子成形用の金型の凹溝の拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。また図示された各構成要素の厚み、長さ、個数等は、図面作成の都合上から実際とは異なる。なお、以下の実施の形態で示す各構成要素の材質や形状、寸法等は、一例であって特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００１６】
この実施の形態では、複数の光学面を有する光学素子を成形するための金型を製造する場合について説明するが、無論、単一の光学面を有する光学素子を成形するための金型を製造する場合も同様に実施できる。
【００１７】
図１（ａ）は本発明の実施の形態における光学素子成形用の金型の一例を示す平面図であり、図１（ｂ）はその金型の要部拡大断面図である。詳しくは、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ｂ線に沿った断面を示している。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、この実施の形態で製造する光学素子成形用の金型１１は、その表面の一例である先端面に、成形対象である光学素子の複数の光学面を転写するための複数の光学面形状（以下、「単一光学面形状」という。）１２が形成されている。そして、各単一光学面形状１２には、複数の溝形状１３が渦を巻くように形成されている。あるいは、単一光学面形状１２の中心から外周端にかけてカーブする複数の溝形状１３が放射状に形成されている。また、図１（ｂ）に示すように、溝形状１３として、深さの異なる２種類の溝を形成している。
【００１９】
なお、図示しないが、金型１１の外観は、概略、円板状の支持体１１ｂ上に円筒部１１ａが接合された形状となっている。但し、金型１１の外観形状はこの形状に限定されるものではない。また、この実施の形態では、光学素子成形用の金型１１の素材の一例として、一般的に用いられる超硬合金を用いている。
【００２０】
図２は、この実施の形態における加工装置の一例の全体を示す斜視図である。この加工装置１４は、成形対象の光学素子の光学面に対応する所望の形状を被加工物（加工前の金型１１）に形成するのに使用する。
【００２１】
図２に示すように、この加工装置１４は、図示しない駆動装置によって駆動することができる直交軸として、Ｘ軸ステージ１４ａ、Ｙ軸ステージ１４ｂ、Ｚ軸ステージ１４ｃを有している。Ｘ軸ステージ１４ａ、Ｙ軸ステージ１４ｂ、Ｚ軸ステージ１４ｃは、互いに直交する３軸方向に移動するステージである。
【００２２】
Ｘ軸ステージ１４ａ上に配置されたＹ軸ステージ１４ｂには、工具１５を保持して、回転させることができる工具スピンドル１６が設けられている。
【００２３】
この実施の形態では、工具スピンドル１６の軸心が工具１５の中心を通るように、工具１５を配置した。また、工具スピンドル１６として、高圧エアーにより、軸が浮上し回転するエアー・タービン・スピンドルを用いた。また、工具１５には、♯２０００番のダイヤモンド砥粒を結合したビトリファイドボンド砥石であって、正面視したときの形状が台形形状で、平面視したときの形状が直径φ０．５ｍｍの円形状のものを用いた。
【００２４】
Ｚ軸ステージ１４ｃ上には、工具スピンドル１６の軸心に直交する方向に軸心を有する回転軸１７が設けられている。この回転軸１７は、その回転位置（回転角度）を割り出す機能を有しており、この加工装置１４は、割り出された回転位置を基に回転軸１７の回転数（回転速度）を調整することができる。
【００２５】
回転軸１７の工具１５に対向する端面には、可動プレートを有するワーク固定治具１８が取り付けられている。このワーク固定治具１８に、被加工物（金型１１）が取り付けられる。この加工装置１４では、ワーク固定治具１８の可動プレートにより、回転軸１７の一方の端面（Ｘ−Ｙ面）上で被加工物の位置を微調整することができる。
【００２６】
なお、図示しないが、加工装置１４は、その全体の動作を制御するための制御部と記憶部を備えており、Ｘ軸ステージ１４ａ、Ｙ軸ステージ１４ｂ、Ｚ軸ステージ１４ｃ、工具スピンドル１６、回転軸１７の動作は、記憶部に事前に記憶されたプログラムに従って制御部により制御される。
【００２７】
続いて、以上のように構成された加工装置１４により光学素子成形用の金型１１を製造する方法について詳しく説明する。この実施の形態では、図１に示すように、金型１１の円筒部１１ａの直径φ８．０ｍｍの先端面に、概略六角形状でその最大幅が７５０μｍとなる７面の単一光学面形状１２を、それらの中心間距離が６５０μｍとなるように形成する。
【００２８】
図３はこの実施の形態における加工工程の一例を示すフローチャートである。本加工工程は、金型１１の製造工程であり、第１前工程、第２前工程、本工程に大別される。まず、図４を用いて、第１前工程から説明する。図４は第１前工程を実施する際の加工装置１４を示す側面図である。
【００２９】
第１前工程では、まず、図３のステップＳ１において、図４に示すように、第２工具の一例である工具ツルア１９を回転軸１７に取り付ける。回転軸１７に取り付ける第２工具は、第１工具である工具１５を成形し直す（ツルーイング工程）か、または成形する（フォーミング工程）ためのものである。この実施の形態では、工具ツルア１９として、♯１６０番のダイヤモンド砥粒を電着によって平板上に固着させたツルーイング砥石を用いて、第１工具である工具１５をツルーイングした。
【００３０】
次に、図３のステップＳ２において、図４に示すように、工具１５を振動させるための振動素子の一例である圧電振動素子２０を取り付ける。圧電振動素子２０は、発振電源から交番電圧が供給されることにより振動する。
【００３１】
次に、図３のステップＳ３において、工具スピンドル１６に固定されている工具１５を所定の回転数で回転させる。この実施の形態では、工具１５を６００００ｒｐｍ（回転周波数１ｋＨｚ）で回転させる。
【００３２】
次に、図３のステップＳ４において、圧電振動素子２０を周波数２ｋＨｚ、振幅１μｍで振動させる。これにより、工具スピンドル１６に振動が与えられ、さらに、回転している工具１５に振動が与えられる。
【００３３】
次に、図３のステップＳ５において、回転している工具１５に振動を与えた状態で工具ツルア１９と接触させて、工具１５のツルーイングを実施した。
【００３４】
この実施の形態では、工具スピンドル１６がその軸心１６ａと直交する方向に振動するように圧電振動素子２０を取り付けて、回転している工具１５の周縁部を、その回転軸と直交する方向に振動させて、工具ツルア１９に接触させている。
【００３５】
本実施の形態では、以上のように、回転している工具１５に圧電振動素子２０が与える振動の周波数を、工具１５（工具スピンドル１６）の回転周波数１ｋＨｚの２倍となる２ｋＨｚに設定している。そのため、工具１５を工具ツルア１９に接触させることにより、回転する工具１５の周縁部にほぼ２周期の振れが発生した状態で、工具１５を加工することができる。その結果、回転する工具１５の周縁部に、加工によるほぼ２周期の振れが発生する。
【００３６】
なお、工具１５（工具スピンドル１６）の回転周波数１ｋＨｚよりも低い周波数の振動を、回転している工具１５に与えた場合には、工具スピンドル１６自体の振れにより、回転する工具１５の周縁部に、加工による振れが発生しないことがあった。
【００３７】
また、工具１５（工具スピンドル１６）の回転周波数１ｋＨｚの２倍を超える周波数の振動を、回転している工具１５に与えた場合には、単一光学面形状１２に形成される溝形状１３の深さが浅くなり、溝形状１３の形成が困難になった。これは、回転周波数１ｋＨｚの２倍を超える周波数の振動を与えた場合は、工具１５の周縁部の１回転での振れが多くなり、工具ツルア１９に接触させて加工した工具１５の周縁部の加工痕が均一化されたためだと考えられる。
【００３８】
したがって、回転している工具１５に与える振動の周波数（圧電振動素子２０の振動周波数）は、工具１５（工具スピンドル１６）の回転周波数の１．０倍以上かつ２．０倍以下の範囲内が望ましい。このようにすれば、工具１５の回転周波数の１．０倍以上かつ２．０倍以下となる周波数の振れ、つまり１周期以上かつ２周期以下の振れが回転状態の工具１５の周縁部に発生するように、工具１５を加工することができる。
【００３９】
このようにして、回転する工具１５の周縁部にほぼ２周期の振れを発生させている。その結果、図１（ｂ）に示すように、単一光学面形状１２に、互いに深さが異なる２種類の溝形状１３が形成される。ここで、溝形状１３として、深さの異なる２種類の溝を形成しているのは、光学素子の成形時に発生するガスの抜ける速度や部位にズレを生じさせ、ガスの吸出し効果を高め、ガス溜りを生じないようにするためである。
【００４０】
また、この実施の形態では、工具スピンドル１６自体の回転振れを考慮して、圧電振動素子２０を振幅１μｍで振動させて、回転状態の工具１５の周縁部に２μｍ以下の振れが発生するように工具１５の周縁部の加工（ツルーイング）を実施した。
【００４１】
続いて、第２前工程について説明する。図５は第２前工程を実施する際の加工装置１４を示す斜視図である。
【００４２】
第２前工程では、まず、図３のステップＳ６において、回転する工具１５の周縁部に発生する振れを計測するために、快削性の素材を回転軸１７に取り付ける。この実施の形態では、図５に示すように、快削性の素材としてシリコン平面ワーク２１を取り付けた。
【００４３】
次に、図３のステップＳ７において、回転軸１７を６０ｒｐｍにて回転させるとともに、工具スピンドル１６を回転周波数１ｋＨｚ（６００００ｒｐｍ）で回転させた状態で、Ｘ軸ステージ１４ａおよびＹ軸ステージ１４ｂを駆動して、回転する工具１５をシリコン平面ワーク２１に対向する所定位置に移動させる。その後、Ｚ軸ステージ１４ｃを駆動して、回転する工具１５の周縁部をシリコン平面ワーク２１に接触させる。そして、シリコン平面ワーク２１が１回転する前に、Ｚ軸ステージ１４ｃを駆動して、回転する工具１５をシリコン平面ワーク２１から引き離す。
【００４４】
これにより、シリコン平面ワーク２１に、回転する工具１５の周縁部による加工痕が形成されるとともに、その加工痕上に、回転する工具１５の周縁部に発生する振れにより、溝形状が形成される。
【００４５】
次に、図３のステップＳ８において、回転軸１７の回転を停止してシリコン平面ワーク２１を取り外し、シリコン平面ワーク２１に残った溝形状の深さを確認する。
【００４６】
たとえば、可視光領域で用いられる光学素子を成形するための金型を製造する場合には、溝形状の深さが１５０ｎｍ以下であるかどうかを確認する。これは、金型に深さが１５０ｎｍを超える溝形状が存在すると、可視光領域で用いられる光学素子の光学面に高さが１５０ｎｍを超える凸形状が形成され、その凸形状が光学素子の光学性能に影響を及ぼすためである。
【００４７】
溝形状の深さが所定値を超える場合は、図３のステップＳ９において、第１前工程における圧電振動素子２０の振幅値および第２前工程における回転軸１７の回転数を減少させて、第１前工程のステップＳ１からやり直す。ここで、回転軸１７の回転数を減少させる（下げる）のは、回転する工具１５の周縁部の振れの影響を小さくして溝形状の深さを浅くするためである。すなわち、回転軸１７の回転数を下げることによって、回転軸１７上に保持されている被加工物に対して作用する、工具１５の振れから発生する遠心力に起因する力を弱めて、回転軸１７の保持力を強くし、振れの影響を小さくすることができる。
【００４８】
なお、回転する工具１５の周縁部に２μｍよりも大きい振れが発生すると、振れの影響を小さくするために回転軸１７の回転数を下げても溝形状の深さを１５０ｎｍ以下にすることができなかった。よって、可視光領域で用いられる光学素子を成形するための金型を製造する場合には、回転する工具１５に振幅２μｍ以下の振れを発生させることが望ましい。
【００４９】
続いて、本工程について説明する。図６（ａ）は本工程を実施する際の工具１５の配置を説明するための正面図であり、図６（ｂ）は本工程を実施する際の工具１５の移動方向を説明するための断面図である。
【００５０】
本工程では、まず、図３のステップＳ１０において、被加工物である加工前の光学素子成形用の金型１１をワーク固定治具１８に取り付ける。この実施の形態では、各単一光学面形状１２が形成される各加工領域１２ａのうち、加工対象の加工領域１２ａの中心が回転軸１７の軸心と一致するように、金型１１を取り付ける。したがって、この実施の形態では、加工領域１２ａを一箇所加工するごとに、金型１１の取り付け位置を変更する。
【００５１】
次に、図３のステップＳ１１において、ツルーイングが実施された工具１５を、工具スピンドル１６によって回転させながら、所定の設計形状に基づき、金型１１の円筒部１１ａの先端面に接触させて、回転軸１７によって回転する金型１１に対して相対的に移動させることにより、単一光学面形状１２を形成する。このとき、工具１５を回転周波数１ｋＨｚで回転させるとともに、回転軸１７を第２前工程で決定された定速回転数にて回転させる。
【００５２】
具体的には、図６（ａ）に示すように、Ｘ軸ステージ１４ａおよびＹ軸ステージ１４ｂを駆動して、回転軸１７の軸心上に配置された加工対象の加工領域１２ａの半径位置に対応する位置に、回転する工具１５を位置決めする。その後、Ｚ軸ステージ１４ｃを駆動して、回転する工具１５の周縁部を加工対象の加工領域１２ａに接触させる。接触後、Ｘ軸ステージ１４ａおよびＺ軸ステージ１４ｃを駆動して、回転する工具１５を、単一光学面形状１２に沿うように、回転する金型１１に対して相対的に、加工対象の加工領域１２ａの外周部から中心部に向かって移動させる。詳細には、工具１５の中心が図６（ｂ）の加工軌跡２２に沿って移動するように、Ｘ軸ステージ１４ａおよびＺ軸ステージ１４ｃを毎分０．２ｍｍの送り速度にて駆動する。その後、Ｚ軸ステージ１４ｃを駆動して、回転する工具１５を、回転する金型１１から引き離す。
【００５３】
これにより、被加工物である金型１１が１回転する前に、工具１５が金型１１から引き離されて、加工対象の加工領域１２ａ内の所定の加工範囲に加工痕が形成される。それとともに、その加工痕上に、回転する工具１５の周縁部に発生する振れにより、２種類の深さの溝を有する溝形状１３が形成される。
【００５４】
以上の操作を、加工対象の加工領域１２ａのすべてに加工痕が形成されるまで繰り返す。これにより、工具１５の所定の加工軌跡２２に沿った移動と回転軸１７の所定の回転角度分の回転が繰り返されて、加工対象の加工領域１２ａに、概略六角形状の単一光学面形状１２が形成される。また、単一光学面形状１２と同時に、単一光学面形状１２上に、その中心から外周端に至る複数の溝形状１３が、渦を巻くように形成される。あるいは、単一光学面形状１２の中心から外周端にかけてカーブする複数の溝形状１３が放射状に形成される。
【００５５】
加工対象の加工領域１２ａの加工が完了すると、金型１１を回転軸１７のワーク固定治具１８から取り外して、金型１１の取り付け位置を変更する（図３のステップＳ１２）。具体的には、上述したように、次の加工対象の加工領域１２ａの中心が回転軸１７の軸心と一致するように、金型１１の取り付け位置を変更する。そして、その次の加工対象の加工領域１２ａの加工を行う（図３のステップＳ１１）。
【００５６】
以降、ステップＳ１１とステップＳ１２を、全加工領域１２ａの加工が完了するまで繰り返して（図３のステップＳ１３）、本工程を終了する。
【００５７】
以上説明した本工程を実施することにより、図７の電子顕微鏡写真に示すような概略渦巻き状となる複数の溝形状１３を、単一光学面形状１２と同時に形成することができる。あるいは、単一光学面形状１２と同時に、その単一光学面形状１２の中心から外周端にかけてカーブする複数の溝形状１３を放射状に形成することができる。
【００５８】
本実施の形態によって、複数の光学面を有する光学素子を成形するための金型１１の製造時に、各光学面を転写するための各単一光学面形状１２と同時に、加熱軟化した光学素子の素材を金型内に充填する工程においてガスの排出を容易に行うための溝形状１３を形成することができる。そのため、溝を有する金型の加工時間の増大を防ぐことができ、加工時間の増大に起因する光学面形状の配置のずれを防ぐことができる。具体的には、この実施の形態の条件では、単一光学面形状１２のＺ軸方向におけるバラツキを０．５μｍ以下に抑えることができた。
【００５９】
単一光学面形状１２上に、その中心から外周端に至る複数の溝形状１３が、渦を巻くように形成されるのは、あるいは単一光学面形状１２の中心から外周端にかけてカーブする複数の溝形状１３が放射状に形成されるのは、工具１５の所定の加工軌跡２２に沿った移動と、回転する工具１５の周縁部における周期的な振れと、被加工物である光学素子成形用の金型１１を保持する回転軸１７の回転数の影響を受けてのことである。なお、回転する工具１５の周縁部に周期的な振れが無ければ、図１（ｂ）に示すような溝形状１３は形成されない。
【００６０】
ここで、単一光学面形状１２の近似半径は、単一光学面形状が多角形の場合は、その外接円の半径であり、円形の場合は、その半径であり、円弧の連続である場合は、その最小曲率半径である。また、ツルーイング実施後の回転する工具１５の近似半径は、その周縁部が通る軌跡の最大半径である。この実施の形態では、回転状態において振幅２μｍの振れが発生するように工具１５の周縁部が加工されているが、加工前の工具１５の平面視形状は直径φ０．５ｍｍの円形状であり、振れの振幅に対して非常に大きいので、ツルーイング実施後の回転する工具１５の近似半径は、加工前の工具１５の半径と略同じである。
【００６１】
ツルーイング実施後の回転する工具１５の近似半径と単一光学面形状１２の近似半径との比率は、ツルーイング実施後の回転する工具１５の近似半径：単一光学面形状１２の近似半径＝０．６：１．０以上かつ０．８：１．０以下が望ましい。
【００６２】
ここで、０．６：１．０以上としたのは、ツルーイング実施後の回転する工具１５の近似半径と単一光学面形状１２の近似半径との比率が０．５以下になると、単一光学面形状１２に接触する工具１５の周縁部の弧の長さが短くなって、溝形状１３が繋がらなくなるためである。また、０．８：１．０以下としたのは、その比率が０．８を超えると、単一光学面形状１２の中心部分において溝形状１３が消滅してしまう現象が発生しやすくなるためである。
【００６３】
また、溝形状１３の２種類の溝の深さの平均は５０ｎｍ以上が望ましい。これは、溝形状１３の深さの平均が５０ｎｍよりも小さくなると、溝形状１３によるガスの排出が悪化するためである。図８に、溝形状１３の深さの平均を５０ｎｍよりも浅くした金型を用いて成形した光学素子の顕微鏡写真を示す。また、図９に、溝形状１３の深さの平均を１２０ｎｍ程度に調整した金型を用いて成形した光学素子の顕微鏡写真を示す。
【００６４】
前記した金型の製造工程（加工工程）において、圧電振動素子２０の振幅値や回転軸１７の回転数を低下させて、溝形状の深さを浅くし、金型の単一光学面形状の表面粗さを５０ｎｍよりも小さくしたところ、加熱軟化した素材を金型内に充填する工程においてガスの排出が著しく悪化し、図８に見られるようなガス溜まりが発生した。
【００６５】
これは、溝形状１３の深さが浅くなることで、ガスが抜ける前に、加熱軟化した光学素子の素材が単一光学面形状をシールしてしまい、ガスの逃げ場が失われたためであると考えられる。ガスが抜ける前に、加熱軟化した光学素子の素材が単一光学面形状をシールしてしまうのは、溝形状１３の深さが浅くなった結果として、単一光学面形状の表面の粗さが小さくなり、光学素子成形用の金型と光学素子の素材との摩擦が低下し、加熱軟化した光学素子の素材が加圧されて単一光学面形状の内部へ流入するときの光学素子の素材の速度が速くなるためであると考えられる。
【００６６】
一方、実際に、溝形状１３の深さの平均を１２０ｎｍ程度に調整した金型を用いて成形した光学素子には、図９に示すように、ガス溜まりが発生していない。なお、図９に示す電子顕微鏡写真において、符号１３ａは、溝形状１３が反転転写された凸形状である。
【００６７】
したがって、光学素子の成形時におけるガス抜きを容易にするためには、単一光学面形状１２の表面の粗さを粗くすることが望ましい。可視光領域で用いられる光学素子を成形するための金型を製造する場合には、光学性能への影響を考えると、溝形状１３の深さは５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。
【００６８】
また、この実施の形態では、加工対象の加工領域１２ａの中心を回転軸１７の軸心に一致させて、回転軸１７を定速回転させている。そのため、工具１５によって加工される金型１１の部位（加工部位）が工具１５の１回転中に移動する量は、加工部位の位置が加工領域１２ａの外周部に近づくにつれて大きくなる。その結果、溝形状１３は、単一光学面形状１２の中心から外周端に向かって溝幅が拡大する形状となる。
【００６９】
但し、回転軸１７の回転数が増加するほど、工具１５が１回転する間に加工部位が移動する量が大きくなり、その結果、単一光学面形状１２の中心と外周端との間における溝形状１３の角度のずれ（単一光学面形状１２の中心から外周端に向かって伸びる直線に対する溝形状１３のずれ幅）が大きくなる。そのため、回転軸１７の回転数が増加するほど、溝形状１３によるガス抜きの効果が妨げられる。したがって、回転軸１７を定速回転させる場合には、ガス抜きの効果が得られるように、回転軸１７の回転数を調整する必要がある。
【００７０】
また、この実施の形態では、回転軸１７を定速回転させたが、回転軸１７の回転位置の割り出し機能を用いて、工具１５が１回転する間に回転軸１７が回転する角度が、加工部位の各半径位置で同一となるように、回転軸１７の回転数を制御すれば、つまり、回転軸１７の回転を角速度一定に制御すれば、回転する工具１５の金型１１に対する相対的な移動を制御することにより、単一光学面形状１２の中心と外周端との間における溝形状１３の角度のずれや、溝形状１３の深さをコントロールすることができる。
【００７１】
さらに、回転軸１７の回転を角速度一定に制御した場合には、単一光学面形状１２の中心から外周端にかけて、直線状の溝形状を放射状に形成することが可能となり、ガス抜き効果を拡大させることができるので、なお好適である。
【００７２】
また、この実施の形態によれば、単一光学面形状１２に複数本の溝形状１３が形成されるため、ガス抜き用の溝形状が１本設けられた構成よりも、単一光学面形状１２における溝形状１３の表面積が拡大して、加熱軟化した光学素子の素材の流れ込み速度が低下するという効果が得られる。その結果、ガス抜き用の溝形状が１本設けられた構成よりも、光学素子の成形時に発生するガスを、さらに容易に排出できるようになる。
【００７３】
また、この実施の形態では、回転する工具に振れを持たせるために、工具ツルアと圧電振動素子を用いたが、回転する工具の周縁部に振れを持たせることができる方法であれば、他の方法、例えばレーザ加工装置による加工等の方法を用いても問題無く実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明にかかる金型の製造方法は、被加工物に、所望の形状と同時に溝形状を形成することができ、例えば光学素子を成形する金型の製造に適用できる。
【符号の説明】
【００７５】
１ 金型
２ 凹溝
３ 転写部
４ 縁部
１１ 金型
１１ａ 円筒部
１１ｂ 支持体
１２ 単一光学面形状
１３ 溝形状
１３ａ 凸形状
１４ 加工装置
１４ａ Ｘ軸ステージ
１４ｂ Ｙ軸ステージ
１４ｃ Ｚ軸ステージ
１５ 工具
１６ 工具スピンドル
１６ａ 軸心
１７ 回転軸
１８ ワーク固定治具
１９ 工具ツルア
２０ 圧電振動素子
２１ シリコン平面ワーク
２２ 加工軌跡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転状態で振れが発生するように工具を加工した後、加工した前記工具を回転させた状態で被加工物に接触させることにより、被加工物の表面の加工領域を所望の形状に加工すると同時に、前記加工領域に溝形状を形成して、光学面形状が形成された金型を製造することを特徴とする金型の製造方法。
【請求項２】
振幅が２μｍ以下となる振れが発生するように前記工具を加工することを特徴とする請求項１記載の金型の製造方法。
【請求項３】
前記工具の回転周波数の１．０倍以上２．０倍以下となる周波数の振れが発生するように前記工具を加工することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の金型の製造方法。
【請求項４】
所望の形状の近似半径に対する、回転する加工後の前記工具の近似半径の比率が、０．６以上０．８以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項５】
前記被加工物の表面を所望の形状に加工する際に、前記被加工物を回転させながら、所望の形状が形成される加工領域の外周部から中心部に向かって、前記工具を前記被加工物に対して相対的に移動させることにより、加工領域の中心部から外周部にかけてカーブする複数の溝形状を放射状に形成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項６】
回転している前記工具を、その回転軸に直交する方向に振動させた状態で第２工具に接触させることにより、回転状態で周縁部に振れが発生するように前記工具を加工した後、その加工後の前記工具の周縁部を用いて前記被加工物を加工することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項７】
複数の光学面を有する光学素子を成形するための金型であって、前記各光学面を転写するための各光学面形状に、当該光学面形状の中心部から外周部にかけてカーブする複数の溝形状が放射状に形成されていることを特徴とする金型。
【請求項８】
前記複数の溝形状として、深さの異なる２種類の溝が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の金型。
【請求項１】
回転状態で振れが発生するように工具を加工した後、加工した前記工具を回転させた状態で被加工物に接触させることにより、被加工物の表面の加工領域を所望の形状に加工すると同時に、前記加工領域に溝形状を形成して、光学面形状が形成された金型を製造することを特徴とする金型の製造方法。
【請求項２】
振幅が２μｍ以下となる振れが発生するように前記工具を加工することを特徴とする請求項１記載の金型の製造方法。
【請求項３】
前記工具の回転周波数の１．０倍以上２．０倍以下となる周波数の振れが発生するように前記工具を加工することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の金型の製造方法。
【請求項４】
所望の形状の近似半径に対する、回転する加工後の前記工具の近似半径の比率が、０．６以上０．８以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項５】
前記被加工物の表面を所望の形状に加工する際に、前記被加工物を回転させながら、所望の形状が形成される加工領域の外周部から中心部に向かって、前記工具を前記被加工物に対して相対的に移動させることにより、加工領域の中心部から外周部にかけてカーブする複数の溝形状を放射状に形成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項６】
回転している前記工具を、その回転軸に直交する方向に振動させた状態で第２工具に接触させることにより、回転状態で周縁部に振れが発生するように前記工具を加工した後、その加工後の前記工具の周縁部を用いて前記被加工物を加工することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項７】
複数の光学面を有する光学素子を成形するための金型であって、前記各光学面を転写するための各光学面形状に、当該光学面形状の中心部から外周部にかけてカーブする複数の溝形状が放射状に形成されていることを特徴とする金型。
【請求項８】
前記複数の溝形状として、深さの異なる２種類の溝が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の金型。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１０】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１４０３４（Ｐ２０１３−１４０３４Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４６９２２（Ｐ２０１１−１４６９２２）
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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