(57)【要約】【課題】ガラス部と焼結合金部とからなる従来のハイブリッド構造の成形型は、これらの接合面の接合力が不充分なため、耐久性に乏しい。【解決手段】ベース部１１およびこのベース部１１の表面に裏面が一体的に接合されるガラス部１２を具え、光学面を持った光学部品を成形するための成形型１０の製造方法であって、ベース部１１の表面にガラス部１２の裏面を密着させるステップと、密着状態にあるベース部１１およびガラス部１２を第１の温度に加熱するステップと、少なくともガラス部１２を第１の温度よりも低い第２の温度に加熱しつつ光学部品の光学面とほぼ合致する成形面２３が形成された成形母型２２をガラス部１２の表面に押し付け、ガラス部１２の表面を成形母型２２の成形面２３と対応した形状に成形するステップとを具える。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材およびこの第１の部材の表面に裏面が一体的に接合される第２の部材を具え、光学面を持った光学部品を成形するための成形型の製造方法であって、
前記第１の部材の表面に前記第２の部材の裏面を密着させるステップと、
密着状態にある前記第１および第２の部材を第１の温度に加熱するステップと、
少なくとも前記第２の部材を前記第１の温度よりも低い第２の温度に加熱しつつ前記光学部品の光学面とほぼ合致する成形面が形成された成形母型を前記第２の部材の表面に押し付け、前記第２の部材の表面を前記成形母型の成形面と対応した形状に成形するステップと
を具えたことを特徴とする成形型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の部材およびこの第１の部材の表面に裏面が一体的に接合される第２の部材を具え、光学面を持った光学部品を成形するための成形型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非球面などの高次の光学面を持った光学部品が多く設計されてきている。このような複雑な形状の光学面を持った光学部品を大量生産する場合、研削および研磨などによる除去加工では時間およびコストが嵩むため、ガラスモールド成形や射出成形などにより光学部品を成形する方法が採用される。これらの成形法にて光学部品を大量生産する場合、これに対応して相当数の成形型を用意する必要があり、高精度な成形型を効率良く製造しなければならない。
【０００３】
複雑な形状の光学面を成形するための成形面を持った成形型を簡単に製造する方法として、例えば特許文献１ではガラス製の成形型を熱間プレス成形によって製造する方法を提案しており、複雑な形状の成形面を持ったガラス製の成形型を簡単に製造することが可能となっている。
【０００４】
また、ベースとなる焼結合金と複雑な形状の成形面が形成されたガラスとを接合したハイブリッド構造の成形型が特許文献２や特許文献３に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２０３４０２号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００−３２７３４５号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平２−１０２１３６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示された方法で製造されるガラス製の成形型は、脆性の点で本質的な欠点があるため、取り扱いに細心の注意が必要である。また、このガラス製の成形型は、金属製の成形型に対して熱伝導率が小さいことから、温度分布のむらが生じ易く高精度な成形が困難となる場合が多い。
【０００９】
特許文献２や特許文献３に開示されたハイブリッド構造の成形型は、このようなガラス製成形型の欠点をある程度解消することができるものの、成形面が形成されたガラス部と、このガラス部を保持する焼結合金部との接合に関して種々の問題がある。すなわち、ガラス部と焼結合金部とを機械的に一体化する特許文献２に記載された方法では、ガラス部と焼結合金部との間での熱伝導が不均一となり易く、温度を均一化させることが困難である。特に、ガラス部と焼結合金部との熱膨張係数の相違によって、これらの接合部分に隙間が生じ、ガラスモールド成形のような高温下での真空成形を行った場合には、ガラス部と焼結合金部との間での熱伝達が著しく悪くなってしまう。しかも、ガラス部と焼結合金部とを位置決めするためにこれらに穴などの加工を施す必要がある上、治具などを使用する必要があるため、成形型の構造が複雑かつ大型化してしまう。
【００１０】
ガラス部と焼結合金部とを加熱しつつこれらの接合面が相互に密着状態となるように加圧し、接合部分の化学的な反応を利用して一体化させる特許文献３に記載された方法は、上述した不具合を回避し得るものの、加圧の際に成形面となるガラス部の表面の損傷を防ぐ必要上、充分な化学的接合力を得るのに十分な温度で接合することができない。このため、従来のものは使用中にガラス部と焼結合金部との接合面が剥離することがあり、耐久性に問題があった。
【００１１】
【発明の目的】
本発明の目的は、第１の部材およびこの第１の部材の表面に裏面が一体的に接合される第２の部材を具え、高精度な光学面を持った光学部品を成形し得る耐久性に優れた成形型の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の部材およびこの第１の部材の表面に裏面が一体的に接合される第２の部材を具え、光学面を持った光学部品を成形するための成形型の製造方法であって、前記第１の部材の表面に前記第２の部材の裏面を密着させるステップと、密着状態にある前記第１および第２の部材を第１の温度に加熱するステップと、少なくとも前記第２の部材を前記第１の温度よりも低い第２の温度に加熱しつつ前記光学部品の光学面とほぼ合致する成形面が形成された成形母型を前記第２の部材の表面に押し付け、前記第２の部材の表面を前記成形母型の成形面と対応した形状に成形するステップとを具えたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明においては、第１の部材の表面に第２の部材の裏面を密着させ、この状態で第１および第２の部材を第１の温度に加熱した後、少なくとも第２の部材を第１の温度よりも低い第２の温度に加熱しつつ成形母型を第２の部材の表面に押し付け、第２の部材の表面を成形母型の成形面と対応した形状に成形する。
【００１４】
少なくとも第２の部材を第２の温度に加熱して第２の部材の表面に成形面を成形するに先立ち、密着状態にある第１および第２の部材を第２の温度よりも高い第１の温度に予め加熱することにより、第１の部材の表面と第２の部材の裏面の反応が促進され、これらの接合力が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明による成形型の製造方法において、第１の部材の表面に第２の部材の裏面を密着させるステップは、これらを第２の温度よりも低い第３の温度に加熱するステップと、成形母型を用いて第１の部材の表面に第２の部材の裏面を押し付けるステップとを有するものであってよい。これにより、製造時における部品点数の増加をもたらすことなく、成形母型を利用して第１の部材の表面に第２の部材の裏面を容易かつ確実に密着させることができる。この場合、第１の部材の表面に第２の部材の裏面を密着させるステップと、第１および第２の部材を第１の温度に加熱するステップとの間に、第２の部材から成形母型を離型ステップをさらに具えることができ、この第２の部材から成形母型を離型ステップは、少なくとも第２の部材に対する加熱を停止するステップをさらに有することが好ましい。これにより、第２の部材の表面と成形母型の成形面との反応を回避して第２の部材の表面の性状を良好に保つことができる。
【００１６】
第１の部材を金属またはセラミックスにて形成し、第２の部材をガラスにて形成することができる。第１の部材を金属またはセラミックスにて形成することにより、成形型としての強度，硬度，耐熱性および取り扱い性などの基本的性能を良好に維持することができ、第２の部材をガラスにて形成することにより、成形面を正確かつ容易に成形することができる。この場合、第１の温度が第２の部材の軟化点以上の温度であることが好ましい。これによって、密着状態にある第１の部材の表面と第２の部材の裏面との反応が促進され、これらの接合力をさらに向上させることができる。また、第２または第３の温度は第２の部材の軟化点よりも低い温度であることが好ましい。これによって、成形母型と第２の部材の表面との反応を阻止し、第２の部材の表面の性状を良好に保つことができる。さらに、第２の部材の表面を成形母型の成形面と対応した形状に成形するステップに続き、少なくとも第２の部材を第２の温度よりも低い第４の温度に保持して第２の部材の内部歪みを緩和させるステップをさらに具えることができる。この場合、第４の温度は、第２の部材の歪点以上の温度であることが好ましい。これによって、成形母材の成形面に対応した良好な成形面を正確に転写させることができる。
【００１７】
少なくとも第２の部材を徐冷して成形母型を第２の部材の表面から離型するステップをさらに具えることができる。これにより、、成形母型の成形面に対応した良好な成形面を持つ成形型を得る。
【００１８】
第１の部材の表面および第２の部材の裏面は、第２の部材に形成される成形面とほぼ対応した形状を有し、第２の部材はその表面に対して垂直な方向の厚みがほぼ一定であることが好ましい。これにより、第１の部材と第２の部材との間の熱伝導が均一化され、第２の部材の温度分布のむらを小さく抑えることができる。
【００１９】
なお、本発明の方法によって製造される成形型は、ガラス製の光学部品に対するモールド成形以外に、射出成形用の成形型として利用することも可能であり、従ってガラス製の光学部品に限らず、ガラスとプラスチックとの複合材料からなる光学部品を成形する場合にも利用することができる。
【００２０】
【実施例】
本発明による成形型の製造方法を図１に示すモールド成形用の成形型に応用した一実施例について、図２〜図５を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施例のみに限らず、この明細書の特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の技術にも当然応用することができる。
【００２１】
対象となる成形型１０は、炭化タングステン（ＷＣ）を主体とする焼結合金製のベース部１１と、ガラス転移点が５４０℃，軟化点が７３０℃のホウケイ酸ガラス製のガラス部１２とを一体的に接合したものである。本発明の第２の部材としてのガラス部１２の厚みは、その成形面１３の任意の位置においてこれと垂直な方向に沿ってほぼ一定に設定されており、従って接合面１４となるベース部１１の表面およびガラス部１２の裏面は、ガラス部１２の表面に形成される成形面１３とほぼ対応した形状となっている。本実施例では、ガラス部１２の厚みを３mm程度に設定することにより、本発明の第１の部材としてのベース部１１に対するガラス部１２の体積割合を１０％とし、成形型１０全体として見た場合、熱的および機械的挙動を焼結合金の特性にほぼ依存させ、成形型１０としてガラスを使用することによる欠点が極力発現しないように配慮している。成形すべき光学部品の光学面と対応した形状を有するガラス部１２の表面は、硬質炭素などの離型促進層にて被覆されており、ガラス製の光学部品を成形する際に、この光学部品がガラス部１２の成形面１３に融着するのを防止している。
【００２２】
第２の部材としてガラスを選択した理由は、一般にガラスは軟化点以上に加熱することによって粘性流動し、金属やセラミックスと比較的簡単に融着するためであり、成形面１３が複雑な形状であっても加熱することによって比較的簡単に成形加工することができるという利点を有する。また、第１の部材であるベース部１１として焼結合金を選択した理由は、第２の部材としてのガラスよりも耐熱性を有するためであり、従って第２の部材と融着可能であれば他の合金類やセラミックスなどを採用することも可能である。周知のように、焼結合金はガラスに対するモールド成形用の成形型材料として一般的に用いられており、熱伝導係数はガラスの１０倍以上も高く、一般的なモールド成形においては焼結合金自体に温度分布がほとんど発生しない。また、弾性率もガラスの１０倍程度あり、比較的弾性の高い材料と言える。この第１の部材として、軟化点においても弾性体であるような材料を選択することが好ましい。
【００２３】
なお、この成形型１０をガラス製の光学部品に対して利用する場合、成形されるガラスの軟化点が成形型１０のガラス部１２の歪点Ｔ6以下であることがガラス部１２の変形を防止する上で好ましい。また、この成形型１０をプラスチックの射出成形やプラスチックとガラスとの複合品の成形などにも利用することが可能である。
【００２４】
このような成形型１０の製造を行う場合、まずベース部１１となる焼結合金に対し、成形すべき光学面の輪郭形状に対応した所定の形状に研削および研磨加工を行ってベース部１１を得た後、これをカップ型断面を有する成形胴型２１内にセットし、さらにガラス部１２の最終形状に近い状態まで予備成形されたガラス部素材１２ａをベース部１１の表面に重ねて置く。ただし、成形胴型２１内に収容されるガラス部素材１２ａは、ガラス部１２の最終形状に近い状態まで予備成形する必要はなく、平坦な板ガラスをベース部１１の表面に重ねて置くだけでもよい。さらに、ガラス部１２の表面に成形面１３を成形するための成形母型２２を成形胴型２１内にセットする（図２参照）。この成形母型２２は、成形すべき光学部品の輪郭形状に対応した所定形状に形成された焼結合金を用い、その表面をあらかじめ所望の光学部品の光学面形状となるように研削、研磨加工し、この研削、研磨された加工面にガラス部素材１２ａの融着を防止する離型促進層を形成したものである。従って、成形母型２２の離型促進層の表面がガラス部素材１２ａの表面に対する成形面２３となる。
【００２５】
このようにして成形胴型２１内にセットされたベース部１１とガラス部素材１２ａと成形母型２２とを軟化点Ｔ2（７３０℃）よりも低い密着温度Ｔ3（７００℃）まで加熱し、この間に成形母型２２をガラス部素材１２ａの表面に押し付け、ガラス部素材１２ａの裏面をベース部１１の表面に完全に密着させる（図３参照）。この時、不完全ではあるがガラス部素材１２ａの表面が成形母型２２の成形面２３によって仮成形された状態となる。
【００２６】
次に、成形胴型２１内にセットされたベース部１１とガラス部素材１２ａと成形母型２２とを熱応力により自然にガラス部素材１２ａの表面から成形母型２２が離れる温度（離型温度Ｔ5）まで冷却し、ガラス部素材１２ａの表面から成形母型２２を分離する（図４参照）。この状態にてベース部１１とガラス部素材１２ａとを軟化点Ｔ2よりも高い予備加熱温度Ｔ1（８００℃）まで加熱するが、成形母型２２はガラス部素材１２ａに対して非接触状態となっているため、ガラス部素材１２ａの表面が成形母型２２の成形面２３に融着するような不具合はなく接合強度を増すことができる。そして、成形胴型２１内にセットされたベース部１１とガラス部素材１２ａとを軟化点Ｔ2よりも低い成形温度Ｔ3に保持し、この状態にて成形母型２２をガラス部素材１２ａの表面に押し付け、ガラス部素材１２ａをプレス成形してガラス部１２を形成する（図３参照）。これにより、ガラス部１２の表面に成形母型２２の成形面２３に対応した形状の転写面１３ａが形成される。本実施例では、上述した密着温度Ｔ3と成形温度Ｔ3とを同じ温度に設定したが、両者を別々の温度に設定することも可能である。
【００２７】
このように、ガラス部１２の表面を熱間プレスによって非球面や自由曲面などを問わず、簡単に成形加工することができる。また、ベース部１１とガラス部１２との接合面１４は、軟化点Ｔ2よりも高い予備加熱温度Ｔ1まで加熱された影響を受け、これらの間の反応が促進される結果、より高い接合力を得ることができる。
【００２８】
しかる後、成形胴型２１内にセットされたベース部１１とガラス部１２と成形母型２２とを歪点Ｔ6よりも高い歪除去温度Ｔ4（５３０℃）まで、例えば毎分３度（℃）の割合で徐冷し、この歪除去温度Ｔ4を一定時間、例えば１５分間保持し、成形されたガラス部１２の内部残留ひずみを除去し、さらに成形胴型２１内を冷却して熱応力により自然にガラス部素材１３ａの表面から成形母型２２が離れる温度（離型温度Ｔ7）より低い温度にて成形胴型２１から成形母型２２を抜き出し、次いで焼結合金部１１とガラス部１２との一体化物を取り出し、この一体化物のガラス部１２の表面に離型促進層を形成して図１に示す成形型１０を完成する。
【００２９】
以上のような工程により製造された成形型１０の転写面１３aの表面粗さを１０ショットに渡り調べた結果、１０ショット後も成形前の母型と同じ値を示していることがわかった。さらに、成形耐久性を調べた結果、１０００ショットを越えても接合部１４に損傷は無く、非常に強固に融着できていることを確認できた。ちなみに、上述した予備加熱温度Ｔ1を変えた場合における成形型１０の転写面１３aの表面粗さと接合部１４の強度を調べた結果、以下の表１の通りとなり、ベース部１１とガラス部１２との接合部分に対する予備加熱温度Ｔ1を軟化点Ｔ2（７３０℃）よりも高温に設定すると、表面粗さは悪化させずに接合部の強度を向上させることが可能なことを確認できた。なお、予備加熱温度Ｔ1が７１０℃である成形型の成形耐久性を調べると５０ショットにも満たなく、耐久性が不十分であることがわかった。
【００３０】
【表１】
2004196615.tif 000003
【００３１】
また、従来方法との比較も行った。ガラス部１２の成形に先立ってベース部１１とガラス部素材１２ａとの接合部分を予備加熱温度Ｔ1にて予備加熱せず、つまり、従来方法と同様な方法において、成形温度Ｔ3を変えてガラス部１２の成形を行場合の、転写面１３aの表面粗さと接合部１４の強度を調べた結果は以下の表２の通りであり、軟化点Ｔ2（７３０℃）を越えると、表面粗さが急激に悪くなり（目視ではクモリを確認）、表面粗さを低く抑えようとすると強度も低い値となってしまい、従来方法では表面粗さと強度の両立は困難であることがわかった。
【００３２】
【表２】
2004196615.tif 000004
【００３３】
【発明の効果】
本発明の成形型の製造方法によると、第１の部材の表面に第２の部材の裏面を密着させ、この状態にて第１および第２の部材を第１の温度に加熱し、次いで第１の温度よりも低い第２の温度に第１および第２の部材を加熱しつつ光学部品の光学面とほぼ合致する成形面が形成された成形母型を第２の部材の表面に押し付け、第２の部材の表面を成形母型の成形面と対応した形状に成形するようにしたので、第１の部材と良好な成形面が形成された第２の部材とが強固に接合された高耐久性の成形型を得ることができる。
【００３４】
特に、第２の部材の表面を成形母型によって成形する前に、予め第１および第２の部材を成形時の第２の温度よりも高い第１の温度に加熱しているため、相互に密着状態にある第１の部材の表面と第２の部材の裏面との間の反応が促進され、これらの接合強度を向上させて成形型の耐久性を高めることができる。
【００３５】
さらに、この成形型を用いて光学部品を成形することにより、光学面が複雑な形状であっても高精度な光学部品を安価に大量生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象となったモールド成形型の断面図である。
【図２】図３，図４と共に図１に示したモールド成形型の製造過程を表す断面図であり、成形胴型内にベース部とガラス部素材と成形母型とをセットした状態を表す。
【図３】図２，図４と共に図１に示したモールド成形型の製造過程を表す断面図であり、ガラス部の成形中の状態を表す。
【図４】図２，図３と共に図１に示したモールド成形型の製造過程を表す断面図であり、ベース部に密着させたガラス部素材から成形母型を引き離した状態を表す。
【図５】図１に示したモールド成形型の製造を行う際の加熱処理の時間的経過を表すグラフである。
【符号の説明】
１０  成形型
１１  ベース部
１２  ガラス部
１２ａ  ガラス部素材
１３  成形面
１３ａ  転写面
１４  接合面
２１  成形胴型
２２  成形母型
２３  成形面
Ｔ1  予備加熱温度
Ｔ2  軟化点
Ｔ3  密着温度／成形温度
Ｔ4  歪除去温度
Ｔ5  離型温度
Ｔ6  歪点
Ｔ7  離型温度
【図１】
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【図２】
2004196615.tif 000006
【図３】
2004196615.tif 000007
【図４】
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【図５】
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