JP4032165B2

JP4032165B2 - 光学素子成形用金型及び光学素子の製造方法

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Publication number: JP4032165B2
Application number: JP2000394020A
Authority: JP
Inventors: 秀細江
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: JP2001353729A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子を成形するために切削加工して形成された表面を有する光学素子成形用金型及びそれを用いた光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高精度で高い光学性能の光学素子を安価に大量に成形するための光学素子成形用金型としては、光学素子の光学面を形成するための転写面である金型光学面が高精度に切削加工されていること、繰り返しの光学素子成形によっても金型光学面が腐食したりかじれ（固溶体が発生）し難く耐久性に優れることが特に重要である。
従来、光学素子成形用金型として、アルミ合金や銅などからなる金型基材を切削加工して金型光学面を得ることが知られている。
また、調質合金からなる金型基材上に無電解ニッケルメッキ（無電解メッキ法で形成したニッケルＮｉとリンＰよりなる非晶質メッキ層）による被覆層を形成させ、この被覆層を切削加工して金型光学面を得ることが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、光学素子成形用金型の切削加工には、２軸旋盤とダイヤモンド工具（ダイヤモンドバイト）が用いられる。この時に、ダイヤモンド工具の刃先すくい面の真円度が非常に重要である。なぜなら、旋盤の精密な運動により、この真円度誤差がそのまま金型光学面に転写されてしまうため、金型光学面の形状誤差を発生させるからである。故に、ダイヤモンド工具の初期の刃先すくい面の真円度がよいのは勿論のこと、刃先ができる限り損耗せずに長期にわたって鋭敏に維持され、従って刃先すくい面の真円度も継続的に又長期にわたりよい状態が続くことが、高精度な表面をもった金型を効率よく、又多数本にわたって効率よく得るのに重要である。これは、言い換えれば、この光学素子成形用金型で成形される光学素子が高い設計光学性能を発揮するには、切削に用いるダイヤモンド工具の刃先が安定して長寿命であることが重要であるといえる。
【０００４】
前述のアルミ合金や銅などからなる金型基材を切削加工して金型光学面を得る場合、アルミ合金や銅は比較的に軟らかいためダイヤモンド工具による切削加工でダイヤモンド工具の刃先が損耗しにくく被削性に優れているものの、その反面、それにより得られた金型は、光学素子成形用金型としては軟らかすぎて傷や破損を極めて招きやすいという問題があった。
【０００５】
一方、前述の無電解ニッケルメッキ層を切削加工して形成された金型光学面を得る場合、得られた光学素子用金型としては硬度が高く耐久性に優れ、繰り返しの光学素子の成形により大量の光学素子を得ることができるが、その金型光学面を得る際の無電解ニッケルメッキ層の切削加工において、ダイヤモンド工具の刃先が損耗又は破壊され、安価で高精度の光学素子を得ることが難しいといった問題があった。即ち、このような金型基材上に無電解ニッケルメッキ層を形成し、この無電解ニッケルメッキ層を切削加工して金型光学面を得た場合には、金型光学面の表面粗さは良くても表面粗さＲａ５ｎｍが限界であり、例え初期に刃先すくい面の真円度のよいダイヤモンド工具を用いても、直ぐにダイヤモンド工具の刃先が損耗や破損して真円度が低下し、金型光学面の加工形状誤差を１００ｎm以下に抑えた再現性良い高精度の金型を実現することができず、高い設計光学性能の高精度の光学素子を得ることや、表面粗さが極めて小さく光の利用効率の高い光学素子を得ることが難しいものであった。ここで、表面粗さＲａとは、ＪＩＳ−Ｂ−０６０１（１９９７）に規定された算術平均粗さである。
【０００６】
特に、近年、ますます小型で特殊な形状を有しながら光量損失が少なく表面性の優れた高い光学性能を必要とする光学素子が要望され、しかもそのような光学素子の低価格化の要望が強く、そのような要求に対応して、ますます所望の光学性能を発揮するように高精度、高性能で、信頼性が高く安定して成形された光学素子を安価に得ることが必要になっている。
【０００７】
しかしながら、前述のように従来の光学素子成形用金型には一長一短があり、光学素子の光学面を形成するための転写面である金型光学面が高精度に切削加工されていること、および、繰り返しの光学素子の成形によっても金型光学面が腐食したりかじれたりし難く耐久性に優れることの両方を十分に満足する光学素子成形用金型ではなかった。
【０００８】
本発明は、光学素子の光学面を形成するための転写面である金型光学面が高精度に切削加工され、繰り返しの光学素子の成形によっても金型光学面が腐食したりかじれたりし難く耐久性に優れ、高精度で高い光学性能の光学素子を安価に大量に成形することが可能な光学素子成形用金型及びそれを用いた光学素子の製造方法を提供することを目的としたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は、下記の構成を有する。
１．金型基材上に、リンの含有率が１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、銅の含有率が１０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下、残りの主成分がニッケルである被覆層が形成され、該被覆層を切削加工して形成された面を表面に有することを特徴とする光学素子成形用金型。
２．前記被覆層が非晶質であることを特徴とする前記１に記載の光学素子成形用金型。
３．前記被覆層が無電解メッキ法により形成されたことを特徴とする前記１又は２に記載の光学素子成形用金型。
４．前記被覆層の銅の含有率が２５ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であることを特徴とする前記１〜３のいずれかに記載の光学素子成形用金型。
５．前記被覆層の引張応力が１０ｋｇｆ／ｍｍ²以上であることを特徴とする前記４に記載の光学素子成形用金型。
６．前記被覆層の厚みが１μｍ以上５００μｍ以下に形成されたことを特徴とする前記１〜５のいずれかに記載の光学素子成形用金型。
７．前記被覆層がダイヤモンド工具で切削加工されたことを特徴とする前記１〜６のいずれかに記載の光学素子成形用金型。
８．前記被覆層を切削加工して形成された面は、表面粗さＲａが３ｎｍ以下であることを特徴とする前記１〜７のいずれかに記載の光学素子成形用金型。
９．前記金型基材と前記被覆層との間に下引層を有し、前記金型基材上に前記下引層を形成して２００℃以上７００℃以下の熱処理が施された後に、前記被覆層が形成されていることを特徴とする前記１〜８のいずれかに記載の光学素子成型用金型。
１０．前記下引層は、電解ニッケルメッキ法により形成されたことを特徴とする前記９に記載の光学素子成形用金型。
１１．前記下引層は、ニッケル含有率が８０％以上、層厚０．０１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする前記１０に記載の光学素子成形用金型。
１２．前記金型基材と前記被覆層との間に下引層を有し、前記下引層は、無電解メッキ法により形成された層厚０．０１μｍ〜１００μｍの層であって、ニッケルとリンとを含有し、ニッケル含有率が７０％以上の層であることを特徴とする前記１〜８のいずれかに記載の光学素子成形用金型。
１３．前記１〜１２のいずれかに記載の光学素子成形用金型を用いて成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
本発明の参考発明としては、下記が挙げられる。
（１）金型基材上に、引張応力が１０ｋｇｆ／ｍｍ ² 以上２５ｋｇｆ／ｍｍ ² 以下である被覆層が形成され、該被覆層を切削加工して形成された面を表面に有し、表面硬度がマイクロビッカース硬度Ｈｖ４９０以上であることを特徴とする光学素子成形用金型。
（２）前記（１）に記載の光学素子成形用金型を用いて成形することを特徴とする光学素子の製造方法。
（３）前記（１）に記載の光学素子成形用金型を用いて成形されたことを特徴とする光学素子。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳述する。尚、併せて本発明の参考発明についても説明する。
本発明において、光学素子成形用金型は、金型基材上に形成された所定の被覆層を切削加工して形成された面を表面（少なくとも金型光学面）に有するものであるが、この金型基材上に形成された被覆層の一つは、１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下のリンと、１０ｗｔ％以上７０ｗｔ％の銅と、残りの主成分としてニッケルを含有する。好ましくは、１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下のリンと、２５ｗｔ％以上６０ｗｔ％の銅と、残りの主成分としてニッケルを含有する被覆層である。また、リンと銅を除いた残りの成分のうち、８０％以上がニッケルであることが好ましい。
【００１１】
この被覆層は引張応力が強く、この被覆層を切削加工する際の被削性を格段に向上させることができ、さらに、この被覆層を切削加工して形成された面を表面に有する光学素子成形用金型は、実用上支障が生じることがない硬度を有し、耐久性に優れるものである。特に、高い設計光学性能を要求される光学素子を得るための光学素子成形用金型においては、光学素子の光学面を転写するための金型光学面を所望の形状に精密切削加工する際にダイヤモンド工具の切削による損耗までも光学素子の光学性能に影響してくるが、本発明の光学素子成形用金型は、切削加工におけるダイヤモンド工具の損耗やチッピングが抑えられて、所望の形状に精密切削加工された金型光学面を形成することができ、これにより、所望の形状を備え所望の光学性能を有する高精度の光学素子を安定的に大量に製造することが可能となる。
【００１２】
本発明者は、種々の実験検討を行い、ダイヤモンド工具による被削性が金属材料のどのような性質に依存するかを検討した結果、従来考えられていたような材料の硬度に依存するだけでなく、材料が有する内部応力にも大きく依存している性質があるとの知見を得た。即ち、従来の無電解ニッケルメッキのように高い硬度を有する光学素子成形用金型用途に適した材料であってもそれだけでは不十分であり、内部応力、特に引張応力を内在させることで被削性を極めて向上させ、ダイヤモンド工具の損耗を大幅に減少できることを見出したものである。被覆層に引張応力を得る主な要因としては、従来のニッケルとリンによる無電解ニッケルメッキと異なり、銅Ｃｕを含有させたことである。
【００１３】
そこで、本発明に係る被覆層に関し、まず、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｐ被覆層の銅の含有率による内部応力の変化について説明する。
【００１４】
図１に、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｐ被覆層の銅の含有率（ｗｔ％）と内部応力（ｋｇｆ／ｍｍ²）の関係を示す。図１は、標準試験片に片側２０μｍの無電解メッキ処理を施したときの代表的な内部応力（ｋｇｆ／ｍｍ²）をスパイラル応力計（山本鍍金試験器社製）によって計測した結果である。尚、内部応力が正とは、引張応力が作用しているものであり、内部応力が負とは、圧縮応力が作用しているものである。
【００１５】
被覆層の内部応力は、Ｃｕ含有率が０ｗｔ％のとき、即ち通常の無電解ニッケルメッキではほぼゼロであるが、Ｃｕ含有率が１０ｗｔ％で引張応力の効力が現れ始め、Ｃｕ含有率が２５ｗｔ％から６０ｗｔ％にかけて図１に示したように、１０ｋｇｆ／ｍｍ²以上の大きな引張応力を発生していることがわかった。また、図示していないが、Ｃｕ含有率が３５ｗｔ％付近で最も引張応力が大きくなり２５ｋｇｆ／ｍｍ²を越えることが分かった。また、このＣｕ含有率が３５ｗｔ％付近をピークにして、図１のようにＣｕ含有率が増えるにつれて引張応力が徐々に低下し、引張応力の効力が有るのはＣｕ含有率が７０ｗｔ％を過ぎた程度であった。
【００１６】
因みに、このときの代表的なＰ含有率は、Ｃｕ含有率が３０ｗｔ％付近で８ｗｔ％付近、Ｃｕ含有率が５０ｗｔ％付近で５ｗｔ％付近、Ｃｕ含有率が６０ｗｔ％付近で３ｗｔ％付近であった。
【００１７】
このことから、Ｃｕ含有率が１０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下で、被覆層に有効な引張応力を内在させることができ、この被覆層を切削加工した際の被削性に優れ、特にダイヤモンド工具の損耗や破壊を極めて抑えることができるものである。この被削性をより向上できる点で、Ｃｕ含有率が２５ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であることがより好ましい。
【００１８】
また、引張応力は、好ましくは１０ｋｇｆ／ｍｍ²以上であり、更に好ましくは１５ｋｇｆ／ｍｍ²以上であり、被削性を向上できるので好ましい。また、引張応力の好ましい上限は、２５ｋｇｆ／ｍｍ²以下であり、被覆層にクラックの発生や剥離が生じにくいので好ましい。
【００１９】
次に、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｐ被覆層の各含有元素の含有率と表面硬度の関係について説明する。
【００２０】
標準試験片に片側２０μｍの無電解メッキ法により被覆層を形成した後、光学素子成形用金型と同様に切削加工したときの表面硬度と、それを更に３００℃で熱処理した後の表面硬度とをマイクロビッカース硬度計にて５回測定した平均値を求めた。
【００２１】
従来の無電解ニッケルメッキ（ニッケル９０ｗｔ％、リン１０ｗｔ％）を形成したものでは、マイクロビッカース硬度Ｈｖ５００であり、熱処理後ではマイクロビッカース硬度Ｈｖ６６０であるのに比較して、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｐ被覆層のＣｕ含有率とＰ含有率とを種々ふって実験したところ、Ｐ含有率が１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｃｕ含有率が１０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下、残りをＮｉとした被覆層を形成したものは、無電解ニッケルメッキの硬度と同程度もしくはそれを若干越えるものであった。また、３００℃で熱処理した後のマイクロビッカース硬度は、無電解ニッケルメッキの場合ほどではないが、いずれも表面硬度の向上が見られた。一例として、含有率（ｗｔ％）がＣｕ：Ｎｉ：Ｐ＝４２：５３：５では、マイクロビッカース硬度Ｈｖ５２０であり、３００℃で熱処理した後のマイクロビッカース硬度Ｈｖ６４０であった。表面硬度がマイクロビッカース硬度Ｈｖ４９０以上であれば、光学素子成形用金型として実用上支障のない耐久性を有するものである。
【００２２】
また、比較として、含有率（ｗｔ％）がＣｕ：Ｎｉ：Ｐ＝７５：２３：２では、マイクロビッカース硬度Ｈｖ４８０であり、３００℃で熱処理した後のマイクロビッカース硬度Ｈｖ５５０であり、熱処理後のものは耐久性に優れた硬度を備えているものの、熱処理をしていないものは、耐久性に乏しいものであった。
【００２３】
これらのことから、本発明の光学素子成形用金型の被覆層は硬度の点でも、従来の無電解ニッケルメッキの被覆層を用いた場合と同程度もしくはより高い硬度を有することから、従来の光学素子成形用金型以上の耐久性が期待できるもである。
【００２４】
以上のことから、本発明の参考発明の光学素子成形用金型において、金型基材上に形成された被覆層の別の一つは、引張応力が１０ｋｇｆ／ｍｍ²以上２５ｋｇｆ／ｍｍ²以下の被覆層であり、表面硬度がマイクロビッカース硬度Ｈｖ４９０以上の光学素子成形用金型である。
【００２５】
また、本発明の光学素子成形用金型は、精密切削加工が施された後に熱処理することで、金型光学面の硬度を増加させることができ、これによって、光学素子製造における金型の耐久性を一段と向上させることができる。
この熱処理をすることで、被覆層と金型基材の間で金属原子の移動が起こり、これにより、金型基材への被覆層の付着性が向上している。熱処理を行う温度としては、好ましくは３００℃以下である。これは、非晶質の被覆層において結晶化が進行し金型光学面の初期の表面粗さが劣化したり、特に大きな体積を有する光学素子成形用金型において被覆層の引張応力が非常に大きくなって被覆層にクラックが発生することを抑制できるので好ましい。
【００２６】
また更に、本発明の被覆層は非晶質であることが好ましい。非晶質状態であるとは、メッキ層をＸ線回折測定を行い、ラウエ斑点が明瞭に見られない、若しくは全くみられない状態をいう。被覆層が非晶質であると、切削加工された面の平滑性に優れ、これにより光学素子製造時に光学素子材料の付着などが起こり難くなり、また光学素子の光学面に鏡面が得られ特に望ましい。
【００２７】
また、本発明において、Ｐ（リン）を含有させることで特に本発明の被覆層の非晶質化に寄与することが可能となる。このＰ含有率としては、１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下で十分である。本発明の被覆層を他の成分の含有率とともにＰ含有率１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下とすることより、前述の硬度を得て光学素子成形用金型の耐久性に貢献できる。
【００２８】
また、本発明の被覆層は無電解メッキ法によって形成されるのが好ましい。これによって、被覆層を均一な厚みで非晶質に形成することができ、前述の望ましい効果を奏することが可能となる。
【００２９】
また更に、本発明の被覆層の厚さは１μｍ以上５００μｍ以下に形成されることが好ましい。これは、光学素子成形用金型の被覆層として、本発明の被覆層を切削加工する際および切削加工した際に、実用的な切削加工面を被削性よく安価に得るのに好ましい範囲である。被覆層の厚さが１μｍ以上５００μm以下であると、種々の形状を有する光学素子の殆どの成形に対して支障のない光学素子成形用金型を得ることができ好ましい。
なお、本発明の被覆層は、本発明の効果を損なわない範囲で、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐ以外に他の成分を含有しても良い。
【００３０】
本発明の光学素子成形用金型の一例を図２に示す。図２において、２１は金型基材、２２は被覆層であり、２３は被覆層２２を精密切削加工して形成された金型光学面である。
【００３１】
本発明の光学素子成形用金型の金型光学面は、表面粗さＲａが３ｎｍ以下であることが好ましい。これにより成形された光学素子の光学面もほぼ同様な表面粗さとなり、光学素子に入射された光の散乱が抑えられ、光の利用効率を高めることができる。短波長の入射光を主に利用する光学素子ではその効果が大きい。
【００３２】
また、本発明の光学素子成形用金型の金型基材には、鉄系鋼材やアルミ系鋼材等、種々の基材を使用できるものである。なお、本発明の被覆層を形成する前に、金型基材に熱処理、表面の研削、下引層形成等、種々の前処理を施すことを本発明から除外するものではない。
【００３３】
特に、本発明の被覆層を形成する前に、金型基材上に下引層を形成して２００℃以上７００℃以下の熱処理（加熱処理）を施し、その後に本発明の被覆層を形成することが好ましい。本発明の被覆層は、金型基材との境界で大きな引っ張り応力（内部応力）を有するために、被覆層の金型基材からの剥離やクラックが発生する場合がある。特に、被覆層で覆われる部分の金型基材表面に大きな平面部が存在するとより発生し易くなる。このような剥離やクラックの発生を防止して、金型基材と被覆層との密着性を向上させ、両者間に強固な付着力をもたせる上で、金型基材上に下引層を形成して２００℃以上７００℃以下の熱処理を施し、その後に被覆層を形成することが好ましい。この下引層としては、電解ニッケルメッキ法や無電解メッキ法により形成することができる。
【００３４】
特に、電解ニッケルメッキ法による下引層は、無電解メッキ法による下引層に比べて被覆層の密着性をより向上することができるが、金型基材と下引層との境界は、その電解ニッケルメッキ法が電気的な付着によるためにニッケル以外の他のイオンも付着し易く、また金型基材自体も元々その表面は加工時の熱や油にさらされて酸化や汚れが多い面であるため、金型基材と下引層とに明瞭な境界を生じ、両者の付着力は弱く、剥離が生じることがある。
【００３５】
しかしながら、その下引層形成後に２００℃以上７００℃以下の熱処理を施すことにより、金型基材と下引層との構成材料である金属原子の一部を互いに拡散させて、両者の境界を一部不明瞭にすることで、両者の付着力を向上させ、その上に被覆層を形成した後もその被覆層を含めた付着力は良好で、剥離等の発生を有効に防止することができる。熱処理温度が２００℃以上で、金型基材中や下引層中の金属原子の拡散移動が生じ、金型基材と下引層との境界が明瞭のままとなることが少なくなり、両者の付着力を向上できる。一方、熱処理温度が７００℃以下で、金型基材の原子が下引層表面にまで拡散して、下引層と被覆層との付着力が低下してしまったり、金型基材が大きく熱膨張し過ぎて下引層がかえって剥離したり下引層にクラックが発生することが防止され、両者の境界は不明瞭となり両者間の付着力を向上できる。また、熱処理時間（加熱時間）は処理温度によって適宜選択することができる。例えば、２００℃程度では数時間以上とすることが好ましく、７００℃程度の高温時は、金型基材と下引層の原子の拡散が活発に行われ、徐冷中（自然放冷でも良い）にも拡散するので、１分程度で付着強度が向上できる。３００〜４００℃程度の熱処理温度で２〜４時間加熱を行うことが、原子の拡散が確実で充分に行われ、下引層の剥離やクラック、金型基材の熱変形や組成変化を防止できるのでより好ましい。さらに、熱処理は下引層の酸化や汚れを避けるために真空炉で行うのが好ましい。この真空炉の真空度は１０^-4Ｐａ以下でも良く、その場合には安価なロータリーポンプで充分達成できる。なお、被覆層を形成した後に被覆層が結晶化しない程度の熱処理（例えば２００℃で３時間）を行うことができ、密着性を向上する上で好ましい。
【００３６】
また、電解ニッケルメッキ法で下引層を形成する場合には、ニッケル含有率が８０ｗｔ％以上、層厚０．０１μｍ〜１００μｍの下引層とすることが好ましい。電解ニッケルメッキ法（ニッケルを電極に用いた電気メッキ法）は、Ｎｉストライクメッキで行うのが最も簡易的で確実であり、通常でもニッケル含有率９９ｗｔ％以上とすることができる。しかしながら、電解溶液の安定化や析出量の均一化のために、電解溶液中にニッケルよりもイオン化傾向の高い金属原子が溶解されていても良く、そのような場合には下引層形成に際してそれらの金属がニッケルとともに僅かに析出する。ニッケル以外の含有率は少ない方が好ましく、ニッケル含有率８０ｗｔ％以上であることがその本来の目的である付着力の向上には特に好ましい。また、下引層の形成が電解メッキである性質上、金型基材の形状や電極との距離により金型基材上で電荷が均一には分布しないが、下引層の平均層厚が０．０１μｍ以上で、金型基材の必要な領域にわたって下引層が充分に被覆され、１００μｍ以下の平均層厚で、金型基材の加工形状を変えてしまったり、電流密度を大きくする必要により下引層中に粗密の差が大きくなり過ぎてしまったりすることが防止され、被覆層を形成した際にその強い引張り応力で下引層に剥離が生じるおそれを少なくできる。下引層の平均の層厚は０．０１〜１００μｍ、より好ましくは０．３〜１０μｍが下引層の付着力を効果的に向上する上で好ましい。
【００３７】
また、無電解メッキ法による下引層は、層厚０．０１μｍ〜１００μｍで、ニッケルとリンとを含有し、そのニッケル含有率が７０ｗｔ％以上であることが好ましい。下引き層の形成に無電解メッキ法を用いた場合には、電解メッキ法と異なり電解を用いないので、金型基材表面に電解メッキ法よりもより均一な層厚の下引層を形成できる。この均一な層厚により被覆層の内部応力を下引層が場所によらず均一に受けることができるので、被覆層の剥離を防止する上で好ましい。この下引層のニッケル含有率は７０ｗｔ％以上で、そのニッケル以外にリンを含有することにより、被覆層の組成に近くなり、また、その下引層の層厚を０．０１μｍ〜１００μｍとして熱処理を施すことで、金型基材と下引層との付着力を向上でき、その後に被覆層を形成した際の付着力を向上でき、更に、被覆層を形成した後に熱処理を施すと被覆層を含めた付着力の向上をより図ることができる。勿論、この下引層にはニッケルとリン以外の物質を含有されていてもよい。
【００３８】
この無電解メッキ法による下引層形成後に、金型基材と下引層との剥離を防止し付着力を向上するために２００℃以上７００℃以下の熱処理を施すことができるが、このニッケルとリンを含有する下引層は非晶質であることが好ましく、従って、金型基材にこの下引層を形成した後、５００℃以上で熱処理を施すと、下引層が結晶化し、硬度がＨｖ８００近くまで高くなって、下引層にクラックが入ったりし易すいことがある。以上のようなことから、下引層形成後に行う熱処理の条件としては、結晶化が起きないか若しくは結晶化が起きるにしても緩やかに結晶化する程度の加熱温度で行うのが好ましい。３００℃〜４００℃程度の温度で、２〜４時間の加熱時間をかけて、金型基材と無電解メッキ法による下引層との金属原子がある程度充分に拡散される熱処理を行うことが特に好ましい。
【００３９】
また、無電解メッキ法による下引層の層厚は、前述のように０．０１μｍ〜１００μｍで特に金型基材と下引層との付着力向上の効果が見られるが、この下引層の硬度は電解ニッケルメッキ法による下引層に対して比較的高いため、被覆層を施した際の強力な引張り応力に耐えられずクラックや剥離が発生する場合がある。これを防止するために、下引層の層厚は０．３μｍ〜１０μｍであることが特に好ましい。さらに、この下引層は熱処理による加熱によって特に表面が酸化しやすく、それを防止するためには真空炉を用いて熱処理を行うことが必要である。その際の真空度としては１０^-4Ｐａ以下でも良く、その程度で表面の酸化を防止できる。
【００４０】
また、本発明の光学素子成形用金型は、レンズ、プリズム、その他、光学用途に使用され光路中に配置される透過、反射、屈折等の種々の光学的作用を有する光学素子の成形に用いることができ、また、ガラス又はプラスチックレンズ製の光学素子の成形に用いることができる。特に、射出成形によってプラスチックレンズを成形するのに用いられるのが好ましい。
【００４１】
【実施例】
実施例１
液組成１：
硫酸ニッケル１８ｇ／Ｌ
硫酸銅０．８ｇ／Ｌ
クエン酸ナトリウム３５ｇ／Ｌ
次亜リン酸ナトリウム３０ｇ／Ｌ
（注）ｐＨ１１温度８５℃
【００４２】
直径２０ｍｍの円柱状の鉄系鋼材（ＨＲＣ４０）を金型基材として切削加工を行った後、上記液組成１を用いて、無電解メッキ法で処理して、金型基材上に厚さ１００μｍの非晶質である被覆層（Ｃｕ：４２ｗｔ％、Ｎｉ：５３ｗｔ％、Ｐ：５ｗｔ％）を形成した。このときの被覆層の引張応力は１８．２ｋｇｆ／ｍｍ²であった。その後、２軸旋盤とダイヤモンド工具により切削加工して、光学素子成形用金型を得た。
【００４３】
こうして得られた光学素子成形用金型の切削加工を施した金型光学面の表面粗さをナノステップ表面粗さ測定器を用いて測定し平均値を求めたところ、最大でも表面粗さＲｔｍで６ｎｍ、表面粗さＲａで１．３ｎｍであり、高純度アルミ合金材を切削加工した切削面に迫る平滑さであった。また、表面硬度をマイクロビッカース硬度計にて５回測定した平均値は、マイクロビッカース硬度Ｈｖ５２０であった。さらに、この金型光学面を原子間力顕微鏡で観察したところ、図３に示すように、極めて滑らかな切削加工面であった。
【００４４】
また、被覆層を切削加工して金型光学面を形成するのに用いたダイヤモンド工具の刃先稜を原子間力顕微鏡で観察したところ、刃先稜に破損やチッピングは全く確認されず、図４に示すように、極めて鋭利な刃先稜がほとんど摩耗することなく維持されていた。尚、このときのダイヤモンド工具の切削長は約３ｋｍであった。
【００４５】
次に、光学素子成形用金型を射出成形機に組み込み、射出成形により、実際にプラスチックレンズを１５万６千ショット成形したが、作動不良や外周部のかじり、プラスチック材料の付着、プラスチック材料からでるガスによる腐食などは見られず、所望の形状の光学素子を安定的に成形することができた。
【００４６】
実施例２
液組成２：
硫酸ニッケル３０ｇ／Ｌ
硫酸銅０．５ｇ／Ｌ
クエン酸ナトリウム６０ｇ／Ｌ
次亜リン酸ナトリウム１５ｇ／Ｌ
チオ尿素５ｍｇ／Ｌ
（注）ｐＨ９．０温度８２℃
【００４７】
直径２０ｍｍの円柱状の鉄系鋼材（ＨＲＣ４０）１４個をそれぞれ金型基材として切削加工を行った後、上記液組成２を用いて、無電解メッキ法で処理して厚さ１０５μｍの非晶質である被覆層（Ｃｕ：５５％、Ｎｉ：３８ｗｔ％、Ｐ：７ｗｔ％）を形成した。このときの被覆層の引張応力は１４．８ｋｇｆ／ｍｍ²であった。その後、２軸旋盤とダイヤモンド工具により切削加工して、非球面光学面を有するレンズ成形用途の光学素子成形用金型を得た。
【００４８】
金型光学面の表面粗さをナノステップ表面粗さ測定器を用いて測定し平均値を求めたところ、いずれもＲｔｍで１０ｎｍ以下、Ｒａで２ｎｍ以下であった。
また、表面硬度をマイクロビッカース硬度計にて５回測定した平均値は、いずれもマイクロビッカース硬度Ｈｖ４９０以上を満たすものであった。さらに、金型光学面の加工形状誤差は工具位置を修正することなく最初の１本目から最後の１４本目まですべて１００ｎｍ以下に収まっていた。金型光学面を原子間力顕微鏡で観察したところ、いずれも実施例１と同様に極めて滑らかな切削加工面を有していた。
【００４９】
また、ダイヤモンド工具刃先稜の原子間力顕微鏡での観察においても、ダイヤモンド工具には破損やチッピングが全く観察されず、刃先稜の後退は３０ｎｍ未満であった。
【００５０】
次に、１４本目の光学素子成形用金型を射出成形機に組み込み、射出成形により、実際に非球面プラスチックレンズを１５万６千ショット成形したが、作動不良や外周部のかじり、プラスチック材料の付着、プラスチック材料からでるガスによる腐食などは見られず、高精度で高性能な非球面プラスチックレンズを安定的に成形することができた。
【００５１】
一方、比較として無電解ニッケルメッキの被覆層（Ｎｉ：９０ｗｔ％、Ｐ：１０ｗｔ％）を鉄系鋼材（ＨＲＣ４０）の金型基材に形成したものを用意し、実施例１と同様に切削加工して光学素子成形用金型を製作したところ、金型表面の表面粗さは、Ｒｔｍで３２ｎｍ、Ｒａで８．５ｎｍであり、平滑性でも劣るものであった。金型光学面を原子間力顕微鏡で観察すると、図４に示すように、切削表面には毟られた痕跡が観察され、ランダムな１０ｎｍ以上の凹凸も存在した。
【００５２】
また、このときのダイヤモンド工具の刃先稜を観察したところ、図５に示すように、刃先が不連続にチッピングしており、刃先稜が１００ｎｍほど後退していることが確認された。
【００５３】
実施例３
液組成３：
硫酸ニッケル２５ｇ／Ｌ
硫酸銅０．７ｇ／Ｌ
クエン酸ナトリウム４５ｇ／Ｌ
次亜リン酸ナトリウム３５ｇ／Ｌ
（注）ｐＨ１０温度８３℃
【００５４】
直径２０ｍｍの円柱状の鉄系鋼材（ＨＲＣ４０）を金型基材として切削加工を行い、表面をブラスト処理し、その表面に電解ニッケルメッキ法によりニッケル含有率９９％以上の平均層厚１μｍの下引層を形成した後、真空炉に入れ、３００℃で３．５時間加熱して熱処理を行い常温まで自然放冷して取り出し、その後、上記液組成３を用いて、無電解メッキ法で処理して、下引層上に厚さ１００μｍの非晶質である被覆層（Ｃｕ：３５ｗｔ％、Ｎｉ：５８ｗｔ％、Ｐ：７ｗｔ％）を形成した。このときの被覆層の引張応力は２１．５ｋｇｆ／ｍｍ²であった。その後５０時間放置した後、２軸旋盤とダイヤモンド工具により切削加工して、光学素子成形用金型を得た。
【００５５】
こうして得られた光学素子成形用金型の切削加工を施した金型光学面を原子間力顕微鏡で観察したところ、実施例１とほぼ同様に極めて滑らかな切削加工面で、被覆層の剥離やクラックの発生も全くなかった。
また、表面硬度をマイクロビッカース硬度計にて５回測定した平均値は、マイクロビッカース硬度Ｈｖ５３０であった。さらに、被覆層を切削加工して金型光学面を形成するのに用いたダイヤモンド工具の刃先稜を原子間力顕微鏡で観察した結果も、実施例１と同様に刃先稜に破損やチッピングは全く確認されず、極めて鋭利な刃先稜がほとんど摩耗することなく維持されていた。
【００５６】
次に、光学素子成形用金型を射出成形機に組み込み、射出成形により、実際にプラスチックレンズを１５万６千ショット成形したが、作動不良や外周部のかじり、プラスチック材料の付着、プラスチック材料からでるガスによる腐食などは見られず、所望の形状の光学素子を安定的に成形することができた。また、プラスチックレンズ成形後の被覆層を観察したところ、被覆層の密着性は良好で、剥がれ等も見あたらなかった。
【００５７】
以上の実施例においては、被覆層を切削加工して形成された面を、そのまま光学素子成形用金型の表面として用いたが、その表面に保護層として、例えばスパッタにより１０ｎｍ程度またはそれ以下の層厚の金メッキ等を施してもよい。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、光学素子面を形成するための転写面である金型表面が高精度に切削加工され、繰り返しの成形によっても金型表面が腐食したりかじれたりし難く耐久性に優れ、高精度で高い光学性能の光学素子を安価に大量に成形することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】被覆層の銅の含有率と内部応力の関係の棒グラフ
【図２】本発明の光学素子成形用金型の一例の概略図
【図３】本発明の被覆層の切削面を原子間力顕微鏡で撮影した写真
【図４】本発明の被覆層を切削したダイヤモンド工具の刃先稜を原子間力顕微鏡で撮影した写真
【図５】従来の無電解ニッケルメッキの被覆層の切削面を原子間力顕微鏡で撮影した写真
【図６】従来の無電解ニッケルメッキの被覆層を切削したダイヤモンド工具の刃先稜を原子間力顕微鏡で撮影した写真

Claims

金型基材上に、リンの含有率が１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、銅の含有率が１０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下、残りの主成分がニッケルである被覆層が形成され、該被覆層を切削加工して形成された面を表面に有することを特徴とする光学素子成形用金型。
前記被覆層が非晶質であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。
前記被覆層が無電解メッキ法により形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子成形用金型。
前記被覆層の銅の含有率が２５ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子成形用金型。
前記被覆層の引張応力が１０ｋｇｆ／ｍｍ²以上であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子成形用金型。
前記被覆層の厚みが１μｍ以上５００μｍ以下に形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子成形用金型。
前記被覆層がダイヤモンド工具で切削加工されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子成形用金型。
前記被覆層を切削加工して形成された面は、表面粗さＲａが３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子成形用金型。
前記金型基材と前記被覆層との間に下引層を有し、前記金型基材上に前記下引層を形成して２００℃以上７００℃以下の熱処理が施された後に、前記被覆層が形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子成型用金型。
前記下引層は、電解ニッケルメッキ法により形成されたことを特徴とする請求項９に記載の光学素子成形用金型。
前記下引層は、ニッケル含有率が８０％以上、層厚０．０１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１０に記載の光学素子成形用金型。
前記金型基材と前記被覆層との間に下引層を有し、前記下引層は、無電解メッキ法により形成された層厚０．０１μｍ〜１００μｍの層であって、ニッケルとリンとを含有し、ニッケル含有率が７０％以上の層であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子成形用金型。
請求項１〜１２のいずれかに記載の光学素子成形用金型を用いて成形することを特徴とする光学素子の製造方法。