(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を形成するための光学素子成形金型において、過冷却液体域を有する非晶質合金を素材とし、プランジャーに金属部材を取り付けて、前記金属部材が前記非晶質合金に内包されるようにして前記非晶質合金を加熱プレス成形した後で、前記プランジャーから前記金属部材を前記非晶質合金と一体的に分離することができ、前記金属部材は、光学素子を成形する金型となる前記非晶質合金を固定するために用いられることを特徴とする光学素子成形金型。
【請求項２】
前記金属部材にネジ穴を形成しており、前記プランジャーは中空であって、内側から挿通されたボルトを前記ネジ穴に挿通することにより、前記金属部材は前記プランジャーに固定されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形金型。
【請求項３】
前記金属部材の外周に、くぼみ又は突起を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子成形金型。
【請求項４】
前記金属部材の線膨脹係数と、前記非晶質合金の線膨張係数との差を、３×１０-6以内にしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学素子成形金型。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光学素子成形金型を用いて成形されたことを特徴とする光学素子。
【請求項６】
前記光学素子がレンズであることを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
プランジャーに金属部材を取り付ける工程と、
過冷却液体域を有する非晶質合金を、前記金属部材が前記非晶質合金に接触するようにして前記プランジャーにより加熱プレス成形する工程と、
前記加熱プレス成形の際に、前記非晶質合金に金属部材を埋め込む工程と、
前記プランジャーから前記金属部材を前記非晶質合金と一体的に分離する工程とを有し、
前記金属部材は、光学素子を成形する金型となる前記非晶質合金を固定するために用いられることを特徴とする光学素子成形金型の製造方法。
【請求項８】
前記非晶質合金が固化した後、前記金属部材に後加工を施す工程を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の光学素子成形金型の製造方法。
【請求項９】
前記後加工はタッピング加工であることを特徴とする請求項８に記載の光学素子成形金型の製造方法。
【請求項１０】
前記金属部材にネジ穴を形成しており、前記プランジャーは中空であって、内側から挿通されたボルトを前記ネジ穴に挿通することにより、前記金属部材は前記プランジャーに固定されることを特徴とする請求項７に記載の光学素子成形金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子成形金型、光学素子及び光学素子成形金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
過冷却液体域を有する非晶質合金（アモルファス合金又は金属ガラスともいう）を用いて、加熱プレス成形により金属ガラス製の光学素子成形金型を創成する技術が、本発明者による特願２００１−０５４１８２及び特願２００１−０５４１８３に詳しく説明されている。かかる非晶質合金は、３００℃〜５００℃程度の温度範囲で軟化する特性を有するので、比較的容易に押圧して所望の形状に成形することができ、特にプラスチックレンズなどの光学素子用の光学素子成形金型材料としては、光学素子成形時の硬度も十分に高く、また光学面や、高精度にダイセットと嵌合させるべき外周などの寸法基準面を、ダイアモンド切削により極めて良好に創成できるなど、種々の優れた特徴を有する材料といえる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非晶質合金は、通常の切削などの機械加工中に、切り込みが大きかったり刃物の切れ味が悪いと、容易に割れを生じやすいという欠点も有している。これは、非晶質合金の組織が通常の金属と異なり結晶構造をとらず、アモルファス状であるため、どこの部位も均一な組成及び構造であるために、応力が発生した場合には高い強度を有する反面、ひとたび破断すると何ら応力が緩和されることなく破断部分に集中して、瞬間的に破断が進むことが主要因といえる。この性質こそが、非晶質合金である所以であるが、金型材料として用いるには、以下に示すように困難な問題を含んでいる。
【０００４】
上述した特性を有するが故、非晶質合金から形成した光学素子成形金型をダイセットに固定するために必要なネジ穴を、タップを用いて金型の底面に形成しようとすると、１リードあたりのタップの切り込み量が大きいことから、非晶質合金材料がそれに耐えきれず多くのケースで割れてしまい、せっかく創成した光学成形面を有する光学素子成形金型を壊してしまうという恐れがある。また、無事にネジ穴が形成された場合でも、かかる金型を、プラスチック光学素子などを成形するためにダイセットに組み込み固定する際に、ネジ穴に過大な応力が生じると割れてしまうので、ボルトなどで強く締結出来ないという問題もある。更に、摺動部のこじれや型締め力に起因して生じるダイセットの歪みが、ネジ穴を介して非晶質合金製の光学素子成形金型に直接伝わり、ネジ穴が割れてしまう恐れもある。
【０００５】
このように大きな型締め力が働くダイセットで、緩みや割れにより光学素子成形金型をしっかりと締結固定できないのでは、成形中に光学素子成形金型が緩んで金型を破損したり、不良品を成形したりする原因となって好ましくない。
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、優れた特徴を有するが脆性破壊しやすい非晶質合金を、破壊なくダイセットに実装可能とする光学素子成形金型、及びその光学素子成形金型により成形される高精度な光学素子、並びに光学素子成形金型の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の光学素子成形金型は、光学素子を形成するための光学素子成形金型において、過冷却液体域を有する非晶質合金を素材とし、プランジャーに金属部材を取り付けて、前記金属部材が前記非晶質合金に内包されるようにして前記非晶質合金を加熱プレス成形した後で、前記プランジャーから前記金属部材を前記非晶質合金と一体的に分離することができ、前記金属部材は、光学素子を成形する金型となる前記非晶質合金を固定するために用いられることを特徴とする。
【０００８】
より具体的には、本発明の光学素子成形金型において、特に応力がかかる金型を固定するためのネジ穴等を前記金属部材で形成し、それ以外を非晶質合金とするハイブリッド構造を取ることにより、ネジ穴等に集中する応力を、金属部材を構成する結晶材料の延性や結晶粒界の滑り効果によって吸収して破断を防ぐことができる。一方、その他の非晶質合金からなる部位については、光学素子の光学面を成形する高精度な光学成形面を、加熱プレス成形で容易に成形創成し、外周などの精密な嵌合を必要とする寸法基準面を、ダイアモンド切削などにより精密切削仕上げを行うことができる。従って、高精度な光学素子を成形するために非晶質合金を素材として用いているにも関わらず、ダイセットに実装固定できる光学素子成形金型を提供できるのである。
【０００９】
請求項２に記載の光学素子成形金型は、前記金属部材にネジ穴を形成しており、前記プランジャーは中空であって、内側から挿通されたボルトを前記ネジ穴に挿通することにより、前記金属部材は前記プランジャーに固定されることを特徴とする。前記金属部材のネジ穴を用いることで、上述したごときダイセットへの取り付けを行うことが可能となる。
【００１０】
請求項３に記載の光学素子成形金型は、前記金属部材の外周に、くぼみ又は突起を有すると、そのくぼみ又は突起により、非晶質合金から前記金属部材が抜け出ることを防止できる。
【００１１】
請求項４に記載の光学素子成形金型は、前記金属部材の線膨脹係数と、前記非晶質合金の線膨張係数との差を、３×１０−６以内にすると、加熱プレス成形後に冷却されたときも、前記金属部材と非晶質合金との間にスキマができたり、割れなどが生じることを抑制できる。
【００１２】
請求項５に記載の光学素子は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光学素子成形金型を用いて成形されると、回折輪帯のごとき微細な形状を容易に形成できるので好ましい。
【００１３】
請求項６に記載の光学素子はレンズであると好ましい。
【００１４】
請求項７に記載の光学素子成形金型の製造方法は、プランジャーに金属部材を取り付ける工程と、過冷却液体域を有する非晶質合金を、前記金属部材が前記非晶質合金に接触するようにして前記プランジャーにより加熱プレス成形する工程と、前記加熱プレス成形の際に、前記非晶質合金に金属部材を埋め込む工程と、前記プランジャーから前記金属部材を前記非晶質合金と一体的に分離する工程とを有し、前記金属部材は、光学素子を成形する金型となる前記非晶質合金を固定するために用いられるので、埋め込んだ金属部材を用いて、ダイセットなどに組み込むことで、ネジ穴加工時等における非晶質合金の応力集中を緩和でき、割れなどを防止することができる。又、加熱プレス成形と前記金属部材の埋め込みとを同時に行うことができるため、製造効率が増大する。
【００１５】
請求項８に記載の光学素子成形金型の製造方法は、前記非晶質合金が固化した後、前記金属部材に後加工を施す工程を更に含むと、非晶質合金に対して直接後加工を施すことによる応力集中を抑制できるので好ましい。
【００１６】
請求項９に記載の光学素子成形金型の製造方法は、前記後加工はタッピング加工であると、ネジ穴加工時等における非晶質合金の応力集中を緩和できるので好ましい。
【００１８】
請求項１０に記載の光学素子成形金型の製造方法は、前記金属部材にネジ穴を形成しており、前記プランジャーは中空であって、内側から挿通されたボルトを前記ネジ穴に挿通することにより、前記金属部材は前記プランジャーに固定されると、前記金属部材の前記プランジャーへの取り付け・取り外しが容易であるので好ましい。
【００１９】
本明細書中で用いる回折輪帯とは、光学素子（例えばレンズ）の光学面表面に、光軸を中心とする略同心状の輪帯として形成されたレリーフを設けて、回折によって光束を集光あるいは発散させる作用を持たせた回折面のことをいう。例えば、光軸を含む平面でその断面をみれば各輪帯は鋸歯のような形状が知られているが、そのような形状を含むものである。又、回折輪帯をここでは回折溝ともいう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、光学素子成形金型を製作する工程を示す図である。まず、図１（ａ）に示すように、光学素子の一例であるレンズの非球面に対応した母非球面１ａを形成したマスター型材１に、支柱５を取り付け、且つボルト３を用いて円筒状のブランク型２を組み付ける。又、中空のプランジャー６の下面に設けた中央開口６ａに挿通させたボルト７により、金属部材であるインサート部品８をプランジャー６の下面に取り付けている。ステンレスや鋼などから形成できるインサート部品８は円筒状であって、ボルト７に螺合するネジ穴８ａを有する。
【００２１】
更に、図１（ｂ）に示すように、マスター型材１及びブランク型２をヒーターＨにより予備加熱しておき、過冷却液体域間で加熱し軟化させた非晶質合金ＭＧを、急激な固化を抑制しつつブランク型２内に挿入し、プランジャー６で加圧する。その際にブランク型２内の空気は、エアベント（ブランク型２の端面に形成された溝２ａ）を介して外部へと流出する。
【００２２】
このとき、プランジャー６の下面に取り付けられたインサート部品８（同様に加熱されている）が、非晶質合金ＭＧ内に侵入するが、非晶質合金ＭＧは、溶融した樹脂と同様に柔軟性があるため、わずかな加圧であっても、インサート部品８の侵入を許容し、且つブランク型２の内形状に一致するように変形し、又、マスター型材１の母非球面１ａの形状に一致するように変形する。すなわち、マスター型材１の母非球面１ａに対応する光学成形面（後述する１０ａ）は、非球面形状に形成されることとなる。非晶質合金ＭＧを軟化させて成形することで、マスター型４の損耗を抑制し、その寿命を延長することができる。
【００２３】
更に、図１（ｃ）に示すように、マスター型４とプランジャー６とを一体で、冷却水が満たされた容器Ｓ内に沈下させることで、非晶質合金ＭＧを急冷させる。尚、かかる冷却は自然放冷であっても良い。それにより、十分な強度で非晶質合金ＭＧとインサート部品８とを一体化出来る。その後、容器Ｓから取り出したマスター型４に対して、プランジャー６を固化した非晶質合金ＭＧと一体で離隔させる。更に、図１（ｄ）に示すように、ボルト７をゆるめることで、プランジャー６から非晶質合金ＭＧすなわち光学素子成形金型１０（図２）を分離させることができる。
【００２４】
図２は、光学素子であるレンズを成形するための金型を示す断面図である。上述のようにして非晶質合金ＭＧから形成した光学素子成形金型１０のインサート部品８に、ボルト１５を螺合させることによって、光学素子成形金型１０は、可動部材１６に取り付けられている。一方、同様にして形成した光学素子成形金型１１のインサート部品８’に、ボルト１７を螺合させることによって、光学素子成形金型１１は、固定部材１８に取り付けられている。
【００２５】
更に、光学素子成形金型１０，１１を、それぞれ光学成形面１０ａ、１１ａ同士を対向させるようにして、ダイセット金型１３，１４に挿入し、溶融したプラスチック材料ＰＬを光学素子用金型１０，１１間に射出し、更に冷却することで、所望の形状のレンズを得ることができる。
【００２６】
インサート部品８は、図１，２に示すように、予め非貫通のネジ穴８ａを形成しているので、かかるネジ穴８ａを用いて、プランジャー６の下面に固定できるので、プレス成形中にインサート部品８のずれ防止を図ることができる。また、何らかのズレ防止策を講じれば、例えば中実のインサート部品を接着などの形で、プランジャー６の下面に取り付けた状態で加熱プレスすることができる。かかる場合、加熱プレス成形により、非晶質合金に埋め込まれたインサート部品に対して、ネジ穴加工（タッピング）などの後加工を行えば、非晶質合金を破壊することがなく、容易に加工出来る。更に、このようなインサート部品を埋め込むことで、ダイセット内に光学素子成形金型を固定した際に生じる応力を、このインサート部品によって緩和するので、光学素子成形金型の破損を招くことなく、光学素子の成形を行うことができる。
【００２７】
ここで、非晶質合金を成形する温度は、金属部材の軟化温度よりも極めて低いため、非晶質合金と金属部材は基本的に固溶しないし濡れない。そのため、インサート部品８”の外周部に、図３に示すように、菱目ローレットなどのくぼみと突起を形成しておけば、加熱プレス成形により埋め込まれた際に、非晶質合金がしっかりとインサート部品８”を保持することができるので、非晶質合金内でガタが起きたり回ったりすることが無い。尚、くぼみもしくは突起は、ローレットに限らない。又、インサート部品の外形は円筒状でなくとも良く、４角柱や６角柱など種々の形状であっても良い。
【００２８】
インサート部品材料の選定で重要なことは、線膨張係数を非晶質合金のそれに近づけることである。これは、外力が加わった際の非晶質合金の変形による応力緩和を殆ど期待できないことから、線膨張係数の差に起因して、成形に伴う温度変化時にインサート部品から、それを内包する非晶質合金に対して大きな力を伝達させないようにするためである。例えば、非晶質合金の線膨張係数がインサート部品材料よりも許容範囲を超えて大きい場合は、加熱プレス成形された後室温まで冷却される際に、インサート部品を締め付ける力が働き、臨界を超えれば破断する。これに対し、非晶質合金の線膨張係数がインサート部品材料よりも許容範囲を超えて小さい場合は、もともと固溶はしていない非晶質合金とインサート部品との境界が、冷却収縮により剥離して、ガタが生じるなどインサート部品の保持状態が劣化するため、この観点からもインサート部品と非晶質合金との線膨張係数は近い方が望ましい。両者の線膨張係数の差の好ましい範囲は、３×１０−６以内である。
【００２９】
プラスチック光学素子を成形する際の樹脂温度は、おおよそ２５０℃程度。Ｐｄ系やＺｒ系の非晶質合金の線膨張係数は、おおよそ８〜１０×１０−６である。インサート部品の大きさにもよるが、インサート部品に用いる材料は、８〜１３×１０−６程度が好ましい。従って、オーステナイト系のステンレスや低膨張合金などは避ける方が無難である。
【００３０】
（実施例）
プラスチックレンズ成形用の光学素子成形金型のブランク形状をＰｄ４０Ｃｕ３０Ｎｉ１０Ｐ２０の非晶質合金を加熱プレス成形して、同時に底面に線膨張係数が非晶質合金とほぼ等しいＳ４５Ｃ材のインサート部品を埋め込んだ。かかるインサート部品には、予め非貫通のＭ４ネジ穴を形成している。インサート部品はプランジャーにＭ４ネジで固定して、加熱プレス成形中にインサート部品がずれないようにした。また、光学成形面形状は、この加熱プレス成形時に創成し、外周の精密嵌合部は成形後にダイアモンド切削で±１μｍの精度で仕上げた。この光学素子成形金型６個を一つのダイセット内に組み込んで、Ｍ４ネジによりバックプレートに十分なトルクで固定して、プラスチックレンズの成形を行った。約３ヶ月間連続で、計８６，０００ショット以上を成形したが、光学素子成形金型の破損はなかった。また、光学素子金型のバックプレートに対する固定ネジの緩みもなかった。
【００３１】
尚、非晶質合金ＭＧとしては、例えば以下の組成の非晶質合金を用いることができる。
Ｐｄ４０Ｎｉ１０Ｃｕ３０Ｐ２０
Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５
Ｐｄ５３Ｃｕ２８Ｎｉ１０Ｐ９
Ｐｄ７６Ｃｕ１７Ｓｉ７
【００３２】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。たとえば、インサート部品は、光学素子成形金型の固定のみならず、その加工時にワークを支持する部分としても用いることができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた特徴を有するが脆性破壊しやすい非晶質合金を、破壊なくダイセットに実装可能とする光学素子成形金型、及びその光学素子金型により成形される高精度な光学素子、並びに光学素子成形金型の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の光学素子用金型の製作工程を示す図である。
【図２】光学素子成形金型１０を機械加工する状態を示す図である。
【図３】インサート部品の別の実施の形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  マスター型材
２  ブランク型
４  マスター型
５  支柱
６  プランジャー
７  ボルト
８、８’、８”  インサート部品
１０  光学素子成形金型
１６  可動部材
１８  固定部剤
【図１】
0004771109.tif 000002
【図２】
0004771109.tif 000003
【図３】
0004771109.tif 000004