(57)【要約】【課題】セラミック材料を研削、研磨することなく製造可能で、かつ前記成形面に離型剤による膜あるいはクロム含有化合物の焼結体を形成することなく、良好な形成を備えた光学素子用成形型及びその製造方法を提供する。【解決手段】光学素子を成形するための成形面を備えた光学素子用成形型において、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を含み、焼結温度以下の温度で焼成して構成される光学素子用成形型。【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ための成形面を備えた光学素子用成形型において、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を含み、焼結温度以下の温度で焼成して構成されることを特徴とする光学素子用成形型。
【請求項２】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上を８０〜２０重量％、アルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を、固形物換算で２０〜８０重量％含むことを特徴とする請求項１記載の光学素子用成形型。
【請求項３】
前記成形面と反対側に強度向上部材を一体化したことを特徴とする請求項１または２記載の光学素子用成形型。
【請求項４】
窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を混合し、混合材料を形成する工程、前記混合材料を所定の成形温度及び圧力下に成形型形状に成形する工程、前記成形された混合材料を前記結合剤の焼結温度以下で焼成する工程を含むことを特徴とする光学素子用成形型の製造方法。
【請求項５】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上を８０〜２０重量％、アルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を、固形物換算で２０〜８０重量％混合することを特徴とする請求項４記載の光学素子用成形型の製造方法。
【請求項６】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上は粉体状であり、平均粒径は０．１〜１０μｍであることを特徴とする請求項４または５記載の光学素子用成形型の製造方法。
【請求項７】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤との混合は溶媒を添加して行うことを特徴とする請求項４〜６記載のいずれかの光学素子用成形型の製造方法。
【請求項８】
前記成形温度は室温から３００℃、成形圧力は１０〜１０００Ｍｐａであることを特徴とする請求項４〜７記載のいずれかの光学素子用成形型の製造方法。
【請求項９】
前記成形は成形温度に達するまで、低い圧力で圧縮し、成形温度に達した後前記成形圧力に保持することを特徴とする請求項４〜８記載のいずれかの光学素子用成形型の製造方法。
【請求項１０】
前記焼成温度は、５００〜１０００℃であることを特徴とする請求項４〜９記載のいずれかの光学素子用成形型の製造方法。
【請求項１１】
前記成形は、非球面を有する成形面を備えた非球面型と光学素子用成形型の側面を形成するための胴型と前記非球面型及び胴型で形成される成形部中に装入される混合材料を加熱下に押圧するための圧縮型を備えた成形型で行われ、前記成形部の寸法は、製造される光学素子用成形型より大きな寸法であることを特徴とする請求項４〜１０記載のいずれかの光学素子用成形型の製造方法。
【請求項１２】
前記成形部は製造される光学素子用成形型の寸法の１０％以下周囲を大きくしたことを特徴とする請求項１１記載の光学素子用成形型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子用成形型及びその製造方法、さらに詳細には離型性が良好で、容易に製造可能な光学素子用成形型及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス素材を使用する光学素子を製造する場合、ガラス素材を研磨して所定形状の光学素子を得る研磨法およびガラス素材を加熱軟化させ、所望形状の成形面を備えた成形型に装入し、押圧成形して製造する押圧方法が知られている。特に非球面あるいは自由曲面を有する光学素子を製造する場合には、研磨法では多大な時間と高度な加工技術が要求されることから、押圧成形法を使用して製造される場合が多い。
【０００３】
このような光学素子用成形型をセラミックス系材料で製作する場合は、図３に示すように、焼結されたセラミック材料Ｃを砥石Ｇによる研削、研磨などによって所定形状の成形面（たとえば非球面）Ｓとする方法が知られている。
このようなセラミック材料としては、光学素子用成形型に対し成形された光学素子の離型性を考慮し、ジルコニアおよびフッ素金雲母を焼成したもの（特開平１０−１３６１号）、また離型性を考慮し、セラミック材料を研削、研磨した成形面Ｓに酸化クロム、酸窒化クロム、酸炭窒化クロム等のクロム含有物質の焼結体を形成する方法、前記成形面Ｓにガラスとの濡れ性の良くない離型剤を塗布し、離型膜を形成する方法も知られている（特開２００５−２２５７２６号）。
【特許文献１】特開平１０−１３６１号公報
【特許文献２】特開２００５−２２５７２６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、上述のような研磨によって成形型を製造する方法においては、セラミック材料は難加工材料であるため加工精度や表面粗さを向上させることが難しく、加工に時間が掛かりコスト高になるという欠点があり、また離型効果を示す材料として酸化クロムを使用する場合には環境や人体への悪影響を及ぼす恐れもあった。
さらに成形面に離型剤の膜を形成する場合にあっては、膜形成による形状精度や表面粗さの悪化を招来し、また膜が剥離して耐久性を損なうという欠点があった。
【０００５】
本発明は上述の問題を解決するため、すなわちセラミック材料を研削、研磨することなく製造可能で、かつ前記成形面に離型剤による膜あるいはクロム含有化合物の焼結体を形成することなく、良好な成形面を備えた光学素子用成形型及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明による光学素子用成形型は、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を焼結温度以下の温度で焼成したことを特徴とする。
【０００７】
本発明による好ましい実施態様においては、前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上を８０〜２０重量％、アルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を、固形物換算で２０〜８０重量％含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明による他の好ましい態様においては、前記成形面と反対側に強度向上用部材を一体化したことを特徴とする。
【０００９】
本発明による光学素子用成形型の製造方法は、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を混合し、混合材料を形成する工程、前記混合材料を所定の成形温度及び圧力下に成形型形状に成形する工程、前記成形された混合材料を結合剤の焼結温度以下で焼成する工程を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の光学素子用成形型の製造方法の好ましい実施態様では、前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上を８０〜２０重量％、アルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を、固形物換算で２０〜８０重量％混合することを特徴とする。
【００１１】
さらに、他の好ましい態様では、前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上は粉体状であり、平均粒径は０．１〜１０μｍであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による好ましい他の態様では、前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤との混合は溶媒を添加して行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明による製造方法において、成形工程における好ましい実施態様では、前記成形温度は室温から３００℃、成形圧力は１０〜１０００ＭＰａであることを特徴とし、さらに好ましくは、前記成形は成形温度に達するまで、低い圧力で圧縮し、成形温度に達した後前記成形圧力に保持することを特徴とする。
【００１４】
上述の前記焼成工程における好ましい実施態様では、焼成温度は、５００〜１０００℃であることを特徴とする。
【００１５】
本発明による製造方法において、成形工程における好ましい実施態様では、前記成形は、非球面を有する成形面を備えた非球面型と光学素子用成形型の側面を形成するための胴型と前記非球面型及び胴型で形成される成形部中に装入される混合材料を加熱下に押圧するための圧縮型を備えた成形型で行われ、前記成形部の寸法は、製造される光学素子用成形型より大きな寸法であることを特徴とし、この実施態様において、前記成形部の寸法を製造される光学素子用成形型の寸法の１０％以下周囲を大きくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による光学素子用成形型及びその製造方法によれば、離型性の良好で、かつ無害な光学素子用成形型を提供でき、かつ前記光学素子用成形型を容易に、かつ効率的に製造可能であるという利点がある。すなわち、低コストで、精度が良好な前記光学素子用成形型を効率良く製造可能であるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明をさらに詳しく説明すると、本発明による光学素子用成形型によれば、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上とアルミナゾルおよびシリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を焼結温度以下の温度で焼成したものである。
【００１８】
本発明によれば、成形型の基材となる材料としては、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上が用いられる。
【００１９】
前述のような窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムは、ガラスに対する濡れ性が悪く、離型性が良好なことより選択される。
【００２０】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上の粉体の平均粒径は、好ましくは０．１〜１０μｍであるのがよい。０．１μｍ未満であると、離型性が悪化する恐れがあり、一方１０μｍを越えると、成形された光学素子に付着しやすくなると言う欠点を生じる。上述の平均粒径は、レーザー回折・散乱法で測定されたものを使用している。
【００２１】
前記材料を結合するための結合剤としては、アルミナゾルおよびシリカゾルより成る群から選択された１種以上を使用することができる。窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上を保持可能であるからである。
【００２２】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上は、好ましくは８０〜２０重量％含まれ、したがってアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤は、好ましくは固形物換算で２０〜８０重量％含まれる。前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上が８０重量％を越えると、結合剤の量が少なすぎて、製造された成形型の強度が不足する恐れがあり、一方２０重量％未満であると、離型効果が不足する恐れがある。
【００２３】
本発明においては、前記材料に結合剤を添加し焼成することによって成形型とする。この焼成は結合剤の焼結温度以下で行われ、結合剤は完全に焼結されていないことを特徴としている。
【００２４】
本発明による光学素子用成形型の製造方法によれば、まず、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上の材料とアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を混合し、混合材料を形成する。混合割合は上述の光学素子用成形型で説明した通りである。
【００２５】
窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された１種以上の粉体とアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された１種以上の結合剤を直接混合し、製粉しても良く、また水、有機溶媒などの溶媒を添加して両者を混合することが可能である。好ましくは、溶媒を添加して混合するのがよい。両者を容易に均一に混合可能であるからである。このような溶媒を添加する場合、乾燥して溶媒を飛散させ、粉砕して粉体としてもよく、液体状態のまま次工程の成形型に投入することも可能である。
【００２６】
上述の成形型材料には、必要に応じて種々の添加剤を添加することが可能である。たとえば、強度向上のためにＰＶＡ、ＰＶＰ等を添加することが可能である。
【００２７】
前記混合材料を所定の成形温度及び圧力下で成形するために成形型に投入する。
この成形型は、たとえば図１に示すように、非球面を有する成形面１０を備えた非球面型１と光学素子用成形型の側面を形成するための胴型２と前記非球面型１及び胴型で形成される成形部Ｍ中に装入される混合材料を加熱下に押圧するための圧縮型３を備えた構造になっている。この成形部Ｍは、製造される光学素子用成形型の寸法より若干大きく設計するのが好ましい。すなわち、後の工程の焼成工程で、成形型形状に成形された混合材料を焼成する際、若干収縮することを見込んで、その分を大きな寸法にするのがよい。好ましくは、成形部Ｍの寸法は製造される光学素子用成形型の寸法の１０％以下周囲を大きくするのが好ましい。
【００２８】
このような成形型を構成する材料は、本発明において基本的に限定されるものではなく、光学素子用成形型形状に成形するための温度及び圧力に耐えうるものであればいかなるものであってもよい。たとえばステンレスなどの金属材料、ステンレスなどの金属材料表面にめっきを施したもの、超硬合金などで製造することができる。また、前記混合材料を液体状態で装入する場合には、溶媒を飛散させるために、少なくとも一部に多孔質材料を使用することが好ましい。
【００２９】
本発明において、図１（ａ）に示すように、この成形部Ｍに混合材料を装入する。前記混合材料は、前述のように液体状態であっても良く、また粉体であってもよい。
【００３０】
次いで、図１（ｂ）に示すように、成形部Ｍ中の混合材料を圧縮型３によって、加熱下に圧力を負荷し成形する。成形温度は、好ましくは室温から３００℃、さらに好ましくは２００〜２５０℃である。成形時に形状精度を保つ事が可能で、かつ成形型を繰り返し使用する事ができる耐熱使用温度以下で、できるだけ高温に設定する。成形型の耐熱使用温度以下である事が必要だが、後工程である焼成時の収縮を低減するために、できるだけ高温にする。
【００３１】
一方、成形圧力は、好ましくは１０〜１０００ＭＰａである。さらに好ましくは１００〜２００ＭＰａである。１０ＭＰａ未満であると、所定形状に成形できない恐れがあり、一方１０００ＭＰａを越えると、離型時に割れる恐れがある。
【００３２】
このとき、成形温度に到達するまで、負荷する圧力は小さくしておき、成形温度に達した場合、所定の成形圧力にして所定時間成形するのが好ましい。たとえば、所定の成形温度に達するまで、前記所定の成形圧力の５〜１０分の１の圧力で圧縮しておき、成形温度に達した場合に、所定の成形圧力にして成形を行うのが好ましい。本発明による材料粉体は温度も圧力も伝達しにくいが、所定の焼成温度まで低い圧力で圧縮し、焼成温度に到達した後、成形圧力に上昇させて成形を行うと、効率的に成形が行われる。
【００３３】
上述のような成形によって成形型形状に成形された混合材料を冷却した後、前記成形型より離型する（図１（ｃ））。
【００３４】
次いで、前記成形型形状に成形された混合材料を焼成する（図１（ｄ））。
【００３５】
本発明において、前記成形型形状に成形された混合材料を焼成する温度は、前記結合剤の焼結温度以下である。焼結温度以上で前記結合剤を焼結すると、収縮が大きくなり、所定寸法の光学素子用成形型を製造するのが困難になるからである。このような焼成温度は、好ましくは５００〜１０００℃であるのがよい。５００℃未満であると、焼成が不完全で、強度が著しく低下する恐れがあり、一方  １０００℃を越えると、たとえば結合剤がアルミナゾルの場合、α化による収縮が速く進むため、光学面の形状精度を保つ事ができる焼成時間の調整幅が狭くなる。また、焼成時間は、好ましくは３０分〜１時間であるのがよい。３０分未満であると焼成が不完全である恐れがあり、一方1時間を越えると、収縮が大きくなる恐れがあり、所定寸法の光学素子用成形型を製造するのが困難になるからである。
【００３６】
上述のように、本発明においては、結合剤の焼結温度以下の温度で焼成し、光学素子用成形型を製造する。したがって、強度的に不十分となる恐れがあり、耐久性が劣る可能性もある。
【００３７】
本発明による好ましい形態では、図２に示すように、圧縮型３に凹部を形成し、前記混合材料を前記凹部に入り込ませ（図２（ａ））、離型し（図２（ｂ））焼成することによって前記圧縮型３と一体化することができる（図２（ｃ））。すなわち圧縮型３は機械的強度を向上せしめるため一体化してもよい。この場合、圧縮型３は強度向上用の部材となる。
【００３８】
上述の実施形態のほか、混合材料に接触する面を凹凸にし、あるいは粗面としたり、あるいは多孔質とすることによって、前記混合材料の焼成体と強度向上用部材との剥離強度を向上させることができる。
前記強度向上用部材は、成形温度、圧力に耐えうる材料、たとえばセラミック材料などが使用できる。
【実施例】
【００３９】
窒化硅素粉末（ＳＮ−９Ｓ；商標名；電気化学工業株式会社製；平均粒径１．１μｍ）１５重量％、アルミナゾル水溶液（アルミナゾル５２０；商標名；日産化学工業株式会社製）４５重量％（固形物換算）、純水４０重量％を均一に混合し、スプレードライヤーで噴霧、乾燥し、粉体とした。次いで、粉体状の混合材料を成形型の成形部Ｍ（図１参照）に装入し、２０ＭＰａで加圧しながら、２５０℃まで加熱した。２５０℃に達した後、１００ＭＰａに圧力を上昇させ、１０分間保持した。その後、加圧したまま、１００℃以下に冷却し、前記成形型から光学素子用成形型形状に成形された混合材料を取りだした。
次いで前記光学素子用成形型形状に成形された混合材料を電気炉でアルミナゾルの焼結温度以下である７００℃まで加熱して１時間焼成した後、冷却して光学素子用成形型を製造した。
製造された光学素子用成形型は、光学面の形状精度が保持され、あるいは容易に補正可能で、かつ離型性が良好で、無害であった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の光学用成形型の製造方法の一例を示す説明図。
【図２】本発明の光学用成形型の他の構造を示す説明図。
【図３】従来の光学用成形型の製造方法の一例を示す説明図。
【符号の説明】
【００４１】
１      非球面型
２      胴型
３      圧縮型
Ｃ      セラミック材料
Ｇ      砥石
Ｓ      非球面
Ｍ      成形部
【図１】
2008088011.tif 000003
【図２】
2008088011.tif 000004
【図３】
2008088011.tif 000005