JP4135304B2 - 光学素子成形用金型の製造方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
この発明は、ミクロンオーダー以下の形状精度が要求される映像記録、光記録、光通信機器などに使用される回折光学素子や、光学レンズ、ミラー等を合成樹脂の射出成形で製造するための光学素子成形用金型の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
合成樹脂の射出成形により光学素子を製造する場合に使用される成形型は、従来から鋼などの金属材料で製作された金型が使用されてきた。このような従来の金型を用いて0.1μm乃至1mmの微細形状を持つ回折光学素子を熱可塑性樹脂で射出成形する場合、溶融樹脂が持つ熱は金型内に射出された瞬間に急速に金型に移動し、キャビテイ型又はコア型に接触している樹脂表面は急速に冷却され、固化する。
【0003】
このため、樹脂を射出した後の形状転写工程である保圧工程(樹脂射出後に所定の時間、圧力を維持する工程)において、十分な転写性が得られない、即ちミクロンオーダー以下の高い精度で金型の形状を成形体に転写することができないという不都合がある。
【0004】
転写性を改善するための対策としては、射出圧力を高めたり、射出速度を上げるなどの方策があるが、転写性を改善するには限界があり、十分に転写性を改善することはできない。
【0005】
また、射出成形に先立つて金型を樹脂の転写可能温度(ガラス転移温度)まで加熱すると転写性は向上するが、射出成形後は金型を離型可能な温度まで冷却する必要があり、射出成形の工程に金型加熱工程や金型冷却工程が加わり、工程数が増加するほか、金型の加熱冷却設備に多額の費用を要し、現実的な成形方法ではない。
【0006】
このような課題を解決する手段として、金型表面に断熱層を設け、射出工程において金型内に充填された樹脂の温度が、その後の形状転写工程である保圧工程まで高温に保つようにすることで転写性を向上させる方法が、主に外観を重視する部品の成形を目的に提案されている。具体的には、断熱層にポリイミド樹脂を使用するもの(例えば、特許第267623号、特許第2706221号、特許第2727303号)や、断熱層にセラミックスを使用するもの(例えば、特開平6−218769号公報、特開平10−149587号公報)等が提案されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記した断熱層を表面に設けた金型による光学素子の成形においては、以下のような不都合が指摘されている。
【0008】
即ち、断熱層にポリイミド樹脂を使用した場合は、(1) ポリイミド樹脂硬化物は金属等に比較して粘弾性があるため、ポリイミド樹脂硬化物で被覆された金型表面を切削加工や研磨加工により光回折効果をもたらす溝等の微細形状の形成や光学表面の形成が不可能であること。(2) ポリイミド樹脂硬化物は金属に比較して熱膨張係数が約5倍大きいため、熱履歴が繰り返し加わる金型表面にポリイミド樹脂硬化物を被覆した場合は、金型母材と被覆物との密着性を長期間確保することが困難であること。
【0009】
断熱層にセラミックスを使用した場合は、セラミックスは金属に比較して硬度や脆性が高く、しかも微粒子により構成されているため、切削加工や研磨加工により光回折効果をもたらす溝等の微細形状の形成や光学表面の形成が困難であること。
【0010】
断熱層にセラミックスを使用し、充填される樹脂との接触面を金属製の別部材として構成した場合は、充填される樹脂の急冷を防ぐために金属製の別部材の厚みを薄くする必要がある。しかし、厚みの薄い金属製の別部材に切削加工や研磨加工を施して光回折効果をもたらす溝等の微細形状の形成すると、加工応力による変形が生じ、精度を保証することができない。また、球面、非球面、自由曲面等を光学部品として要求される高い精度で加工することも不可能である。
【0011】
上記した金属製の別部材を電鋳法により形成するときは、その形状精度は原理的に金型母型(マスター)の形状精度よりも低下するから、高精度が要求される光学部品製作用の金型としては適当でない。
【0012】
上記した金属製の別部材をセラミックス断熱層の上に接着や圧接により接合固定する場合は、その接合応力により金属製の別部材に変形が生じ、光学部品として要求される精度を確保することが困難となる。さらに、セラミックス断熱層との間の密着状態が不均一になり、金型の温度ムラ、樹脂の流動ムラが発生し、また冷却固化が不均一になるなどの支障が発生し、光学部品として要求される高い精度を確保することが困難となる。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記課題を解決することを目的とするもので、請求項1の発明は、金型母材の部材成形空間に対向する面に厚みが0.1mm乃至3mmの範囲となるようにセラミックス系材料を溶射して断熱層を形成する工程、前記断熱層の上に非鉄金属材料をメッキして表面加工層を形成する工程、前記表面加工層を切削加工により0.1μm乃至1mmの範囲の微細形状を形成して光学素子の表面形状を転写する面を形成する工程を有することを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法である。
【0014】
そして、前記断熱層を形成する工程は、熱伝導率が10.0W/m・K以下の断熱層を形成する工程であることを特徴とする。
【0015】
そして、前記表面加工層を形成する工程は、厚みが1μm乃至200μmの範囲内に非鉄金属材料をメッキする工程であることを特徴とする。
【0016】
そして、前記金型母材、断熱層及び表面加工層は、それぞれ隣接する金型母材と断熱層、或いは断熱層と表面加工層との間の熱膨張係数の差が15×10 -6 /℃以下になるように選択された材料により構成されていることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【0018】
[第1の実施の形態]
まず、金型の構成の概略を説明する。図1は第1の実施の形態の金型10の構成を説明する断面図で、回折光学素子を製作する金型の一例が例示されている。図1において、3はステンレス鋼製のコア型、1はコア型3の表面にセラミックス系材料であるジルコニアを溶射して直接金型母材に一体に形成した断熱層、2は断熱層1の上に非鉄金属材料であるニッケルを無電解メッキして断熱層1に一体に形成した表面加工層である。
【0019】
表面加工層2には、製作する光学部品に応じて切削加工による表面加工が施される。ここでは回折光学素子の金型として、表面加工層2の表面にピッチ7μm、高さ3.5μmの回折格子のブレーズ形状2aが、ダイヤモンド工具による切削加工により形成されている。
【0020】
4及び5はコア型3の周囲を囲んでキャビテイを形成するキャビテイ型であつて、コア型3の表面の断熱層1の上に形成された表面加工層2とキャビテイ型4及び5との間に形成される部材形成空間6に合成樹脂が射出され、合成樹脂製の光学部品である回折光学素子が形成される。
【0021】
コア型3、断熱層1及び表面加工層2の物理的特性は以下のとおりである。コア型3の熱膨張係数11×10-6/℃、熱伝導率24.0W/m・K、断熱層1の厚み1mm、熱膨張係数9×10-6/℃、熱伝導率1.2W/m・K、表面加工層2の厚み0.1mm、熱膨張係数13×10-6/℃、熱伝導率8.0W/m・Kである。上記した物理的特性を図2に纏めて示した。
【0022】
合成樹脂としては、ポリカーボネイト樹脂(ガラス転移温度148℃)を使用し、射出成形条件は、成形樹脂温度290℃、金型温度100℃、成形時間150秒である。
【0023】
次に、上記した条件で製作した回折光学素子の表面形状の転写精度の測定結果を従来例と比較して説明する。
【0024】
図3は、回折光学素子の金型のねらい形状、コア型形状、及び成形品形状を説明する拡大断面図で、図3の(a)は従来の金型の各形状を、図3の(b)は上記した第1の実施の形態の金型の各形状を示す。
【0025】
従来の金型では、図3の(a)に示すように、回折光学素子のねらい形状21に対し、コア型の形状22は材料の粘弾性等の影響により先端部分が僅かに垂れた形状に仕上がり、更にこのコア型による成形品の形状23は、先端部分が大きく垂れた形状となつている。
【0026】
そのねらい形状21に対する成形品の形状誤差Dは、使用する合成樹脂の種類により異なるが、0.6乃至1.1μm程度であつた。
【0027】
一方、第1の実施の形態の金型では、図3の(b)に示すように、回折光学素子のねらい形状25に対し、コア型の形状26はねらい形状25に略一致した形状に仕上がり、更にこのコア型による成形品の形状27もねらい形状25に略一致した形状に成形することができた。
【0028】
そのねらい形状25に対する成形品の形状誤差Dは、使用する合成樹脂の種類により異なるが、0.1μm以下であつた。
【0029】
図4に、従来の金型による成形品の形状誤差の測定結果と、第1の実施の形態の金型による成形品の形状誤差の測定結果とを、使用する合成樹脂の種類別により示す。
【0030】
図4から明らかなように、第1の実施の形態の金型によれば、従来の金型に比較して成形品の形状誤差Dは極めて小さく、使用する合成樹脂の種類にも殆ど影響の無いことが分かる。
【0031】
[第2の実施の形態]
図5は、第2の実施の形態の金型30の構成を説明する断面図で、レーザビームプリンタに使用されるfθミラーを製作する金型の一例が例示されている。
【0032】
図5において、33a及び33bはステンレス鋼製のコア型、31aはコア型33aの表面にセラミック系材料であるジルコニアを溶射して一体形成した断熱層、32aは断熱層31aの上に非鉄金属材料であるニッケルを無電解メッキして断熱層31aに一体形成した表面加工層である。
【0033】
表面加工層32aには、製作する光学部品に応じて切削加工による表面加工が施される。ここではfθミラーの金型として、表面加工層32aの表面に面粗度0.02μmの自由曲面32bがダイヤモンド工具による切削加工により形成されている。
【0034】
34及び35はコア型33a、33bの周囲を囲むキャビテイ型で、コア型33aの表面の断熱層31aの上に形成された表面加工層32aと、コア型33b、キャビテイ型34及び35との間に形成される部材成形空間36に合成樹脂が射出され、合成樹脂製の光学部品であるfθミラーが形成される。
【0035】
コア型33a、断熱層31a及び表面加工層32aの物理的特性は以下のとおりである。即ち、コア型33aの熱膨張係数11×10-6/℃、熱伝導率24.0W/m・K、断熱層31aの厚み1mm、熱膨張係数9×10-6/℃、熱伝導率1.2W/m・K、表面加工層32aの厚み0.15mm、熱膨張係数13×10-6/℃、熱伝導率8.0W/m・Kである。この特性は先に説明した第1の実施の形態の金型の物理的特性と同じである。
【0036】
なお、上記の金型により、両面を光学鏡面とする光学部品を形成する場合は、コア型33a及び33bの両方に断熱層及び表面加工層を形成すればよい。
【0037】
以上説明した、第1及び第2の実施の形態においては、断熱層の材料として、ジルコニアを使用したが、断熱層の材料はこれに限られるものではなく、セラミック系材料、即ち、アルミナ、酸化チタン、酸化クロム等を含む各種のセラミックの他、それ等のセラミック材料と金属材料との混合物であるサーメットなどを使用することができる。その材料の選定に際しては、その材料の熱膨張係数が金型母材や表面加工層の材料の熱膨張係数と大きく異ならない材料を選択するものとする。
【0038】
即ち、金型母材の熱膨張係数は概略5〜30×10-6/℃、断熱層の材料の熱膨張係数は概略3〜30×10-6/℃、表面加工層の材料の熱膨張係数は概略5〜30×10-6/℃であるから、これらの材料の選択・組み合わせに際しては、隣接する金型母材と断熱層或いは断熱層と表面加工層との間の熱膨張係数の差が15×10-6/℃以下になるように材料を選択し組み合わせるとよい。
【0039】
また、説明した、第1及び第2の実施の形態においては、コア型(キャビテイ型でも同じ)の部材成形空間に対向する面に形成する層は、断熱層と表面加工層との2層構造としたが、金型母材の表面と断熱層、断熱層と表面加工層との間の密着力を向上させるため、又は表面加工層の鏡面性を向上させるため、その間に中間層を設けてもよい。中間層は、金型母材、断熱層の材料、表面加工層の材料との間でそれぞれ高い親和力を持つ材料で構成するものとする。
【0040】
【発明の効果】
以上説明したとおり、請求項1の発明の光学素子成形用金型の製造方法は、金型母材の部材成形空間に対向する面に厚みが0.1mm乃至3mmの範囲となるようにセラミックス系材料を溶射して断熱層を形成する工程、前記断熱層の上に非鉄金属材料をメッキして表面加工層を形成する工程、前記表面加工層を切削加工により0.1μm乃至1mmの範囲の微細形状を形成して光学素子の表面形状を転写する面を形成する工程を有するもので、断熱層は金型にセラミックス系材料を溶射して形成され、その断熱層の上に非鉄金属材料をメッキして表面加工層が形成され、その表面加工層を切削加工して光学素子の表面形 状を転写する面を形成する。
【0041】
表面加工層に非鉄金属材料を使用し、その下側の断熱層にセラミック系材料を使用することで表面加工層の強度を高めることができるので、表面加工層にミクロンオーダー以下の極めて精度の高い金型形状を加工することが可能となる。
【0042】
また、表面加工層の下側に断熱層が存在することにより、金型の温度ムラ、樹脂の流動ムラ、冷却固化の不均一などが発生することがなく、射出工程において金型内に充填された樹脂の温度を、その後の形状転写工程である保圧工程まで高温に保つことができるから、表面加工層に形成されたミクロンオーダー以下の極めて精度の高い金型形状を高い精度で成形品に転写することができ、光学部品として要求される高い精度を確保できる等、従来の光学素子成形用金型に見られない優れた性能の金型を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の金型の構成を説明する断面図。
【図2】コア型、断熱層及び表面加工層の物理的特性を示す図。
【図3】従来の回折光学素子金型、及び第1の実施の形態の回折光学素子金型のねらい形状、コア型形状、及び成形品形状を説明する拡大断面図。
【図4】従来の金型による成形品の形状誤差の測定結果と、第1の実施の形態の金型による成形品の形状誤差の測定結果を説明する図。
【図5】第2の実施の形態の金型の構成を説明する断面図。
【符号の説明】
10 第1の実施の形態の金型
1 断熱層
2 表面加工層
2a 回折格子のブレーズ形状
3 コア型
4、5 キャビテイ型
6 部材成形空間
30 第2の実施の形態の金型
31a 断熱層
32a 表面加工層
32b 自由曲面
33a、33b コア型
34、35 キャビテイ型
36 部材成形空間
Claims (4)
- 金型母材の部材成形空間に対向する面に厚みが0.1mm乃至3mmの範囲となるようにセラミックス系材料を溶射して断熱層を形成する工程、
前記断熱層の上に非鉄金属材料をメッキして表面加工層を形成する工程、
前記表面加工層を切削加工により0.1μm乃至1mmの範囲の微細形状を形成して光学素子の表面形状を転写する面を形成する工程
を有することを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。 - 前記断熱層を形成する工程は、熱伝導率が10.0W/m・K以下の断熱層を形成する工程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の製造方法。
- 前記表面加工層を形成する工程は、厚みが1μm乃至200μmの範囲内に非鉄金属材料をメッキする工程である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の製造方法。
- 前記金型母材、断熱層及び表面加工層は、それぞれ隣接する金型母材と断熱層、或いは断熱層と表面加工層との間の熱膨張係数の差が15×10 -6 /℃以下になるように選択された材料により構成されていること
を特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光学素子成形用金型の製造方法。
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