(57)【要約】【課題】ガラスの厚みが薄くても、接合面の端部からの剥離、ワレが発生せず、温度分布と形状精度と耐久性に優れた異種材から成るハイブリッド成形型を提供する。【解決手段】表面に光学素子を成形するための成形面１４を有し、板状に形成された第１の型部分１１と、型の基台部分を構成し、第１の型部分が融着により固定された、第１の型部分とは異なる材質からなる第２の型部分１２とを具備し、第１の型部分は、成形面の中央周辺の光学有効部分１４ａでは略均一の厚みであり、周辺部分１６では端部に向かうにつれて厚みが薄くなるように形成されている。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に光学素子を成形するための成形面を有し、板状に形成された第１の型部分と、
型の基台部分を構成し、前記第１の型部分が融着により固定された、前記第１の型部分とは異なる材質からなる第２の型部分とを具備し、
前記第１の型部分は、前記成形面の中央周辺の光学有効部分では略均一の厚みであり、周辺部分では端部に向かうにつれて厚みが薄くなるように形成されていることを特徴とするハイブリッド成形型。
【請求項２】
前記第１の型部分はガラスからなり、前記第２の型部分は金属またはセラミックからなることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド成形型。
【請求項３】
表面に光学素子を成形するための成形面を有し、板状に形成された第１の型部分と、
型の基台部分を構成し、前記第１の型部分が融着により固定された、前記第１の型部分とは異なる材質からなる第２の型部分とを具備し、
前記第１の型部分は、前記成形面の中央周辺の光学有効部分では略均一の厚みであり、周辺部が前記第２の型部分を包み込むように前記第２の型部分の厚さ方向に延長されていることを特徴とするハイブリッド成形型。
【請求項４】
前記第１の型部分の延長された周辺部の長さは、前記成形面の光学有効部分の厚みの２倍以上であることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド成形型。
【請求項５】
前記第１の型部分は、端部に向かうにつれて厚みが薄く形成されていることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド成形型。
【請求項６】
前記第１の型部分はガラスからなり、前記第２の型部分は金属またはセラミックからなることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド成形型。
【請求項７】
表面に光学素子を成形するための成形面を有し、板状に形成された第１の型部分と、
型の基台部分を構成し、前記第１の型部分が融着により固定された、前記第１の型部分とは異なる材質からなる第２の型部分とを具備し、
前記第１の型部分は、前記成形面の中央周辺の光学有効部分では略均一の厚みであり、周辺部が前記第２の型部分に包み込まれるように前記第２の型部分の厚さ方向に延長されていることを特徴とするハイブリッド成形型。
【請求項８】
前記第１の型部分の延長された周辺部の長さは、前記成形面の光学有効部分の厚みの２倍以上であることを特徴とする請求項７に記載のハイブリッド成形型。
【請求項９】
前記第１の型部分は、端部に向かうにつれて厚みが薄く形成されていることを特徴とする請求項７に記載のハイブリッド成形型。
【請求項１０】
前記第１の型部分はガラスからなり、前記第２の型部分は金属またはセラミックからなることを特徴とする請求項７に記載のハイブリッド成形型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子等を成形するための、異種材で構成されたハイブリッド成形型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、非球面や自由曲面等の複雑な形状を有する光学素子が多く設計されてきている。こういった複雑な形状を有する光学素子を研削、研磨等により大量に加工するのには時間とコストがかかる。そのため、ガラスモールド成形や射出成形で一発成形する方法が行われているが、複雑な形状の成形品を量産するには、やはり、相当数の複雑な形状を有する成形型を用意しなければならない。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３２０３４０２号公報
【特許文献２】
特開平２−１０２１３６号公報。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こういった複雑な形状を有する成形型を簡単に加工する方法として、光学素子を成形するための成形型をプレスにより一発成形する方法が、例えば特許第３２０３４０２号公報（特許文献１）に開示されている。この方法によれば、複雑な形状のガラス製の成形型が簡単に作製できる。しかしながら、ガラス製の成形型は材質的にカケやすく、熱伝導率も比較的小さいために温度分布が大きくなり易い等の欠点がある。
【０００５】
そのため、特開平２−１０２１３６号公報（特許文献２）には、ガラスと超硬合金等の異種材を接合したハイブリッド成形型の技術が開示されている。この開示の方法により、ガラス厚みを薄くほぼ等厚とすれば温度分布の問題は解決される。しかしながら、異種材の接合体であるため、特に異種材接合部の端部の応力集中によって剥離し易いという問題がある。
【０００６】
なお、図１にガラス厚みを薄く略等厚とした従来の型構造の側断面図を示す。図１において、１は成形面４を有し略等厚の薄いガラスからなる第１の型部分、２は超硬合金からなり型の基台となる第２の型部分、３は第１の型部分１と第２の型部分２の融着面、４は光学素子の素材であるガラス材料をプレス成形するための成形面、４ａは光学素子の光学機能面を成形する部分である光学機能面成形部である。このような従来のハイブリッド成形型では、前述したようにガラスからなる第１の型部分１と超硬合金からなる第２の型部分２の間で剥離がおきやすい。
【０００７】
そこで、図２に示すように、剥離を防止するために融着接合面の全てに凹凸を設けるという方法も提案されている。図２は、この融着接合面の全面に凹凸を設けた型構造を示す側断面図である。図２において、図１と同一符号を付した部分は、図１の場合と同一機能部分を示す。
【０００８】
しかしながら、この方法によるとガラスの厚みに差がついてしまうので僅かでも熱膨張係数に差があれば温度変化により光学機能面の形状精度が悪化するという問題が新たに発生する。また、ガラスが薄いために凹凸のエッジ部からワレが生じ易くなる。
【０００９】
さらに、ガラスが薄くなると、その型を用い成形される成形品からの応力が接合部へより強く作用することになるので、剥離し易くなるという問題も起きる。つまり、成形型の温度分布を均一にするためにガラスの厚みを極力薄くしていくと、剥離、ワレ、形状精度の面で問題が出てしまう。
【００１０】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガラスの厚みが薄くても、接合面の端部からの剥離、ワレが発生せず、温度分布と形状精度と耐久性に優れた異種材から成るハイブリッド成形型を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わるハイブリッド成形型は、表面に光学素子を成形するための成形面を有し、板状に形成された第１の型部分と、型の基台部分を構成し、前記第１の型部分が融着により固定された、前記第１の型部分とは異なる材質からなる第２の型部分とを具備し、前記第１の型部分は、前記成形面の中央周辺の光学有効部分では略均一の厚みであり、周辺部分では端部に向かうにつれて厚みが薄くなるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、この発明に係わるハイブリッド成形型において、前記第１の型部分はガラスからなり、前記第２の型部分は金属またはセラミックからなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係わるハイブリッド成形型は、表面に光学素子を成形するための成形面を有し、板状に形成された第１の型部分と、型の基台部分を構成し、前記第１の型部分が融着により固定された、前記第１の型部分とは異なる材質からなる第２の型部分とを具備し、前記第１の型部分は、前記成形面の中央周辺の光学有効部分では略均一の厚みであり、周辺部が前記第２の型部分を包み込むように前記第２の型部分の厚さ方向に延長されていることを特徴とする。
【００１４】
また、この発明に係わるハイブリッド成形型において、前記第１の型部分の延長された周辺部の長さは、前記成形面の光学有効部分の厚みの２倍以上であることを特徴とする。
【００１５】
また、この発明に係わるハイブリッド成形型において、前記第１の型部分は、端部に向かうにつれて厚みが薄く形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、この発明に係わるハイブリッド成形型において、前記第１の型部分はガラスからなり、前記第２の型部分は金属またはセラミックからなることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係わるハイブリッド成形型は、表面に光学素子を成形するための成形面を有し、板状に形成された第１の型部分と、型の基台部分を構成し、前記第１の型部分が融着により固定された、前記第１の型部分とは異なる材質からなる第２の型部分とを具備し、前記第１の型部分は、前記成形面の中央周辺の光学有効部分では略均一の厚みであり、周辺部が前記第２の型部分に包み込まれるように前記第２の型部分の厚さ方向に延長されていることを特徴とする。
【００１８】
また、この発明に係わるハイブリッド成形型において、前記第１の型部分の延長された周辺部の長さは、前記成形面の光学有効部分の厚みの２倍以上であることを特徴とする。
【００１９】
また、この発明に係わるハイブリッド成形型において、前記第１の型部分は、端部に向かうにつれて厚みが薄く形成されていることを特徴とする。
【００２０】
また、この発明に係わるハイブリッド成形型において、前記第１の型部分はガラスからなり、前記第２の型部分は金属またはセラミックからなることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図３は本発明の第１の実施形態にかかわるハイブリッド成形型を示す側断面図である。
【００２３】
図３において、１１は成形面１４を有し光学機能面成形部１４ａの部分がほぼ均一な厚みに形成された薄いガラスからなる第１の型部分、１２は超硬合金からなり型の基台となる第２の型部分、１３は第１の型部分１１と第２の型部分１２の融着部、１４は光学素子の素材であるガラス材料をプレス成形するための成形面、１４ａは光学素子の光学機能面を成形する部分である光学機能面成形部である。なお、本実施形態のハイブリッド成形型では、第１の型部分１１の端部１６の厚みが、図１、図２に示した従来の型に比べて薄くなっている。このように第１の型部分１１の端部を薄くすることにより、第１の型部分１１と第２の型部分１２の融着部の端部において応力集中が起きにくくなって、第１の型部分１１と第２の型部分１２が剥離しにくくなる。
【００２４】
以下、第１の実施形態のハイブリッド成形型のより具体的な実施例について説明する。
【００２５】
本実施例のハイブリッド成形型は２種の材質で構成されており、第１の型部分１１はホウケイ酸ガラス（ガラス転移点＝５４０℃、軟化点＝７３０℃）からなり、第２の型部分１２はＷＣ（炭化タングステン）を主成分とする超硬合金からなり、径は共に約φ１８ｍｍである。融着部１３は第１の型部分１１と第２の型部分１２との接合面である。成形面１４の寸法は、曲率半径が球Ｒ＝７ｍｍ、球冠の高さが３ｍｍ、光学機能面成形部１４ａの近辺における第１の型部分１１の厚みが２ｍｍである。この厚みを２ｍｍとしたのは、耐荷重（ワレ）を考慮した結果である。耐荷重の問題が生じない場合はより薄くすると温度分布がさらに少なくなるのでさらに良い。また、ここでは球Ｒの型を用いているが、平面、球面、非球面、自由曲面等の形状に関わらず本発明を適用可能である。
【００２６】
第１の型部分１１の成形面１４には、図示されていない母型により熱間プレスにより形成された光学機能面成形部１４ａが形成されている。
【００２７】
第１の型部分１１にガラスを選択した理由は、ガラスは熱により粘性流動し、複雑な形状でも熱間で簡単に加工でき、金属やセラミックスと比較的簡単に融着するからである。ただし、第１の型部分１１の材質は、ガラスに限定されるものではなく、第２の型部分１２と融着するならガラス以外のアモルファス合金、金属等でも良い。
【００２８】
第２の型部分１２に超硬合金を選択した理由は、耐熱性が高く強度も高いからである。第２の型部分１２には、第１の型部分１１よりも耐熱性と強度が高いものを選択した。必ずしも超硬合金でなければならないことは無く、耐熱性と強度の問題が生じないなら、金属、セラミック等でも良い。
【００２９】
図４は、上記のような、ガラスモールド用ハイブリッド成形型の製造工程を示す概略図である。図中、２０は後に第１の型部分１１となる型材料、１２は第２の型部分、２２は型材料２０を成形するための母型である。母型２２の材質はＷＣ基の超硬合金であり、母型２２の光学機能面成形部２２ａには第１の型部分１１との融着を防止するために、例えば炭素系の離型膜が成膜されている。
【００３０】
本実施例で行ったハイブリッド成形型の製造プロセスは、概略下記の（１）〜（３）の工程からなる。
【００３１】
工程（１）
型材料２０、第２の型部分１２、母型２２を図示していない熱源により加熱する。
【００３２】
工程（２）
母型２２で型材料２０を第２の型部分１２に押しつけ、型材料２０を第２の型部分１２に融着させ、かつ、型材料２０に母型２２の光学機能面成形部２２ａの形状を転写させ、第１の型部分１１を形成する。
【００３３】
工程（３）
第１の型部分１１、第２の型部分１２、及び母型２２を冷却し、母型２２と第１の型部分１１とを分離させる。
【００３４】
これらの（１）〜（３）の工程を温度と時間の関係で示すと図５に示すようになる。
【００３５】
以上の方法により作製したハイブリッド成形型を用い、実際に光学素子を成形することで、第１の型部分１１と第２の型部分１２の界面で剥離が生じた成形回数を調べた。図６にその結果を示す。本実施形態によれば、剥離が生じるまでの成形回数が従来例よりも増加しているのが分かる。
【００３６】
（第２の実施形態）
図７は本発明の第２の実施形態にかかわるハイブリッド成形型を示す側断面図である。
【００３７】
図７に示す成形型では、第１の型部分１１の端部が第２の型部分１２を包み込むように第２の型部分１２の厚さ方向に延長されて、延長部分１５を形成している。そして、この延長部分１５が、第１の型部分１１と第２の型部分１２の結合力を高める働きをする。
【００３８】
なお、延長部分１５の長さｌｐは第１の型部分１１の厚みの２倍以上あることが好ましい。延長部分１５の長さｌｐを、３、４、５、６、１０ｍｍとして、実際に光学素子を成形し、第１の型部分１１と第２の型部分１２の界面で剥離が生じた成形回数を調べた結果を図６に示す。
【００３９】
図６によれば、本実施形態の成形型では、剥離が生じるまでの成形回数が従来よりも増加していることがわかる。
【００４０】
（第３の実施形態）
図８は本発明の第３の実施形態にかかわるハイブリッド成形型を示す側断面図である。
【００４１】
図８に示す成形型では、第２の実施形態と同様に、第１の型部分１１の端部が第２の型部分１２を包み込むように第２の型部分１２の厚さ方向に延長されて、延長部分１７を形成している。延長部分１７は、先端に行くほどその厚みが薄くなっている。そして、この延長部分１７が、第１の型部分１１と第２の型部分１２の結合力を高める働きをする。また、延長部分１７の先端部が薄くなっているために、第１の型部分１１と第２の型部分１２の融着部の端部（延長部分１７の先端部）において応力集中が起きにくくなって、第１の型部分１１と第２の型部分１２が剥離しにくくなる。
【００４２】
なお、延長部分１７の長さｌｐを４ｍｍとして、実際に光学素子を成形し、第１の型部分１１と第２の型部分１２の界面で剥離が生じた成形回数を調べた結果を図６に示す。
【００４３】
図６によれば、本実施形態の成形型では、剥離が生じるまでの成形回数が従来よりも増加していることがわかる。
【００４４】
（第４の実施形態）
図９は本発明の第４の実施形態にかかわるハイブリッド成形型を示す側断面図である。
【００４５】
図９に示す成形型では、第１の型部分１１の端部が第２の型部分１２に埋め込まれるように第２の型部分１２の厚さ方向に延長されて、延長部分１８を形成している。そして、この延長部分１８が、第１の型部分１１と第２の型部分１２の結合力を高める働きをする。
【００４６】
なお、延長部分１８の長さｌｐは第１の型部分１１の厚みの２倍以上あることが好ましい。延長部分１８の長さｌｐを、３、４、５、６、１０ｍｍとして、実際に光学素子を成形し、第１の型部分１１と第２の型部分１２の界面で剥離が生じた成形回数を調べた結果を図６に示す。
【００４７】
図６によれば、本実施形態の成形型では、剥離が生じるまでの成形回数が従来よりも増加していることがわかる。
【００４８】
（第５の実施形態）
図１０は本発明の第５の実施形態にかかわるハイブリッド成形型を示す側断面図である。
【００４９】
図１０に示す成形型では、第１の型部分１１の端部が第２の型部分１２に埋め込まれるように第２の型部分１２の厚さ方向に延長されて、延長部分１９を形成している。延長部分１９は、先端に行くほどその厚みが薄くなっている。そして、この延長部分１９が、第１の型部分１１と第２の型部分１２の結合力を高める働きをする。また、延長部分１９の先端部が薄くなっているために、第１の型部分１１と第２の型部分１２の融着部の端部（延長部分１９の先端部）において応力集中が起きにくくなって、第１の型部分１１と第２の型部分１２が分離しにくくなる。
【００５０】
なお、延長部分１９の長さｌｐを４ｍｍとして、実際に光学素子を成形し、第１の型部分１１と第２の型部分１２の界面で剥離が生じた成形回数を調べた結果を図６に示す。
【００５１】
図６によれば、本実施形態の成形型では、剥離が生じるまでの成形回数が従来よりも増加していることがわかる。
【００５２】
（第６乃至第９の実施形態）
作成方法、材質、型の外径等は第１乃至第５の実施形態と同様にして、図１１（第６の実施形態）、図１２（第７の実施形態）、図１３（第８の実施形態）、図１４（第９の実施形態）に示すような型を作成した。なお、第１乃至第５の実施形態と同一機能部分には同一符号を付している。
【００５３】
これらの実施形態においても、第１乃至第５の実施形態と同様の成形耐久試験を行った。比較例としては、図２に示す、融着面の全面に凹凸がある従来の型を用いた。
【００５４】
その結果、図２に示す型は第１の型部分１と第２の型部分２の融着部での剥離は生じなかったが、１５０ショットで第１の型部分にワレが発生した。一方、図１１乃至図１４に示した型はワレることも無く、全て１０００ショット以上の耐久があった。
【００５５】
以上説明したように、上記の実施形態によれば、剥離の生じ易い第１の型部分と第２の型部分との融着部の端部における応力集中を減じることができるため、ガラス（第１の型部分）の厚みが薄くても、接合面の端部からの剥離を防止できる。
【００５６】
さらに、光学機能面付近の融着面（成形面の裏側）には凹凸がないため、形状精度が悪くなることもなく、ガラスのワレが起こることも無い。
【００５７】
これらの効果により、温度分布と形状精度と耐久性に優れた異種材から成るハイブリッド成形型が得られる。また、得られたハイブリッド成形型を用い光学素子を成形することで、複雑形状でも高精度な光学素子が大量に安価に製造できるようになる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガラスの厚みが薄くても、接合面の端部からの剥離、ワレが発生せず、温度分布と形状精度と耐久性に優れた異種材から成るハイブリッド成形型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のハイブリッド成形型の第１の例を示す図である。
【図２】従来のハイブリッド成形型の第２の例を示す図である。
【図３】第１の実施形態のハイブリッド成形型を示す図である。
【図４】ハイブリッド成形型の製造工程を示す概略図である。
【図５】ハイブリッド成形型の製造プロセスを示す図である。
【図６】成形耐久試験を行なった結果を示す図である。
【図７】第２の実施形態のハイブリッド成形型を示す図である。
【図８】第３の実施形態のハイブリッド成形型を示す図である。
【図９】第４の実施形態のハイブリッド成形型を示す図である。
【図１０】第５の実施形態のハイブリッド成形型を示す図である。
【図１１】第６の実施形態のハイブリッド成形型を示す図である。
【図１２】第７の実施形態のハイブリッド成形型を示す図である。
【図１３】第８の実施形態のハイブリッド成形型を示す図である。
【図１４】第９の実施形態のハイブリッド成形型を示す図である。
【符号の説明】
１  第１の型部分
２  第２の型部分
３  接合面（融着面）
４  成形面
４ａ  光学機能面成形部
１１  第１の型部分
１２  第２の型部分
１３  接合面（融着面）
１４  成形面
１４ａ  光学機能面成形部
【図１】
2005015266.tif 000003
【図２】
2005015266.tif 000004
【図３】
2005015266.tif 000005
【図４】
2005015266.tif 000006
【図５】
2005015266.tif 000007
【図６】
2005015266.tif 000008
【図７】
2005015266.tif 000009
【図８】
2005015266.tif 000010
【図９】
2005015266.tif 000011
【図１０】
2005015266.tif 000012
【図１１】
2005015266.tif 000013
【図１２】
2005015266.tif 000014
【図１３】
2005015266.tif 000015
【図１４】
2005015266.tif 000016