TWI382920B - Method for manufacturing mold for optical element forming - Google Patents

Description

光學元件成形用模具的製造方法

本發明為：利用樹脂之射出成形來製造所謂光學透鏡或繞射光柵的光學元件等之光學元件成形用模具的製造方法。更詳細地說，是用來成形要求微米級(micro－order)以下精度之光學元件的光學元件成形用模具的製造方法。

傳統上，利用合成樹脂的射出成形之光學元件的成形，是採用由鋼之類的金屬材料所製成的模具。近年來，由於光學製品的微細化、精密化，連帶地使得光學元件等也要求微米級以下的高精度，而傳統的模具是很難達成上述的高精度轉印性。因此，在專利文獻1中揭示一種：在不鏽鋼製的模芯模具表面形成隔熱層與表面加工層的光學元件成形用模具，來作為用來成形上述高精度光學元件的模具。

根據該文獻所記載的光學元件成形用模具，是將陶瓷系材料熔射於模芯模具的表面而使隔熱層一體形成於模具母材，並在該隔熱層上對非鐵金屬材料執行無電解電鍍而形成表面加工層。藉由上述的方式，可以在表面加工層加工精度極高的模具形狀，而獲得形狀誤差極小的成形品。

[專利文獻1]日本特開2002－96335號公報

話雖如此，但在前述的傳統光學元件成形用模具中，由於為了光學元件的成形而反覆地升溫．降溫，而使各層間恐有產生剝離之虞。特別是在陶瓷系材料的隔熱層與非鐵金屬材料的表面加工層之間，很容易因其熱膨張率的差異而產生剝離。即使只有部分性的剝離，也有可能成為表面加工層之細微偏斜或潛變的原因，而恐有招致成形品的形狀精度下降之虞。

此外，經選擇而作為隔熱層的材料，也要求各種的性質。在考慮了安定性和隔熱性、低成本性、生產性等後，有時不得不選擇硬度或細緻度不夠充分的材料。而使用上述材料的隔熱層，由於在成形時承受了來自於樹脂的壓力和熱，在經連續成形後恐有產生形狀變化之虞。一旦隔熱層產生形狀變化，將成為成形品之形狀精度下降的原因。

本發明正是為了解決上述傳統光學元件成形用模具的製造方法所既有之問題點而研發的發明。也就是說將上述的問題點作為課題，本發明的目的是提供一種：可防止隔熱層於連續成形中的形狀變化，而獲得高精度之轉印性的光學元件成形用模具的製造方法。

以解決上述問題作為目的所研發的本發明的光學元件成形用模具的製造方法，是製造具有：母材，該母材具有成形基面；及披覆層，該披覆層是設於母材的成形基面上，且披覆層的表面中，母材之成形基面上方的部分為成形面的光學元件成形用模具的方法，其特徵為具有：披覆步驟，該披覆步驟是在母材的成形基面上形成披覆層；和加壓步驟，該加壓步驟是對披覆層的表面加壓；及精密加工步驟，該精密加工步驟在加壓步驟後，對披覆層的表面實施精密加工來作為成形面。

根據本發明之光學元件成形用模具的製造方法，是在披覆步驟中於母材的成形基面上形成披覆層，並在加壓步驟中對披覆層的表面加壓。接著在精密加工步驟中對加壓後的披覆層表面實施精密加工。因此，譬如在採用硬度或細緻度不充分的材料作為披覆層之一部分的場合中，可在加壓步驟中產生預先形狀變化。因為這個緣故，在精密加工步驟後不會產生大量的形狀變化。藉此，可形成：可防止隔熱層於連續成形中的形狀變化，而獲得高精度之轉印性的光學元件成形用模具的製造方法。再者，「設於母材之成形基面上的披覆層」並不會對披覆層為多層構造(黏合層、隔熱層、中間層、表面層等)的情形造成妨礙。此外，在上述場合中，「披覆層的表面」是指最上層的表面。

不僅如此，本發明中披覆層最好含有隔熱層，且該隔熱層含有陶瓷。陶瓷具有優異的隔熱性，而被作為隔熱層而大量地使用。

此外在加壓步驟中，作用壓力最好是形成30~400MPa的範圍內。最好是形成：可適度地對隔熱層加壓而促使其變形，且不會對其他的層造成不良影響的壓力範圍。

此外，加壓步驟的作用時間最好是形成：總計為10分鐘以上。由於在短時間的激烈加壓恐將招致隔熱層產生不一致的變形，因此不受到期待。再者，作用時間的最大限度為40分鐘便足夠。

此外，加壓步驟中壓力作用時的溫度最好是形成：20~400℃的範圍內。最好是形成：不會對隔熱層作用過大的熱負荷，且能適度地變形的溫度範圍。

不僅如此，本發明的加壓步驟中，最好是執行：使該模具與對應模具構件合模，並將熔融成形材料加壓注入成形空間的模擬成形。根據模擬成形，光學元件成形用模具可以執行與實際成形處理時幾乎相同的加壓。

此外本發明的加壓步驟中，作用壓力最好是形成：一般成形時之作用壓力以上的壓力。其中最好是形成：較一般成形時之作用壓力更高25MPa以上的壓力。如此一來，可以確實地促使隔熱層變形。

此外，射出次數最好為1000次以上。只要執行1000次射出以上的成形處理，隔熱層的變形幾乎結束。

此外，每1次射出的作用時間最好是形成：與一般成形時之每1次射出的作用時間相等或更高。根據上述的方式，熔融成形材將形成固化，並在無法加壓之前充分地對模芯加壓。

不僅如此，本發明的加壓步驟中，射出次數最好為2000次以上。只要執行2000次射出以上的成形處理，便可使隔熱層的變形確實地結束。

此外在本發明中，加壓步驟亦可將該模具載置於加壓容器內而對加壓容器內進行加壓。即使如上述的方式，也能適當地加壓。

此外在本發明中，加壓步驟最好是：在以覆蓋構件覆蓋該模具中作為成形面的那個面以外的部分的狀態下執行加壓。根據上述的方式，由僅對成形面加壓，因此不會對其他的部分造成影響。

根據本發明之光學元件成形用模具的製造方法，可防止隔熱層於連續成形中的形狀變化，而獲得高精度的轉印性。

以下，針對本發明已具體化的最佳形態，參考附圖進行詳細的說明。本形態，是採用本發明來作為製造光學透鏡或繞射光學元件等之光學元件成形用模具的實施形態。

本形態的光學元件成形用模具10，如第1圖所示，母材11、黏合層12、隔熱層13、中間層14、表面加工層15是從圖面中的下方依序形成積層。母材11是形成：圖面中的上面為成形基面，且先端部是朝圖面中的下方偏移。此外，還形成有保養檢查時等的握持用溝11a。成形品的大部形狀是由該母材11所形成。在本形態中，設置於母材11於圖面中上方的黏合層12、隔熱層13、中間層14、表面加工層15為被膜層，而作為其最上面之表面加工層15的表面則相當於被膜層的表面。此外，表面加工層15於圖面中的上表面為成形面。

黏合層12，是為了提高母材11與隔熱材13間之密著性而施以底塗層(undercoat)處理的部分。隔熱層13是由陶瓷系材料所形成。該部分可於光學元件等的射出成形時，防止樹脂材料的熱朝母材11逃竄而形成急速冷却。藉由利用機械加工將該隔熱層13加工成所需的形狀，使隔熱層13的厚度不會形成參差不齊。如此一來，由於到周圍為止可形成不存在下垂現象的邊緣，故可提高周圍的成形轉印性。此外，可使次層的中間層14變薄。

中間層14，是用來提高隔熱層13與表面加工層15間之密著性的部分。隔熱層13為陶瓷系的材料，由於表面加工層15是採用金屬系的材料，因此中間層14最好是與上述兩者的其中任一個均具有良好配合性的材料。表面加工層15，是對本案第1圖中的上表面實施切削加工，而形成成形面。該表面加工層15最好為金屬系的材料。其中又以鎳之類的非鐵金屬系最佳。

如上述所構成的光學元件成形用模具10，可得知將因為連續成形而產生若干的變形。在本案發明團隊的實驗中，發現連續成形的射出次數與模具的變化量之間具有如第2圖所示的關係。亦即，在成形開始的初期階段中變化量急劇地增大，一旦達到一定程度的變形量後，則變得不容易變形。特別的是，在實驗中所採用的工件，是在從成形開始至約2000次射出的範圍間產生大量的變形，在此之後到8000次射出的程度為止，則幾乎不產生變形。不僅如此，還可得知變形的部份主要是隔熱層13。

因此，在本形態中，是藉由依序執行以下(1)~(3)的步驟來製造光學元件成形用模具10。

(1)披覆步驟(2)加壓步驟(3)精密加工步驟

而本形態的光學元件成形用模具10是指被稱為模芯的部分，一般是被組裝入射出成形裝置的底模而形成精密的模窩。

首先，在(1)的披覆步驟中，是在形成成形基面的母材11，依照黏合層12、隔熱層13、中間層14、表面加工層15的順序來積層各層。各層的材料可採用與傳統上同樣的材料無妨。此外，也能視需要來省略上述各層中的任何一個，或者追加其他的層。在上述的狀態下，雖然尚未對表面加工層15的表面實施精密加工，但可預先完成模芯的整體形狀，並在該狀態下組裝入射出成形裝置的底模。

接著，在(2)的加壓步驟中，對在(1)的步驟中所披覆的披覆層表面(這裡是指表面加工層15的表面)加壓。但是，這裡所指的加壓可以僅朝略垂直於成形面的方向(這裡是指第1圖中向下的方向)。在本形態中，是採用符合以下條件的加壓條件來執行加壓。

作用壓力：30~400MPa

總計作用時間：10分~40分鐘

壓力作用時的溫度：20~400℃

藉由以符合上述條件的方式來執行加壓，可促使隔熱層13預先變形。藉由預先形成上述的變形，可以使成形階段中幾乎不會產生變形。

倘若作用壓力低於30MPa的話，隔熱層13不會形成充分的變形。此外，倘若作用壓力高於400MPa，恐有招致母材11變形的疑慮故不受期待。不僅如此，一旦總計作用時間短於10分鐘，隔熱層13將不會充分地變形。此外，即使總計作用時間高於40分鐘，由於隔熱層13的變形已經結束而不具意義。不僅如此，一旦壓力作用時的溫度低於20℃，將與模具的實際使用狀況脫節，因此不被期待。此外，一旦壓力作用時的溫度高於400℃，恐有因為熱衝撃而在光學元件成形用模具10的各層或上述各層的邊界產生龜裂、剝離等影響的疑慮，因此也不被期待。

接著，在(3)的精密加工步驟中，對加壓後的披覆層表面實施精密加工。也就是指，譬如藉由精密切削加工等，使表面加工層15的表面中成為成形面的那一個面(第1圖中的上表面)構成成形形狀。所謂的精密加工方法包含：同步裁剪(fly-cut)、成形機(sharping machine)、車削等的切削加工；ELID(Electrolytic In-process Dressing)研磨等的研磨加工；研光(lapping)加工等的研磨加工。藉由從上述的方法中選擇適當的加工方法來進行加工，可以精密地形成成形面。如此一來，便完成本形態的光學元件成形用模具10。

根據採用上述(1)~(3)的步驟所形成之本形態的光學元件成形用模具10，藉由預先引發使隔熱層13的初期形狀變化，可防止在後續的連續成形中的形狀變化。然而在上述的說明中，(1)的披覆步驟與(3)的精密加工步驟是與傳統相同的步驟。因此，針對本形態之特徵部分的(2)加壓步驟作更進一步的詳細説明。

針對符合上述條件的(2)加壓步驟之處理方法的範例進行說明。該(2)加壓步驟的具體性方法，最好是執行以下A)或者B)之2種處理中的任何一種。

A)模擬成形處理(請參考第3圖)B)加壓爐內保持處理(請參考第4圖、第5圖)

上述的兩種處理方法，均是針對已完成上述(1)披覆步驟之階段的模芯執行。也就是指：在已積層了各個層，且呈現能組裝入底模內的狀態前之經實施粗加工的模芯。但是在該時間點，其表面加工層15的精密加工尚未實施。以下，將該狀態的模芯稱為粗加工模芯21。

首先，針對(2)加壓步驟之處理方法的第1例，也就是指A)模擬成形處理進行說明。在執行該處理的場合中，如第3圖所示，是採用使各粗加工模芯21的成形面彼此相對的方式，分別組裝入射出成形裝置的固定側底模22及可動側底模23。換言之，組裝入固定側底模22之粗加工模芯21的成形面為圖中的左側面，而組裝入可動側底模23之粗加工模芯21的成形面為圖中的右側面。如此一來，可在上述的成形面之間，形成不具有精密形狀的模擬模窩。

在此之後，如第3圖所示，靠緊底模22、23(鎖模)並注入熔融樹脂，而執行與一般射出成形相同的步驟。如此一來，在所形成的模擬模窩內，由所注入的樹脂作用樹脂壓。如第3圖所示，由於粗加工模芯21除了其成形面以外的部份均被底模22、23所覆蓋，因此只有成形面受到熔融樹脂的作用而朝圖中的箭號方向加壓。

然而，雖然在每一個底模，最好是組裝入原本可分別組裝之呈粗加工狀態的模芯，但只要是可以組裝的模芯，並不一定要受限於原本的那一組模芯。此外，雖然在第3圖中，是顯示將相同的粗加工模芯21組裝入底模22、23，但通常是彼此不同的模芯。只要可以組裝的話，即使是相同的粗加工模芯21亦無妨。此外，雖然在該圖面中是顯示2組共4個粗加工模芯21，但亦可對應於底模22、23的種類，組裝更多或者更少的數量。

接下來，說明該A)模擬成形處理中的成形條件。該成形條件是符合(2)加壓步驟的加壓條件。亦即：樹脂壓：30~400MPa

每1次射出的作用時間×射出次數：10分~40小時(總計作用時間)樹脂溫度：可注入的下限溫度~400℃舉例來說，最好是形成以下的條件。樹脂壓：80~150MPa作用時間：8~20sec(每1次射出)成形射出次數：1000~2500次射出樹脂溫度：200~300℃

樹脂壓，為高於模擬成形處理中一般的成形條件以上。譬如，100MPa左右。或亦可增大。根據一般的成形條件，最好是增大譬如30MPa左右。接著，執行1000~2500次射出，譬如2000次射出程度的連續模擬成形。

除此之外，每1次射出時之壓力的作用時間，最好是與一般成形時之每1次射出的作用時間相等或者更長。射出成形裝置，一般將因為熔融成形材的固化所衍生之澆口的急速收縮，而無法長時間保持對成形面作用樹脂壓的狀態。但是，藉由加壓直到固化後為止的方式，可以利用所有「保持為加壓狀態」的時間。

此時所使用的樹脂材料，最好是與實際成形所使用的樹脂相同。但由於光學元件所使用的樹脂通常是價格較高的樹脂，因此只要是可獲得相同之成形條件的話，亦可採用類似的其他樹脂材料。此外，樹脂溫度，亦可採用一般成形時的溫度。

接著，列舉一個符合上述各條件之成形條件的範例。

樹脂材料：COP(環烯聚合物)模具溫度：120℃樹脂溫度：280℃樹脂壓：100MPa作用時間：17sec(每1次射出)成形射出次數：2000次射出

就樹脂材料而言，在該範例中是採用COP。而上述的模具溫度或樹脂溫度等僅是一種範例，可視樹脂的種類等而作適當的變更。

然而在以下的說明中，只是顯示根據該樹脂材料所執行之一般成形條件的其中一例。

樹脂材料：COP(環烯聚合物)模具溫度：120℃樹脂溫度：280℃樹脂壓：70MPa作用時間：15sec(每1次射出)

換言之，在本實施形態的範例中，僅變更一般成形條件中的樹脂壓與作用時間。

藉由變更成如以上所述的條件，當執行1000次射出以上的連續模擬成形時，將對粗加工模芯21的成形面形成符合(2)加壓步驟之加壓條件的加壓。因此，可以預先促使隔熱層13變形直到趨近於極限。此外，在根據該處理方法所執行的加壓步驟中，是與一般的成形時相同，是朝幾乎垂直於成形面的方向而加壓於粗加工模芯21。因此，使得隔熱層13朝成形方向被充分壓縮。如此一來，可獲得在後續的成形中幾乎不會變形的模芯。

接下來，針對(2)加壓步驟之處理方法的第2例，也就是指B)加壓爐內保持處理進行說明。在執行該處理的場合中，是使用加壓爐作為加壓容器。接著，如第4圖所示，將粗加工模芯21載置於加壓爐24中，並對加壓爐24加壓。如此一來，將如圖面中的箭號所示，從全體方向對粗加工模芯21加壓。所謂的加壓爐24，可以是水壓式、油壓式、空壓式等的任一種無妨。除此之外，也可以採用可執行爐內升溫的加壓爐24，而在加壓的同時執行加熱。

此外，該B)加壓爐內保持處理的加壓條件，譬如以下所記載。

加壓媒體溫度：25℃作用壓力：100MPa作用時間：30分

如此一來，可形成符合(2)加壓步驟之加壓條件的加壓。因此，可使隔熱層13預先形成充分的壓縮。

在該範例中，作用壓力可在30~400MPa的範圍內作適當的選擇。對應於上述處理的作用時間也能在10分鐘以上的範圍內適當地變更。一般來說，在作用壓力較大的場合中較短的作用時間即可。此外在該範例中，雖然加壓媒體溫度為25℃，但亦可在20~400℃的範圍內作選擇。再者，在執行上述B)加壓爐內保持處理的場合中，即使是僅積層各個層，但尚未實施可達成組裝入底模內狀態之粗加工的模芯也同樣適用。

除了上述的方法之外，B)加壓爐內保持處理也能如第5圖所示，利用覆蓋構件25來覆蓋粗加工模芯21之成形面以外的面，而保持於加壓爐24中。根據上述的方式，由於作用於成形面以外的壓力是披覆蓋構件25所承受，因此粗加工模芯21只有成形面受到加壓。倘若執行了上述的處理，便與1)模擬成形處理相同，僅朝略垂直於成形面的方向施以壓縮變形。因此，可有效地防止因後續的連續成形所導致的形狀變化。

如此一來，根據B)加壓爐內保持處理，也能對粗加工模芯21作用適當的壓力。因此，由於可以預先產生變形直到趨近於極限為止，故可獲得在後續的成形中幾乎不會變形的光學元件成形用模具10。此外，由於在該方法並未執行成形處理，因此不需要樹脂。

如上述的詳細說明，根據本形態的光學元件成形用模具，可對精密加工前的模芯執行加壓處理，而預先壓縮隔熱層13。在此之後，由於執行精密加工，即使經過連續成形也幾乎不會引發更大的形狀變化。因此，可防止隔熱層在連續成形中的形狀變化，而形成可獲得高精度轉印性的光學元件成形用模具。

然而，本形態僅是單純的範例而已，本發明並不侷限於上述的說明。因此，只要在不脫離本發明之要旨的範圍內，本發明當然能有各種的改良、變形。

舉例來說，亦可在(1)披覆步驟與(2)加壓步驟之間，執行用來對披覆層的表面實施粗加工的粗加工步驟。此外，圖面中所顯示之光學元件成形用模具10的形狀或各層的厚度等僅為一種範例，本發明同樣不受限於此。

10．．．光學元件成形用模具

11．．．母材

13．．．隔熱層

15．．．表面加工層

24．．．加壓爐

25．．．覆蓋構件

第1圖：為顯示本形態之光學元件成形用模具的構造的剖面圖。

第2圖：為顯示射出次數與模具的變化量間之關係的圖表。

第3圖：為顯示模擬成形處理的説明圖。

第4圖：為顯示加壓爐內保持處理的説明圖。

第5圖：為顯示加壓爐內保持處理的説明圖。

10．．．光學元件成形用模具

11．．．母材

11a．．．握持用溝

12．．．黏合層

13．．．隔熱層

14．．．中間層

15．．．表面加工層

Claims (7)

1. 一種光學元件成形用模具的製造方法，是製造具有：母材，該母材具有成形基面；及披覆層，該披覆層是設於前述母材的成形基面上，且含有包含陶瓷的隔熱層；而且前述披覆層的表面中，前述母材之成形基面上方的部分為成形面的光學元件成形用模具的方法，其特徵為：具有：披覆步驟，該披覆步驟是在前述母材的成形基面上形成前述披覆層；和加壓步驟，該加壓步驟是對前述披覆層的表面加壓；及精密加工步驟，該精密加工步驟是在前述加壓步驟後，對前述披覆層的表面實施精密加工來作為成形面。
2. 如申請專利範圍第1項所記載的光學元件成形用模具的製造方法，其中前述加壓步驟中，是將作用壓力設定在30~400MPa的範圍內，將作用時間設定為總計10分鐘以上，將壓力作用時的溫度設定在20~400℃的範圍內。
3. 如申請專利範圍第1項所記載的光學元件成形用模具的製造方法，其中在前述加壓步驟中執行：使該模具與對應模具構件合模，並將熔融成形材料加壓注入成形空間的模擬成形。
4. 如申請專利範圍第3項所記載的光學元件成形用模具的製造方法，其中前述披覆層包含：含有陶瓷的隔熱層，且在前述的加壓步驟中，是將作用壓力設成高於一般成形時以上的壓力，將射出次數設為1000次以上，將每1次射出的作用時間，設成與一般成形時之每1次射出的作用時間相同或者更長。
5. 如申請專利範圍第4項所記載的光學元件成形用模具的製造方法，其中在前述加壓步驟中，是將射出次數設成2000次以上。
6. 如申請專利範圍第1或第2項所記載的光學元件成形用模具的製造方法，其中在前述加壓步驟中，是將該模具載置於加壓容器內，並對加壓容器內加壓。
7. 如申請專利範圍第6項所記載的光學元件成形用模具的製造方法，其中在前述加壓步驟中，是在以覆蓋構件覆蓋該模具中作為成形面的那個面以外的部分的狀態下執行加壓。