WO2011040181A1

WO2011040181A1 - 成形型及び成形型の製造方法

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Publication number: WO2011040181A1
Application number: PCT/JP2010/065112
Authority: WO
Inventors: 健史大城谷
Original assignee: コニカミノルタオプト株式会社
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2011-04-07

Abstract

　光学素子を成形するための成形型１００であって、母材１と、母材１の表面に溶射により形成された断熱層２と、断熱層２の表面に形成されてＮｉ及びＰを含有し、所望の表面粗さに仕上げ加工された第１メッキ層３と、第１メッキ層３の表面に形成されてＮｉ、Ｐ及びＣｕを含有し、光学素子の光学面形状に対応した微細加工が施された成形面４ａを有する第２メッキ層４と、を備える。

Description

成形型及び成形型の製造方法

　本発明は、光学素子成形用の成形型及び成形型の製造方法に関する。

　従来より、光学素子を成形する成形型として、ミクロンオーダー以下の精度の形状転写が求められている。このような成形型は、金属母材の表面にジルコニアなどの低熱伝導率の材料を溶射して断熱層を積層し、この断熱層上に無電解メッキなどで表面加工層を形成し、その後、表面加工層を切削加工して光学素子の表面形状を転写する面を形成している（例えば、特許文献１参照）。ここで、切削加工前の初期の表面加工層の厚みを２００μｍ程度と厚く付与するので、表面加工層の下にある断熱層の表面粗さが粗い場合でも、表面加工層の削り取る加工量を多くすることで所望の表面形状に仕上げることができる。

　しかしながら、光学素子として求められる製品特性に対応するため、近年、レンズが小型化し、曲率が大きい形状となることもあり、その中で例えば、輪帯状の回折パターンで深さ３μｍ以上、ピッチ５μｍ以下の微細形状の加工となると、使用する加工バイトがＲバイトからより鋭角なＲ３μｍ以下の剣先バイトが必要な場合がある。

　このような加工に対応していくためには、特許文献１において表面加工層の形状切削性が高いことが求められる。切削性の高いメッキとしては、例えば特許文献２に記載されたものが挙げられる。

　しかしながら、特許文献２に記載のメッキは切削性が高いが、内部応力が大きいので、溶射断熱層の上にこのようなメッキを施した場合、その内部応力の影響でクラックが発生してしまうという問題がある。また、切削性の高いメッキは内部応力が高いため、１００μｍ以上の厚みを得づらい特性があり、切削加工前の初期のメッキ層の厚みを厚くすることができないという問題もある。

　一方、ＺｒＯ_２の基材上に切削性の高くない第１メッキ層を設け、第１メッキ層上に切削性の高い第２メッキ層を設けた２層構造とした技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２－０９６３３５号公報特開２００１－３５５０７７号公報特開２００８－２２９８８５号公報

　しかしながら、特許文献３の技術は、ＺｒＯ_２の基材上に第１メッキ層及び第２メッキ層を順次設けており、溶射断熱層上にメッキ層を設ける点については何等記載されていない。

　溶射断熱層の上にメッキ層を設ける場合、例えば、図２（ａ）の母材１０１上に、溶射断熱層１０２を形成した後（図２（ｂ）参照）、溶射断熱層１０２上に第１のメッキ層１０３を設け（図２（ｃ）参照）、その後、第１のメッキ層１０３上に第２のメッキ層１０４を設ける（図２（ｄ）参照）。しかし、溶射断熱層１０２は表面粗さが粗いため、そのまま２層にメッキを重ねた場合、第１のメッキ層１０３及び第２のメッキ層１０４が下地である溶射断熱層１０２の形状を維持したまま積層されるため、第２のメッキ層１０４の表面状態が粗くなり、微細な成形面とすることができないという問題がある。

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、光学素子の光学面形状に対応した微細な成形面を有する成形型及び微細な成形面に加工可能な成形型の製造方法を提供することを目的としている。

　本発明の一態様によれば、光学素子を成形するための成形型であって、
　母材と、
　前記母材の表面に溶射により形成された断熱層と、
　前記断熱層の表面に形成されてＮｉ及びＰを含有し、所望の表面粗さに加工された第１メッキ層と、
　前記第１メッキ層の表面に形成されてＮｉ、Ｐ及びＣｕを含有し、前記光学素子の光学面形状に対応した微細加工が施された成形面を有する第２メッキ層と、を備えることを特徴とする成形型が提供される。

　本発明の他の態様によれば、微細加工を施した光学面を有する光学素子を成形するための成形型の製造方法であって、
　母材の表面に溶射による断熱層を形成する断熱層形成工程と、
　前記断熱層の表面にＮｉ及びＰを含有する第１メッキ層を形成する第１メッキ層形成工程と、
　前記第１メッキ層を所望の表面粗さに加工を行う仕上げ加工工程と、
　前記第１メッキ層の表面にＮｉ、Ｐ及びＣｕを含有する第２メッキ層を形成する第２メッキ層形成工程と、
　前記第２メッキ層に微細加工を施して光学面を形成する微細加工工程と、を備えることを特徴とする成形型の製造方法が提供される。

　本発明によれば、母材と、母材の表面に溶射により形成された断熱層と、断熱層の表面に形成されてＮｉ及びＰを含有し、表面仕上げ加工が施された第１メッキ層と、第１メッキ層の表面に形成されてＮｉ、Ｐ及びＣｕを含有し、微細加工が施されて光学素子の光学面を有する第２メッキ層と、を備えているので、切削性が高く、微細な成形面を有する第２メッキ層を備えた成形型とすることができる。

　また、溶射による断熱層を有することから、気孔率が高く、断熱効果の高い成形型とすることができる。

本発明の成形型の製造方法を説明するための工程図である。従来例の成形型の製造方法を説明するための工程図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。

　図１は、成形型の製造方法を説明するための工程図である。

　図１（ｆ）に示すように、成形型１００は、光学素子を成形するためのもので、母材１と、母材１の表面に形成された断熱層２と、断熱層２の表面に形成された第１メッキ層３と、第１メッキ層３の表面に形成された第２メッキ層４と、を備える。

　母材１は、ステンレス鋼や炭素鋼等の鋼材からなり、その表面に下向きに凸となる円形状の凹部１ａが形成されている。この凹部１ａを形成する表面に断熱層２が形成されている。

　断熱層２は、セラミック系材料であるジルコニアを溶射して、凹部１ａの表面に一体に形成されている。なお、断熱層２の材料として、ジルコニアに限定されるものではなく、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ほか、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しても良い。その材料の選定に際しては、その材料の熱膨張係数が母材１や第１メッキ層３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。このような断熱層２の表面には、第１メッキ層３が形成されている。

　第１メッキ層３は、Ｎｉ及びＰを含有している。Ｎｉの含有率は８５質量％以上である。第１メッキ層３の断熱層２に付与する際の厚みは、１００μｍ以上であることが好ましい。また、第１メッキ層３は、その表面を仕上げ加工して、表面粗さＲａを１μｍ以下とすることが好ましく、より好ましくは０．５μｍ以下である（表面粗さＲａの測定はＪＩＳ　Ｂ　０６０１－２００１の規定に基づき、表面粗さ計を用いて行い、基準長さ０．８ｍｍ、カットオフ０．８ｍｍの条件にて行い、得られた曲線データより算術平均粗さ（中心線平均粗さ）Ｒａの数値を得る）。また、仕上げ加工を施した際の第１メッキ層３の厚みは、５～５０μｍであることが好ましい。このような第１メッキ層３の表面には、第２メッキ層４が形成されている。

　第２メッキ層４は、Ｃｕ、Ｎｉ及びＰを含有しており、第１メッキ層３とは物性が異なっている。第２メッキ層４の表面は、光学素子の光学面形状に対応した微細加工が施された成形面４ａとなっている。第２メッキ層４の微細加工が施された後の厚みは、１０～９０μｍであることが好ましい。

　なお、断熱層２と第１メッキ層３との間には、断熱層２と第１メッキ層３との間の密着性を高めるために、下引き層（図示しない）が設けられていることが好ましい。下引き層は特開２００８－２４６６９９号公報にも記載の断熱層２の材料と第１メッキ層３の材料との間でそれぞれ高い親和力を持つＮｉ－ＡＬ合金などの材料で構成するものとする。

　さらに、第１メッキ層３と第２メッキ層４との間にも、第１メッキ層３と第２メッキ層との間の密着性を高めるために、下引き層（図示しない）を設けても良い。

　次に、成形型１００の製造方法について説明する。

　図１（ａ）の母材１の凹部１ａを形成する表面に、周知の溶射によって断熱層２を形成する（図１（ｂ）参照）。

　次いで、図１（ｃ）に示すように、断熱層２の表面に第１メッキ層３を厚みが１００μｍ以上となるように形成する。第１メッキ層３の形成後、第１メッキ層３の表面を、表面粗さＲａが１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下で、厚みが５～５０μｍとなるように切削し仕上げ加工を行う（図１（ｄ）参照）。

　次いで、図１（ｅ）に示すように、第１メッキ層３の表面に第２メッキ層４を形成する。さらに、図１（ｆ）に示すように、第２メッキ層４の表面を、成形する光学素子の光学面形状に対応した微細な成形面４ａとなるように、例えば輪帯状の回折パターン等を施す。回折パターンは、第２メッキ層４を切削加工することにより形成する。なお、切削加工後に熱処理することが好ましい。熱処理することで、第２メッキ層４の加工面の硬度を増加させることができ、これによって成形型１００の耐久性をより向上させることができる。また、この熱処理によって母材１、第１メッキ層３及び第２メッキ層４の間で金属原子の移動が起こり、付着性が向上する。熱処理の温度としては、好ましくは３００度以下である。これは、非晶質の第２メッキ層４において結晶化が進行し、加工面の初期の表面粗さが劣化したり、特に大きな体積を有する成形型１００において第２メッキ層４の引っ張り応力が非常に大きくなって第２メッキ層４にクラックが発生することを抑制できるため好ましい。

　なお、第１メッキ層３及び第２メッキ層４は、周知の無電解メッキ法により形成することが好ましい。これにより、略均一な厚みの非晶質な第１メッキ層３及び第２メッキ層４を形成することができる。

　また、断熱層２と第１メッキ層３との間に、例えば無電解メッキ法により下引き層（図示しない）を設けても良い。

　次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

　１．試料の作製
　（試料１）：実施例
　ステンレス鋼の金型母材の上に溶射にて積層されたＺｒＯ_２を含有する断熱層の表面にＮｉの含有率が８５質量％以上となるＮｉ及びＰを含有する第１メッキ層を付与する。積層の影響により表面粗さＲａが３μｍ以上となることがあるため、１００μｍの厚みで付与し、加工量が５０μｍで表面粗さＲａが１μｍ以下となるようにダイヤモンド工具でのフライカット法による精密加工を行い、仕上げ加工を施した。

　次いで、第１メッキ層の表面に、Ｐの含有率が７質量％、Ｃｕの含有率が２６質量％、残りの主成分がＮｉであるＮｉ、Ｐ及びＣｕを含有する第２メッキ層を形成した。第２メッキ層の厚みは１００μｍではクラックが発生する恐れがあるため、８０μｍとした。その結果、第２メッキ層の表面粗さＲａを０．５μｍとすることができた。

　（試料２）：比較例１
　ステンレス鋼の金型母材の上に溶射にて積層されたＺｒＯ_２を含有する断熱層の表面にＮｉの含有率が８５質量％以上となるＮｉ及びＰを含有するメッキ層より切削性に優れるＰの含有率が７質量％、Ｃｕの含有率が２６質量％、残りの主成分がＮｉであるＮｉ、Ｐ及びＣｕを含有する切削にメッキ層を直接８０μｍで形成を積層させたところ、表面にクラック発生してしまい、加工面に適さない面となり、表面粗さＲａも３μｍ以上となった。

　（試料３）：比較例２
　試料１と同様にステンレス鋼の金型母材の上に溶射にて積層されたＺｒＯ_２を含有する断熱層の表面にＮｉの含有率が８５質量％以上となるＮｉ及びＰを含有する第１メッキ層１００μｍの厚みで付与する。その後、第１メッキ層の表面に、Ｐの含有率が７質量％、Ｃｕの含有率が２６質量％、残りの主成分がＮｉであるＮｉ、Ｐ及びＣｕを含有する第２メッキ層を８０μｍで形成した。その結果、図２に示す様に成形面に表面に凹凸の残り、表面粗さＲａ３μｍの微細光学加工面に適さない面となってしまった。

　上記結果を下記表１に示す。

　上記結果より、試料１のように断熱層の表面に第１メッキ層を形成し、第１メッキ層の表面仕上げ加工を施した後、第２メッキ層を形成することによって、切削性が高く、微細な成形面を形成することができる。

　１　母材
　２　断熱層
　３　第１メッキ層
　４　第２メッキ層
　４ａ　成形面
　１００　成形型

Claims

　光学素子を成形するための成形型であって、
　母材と、
　前記母材の表面に溶射により形成された断熱層と、
　前記断熱層の表面に形成されてＮｉ及びＰを含有し、所望の表面粗さに加工された第１メッキ層と、
　前記第１メッキ層の表面に形成されてＮｉ、Ｐ及びＣｕを含有し、前記光学素子の光学面形状に対応した微細加工が施された成形面を有する第２メッキ層と、を備えることを特徴とする成形型。
　前記第１メッキ層のＮｉの含有率が８５質量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
　前記第１メッキ層の仕上げ加工後の表面粗さＲａが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形型。
　前記第１メッキ層の仕上げ加工後の厚みが５～５０μｍであることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の成形型。
　前記第２メッキ層の微細加工後の厚みが１０～９０μｍであることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の成形型。
　前記断熱層と前記第１メッキ層との間に、下引き層が設けられていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の成形型。
　光学素子を成形するための成形型の製造方法であって、
　母材の表面に溶射による断熱層を形成する断熱層形成工程と、
　前記断熱層の表面にＮｉ及びＰを含有する第１メッキ層を形成する第１メッキ層形成工程と、
　前記第１メッキ層を所望の表面粗さに加工を行う仕上げ加工工程と、
　前記第１メッキ層の表面にＮｉ、Ｐ及びＣｕを含有する第２メッキ層を形成する第２メッキ層形成工程と、
　前記第２メッキ層に、微細加工を施して前記光学素子の光学面形状に対応した成形面を形成する微細加工工程と、を備えることを特徴とする成形型の製造方法。
　前記第１メッキ層のＮｉの含有率を８５質量％以上とすることを特徴とする請求項７に記載の成形型の製造方法。
　前記仕上げ加工工程では、前記第１メッキ層の表面粗さＲａを１μｍ以下とすることを特徴とする請求項７又は８に記載の成形型の製造方法。
　前記第１メッキ層形成工程では、前記第１メッキ層を１００μｍ以上の厚みとし、
　前記仕上げ加工工程では、仕上げ加工後の前記第１メッキ層を５～５０μｍの厚みとすることを特徴とする請求項７～９のいずれか一項に記載の成形型の製造方法。
　前記微細加工工程では、微細加工後の前記第２メッキ層を１０～９０μｍｎの厚みとすることを特徴とする請求項７～１０のいずれか一項に記載の成形型の製造方法。
　前記断熱層形成工程後、前記第１メッキ層形成工程前に、前記断熱層の上に下引き層を形成する下引き層形成工程を備えることを特徴とする請求項７～１１のいずれか一項に記載の成形型の製造方法。