(57)【要約】【課題】モールド成形金型を焼結合金やセラミックスなどで形成した場合、金型製造のためのリードタイムや金型製造コストが増大する。モールド成形金型全体をガラスで形成したものは、割れや欠損を生じ、耐久性に問題があり、高精度な成形が困難である。【解決手段】本発明によるモールド成形金型は、光学面１ａ，１ｂを持った光学部品１をモールド成形するための金型１０ａ，１０ｂであって、焼結合金部１１と、この焼結合金部１１に一体的に接合されるガラス部１２とを具えたハイブリッド構造であり、ガラス部１２が光学面１ａ，１ｂと対応した成形面１５ａ，１５ｂを有する。【選択図】        図１０
2004210550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学面を持った光学部品をモールド成形するための金型であって、焼結合金部と、この焼結合金部に一体的に接合されるガラス部とを具え、前記ガラス部が前記光学面と対応した成形面を有することを特徴とするモールド成形金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学面を持ったガラス製の光学部品を成形するためのモールド成形金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス製光学レンズの生産効率を向上させるため、光学面を研磨加工せずに加熱しつつ金型の成形面にプレス成形により製造するガラスモールド成形の果たす役割が大変重要になってきている。製品の多様化に伴い、特にプラスチックレンズの採用が困難または不可能な状況の下で、軸対称の非球面レンズや非軸対称の自由曲面レンズの需要が増大している。このように、光学面が一定曲率の球面とはならないガラス製の光学レンズを大量生産するためには、金型を使用したモールド成形による方法を採用せざるを得ない。この場合、金型を構成する材料としては耐熱性と高い硬度とを併せ持つ超硬合金に代表される焼結合金やセラミックスなどが一般に用いられている。
【０００３】
ところで、直径が１５mm前後よりも小さなガラス製光学部品をモールド成形する場合、毎分数十度(℃)の割合でこれを急速加熱または急速冷却が可能である。しかしながら、成形されるガラス製光学部品の体積が増加するのに伴い、その加熱または冷却の際に、光学部品の中心部と外側との温度差が次第に増大する結果、この温度差をなくすために１個当たりの成形時間が大幅に増加するという問題がある。このため、比較的体積の大きなガラス製光学部品を大量生産する必要がある場合、比較的体積の小さなガラス製光学部品を大量生産する場合と比較すると、より多数の金型を用意する必要が生ずる。また、光学部品の製品ライフが短い昨今、光学部品の設計から製造までの期間を迅速化させる必要があるため、現在では金型の製造も極めて短時間で行えるようにすることが要求されている。
【０００４】
このような観点から、１つのマスター型（成形母型）を作り、この成形母型を転写してレプリカ金型を製造する技術が特許文献１や特許文献２に記載されている。具体的には、特許文献３に記載されているように、レプリカ金型としてガラスを用い、このガラス製金型を成形母型によりプレス成形して製造するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６２−２２６８２５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開昭６４−３３０２２号公報
【０００７】
【特許文献３】
特許第２６１６９６４号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ガラス製の光学部品をモールド成形するための金型を焼結合金やセラミックスなどで形成したものは、成形すべき光学部品の体積が増加するに連れて金型自体の寸法も大型化し、そのための加工時間が嵩んでしまい、金型製造のためのリードタイムや金型製造コストが増大する欠点がある。
【０００９】
特許文献３に開示されたレプリカ型全体がガラス製のものは、成形時や段取り操作の際に割れや欠損を金型に生ずるおそれがあり、しかも成形の反復に対する耐久性に問題があった。具体的には、成形時における金型自体の絶対変形量が大きく、６０mmの厚さのガラス製金型の場合には１００００ショットの成形後で約２μmの潰れが生じ、高精度な成形が困難となる。また、ガラス製の金型の熱伝導率は、金属などと比較すると５０〜１００分の１程度しかなく、金型の温度を迅速に昇温または降温させ、金型全体に亙って均一な温度に制御することが困難である。さらに、成形時の加工精度を上げるため、金型とこれを収容する筒状の胴型との嵌め合い隙間を５μm程度に設定することが好ましいが、金型全体がガラスにて形成されているため、胴型を構成する金属との熱膨張係数の相違により、上述した嵌め合い隙間を５μm程度に維持することが困難である。
【００１０】
【発明の目的】
本発明の目的は、光学面を持ったガラス製の光学部品を高精度に形成し得ると共に製造が容易であって耐久性の高いモールド成形金型を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の形態は、光学面を持った光学部品をモールド成形するための金型であって、焼結合金部と、この焼結合金部に一体的に接合されるガラス部とを具え、前記ガラス部が前記光学面と対応した成形面を有することを特徴とするモールド成形金型にある。
【００１２】
本発明においては、成形面が形成されたガラス部以外は耐久性および耐熱性に優れた硬質の焼結合金部にて形成されており、焼結合金部に対するガラス部の割合を少なく設定することにより、モールド成形金型全体の耐久性および耐熱性を焼結合金部の特性に近づけ、同時にガラス部の存在によって成形面の製造が容易化される。
【００１３】
本発明によるモールド成形金型において、焼結合金部が炭化タングステン，炭化タンタル，炭化チタンの少なくとも１つをコバルト，ニッケル，クロム，鉄，モリブデン，バナジウムの少なくとも１つで結合してなる超硬合金か、あるいはタングステン，チタン，炭素を主成分とし、チタンの一部がタンタル，バナジウム，ニオブ，クロム，モリブデン，ハフニウム，ジルコニウムの少なくとも１つで置換され、かつ炭素の一部が窒素で置換された合金であってよい。この場合、モールド成形金型の耐久性や耐熱性ならびに硬度などを高めることができる。
【００１４】
焼結合金部は、ガラス部に対する接合性を向上させるための接合性向上層をその表面に有することができる。この場合、接合性向上層が焼結合金部の酸化物にて形成されているものであってよい。あるいは、接合性向上層をチタン，タンタル，ニッケル，クロムの何れかの金属またはこれらを２つ以上含む合金の酸化物にて形成することも可能である。これによって、焼結合金部とガラス部とを確実に接合することができる。
【００１５】
ガラス部は、その厚みが５mm以下であることが好ましい。ガラス部の厚みを５mm以下に設定することにより、モールド成形金型の耐久性を損なうことなく、高精度な光学面を持ったモールド成形金型を容易に製造することができる。
【００１６】
ガラス部は、成形面を構成する離型促進層と、この離型促進層とガラス部の表面との間に介在するガラス保護層とを有することができる。この場合、離型促進層が白金，パラジウム，イリジウム，ロジウム，オスミウム，ルテニウム，レニウム，金，タングステン，タンタルの何れかの金属またはこれらを２つ以上含む合金か、あるいは硬質炭素にて形成されているものであってよい。また、ガラス保護層がチタン，タンタル，クロム，シリコンの何れか１つの炭化物，窒化物，炭窒化物の何れかにて形成されているものであってよい。ガラス保護層の存在によってガラス部の耐久性を高めて成形面の形状を良好に保つことができ、離型促進層によって成形される光学部品の光学面の剥離性を良好に保つことができる。
【００１７】
焼結合金部およびガラス部の熱膨張係数の差が２５℃〜６００℃の範囲内で２×１０-6以内にあることが好ましく、これによって焼結合金部とガラス部との接合性を良好に維持することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
焼結合金部およびこの焼結合金部に一体的に接合されるガラス部を具え、光学面を持った光学部品をモールド成形するための金型の製造方法であって、前記焼結合金部の表面に接合性向上層を形成するステップと、前記接合性向上層の表面に前記ガラス部を重ねると共に前記光学部品の光学面とほぼ合致する光学面が形成された成形母型をその光学面が前記ガラス部の表面に接触するように重ねるステップと、熱間プレスにより前記成形母型を前記ガラス部に押し付け、前記接合性向上層を介して前記焼結合金部と前記ガラス部とを一体的に接合すると共に前記ガラス部の表面を前記成形母型の光学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金型の製造方法も本発明の他の形態となり得るものである。
【００１９】
この金型の製造方法によると、成形母型を用いて焼結合金部とガラス部とからなるハイブリッド構造のモールド成形金型を容易かつ効率良く低コストにて製造することができ、例えば１００００ショットの成形を行った後でも金型の変形や割れなどの不具合が生じないことを確認できた。
【００２０】
この金型の製造方法において、焼結合金部の表面に接合性向上層を形成するステップが焼結合金部の表面を酸化させるステップを有するものであってよい。あるいは、チタン，タンタル，ニッケル，クロムの何れかの金属またはこれらを２つ以上含む合金の薄膜を形成するステップと、この金属または合金の薄膜を酸化させるステップとを有するものであってよい。これによって、焼結合金部とガラス部とをより確実に接合することができる。
【００２１】
成形母型の光学面と対応した形状に形成されたガラス部の表面にガラス保護層を形成するステップと、このガラス保護層の上に光学部品の光学面を成形するための成形面となる離型促進層を形成するステップとをさらに具えることができる。この場合、ガラス保護層をチタン，タンタル，クロム，シリコンの何れか１つの炭化物，窒化物，炭窒化物の何れかにて形成することができる。また、離型促進層を白金，パラジウム，イリジウム，ロジウム，オスミウム，ルテニウム，レニウム，金，タングステン，タンタルの何れかの金属またはこれらを２つ以上含む合金か、あるいは硬質炭素にて形成することができる。ガラス部の表面にガラス保護層を形成することにより、ガラス部の耐久性を高めてその表面の形状を良好に保つことができる。また、このガラス保護層の上に離型促進層を形成することにより、成形面に対するモールド成形される光学部品の光学面の剥離性を良好に保つことができる。
【００２２】
【実施例】
本発明によるモールド成形金型を図１に示すような断面構造のメニスカスレンズに応用した実施例について、図２〜図１０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。
【００２３】
図１に示すメニスカスレンズ１は、凸光学面１ａと凹光学面１ｂとを有し、本実施例では燐酸系の光学ガラスにて形成される。このメニスカスレンズ１の凸光学面１ａを成形するための本実施例のモールド成形金型１０ａの断面構造を図２に示し、凹光学面１ｂを成形するための本実施例におけるモールド成形金型１０ｂの断面構造を図３に示す。何れのモールド成形金型１０ａ，１０ｂも焼結合金部１１と、ガラス部１２と、このガラス部１２と焼結合金部１１との接合性を向上させるための接合性向上層１３と、ガラス部１２の表面に形成されるガラス保護層１４と、このガラス保護層１４に積層されて表面がメニスカスレンズ１の凸光学面１ａおよび凹光学面１ｂに対応した成形面１５ａ，１５ｂをそれぞれ構成する離型促進層１５とを有する。
【００２４】
本実施例における焼結合金部１１は、富士ダイス株式会社製のＭ４５という名称の超硬合金（熱膨張係数：５.５×１０-6）を成形すべきメニスカスレンズ１の輪郭形状に対応した所定の直方体形状に研削および研磨加工を行ったものであり、本実施例における接合性向上層１３は、上述した超硬合金製の焼結合金部１１の表層部を酸化させることによって形成したものである。本実施例におけるガラス部１２は、株式会社住田ガラス製のＺnＳＦ8（Ｔg＝５１８℃，熱膨張係数：４×１０-6）をプレス成形したものである。また、本実施例におけるガラス保護層１４は、０.５μmの膜厚の窒化チタン(ＴiＮ)にて形成され、本実施例における離型促進層１５は、１００nmの膜厚の硬質炭素にて形成されている。
【００２５】
このような一方のモールド成形金型１０ａの製造手順を図４〜図８を参照しながら説明するが、他方のモールド成形金型１０ｂの製造手順も全く同じである。
【００２６】
まず、焼結合金部１１となる超硬合金に対し、成形すべきメニスカスレンズ１の輪郭形状に対応した所定の直方体形状に研削および研磨加工を行った後、雰囲気制御可能なチャンバ内にて酸素アッシングを行い、その表層部を酸化させて接合性向上層１３を形成する。なお、この接合性向上層１３が形成される部分の焼結合金部１１の表面は、予めダイヤモンドペーストを用いて研磨され、その表面の二乗平均粗さＲＭＳが２nm程度となるように仕上げている。
【００２７】
このようにして接合性向上層１３が形成された焼結合金部１１を矩形のカップ型断面を有する成形胴型２０内にセットし（図４参照）、さらにガラス部１２となる厚さが５mmの板ガラス１２ｐを焼結合金部１１の接合性向上層１３の上に置く（図５参照）。
【００２８】
次に、成形胴型２０内にガラス部１２を成形するための成形母型３０を投入する（図６参照）。この成形母型３０は、成形すべきメニスカスレンズ１の輪郭形状に対応した所定の直方体形状に形成された超硬合金を用い、その成形面３０ａをあらかじめメニスカスレンズ１の凸光学面１ａの近似形状に研削加工し、この研削された成形面３０ａに対し、導入ガスとしてアルゴンガスとメタンガスとを用いてＮi−Ｐターゲットによりスパッタリングを行い、Ｎi−Ｐおよびその炭化物からなる混合膜を５０μmの厚さに形成する。そして、この混合膜をダイヤモンドバイトを用いて所定の形状に切削加工を行った後、その加工表面に均等研磨を施し、さらにイオンプレーティングによって０.５μmの膜厚の窒化チタン層を形成し、最後にイオンビーム蒸着により離型促進層となる１００nmの膜厚の硬質炭素層を形成したものである。
【００２９】
このようにして製造された成形母型３０と共に成形胴型２０内を６００℃に加熱し、成形母型３０を板ガラス１２ｐの表面に押し付け、板ガラス１２ｐをプレス成形してガラス部１２を形成する一方、焼結合金部１１とガラス部１２とを接合性向上層１３を介して一体的に接合する（図７参照）。これにより、ガラス部１２の表面に成形母型３０の成形面３０ａに対応した形状の転写面１２ａが形成される。
【００３０】
しかる後、成形胴型２０から成形母型３０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の表面にガラス保護層１４を形成し（図８参照）、さらにこのガラス保護層１４の表面に離型促進層１５を形成して図２に示すモールド成形金型１０ａを完成する。
【００３１】
このようにして製造されたモールド成形金型１０ａ，１０ｂを用いて図１に示すメニスカスレンズ１を成形する場合、図９に示すように成形胴型２０内に凸光学面１ａ形成用のモールド成形金型１０ａと、燐酸系光学ガラスにてあらかじめ近似形状に成形されたメニスカスレンズ１のブランク１ｐと、凹光学面１ｂ形成用のモールド成形金型１０ｂとを順に入れ、これらを420℃に加熱しつつ凹光学面１ｂ形成用のモールド成形金型１０ｂをブランク１ｐに押し付け、図１に示すようなメニスカスレンズ１を成形する。連続成形機によってこのメニスカスレンズ１を３０００ショット成形した結果、何れの場合も良好なメニスカスレンズ１が得られ、３０００ショット成形後においてもモールド成形金型１０ａ，１０ｂの割れや表面の劣化が認められなかった。
【００３２】
上述した第１の実施例では、焼結合金部１１の表層部を酸化させて接合性向上層１３を形成したが、焼結合金部１１の表面にチタン，タンタル，ニッケル，クロムの何れか１つの金属またはこれらのうちの任意の２つ以上からなる合金をスパッタリングにより１００nm形成し、さらにこれを酸素アッシング処理により酸化させて接合性向上層１３とすることも可能である。このような接合性向上層１３以外は先の実施例と同じ構成のモールド成形金型１０ａ，１０ｂを製造し、図１に示すメニスカスレンズ１を３０００ショット成形した結果、先の実施例と同様に、何れの場合も良好なメニスカスレンズ１が得られ、３０００ショット成形後においてもモールド成形金型１０ａ，１０ｂの割れや表面の劣化が認められなかった。
【００３３】
前述の第１の実施例において、ガラス保護層１４である窒化チタンに代えてチタンの炭化物または炭窒化物、あるいはタンタル，シリコン，クロムのうちの何れかの窒化物，炭化物，炭窒化物の何れかを採用することも可能である。このようなモールド成形金型１０ａ，１０ｂを用いて図１に示すメニスカスレンズ１を３０００ショット成形した結果、先の２つの実施例と同様に、何れの場合も良好なメニスカスレンズ１が得られ、３０００ショット成形後においてもモールド成形金型１０ａ，１０ｂの割れや表面の劣化が認められなかった。
【００３４】
前述の第１の実施例において、離型促進層１５としての硬質炭素に代えて白金，パラジウム，イリジウム，ロジウム，オスミウム，ルテニウム，レニウム，金，タングステン，タンタルの何れかの金属またはこれらを２つ以上含む合金の薄膜を採用することも可能である。 このようなモールド成形金型１０ａ，１０ｂを用いて図１に示すメニスカスレンズ１を３０００ショット成形した結果、先の３つの実施例と同様に、何れの場合も良好なメニスカスレンズ１が得られ、３０００ショット成形後においてもモールド成形金型１０ａ，１０ｂの割れや表面の劣化が認められなかった。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のモールド成形金型によると、焼結合金部と、この焼結合金部に一体的に接合されると共に光学面と対応した成形面を有するガラス部とを具えているので、モールド成形金型全体の耐久性および耐熱性などを焼結合金部の特性に近づけることができ、しかもガラス部の存在によって高精度な成形面を容易に製造することができる。具体的には、１００００ショットの成形を行った後でも金型の変形や割れなどの不具合が生じないことを確認できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象となった光学部品の一例の構造を表す断面図である。
【図２】図１に示したメニスカスレンズの凸光学面を成形するための本発明によるモールド成形金型の一実施例を示す断面図である。
【図３】図１に示したメニスカスレンズの凹光学面を成形するための本発明によるモールド成形金型の一実施例を示す断面図である。
【図４】図５〜図８と共に図２に示したモールド成形金型の製造過程を示す断面図であり、焼結合金部の表面部に接合性向上層を形成した状態を表す。
【図５】図４，図６〜図８と共に図２に示したモールド成形金型の製造過程を示す断面図であり、接合性向上層の上にガラス部を載せた状態を表す。
【図６】図４，図５，図７，図８と共に図２に示したモールド成形金型の製造過程を示す断面図であり、ガラス部の上に成形母型を配した状態を表す。
【図７】図４〜図６，図８と共に図２に示したモールド成形金型の製造過程を示す断面図であり、成形母型によるガラス部の成形状態を表す。
【図８】図４〜図７と共に図２に示したモールド成形金型の製造過程を示す断面図であり、ガラス部の表面にガラス保護層を形成した状態を表す。
【図９】図１０と共に図１に示したメニスカスレンズの製造過程を示す断面図であり、レンズプリフォームを一方のモールド成形金型の上に載せた状態を表す。
【図１０】図９と共に図１に示したメニスカスレンズの製造過程を示す断面図であり、２つのモールド成形金型を用いてレンズプリフォームを成形している状態を表す。
【符号の説明】
１  メニスカスレンズ
１ａ  凸光学面
１ｂ  凹光学面
１ｐ  ブランク
１０ａ，１０ｂ  モールド成形金型
１１  焼結合金部
１２  ガラス部
１２ａ  転写面
１２ｐ  板ガラス
１３  接合性向上層
１４  ガラス保護層
１５  離型促進層
１５ａ，１５ｂ  成形面
２０  成形胴型
３０  成形母型
３０ａ  成形面
【図１】
2004210550.tif 000003
【図２】
2004210550.tif 000004
【図３】
2004210550.tif 000005
【図４】
2004210550.tif 000006
【図５】
2004210550.tif 000007
【図６】
2004210550.tif 000008
【図７】
2004210550.tif 000009
【図８】
2004210550.tif 000010
【図９】
2004210550.tif 000011
【図１０】
2004210550.tif 000012