专利名称：加工光学元件成型模具的方法
技术领域：
本发明涉及一种加工能模制光学元件的光学表面的光学元件成型模具的方法，具体地说，本发明涉及一种加工光学元件成型模具的方法，该方法在形成具有多个部件的模具时，能精确地将这些部件连接起来。
背景技术：
近年来在迅速发展的光学拾取器领域常采用一种如超精密型的物镜之类的光学元件。此外，已开发出具有显微图案，例如衍射光栅的光学元件。用模具加工材料为塑料或玻璃之类的光学元件时，能快速加工出形状统一的产品，因此用模具模制元件的方法适用于批量生产。
此外，在很多情况中，例如用单晶金刚石刀具将模具分割成一个接着一个来制造用于模制光学元件的模具。在这种条件下，为了维持低成本，需要将模具做得很小，因为模具的材料很昂贵。此外，例如在将模具夹紧在圆柱形研磨机上使模具转动而对其进行加工时，为了防止由于模具离心旋转而引起的加工误差，希望模具的重量轻、尺寸小。但是，将模具装于模制装置上时，若模具小，考虑到模制时需要传递适当的压力，必须将该模具刚性连接在一个支撑件上。在上面提到的这种条件下，如果在模具的转移表面有显微图案，必须将这种显微图案在微米级基础上相对于上述支撑件精确定位。
在此情况下，欲将模具与支撑件连接，有一些可供考虑的连接方法，这些方法包括螺钉连接、用粘接剂粘接、热喷(Thermal Spraying)以及通过低熔点的合金连接。然而，用螺钉连接模具和支撑件时，令人担心的是由于模制过程引起的温度周期变化或在长期使用螺钉的过程中重复出现的力的影响使螺钉松脱。另一方面，若使用粘接剂使模具与支撑件结合，又担心在模制过程中的高温环境下不能保持足够的粘合强度。再者，若用热喷方法连接模具和支撑件，担心的是热喷时的温度可能导致模具或支撑件变形。而且，若用低熔点合金并使焊点固化连接模具和支撑件，如果合金的熔点高，令人担心的是受到高温下熔融合金的影响模具或支撑件可能变形，如果合金的熔点低，在模制过程中的高温环境下不能确保合金具有足够的结合强度。尤其在模具具有显微图案的情况下，上面所提到的连接方法问题更严重。当最终制成这类光学元件时，由显微图案产生的光学性能可能会受到严重影响。
虽然日本TOKKAI No.2001-217099公开了一种用电成型连接两个部件制造加速器谐振腔的方法，但没有描述电成型前对这两个部件进行定位的方法。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种加工模具的方法，借助于准确地连接多个组成部分，该方法能获得极其可靠的模具。
通过下述的加工模具的方法的(1)～(6)种情况的任何一种情况可实现本发明的上述目的。
情况(1)一种加工用于形成光学元件的模具的方法，包括一个定位步骤和一个电成型连接步骤，上述定位步骤用于在将多个部件的连接表面彼此相对的定位状态下暂时固定，其中上述多个部分中的至少一个部件具有模具转移表面，上述电成型连接步骤用于在上述多个部件被定位的情况下，通过在上述连接表面的圆周上形成电成型模具而连接所述部件。
情况(2)根据上述(1)的加工用于形成光学元件的模具的方法，还包括一个电成型步骤和一个成形步骤(Shaping Step)，上述电成型步骤是在具有模具转移表面的基底上进行电成型处理，并形成上面已转移了模具转移表面的模具材料，上述成形步骤是通过精确的机械加工使模具材料具有一定形状。在这种情况下，通过将支撑件固定在经上述成形步骤成形的模具材料上实施前述定位步骤，利用在电成型件和支撑件的连接表面的圆周上形成的电成型模具实施上述电成型连接步骤。
情况(3)根据上述情况(1)的加工用于形成光学元件的模具的方法，其中当支撑件带电时，上述电成型连件步骤在电成型件和支撑件的连接表面的圆周上形成电成型模具。
情况(4)根据上述情况(2)的加工用于形成光学元件的模具的方法，其中形成的上述支撑件是导电件。
情况(5)根据上述情况(2)的加工用于形成光学元件的模具的方法，其中具有连接表面的连接部分的圆周直径小于支撑件的外径，或小于模具材料的除连接部分外的直径。
情况(6)根据上述情况(1)的加工用于形成光学元件的模具的方法，其中通过在上述定位步骤中利用粘合剂将上述连接表面放置在一起而进行暂时固定，可使粘合剂渗出的圆周凹槽形成在上述多个部件的至少一个部件上。
此外，对优选情况(7)至(23)描述如下。
情况(7)一种加工用于模制光学元件的模具的方法，该方法是通过连接至少一个部件具有模具转移表面的多个部件来加工模具的方法，其中通过电成型连接上述多个部件。在情况(7)中，在环境温度接近室温的情况下形成电成型模具，因此，上述部分不发生变形，因而连接的精确度高，而且即使在高温环境下仍能保持足够的连接强度。这种连接足以抵抗模制过程中反复出现的力，这样就可以提供比用螺钉连接、粘接剂结合、热喷和借助于低熔点的结合可靠性好得多的模具。
此外，上述所提到的若干部分之一可以是具有模具转移表面的模具，可以用金属或非晶体材料作为这种模具的材料。再者，上面所提到的若干部分之一可以是与模具相连接的支撑件。通过转动金刚石刀具，在这种由金属制成的模具上可以形成与模具的光学表面相应的模具转移表面和显微图案。如果具有与光学元件形状相应的基底，通过从基底上生长电成型模具也可以进行例如包括显微图案的转移表面的转移成形。即使上述彼此连接的部件之一是非导电件，通过化学沉积或真空蒸发也可以在非导电件上形成一层导电膜，从而可以进行电成型。另外，通过将熔融的非晶体材料压抵在基底上并使其硬化，还可以形成上面转移了显微图案并精确地形成了显微图案的模具。虽然可以认为电成型和非晶体材料完全可以制成具有不需要支撑件的长度的模具，但是例如制成具有包括圆柱形驱动部分的长度的模具则所花时间很长，因为电成型模具的生长要花费很长时间。另外，还存在的一个问题是因为非晶体材料本身很昂贵，模具的成本极高。因此，即使用电成型和非晶体材料形成带模具转移表面的模具，考虑到制造成本和时间，也需要采用支撑件连接，所以，本发明的效果可显示出来。除此之外，还可以考虑用硅片和陶瓷作为模具的材料。当然，令人担忧的是这些材料韧性低，而且它们不能抵抗反复出现的作用力。
情况(8)一种加工模具的方法，用于在连接上述部件前在模具的上述转移表面上形成显微图案。在情况(8)中，由于上述显微图案和与具有模具转移表面的部件连接的部件需要精确定位，本发明的效果更为突出。
情况(9)一种加工模具的方法，其中，用于模制光学元件的模具是用于注入模制的模具。
情况(10)一种加工模具的方法，其中，在将上述部件的待连接表面放在另一被定位的连接表面上的条件下，暂时固定上述部件，然后，围绕上述连接表面的圆周形成电成型模具。在情况(10)中，因为在连接过程中在上述部件不会出现对定位不利的热和应力，可以在精确定位后进行暂时固定，并在保持这种状态的条件下进行连接。此外，还有一个优点是当将一个连接表面放置在另一个连接表面之上时，可简化用于暂时固定的构件。在这种情况下，尤其是用于连接的时间很短，而且能方便地加工具有注模时所需长度的模具部件。在这种情况下，所谓“连接表面放在另一连接表面之上”的含意是使一个连接表面直接面对着另一连接表面或通过它们之间的间隙面对着另外的连接表面。
情况(11)一种加工模具的方法，其中在彼此面对放置的连接表面中的一个上形成凹陷部分，在另一表面上形成凸起，当上述凸起与凹陷部分接合时使这些连接表面彼此定位。在情况(11)中，可以实现精确定位。
情况(12)一种加工模具的方法，其中在彼此面对放置的两个连接表面上都形成凹陷部分，当通过与上述两个凹陷部分都接合的插入件(例如与上述凹陷部分接合的棒形件)使这两个连接表面相对放置时，使这两个连接表面彼此定位。在情况(12)中可实现精确定位。
情况(13)一种加工模具的方法，其中当上述连接面粘合时可实现暂时定位。在情况(13)中，优选不要固定上述部分的构件。
情况(14)一种加工模具的方法，其中上述多个部件中的至少一个部件由导电件构成，每个连接面的一部分与另外的连接面的一部分直接接触，而没有中间粘接层。在情况(14)中，可以简化电成型所需的布线。
情况(15)一种加工模具的方法，其中上述导电件包括金属件。
情况(16)一种加工模具的方法，其中在将彼此相对的力分别施加到上述连接表面上时，进行暂时固定。
情况(17)一种加工模具的方法，其中用机械装置施加所述力。在情况(17)中，优选提高上述连接表面之间的粘附程度。
情况(18)一种加工模具的方法，其中上述机械装置包括一对在力传递路径上彼此相对设置的板和一根插在上述两板之间能自由转动的球。在情况(18)中即使当产生的力包括在与施加力的原来方向不同的方向上的分力时，包括沿上述方向的分力的力不被传递，因此，只有在原来方向给出的力才被传递。
情况(19)一种加工模具的方法，其中将上述一对板布置成几乎垂直于施加到板上的作用力的方向。
情况(20)一种加工模具的方法，其中上述机械装置包括设置在力传递路径上的锥形表面和与上述锥形表面接合的球。在情况(20)中，在即将接触前或甚至在接触后(前提是球可以在板上滑动)如果轻击球，上述球和板之间的位置关系是不规则的，因此，通过使连接表面彼此相对，借助于它们自身的重量，或借助于分开地而且暂时地施加磁力或机械力，以及通过增大施加的力，在连接表面彼此保持相对的状态时，就可使上述连接表面紧密接触。
情况(21)一种加工模具的方法，其中上述多个部件由铁磁材料制成，在用于给出上述力的铁磁材料上加一个磁场就可以产生磁力。此外，在这种情况下所提到的磁力或者可以是由永久磁铁产生的磁力，或者是由电磁铁产生的磁力。
情况(22)一种加工模具的方法，其中在两个连接表面上涂覆了粘接剂之后通过在彼此相对的两个方向上施加力，可进行暂时固定。在情况(22)中这种暂时固定更牢固。
情况(23)一种加工模具的方法，其中在进行暂时固定之前将连接表面彼此定位。在情况(23)中，在两个部件的基准面(例如以两个部件的连接表面的相对侧上的两个端面为基准面)彼此保持平行的状态下，通过调节两个连接表面的间隔和位置使它们彼此相对，这对于由于例如连接表面面积小而难以提高工艺精度或者在止动位置的定位精度的情况是很有效的。当连接表面的面积小时，精度很容易受到来自止动位置处的被夹紧的异物的影响，但与连接表面相比，由于后端面和外圆周有一宽阔区域，很容易确保工艺精度和位置精度，这是一大优点。可以用外圆周面代替后端面作为基准面，但是在该情况下，如果以后端面作为基准面，电成型工艺的操作更为方便，这是一优点。
图1(a)-图1(f)中的每一幅附图都示出了用电成型加工模具的过程；图2是模具材料和支撑件的局部放大图；图3是示出将模具材料暂时固定到支撑件上的装置；图4是示出将模具材料暂时固定到支撑件上的另一种装置；图5是示出将模具材料暂时固定到支撑件上的又一种装置；图6(a)是固定侧设有一个空腔的模具的正视图，图6(b)是图6(a)中沿箭头方向看进去的上述结构的沿6(b)-6(b)线剖开的截面图。
具体实施例方式
下面详细描述本发明的用于制造光学元件的成型模具的方法的具体实施方式
。图1(a)～图1(f)中的每一幅附图都是示意图，它们示出了通过电成型加工模具的过程。首先，用机械工艺、化学工艺或物理工艺制成由硅制成并具有显微图案的基底1，并如图1(a)所示，用螺钉3将该基底连接到夹具2的一个端面上。在这种情况下，夹具2的端面2a呈现出精确地垂直于夹具2的轴线X。然后，为了使基底导电、以及提高表面硬度，用溅射方法在基底1的表面上形成一层用作模具的含磷镍膜，该膜的作用是保护显微图案。
接着，在图1(b)中，生长出纯镍的电成型模具，以便成为如图中用两点一划线代表的模具材料4。借助于通过在夹具2的外周表面涂覆绝缘介质而实施的电成型模具保护工艺，可对不希望的电成型模具的连接进行控制。成型后，模具材料4的形状如图中用实线示意地表示的那样。
之后，在图1(c)中，暂时将构成导电件的支撑件5固定到模具材料4上。下面将以更为详细的方式对暂时固定方法进行说明。图2中对用箭头标出的部分进行了放大，模具4的连接表面4c有形成在其中心部位的凸起4e和围绕上述凸起形成的凹槽(例如环形凹槽)4d。另一方面，支撑件5的连接表面5d具有位于该表面中心部位的开口5f。减小连接表面4c和5d各自的外圆周直径，以便用来形成电成型模具。
换句话说，如图2所示，连接部分的外圆周直径小于支撑件5的直径，或者小于模具材料4的除连接部分外的直径。因此，通过后续的电成型工艺，可形成足够厚的连接件6，甚至如图1(f)所示，在对连接部分的外圆周表面加工完成时，都可将模具材料4和支撑件5牢固固定。通过将凸起4e插入开口5f中使之配合，在连接表面4c或连接表面5d上涂覆粘接剂后，可使连接表面4c和5d彼此定位。当在上述状态下粘接剂固化，就可以完成支撑件5在模具材料4上的暂时固定。在定位过程中，由于粘接剂可以渗漏到上述环形凹槽4d中，所以围绕环形凹槽的连接表面4c可以直接与连接表面5d接触，这可以控制模具材料4和支撑件5倾斜，也可改变总长度。此外，由于在模具材料4和支撑件5之间实现了电接触，当在形成电成型模具的过程中(下面将对此作出描述)支撑件5带电时，模具材料4也带电，将简化布线。再者，就通电而言，也可以从模具材料4处通电，而不必限制只从支撑件5通电。最好除去从连接表面渗漏的粘接剂。在本实施方式中，利用粘接剂实现暂时固定，这样就不需要用作暂时固定的辅助工具了。
随后，为了形成连接件6，在连接表面的外圆周表面上逐渐生长出电成型模具。当将连接件6跨接成围绕模具材料4和支撑件5的外圆周时，则模具材料和支撑件两者均被连接。在本发明中，部件中至少一个，尤其是具有模具转移表面的部件利用预先生长的电成型模具形成，因此，用同样由电成型模具形成的连接件牢固地连接电成型模具，而且可延长它作为模具使用的寿命，实现与形成在模具转移表面上的显微图案相适应的高精确度的连接。还可在不希望形成电成型模具的区域实施保护处理。电成型后要进行充分洗涤，然后以夹具2的端面2a为基准面，通过平面研磨机对支撑件5的端面5a进行机加工，以便获得规定的平行度。据此，可预期端面5a精确地垂直于轴线X。此外，在夹具2旋转的同时，在以图中A示出的位置处对模具材料4进行切割，使模具材料与夹具2分离(分离)，以得到图1(c)所示的结构。在这种情况下，可认为显微图案已转移到朝向基底11的模具材料4的平面4a上。而且，在上述分离之前，还可对支撑件5的外圆周表面进行精加工，并对用外圆周表面作为基准面的那个端表面进行精加工。
接着，在支撑件5转动的同时，用线切割机或磨削机在图1(d)中B位置进行切割，对模具材料4进行粗加工。最后，用圆柱形研磨机(或精密车床)以支撑件5的端面5a为基准面对支撑件5的大直径部分5b和小直径部分5c的各外圆周表面进行精加工。再以端面5a为基准对模具材料4的每个外圆周表面4b和连接件6的圆周表面进行精加工。在这种情况下，最好模具材料4的各个外圆周表面4b和连接件6的上述圆周表面的外径等于或略小于支撑件5的小直径部分的外径。这样设计的原因是担心用纯镍利用电成型模具形成的连接件6由于它的硬度比钢支撑件5的硬度低，在反复模制的早期阶段被磨损并发热。以这种方式加工的模具优选用于注入模制。
图3示出了将模具材料暂时固定到支撑件上的装置。该装置是一种能提供将模具材料暂时固定到支撑件上的力的机械设备。由于图3中示出的基底1、夹具2、模具材料4和支撑件5的结构都与图1(a)至1(f)及图2中所示的相应部件结构相同，此处不再赘述。
在图3中上面附着有模具材料4的夹具2[见图1(b)]由螺钉11暂时固定在框架10上。另一方面，用螺钉12将保持器13固定在支撑件5的端面上，并使保持器13与锥口件14配合。在这种条件下，将凸起4e(图2)插入表示为凹陷部分的开口5f(图2)装配，而同时维持连接表面4c和5d彼此相对，从而使模具材料4和支撑件5彼此定位。之后，使球状体15与锥口件14的锥形表面14a接合，使球状体15碰到垫板16a的平面上。垫板16a由支撑件16支撑，相对于框架10而言，上述支撑件的位置是可变的，利用拧进框架10中的螺钉17的尖端部从支撑件的后侧压住该支撑件。
当往前推进地拧螺钉17时，通过支撑件16压迫垫板16a，使垫板朝图3中的左边运动。垫板16a受压时，球状体15压迫锥口件14的锥表面14a，继而通过保持器13压迫支撑件5，于是，在对连接表面4c和连接表面5d两者都施加机械力的状态下，使连接表面4c与连接表面5d保持接触。在这种条件下进行电成型，如图1(c)所示，借助于利用电成型模具而形成的连接件6，模具材料4可以与支撑件5彼此相连。在本实施例中，锥表面14a和与该锥表面接触的球状体15都包括在传递压力的路径中，甚至在暂时固定连接表面4c和5d之前、这两个连接表面彼此不平行时，接面5d当所述连接表面受到压力而彼此接触时能倾斜，以此方式两个连接表面4c和5d彼此可以紧密接触，模具材料4的轴线可以与支撑件5的轴线重合。
图4是另一种将模具材料暂时固定到支撑件上的装置示意图。该装置也是一种能提供使模具材料暂时固定到支撑件上的力的机械设备，此处仅对与图3中所示装置结构不同之处作出说明。
图4中平行件14’与保持器13配合，将球状体15安装成能在上述平行件的平面14a’和垫板16的平面之间自由转动。往前推进地拧螺钉17时，通过支撑件16压迫垫板16a，使垫板朝图3中的左边运动。当垫板16a受压时，球状体15压迫平行件14’的垫板14a’，继而通过保持器13压迫支撑件5，于是，在对连接表面4c和连接表面5d两者都施加机械压力的状态下，使连接表面4c与连接表面5d接触。
严格地说，甚至是在往前推进地拧螺钉17时，垫板16a作圆弧运动，因此在由垫板16a施加到球状体15的力中产生的作用力可能包括一个方向与用于提供压力的轴向力不同的分力。但是，在本实施方式中，球状体15可以在平行件14’的平面14a’与垫板16的平面之间转动，这就可以阻止力在除轴向以外的方向转递，因此，两个连接表面4c和5d彼此紧密接触，模具材料4的轴线与支撑件5的轴线重合。
图5是又一种将模具材料暂时固定到支撑件上的装置示意图。该装置也是一种能提供使模具材料暂时固定到支撑件上的力的机械设备，此处仅对与图3中所示装置结构不用之处作出说明。
在图5中，用螺钉11将上面形成有模具材料4的夹具2[见图1(b)]暂时固定在上面嵌有多个撑条21的底板20上。另一方面，用螺钉12将平板23固定在支撑件5的端面上。在这种条件下，将凸起4e(图2)插入开口5f(图2)中，以便在维持连接表面4c和5d彼此面对时使凸起4e与开口5f接合，从而使模具材料4与支撑件5彼此定位。在这种情况下，通过在多个撑条21的上端和平板23之间插入薄垫片24，维持底板21和平板23之间的平行度。随后的方法步骤与上述实施方式中相同，此处不再赘述。
虽然上述模具在可动侧制有核心，在实施本实施例，也可制出在固定侧形成空腔的模具。当然有些模具很薄，在这种情况下，如何将模具装在模制装置上是一个问题。
图6(a)是在固定侧形成空腔的模具的正视图，图6(b)是沿图6(a)中线6(b)-6(b)截取的沿箭头方向看的结构图。将薄片形模具材料4’暂时固定在圆柱形支撑件5’的端面，然后，通过连接件6’使上述两者彼此固定，该连接件是通过在相反侧生长电成型模具而形成的。
在固定侧形成-空腔的模具不需要侧表面，但它需要一定厚度，以便能够在模制过程中经受住压力。然而，当在作为模具材料4’的半导体晶片上形成显微图案(例如环形槽)4a’时，基于工艺和成本的原因，在许多情况下要求模具厚度在薄板中为1毫米(mm)或小于1毫米(mm)。在这种情况下，在本实施例中，可以通过电成型模具将模具材料4’与支撑件5’相连，并且可以用作在固定侧形成空腔的模具。
上面参考实施方式对本发明做了详细说明，显然，本发明的结构并不限于上述实施方式，在本发明的构思和范围内，可以作出适当的改型和改进。例如，在本实施方式中，虽然使形成在连接表面一侧的凸起与形成在该表面另一侧的凹入部分(开口)相配合，在使连接表面彼此面对时，也可以通过将形成在连接表面两侧的棒形件(如销等)插入形成在两侧的凹入部分中来对所述连接表面进行定位。此外，通过用铁磁材料制成支撑件，借助于用磁力吸引由纯镍制成的模具材料，可以对两个连接表面施加力，以使它们彼此紧密接触。在连接表面上还可以既利用粘附力又利用压力。
本发明所提供的加工模具的方法可以将多个部件准确地连接在一起，并可生产出可靠性高的模具。
权利要求
1.一种用于加工形成光学元件的模具的方法，包括下述步骤(a)在将多个部件的连接表面彼此相对定位的同时暂时固定这些连接表面，上述多个部件中至少一个部件具有模具转移表面；和(b)在使上述多个部件定位的同时通过在上述连接表面的各圆周上形成电成型模具来连接上述部件。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在具有模具转移表面的基底上进行电成型，由此形成上面已转移了模具转移表面的模具材料；和通过精确的机械加工使模具材料具有一定形状，其中，通过将支撑件固定在经上述成形步骤成形的模具材料上而实施上述暂时定位步骤，通过在电成型件和支撑件的连接表面的圆周上形成电成型模具来实施上述连接步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其中，在对支撑件通电的同时，通过在电成型件和支撑件的连接表面的圆周上形成电成型模具来实现上述连接步骤。
4.如权利要求2所述的方法，其中，上述支撑件是导电件。
5.如权利要求2所述的方法，其中，具有连接表面的连接部分的外径小于支撑件或除连接部分之外的模具材料的外径。
6.如权利要求1所述的方法，其中，通过将上述连接表面放置在一起而用粘接剂进行暂时固定，并且还包括在上述多个部件的至少一个部件上形成可使粘接剂渗出的圆周凹槽。
全文摘要
一种加工用于形成光学元件的模具的方法，包括一个定位步骤和一个电成型连接步骤，上述定位步骤用于在将多个部件的连接表面彼此相对、并对这些部分定位的状态下进行暂时固定，其中上述多个部件中的至少一个部件具有模具转移表面，上述电成型连接步骤用于在上述多个部件被定位的情况下，通过在上述连接表面的圆周上形成电成型模具来连接所述部件。
文档编号B29D11/00GK1459353SQ03136710
公开日2003年12月3日 申请日期2003年5月21日 优先权日2002年5月24日
发明者茜部佑一, 水越智秀 申请人:柯尼卡株式会社