CN101274466B - 光学元件成型用模具及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种光学元件成型用模具制作方法，其中，在通过喷射向绝热层形成中间金属层时，不产生应力引起的中间金属层的剥离。光学元件成型用模具制作方法，制作用来成型光学元件的模具，包括以下步骤：在母材(11)表面成型光学元件侧的面上叠合绝热层(13)；在绝热层(13)的表面，通过喷射叠合中间金属层(14)；在中间金属层(14)的表面叠合表面加工层(15)，该表面加工层(15)上形成了转印光学元件表面形状的面；使得绝热层(13)的一部分略均匀露出地叠合所述中间金属层(14)。

Description

光学元件成型用模具及其制作方法
技术领域
本发明涉及光学元件成型用模具及其制作方法，该模具用来通过射出成型制造诸如光学透镜和衍射光栅等光学元件，它们的精度被要求到小于微米级。 
背景技术
合成树脂的射出成型中，以往使用的模具由钢等金属材料制成。近年来，随着光学制品的精细化，对光学元件等也要求有小于微米级的高精度。 
在此，为了成型高精度的光学元件，建议了一种光学元件成型用模具，其中在不锈钢制的型芯表面形成绝热层和表面加工层，而型芯是用来成型光学元件1个光学面的模具，制作该光学元件成型用模具时，通过在型芯的表面喷射陶瓷系材料而在模具母材上一体形成绝热层，在绝热层上无电镀层非铁金属材料，由此形成表面加工层(例如请参照专利文献1)。这里的喷射是一种所谓叠层的方法，具体的是用高温对被粉末状了的材料进行熔融，将熔融后的材料吹附到欲叠层的对象物上，通过材料冷却固着在对象物上实现叠层。 
但是，为了成型光学元件，上述光学元件成型用模具被反复升降温，因此各层间有出现剥离的可能性。尤其是陶瓷系材料的绝热层和非铁金属材料的表面加工层之间，由于热膨胀率不同而容易剥离。然而即使是部分性的剥离也有可能成为表面加工层微小变形的原因，有可能降低成形品形状的精度。 
为此以往有一种光学元件成型用模具被建议，其中为了提高表面加工层和绝热层的密贴程度，在表面加工层和绝热层之间，通过喷射，在整个绝热层面上设中间层，该中间层用与表面加工层和绝热层都具  有较高亲和性的材料形成。 
专利文献1：特开2002-96335号公报 
发明内容
但是，因为考虑与绝热层和表面加工层双方的亲和力来选择中间层材料，所以绝热层与中间层的亲和力有时并非为最高系。因此，像以往的光学元件成型用模具那样，通过喷射在绝热层的整个面上叠合中间层，当中间层的材料冷却固着时，在绝热层和中间层之间产生应力剥离等，有得不到所望密贴性的可能性。 
然而发生上述剥离的情况下，由于光学元件成型时施加很大的压力，因剥离出现的空间受压出现表面加工层变形，成型的光学元件变形，导致光学性能劣化。另外，因为压力引起的剥离部分的变形大多数在不施加压力时恢复原形，所以，又不能采用尽量使其变形之后作精密加工的方法。 
本发明是鉴于上述问题的发明，以提供一种光学元件成型用模具及其制作方法为目的，其中，通过喷射在绝热层上形成中间层时，不出现应力引起的中间金属层剥离。 
为了达成上述目的，本发明中的第一方式，是一种光学元件成型用模具制作方法，制作用来成型光学元件的模具，光学元件成型用模具制作方法特征在于，包括以下步骤：在母材表面成型所述光学元件侧的面上叠合绝热层；在所述绝热层的表面，通过喷射叠合中间金属层；在所述中间金属层的表面，叠合表面加工层，该表面加工层上形成了转印光学元件表面形状的面；光学元件成型用模具制作方法的特征还在于，使得所述绝热层的一部分略均匀露出地叠合所述中间金属层。 
本发明中的第二方式，是一种光学元件成型用模具制作方法，制作用来成型光学元件的模具，其特征在于，包括以下步骤：在母材表面成型所述光学元件侧的面上叠合绝热层；在所述绝热层的表面，通过喷射叠合中间金属层；在所述中间金属层的表面，叠合表面加工层，该表面加工层上形成了转印光学元件表面形状的面；光学元件成型用模具制作方法的特征还在于，使得所述绝热层从所述中间金属层露出的部分的面积在所述绝热层整个表面面积的0.5～40％范围地叠合所述中间金属层。
本发明中的第三方式，是第一方式或第二方式的光学元件成型用模具制作方法，其特征在于，所述中间金属层被叠合表面加工层一侧的面的表面面积在50cm2以下，所述中间金属层整个表面面积的10％以上的面，每0.1mm2上绝热层的露出部分为0.0001～0.01mm2，所述整个表面面积的剩余部分的面，每0.1mm2上绝热层的露出为0.0001mm2以下。 
本发明中的第四方式，是一种合成树脂成型用模具，其备有型芯和型腔，其中型腔与型芯之间隔着部件成型空间，其特征在于，所述型芯和型腔的至少任何一方备有：母材；形成在母材表面的绝热层；中间金属层，通过喷射被形成在所述绝热层的所述母材侧相反侧表面；表面加工层，在所述中间金属层的所述绝热层侧相反侧表面，其上形成了转印光学元件表面形状的面；合成树脂成型用模具的特征还在于，使得所述绝热层的一部分略均匀露出地形成所述中间金属层。 
本发明中的第五方式，是一种合成树脂成型用模具，其备有型芯和型腔，型腔与型芯之间隔着部件成型空间，其特征在于，所述型芯和型腔的任何至少一方备有：母材；形成在母材表面的绝热层；中间金属层，通过喷射被形成在所述绝热层的所述母材侧相反侧表面；表面加工层，在所述中间金属层的所述绝热层侧相反侧表面，其上形成了转印光学元件表面形状的面；合成树脂成型用模具的特征还在于，所述中间金属层使得所述绝热层从所述中间金属层露出部分的面积在所述绝热层整个表面面积的0.5～40％范围。 
本发明中的第六方式，是第四方式或第五方式的光学元件成型用模具，其特征在于，所述中间金属层被叠合表面加工层侧的面的表面面积在50cm2以下，所述中间金属层整个表面面积的10％以上的面，每0。1mm2上绝热层的露出部分为0.0001～0.01mm2，所述整个表面面 积的剩余部分的面，每0.1mm2上绝热层的露出为0.0001mm2以下。 
根据第一方式至第三方式的任何之一中记载的光学元件成型用模具制作方法，因为在中间金属层的表面有绝热层的露出部分，所以在制造过程中即使对中间金属层施加应力也能够使该力释放。这样能够制作一种光学元件成型用模具，其中减轻了喷射在绝热层上的中间金属层从绝热层剥离。因此，用这种光学元件成型用模具制作方法制作的第四方式至第六方式的任何一项中记载的光学元件成型用模具，其中，减轻了成型光学元件时成型压力引起的光学元件成型用模具的变形，能够良好的确保用该光学元件成型模具成型的光学元件的光学性能。 
附图说明
图1：本实施方式涉及的光学元件成型用模具的整体概略截面示意图。 
图2：用来说明本实施方式涉及的光学元件成型用模具各层详细的截面图。 
图3：光学元件成型用模具的各层内容的说明示意图。 
图4：具有船底形状母材之型腔的概略截面示意图。 
图5：各实施例的喷射条件、露出的评价、以及用该条件制成的光学元件成型用模具中的各层的评价示意图。 
图6：(A)比较例1中的成型压力下的表面加工后的表面加工层的模具截面形状示意图，(B)实施例1中的成型压力下的表面加工后的表面加工层的模具截面形状示意图。 
具体实施方式
(第1实施方式) 
以下对本发明的第1实施方式涉及的光学元件成型用模具制作方法进行说明。图1是概略表示光学元件成型用模具整体的截面图。图2是用来说明光学元件成型用模具各层详细的截面图。以下说明的喷射是一种所谓叠层方法，具体的是用高温对被粉末状了的材料进行熔  融，将熔融后的材料吹附到欲叠层的对象物上，通过材料冷却固着在对象物上实现叠层。 
如图1所示，本实施方式涉及的光学元件成型用模具，由型芯模具10、型腔模具2、模具4构成。型腔模具2和模具4围在模具10周围，形成光学元件成型空间3，其是用来成型光学元件的空间。合成树脂被注射到型芯模具10的光学元件成型空间3侧的面上所形成的表面加工层15和、型腔模具2、以及模具4之间形成的光学元件成型空间3中，成合树脂制光学部件的衍射光学元件被成型。 
图2中的模具10是图1中的模具10的放大(以下将该模具10称为“光学元件成型用模具10”)。其为制作衍射光学元件的模具的一个例子。本实施方式中，在母材11和绝热层13之间叠合粘合层12，用来提高密贴性，但不要求高密贴性时可以没有。 
图3是各层的材质和制作方法的表。图3是按照图2中的光学元件成型用模具10的各层的配置顺序，记载了其材质和制作方法，但以下按照制作操作顺序，从图3表的下栏起进行说明。 
首先，母材11由一般用于模具的不锈钢等形成。作为该母材11，使用热传导率为23W/mk，线膨胀率为11×10-6/℃的材料。粘合层12这里采用NiCr，用等离子喷射对母材11形成厚度0.1mm。作为该粘合层12，使用热传导率为20W/mk，线膨胀率为15×10-6/℃的物质。被成型的光学元件的大致形状由该母材11成型。 
绝热层13优选热传导率低、线膨胀率接近母材11的材质。另外优选喷射后气泡孔少的材料。作为绝热层13的材质，可以使用氧化锆系、氧化铝系、氧化钛系、氧化铬系等。本实施例中用ZrO2·24MgO形成。该材质的喷射层气孔率低且稠密性优异，线膨胀率接近母材11，还具有耐热冲击之性质。作为该绝热层13，使用热传导率为1～1.5W/mk，线膨胀率为10～11×10-6/℃的材料。因为该材料的熔融温度较高，所以用能够产生高温等离子状态的等离子喷射，形成约0.9mm的厚度。并且，对喷射后的绝热层13实施机械加工，加工成成形品的形状。 
绝热层13使用陶瓷系材料，是为了在光学元件等射出成型时，防止树脂材料的热量传递到母材11而树脂急剧冷却。该绝热层13被机械加工成希望达到的形状，因此绝热层13的厚度没有参差。这样直至周边没有下垂呈现直缘，所以提高了周边的成型转印性。另外接下去的一层中间金属层可以形成得薄一些。 
中间金属层使用NiAl合金。该材质的热传导率大于20W/mk，线膨胀率为13×10-6/℃。这里是通过高速火焰喷射(HVOF喷射)，采用高速吹附手法。作为此时的喷射条件，优选射出的粉末量为3～10g/min，喷射时间为0.01～1sec。这样的叠层使得绝热层13从喷射后的中间金属层14露出的部分的面积占绝热层13全面积的0.5～40％。并且优选该喷射叠层如下，即，喷射后从每0.1mm2中间金属层14露出的绝热层13的露出部分为0.0001～0.01mm2，且中间金属层14上满足上述范围的部分占其整个表面面积的10％以上。而中间金属层14表面面积剩余部分的绝热层13露出则每0.1mm2在0.0001mm2以下。并且优选从中间金属层14露出的绝热层13的露出部分不是集中在某一部分，而是整体性均匀地分散(称之为“略均匀”)。 
通过这样在中间金属层14上形成绝热层13的露出部分，在喷射后对中间金属层14施加应力时，可以使力向露出部分释放。因此，能够减轻由于应力而喷射在绝热层13上的中间金属层14从绝热层13剥离。另外，本实施方式中，使绝热层13的露出部分与其全面的面积比为0.5％～40％，所以又能够充分确保绝热层13与表面加工层15之间的密贴性。 
这里的所谓“绝热层13的一部分露出”，原则上是指绝热层13与其表面上形成的中间金属层14之间的关系是绝热层13的一部分有所露出，而形成表面加工层15之后，最终是绝热层13的表面不再露出而被覆盖，此时应另当别论。这一点在以下的说明中也相同。 
另外，作为向绝热层13表面喷射中间金属层14的喷射方法，也可以采用等离子喷射。 
中间金属层14是为了提高绝热层13与表面加工层15间密贴性的  叠层。因为绝热层13为陶瓷系材料，而表面加工层15为金属系材料，所以，中间金属层14优选与双方都具有良好亲和性的材料。在此，作为中间金属层，利用例如金属系的材料、或金属与陶瓷的金属陶瓷、或梯度材料。作为金属陶瓷，优选以绝热层13作为基体。梯度材料则优选从绝热层13的基体材料到表面加工层15的基体材料，随叠层厚度改变调配比例。 
另外，中间金属层14也可以用金属陶瓷代替NiAl合金。此时通过喷射金属陶瓷，在绝热层13的表面形成作为中间金属层14。尤其对受线膨胀系数差的影响较大的大尺寸部件有效。作为使用的金属陶瓷，优选以绝热层13的材质为基体的材料。例如，可以使用锆镍系的ZrO2·8MgO·35NiCr、ZrO2·8Y2O3·25NiCr、或铝镍系的Al2O3·3O(Ni2OAl)等。 
另外，还可以用梯度材料取代NiAl合金来作为中间金属层14。优选从绝热层13的基体材料到表面加工层15的基体材料，改变比例。作为形成方法，例如，先准备多种喷射时粉末的混合调配比例不同的材料，按照每次叠层厚度的程度，依次供给不同调配比例的材料，进行叠层。或也可以从2通道的粉末供给装置供给各自的材料，并逐渐改变各自的供给比率。例如，从Zr-Mg氧化物到NiAl合金，使慢慢地改变材料比例，这样能够使用梯度材料形成中间金属层14。 
表面加工层15使用无电镀Ni-P。如上所述，由于中间金属层14没有完全覆盖绝热层13，所以该无电镀镍处理是直接对中间层14和母材11进行的，至于从中间层14露出部分的绝热层13，也被进行该无电镀镍处理。表面加工层15的材料因为与陶瓷系材料的绝热层13不同而都是导体，所以，可以通过相同的镀敷前处理条件进行镀敷，这样提高镀敷质量同时镀敷的密贴性良好。作为该表面加工层15，使用热传导率为4.0～7.2W/mk，热膨胀系率为11～12×10-6/℃的材料。 
并且在这样形成的表面加工层15上，根据所制造的光学元件，实施表面加工，光学元件成型用模具10完成。例如，通过用金刚石工具进行切削加工，形成带有V槽形状的表面加工层15。另外，还有用蚀  刻法，形成所希望的形状。 
表面加工层15优选金属系的材料。尤其优选镍等非铁金属系，但也可以用氮化金属、炭化金属或炭氮化金属形成。因为母材11和表面加工层15同是金属系材料，所以密贴良好，历经热反复也不会剥离。 
接下去，对用本实施方式涉及的光学元件成型用模具制作方法制作的光学元件成型用模具10作说明。 
如图2所示，光学元件成型用模具10从图中下侧起，依次被叠合母材11、粘结层12、绝热层13、中间金属层14、表面加工层15。其上还成形了维修检查时用来把持的槽11a。另外为了提高密贴性，在母材11和绝热层13之间内涂层粘结层12。表面加工层15的一部分进入母材11的槽11a内部。 
另外，至于向光学元件的成型转印性不要求至表面加工层15最外周的模具，可以如图4所示，做成具有船底形状母材21的光学元件成型用模具。这样的话增强母材11与绝热层13的密贴性。另外，在周边部没有必要覆盖到母材11的侧面。 
(实施例) 
以下参照附图5、6，对本发明涉及的光学元件成型用模具10制作方法中的中间金属层14的叠合实施例作说明。以下检验中，采用光学显微镜(KEYENCE公司制造的VH-Z450)，对绝热层13相对中间金属层14的露出进行了评价。图5表示实施例1、比较例1以及比较例2中的喷射条件、其露出评价，以及用该条件制作的光学元件成型用模具10中的各层的评价。图6(A)是在比较例1中的成型压力下，表面加工后的表面加工层15的模具截面形状示意图，图6(B)是在实施例1中的成型压力下，表面加工后的表面加工层15的模具截面形状示意图。图6曲线中，横轴表示模具截面中的各层的表面方向的位置，纵轴表示模具截面中的表面加工层15的表面垂直方向的位置。 
(实施例1) 
喷射条件如图5所示，以粉末量为6g/min，喷射时间为0.1sec，向绝热层13的表面进行中间金属层14的喷射。这里的粉末量6g/min属于上述优选的粉末量范围3～10g/min。喷射时间0.1sec也属于上述优选的喷射时间范围0.01～1sec。
此时，中间金属层14的整个表面面积的80％中，确保了每0.1mm2上有0.0001～0.01mm2的绝热层13露出。 
然后这样喷射中间金属层14制作成的光学元件成型用模具10，其中没有发生中间金属层14从绝热层13的剥离(以下称之为“浮起”)，在成型压力下模具中没有发生局部变形。因此，如图6(B)所示，在成型压力下，表面加工后的表面加工层15的面，在垂直方向的高度中几乎保持一定的位置。另外，因为中间金属层14充分叠合在绝热层13上，所以能够使绝热层13与表面加工层15的密贴性得到满足。 
(比较例1) 
喷射条件如图5所示，以粉末量为12g/min，喷射时间为1sec，向绝热层13的表面进行中间金属层14的喷射。这里的粉末量12g/min不属于上述优选的粉末量范围3～10g/min。喷射时间1sec属于上述优选的喷射时间范围0.01～1sec。 
此时，在中间金属层14的整个表面没有确认到有绝热层13露出。也就是说，因粉末量太多，所以被喷射的中间金属层14遍及绝热层13的整个表面，因此绝热层13被完全覆盖。 
而这样喷射中间金属层14制成的光学元件成型用模具10，其中当对中间金属层14施加应力时，因为没有露出部分所以力不能释放，中间金属层14与绝热层13之间的面，在垂直方向高度中局部性的发生“浮起”，如图6(A)所示，在成型压力下，出现光学元件成型用模具的局部变形。 
根据上述，喷射所使用的粉末量逸出上述优选喷射时间范围的、优选粉末量范围时，将出现中间金属层14与绝热层13的剥离，用这种光学元件成型用模具10难以成型精度良好的光学元件。 
(比较例2) 
喷射条件如图5所示，以粉末量为2.5g/min，喷射时间为0.8sec，向绝热层13的表面进行中间金属层14的喷射。这里的粉末量2.5g/min  不属于上述优选的粉末量范围3～10g/min。喷射时间0.8sec属于上述优选的喷射时间范围0.01～1sec。 
此时，中间金属层14上产生绝热层13整个表面面积之50％的不均匀露出。这不能说是优选状态的略均匀的露出，另外，所产生的露出其范围超出了优选范围，即相对绝热层13整个表面面积来说露出部分为0.5～40％。也就是说，由于粉末量少而绝热层13的整个面上没有遍及喷射中间金属层14，绝热层13的露出变多，没能叠合充分量的中间金属层14。 
这样喷射中间金属层14制成的光学元件成型用模具10，其中产生没有充分叠合中间金属层14的部分，而该中间金属14层又是用来提高表面加工层15和绝热层13密贴性的，所以，没有充分叠合中间金属层14的部分，表面加工层15上出现气泡孔等缺陷，表面加工后的光学元件不能形成所希望的光学面。 
根据上述，喷射所使用的粉末是逸出上述优选喷射时间范围的、优选粉末量范围的少量的情况时，将出现没有叠合中间金属层14的部分，难以制作光学元件成型用模具10。 
本实施方式对型芯模具10作了说明，所涉及的结构也可以应用于型腔模具2以及模具4，另外也可以应用于型芯模具10、并同型腔模具2以及模具4之所有的模具。 

Claims (4)

1.一种光学元件成型用模具制作方法，制作用来成型光学元件的模具，光学元件成型用模具制作方法的特征在于，包括以下步骤：在母材表面成型所述光学元件侧的面上叠合绝热层；在所述绝热层的表面，通过喷射叠合中间金属层；在所述中间金属层的表面叠合表面加工层，该表面加工层上形成了转印光学元件表面形状的面；
光学元件成型用模具制作方法的特征还在于，使得所述绝热层的一部分整体性均匀露出地叠合所述中间金属层，
所述绝热层从所述中间金属层露出部分的面积在所述绝热层整个表面面积的0.5～40％范围内。
2.权利要求1中记载的光学元件成型用模具制作方法，其特征在于，所述中间金属层被叠合表面加工层侧的面的表面面积在50cm2以下，所述中间金属层整个表面面积的10％以上的面，每0.1mm2上绝热层的露出部分为0.0001～0.01mm2，所述整个表面面积的剩余部分的面，每0.1mm2上绝热层的露出部分为0.0001mm2以下。
3.一种光学元件成型用模具，包括型芯和型腔，其中型腔与型芯之间隔着部件成型空间，光学元件成型用模具的特征在于，所述型芯和型腔的至少任何一方备有：母材；形成在母材表面的绝热层；中间金属层，通过喷射被形成在所述绝热层的所述母材侧相反侧表面；表面加工层，在所述中间金属层的所述绝热层侧相反侧表面，其上形成了转印光学元件表面形状的面；
光学元件成型用模具的特征还在于，使得所述绝热层的一部分整体性均匀露出地形成所述中间金属层，
所述绝热层从所述中间金属层露出部分的面积在所述绝热层整个表面面积的0.5～40％范围内。
4.权利要求3中记载的光学元件成型用模具，其特征在于，所述中间金属层被叠合表面加工层侧的面的表面面积在50cm2以下，所述中间金属层整个表面面积的10％以上的面，每0.1mm2上绝热层的露出部分为0.0001～0.01mm2，所述整个表面面积的剩余部分的面，每0.1mm2上绝热层的露出部分为0.0001mm2以下。
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