專利名稱：光學(xué)元件成形模具及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件成形模具，該模具通過樹脂注射模制可制造諸如光學(xué)透鏡、衍射光柵等光學(xué)元件。更具體地講，本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件成形模具及其制造方法，用于形成其精度要求在微米量級(jí)的光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
常規(guī)情況下都使用諸如鋼等金屬材料制成的模具，通過合成樹脂注射模制形成光學(xué)元件。近年來，隨著光學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)越來越精密，對(duì)光學(xué)元件等的精度要求已經(jīng)達(dá)到了微米量級(jí)。然而，常規(guī)模具已很難實(shí)現(xiàn)如此高的形狀轉(zhuǎn)移精度。發(fā)行號(hào)為2002-96335的未經(jīng)審查的日本專利公布了形成高精度光學(xué)元件的常規(guī)技術(shù)。該發(fā)行刊物公布了一種光學(xué)元件成形模具，其中絕熱層和表面處理層形成于不銹鋼制成的芯的表面上。
關(guān)于上述發(fā)行刊物所提及的光學(xué)元件成形模具，通過在芯的表面上噴射陶瓷材料而在模具基體上形成一層絕熱層。通過非鐵金屬材料的無電敷鍍，在絕熱層上形成表面處理層。因此，可以按模具形狀高度精確地處理該表面處理層，并且可以獲得其尺寸誤差很小的模制件。
然而，在使用常規(guī)光學(xué)元件成形模具來形成光學(xué)元件的過程中會(huì)重復(fù)加熱和冷卻操作。結(jié)果，有可能引發(fā)層與層之間的分離。尤其是，在陶瓷材料制成的絕熱層和非鐵金屬材料制成的表面處理層之間，因它們的熱膨脹系數(shù)不同很有可能發(fā)生分離。即使只是部分分離，也有可能使該表面處理層有輕微的變形和偏差。因此，這種層的分離有可能使模制件的形成精度下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖解決常規(guī)光學(xué)元件成形模具中所包括的上述問題。因此，本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)元件成形模具以及該光學(xué)元件成形模具的制造方法，該模具所配備的表面處理層具有卓越的粘合性并能夠?qū)崿F(xiàn)很高的形狀轉(zhuǎn)移精度。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，提供了一種光學(xué)元件成形模具，該模具包括基體；通過噴射在基體上形成的絕熱層；置于絕熱層之上的中間層；以及表面層，該表面層覆蓋中間層并包括用于模制光學(xué)元件的模具面。
根據(jù)本發(fā)明，也提供了一種光學(xué)元件成形模具的制造方法，該方法包括如下步驟通過噴射在基體上形成絕熱層；在絕熱層上形成中間層；在中間層上形成表面層；以及在該表面層的表面上形成用于模制光學(xué)元件的模具面。
參照本發(fā)明的光學(xué)元件成形模具，在模具面上模制光學(xué)元件，在表面處理層的表面之外，該模具面是基體上模具基準(zhǔn)面的上部。該表面層覆蓋中間層，中間層置于絕熱層上，并且該絕熱層是通過噴射形成于基體上的模具基準(zhǔn)面之上的。因此，該表面層通過該中間層牢固地粘合到該絕熱層。即，即使反復(fù)加熱和冷卻，也可以由該中間層來減輕該表面層和絕熱層的變形。因此，該表面層具有卓越的粘合性。在該表面層的表面之外，基體上模具基準(zhǔn)面的上部就是該模具面。因此，可以實(shí)現(xiàn)很高的形狀轉(zhuǎn)移精度。


結(jié)合附圖，在下面的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的這些和其它目的及優(yōu)點(diǎn)將變得更為清楚，其中圖1是示出了本實(shí)施例所涉及的一種光學(xué)元件成形模具的橫截面圖；圖2是示出了各層的細(xì)節(jié)的圖；圖3是示出了各層的表面粗糙度的圖；圖4是示出了表面處理層的一個(gè)示例的橫截面圖；圖5是從光學(xué)元件成形模具中模制出來的光學(xué)元件的一個(gè)示例的橫截面圖；
圖6是表面處理層的另一個(gè)示例的橫截面圖；以及圖7是光學(xué)元件成形模具的另一個(gè)示例的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的較佳實(shí)施例。這些較佳實(shí)施例將本發(fā)明應(yīng)用于一種形成光學(xué)透鏡、衍射光學(xué)元件等的光學(xué)元件成形模具。
如圖1所示，本發(fā)明所涉及的光學(xué)元件成形模具10包括基體11、接合層12、絕熱層13、中間層14和表面處理層15，它們從底部起按上述順序疊合在一起。在圖1中，基體11的上表面對(duì)應(yīng)于在其上形成各層的基準(zhǔn)面，并且其頂端是負(fù)偏置的。基體11具有槽11a，便于維護(hù)和檢測(cè)時(shí)夾緊用?；w11的上表面是按模制件的大致形狀形成的。涂覆接合層12，以增強(qiáng)基體11和絕熱層13的粘合性。至于基體11和接合層12，常規(guī)使用的仍然用在本發(fā)明中。
絕熱層13由絕熱性卓越的陶瓷材料制成。使用陶瓷材料以便防止當(dāng)通過注入成模形成光學(xué)元件等時(shí)樹脂材料的熱量被傳導(dǎo)至基體11從而使樹脂迅速冷卻下來這樣一種情況。通過機(jī)械加工按期望的形狀形成了絕熱層13，由此絕熱層13不具有由形成過程引發(fā)的厚度變化。因?yàn)檫@樣形成的絕熱層13不含有向其邊界的翻轉(zhuǎn)并且該邊界是鋒利的緣，所以該邊界的形狀轉(zhuǎn)移精度提高了。此外，在絕熱層上的中間層14可以制得很薄。
提供中間層14，以便增強(qiáng)絕熱層13和表面處理層15的粘合性。當(dāng)絕熱層13由陶瓷材料制成時(shí)，表面處理層15由金屬材料制成。因此，中間層14最好由與這兩種材料都具有親和性的材料制成。所以，作為適合用于中間層14的材料，可以使用例如金屬材料、由金屬和陶瓷構(gòu)成的金屬陶瓷、或梯度材料。通過使用這樣的材料，使絕熱層13和中間層14的粘合以及中間層14和表面處理層15的粘合很結(jié)實(shí)。即，中間層14幫助增強(qiáng)絕熱層13和表面處理層15的粘合。至于金屬陶瓷，絕熱層13的材料適合用作其基體材料。至于梯度變化材料，在疊合厚度方向上從靠近絕熱層13的一側(cè)到靠近表面處理層15的一側(cè)不斷改變成分比例。即，在梯度變化材料制成的中間層14中，在靠近絕熱層13的一側(cè)絕熱層13的基體材料很豐厚，而靠近表面處理層15的一側(cè)表面處理層15的基體材料很豐厚。
在圖1中，中間層14不僅覆蓋絕熱層13的上表面，還覆蓋其前、后、左、右表面。因此，在形成中間層14之后，絕熱層13不再暴露于外部。此外，中間層14的邊緣部分14a直接與基體11接觸。即，通過形成中間層14，基體11的偏置部分填滿。因?yàn)橐呀?jīng)用絕熱層13形成了期望的形狀，所以中間層14可以形成得很薄，像可以保持期望的形狀那樣。因此，可以形成厚度不超過200微米的中間層14。中間層14是如此之薄，使得絕熱層13和表面處理層15的粘合可以得到增強(qiáng)。此外，因?yàn)椴恍枰虚g層14的外部處理，所以表面處理層15可以疊合在中間層14上，就像它是之后形成的。
在圖1中，對(duì)表面處理層15的上表面進(jìn)行切割加工，由此在其上成形模具面。表面處理層15最好由金屬材料制成。特別是，諸如鎳等非鐵金屬是較佳的，然而，氮化金屬、碳化金屬、或碳氮金屬都是可以接受的。表面處理層15覆蓋中間層14的全部。此外，表面處理層15的邊緣部分15c直接接觸基體11，并且一部分邊緣部分15c進(jìn)入槽11a?；w11和表面處理層15都由金屬材料制成。因此，它們較佳地彼此粘合并且即使加上熱滯后效應(yīng)也永遠(yuǎn)不會(huì)彼此分開。
接下來，將參照?qǐng)D2描述各層的材料及制造方法的一個(gè)示例。盡管圖2根據(jù)圖1所示的層疊順序羅列出來，但是，此處將根據(jù)制造過程從圖2的最后一行開始描述。首先，用通常用于模具的不銹鋼等形成基體11。對(duì)于基體，此處選擇了導(dǎo)熱率為23W/mk且線性膨脹率為11×10-6/k的材料。作為接合層12，選擇NiCr合金，并且通過等離子噴射在基體材料11上形成約0.1毫米厚的一層。至于此處形成的接合層12，導(dǎo)熱率是20W/mk并且線性膨脹率是15×10-6/k。
對(duì)于絕熱層13，導(dǎo)熱率低且線性膨脹率與基體11的線性膨脹率接近的材料是適合的。另外，在噴射之后氣泡較少的材料是更佳的。作為絕熱層13的主要材料，可以使用氧化鋯、氧化鋁、氧化鈦、氧化鉻等。此處，選擇ZrO2·24MgO。該材料形成的噴射層具有很低的孔隙率并且很稠密。它的線性膨脹率接近基體11的線性膨脹率。此外，該材料呈現(xiàn)出對(duì)熱沖擊的高阻隔性。對(duì)于絕熱層13，選擇了一種導(dǎo)熱率為1～1.5W/mk且線性膨脹率為10～11×10-6/k的材料。因?yàn)樵摬牧系娜刍瘻囟群芨?，所以通過可以產(chǎn)生高溫等離子態(tài)的等離子噴射而形成絕熱層13。此處形成的絕熱層13的厚度約為0.9毫米。此外，對(duì)噴射之后的絕熱層13實(shí)施機(jī)械加工以形成期望的模制件的形狀。
作為中間層14的材料，此處選擇了NiAl合金。對(duì)于該材料，導(dǎo)熱率高于20W/mk并且線性膨脹率約為13×10-6/k。通過使用高速火焰噴射的方法(HVOF噴射)噴射該材料，形成了厚度約為0.02毫米的中間層14。盡管此處可以應(yīng)用等離子體噴射，但是HVOF噴射更佳。這是因?yàn)椋绻麌娚浜蟮闹虚g層14的表面粗糙，則表面處理層15很可能有氣泡，這可能是造成缺陷的原因。根據(jù)HVOF噴射，當(dāng)用于中間層14的材料的金屬粒子與絕熱層13碰撞時(shí)，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｍㄟ^熔化和動(dòng)態(tài)的碰撞力形成了精細(xì)的疊合膜。因此，表面處理層15就很難有氣泡了。
作為表面處理層15，此處選擇無電敷鍍Ni-P敷鍍層。因?yàn)橹虚g層14充分地覆蓋了絕熱層13，所以對(duì)中間層14和基體11應(yīng)用無電敷鍍，但是不要將無電敷鍍應(yīng)用于絕熱層13的任何部分。前兩層由導(dǎo)電材料制成，而絕熱層13由陶瓷材料制成。因此，在相同的預(yù)敷鍍處理?xiàng)l件下，對(duì)這些層的敷鍍是有可能的并且敷鍍質(zhì)量因此有所提高。另外，敷鍍的粘合是較佳的。對(duì)于表面處理層15，此處選擇導(dǎo)熱率為4.0～7.2W/mk且線性膨脹率為11～12×10-6/k的材料。
在本實(shí)施例中，圖3示出了在各層形成之后的表面粗糙度。要注意，圖3示出了在實(shí)施研磨工作之后而獲得的絕熱層13的表面粗糙度。如圖3所示，在表面處理層15的中心線處的粗糙度平均值是6微米，這是較佳的結(jié)果。對(duì)如此形成的表面處理層15施加取決于要制造的光學(xué)元件的表面處理，由此光學(xué)元件成形模具便完工了。例如，如圖4所示，通過使用金剛石工具進(jìn)行切割工作，便可以形成具有V形槽形狀的表面處理層15A。圖4中的陰影所表示的部分對(duì)應(yīng)于具有V形槽的表面處理層15A，這些V形槽平行排列彼此間隔4微米。槽的深度是3微米，并且槽的基本角是65度。通過刻蝕，也可以形成期望的形狀。
接下來，檢查用本發(fā)明所涉及的、如此形成的光學(xué)元件成形模具10所制造的光學(xué)元件的形狀轉(zhuǎn)移精度。作為檢查目標(biāo)，使用了具有如圖4所示V形槽形狀的表面處理層15A的模具。無定形聚烯烴用作模制材料，并且模制條件設(shè)置如下模具溫度115℃；樹脂溫度250℃；冷卻時(shí)間60秒；保壓力100MPa；注入速度200毫米/秒。圖5示出了模制件的橫截面圖。根據(jù)SEM(掃描電鏡)觀察而測(cè)得，模制件的末端形狀處的半徑R約為0.15微米。該圖指出了足夠好的形狀轉(zhuǎn)移精度。圖5示出了與它圖4相對(duì)應(yīng)的向下的模具面。此外，至于如圖6所示的二位式形狀的表面處理層15B，也可以檢驗(yàn)其較佳的形狀轉(zhuǎn)移精度。
根據(jù)發(fā)明人所做的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)清了下面的事實(shí)。首先，發(fā)現(xiàn)隨著中間層14的厚度做得越來越薄，形狀轉(zhuǎn)移精度越來越好。如上所述，通過預(yù)先將絕熱層13形成期望的形狀，可以使中間層14的厚度做得很薄。所以，較佳的是，中間層14形成得很薄，但其厚度的范圍要使絕熱層13不會(huì)因噴射的不均勻而部分地暴露就可以。例如，10微米到30微米的范圍是合適的。如果中間層的厚度是200微米或更厚，則當(dāng)該層在使用過程中會(huì)因膜應(yīng)力而導(dǎo)致分離和變形，這是不希望看到的。
接下來，將描述其它實(shí)施例。首先，作為用于中間層14的材料，金屬陶瓷可以替代NiAl合金。在這種情況下，可以通過噴射金屬陶瓷來形成中間層14。特別是，當(dāng)制造會(huì)顯著受線性膨脹系數(shù)差影響的大尺寸構(gòu)件時(shí)，使用金屬陶瓷是有效的。作為要使用的金屬陶瓷，較佳的是，它基于絕熱層13的材料。例如，可以使用氧化鋯鎳體系(比如，ZrO2·8MgO·35NiCr，ZrO2·8Y2O3·25NiCr)、氧化鋁鎳體系(比如，Al2O3·30(Ni20Al))等。
或者，作為NiAl合金的替代，可以將梯度變化材料用于中間層14。較佳的是，在疊合方向上從絕熱層13的基體材料到表面處理層15的基體材料，中間層14的混合比例不斷變化。作為形成這種混合金屬陶瓷的方法，預(yù)先準(zhǔn)備若干種混合比例不同的混合粉末，并且一步一步提供比例不同的混合粉末以構(gòu)建在疊合厚度方向上包括不同混合比例的層?；蛘?，用兩通道粉末饋送裝置來饋送不同的材料并且逐漸地改變兩種不同材料的饋送比例。例如，通過從富含Zr-Mg-氧化物到富含NiAl-合金逐漸地改變，可以形成中間層14。
此外，通過直接在中間層14上噴射金屬材料而非無電敷鍍鎳，可以形成表面處理層15。例如，可以通過HVOF噴射來形成NiAl合金。遵照這種方式，可只通過噴射處理來形成絕熱層13到表面處理層15，而無需電鍍處理。因此，可以用一個(gè)噴射機(jī)器連續(xù)地形成絕熱層13、中間層14和表面處理層15。使用這種方式，較佳的是選擇金屬材料，金屬材料很精細(xì)并且在噴射期間不會(huì)引起氣泡。如果表面處理層15是通過噴射形成的，則沒有必要用中間層14來覆蓋絕熱層13的側(cè)面。此外，有可能使用不帶中間層14的模具。
或者，可以通過濺射形成表面處理層15。如果通過濺射來形成的話，則表面處理層15不會(huì)有氣泡。作為用于濺射的材料，下面的是可用的比如氮化物，TiN、CrN、AlN等；比如碳化物，TiC、SiC等或DLC(類似金剛石的碳)；或碳氮化物等。在這種情況下，沒必要用中間層14覆蓋絕熱層13的側(cè)面。此外，有可能使用不帶中間層14的模具。
如果用于某一產(chǎn)品的模具在其最外圍部分不要求形狀轉(zhuǎn)移精度，則可以使用如圖7所示的帶有船底形狀基體21的光學(xué)元件成形模具20。當(dāng)具有這種形狀的基體21時(shí)，基體21和絕熱層13的粘合得到增強(qiáng)。此外，如果充分地確?；w21和中間層14的接觸區(qū)域是在基體21的邊界部分，則沒有必要用中間層14來覆蓋基體21的側(cè)面。
如上所述，本實(shí)施例所涉及的光學(xué)元件成形模具10具有基體11，它具有模具基準(zhǔn)面；絕熱層13，它置于基體11的模具基準(zhǔn)面之上；中間層14，它置于絕熱層13之上；以及表面處理層15，它覆蓋中間層14。此外，絕熱層13是陶瓷層，表面處理層15是金屬材料層，并且中間層14由金屬、金屬陶瓷或梯度材料制成，由此絕熱層13和表面處理層15的粘合得到增強(qiáng)。中間層14和表面處理層15的邊緣部分直接與基體11接觸，因此這些層和基體11的粘合是很好的。中間層14的厚度是200微米或更薄，因此確保了較佳的形狀轉(zhuǎn)移精度?？傊瑢?shí)現(xiàn)了配有粘合很好的表面處理層15并能夠獲取高形狀轉(zhuǎn)移精度的光學(xué)元件成形模具10。
上述實(shí)施例只是說明性的示例，并不以任何方式來限制本發(fā)明。因此，本發(fā)明可以在不偏離其本質(zhì)的情況下得到明顯改進(jìn)或以各種方式來修改。例如，本文所描述的各層材料及厚度都只是示例，而非限制。此外，例如，本發(fā)明并不限于光學(xué)元件的模具，而可以應(yīng)用于通過樹脂注射模制而制造精密構(gòu)件的許多模具。
關(guān)于本發(fā)明，較佳的是，絕熱層是陶瓷層，表面層是金屬層(尤其是適合電鍍并呈現(xiàn)出高抗蝕性的非鐵金屬層)，中間層由金屬或金屬陶瓷或梯度變化材料制成并且厚度不超過200微米，并且接合層位于基體和絕熱層之間以便增強(qiáng)它們的粘合。此外，表面層可以通過諸如無電敷鍍、金屬噴射、濺射等處理過程來制造。
關(guān)于本發(fā)明，較佳的是，中間層覆蓋絕熱層并且其邊緣部分與基體接觸。此外，較佳的是，表面層覆蓋中間層并且其邊緣部分與基體接觸。此外，較佳的是，在形成中間層之前，先執(zhí)行在噴射之后處理該絕熱層以形成目標(biāo)模制件的形狀這一步驟。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種配有粘合很好的表面處理層并能夠?qū)崿F(xiàn)高形狀轉(zhuǎn)移精度的光學(xué)元件成形模具。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件成形模具，包括基體；通過噴射形成于所述基體之上的絕熱層；位于所述絕熱層之上的中間層；以及表面層，所述表面層覆蓋所述中間層并且包括用于模制光學(xué)元件的模具面。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形模具，其特征在于，所述絕熱層由陶瓷制成。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形模具，其特征在于，所述表面層由金屬制成。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)元件成形模具，其特征在于，所述表面層由非鐵金屬制成。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形模具，其特征在于，所述中間層由金屬制成。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形模具，其特征在于，所述中間層由金屬陶瓷制成。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形模具，其特征在于，所述中間層的混合組分不斷變化，使得在疊層厚度方向上，越靠近所述絕熱層就越富含與所述絕熱層共有的成分而越靠近所述表面層就越富含與所述表面層共有的成分。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形模具，其特征在于，所述中間層的厚度不超過200微米。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形模具，其特征在于，所述中間層覆蓋所述絕熱層并且所述中間層的邊緣部分與所述基體接觸。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形模具，其特征在于，所述表面層覆蓋所述中間層并且所述表面層的邊緣部分與所述基體接觸。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形模具，還包括置于所述基體和所述絕熱層之間以便增強(qiáng)所述基體和所述絕熱層的粘合的接合層。
12.一種光學(xué)元件成形模具的制造方法，所述方法包括如下步驟通過噴射在基體上形成絕熱層；在所述絕熱層上形成中間層；在所述中間層上形成表面層；以及在所述表面層的表面上形成用于模制光學(xué)元件的模具面。
13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)元件成形模具的制造方法，還包括在形成中間層之前在噴射之后處理絕熱層以便在其上成形一目標(biāo)模制件的一個(gè)步驟。
14.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述絕熱層由陶瓷構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述中間層由完全地覆蓋所述絕熱層的金屬或金屬陶瓷構(gòu)成。
16.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述中間層是通過噴射形成的。
17.如權(quán)利要求15所述的光學(xué)元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述表面層由金屬構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述表面層是通過鍍敷形成的。
19.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)元件成形模具的制造方法，其特征在于，所述表面層是通過噴射形成的。
全文摘要
一種光學(xué)元件成形模具具有用于模制光學(xué)元件的模具面并且包括具有模具基準(zhǔn)面的基體；位于基體的模具基準(zhǔn)面之上的絕熱層；位于絕熱層之上的中間層；以及用于覆蓋中間層的表面處理層。在表面處理層的表面之外，基體上的模具基準(zhǔn)面的上部是模具面。較佳的是，絕熱層是陶瓷層，表面處理層是金屬材料層，并且中間層的厚度不超過200微米。這樣，便提供了一種配有粘合得很好的表面處理層且能夠?qū)崿F(xiàn)高精度復(fù)制的光學(xué)元件成形模具。
文檔編號(hào)B29L11/00GK1915637SQ20061012153
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2006年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月18日
發(fā)明者內(nèi)藤篤 申請(qǐng)人:柯尼卡美能達(dá)精密光學(xué)株式會(huì)社