JPH09216232A - 光学素子成形用金型およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 精密加工性、耐熱性、耐酸化性に優れ、光学
素子材料に対して化学的に不活性な光学素子成形用の金
型を提供することを目的とする。 【解決手段】 （ａ）に示すように型本体１ｂ（Ｃｕ−
Ｚｎ−Ｐｂ合金）をダイヤモンドバイト４を用いた切削
加工により所望の光学素子の形状のプレス面５に超精密
に加工する。次に（ｂ）に示すようにこのプレス面５の
上に中間膜３（Ｃｕ−Ｐｔ）を形成し、さらに（ｃ）に
示すように保護膜２ｂ（Ｐｔ−Ｒｅ）を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プレス成形により
光学素子を大量、安価に製造するための金型及びその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、レンズ等の光学素子のプレス成形
は、成形用金型に溶融状態の樹脂（光学素子材料）を射
出し、加熱加圧の後に冷却して取り出すという射出成形
（プラスチック成形加工入門 廣恵章利 他 日刊工業
新聞社編．第６３頁〜第６４頁）や、金型内に固体状態
の樹脂（光学素子材料）塊を供給した後、加熱加圧の後
に冷却して取り出すというリヒートプレス成形（米国特
許２，４３２，６６８）により実施されている。

【０００３】ところで、このプレス成形で使用されてい
る光学素子成形用の金型は、耐熱性、耐酸化性に優れて
いること、光学素子材料に対して化学的に不活性である
こと、プレス時にプレス面の形状精度が崩れないよう機
械的強度に優れていること、さらに、高精度に加工する
必要があるため、加工性に優れ、精密加工が容易なこと
が必要である。

【０００４】これらの条件をある程度満足する光学素子
成形用金型として、例えば、型素材としてＳＵＳ４２０
Ｊ等の比較的高耐熱で高強度型素材を用い、まず始め
に、この型素材を超硬バイトを用いた切削加工等により
光学素子形状に近似した形状に荒加工した後、型素材プ
レス面上に、無電解メッキ法により切削加工性に優れた
Ｎｉ−Ｐ合金を形成し、このＮｉ−Ｐ合金をダイヤモン
ドバイトにより光学素子形状に超精密に切削加工すると
いう方法により製造されている（例えば、金型技術１９
８４．ｖｏｌ１．第６７頁〜第６９頁）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ような樹脂製光学素子の射出成形あるいは押圧成形にお
ける金型を製造する際、型素材であるＳＵＳ４２０Ｊの
荒加工、それに続くＮｉ−Ｐ合金の超精密切削加工とい
う、２度にわたる機械加工を必要とし、加工に長時間を
必要とする。

【０００６】また、Ｎｉ−Ｐ合金を形成するための無電
解メッキ工程も、その密着性向上と均質な成膜を目的と
して、洗浄行程、前処理行程という複雑な前工程を必要
とし、プレス面の機械加工と同様、長時間と厳しい管理
を必要とし、その結果、金型製造コストが非常に高くな
るという問題がある。

【０００７】本発明は上記の問題点を解決するもので、
精密加工性に優れ、光学素子材料に対して化学的に不活
性な高精度で長寿命な光学素子のプレス成形用金型を、
容易に安価に製造できる光学素子成形用金型およびその
製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光学素子成形用
金型は、樹脂製光学素子を射出成形あるいは押圧成形す
る際に使用する金型であって、銅（Ｃｕ）を主成分とす
る銅合金で所望の光学素子の形状に型が形成された型本
体と、型本体の前記型の表面上に保護膜を形成したこと
を特徴とし、型素材として銅（Ｃｕ）を主成分とする銅
合金を用いることにより、型素材自体をダイヤモンドバ
イトなどにより超精密切削加工が可能となり、従来のよ
うに、型素材の荒加工や、型素材上にＮｉ−Ｐ合金等の
切削加工可能な膜を新たに形成し、そのＮｉ−Ｐ合金膜
をダイヤモンドバイトにより精密切削加工するという複
雑な加工工程を必要としない。従って、切削加工により
光学素子形状に高精度に、かつ短時間に加工可能であ
る。

【０００９】また、型本体は銅（Ｃｕ）を５０ｗｔ％以
上含有し、他の成分が錫（Ｓｎ），リン（Ｐ），鉛（Ｐ
ｂ），鉄（Ｆｅ），亜鉛（Ｚｎ）のうち、少なくとも一
種類以上含有することを特徴とし、切削性をさらに向上
させることが可能である。

【００１０】また、保護膜は、金属，酸化物，窒化物，
炭化物，あるいはホウ化物からなることを特徴とし、耐
熱性、耐酸化性に優れ、光学素子材料に対して不活性
で、金型プレス面の傷発生、型本体の酸化による表面荒
れ、成形時の光学素子材料との融着等の問題が発生しな
い。

【００１１】さらに本発明は、型本体と保護膜との間に
中間膜として、前記保護膜の構成材料と銅との合金膜を
形成したことを特徴とし、中間膜を設けたことによって
非常に強固な密着力を得ることができ、金型寿命を著し
く延ばすことができる。

【００１２】本発明の光学素子成形用金型の製造方法
は、銅（Ｃｕ）を主成分とする銅合金を型素材に用い、
前記型素材を所望の光学素子形状に超精密切削加工して
型本体を加工し、前記型の表面を金属、酸化物、窒化
物、炭化物、あるいはホウ化物からなる保護膜でコーテ
ィングすることを特徴とする。

【００１３】また、型の表面を保護膜でコーティングす
るに際して、前記型の表面に前記保護膜の構成材料と銅
との合金膜である中間膜を形成し、前記中間膜の上に保
護膜を形成することを特徴とする。

【００１４】また、型本体は、銅（Ｃｕ）を５０ｗｔ％
以上含有し、他の成分が錫（Ｓｎ），リン（Ｐ），鉛
（Ｐｂ），鉄（Ｆｅ），亜鉛（Ｚｎ）のうち、少なくと
も一種類以上含有することを特徴とする。従って、本発
明の方法により、成形金型を容易に製造することが可能
となる。また、本発明の金型は、寿命が長く、光学素子
の大量生産が可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施の形態を図
１〜図４に基づいて説明する。 〔第１の実施の形態〕図１は〔第１の実施の形態〕の光
学素子成形用の金型を示す。

【００１６】型本体１ａの上面には所望の光学素子形状
のプレス面５が形成されている。型本体１ａはＣｕ−Ｓ
ｎ−Ｐ合金（Ｓｎ：８．０ｗｔ％，Ｐ：０．３ｗｔ％）
を型素材としており、プレス面５の表面上にはＳｉＣの
保護膜２ａが形成されている。

【００１７】図２（ａ）（ｂ）は金型の製造方法を示し
ている。型本体１ａの型素材としてはＣｕ−Ｓｎ−Ｐ合
金（Ｓｎ：８．０ｗｔ％，Ｐ：０．３ｗｔ％）を用い
た。まず、図２（ａ）に示すように型本体１ａのプレス
面５をダイヤモンドバイト４（単結晶ダイヤ、先端Ｒ：
０．１ｍｍ）を用いて、型本体１ａの中心軸に対して回
転（８００ｒｐｍ）しながら高精度に光学素子形状（非
球面形状、近似半径２．２ｍｍ）にプレス面５を切削加
工した。ここで、このときの切削条件は、送りスピード
０．１ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み０．５μｍである。切削
加工後の形状精度は、±０．１μｍ、表面粗さ：Ｒmax
０．０１μｍで光学素子成形用として十分な精度が得ら
れた。

【００１８】次に、図２（ｂ）に示すようにこの型本体
１ａのプレス面５の表面にスパッタリング法により保護
膜２ａ（ＳｉＣ）を膜厚１．５μｍ成膜した。このよう
にして得られた一対の金型を用いて、光学素子材料（非
晶質ポリオレフィン樹脂、ガラス転移点温度：１４０
℃）を成形温度：２００℃、成形圧力：５０ｋｇ／ｃｍ
² にてリヒート成形したところ、光学性能良好な光学素
子が得られた。そして、同条件で成形を繰り返し、成形
回数１０，０００ショット後の金型形状を測定したとこ
ろ、加工直後の形状と何ら変化がなかった。

【００１９】この型素材として銅（Ｃｕ）を主成分とす
る銅合金を用いることにより、型素材自体をダイヤモン
ドバイトなどにより超精密切削加工が可能となり、従来
のように、型素材の荒加工や、型素材上にＮｉ−Ｐ合金
等の切削加工可能な膜を新たに形成し、そのＮｉ−Ｐ合
金膜をダイヤモンドバイトにより精密切削加工するとい
う複雑な加工工程を必要としない。従って、切削加工に
より光学素子形状に高精度に、かつ短時間に加工可能で
ある。

【００２０】また、耐熱性、耐酸化性に優れ、光学素子
材料に対して不活性な保護膜２ａを設けたことによっ
て、金型プレス面の傷発生、型本体の酸化による表面荒
れ、成形時の光学素子材料との融着等の問題が発生しな
かった。

【００２１】なお、型本体１ａの型素材としてＣｕ−Ｓ
ｎ−Ｐ合金（Ｓｎ：８．０ｗｔ％、Ｐ：０．３ｗｔ％）
を用いたが、型本体１ａの型素材としてその他の銅を主
成分とする銅合金、例えば銅（Ｃｕ）を５０ｗｔ％以上
含有し、他の成分が錫（Ｓｎ），リン（Ｐ），鉛（Ｐ
ｂ），鉄（Ｆｅ），亜鉛（Ｚｎ）のうち、少なくとも一
種類以上含有する銅合金を使用し、一方、保護膜２ａと
してＳｉＣを用いたが、その他の耐熱性、耐酸性に優
れ、光学素子材料に対して不活性な金属、酸化物、窒化
物、炭化物、あるいはホウ化物を保護膜２ａとしても同
様の効果が得られることはいうまでもない。

【００２２】〔第２の実施の形態〕図３は〔第２の実施
の形態〕の金型を示す。型本体１ｂの上面には所望の光
学素子形状のプレス面５が形成されている。型本体１ｂ
はＣｕ−Ｚｎ−Ｐｂ合金（Ｚｎ：３０．０ｗｔ％，Ｐ
ｂ：２．５ｗｔ％）を型素材としており、このプレス面
５の上には中間膜３を介してＰｔ−Ｒｅの保護膜２ａが
形成されている。

【００２３】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は金型の製造方法
を示し、型本体１ｂの型素材としてはＣｕ−Ｚｎ−Ｐｂ
合金（Ｚｎ：３０．０ｗｔ％，Ｐｂ：２．５ｗｔ％）を
用いた。まず、図４（ａ）に示すように型本体１ｂのプ
レス面５をダイヤモンドバイト４（単結晶ダイヤ 先端
Ｒ：０．１ｍｍ）を用いて、型本体１ｂを中心軸に対し
て回転（９００ｒｐｍ）しながら高精度に光学素子形状
（非球面形状 近似半径３．０ｍｍ）にプレス面５を切
削加工した。ここで、このときの切削条件は、送りスピ
ード０．２ｍｍ／ｍｉｎ，切り込み１．０μｍとした。
切削加工後の形状精度は±０．１μｍ，表面粗さ：Ｒma
x ０．０１２μｍで光学素子成形用金型として十分な精
度が得られた。

【００２４】次に、図４（ｂ）に示すようにこの型本体
１ｂのプレス面５の上に、イオンプレーティング法によ
り、中間膜３（Ｃｕ−Ｐｔ）を膜厚０．０１μｍで成膜
した。

【００２５】最後に、図４（ｃ）に示すようにこの中間
膜３の上にイオンプレーティング法により、保護膜２ｂ
（Ｐｔ−Ｒｅ）を膜厚１．５μｍ成膜した。このように
して得られた一対の金型を用いて、光学素子材料（非晶
質ポリオレフィン樹脂、ガラス転移点温度：１４０℃）
を成形温度：２００℃，成形圧力：５０ｋｇ／ｃｍ² に
てリヒート成形したところ、光学性能良好な光学レンズ
が得られた。また、同条件で成形を繰り返し、成形回数
１０，０００ショット後の金型形状を測定したところ、
加工直後の形状と何ら変化なかった。

【００２６】ここで、〔第１の実施の形態〕で使用した
金型と〔第２の実施の形態〕で使用した金型をスクラッ
チ試験機（圧子先端Ｒ０．１ｍｍ，スクラッチ荷重０〜
１０，０００ｇ）を用いてその密着力を比較したとこ
ろ、〔第１の実施の形態〕の金型は、スクラッチ荷重
２，５００ｇで保護膜２ａが型本体１ａから剥離したの
に対して、〔第２の実施の形態〕の金型は、スクラッチ
荷重６，０００ｇまで型本体１ｂから中間膜３、保護膜
２ｂの剥離はなく、中間膜３の形成により保護膜２ｂの
非常に強固な密着力が得られているのが分かった。

【００２７】従って、〔第２の実施の形態〕の金型はさ
らに、寿命が長くなることが分かる。このように、密着
力が向上するのは、中間膜３の材料が、型本体１ｂの構
成材料である銅（Ｃｕ）と保護膜２ｂの構成材料である
白金（Ｐｔ）から構成されているからである。

【００２８】なお、型本体１ｂの型素材としてＣｕ−Ｚ
ｎ−Ｐｂ合金（Ｚｎ：３０．０ｗｔ％，Ｐｂ：２．５ｗ
ｔ％）を用いたが、型本体１ｂの型素材としてその他の
銅を主成分とする銅合金、例えば銅（Ｃｕ）を５０ｗｔ
％以上含有し、他の成分が錫（Ｓｎ），リン（Ｐ），鉛
（Ｐｂ），鉄（Ｆｅ），亜鉛（Ｚｎ）のうち、少なくと
も一種類以上含有する銅合金を使用し、一方、保護膜２
ｂとしてＰｔ−Ｒｅを用い中間膜３としてＣｕ−Ｐｔを
用いたが、保護膜２ｂはその他の耐熱性、耐酸性に優
れ、光学素子材料に対して不活性な金属，酸化物，窒化
物，炭化物，あるいはホウ化物を用い、また、中間膜３
としては、その他の保護膜の構成材料と銅との合金膜を
用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明の光学素子成形用金
型は、高精度な切削加工が可能な銅を主成分とする銅合
金からなる型素材を使用することにより、光学素子形状
を容易に高精度に製造可能となった。その結果、金型加
工時間の短縮とコストの低減を実現できる。

【００３０】また、この金型のプレス面に耐熱性、耐酸
化性に優れ、光学素子材料に対して不活性で、かつ、型
素材に対して密着良好な保護膜を、ＰＶＤ法またはＣＶ
Ｄ法により形成することにより、繰り返し成形において
も劣化のない長寿命な金型を実現できる。そして、その
金型を用いて光学素子材料を成形することにより、光学
性能良好な光学素子を大量、安価に製造できる。

【００３１】また、型本体と保護膜との間に、双方に対
して密着良好な中間膜を形成することにより、型本体と
保護膜との密着力を中間膜を形成しなかった場合に比べ
て格段（約２．４倍）に向上させることができ、さら
に、金型寿命の長い金型が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】〔第１の実施の形態〕の光学素子成形用金型の
断面図である。

【図２】同実施の形態の金型の製造方法を示す工程図で
ある。

【図３】〔第２の実施の形態〕の光学素子成形用金型の
断面図である。

【図４】同実施の形態の金型の製造方法を示す工程図で
ある。

【符号の説明】

１ａ 型本体（Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ合金） １ｂ 型本体（Ｃｕ−Ｚｎ−Ｐｂ合金） ２ａ 保護膜（ＳｉＣ合金） ２ｂ 保護膜（Ｐｔ−Ｒｅ合金） ３ 中間膜（Ｃｕ−Ｐｔ合金） ４ ダイヤモンドバイト ５ プレス面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｂ２９Ｋ 101:00 Ｂ２９Ｌ 11:00

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 樹脂製光学素子を射出成形あるいは押圧
   成形する際に使用する金型であって、銅（Ｃｕ）を主成
   分とする銅合金で所望の光学素子の形状に型が加工され
   た型本体と、型本体の前記型の表面上に保護膜を形成し
   た光学素子成形用金型。
2. 【請求項２】 型本体は、銅（Ｃｕ）を５０ｗｔ％以上
   含有し、他の成分が錫（Ｓｎ），リン（Ｐ），鉛（Ｐ
   ｂ），鉄（Ｆｅ），亜鉛（Ｚｎ）のうち、少なくとも一
   種類以上含有する請求項１記載の光学素子成形用金型。
3. 【請求項３】 保護膜は、金属，酸化物，窒化物，炭化
   物，あるいはホウ化物からなる請求項１，請求項２記載
   の光学素子成形用金型。
4. 【請求項４】 型本体と保護膜との間に、中間膜とし
   て、前記保護膜の構成材料と銅との合金膜を形成した請
   求項１，請求項２，請求項３記載の光学素子成形用金
   型。
5. 【請求項５】 銅（Ｃｕ）を主成分とする銅合金を型素
   材に用い、前記型素材を所望の光学素子形状に超精密切
   削加工により型本体を加工し、前記型の表面を金属，酸
   化物，窒化物，炭化物，あるいはホウ化物からなる保護
   膜でコーティングする光学素子成形用金型の製造方法。
6. 【請求項６】 銅（Ｃｕ）を主成分とする銅合金を型素
   材に用い、前記型素材を所望の光学素子形状に超精密切
   削加工により型本体を加工し、前記型の表面を保護膜で
   コーティングするに際して、前記型の表面に前記保護膜
   の構成材料と銅との合金膜である中間膜を形成し、前記
   中間膜の上に保護膜を形成する光学素子成形用金型の製
   造方法。
7. 【請求項７】 型本体は、銅（Ｃｕ）を５０ｗｔ％以上
   含有し、他の成分が錫（Ｓｎ），リン（Ｐ），鉛（Ｐ
   ｂ），鉄（Ｆｅ），亜鉛（Ｚｎ）のうち、少なくとも一
   種類以上含有する請求項５，請求項６記載の光学素子成
   形用金型の製造方法。