(57)【要約】【課題】成形品の品質を向上させることができ、金型のコストを低くすることができ、金型を高い精度で製造することができるようにする。【解決手段】熱伝導率の異なる二つの材料から成る。そして、該各材料を焼結することによって結合部が形成される。また、該結合部の形状は、成形材料の冷却性向に対応させて設定される。この場合、結合部の形状が成形材料の冷却性向に対応させて設定されるので、成形品を成形したときに、成形材料の温度分布及び成形材料の流動性は一様になる。その結果、成形品を高い精度で安定して製造することができ、成形品の品質を向上させることができる。【選択図】　　　　　図１
2004001301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）熱伝導率の異なる二つの材料から成り、
（ｂ）該各材料を焼結することによって結合部が形成され、
（ｃ）該結合部の形状は、成形材料の冷却性向に対応させて設定されることを特徴とする金型。
【請求項２】
（ａ）第１の材料から成る基層と、
（ｂ）第２の材料から成り、キャビティ空間の型表面を形成する最外層と、
（ｃ）前記基層と最外層との間に、基層及び最外層と焼結によって接合させて形成され、熱伝導率の低い第３の材料から成る中間層とを有することを特徴とする金型。
【請求項３】
（ａ）第１の材料から成る基層と、
（ｂ）該基層と異なる第２の材料から成り、キャビティ空間を形成する最外層とを有するとともに、
（ｃ）前記基層と最外層との結合部が所定の形状に設定されることを特徴とする金型。
【請求項４】
前記基層と最外層との間に形成され、前記第１、第２の材料とは熱伝導率の異なる第３の材料から成る中間層を有する請求項３に記載の金型。
【請求項５】
前記中間層は複数の層によって形成される請求項４に記載の金型。
【請求項６】
前記結合部は隣接する各層間に焼結によって形成される請求３〜５のいずれか１項に記載の金型。
【請求項７】
前記結合部の形状は成形材料の冷却性向に対応させて形成される請求項１〜６のいずれか１項に記載の金型。
【請求項８】
前記結合部の形状は成形材料の流動性に対応させて形成される請求項１〜６のいずれか１項に記載の金型。
【請求項９】
各結合部のうち、少なくとも一つの結合部において、各材料の含有率を徐々に変化させた傾斜層が形成される請求項１〜８のいずれか１項に記載の金型。
【請求項１０】
（ａ）第１の材料の粉末を充填し、
（ｂ）該第１の材料の粉末と異なる第２の材料の粉末を成形材料の冷却性向に対応させた形状になるように充填し、
（ｃ）前記各材料の粉末を第１、第２の電極によって挟み、所定の加圧力で加圧し、かつ、各材料の粉末に所定の電流を流すことによって、各粉末を焼結させることを特徴とする金型の製造方法。
【請求項１１】
前記第１、第２の材料とは熱伝導率の異なる第３の材料の粉末を充填する請求項１０に記載の金型の製造方法。
【請求項１２】
各材料の粉末は、充填が終了した後、一体に焼結させられる請求項１０又は１１に記載の金型の製造方法。
【請求項１３】
各材料の粉末の充填及び焼結は逐次行われる請求項１０又は１１に記載の金型の製造方法。
【請求項１４】
前記第１、第２の電極のうちの一方に、成形品の形状に対応させて型パターンが形成される請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の金型の製造方法。
【請求項１５】
各層間に傾斜層を形成するために、各材料の粉末から成る混合粉末を充填する請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の金型の製造方法。
【請求項１６】
前記混合粉末において、各材料の含有率は段階的に変化させられる請求項１５に記載の金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、射出成形機においては、加熱シリンダ内において加熱され溶融させられた樹脂を、高圧で射出して金型装置のキャビティ空間に充填（てん）し、該キャビティ空間内において冷却して固化させた後、成形品を取り出すようになっている。
【０００３】
前記射出成形機は金型装置、型締装置及び射出装置から成り、前記金型装置は、固定金型及び可動金型を備え、前記型締装置は、固定プラテン、可動プラテン、型締用モータ等を備え、該型締用モータを駆動し、固定プラテンに対して可動プラテンを進退させることによって前記金型装置の型閉じ、型締め及び型開きが行われる。
【０００４】
一方、前記射出装置は、ホッパから供給された樹脂を加熱して溶融させる加熱シリンダ、溶融させられた樹脂を射出する射出ノズル等を備え、前記加熱シリンダ内にスクリューが進退自在に、かつ、回転自在に配設される。そして、該スクリューを、射出用モータを駆動することによって前進させることにより射出ノズルから樹脂が射出され、計量用モータを駆動することによって回転させ、それに伴って後退させることにより樹脂の計量が行われる。
【０００５】
ところで、成形品として、ディスク基板、プラスチック製のレンズ等の精密部品を成形する場合、前記金型装置のキャビティ空間によって成形品の品質が支配されるので、金型装置の各種の寸法に高い精度が求められる。そこで、次のような方法で金型を製造するようにしている。なお、金型装置は、キャビティ、コア等の金型本体を備えるだけでなく、必要に応じて金型本体に取り付けられる、中子、入子等をも備えるので、本明細書及び図面の説明において、金型本体、中子、入子等を金型という。なお、ディスク基板を成形する場合、スタンパは入子として使用される。
【０００６】
図２は従来の金型の断面図である。
【０００７】
図において、１１は入子として使用される金型、１２は金型１１の原型、すなわち、金型原型、１３はニッケル−リンめっき層である。
【０００８】
前記構成の金型１１を製造する場合、まず、第１の工程で、２〜５〔％〕のクロムを含有するＳＫＤ６１等の鋼材から成る母材ブランクを作成し、第２の工程で、２０〜２００〔μｍ〕の誤差範囲で母材ブランクに対して粗加工を行い、金型原型１２を形成する。次に、第３の工程で前記金型原型１２に対して焼入れ及び焼戻しを行う。
【０００９】
そして、第４の工程で、金型原型１２のうちの、少なくともキャビティ空間を形成する型表面Ｓ２に対して無電解ニッケル−リンめっきを行い、膜厚が少なくとも１００〜２００〔μｍ〕の厚いめっき層、すなわち、ニッケル−リンめっき層１３を形成し、第５の工程で、３００〜４００〔℃〕の温度で熱処理を行い、ニッケル−リンめっき層１３の応力を除去するとともに、硬度（ＨＲＣ）を５０〜５４にする。
【００１０】
次に、第６の工程で、砥（と）石によって金型原型１２の全体に対して外径加工を行い、基準面を形成した後、第７の工程で、ニッケル−リンめっき層１３に対してダイヤモンドバイト切削による粗形状加工を行い、キャビティ形成面を形成する。その後、第８の工程で、キャビティ形成面のニッケル−リンめっき層１３に対してダイヤモンドバイト切削による仕上加工を行い、金型を仕上げる。
【００１１】
この場合、ニッケル−リンめっき層１３は、表層が非結晶（アモルファス）状態であるので、結晶状態になっている部分に対してダイヤモンドバイト切削による仕上加工を行う場合と比べて、結晶粒界に起因する段差が形成されない。したがって、高い精度で金型を製造することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の金型１１においては、例えば、成形品としてディスク基板を成形する場合、金型１１は、型表面Ｓ２に超微細な凹凸から成るパターンが形成された入子（スタンパ）として金型装置にセットされ、金型装置のキャビティ空間に樹脂が充填され、型表面Ｓ２に形成されたパターンが前記樹脂に転写され、該樹脂が冷却されて原型基板が形成され、そのとき、前記パターンが原型基板に転写される。
【００１３】
そして、充填時における前記キャビティ空間に充填された樹脂の熱は、前記ニッケル−リンめっき層１３を介して金型原型１２へ伝達される。この場合、前記ニッケル−リンめっき層１３の厚さは、通常、１００〜２００〔μｍ〕であり、小さいので、樹脂の熱は直ちに金型原型１２へ伝達され、前記キャビティ空間内の樹脂の温度は急激に低下する。したがって、前記パターンを樹脂に精度よく転写させることができない。その結果、ディスク基板を高い精度で形成することができず、成形品の品質が低下してしまう。
【００１４】
また、金型１１の製造方法においては、第４の工程で、金型原型１２のうちの、少なくともキャビティ空間を形成する面に対して無電解ニッケル−リンめっきが行われるようになっているが、そのための作業が極めて煩わしいだけでなく、製造するのに必要な時間が極めて長く、金型のコストが高くなってしまう。
【００１５】
すなわち、無電解ニッケル−リンめっきを行う場合、まず、金型原型１２に対して超音波洗浄、マスキング、ストライク処理等を行った後、めっき槽内でめっき処理を行い、その後、金型原型１２を洗浄するようになっていて、多くの工数が必要になる。
【００１６】
しかも、前記めっき処理においては、単位時間におけるニッケル−リンの金型原型１２への付着量が極めてわずかであるだけでなく、第７、第８の工程においてダイヤモンドバイト切削による加工を行う必要があることから、ニッケル−リンめっき層１３の膜厚を少なくとも１００〜２００〔μｍ〕にする必要であるので、ニッケル−リンめっき層１３を形成するのに必要な時間が極めて長くなる。
【００１７】
また、ニッケル−リンめっき層１３を形成する際に、ニッケル−リンめっき層１３に気泡が入り込みやすいだけでなく、第５の工程でニッケル−リンめっき層１３に対して熱処理を行う際に、ニッケル−リンめっき層１３が剥（は）がれたり、ニッケル−リンめっき層１３に歪（ひず）みが発生しやすい。その場合、金型を高い精度で製造することができず、歩留まりが悪くなってしまう。
【００１８】
さらに、めっき処理においては、めっき槽に収容されるめっき液の組成に制約があり、また、母材ブランクとして例えば、１３〔％〕のクロムを含有する鋼材を使用した場合、母材ブランクに対して無電解めっきを行うことができず、母材ブランクの材質にも制約があり、金型の製造条件を管理するのが困難である。
【００１９】
本発明は、前記従来の金型の製造方法の問題点を解決して、成形品の品質を向上させることができ、金型のコストを低くすることができ、金型を高い精度で製造することができ、歩留まりを良くすることができ、金型の製造条件を容易に管理することができる金型及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の金型においては、熱伝導率の異なる二つの材料から成る。そして、該各材料を焼結することによって結合部が形成される。また、該結合部の形状は、成形材料の冷却性向に対応させて設定される。
【００２１】
本発明の他の金型においては、さらに、第１の材料から成る基層と、第２の材料から成り、キャビティ空間の型表面を形成する最外層と、前記基層と最外層との間に、基層及び最外層と焼結によって接合させて形成され、熱伝導率の低い第３の材料から成る中間層とを有する。
【００２２】
本発明の更に他の金型においては、さらに、第１の材料から成る基層と、該基層と異なる第２の材料から成り、キャビティ空間を形成する最外層とを有する。
【００２３】
そして、前記基層と最外層との結合部が所定の形状に設定される。
【００２４】
本発明の更に他の金型においては、さらに、前記基層と最外層との間に形成され、前記第１、第２の材料とは熱伝導率の異なる第３の材料から成る中間層を有する。
【００２５】
本発明の更に他の金型においては、さらに、前記中間層は複数の層によって形成される。
【００２６】
本発明の更に他の金型においては、さらに、前記結合部は隣接する各層間に焼結によって形成される。
【００２７】
本発明の更に他の金型においては、さらに、前記結合部の形状は成形材料の冷却性向に対応させて形成される。
【００２８】
本発明の更に他の金型においては、さらに、前記結合部の形状は成形材料の流動性に対応させて形成される。
【００２９】
本発明の更に他の金型においては、さらに、各結合部のうち、少なくとも一方の結合部において、各材料の含有率を徐々に変化させた傾斜層が形成される。
【００３０】
本発明の金型の製造方法においては、第１の材料の粉末を充填し、該第１の材料の粉末と異なる第２の材料の粉末を成形材料の冷却性向に対応させた形状になるように充填し、前記各材料の粉末を第１、第２の電極によって挟み、所定の加圧力で加圧し、かつ、各材料の粉末に所定の電流を流すことによって、各粉末を焼結させる。
【００３１】
本発明の他の金型の製造方法においては、さらに、前記第１、第２の材料とは熱伝導率の異なる第３の材料の粉末を充填する。
【００３２】
本発明の更に他の金型の製造方法においては、さらに、各材料の粉末は、充填が終了した後、一体に焼結させられる。
【００３３】
本発明の更に他の金型の製造方法においては、さらに、各材料の粉末の充填及び焼結は逐次行われる。
【００３４】
本発明の更に他の金型の製造方法においては、さらに、前記第１、第２の電極のうちの一つに、成形品の形状に対応させて型パターンが形成される。
【００３５】
本発明の更に他の金型の製造方法においては、さらに、各層間に傾斜層を形成するために、各材料の粉末から成る混合粉末を充填する。
本発明の更に他の金型の製造方法においては、さらに、前記混合粉末において、各材料の含有率は段階的に変化させられる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。この場合、ディスク基板、レンズ等の精密部品を成形品として成形するための金型及びその製造方法について説明する。
【００３７】
図３は本発明の第１の実施の形態における金型の製造装置を示す概念図、図４は本発明の第１の実施の形態における金型の製造方法を示す概念図である。
【００３８】
図において、２１は放電プラズマ焼結装置、２２は円筒形の形状を有する密封された筐（きょう）体であり、該筐体２２内のチャンバは、雰囲気制御部１６に配設された真空発生源としての図示されない真空ポンプに接続され、該真空ポンプを作動させることによって真空にされる。なお、筐体２２内を真空にするのに代えて、アルゴンガス等の不活性ガスを充填することもできる。また、前記筐体２２の壁内には、図示されない冷却管が配設され、該冷却管内を図示されない冷却媒体としての冷却水が循環させられ、前記チャンバが冷却される。そのために、前記冷却管は、冷却系４１を介して冷却装置１７と接続され、該冷却系４１から冷却管を介して冷却水が供給される。
【００３９】
また、３１は、導電性の材料、例えば、グラファイトから成る円筒状のダイであり、該ダイ３１の上方及び下方に、導電性の材料、例えば、グラファイトから成る、第１、第２のパンチとしての棒状の上パンチ３２及び下パンチ３３が配設される。該上パンチ３２及び下パンチ３３は、互いに対向させて配設され、ダイ３１内に向けて突出させて形成されたパンチ本体部２３、並びに上パンチ３２の上端及び下パンチ３３の下端においてパンチ本体部２３と一体に形成されたフランジ状の押圧部２４を備える。なお、前記ダイ３１、上パンチ３２及び下パンチ３３によって焼結型２５が構成される。また、本実施の形態において、ダイ３１、上パンチ３２及び下パンチ３３は、グラファイトによって形成されるが、グラファイトに代えて、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、カーボン（Ｃ）等の融点が１１００〔℃〕以上である導電性の材料を使用することができる。
【００４０】
前記上パンチ３２より上方に第１の電極としての上電極３４が、前記下パンチ３３より下方に第２の電極としての下電極３５がそれぞれ垂直方向に延在させて配設される。そして、前記上電極３４は、下端において上パンチ３２に当接させられる電極端子４３、上端において直流の電源３７と接続される電極端子４４、及び電極端子４３、４４間を連結し、かつ、筐体２２を貫通して形成された胴部４５を備える。また、前記下電極３５は、上端において下パンチ３３に当接させられる電極端子４６、下端において電源３７と接続される電極端子４７、及び電極端子４６、４７間を連結し、かつ、筐体２２を貫通して形成された胴部４８を備える。
【００４１】
前記上電極３４及び下電極３５内にはそれぞれ冷却管５３、５４が配設され、該冷却管５３、５４内を前記冷却水が循環させられ、上電極３４及び下電極３５を冷却するとともに、上パンチ３２及び下パンチ３３を介してダイ３１を間接的に冷却する。そして、ダイ３１の所定の箇所に温度検出部としての図示されない温度センサが配設され、該温度センサのセンサ出力が温度検出装置５５に送られる。したがって、該温度検出装置５５によって、ダイ３１、上電極３４及び下電極３５の温度を検出することができる。
【００４２】
また、前記上電極３４及び下電極３５は上下方向に移動自在に配設されるとともに、前記上電極３４の上端及び下電極３５の下端に加圧機構３６が連結され、加圧機構３６によって発生させられた加圧力Ｐが上電極３４及び下電極３５に伝達され、上電極３４を下方に向けて、下電極３５を上方に向けて移動させる。前記ダイ３１内には、焼結用粉末３０が充填され、前記加圧機構３６を作動させ、上電極３４及び下電極３５を移動させることによって、前記加圧力Ｐで焼結用粉末３０を加圧することができる。なお、前記加圧機構３６の図示されない駆動部としては、サーボモータ、減速機等が使用されるが、油圧シリンダ、空圧シリンダ等を使用することもできる。
【００４３】
そして、前記上電極３４及び下電極３５の位置を検出するために、上電極３４及び下電極３５に隣接させて位置検出部としての図示されない位置センサが配設され、該位置センサのセンサ出力が位置検出装置５６に送られる。したがって、該位置検出装置５６によって、上電極３４及び下電極３５の位置を検出することができる。
【００４４】
なお、本実施の形態においては、上電極３４及び下電極３５が移動自在に配設され、上電極３４及び下電極３５を移動させることによって焼結用粉末３０を加圧するようになっているが、上電極３４及び下電極３５のうちの一方の電極を固定し、他方の電極を移動自在に配設するとともに、他方の電極を移動させることによって焼結用粉末３０を加圧することもできる。
【００４５】
前記加圧機構３６によって、所定の加圧力Ｐを発生させ、該加圧力Ｐを上電極３４及び下電極３５に伝達するために、また、電源３７によって所定のパルスで所定の電圧を発生させるために制御部３８が配設され、該制御部３８と加圧機構３６及び電源３７とが接続される。また、前記制御部３８と、雰囲気制御部１６、冷却装置１７、温度検出装置５５及び位置検出装置５６とが接続され、温度検出装置５５によって検出された温度、及び位置検出装置５６によって検出された位置に基づいて、加圧機構３６による加圧力Ｐがフィードバック制御されるとともに、電源３７によるパルス幅、電圧等がフィードバック制御される。さらに、前記温度に基づいて冷却装置１７が作動させられ、上電極３４及び下電極３５の温度がフィードバック制御される。
【００４６】
前記構成の放電プラズマ焼結装置３０において、放電プラズマ焼結を行なう場合、まず、上電極３４を上方に移動させ、上パンチ３２を上方に移動させてダイ３１の上端を開口させ、ダイ３１及び下パンチ３３によって形成された有底の充填室に所定の材料から成る焼結用粉末３０を充填する。
【００４７】
続いて、上パンチ３２及び上電極３４を下方に移動させ、前記充填室を密閉した後、前記制御部３８の加圧処理手段は、加圧処理を行い、加圧機構３６を作動させて上電極３４及び下電極３５を移動させて、焼結用粉末３０を所定の加圧力Ｐで加圧する。そして、前記制御部３８の電圧印加処理手段は、電圧印加処理を行い、電源３７を作動させて、上電極３４と下電極３５との間を約１０分間パルス通電する。そのために、上電極３４と下電極３５との間に、例えば、０．１〜５〔Ｖ〕の電圧が印加され、約１０００〜８０００〔Ａ〕の直流のパルス状の電流が流される。なお、本実施の形態においては、直流のパルス状の電流が流されるようになっているが、矩形波、三角波、台形波等の電流を流したり、交番電流を流したりすることもできる。さらに、一定の時間同じ値の電流を流すこともできる。
【００４８】
これに伴って、焼結用粉末３０は加熱され、約５００〜３０００〔℃〕の温度になり、放電プラズマ焼結によって焼結され、焼結体になる。この場合、焼結用粉末３０を構成する各粉末が互いに接触する点において熱が発生し、各粉末同士が接合する。なお、焼結用粉末３０の取扱性を良好にするために、焼結用粉末３０に所定のバインダが添加されるが、該バインダは前記パルス状の電流が流れる際に吹き飛ばされる。
【００４９】
この場合、上電極３４−上パンチ３２−焼結用粉末３０−下パンチ３３−下電極３５から成る第１の通電経路、上電極３４−上パンチ３２−ダイ３１−下パンチ３３−下電極３５から成る第２の通電経路、及び上電極３４−上パンチ３２−焼結用粉末・ダイ界面（焼結用粉末３０とダイ３１との間の界面）−下パンチ３３−下電極３５から成る第３の通電経路が形成されるが、第１〜第３の通電経路を流れる電流を適正に制御することによって、焼結用粉末３０を適正に焼結することができる。
【００５０】
続いて、わずかに遅れてダイ３１、上パンチ３２及び下パンチ３３がジュール熱によって加熱され、焼結体が保温され、その後、冷却系４１から供給される冷却水によって、冷却され、金型が完成される。このとき、焼結体を保温する時間は約１０〜３０分にされ、焼結体を冷却する時間は約３０分にされる。
【００５１】
続いて、上パンチ３２及び上電極３４が上昇させられ、前記充填室から金型が取り出される。
【００５２】
次に、前記放電プラズマ焼結装置２１によって製造された金型について説明する。
【００５３】
図１は本発明の第１の実施の形態における金型の断面図である。
【００５４】
図において、６１は、互いに熱伝導率が異なる少なくとも二つの層、本実施の形態においては、三つの層から成り（そのために熱伝導率の異なる三つの材料によって構成され）、入子として使用される金型、６２はステンレス系の鋼材から成り、平坦（たん）な結合面Ｓ１１を備えた第１の層としての基層、６３はキャビティ空間の平坦な型表面Ｓ１３を形成する第２の層としての最外側の層、すなわち、最外層、６４は、基層６２と最外層６３との間に形成された、セラミックス等の熱伝導率の低い材料から成り、平坦な結合面Ｓ１２を備えた第３の層及び中間層としての断熱層、６５は基層６２と断熱層６４との間に形成された第１の傾斜層、６６は最外層６３と断熱層６４との間に形成された第２の傾斜層である。なお、本実施の形態においては、基層６２、最外層６３、断熱層６４、及び第１、第２の傾斜層６５、６６は、隣接する層同士が焼結によって接合させて形成される。また、断熱層６４は径方向及び軸方向において一様の厚さで形成される。なお、前記結合面Ｓ１１、Ｓ１２は、それぞれ、基層６２と断熱層６４との間、断熱層６４と最外層６３との間の結合部を構成する。
【００５５】
本実施の形態において、基層６２は第１の材料としてのＳＵＳ３０４によって、最外層６３は第２の材料としての純粋ニッケルによって、断熱層６４は第３の材料としてのジルコニア（酸化ジルコニウムＺｒＯ２）によって形成される。なお、基層６２をＳＵＳ３０４に代えて銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）等によって形成したり、最外層６３を純粋ニッケルに代えてアルミニウム（Ａｌ）、銅等によって形成したり、断熱層６４をジルコニアに代えてアルミナ（酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３）によって形成したりすることもできる。なお、前記最外層６３を形成するための材料としては、融点が４００〔℃〕以上であり、削り代を厚く採ることができ、鏡面性及び離型性が良く、ピンホールが形成されにくいものが好ましい。
【００５６】
本実施の形態においては、最外層６３と基層６２との間に断熱層６４が配設されるので、キャビティ空間Ｃに充填された樹脂の熱は緩やかに最外層６３、第２の傾斜層６６、断熱層６４、第１の傾斜層６５及び基層６２を介して金型装置の受板に伝達されることになる。
【００５７】
図５は本発明の第１の実施の形態における金型の特性を示す図である。なお、図において、横軸に時間を、縦軸に温度を採ってある。この場合、銅は熱伝導率が高いので、銅を基層６２に用いることによって冷却効果を高くするようにしている。
【００５８】
図において、Ｌ１は本発明の金型６１（図５）を使用してキャビティ空間Ｃに樹脂を充填したときの型表面Ｓ１３の温度の推移を示す線、Ｌ２は従来の金型１１（図２参照）を使用してキャビティ空間Ｃに樹脂を充填したときの型表面Ｓ２の温度の推移を示す線、Ｔｍは金型原型１２及び基層６２の温度である。
【００５９】
従来の金型１１においては、タイミングｔ１で樹脂がキャビティ空間Ｃに充填されると、充填された樹脂の熱は直ちに金型原型１２に伝達され、型表面Ｓ２の温度は急激に低下する。したがって、キャビティ空間Ｃ内の樹脂の温度は十分に上昇しないまま冷却工程が終了するタイミンｔ２で成形品が取り出される。その後、タイミングｔ３で型表面Ｓ２の温度が金型原型１２の温度Ｔｍと一致すると、次の充填工程が開始される。
【００６０】
それに対して、本発明の金型６１においては、タイミングｔ１で樹脂がキャビティ空間Ｃに充填されると、金型６１に断熱層６４が形成されているので、充填された樹脂の熱は直ちに基層６２に伝達されることはなく、型表面Ｓ１３の温度は樹脂の熱により上昇する。続いて、金型装置７５が冷却されるが、基層６２が銅によって構成されているので、型表面Ｓ１３は急激に冷却され、タイミングｔ２において成形品が取り出される。その後、タイミングｔ３で型表面Ｓ１３の温度が基層６２の温度Ｔｍと一致すると、次の充填工程が開始される。
【００６１】
このように、金型６１を使用した場合には、充填直後において型表面Ｓ１３の温度を高くすることができるので、前記パターンを精度良く転写することができ、ディスク基板の品質を向上させることができる。さらに、基層６２の母材として銅を用いることによって、充填直後において樹脂により高くされた型表面Ｓ１３の温度を急激に低くすことができる。したがって、成形サイクルを長くすることなく型表面Ｓ１３の温度を高くすることができ、ディスク基板の品質を向上させることができる。
【００６２】
ところで、基層６２及び最外層６３が金属で形成されるのに対して、断熱層６４はセラミックスで形成されるので、基層６２及び最外層６３と断熱層６４とを直接接合させると、温度変化によって結合部に無理な応力が生じるので、接合性が悪い。そこで、基層６２と断熱層６４との間に形成される前記第１の傾斜層６５は基層６２及び断熱層６４を構成する材料から成り、最外層６３と断熱層６４との間に形成される前記第２の傾斜層６６は最外層６３及び断熱層６４を構成する材料から成る。本実施の形態においては、第１の傾斜層６５に、ＳＵＳ３０４及びジルコニアがそれぞれ５０〔重量％〕の含有率で含有され、第２の傾斜層６６に純粋ニッケル及びジルコニアがそれぞれ５０〔重量％〕の含有率で含有される。したがって、基層６２及び最外層６３と断熱層６４との接合性を向上させることができる。また、基層６２及び最外層６３と断熱層６４とが剥がれることがなくなる。
【００６３】
次に、前記構成の金型６１を使用し、ディスク基板を成形するための金型装置について説明する。
【００６４】
図６は本発明の第１の実施の形態における金型装置及び射出装置の要部を示す断面図である。
【００６５】
図において、７１は固定金型７２及び可動金型７３から成る金型装置であり、前記可動金型７３は図示されない型締装置によって固定金型７２と接離させられ、型閉じ、型締め及び型開きが行われ、型閉じ及び型締め時において、固定金型７２と可動金型７３との間にキャビティ空間Ｃが形成される。前記固定金型７２は、型板７４及び受板７５から成り、前記型板７４に金型６１（第１の入子）がセットされる。また、前記可動金型７３は型板７６及び受板７７から成り、前記型板７６に金型７８（第２の入子）がセットされる。なお、該金型７８も金型６１と同じ構造を有する。
【００６６】
前記固定金型７２において、受板７５及び型板７４を貫通させて、スプルー８１が形成され、射出装置の射出ノズル８３が固定金型７２に当接させられる。そして、前記射出ノズル８３から樹脂が射出されると、樹脂は、スプルー８１を通り、型板７６に形成されたゲート８２を通ってキャビティ空間Ｃに充填される。キャビティ空間Ｃ内の樹脂はその後冷却されて原型基板になる。
【００６７】
続いて、該原型基板に対して、図示されないカットパンチによって穴開け加工が行われ、ディスク基板が成形される。
【００６８】
次に、前記放電プラズマ焼結装置２１によって、前記金型６１、７８を製造する方法について説明する。なお、金型６１、７８は互いに同じ構造を有するので、金型６１についてだけ説明する。
【００６９】
本実施の形態においては、前述されたように、金型６１は、基層６２、第１の傾斜層６５、断熱層６４、第２の傾斜層６６及び最外層６３が順に積層された積層体構造を有するので、放電プラズマ焼結装置２１の充填室に充填される焼結用粉末Ｐも、基層６２、第１の傾斜層６５、断熱層６４、第２の傾斜層６６及び最外層６３にそれぞれ対応する多層粉末によって構成される。本実施の形態においては、前記基層６２、第１の傾斜層６５、断熱層６４、第２の傾斜層６６及び最外層６３は、いずれも、粉末を焼結させることによって形成されるが、所定の層を板材、ブロック等の固形物で形成することもできる。
【００７０】
まず、上パンチ３２及び上電極３４を上昇させ、前記充填室に、ＳＵＳ３０４の粉末を所定の厚さになるように第１の粉末として充填し、続いて、該第１の粉末の上に、ＳＵＳ３０４の粉末及びジルコニアの粉末をそれぞれ５０〔重量％〕の含有率で混合し、混合によって得られた混合粉末を所定の厚さになるように第２の粉末として充填する。次に、第２の粉末の上に、ジルコニアの粉末を所定の厚さになるように第３の粉末として充填し、続いて、該第３の粉末の上に、純粋ニッケルの粉末及びジルコニアの粉末をそれぞれ５０〔重量％〕の含有率で混合し、混合によって得られた混合粉末を所定の厚さになるように第４の粉末として充填する。そして、最後に、該第４の粉末の上に、純粋ニッケルの粉末を所定の厚さになるように第５の粉末として充填する。このようにして、第１〜第５の粉末によって第１〜第５の粉末層が形成され、第１〜第５の粉末層によって多層粉末から成る焼結用粉末３０が形成される。
【００７１】
次に、上パンチ３２及び上電極３４を下降させ、焼結用粉末３０に対して放電プラズマ焼結を行うと、金型６１が一体に形成される。続いて、上パンチ３２及び上電極３４を上昇させ、金型６１を取り出し、最外層６３の成形面に対してダイヤモンドバイト切削による仕上加工を行い、型表面Ｓ１に超微細な凹凸から成るパターンを形成し、金型６１を仕上げる。
【００７２】
このように、本発明においては、金型６１の型表面Ｓ１に、めっき処理によることなく、放電プラズマ焼結によって最外層６３が形成されるので、そのための作業を容易にすることができるだけでなく、金型６１を製造するのに必要な時間を短くすることができる。したがって、金型６１のコストを低くすることができる。
【００７３】
また、表１に示されるように、基層６２に使用されるＳＵＳ３０４の熱膨張係数が１７．３×１０−６〔１／°Ｋ〕であり、最外層６３に使用される純粋ニッケルの熱膨張係数が１６．３×１０−６〔１／°Ｋ〕であるのに対して、断熱層６４に使用されるジルコニアの熱膨張係数が９．４×１０−６〔１／°Ｋ〕であり、温度が変化したときのＳＵＳ３０４及び純粋ニッケルとジルコニアとの熱膨張差が小さい。したがって、温度の変化によって基層６２及び最外層６３と断熱層６４との界面に無理な応力が発生しないので、接合性がよい。
【００７４】
【表１】
2004001301.tif 000003
【００７５】
同様に、アルミナの熱膨張係数が７．６×１０−６〔１／°Ｋ〕であり、温度が変化したときのＳＵＳ３０４及び純粋ニッケルとアルミナとの熱膨張差が小さいので、第２の材料としてアルミナを使用した場合も、温度の変化によって基層６２及び最外層６３と断熱層６４との界面に無理な応力が発生しないので、接合性がよい。
【００７６】
また、ＳＵＳ３０４の焼結温度が１０００〔℃〕であり、純粋ニッケルの焼結温度が９００〜１０００〔℃〕であるのに対して、ジルコニアの焼結温度が１０００〜１２００〔℃〕であり、焼結条件がＳＵＳ３０４及び純粋ニッケルとジルコニアとでほぼ等しい。したがって、焼結状態を良好にすることができるので、接合性がよい。なお、表１において熱伝動率及び比熱についても併せて示す。
【００７７】
同様に、アルミナの焼結温度が１０００〜１２００〔℃〕であり、焼結条件がＳＵＳ３０４及び純粋ニッケルとアルミナとでほぼ等しい。したがって、焼結状態を良好にすることができるので、接合性がよい。
【００７８】
そして、最外層６３を形成する際に、めっき処理が行われないので、最外層６３に気泡が入り込むことがなく、最外層６３に歪みが発生したりすることがない。したがって、金型６１を高い精度で製造することができ、歩留まりを良くすることができる。しかも、基層６２の材質に制約が生じることがないので、金型６１の製造条件を容易に管理することができる。
【００７９】
また、基層６２と断熱層６４との間に第１の傾斜層６５が、最外層６３と断熱層６４との間に第２の傾斜層６６が形成されるので、基層６２及び最外層６３と断熱層６４との接合性を向上させることができる。
【００８０】
本実施の形態においては、放電プラズマ焼結が行われた後、最外層６３の型表面Ｓ１に対してダイヤモンドバイト切削による仕上加工を行い、型表面Ｓ１に超微細な凹凸から成るパターンを形成し、金型６１を仕上げるようになっているが、上パンチ３２の下端において焼結用粉末３０と対向する面に、ディスク基板の形状、すなわち、凹凸に対応させて型パターンを形成しておくことによって、ダイヤモンドバイト切削による仕上加工を不要にすることができる。
【００８１】
本実施の形態においては、最初に第１〜第５の粉末層が形成され、第１〜第５の粉末層によって焼結用粉末３０が形成され、続いて、焼結用粉末３０に対して放電プラズマ焼結が行われるようになっているが、第１〜第５の粉末の充填及び焼結を逐次行い、第１〜第５の粉末のうちの所定の粉末を充填するごとに所定の粉末層からなる焼結用粉末を形成し、該焼結用粉末に対して放電プラズマ焼結を段階的に行うことができる。
【００８２】
また、本実施の形態においては、第１の傾斜層６５にＳＵＳ３０４及びジルコニアがそれぞれ５０〔重量％〕の含有率で含有され、第２の傾斜層６６に純粋ニッケル及びジルコニアがそれぞれ５０〔重量％〕の含有率で含有されるようになっているが、第１、第２の傾斜層６５、６６を、更に多層構造にし、第１の傾斜層６５におけるＳＵＳ３０４及びジルコニアの含有率、及び第２の傾斜層６６における純粋ニッケル及びジルコニアの含有率を、段階的に、又は連続的に変化させることができる。
【００８３】
その場合、例えば、第１の傾斜層６５は、ＳＵＳ３０４及びジルコニアが、それぞれ、９０、１０〔重量％〕の含有率で含有される層、８０、２０〔重量％〕の含有率で含有される層、７０、３０〔重量％〕の含有率で含有される層、６０、４０〔重量％〕の含有率で含有される層、５０、５０〔重量％〕の含有率で含有される層、４０、６０〔重量％〕の含有率で含有される層、３０、７０〔重量％〕の含有率で含有される層、２０、８０〔重量％〕の含有率で含有される層、及び１０、９０〔重量％〕の含有率で含有される層から成る。
【００８４】
また、第２の傾斜層６６は、ジルコニア及び純粋ニッケルが、それぞれ、９０、１０〔重量％〕の含有率で含有される層、８０、２０〔重量％〕の含有率で含有される層、７０、３０〔重量％〕の含有率で含有される層、６０、４０〔重量％〕の含有率で含有される層、５０、５０〔重量％〕の含有率で含有される層、４０、６０〔重量％〕の含有率で含有される層、３０、７０〔重量％〕の含有率で含有される層、２０、８０〔重量％〕の含有率で含有される層、及び１０、９０〔重量％〕の含有率で含有される層から成る。
【００８５】
このように、第１、第２の傾斜層６５、６６を更に多層構造にすると、基層６２及び最外層６３と断熱層６４との接合性を一層向上させることができる。
【００８６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００８７】
図７は本発明の第２の実施の形態における金型及び成形品部の説明図である。
【００８８】
図において、１６１は入子として使用される金型、１６２は第１の材料から成る基層、１６３は第２の材料から成る最外層、１６４は熱伝導率の低い第３の材料から成る中間層としての断熱層、１７１はキャビティ空間Ｃ（図６）内の原型基板、１７２はスプルー８１内のスプルー部である。前記原型基板１７１及びスプルー部１７２によって成形品部が構成される。なお、説明の便宜上、第１、第２の傾斜層は省略してある。
【００８９】
ところで、成形品としてディスク基板を成形する場合、金型１６１は、型表面に超微細な凹凸から成るパターンが形成されたスタンパとして使用され、金型装置７１にセットされ、金型装置７１のキャビティ空間Ｃに成形材料としての樹脂が充填され、該樹脂が冷却されて原型基板１７１が形成されるが、そのとき、前記パターンが原型基板に転写される。
【００９０】
ところで、射出ノズル８３から射出された樹脂は、スプルー８１及びゲート８２を通過してキャビティ空間Ｃに充填されるので、キャビティ空間Ｃ内において、樹脂は、スプルー８１及びゲート８２に近い部分から遠い部分に向けて、本実施の形態においては、キャビティ空間Ｃの中央部分から周辺部分に向けて流れる。したがって、樹脂は、キャビティ空間Ｃ内を流れるのに伴って、型板７４、７６によって冷却されると、中央部分に近いほど樹脂の温度が高いのに対して、周辺部分に近いほど樹脂の温度が低くなってしまう。
【００９１】
そこで、本実施の形態においては、前記断熱層１６４を、部分的に厚さを異ならせて形成し、前記基層１６２と断熱層１６４との結合部の形状を、キャビティ空間Ｃ内の樹脂の冷却性向に対応させて、中央部分から周辺部分にかけて徐々に厚くするようにしている。
【００９２】
したがって、中央部分に近いほど冷却速度が高くされ、周辺部分に近いほど冷却速度が低くされる。したがって、樹脂の温度分布は、径方向において（中央部分から周辺部分にかけて）一様になり、前記パターンを精度良く転写することができ、ディスク基板の品質を向上させることができる。また、ディスク基板の性能を表す複屈折率の分布を径方向において一様にすることができるので、ディスク基板の品質を更に向上させることができる。
【００９３】
本実施の形態においては、前記断熱層１６４を中央部分から周辺部分にかけて徐々に厚くするようにしているが、成形品の形状によっては、所定の部分を厚く、所定の部分を薄くすることによって温度分布を一様にすることができる。
【００９４】
次に、成形品としてプラスチック製のレンズを成形するための金型に適用した本発明の第３の実施の形態について説明する。
【００９５】
図８は本発明の第３の実施の形態における金型及び成形品の説明図である。
図において、２６１は入子として使用される金型、２６２は第１の材料から成る基層、２６３は第２の材料から成る最外層、２６４は熱伝導率の低い第３の材料から成る中間層としての断熱層、２７１は成形品としてのレンズである。なお、説明の便宜上、第１、第２の傾斜層は省略してある。
【００９６】
この場合、前記レンズ２７１は凸レンズであるので、中央部分に近いほど厚く、周辺部分に近いほど薄い。したがって、従来の金型を使用すると、成形材料としての樹脂の肉厚が厚い中央部分に近いほど、樹脂の冷却速度が低くなり、肉厚が薄い周辺部分に近いほど、樹脂の冷却速度が高くなる。その結果、レンズ２７１の中央部分に近いほど樹脂の温度が高いのに対して、周辺部分に近いほど樹脂の温度が低くなり、樹脂の温度分布、収縮率等が不均一になってしまう。
【００９７】
そこで、本実施の形態においては、前記断熱層２６４を、キャビティ空間Ｃ（図６）内の樹脂の冷却性向に対応させて、中央部分から周辺部分にかけて徐々に厚くするようにしている。
【００９８】
したがって、中央部分に近いほど冷却速度が高くされ、周辺部分に近いほど冷却速度が低くされるので、樹脂の温度分布が径方向において（中央部分から周辺部分にかけて）一様になり、収縮率も径方向において一様になる。その結果、レンズ２７１の表面の形状（例えば、球面、非球面等の湾曲面だけでなく、平面等）の精度を高くすることができ、レンズ２７１の品質を向上させることができる。
【００９９】
次に、成形品としてプラスチック製のレンズを成形するための金型に適用した本発明の第４の実施の形態について説明する。
【０１００】
図９は本発明の第４の実施の形態における金型及び成形品の説明図である。
図において、３６１は入子として使用される金型、３６２は第１の材料から成る基層、３６３は第２の材料から成る最外層、３６４は熱伝導率の低い第３の材料から成る中間層としての断熱層、３７１は成形品としてのレンズ、３７２はゲート８２（図６）内に形成されるゲート部である。なお、説明の便宜上、第１、第２の傾斜層は省略してある。
【０１０１】
この場合、前記レンズ３７１は凹レンズであるので、中央部分に近いほど薄く、周辺部分に近いほど厚い。したがって、従来の金型を使用すると、熱伝導率が均一であるので、成形材料としての樹脂の肉厚が薄い中央部分に近いほど、樹脂の冷却速度が高くなり、肉厚が厚い周辺部分に近いほど、樹脂の冷却速度が低くなる。その結果、レンズ３７１の中央部分に近いほど樹脂の温度が低くなるので、キャビティ空間の周縁にゲートを形成した場合、中央部分に近いほど樹脂が流れにくく、周辺部分に近いほど樹脂が流れやすくなり、ゲートと反対側における樹脂の流動末端においてウェルドラインが形成されてしまう。
【０１０２】
そこで、本実施の形態においては、前記断熱層３６４を、キャビティ空間Ｃ内の樹脂の流動性に対応させて、中央部分から周辺部分にかけて徐々に薄くするようにしている。
【０１０３】
したがって、中央部分に近いほど樹脂の冷却速度が低くされて温度が高くされ、周辺部分に近いほど樹脂の冷却速度が高くされて温度が低くされるので、樹脂の流動性が径方向において（中央部分から周辺部分にかけて）一様になる。その結果、ウェルドラインが形成されるのを防止することができ、レンズ３７１の品質を向上させることができる。
【０１０４】
また、各実施の形態においては、中間層に熱伝導率の低い材料を用いた例を示したが、熱伝導率の高い材料を用い、結合部の形状を樹脂の冷却性向に対応させて設定することもできる。そして、基層及び最外層を形成した２層構造の金型においても、各層に熱伝導率の異なる材料を用いて、結合部の形状を樹脂の冷却性向に対応させて設定することもできる。
【０１０５】
また、各実施の形態において、ディスク、レンズ等の比較的簡単な断面形状を有する成形品について説明しているが、非対称形状の成形品、底の深い容器、成形時に比較的長い冷却時間を要する厚物成形品等を成形する場合においても、熱伝導率の異なる二つ以上の材料を用いて、材料間に形成される結合部の形状を樹脂の冷却性向に対応させて設定することもできる。
【０１０６】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１０７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、金型においては、熱伝導率の異なる二つの材料から成る。そして、該各材料を焼結することによって結合部が形成される。また、該結合部の形状は、成形材料の冷却性向に対応させて設定される。
【０１０８】
この場合、結合部の形状が成形材料の冷却性向に対応させて設定されるので、成形品を成形したときに、成形材料の温度分布及び成形材料の流動性は一様になる。その結果、成形品を高い精度で安定して製造することができ、成形品の品質を向上させることができる。
【０１０９】
また、焼結によって結合部が形成されるので、金型を製造するのに必要な時間を短くすることができる。したがって、金型のコストを低くすることができる。
【０１１０】
さらに、めっき処理が行われないので、金型を高い精度で製造することができ、歩留まりを良くすることができ、材質の異なる二つの材料の結合性を高くすることができる。しかも、層の材質に制約が生じることがないので、金型の製造条件を容易に管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における金型の断面図である。
【図２】従来の金型の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における金型の製造装置を示す概念図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における金型の製造方法を示す概念図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における金型の特性を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における金型装置及び射出装置の要部を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態における金型及び成形品部の説明図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における金型及び成形品の説明図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態における金型及び成形品の説明図である。
【符号の説明】
３４　　上電極
３５　　下電極
６１、７８、１６１、２６１、３６１　　金型
６２、１６２、２６２、３６２　　基層
６３、１６３、２６３、３６３　　最外層
６４、１６４、２６４、３６４　　断熱層
６５　　第１の傾斜層
６６　　第２の傾斜層
Ｃ　　キャビティ空間
【図１】
2004001301.tif 000004
【図２】
2004001301.tif 000005
【図３】
2004001301.tif 000006
【図４】
2004001301.tif 000007
【図５】
2004001301.tif 000008
【図６】
2004001301.tif 000009
【図７】
2004001301.tif 000010
【図８】
2004001301.tif 000011
【図９】
2004001301.tif 000012