(57)【要約】【課題】成形材料の加熱に要する所要時間を短縮すると共に、そのエネルギー効率を改善し、装置の小型化を可能とすることを目的としている。【解決手段】熱可塑性材料を成形加工して光学素子とする成形型１のうち、光学素子の少なくとも光学的有効面を成形する成形部２ａ及び３ａを電流の供給により発熱する導電性材料で形成すると共に、成形部２ａ及び３ａに電流を供給するための一対の電極２ｃ及び３ｃを成形部２ａ及び３ａにそれぞれ電気的に接続させて設けている。【選択図】図１
2011195424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性材料を光学素子に成形加工する成形型であって、
前記光学素子の少なくとも光学的有効面を成形する成形部と、
前記成形部に電気的に接続して設けられ、前記成形部に電流を供給する一対の電極とを備え、
前記成形部は電流を流すと発熱する導電性材料で形成されていることを特徴とする成形型。
【請求項２】
請求項１記載の成形型であって、
前記成形部は炭化珪素の単結晶又は焼結体により形成されていることを特徴とする成形型。
【請求項３】
請求項２記載の成形型であって、
前記成形部を形成する炭化珪素の単結晶又は焼結体には導電性を高める不純物が添加され、その導電率が高められていることを特徴とする成形型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、携帯電話のカメラや光ディスクプレーヤのピックアップ装置等に用いられるレンズ等の光学素子を成形するための成形型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
そのような成形型として、下記特許文献１に記載の成形型が公知となっている。この特許文献１に記載の成形型は、炭化珪素の焼結材で形成された型本体の型部の表面に化学蒸着よって炭素リッチ組成の炭化珪素膜を形成した後、この炭化珪素膜の表面を研磨して形成されている。
【０００３】
また、レンズ等の光学素子を成形する成形型ではないが、本願発明と関連する技術内容を備えた装置として、ファインセラミックスを粉末材料から焼結して製造する熱加工装置が下記特許文献２に記載されている。
この熱加工装置においては、対向した一対の電極相互間に粉末焼結材料を挟持した状態で該電極を通じて粉末焼結材料に電流を流し、これによって焼結材料固有の電気抵抗により焼結材料を自己発熱させ焼結温度まで昇温させた後、所定の押圧力で焼結材料に圧力を掛け、焼結体を得るものである。
【０００４】
ところで、熱可塑性材料をプレス成形してレンズ等の光学素子を製造する場合、材料がプレス成形可能な状態となるまで材料を加熱して軟化させる必要がある。しかし、光学素子の成形材料となるガラスやアクリル樹脂は絶縁体であるため特許文献２に記載のように成形材料に直接電流を流して加熱する技術は適用することができない。
【０００５】
このため、成形型の外側にラジアントヒータ等の加熱手段を設け、加熱手段により成形型を加熱し成形型からの熱伝導により成形材料を間接的に加熱する手法が従来から採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１７１１２６号公報
【特許文献１】特開２００３−３００７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の加熱方法では、成形型の外側から間接的に成形材料を加熱するため、成形材料が所定の温度に達するのに要する時間が長くかかるという問題があった。また、従来の加熱方法では、成形型全体を加熱することになるためエネルギー効率が悪いという問題もあった。さらに、成形型の外側に加熱手段を設置する空間を設けなければならず、成形装置が大型化するという問題もあった。
【０００８】
本願発明が解決しようとするのは、これらの問題である。即ち、本願発明においては、成形材料の加熱に要する所要時間を短縮すると共に、そのエネルギー効率を改善し、成形装置の小型化を可能とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本願発明は、成形型の成形材料と接する部分に加熱手段を内蔵させることをその基本的なコンセプトとしている。
即ち、本願発明による成形型においては、熱可塑性材料を成形加工して光学素子とする成形型のうち、光学素子の少なくとも光学的有効面を成形する成形部を電流が流されると発熱する導電性材料で形成すると共に、成形部に電流を供給するための一対の電極を成形部に電気的に接続して設けたことを最も主要な特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
このような特徴を有する結果、本願発明は、下記（１）〜（４）に記述する効果を有する。
（１）  成形材料に直接接する成形型の成形部が電流を供給されることにより自ら発熱するので、熱可塑性の成形材料を直接的に加熱することができる。このため、成形型の外側から加熱する従来の場合と較べ、成形材料を所定温度まで昇温するのに要する加熱所要時間を短縮できる。
従来は、成形型の外側からラジアントヒータ等の加熱手段により成形型を加熱し、加熱された成形型からの熱伝導により成形材料を加熱していたため、ヒータの熱が成形材料に伝わるまでの時間が長く掛っていたものである。
【００１１】
（２）  成形材料に直接接する成形部の発熱により、成形材料を直接加熱できるので、加熱に要するエネルギーの効率を従来に較べ改善できる。
従来は成形型の外側からの加熱であるため、成形型のほぼ全体を加熱する必要があったが、本願発明の場合は、成形材料に直接接触する成形部に自己発熱させて成形材料を加熱するため、成形型の一部の加熱で成形材料を十分に加熱することができ、その分、熱効率が改善する。
【００１２】
（３）  成形型自体にヒータとしての機能が備わっているため、成形型の外側に加熱手段を全く設ける必要がなくなるか、設けるとしても加熱能力の低い加熱手段で済むので加熱手段を設置するための空間を、無くしてしまうか縮小することが可能となり、成形装置全体の小型化を図ることが可能となる。
【００１３】
（４）  さらに、加熱所要時間が短縮され、エネルギー効率が向上する結果、成形装置全体としてのランニングコストを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本願発明による成形型を含む成形装置の一部を示した拡散分解斜視図である。
【図２】図２は図１に示した成形装置の縦断面を示し、成形型が開かれた状態を示した断面図である。
【図３】図３は図２に示した状態から成形型を閉じた状態を示した断面図である。
【図４】図４は成形型を構成する下型３の拡大縦断面図である。
【図５】図５は粉末の炭化珪素を焼結するのに用いる焼結型の内部に炭化珪素の単結晶部材及び粉末の炭化珪素の圧粉体が収容されている状態を示した縦断面図である。
【図６】図６は粉末の炭化珪素を焼結するのに用いる焼結型の内部に炭化珪素の単結晶部材及び粉末の炭化珪素の圧粉体が収容されている状態を示した縦断面図である。
【図７】図７は成形材料を上型と下型の相互間に位置させた状態で、上型、下型３及び胴型が組み合わされた状態を拡大して示した縦断面図である。
【図８】図８は成形材料を上型と下型の相互間に位置させた状態で、上型、下型３及び胴型が組み合わされた状態を拡大して示した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照しながら、本願発明の実施形態について説明する。
図１は本願発明による成形型を含む成形装置の一部を示した拡散分解斜視図であり、図２は同装置の縦断面を示した断面図、図３は成形型を閉じた状態を示した断面図である。
【００１６】
本願発明による成形型１は、これらの図に示した上下一対の上型２と下型３とから少なくとも構成される。上型２と下型３は、図示したように、大径部と小径部の中心軸を一致させて組み合わせた円柱状の形状をしている。
【００１７】
図４は、今述べた下型３の拡大縦断面図である。図４に示したように、下型３は、熱可塑性材料（以下、「成形材料」とも言う。）を成形してレンズ等の光学素子を成形する成形部３ａと、成形部３ａと一体に形成されて成形部３ａを支える支持部３ｂと、これらの外側面に設けられた一対の電極３ｃとから構成される。
【００１８】
成形部３ａの上面には、成形材料を所定の形状に成形するための加工が施され、この加工により、成形部３ａは成形後の光学素子の光学的有効面を成形することとなる。図示した下型３では、その上面に凸レンズの凸面を成形するための成形凹部３ｄが形成されている。
【００１９】
ここで、光学的有効面とは、光学素子がその所要の機能を発揮し得る部分の外表面を言い、レンズで言えば、有効径の範囲内にある面のことを言う。通常、光学的に要求される滑らかさをもって形成されることが要求される。
下型３には、その下端面から中心軸に沿って熱電対（不図示）が挿入される挿入穴３ｅが穿設されている。
【００２０】
一対の電極３ｃは、下型３の外側面に中心軸を挟んで対称に形成された凹部３ｆに金をめっきしてそれぞれ形成されている。金を電極材料としたのは、８５０℃という高温下でも腐食し難いからに過ぎず、これに限定されるものではない。要は、そのような高温下でも腐食による損傷を受けない材料であれば用いることができる。
また、電極３ｃの形成方法もめっきに限定されるものではない。
【００２１】
電極３ｃを凹部に形成したのは、一緒に組み合わせて使用される胴型等の他物との接触によって摩耗して電極３ｃが損傷することを防止するためである。
なお、図４においては、電極３ｃの厚みを誇張して表している。
【００２２】
支持部３ｂの材料としては、粉末の炭化珪素を焼結した焼結体を用いた。成形部３ａの材料としては、炭化珪素の単結晶に導電性を高める窒素等の不純物を添加したものを用いている。窒素等の不純物が添加された炭化珪素は、電流を流すと発熱する導電性材料として一般に知られているものである。
炭化珪素単結晶の結晶型は６層若しくは４層周期の六方晶（ウルツ鉱）型で、気相成長法（昇華法）によりａ面に原料原子を積層していくａ面成長若しくはｃ面に原料原子を積層していくｃ面成長をさせたものを用いている。ａ面は、ミラー指数では、例えば(−１２−１０)と表され、ｃ面は同様に(０００１)と表される。
【００２３】
光学素子成形用の成形部３ａに用いるには、ａ面成長させたもののほうが好ましいと考えられる。理由は、ｃ面成長させると、マイクロパイプと呼ばれる欠陥が結晶中に生じ易く、これが成形部３ａの表面に現れると成形面（成形部３ａの成形材料に接する面）の欠陥となってしまうからである。
【００２４】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、半導体として知られており、３価若しくは５価の不純物原子をドーパントとして添加することにより導電性を高めることができる。上述したように、成形部３ａの単結晶には導電性を高める不純物が添加されているので、成形部３ａの比抵抗が支持部３ｂよりも小さくなっている。そのため、一対の電極３ｃ間に電流を印加した場合に、成形部３ａに電流が集中的に流れるようになっている。成形部３ａと支持部３ｂの接合方法については、後述する。
【００２５】
なお、成形部３ａ及び支持部３ｂを粉末の炭化珪素を焼結した焼結体だけで形成することも可能である。その場合、比抵抗が支持部３ｂよりも成形部３ａで小さくなるように当該部分に不純物を添加することが好ましい。
【００２６】
不純物添加の方法は、単結晶の場合は気相成長の際に不純物を添加することができる。粉末焼結体の場合は、材料粉末に不純物材料を添加しておくか、不純物ガスの雰囲気中で焼結することで添加できる。なお、不純物を含まない材料で成形部３ａを形成した後、成形部３ａの上端面に不純物をイオン注入することも考えられる。
【００２７】
炭化珪素の単結晶と焼結体のビッカース硬さを測定した値を表１に示す。単結晶のビッカース硬さは、ｃ面成長させた場合もａ面成長させた場合も焼結体より高い値が得られた。従って、成形部３ａは炭化珪素の焼結体で形成するよりも単結晶部材で形成することが望ましいといえる。なお、単結晶については、ａ面成長させたものについてはａ面のビッカース硬さを、ｃ面成長させたものについてはｃ面のビッカース硬さを測定しているので、ｃ面成長で上述したマイクロパイプが生じ易いことを考慮すると、ａ面成長させた単結晶をｃ面が成形面に露出するように加工して使用するのが最も好ましいと考えられる。
【表１】
2011195424.tif 000003
【００２８】
次に、成形部３ａに用いられる炭化珪素の単結晶部材と支持部３ｂに用いられている炭化珪素の焼結体の接合方法について、図５及び図６を参照しながら説明する。
【００２９】
図５及び図６は、粉末の炭化珪素を焼結するのに用いる焼結型の内部に炭化珪素の単結晶部材及び粉末の炭化珪素の圧粉体が収容されている状態を示した縦断面図であり、図５は型閉じ前の状態を示し、図６は型を閉じた焼結直後の状態を示している。
【００３０】
図示したように、焼結型５は焼結上型６、焼結下型７及び焼結胴型８から構成されている。焼結上型６は略円柱状の形状をしており、焼結下型７は、焼結上型６と同じ外径寸法で略円柱状に形成され、その上端面に所定の大きさ、形状に加工された炭化珪素の単結晶部材１０を収容できる凹部７ａが形成されている。
【００３１】
焼結胴型８は、円筒状に形成され。その内径は、焼結上型６及び焼結下型７の外径より僅かに大きくなっており、互いに摺動自在に嵌合する。
【００３２】
上述した成形型１の成形部３ａと支持部３ｂの接合は、次のようにして行なわれる。先ず、焼結下型７の凹部に単結晶部材１０を収納し、焼結胴型８を上方から焼結下型７に被せる。そして、焼結胴型８内に炭化珪素の粉末材料を必要量充填し、焼結上型６で蓋をする。
この状態で焼結することもできるが、予めハンドプレス（不図示）等を用いて焼結上型６の上方及び焼結下型７の下方から所定の押圧力をかけ、炭化珪素の粉末材料を圧粉体１１としておくと、焼結時の押圧ストロークを短縮できて望ましい。
【００３３】
次に、図示しない密閉チャンバー内に移動させ、図示しない加熱手段により所定の焼結温度まで昇温させ、これと同時に図６に示したように、所定の加圧を行い圧粉体を焼結成形する。これにより、圧粉体１１の粉末材料同士が焼結されて焼結体１２が形成されると共に、単結晶部材１０に接触している部分では粉末材料と単結晶部材１０とが焼結されて接合される。
【００３４】
このようにして単結晶部材１０と焼結体が予め接合された接合材を作成し、これを加工して上述した成形型１の上型２及び下型３が形成されている。
上型２については、光学素子の成形時に押圧ストロークを稼ぐため、支持部２ｂの高さ寸法が大きくなる以外は下型３と同じであるので、それぞれ対応する部分（成形部２ａ、支持部２ｂ、電極２ｃ、成形凹部２ｄ、貫通孔２ｅ等）の符号を図中に表示して、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
ここで、図1〜図３に戻り、本願発明による成形型１を含む成形装置の構造について説明をすることとする。
図示したように、下型３は、下側ベース部材１５の上に着脱自在に載置される。下側ベース部材１５は、円板の上面中心部から円柱状の凸部１５ａが突き出た形状をしており、凸部１５ａの上端面は下型３を支持するのに適するように、また、下型３に押圧力を均等に掛けるのに適するように平坦に仕上げられている。
なお、下側ベース部材１５は、下型３を外部から断熱するため、熱伝導率が低く断熱効果の高い材料で形成されていることが望ましい。
【００３６】
円柱状の凸部１５ａの側方には、これを挟んで一対の中継端子１６が相対抗して設けられている。中継端子１６は、外部電源（不図示）からの電流を下型３に設けられた電極３ｃに中継するための端子である。
中継端子１６は、下側ベース部材１５の大径部に設けられた取付孔１５ｂを利用してボルトなどの固定手段（不図示）により下側ベース部材１５に固定されている。下側ベース部材１５の中央部には、その中心軸に沿って貫通孔１５ｃが設けられ、この貫通孔１５ｃを介して下型３の挿入穴３ｅに熱伝対が挿入される。
【００３７】
中継端子１６の自由端部は、下型３が円柱状の凸部１５ａの上面に載置されると、弾性により撓み、弾性により下型３の電極３ｃと接触し、相互間の電気的接続が維持されるようになっている。
図示した上側ベース部材１７も、上下が入れ替わるだけで、下側ベース部材１５と構造は同じであるので、それぞれ対応する部分（凸部１７ａ、取付孔１７ｂ、貫通孔１７ｃ及び中継端子１８等）の符号を図中に表示して、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
上型２及び下型３は、図示した円筒状の胴型２０と組み合わせて使用される。胴型２０の内径は、上型２及び下型３の成形部３ａの外径より僅かに大きくなっており、上型２及び下型３の成形部２ａ及び３ａを胴型２０内にそれぞれ上方及び下方から挿入することで双方の中心軸が一致するようになっている。
【００３９】
胴型２０の側部にはエア抜き用のエア抜き孔２０ａが半径方向に複数穿設されている。エア抜き孔２０ａの縦方向の位置は、下型３の大径部が胴型２０の下端面に接触した状態で下型３の上端面付近となる位置である。
胴型２０は、炭化珪素の焼結材を加工して形成されている。
【００４０】
次に、上述した成形装置の動作について、図７及び図８をも参照しつつ説明する。図７及び図８は、球形の成形材料２１を上型２と下型３の相互間に位置させた状態で、上型２、下型３及び胴型２０が組み合わされた状態を拡大して示した縦断面図で、図７は成形材料２１が軟化する前の状態を示し、図８は成形材料２１の軟化後に上型２と下型３の間隔を狭めた状態を示している。
【００４１】
熱硬化性の樹脂をレンズ等の光学素子に成形加工するには、先ず、球形の熱硬化性の成形材料２１が下型３の成形部３ａ上面に設けられた成形凹部３ｄ内に入れられ、胴型２０及び上型２が図７に示した状態に組み合わされる。
【００４２】
このように組み合わされた成形型１は、下側ベース部材１５の上に載置され、下型３に設けられた電極３ｃと下側ベース部材１５に設けられた中継端子１６とが互いに接触し電気的に接続される。下側ベース部材１５は、上下に昇降するプレス軸（不図示）の上端に据え付けられており、成形型１が載置された後、プレス軸が上昇し、下側ベース部材１５の上方に配置された図示しない密閉チャンバー内に成形型１を下側ベース部材１５に載せたまま移動させる。
【００４３】
次いで、密閉チャンバー内の空気が窒素等の不活性ガスに置換される。このとき、胴型２０に設けられているエア抜き孔２０ａを介して成形型１内についてもガスの置換が行なわれる。密閉チャンバー内上方には、上側ベース部材１７が配置されており、ガスの置換後、上型２が上側ベース部材１７の下端面に接触するまでプレス軸により成形型１がさらに上昇させられる。
【００４４】
次いで、上側ベース部材１７の貫通孔１７ｃを介して上型２が上側ベース部材１７に吸着保持される。このとき、上型２の電極２ｃと上側ベース部材１７に設けられた中継端子１８が互いに接触し電気的に接続される。
【００４５】
そして、プレス軸が僅かに下降し球状の成形材料２１が自由に動ける状態となる。成形材料２１は、球形なので重力により成形凹部３ｄの最深部に移動する。これを待って、上型２の下端面が成形材料２１と接触するまでプレス軸が再び上昇せしめられる。
【００４６】
この後、プレス軸により１０Ｎ（ニュートン）の定荷重で型締めが行われ（定荷重制御）、定荷重状態を維持したまま、上型２及び下型３の成形部２ａ及び３ａに電流が供給される。この電流供給により、成形部２ａ及び３ａが自己発熱し成形部２ａ及び３ａとこれに直接接触している成形材料２１の温度が急速に上昇する。
【００４７】
下型３の挿入穴３ｅに配置された熱伝対により成形部３ａの温度が監視され、成形部３ａの温度が目標温度に達すると、その温度を維持するように成形部２ａ及び３ａに供給される電流が制御され、成形材料２１全体の温度が均一化するのを待つ。この後、上述したプレス軸の定荷重制御が解除され、上型２と下型３の相互の間隔が所定の値となるまでプレス軸が上昇させられ、成形材料２１が所定の形状に成形される。（図８参照）
【００４８】
その後、成形部２ａ及び３ａへの電流供給が停止され、成形型１及び成形品が冷えるのを待ち、成形品が成形型１から取り出され、成形装置による成形動作が終了する。
【００４９】
なお、これまで説明した本願発明の実施形態においては、成形部２ａ及び３ａを炭化珪素の焼結体若しくは単結晶部材で形成し、成形面にこれらの材料をそのまま露出させているが、成形面の離型性を高める等の目的で成形面に目的に応じた膜を形成してもよい。
【実施例】
【００５０】
上型２及び下型３の成形部２ａ及び３ａを炭化珪素の単結晶部材で形成すると共に、支持部３ｂを炭化珪素の焼結体で形成し、上述した成形動作で目標温度を８５０℃と設定してレンズを実際に成形した際の加熱所要時間は、約２０秒であった。
このとき、成形部３ａに供給した初期電流は、約３０Ａ（ＤＣ１００Ｖ）で、成形部３ａの直径寸法は１６ｍｍ、単結晶部材の厚さ寸法は約５ｍｍであった。
【比較例】
【００５１】
単純に比較の対象となるものではないが、成形型を超硬合金で形成し、成形型の外側に配したラジアントヒータで目標温度を６５０℃と設定して同様にレンズを実際に成形した際の加熱所要時間は、約４分必要であった。
また、ラジアントヒータの代わりに、高周波加熱装置を用いた場合の加熱所要時間は、約２分必要であった。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本願発明による成形型は、カメラ機能付き携帯電話等、各種の製品に用いられる光学素子の製造に使用することが可能なのは勿論、成形型自体を工業的に製造することが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１    成形型
２    上型
２ａ  成形部
２ｂ  支持部
２ｃ  電極
２ｄ  成形凹部
２ｅ  挿入穴
２ｆ  凹部
３    下型
３ａ  成形部
３ｂ  支持部
３ｃ  電極
３ｄ  成形凹部
３ｅ  挿入穴
３ｆ  凹部
５    焼結型
６    焼結上型
７    焼結下型
８    焼結胴型
１０  単結晶部材
１１  圧粉体
１５  下側ベース部材
１６  中継端子
１７  上側ベース部材
１８  中継端子
２０  胴型
２１  成形材料
【図１】
2011195424.tif 000004
【図２】
2011195424.tif 000005
【図３】
2011195424.tif 000006
【図４】
2011195424.tif 000007
【図５】
2011195424.tif 000008
【図６】
2011195424.tif 000009
【図７】
2011195424.tif 000010
【図８】
2011195424.tif 000011