JP2009051138A - 金型および金型の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属ガラス(非晶質合金)の過冷却領域における超塑性の特性に着目し、それを最大限に発揮させ、金型の母材に厚肉な金属ガラス層を直接結合させて一体化することによって、大面積な転写面を有する極めて高精度な金型およびその金型の製造方法を提供する。
【解決手段】金属ガラス層12と下部型13(金型)の母材11との嵌合部分は、多数の微細凹凸形状同士の噛み合いにより、金属ガラス層12を母材11と実質一体的に結合している。多数のV溝2における少なくとも一つのV溝2の外側の側面が、金型による成形時の離型方向と非平行であり、該離型方向に対して一定の角度をなす。
【選択図】図1
【解決手段】金属ガラス層12と下部型13(金型)の母材11との嵌合部分は、多数の微細凹凸形状同士の噛み合いにより、金属ガラス層12を母材11と実質一体的に結合している。多数のV溝2における少なくとも一つのV溝2の外側の側面が、金型による成形時の離型方向と非平行であり、該離型方向に対して一定の角度をなす。
【選択図】図1
Description
本発明は、金型および金型の製造方法に関し、特に光学素子成形用の金型およびその金型の製造方法に関する。
従来、レンズを代表とする光学素子成形用の金型の製造工程では、例えばプラスチックレンズの場合、マルテンサイト系ステンレス鋼のような高強度の金属合金製のブランク(一次加工品)として、まず機械加工で所望な形状寸法を作り出した後、その加工面に厚みおよそ200μm前後のNiP膜を無電解めっきで成膜していた。そして、成膜したNiP膜に対し、ダイヤモンドバイトを用いた超精密切削仕上げ加工を行い、金型の転写面の形状を最終的に形成するというのが通常広く行われている工程である。
ガラスプレスレンズの場合、その金型も上記したプラスチックレンズの場合と大体同じ順序で製造されているが、金型の強度としてはさらに高い強度が要求されるため、ブランク材はさらに超硬合金やサーメットなどの高強度、高硬度の材料を用いる。また、そのブランクの上に、NiP膜でなく、DLC(ダイヤモンド ライク カーボン)、SiC膜、窒化膜などが用いられている。しかし、これらの膜材料は非常に硬く、難加工材であるため、加工には多くの時間と費用がかかる。
上記NiP膜にしろ、DLCやSiC膜や窒化膜にしろ、成膜工程は非常に時間がかかり、コスト高となっている問題点に着目し、新しい材料として、過冷却液体領域を有する非晶質合金(以下、「金属ガラス」ともいう)を利用した研究開発が活発に行われている(例えば、特許文献1〜3参照)。
例えば、特開2005−319778号公報では、金属ブランクの上に、スパッタやイオンプレーティング処理や蒸着やCVD処理などを用いて、金属ガラスを金型の転写面に形成・作製するという技術開示がなされている。
しかしながら、特許文献1等の技術では、非晶質構造を持つ金属ガラス層は極めて薄い層からなるものである。通常のスパッタ法ではせいぜい10μmが限界と言われている。従って、この金属ガラス層に対し、ダイヤモンドバイトを用いた超精密切削工程で除去することができる切削しろは極めて少なくなる。言い換えれば、金属ガラス層において、10μmを超える形状の創製は難しい。
また、上記成膜方法では、金属ガラスの構造におけるばらつきが大きく、膜が厚ければ厚いほど、結晶化が生じてしまう傾向が顕著となり、非晶質の構造すら得られにくくなる恐れもある。
また、上記成膜方法では、金属ガラスの構造におけるばらつきが大きく、膜が厚ければ厚いほど、結晶化が生じてしまう傾向が顕著となり、非晶質の構造すら得られにくくなる恐れもある。
また、バルク状の金属ガラスをそのまま金型として利用する研究開発も盛んに行われているが、大きい形状を有するものはなかなか難しい。それは、バルク金属ガラスの体積、面積が大きくなるほど、非晶質構造が得られにくくなる。また、所望な形状を得るため、切削や研削といった機械加工が必要となる。しかし、金属ガラスは通常の金属材料と違って、脆く割れやすいため、加工中に金属ガラスが割れて破壊されてしまうケースがしばしばある。切削加工での切り込み量を5μm以下に小さく抑えれば、これを回避する方法としては可能であるが、バルク形状の創製には非現実である。さらに、転写成形の金型として使用する場合、金型を成形機に固定する必要がある。このバルク状の金属ガラスをネジなどの結合手段で固定すると、そのネジ穴近傍部において応力集中が生じるため、同じくひび割れなどの問題が避けなれなくなる。従って、大体積、大面積なバルク状の金属ガラスを用いた高精度な金型の実用化にはまだまだ至っていないのが現状である。
そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、金属ガラス(非晶質合金)の過冷却液体領域における超塑性の特性に着目し、それを最大限に発揮させ、金型の母材に厚肉な金属ガラス層を直接結合させて一体化することによって、大面積な転写面を有する極めて高精度な金型およびその金型の製造方法を提供することを主な目的とする。換言すれば、従来のスパッタリングなどの成膜方法では不可能とされる、大面積かつ厚肉な金属ガラス層を転写面とした金型およびそれの製造方法を提供することを主な目的とする。
上述した課題を解決するとともに上述した目的を達成するために、請求項ごとの発明では、以下のような特徴ある手段・構成を採っている。
請求項1記載の発明は、少なくとも金型の転写面が、過冷却液体領域を有する非晶質合金層で構成される金型において、前記非晶質合金層は、前記金型の母材の上に嵌合され、前記母材と実質一体的に結合されていることを特徴とする。
請求項1記載の発明は、少なくとも金型の転写面が、過冷却液体領域を有する非晶質合金層で構成される金型において、前記非晶質合金層は、前記金型の母材の上に嵌合され、前記母材と実質一体的に結合されていることを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の金型において、前記非晶質合金層と前記母材との嵌合部分は、多数の微細凹凸形状同士の噛み合いにより、前記非晶質合金層を前記母材と実質一体的に結合していることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の金型において、前記多数の微細凹凸形状における少なくとも該微細凹凸形状の一つの側面が、前記金型による成形時の離型方向と非平行であり、該離型方向に対して一定の角度をなすことを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項2または3記載の金型において、前記多数の微細凹凸形状は、前記転写面の幾何中心を基準に対称的に分布していることを特徴とする。
請求項5記載の発明は、請求項2ないし4の何れか一つに記載の金型において、前記多数の微細凹凸形状は、V状溝、矩形状溝、四角錐、円錐、円柱の何れか一つの形状であることを特徴とする。
請求項6記載の発明は、請求項1記載の金型において、前記非晶質合金層は、100μm〜1mmの厚みを有することを特徴とする。
請求項7記載の発明は、請求項1記載の金型において、前記非晶質合金は、そのガラス転移点が300℃以上の合金組成を有することを特徴とする。
請求項8記載の発明は、請求項1記載の金型において、前記非晶質合金は、常温におけるビッカース硬さHvが300以上の合金組成を有することを特徴とする。
請求項9記載の発明は、請求項1記載の金型の製造方法であって、前記母材の表面に予め前記転写面に求められている形状を形成した後、その形状の幾何中心を基準に、少なくとも一つの側面が前記金型により成形された成形品の離型方向と非平行となる微細凹凸パターンを対称的に形成した後、真空ないしは不活性ガス雰囲気中に、前記非晶質合金のガラス転移点以上で、かつ、結晶化温度以下の範囲で加熱保温し、それの過冷却液体領域で、前記非晶質合金を前記母材の上に押圧させ、該母材表面にある前記微細凹凸形状の凹部までに塑性変形させた後に、室温に冷却させて、前記非晶質合金と前記母材とを実質一体的に結合することを特徴とする。
請求項10記載の発明は、請求項9記載の金型の製造方法により製造されたことを特徴とする金型である。
本発明によれば、上記課題を解決して新規な金型およびその金型の製造方法を提供することができる。主な発明の効果を挙げれば、以下のとおりである。
請求項1記載の発明によれば、非晶質合金層(金属ガラス層)は、金型の母材の上に嵌合され、金型の母材と実質一体的に結合されていることにより、従来難しいとされていた非晶質合金層の厚肉化が可能となった。
請求項1記載の発明によれば、非晶質合金層(金属ガラス層)は、金型の母材の上に嵌合され、金型の母材と実質一体的に結合されていることにより、従来難しいとされていた非晶質合金層の厚肉化が可能となった。
請求項2記載の発明によれば、非晶質合金層と金型の母材との嵌合部分は、多数の微細凹凸形状同士の噛み合いにより、非晶質合金層を金型の母材と実質一体的に結合していることにより、より確実にその結合を強めることができるとともに、このような構成により、従来コスト高となる成膜工程を省くことができると同時に、より簡易な方法で確実に厚肉の非晶質合金層を金型の表面に形成することができる。
請求項3記載の発明によれば、多数の微細凹凸形状における少なくとも微細凹凸形状の一つの側面が、金型による成形時の離型方向と非平行であり、該離型方向に対して一定の角度をなすことにより、微細凹凸形状の側面によってアンカー効果を確保し、非晶質合金層と金型の母材との結合を強めることができる。
請求項4記載の発明によれば、多数の微細凹凸形状は、金型の転写面の幾何中心を基準に対称的に分布していることにより、非晶質合金層と金型の母材との間の隙間をなくし、一体化押圧工程における応力集中を抑制することができ、非晶質合金層の割れなどの不具合を解消することができる。
請求項5記載の発明によれば、多数の微細凹凸形状は、V状溝、矩形状溝、四角錐、円錐、円柱の何れか一つの形状であることにより、確実にアンカー効果をもたらす面を確保でき、非晶質合金層と金型の母材との結合を強めることができる。
請求項6記載の発明によれば、非晶質合金層は、100μm〜1mmの厚みを有することにより、一体化押圧時により確実に塑性変形ができると同時に、深い段差を有する形状も超精密切削工程により、作製が可能となる。
請求項7記載の発明によれば、非晶質合金は、そのガラス転移点が300℃以上の合金組成を有することにより、樹脂射出成形中における非晶質合金層の軟化、あるいは再結晶による不具合を抑制することができる。
請求項8記載の発明によれば、非晶質合金は、常温におけるビッカース硬さHvが300以上の合金組成を有することにより、金型の転写面としての強度として十分な耐久性をもたらすことができる。
請求項9記載の発明によれば、請求項1〜4記載の発明の効果と同等の効果を実現する金型の製造方法で奏することができる。
本発明を実施するための最良の形態を含む本発明の実施の形態(以下、「実施形態」という)を説明する。
(第1の実施形態)
本実施形態に係る金型は、例えば光学素子成形用として用いるものである。本実施形態に係る金型は、少なくとも金型の転写面が、過冷却液体領域を有する非晶質合金層(以下、「金属ガラス層」ともいう)で構成されていて、この金属ガラス層は、金型の母材の上に嵌合され、金型の母材と実質一体的に結合されたことを特徴としている。
ここで、「金属ガラス層は、…金型の母材と実質一体的に結合された」とは、目標とする所定のショット数の耐久性を維持でき、金属ガラス層が金型の母材から剥離したり、剥がれたりする不具合を発生することなく、金型の母材と実質的に一体化して強固に結合している状態を意味する(以下、同様)。
(第1の実施形態)
本実施形態に係る金型は、例えば光学素子成形用として用いるものである。本実施形態に係る金型は、少なくとも金型の転写面が、過冷却液体領域を有する非晶質合金層(以下、「金属ガラス層」ともいう)で構成されていて、この金属ガラス層は、金型の母材の上に嵌合され、金型の母材と実質一体的に結合されたことを特徴としている。
ここで、「金属ガラス層は、…金型の母材と実質一体的に結合された」とは、目標とする所定のショット数の耐久性を維持でき、金属ガラス層が金型の母材から剥離したり、剥がれたりする不具合を発生することなく、金型の母材と実質的に一体化して強固に結合している状態を意味する(以下、同様)。
本実施形態によれば、上記の構成によって、まず、少なくとも転写面が非晶質合金(金属ガラス)層であるため、金型の転写面としての強度が維持される。また、金属ガラスは結晶粒界を持たないため、超精密切削などの機械加工により高精度な転写面形状と表面粗さとを得ることができる。さらに、重要であるのは、従来のスパッタ方法等では得られない、100μm〜1mmという厚肉の金属ガラス層の創製が可能となると同時に、バルク状の金属ガラスではなかなか困難であった大面積の転写面を形成することが可能となる。
具体的手段として、金属ガラス層と金型の母材との嵌合部分は、多数の微細凹凸形状同士の噛み合いにより、金属ガラス層を金型の母材と実質一体的に結合させることを特徴としている。
上記のように、金属ガラス層をガラス転移点以上に加熱した後、過冷却液体領域で、表面に多数の凹凸形状を有する金型の母材に押圧することで、金属ガラスの超塑性(流動性)により、金属ガラスは母材の凹凸形状の凹部に入り込み、一体化される。この構成によって、金属ガラス層を金型の母材とより確実に一体化して結合することができる。
上記のように、金属ガラス層をガラス転移点以上に加熱した後、過冷却液体領域で、表面に多数の凹凸形状を有する金型の母材に押圧することで、金属ガラスの超塑性(流動性)により、金属ガラスは母材の凹凸形状の凹部に入り込み、一体化される。この構成によって、金属ガラス層を金型の母材とより確実に一体化して結合することができる。
(第2の実施形態)
金属ガラス層と金型の母材との嵌合部分における多数の微細凹凸形状は、少なくとも微細凹凸形状の一つの側面が、金型による成形時の離型方向と非平行であり(平行とならず)、離型方向に対して一定の角度をなすこととともに、金型の転写面の幾何中心を基準に対称的に分布していることを特徴としている。
金属ガラス層と金型の母材との嵌合部分における多数の微細凹凸形状は、少なくとも微細凹凸形状の一つの側面が、金型による成形時の離型方向と非平行であり(平行とならず)、離型方向に対して一定の角度をなすこととともに、金型の転写面の幾何中心を基準に対称的に分布していることを特徴としている。
本実施形態によれば、上記の構成によって、金属ガラス層と金型の母材との嵌合部分における多数の微細凹凸形状は、少なくとも微細凹凸形状の一つの側面が金型による成形時の離型方向と非平行であり、離型方向に対して一定の角度をなすことで、微細凹凸形状はアンカー効果をもたらし、金属ガラス層と金型の母材との結合をより強固にすることができる。また、微細凹凸形状は金型の転写面の幾何中心を基準に対称的に分布するので、金属ガラス層と金型の母材との結合をより均一にすることができ、応力集中を抑制することができる。従って、この構成により、転写面を担う大面積な金属ガラス層を確実に、かつ、強固に金型の母材と一体化させることができる。
(第3の実施形態)
本実施形態に係る金型は、多数の微細凹凸形状は、V状溝、矩形状溝、四角錐、円錐および円柱の何れか一つであることを特徴としている。
本実施形態によれば、上記の構成により、多数の微細凹凸形状によるアンカー効果をより確実にもたらすことができる。
本実施形態に係る金型は、多数の微細凹凸形状は、V状溝、矩形状溝、四角錐、円錐および円柱の何れか一つであることを特徴としている。
本実施形態によれば、上記の構成により、多数の微細凹凸形状によるアンカー効果をより確実にもたらすことができる。
上述の第1〜第3の実施形態を補説する。
ここで、過冷却液体領域を有する金属ガラス(非晶質合金)について、簡単に説明する。金属ガラスの内部構造としては、通常の金属と異なり、結晶粒や結晶粒界などの結晶構造を持たず、非晶質(アモルファス)に近い構造である。金属ガラスを加熱すると、普通のガラスと同じように、ガラス転移点(遷移点)Tgが現れる。さらに温度を高めて加熱し、結晶化温度Txに到達すると、結晶化が始まり、通常な結晶構造を持つ金属合金となる。このガラス転移点(遷移点)温度と結晶化温度の間の範囲においては、過冷却液体領域という、この領域において、通常の金属に見られない流動粘性が現れ、すなわち超塑性の性質がある。すなわち、金属ガラスは常温では、非常に強い強度と硬さを有するが、ガラス転移点以上で、かつ、結晶化温度以下の範囲内で加熱保温すると、通常の金属に見られない流動粘性が現れ、すなわち超塑性の性質を利用すれば、従来の金属材料では難しいとされる微細形状の転写は、押圧加工方法のみで実現可能となった。近年、広い温度範囲における過冷却液体領域を有する非晶質合金が発見されている。例えば、Zr基合金(Zr65Al10Ni10Cu15)、Pd基合金(Pd76Cu7Si17)、Cu基合金(Cu60Zr30Ti10)、Ni基合金(Ni60Nb25Ti15)などがある。
ここで、過冷却液体領域を有する金属ガラス(非晶質合金)について、簡単に説明する。金属ガラスの内部構造としては、通常の金属と異なり、結晶粒や結晶粒界などの結晶構造を持たず、非晶質(アモルファス)に近い構造である。金属ガラスを加熱すると、普通のガラスと同じように、ガラス転移点(遷移点)Tgが現れる。さらに温度を高めて加熱し、結晶化温度Txに到達すると、結晶化が始まり、通常な結晶構造を持つ金属合金となる。このガラス転移点(遷移点)温度と結晶化温度の間の範囲においては、過冷却液体領域という、この領域において、通常の金属に見られない流動粘性が現れ、すなわち超塑性の性質がある。すなわち、金属ガラスは常温では、非常に強い強度と硬さを有するが、ガラス転移点以上で、かつ、結晶化温度以下の範囲内で加熱保温すると、通常の金属に見られない流動粘性が現れ、すなわち超塑性の性質を利用すれば、従来の金属材料では難しいとされる微細形状の転写は、押圧加工方法のみで実現可能となった。近年、広い温度範囲における過冷却液体領域を有する非晶質合金が発見されている。例えば、Zr基合金(Zr65Al10Ni10Cu15)、Pd基合金(Pd76Cu7Si17)、Cu基合金(Cu60Zr30Ti10)、Ni基合金(Ni60Nb25Ti15)などがある。
上述のように、金属ガラスの過冷却液体領域は、ガラス転移点(遷移点)Tgと結晶化開始温度Txとの間の温度領域である。この温度領域の範囲が広ければ広いほど、押圧加工プロセスとしては扱いやすい。これは、主に合金の組成成分に左右される。そして、経験則として、この領域内で、保持される温度が高いほど、押圧に要する力が小さくなる。また、加熱と保温により、非晶質合金の表面が酸化してしまうケースがある。Cu系、Ni系、Fe系の非晶質合金はガラス転移点温度以上でも耐酸化性があるが、それもあくまでも程度の問題であり、通常は、プロセス中真空か、あるいは不活性ガス雰囲気の方が望ましい。
上述したように、本発明者は、上記の特性に着目し、厚肉の金属ガラスを金型の母材と一体化して結合できる金型を提供し、その実現する方法を見出したものである。
上述したように、本発明者は、上記の特性に着目し、厚肉の金属ガラスを金型の母材と一体化して結合できる金型を提供し、その実現する方法を見出したものである。
以下、本発明をさらに実施例により補説する。各実施例等に亘り、同一の機能および形状等を有する構成要素(部材や構成部品)等については、一度説明した後では同一符号を付すことによりその説明を省略する。
本実施例は、凸面レンズ用の金型を例としたものである。レンズとしては、凹面や、非球面、自由曲面、平面も同様である。
まず、図1(a)に示すように、一般的な金型材であるSTAVAX金属ブロックを下部型13に用いる母材11とし、機械加工によって、曲率半径R=50mmを有する球面の一部分である凹面15を切削加工で削り出す。
次に、図2(b)に示すように、先端角度45°を有する切削バイト3で凹面15に、多数の微細凹凸形状(以下、「微細凹凸パターン」ともいう)としてのV状溝2(以下、「V溝2」ともいう)の加工を行った。V溝2の加工はいくつかの方法があるが、本実施例では軸対称の球面金型であるため、旋削加工で行った。図2(a)に示すように、切削バイト3の角度θ1(切削バイト3の中心を通る直線6と下部型13の球面中心を通る法線7とのなす角度)を45°に調整し、深さ10μm(下部型13における凹面15の表面部に対する切り込み量)になる輪帯状のV溝2を加工した(図1(c)参照)。図2(a)に示すように、下部型13(以下、単に「金型」ともいう)球面中心から見た場合、V溝2における外側の側面B,B’は、下部型13球面中心を通る法線7とのなす角度θ2が22.5°となる。この側面B,B’は、アンカー効果をもたらす面である。そして、上記旋削加工を繰り返し、3mmピッチ間隔で複数の輪帯状のV溝2を加工して、図1(b)、(c)に示すように、輪帯状V溝パターンを形成した。
図1(b)はその輪帯状V溝パターンの断面図、図1(c)はそれの鳥瞰図を模式的に示している。
まず、図1(a)に示すように、一般的な金型材であるSTAVAX金属ブロックを下部型13に用いる母材11とし、機械加工によって、曲率半径R=50mmを有する球面の一部分である凹面15を切削加工で削り出す。
次に、図2(b)に示すように、先端角度45°を有する切削バイト3で凹面15に、多数の微細凹凸形状(以下、「微細凹凸パターン」ともいう)としてのV状溝2(以下、「V溝2」ともいう)の加工を行った。V溝2の加工はいくつかの方法があるが、本実施例では軸対称の球面金型であるため、旋削加工で行った。図2(a)に示すように、切削バイト3の角度θ1(切削バイト3の中心を通る直線6と下部型13の球面中心を通る法線7とのなす角度)を45°に調整し、深さ10μm(下部型13における凹面15の表面部に対する切り込み量)になる輪帯状のV溝2を加工した(図1(c)参照)。図2(a)に示すように、下部型13(以下、単に「金型」ともいう)球面中心から見た場合、V溝2における外側の側面B,B’は、下部型13球面中心を通る法線7とのなす角度θ2が22.5°となる。この側面B,B’は、アンカー効果をもたらす面である。そして、上記旋削加工を繰り返し、3mmピッチ間隔で複数の輪帯状のV溝2を加工して、図1(b)、(c)に示すように、輪帯状V溝パターンを形成した。
図1(b)はその輪帯状V溝パターンの断面図、図1(c)はそれの鳥瞰図を模式的に示している。
次に、予め作製した厚み800μmの組成がZr55Cu30Al10Ni5の金属ガラスを円板状に加工した。これと同じ製造ロットで生産されたものを、室温で硬さ試験を実施したところ、ビッカース硬さHv350以上であることが確認された。また、DSCと呼ばれる示差走査熱量分析測定でガラス転移点(遷移点)Tgを測定した結果、ガラス転移点(Tg)はおよそ398℃で、結晶化温度Txは487℃であった。従って、過冷却液体領域の温度範囲はおよそ90℃であった。
次に、図3に模式的に示す加工機において、上記円板状の金属ガラス12を金型(下部型13と上部型14との間)に挿入した。図として示していないが、図3に示している加工機、下部型13、金属ガラス12および上部型14の全てを図示しないチャンバー内に収めた。次いで、図示しないチャンバーの扉を閉め、真空引きを行った後、ヒータを備えた加熱部4より昇温加熱し、およそ420℃になるように加温した後、そのまま保温した。この加熱保温プロセスは、真空ではなく、不活性ガスである例えばArを充填して行ってもよい。図3には示していないが、チャンバーにはガスの出入り口が設けられている。
次に、図3に模式的に示す加工機において、上記円板状の金属ガラス12を金型(下部型13と上部型14との間)に挿入した。図として示していないが、図3に示している加工機、下部型13、金属ガラス12および上部型14の全てを図示しないチャンバー内に収めた。次いで、図示しないチャンバーの扉を閉め、真空引きを行った後、ヒータを備えた加熱部4より昇温加熱し、およそ420℃になるように加温した後、そのまま保温した。この加熱保温プロセスは、真空ではなく、不活性ガスである例えばArを充填して行ってもよい。図3には示していないが、チャンバーにはガスの出入り口が設けられている。
そして、図示しない押圧機構を介して、金型の上部型14を太矢印で示すように降下させ、円板状の金属ガラス12を下部型13に押圧した。そのまま1分間ほど押圧状態を保った後、上部型14を昇降して開き、空冷で室温まで冷やした後、下部型13を加工機から取り出し確認したところ、図1(d)に示すように、金属ガラス層12は下部型のSTAVAX母材11表面にあるV溝2の谷までに充填され、金属ガラス層12とSTAVAX母材11と完全に一体化になった金型を作製することができた。図1(d)に示すように転写面でないAA’のところに、図示していないが、同じくV溝加工も実施されている。また、この部分はV溝を設けず、対称分布になるようにタップ穴を開け、ネジ締めを行う場合もある。
最後に、金属ガラス層12を金型の母材11と一体化結合した後、図示しないダイヤモンドバイトを用いた超精密切削加工で金属ガラス層12の転写面を仕上げた。このようにして、金属ガラス層12と金型の母材11とを一体化した金型1の作製ができた。このようにして得た図1(d)に示す金型1を射出成形機にセットして成形した結果、およそ5万ショットを実施しても、金属ガラス層12が金型の母材11から剥離していないことを確認した。
図4(a)、(b)に、実施例2を示す。実施例2は、実施例1と比較して、必要とする金型転写面の曲率半径が小さい場合、2段階押圧することが主に相違する。
すなわち、実施例2は、上述の実施例1と同じ構成であるが、必要とする金型転写面の曲率半径が小さい場合、図4(a)に示すように、予め板状の金属ガラス12を、表面に微細凹凸パターンを形成していない金型の下部型13で実施例1と同様の過冷却液体領域で太矢印方向に降下・押圧した後、室温に冷却して、球面形状をまず作製する。そして、次に再び図4(b)に示すように、板状の金属ガラス12を、表面に微細凹凸V溝輪帯パターンを有する下部型13に挿入し、再び過冷却液体領域に昇温させ、上部型14を太矢印方向に降下させ、再度押圧を行った。このようにして、2段階押圧により、金属ガラス層12をより確実に金型の下部型13の母材11の形状とフィットさせ、隙間をなくし、そしてV溝2パターンの谷部に充填させ、より確実に一体化させることができた。
すなわち、実施例2は、上述の実施例1と同じ構成であるが、必要とする金型転写面の曲率半径が小さい場合、図4(a)に示すように、予め板状の金属ガラス12を、表面に微細凹凸パターンを形成していない金型の下部型13で実施例1と同様の過冷却液体領域で太矢印方向に降下・押圧した後、室温に冷却して、球面形状をまず作製する。そして、次に再び図4(b)に示すように、板状の金属ガラス12を、表面に微細凹凸V溝輪帯パターンを有する下部型13に挿入し、再び過冷却液体領域に昇温させ、上部型14を太矢印方向に降下させ、再度押圧を行った。このようにして、2段階押圧により、金属ガラス層12をより確実に金型の下部型13の母材11の形状とフィットさせ、隙間をなくし、そしてV溝2パターンの谷部に充填させ、より確実に一体化させることができた。
図5を参照して、実施例3を説明する。図5に示すように、樹脂成形品を金型の下部型13から取り出すために、転写面でないAA’部に設けられたイジェクタピン5により、突き出される金型構造は通常である。成形品を金型の下部型13から取り出すときに、このAA’の近辺は、応力が最も集中しているのは広く知られている。本実施例においても、AA’の部分にV溝を設けたり、ネジ締結したりした場合には、金属ガラス層12のひび割れや剥離が殆どここの部分から始まることが分かった。
金属ガラス層12と金型の下部型13の母材11との結合をより強固なものにするために、AA’の近辺での結合力を高める必要がある。積み重ねた実験結果から、図5に示すように、金型の上部型(図示せず)の降下・押圧で、金属ガラス12の変形が矢印で示しているように、金型の下部型13の中心から外周部に逃げていく傾向が分かった。従って、この結果から、最も望ましい構成は、金型の下部型13の中心から外周部に向かって、V溝2の深さを徐々に変化させた構造であればよいことが判明した。
本実施例の場合、中心部のV溝2の深さが5μmであるのに対し、一番外側のV溝2の深さは60μmに形成した。作製した金型の下部型13を切断して断面を観察したところ、一番外側のV溝2の谷でも、金属ガラス層12はほぼ全部充填されていることが分かった。このように、金属ガラス層12の変形傾向を利用して、外周部のアンカー効果をより強くした結果、金属ガラス12と金型の下部型13の母材11との結合はより強固にすることができた。この構成で金型を用いた成形実験で、およそ7万ショットを経ても、金属ガラス層12の剥離が認められなかった。
さらに、積み重ねた研究結果より、このような機械的な結合を特徴とする構成の場合、図6に示すV溝2の外側の側面BB’(下部型13球面中心から見た場合、V溝2における外側の側面の角度)と下部型13球面中心を通る法線とのなす角度θ2は最も重要なファクターである。それが小さい程、側面BB’によるアンカー効果が少なくなる。一方、角度θ2が大きすぎると、今度は逆に、加工工具はその加工面と干渉し、最悪の場合、加工できなくなる場合がある。積重ねた研究結果から、この角度は10°〜45°の範囲では最もアンカー効果が安定して、確実に得られる範囲であることが判明した。
以上説明したように、第1〜第3の実施形態および実施例1〜3においては、発明を解決する手段の欄における請求項9に係る金型の製造方法が使用されていたと言える。
以上説明したように、第1〜第3の実施形態および実施例1〜3においては、発明を解決する手段の欄における請求項9に係る金型の製造方法が使用されていたと言える。
(比較例)
上記実施例1と同じ構成であるが、V溝2の側面の方向を、実施例1〜3に示したものと比較して、図7(a)のように逆にした場合、およそ2万ショット未満の成形でも金属ガラス層12が剥離してしまうケースがあった。その金型の下部型13’の断面を観察したところ、図7(b)に模式的に示すように、金属ガラス層12はV溝2の谷部に殆ど充填されておらず、谷部に空隙が残ったままの状態であることが分かった。V溝2開口部の方向が金属ガラス層2の変形の方向と同じなった場合、いくら金属ガラス12が過冷却液体領域で、超塑性の特性があっても、谷部への充填は難しくなる。従って、V溝2の内側に作用する金属ガラス12の量が少なくなり、アンカー効果が激減となってしまった。
上記実施例1と同じ構成であるが、V溝2の側面の方向を、実施例1〜3に示したものと比較して、図7(a)のように逆にした場合、およそ2万ショット未満の成形でも金属ガラス層12が剥離してしまうケースがあった。その金型の下部型13’の断面を観察したところ、図7(b)に模式的に示すように、金属ガラス層12はV溝2の谷部に殆ど充填されておらず、谷部に空隙が残ったままの状態であることが分かった。V溝2開口部の方向が金属ガラス層2の変形の方向と同じなった場合、いくら金属ガラス12が過冷却液体領域で、超塑性の特性があっても、谷部への充填は難しくなる。従って、V溝2の内側に作用する金属ガラス12の量が少なくなり、アンカー効果が激減となってしまった。
実施例1〜3の輪帯状V溝パターン以外に、図8(a)、(b)に示すように、対称的な不連続パターンを下部型13の母材に形成して実施しても実施例1〜3と同じ良好な効果が得られた。
また、図示していないが、円柱や円錐や角錐などの形状も同じアンカー効果を有することも確認することができた。
また、金属ガラスに関しては、Zr基のみならず、Pd基やNi基やFe基やTi基やCu基などを用いても同じ効果が確認された。
また、図示していないが、円柱や円錐や角錐などの形状も同じアンカー効果を有することも確認することができた。
また、金属ガラスに関しては、Zr基のみならず、Pd基やNi基やFe基やTi基やCu基などを用いても同じ効果が確認された。
1 金型
2 V溝(V状溝、微細凹凸形状・微細凹凸パターン)
3 切削バイト
4 加熱部
5 イジェクタピン
11 金型の母材
12 非晶質合金層(金属ガラス層)
13 下部型
14 上部型
2 V溝(V状溝、微細凹凸形状・微細凹凸パターン)
3 切削バイト
4 加熱部
5 イジェクタピン
11 金型の母材
12 非晶質合金層(金属ガラス層)
13 下部型
14 上部型
Claims (10)
- 少なくとも金型の転写面が、過冷却液体領域を有する非晶質合金層で構成される金型において、
前記非晶質合金層は、前記金型の母材の上に嵌合され、前記母材と実質一体的に結合されていることを特徴とする金型。 - 請求項1記載の金型において、
前記非晶質合金層と前記母材との嵌合部分は、多数の微細凹凸形状同士の噛み合いにより、前記非晶質合金層を前記母材と実質一体的に結合していることを特徴とする金型。 - 請求項2記載の金型において、
前記多数の微細凹凸形状における少なくとも該微細凹凸形状の一つの側面が、前記金型による成形時の離型方向と非平行であり、該離型方向に対して一定の角度をなすことを特徴とする金型。 - 請求項2または3記載の金型において、
前記多数の微細凹凸形状は、前記転写面の幾何中心を基準に対称的に分布していることを特徴とする金型。 - 請求項2ないし4の何れか一つに記載の金型において、
前記多数の微細凹凸形状は、V状溝、矩形状溝、四角錐、円錐、円柱の何れか一つの形状であることを特徴とする金型。 - 請求項1記載の金型において、
前記非晶質合金層は、100μm〜1mmの厚みを有することを特徴とする金型。 - 請求項1記載の金型において、
前記非晶質合金は、そのガラス転移点が300℃以上の合金組成を有することを特徴とする金型。 - 請求項1記載の金型において、
前記非晶質合金は、常温におけるビッカース硬さHvが300以上の合金組成を有することを特徴とする金型。 - 請求項1記載の金型の製造方法であって、
前記母材の表面に予め前記転写面に求められている形状を形成した後、その形状の幾何中心を基準に、少なくとも一つの側面が前記金型により成形された成形品の離型方向と非平行となる微細凹凸パターンを対称的に形成した後、真空ないしは不活性ガス雰囲気中に、前記非晶質合金のガラス転移点以上で、かつ、結晶化温度以下の範囲で加熱保温し、それの過冷却液体領域で、前記非晶質合金を前記母材の上に押圧させ、該母材表面にある前記微細凹凸形状の凹部までに塑性変形させた後に、室温に冷却させて、前記非晶質合金と前記母材とを実質一体的に結合することを特徴とする金型の製造方法。 - 請求項9記載の金型の製造方法により製造されたことを特徴とする金型。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007221504A JP2009051138A (ja) | 2007-08-28 | 2007-08-28 | 金型および金型の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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JP2007221504A Pending JP2009051138A (ja) | 2007-08-28 | 2007-08-28 | 金型および金型の製造方法 |
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JP (1) | JP2009051138A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010260279A (ja) * | 2009-05-08 | 2010-11-18 | Sony Corp | 金型スタンパーの製造方法、金型スタンパー及び成形品の製造方法 |
CN114589846A (zh) * | 2020-12-07 | 2022-06-07 | 精工爱普生株式会社 | 成型模的制造方法及成型模 |
-
2007
- 2007-08-28 JP JP2007221504A patent/JP2009051138A/ja active Pending
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