JPH09193165A - 樹脂成形用金型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工精度を悪化することなく、連続した離型
が可能な樹脂成形用金型を製造する。 【解決手段】 イオン加速エネルギー１０ｋｅＶ〜４０
ｋｅＶ、注入量１０¹⁰〜１０²⁰ｉｏｎｓ／ｃｍ² の注入
条件で窒素イオンを成形面に注入することで、最大濃度
が１０ａｔｍ％以上であり、且つ最大濃度が少なくとも
表面から１５００Åまでに窒素が存在するようにし、さ
らに最大表面粗さＲ_max を０．５μｍ以下となっている
金型を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズ、プリズム
等の樹脂よりなる光学素子を成形するのに使用される樹
脂成形用金型及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】樹脂からなる光学素子の成形において
は、成形された光学素子の金型からの離型を容易にする
必要がある。この離型を容易にするためには、離型剤か
らなる非粘着層を金型に設けることがなされている。例
えば、特開昭６０−７３８１６号公報、特開昭６１−１
６８２３号公報には、金型に離型剤を浸漬法、スプレー
法、スピン法およびハケ塗り法等により塗布する方法お
よび、フッ素樹脂を焼き付け塗装する方法が提案されて
いる。これらの技術は、非粘着性を有した材料をどのよ
うに基板に固定するかということをポイントとするもの
である。

【０００３】これに対して、特開平６−１７９２１８号
公報には、フッ素イオンあるいはニッケルイオンを金型
表面に注入して離型性を向上する方法が、特開平３−４
３２１１号公報には窒素及びチタンの二種類のイオンを
金型表面に注入量１０²⁰ｉｏｎｓ／ｃｍ² の条件で注入
して離型性及び耐腐食性を向上させる方法が提案されて
いる。さらに金型に対する処理ではなく、成形に使用さ
れる樹脂の内部に離型剤を添加することも行われてい
る。

【０００４】非粘着層を形成する方法と異なる方法とし
て、特開昭５４−６００６号公報では、樹脂と金型の型
材とに温度差を与え、その熱膨張率の違いを利用して離
型させており、特開昭６０−７６３１９号公報では、成
形品と金型との密着体に超音波振動子を当接させ、超音
波振動を密着体に作用させることにより離型させてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
技術は以下のような問題点を有している。すなわち特開
昭６０−７３８１６号公報記載の離型剤を成形面全体に
塗布する方法では、離型剤と型表面の密着が十分でない
か、離型剤分子間または分子内の結合力が不十分なた
め、離型を繰り返すことにより、離型剤層自身の破壊や
金型成形面からの剥離を生じている。そしてこれによ
り、離型剤が樹脂の成形品に移行したり、表面の非粘着
性が経時的に劣化するため、その都度または定期的に再
処理しなければならず、生産効率が低下したり、高価な
金型を多数用意する必要がある。より具体的には、同公
報の明細書の中にも３回の離型が可能と記載されている
が、このような離型回数では、量産が主な利点である金
型による成形分野に適用することはできない。

【０００６】特開昭６１−１６８２３号公報では、非粘
着性に優れるフッ素樹脂を有機バインダーによって金型
の表面に固定しているが、有機バインダーとして金型の
基材との密着に優れたものを用いる場合は、フッ素樹脂
との密着力が悪くなり、逆にフッ素樹脂との密着に優れ
る有機バインダーを用いる場合は、基材との密着が悪く
なる。このため、耐久性が不十分であり、加えてこのよ
うな離型層は、膜厚が数十μｍ以上と非常に厚くなるた
め、金型の成形面の形状を正確に転写できないものであ
る。

【０００７】一方、樹脂に離型剤を添加する方法では、
添加した離型剤のうち、実際に離型に寄与できる量が僅
かなため、多量に添加する必要があり、これにより樹脂
の変性や、金型の汚染などが発生している。

【０００８】特開昭５４−６００６号公報記載の方法
は、温度変化を与えるための時間が長くかかり、成形サ
イクルタイムが長くなっており、特開昭６０−７６３１
９号公報記載の方法も成形サイクルタイムが長くなって
いる。さらに、これらの方法は、成形装置に複雑な機構
を備えなければならず、構造が複雑となっている。

【０００９】特開平６−１７９２１８号公報記載のフッ
素イオンあるいはニッケルイオンを金型の成形面に注入
する方法では、Ｃ−Ｆ結合とすることがエネルギー上困
難である。このことはＸＰＳ分析の結果からも裏付けら
れており、離型性を向上させることは難しい。なお、こ
の方法におけるニッケルイオン注入を実際に実験した結
果、同公報が記載する通りの結果とはならなかった。

【００１０】特開平３−４３２１１号公報記載の方法
は、２種類のイオンの注入量が多量であるため、成形面
が受けるダメージが大きく、表面が荒れて平滑性が損な
われる。このため高レベルの平滑性が要求される光学素
子用金型の成形面には適用することができないものであ
る。

【００１１】本発明は、以上の従来技術の問題点を考慮
してなされたものであり、成形のサイクルタイムが長く
ならず、加工精度を悪化させず、しかも数千個以上連続
して成形しても離型が容易な樹脂成形用金型を提供する
ことを目的とする。又、本発明はこの金型を良好に製造
できる方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の樹脂成形用金型
は、樹脂よりなる光学素子の成形に用いる金型であっ
て、窒素の最大濃度が１０ａｔｍ％以上であり、且つこ
の最大濃度が少なくとも表面から１５００Åまでに存在
するように窒素イオンが少なくとも成形面に注入される
と共に、最大表面粗さＲ_max が０．５μｍ以下であるこ
とを特徴とする。

【００１３】金型の母材としては、鉄及びクロム等を主
成分とするＳＵＳ系鋼材が使用される。この母材に窒素
イオンをイオン注入すると、窒素イオンが有するエネル
ギーによって窒素が母材中の鉄或いはクロムと結合して
窒化物を生成する。この窒化物の生成により、成形中の
金型の温度上昇があっても窒素が抜けて消費されること
がなくなる。

【００１４】以上のように窒素イオンの注入で生成した
窒化物により離型性が向上するが、十分な離型性を付与
するためには、窒素の最大濃度が１０ａｔｍ％以上の割
合で、且つ表面から１５００Åの深さまでにあることが
必要である。加えて、光学素子用成形金型であるところ
から、表面の粗さが関与し、このため金型は最大表面粗
さＲ_max が０．５μｍ以下であることが必要である。

【００１５】本発明の製造方法は、イオン加速エネルギ
ー１０ｋｅＶ〜４０ｋｅＶ、注入量１０¹⁰〜１０²⁰ｉｏ
ｎｓ／ｃｍ² の条件で窒素イオンを少なくとも成形面に
注入することを特徴としている。

【００１６】イオン注入は添加を目的とする粒子をイオ
ン化し、超高真空中で数ｋｅＶから数１００ｋｅＶに加
速して基板に添加することにより、バルクと異なった特
定の性質を有する表面層を形成するものである。この注
入後の元素含有率の分布状態は、母材となる金属の密度
に依存する。本発明では、金型の母材として用いられる
材質として、鉄、クロム等を主成分とするＳＵＳ系鋼
材、亜鉛等の非鉄金属等自由に選択できるが、金属の精
度、コストおよび注入イオンの制御性等からＳＵＳ系鋼
材が望ましい。

【００１７】本発明では目的に応じて窒素イオン注入中
もしくは注入後に加熱処理をしても良い。この熱処理の
雰囲気は、大気雰囲気中でも可能であるが、酸化の影響
等を考慮した場合、真空中或いは窒素雰囲気中および窒
素高圧雰囲気中などが良好である。

【００１８】上述のように、窒素イオンを注入すること
により離型性を向上させる窒素含有層が形成するが、一
般にイオンの注入量またはイオン加速エネルギーが大き
いと、表面に与えるダメージが大きくなる。レンズ、プ
リズム等を成形する金型の成形面は一般的に鏡面加工を
施されているが、注入量またはイオン加速エネルギーが
大きい条件で注入した場合、表面が荒れ、面精度が低下
するため実用的ではない。

【００１９】離型性付与のため必要な窒素含有層を形成
するのに十分で、かつ面精度への影響がない注入条件と
して、本発明ではイオン加速エネルギー１０ｋｅＶ〜４
０ｋｅＶ、注入量１０¹⁰〜１０²⁰ｉｏｎｓ／ｃｍ² の条
件を用いるものである。この条件で注入する場合、離型
性を付与する窒素含有層が深さ方向に対して傾斜的に約
１５００Å形成され、かつ最大表面粗さとして、Ｒ_max
０．５μｍ以下とすることができる。又、このような比
較的低注入量および低エネルギーでの注入は、注入時間
の短縮ができ、その処理を迅速に行うことができると共
に、低コストでの処理ができる。

【００２０】以上のような注入条件は表面の荒れのない
条件として、低注入量、低エネルギーを選択したため、
より多く窒化物を形成させる必要がある場合は、この低
注入量、低エネルギーの条件を２回以上重ねて注入して
荒れのない窒素含有率の大きい分布を形成させてもよ
い。

【００２１】本発明では、窒素イオン注入中もしくは注
入後に加熱処理を施しても良く、これにより増速拡散効
果が作用するため、注入したイオンの分布の広がり効果
が発生し、金型の母材中に窒素が拡散する。さらに拡散
した窒素の一部が格子欠陥中に侵入して、熱により母材
中のＣｒ等の元素と結合すると共に、その他の格子欠陥
は熱により再結合する。この結果、注入により切れた結
合が酸化物を形成することがなくなると共に熱安定性も
増大し、さらには窒化物の形成により表面の硬度も増大
する。

【００２２】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）この実施の形態では、曲率半径Ｒ＝１
５０ｍｍ、表面粗さＲ_max ＝０．０５μｍ、直径φ＝１
０ｍｍ、肉厚＝２ｍｍの両凸レンズを成形するための金
型入れ子を母材ＰＤ５５５によって作製した。この入れ
子を洗浄した後、イオン注入装置を用い、質量分離をし
た後、窒素イオン（Ｎ₁₄ ⁺ ）を入れ子の成形面に対し
て、イオン加速エネルギー：２０ｋｅＶ、注入量：５×
１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² の条件で注入した。

【００２３】このイオン注入前後の成形面の表面粗さを
評価したところ、それぞれＲ_max ＝０．０５μｍであ
り、注入の前後で面精度に変化はなかった。また、窒素
濃度と深さの関係をＸＰＳ分析により把握した。結果を
図１に示す。

【００２４】図１では縦軸に金型内の窒素濃度（ａｔ
％）を、横軸に金型表面からの深さ（Å）をプロットし
てある。同図に示すように、窒素の最大濃度は深さ２０
０Å付近に４０ａｔ％の濃度割合で存在しており、この
窒素分布状態は離型性を付与し、かつ表面荒れのない状
態であることが確認された。

【００２５】次に、イオン注入処理を施していない成形
型および上述した操作によってイオン注入処理を施した
成形型を射出成形機（ＳＧ５０：住友重機（株）製）に
組み付け、アクリル樹脂（８０８Ｎ：旭化成（株）製）
を射出成形した。この成形は離型不良が発生するまで連
続して行った。結果を表１に示す。同表に記載されるよ
うに、イオンを注入していない入れ子を用いた金型は１
ショットで離型不良が発生したが、窒素イオンを注入し
た入れ子を用いた金型は、１０万ショット成形しても離
型性は良好で、さらに保圧を５０％増加し、型温度を１
０℃上昇させ、サイクルタイムを２０秒短縮させても離
型性は依然として良好であった。

【００２６】このような実施の形態では、離型を容易
に、且つ繰り返し行えるため、金型のメンテナンスの必
要がなく、生産性が大幅に向上する。また、保圧および
金型温度を上昇させることができるため、成形面の転写
性能が向上し、しかも、サイクルタイム短縮も可能とな
ることから、生産コストの削減ができる。さらに、金型
との密着性が低いため、あまり強度の高くない樹脂でも
成形品を破損することがない。

【００２７】

【表１】

【００２８】（実施の形態２）この実施の形態では、上
述した実施の形態１と同様の形状および材質の金型入れ
子を作製し、この入れ子に窒素イオン（Ｎ₁₄ ⁺ ）を以下
に示す各条件で注入した。 注入量１×１０³⁰ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、イオン加速エ
ネルギー４０ｋｅＶ 注入量５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、イオン加速エ
ネルギー２０ｋｅＶ イオン注入未処理（ブランク）

【００２９】次に、条件で得られた入れ子の窒素濃度
と深さの関係をＸＰＳにより把握した。結果を図２に示
す。図２から窒素イオンの最大濃度は３５０Å付近に８
０％程度であることがわかり、離型性を向上させる窒素
分布としては問題はない。しかし、イオン注入前後で成
形面の面精度を測定した結果、条件の入れ子はＲ_{ma x}
＝０．０５μｍで変化はなかったが、条件の入れ子は
注入後における表面粗さがＲ_max ＝０．７５μｍとな
り、表面が粗くなっていた。

【００３０】この実施の形態においても、実施の形態１
と同様に入れ子を射出成形機に組み込み、樹脂の射出成
形を行った。成形の評価方法は実施の形態１と同様であ
る。結果を表２に示す。窒素イオンを注入していない条
件の入れ子は１ショット、条件の入れ子は５ショッ
トで離型不良が確認されたが、条件の入れ子は１０万
ショット成形しても離型不良は確認されなかった。

【００３１】さらに、条件の入れ子で成形した成形品
の面精度を評価した結果、Ｒ_max ＝０．７５μｍで規格
外品であった。この条件の入れ子の成形面を電子顕微
鏡で観察すると、表面が荒れていることが確認され、荒
れ部分に樹脂の付着が検出された。これは条件は注入
量およびイオン加速エネルギーが大きいため、表面が荒
れ、アンカー効果により樹脂と入れ子との密着性が増大
したためである。

【００３２】

【表２】

【００３３】（実施の形態３）実施の形態１と同様の形
状および材質の金型入れ子を作製し、この入れ子に以下
に示す各条件で窒素イオン（Ｎ₁₄ ⁺ ）を注入した。 注入量５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、イオン加速エ
ネルギー２０ｋｅＶ と同条件 イオン注入未処理（ブランク）

【００３４】この実施の形態では、さらに、条件の入
れ子を２００℃の窒素雰囲気中で熱処理した。そして、
熱処理の条件の入れ子の窒素濃度と深さの関係をＸＰ
Ｓにより把握した。結果を図３に示す。図１と図３は注
入条件が同じであり、熱処理の有無が異なるものである
が、これらの図を比較すると、図３のほうが窒素の占め
る領域が広く、より深く浸入していることがわかる。こ
れは注入後の熱処理によって、窒素と母材中の元素との
結合と増速拡散効果が促進されたため、窒素の分布領域
が広がったことによる。この広がりは表面の荒れには影
響がないため、離型性効果の向上と安定化が可能とな
る。また、イオン注入前後で成形面の面精度を測定した
結果、条件およびともにＲ_max ＝０．０５μｍとな
っており、変化はなかった。

【００３５】この実施の形態においても、実施の形態１
と同様に入れ子を射出成形機に組み込み、樹脂の射出成
形を行った。成形の評価方法は実施の形態１と同様であ
る。結果を表３に示す。窒素イオンを注入していない条
件の入れ子は１ショットで離型不良が確認されたが、
条件およびの入れ子は１０万ショット成形しても離
型不良は確認されなかった。

【００３６】

【表３】

【００３７】以上の成形後においては、条件および
の入れ子の表面をＸＰＳにより分析した。図４は条件
の入れ子を、図５は条件の入れ子のＸＰＳ結果を示
す。図４から条件の入れ子は注入した窒素が若干減少
していることが確認されたのに対し、、熱処理を行った
条件の入れ子は、図５に示すように、成形前の結果と
変化がなく、窒素の減少がないことがわかった。従っ
て、条件および条件の入れ子ともに非常に良好な離
型性を有しているが、さらに成形を続けた場合において
は、条件の入れ子は離型性向上の効果が薄れるものと
予想される。

【００３８】この実施の形態においても、離型を容易に
且つ繰り返し行えるため、金型のメンテナンスの必要が
なく、生産性が大幅に向上する。また、必要に応じて熱
処理を行うことにより、さらに耐久性の高い金型とする
ことができる。

【００３９】

【発明の効果】本発明の樹脂成形用金型は、離型を容易
に、しかも連続して可能であり、金型のメンテナンスの
必要がなく、生産性が大幅に向上する。また、離型に対
する耐久も向上する。本発明の製造方法では、このよう
な金型を確実に作製できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１の金型のＸＰＳ分析の特性図であ
る。

【図２】実施の形態２の金型のＸＰＳ分析の特性図であ
る。

【図３】実施の形態３の金型のＸＰＳ分析の特性図であ
る。

【図４】実施の形態３の条件による金型の成形後のＸ
ＰＳ分析の特性図である。

【図５】実施の形態３の条件による金型の成形後のＸ
ＰＳ分析の特性図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 樹脂よりなる光学素子の成形に用いる金
   型であって、窒素の最大濃度が１０ａｔｍ％以上であ
   り、且つこの最大濃度が少なくとも表面から１５００Å
   までに存在するように窒素イオンが少なくとも成形面に
   注入されると共に、最大表面粗さＲ_max が０．５μｍ以
   下であることを特徴とする樹脂成形用金型。
2. 【請求項２】 イオン加速エネルギー１０ｋｅＶ〜４０
   ｋｅＶ、注入量１０ ¹⁰〜１０²⁰ｉｏｎｓ／ｃｍ² の注入
   条件で窒素イオンを少なくとも成形面に注入することを
   特徴とする樹脂成形用金型の製造方法。
3. 【請求項３】 前記窒素イオンの注入時又は注入後に加
   熱処理を施すことを特徴とする請求項２記載の樹脂成形
   用金型の製造方法。