TWI310725B - Optical element forming mold and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

1310725 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種以樹脂射出成型來製造諸如光學 透鏡、繞射光柵及類似者之類的光學元件的光學元件成形 模具。更進一步地說’其係有關於一種用來形成必須要具 有微米等級或更精密之精度的光學元件的光學元件成形模 具及其製造方法。 【先前技術】 習用上已使用由諸如鋼或類似者之類的金屬材料所製 成的模具來以合成樹脂射出成型來形成光學元件。隨著近 曰來更精密且更高精度設計之光學產品的進步，光學元件 或類似者已必須要有微米等級或更精密的精度。但是，習 用的模具要得到此種高的成型移轉精度是有其困難的。日 本未審查專利公開第2002-96335號中揭露出可用以形成 φ 具有高精度之光學元件的習用技術。此公開文獻揭露一種 光學元件成形模具’其中一熱絕緣層及一表面處理層形成 在一由不銹鋼製成之核心的表面上。 . 有關於前述公開文獻中之光學元件成形模具，一熱絕 緣層透過噴塗陶瓷材料於核心之表面上而形成在一模具母 材上° 一表面處理層透過非鐵金屬材料的無極電鍍而形成 在該熱絕緣層上。因此’該公開文獻解說道該表面處理層 可以處理成具局精度的模具型樣，而可以得到極小尺寸誤 差的模製物件。 -4- 1310725 但是，在以習用之光學元件成形模具來形成光學元件 的過程中必須要重覆加熱及冷卻作業。因此之故’有可能 會造成層之間的分離開。特別是，分離情形有可能發生在 由陶瓷材料製成的熱絕緣層與由非鐵金屬材料製成的表面 處理層之間，因爲他們之間熱膨脹係數上的差異。即使僅 是部份的分離，其仍可能造成該表面處理層的複雜變形及 偏差。因此，此種層的分離情形有可能會使模製物件的型 _ 樣精度劣化。 【發明內容】 本發明係欲解決前述有關於習用光學元件成形模具的 問題。因此，本發明之目的在於提供一種光學元件成形模 具，其具有一有著極佳黏附效果且可以得到高成型移轉精 度的表面處理層，以及該光學元件成形模具的製造方法。 爲達成本發明的前述目的，其提供一種光學元件成形 φ 模具，包含有：一基材；一熱絕緣層，以噴塗方法形成而 設置於該基材上；一中間層，設置在該熱絕緣層上；以及 一表面層，其覆蓋住該中間層，且包含有一用來模製一光 學元件的模具表面。 根據本發明，其亦提供一種光學元件成形模具的製造 方法，包含有下列步驟：藉由噴塗方法形成一熱絕緣層於 一基材上；形成一中間層於該熱絕緣層上；形成一表面層 於該中間層上；以及在該表面層之一表面上形成一用以模 製一光學元件的模具表面。 -5- 1310725 就本發明的光學元件成形模具而言，一光學元件係模 製於一構成基材之模具基準水平面的上方部位而爲表面處 理層之表面的模具表面上。該表面層係覆蓋住該中間層， 而該中間層則是設置在該熱絕緣層上，且該熱絕緣層係以 噴塗法加以設置在基材的模具基準水平面上。因此，該表 面層可以透過該中間層而牢固地黏附至該熱絕緣層上。也 就是說，即使是重覆地加熱及冷卻，該表面層及該熱絕緣 層的畸變可由該中間層加以減輕。因此，該表面層具有極 佳的黏附效果。在該表面層的表面中，該基材上的模具基 準水平面的上方部位是做爲模具表面。因此，可以實現高 成型移轉精度。 本發明的這些及其他的目的及優點可以自下面的詳細 說明’並配合所附圖式，而更充份地瞭解。 【實施方式】 下文將配合所附圖式來詳細說明本發明的較佳實施例 。這些較佳實施例係將本發明應用於一種用來形成光學透 鏡、繞射光學元件及類似者的光學元件成形模具。 如第1圖中所示，本發明之光學元件成形模具1〇包 含有一基材1 1、一結合層1 2、一熱絕緣層1 3、一中間層 14、以及一表面處理層15，其等係依此順序自底部層疊起 來的。在第1圖中，該母材11的上方表面是對應於用來 形成層於其上的基準水平面，且其頂端係呈負偏移。基材 1 1具有一溝槽1 1 a，係供在維修及檢測時抓持之。基材j i -6- 1310725 的上方表面上形成爲模製物件的粗型樣。結合層1 2係塗 佈來增加基材U與熱絕緣層1 3的黏附效果。至於基材1 1 及結合層1 2，任何習用技術所使用者均可應用在本實施例 中。 熱絕緣層1 3係由熱絕緣性極佳的陶瓷材料製成的。 陶瓷材料係用來防止在以射出成型製作光學元件或類似者 之時，樹脂材料的熱被基材11吸走而使樹脂快速冷卻的 _ 情形。熱絕緣層1 3係以機器加工製作成所需的型式，因 此熱絕緣層13不會因爲成型作業而產生厚度上的變化。 因此，由於所形成的熱絕緣層13在其周緣不會捲起，而 其周邊即爲其邊緣，因此可以改善周緣的成型移轉精度。 再者’位在熱絕緣層1 3上面的中間層1 4可以是薄的。 中間層1 4是設置來增加熱絕緣層丨3與表面處理層i 5 間的黏附效果。雖然熱絕緣層1 3是由陶瓷材料所製成的 ’但表面處理層15是由金屬材料製作的。因此，中間層 φ 1 4最好是由與該二種材料均有親合性的材料製作。所以， 做爲合適於該中間層14的材料，舉例而言，可以使用金 屬材料、含有金屬及陶瓷的金屬瓷、梯度材料（Gradient Material)。藉由此材料之使用，熱絕緣層13與中間層 1 4的黏附效果’以及中間層1 *與表面處理層1 5的黏附效 果可變得更強固。也就是說，中間層1 4可以有助於增加 熱絕緣層1 3與表面處理層丨5間的黏附效果。至於金屬瓷 ’熱絕緣層13的材料可以適合用來做其基底材。至於梯 度材料’其成份比最好是自在層疊厚度方向上較靠近於熱 -7- 1310725 絕緣層13的一側變化至較靠近於表面處理層15之一側。 也就是說，在由梯度材料製成的中間層14中，在較靠近 於熱絕緣層1 3之一側會富含熱絕緣層1 3的基底材，而較 靠近於表面處理層15之一側則會富含表面處理層15的基 底材。 中間層14不僅覆蓋熱絕緣層13的上方表面，也覆蓋 其在第1圖中的前側、後側、左側及右側等表面。因此， 在中間層14形成後，熱絕緣層13將不再會暴露於外界。 再者，中間層1 4的一邊緣部位1 4 a會與基材1 1直接接觸 到。也就是說，在形成中間層1 4時，基材1 1的偏移部位 會被塡滿。由於熱絕緣層13係形成有所需的型樣，因此 中間層1 4可形成爲儘可能地薄，只要能維持所需的型樣 。因此，可以省略中間層14的外部處理作業。因此，中 間層14可以形成爲厚度不超過200 μιη。中間層14是相當 的薄，因此可以增進對於熱絕緣層13及表面處理層15的 黏附效果。再者，由於不需要做中間層1 4的外部處理作 業，表面處理層1 5可以在中間層14形成後，層疊於其上 〇 在表面處理層15在第1圖中的上方表面上要進行切 割工作，以在其上形成一模具表面。此表面處理層15最 好是由金屬材製成。特別是，最好使用諸如鎳或類似者之 類的非鐵金屬，但是氮化金屬、碳化金屬、或碳氮化金屬 也可接受。表面處理層15整個包覆住中間層14。再者， 表面處理層15的一邊緣部位15c會與基材11直接接觸到 -8- 1310725 ’而該邊緣部位15c有一部份會進入溝槽lla內。該基材 11與該15二者均係由金屬材料製成的。因此，他們可以 完好地互相黏附在一起，而即使是施加熱滯後現象於其上 亦不會互相分離開。 接下來將配合第2圖來說明各層的材料及製造方法。 雖然第2圖中依根據層之層疊次序加以表列，但是在此則 是依據製造程序由最後之次序加以說明。首先，基材11 | 係由一般用來製作模具的不銹鋼或類似者加以製作。就此 基材而言’能滿足於23W/m-K之導熱度及ιιχι〇-6/κ的線 性膨脹率者在此均可選用。至於結合層12，則是選用 NiCr合金’並以電漿噴塗於基材11上而形成一層約 0.1mm的厚度。至於本案中所形成的結合層12，導熱度爲 20W/m-K，而線性膨脹率爲15χ1(Γ6/Κ。 就熱絕緣層1 3而言’其材料係以導熱度低而線性膨 脹率接近於基材11者爲合適。另外，在噴塗後具有較少 φ 針孔的材料則是更爲合適。至於熱絕緣層1 3的主要材料 ，氧化锆、氧化鋁、氧化鈦、氧化鉻，或是類似者，均可 使用。在此是選用Zr02>24Mg0。此材料做爲噴塗層，在 低孔隙率及高緻密性上是極佳的。其線性膨脹率係接近於 基材Π者。再者，此材料顯現出對於熱震具有高阻力。 對於熱絕緣層1 3，其係選用滿足於導熱度爲1至1 . 5 W/m -K而線性膨脹率爲1 〇至1 1 X 1 〇_6/K者。由於此材料的熔化 溫度高，因此熱絕緣層1 3係以能產生高溫電漿狀態的電 漿噴塗法加以形成的。本案中所形成的熱絕緣層1 3的厚 -9- 1310725 度約爲0.9mm。再者，在噴塗後之熱絕緣層13上要施用 機械加工’以形成所需模製物件之型樣。 至於中間層1 4的材料，NiAl合金是在此所選用的。 此材料中’導熱度是高於20 W/m-K，而線性膨脹率是約爲 1 3χ 1 (Γ6/Κ。本案中係藉由將材料以高速火焰噴塗（HVOF 噴塗）法加以噴塗爲約0.02mm厚而形成該中間層14。雖 然電漿噴塗亦可應用於此，但HVOF噴塗更合用。這是因 _ 爲在噴塗後之中間層14的表面是粗糙的情形下，此可爲 瑕疵產生的原因，表面處理層15有可能會產生針孔。根 據HVOF噴塗法，在中間層14之材料中的金屬顆粒撞擊 熱絕緣層1 3時，一部份的動能會轉換成熱能。透過熔化 及撞擊的動能力量，其可形成一細密的層疊膜。因此，表 面處理層1 5將不易於產生針孔。 至於表面處理層15，在此係選用無極Ni-P電鍍層。 由於中間層1 4會完整地覆蓋住熱絕緣層1 3，因此無極電 Φ 鍍可作用在中間層1 4及基材1 1上，但不會作用至熱絕緣 層13內的任何地方上。前二層係由導電材料製成，而熱 絕緣層1 3則是由陶瓷材料製成。因此，在相同的預鍍加 工條件下，其可以對這些層加以電鍍，且電鍍品質可因之 而提升。再者，電鍍之黏附效果會較好。對於表面處理層 15而言，在此係選用能滿足於導熱度爲4.0至7.2W/m-K ，而線性膨脹率爲U至12x1 (Γ6/Κ的材料。 在此較佳實施例中’各層形成之後的表面粗糙度是顯 示在第3圖中。應注意到’第3圖中所顯示的熱絕緣層13 -10- 1310725 的表面粗糙度是在施用硏磨作業之後取得的。如第3圖中 所示，相對於表面處理層1 5之中心線的粗縫度平均値（ Ra )是1 5 μηι，此係較佳的結果。 表面處理作業係依要製造之光學元件而定’來加以施 用至如此形成的表面處理層15上’以因之而製作完成光 學元件成形模具。例如說’如第4圖中所示’具有V形溝 槽型樣的表面處理層15Α，可透過以鑽石刀具進行切割作 g 業而形成。第4圖中以陰影標示的部位係相當於具有以 4μιη間距平行設置之V形溝槽的表面處理層15A。該等溝 槽的深度爲3μιη，而溝槽的基準角爲65度。也可以透過 蝕刻來形成所需的型樣。 接下來將檢視以如此形成的本實施例光學元件成形模 具1 〇所製造的光學元件的成型移轉精度。做爲檢測的標 的，其係使用表面處理層15Α具有如第4圖中所示之V 形溝槽型樣的模具。其係使用非晶聚烯類來做爲模製材料 φ ，而模製條件則是設定如下：模具溫度1 1 5°C ;樹脂溫度 250°C ;冷卻時間60秒；閉力量lOOMPa ;以及射出速度 200mm/seC。第 5圖顯示出一模製物件的剖面圖。利用 SEM (掃描式電子顯微鏡）觀察來進行測量，在該模製物 件的尖端處型樣的半徑R約0.15 μηι。此圖顯示出具有足 夠良好的成型移轉精度。第5圖顯示出的模具表面係向下 ，與第4圖相對應。另外，至於第6圖中所示之二位元型 式的表面處理層15Β，亦也證實具有良好的成型移轉精度 1310725 根據本發明人的實驗可以推得下列的事實。首先，其 發現到，當中間層14的厚度變薄時，成型移轉精度就會 變得更好。如所述，中間層1 4的厚度可以透過將熱絕緣 層13事先形成爲所需的型樣而製作成較薄。因此，最好 是該中間層14是形成爲薄而位在不會因爲噴塗之不均勻 而使熱絕緣層13部份暴露出的範圍內。例如說，在1〇μιη 與3 0 μιη之間的範圍是合適的。在中間層14的厚度爲 φ 2〇〇μιη或更厚的情形中，分離及變形的情形會在使用過程 中因膜應力之故而發生於該層內，此係不佳者。 接下來將討論其他的實施例。首先，做爲中間層14 的材料，可用金屬瓷來取代NiAl合金。在此情形中，中 間層14可以透過噴塗金屬瓷而形成。特別的是，在製造 會受到線性膨脹係數之差値顯著影響的大尺寸構件時，使 用金屬瓷是相當有效的。做爲所使用之金屬瓷，其最好是 以熱絕緣層1 3的材料爲基礎。例如說，可以使用諸如 φ Zr02_8Mg0,35NiCr、Zr02’8Y203_25NiCr 之類的氧化锆鎳 系統、諸如Α1203·30(Νί20Α1)之類的鋁鎳系統、或類似者 〇 另一種做爲NiAl的替代物，梯度材料可以應用在中 間層1 4上。最好中間層1 4的成份比在層疊方向上係自熱 絕緣層13的基底材變化至表面處理層15的基底材。就用 來形成該複合金屬瓷的方法而言，例如說，事先準備好數 種以不同混合比例混合的粉末，再一步接一步地供應不同 比例的混合粉末來形成在層疊方向上包括有不同成份比例 -12· 1310725 的層。另一種方式是以一個雙通道的粉末進料器來送 同的材料，並逐漸改變這二種材料的進料比例。例如 可以藉由將成份比例自富含Zr-Mg-氧化物者逐步變化 含NiAl-合金者而形成中間層14。 再者，表面處理層15可以藉由將金屬材料直接 至中間層1 4上來加以製作，而不用無極鎳電鍍法。 說，NiAl合金可以由HV OF噴塗法加以形成。以此方 | 熱絕緣層13至表面處理層15可以僅使用噴塗法加以 ’而無需使用電鍍製程。因此，熱絕緣層13、中間Λ 、及表面處理層15可以接續地由一台噴塗機加以形 在此方法中，最好是選用細密而不會在噴塗過程中造 孔的金屬材料。在表面處理層1 5是以噴塗法形成的 中，並不必要以中間層1 4來覆蓋住熱絕緣層1 3的側 面。再者’即使是不具有中間層14者也可以使用。 另一種方式是，以噴塗法來形成表面處理層15。 φ 噴塗法形成的情形中，表面處理層1 5不會產生針孔 噴塗的材料而言，下列者係可使用的··氮化物，TiN、 、A1N，或類似者；碳化物，Tic、SiC，或類似者 DLC (類鑽石碳）；或碳氮化物或類似者。在此情形 同樣也不需要以中間層1 4來覆蓋住熱絕緣層1 3的側 面。再者，即使是沒有中間層1 4者亦可使用。 在供大部份外側周邊並不要求成型移轉精度的產 使用的模具的情形中’其可以使用如第7圖中所示之 船底型基材2 1的光學元件成形模具2 0。在此種形狀 入不 說， 成富 噴塗 例如 式， 形成 f 14 成。 成針 情形 向表 在以 。就 CrN ，或 中， 向表 品所 具有 的基 -13- 1310725 材21中，基材2 1及熱絕緣層1 3的黏附效果得以改善。 再者，基材21與中間層1 4間之接觸面積沿著基材21之 周邊部位充份固著住的情形中’並無需一定要將基材2 1 的側向表面由中間層1 4加以覆蓋住。 如所述，本較佳實施例中的光學兀件成形模具10包 含有一具有模具基準水平面的基材11、設置於該基材u 之模具基準水平面上的熱絕緣層13、設置在該熱絕緣層 B 13上的中間層14、以及覆蓋住該中間層14的表面處理靥 15。再者，熱絕緣層13係一陶瓷層’表面處理層15是金 屬材料層，而中間層14是由金屬、金屬瓷、或梯度材料 所製成，因此可以增進熱絕緣層13與表面處理層15的黏 附效果。中間層14及表面處理層15的邊緣部位係直接與 基材U相接觸，因此這些層與基材11的黏附效果極佳。 中間層14的厚度是2 00 μιη或較薄，故能確保良好的成型 移轉精度。總結而言，其可以得到具有極佳黏附效果而能 Φ 得到高成型移轉精度之表面處理層15的光學元件成形模 具10。 前面所述的實施例僅係示範性的例子，絕非用以限制 本發明。因此，本發明亦可透過種方式來輕易地加以改良 或變化而不致於偏離於其基本原則。例如說，本文中所述 的各個層的材料及厚度均僅是範例而已，並非用以限制。 再者’例如說，本發明並不僅限於光學元件的模具而已， 其亦可應用至以樹脂射出成型製作之精密尺寸構件的模具 上0 -14- 1310725 就本發明而言，最好該熱絕緣層是一陶瓷層，胃 層是一金屬層’特別是適用於電鑛而展現闻抗餓性的非鐵 金屬層，該中間層是由金屬或金屬瓷或梯度材料所製成， 且此層的厚度不超過200μπι，而在該基材與該熱絕緣層帛 設置一結合層，以增強他們的黏附效果。再者，該表面層 可以利用諸如無極電鍍、金屬噴塗、濺鑛及類似者等製程 來加以製作。 就本發明而言，最好該中間層覆蓋住該熱絕緣層，且 其邊緣部位係與基材相接觸。最好該表面層也覆蓋住該中 間層，且其邊緣部位也與基材相接觸。再者，最好在形成 中間層之前’在噴塗後的熱絕緣層上進行一加工步驟，以 形成目標模製物件的型樣。 根據本發明，其提供一種設有一具有極佳黏附效果且 能實現高成型移轉精度之表面處理層的光學元件成形模具 【圖式簡單說明】 第1圖是一剖面圖，顯示出本實施例的光學元件成形 模具。 第2圖是一圖表，顯示出各層的細節資料。 第3圖是一圖表，顯示出各層的表面粗糙度。 第4圖是一剖面圖，顯示出表面處理層之一例。 第5圖是一剖面圖，顯示出由一光學元件成形模具模 製而成的光學元件之一例。 -15- 1310725 第6圖是表面處理層之另一例的剖面圖。 第7圖是光學元件成形模具之另一例的剖面圖。 【主要元件符號說明】 1 0 :光學元件成形模具 1 1 a :溝槽 1 1 :基材 1 2 :結合層 1 3 :熱絕緣層 1 4 :中間層 14a :邊緣部位 1 5 :表面處理層 1 5 A :表面處理層 1 5 B :表面處理層 1 5 c :邊緣部位 20 :光學元件成形模具 21 :船底型基材 -16-

Claims (1)

1310725 十、申請專利範圍 ι·〜種光學元件成形模具，包含有： 一基材； 一熱絕緣層，以噴塗方法形成而設置於該基材上； ~中間層，設置在該熱絕緣層上；以及 一表面層，其覆蓋住該中間層，且包含有一用來模製 一光學元件的模具表面。 2 ·根據申請專利範圍第1項所述之光學元件成形模具 ’其中該熱絕緣層係由陶瓷製成。 3·根據申請專利範圍第1項所述之光學元件成形模具 ’其中該表面層係由金屬製成。 4·根據申請專利範圍第3項所述之光學元件成形模具 ’其中該表面層係由非鐵金屬製成。 5 .根據申請專利範圍第1項所述之光學元件成形模具 ’其中該中間層係由金屬製成。 6. 根據申請專利範圍第1項所述之光學元件成形模具 ’其中該中間層係由金屬瓷製成。 7. 根據申請專利範圍第1項所述之光學元件成形模具 ，其中該中間層的組成成份係可變的，而使得在相對於疊 層厚度方向上較靠近於該熱絕緣層處具有較富含一與該熱 絕緣層共有的成份，而在較靠近於該表面層處較富含一與 該表面層共有的成份。 8 ·根據申請專利範圍第1項所述之光學元件成形模具 ，其中該中間層的厚度不超過200μπι。 -17- 1310725 9 .根據申請專利範圍第1項所述之光學元件成形模具 ，其中該中間層覆蓋住該熱絕緣層，且該中間層有—邊緣 部位與該基材相接觸。 1 0.根據申請專利範圍第1項所述之光學元件成形模 具’其中該表面層覆蓋住該中間層’且該表面層有一邊緣 部位與該基材相接觸。 1 1.根據申請專利範圍第1項所述之光學元件成形模 g 具，進一步包含有一結合層設置在該基材與熱絕緣層之間 ，以增進該基材與該熱絕緣層的黏附效果。 12.—種光學元件成形模具的製造方法，包含有下列 步驟： 藉由噴塗方法形成一熱絕緣層於一基材上； 形成一中間層於該熱絕緣層上； 形成一表面層於該中間層上；以及 在該表面層之一表面上形成一用以模製一光學元件的 φ 模具表面。 1 3 ·根據申請專利範圍第1 2項所述之光學元件成形模 具的製造方法，進一步包含有在形成中間層之前，在噴塗 後將該熱絕緣層加以處理以於其上形成一目標模製物件之 型樣的步驟。 1 4 .根據申請專利範圍第1 2項所述之光學元件成形模 具的製造方法，其中該熱絕緣層係由陶瓷製成。 1 5 .根據申請專利範圍第1 4項所述之光學元件成形模 具的製造方法，其中該中間層係由金屬或金屬瓷所製成， -18- 1310725 而完整地覆蓋住該熱絕緣層。 1 6 .根據申請專利範圍第1 5項所述之光學元件成形模 具的製造方法，其中該中間層係以噴塗法製成。 1 7.根據申請專利範圍第1 5項所述之光學元件成形模 具的製造方法，其中該表面層係由金屬製成。 1 8 .根據申請專利範圍第1 7項所述之光學元件成形模 具的製造方法，其中該表面層係由電鍍法製成。 19.根據申請專利範圍第12項所述之光學元件成形模 具的製造方法，其中該表面層係由噴塗法製成。 20 .根據申請專利範圍第1 2項所述之光學元件成形模 具的製造方法，其中該中間層的厚度不超過200 μιη。

-19- 1310725 指表 :案代 圖本本 表'' 代 \ 定一二 指 c' XIV ' 七

為代 圖件 表元 明 圖說 )單 1簡 C號 符 Λ 1 0 :光學元件成形模具 11a ‘·溝槽 11: 基材 12 ： 結合層 13: 熱絕緣層 14 ： 中間層 14a :邊緣部位 15: 表面處理層 15c :邊緣部位 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 式：