JP4650514B2 - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Description

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の成形方法に関する。

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。

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。

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。

また、射出成形に先立っ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。

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（特許文献１、２、３）、断熱層にセラミックスを使用するもの（特許文献４、５）等が提案されている。
特許第２６７６２３号公報 特許第２７０６２２１号公報 特許第２７２７３０３号公報 特開平６−２１８７６９号公報 特開平１０−１４９５８７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、コア型と、キャビテイ型とで形成される部材成形空間に樹脂を射出して成形する成形用金型であって、前記コア型及びキャビテイ型のいずれか少なくとも一方に、金型母材と、前記金型母材の前記部材成形空間に対向する面にセラミック系材料を溶射して厚み０．１ｍｍ乃至３ｍｍの範囲で形成された断熱層と、前記金型母材上に前記断熱層を介在させて形成された、表面に研磨加工又は切削加工により光学素子の表面形状を転写する面が形成された表面加工層と、を有する成形用金型を用いて光学素子を成形する光学素子の成形方法であって、前記金型温度を、前記部材成形空間内に射出する溶融樹脂のガラス転移温度未満にした状態で溶融樹脂を射出する樹脂射出工程と、前記樹脂射出工程の樹脂射出後に前記表面加工層の表面形状を転写するべく、前記部材成形空間内に射出された樹脂に所定時間圧力を保持する保圧工程と、を有し、前記金型の金型母材、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光学素子の成形方法である。

そして、前記金型の表面加工層は、切削加工により０．１μｍ乃至１ｍｍの範囲の微細形状を形成するものとする。

また、前記金型の表面加工層は、研磨加工又は切削加工により面粗度０．０５μｍ以下の光学鏡面を形成することができる。

そして、前記金型の断熱層は、熱伝導率が１０．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。

そして、前記金型の表面加工層は、厚みが１μｍ乃至２００μｍの範囲内に非鉄金属材料をメッキして形成された層である。

そして、前記金型の金型母材と断熱層との間、断熱層と表面加工層との間に、金型母材、断熱層、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された中間層を備えてもよい。

この発明は、コア型と、キャビテイ型とで形成される部材成形空間に樹脂を射出して成形する成形用金型、即ち、前記コア型及びキャビテイ型のいずれか少なくとも一方に、金型母材と、前記金型母材の前記部材成形空間に対向する面にセラミック系材料を溶射して厚み０．１ｍｍ乃至３ｍｍの範囲で形成された断熱層と、前記金型母材上に前記断熱層を介在させて形成された、表面に研磨加工又は切削加工により光学素子の表面形状を転写する面が形成された表面加工層と、を有する成形用金型を用いて光学素子を成形する光学素子の成形方法であって、前記金型温度を、前記部材成形空間内に射出する溶融樹脂のガラス転移温度未満にした状態で溶融樹脂を射出する樹脂射出工程と、前記樹脂射出工程の樹脂射出後に前記表面加工層の表面形状を転写するべく、前記部材成形空間内に射出された樹脂に所定時間圧力を保持する保圧工程と、を有し、前記金型の金型母材、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光学素子の成形方法である。

金型母材上にセラミック系材料を溶射して形成された断熱層を介在させて表面加工層を形成したので、その表面に研磨加工又は切削加工により光学素子の表面形状を転写する面を極めて高い精度で形成することができる。

また、表面加工層の下に断熱層が存在するので、金型の温度むら、樹脂の流動むら、冷却固化の不均一などが発生することがなく、射出工程後の保圧工程まで金型温度を高温に保つことができるので、表面加工層に形成された表面形状転写面を成形品である光学素子に高い精度で転写することができ、光学部品として要求される精度を確保することができる。

以下、この発明の実施の形態について説明する。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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っている。

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程度であった。

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。

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以下であった。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

金型母材上にセラミック系材料を溶射して形成された断熱層を介在させて表面加工層を形成し、その表面に研磨加工又は切削加工により光学素子の表面形状を転写する面を形成した金型を使用した光学素子の成形方法である。

第１の実施の形態の金型の構成を説明する断面図。 コア型、断熱層及び表面加工層の物理的特性を示す図。 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。 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。 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 (6)

1. コア型と、キャビテイ型とで形成される部材成形空間に樹脂を射出して成形する成形用金型であって、前記コア型及びキャビテイ型のいずれか少なくとも一方に、金型母材と、前記金型母材の前記部材成形空間に対向する面にセラミック系材料を溶射して厚み０．１ｍｍ乃至３ｍｍの範囲で形成された断熱層と、前記金型母材上に前記断熱層を介在させて形成された、表面に研磨加工又は切削加工により光学素子の表面形状を転写する面が形成された表面加工層と、を有する成形用金型を用いて光学素子を成形する光学素子の成形方法であって、
   前記金型温度を、前記部材成形空間内に射出する溶融樹脂のガラス転移温度未満にした状態で溶融樹脂を射出する樹脂射出工程と、
   前記樹脂射出工程の樹脂射出後に前記表面加工層の表面形状を転写するべく、前記部材成形空間内に射出された樹脂に所定時間圧力を保持する保圧工程と、
   を有し、
   前記金型の金型母材、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
   を特徴とする光学素子の成形方法。
2. 前記金型の表面加工層は、切削加工により０．１μｍ乃至１ｍｍの範囲の微細形状が形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
3. 前記金型の表面加工層は、研磨加工又は切削加工により面粗度０．０５μｍ以下の光学鏡面が形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形方法。
4. 前記金型の断熱層は、熱伝導率が１０．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であること
   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の成形方法。
5. 前記金型の表面加工層は、厚みが１μｍ乃至２００μｍの範囲内に非鉄金属材料をメッキして形成された層であること
   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の成形方法。
6. 前記金型の金型母材と断熱層との間、断熱層と表面加工層との間に、金型母材、断熱層、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された中間層を有すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光学素子の成形方法。

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