專(zhuān)利名稱(chēng)：形成元件的模具總成及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種用以形成光學(xué)元件以及其他至少部分為球面的元件的超硬工作表面模具總成，因此本發(fā)明涉及化學(xué)、物理以及材料科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓模是廣泛地被應(yīng)用在制造各種欲有相對(duì)高生產(chǎn)力的零件，例如，用以封裝如二極管等半導(dǎo)體裝置的高分子材料射出模具是一個(gè)慣例的制造程序，而眼科鏡片也是用一樣的方式塑造而成，在最近幾年，如用于手機(jī)或其他相似裝置上的相對(duì)小的照相機(jī)鏡片已經(jīng)能夠被大量制造，這種鏡片可能以透明高分子或光學(xué)玻璃所制造。在一個(gè)典型的應(yīng)用中，珠狀的原料可在兩個(gè)鐵砧之間被壓平以形成鏡片。鐵砧在這種程序中通常具有凹部，其準(zhǔn)確地被研磨、磨亮以形成特定輪廓(例如球體或非球體輪廓)，藉由兩鐵砧壓平所得到的鏡片具有和鐵砧一致的曲率輪廓。
當(dāng)該鏡片被用來(lái)作為數(shù)位相機(jī)或手機(jī)上的鏡片時(shí)，穿過(guò)鏡片所得到的影像一定常常具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)像素(許多手機(jī)具有1億三千萬(wàn)像素)，因此，影像光軌必須極小心地控制。為了達(dá)到這種品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，光學(xué)材料的均一性必須非常高，而且鏡片的表面也必須非常平滑。
為了符合大體為均一性及表面平滑的嚴(yán)格要求，模具材料層也必須非常堅(jiān)硬而且無(wú)法被壓縮(因此確保尺寸的可重復(fù)性)，除此之外，模具的表面必須一致或至少必須具非常少的“軟化點(diǎn)(soft spot)”在模具上，更佳的是沒(méi)有柔性斑點(diǎn)。除此之外，模具表面必須具有高度的惰性，以使得該模具不會(huì)在制模過(guò)程中與鏡片材料反應(yīng)，若沒(méi)有這樣的惰性就必須使用分離劑(parting agent)，例如六角晶形氮化硼的氣溶膠等。然而，分離劑的加入會(huì)減少大量生產(chǎn)的次數(shù)，而且可能影響鏡片表面的品質(zhì)，當(dāng)一個(gè)小鏡片將光分散成數(shù)百萬(wàn)個(gè)像素時(shí)，任何色差(abberation)或表面缺陷，如不可分離的分離劑皆會(huì)造成非常大的麻煩。
除了材料必須堅(jiān)硬且平滑的要求以外，模具材料層通常必須具有熱穩(wěn)定性，而不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械彎曲(如變形)或是化學(xué)反應(yīng)(如氧化)，這是因?yàn)殓R片的制模過(guò)程通常伴隨著光學(xué)材料的加熱。為了軟化變形光學(xué)材料，因此必須加熱該材料，否則，材料將會(huì)缺乏彈性，并且無(wú)法流到所有模具所定義出來(lái)的凹處，而且在沒(méi)有加熱的狀態(tài)由鏡片材料的變形所產(chǎn)生的剪切力在鏡片材料變形時(shí)無(wú)法釋放，因而導(dǎo)致鏡片在其材料壓平后會(huì)產(chǎn)生扭曲，這種內(nèi)應(yīng)力將會(huì)影響鏡片的折射率，并且導(dǎo)致穿過(guò)鏡片的光學(xué)性質(zhì)有所不同，亦造成鏡片具有方向性的依賴(lài)(例如非等向性)，這種色差通常在形成高精密度的鏡片時(shí)是無(wú)法接受的。
用于制造這些型態(tài)的光學(xué)鏡片通常是利用高分子或玻璃。高分子材料相對(duì)于玻璃便宜并且具有較低的熔點(diǎn)，因此高分子材料可在相對(duì)較低的溫度下(如小于400℃)可塑性地變形，然而，高分子材料所制造出來(lái)的鏡片的折射率通常較低，高分子鏡片通常太軟，以致于難以承受因臟污、灰塵等所產(chǎn)生的刮痕，因此，目前所用的高精密度鏡片通常是以特殊的光學(xué)玻璃所制造。
這種光學(xué)玻璃通常比高分子材料具有較高的模制溫度(如700℃)，大部分的模具材料(例如工具鋼、超硬合金)皆無(wú)法承受長(zhǎng)期在這種極端溫度范圍下的使用，即使目前普遍使用于模具的最佳材料-強(qiáng)化碳化鎢(cementedtungsten carbide，cWC)也可能在這種使用狀態(tài)下軟化。有鑒于此，工業(yè)上已經(jīng)利用加入非常少量的鈷(cobalt，Co)在cWC中以改善其缺點(diǎn)。在此應(yīng)用中，通常使用次微米碳化鎢(WC)粒子減少模具表面的晶粒效應(yīng)(grain effect)，然而，即使是這樣的型態(tài)的模具也只能持續(xù)數(shù)百次的運(yùn)轉(zhuǎn)(典型的鋼模壽命僅有十次運(yùn)作)，因此利用這樣的方法所制造的傳統(tǒng)模具必須時(shí)常更換。
因此，目前光學(xué)鏡片的模具制造者面臨增加模具的硬度與表面平滑度的問(wèn)題，以符合為了光學(xué)完整性而增加的需求，同時(shí)也是為了改善講求高操作溫度的光學(xué)材料，例如，為了改善壓模模具的磨損承受度以及表面惰性，類(lèi)鉆碳(diamond-like-carbon，DLC)膜已被應(yīng)用來(lái)作為模具材料層，然而，DLC通常不能承受溫度一再循環(huán)于高于大約400℃的溫度。
另外，DLC通常非常薄(例如小于1微米)，因此其整體的磨損承受度有限，而且眾所皆知DLC是很難貼合于用于光學(xué)透鏡壓模的基座。在制模過(guò)程的熱循環(huán)時(shí)，在加熱后低膨脹性的DLC以及高膨脹性的基座之間的錯(cuò)誤配置(mismatch)會(huì)造成應(yīng)力疲勞以導(dǎo)致DLC涂層的“剝落(flaking)”，而且DLC表面原子包括會(huì)與模具材料層及濕氣反應(yīng)的晃動(dòng)電子。由于該晃動(dòng)電子，使得反應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致模具材料層或DLC的凹陷。
因此，已改善的光學(xué)透鏡材料提供透鏡具有熱穩(wěn)定性以及化學(xué)惰性，然而，已改善光學(xué)性質(zhì)通常是利用高價(jià)格且高熔點(diǎn)的玻璃作為鏡片材料，為了滿(mǎn)足這些矛盾的目標(biāo)，用以制造光學(xué)元件的模具材料層必須本身比目前模具材料層較堅(jiān)硬，并且具有較高的熱穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，而提供一種新的形成元件的模具總成及其形成方法，所要解決的技術(shù)問(wèn)題是使其可改善光學(xué)鏡片或其他裝置的品質(zhì)和制造生產(chǎn)量，從而更加適于實(shí)用。
因此本發(fā)明提供一種形成光學(xué)元件的模具總成，其包含支撐材料層以及制模材料層，一方面，該制模材料層包括耦合于支撐材料層上的單晶鉆石，且包含一光學(xué)元件壓模于模具總成時(shí)定出形狀輪廓的工作表面。
依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，單晶鉆石的一個(gè)(111)晶面朝模具總成的壓縮軸定位。
就本發(fā)明的另一方面，所提供的一種形成光學(xué)元件的模具總成包括支撐材料層以及制模材料層，該制模材料層包括可耦合于支撐材料層的PCD以及包含一光學(xué)元件壓模于模具總成時(shí)定出形狀輪廓的工作表面。在一些情形中，一超硬薄膜可被提供于被覆PCD制模材料層的工作表面，以改善模具總成與光學(xué)元件的界面的平滑度。
依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，該超硬薄膜可為鉆石薄膜或類(lèi)鉆碳薄膜，該類(lèi)鉆碳薄膜可更進(jìn)一步包括幫助形成氮化碳的氮?dú)狻?br> 依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，該P(yáng)CD包括作為燒結(jié)助劑的陶材，其選自下列群組碳化硅、碳化鈦、氮化鈦、氮化硅、氮化鋁、碳化鎢以及氧化鋁，該P(yáng)CD可更進(jìn)一步包括導(dǎo)電金屬以幫助PCD的放電加工，而這樣的金屬可包括鈦或鎢。
依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，該制模材料層可以黃銅焊接至支撐材料層上，該黃銅可包括鈦銅硅合金或銅錫鈦合金，而該制模材料層在真空狀態(tài)下以黃銅焊接于支撐材料層上。
依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，該支撐材料層可選自于下列群組強(qiáng)化碳化鎢、碳化硅、氮化硅以及硬化鋼。
依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，該制模材料層的工作表面藉由從工作表面移除晃動(dòng)鍵而成為非活性，該晃動(dòng)鍵鍵結(jié)于僅具有單價(jià)電子的元素，且該具有單價(jià)電子的元素包含氫或鹵素，而該鹵素選自以下群組氟、氯、溴、碘及其混合物。
依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，被提供于制模材料層的工作表面的一些貴重金屬，以使得該光學(xué)元件的表面在形成于模具總成時(shí)更平滑。
依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，一種形成光學(xué)元件的模具總成包括一支撐材料層以及一耦合于該支撐材料層的制模材料層，而該制模材料層包括第一工作區(qū)，該第一工作區(qū)可包括超硬材料，并且具有可將光學(xué)元件壓模于模具總成時(shí)定出形狀輪廓的工作表面。該制模材料層亦包括第二工作區(qū)與過(guò)渡區(qū)，該過(guò)渡區(qū)連接于第一與第二工作區(qū)，并且從第一工作區(qū)至第二工作區(qū)具有一組成梯度。
依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，該第一工作區(qū)包括一選自于下列群組材料陶材、含鉆石材料及其復(fù)合材料，再者，該第二工作區(qū)包括陶材，該陶材選自于以下群組碳化硅、氮化硅、碳化鎢及其復(fù)合物。
依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，該第一工作區(qū)域包括含鉆石材料，一方面該含鉆石材料為類(lèi)鉆碳，而組成梯度可為連續(xù)式組成梯度。
依照本發(fā)明更詳細(xì)的說(shuō)明，一種形成光學(xué)元件的方法，其包括以下步驟取得如這里所說(shuō)的模具總成；將一部份未成形的光學(xué)材料設(shè)置在制模材料層的工作表面上；以及將光學(xué)材料在足夠高以使該光學(xué)材料流動(dòng)的溫度下壓入模具總成中。
借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明形成元件的模具總成及其形成方法至少具有下列優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的模具總成具有惰性、超硬且可在超過(guò)400℃的溫度下承受反復(fù)的熱與壓力循環(huán)的工作表面，故該模具可改善光學(xué)鏡片或其他裝置的品質(zhì)和制造生產(chǎn)量。
上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說(shuō)明如下。


圖1是本發(fā)明模具總成以及光學(xué)元件材料的具體實(shí)例的剖視概要圖。
圖2是本發(fā)明另一模具總成以及光學(xué)元件材料的具體實(shí)例的剖視概要圖。
需要了解的是以上圖示僅是為了解本發(fā)明作例證，而且該圖示并非限制于大小、尺寸、粒徑大小以及其他情形，而且一般而言是為了更清楚說(shuō)明本發(fā)明而有夸示的情形，因此，這些偏差可因著制造本發(fā)明的模具而出現(xiàn)，使特有尺寸及情形顯示于圖中。
10、10a模具總成 12支撐材料層14、14a制模材料層16工作表面18光學(xué)材料 20壓縮軸22工作表面 24超硬薄膜30黃銅具體實(shí)施方式
為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的形成元件的模具總成及其形成方法其具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說(shuō)明如后。
在本發(fā)明被揭露和敘述之前，必須了解的是以下所敘述及揭露的發(fā)明并無(wú)意限制本發(fā)明的形狀、制作步驟或材料，其可為本領(lǐng)域具備通常知識(shí)者所能推想到的等效形狀、制作步驟及材料，而以下說(shuō)明中使用專(zhuān)有名詞的目的是在敘述特定實(shí)施例，亦非對(duì)本發(fā)明有任何的限制。
而在開(kāi)始敘述之前值得注意的是在本說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求所使用的單數(shù)型態(tài)字眼如“一”、“該”和“其”，皆?xún)H為先行詞，除非在上下文中清楚明白的指示為單數(shù)，不然這些單數(shù)型態(tài)的先行詞亦包括一個(gè)以上的對(duì)象，因此，舉例來(lái)說(shuō)，如“一切割元件”包括一或多個(gè)這種元件，如“一易碎材料”可指一或多個(gè)這種材料。
定義在本發(fā)明的敘述與申請(qǐng)范圍中，以下術(shù)語(yǔ)會(huì)依照以下所提出的定義而被使用。
“顆?！币约啊吧暗[”可能是可以互換使用的，而且當(dāng)被使用與含碳物質(zhì)有關(guān)時(shí)，所指的是這種材料的微粒型態(tài)，這種顆?；蛏暗[可能為各種不同的形狀(包括圓形、矩形、方形、自然型態(tài)等)以及數(shù)個(gè)特定篩孔大小，如現(xiàn)有技術(shù)，篩孔指的是數(shù)個(gè)孔洞，且每單位面積如同美國(guó)篩孔一般，全部的篩孔大小除了有特別注明，否則在這里指的都是美國(guó)篩孔，而且，篩孔大小通常都被了解為一特定量的顆粒的平均篩孔大小，即使每個(gè)顆粒于特定的篩孔大小實(shí)際上可能為各種超過(guò)平均篩孔大小的小分布范圍。
“實(shí)質(zhì)的”或“實(shí)質(zhì)地”指的是想要的目的、操作以及配置的功能性達(dá)成，猶如這種目的或配置實(shí)際上已經(jīng)被達(dá)成，因此，實(shí)質(zhì)地對(duì)齊于一般平面的切割邊緣，如同機(jī)能性或幾乎他們是準(zhǔn)確的對(duì)齊在這樣的平面上。
“化學(xué)鍵”(chemical bond)以及“化學(xué)鍵結(jié)”(chemical bonding)可交替使用，并且是指原子之間的吸引力足夠在原子之間之間隙中產(chǎn)生二元固體化合物的分子鍵，關(guān)于本發(fā)明的化學(xué)鍵典型如鉆石超研磨粒的碳化物、氮化物或如立方氮化硼等硼化物。
“工件表面”指的是一個(gè)加壓程序中接觸材料以形成光學(xué)元件的工具表面，在本發(fā)明的一些方面，工具的工作表面可能是鉆石或其他超研磨材料層或整塊材料。
“陶的”指硬的、耐熱的及耐腐蝕的非鉆石、非金屬材料，而且，這里指的“陶的”材料可能包括選自于下列群組中的至少一元素鋁(Al)、硅(Si)、鋰(Li)、鋅(Zn)及鎵(Ga)，氧化物、氮化物以及各種其他包括上述所引述的元素的化合物皆是被熟知該項(xiàng)技藝人士陶材，除此之外，這里可被視為“陶材”的材料如玻璃，皆被于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所知悉，在本發(fā)明中具體的陶材例子包括但不限制在碳化硅(SiC)、碳化鈦(TiC)、氮化鈦(TiN)、氮化硅(Si3N4)、氮化鋁(AlN)、氮化鎢(WC)、氧化鋁(Al2O3)等。
“超硬”可能被用來(lái)指任何結(jié)晶或多晶的材料，亦或者是這種材料的混合物，其莫氏硬度(Mohr’s hardness)大約等于或大于8，而在一些情形中，其莫氏硬度(Mohr’s hardness)大約等于或大于9.5，這樣的材料包括但不限制為鉆石、多晶鉆石(polycrystalline diamond，PCD)、立方氮化硼(cubic boronnitride，cBN)、多晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride，PcBN)以及其他于本領(lǐng)域具有通常知識(shí)者所知道的超硬材料，超硬材料可能以各種不同的形態(tài)包含于本發(fā)明中，該型態(tài)包括顆粒、砂礫、膜、層等。
“氣相沉積法”是指一種藉由氣體相將物質(zhì)沉淀在基座上的方法，其包括任何例如，但不限制為化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)和物理氣相沉積法(physical vapor deposition，PVD)，每一個(gè)氣相沉積法的使用皆可由于本領(lǐng)域具通常知識(shí)者在不改變主要原理的情況下做變動(dòng)，因此該氣相沉積法的例子包括熱絲氣相沉積法(filament CVD)、射頻化學(xué)氣相沉積法(rf-CVD)、激光化學(xué)氣相沉積法(laser CVD，LCVD)、激光剝蝕(laserablation)、一致性鉆石被覆法(conformal diamond coating processes)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(metal-organic CVD，MOCVD)、濺渡、熱蒸渡(thermalevaporation PVD)、離子化金屬物理氣相沉積法(ionized metal PVD，IMPVD)、電子束氣相沉積法(electron beam PVD，EBPVD)以及反應(yīng)性氣相沉積法(reactive PVD)等其他類(lèi)似的方法。
“黃銅”指包括足量的反應(yīng)元素以在其與超研磨粒子之間形成化學(xué)鍵的合金，該合金可為具有反應(yīng)元素溶質(zhì)溶于金屬載體溶劑的固態(tài)或液態(tài)溶液，而且“以黃銅焊接的(brazed)”這個(gè)詞可能可以用來(lái)指超研磨粒子以及黃銅之間化學(xué)鍵的形成。
“燒結(jié)”指兩個(gè)或多個(gè)個(gè)別的顆粒結(jié)合以形成一連續(xù)性的固體團(tuán)，而燒結(jié)過(guò)程包括顆粒的固化以至少減少部分顆粒間的空隙。燒結(jié)可能發(fā)生在金屬顆?；蛉玢@石的含碳顆粒，金屬顆粒的燒結(jié)發(fā)生在不同的溫度，該溫度決定于材料的組成，而鉆石顆粒的燒結(jié)基本上需要特別高的壓力、碳溶質(zhì)如鉆石燒結(jié)輔助劑的存在以及以下討論的更多細(xì)節(jié)。該燒結(jié)輔助劑常常使用以助于燒結(jié)程序，而一部分的燒結(jié)輔助劑可能會(huì)存留在最終產(chǎn)物內(nèi)。
“連續(xù)性組成梯度”指在組成中逐步的變化，而非階梯狀的變化或具有不同化合物或熱膨脹系數(shù)的層次結(jié)構(gòu)屏障，因此，該逐步的變化包括在各種不同中間材料的過(guò)渡期或直接從第一組成制第二目標(biāo)組成的逐步變化，就“連續(xù)性組成梯度”而言，實(shí)質(zhì)上不包括均質(zhì)材料，明顯層狀的材料或在組成或熱膨脹系數(shù)會(huì)突然變化的任何材料。
濃度、數(shù)量以及其他數(shù)值上的資料可能是以范圍的形式來(lái)加以呈現(xiàn)或表示，而需要了解的是這種范圍形式的使用僅基于方便性以及簡(jiǎn)潔，因此在解釋時(shí)，應(yīng)具有相當(dāng)?shù)膹椥?，不僅包括在范圍中明確顯示出來(lái)以作為限制的數(shù)值，同時(shí)亦可包含所有個(gè)別的數(shù)值以及在數(shù)值范圍中的次范圍，如同每一個(gè)數(shù)值以及次范圍被明確地引述出來(lái)一般。
例如一個(gè)數(shù)值范圍“約一微米到約五微米”應(yīng)該解釋成不僅僅包括明確引述出來(lái)的大約一微米到大約五微米，同時(shí)還包括在此指定范圍內(nèi)的每一個(gè)數(shù)值以及次范圍，因此，包含在此一數(shù)值范圍中的每一個(gè)數(shù)值，例如2、3及4，或例如1-3、2-4以及3-5等的次范圍等。
發(fā)明一個(gè)用以制造如光學(xué)元件等元件的模具總成，具有惰性、超硬且可在超過(guò)400℃的溫度下承受反復(fù)的熱與壓力循環(huán)的工作表面，故該模具可改善光學(xué)鏡片或其他裝置的品質(zhì)和制造生產(chǎn)量。本發(fā)明提供這樣的模具總成，如圖1所述的具體實(shí)例，該用來(lái)制作光學(xué)元件的模具總成10包括支撐材料層12以及超硬制模材料層14，該超硬制模材料層14包括可用不同方式耦合于支撐材料層12的單晶鉆石，詳細(xì)敘述如下。該制模材料層14可包括一工作表面(大致如16所示)，其可將光學(xué)元件(并未顯示加工后的型態(tài)，但未加工的元件或光學(xué)材料大致如18所示)壓模于模具總成中以定出形狀輪廓，但需要了解的是本領(lǐng)域一般技術(shù)人員通?？梢勒鎸?shí)工作表面形狀而得知元件(或光學(xué)元件)的形狀即為該工作表面的相反形狀。
當(dāng)本發(fā)明經(jīng)過(guò)反復(fù)研究后可有利地用于形成各種材料，例如由超合金材料所形成的軸承材料(如球狀軸承)。在本發(fā)明的其中一方面，所形成的元素或材料為形成光學(xué)元件的光學(xué)材料18，光學(xué)材料18在圖中通常是處在描述為球狀輪廓的預(yù)形成狀態(tài)，在操作時(shí)，光學(xué)材料會(huì)被壓迫于模具總成的兩個(gè)工作表面16之間以將玻璃或高分子光學(xué)材料變形而形成光學(xué)元件。當(dāng)提供光學(xué)材料于球狀單元內(nèi)時(shí)，但必須了解的是光學(xué)材料可被提供于各種形狀或形式的單元中，并且可被于形成光學(xué)元件的領(lǐng)域具有通常知識(shí)者所知悉，無(wú)視該光學(xué)材料的最初形狀與輪廓而將其加壓于模具總成的工作表面之間，該光學(xué)元件材料可形成由工作表面輪廓的形狀。
光學(xué)材料的組成也可依不同的相關(guān)方法而有各種不同的變化，在本發(fā)明的一些情況中，該光學(xué)材料是一種主要由氧化物形成的光學(xué)玻璃，一般而言，氧化硅(SiO2)是具有各種添加物的光學(xué)玻璃中的主要構(gòu)成，以增加該已拋光的光學(xué)元件的性質(zhì)，而氧化鋁(Al2O3)也常常被添加以用來(lái)穩(wěn)固光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)與化學(xué)惰性，至于氧化硼(B2O3)與氧化鋅(ZnO)可被用來(lái)降低熔點(diǎn)，氧化鉀(K2O)、氧化鈉(Na2O)、氧化鋰(Li2O)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鋇(BaO)可被當(dāng)成助熔劑以增加熔化玻璃的流動(dòng)性，氧化鉛(PbO)的加入可增加玻璃的折射率。
發(fā)現(xiàn)合適的光學(xué)元件材料含有相對(duì)大量的氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)，并具有相對(duì)較少量氧化鈉(Na2O)與氧化鉀(K2O)，這樣的光學(xué)玻璃被發(fā)現(xiàn)存在有高的熱穩(wěn)定性以及化學(xué)惰性，而高的熱穩(wěn)定性可導(dǎo)致鏡片表現(xiàn)出低的熱膨脹系數(shù)，因此鏡片的折射率就不容易因?yàn)椴煌瑴囟鹊挠绊懚兓?，故鏡片的焦點(diǎn)在極端溫度狀態(tài)下就不會(huì)有擴(kuò)散情形產(chǎn)生，低熱活動(dòng)性將確保鏡片不會(huì)因反復(fù)接觸到水氣、汗水或其他臟污而刮蝕。
這樣的光學(xué)玻璃通常提供理想的操作狀態(tài)，這種玻璃的熔點(diǎn)以及“軟化點(diǎn)(softening point)”通常比高分子材料制成的光學(xué)材料更高，由于從光學(xué)材料形成光學(xué)元件需要較大的壓力與極端的溫度，因此用于形成光學(xué)元件的制模材料層必須比習(xí)用制模材料層更堅(jiān)硬并且具有更高的熱穩(wěn)定性，即使是因著其相對(duì)高的硬度而被使用的強(qiáng)化碳化鎢(cemented tungsten carbide，cBN)也會(huì)在壓迫這種材料以形成光學(xué)元件的環(huán)境中軟化及形成凹痕。
本發(fā)明的模具組成可操作于形成這樣高品質(zhì)光學(xué)玻璃所需的極端條件下，例如，藉由從單晶鉆石形成本發(fā)明的制模材料層14，該模具總成可承受溫度在400℃以上的反復(fù)使用。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，單晶鉆石可在尺寸上變動(dòng)至高達(dá)5微米左右以橫過(guò)制模材料層14的工作表面16的寬度(W)。由Element Six and Sumitomo Electric所提供的工業(yè)用的單晶鉆石以有效地結(jié)合于本發(fā)明的壓模模具中。
在本發(fā)明的一種情形中，單晶鉆石的八面體晶面(111)朝模具總成的壓縮軸(如圖1所示的箭頭20)定位(如暴露)，在此構(gòu)型中，單晶鉆石具有在任何方位較高的膨脹模數(shù)，導(dǎo)致模具存在有幾乎不可壓縮性以及不可變形的特征。在另一實(shí)施例中，立方晶面(100)可以定位于壓縮軸，假使模具總成用于溫度超過(guò)600℃的環(huán)境，則操作狀態(tài)必須在保護(hù)環(huán)境(例如氮?dú)?nitrogen)或氬氣(argon))的情形下實(shí)施，以防止單晶鉆石在溫度升高時(shí)被氧化，而單晶鉆石的工作表面16可用各種不同的方式形成，在一情形中，該工作表面16可被研磨已形成對(duì)應(yīng)光學(xué)元件形狀的形狀，被研磨的彎曲處可藉由鉆石微米粉末結(jié)合與工作表面相符的金屬研磨表面的拋光以及超音波的協(xié)助而被磨亮。
超硬的單晶鉆石模具可被用來(lái)制造具有非常充分耐受度(tolerance)的玻璃透鏡，因?yàn)樵撃＞咴趬嚎s時(shí)比現(xiàn)有的模具不容易彎曲變形，所以形成在玻璃中的剩余應(yīng)力大量減少或消失。在此情況下，鏡片將會(huì)是等向性的，即其可具有不受方向支配的折射率。單晶鉆石模具的生產(chǎn)價(jià)格可能相對(duì)較高，但單晶鉆石模具的壽命卻是習(xí)用模具總成的好幾百倍以上，因此相較之下本發(fā)明的單元制造成本是低于現(xiàn)有模具總成的單元制造成本。
該支撐材料層12可被各種適合于支撐超硬制模材料層14的各種材料所形成，一般而言，支撐材料層12必須是要相對(duì)堅(jiān)硬的材料以妥善地結(jié)合于超硬制模材料層14。在本發(fā)明的一方面，該支撐材料層12由cWC、陶材(例如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化鋁(AlN)等)或硬化鋼所形成。
該超硬制模材料層以各種方法結(jié)合于支撐材料層，不然就是附著于支撐材料層上，例如像是銀銅鈦合金(或鈦銅硅合金、或銅錫鈦合金)的黃銅30可被用來(lái)將單晶鉆石結(jié)合于支撐材料層上。為了改善結(jié)合界面，制模材料層結(jié)合于支撐材料層的化學(xué)鍵可在真空(如10-5torr)以及相對(duì)高溫(如950℃)的條件下進(jìn)行。
如上所討論的，本發(fā)明一情形是單晶鉆石的(111)晶面朝模具總成的壓縮軸定位(如暴露)，在這個(gè)實(shí)施例中，鉆石的工作表面是鉆石中最不容易反應(yīng)的一面，為使該(111)晶面不易晃動(dòng)，可藉由氫氣、氮?dú)饣蚍鷼獾碾姖{緊密結(jié)合于鉆石(111)晶面上的晃動(dòng)電子的表面處理而達(dá)成，該晃動(dòng)鍵可鍵結(jié)于擁有僅一價(jià)電子的元素，其可為氫或鹵素，該鹵素選自以下群組氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)或是其混合物。
這樣的表面處理可以增加制模材料層的工作表面的化學(xué)惰性以及熱穩(wěn)定性，該表面處理更進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可在2002年10月8日申請(qǐng)且尚在審查階段的美國(guó)專(zhuān)利第10/268,016號(hào)的申請(qǐng)案中發(fā)現(xiàn)，并且藉此完整地結(jié)合于此。
請(qǐng)參看圖2所示，本發(fā)明的一種情形是提供一種為形成光學(xué)元件的模具組成10a，其包括支撐材料層12以及制模材料層14a。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，該制模材料層14a可包括耦合于支撐材料層12的多晶鉆石(polycrystalline diamond，PCD)，該P(yáng)CD制模材料層包括一工作表面22，其可將光學(xué)元件(圖中未示)壓模于模具總成時(shí)定出形狀輪廓，一超硬薄膜24可應(yīng)用于PCD制模材料層的工作表面上，以在模具總成以及光學(xué)元件之間提供更平滑的界面。本發(fā)明此實(shí)施例的光學(xué)模具已經(jīng)成功的使用在形成寬度或尺寸在5至50微米之間的光學(xué)鏡片。
該P(yáng)CD制模材料層14a可為不同的材料所組成，但一般而言是非常堅(jiān)硬的材料，以提供超硬薄膜24良好結(jié)合的界面。在本發(fā)明的一種情形中，該P(yáng)CD制模材料層包括復(fù)數(shù)個(gè)藉由燒結(jié)助劑(sintering aid)而被燒結(jié)成統(tǒng)一質(zhì)量的鉆石粒子，該燒結(jié)助劑可為陶材，其選自于下列群組碳化硅(SiC)、碳化鈦(TiC)、氮化鈦(TiN)、氮化硅(Si3N4)、氮化鋁(AlN)、氮化硼(WC)以及氧化鋁(Al2O3)。由于PCD制模材料層通常是由制作困難且貴的材料所形成，因此導(dǎo)電金屬可包含在燒結(jié)助劑中以幫助形成PCD的電子加工。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，導(dǎo)電性金屬可包含鎳(Ni)、鈦(Ti)或鎢(W)。
現(xiàn)有的有鈷(Co)作為燒結(jié)助劑的高壓燒結(jié)PCD并非普遍地適合制作鏡片模具，這是因?yàn)殁挸３@石在溫度高于700℃時(shí)逆轉(zhuǎn)成無(wú)晶形碳，這個(gè)逆轉(zhuǎn)將會(huì)擴(kuò)張PCD晶粒并且會(huì)在模具表面制造出微米級(jí)的裂痕(crack)，除此之外，在PCD表面上軟化的鈷內(nèi)容物會(huì)因玻璃反復(fù)地流進(jìn)流出模具總成而反應(yīng)，因此，PCD的表面會(huì)形成凹穴，結(jié)果可能使得形成于該模具的鏡片的表面不夠平滑。
然而，滲入鉆石晶粒中的硅可形成具有非常硬的碳化硅(SiC)基質(zhì)(matrix)的PCD，事實(shí)上，高壓燒結(jié)的鉆石-碳化硅組成已被發(fā)現(xiàn)可用來(lái)作為鏡片模具的工作表面，甚至不需要加入超硬薄膜在PCD上，因此，鉆石的晶粒尺寸較佳的是維持在相對(duì)小(例如1微米)的尺寸。如上所述，鉆石-碳化硅組合物通常是絕緣體，因此需要用激光切割來(lái)取代加工，例如金屬線(xiàn)放電加工機(jī)(electrical discharge machining，EDM)或放電研磨機(jī)(electricaldischarge grinding，EDG)。然而，該滲透硅的合金可能包括有如鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)等金屬，使得其組成為電導(dǎo)性，因此將超硬組成物塑形成對(duì)應(yīng)于由壓模所形成的光學(xué)元件形狀的形狀會(huì)比利用EDM或EDG更容易。
另一種用于本發(fā)明的制模材料層為多晶立方氮化硼(polycrystallinecubic boron nitride，PcBN)，其cBN以及陶材(如氮化鋁(AlN)、碳化鈦(TiC)、氮化鈦(TiN)鈦化硼(TiB2)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3))燒結(jié)合成的材料，其中cBN的體積含量40％至95％的范圍之間，為了本發(fā)明的制模材料層的設(shè)計(jì)，cBN的含量高則具有較佳的表現(xiàn)。PcBN通常不如PCD如此堅(jiān)硬，因此其可被鉆石滾輪研磨成想要的形狀以及表面構(gòu)造，PcBN的表面可能也可以被覆鉆石薄膜或DLC，因此，這層表面被覆可將cBN晶粒整平，使其與非cBN陶材基質(zhì)一樣平滑。
該超硬薄膜24可由各種不同材質(zhì)所形成，并且可被支撐材料層12以各種不同的方式所附著，在本發(fā)明的一種情形中，該超硬薄膜24可藉由CVD沉積于鉆石上，或藉由其他各種不同的方式如熱絲氣相沉積法(hotfilament)、微波電漿(microwave plasma)、無(wú)線(xiàn)電波電漿(radio wave plasma)或直流電弧(DC arc)。最具代表性的是將含碳?xì)怏w(如甲烷、乙炔)作為碳源，以及將大量的氫氣(如99vol％)作為觸媒的前趨物，而氣體混合物會(huì)被上述能量來(lái)源的其中一種所分解，而已分離的氫氣原子會(huì)將已分離的碳原子保存在類(lèi)鉆石的鍵結(jié)結(jié)構(gòu)中，而最終這些碳原子會(huì)結(jié)合已形成鉆石薄膜。
因此，鉆石薄膜可為多晶結(jié)構(gòu)，為了減少之后為了提供平滑鏡片模具所作的研磨工作，其成核率將會(huì)提高以減少晶粒尺寸，并使得表面不會(huì)像習(xí)用鉆石薄膜一樣粗糙，提高成核率的方法有很多，其中最具代表性的是鉆石薄膜會(huì)在每平方公分小于一百萬(wàn)左右的成核率時(shí)沉積，藉由在超音波液體浴(如丙酮(acetone))中使用微米鉆石研磨基材，該成核率可能可以增加到一千倍。若是納米鉆石(例如5納米炸藥爆炸所制成)被使用于超音波浴中，則成核率可能再增加一千倍。當(dāng)鉆石薄膜沉積時(shí)將負(fù)電偏差(大約100-200伏特(volt))作用于基材，該鉆石成核率可能也增加百萬(wàn)倍。
一般而言，成核率越快，則形成的鉆石晶粒越小，當(dāng)鉆石的尺寸縮小至納米級(jí)的范圍，則沉積在制模材料層上的鉆石薄膜在完成時(shí)就需要最小化的研磨加工以使其非常平滑。其中一種納米級(jí)鉆石沉積的方式是在氣體相中增加甲烷(methane)的含量，從大約2vol％至30vol％，藉此方法可降低沉積的溫度，使其從大約800～900℃降低至大約600～700℃左右，因此，鉆石就可持續(xù)地成核而非長(zhǎng)晶(growth)，已使得鉆石薄膜維持在納米晶粒的尺寸。
另一個(gè)例子就是一并排除氫氣的使用，使得鉆石晶核完全無(wú)法長(zhǎng)晶，因此，甲烷的濃度(大約1vol％)與大約99vol％的氬氣或氮?dú)饣旌?，并且藉由CVD法(如微波法)供給能量，而該分離的甲烷將會(huì)形成如鉆石晶核一樣擱置的雙原子碳，結(jié)果所形成的納米鉆石薄膜通常具有高品質(zhì)的透明狀態(tài)，因此非常適合制作模具面。
另一種減少鉆石薄膜的研磨或磨亮效果的方法是在CVD鉆石中摻入硼，而鉆石通常是電絕緣體，但摻硼鉆石(boron doped diamond，BDD)和半金屬相似為電導(dǎo)性，因此，薄膜可用EDM研磨或磨亮，而將該鉆石薄膜借著從陰極釋放的電弧的高能量粒子沖擊以塑造模具凹部的形狀。EDM或EDG具有高效能，因此時(shí)間與成本的花費(fèi)能夠大大的減少。
而本發(fā)明的另一種情形是一個(gè)低溫氣相沉積方法能夠作為一致性鉆石(Conformal diamond)的被覆方法，一致性鉆石被覆方法提供較習(xí)用鉆石薄膜方法更多的優(yōu)點(diǎn)，一致性鉆石被覆方法可實(shí)施在各種寬度的基材上，且包括非平面的基材。一個(gè)生長(zhǎng)的表面可以在不施加偏壓使鉆石長(zhǎng)晶的條件下再處理，以形成碳薄膜，該鉆石長(zhǎng)晶的條件是習(xí)用鉆石的CVD沉積條件但不使用偏壓，因此，所形成的薄層的碳薄膜通常厚度在小于約100埃(angstrom，)左右，而再處理的步驟可以實(shí)施在幾乎任何成長(zhǎng)溫度，例如可從約200℃至900℃左右，但低于500℃的較低溫度可能是較佳的，在沒(méi)有任何特別理論束縛下，薄層的碳薄膜可在短時(shí)間內(nèi)形成，例如少于一小時(shí)，而且該碳薄膜是一種氫氣終止的無(wú)晶形碳。
該碳薄膜可種晶于納米級(jí)鉆石上，該納米級(jí)鉆石利用納米及鉆石粉末以超音波振動(dòng)器分散以形成可被種晶的基材，雖然任何適合的分散方式都可以使用，但一般所述的分散是納米級(jí)鉆石在甲醇中的分散，過(guò)量的納米級(jí)鉆石可藉由清洗而被移除，用此方法的種晶可達(dá)到非常高的成核密度，例如超過(guò)1011/cm2。
該被種晶的基材需經(jīng)過(guò)鉆石長(zhǎng)晶條件以形成如同一至性鉆石薄膜的鉆石薄膜，該鉆石長(zhǎng)晶條件可以是經(jīng)常在使用的傳統(tǒng)CVD鉆石長(zhǎng)晶的那些條件，然而，不同于習(xí)用鉆石薄膜長(zhǎng)晶法，該鉆石薄膜可利用上述再處理步驟可制造出一致性鉆石薄膜。再者，鉆石薄膜通常實(shí)質(zhì)上不需要培養(yǎng)時(shí)間就可以開(kāi)始成長(zhǎng)至整個(gè)基材上，除此之外，一個(gè)如實(shí)質(zhì)上沒(méi)有晶界(grainboundaries)的連續(xù)薄膜可以發(fā)展成長(zhǎng)至80納米。
雖然適合的條件有很多種，但此方法的溫度由本發(fā)明的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看要有好的結(jié)果是可以保持在500℃以下的，例如溫度從大約250℃至大約500℃是有用的，而溫度從300℃至450℃通常是較佳的，長(zhǎng)晶條件不需要和那些再處理步驟中所用的一樣，而是可以在實(shí)質(zhì)上不同的，例如，習(xí)用的CVD鉆石長(zhǎng)晶條件可用在再處理步驟中以形成薄層的碳薄層，而電漿或激光剝蝕的條件可用在長(zhǎng)晶步驟。
上述單晶鉆石以及多晶鉆石薄膜的例子實(shí)質(zhì)上可為非常適合形成制模材料層14a和/或工作表面16的純鉆石，其表面可被磨亮至納米級(jí)(nanom)或埃級(jí)()的拋光，這樣的表面可能也可以藉由氫氣、氮?dú)饣蚍鷼獾慕K止反應(yīng)而具有惰性，最重要的是其溫度穩(wěn)定性可在非氧化環(huán)境下(如真空或用氦氣、氮?dú)饣驓錃鈨艋^(guò)的環(huán)境)高達(dá)1200℃，結(jié)果這樣的條件非常適合在高溫下壓模型成光學(xué)透鏡。
一般在700℃的情況下制造玻璃鏡片的硬化鋼模具壽命通常只有10至30次，而強(qiáng)化碳化鎢通常只有100至300次，而本發(fā)明模具總成的使用壽命預(yù)期可承受超過(guò)一百萬(wàn)次的循環(huán)使用，因此，雖然本發(fā)明的鉆石模具可能比習(xí)用的cWC模具貴出十倍，但比較起來(lái)每一片鏡片的制造成本事實(shí)上是非常少的，而且本發(fā)明沒(méi)有如一般機(jī)器一樣為了更換模具構(gòu)件的“停工期(down time)”，因此這種不中斷的操作將會(huì)大大地提高制造生產(chǎn)率。而最重要的是因?yàn)椴粡澢你@石模具面維持非常充分的耐受度，所以制造出來(lái)的鏡片品質(zhì)也有顯著地改善，而鉆石的堅(jiān)硬會(huì)在模具的壓模過(guò)程中集中壓力，所以玻璃珠的流動(dòng)呈靜止，且具有最小的剪切力，以使得所制造的鏡片的折射率具有非常高的等向性，而幾乎呈現(xiàn)完全惰性的鉆石面也讓鏡片表面非常平滑。
就一方面而言，在制模材料層14的工作表面22上的超硬CVD薄膜24可能是類(lèi)鉆碳(DLC)，而DLC無(wú)法正常、良好地附著于已知的鏡片模具基材，而且常常在高溫以及壓力循環(huán)下分層，但DLC卻可以良好地附著在鉆石或碳化硅(SiC)上，尤其因著鉆石-碳化硅基材的強(qiáng)力支撐以及在真空或非氧化環(huán)境下是確實(shí)可行的。雖然超硬鉆石薄膜可被應(yīng)用于模具表面以提供模具表面的超硬拋光，而類(lèi)鉆碳薄膜包括氮?dú)庖詭椭嫉男纬?，而氮化的DLC可在溫度高達(dá)700℃時(shí)還具有熱穩(wěn)定性。
如圖1及圖2所示的例子，該制模材料層(14，14a)至少部分嵌入支撐材料層中，而在本發(fā)明另一實(shí)施例中，該制模材料層是完全地嵌入支撐材料層中，或者耦合于支撐材料層的頂端部，除此之外，一些貴重金屬可被提供于任何一個(gè)上述實(shí)施例中的制模材料層的工作表面，以使該光學(xué)元件的表面在形成于模具總成時(shí)更平滑。
依照另一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明亦可提供一種制造至少部分球形元件的模具總成，例如滾軸(roller)或滾珠軸承(ball bearing)組件、光學(xué)鏡片以及各種其他需要非常光滑的工作表面的元件，本實(shí)施例的另一方面，該模具總成可以包括一支撐材料層以及耦合于支撐材料層的制模材料層，在針對(duì)壓力超過(guò)10Mpa以及溫度超過(guò)100℃時(shí)，該制模材料層可以使材料塑形，該制模材料層包括實(shí)質(zhì)上連續(xù)且硬度一致的表面。
用于此處的“實(shí)質(zhì)上連續(xù)”可被了解是指著制模材料層實(shí)質(zhì)上沒(méi)有微米級(jí)的裂痕或晶界存在的情形。而這里所說(shuō)的“硬度實(shí)質(zhì)上一致”可被了解是指實(shí)質(zhì)上在制模材料層上沒(méi)有“軟化點(diǎn)”發(fā)生的情形，這種情形可能發(fā)生在如當(dāng)強(qiáng)化碳化鎢被用來(lái)在硬的基質(zhì)里面或周?chē)a(chǎn)生特別軟的材料，不然就是被應(yīng)用于與強(qiáng)化碳化鎢一起形成的模具總成組件中。
除了上述的實(shí)施例外，本發(fā)明亦提供一種為了形成光學(xué)元件但沒(méi)有明示于圖中的模具組成，該光學(xué)元件包括支撐材料層以及耦合于支撐材料層的制模材料層，該制模材料層包括第一工作區(qū)、第二工作區(qū)以及過(guò)渡區(qū)，該第一工作區(qū)可包括超硬材料并且具有可將光學(xué)元件壓模于模具總成時(shí)定出形狀輪廓的工作表面，該過(guò)渡區(qū)連接于第一與第二工作區(qū)，并且從第一工作區(qū)至第二工作區(qū)具有一組成梯度，本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)模具已經(jīng)成功的使用在制造寬度或尺寸等于或大于50微米的光學(xué)透鏡。
此發(fā)明的實(shí)施例的模具總成可藉由陶材組成被覆(cermet compositecoating，CCC)覆蓋于陶材(例如強(qiáng)化WC)上而形成，在這方面，該CCC可以從如鎢(W)的金屬“筑平(grade)”至如碳化硅的陶材或從陶材筑平至陶材，本發(fā)明這方面有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，該覆蓋于支撐材料層的被覆層通常在混合或“筑平”至基材時(shí)不具有微小的邊界層，該被覆層用此方法將不容易從基材上剝落，該被覆層亦為實(shí)質(zhì)上連續(xù)而不具有晶界，導(dǎo)致較少的被覆層表面“剝落(pitting)″。如同上述實(shí)施例所述的，DLC被覆層或CVD鉆石薄膜可能覆蓋于CCC材料上以提供CCC模具表面額外的平滑效果。
本發(fā)明的實(shí)施例的第一工作區(qū)可包含陶材、含鉆石材料(如DLC)和/或其復(fù)合材料；而第二工作區(qū)可包括陶材，該陶材包括碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化鎢(WC)及其復(fù)合物。該組成梯度可為連續(xù)性或非連續(xù)性的組成梯度。
適合用于本發(fā)明的CCC材料的個(gè)別種類(lèi)以及形成方法，可更進(jìn)一步結(jié)合參考在2004年4月30日申請(qǐng)但尚未獲準(zhǔn)的美國(guó)專(zhuān)利第10/837,242號(hào)的申請(qǐng)案。
除了上述揭示的結(jié)構(gòu)原件外，本發(fā)明亦提供制造光學(xué)元件的方法，其包括以下步驟取得一上述的模具總成；將一部份未成形的光學(xué)材料設(shè)置在制模材料層的工作表面上；以及將光學(xué)材料在足夠高以使該光學(xué)材料流動(dòng)的溫度下壓入模具總成中。
以下例子提供各種制造本發(fā)明的模具的方法，這樣的例子僅作為描述而非有意限制本發(fā)明。
實(shí)施例例1在約6Gpa的壓力以及約1500℃的溫度下將微米級(jí)(大約2至6微米)的鉆石與鎢粉末混合20秒，該制成的PCD具有直徑約30微米以及高約20微米的圓柱形狀，該P(yáng)CD因鎢的存在而釋出電子以在其中制造凹部，結(jié)果該凹部被鉆石器具研磨，且借著尺寸縮小的鉆石粉未而被拍打或研磨而達(dá)到鏡面拋光的效果，這樣形成的模具可直接使用或可進(jìn)一步地將鉆石薄膜或陶材組成被覆于其上。
例2一個(gè)燒結(jié)的圓柱被用作制模材料層，其形成具有凹部以及平滑拋光，其表面被覆有陶材組成被覆，其是從碳化硅筑平至鎢上，所以表面幾乎沒(méi)有或完全沒(méi)有晶界。
當(dāng)然，必須要了解上述排列僅僅敘述根據(jù)本發(fā)明的原則所呈現(xiàn)的應(yīng)用，還有許多改變及不同的排列亦可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下被于本領(lǐng)域具通常知識(shí)者所設(shè)想出來(lái)，而申請(qǐng)范圍也涵蓋上述的改變和排列，因此，盡管本發(fā)明被特定及詳述地描述呈上述最實(shí)用和最佳實(shí)施例，于本領(lǐng)域具通常知識(shí)者可在不偏離本發(fā)明的原則和觀(guān)點(diǎn)的情況下做許多如尺寸、材料、形狀、樣式、功能、運(yùn)作狀態(tài)、組合和使用等變動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種形成至少部分球狀元件的模組總成，其特征在于，其包括一支撐元件；以及一耦合于該支撐元件的超硬制模材料層，該制模材料層在壓力超過(guò)10Mpa以及溫度超過(guò)100℃時(shí)使一材料塑形，該制模材料層包括實(shí)質(zhì)上連續(xù)且硬度一致的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具總成，其特征在于其中所述的制模材料層包括一耦合于支撐材料層的單晶鉆石，該制模材料層包括在一光學(xué)元件壓模于模具總成時(shí)定出形狀輪廓的工作表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具總成，其特征在于其中所述的制模材料層包括耦合于支撐材料層的PCD以及覆蓋于PCD制模材料層的工作表面的超硬薄膜，該P(yáng)CD包括一光學(xué)元件壓模于模具總成時(shí)定出形狀輪廓的工作表面，該超硬薄膜在模具總成以及光學(xué)元件之間形成一平滑的界面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模具總成，其特征在于其中所述的單晶鉆石的(111)晶面朝模具總成的壓縮軸定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模具總成，其特征在于其中所述的超硬薄膜為鉆石薄膜或一類(lèi)鉆碳薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模具總成，其特征在于其中所述的類(lèi)鉆碳薄膜包括氮?dú)狻?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模具總成，其特征在于其中所述的PCD包括作為燒結(jié)助劑的陶材，其選自于以下群組碳化硅、碳化鈦、氮化鈦、氮化硅、氮化鋁、碳化鎢以及氧化鋁。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的模具總成，其特征在于其中所述的PCD尚包含可幫助PCD放電加工的導(dǎo)電金屬。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的模具總成，其特征在于其中所述的導(dǎo)電金屬包括鈦或鎢。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的模具總成，其特征在于其中所述的制模材料層以黃銅焊接于支撐材料層上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的模具總成，其特征在于其中所述的黃銅包括鈦銅硅合金或銅錫鈦合金。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的模具總成，其特征在于其中所述的制模材料層在真空狀態(tài)下以黃銅焊接于支撐材料層上。
13.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的模具總成，其特征在于其中所述的制模材料層至少部分嵌入支撐材料層中。
14.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的模具總成，其特征在于其中所述的支撐材料層是選自于以下群組強(qiáng)化碳化鎢、碳化硅、氮化硅以及硬化鋼。
15.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的模具總成，其特征在于其中所述的制模材料層的工作表面藉由從該工作表面移除晃動(dòng)鍵以使其成為非活性。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的模具總成，其特征在于其中所述的晃動(dòng)鍵鍵結(jié)于僅具有單價(jià)電子的元素。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的模具總成，其特征在于其中所述的具有單價(jià)電子的元素包含氫或鹵素。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的模具總成，其特征在于其中所述的鹵素選自以下群組氟、氯、溴、碘及其混合物。
19.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的模具總成，其特征在于其尚包含被提供于制模材料層的工作表面的一些貴重金屬，使得光學(xué)元件的表面在形成于模具總成時(shí)更平滑。
20.一種形成光學(xué)元件的模具總成，其特征在于其包括一支撐材料層；一耦合于該支撐材料層的制模材料層，而該制模材料層包括第一工作區(qū)、第二工作區(qū)以及過(guò)渡區(qū)，該第一工作區(qū)可包括超硬材料并且具有可將光學(xué)元件壓模于模具總成時(shí)定出形狀輪廓的工作表面，該過(guò)渡區(qū)連接于第一與第二工作區(qū)，并且從第一工作區(qū)至第二工作區(qū)具有一組成梯度。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的模具總成，其特征在于其中所述的第一工作區(qū)包括一選自于下列群組材料陶材、含鉆石材料及其復(fù)合材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的模具總成，其特征在于其中所述的第二工作區(qū)包括陶材。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的模具總成，其特征在于其中所述的陶材選自于以下群組碳化硅、氮化硅、碳化鎢及其復(fù)合物。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的模具總成，其特征在于其中所述的第一工作區(qū)域包括含鉆石材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的模具總成，其特征在于其中所述的含鉆石材料是類(lèi)鉆碳。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的模具總成，其特征在于其中所述的組成梯度為連續(xù)性組成梯度。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的模具總成，其特征在于其尚包含被提供于制模材料層的工作表面的一些貴重金屬，使得光學(xué)元件的表面在形成于模具總成時(shí)更平滑。
28.一種形成光學(xué)元件的方法，其特征在于其包括以下步驟取得根據(jù)權(quán)利要求2或3或20的模具總成；將一部份未成形的光學(xué)材料設(shè)置在制模材料層的工作表面上；以及將光學(xué)材料在足夠高以使該光學(xué)材料流動(dòng)的溫度下壓入模具總成中。
全文摘要
一種形成光學(xué)元件的模具總成，其包括支撐材料層以及已揭露且說(shuō)明的制模材料層，一方面，該制模材料層包括耦合于支撐材料層上的單晶鉆石，且包含一光學(xué)元件壓模于模具總成時(shí)定出形狀輪廓的工作表面，另一方面，該制模材料層包括耦合于支撐材料層的PCD以及包含一光學(xué)元件壓模于模具總成時(shí)定出形狀輪廓的工作表面，再另一方面而言，該制模材料層可能包含陶材組成被覆材料以提供耦合于支撐材料層的一材料至該模具總成工作表面的另一材料的梯度，該工作表面能在光學(xué)元件壓模時(shí)定出該光學(xué)元件的形狀輪廓。本發(fā)明可改善光學(xué)鏡片或其他裝置的品質(zhì)和制造生產(chǎn)量。
文檔編號(hào)B29L11/00GK1990208SQ20061017321
公開(kāi)日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2006年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者宋健民 申請(qǐng)人:宋健民