(57)【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光学素子の製造法であって、
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。
【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２００２−１１３７２３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２０００−２８０２５４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製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光学素子の製造法であって、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。
【００１３】
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／（ｄｍ）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１００Ａ／（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／（ｄｍ）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ＰＧ３７５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】
0004106407.tif 000002
【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み、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製造方法で、また、低融点ガラスを用いて光学素子を作製することにより、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
２３  Ｘ線マスク
２５  金型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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