CN1990208A - 形成元件的模具总成及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成光学元件的模具总成，其包括支撑材料层以及已揭露且说明的制模材料层，一方面，该制模材料层包括耦合于支撑材料层上的单晶钻石，且包含一光学元件压模于模具总成时定出形状轮廓的工作表面，另一方面，该制模材料层包括耦合于支撑材料层的PCD以及包含一光学元件压模于模具总成时定出形状轮廓的工作表面，再另一方面而言，该制模材料层可能包含陶材组成被覆材料以提供耦合于支撑材料层的一材料至该模具总成工作表面的另一材料的梯度，该工作表面能在光学元件压模时定出该光学元件的形状轮廓。本发明可改善光学镜片或其他装置的品质和制造生产量。

Description

形成元件的模具总成及其形成方法
技术领域
本发明一种用以形成光学元件以及其他至少部分为球面的元件的超硬工作表面模具总成，因此本发明涉及化学、物理以及材料科学领域。
背景技术
压模是广泛地被应用在制造各种欲有相对高生产力的零件，例如，用以封装如二极管等半导体装置的高分子材料射出模具是一个惯例的制造程序，而眼科镜片也是用一样的方式塑造而成，在最近几年，如用于手机或其他相似装置上的相对小的照相机镜片已经能够被大量制造，这种镜片可能以透明高分子或光学玻璃所制造。在一个典型的应用中，珠状的原料可在两个铁砧之间被压平以形成镜片。铁砧在这种程序中通常具有凹部，其准确地被研磨、磨亮以形成特定轮廓(例如球体或非球体轮廓)，藉由两铁砧压平所得到的镜片具有和铁砧一致的曲率轮廓。
当该镜片被用来作为数位相机或手机上的镜片时，穿过镜片所得到的影像一定常常具有数百万个像素(许多手机具有1亿三千万像素)，因此，影像光轨必须极小心地控制。为了达到这种品质标准，光学材料的均一性必须非常高，而且镜片的表面也必须非常平滑。
为了符合大体为均一性及表面平滑的严格要求，模具材料层也必须非常坚硬而且无法被压缩(因此确保尺寸的可重复性)，除此之外，模具的表面必须一致或至少必须具非常少的“软化点(soft spot)”在模具上，更佳的是没有柔性斑点。除此之外，模具表面必须具有高度的惰性，以使得该模具不会在制模过程中与镜片材料反应，若没有这样的惰性就必须使用分离剂(parting agent)，例如六角晶形氮化硼的气溶胶等。然而，分离剂的加入会减少大量生产的次数，而且可能影响镜片表面的品质，当一个小镜片将光分散成数百万个像素时，任何色差(abberation)或表面缺陷，如不可分离的分离剂皆会造成非常大的麻烦。
除了材料必须坚硬且平滑的要求以外，模具材料层通常必须具有热稳定性，而不会产生机械弯曲(如变形)或是化学反应(如氧化)，这是因为镜片的制模过程通常伴随着光学材料的加热。为了软化变形光学材料，因此必须加热该材料，否则，材料将会缺乏弹性，并且无法流到所有模具所定义出来的凹处，而且在没有加热的状态由镜片材料的变形所产生的剪切力在镜片材料变形时无法释放，因而导致镜片在其材料压平后会产生扭曲，这种内应力将会影响镜片的折射率，并且导致穿过镜片的光学性质有所不同，亦造成镜片具有方向性的依赖(例如非等向性)，这种色差通常在形成高精密度的镜片时是无法接受的。
用于制造这些型态的光学镜片通常是利用高分子或玻璃。高分子材料相对于玻璃便宜并且具有较低的熔点，因此高分子材料可在相对较低的温度下(如小于400℃)可塑性地变形，然而，高分子材料所制造出来的镜片的折射率通常较低，高分子镜片通常太软，以致于难以承受因脏污、灰尘等所产生的刮痕，因此，目前所用的高精密度镜片通常是以特殊的光学玻璃所制造。
这种光学玻璃通常比高分子材料具有较高的模制温度(如700℃)，大部分的模具材料(例如工具钢、超硬合金)皆无法承受长期在这种极端温度范围下的使用，即使目前普遍使用于模具的最佳材料-强化碳化钨(cementedtungsten carbide，cWC)也可能在这种使用状态下软化。有鉴于此，工业上已经利用加入非常少量的钴(cobalt，Co)在cWC中以改善其缺点。在此应用中，通常使用次微米碳化钨(WC)粒子减少模具表面的晶粒效应(grain effect)，然而，即使是这样的型态的模具也只能持续数百次的运转(典型的钢模寿命仅有十次运作)，因此利用这样的方法所制造的传统模具必须时常更换。
因此，目前光学镜片的模具制造者面临增加模具的硬度与表面平滑度的问题，以符合为了光学完整性而增加的需求，同时也是为了改善讲求高操作温度的光学材料，例如，为了改善压模模具的磨损承受度以及表面惰性，类钻碳(diamond-like-carbon，DLC)膜已被应用来作为模具材料层，然而，DLC通常不能承受温度一再循环于高于大约400℃的温度。
另外，DLC通常非常薄(例如小于1微米)，因此其整体的磨损承受度有限，而且众所皆知DLC是很难贴合于用于光学透镜压模的基座。在制模过程的热循环时，在加热后低膨胀性的DLC以及高膨胀性的基座之间的错误配置(mismatch)会造成应力疲劳以导致DLC涂层的“剥落(flaking)”，而且DLC表面原子包括会与模具材料层及湿气反应的晃动电子。由于该晃动电子，使得反应可能会导致模具材料层或DLC的凹陷。
因此，已改善的光学透镜材料提供透镜具有热稳定性以及化学惰性，然而，已改善光学性质通常是利用高价格且高熔点的玻璃作为镜片材料，为了满足这些矛盾的目标，用以制造光学元件的模具材料层必须本身比目前模具材料层较坚硬，并且具有较高的热稳定性。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术存在的缺陷，而提供一种新的形成元件的模具总成及其形成方法，所要解决的技术问题是使其可改善光学镜片或其他装置的品质和制造生产量，从而更加适于实用。
因此本发明提供一种形成光学元件的模具总成，其包含支撑材料层以及制模材料层，一方面，该制模材料层包括耦合于支撑材料层上的单晶钻石，且包含一光学元件压模于模具总成时定出形状轮廓的工作表面。
依照本发明更详细的说明，单晶钻石的一个(111)晶面朝模具总成的压缩轴定位。
就本发明的另一方面，所提供的一种形成光学元件的模具总成包括支撑材料层以及制模材料层，该制模材料层包括可耦合于支撑材料层的PCD以及包含一光学元件压模于模具总成时定出形状轮廓的工作表面。在一些情形中，一超硬薄膜可被提供于被覆PCD制模材料层的工作表面，以改善模具总成与光学元件的界面的平滑度。
依照本发明更详细的说明，该超硬薄膜可为钻石薄膜或类钻碳薄膜，该类钻碳薄膜可更进一步包括帮助形成氮化碳的氮气。
依照本发明更详细的说明，该PCD包括作为烧结助剂的陶材，其选自下列群组：碳化硅、碳化钛、氮化钛、氮化硅、氮化铝、碳化钨以及氧化铝，该PCD可更进一步包括导电金属以帮助PCD的放电加工，而这样的金属可包括钛或钨。
依照本发明更详细的说明，该制模材料层可以黄铜焊接至支撑材料层上，该黄铜可包括钛铜硅合金或铜锡钛合金，而该制模材料层在真空状态下以黄铜焊接于支撑材料层上。
依照本发明更详细的说明，该支撑材料层可选自于下列群组：强化碳化钨、碳化硅、氮化硅以及硬化钢。
依照本发明更详细的说明，该制模材料层的工作表面藉由从工作表面移除晃动键而成为非活性，该晃动键键结于仅具有单价电子的元素，且该具有单价电子的元素包含氢或卤素，而该卤素选自以下群组：氟、氯、溴、碘及其混合物。
依照本发明更详细的说明，被提供于制模材料层的工作表面的一些贵重金属，以使得该光学元件的表面在形成于模具总成时更平滑。
依照本发明更详细的说明，一种形成光学元件的模具总成包括一支撑材料层以及一耦合于该支撑材料层的制模材料层，而该制模材料层包括第一工作区，该第一工作区可包括超硬材料，并且具有可将光学元件压模于模具总成时定出形状轮廓的工作表面。该制模材料层亦包括第二工作区与过渡区，该过渡区连接于第一与第二工作区，并且从第一工作区至第二工作区具有一组成梯度。
依照本发明更详细的说明，该第一工作区包括一选自于下列群组材料：陶材、含钻石材料及其复合材料，再者，该第二工作区包括陶材，该陶材选自于以下群组：碳化硅、氮化硅、碳化钨及其复合物。
依照本发明更详细的说明，该第一工作区域包括含钻石材料，一方面该含钻石材料为类钻碳，而组成梯度可为连续式组成梯度。
依照本发明更详细的说明，一种形成光学元件的方法，其包括以下步骤：取得如这里所说的模具总成；将一部份未成形的光学材料设置在制模材料层的工作表面上；以及将光学材料在足够高以使该光学材料流动的温度下压入模具总成中。
借由上述技术方案，本发明形成元件的模具总成及其形成方法至少具有下列优点：
本发明的模具总成具有惰性、超硬且可在超过400℃的温度下承受反复的热与压力循环的工作表面，故该模具可改善光学镜片或其他装置的品质和制造生产量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明模具总成以及光学元件材料的具体实例的剖视概要图。
图2是本发明另一模具总成以及光学元件材料的具体实例的剖视概要图。
需要了解的是以上图示仅是为了解本发明作例证，而且该图示并非限制于大小、尺寸、粒径大小以及其他情形，而且一般而言是为了更清楚说明本发明而有夸示的情形，因此，这些偏差可因着制造本发明的模具而出现，使特有尺寸及情形显示于图中。
10、10a：模具总成                  12：支撑材料层
14、14a：制模材料层                16：工作表面
18：光学材料                       20：压缩轴
22：工作表面                       24：超硬薄膜
30：黄铜
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的形成元件的模具总成及其形成方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
在本发明被揭露和叙述之前，必须了解的是以下所叙述及揭露的发明并无意限制本发明的形状、制作步骤或材料，其可为本领域具备通常知识者所能推想到的等效形状、制作步骤及材料，而以下说明中使用专有名词的目的是在叙述特定实施例，亦非对本发明有任何的限制。
而在开始叙述之前值得注意的是在本说明书及权利要求所使用的单数型态字眼如“一”、“该”和“其”，皆仅为先行词，除非在上下文中清楚明白的指示为单数，不然这些单数型态的先行词亦包括一个以上的对象，因此，举例来说，如“一切割元件”包括一或多个这种元件，如“一易碎材料”可指一或多个这种材料。
定义
在本发明的叙述与申请范围中，以下术语会依照以下所提出的定义而被使用。
“颗粒”以及“砂砾”可能是可以互换使用的，而且当被使用与含碳物质有关时，所指的是这种材料的微粒型态，这种颗粒或砂砾可能为各种不同的形状(包括圆形、矩形、方形、自然型态等)以及数个特定筛孔大小，如现有技术，筛孔指的是数个孔洞，且每单位面积如同美国筛孔一般，全部的筛孔大小除了有特别注明，否则在这里指的都是美国筛孔，而且，筛孔大小通常都被了解为一特定量的颗粒的平均筛孔大小，即使每个颗粒于特定的筛孔大小实际上可能为各种超过平均筛孔大小的小分布范围。
“实质的”或“实质地”指的是想要的目的、操作以及配置的功能性达成，犹如这种目的或配置实际上已经被达成，因此，实质地对齐于一般平面的切割边缘，如同机能性或几乎他们是准确的对齐在这样的平面上。
“化学键”(chemical bond)以及“化学键结”(chemical bonding)可交替使用，并且是指原子之间的吸引力足够在原子之间之间隙中产生二元固体化合物的分子键，关于本发明的化学键典型如钻石超研磨粒的碳化物、氮化物或如立方氮化硼等硼化物。
“工件表面”指的是一个加压程序中接触材料以形成光学元件的工具表面，在本发明的一些方面，工具的工作表面可能是钻石或其他超研磨材料层或整块材料。
“陶的”指硬的、耐热的及耐腐蚀的非钻石、非金属材料，而且，这里指的“陶的”材料可能包括选自于下列群组中的至少一元素：铝(Al)、硅(Si)、锂(Li)、锌(Zn)及镓(Ga)，氧化物、氮化物以及各种其他包括上述所引述的元素的化合物皆是被熟知该项技艺人士陶材，除此之外，这里可被视为“陶材”的材料如玻璃，皆被于本领域一般技术人员所知悉，在本发明中具体的陶材例子包括但不限制在碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、氮化钨(WC)、氧化铝(Al2O3)等。
“超硬”可能被用来指任何结晶或多晶的材料，亦或者是这种材料的混合物，其莫氏硬度(Mohr’s hardness)大约等于或大于8，而在一些情形中，其莫氏硬度(Mohr’s hardness)大约等于或大于9.5，这样的材料包括但不限制为钻石、多晶钻石(polycrystalline diamond，PCD)、立方氮化硼(cubic boronnitride，cBN)、多晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride，PcBN)以及其他于本领域具有通常知识者所知道的超硬材料，超硬材料可能以各种不同的形态包含于本发明中，该型态包括颗粒、砂砾、膜、层等。
“气相沉积法”是指一种藉由气体相将物质沉淀在基座上的方法，其包括任何例如，但不限制为化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)和物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)，每一个气相沉积法的使用皆可由于本领域具通常知识者在不改变主要原理的情况下做变动，因此该气相沉积法的例子包括热丝气相沉积法(filament CVD)、射频化学气相沉积法(rf-CVD)、激光化学气相沉积法(laser CVD，LCVD)、激光剥蚀(laserablation)、一致性钻石被覆法(conformal diamond coating processes)、金属有机物化学气相沉积法(metal-organic CVD，MOCVD)、溅渡、热蒸渡(thermalevaporation PVD)、离子化金属物理气相沉积法(ionized metal PVD，IMPVD)、电子束气相沉积法(electron beam PVD，EBPVD)以及反应性气相沉积法(reactive PVD)等其他类似的方法。
“黄铜”指包括足量的反应元素以在其与超研磨粒子之间形成化学键的合金，该合金可为具有反应元素溶质溶于金属载体溶剂的固态或液态溶液，而且“以黄铜焊接的(brazed)”这个词可能可以用来指超研磨粒子以及黄铜之间化学键的形成。
“烧结”指两个或多个个别的颗粒结合以形成一连续性的固体团，而烧结过程包括颗粒的固化以至少减少部分颗粒间的空隙。烧结可能发生在金属颗粒或如钻石的含碳颗粒，金属颗粒的烧结发生在不同的温度，该温度决定于材料的组成，而钻石颗粒的烧结基本上需要特别高的压力、碳溶质如钻石烧结辅助剂的存在以及以下讨论的更多细节。该烧结辅助剂常常使用以助于烧结程序，而一部分的烧结辅助剂可能会存留在最终产物内。
“连续性组成梯度”指在组成中逐步的变化，而非阶梯状的变化或具有不同化合物或热膨胀系数的层次结构屏障，因此，该逐步的变化包括在各种不同中间材料的过渡期或直接从第一组成制第二目标组成的逐步变化，就“连续性组成梯度”而言，实质上不包括均质材料，明显层状的材料或在组成或热膨胀系数会突然变化的任何材料。
浓度、数量以及其他数值上的资料可能是以范围的形式来加以呈现或表示，而需要了解的是这种范围形式的使用仅基于方便性以及简洁，因此在解释时，应具有相当的弹性，不仅包括在范围中明确显示出来以作为限制的数值，同时亦可包含所有个别的数值以及在数值范围中的次范围，如同每一个数值以及次范围被明确地引述出来一般。
例如一个数值范围“约一微米到约五微米”应该解释成不仅仅包括明确引述出来的大约一微米到大约五微米，同时还包括在此指定范围内的每一个数值以及次范围，因此，包含在此一数值范围中的每一个数值，例如2、3及4，或例如1-3、2-4以及3-5等的次范围等。
发明
一个用以制造如光学元件等元件的模具总成，具有惰性、超硬且可在超过400℃的温度下承受反复的热与压力循环的工作表面，故该模具可改善光学镜片或其他装置的品质和制造生产量。本发明提供这样的模具总成，如图1所述的具体实例，该用来制作光学元件的模具总成10包括支撑材料层12以及超硬制模材料层14，该超硬制模材料层14包括可用不同方式耦合于支撑材料层12的单晶钻石，详细叙述如下。该制模材料层14可包括一工作表面(大致如16所示)，其可将光学元件(并未显示加工后的型态，但未加工的元件或光学材料大致如18所示)压模于模具总成中以定出形状轮廓，但需要了解的是本领域一般技术人员通常可依真实工作表面形状而得知元件(或光学元件)的形状即为该工作表面的相反形状。
当本发明经过反复研究后可有利地用于形成各种材料，例如由超合金材料所形成的轴承材料(如球状轴承)。在本发明的其中一方面，所形成的元素或材料为形成光学元件的光学材料18，光学材料18在图中通常是处在描述为球状轮廓的预形成状态，在操作时，光学材料会被压迫于模具总成的两个工作表面16之间以将玻璃或高分子光学材料变形而形成光学元件。当提供光学材料于球状单元内时，但必须了解的是光学材料可被提供于各种形状或形式的单元中，并且可被于形成光学元件的领域具有通常知识者所知悉，无视该光学材料的最初形状与轮廓而将其加压于模具总成的工作表面之间，该光学元件材料可形成由工作表面轮廓的形状。
光学材料的组成也可依不同的相关方法而有各种不同的变化，在本发明的一些情况中，该光学材料是一种主要由氧化物形成的光学玻璃，一般而言，氧化硅(SiO2)是具有各种添加物的光学玻璃中的主要构成，以增加该已抛光的光学元件的性质，而氧化铝(Al2O3)也常常被添加以用来稳固光学元件的结构与化学惰性，至于氧化硼(B2O3)与氧化锌(ZnO)可被用来降低熔点，氧化钾(K2O)、氧化钠(Na2O)、氧化锂(Li2O)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化钡(BaO)可被当成助熔剂以增加熔化玻璃的流动性，氧化铅(PbO)的加入可增加玻璃的折射率。
发现合适的光学元件材料含有相对大量的氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)，并具有相对较少量氧化钠(Na2O)与氧化钾(K2O)，这样的光学玻璃被发现存在有高的热稳定性以及化学惰性，而高的热稳定性可导致镜片表现出低的热膨胀系数，因此镜片的折射率就不容易因为不同温度的影响而变化，故镜片的焦点在极端温度状态下就不会有扩散情形产生，低热活动性将确保镜片不会因反复接触到水气、汗水或其他脏污而刮蚀。
这样的光学玻璃通常提供理想的操作状态，这种玻璃的熔点以及“软化点(softening point)”通常比高分子材料制成的光学材料更高，由于从光学材料形成光学元件需要较大的压力与极端的温度，因此用于形成光学元件的制模材料层必须比习用制模材料层更坚硬并且具有更高的热稳定性，即使是因着其相对高的硬度而被使用的强化碳化钨(cemented tungsten carbide，cBN)也会在压迫这种材料以形成光学元件的环境中软化及形成凹痕。
本发明的模具组成可操作于形成这样高品质光学玻璃所需的极端条件下，例如，藉由从单晶钻石形成本发明的制模材料层14，该模具总成可承受温度在400℃以上的反复使用。在本发明的一实施例中，单晶钻石可在尺寸上变动至高达5微米左右以横过制模材料层14的工作表面16的宽度(W)。由Element Six and Sumitomo Electric所提供的工业用的单晶钻石以有效地结合于本发明的压模模具中。
在本发明的一种情形中，单晶钻石的八面体晶面(111)朝模具总成的压缩轴(如图1所示的箭头20)定位(如暴露)，在此构型中，单晶钻石具有在任何方位较高的膨胀模数，导致模具存在有几乎不可压缩性以及不可变形的特征。在另一实施例中，立方晶面(100)可以定位于压缩轴，假使模具总成用于温度超过600℃的环境，则操作状态必须在保护环境(例如氮气(nitrogen)或氩气(argon))的情形下实施，以防止单晶钻石在温度升高时被氧化，而单晶钻石的工作表面16可用各种不同的方式形成，在一情形中，该工作表面16可被研磨已形成对应光学元件形状的形状，被研磨的弯曲处可藉由钻石微米粉末结合与工作表面相符的金属研磨表面的抛光以及超音波的协助而被磨亮。
超硬的单晶钻石模具可被用来制造具有非常充分耐受度(tolerance)的玻璃透镜，因为该模具在压缩时比现有的模具不容易弯曲变形，所以形成在玻璃中的剩余应力大量减少或消失。在此情况下，镜片将会是等向性的，即其可具有不受方向支配的折射率。单晶钻石模具的生产价格可能相对较高，但单晶钻石模具的寿命却是习用模具总成的好几百倍以上，因此相较之下本发明的单元制造成本是低于现有模具总成的单元制造成本。
该支撑材料层12可被各种适合于支撑超硬制模材料层14的各种材料所形成，一般而言，支撑材料层12必须是要相对坚硬的材料以妥善地结合于超硬制模材料层14。在本发明的一方面，该支撑材料层12由cWC、陶材(例如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)等)或硬化钢所形成。
该超硬制模材料层以各种方法结合于支撑材料层，不然就是附着于支撑材料层上，例如像是银铜钛合金(或钛铜硅合金、或铜锡钛合金)的黄铜30可被用来将单晶钻石结合于支撑材料层上。为了改善结合界面，制模材料层结合于支撑材料层的化学键可在真空(如10-5torr)以及相对高温(如950℃)的条件下进行。
如上所讨论的，本发明一情形是单晶钻石的(111)晶面朝模具总成的压缩轴定位(如暴露)，在这个实施例中，钻石的工作表面是钻石中最不容易反应的一面，为使该(111)晶面不易晃动，可藉由氢气、氮气或氟气的电浆紧密结合于钻石(111)晶面上的晃动电子的表面处理而达成，该晃动键可键结于拥有仅一价电子的元素，其可为氢或卤素，该卤素选自以下群组：氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)或是其混合物。
这样的表面处理可以增加制模材料层的工作表面的化学惰性以及热稳定性，该表面处理更进一步的细节可在2002年10月8日申请且尚在审查阶段的美国专利第10/268,016号的申请案中发现，并且藉此完整地结合于此。
请参看图2所示，本发明的一种情形是提供一种为形成光学元件的模具组成10a，其包括支撑材料层12以及制模材料层14a。在本发明的这个实施例中，该制模材料层14a可包括耦合于支撑材料层12的多晶钻石(polycrystalline diamond，PCD)，该PCD制模材料层包括一工作表面22，其可将光学元件(图中未示)压模于模具总成时定出形状轮廓，一超硬薄膜24可应用于PCD制模材料层的工作表面上，以在模具总成以及光学元件之间提供更平滑的界面。本发明此实施例的光学模具已经成功的使用在形成宽度或尺寸在5至50微米之间的光学镜片。
该PCD制模材料层14a可为不同的材料所组成，但一般而言是非常坚硬的材料，以提供超硬薄膜24良好结合的界面。在本发明的一种情形中，该PCD制模材料层包括复数个藉由烧结助剂(sintering aid)而被烧结成统一质量的钻石粒子，该烧结助剂可为陶材，其选自于下列群组：碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、氮化硼(WC)以及氧化铝(Al2O3)。由于PCD制模材料层通常是由制作困难且贵的材料所形成，因此导电金属可包含在烧结助剂中以帮助形成PCD的电子加工。在本发明的一实施例中，导电性金属可包含镍(Ni)、钛(Ti)或钨(W)。
现有的有钴(Co)作为烧结助剂的高压烧结PCD并非普遍地适合制作镜片模具，这是因为钴常常将钻石在温度高于700℃时逆转成无晶形碳，这个逆转将会扩张PCD晶粒并且会在模具表面制造出微米级的裂痕(crack)，除此之外，在PCD表面上软化的钴内容物会因玻璃反复地流进流出模具总成而反应，因此，PCD的表面会形成凹穴，结果可能使得形成于该模具的镜片的表面不够平滑。
然而，渗入钻石晶粒中的硅可形成具有非常硬的碳化硅(SiC)基质(matrix)的PCD，事实上，高压烧结的钻石-碳化硅组成已被发现可用来作为镜片模具的工作表面，甚至不需要加入超硬薄膜在PCD上，因此，钻石的晶粒尺寸较佳的是维持在相对小(例如1微米)的尺寸。如上所述，钻石-碳化硅组合物通常是绝缘体，因此需要用激光切割来取代加工，例如金属线放电加工机(electrical discharge machining，EDM)或放电研磨机(electricaldischarge grinding，EDG)。然而，该渗透硅的合金可能包括有如镍(Ni)、钛(Ti)、钨(W)等金属，使得其组成为电导性，因此将超硬组成物塑形成对应于由压模所形成的光学元件形状的形状会比利用EDM或EDG更容易。
另一种用于本发明的制模材料层为多晶立方氮化硼(polycrystallinecubic boron nitride，PcBN)，其cBN以及陶材(如氮化铝(AlN)、碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)钛化硼(TiB2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3))烧结合成的材料，其中cBN的体积含量40％至95％的范围之间，为了本发明的制模材料层的设计，cBN的含量高则具有较佳的表现。PcBN通常不如PCD如此坚硬，因此其可被钻石滚轮研磨成想要的形状以及表面构造，PcBN的表面可能也可以被覆钻石薄膜或DLC，因此，这层表面被覆可将cBN晶粒整平，使其与非cBN陶材基质一样平滑。
该超硬薄膜24可由各种不同材质所形成，并且可被支撑材料层12以各种不同的方式所附着，在本发明的一种情形中，该超硬薄膜24可藉由CVD沉积于钻石上，或藉由其他各种不同的方式如热丝气相沉积法(hotfilament)、微波电浆(microwave plasma)、无线电波电浆(radio wave plasma)或直流电弧(DC arc)。最具代表性的是将含碳气体(如甲烷、乙炔)作为碳源，以及将大量的氢气(如99vol％)作为触媒的前趋物，而气体混合物会被上述能量来源的其中一种所分解，而已分离的氢气原子会将已分离的碳原子保存在类钻石的键结结构中，而最终这些碳原子会结合已形成钻石薄膜。
因此，钻石薄膜可为多晶结构，为了减少之后为了提供平滑镜片模具所作的研磨工作，其成核率将会提高以减少晶粒尺寸，并使得表面不会像习用钻石薄膜一样粗糙，提高成核率的方法有很多，其中最具代表性的是钻石薄膜会在每平方公分小于一百万左右的成核率时沉积，藉由在超音波液体浴(如丙酮(acetone))中使用微米钻石研磨基材，该成核率可能可以增加到一千倍。若是纳米钻石(例如5纳米炸药爆炸所制成)被使用于超音波浴中，则成核率可能再增加一千倍。当钻石薄膜沉积时将负电偏差(大约100-200伏特(volt))作用于基材，该钻石成核率可能也增加百万倍。
一般而言，成核率越快，则形成的钻石晶粒越小，当钻石的尺寸缩小至纳米级的范围，则沉积在制模材料层上的钻石薄膜在完成时就需要最小化的研磨加工以使其非常平滑。其中一种纳米级钻石沉积的方式是在气体相中增加甲烷(methane)的含量，从大约2vol％至30vol％，藉此方法可降低沉积的温度，使其从大约800～900℃降低至大约600～700℃左右，因此，钻石就可持续地成核而非长晶(growth)，已使得钻石薄膜维持在纳米晶粒的尺寸。
另一个例子就是一并排除氢气的使用，使得钻石晶核完全无法长晶，因此，甲烷的浓度(大约1vol％)与大约99vol％的氩气或氮气混合，并且藉由CVD法(如微波法)供给能量，而该分离的甲烷将会形成如钻石晶核一样搁置的双原子碳，结果所形成的纳米钻石薄膜通常具有高品质的透明状态，因此非常适合制作模具面。
另一种减少钻石薄膜的研磨或磨亮效果的方法是在CVD钻石中掺入硼，而钻石通常是电绝缘体，但掺硼钻石(boron doped diamond，BDD)和半金属相似为电导性，因此，薄膜可用EDM研磨或磨亮，而将该钻石薄膜借着从阴极释放的电弧的高能量粒子冲击以塑造模具凹部的形状。EDM或EDG具有高效能，因此时间与成本的花费能够大大的减少。
而本发明的另一种情形是一个低温气相沉积方法能够作为一致性钻石(Conformal diamond)的被覆方法，一致性钻石被覆方法提供较习用钻石薄膜方法更多的优点，一致性钻石被覆方法可实施在各种宽度的基材上，且包括非平面的基材。一个生长的表面可以在不施加偏压使钻石长晶的条件下再处理，以形成碳薄膜，该钻石长晶的条件是习用钻石的CVD沉积条件但不使用偏压，因此，所形成的薄层的碳薄膜通常厚度在小于约100埃(angstrom，)左右，而再处理的步骤可以实施在几乎任何成长温度，例如可从约200℃至900℃左右，但低于500℃的较低温度可能是较佳的，在没有任何特别理论束缚下，薄层的碳薄膜可在短时间内形成，例如少于一小时，而且该碳薄膜是一种氢气终止的无晶形碳。
该碳薄膜可种晶于纳米级钻石上，该纳米级钻石利用纳米及钻石粉末以超音波振动器分散以形成可被种晶的基材，虽然任何适合的分散方式都可以使用，但一般所述的分散是纳米级钻石在甲醇中的分散，过量的纳米级钻石可藉由清洗而被移除，用此方法的种晶可达到非常高的成核密度，例如超过1011/cm2。
该被种晶的基材需经过钻石长晶条件以形成如同一至性钻石薄膜的钻石薄膜，该钻石长晶条件可以是经常在使用的传统CVD钻石长晶的那些条件，然而，不同于习用钻石薄膜长晶法，该钻石薄膜可利用上述再处理步骤可制造出一致性钻石薄膜。再者，钻石薄膜通常实质上不需要培养时间就可以开始成长至整个基材上，除此之外，一个如实质上没有晶界(grainboundaries)的连续薄膜可以发展成长至80纳米。
虽然适合的条件有很多种，但此方法的温度由本发明的观点来看要有好的结果是可以保持在500℃以下的，例如温度从大约250℃至大约500℃是有用的，而温度从300℃至450℃通常是较佳的，长晶条件不需要和那些再处理步骤中所用的一样，而是可以在实质上不同的，例如，习用的CVD钻石长晶条件可用在再处理步骤中以形成薄层的碳薄层，而电浆或激光剥蚀的条件可用在长晶步骤。
上述单晶钻石以及多晶钻石薄膜的例子实质上可为非常适合形成制模材料层14a和/或工作表面16的纯钻石，其表面可被磨亮至纳米级(nanom)或埃级()的抛光，这样的表面可能也可以藉由氢气、氮气或氟气的终止反应而具有惰性，最重要的是其温度稳定性可在非氧化环境下(如真空或用氦气、氮气或氢气净化过的环境)高达1200℃，结果这样的条件非常适合在高温下压模型成光学透镜。
一般在700℃的情况下制造玻璃镜片的硬化钢模具寿命通常只有10至30次，而强化碳化钨通常只有100至300次，而本发明模具总成的使用寿命预期可承受超过一百万次的循环使用，因此，虽然本发明的钻石模具可能比习用的cWC模具贵出十倍，但比较起来每一片镜片的制造成本事实上是非常少的，而且本发明没有如一般机器一样为了更换模具构件的“停工期(down time)”，因此这种不中断的操作将会大大地提高制造生产率。而最重要的是因为不弯曲的钻石模具面维持非常充分的耐受度，所以制造出来的镜片品质也有显著地改善，而钻石的坚硬会在模具的压模过程中集中压力，所以玻璃珠的流动呈静止，且具有最小的剪切力，以使得所制造的镜片的折射率具有非常高的等向性，而几乎呈现完全惰性的钻石面也让镜片表面非常平滑。
就一方面而言，在制模材料层14的工作表面22上的超硬CVD薄膜24可能是类钻碳(DLC)，而DLC无法正常、良好地附着于已知的镜片模具基材，而且常常在高温以及压力循环下分层，但DLC却可以良好地附着在钻石或碳化硅(SiC)上，尤其因着钻石-碳化硅基材的强力支撑以及在真空或非氧化环境下是确实可行的。虽然超硬钻石薄膜可被应用于模具表面以提供模具表面的超硬抛光，而类钻碳薄膜包括氮气以帮助氮化碳的形成，而氮化的DLC可在温度高达700℃时还具有热稳定性。
如图1及图2所示的例子，该制模材料层(14，14a)至少部分嵌入支撑材料层中，而在本发明另一实施例中，该制模材料层是完全地嵌入支撑材料层中，或者耦合于支撑材料层的顶端部，除此之外，一些贵重金属可被提供于任何一个上述实施例中的制模材料层的工作表面，以使该光学元件的表面在形成于模具总成时更平滑。
依照另一个实施例，本发明亦可提供一种制造至少部分球形元件的模具总成，例如滚轴(roller)或滚珠轴承(ball bearing)组件、光学镜片以及各种其他需要非常光滑的工作表面的元件，本实施例的另一方面，该模具总成可以包括一支撑材料层以及耦合于支撑材料层的制模材料层，在针对压力超过10Mpa以及温度超过100℃时，该制模材料层可以使材料塑形，该制模材料层包括实质上连续且硬度一致的表面。
用于此处的“实质上连续”可被了解是指着制模材料层实质上没有微米级的裂痕或晶界存在的情形。而这里所说的“硬度实质上一致”可被了解是指实质上在制模材料层上没有“软化点”发生的情形，这种情形可能发生在如当强化碳化钨被用来在硬的基质里面或周围产生特别软的材料，不然就是被应用于与强化碳化钨一起形成的模具总成组件中。
除了上述的实施例外，本发明亦提供一种为了形成光学元件但没有明示于图中的模具组成，该光学元件包括支撑材料层以及耦合于支撑材料层的制模材料层，该制模材料层包括第一工作区、第二工作区以及过渡区，该第一工作区可包括超硬材料并且具有可将光学元件压模于模具总成时定出形状轮廓的工作表面，该过渡区连接于第一与第二工作区，并且从第一工作区至第二工作区具有一组成梯度，本发明实施例的光学模具已经成功的使用在制造宽度或尺寸等于或大于50微米的光学透镜。
此发明的实施例的模具总成可藉由陶材组成被覆(cermet compositecoating，CCC)覆盖于陶材(例如强化WC)上而形成，在这方面，该CCC可以从如钨(W)的金属“筑平(grade)”至如碳化硅的陶材或从陶材筑平至陶材，本发明这方面有很多优点，例如，该覆盖于支撑材料层的被覆层通常在混合或“筑平”至基材时不具有微小的边界层，该被覆层用此方法将不容易从基材上剥落，该被覆层亦为实质上连续而不具有晶界，导致较少的被覆层表面“剥落(pitting)″。如同上述实施例所述的，DLC被覆层或CVD钻石薄膜可能覆盖于CCC材料上以提供CCC模具表面额外的平滑效果。
本发明的实施例的第一工作区可包含陶材、含钻石材料(如DLC)和/或其复合材料；而第二工作区可包括陶材，该陶材包括碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化钨(WC)及其复合物。该组成梯度可为连续性或非连续性的组成梯度。
适合用于本发明的CCC材料的个别种类以及形成方法，可更进一步结合参考在2004年4月30日申请但尚未获准的美国专利第10/837,242号的申请案。
除了上述揭示的结构原件外，本发明亦提供制造光学元件的方法，其包括以下步骤：取得一上述的模具总成；将一部份未成形的光学材料设置在制模材料层的工作表面上；以及将光学材料在足够高以使该光学材料流动的温度下压入模具总成中。
以下例子提供各种制造本发明的模具的方法，这样的例子仅作为描述而非有意限制本发明。
实施例
例1
在约6Gpa的压力以及约1500℃的温度下将微米级(大约2至6微米)的钻石与钨粉末混合20秒，该制成的PCD具有直径约30微米以及高约20微米的圆柱形状，该PCD因钨的存在而释出电子以在其中制造凹部，结果该凹部被钻石器具研磨，且借着尺寸缩小的钻石粉未而被拍打或研磨而达到镜面抛光的效果，这样形成的模具可直接使用或可进一步地将钻石薄膜或陶材组成被覆于其上。
例2
一个烧结的圆柱被用作制模材料层，其形成具有凹部以及平滑抛光，其表面被覆有陶材组成被覆，其是从碳化硅筑平至钨上，所以表面几乎没有或完全没有晶界。
当然，必须要了解上述排列仅仅叙述根据本发明的原则所呈现的应用，还有许多改变及不同的排列亦可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下被于本领域具通常知识者所设想出来，而申请范围也涵盖上述的改变和排列，因此，尽管本发明被特定及详述地描述呈上述最实用和最佳实施例，于本领域具通常知识者可在不偏离本发明的原则和观点的情况下做许多如尺寸、材料、形状、样式、功能、运作状态、组合和使用等变动。

Claims (28)

1、一种形成至少部分球状元件的模组总成，其特征在于，其包括：
一支撑元件；以及
一耦合于该支撑元件的超硬制模材料层，该制模材料层在压力超过10Mpa以及温度超过100℃时使一材料塑形，该制模材料层包括实质上连续且硬度一致的表面。
2、根据权利要求1所述的模具总成，其特征在于其中所述的制模材料层包括一耦合于支撑材料层的单晶钻石，该制模材料层包括在一光学元件压模于模具总成时定出形状轮廓的工作表面。
3、根据权利要求1所述的模具总成，其特征在于其中所述的制模材料层包括耦合于支撑材料层的PCD以及覆盖于PCD制模材料层的工作表面的超硬薄膜，该PCD包括一光学元件压模于模具总成时定出形状轮廓的工作表面，该超硬薄膜在模具总成以及光学元件之间形成一平滑的界面。
4、根据权利要求2所述的模具总成，其特征在于其中所述的单晶钻石的(111)晶面朝模具总成的压缩轴定位。
5、根据权利要求3所述的模具总成，其特征在于其中所述的超硬薄膜为钻石薄膜或一类钻碳薄膜。
6、根据权利要求5所述的模具总成，其特征在于其中所述的类钻碳薄膜包括氮气。
7、根据权利要求3所述的模具总成，其特征在于其中所述的PCD包括作为烧结助剂的陶材，其选自于以下群组：碳化硅、碳化钛、氮化钛、氮化硅、氮化铝、碳化钨以及氧化铝。
8、根据权利要求7所述的模具总成，其特征在于其中所述的PCD尚包含可帮助PCD放电加工的导电金属。
9、根据权利要求8所述的模具总成，其特征在于其中所述的导电金属包括钛或钨。
10、根据权利要求2或3所述的模具总成，其特征在于其中所述的制模材料层以黄铜焊接于支撑材料层上。
11、根据权利要求10所述的模具总成，其特征在于其中所述的黄铜包括钛铜硅合金或铜锡钛合金。
12、根据权利要求10所述的模具总成，其特征在于其中所述的制模材料层在真空状态下以黄铜焊接于支撑材料层上。
13、根据权利要求2或3所述的模具总成，其特征在于其中所述的制模材料层至少部分嵌入支撑材料层中。
14、根据权利要求2或3所述的模具总成，其特征在于其中所述的支撑材料层是选自于以下群组：强化碳化钨、碳化硅、氮化硅以及硬化钢。
15、根据权利要求2或3所述的模具总成，其特征在于其中所述的制模材料层的工作表面藉由从该工作表面移除晃动键以使其成为非活性。
16、根据权利要求15所述的模具总成，其特征在于其中所述的晃动键键结于仅具有单价电子的元素。
17、根据权利要求16所述的模具总成，其特征在于其中所述的具有单价电子的元素包含氢或卤素。
18、根据权利要求17所述的模具总成，其特征在于其中所述的卤素选自以下群组：氟、氯、溴、碘及其混合物。
19、根据权利要求2或3所述的模具总成，其特征在于其尚包含被提供于制模材料层的工作表面的一些贵重金属，使得光学元件的表面在形成于模具总成时更平滑。
20、一种形成光学元件的模具总成，其特征在于其包括：
一支撑材料层；
一耦合于该支撑材料层的制模材料层，而该制模材料层包括第一工作区、第二工作区以及过渡区，该第一工作区可包括超硬材料并且具有可将光学元件压模于模具总成时定出形状轮廓的工作表面，该过渡区连接于第一与第二工作区，并且从第一工作区至第二工作区具有一组成梯度。
21、根据权利要求20所述的模具总成，其特征在于其中所述的第一工作区包括一选自于下列群组材料：陶材、含钻石材料及其复合材料。
22、根据权利要求20所述的模具总成，其特征在于其中所述的第二工作区包括陶材。
23、根据权利要求22所述的模具总成，其特征在于其中所述的陶材选自于以下群组：碳化硅、氮化硅、碳化钨及其复合物。
24、根据权利要求20所述的模具总成，其特征在于其中所述的第一工作区域包括含钻石材料。
25、根据权利要求24所述的模具总成，其特征在于其中所述的含钻石材料是类钻碳。
26、根据权利要求20所述的模具总成，其特征在于其中所述的组成梯度为连续性组成梯度。
27、根据权利要求20所述的模具总成，其特征在于其尚包含被提供于制模材料层的工作表面的一些贵重金属，使得光学元件的表面在形成于模具总成时更平滑。
28、一种形成光学元件的方法，其特征在于其包括以下步骤：
取得根据权利要求2或3或20的模具总成；
将一部份未成形的光学材料设置在制模材料层的工作表面上；以及将光学材料在足够高以使该光学材料流动的温度下压入模具总成中。
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