JP5228352B2 - 光学素子成形用金型、光学素子成形用金型作成方法及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学レンズや回析格子といったミクロンオーダ以下の精度が要求される光学素子等を樹脂の射出成形によって製造するための光学素子成形用金型、その光学素子成形用金型の作成方法及び光学素子の製造方法に関する。

合成樹脂の射出成形には、鋼などの金属材料による金型が使用されてきた。近年では光学製品の微細化、精密化により、光学素子などにもミクロンオーダ以下の高精度が要求されてきている。

そこで、高精度の光学素子を成形するために、光学素子の１つの面を成形するための金型であるコア型の表面にセラミック系材料を溶射して金型母材に一体に断熱層が積層し、その断熱層の上に非鉄金属材料を無電解メッキすることにより表面加工層を形成することで作成される、ステンレス鋼製のコア型の表面に断熱層と表面加工層が積層された光学素子成形用金型（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。ここで、溶射とはパウダー状にした材料を高温で溶融し、溶融された材料を積層したい対象に吹き付け、その材料が冷えて固まることで対象上に積層されるという積層方法である。

しかし、このような光学素子成形用金型では、光学素子の成形のために昇温、降温が繰り返されることにより、各層間の剥離が生じるおそれがある。特に、セラミック系材料の断熱層と非鉄金属材料の表面加工層との間では、その熱膨張率の差から剥離し易い。そして、部分的な剥離であっても表面加工層の微小な歪みやズレの原因となる可能性があり、成形品の形状精度を低下させるおそれがある。

そこで従来、表面加工層と断熱層の密着性を高めるため、表面加工層と断熱層の間にいずれの層にも親和性の高い材質で形成された中間層を溶射により断熱層の全面に設けた光学素子成形用金型などが提案されている。

特開２００２−９６３３５号公報

しかし、中間層の材料は断熱層及び表面加工層のいずれともの親和力を考慮して選択されるため、断熱層と中間層の親和力が最も高い系ではないことがある。そのため、従来の光学素子成形用金型のように溶射により断熱層の全面に中間層を積層した場合、中間層の材料が冷え固まるときに断熱層と中間層との間で応力剥離等が生じ、所望の密着性を得られないおそれがある。

そして、このように剥離が生じた場合、光学素子の成形時に掛かる大きな圧力により剥離で生じた空間がつぶれ表面加工層が変形し成形した光学素子のゆがみにより光学性能が悪化してしまう。また、圧力により引き起こされた剥離部分の変形は、圧力が印加されていないときには元の形に戻っていることが多いため、積極的に変形を生じさせた後に精密加工を施すという方法を採用することもできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、溶射による断熱層への中間金属層の形成時に、応力による中間金属層の剥離が生じない光学素子成形用金型、その作成方法及び光学素子の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明における第一の形態は、光学素子を成形するための金型を作成する光学素子成形用金型作成方法であって、母材の表面であって前記光学素子を成形する側の面に断熱層を積層する段階と、前記断熱層の表面に中間金属層を溶射によって積層する段階と、前記中間金属層の表面に、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を積層する段階とを有し、前記中間金属層は、前記中間金属層の表面の全面積の１０％以上において０．１ｍｍ ^２ 当たり断熱層の露出が０．０００１〜０．０１ｍｍ ^２ であり、前記全面積の残りの部分において０．１ｍｍ ^２ 当たり前記断熱層の露出が０．０００１ｍｍ ^２ 以下となるように積層されることを特徴とするものである。
本発明における第二の形態は、コア型と、該コア型との間に光学素子成形空間を隔てて配置したキャビティ型とを備えた光学素子成形金型であって、前記コア型と前記キャビティ型のいずれか少なくとも一方は、母材と、母材の表面に形成された断熱層と、前記断熱層の前記母材側とは反対側の表面に溶射によって形成された中間金属層と、前記中間金属層の前記断熱層側とは反対側の表面に、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し、前記中間金属層は、前記中間金属層の表面の全面積の１０％以上において０．１ｍｍ ^２ 当たり断熱層の露出が０．０００１〜０．０１ｍｍ ^２ であり、前記全面積の残りの部分において０．１ｍｍ ^２ 当たり前記断熱層の露出が０．０００１ｍｍ ^２ 以下となるように形成されることを特徴とするものである。
本発明における第三の形態は、第二の形態に記載の光学素子成形用金型の前記光学素子成形空間に樹脂を充たすことにより、樹脂製の光学素子を成形することを特徴とする光学素子の製造方法である。

第一の形態乃至第三の形態のいずれか一つに記載の光学素子成形用金型作成方法によると、中間金属層の表面に断熱層が露出する部分があるため、製造工程で中間金属層に応力が掛かっても力を逃がすことができる。そのため、断熱層上に溶射した中間金属層の断熱層からの剥離を軽減させた光学素子成形用金型を作成することができる。したがって、これらの光学素子成形用金型生成方法により生成された第四の形態乃至第八の形態のいずれか一つに記載の光学素子成形用金型では、光学素子を成形する場合の成形圧力による光学素子成形用金型の変形が軽減され、該光学素子成形金型によって成形された光学素子の光学性能を良好に保つことが可能となる。

〔第１の実施形態〕
以下、この発明の第１の実施形態に係る光学素子成形用金型作成法について説明する。図１は光学素子成形用金型の全体の概略を表わす断面図である。図２は光学素子成形用金型の各層の詳細を説明するための断面図である。以下で説明する溶射とは、パウダー状にした材料を高温で溶融し、溶融された材料を積層したい対象に吹き付け、その材料が冷えて固まることで対象上に積層されるという積層方法である。

図１に示すように本実施形態に係る光学素子成形用金型は、コア型である金型１０及びキャビティ型である金型２及び金型４で構成されている。キャビティ型である金型２及び金型４は金型１０の周囲を囲んで光学素子を成形するための空間である光学素子成形空間３を形成する金型である。コア型である金型１０の光学素子成形空間３側にある面に形成された表面加工層１５とキャビティ型である金型２及び金型４との間に形成される光学素子成形空間３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成形される。

図１における金型１０を拡大したものが図２の金型１０（以下では、この金型１０を「光学素子成形用金型１０」という。）である。これは、回折光学素子を作成する金型の一例である。ここで、本実施形態では母材１１と断熱層１３の間には密着性を高めるためボンド層１２を積層しているがこのボンド層は高い密着性が要求されない場合にはなくてもよい。

図３は各層の材質や作成方法の表の図である。図３では、図２における光学素子成形用金型１０の各層の配置にあわせた順でその材質や作成方法が記載されているが、以下では、作成手順に従って、図３の表の下側の欄から順に説明する。

まず、母材１１は、一般的な金型用のステンレス鋼などで形成する。この母材１１としては、熱伝導率が２３Ｗ／ｍｋ、線膨張率が１１×１０^−６／℃のものを使用する。ボンド層１２は、ここではＮｉＣｒを用い、母材１１に対してはプラズマ溶射することにより０．１ｍｍの厚さに形成する。このボンド層１２としては、熱伝導率２０Ｗ／ｍｋ、線膨張率が１５×１０^−６／℃のものを使用する。成形される光学素子の大まかな形状はこの母材１１によって成形される。

断熱層１３は、熱伝導率が低く、線膨張率が母材１１に近い材質が好ましい。また、溶射後のピンホールが少ないものが好ましい。断熱層１３の材質としては、酸化ジルコニウム系、酸化アルミニウム系、酸化チタン系、酸化クロム系などが使用できる。本実施例ではＺｒＯ２・２４ＭｇＯで形成する。この材質は、溶射層の気孔率が低く緻密さに優れており、線膨張率が母材１１と近似しており、また熱衝撃に強いという性質を有している。この断熱層１３としては、熱伝導率が１〜１．５Ｗ／ｍｋ、線膨張率が１０〜１１×１０^−６／℃のものを使用する。また、この材料は溶融温度が高いため、高温プラズマ状態が作り出せるプラズマ溶射によって、約０．９ｍｍの厚さに形成する。さらに、溶射後の断熱層１３に機械加工を施し、成形品の形状に仕上げる。

そして、断熱層１３にセラミック系材料を使用しているのは、光学素子などの射出成形時に、樹脂材料の熱が母材１１へ逃げて急速に冷却されることを防止するものである。この断熱層１３を、機械加工により目的とする形状に仕上げることにより、断熱層１３の厚さにバラツキがないようにされている。これにより、周囲までダレがなくエッジとなっているので、周囲の成形転写性が向上する。また次層の中間金属層を薄くできる。

中間金属層１４は、ＮｉＡｌ合金を使用する。この材質は、熱伝導率が２０Ｗ／ｍｋより大きく、線形膨張率が１３×１０^−６／℃である。ここでは、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ溶射）によって、高速に吹き付ける手法を用いた。この場合の溶射条件としては、射出するパウダー量が３〜１０ｇ／ｍｉｎであり、溶射時間が０，０１〜１ｓｅｃであることが好ましい。これにより、溶射後の中間金属層１４から断熱層１３が露出している部分の面積比が０．５〜４０％となるように積層する。さらに、この溶射は、溶射後の中間金属層１４から断熱層１３が露出している部分の面積が、０．１ｍｍ^２当たり０．０００１〜０．０１ｍｍ^２となる部分が、中間金属層１４の表面積の全面積に対して１０％以上になり、中間金属層１４の表面積の残りの部分では断熱層１３の露出が０．１ｍｍ^２当たり０．０００１ｍｍ^２以下となるように積層することが好ましい。そして、中間金属層１４からの断熱層１３の露出部分は一部分に偏ることなく全体的に均一に分散している（これを、「略均一」という。）ことが好ましい。

このように、中間金属層１４に断熱層１３の露出部分を作ることで、溶射後に中間金属層１４に応力が掛かった場合でも、露出部分に力を逃がすことができる。したがって、応力による断熱層１３上に溶射した中間金属層１４の断熱層１３からの剥離を軽減させることができる。また、本実施形態では断熱１３層の露出部分と全表面積の面積比を０．５％〜４０％としているため、断熱層１３と表面加工層１５との密着性も十分に確保可能である。

なお、ここでいう「断熱層１３の一部が露出する」とは、あくまで断熱層１３とその表面に形成された中間金属層１４との間の関係において断熱層１３の一部が露出していることをいい、表面加工層１５が形成されることにより結果として断熱層１３の表面が露出せずに覆われても、それとは別の意味である。これは以下の説明でも同様である。

また、中間金属層１４の断熱層１３の表面への溶射方法としては、プラズマ溶射を用いてもよい。

中間金属層１４は、断熱層１３と表面加工層１５との密着性を高めるものである。断熱層１３はセラミック系の材料であり、表面加工層１５が金属系の材料が使用されるため、中間金属層１４は、これらのいずれとも親和性の良い材料が好ましい。そこで、中間金属層としては例えば、金属系の材料や、金属とセラミックのサーメット又は傾斜材料を利用する。サーメットとしては、断熱層１３の材質をベースとしたものが好ましい。傾斜材料では、積層厚にしたがって、断熱層１３のベース材料から表面加工層１５のベース材料へと配合割合を変化させたものが良い。

また、中間金属層１４は、ＮｉＡｌ合金に代えてサーメットとしてもよい。この場合には、サーメットを溶射により断熱層１３の表面に中間金属層１４として形成する。特に線膨張係数の差が大きく影響する大物部品では有効である。使用するサーメットとしては、断熱層１３の材質をベースとしたものが好ましい。例えば、ジルコニアニッケル系のＺｒＯ_２・８ＭｇＯ・３５ＮｉＣｒ、ＺｒＯ_２・８Ｙ_２Ｏ_３・２５ＮｉＣｒ、又はアルミナニッケル系のＡｌ_２Ｏ_３・３Ｏ（Ｎｉ_２ＯＡｌ）等が使用できる。

また、中間金属層１４は、ＮｉＡｌ合金に代えて中間層として傾斜材料としても良い。断熱層１３のベース材料から表面加工層１５のベース材料へと比を代えていくことが望ましい。形成方法としては、例えば、予め溶射における粉末のブレンドの配合割合が異なるものを数種類用意しておき、積層厚みの段階毎に順に異なる配合割合のものを供給して積層する。或いは２チャンネルのパウダー供給装置からそれぞれの材料を供給させ、それぞれの供給比率を徐々に変化させても良い。例えば、Ｚｒ−Ｍｇ酸化物からＮｉＡｌ合金へと徐々に材料割合を変化させることで傾斜材料を使用した中間金属層１４を形成することができる。

表面加工層１５は、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを使用した。上述のように中間金属層１４が断熱層１３を完全には覆っていないため、この無電解ニッケルメッキ処理は、直接には中間層１４と母材１１に対して行うが、中間層１４から露出している部分の断熱層１３についても該無電解ニッケルメッキ処理が行われる。表面加工層１５の材料は、セラミック系材料である断熱層１３とは異なりいずれも導体であるので、同一のメッキ前処理条件によるメッキが可能であり、メッキ品質が向上するとともにメッキの密着性が良好なものとなる。この表面加工層１５としては、熱伝導率が４．０〜７．２Ｗ／ｍｋ、熱膨張率が１１〜１２×１０^−６／℃のものを使用する。

さらに、このように形成された表面加工層１５に、製造する光学素子に応じた表面加工が施されることにより、光学素子成形用金型１０が完成する。例えば、ダイヤモンド工具による切削加工によって、Ｖ溝形状を有する表面加工層１５を形成する。この他に、エッチングによって目的の形状を形成することもある。

表面加工層１５は、金属系の材料が好ましい。特に、ニッケルなどの非鉄金属系が好ましいが、窒化金属または炭化金属または炭窒化金属で形成しても良い。母材１１と表面加工層１５とは金属系の材料同士であるので、良好に密着され、熱履歴が加えられても剥離するおそれはない。

次に、本実施形態に係る光学素子成形用金型作成方法によって作成された光学素子成形用金型１０について説明する。

図１に示すように、光学素子成形用金型１０は、母材１１、ボンド層１２、断熱層１３、中間金属層１４、表面加工層１５が図中下から順に積層されている。また保守点検時の把持用の溝１１ａが形成されている。また、母材１１と断熱層１３の間には密着性を高めるためボンド層１２がアンダーコートされている。表面加工層１５の一部は、母材１１の溝１１ａの内部にも入っている。

また、表面加工層１５における最外周まで、光学素子への成形転写性を求められない製品においては、図４に示すように船底形状の母材２１を有する光学素子成形用金型２０としてもよい。このようにすれば、母材１１と断熱層１３との密着性が向上する。また、周辺部において母材１１の側面まで覆う必要はない。

（実施例）
以下では、本発明に係る光学素子成形用金型１０作成方法における中間金属層１４の積層の実施例について図５及び図６を参照して説明する。以下の検証では、光学顕微鏡（ＫＥＹＥＮＣＥ社製 ＶＨ−Ｚ４５０）を用いて中間金属層１４に対する断熱層１３の露出の評価を行なった。図５は実施例１、比較例１及び比較例２における溶射の条件、その露出の評価、及びその条件で作成した光学素子成形用金型１０における各層の評価を表わした図である。図６（Ａ）は比較例１における成形圧力下での表面加工後の表面加工層１５の金型断面形状を表わす図であり、図６（Ｂ）は実施例１における成形圧力下での表面加工後の表面加工層１５の金型断面形状を表わす図である。図６のグラフは横軸が金型断面における各層の表面方向の位置を表わし、縦軸が金型断面における表面加工層１５の表面方向と直交する方向の位置を表わしている。

（実施例１）
溶射条件としては図５に示すようにパウダー量を６ｇ／ｍｉｎとし、溶射時間を０．１ｓｅｃとして、断熱層１３の表面への中間金属層１４の溶射を行った。ここで、パウダー量６ｇ／ｍｉｎは前述の好ましいパウダー量の範囲３〜１０ｇ／ｍｉｎに含まれる値であり、溶射時間０．１ｓｅｃは前述の好ましい溶射時間の範囲０．０１〜１ｓｅｃに含まれる値である。

この場合、中間金属層１４の全表面積の８０％において、０．１ｍｍ^２当たり０．０００１〜０．０１ｍｍ^２の断熱層１３の露出が確保された。

そして、このように中間金属層１４を溶射して作成した光学素子成形用金型１０では、中間金属層１４の断熱層１３からの剥離（以下では、「うき」という。）が発生せず、成形圧力下において金型に局所変形が発生しない。よって図６（Ｂ）に示すように、成形圧力下での表面加工後の表面加工層１５の面は直交する方向の高さにおいてほぼ一定の位置を保っている。また、中間金属層１４が十分に断熱層１３の上に積層されているため、断熱層１３と表面加工層１５の密着性を満足させることができる。

（比較例１）
溶射条件としては図５に示すようにパウダー量を１２ｇ／ｍｉｎとし、溶射時間を１ｓｅｃとして、断熱層１３の表面への中間金属層１４の溶射を行った。ここで、パウダー量１２ｇ／ｍｉｎは前述の好ましいパウダー量の範囲３〜１０ｇ／ｍｉｎの範囲外の値である。また、溶射時間１ｓｅｃは前述の好ましい溶射時間の範囲０．０１〜１ｓｅｃに含まれる値である。

この場合、中間金属層１４の全表面積において断熱層１３の露出は確認されなかった。すなわち、パウダー量が多いため断熱層１３の全面に満遍なく中間金属層１４が溶射されるため、断熱層１３が全て覆われる結果となった。

そして、このように中間金属層１４を溶射して作成した光学素子成形用金型１０では、中間金属層１４に応力が掛かった場合に、露出部分がないため力を逃がすことができず、中間金属層１４と断熱層１３との間の面は直交する方向の高さにおいて局所的に「うき」が発生し、図６（Ａ）に示すように、成形圧力下では光学素子成形用金型の局所変形が発生している。

以上により、前述の好ましい溶射時間の範囲を逸脱した量のパウダーを使用した溶射では、中間金属層１４と断熱層１３の剥離が発生してしまい、そのような光学素子成形用金型１０では精度の良い光学素子の成形を行うことが困難となる。

（比較例２）
溶射条件としては図５に示すようにパウダー量を２．５ｇ／ｍｉｎとし、溶射時間を０．８ｓｅｃとして、断熱層１３の表面への中間金属層１４の溶射を行った。ここで、パウダー量２．５ｇ／ｍｉｎは前述の好ましいパウダー量の範囲３〜１０ｇ／ｍｉｎの範囲外の値である。また、溶射時間０．８ｓｅｃは前述の好ましい溶射時間の範囲０．０１〜１ｓｅｃに含まれる値である。

この場合、中間金属層１４に、断熱層１３の表面の全面積に対して５０％の露出が不均一に発生している。これは、好ましい状態である略均一な露出とはいえず、また好ましい範囲である断熱層１３の表面の全面積に対して０．５〜４０％の露出の範囲をこえる露出が発生してしまっている。すなわち、パウダー量が少ないため断熱層１３の全面に満遍なく中間金属層１４が溶射されずに、断熱層１３の露出部分が多くなり、十分な量の中間金属層１４の積層ができていない。

そして、このように中間金属層１４を溶射して作成した光学素子成形用金型１０では、表面加工層１５と断熱層１３の密着性を高めるための中間金属層１４が十分に積層されていない部分が発生しているため、その部分では表面加工層１５にピンホール等の欠陥が生じ、表面加工後の光学素子に所望の光学面が形成できない。

以上により、前述の好ましい溶射時間の範囲を逸脱した少ない量のパウダーを使用した溶射では、十分な中間金属層１４の積層がなされていない部分が発生してしまい、光学素子成形用金型１０を作成することが困難となる。

なお、本実施形態においてはコア型である金型１０について説明しているが、係る構成はキャビティ型である金型２及び金型４についても適用可能であり、またコア型である金型１０、並びに、キャビティ型である金型２及び金型４の全ての金型に適用することも可能である。

本実施形態に係る光学素子成形用金型の全体の概略を表わす断面図 本実施形態に係る光学素子成形用金型の各層の詳細を説明するための断面図 光学素子成形用金型の各層の内容を表わす説明図 船底形状の母材を有するキャビティ型の概略を表わす断面図 各実施例の溶射の条件、露出の評価、及び該条件で作成した光学素子成形用金型における各層の評価を表わした図 （Ａ）比較例１における成形圧力下での表面加工後の表面加工層の金型断面形状を表わす図（Ｂ）実施例１における成形圧力下での表面加工後の表面加工層の金型断面形状を表わす図

符号の説明

１０、２０ 金型（コア型）
１１、２１ 母材
１３ 断熱層
１４ 中間金属層
１５ 表面加工層
２、４ 金型（キャビティ型）
３ 光学素子成形空間

Claims (7)

1. 光学素子を成形するための金型を作成する光学素子成形用金型作成方法であって、
   母材の表面であって前記光学素子を成形する側の面に断熱層を積層する段階と、
   前記断熱層の表面に中間金属層を溶射によって積層する段階と、
   前記中間金属層の表面に、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を積層する段階とを有し、
   前記中間金属層は、前記中間金属層の表面の全面積の１０％以上において０．１ｍｍ ^２ 当たり断熱層の露出が０．０００１〜０．０１ｍｍ ^２ であり、前記全面積の残りの部分において０．１ｍｍ ^２ 当たり前記断熱層の露出が０．０００１ｍｍ ^２ 以下となるように積層されることを特徴とする光学素子成形用金型作成方法。
2. 前記中間金属層は、前記断熱層の一部が、前記断熱層の表面の全面積に対して、前記中間金属層から露出している前記断熱層の面積の面積比が０．５〜４０％の範囲となるよう積層され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作成方法。
3. 前記中間金属層の表面加工層が積層される側の面の表面積が５０ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一つに記載の光学素子成形用金型作成方法。
4. コア型と、該コア型との間に光学素子成形空間を隔てて配置したキャビティ型とを備えた光学素子成形用金型であって、
   前記コア型と前記キャビティ型のいずれか少なくとも一方は、
   母材と、
   母材の表面に形成された断熱層と、
   前記断熱層の前記母材側とは反対側の表面に溶射によって形成された中間金属層と、
   前記中間金属層の前記断熱層側とは反対側の表面に、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し、
   前記中間金属層は、前記中間金属層の表面の全面積の１０％以上において０．１ｍｍ ^２ 当たり断熱層の露出が０．０００１〜０．０１ｍｍ ^２ であり、前記全面積の残りの部分において０．１ｍｍ ^２ 当たり前記断熱層の露出が０．０００１ｍｍ ^２ 以下となるように形成されることを特徴とする光学素子成形用金型。
5. 前記中間金属層は、前記断熱層の一部が、前記断熱層の表面の全面積に対して、前記中間金属層から露出している前記断熱層の面積の面積比が０．５〜４０％の範囲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。
6. 前記中間金属層の表面加工層が積層される側の面の表面積が５０ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の光学素子成形用金型。
7. 請求項４〜６のいずれか一項に記載の光学素子成形用金型の前記光学素子成形空間に樹脂を充たすことにより、樹脂製の光学素子を成形することを特徴とする光学素子の製造方法。

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