(57)【要約】【課題】基材の切削性を確保しながらも、耐久性に優れ、高精度な転写面形状を有する光学素子成形用金型の製造方法及び光学素子成形用金型を提供する。【解決手段】仕上げ加工前に真空熱処理を行うと、メッキ層１２の硬度が上昇し、仕上げ加工に用いる切削工具の損耗が激しくなりやすい。そこで、真空熱処理工程において、２００℃以上、２６０℃未満で３．５時間の熱処理を真空環境で行うことにより、メッキ層１２の硬度の増大を抑えて、仕上げ加工に用いる切削工具の損耗を極力抑制するようにしている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を成形する光学素子成形用金型の製造方法であって、
基材の表面にＮｉ−Ｐメッキからなるメッキ層を形成する工程と、
前記メッキ層を、所望の最終形状に近似する形状に加工する粗加工工程と、
前記粗加工工程の後、熱処理によって前記メッキ層を硬化させる真空熱処理工程と、
前記真空熱処理工程によって硬化した前記メッキ層を、前記所望の最終形状に加工する仕上げ加工工程と、を有し、
前記粗加工工程前に熱処理を行わないことを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。
【請求項２】
前記真空熱処理工程は、２００℃以上、２６０℃未満で３．５時間の熱処理を真空環境で行うことを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型の製造方法。
【請求項３】
前記仕上げ加工工程で、前記所望の最終形状として回折構造を光学素子の光学面に転写する転写面を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子成形用金型の製造方法。
【請求項４】
前記光学素子成形用金型は、プラスチックを素材として光学素子を成形することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子成形用金型の製造方法。
【請求項５】
前記真空熱処理工程後、前記基材を１３０℃以下になるまで真空環境で保持することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子成形用金型の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする光学素子成形用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子を形成するのに用いる光学素子成形用金型の製造方法及び光学素子成形用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に光ピックアップ装置や撮像装置等に用いられる光学素子は、高精度を必要とされる一方、近年では海外メーカーとの競合が激化し、製品の競争力を高めるために、よりコストを抑制することが求められている。ここで、高精度な光学素子を安価に大量生産するには、金型を用いた射出成形が好ましいといえるが、射出成形において更にコストを抑制する場合において、金型が１つのネックになる。より具体的には、金型の加工費用が高くなれば、成形品としての光学素子のコストを引き上げすこととなり、また金型の耐久性が低ければ、頻繁に交換が必要になってコストを引き上げることになる。特に、高性能な光学素子は回折構造などを光学面に有するので、これを転写する金型の面に、回折構造等に対応する微細な凹凸を切削加工する際に、高価な細幅のバイトを用いる必要があり、しかも１回の切削での摩耗量が大きくなりがちであるから、頻繁に取り替えが必要になり、これがコストを大きく引き上げる要因となっている。
【０００３】
一般的な光学素子成形用金型は、まず基材の予備加工を行って、メッキ層を付与し、所望の転写面形状に類似した粗加工を行った後に、熱処理を行い、更に仕上げ加工を行っている。しかるに、粗加工を行った後に熱処理を行うと、塵埃等の異物が加工面に付着して焼き付き、ピンホールやシミなどの表面不良を発生させる恐れがある。このような表面不良が発生すると、再加工が必要になり手間がかかる他、場合によっては基材を廃棄しなくてはならず、素材や加工が無駄になる。
【０００４】
これに対し、熱処理を行わなければ、加工工程ではピンホールやシミなどの表面不良が発生しないが、金型の硬度を確保できないから、成形時における摺動により金型にカジリが発生したり、成形時の熱でピンホールやシミなどの表面不良が発生する恐れがある。成形中に、このような不具合が発生すると通常の金型交換時期よりも早いタイミングで、金型を交換せざるを得ず、メンテナンスコストが増大する恐れがある。
【０００５】
これに対し、特許文献１には、ガラスレンズを成形する金型の製造方法であって、メッキを施した基材に対して予備熱処理を行った後に粗加工を行い、更に第２の熱処理を行った後に仕上げ加工することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２１５４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術によれば、メッキ層が高温の熱処理で硬化する前に、所望の最終形状に近似する形状に加工する粗加工を行っているので、硬化した後に行う仕上げ加工の際のメッキ層の取り代を小さくすることができ、粗加工に用いるバイトの摩耗を抑制することができる。また、高温の熱処理でメッキ層の結晶化を進行させた後に、所望の最終形状に加工する仕上げ加工を行うため、一旦仕上げた形状がその後の工程で崩れることを抑制でき、結晶化によって増大した面粗さを仕上げ加工によって低減させることができる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１の技術によれば、粗加工工程前に熱処理を行っているので、それにより基材表面の硬度が高まり、切削時のバイトの摩耗が激しく、コストの増大を招く恐れがある。特に、仕上げ加工工程で回折構造に対応する微細な凹凸構造を加工するバイトは、一般的に細幅であるから、仕上げ加工前に行う熱処理の温度が高いことと相まって、摩耗・損傷しやすく、これが切削工程を一層困難なものとしている。
【０００９】
本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、基材の切削性を確保しながらも、耐久性に優れ、高精度な転写面形状を有する光学素子成形用金型の製造方法及び光学素子成形用金型を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の成形用金型は、
光学素子を成形する光学素子成形用金型の製造方法であって、
基材の表面にＮｉ−Ｐメッキからなるメッキ層を形成する工程と、
前記メッキ層を、所望の最終形状に近似する形状に加工する粗加工工程と、
前記粗加工工程の後、熱処理によって前記メッキ層を硬化させる真空熱処理工程と、
前記真空熱処理工程によって硬化した前記メッキ層を、前記所望の最終形状に加工する仕上げ加工工程と、を有し、
前記粗加工工程前に熱処理を行わないことを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、前記粗加工工程前に熱処理を行わないので、前記メッキ層が硬化しないから、これを切削する粗加工時の工具の損耗を極力抑えることができる。一方、前記仕上げ加工前に真空熱処理を行うので、ピンホールやシミが発生した場合でも、前記仕上げ加工で転写面形状を整える際に効率的に除去でき、歩留まりが向上する。又、前記真空熱処理を行うことで、処理中における前記基材の酸化を抑制できるから、メッキ層の微細な結晶粒界の発生を防ぐことができ、前記仕上げ加工による加工面の平滑性を確保できる。このようにして形成された金型は、真空熱処理により硬度を確保しているので、成形時の摺動によりキズ付きを抑制でき、長期間にわたって安定して成形に用いることができる。
【００１２】
請求項２に記載の光学素子成形用金型の製造方法は、請求項１に記載の発明において、前記真空熱処理工程は、２００℃以上、２６０℃未満で３．５時間の熱処理を真空環境で行うことを特徴とする。
【００１３】
前記仕上げ加工前に真空熱処理を行うと、前記メッキ層の硬度が上昇し、前記仕上げ加工に用いる切削工具の損耗が進行しやすい。そこで、前記真空熱処理工程において、２００℃以上、２６０℃未満で３．５時間の熱処理を真空環境で行うことにより、前記メッキ層の硬度の増大を抑えて、前記仕上げ加工に用いる切削工具の損耗を極力抑制するようにしている。尚、熱処理を２００℃以上で行うことで、前記メッキ層の硬度を確保できるから、成形時のキズ付きを抑制できる。又、熱処理を２６０℃未満で行うことで、前記メッキ層の硬度が高くなりすぎないようにできるから、次工程の仕上げ加工において、前記メッキ層の切削性を確保し、工具の損耗を抑えることができる。但し、より好ましくは、２１０℃以上、２５０℃以下で熱処理を行うことである。
【００１４】
請求項３に記載の光学素子成形用金型の製造方法は、請求項１又は２に記載の発明において、前記仕上げ加工工程で、前記所望の最終形状として回折構造を光学素子の光学面に転写する転写面を形成することを特徴とする。
【００１５】
回折構造などを転写するために微細な凹凸構造を加工するバイトは、一般的に細幅であるから摩耗・損傷しやすいが、本発明によれば、前記メッキ層の硬度の増大を抑えることができるから、前記仕上げ加工に用いる切削工具の損耗を極力抑制できる。
【００１６】
請求項４に記載の光学素子成形用金型の製造方法は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記光学素子成形用金型は、プラスチックを素材として光学素子を成形することを特徴とする。
【００１７】
プラスチックはガラスに比べガラス転移点温度が低いので、取り扱いが容易であり、大量生産に適する。
【００１８】
請求項５に記載の光学素子成形用金型の製造方法は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記真空熱処理工程後、前記基材を１３０℃以下になるまで真空環境で保持することを特徴とする。
【００１９】
これにより、前記基材が安定し、取り扱いが容易になる。
【００２０】
請求項６に記載の光学素子成形用金型は、請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、基材の切削性を確保しながらも、耐久性に優れ、高精度な転写面形状を有する光学素子成形用金型の製造方法及び光学素子成形用金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態における光学素子成形用金型の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】各工程を模式的に示す断面図である。
【図３】メッキ層の熱処理温度とビッカース硬度（Ｈｖ）との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる実施形態について説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲は以下の実施形態及び図示例に限定されるものではない。
【００２４】
図１は、本実施形態における光学素子成形用金型の製造方法を示すフローチャート、図２は各工程を模式的に示す断面図、図３はメッキ層の熱処理温度とビッカース硬度（Ｈｖ）との関係を示すグラフである。以下、図１のフローチャートに従って各工程を順に説明する。
【００２５】
まず、図１のステップＳ１０１において、基材の予備加工を行う。より具体的には、円筒状の基材１１の成形面１５を、工具Ｔ１を用いて成形すべき光学素子の光学面に応じた所定の形状に加工する（図２（ａ））。基材１１の材質に特に制限はない。好ましく用いることができる材質として、例えば、各種耐熱合金（ステンレス等）、炭化タングステンを主成分とする超硬材料、各種セラミックス（炭化珪素、窒化珪素等）、カーボンを含んだ複合材料等が挙げられるが、ここではプリハードン鋼系の素材を用いる。
【００２６】
又、成形面１５の形状にも特に制限はなく、平面、凸面、凹面の何れであってもよい。次の工程で形成するメッキ層１２の膜厚を薄くし、メッキ層１２の剥離を抑制する観点からは、製造するプラスチック成形体の面形状に対応した最終形状に近い形状とすることが好ましいが、加工コストが上がるため必要以上に最終形状に近い形状とする必要はない。最終形状と、本工程における基材１１の成形面の形状との差は、最も大きい位置で１μｍ〜５０μｍであることが好ましく、２μｍ〜２０μｍであることがより好ましい。
【００２７】
次に、図１のステップＳ１０２において、無電解メッキ層の形成を行う。より具体的には、基材１１の表面（成形面１５）にＮｉ−Ｐメッキからなるメッキ層１２を形成する（図２（ｂ））。ここで、Ｎｉ−Ｐメッキとは、Ｐを含む無電解ニッケルメッキであり、公知の方法で形成することができる。メッキ液としては、例えば、還元剤として次亜リン酸を用いたメッキ液等を用いればよい。メッキ層１２の膜厚は、加工によって最終形状を得るための取り代の分だけの厚みがあればよいが、必要な形状精度を得るために繰り返し追い込み加工を行う場合の取り代の分も考慮しておくことが好ましい。しかし、必要以上に厚すぎると膜剥離等の欠陥が発生しやすくなる場合がある。そのため、メッキ層１２の膜厚は、基材１１の成形面１５の形状と最終形状との差の最大値よりも、１μｍ〜５０μｍ厚いことが好ましい。従って、メッキ層１２の膜厚は、２μｍ〜１００μｍが好ましく、３μｍ〜７０μｍがより好ましい。
【００２８】
次に、図１のステップＳ１０３において、粗加工工程を行う。より具体的には、メッキ層１２を、ダイヤモンドバイト等のバイトＴ２を用いて所望の最終形状に近似する形状に加工する（図２（ｃ））。
【００２９】
粗加工は、公知の加工装置、加工方法により実施すればよい。粗加工工程後のメッキ層１２の形状は、最終形状に近似する形状であり、粗加工工程の前よりも最終形状との差が小さくなっている。そのため、メッキ層１２が硬化した後に行う仕上げ加工工程（工程Ｓ１０５）の際の取り代を小さくすることができ、バイトの摩耗を抑制することができる。仕上げ加工工程におけるバイトの摩耗を効果的に抑制する観点からは、粗加工工程におけるメッキ層１２の取り代の最大値は、仕上げ加工工程における取り代の最大値よりも大きいことが好ましい。粗加工工程により最終形状にできるだけ近い形状に加工することが好ましいが、次に行う真空熱処理工程で変形してしまうことを考慮すると、必要以上に最終形状に近づけることは加工コストが高くなるだけで好ましくない。そのため、粗加工工程後の形状と最終形状との差は、０．５〜５μｍが好ましく、１〜４μｍがより好ましい。
【００３０】
次いで、図１のステップＳ１０４において、真空熱処理工程を行う。より具体的には、図２（ｃ）において、基材１１を密閉された真空炉ＶＦ内に配置し、負圧ポンプＰを用いて、内部を０．０９Ｐａを目標に負圧にする。そして、ヒータＨＴにより、内部温度を２００℃以上、２６０℃未満に上昇させ、３．５時間保持する。その後、内部温度が１３０度℃を下回るまで基材１１を真空炉ＶＦ内に放置して徐冷し、取り出して次工程に送る。
【００３１】
図３に示すように、２００℃以上、２６０℃未満の熱処理を行うと、メッキ層１２のビッカース硬度は５６０Ｈｖから６２０Ｈｖ程度であり、ビッカース硬度の上昇は僅かである。これにより次工程での仕上げ加工の加工性を高め、バイトの損耗を抑えながらも、成形時に必要なメッキ層１２の硬度を確保できる。
【００３２】
次に、図１のステップＳ１０６で、仕上げ加工工程を行う。より具体的には、真空熱処理工程で熱処理されたメッキ層１２を、ダイヤモンドバイト等の剣先バイトＴ３を用いて、回折構造を転写する最終の転写面形状に加工する（図２（ｄ））。メッキ層１２は、真空熱処理工程によって硬化を抑えられているとともに、上述の粗加工工程（ステップＳ１０３）によって最終形状に近似する形状にまで加工されているため、剣先バイトＴ３の摩耗を最小限に抑えることができるから、剣先バイトＴ３が微細な輪帯形状１３を形成するのに適した細幅のものであっても、比較的長い切削距離を維持できる。
【００３３】
また、仕上げ加工工程を行うことによって、真空熱処理工程における結晶化によって増大したメッキ層１２の面粗さを低減させ、且つ熱処理時に生じたピンホールやシミなどを排除できる。加工は、公知の加工装置、加工方法により実施すればよい。仕上げ加工工程の際の取り代の最大値は、通常は、０．５〜５μｍが好ましく、１〜４μｍがより好ましい。
【００３４】
仕上げ加工工程が完了すると、光学素子成形用金型が完成する。ただし、メッキ層１２の劣化の抑制や、プラスチック成形体へのエアー溜まりの発生の抑制という効果を得る観点からは、仕上げ加工工程に引き続いて、保護膜を形成する工程を設けても良い。
【００３５】
以下、本発明者らが行った検討結果を説明する。本発明者らは、図１に示す工程で、真空熱処理時の温度を変えながら、又は行わず、光学素子成形用金型を製作し、硬度と、切削性と、製品品質安定性を評価した。基材を取り付けた旋盤の回転速度は、１０００ｍｉｎ-1（ｒｐｍ）とした。評価結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表１に示すように、熱処理を行わない場合、切削性には優れるが、金型の硬度が不足し、成形時にカジリなどの不具合が生じた。一方、２６０℃で熱処理を行った場合、金型の硬度は十分であり、カジリもなく製品品質安定性に優れるが、同じバイトで切削できる基材の数は４本以上９本以下であり、やや切削性に難があることが分かった。特に２６５℃で熱処理を行った場合、同じバイトで切削できる基材の数は３本以下と悪化した。これに対し、２１０℃から２５０℃で熱処理を行った場合、いずれも金型の硬度は十分であり、製品品質安定性に優れ、同じバイトで切削できる基材の数は１０本以上と切削性に優れることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、本発明により製造した金型で成形できる光学素子としては、光ピックアップ装置用の対物レンズ、撮像装置用のレンズなどがある。
【符号の説明】
【００３９】
１１  基材
１２  メッキ層
１３  輪帯形状
ＶＦ  真空炉
ＨＴ  ヒータ
Ｐ  負圧ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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