(57)【要約】【課題】  レンズ成形面の表面粗さＲａを十分に小さくすることが可能で、高熱伝導性と低熱膨張係数を有し、かつ、高強度および高硬度なレンズ成形用金型を提供する。【解決手段】  平均粒径が１μm以下のＳｉＣ強化材を成形してプリフォームを形成し、該プリフォームに溶融Ｓｉを浸透させてＳｉＣ−Ｓｉ複合材料となし、さらに、該ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を研削加工して金型形状とし、次に、該金型のレンズ成形表面を表面粗さＲａが５ｎｍ以下となるように研磨してレンズ成形用金型を製造する。【選択図】          なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉマトリックス中にＳｉＣ強化材が複合されたＳｉＣ−Ｓｉ複合材料からなるレンズ成形用金型であって、前記ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料組織中のＳｉマトリックス相幅の平均値が１μm以下であり、前記レンズ成形用金型の成形表面の表面粗さＲａが５ｎｍ以下であり、かつ、成形表面にポアがないことを特徴とするレンズ成形用金型。
【請求項２】
平均粒径が１μm以下のＳｉＣ強化材をプレス成形して成形体を得る工程と、前記成形体を仮焼結して気孔径の平均値が１μm以下のＳｉＣ多孔体を形成する工程と、前記ＳｉＣ多孔体に溶融Ｓｉを浸透させてＳｉＣ−Ｓｉ複合材料となす工程と、前記ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を研削加工して金型形状とする工程と、前記金型のレンズ成形表面を表面粗さＲａが５ｎｍ以下となるように研磨する工程と、を含むことを特徴とする請求項１記載のレンズ成形用金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ成形用金型及びその製造方法に関するもので、特に、各種光学機器などに用いられるガラスレンズのうち、熱間プレス成形により製造されるガラスレンズの成形用金型及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、精巧な光学系に用いられるガラスレンズの製造方法としては、熱間プレス成形による方法が多用されている。
ここで、このようなレンズ成形用金型としては、珪弗化ガラスなどの腐食性のきわめて強いガラスや高温成形を必要とする石英ガラスなどに対してもすぐれた耐久性を示すと同時に、高強度および高硬度であり、熱伝導性に優れ、さらに低い熱膨張係数を有するものが望まれている。
【０００３】
このような要求に対して、タングステン系焼結材料の細粒組織を改善したものが提案されている。（例えば、特許文献1参照）。
【特許文献１】特開2005-290542号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記したタングステン系焼結材料は、焼結体の細粒組織の制御が困難であり、ビッカース硬度も十分ではなく、レンズ成形表面の表面粗さＲａを十分に小さくできないという課題も有していた。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、レンズ成形表面の表面粗さＲａを十分に小さくすることが可能で、高熱伝導性と低熱膨張係数を有し、かつ、高強度および高硬度なレンズ成形用金型を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、レンズ成形用金型の素材としてＳｉ金属マトリックス相幅の平均値が１μm以下であるＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を使用することで、レンズ成形表面の表面粗さＲａも十分に小さくすることが可能であり、ポアがなく、高熱伝導性と低熱膨張係数を有し、かつ、高強度および高硬度なレンズ成形用金型が得られることを見出し、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、課題を解決するための手段として以下の（１）、（２）を提供する。
【０００８】
（１）Ｓｉマトリックス中にＳｉＣ強化材が複合されたＳｉＣ−Ｓｉ複合材料からなるレンズ成形用金型であって、前記ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料組織中のＳｉマトリックス相幅の平均値が１μm以下であり、かつ、前記レンズ成形用金型の成形表面の表面粗さＲａが５ｎｍ以下であり、かつ、成形表面にポアがないことを特徴とするレンズ成形用金型。
（２）平均粒径が１μm以下のＳｉＣ強化材をプレス成形して成形体を得る工程と、前記成形体を仮焼結して気孔径の平均値が１μm以下のＳｉＣ多孔体を形成する工程と、前記ＳｉＣ多孔体に溶融Ｓｉを浸透させてＳｉＣ−Ｓｉ複合材料となす工程と、前記ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を研削加工して金型形状とする工程と、前記金型のレンズ成形表面を表面粗さＲａが５ｎｍ以下となるように研磨する工程と、を含むことを特徴とする（１）記載のレンズ成形用金型の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ポアがなく、レンズ成形表面の表面粗さＲａを十分に小さくすることが可能で、高熱伝導性と低熱膨張係数を有し、かつ、高強度および高硬度なレンズ成形用金型を提供できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明について、更に詳しく説明する。
本発明では、Ｓｉマトリックス中にＳｉＣ強化材が複合されたＳｉＣ−Ｓｉ複合材料からなるレンズ成形用金型であって、前記ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料組織中のＳｉマトリックス相幅の平均値が１μm以下であり、かつ、前記レンズ成形用金型の成形表面の表面粗さＲａが５ｎｍ以下であり、かつ、成形表面にポアがないことを特徴とするレンズ成形用金型を提案している。
【００１１】
ここで、レンズ成形用金型の成形表面の表面粗さＲａが５ｎｍ以下とする理由は、成形表面の表面粗さＲａがレンズ成形用金型に要求される特性のうち、最も重要な特性であり、表面粗さＲａが５ｎｍを超えると精密な光学系を確保できるレンズを成形できなくなるため好ましくないからである。
また同様にして、成形表面にポアがひとつでもあると、精密な光学系を確保できるレンズが得られない。
【００１２】
このような、要求を満足する材料としては、本発明で提案している、Ｓｉマトリックスの相幅の平均値が１μm以下のＳｉＣ−Ｓｉ複合材料が、特に好ましい。
ここで、ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料組織中のＳｉマトリックス相幅とは、ＳＥＭにより観察したＳｉＣ−Ｓｉの組織を画像データ形式に出力し、市販の画像処理、計測ソフトウエア（例えば、日本レーザー社製  寸法計測ＣＣＤ画像処理装置）により隣り合うＳｉＣ粒子表面の線間ピッチを計測することによって測定できる。
このように、Ｓｉ金属マトリックス相幅の平均値が１μm以下としている理由は、Ｓｉマトリックスの相幅の平均値が１μmを超えるＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を研磨すると、ＳｉＣとＳｉの硬度に差があるためにＳｉ部分が選択的に加工されて、ＳｉＣ粒子とＳｉ部分の間に高低差ができるため好ましくないからである。
【００１３】
また、ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料中のＳｉＣ強化材の含有率は７０〜９０体積％であることが好ましい。その理由は、ＳｉＣ強化材の含有率が７０体積％より少ないとＳｉＣ−Ｓｉ複合材料の剛性が低下して機械的応力に劣るためレンズ成形用金型として好ましくないからである。逆に、ＳｉＣ強化材の含有率が９０体積％より多いものは、その複合材料の製造自体が困難であり、緻密なＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を得ることが難しくなるからであるからである。
【００１４】
次に、本発明では、平均粒径が１μm以下のＳｉＣ強化材をプレス成形して成形体を得る工程と、前記成形体を仮焼結して気孔径の平均値が１μm以下のＳｉＣ多孔体を形成する工程と、前記ＳｉＣ多孔体に溶融Ｓｉを浸透させてＳｉＣ−Ｓｉ複合材料となす工程と、前記ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を研削加工して金型形状とする工程と、前記金型のレンズ成形表面を表面粗さＲａが５ｎｍ以下となるように研磨する工程と、を含むことを特徴とする前記のレンズ成形用金型の製造方法を提案している。
【００１５】
ここで、平均粒径１μm以下のＳｉＣ強化材をプレス成形して仮焼結し、気孔径の平均値が１μm以下のＳｉＣ多孔体を形成するのは、Ｓｉマトリックスの平均相幅を１μm以下にするための手段である。このように、本発明では、平均粒径１μm以下のＳｉＣ強化材を使うことによりＳｉが含浸する多孔体の孔径を小さくできるため、ＳｉＣ−Ｓｉ組織中のＳｉマトリックス相の領域面積を極小化でき、ＳｉＣとＳｉの硬度差によりＳｉ部分が選択的に加工されるという問題が解決され、その結果、金型の成形表面を表面粗さＲａが５ｎｍ以下となるように高平滑な研磨が可能となる。
【００１６】
本発明で、ＳｉＣ強化材をプレス成形して成形体を得て、成形体を仮焼結して気孔径の平均値が１μm以下のＳｉＣ多孔体を形成する工程としては、ＳｉＣ強化材に有機バインダーを添加し、プレス成形したものを１８５０〜１９５０℃の温度で仮焼結してＳｉＣが７０〜９０体積％の多孔体を得る方法が挙げられる。
また、ＳｉＣ強化材として用いるＳｉＣ粉末は、粒子状およびウイスカー状、および、繊維状のものが目的に応じて用いられる。
【００１７】
以下、本発明に係るレンズ成形用金型及びその製造方法の実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【００１８】
〔実施例〕
平均粒径０．７μmのＳｉＣ粉末(スタルク製、ＵＦ−１０)に焼結助剤として炭化ホウ素を０．２重量％添加した。ＳｉＣ粉末に対し黒鉛換算で３重量％のカーボンブラック粉末（三菱化学製、ＭＡ−２００ＲＢ）を水、及び乳化剤(サンノプコ製、ＳＮディスパーサント５０４７)とともに混合することにより黒鉛エマルジョン液を作製した。この液に前述のＳｉＣ原料粉末を添加、混合した後、乾燥、成形して成形体を得た。
次に、得られたアルゴン雰囲気中で1900℃の温度で仮焼結してＳｉＣ多孔体を得た。得られた多孔体の細孔分布を水銀圧入法により測定した結果、細孔のメジアン径は0.9μmであった。
【００１９】
上記の方法で得られたＳｉＣ多孔体と共に金属Ｓｉを1600℃の温度で所定の時間熱処理することによりＳｉＣ多孔体に溶融Ｓｉを浸透させて、ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を得た。
なお、Ｓｉの未含浸が起きないよう、熱処理は２Ｔｏｒｒまで真空引きしながら減圧下で昇温し、１６００℃で３時間保持してＳｉの含浸が完了した後にアルゴンガスを大気圧フローさせた。ここで、得られたＳｉＣ−Ｓｉ複合材料中のＳｉＣの含有率は80体積％であった。
次に、ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料を3×4×40mmに加工し、共振法によりヤング率を測定したところ、350GPaと高剛性であった。さらに試料を3×4×20mmに加工し、示差膨張方式の熱膨張率測定装置にて室温から400℃における熱膨張係数を測定したところ、4.7（ppm／K）と低熱膨張係数を示した。また、同試料をφ5×1mmに加工して、レーザーフラッシュ式の熱伝導率測定装置にて熱伝導率を測定したところ、100（W／m・K）と高熱伝導性を示した。
また、得られたＳｉＣ−Ｓｉ複合材料のビッカース硬度は、1600（HV10）と大きかった。
【００２０】
次に、上記と同じ方法で作製した複合材料を研削加工して金型形状とした後に、レンズ成形用金型の成形表面を表面粗さＲａが５ｎｍ以下となるまでダイヤモンド砥石を用いて研磨した。このようにして得られた研磨面の表面を電子顕微鏡で観察し、研磨面にポアがないことを確認した。また、上記した方法にてＳｉマトリックス相幅の平均値を測定した結果、１μm以下となっていた。
以上のようにして、本発明のＳｉマトリックス中にＳｉＣ強化材が複合されたＳｉＣ−Ｓｉ複合材料からなるレンズ成形用金型であって、前記ＳｉＣ−Ｓｉ複合材料組織中のＳｉマトリックス相幅の平均値が１μm以下であり、前記レンズ成形用金型の成形表面の表面粗さＲａが５ｎｍ以下であり、かつ、成形表面にポアがないレンズ成形用金型を製造した。
【００２１】
(成形試験)
実施例で得られたレンズ成形用金型を用いて、石英ガラスを素材とするレンズを成形した結果、レンズ曲面の面粗度がＲｍａｘ：０．０５μm以下と高精度な光学系に適したレンズを高歩留まりで成形することができた。
【００２２】
［比較例］
公知の焼結法により得られたＳｉＣセラミックスをレンズ成形用金型として用いた以外は実施例と同様にした。しかしながら、ＳｉＣセラミックスからなるレンズ成形用金型の研磨面の表面粗さａを５ｎｍ以下とすることはできなかった。また、研磨面を電子顕微鏡で観察したところ、研磨面に大きさ５μm以上のポアが多数確認された。
次に、比較例で得られたレンズ成形用金型を用いて、石英ガラスを素材とするレンズを成形した結果、レンズ曲面の面粗度がＲｍａｘ：０．０５μm以下のものを製造することはできなかった。