CN1915637A

CN1915637A - 光学元件成形模具及其制造方法

Info

Publication number: CN1915637A
Application number: CNA2006101215326A
Authority: CN
Inventors: 内藤笃
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2007-02-21
Also published as: TWI310725B; US20070040291A1; KR20080038080A; JPWO2007020769A1; TW200722256A; WO2007020769A1

Abstract

一种光学元件成形模具具有用于模制光学元件的模具面并且包括：具有模具基准面的基体；位于基体的模具基准面之上的绝热层；位于绝热层之上的中间层；以及用于覆盖中间层的表面处理层。在表面处理层的表面之外，基体上的模具基准面的上部是模具面。较佳的是，绝热层是陶瓷层，表面处理层是金属材料层，并且中间层的厚度不超过200微米。这样，便提供了一种配有粘合得很好的表面处理层且能够实现高精度复制的光学元件成形模具。

Description

光学元件成形模具及其制造方法

有关申请的交叉参照

本申请基于2005年8月18日提交的、申请号为2005-237776的在先日本专利并要求该专利的优先权，其全部内容包括在此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种光学元件成形模具，该模具通过树脂注射模制可制造诸如光学透镜、衍射光栅等光学元件。更具体地讲，本发明涉及一种光学元件成形模具及其制造方法，用于形成其精度要求在微米量级的光学元件。

背景技术

常规情况下都使用诸如钢等金属材料制成的模具，通过合成树脂注射模制形成光学元件。近年来，随着光学产品的设计越来越精密，对光学元件等的精度要求已经达到了微米量级。然而，常规模具已很难实现如此高的形状转移精度。发行号为2002-96335的未经审查的日本专利公布了形成高精度光学元件的常规技术。该发行刊物公布了一种光学元件成形模具，其中绝热层和表面处理层形成于不锈钢制成的芯的表面上。

关于上述发行刊物所提及的光学元件成形模具，通过在芯的表面上喷射陶瓷材料而在模具基体上形成一层绝热层。通过非铁金属材料的无电敷镀，在绝热层上形成表面处理层。因此，可以按模具形状高度精确地处理该表面处理层，并且可以获得其尺寸误差很小的模制件。

然而，在使用常规光学元件成形模具来形成光学元件的过程中会重复加热和冷却操作。结果，有可能引发层与层之间的分离。尤其是，在陶瓷材料制成的绝热层和非铁金属材料制成的表面处理层之间，因它们的热膨胀系数不同很有可能发生分离。即使只是部分分离，也有可能使该表面处理层有轻微的变形和偏差。因此，这种层的分离有可能使模制件的形成精度下降。

发明内容

本发明试图解决常规光学元件成形模具中所包括的上述问题。因此，本发明的目的是提供一种光学元件成形模具以及该光学元件成形模具的制造方法，该模具所配备的表面处理层具有卓越的粘合性并能够实现很高的形状转移精度。

为实现本发明的上述目的，提供了一种光学元件成形模具，该模具包括：基体；通过喷射在基体上形成的绝热层；置于绝热层之上的中间层；以及表面层，该表面层覆盖中间层并包括用于模制光学元件的模具面。

根据本发明，也提供了一种光学元件成形模具的制造方法，该方法包括如下步骤：通过喷射在基体上形成绝热层；在绝热层上形成中间层；在中间层上形成表面层；以及在该表面层的表面上形成用于模制光学元件的模具面。

参照本发明的光学元件成形模具，在模具面上模制光学元件，在表面处理层的表面之外，该模具面是基体上模具基准面的上部。该表面层覆盖中间层，中间层置于绝热层上，并且该绝热层是通过喷射形成于基体上的模具基准面之上的。因此，该表面层通过该中间层牢固地粘合到该绝热层。即，即使反复加热和冷却，也可以由该中间层来减轻该表面层和绝热层的变形。因此，该表面层具有卓越的粘合性。在该表面层的表面之外，基体上模具基准面的上部就是该模具面。因此，可以实现很高的形状转移精度。

附图说明

结合附图，在下面的详细描述中，本发明的这些和其它目的及优点将变得更为清楚，其中：

图1是示出了本实施例所涉及的一种光学元件成形模具的横截面图；

图2是示出了各层的细节的图；

图3是示出了各层的表面粗糙度的图；

图4是示出了表面处理层的一个示例的横截面图；

图5是从光学元件成形模具中模制出来的光学元件的一个示例的横截面图；

图6是表面处理层的另一个示例的横截面图；以及

图7是光学元件成形模具的另一个示例的横截面图。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的较佳实施例。这些较佳实施例将本发明应用于一种形成光学透镜、衍射光学元件等的光学元件成形模具。

如图1所示，本发明所涉及的光学元件成形模具10包括基体11、接合层12、绝热层13、中间层14和表面处理层15，它们从底部起按上述顺序叠合在一起。在图1中，基体11的上表面对应于在其上形成各层的基准面，并且其顶端是负偏置的。基体11具有槽11a，便于维护和检测时夹紧用。基体11的上表面是按模制件的大致形状形成的。涂覆接合层12，以增强基体11和绝热层13的粘合性。至于基体11和接合层12，常规使用的仍然用在本发明中。

绝热层13由绝热性卓越的陶瓷材料制成。使用陶瓷材料以便防止当通过注入成模形成光学元件等时树脂材料的热量被传导至基体11从而使树脂迅速冷却下来这样一种情况。通过机械加工按期望的形状形成了绝热层13，由此绝热层13不具有由形成过程引发的厚度变化。因为这样形成的绝热层13不含有向其边界的翻转并且该边界是锋利的缘，所以该边界的形状转移精度提高了。此外，在绝热层上的中间层14可以制得很薄。

提供中间层14，以便增强绝热层13和表面处理层15的粘合性。当绝热层13由陶瓷材料制成时，表面处理层15由金属材料制成。因此，中间层14最好由与这两种材料都具有亲和性的材料制成。所以，作为适合用于中间层14的材料，可以使用例如金属材料、由金属和陶瓷构成的金属陶瓷、或梯度材料。通过使用这样的材料，使绝热层13和中间层14的粘合以及中间层14和表面处理层15的粘合很结实。即，中间层14帮助增强绝热层13和表面处理层15的粘合。至于金属陶瓷，绝热层13的材料适合用作其基体材料。至于梯度变化材料，在叠合厚度方向上从靠近绝热层13的一侧到靠近表面处理层15的一侧不断改变成分比例。即，在梯度变化材料制成的中间层14中，在靠近绝热层13的一侧绝热层13的基体材料很丰厚，而靠近表面处理层15的一侧表面处理层15的基体材料很丰厚。

在图1中，中间层14不仅覆盖绝热层13的上表面，还覆盖其前、后、左、右表面。因此，在形成中间层14之后，绝热层13不再暴露于外部。此外，中间层14的边缘部分14a直接与基体11接触。即，通过形成中间层14，基体11的偏置部分填满。因为已经用绝热层13形成了期望的形状，所以中间层14可以形成得很薄，像可以保持期望的形状那样。因此，可以形成厚度不超过200微米的中间层14。中间层14是如此之薄，使得绝热层13和表面处理层15的粘合可以得到增强。此外，因为不需要中间层14的外部处理，所以表面处理层15可以叠合在中间层14上，就像它是之后形成的。

在图1中，对表面处理层15的上表面进行切割加工，由此在其上成形模具面。表面处理层15最好由金属材料制成。特别是，诸如镍等非铁金属是较佳的，然而，氮化金属、碳化金属、或碳氮金属都是可以接受的。表面处理层15覆盖中间层14的全部。此外，表面处理层15的边缘部分15c直接接触基体11，并且一部分边缘部分15c进入槽11a。基体11和表面处理层15都由金属材料制成。因此，它们较佳地彼此粘合并且即使加上热滞后效应也永远不会彼此分开。

接下来，将参照图2描述各层的材料及制造方法的一个示例。尽管图2根据图1所示的层叠顺序罗列出来，但是，此处将根据制造过程从图2的最后一行开始描述。首先，用通常用于模具的不锈钢等形成基体11。对于基体，此处选择了导热率为23W/mk且线性膨胀率为11×10^-6/k的材料。作为接合层12，选择NiCr合金，并且通过等离子喷射在基体材料11上形成约0.1毫米厚的一层。至于此处形成的接合层12，导热率是20W/mk并且线性膨胀率是15×10^-6/k。

对于绝热层13，导热率低且线性膨胀率与基体11的线性膨胀率接近的材料是适合的。另外，在喷射之后气泡较少的材料是更佳的。作为绝热层13的主要材料，可以使用氧化锆、氧化铝、氧化钛、氧化铬等。此处，选择ZrO₂·24MgO。该材料形成的喷射层具有很低的孔隙率并且很稠密。它的线性膨胀率接近基体11的线性膨胀率。此外，该材料呈现出对热冲击的高阻隔性。对于绝热层13，选择了一种导热率为1～1.5W/mk且线性膨胀率为10～11×10^-6/k的材料。因为该材料的熔化温度很高，所以通过可以产生高温等离子态的等离子喷射而形成绝热层13。此处形成的绝热层13的厚度约为0.9毫米。此外，对喷射之后的绝热层13实施机械加工以形成期望的模制件的形状。

作为中间层14的材料，此处选择了NiAl合金。对于该材料，导热率高于20W/mk并且线性膨胀率约为13×10^-6/k。通过使用高速火焰喷射的方法(HVOF喷射)喷射该材料，形成了厚度约为0.02毫米的中间层14。尽管此处可以应用等离子体喷射，但是HVOF喷射更佳。这是因为，如果喷射后的中间层14的表面粗糙，则表面处理层15很可能有气泡，这可能是造成缺陷的原因。根据HVOF喷射，当用于中间层14的材料的金属粒子与绝热层13碰撞时，一部分动能转变为热能。通过熔化和动态的碰撞力形成了精细的叠合膜。因此，表面处理层15就很难有气泡了。

作为表面处理层15，此处选择无电敷镀Ni-P敷镀层。因为中间层14充分地覆盖了绝热层13，所以对中间层14和基体11应用无电敷镀，但是不要将无电敷镀应用于绝热层13的任何部分。前两层由导电材料制成，而绝热层13由陶瓷材料制成。因此，在相同的预敷镀处理条件下，对这些层的敷镀是有可能的并且敷镀质量因此有所提高。另外，敷镀的粘合是较佳的。对于表面处理层15，此处选择导热率为4.0～7.2W/mk且线性膨胀率为11～12×10^-6/k的材料。

在本实施例中，图3示出了在各层形成之后的表面粗糙度。要注意，图3示出了在实施研磨工作之后而获得的绝热层13的表面粗糙度。如图3所示，在表面处理层15的中心线处的粗糙度平均值是6微米，这是较佳的结果。对如此形成的表面处理层15施加取决于要制造的光学元件的表面处理，由此光学元件成形模具便完工了。例如，如图4所示，通过使用金刚石工具进行切割工作，便可以形成具有V形槽形状的表面处理层15A。图4中的阴影所表示的部分对应于具有V形槽的表面处理层15A，这些V形槽平行排列彼此间隔4微米。槽的深度是3微米，并且槽的基本角是65度。通过刻蚀，也可以形成期望的形状。

接下来，检查用本发明所涉及的、如此形成的光学元件成形模具10所制造的光学元件的形状转移精度。作为检查目标，使用了具有如图4所示V形槽形状的表面处理层15A的模具。无定形聚烯烃用作模制材料，并且模制条件设置如下：模具温度115℃；树脂温度250℃；冷却时间60秒；保压力100MPa；注入速度200毫米/秒。图5示出了模制件的横截面图。根据SEM(扫描电镜)观察而测得，模制件的末端形状处的半径R约为0.15微米。该图指出了足够好的形状转移精度。图5示出了与它图4相对应的向下的模具面。此外，至于如图6所示的二位式形状的表面处理层15B，也可以检验其较佳的形状转移精度。

根据发明人所做的实验，认清了下面的事实。首先，发现随着中间层14的厚度做得越来越薄，形状转移精度越来越好。如上所述，通过预先将绝热层13形成期望的形状，可以使中间层14的厚度做得很薄。所以，较佳的是，中间层14形成得很薄，但其厚度的范围要使绝热层13不会因喷射的不均匀而部分地暴露就可以。例如，10微米到30微米的范围是合适的。如果中间层的厚度是200微米或更厚，则当该层在使用过程中会因膜应力而导致分离和变形，这是不希望看到的。

接下来，将描述其它实施例。首先，作为用于中间层14的材料，金属陶瓷可以替代NiAl合金。在这种情况下，可以通过喷射金属陶瓷来形成中间层14。特别是，当制造会显著受线性膨胀系数差影响的大尺寸构件时，使用金属陶瓷是有效的。作为要使用的金属陶瓷，较佳的是，它基于绝热层13的材料。例如，可以使用氧化锆镍体系(比如，ZrO₂·8MgO·35NiCr，ZrO₂·8Y₂O₃·25NiCr)、氧化铝镍体系(比如，Al₂O₃·30(Ni20Al))等。

或者，作为NiAl合金的替代，可以将梯度变化材料用于中间层14。较佳的是，在叠合方向上从绝热层13的基体材料到表面处理层15的基体材料，中间层14的混合比例不断变化。作为形成这种混合金属陶瓷的方法，预先准备若干种混合比例不同的混合粉末，并且一步一步提供比例不同的混合粉末以构建在叠合厚度方向上包括不同混合比例的层。或者，用两通道粉末馈送装置来馈送不同的材料并且逐渐地改变两种不同材料的馈送比例。例如，通过从富含Zr-Mg-氧化物到富含NiAl-合金逐渐地改变，可以形成中间层14。

此外，通过直接在中间层14上喷射金属材料而非无电敷镀镍，可以形成表面处理层15。例如，可以通过HVOF喷射来形成NiAl合金。遵照这种方式，可只通过喷射处理来形成绝热层13到表面处理层15，而无需电镀处理。因此，可以用一个喷射机器连续地形成绝热层13、中间层14和表面处理层15。使用这种方式，较佳的是选择金属材料，金属材料很精细并且在喷射期间不会引起气泡。如果表面处理层15是通过喷射形成的，则没有必要用中间层14来覆盖绝热层13的侧面。此外，有可能使用不带中间层14的模具。

或者，可以通过溅射形成表面处理层15。如果通过溅射来形成的话，则表面处理层15不会有气泡。作为用于溅射的材料，下面的是可用的：比如氮化物，TiN、CrN、AlN等；比如碳化物，TiC、SiC等或DLC(类似金刚石的碳)；或碳氮化物等。在这种情况下，没必要用中间层14覆盖绝热层13的侧面。此外，有可能使用不带中间层14的模具。

如果用于某一产品的模具在其最外围部分不要求形状转移精度，则可以使用如图7所示的带有船底形状基体21的光学元件成形模具20。当具有这种形状的基体21时，基体21和绝热层13的粘合得到增强。此外，如果充分地确保基体21和中间层14的接触区域是在基体21的边界部分，则没有必要用中间层14来覆盖基体21的侧面。

如上所述，本实施例所涉及的光学元件成形模具10具有：基体11，它具有模具基准面；绝热层13，它置于基体11的模具基准面之上；中间层14，它置于绝热层13之上；以及表面处理层15，它覆盖中间层14。此外，绝热层13是陶瓷层，表面处理层15是金属材料层，并且中间层14由金属、金属陶瓷或梯度材料制成，由此绝热层13和表面处理层15的粘合得到增强。中间层14和表面处理层15的边缘部分直接与基体11接触，因此这些层和基体11的粘合是很好的。中间层14的厚度是200微米或更薄，因此确保了较佳的形状转移精度。总之，实现了配有粘合很好的表面处理层15并能够获取高形状转移精度的光学元件成形模具10。

上述实施例只是说明性的示例，并不以任何方式来限制本发明。因此，本发明可以在不偏离其本质的情况下得到明显改进或以各种方式来修改。例如，本文所描述的各层材料及厚度都只是示例，而非限制。此外，例如，本发明并不限于光学元件的模具，而可以应用于通过树脂注射模制而制造精密构件的许多模具。

关于本发明，较佳的是，绝热层是陶瓷层，表面层是金属层(尤其是适合电镀并呈现出高抗蚀性的非铁金属层)，中间层由金属或金属陶瓷或梯度变化材料制成并且厚度不超过200微米，并且接合层位于基体和绝热层之间以便增强它们的粘合。此外，表面层可以通过诸如无电敷镀、金属喷射、溅射等处理过程来制造。

关于本发明，较佳的是，中间层覆盖绝热层并且其边缘部分与基体接触。此外，较佳的是，表面层覆盖中间层并且其边缘部分与基体接触。此外，较佳的是，在形成中间层之前，先执行在喷射之后处理该绝热层以形成目标模制件的形状这一步骤。

根据本发明，提供了一种配有粘合很好的表面处理层并能够实现高形状转移精度的光学元件成形模具。

Claims

1.一种光学元件成形模具，包括：

基体；

通过喷射形成于所述基体之上的绝热层；

位于所述绝热层之上的中间层；以及

表面层，所述表面层覆盖所述中间层并且包括用于模制光学元件的模具面。

2.如权利要求1所述的光学元件成形模具，其特征在于，所述绝热层由陶瓷制成。

3.如权利要求1所述的光学元件成形模具，其特征在于，所述表面层由金属制成。

4.如权利要求3所述的光学元件成形模具，其特征在于，所述表面层由非铁金属制成。

5.如权利要求1所述的光学元件成形模具，其特征在于，所述中间层由金属制成。

6.如权利要求1所述的光学元件成形模具，其特征在于，所述中间层由金属陶瓷制成。

7.如权利要求1所述的光学元件成形模具，其特征在于，所述中间层的混合组分不断变化，使得在叠层厚度方向上，越靠近所述绝热层就越富含与所述绝热层共有的成分而越靠近所述表面层就越富含与所述表面层共有的成分。

8.如权利要求1所述的光学元件成形模具，其特征在于，所述中间层的厚度不超过200微米。

9.如权利要求1所述的光学元件成形模具，其特征在于，所述中间层覆盖所述绝热层并且所述中间层的边缘部分与所述基体接触。

10.如权利要求1所述的光学元件成形模具，其特征在于，所述表面层覆盖所述中间层并且所述表面层的边缘部分与所述基体接触。

11.如权利要求1所述的光学元件成形模具，还包括置于所述基体和所述绝热层之间以便增强所述基体和所述绝热层的粘合的接合层。

12.一种光学元件成形模具的制造方法，所述方法包括如下步骤：

通过喷射在基体上形成绝热层；

在所述绝热层上形成中间层；

在所述中间层上形成表面层；以及

在所述表面层的表面上形成用于模制光学元件的模具面。

13.如权利要求12所述的光学元件成形模具的制造方法，还包括在形成中间层之前在喷射之后处理绝热层以便在其上成形一目标模制件的一个步骤。

14.如权利要求12所述的光学元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述绝热层由陶瓷构成。

15.如权利要求14所述的光学元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述中间层由完全地覆盖所述绝热层的金属或金属陶瓷构成。

16.如权利要求15所述的光学元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述中间层是通过喷射形成的。

17.如权利要求15所述的光学元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述表面层由金属构成。

18.如权利要求17所述的光学元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述表面层是通过镀敷形成的。

19.如权利要求12所述的光学元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述表面层是通过喷射形成的。