(57)【要約】【課題】  高品質で信頼性の高い光学素子を成形することができるだけでなく、金型本体を高精度かつ容易に製造することができる光学素子の成形用金型を提供すること。【解決手段】  光学素材をプレスすることにより光学素子を成形する光学素子の成形用金型であって、タングステンカーバイドを、金属バインダーを添加することなしに焼結して、この焼結されたタングステンカーバイド焼結体により金型本体を構成し、前記タングステンカーバイドの粒径を１００ｎｍ以下に設定することを特徴とする。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素材をプレスすることにより光学素子を成形する光学素子の成形用金型であって、
タングステンカーバイドを、金属バインダーを添加することなしに焼結して、この焼結されたタングステンカーバイド焼結体により金型本体を構成し、
前記タングステンカーバイドの粒径を１００ｎｍ以下に設定することを特徴とする光学素子の成形用金型。
【請求項２】
前記タングステンカーバイドにクロムカーバイドまたはバナジウムカーバイドの少なくともいずれか一方を添加し、この添加の後に前記焼結を行うことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の成形用金型。
【請求項３】
前記焼結が、放電プラズマ焼結であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学素子の成形用金型。
【請求項４】
前記金型本体に、前記光学素材をプレスするためのプレス面を設け、
このプレス面を、超精密切削加工により形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の光学素子の成形用金型。
【請求項５】
前記タングステンカーバイド焼結体の結晶粒径を１００ｎｍ以下に設定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の光学素子の成形用金型。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の光学素子の成形用金型を備えたことを特徴とする成形機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学機器に使用されるレンズ、プリズム、グレーティングなどの高精度光学素子を成形するための光学素子の成形用金型およびこれを備える成形機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学部品などの成形精度が高く要求される成形品、たとえばレンズ、プリズム、グレーティングなどは、非常に高い表面形状精度、仕上げ精度が要求される。
特に近年、光学性能の向上を目的として、非球面レンズ、自由曲面プリズム、ホログラフィックグレーティングなどが光学部品として使用されるようになってきている。
これら光学部品の高精度化が進み、被成形物として、プラスチックではなくガラス素材が選ばれることが多くなってきている。なぜなら、プラスチックは温度や湿度などの環境変化によって変形し易く、またプラスチックでは屈折率などの材料特性が限られてしまうからである。
【０００３】
従来、これらガラス光学素子を成形するための金型としては、平均粒径が０．３〜２．０μｍのタングステンカーバイドを、理論密度比が９９．９％以上で、放電活性化加圧焼結法によって焼結し、これによって得られたタングステンカーバイド焼結体を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特許第３１４９３３０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、タングステンカーバイド焼結体などの多結晶体はそれぞれの結晶方位が異なることから、研削、研磨、切削といった機械加工を施す場合に、必要な加工量が異なる。そのため、実際の加工面はタングステンカーバイド焼結体の結晶粒径に応じた面粗さとなり、特許文献１に記載のタングステンカーバイド結晶体を用いると以下のような問題がある。
【０００５】
すなわち、例えば可視光用の光学素子を成形する場合には、その可視光の波長０．４〜０．７μｍから見て十分無視できる面粗さが必要とされるが、上記のような平均粒径が０．３〜２．０μｍのタングステンカーバイドを利用する場合、それらの焼結体の結晶粒径が可視光の波長からすると十分に無視できるほど小さなものではないため、粒子の大きさに起因する面の粗さによって、成形される光学素子の光学性能に悪影響を及ぼしてしまう。
【０００６】
また、結晶方位が異なることから、上記のような平均粒径が０．３〜２．０μｍのタングステンカーバイドを利用すると、研削、研磨、切削などの加工時において、砥石や刃などの加工部に複数方向の多大な負荷がかかってしまい、精密加工を行うのが困難になるという問題もある。そのため、加工に長時間を有し、金型コストが非常に高くなってしまう。特に、自由曲面プリズムなどの複雑な形状では、加工中に摩耗により砥石が変形するため、加工途中に砥石の削り代が変化し、形状精度０．１μｍ以下、寸法精度１μｍというオーダーの高精度な加工は非常に困難であった。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、高品質で信頼性の高い光学素子を成形することができるだけでなく、金型本体を高精度かつ容易に製造することができる光学素子の成形用金型およびこれを備える成形機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、光学素材をプレスすることにより光学素子を成形する光学素子の成形用金型であって、タングステンカーバイドを、金属バインダーを添加することなしに焼結して、この焼結されたタングステンカーバイド焼結体により金型本体を構成し、前記タングステンカーバイドの粒径を１００ｎｍ以下に設定することを特徴とする。
【０００９】
この発明に係る光学素子の成形用金型によれば、粒径１００ｎｍ以下のタングステンカーバイドが金属バインダーを添加することなしに焼結されることにより、タングステンカーバイド焼結体が得られ、このタングステンカーバイド焼結体が金型本体として構成される。
これにより、焼結によって得られたタングステンカーバイド焼結体の結晶粒径を微小化することができ、加工後の加工面を良好な面粗さにすることができるだけでなく、加工時における結晶方位の違いによる加工部への負荷を小さくすることができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学素子の成形用金型において、前記タングステンカーバイドにクロムカーバイドまたはバナジウムカーバイドの少なくともいずれか一方を添加し、この添加の後に前記焼結を行うことを特徴とする。
この発明に係る光学素子の成形用金型によれば、タングステンカーバイドにクロムカーバイドまたはバナジウムカーバイドの少なくともいずれか一方が添加され、その後に前記焼結が行われる。そのため、焼結時の粒成長が抑制され、タングステンカーバイド焼結体の結晶粒径がさらに微小化される。
これにより、さらに良好な面粗さを得ることができ、加工時における結晶方位の違いによる加工部への負荷をより小さくすることができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の光学素子の成形用金型において、前記焼結が、放電プラズマ焼結であることを特徴とする。
この発明に係る光学素子の成形用金型によれば、タングステンカーバイドが、放電プラズマ焼結法により焼結される。
これにより、タングステンカーバイドの粒成長を制御でき、短時間で緻密な焼結体を得ることができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の光学素子の成形用金型において、前記金型本体に、前記光学素材をプレスするためのプレス面を設け、このプレス面を、超精密切削加工により形成することを特徴とする。
この発明に係る光学素子の成形用金型によれば、超精密切削加工により、金型本体にプレス面が形成される。
ここで、切削工具のすくい角を負の値にすることにより、硬脆材料を鏡面切削できることが知られており、本発明においてはタングステンカーバイド焼結体の結晶粒径が微小化されているため、結晶方位の違いによる加工時の刃先へのダメージが少なくなる。
これにより、超精密切削加工を行うだけで、面粗さが０．１μｍ以下の良好なプレス面を得ることができるようになり、加工時間の短縮と加工コストの低減を図ることができる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の光学素子の成形用金型において、前記タングステンカーバイド焼結体の結晶粒径を１００ｎｍ以下に設定することを特徴とする。
この発明に係る光学素子の成形用金型によれば、タングステンカーバイド焼結体の結晶粒径が１００ｎｍ以下に設定される。
これにより、良好な面粗さを得ることができ、加工時における結晶方位の違いによる加工部への負荷を確実に小さくすることができる。
【００１４】
請求項６に係る発明は、成形機として、請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の光学素子の成形用金型を備えたことを特徴とする。
これにより、上記と同様の効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、面粗さを良好にすることができるため、品質の高い光学素子を成形することができる。また、加工時において生じる結晶方位の違いによる加工部への負荷を小さくすることができるため、金型本体の製造を高精度かつ容易に行うことができる。そのため、金型製造に伴う作業負担を大幅に軽減し、コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例における成形機について、図面を参照して説明する。
本実施例では、成形機として、ガラス成形機に適用した場合を例に挙げて説明する。
図１において、符号１はガラス成形機を示したものである。
ガラス成形機１は、後述する下型（成形用金型）２を支持する下軸４と、上型（成形用金型）３を支持する上軸５とを備えており、これら下軸４と上軸５とが対向して配置された構成とされている。そして、上軸５は不図示の駆動部に連結されており、その駆動部を駆動すると、上軸５は下軸４に対して昇降するようになっている。
下軸４および上軸５は、ステンレス鋼などのような耐熱性に優れた矩形の金属ブロックが複数接合された構成とされている。そして、これら下軸４および上軸５の内部には、全体として略コの字状の冷却水流路４ａ，５ａがそれぞれ形成されている。これら冷却水流路４ａ，５ａの一方の開口端から冷却水が流入し、他方の開口端から流出するようになっている。
【００１７】
また、冷却水流路４ａ，５ａの開口端は、配水管６を介して冷却水冷却循環装置７に接続されている。そして、冷却水冷却循環装置７から供給された冷却水は配水管６を通って、一方の開口端から冷却水流路４ａ，５ａに流入し、熱交換作用により下軸４および上軸５を冷却した後、他の開口端から排出され、再び配水管６を通って冷却水冷却循環装置７に戻り、ここで冷却されて、これが循環されるようになっている。
【００１８】
また、前記下型２は、下軸４によって上方に向けられて支持されており、上型３は上軸５によって下型２に対向する位置に下方に向けられて支持されている。そして、上軸５に連結された駆動部を駆動すると、上型３は上軸５に支持されながら下型２に対して昇降するようになっている。
さらに、本実施例における下型２および上型３は、本体部（金型本体）２ａ，３ａをそれぞれ備えており、これら本体部２ａ，３ａは、後述するように、タングステンカーバイドを、金属バインダーを添加することなしに、放電プラズマ焼結法によって焼結することにより得られたタングステンカーバイド焼結体により構成されている。タングステンカーバイドの粒径は８０ｎｍに設定されている。さらに、そのタングステンカーバイド焼結体の結晶粒径は８０〜１００ｎｍの範囲内に設定されている。そして、これら本体部２ａ，３ａの対向する面には、ガラス成形素材Ｗをプレスするためのプレス面２ｂ，３ｂがそれぞれ設けられている。これらプレス面２ｂ，３ｂは、研削、研磨加工によって形成されたものである。
【００１９】
次に、このように構成されたガラス成形機１の使用方法について説明する。
まず、ガラス成形機１を図示しない真空槽の中におく。そして、固体のガラス成形素材Ｗをその軟化する温度６００℃前後になるまで加熱してから、この軟化したガラス成形素材Ｗを下型２の所定の位置に設置する。そして、駆動部を駆動し、上軸５によって上型３を下降させる。これにより、図２に示すように、軟化したガラス成形素材Ｗに対して、下型２および上型３により上下から精密プレス加工を施す。この状態で所定の時間をおいた後、冷却水冷却循環装置７を駆動し、冷却水流路４ａ，５ａに向けて冷却水を供給する。
【００２０】
この冷却水は、配水管６を通って、冷却水流路４ａ，５ａの一方の開口端からその内部に流入し、全体を回って他の開口端から排出される。そして、再び冷却水冷却循環装置７に戻り、冷却されて、これが循環される。この間、冷却水の熱交換作用により下軸４および上軸５が冷却され、これら下軸４および上軸５を介して、下型２および上型３が冷却される。そのため、下型２および上型３の間においてプレスされたガラス成形素材Ｗが冷却される。そして再び駆動部を駆動することにより、上型３を上昇させ、成形されたレンズを取り出す。このようにして軟化したガラス成形素材Ｗが成形されて、最終使用形状の非球面レンズへと直接加工される。
【００２１】
上記一連の加工により、高品質で信頼性の高い非球面レンズが成形されるが、本実施例における下型２および上型３は、以下のようにして容易に製造される。
下型２および上型３は、図３に示すように、加工機１１によって製造されるものである。
加工機１１は、被加工物をプレスするための上型パンチ１２および下型パンチ１３を備えており、これら上型パンチ１２および下型パンチ１３は、筒状型１５の空洞部内において互いに接近離間する方向に移動するようになっている。これにより、上型パンチ１２および下型パンチ１３は、空洞部内に設置された被加工物を上下から押圧するようになっている。また、上型パンチ１２および下型パンチ１３は、パルス通電用電源１６に電気的に接続されている。
【００２２】
このような構成のもと、加工機１１を不図示の真空槽の中におき、筒状型１５の空洞部内に被加工物を充填する。この被加工物は、タングステンカーバイドの乾燥粉末からなっており、これらタングステンカーバイドからなる粉体１８の粒径は、８０ｎｍに設定されている。このとき、タングステンカーバイドには金属バインダーを添加しない。この状態で、真空槽の中を３．０×１０-3Ｐａまで排気した後、不図示のパンチ駆動部を駆動する。そして、上型パンチ１２と下型パンチ１３とを互いに接近するように移動させ、空洞部内に充填された粉体１８を上下から２０ＭＰａの加圧力によりプレスする。
【００２３】
同時に、パルス通電用電源１６により、上型パンチ１２と下型パンチ１３との間に所定の周波数のパルス電圧を印加してパルス通電を行う。このとき、粉体１８の間隙に放電が発生して粉体１８が加熱される。そして、それら粉体１８の表面に形成されていた酸化被膜や不純物、汚れなどが蒸発して飛散するとともに、それら粉体１８の表面が微視的に溶解する。粉体１８には圧力が加えられているので、それら粉体１８は歪エネルギーが蓄積された状態となる。そして、熱エネルギーと歪エネルギーとの効果により粉体１８の表面が塑性変形して間隙がなくなっていき、それら粉体１８同士が結合されていく。そして、粉体１８の表面が所定の温度になった時点で加圧およびパルス通電を停止する。
【００２４】
それから、パンチ駆動部を駆動して、上型パンチ１２と下型パンチ１３とを互いに離間するように移動させて、空洞部内からタングステンカーバイドを取り出す。これにより、タングステンカーバイド焼結体が得られる。このタングステンカーバイド焼結体の結晶粒径は、８０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の微小なサイズになる。そのため、研削、研磨などの加工が容易になる。そして、このタングステンカーバイド焼結体が下型２や上型３の本体部２ａ，３ａとして利用され、それら本体部２ａ，３ａの一面に、研削、研磨加工によって、プレス面２ｂ，３ｂが形成される。
【００２５】
以上より、本実施例におけるガラス成形機１によれば、下型２および上型３を構成するタングステンカーバイド焼結体の結晶粒径が８０〜１００ｎｍと微小であるため、研削、研磨加工後のプレス面２ｂ，３ｂの面粗さを良好に設定することができる。そのため、高品質で信頼性の高い非球面レンズを成形することができる。
また、タングステンカーバイド焼結体の結晶粒径が微小であることから、研削、研磨加工時において結晶方位の違いによって生じる研削刃や砥石への負荷を小さくすることができるため、本体部２ａ，３ａやプレス面２ｂ，３ｂの加工を高精度かつ容易に行うことができる。そのため、下型２や上型３の製造に伴う作業負担を大幅に軽減し、コストを削減することができる。
【００２６】
さらに、焼結法として放電プラズマ焼結法を採用しているため、粉体１８の粒成長を制御することができ、短時間で緻密な焼結体を得ることができるとともに、省スペース化、省エネルギー化を図ることができる。
【００２７】
また、タングステンカーバイド焼結体には金属バインダーが含まれていないため、タングステンカーバイド焼結体全体の硬度を向上させるだけでなく、その硬度を均一にすることができる。そのため、研削などで加工する際に素材同士の加工性の違いによる面精度の低下を防止することができる。
さらに、上記と同様に金属バインダーが含まれていないことから、タングステンカーバイド焼結体の耐酸化性を向上させることができる。そのため、例えばプレス面２ｂ，３ｂの加工時に、高温の酸化性雰囲気にさらされて焼結体が酸化するのを防止することができ、そのため酸化による体積変化によってプレス面２ｂ，３ｂの面精度が悪化するのを防止することができる。
【００２８】
（実施例２）
続いて、本発明の第２の実施例について説明する。
この実施例と上記第１の実施例とは基本的構成は同一であり、以下の点においてのみ相違したものとなっている。すなわち、本実施例における成形機１において、タングステンカーバイド焼結体は、タングステンカーバイドに、合計で１％以下のクロムカーバイドおよびバナジウムカーバイドを添加し、これらの添加後に焼結することにより得られたものである。そして、それら焼結はＨＩＰ法（熱間静水圧焼結法）によるものである。すなわち、上記添加されたタングステンカーバイドからなる粉体１８を、アルゴンや窒素ガスなどの不活性ガスを圧力媒体として高温高ガス圧下で焼結するものである。
【００２９】
さらに、本実施例における成形機１は、プレス面２ｂ，３ｂを超精密切削加工により形成したものである。すなわち、すくい角が−１０°から―７０°の負の値に設定されたダイヤモンドバイトを用いて、加工を行ったものである。
【００３０】
以上より、タングステンカーバイドを焼結する前に、クロムカーバイドおよびバナジウムカーバイドを添加しているため、焼結時の粒成長が抑制され、タングステンカーバイド焼結体の結晶粒径をさらに微小化することができる。
また、プレス面２ｂ，３ｂを超精密切削加工により設けているので、加工時間の短縮と加工コストの低減を図ることができる。
【００３１】
なお、上記第１および第２の実施例においては、タングステンカーバイドの粒径を８０ｎｍとしたが、これに限ることはなく、１００ｎｍ以下であれば適宜変更可能である。例えば、６０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であればよい。特に、６０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内に設定することにより、タングステンカーバイド焼結体の結晶粒径を確実に１００ｎｍ以下に設定することができる。
また、タングステンカーバイド焼結体の結晶粒径を８０〜１００ｎｍの範囲内に設定するとしたが、１００ｎｍ以下であれば適宜変更可能である。例えば、６０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であればよく、特に、６０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内に設定するとよい。
【００３２】
さらに、ガラス成形機１により、非球面レンズを成形するとしたが、これに限ることはなく、プレス面２ｂ，３ｂを変更することにより、球面レンズやプリズム、グレーティングなどの様々な高精度光学素子を成形することができる。特に、グレーティングをはじめとする高精度かつ微細な溝形状は研削加工では実現できず、金型の製作そのものが従来不可能であったが、本実施例におけるタングステンカーバイド焼結体は、結晶粒径の微小化により、高精度な切削加工を行うことができ、グレーティングの金型を容易に製造することができる。
【００３３】
また、本発明に係る成形機をガラス成形機１に適用した場合を例にして説明したが、これに限ることはなく、合成樹脂製光学素子や、ガラス上に合成樹脂を成形するような光学素子の成形機にも適用できるのは言うまでもない。ただし、ガラス成形機はより温度の高い環境下におかれることになるため、タングステンカーバイド焼結体のもつ耐熱性や機械的強度により、ガラス成形機１に適用した方が、優れた強度や耐食性を発揮することができる。
【００３４】
さらに、あらかじめガラス成形素材Ｗを加熱して軟化させてから、下型２に設置するとしたが、これに限ることはなく、下型２にヒータなどを設けることにより、固体のガラス成形素材Ｗを設置した後、そのガラス成形素材Ｗを、下型２を介して加熱するようにしてもよい。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る成形機を、本実施例としてのガラス成形機に適用した例を示す図であって、下型と上型とを互いに離間させた様子を示す概略構成図である。
【図２】図１のガラス成形機であって、下型と上型とを型締めした様子を示す概略構成図である。
【図３】下型または上型の本体部を構成するタングステンカーバイド焼結体を製造する様子を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    ガラス成形機（成形機）
２    下型（成形用金型）
２ａ  本体部（金型本体）
２ｂ  プレス面
３    上型（成形用金型）
３ａ  本体部（金型本体）
３ｂ  プレス面
Ｗ    ガラス成形素材（光学素材）
【図１】
2006089296.tif 000003
【図２】
2006089296.tif 000004
【図３】
2006089296.tif 000005