(57)【要約】【課題】  ピンホールや微細なピットを発生させないで素地の成形面を鏡面研磨できる光学素子成形用の金型の鏡面研磨方法を提供する。【解決手段】  光学素子を成形する金型１の素地の成形面２を平均粒径１０〜１５０ｎｍの砥粒６を用いて鏡面研磨する。金型１の光学素子の成形面の形状を形成する形状創成工程と、成形面を平滑化するスムージング工程と、成形面を平均粒径１０〜１５０ｎｍの砥粒を用いて研磨する鏡面研磨工程により成形面の加工においてメッキ処理を省略して完成させることができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を成形するための金型の成形面を、平均粒径１０〜１５０ｎｍの砥粒を用いて鏡面研磨することを特徴とする金型の鏡面研磨方法。
【請求項２】
請求項１記載の金型の鏡面研磨方法において、
内圧で張りが与えられている中空ドーム状の弾性研磨体と前記成形面との間に前記砥粒を介在させて研磨することを特徴とする金型の鏡面研磨方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の金型の鏡面研磨方法において、
前記砥粒がコロイダルシリカであることを特徴とする金型の鏡面研磨方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の金型の鏡面研磨方法において、
前記金型の素材が、ステンレス鋼又はプリハードン鋼であることを特徴とする金型の鏡面研磨方法。
【請求項５】
光学素子を成形するための金型の成形面を形成する形状創成工程と、
前記成形面を平滑化するスムージング工程と、
前記成形面を平均粒径１０〜１５０ｎｍの砥粒を用いて研磨する鏡面研磨工程とを行うことにより、前記金型の成形面の加工を完成させることを特徴とする成形型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチックレンズなどの光学素子を成形する金型の鏡面研磨方法及びその鏡面研磨方法を含む成形型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、眼科や、眼鏡の小売店等で顧客の視力検査等に使用されるトライアルレンズ、カメラ、携帯電話機器等に搭載されるプラスチックレンズ等の光学素子を射出成形法により製造することが行われている。光学素子には光を透過又は反射する光学面が設けられている。光学素子の光学面を転写する金型の成形面は鏡面研磨されている必要がある。また、光学面を転写する金型の成形面にはピンホールや微細なピットがあってはならない。
【０００３】
ところが、プラスチック金型用鋼として用いられているプリハードン鋼は、切削性、鏡面性、硬度、耐力、靭性等に優れているものの、鋼中の介在物の酸化アルミニウムが鏡面研磨する際に脱落してピンホールや微細なピットの原因となってしまうという問題がある。ピンホールが生じると、成形品に星状の欠点となって表れる。この問題点に対し、鏡面性に特に優れたレンズ用プラスチック金型材が下記の特許文献で示されているが、不十分である。そのため、従来、光学素子を成形する金型の製造は、金型表面を超精密加工機を用いて形状創成後、金型表面に無電解ニッケルメッキ等を約１００μｍ積層してピンホール等の欠陥を改善し、再度超精密加工機で形状創成し、研磨加工で金型成形面を鏡面化することが行われている。
【特許文献１】特開昭６３−１１４９４２号公報
【特許文献２】特開平１１−１５８５７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、金型にニッケルメッキを施すことは確実にコストアップになると共に、製造納期が長くなるという問題点を有する。そのため、従来のプリハードン鋼を用いてニッケルメッキ加工しないでピンホールや微細なピットを生じさせずに金型の成形面を鏡面研磨することが求められている。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ピンホールや微細なピットを発生させないでメッキ処理していない素地の金型を鏡面研磨できる光学素子成形用の金型の鏡面研磨方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、ピンホールや微細なピットがなくメッキ処理していない素地の鏡面研磨面を有する成形型の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は、第１に、光学素子を成形するための金型の成形面を平均粒径１０〜１５０ｎｍの砥粒を用いて鏡面研磨することを特徴とする金型の鏡面研磨方法を提供する。
【０００７】
従来、光学面を成形する成形面の鏡面研磨には、鏡面研磨に通常に用いられる砥粒として平均粒径が１．３μｍ程度のアルミナが用いられていたが、本発明は、従来の１／１０程度の平均粒径１０〜１５０ｎｍの砥粒を用いることによって、ピンホールや微細なピットを発生させないで素地の成形面を鏡面研磨できることを見出した。細かい砥粒を用いることによってピンホールや微細なピットを発生させないで鏡面研磨できる理由は、金型表面の削り速度が遅くなり、介在物を脱落させる程度に金型表面を削る前に金型表面を鏡面研磨できるため、介在物が脱落せずに鏡面研磨できるものと考えられる。
【０００８】
本発明は、第２に、上記第１の金型の鏡面研磨方法において、内圧で張りが与えられている中空ドーム状の弾性研磨体と前記成形面との間に前記砥粒を介在させて研磨することを特徴とする金型の鏡面研磨方法を提供する。
このような弾性研磨体は、非球面レンズのような自由曲面にも変形によってよく追随して密着することができるため、均一な鏡面研磨が可能になる。
【０００９】
本発明は、第３に、上記第１又は２の金型の鏡面研磨方法において、前記砥粒がコロイダルシリカであることを特徴とする金型の鏡面研磨方法を提供する。
コロイダルシリカの平均粒径は１０〜１５０ｎｍの範囲に収まる上、硬度がアルミナより低く、研磨速度が遅いため、介在物を脱落させない程度の削り量に留める研磨が容易になる。
【００１０】
本発明は、第４に、上記第１〜３のいずれかに記載の金型の鏡面研磨方法において、前記金型の素材が、ステンレス鋼又はプリハードン鋼であることを特徴とする金型の鏡面研磨方法を提供する。
【００１１】
本発明の鏡面研磨方法によれば、ステンレス鋼又はプリハードン鋼を金型に用いた場合においても、金型表面にピンホールや微細なピットを発生させることがないため、研磨後に金型の成形面にニッケルメッキを施さなくても鏡面を形成することが可能となる。
【００１２】
本発明は、第５に、光学素子を成形するための金型の成形面を形成する形状創成工程と、前記成形面を平滑化するスムージング工程と、前記成形面を平均粒径１０〜１５０ｎｍの砥粒を用いて研磨する鏡面研磨工程とを行うことにより、前記金型の成形面の加工を完成させることを特徴とする成形型の製造方法を提供する。
【００１３】
平均粒径１０〜１５０ｎｍの砥粒を用いて金型を研磨することによって、ピンホールや微細なピットを発生させないで金型素地を鏡面研磨できるため、ニッケルメッキを施さずに光学素子成形用の金型を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の金型の鏡面研磨方法及び成形型の製造方法の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１５】
本発明の金型の鏡面研磨方法の対象となる金型は、眼科や、眼鏡の小売店等で顧客の視力検査等に使用されるトライアルレンズ、カメラ、携帯電話機器等に搭載されるプラスチックレンズ等の光学素子を成形する成形型である。光学素子の光学面を成形する成形面には、ピンホールや微細なピットの発生がない鏡面が要求される。
【００１６】
金型の素材としては、例えば、ステンレス焼入れ焼き戻し鋼や、プリハードン鋼等の機械的強度の高い鋼材が挙げられる。プリハードン鋼としては、ウッデホルム（株）社製のＳＴＡＶＡＸ（商品名）等が例示できる。ＳＴＡＶＡＸはエレクトロスラグ溶解法により製造されたプラスチック金型用のクローム合金ステンレス工具鋼で、その分析値（％）は、Ｃ：０．３８、Ｓｉ：０．９、Ｍｎ：０．５、Ｃｒ：１３．６、Ｖ：０．３である。
【００１７】
その他に、鏡面性に優れたプラスチックレンズ用金型鋼として、重量％で、Ｃ：０．０７〜０．１６％、Ｓｉ：０．６以下、Ｍｎ：０．６〜１．５％、Ｎｉ：２．５〜３．５％、Ａｌ：０．３〜０．９％、Ｃｕ：１．８〜２．５％を含有し、またＳ：０．００４％以下であり、さらに必要に応じてＣｒ：０．６％以下またはＭｏとＷを単独もしくは複合で、１／２Ｗ＋Ｍｏ：０．１〜０．７％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるプラスチックレンズ用金型鋼プリハードン鋼が知られている（特許文献１）。
【００１８】
また、別の例では重量％で、Ｃ：０．０５〜０．２５％、Ｓｉ：０．２〜０．４％、Ｍｎ：０．２５〜２％、Ｓ−Ａｌ：０．０１〜０．０３％、Ｏ：０．００２％以下を含有し、更に必要に応じて、Ｃｒ：０．１〜３％、Ｍｏ：０．５〜１％、Ｖ：０．０５〜０．６％の１種または２種以上を含有し、また、必要に応じてＳ：０．００１〜０．１％、Ｐｂ：０．０３〜０．２％、Ｃａ：０．０００５〜０．０１％、Ｚｒ：０．００３〜０．２％及び、Ｂｉ：０．０１〜０．２％１種または２種以上を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなるプラスチックレンズ用金型鋼が知られている(特許文献２)。
【００１９】
図１に、本発明の鏡面研磨方法を含む成形型の製造工程の一例を表すフローチャートを示す。まず、金型のキャビティの形状を形成する形状創成工程を行う。形状創成工程は、ステップ１の粗加工とステップ２の仕上げ加工の２工程で行われる。ステップ１の粗加工は、例えばエンドミルによる切削加工、ディスク型ダイヤモンド砥石による研削加工等の機械加工、レーザ加工、放電加工等により最終形状に近い形状まで粗削りを行う。機械加工は、例えば４軸制御のＮＣ工作機械の３軸を用いて加工することができる。ディスク型ダイヤモンド砥石を用いる粗加工の加工条件の一例を示す。
加工工具：  ＃２７０ＣＢＮディスク型ホイール砥石
砥石回転数：  ２００００ｒｐｍ
ワーク回転数：  ２０ｒｐｍ
切りこみ量：  ５μｍ
送り速度：  ３ｍｍ／ｍｉｎ
加工時間：  １６．６ｍｉｎ／Ｐａｓｓ
加工機構成：  ＸＺＹＣ４軸構成（Ｙ軸は固定でＸＺＣ同時３軸加工）
分解能：  ＸＺ軸：４ｎｍ  Ｙ軸：０．１μｍ  Ｃ軸０．０００１ｄｅｇ
【００２０】
ステップ２の仕上げ加工は、粗加工で形成された形状からキャビティの形状を精密に形成する工程であり、例えば４軸制御のＮＣ工作機械の３軸を用いてディスク型ダイヤモンド砥石で加工することができる。ディスク型ダイヤモンド砥石を用いる仕上げ加工の加工条件の一例を示す。
加工工具：  ＃１５００ＣＢＮディスク型ホイール砥石
砥石回転数：  ２００００ｒｐｍ
ワーク回転数：  ２０ｒｐｍ
切りこみ量：  1μｍ
送り速度：  １ｍｍ／ｍｉｎ
加工時間：  ５０ｍｉｎ／Ｐａｓｓ
加工機構成：  ＸＺＹＣ４軸構成（Ｙ軸は固定でＸＺＣ同時３軸加工）
【００２１】
次に、ステップ３のスムージング工程を行う。スムージングは、形状精度を維持したまま、形状創成工程後に残った表面粗さを後段の研磨工程に入るために必要な表面粗さに仕上げることをいう。スムージングは、目の細かい研磨紙（紙ヤスリ）を用いて表面を滑らかにする。スムージングは、後述する鏡面研磨と同じ研磨装置を用いる。弾性研磨体の表面に研磨紙を貼り付けて研磨することが鏡面研磨と相違するだけである。
【００２２】
研磨紙は花びら形に形成され、中空のドーム状の弾性研磨体に貼り付けられる。弾性研磨体は内部に圧力流体が送られ、流体の内圧により張りが与えられる。弾性研磨体はモータで垂直軸を中心として回転可能であると共に、所定の荷重で垂直下方に押しつけることができるようになっている。金型を固定するテーブルは、垂直軸を中心としてモータで回転可能になっており、水平方向の直交する２軸に移動可能で、且つ下方にある支点を中心として揺動可能になっている。スムージングは、弾性研磨体を回転させつつ所定の荷重でテーブルに固定された成形型に押しつけながら、テーブルを弾性研磨体と反対方向に回転させながら水平方向に移動させつつ揺動させて行う。
【００２３】
スムージングの加工条件は、例えば次の通りである。
研磨紙：  厚さ９μｍ研磨紙（商品名:住友３Ｍ，２６２Ｌ、３mil、INPERIAL MICROFINISHING Film AG5）
荷重：  ３．０ｋｇ
研磨紙回転数：  １４０ｒｐｍ
揺動速度：  ３００mm／ｍｉｎ
金型回転数：  ５０ｒｐｍ
加工時間：  ６０ｓｅｃ
【００２４】
次に、ステップ４で本発明の鏡面研磨方法を採用する鏡面研磨工程を行う。鏡面研磨加工は、形状創成工程で形成された形状を維持したまま光学面として必要な面精度を得るものである。研磨装置の一例を図２に示す。研磨装置１００は、金型１が固定されるテーブル部１１０と、金型１の成形面２を研磨する研磨工具１３０とを備える。研磨工具１３０は、円盤状の基板１３１の下面にドーム状に形成されているゴムシートなどの弾性研磨体１３２の基端部が密着して固定されている構造になっている。弾性研磨体１３２の中空の内部に圧力流体が送られ、流体の内圧により弾性研磨体１３２に張りが与えられる。弾性研磨体１３２はモータ１３３で垂直軸を中心として回転可能であると共に、所定の荷重で垂直下方に押しつけることができるようになっている。研磨剤を保持する研磨布１３４としては起毛パッドが使用され、弾性研磨体１３２の下部に貼り付けられる。金型１にはドーム状のゴムカバー１１１が取り付けられており、金型１の側面部分が保護されている。テーブル部１１０は、金型１を載置し固定するテーブル１１２を備え、このテーブル１１２を水平方向の互いに直行するＸ軸とＺ軸，垂直方向のＹ軸，及び揺動のＢ軸の制御が可能であり、モータ１１３の駆動によってテーブル１１２を弾性研磨体１３２と反対方向へ回転させることができる。
【００２５】
弾性研磨体１３２は、金型１の成形面２の非球面及び自由曲面形状に追従し変形して成形面２に密着することができるので、非球面及び自由曲面形状に均一に当たり、これらの曲面を崩さずに成形面２を研磨することができる。また、弾性研磨体１３２は中空構造となっているため、内部の空気圧を調整することができ、金型１の素材もしくは形状に応じて、金型成形面２にかかる圧力を調整することができる。これにより、非球面及び、自由曲面形状を崩さずに、研磨することができる。
【００２６】
鏡面研磨方法は、図２（ａ）に示すように、成形面２の上にスポイト１４０などを用いて砥粒を含むスラリー１４１を滴下した後、図２（ｂ）に示すように、弾性研磨体１３２を回転させつつ所定の荷重でテーブル１１２に固定された金型１の成形面２に押しつけながら、テーブル１１２を弾性研磨体１３２と反対方向に回転させながら水平方向に移動させつつ揺動させ、弾性研磨体１３２と成形面２との間に砥粒を介在させて研磨を行う。
【００２７】
本発明においては、砥粒として、平均粒径１０〜１５０ｎｍ、好ましくは２０〜１２０ｎｍのものを用いる。粒径が細かすぎるものは研磨速度が遅くなりすぎて経済的でなく、一方、粒径が大きすぎると研磨速度が速くなりすぎて介在物の脱落を招く。砥粒の種類に制限はなく、アルミナ、シリカなどを用いることができる。好ましい砥粒は、コロイド状になっている砥粒であり、コロイダルシリカを好ましい砥粒として挙げることができる。従来、鏡面研磨に通常に用いられる砥粒として、平均粒径が１．３μｍ程度のアルミナが用いられていた。本発明で用いる砥粒は従来の砥粒より遙かに細かく、研磨速度は遅くなる。また、コロイダルシリカはアルミナよりも硬度が低く、この点でも研磨速度は遅くなる。
【００２８】
鏡面研磨工程の研磨条件は例えば以下の通りである。平均粒径７２ｎｍのコロイダルシリカを金型１の成形面２に約４ｃｃ程度滴下する。弾性研磨体１３２の加圧荷重３ｋｇ／ｃｍ２、弾性研磨体の回転数１４０ｒｐｍ、Ｂ軸送り速度１５０ｍｍ／ｍｉｎ、Ｘ、Ｙ軸送り速度５ｍｍ／ｍｉｎ、金型１を回転させるモータ１１３の回転数を５０ｒｐｍとする。研磨加工１回あたりの加工時間を９０ｓｅｃとする。研磨条件としては、荷重が従来の３．８ｋｇ／より小さくなり、弾性研磨体１３２の回転数も従来の６８０ｒｐｍよりかなり遅くなっている。研磨時間も約１．５倍となっている。
【００２９】
図４は、砥粒として従来のアルミナを用いた場合の金型表面状態を模式的に示す断面図ある。図４（ａ）に示すように、金型１の成形面２には酸化アルミニウムなどの介在物３が埋め込まれた状態で存在している。図４（ｂ）に示すように、大きく研磨力が強いアルミナ４を砥粒として用いると、図４（ｃ）に示すように、金型１の成形面２表面がごく短時間で削られ、埋め込まれていた介在物３が突出した後、砥粒４で成形面２から強制的に脱落し、脱落した跡に１５〜２０μｍ程度のピンホール５が発生するものと考えられる。
【００３０】
図３は、平均粒径１０〜１５０ｎｍの砥粒を用いる場合の同じ金型の表面状態を模式的に示す断面図である。図３（ａ）に示すように、金型１の成形面２には酸化アルミニウムなどの介在物３が埋め込まれた状態で存在している。図３（ｂ）に示すように、細かく硬度が低い砥粒６を用いると、金型１の成形面２が削られる速度が低下し、図３（ｃ）に示すように、成形面２の表面において、介在物３が脱落するほど削られる前に研磨を停止することができる。その状態では十分に鏡面化されており、鏡面研磨の目的は達成されている。細かく硬度が低い砥粒を用いて長い時間研磨し、砥粒としてアルミナを用いた場合と同程度に成形面２を削ると、従来と同様に介在物３は脱落する。このことから、細かい砥粒６を用いて研磨速度を遅くし、成形面２の削り量を適切に制御することによって、介在物３を脱落させないで鏡面研磨できるものと考えられる。
【００３１】
次のステップ５で、以上のような研磨加工を終えた金型の成形面の形状精度を計測する形状計測工程を行い、ステップ６で形状精度を公差規格と比較する。公差以上の場合は形状創成工程の仕上げ加工を再度行う。形状精度が公差未満であれば、ステップ７で表面粗さ計測工程を行い、ステップ８で表面粗さを公差規格と比較する。公差以上の場合には鏡面研磨加工を繰り返す。研磨後の測定結果が、公差範囲設計寸法となった時点で、ステップ９で金型表面性状検査工程を行う。金型表面性状検査工程ではピンホールや微細なピットの発生の有無を目視にて検査し、ステップ１０で金型表面状態の判定を行う。表面粗さ測定だけではピンホールやピットを検出できないおそれがあるからである。ピンホールやピットの発生が確認されたときは、形状創成工程の仕上げ加工を再度行う。ピンホールやピットが確認されなかったときは、金型の素地の成形面が完成したことになる。
【００３２】
このように、光学素子を成形する金型の光学面を成形する成形面を平均粒径１０〜１５０ｎｍの砥粒を用いて鏡面研磨することにより、形状創成工程、スムージング工程及び鏡面研磨工程の３つの工程だけで、メッキ処理を省略して金型の成形面を完成させることができる。
【００３３】
図５は、従来の成形型の製造工程を示すフローチャートである。ニッケルメッキ処理加工とこのニッケルメッキに対して形状創成する工程が図１のフローチャートに加わっている。本発明の成形型の製造方法は、かかるニッケルメッキ処理工程とこのニッケルメッキに対する形状創成工程を省略することができるため、低コストでかつ短納期で製造することができる。
【００３４】
上記説明では、スムージング加工と鏡面加工では、中空に内圧が加えられる弾性研磨体を用いる例で説明したが、その他の弾性研磨体を用いてもよく、形状もドーム状に限られない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の金型の鏡面研磨方法は、プラスチック用眼鏡レンズ、カメラ機能付携帯電話機用プラスチックレンズ、デジタルカメラ用プラスチックレンズ等、各種プラスチックレンズの成形に用いる金型加工を行う場合に広く利用することができる。
また、本発明の成形型の製造方法は、かかる利用分野を有する成形型を製造する分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の成形型の製造工程を示すフローチャート。
【図２】鏡面研磨に用いる研磨装置の概略の構成図。
【図３】本発明の研磨方法による金型表面状態を模式的に示す断面図。
【図４】従来の研磨方法による金型表面状態を模式的に示す断面図。
【図５】従来の成形型の製造工程を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００３７】
１：金型、２：成形面、３：介在物、４：砥粒（アルミナ）、５：ピンホール、６：砥粒（コロイダルシリカ）、１００：研磨装置、１１０：テーブル部、１１２：テーブル、１１３：モータ、１３０：研磨工具、１３１：基板、１３２：弾性研磨体、１３３：モータ、１３４：研磨布
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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