JP5123576B2 - 成形用部材と離型膜形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形用基材に離型膜が形成された成形用部材と離型膜形成方法に関する。

近年、フラーレン（Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ）を離型膜や潤滑膜として利用する技術が提案されている。このフラーレンは、炭素原子からなるクラスター（集合体）で炭素の同素体（例えばＣ₆₀等）である。

このフラーレンに関し、例えば特許文献１では、真空蒸着法など真空機器を必要としない手軽な手段でフラーレンの塗布を実現するために、フラーレンの成形体を提案している。すなわち、この特許文献１によると、成形用の金型表面に離型用膜（又は潤滑用膜）を形成するために、フラーレン類を主成分とする棒状の成形体を提唱している。
特開２００６−３０６０１０号公報

しかしながら、特許文献１では、例えばフラーレンの成形体を成形用金型に手で擦り付けて塗布し、余剰分をワイパーで拭き取ってフラーレン膜を形成している。これでは、フラーレンの膜厚を均一に成膜したり、あるいは膜厚を薄く制御することは難しい（例えば、数百ｎｍから数百μｍの厚さに成膜される）。

特に、例えば、光学素子の成形用金型に成膜した場合、成形面の形状精度を維持することは難しい（例えば、数十ｎｍから数μｍの厚さに成膜する必要がある）。よって、従来の技術では、フラーレンの成形体を用いた簡易成膜手法を、高精度が要求される光学素子の成形用金型に適用することは困難であった。

本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、成形用基材の成形面に所望の膜厚の離型膜を形成することにより、光学素材と成形用型の融着のない高精度な光学成形品を得ることのできる成形用部材と離型膜形成方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
成形用基材に離型剤を用いて離型膜を形成する離型膜形成方法において、
前記成形用基材及び前記離型剤の少なくとも一方を加熱する工程と、
前記成形用基材に前記離型膜を形成する工程と、
形成された前記離型膜の厚み分布に起因する所望の形状からの誤差を測定する工程と、
前記測定された誤差分の補正加工を行う工程と、を有し、
前記補正加工後の前記離型膜の表面の粗さ曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）がゼロより小さい（Ｒｓｋ＜０）ことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の離型膜形成方法において、
前記補正加工を行う工程では、
前記成形用基材及び形成された前記離型膜のうち、少なくとも前記離型膜を補正加工することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の離型膜形成方法において、
前記成形用基材が成形用型であることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の離型膜形成方法において、
前記離型剤がフラーレンを主成分とすることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、
光学素材を挟んで対向する一対の成形用基材と、該一対の成形用基材が嵌挿されるスリーブとを有し、前記一対の成形用基材を接近移動させて前記光学素材を成形する成形用部材において、
前記一対の成形用基材は対向面側に夫々成形面を有し、該少なくとも一方の成形面を、当該成形面の凹部に離型膜が埋め込まれた領域と当該成形面の地肌が露出した領域とにより同一面を形成してなるものとしたことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の成形用部材において、
前記離型膜はフラーレンを主成分とすることを特徴とする。

本発明によれば、成形用基材の成形面に所望の膜厚の離型膜を形成することにより、光学素材と成形用型の融着のない高精度な光学成形品を得ることができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態の離型膜形成方法の工程を示す図である。本実施形態では、成形用基材としての成形用型（下型）１０の成形面１０ａに離型膜２２を形成する場合について説明する。

図１（ａ）に示すように、成形用型（下型）１０を所定温度（３００℃）に加熱する。なお、後述するように（図２参照）、必要に応じ、この成形用型（下型）１０に対向して配置される他方の成形用型（上型）１１に対しても、同様の作業を行う。

次に、図１（ｂ）に示すように、加熱した成形用型１０の成形面１０ａに、スティック状の離型剤（フラーレン）１２を塗布して離型膜２２を形成する。この離型剤１２は、フラーレンを主成分とするものである。このフラーレンは、炭素の同素体（例えばＣ₆₀等）であり、高温（約６００℃）においても不活性雰囲気下で良好な熱安定性を有している。

また、成形面１０ａは所望の形状に鏡面加工してある。なお、一般的には塗布は手作業により行うが、機械により行ってもよい。また、離型剤１２として、スティック状の固体以外の、例えば粉体のものを用いてもよい。

さらに、成形用型１０を加熱する代わりに、離型剤１２を加熱してから塗布してもよいし、又は成形用型１０と離型剤１２の双方を加熱して離型剤１２を塗布してもよい。
次に、図１（ｃ）に示すように、成形面１０ａに離型剤１２の離型膜２２−１を所定膜厚で形成した後、その表面形状を測定する。この測定では、接触式の測定装置を用いてもよいし、レーザ等の非接触式の測定装置を用いてもよい。

この測定により、所望の形状（設計値又は要求精度）からの離型膜２２−１の膜厚等の誤差を把握することができる。
次に、図１（ｄ）に示すように、離型膜２２−１の所望の形状からの誤差を補正するため、離型膜２２−１の一部を加工する。そして、均一な膜厚の離型膜２２−２を形成する。

具体的には、図１（ｅ）に示すように、凹凸に形成された離型膜２２−１の膜厚分布に対し、加工により離型膜２２−１の一部２２−３を削除して補正し、均一な厚みの離型膜２２−２を得る。

なお、離型膜２２−１を形成した後の表面形状の測定と一回の補正加工とにより、一度で所望の形状の離型膜２２−２が得られなかった場合は、繰り返し補正加工を行う。
また、前述した加工は、研磨加工により行い、例えばダイヤモンド砥粒を含んだ研磨剤を用いて行う。但し、離型膜２２の一部２２−３を補正加工することができる手段であれば、上述した研磨加工に限らない。例えば、バフ研磨やラップ加工等を用いてもよい。

図２は、成形用部材としての金型セット１４と光学素材１８の断面図を示している。
金型セット１４は、成形用型（下型）１０、成形用型（上型）１１、及びスリーブ１６を有している。成形用型（下型）１０及び成形用型（上型）１１は、スリーブ１６の内部で夫々の成形面１０ａ、１１ａが対向するようにスリーブ１６の両端側から嵌挿されている。また、成形用型（上型）１１はスリーブ１６の軸方向に摺動自在とされている。成形面１０ａ、１１ａ間には、例えば熱可塑性素材からなる光学素材１８が配置されている。

そして、図示しないが、これら成形面１０ａ、１１ａの夫々に、離型膜２２−２が形成されている。なお、成形面１０ａ、１１ａの周囲の成形用型１０、１１の平面部にも離型膜２２−２を形成するとよい。

本実施形態では、成形用型（下型）１０、成形用型（上型）１１、及びスリーブ１６は、タングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金から作られている。但し、超硬合金の代わりにＳｉＣ、ＳＵＳ、鉄等を用いてもよい。また、光学素材１８は、例えば球状の市販の光学ガラスが用いられている。但し、光学ガラスの代わりにプラスチックを用いてもよい。また、本実施形態では、成形される光学成形品はレンズであるが、プリフォーム（ＰＦ）としてもよい。

以上により、本実施形態によれば、離型膜２２の厚み分布に起因する所望の形状からの誤差を測定し、測定された誤差分の補正加工を行うようにしたので、成形用型１０、１１の成形面１０ａ、１１ａに高精度に離型膜２２を形成することができる。これにより、成形の際、光学素材１８が成形用型１０、１１に融着することがないため、高精度な光学成形品（レンズ）を得ることができる。
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態の離型膜形成方法の工程を示す図である。なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。

本実施の形態では、略所望の成形面形状を持つ成形用型１０の成形面１０ａに離型剤１２を塗布して離型膜２２を形成する。なお、前述した「略所望の」形状とは、表面粗さが最終の狙いの仕上げ粗さよりも粗いことを意味している。

例えば、最終の仕上げ粗さが最大高さＲｍａｘ０．０５μｍ以下とした場合、それよりも粗い、最大高さＲｍａｘ３．２μｍとする。
離型剤１２を塗布後、離型剤１２が塗布された成形用型１０を加熱炉で所定温度（３００℃、３分間）に加熱し、離型膜２２を形成する。こうして、成形用型１０に離型膜２２を形成した後、該成形用型１０の成形面１０ａの形状を測定する。

この測定により、所望の形状（設計値、要求精度）からの離型膜２２−１の膜厚、粗さ等の誤差を検出する。
次に、この誤差（形状、粗さ）を補正するために、離型膜２２の一部（余剰部）と成形用型１０の一部を加工する。

具体的には、図３に示すように、離型膜２２を、成形用型１０の成形面１０ａに形成された凸部２０（表面粗さの成分）が露出するまで、離型膜２２と成形用型１０の凸部２０の一部を加工して除去する。

この加工は、研削加工によりダイヤモンド砥石を用いて行う。但し、離型膜２２の補正加工及び成形用型１０の凸部２０を露出させる加工が行える手段であれば、上述した加工方法に限らない。

表面形状の測定と一回の補正加工により、一度で所望の表面形状が得られなかった場合は、繰り返し行う。
ここで、成形用型１０の成形面の全面を離型膜２２が覆っている場合、成形時に一対の成形用型１０、１１を接近移動させて加圧により光学素材１８（図２参照）を変形させる際、光学素材１８から成形用型１０の成形面１０ａが受ける圧力が、成形用型１０の成形面１０ａの凸部２０に集中し易い（面圧が高くなりやすい）。このため、その部分だけ離型膜２２の消耗が早くなってしまう。

よって、成形用型１０の成形面１０ａの凸部２０を覆っている離型膜２２を除去し、さらに、これら凸部２０の一部と離型膜２２とを同時に加工することで平坦な面に形成する。こうすることで、成形時において成形面１０ａには均等な面圧が加わるため、離型膜２２の耐久性の向上を図ることができる。

このとき、成形用型１０の成形面１０ａの凸部２０と凸部２０との間に形成された凹部２１には、離型膜２２が埋め込まれた状態となっている。このように、成形用型１０の成形面１０ａを最終の仕上げ粗さよりも粗い、適度な粗さに形成しておくことで離型剤１２が凹部２１に入り込んで密着するため、形成される離型膜２２の密着強度を高めることができる。そして、成形面１０ａには、離型膜２２が存在する部分と成形用型１０の地肌が露出した部分とが混在している。

その後、離型膜２２及び成形用型１０の露出部分の粗さが、所望の値となるように加工を行う。このときの加工は、研磨加工、ダイヤモンド砥粒を含んだ研磨剤を用いる。但し、離型膜２２及び成形用型１０の露出部分の補正加工が行えるのであれば、他の手段であってもよい。

次に、図４（ａ）（ｂ）は、離型膜２２の表面の粗さ曲線のスキューネスＲｓｋを示す図である。
図４（ａ）に示すように、離型膜２２の表面の粗さ曲線のスキューネスＲｓｋは、ゼロより小さい（Ｒｓｋ＜０）ことが望ましい。

すなわち、図４（ｂ）に示すように、スキューネスＲｓｋがゼロより大きい（Ｒｓｋ＞０）場合は、離型膜２２の表面粗さが鋭角の凸部を有するため、成形時に離型膜２２の凸部が削れるなどして離型膜２２の耐久性を低下させる原因となる。このため、離型膜２２の表面の粗さ曲線のスキューネスＲｓｋはゼロより小さくするのが好ましい（Ｒｓｋ＜０）。

最後に、離型膜２２及び成形用型１０の成形面１０ａを加工して所望の粗さとする。このため、離型膜２２を塗布する前の成形用型１０の成形面１０ａの表面粗さは、最終の仕上げまで行わなくてもよい。また、成形面１０ａの粗さを粗くしておくことで、粗さの凹部２１の中に離型膜２２が入り込み、成形用型１０と離型膜２２の密着強度を増すことができる。

ここで、離型膜２２を形成する前の成形用型１０の成形面１０ａには、前述した離型膜２２とは別に、成形用型１０を高温での酸化等から保護するための別個の保護膜を付加してもよい。そして、この保護膜の上に離型膜２２を成膜する場合は、この離型膜２２と保護膜の一部を加工する。なお、保護膜の加工と除去量は、保護膜が本来の目的、効果が得られる範囲設定を行う必要がある。

本実施形態によれば、補正加工により、成形用型１０の成形面１０ａの凸部２０を覆っている離型膜２２を除去し、さらに、これら凸部２０の一部と離型膜２２とを同時に加工して平坦面に仕上げるので、光学素材１８からの圧力が一部に集中することがなく、離型膜２２の耐久性の向上を図ることができる。

また、補正加工後の離型膜２２の表面の粗さ曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）がゼロより小さい（Ｒｓｋ＜０）ようにすることで、離型膜２２の凸部が削れるようなことはなく、これによっても離型膜２２の耐久性の向上を図ることができる。
（第３の実施の形態）
図５（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態の離型膜形成方法の工程を示す図である。なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。

図５（ａ）に示すように、略所望の形状の成形面１０ａを持つ成形用型１０を用意する。図５（ａ）に示した実線は、用意した成形用型１０の成形面１０ａの形状であり、破線は、最終的に狙った成形用型１０の成形面１０ａの形状である。

図５（ｂ）に示すように、成形用型１０を所定温度（３００℃）に加熱し、この加熱した成形用型１０に離型剤１２を用いて離型膜２２を塗布する。
なお、前述したのと同様に、「略所望の形状」とは、離型膜２２と成形用型１０の露出部の分布を任意に作るために、離型膜２２を残したい部分の成形用型１０の形状を、最終の離型膜２２の厚み分だけ掘り下げておいた形状を意味する。

また、誤差の測定と離型膜２２の加工、除去（研削、研磨）は、第１の実施の形態で説明したのと同様である。
図５（ｃ）に示すように、成形用型１０の露出部２４と、離型膜２２により形成された成形面１０ａと、が所望の形状となるように、加工と測定を必要に応じて繰り返す。

これにより、成形面１０ａの中で離型作用の働く部分と働かない部分を任意に設定することができる。すなわち、光学成形品の形状に応じて、成形用型１０の露出部２４と離型膜２２との分布を設定することで、光学素材１８の変形時に内部に発生する応力を抑制したり、冷却の際の離型性をよくする（割れを防止する）ことができる。これにより、融着や割れなどの不具合のない光学成形品を得ることができる。
（第４の実施の形態）
図６（ａ）〜（ｃ）は、成形用型１０に離型膜２２を種々に分布させた第４の実施の形態を示す図である。

図６（ａ）で示すように、成形面１０ａの外周部に離型膜２２を一様に分布させたり、図６（ｂ）に示すように、成形面１０ａの中心に対し同心円状に離型膜２２を分布（微細周期構造の分布）させることができる。さらに、図６（ｃ）に示すように、成形面１０ａに、その中心から放射方向に離型膜２２を分布（方向性を持った分布）させることができる。

本実施形態によれば、中心に対し同心状又は中心軸対称に離型膜２２を分布させることで、離型膜２２の離型作用に加え、微細周期構造を模した分布や方向性を持った分布による、成形面１０ａに対する光学素材１８の流動性が向上し、光学素材の変形時に内部に発生する応力を抑制したり、冷却の際の離型性をよくしたりすることができる。
（第５の実施の形態）
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、離型膜２２の塗布箇所のバリエーションによる第５の実施の形態を示す図である。

すなわち、離型膜２２は、光学素材１８と成形用型１０との離型性をよくするだけでなく、潤滑膜として用いることもできる。
例えば、図７（ａ）に示すように、離型膜２２を成形用型１０の側面に形成したり、図７（ｂ）に示すように、成形用型１０の底面に形成したり、さらに、図７（ｃ）に示すように、スリーブ１６の内面に形成することができる。その他、図示しないが、例えば成形装置のプレート上面などに塗布してもよい。

本実施形態によれば、離型膜２２を成形用型１０の側面やスリーブ１６の内面に形成することで、成形型１０とスリーブ１６との摺動を良くしたり、成形用型１０の底面に形成することで、載置されるプレート上での移動性を良くすることができる。

（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施の形態の離型膜形成方法の工程を示す図である。 金型セットと光学素材の断面を示す図である。 第２の実施の形態の離型膜形成方法の工程を示す図である。 （ａ）（ｂ）は、離型膜の表面の粗さ曲線のスキューネスを示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態の離型膜形成方法の工程を示す図である。 成形用型に離型膜を種々に分布させた第４の実施の形態を示す図である。 離型膜の塗布箇所のバリエーションによる第５の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１０ 成形用型（下型）
１０ａ 成形面
１１ 成形用型（上型）
１１ａ 成形面
１２ 離型剤
１４ 金型セット
１６ スリーブ
１８ 光学素材
２０ 凸部
２１ 凹部
２２−１ 離型膜
２２−２ 離型膜
２２−３ 離型膜
２４ 露出部

Claims (6)

1. 成形用基材に離型剤を用いて離型膜を形成する離型膜形成方法において、
   前記成形用基材及び前記離型剤の少なくとも一方を加熱する工程と、
   前記成形用基材に前記離型膜を形成する工程と、
   形成された前記離型膜の厚み分布に起因する所望の形状からの誤差を測定する工程と、
   前記測定された誤差分の補正加工を行う工程と、
   を有し、
   前記補正加工後の前記離型膜の表面の粗さ曲線のスキューネス（Ｒｓｋ）がゼロより小さい（Ｒｓｋ＜０）
   ことを特徴とする離型膜形成方法。
2. 前記補正加工を行う工程では、
   前記成形用基材及び形成された前記離型膜のうち、少なくとも前記離型膜を補正加工する
   ことを特徴とする請求項１に記載の離型膜形成方法。
3. 前記成形用基材が成形用型である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の離型膜形成方法。
4. 前記離型剤がフラーレンを主成分とする
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の離型膜形成方法。
5. 光学素材を挟んで対向する一対の成形用基材と、該一対の成形用基材が嵌挿されるスリーブとを有し、前記一対の成形用基材を接近移動させて前記光学素材を成形する成形用部材において、
   前記一対の成形用基材は対向面側に夫々成形面を有し、該少なくとも一方の成形面を、当該成形面の凹部に離型膜が埋め込まれた領域と当該成形面の地肌が露出した領域とにより同一面を形成してなるものとした
   ことを特徴とする成形用部材。
6. 前記離型膜はフラーレンを主成分とする
   ことを特徴とする請求項５に記載の成形用部材。