JP2019089203A - 放電加工用電極及び該電極を用いた放電加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的にレンズアレイ製造用金型を作製する。
【解決手段】球体からなる球体放電電極と、球体放電電極の少なくとも一部が被加工物側に露出するように球体放電電極をばねにより押圧して固定する固定部と、からなる放電加工用電極と、該放電加工用電極を用いたレンズアレイ製造用金型の放電加工方法であって、レンズアレイ製造用金型の材料に放電加工を施すことによりレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチの自然数倍の配置ピッチのレンズ素子形状を作製する放電加工ステップと、放電加工を施す位置をレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチの自然数倍の長さ分移動させる移動ステップと、を繰り返し行うことによりレンズアレイ製造用金型を製造する放電加工方法を提案する。
【選択図】図１‐１

Description

本発明は、レンズアレイ製造用金型の製造に好適な放電加工用電極及び該電極を用いた放電加工方法、放電加工装置に関する。

レンズアレイとは、レンズを複数集積した光学素子である。レンズアレイは、液晶プロジェクタや半導体露光装置の照明光学系などに重用されている。

レンズアレイの量産方法の一つとして、レンズ素子形状をかたどる凸部又は凹部を複数集積したレンズアレイ製造用金型を製造し、その金型にプラスチックやガラスなどのレンズアレイの材料を流し込み、成形することによって製造する手法が用いられている。レンズアレイの材料をレンズアレイ製造用金型に流し込む際には、材料を高温にして融解させておき、レンズアレイ製造用金型に流し込んだ上で高圧をかけてレンズ素子形状をかたどる。そのため、レンズアレイ製造用金型の材料としては、高温かつ高圧に十分な強度を持つ材料が必要となる。例えば、プラスチック製のレンズアレイの場合は、鋼材に無電解ニッケルリンメッキを付与したものが、ガラス製のレンズアレイの場合は、超硬合金や炭化ケイ素などがレンズアレイ製造用金型の材料として用いられる。

特願２００７‐９４９号公報 実公昭６２‐１５００２４号公報

"Proc. 7th International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century (LEM21)", Nov. 7-8, 2013, p. 411-414 "精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集", 2013年9月13日, p. 985-986

レンズアレイ製造用金型の材料である鋼材からレンズアレイ製造用金型を製造する方法として、材料の表面をレンズ素子形状をかたどる凹型に切削・研磨してレンズ要素を１つずつ作製していき、その後無電解ニッケルリンメッキを付与する方法が考えられる。しかし、鋼材は切削・研磨に対して十分な強度があり、レンズ要素を一つ作製することでさえ時間がかかってしまう。レンズアレイ製造用金型の材料として超硬合金や炭化ケイ素を用いる場合も同様にレンズ要素を作製するには時間がかかる。そのため、レンズ要素を複数集積したレンズアレイ製造用金型を製造するには多大な時間がかかってしまう問題点があった。

本発明者らは、上記のレンズアレイ製造用金型の製造法の改善を試みて、非特許文献１、２において、新たな方法を考案した。すなわち、レンズアレイ製造用金型の製造方法として、電極面として用いる丸棒の先端を切削により球面状に加工した単一又は複数のロッド状放電電極を含む放電加工用電極を用いた放電加工により、レンズアレイ製造用金型を製造する方法を提案した。放電加工を用いることにより、従来に比べ短時間でレンズアレイ製造用金型を製造することが可能となった。また、複数の放電電極を含む放電加工用電極を用いることにより、複数のレンズ要素を一度の作製することができ、さらに短時間でレンズアレイ製造用金型を製造することが可能となった。

しかしながら、上述したレンズアレイ製造用金型の製造法は、電極面として用いる丸棒の先端を切削により球面状に加工する際、球面の形状精度が低いと、レンズアレイ製造用金型のレンズ要素の球面の形状精度も低くなり、結果として後にレンズアレイ製造用金型を用いて製造するレンズアレイの品質低下を招くことになってしまう問題点があった。一方で電極面の球面の形状精度を良くしようとすると、球面の切削に時間がかかってしまう問題点が生じてしまうため、レンズアレイ製造用金型の品質と製造コストにトレードオフの関係が生じていた。

特許文献１、２において、導電性の球体の球面を電極面として用いて放電加工を行う技術が記載されている。また、特許文献１において、電極面として用いていた球面が消耗した場合には、球体を回転させて未使用の球面を新たな電極面として使用する方法が記載されている。これらの文献に記載の放電加工用電極はレンズアレイ製造用金型の製造に利用することができるが、文献内で導電性の球体は磁力やワンタッチジョイントなどを用いて固定されているため、球体を回転させた際に消耗した球面が球体の固定器具と接触すると、球体の固定位置が変化してしまう。

また、特許文献１では、複数の球体を備えた放電加工用電極についても言及している。しかし、その具体的な構成は不明確であるため、本発明者らは、特許文献１、２に開示された技術をもとに、複数の球体を備えた放電加工用電極の構成、ならびに当該電極によるレンズアレイ製造用金型の製造方法を鋭意検討した。その結果、特許文献１、２に記載の技術により高精度のレンズアレイ製造用金型を製造することが困難であることを見出した。その理由は次のとおりである。すなわち、特許文献１、２では、複数の球体を保持するには、球体を保持するためのチップ受けを有する電極本体を複数用いる必要がある。ところが、複数のチップ受けを高精度かつ同一形状に加工することは困難であり、チップ受けを高精度かつ同一形状に加工できないと、複数の球体は保持される位置が揃わない。すると、材料である被加工物と各球体の電極面にばらつきが生じ、加工されたレンズ要素の形状が同一にならず、結果高精度のレンズアレイ製造用金型を製造することができないことが判明した。

つまり、特許文献１、２に記載の放電加工用電極は、単一の球体を用いた場合でも、複数の球体を用いた場合であっても、レンズ要素の正確な加工が求められるレンズアレイ製造用金型の製造には好ましくない。

以上のような課題を解決するために、本発明は、球体からなる球体放電電極と、球体放電電極の少なくとも一部が被加工物側に露出するように球体放電電極をばねにより押圧して固定する固定部と、からなる放電加工用電極を提案する。

また、上記の放電加工用電極を用いたレンズアレイ製造用金型の放電加工方法であって、レンズアレイ製造用金型の材料に放電加工を施すことによりレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチの自然数倍の配置ピッチのレンズ素子形状を作製する放電加工ステップと、放電加工を施す位置をレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチの自然数倍の長さ分移動させる移動ステップと、を繰り返し行うことによりレンズアレイ製造用金型を製造する放電加工方法を提案する。

本発明の放電加工用電極において、球体放電電極に用いる球面の形状精度の高い球体は、安価に手に入れることができる。また、手に入れた球体をそのまま球体放電電極として用いることが可能であり、該放電加工用電極を用いて放電加工を行うことにより、高品質なレンズアレイ製造用金型を低コストで製造することが可能となる。

さらに、球体からなる放電電極がばねにより押圧して固定されることから、球体を回転させることにより球体の全面を電極面として用いることができ、１つの球体放電電極を長期にわたり使用することが可能である。すなわち、レンズアレイ製造用金型の製造コストを下げることができる。

放電加工用電極の構成の一例を示す概要図 固定部の構成の例を示す概要図 放電加工用電極の構成の一例を示す概要図 複数の球体放電電極を備えた放電加工用電極の一例を示す概要図 固定部の別の構成の一例を示す概要図 レンズアレイ製造用金型の放電加工装置の機能ブロック図の一例 放電加工装置のレンズ要素の加工順序の一例 放電加工装置のレンズ要素の加工順序の別の一例 放電加工装置のレンズ要素の加工順序の別の一例 放電加工装置を用いたレンズアレイ製造用金型の製造方法の一例 実施例において用いた放電加工用電極とその設計図 実施例において製造したレンズアレイ製造用金型の設計図 実施例において加工されたレンズアレイ製造用金型の光学顕微鏡像 実施例において作製したレンズアレイ製造用金型の各レンズ要素の断面形状の測定結果の一例 実施例において作製したレンズ要素の断面形状から曲率半径を求めた結果 実施例において加工されたレンズ要素の形状誤差の一例 本実施例において実施したレンズアレイ製造用金型の放電加工方法の概要

以下、本発明の各実施形態について図面と共に説明する。実施形態と請求項の相互の関係は以下のとおりである。実施形態１は主に請求項１から５などに対応する。また、実施形態２は主に請求項６から９などに対応する。なお、本発明は本明細書の記載に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、様々な態様で実施しうる。また、図面についても同様に、図面の記載により本願発明を何ら限定するものではない。
＜＜実施形態１＞＞
＜概要＞

本実施形態は、レンズアレイ製造用金型の製造に好適な放電加工用電極に関する。
＜構成＞

図１‐１は本実施形態の放電加工用電極の構成の一例を示す概要図である。（ａ）は上面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図を表す。例えば本発明の放電加工用電極０１０１は、球体放電電極０１０２と、固定部０１０３と、から構成されることが考えられる。
＜具体的な構成＞

「球体放電電極」０１０２とは、球体からなる放電電極である。放電電極として機能させるため、球体には導電性の材料を用いる。球体の材料としては、コストや安定性、加工性などを総合的に考慮すると、銅や銅タングステン、グラファイトが好ましい。なお、表面が導電体に覆われた球体を用いることも可能である。固定部０１０３から球体放電電極０１０２の少なくとも一部が被加工物側に露出しており、露出面が本発明の放電加工用電極の電極面となる。

放電加工において、電極面の形状が被加工物の加工形状に影響する。すなわち、球体放電電極の直径、いわゆる球体放電電極の曲率半径や、球体放電電極の電極面の露出量が、作製を予定するレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の形状に影響する。そのため、球体放電電極として用いる球体は、球面の形状精度が高いものが好ましい。

球体放電電極０１０２に用いる球体は、例えば，銅や銅タングステンを材料として用いる場合，次のようにして製造される。すなわち、まず球体となる銅または銅タングステンのブロックを、作製を予定する球体の直径程度の大きさに切断する。次に、切断した材料をプレス機により圧縮成形し、球体に加工する。圧縮した状態の球体はそのままでは球面の形状精度が悪いため、バレル研磨によって粗研磨を施し、ラッピング装置を用いて球体のラッピングを行い、球体を製造することができる。また、グラファイトを材料として用いる場合には、まず球体となるグラファイトのブロックを作製を予定する球体の直径程度の大きさに切断する。次に、切断した材料を研削加工によって球体に加工する。その後、バレル研磨によって粗研磨を施し、ラッピング装置を用いて球体のラッピングを行い、球体を製造することができる。なお、本実施形態において、球体の製造方法は上述の方法に限らず種々の方法を用いることができる。球体の研磨・ラッピングは同時に複数行うことが可能であり、球面の形状精度が高い球体を安価に手に入れることができる。

複数回の放電加工を行うと、露出面である電極面は劣化して、電極面の球面の形状精度が悪化してしまう。しかしながら球体放電電極０１０２は、球体を回転させることにより劣化した電極面を劣化していない未使用の球面と変更することができ、１つの球体放電電極を長期にわたり使用することが可能となって、放電加工用電極の製造コストを削減できる。さらに、球体放電電極は後述するばね０１０７により固定されているため、球体の一部が放電加工により劣化して球面の形状精度が悪くなった場合でも、球体を正確に球体放電電極載置板に押圧することができ、精密にレンズ要素を作製することができる。

「固定部」０１０３とは、球体放電電極０１０２の少なくとも一部が被加工部物側に露出するように球体放電電極をばねにより押圧して固定する部材である。固定部０１０３は、下記に示すように、球体放電電極０１０２を装着できるようにしてあり、球体放電電極の交換や、球体放電電極の電極面の変更が可能である。固定部の材質としては、銅や銅タングステンのような導電体を用いても良いし、絶縁体を用いても構わないが、球体放電電極への電圧の印加は、固定部を介して行われる構成とするのが好ましい。すなわち、固定部と放電加工装置が接続される際に、放電加工装置から固定部へと電圧の供給が行われ、固定部から球体放電電極へと電圧が供給される。なお、固定部の形状として特に詳細は問わず、接続する放電加工装置の仕様などに応じて適宜変更することができる。

固定部０１０３は、主に球体放電電極載置板０１０４と、押圧板０１０５と、ばね０１０７と、から構成される。

「球体放電電極載置板」０１０４には、貫通穴０１０６が設置されている。「貫通穴」０１０６とは、球体放電電極の直径より小さい直径の貫通穴であって、球体放電電極の一部がその穴を通して反対側に露出する程度の穴である。貫通穴を通して露出した球体放電電極の一部分である露出面を電極面として放電加工が行われる。

球体放電電極載置板０１０４から露出する球体放電電極０１０２の高さは、作製を予定するレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の凹部の深さ以上に設定するのが好ましい。そのため、条件を満たすように球体放電電極の直径と貫通穴の直径、また球体放電電極載置板の厚さが定められることが好ましい。なお、球体放電電極の露出面を作製を予定するレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の形状と同様とするように構成すると、放電加工の際に加工過多や加工不足を防止し、レンズ要素の公差を減少させることができるためより好適である。

図１‐２は固定部における貫通穴０１０６の概要を示す図である。固定部における貫通穴は、後述する押圧器具０１０８の移動が後述するばね０１０７の伸長方向に限定されるように、貫通穴の側面と押圧器具の側面が接触する規制構造とすることが望ましい（ａ）。しかし、本件発明においては、規制構造は必ずしも必須でなく（ｂ）、貫通穴の側面が装着する球体放電電極の球面に合わせて球面に加工されている構成（ｃ）など、当業者が想到しうる範囲で実施される。なお、球面に加工された貫通穴（ｃ）は、例えばボールエンドミルを用いたフライス加工やワイヤー放電加工により加工することが考えられる。

「押圧板」０１０５とは、球体放電電極０１０２を球体放電電極載置板０１０４に対して押し付けるためのものである。押圧板には、ばね０１０７、押圧器具０１０８が付随されるのが好ましい。押圧板にばねが付随される場合には、ばねを押圧板の所定位置に固定できるような構成とすることが望ましい。例えば、ばねの内径と同じ直径を持つ円錐状の突起０１１３を、前記押圧板の所定位置に設ける構成が考えられる。

球体放電電極０１０２は、押圧板０１０５から「ばね」０１０７を通じて球体放電電極載置板０１０４に押圧される構成が好ましい。例えばばねを用いずに、球体放電電極を単純に球体放電電極載置板と押圧板の間に挟んでねじで固定する場合、ねじの締めすぎによって球体放電電極に傷をつけてしまったり、球体放電電極の球面形状を変形させてしまう可能性がある。ばねを用いて球体放電電極を押圧する構成とすることにより、適度な力で精度よく球体放電電極を球体放電電極載置板に押圧することができる。

また、球体を回転させることにより球体放電電極０１０２の電極面を劣化した球面から未使用の球面へと変更する際、放電加工により球体の一部の球面形状が劣化しているが、ばね０１０７の伸縮により、球面の形状が変化していても精度よく球体放電電極を球体放電電極載置板０１０４に押圧することが可能であり、球体を回転させても精度良く電極面を再現できる。よって、球体全面を電極面として利用することができる。なお、球体を回転させる際は、劣化した球面と球体放電電極載置板が接触しないようにすることが好ましい。

さらに、ばね０１０７を用いて球体放電電極０１０２を押圧する構成とすると、ばねの伸縮により固定部に対して球体放電電極として用いる球体の直径にある程度の幅を持たせることができ、電極面の形状を変更することができる。また、ばね０１０７の弾性力を調整することにより、球体放電電極の露出量を変更させて、電極面の形状を変更する構成とすることも可能である。

なお、ばね０１０７としては、コイルばねの他に後述する板ばねを用いることも可能である。さらに、ばねではなくゴムのような弾性体や、ピストンシリンダなどを用いて球体放電電極０１０２を押圧する構成としても良い。

「押圧器具」０１０８とは、ばね０１０７に接続される器具であり、押圧板０１０５により押圧されたばねからうける弾性力を球体放電電極に伝え、球体放電電極０１０２を球体放電電極載置板０１０４に押圧する器具である。球体放電電極と接触する押圧器具の面は、球体放電電極の中心を押圧器具の中心軸の延長線上で安定させるように構成されていることが好ましい。例えば、球体放電電極と接触する押圧器具の面が、押圧器具の中心軸を軸として底面を球体放電電極側とした円錐の側面を構成するように、くぼんでいることが考えられる。なお、本件発明の放電加工用電極０１０１は、押圧器具を含まずばねで直接球体放電電極を押圧する構成も考えられる（図１‐３）。

押圧板０１０５は、「ねじ」０１０９により球体放電電極載置板０１０４と接続される構成としても良い。その際に「スペーサー」０１１０を用いて押圧板と球体放電電極載置板を接続することにより、押圧板と球体放電電極載置板の距離を一定に保つことができる。

また、放電加工装置と接続するために、押圧板０１０５に「チャック」０１１１が付随していても良い。チャックの形状やサイズは、接続する放電加工装置に合わせて適宜変更される。チャックは「ねじ」０１１２により押圧板と接続される構成としても良いし、押圧板と一体となっていても良い。なお、チャックを通して球体放電電極０１０２へと電圧が供給される場合には、チャックから押圧板、ばね０１０７、押圧器具０１０８を介して供給される場合や、チャックから押圧板、ねじ０１０９もしくはスペーサー０１１０、球体放電電極載置板０１０４を介して供給される場合が考えられる。

図２は、複数の球体放電電極０１０２を備えた放電加工用電極０１０１の一例を示す概要図である。（ａ）は上面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図を示す。図２に示す球体放電電極載置板０１０４には、４つの貫通穴０１０６が設けられており、４つの球体放電電極を装着することが可能となる。複数の球体放電電極を備えることによって、同時に複数の位置での放電加工を行うことができ、単一の球体放電電極を備えた放電加工用電極を用いるよりもさらに短時間でレンズアレイ製造用金型を製造することが可能となる。

複数の球体放電電極０１０２が放電加工用電極０１０１に備えられる場合、各球体の固定部からの露出面である電極面は同一であることが好ましい。本願発明においては、ばね０１０７により球体放電電極を固定しているために、放電加工により劣化した電極面を未使用の球面へと変更する場合、球体の劣化度合いや回転量による各球体放電電極の固定位置の変化を防止し、電極面を同一とすることができる。なお、作製を予定するレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の形状によって、各球体の電極面を変更することも可能である。

球体放電電極載置板０１０４が複数の貫通穴０１０６を備える場合、貫通穴の間隔は、作製を予定するレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチの自然数倍の配置ピッチで配置されていることが望ましい。貫通穴の間隔は、そのままレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチとなるため、自然数倍でないと、各レンズ要素の間隔が揃わないためである。

また、球体放電電極載置板０１０４に複数の貫通穴０１０６が備えられ、放電加工用電極０１０１が複数の球体放電電極０１０２を備える場合、それぞれの球体放電電極への電圧の印加は個々に制御できるような構成となっていても良い。すると、放電加工の際に一部の球体放電電極のみに電圧を印加することにより、電圧を印加されている球体放電電極のみを利用して放電加工を行うことができる。本構成を取ることにより、作製を予定するレンズアレイ製造用金型のレンズ要素を、より自由に配置することが可能となる。

図３は、上述した固定部とは別の固定部の一例を示す概要図であり、本例では球体放電電極を押圧するために板ばねを用いている。（ａ）は上面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は球体放電電極配置器具の斜視図を示す。例えば本例における固定部０３０１は主に、基板０３０２と、球体放電電極配置器具０３０３と、板ばね０３０４と、から構成される。板ばねを用いて球体放電電極を押圧して固定することにより、球体放電電極を精度よく固定することができる他、上述した固定部と同様の効果をもたらす。

図３に示す固定部０３０１において、球体放電電極０１０２の電極面が劣化した際、球体放電電極を回転させて劣化していない球面を新たな電極面として用いることができるが、その際基板と球体放電電極が劣化していない面が接触するように構成することが好ましい。球体と基板の接触は一点のみで起こっており、その接触点の球面が劣化していなければ、球体放電電極を回転させても回転前と同様に球体放電電極を固定することができ、精度良く電極面を再現できる。

「板ばね」０３０４は、例えばねじ０３０５によって基板０３０２や球体放電電極配置器具０３０３や基板０３０２と接続され、球体放電電極０１０２を押圧する構成とすることが考えられる。球体放電電極は球体放電電極配置器具により配置が定められるが、板ばねの押圧によっても球体放電電極が所定位置に配置されるような構成とすることが好ましい。例えば板ばねの所定位置に、長さが等しく先端が球面に合わせてくぼんだ突起０３０８を放射状に設け、突起により球体放電電極を押圧することで、球体放電電極を各突起の中心に配置することができる。なお、板ばねから露出した球体放電電極の露出面が放電加工用電極０１０１の電極面となる。板ばねで球体放電電極を固定する際、球体放電電極の少なくとも一部が電極面として板ばねから露出する構成であれば、板ばねの形状や厚さなどの詳細は問わない。例えば、一つの板ばねで複数の球体放電電極を押圧する構成であっても、球体放電電極ごとに板ばねを設けて押圧する構成であっても良い。

「球体放電電極配置器具」０３０３（図３（ｄ））には、穴０３０６が設置されている。「穴」０３０６とは、穴の内部に球体放電電極が設置され、基板０３０２と板ばね０３０４とを球体放電電極配置器具を介して接続する際に、球体放電電極の少なくとも一部が電極面として板ばねから露出するように球体放電電極を固定部０３０１の特定位置に配置する穴である。穴は、穴と球体放電電極との間に隙間が生じないような貫通穴にすることが望ましい。本構成をとることにより、球体放電電極は所望の位置に精度良く位置決めすることができる。穴の形状は球体放電電極を配置できるものであれば、円形の他に正方形などであっても構わない。また、材質として導電体であっても絶縁体であっても構わない。なお、本図においては４つの穴が設けられており、４つの球体放電電極が備えられているが、球体放電電極配置器具に設けられる穴の個数は作製を予定するレンズアレイ製造用金型に応じて適宜変更することができる。

なお、基板と球体放電電極配置器具は一体となっていても構わない。この場合，穴０３０６は貫通穴ではなく，止まり穴とする．複数の球体放電電極０１０２を備えた構成にする場合，すべての止まり穴の深さは同一にすることが望ましい．すべての止まり穴の深さを同一にすることによって，すべての球体の露出部の高さを同一にすることが望ましい．

なお、放電加工装置と接続するために、基板０３０２に「チャック」０３０７が付随していても良い。チャックの形状やサイズは、接続する放電加工装置に合わせて適宜変更される。チャックはねじ０３０５により基板と接続される構成としても良い。チャックから球体放電電極へと電圧が供給される場合には、チャックから基板を介して供給される構成や、チャックから基板、球体放電電極配置器具を介して供給される構成や、チャックから基板、球体放電電極配置器具、板ばねを介して供給される構成など種々の経路が考えられる。
＜効果＞

以上のような構成を取ることにより、電極面の球面の形状精度がよく、また製造コストも低い、レンズアレイ製造用金型の製造に好適な放電加工用電極を提供することができる。
＜＜実施形態２＞＞
＜概要＞

本実施形態は、実施形態１に示したレンズアレイ製造用金型の製造に好適な放電加工用電極を用いたレンズアレイ製造用金型の放電加工方法、放電加工装置に関する。
＜構成＞

図４に、本実施形態に示すレンズアレイ製造用金型の放電加工装置の機能ブロックの一例を示す。例えば本実施形態に示す放電加工装置０４０１は、放電加工部０４０２と、移動部０４０３と、被加工物固定部０４０４と、高電圧発生部０４０５と、制御部０４０６と、から構成されることが考えられる。
＜具体的な構成＞

「放電加工部」０４０２は、レンズアレイ製造用金型の材料に放電加工を施すことにより、後に作製を予定するレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチの自然数倍の配置ピッチのレンズ素子形状を作製する機能を有する。放電加工部には実施形態１に記載の放電加工用電極０１０１が含まれる。作製されるレンズ素子形状の数は、放電加工用電極に用いる放電加工用電極に設置された球体放電電極の数に依存する。

「移動部」０４０３とは、放電加工部０４０２により放電加工を施す位置をレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチの自然数倍の長さ分移動させる機能を有する。移動は後述する制御部０４０６により制御されていても良い。

図５‐１に示すのは、球体放電電極０１０２を１つ備えた放電加工用電極０１０１を用いた場合の放電加工装置０４０１のレンズ要素０５０１の加工順序の一例である。各番号の位置で放電加工部が放電加工を行い、加工が終わったら移動部０４０３により次の番号の位置まで放電加工用電極０１０１もしくは被加工物固定部０４０４に固定された被固定物０５０２を移動させ、その位置で再度放電加工ステップを行う。なお、各レンズ要素は一定の配置ピッチ０５０３で加工される構成が考えられるが、作製を予定するレンズアレイ製造用金型に応じて、配置ピッチは適宜定めることができる。

図５‐２に示すのは、球体放電電極０１０２を４つ備えた放電加工用電極０１０１を用いた場合の放電加工装置０４０１のレンズ要素０５０１の加工順序の一例である。本図において、４つの球体放電電極はレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチの２倍の配置ピッチで設置されている。本例においても、図に示す番号の順番で、放電加工を行っていく。図６の場合と比較すると、放電電極が４倍多い分、４倍速く望みのレンズアレイ製造用金型を製造することができる。

図５‐３に示すのは、球体放電電極０１０２を４つ備えた放電加工用電極０１０１を用いた場合の放電加工装置０４０１のレンズ要素０５０１の加工順序の別の一例である。図５‐３においては、２５個のレンズ要素の作製を予定している。この場合、３度目の放電加工の際には、すでに１度目の放電加工の際にレンズ要素の加工が終了した位置にも球体放電電極が存在してしまう。その際には、すでに加工された位置の球体放電電極に電圧が印加されたとしても一般には支障はない。しかし、加工された位置と球体放電電極との間に加工屑が存在して加工の妨げになることも考えられる。この場合、加工が終了した位置に存在する球体放電電極への電圧の印加を遮断することにより、この問題を回避することができる。同様に、６度目、７から９度目の放電加工の際にも、レンズ要素の加工が終了した位置において球体放電電極への電圧の印加を行わないことができる。

なお、放電加工の際には、被加工物０５０２と放電加工用電極０１０１の距離も重要となる。そのため、移動部０４０３が放電加工用電極を被加工物との適切な距離まで移動させる機能も有していることが望ましい。例えばレンズ要素を加工する際には徐々に被加工物が凹型に加工されていくが、被加工物と放電加工用電極の距離を放電加工中に一定に保つような機能を有していることが考えられる。

「被加工物固定部」０４０４は、レンズアレイ製造用金型の材料である被加工物０５０２を固定する機能を有する。

「高電圧発生部」０４０５は、放電加工部０４０２と被加工物固定部０４０４の間に高電圧をかけることにより放電を発生させる機能を有する。高電圧の発生は、制御部０４０６により制御されることが考えられる。

「制御部」０４０６は、本実施形態の放電加工方法を実施するために、各機能部に指示を与える機能を有する。制御部には、作製を予定するレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチ０５０３などが入力されることが考えられる。
＜処理の流れ＞

図６に本実施形態のレンズアレイ製造用金型の放電加工装置によるレンズアレイ製造用金型の放電加工方法の一例を示す。まず、放電加工ステップにおいて、放電加工用電極を放電加工位置に配置する。次に、放電加工用電極と被加工物の間に高電圧を印加し、レンズアレイ製造用金型の材料に放電加工を施すことによりレンズアレイ製造用金型のレンズ要素の配置ピッチの自然数倍の配置ピッチのレンズ素子形状を作製する（Ｓ０６０１）。レンズ要素の加工が終了したら、放電加工を施す位置をレンズアレイ製造用金型のレンズアレイの配置ピッチの自然数倍の長さ分移動させ（Ｓ０６０２）、移動した場所でレンズアレイ製造用金型の材料に放電加工ステップを施す。全レンズ要素の加工が完了するまでＳ０６０１とＳ０６０２を繰り返し行うことにより、望みのレンズアレイ製造用金型を製造することができる。

放電加工電極における電極面は、複数回の放電加工により表面の形状精度が劣化していくことが考えられ、通常はその際に放電加工電極ごと交換が必要となるが、本願発明における球体放電電極においては、回転により電極面として用いる面を同じ球体放電電極内で容易に変更し、球体全面を電極面として利用することができるため、効率的である。

なお、球体放電電極０１０２の電極面の劣化を確認したら、劣化した電極面が新たに利用する電極面とならないように球体放電電極を回転させて、放電加工を行う。球体放電電極は、回転により劣化していない球面を電極面として利用できる限り使用することができ、球体全面が劣化した際は新たな球体と交換することができる。なお、本願発明における球体放電電極はばねにより固定されており、球体放電電極が固定部に装着されている状態でもばねを押圧することにより手で球体放電電極を回転させることが可能である。また、球体放電電極の劣化を防ぐために、放電加工の際に球体放電電極を常時回転させる機構を設けて、電極面として用いる面を常に変更する構成も考えられる。
＜効果＞

以上のような構成を取ることにより、レンズアレイ製造用金型を効率よく製造することが可能となる。

本実施例において、実施形態２で説明したレンズアレイ製造用金型の放電加工方法を用いてレンズアレイ製造用金型を製造した結果を示す。なお本実施例に記載の内容は、本願発明を何ら限定するものではない。

図１３に本実施例において実施したレンズアレイ製造用金型の放電加工方法の概要を示す。被加工物０５０２はステージ１３０１上の加工油１３０２内に設置され、放電加工用電極０１０１を被加工物に近づけて、被加工物の適切な位置で放電加工を行いレンズ要素を作製した。

図７に本実施例に用いた放電加工用電極０１０１の概要を示す。（ａ）は放電加工用電極を撮影した斜視図であり、（ｂ）は側面の設計図である。本実施例においては、球体放電電極０１０２を１つ用いた放電加工用電極を使用した。球体放電電極の球の直径は４ｍｍとし、球体放電電極載置板に設けた貫通穴の直径は３．８ｍｍとした。また、球体の材質は無酸素銅とした。本放電加工用電極を放電加工装置（三菱電機製、ＥＡ‐１２Ｅ）に取り付けて、放電加工を行った。

図８に本実施例で設計したレンズアレイ製造用金型の上面図を示す。レンズ要素０５０１の配置ピッチは０．９ｍｍ、レンズ要素の加工深さは０．５ｍｍ、レンズ要素の設計曲率半径（Ｒ）は２．３ｍｍとして、縦横４つずつ配列した合計１６個のレンズ要素を加工した。なお、各レンズ要素にふってある番号は、放電加工におけるレンズ要素の加工順序である。レンズアレイ製造用金型の材料としては、高温・高圧に十分な強度を持つ鋼材を用いた。また、用いる鋼材の両面は、放電加工に影響を及ぼさないように研削仕上げを施し、表面の平坦性の高いものを用いた。

鋼材は、鋼材の加工面の平面度が５０ｍｍに対して±５μｍ以下となるよう調整した。本取付け精度を用いた場合、本実施例で設計した各レンズ要素の加工領域に対する加工深さ方向の、被加工物の設置に起因する誤差は±０．３μｍ以下である。

最初に鋼材に放電加工を施す際、まず１番目のレンズ要素の加工開始点で放電電極と鋼材を接触検知させ、この検知した位置を加工面の深さ方向の原点とした。その後、１要素ごとに放電加工を施してレンズ要素を加工した。各レンズ要素の加工が終わったら放電加工電極を次の要素位置に移動させて放電加工を行い、１６要素まで放電加工を行った。加工順序は図８に示す番号順に行った。

図９に加工されたレンズアレイ製造用金型を光学顕微鏡で観察した結果を示す。凹部が各レンズ要素０５０１であり、１６個のレンズ要素が作製されていることが確認できる。

次に、作製したレンズアレイ製造用金型の各レンズ要素の断面形状を、レーザープローブ式非接触三次元測定器（三鷹光器製、ＮＨ‐３）を用いて測定した。本測定器の分解能は、加工面の面内方向が０．１μｍ、加工面の面直方向が０．０５μｍである。測定結果の一例として、図１０には図９におけるＡ‐Ａ'間の断面形状を示す。

図１１は、作製したレンズ要素０５０１の断面形状から、最小二乗法を用いて曲率半径を求めた結果を示す。なお、曲率半径は互いに垂直な２方向の測定結果の平均値として算出した。レンズ要素を１６個加工した結果、平均曲率半径が２．２ｍｍ〜２．４ｍｍの間にあることがわかり、設計通りのレンズ要素を持つレンズアレイ製造用金型を製造することができた。なお、各レンズ要素の曲率半径の標準偏差は５７μｍであった。

図１２に、加工されたレンズ要素０５０１の形状誤差の一例を示す。形状誤差とは、加工されたレンズ要素の形状から、設計されたレンズ要素の形状を差し引いたものである。図１２の横軸は球面形状の先端からの距離を示し、縦軸は球面形状の設計値からの誤差を示す。同図は、１６番目に加工したレンズ要素の結果である。この形状誤差は１０μｍ程度であり、高精度の加工を行えたことがわかる。この誤差は、他のレンズ要素においても同様であった。

０１０１：放電加工用電極
０１０２：球体放電電極
０１０３：固定部
０１０４：球体放電電極載置板
０１０５：押圧板
０１０６：貫通穴
０１０７：ばね
０１０８：押圧器具
０１０９：ねじ
０１１０：スペーサー
０１１１：チャック
０１１２：ねじ
０１１３：突起
０３０１：固定部
０３０２：基板
０３０３：球体放電電極配置器具
０３０４：板ばね
０３０５：ねじ
０３０６：穴
０３０７：突起
０４０１：放電加工装置
０４０２：放電加工部
０４０３：移動部
０４０４：被加工物固定部
０４０５：高電圧発生部
０４０６：制御部
０５０１：レンズ要素
０５０２：被加工物
０５０３：配置ピッチ
Ｓ０６０１：放電加工ステップ
Ｓ０６０２：移動ステップ
１３０１：ステージ
１３０２：加工油

Claims (5)

1. 球体からなる球体放電電極と、
   球体放電電極の少なくとも一部が穴を通して被加工物側に露出するように球体放電電極をばねにより押圧して固定するとともに、
   球体を回転させることにより球体放電電極面を劣化した球面から未使用の球面へと変更することが可能な固定部と、
   からなる放電加工用電極。
2. 前記球体放電電極への電圧の印加は前記固定部を介して行われる請求項１に記載の放電加工用電極。
3. 前記球体放電電極を複数備える、請求項１又は２に記載の放電加工用電極。
4. 前記球体放電電極は銅球、銅タングステン製の球体、グラファイト製の球体のうちいずれか一である、請求項１から３のいずれか一に記載の放電加工用電極。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の放電加工用電極を備えた放電加工装置。