JP2022042348A - 金型、中間金型、及び金型の製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】テクスチャを有する製品に対応しており、製作コストがより低廉であり、極めて微細なテクスチャであっても正確に製品に反映可能な金型、並びにその製作のための中間金型及び製作方法を提供する。【解決手段】金型１は、球面状凹部用圧子１２の押し付けにより塑性変形する程度の硬度を有する金型本体２と、金型本体２の表面に配置された、金型本体２の硬度より大きい硬度を有する被膜４と、を備えている。被膜４及び金型本体２の表面部分は、テクスチャ用形状Ｔ１を有している。【選択図】図６

Description

本発明は、微細形状に対応する金型、及びその金型を形成可能な中間体である中間金型、並びに当該金型の製作方法に関する。

特開２０１３－２０２７５０号公報（特許文献１）の背景技術の欄に記載される通り、近時、製品の機能性の向上を目的として、微細で複雑な形状の製品への付与（リフレックスリフレクタ等）が要求されている。
当該文献に係る金型の製造方法では、切削工具に切削方向の運動成分を持つように楕円振動を加えながら金型に対して相対的に切削運動させることにより、金型の表面に、微細で複雑な製品形状に対応する形状が形成される。以下、微細な凹凸形状は、テクスチャと呼称され、微細な凹凸形状の形成は、テクスチャリングと呼称される。

特開２０１３－２０２７５０号公報

上述の製造方法では、テクスチャを有する製品に対応する金型（テクスチャ対応金型）を製造可能であるものの、加工時間が比較的に長く、金型の製造コストが嵩む。
又、テクスチャ対応金型の内面等の加工は、精度の確保のため、ダイヤモンド工具による超精密切削、及びバリ除去等の仕上げ処理により行われることとなり、長時間を要する。よって、テクスチャ対応金型の製作コストは、膨大になる。
更に、テクスチャ対応金型を、電気鋳造法により製作することが考えられる。しかし、この場合、事前に反転型を製作する必要がある。又、電気メッキ時、微細な凸部へ電流が集中することが予測される。凸部への電流の集中が起きると、樹枝状析出（デントライト）及び瘤状析出が発生し、それら析出部に対する微細形状の修正作業が必要となる。従って、電気鋳造法によっても、テクスチャ対応金型の製作コストの抑制は、困難であるものと考えられる。

本発明の主な目的は、テクスチャを有する製品に対応しており、製作コストがより低廉である金型，中間金型，金型の製作方法を提供することである。
又、本発明の別の主な目的は、極めて微細なテクスチャであっても正確に製品に反映可能な金型，中間金型，金型の製作方法を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、金型において、圧子の押し付けにより塑性変形する程度の硬度を有する金型本体と、前記金型本体の表面に配置された、前記金型本体の硬度より大きい硬度を有する被膜と、を備えており、前記被膜及び前記金型本体の表面部分は、テクスチャ用形状を有していることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、上記発明において、前記金型本体は、銅製、銅合金製、アルミニウム製、アルミニウム合金製、チタン製、チタン合金製、マグネシウム製、マグネシウム合金製、ニッケル合金製、あるいはタンタル製であることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、上記発明において、前記被膜は、前記金型本体の素材の窒化物であることを特徴とするものである。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、中間金型において、圧子の押し付けにより塑性変形する程度の硬度を有する金型本体と、前記金型本体の表面に配置された、前記金型本体の硬度より大きい硬度を有する被膜と、を備えていることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、上記発明において、前記金型本体は、銅製、銅合金製、アルミニウム製、アルミニウム合金製、チタン製、チタン合金製、マグネシウム製、マグネシウム合金製、ニッケル合金製、あるいはタンタル製であることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、上記発明において、前記被膜は、前記金型本体の素材の窒化物であることを特徴とするものである。

上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、金型の製作方法において、上記の中間金型に、圧子を押し付けて、塑性変形によりテクスチャ用形状を形成することで、テクスチャ用形状を有する金型を製作することを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、上記発明において、前記圧子は、超音波振動装置により超音波振動されることを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項９に記載の発明は、金型の製作方法において、耐熱合金製の中間金型に対し、超音波振動装置により超音波振動される圧子を押し付けて、テクスチャ用形状を形成することで、テクスチャ用形状を有する金型を製作することを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明は、上記発明において、前記中間金型は、耐熱鋼製、合金鋼製、炭素鋼製、あるいはニッケル合金製であることを特徴とするものである。
請求項１１に記載の発明は、上記発明において、前記圧子は、バインダレスナノ多結晶ダイヤモンド製、又はバインダレスナノ多結晶ｃＢＮ製であることを特徴とするものである。

本発明の主な効果は、テクスチャを有する製品に対応しており、製作コストがより低廉である金型，中間金型，金型の製作方法が提供されることである。
又、本発明の別の主な効果は、極めて微細なテクスチャであっても正確に製品に反映可能な金型，中間金型，金型の製作方法を提供することである。

本発明の第１形態に係る金型の模式的な断面図である。 図１の金型を製作するための中間金型の模式的な断面図である。 図１の金型におけるテクスチャ用形状の模式的な斜視図である。 図１の金型の製作のための図２の中間金型の加工に用いられる、球面状凹部用圧子を装着したシャンクの模式的な斜視図である。 図４における球面状凹部用圧子及びその周辺部の拡大図である。 図１の金型の製作のための図２の中間金型の加工例の模式図である。 図１の金型の製作のための図２の中間金型の加工例のフローチャートである。 本発明の第２形態に係る金型におけるテクスチャ用形状の模式的な斜視図である。 図８の金型の製作のための図２の中間金型の加工に用いられる、立方体状凹部用圧子を装着したシャンクの、先端側部分の模式的な斜視拡大図である。 図８の金型の製作のための図２の中間金型の加工例の模式図である。 本発明の第３形態に係る金型の製作のための中間金型の加工例のフローチャートである。 本発明の第４形態に係る超音波振動装置の模式的な斜視図である。 図１２の超音波振動装置の模式的な側面図である。 図１３のＫ－Ｋ線断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態が、適宜図面に基づいて説明される。尚、本発明は、下記の実施の形態に限定されない。

［第１形態］
図１は、本発明の第１形態に係る金型１の模式的な一部断面図である。
金型１は、金型本体２と、被膜４と、を備えている。

金型本体２は、圧子による押圧で塑性変形する程度の硬度を有しており、好ましくは金属製である。圧子は、金属と同様の硬度を有していて、好ましくは金属製であり、より好ましくは硬度が金型本体２より大きい金属製である。
金型本体２は、ここでは銅製である。尚、金型本体２は、銅合金製、アルミニウム製、あるいはアルミニウム合金製等であっても良い。

被膜４は、箔状であり、金型本体２の表面を覆っている。尚、被膜４は、金型本体２の表面の一部（例えば内面）のみを覆っていても良い。
被膜４の材質は、金型本体２の硬度よりも大きい硬度を有したものであり、ここではニッケルリンである。尚、被膜４の材質は、他のものであっても良い。

金型１は、内面の一部又は全部において、製品に付与する微細な凹凸形状（テクスチャ）に対応する微細な凹凸形状であるテクスチャ用形状Ｔ１を有している。第１形態の金型１に係る製品は、マイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイは、複数の微小なレンズ部が縦横に並べられたものであり、例えばデジタルカメラのイメージセンサ、液晶プロジェクタ、光通信用レーザー等に用いられ、形状によっては３次元ディスプレイ等用のレンチキュラーレンズとして用いられる。第１形態の金型１のテクスチャ用形状Ｔ１は、図３に示されるように、微小な球面状（球面又は略球面）の凹部が縦横に並んだものであって、マイクロレンズアレイに対応するものである。
テクスチャ用形状Ｔ１は、中間金型１ａ（図２）の内面を加工することで形成される。中間金型１ａは、金型１を製作するための中間体（前駆体）である。テクスチャ用形状Ｔ１を有さない金型本体２ａに対し、被膜４ａが形成されることで、中間金型１ａが製作される。
ニッケルリン製の被膜４ａは、金型本体２ａに対する無電解ニッケルリンメッキにより形成される。この場合、高硬度で耐摩耗性に優れた被膜４ａが、金型本体２ａに対し付与される。尚、被膜４ａは、どのように形成されても良い。

第１形態における中間金型１ａの内面の加工、即ち金型１の製作は、例えば次のように行われる。
図４は、当該加工に用いられるシャンク１０及び球面状凹部用圧子１２の模式的な斜視図である。図５は、図４における球面状凹部用圧子１２及びその周辺部の拡大図である。
シャンク１０は、金属製であり、シャンク本体１０Ａと、圧子取付部１０Ｂと、を有している。
シャンク本体１０Ａは、棒状であり、先端側に円錐台状部分が付いた円柱状である。
圧子取付部１０Ｂは、シャンク本体１０Ａの先端部において形成された円柱状の凹部である。
球面状凹部用圧子１２は、単結晶ダイヤモンド製であり、圧子本体部１２Ａと、圧子先端部１２Ｂと、を有している。
圧子本体部１２Ａは、棒状であり、円柱状である。
圧子先端部１２Ｂは、圧子本体部１２Ａと一体であり、圧子本体部１２Ａの先端側に配置されている。圧子先端部１２Ｂは、円錐状である。圧子先端部１２Ｂの先端は、微小な球面状を呈しており、その球面状形態の一部又は全部は、テクスチャ用形状Ｔ１の各凹部の形状に対応している。
球面状凹部用圧子１２の表面には、鏡面加工が施されている。
球面状凹部用圧子１２は、圧子本体部１２Ａの基端側が圧子取付部１０Ｂに入れられた状態でロー付けされることで、シャンク１０に固定されている。
尚、シャンク１０及び球面状凹部用圧子１２の形状、材質は、上述のものに限られない。又、球面状凹部用圧子１２において、鏡面加工は、少なくとも先端に施されていれば良く、表面の一部のみに施されていても良い。当該鏡面加工は、省略されても良い。更に、シャンク１０に対する球面状凹部用圧子１２の固定は、ロー付け以外においてなされても良い。シャンク１０及び球面状凹部用圧子１２が、破壊以外では取り外せない程度に一体化されていても良い。

図６は、第１形態に係る中間金型１ａの内面の加工例の模式図である。図７は、当該加工例のフローチャートである。
当該加工例において、シャンク１０は、工作機械（図示略）の主軸に取り付けられ、中間金型１ａは、当該工作機械における主軸の下側のテーブルに置かれる（ステップＳ１）。シャンク１０は、主軸により移動される。主軸の移動は、工作機械の制御手段により制御される。尚、シャンク１０は、ロボットハンド等の他の移動手段により移動されても良い。又、シャンク１０と中間金型１ａとの位置関係は、上述のもの以外とされても良い。

そして、まず、シャンク１０が、中間金型１ａの内面の初期加工位置（ステップＳ２）の上方に向けて移動される（ステップＳ３）。

次いで、中間金型１ａの内面における最初の加工位置に、シャンク１０の球面状凹部用圧子１２の先端が押し付けられる（ステップＳ４）。
単結晶ダイヤモンド製の球面状凹部用圧子１２による、ニッケルリン製の被膜４ａ付きの銅製の中間金型１ａへの押し付けにより、中間金型１ａの内面が塑性変形し、テクスチャ用形状Ｔ１における１つの球面状の凹部が形成される。ニッケルリン製の被膜４ａは、膜として硬度及び耐摩耗性に優れる一方、膜であるために球面状凹部用圧子１２の押し付け力による塑性変形を妨げない。又、当該押し付けにおいて、球面状凹部用圧子１２が中間金型１ａから受けるスプリングバックは、高硬度材製の金型に比べて十分に小さく、球面状凹部用圧子１２が破壊する可能性は、十分に小さい。
当該押し付け力の大きさは、球面状凹部用圧子１２の材質及び中間金型１ａの材質に応じて設定される。又、球面状凹部用圧子１２の上下方向の移動は、凹部の深さに応じて設定される。

続いて、加工位置が、今回最終のものでなければ（ステップＳ５でＮｏ）、次のものに設定され（ステップＳ６）、ステップＳ３に戻ってその加工位置における凹部の形成が適宜繰り返される（ステップＳ３～Ｓ６）。

他方、加工位置が最終であった場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、シャンク１０、及びテクスチャ用形状Ｔ１の付与された中間金型１ａ即ち金型１が、取り出される（ステップＳ７）。
尚、同様の金型１を連続的にあるいは断続的に製作する場合、ステップＳ７において、シャンク１０の取り出しが省略され、製作された金型１の取り出しのみが行われても良い。又、この場合、適宜ステップＳ１からの処理が繰り返される。

かように製作された金型１は、被膜４を有しながら、球面状凹部に係る正確なテクスチャ用形状Ｔ１を備えている。
本発明と異なり、焼入れ鋼等の高硬度材に無電解ニッケルリンメッキ処理を施した中間金型に対して、エンドミルでテクスチャ用形状Ｔ１の凹部を切削する場合、微小な凹部に応じてエンドミルの刃先径が小さくなるところ、エンドミルの切削速度の確保に限界があるため、切削可能な凹部の大きさに限界がある。例えば、エンドミルの切削では、１００μｍ（マイクロメートル）程度の大きさの凹部の加工がせいぜいである。又、切削速度の影響により、凹部の加工に長い時間が必要となり、金型の製作に長い時間を要するし、エンドミルの寿命が短くなる。更に、切削によりバリが発生し、その除去が必要となる。従って、金型の製作コストが嵩むこととなる。
これに対し、本発明の金型１の製作では、塑性変形により球面状凹部用圧子１２の形状が中間金型１ａに転写されるものであるため、極めて微小な凹部であっても、正確に且つ短時間で形成可能である。例えば、本発明では、１～１００μｍ程度の大きさの凹部も加工可能である。更に、エンドミルによる切削と異なり、球面状凹部用圧子１２への回転力の付与は必須ではなく、球面状凹部用圧子１２の寿命は比較的に長い。又、バリの発生が抑制される。よって、金型１の製作コストは低廉である。
しかも、本発明の金型１は、高硬度で耐摩耗性に優れた被膜４を有している。よって、金型１は、塑性変形による加工が可能でありながら、製品の射出成形時に発生し得る応力に対して十分に耐えるものとなっている。換言すれば、本発明の金型１は、本発明に属さない、塑性変形可能な銅製の金型本体２のみを有して被膜４を有さない金型に対して、より一層優れた耐久性を備えたものとなっている。

以上の金型１は、球面状凹部用圧子１２の押し付けにより塑性変形する程度の硬度を有する金型本体２と、金型本体２の表面に配置された、金型本体２の硬度より大きい硬度を有する被膜４と、を備えており、被膜４及び金型本体２の表面部分は、テクスチャ用形状Ｔ１を有している。
又更に、中間金型１ａは、球面状凹部用圧子１２の押し付けにより塑性変形する程度の硬度を有する金型本体２ａと、金型本体２ａの表面に配置された、金型本体２ａの硬度より大きい硬度を有する被膜４ａと、を備えている。
よって、テクスチャを有する製品に対応しており、塑性変形の特性を用いた加工により製作コストがより低廉である金型１、及びその金型を製作するための中間金型１ａが提供される。
又、金型１において正確なテクスチャ用形状Ｔ１が形成されるため、極めて微細なテクスチャであっても正確に製品に反映可能な金型１，中間金型１ａが提供される。

更に、金型１において金型本体２は銅製であり、中間金型１ａにおいて金型本体２ａは銅製である。
よって、加工が容易であり且つ射出成型に十分に耐え得るという適度な硬度を有する金型本体２，２ａが、低コストで容易に実現される。

加えて、以上の金型１の製作方法では、球面状凹部用圧子１２の押し付けにより塑性変形する程度の硬度を有する金型本体２ａと、金型本体２ａの表面に配置された、金型本体２ａの硬度より大きい硬度を有する被膜４ａと、を備えた中間金型１ａに、球面状凹部用圧子１２を押し付けて、塑性変形によりテクスチャ用形状Ｔ１を形成することで、テクスチャ用形状Ｔ１を有する金型１が製作される。
よって、テクスチャを有する製品に対応しており、塑性変形の特性を用いた加工により製作コストがより低廉である金型１の製作方法が提供される。
又、金型１において正確なテクスチャ用形状Ｔ１が形成されるため、極めて微細なテクスチャであっても正確に製品に反映可能な金型１の製作方法が提供される。

［第２形態］
図８は、本発明の第２形態に係る金型１０１のテクスチャ用形状Ｔ２の模式的な斜視図である。
第２形態において、第１形態と同様に成る部材及び部分には、第１形態と同じ符号が付されて適宜説明が省略される。

第２形態の金型１０１に係る製品は、再起反射鏡（Ｒ－Ｒ；Ｒｅｆｌｅｘ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）である。再起反射鏡は、入射した光が再び入射方向へ帰る反射現象を呈する鏡である。再起反射鏡は、受けた光をそのまま光源に跳ね返す特徴があり、次世代の車載用反射板、高反射率の交通標識、ガードレールの反射板、反射帯等のセキュリティ反射体といった多様な用途が見込まれて、大きな需要が見込まれる。再起反射鏡は、複数の微小な直角三角錐状の凸部が縦横に並べられたものである。直角三角錐状の凸部は、立方体の１つの頂点を中心に突出しており、互いに隣接する３面を有した、半立方体状である。再起反射鏡の反射性能及び意匠性を十分に確保する観点から、各凸部の大きさを、０．１ｍｍ（ミリメートル）以上３ｍｍ以下程度とする要求がある。尚、各凸部の大きさは、当該程度に限定されない。又、再起反射鏡あるいは直角三角錐状の微小な凸部を有する製品は、上述のものに限定されず、例えば反射防止パネル、超親水性パネル、超撥水性パネル等であっても良い。
テクスチャ用形状Ｔ２は、微小な直角三角錐状の凹部が縦横に並んだものである。より詳しくは、テクスチャ用形状Ｔ２の凹部は、微小な立方体における一つの頂点を中心に隣接する３面を有する状態で凹んでいる。テクスチャ用形状Ｔ２は、再起反射鏡に対応するものである。
テクスチャ用形状Ｔ１は、第１形態と同じ中間金型１ａの内面を加工することで形成される。

第２形態における中間金型１ａの内面の加工、即ち金型１０１の製作は、例えば次のように行われる。
図９は、当該加工に用いられるシャンク１０及び三角錐状凹部用圧子１１２の、先端側部分の模式的な斜視拡大図である。
三角錐状凹部用圧子１１２は、単結晶ダイヤモンド製であり、圧子本体部１１２Ａと、圧子先端部１１２Ｂと、を有している。
圧子本体部１１２Ａは、棒状であり、円柱状である。
圧子先端部１１２Ｂは、圧子本体部１１２Ａと一体であり、圧子本体部１１２Ａの先端側に配置されている。圧子先端部１１２Ｂは、直角三角錐状である。より詳しくは、圧子先端部１２Ｂは、立方体における１つの頂点を中心とし、互いに隣接する３面を備えた半立方体状である。圧子先端部１２Ｂの直角三角錐形態の一部又は全部は、テクスチャ用形状Ｔ２の各凹部の形状に対応している。
三角錐状凹部用圧子１１２の表面には、鏡面加工が施されている。
三角錐状凹部用圧子１１２は、圧子本体部１１２Ａの基端側が圧子取付部１０Ｂに入れられた状態でロー付けされることで、シャンク１０に固定されている。

図１０は、第２形態に係る中間金型１ａの内面の加工例の模式図である。
当該加工例は、第１形態の加工例（図７）とほぼ同様である。
即ち、三角錐状凹部用圧子１１２付きのシャンク１０及び中間金型１ａがセットされ（ステップＳ１）、シャンク１０が、中間金型１ａの内面の初期加工位置（ステップＳ２）の上方に向けて移動される（ステップＳ３）。

次いで、中間金型１ａの内面における最初の加工位置に、シャンク１０の三角錐状凹部用圧子１１２の先端が押し付けられる（ステップＳ４）。
三角錐状凹部用圧子１１２が、被膜４ａ付きの中間金型１ａへ押し付けられることにより、中間金型１ａの内面が塑性変形し、テクスチャ用形状Ｔ２における１つの直角三角錐状の凹部が形成される。

続いて、加工位置が、今回最終のものでなければ（ステップＳ５でＮｏ）、次のものに設定され（ステップＳ６）、ステップＳ３に戻ってその加工位置における凹部の形成が適宜繰り返される（ステップＳ３～Ｓ６）。

他方、加工位置が最終であった場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、シャンク１０、及びテクスチャ用形状Ｔ２の付与された中間金型１ａ即ち金型１０１が、取り出される（ステップＳ７）。

かように製作された金型１０１は、第１形態とテクスチャ用形状以外同様である金型本体１０２及び被膜１０４を有しながら、直角三角錐状凹部に係る正確なテクスチャ用形状Ｔ２を備えている。
本発明と異なり、焼入れ鋼等の高硬度材に無電解ニッケルリンメッキ処理を施した中間金型に対して、エンドミルでテクスチャ用形状Ｔ２の凹部を切削する場合、切削のためにエンドミルの刃先径の小型化に限界があり、そのエンドミルの刃先径により、直角三角錐状凹部の角隅部に丸み（Ｒ）が生じてしまう。特に、１辺が１ｍｍ以下となる凹部のサイズでは、エンドミルでは丸みは解消不能である。テクスチャ用形状Ｔ２の直角三角錐状凹部に丸みがある場合、再起反射鏡の直角三角錐状の凸部も丸みを帯び、再起反射鏡の反射効率が低下することとなる。
これに対し、本発明の金型１０１の製作では、塑性変形により三角錐状凹部用圧子１１２の形状が中間金型１ａに転写されるものであるため、丸みのない微小な直角三角錐状凹部が正確に形成される。しかも、直角三角錐状凹部を含むテクスチャ用形状Ｔ２は、短時間で形成可能である。更に、エンドミルによる切削と異なり、三角錐状凹部用圧子１１２への回転力の付与は必須ではなく、三角錐状凹部用圧子１１２の寿命は比較的に長い。又、バリの発生が抑制される。よって、金型１の製作コストは低廉である。
しかも、本発明の金型１０１は、高硬度で耐摩耗性に優れた被膜１０４を有している。よって、金型１０１は、塑性変形による加工が可能でありながら、製品の射出成形時に発生し得る応力に対して十分に耐えるものとなっている。換言すれば、本発明の金型１０１は、本発明に属さない、塑性変形可能な銅製の金型本体１０２のみを有して被膜１０４を有さない金型に対して、より一層優れた耐久性を備えたものとなっている。

本発明の第２形態は、第１形態と同様の変更例を適宜有する。
又、本発明の金型は、テクスチャ用形状Ｔ１，Ｔ２以外のテクスチャ用形状を有しても良い。

［第３形態］
本発明の第３形態に係る金型は、金型本体及び被膜を除き、第１形態（球面状凹部に係るテクスチャ用形状Ｔ１）と同様に成る。
尚、本発明の第３形態に係る金型は、金型本体及び被膜を除き、第２形態（直角三角錐状凹部に係るテクスチャ用形状Ｔ２）と同様に成っても良い。

第３形態に係る中間金型は、金型本体のみを有しており、チタン製である。テクスチャ用形状Ｔ１の加工前において、中間金型に被膜は存在しない。
かような中間金型は、球面状凹部用圧子１２の押し付けにより、塑性変形される。

図１１は、第３形態の金型の製作のための中間金型の加工例のフローチャートである。
第３形態の金型の製作では、まず、上述の中間金型に対し、窒化処理が施される（ステップＳ１１）。
窒化処理により、チタン製の中間金型の表層に、より高い硬度及び耐摩耗性を呈する高硬度耐摩耗層としてのチタン窒化物層が形成される。窒化処理の強度及び時間の少なくとも一方に応じ、高硬度耐摩耗層に係る表面からの深さ（厚み）が制御される。高硬度耐摩耗層は、第３形態の金型本体の素材であるチタンの窒化により形成される。尚、チタンの窒化は、窒素イオンの注入によりなされても良いし、他の方法によりなされても良い。
より詳しくは、窒化処理は、例えば低温プラズマ窒化処理により行われる。低温プラズマ窒化処理は、真空室内に設置された一対の電極（アノード及び正に帯電するアークカソード）間に、中間金型を置いた状態で、アルゴンガス等の不活性ガスと窒素ガスとを導入して電圧を印加し、プラズマ化された窒素ガスにより、中間金型の表面に窒化物の硬質膜を形成するものである。真空室内は、不活性ガスの混合、中間金型に対するパルス電圧の印加、真空室を冷却する冷却手段の少なくとも何れかにより、４００℃以下程度の低温となるように制御される。低温でのプラズマ窒化処理により、中間金型の表面の形状精度及び粗さは、何れも窒化処理前のものと略同等に維持される。尚、不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスにおける窒素ガスの割合を１０重量％程度以上としたり、少なくとも一方の電極の形状を工夫したりすることにより、高密度の窒素ガス（窒素プラズマ）において窒化処理されるようにしても良い（高密度プラズマ窒化処理）。
あるいは、窒化処理は、アトム窒化法、エジソンハード窒化法等により行われても良い。

次いで、第１形態と同様に（図７のステップＳ１～Ｓ６参照）、球面状凹部用圧子１２の押し付けにより、テクスチャ用形状Ｔ１が形成される（ステップＳ１２）。
窒化処理により硬質皮膜が中間金型に形成されていても、中間金型は、球面状凹部用圧子１２の押し付けにより、塑性変形する。

その形成が完了すると、シャンク１０、及び窒化被膜が形成されたチタン製の中間金型即ち第３形態の金型が、取り出される（ステップＳ１３）。
尚、中間金型は、窒化等による硬質皮膜の作成が可能であり、且つ球面状凹部用圧子１２による塑性変形が可能であれば、チタン製以外であっても良く、例えば、チタン合金製、銅製、銅合金製、アルミニウム製、アルミニウム合金製、マグネシウム製、マグネシウム合金製、ニッケル合金（鉄が１０重量％程度のニッケル鉄合金等）製、あるいはタンタル製であっても良い。但し、アルミニウム製中間金型において窒化被膜を構成する窒化アルミニウムは、高硬度被膜の形成に寄与するものの、水に対する反応性が比較的に高いため、当該中間金型から製作された金型は、水分に対する配慮を要する。

かように製作された第３形態の金型では、第１形態と同様に、塑性変形を用いて正確なテクスチャ用形状Ｔ１が容易に形成される。
又、第３形態の金型は、第１形態と同様に、硬質で耐摩耗性の被膜を有しており、塑性変形による加工が可能でありながら、製品の射出成形時に発生し得る応力に対して十分に耐えるものとなっている。換言すれば、本発明の第３形態の金型は、本発明に属さない、塑性変形可能なチタン製の金型本体２のみを有して被膜を有さない金型に対して、より一層優れた耐久性を備えたものとなっている。
しかも、第１形態における無電解ニッケルリンメッキによる被膜４では、ショット数（射出成形数）が大きくなると剥離の可能性が増すのに対し、窒化処理による被膜の形成では被膜の剥離は起きず、第３形態の金型は、より長寿命となる。

即ち、第３形態では、金型本体２，２ａの被膜は、前記金型本体の素材の窒化物である。
よって、微細で正確なテクスチャを有する製品のための、テクスチャ用形状Ｔ１を有する、製作コストの低廉な金型が、より長寿命となる。又、その金型のための中間金型，製作方法が提供される。

本発明の第３形態は、第１，第２形態と同様の変更例を適宜有する。

［第４形態］
本発明の第４形態は、中間金型の構成及び加工を除き、第１形態（球面状凹部に係るテクスチャ用形状Ｔ１）と同様に成る。
尚、本発明の第４形態に係る金型は、中間金型の構成及び加工を除き、第２形態（直角三角錐状凹部に係るテクスチャ用形状Ｔ２）、あるいは第３形態（窒化被膜）と同様に成っても良い。

第４形態における中間金型は、材質を除き、第１形態の中間金型１ａと同様に成る。第４形態における中間金型は、焼入れ鋼製の金型本体に、無電解ニッケルリンメッキ層を形成したものである。

第４形態における中間金型の加工は、球面状凹部用圧子１２を超音波振動させて行われる他、第１形態と同様である。尚、球面状凹部用圧子１２は、超音波領域より低い（あるいは高い）周波数で振動されても良い。
図１２は、球面状凹部用圧子１２を超音波振動させるためにシャンク１０に内蔵される超音波振動装置２１の模式的な斜視図である。図１３は、超音波振動装置２１の模式的な側面図である。図１４は、図１３のＫ－Ｋ線断面図である。
超音波振動装置２１は、振動子２２を備えている。
シャンク１０は、振動子２２を保持するホルダーとなっている。

振動子２２は、ボルト締めランジュバン型振動子（Ｂｏｌｔ－Ｃｌａｍｐｅｄ Ｌａｎｇｅｖｉｎ Ｔｙｐｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ＢＬＴ）である。振動子２２は、所望する振動（目的とする振動）を発生するための第１圧電素子ユニットとしての振動発生用圧電素子ユニット３０と、電極板３４と、薄円筒状の絶縁筒３８と、振動振幅拡大用の先細の金属材４０と、厚円筒状の金属ブロック４２と、締結具としてのボルト４４を備えている。
尚、振動子２２において、金属材４０側を下側として金属ブロック４２側が上側とされ、又後述の電極板３４の接続部５２が配置される側が左側とされているところ、作業状態等に応じ、前後上下左右は様々に変更可能である。
振動子２２において、振動発生用圧電素子ユニット３０、電極板３４～１６、絶縁筒３８、金属材４０、金属ブロック４２、ボルト４４は、中心軸が前後方向を向いて同軸となる状態で配置されている。尚、図１２において、電極板３４及び回路は省略されている。又、各図において、配線は省略されている。

振動発生用圧電素子ユニット３０は、軸方向（振動子長手方向，上下方向）の超音波振動を発生可能であり、軸振動の発生に係る公知の構成を有している。
超音波振動（超音波領域の周波数における振動）は、概ね、１６ｋＨｚ（キロヘルツ）以上とされても良いし、２０ｋＨｚ以上とされても良い。尚、１６ｋＨｚを下回る振動で駆動される振動子を含む振動装置について、振動子２２が適用されても良い。

振動発生用圧電素子ユニット３０は、それぞれ円盤状である２個の駆動用圧電素子５０を含んでいる。第１圧電素子としての各駆動用圧電素子５０の残留分極の分極方向は、振動子２２の中心軸と平行な方向（肉厚方向）となっている。尚、振動発生用圧電素子ユニット３０に含まれる駆動用圧電素子５０の数は、１個でも良いし、３個以上でも良いところ、構成のし易さの観点から、好ましくは偶数個とされる。
駆動用圧電素子５０は、肉厚方向である中心軸を同軸として肉厚方向に並べられており、それらの間には、環状の電極板３４が挟まれている。電極板３４は、径方向外方に突出する接続部５２を備えている。

又、絶縁体で形成された絶縁筒３８が、一対の駆動用圧電素子５０の内孔に通されている。絶縁筒３８の内孔には、ボルト４４が進入可能である。

導体ブロックとしての金属材４０は、前端部に近づくにつれて細くなる（中心軸に直交する断面の面積が次第に小さくなる）テーパ形状を有するように形成される。テーパ形状の種類としては、コニカルホーン形状、エクスポネンシャルホーン形状、及びステップホーン形状が例示される。金属材４０の前端部には、球面状凹部用圧子１２を取り付けるための圧子取付部１０Ｂが形成されている。圧子取付部１０Ｂは、金属材４０の前面から後方へ空けられている。他方、金属材４０の後端部には、ボルト４４が入るボルト穴６２が形成されている。ボルト穴６２は、金属材４０の後面から前方へ空けられている。
もう一つの導体ブロックとしての金属ブロック４２の内孔には、ボルト４４が進入可能である。

そして、一対の駆動用圧電素子５０は、電極板３４を介在させ、更に共通の絶縁筒３８を含んだ状態で、金属材４０と金属ブロック４２とに挟み込まれている。これらは、金属ブロック４２の後方から、その内孔及び絶縁筒３８の内孔、更にはボルト穴６２に入るボルト４４により、締結されている。
かような締結により、一対の駆動用圧電素子５０は、十分な強度で拘束され、超音波振動によっても拘束状態を維持する。
下の駆動用圧電素子５０の下面は、金属材４０の上面に接触してアースされ、上の駆動用圧電素子５０の後面は、金属ブロック４２の下面に接触してアースされる。

又、電極板３４には、軸振動発生用の公知の駆動電圧印加回路（駆動電圧印加手段，図示略）が接続されている。
ここでは、電極板３４の接続部５２に所定の交流電圧が印加される。アースは、例えば金属材４０又は金属ブロック４２に接続することでなされる。電極板３４に交流電圧が印加されると、一対の駆動用圧電素子５０は軸振動（振動子２２の中心軸と平行な方向の振動）を発生する。振動子２２は、その形状、即ち長さ、径の大きさ及びその分布等）、並びに重量配分等の構造により、軸振動及びたわみ振動についてそれぞれ所定の共振周波数を有しており、一対の駆動用圧電素子５０に対する所定の交流電圧の印加により、振動子２２に１次の共振モードにおける軸振動が発生する。１次の共振モードにおける軸振動は、両端開放で振幅最大となり、振幅最小（ゼロ）となる節（ノード）が１箇所、振動子２２上に存在する。又、一対の駆動用圧電素子５０によって積極的にたわみ振動を発生させることはしないところ、振動子２２は、１次の共振モードにおける軸振動の節の部分に設けられたフランジ部４６において、シャンク１０に支持されている。
尚、共振モードは、２次以上とされても良い。

駆動電圧印加回路は、図示されない超音波発振装置に内蔵されており、コード６０を介して、振動発生用圧電素子ユニット３０と電気的に接続されている。
尚、駆動電圧印加回路は、振動子２２及びシャンク１０の少なくとも一方に内蔵されるようにしても良い。

第４形態における中間金型の加工例は、次の通りである。
即ち、超音波振動装置２１の振動発生用圧電素子ユニット３０に所定の交流電圧を与えると、振動子２２が軸振動して、金属材４０の圧子取付部１０Ｂに連結された球面状凹部用圧子１２が軸方向に超音波振動する。超音波軸振動された球面状凹部用圧子１２が、中間金型に押し付けられることで、高周波微振動の衝撃力が中間金型に作用し、無電解ニッケルリンメッキ層付きで焼入れ鋼製の金型本体であっても、塑性変形によるテクスチャ用形状Ｔ１の形成が可能となる。振動は微小であるため、加工の精度は十分確保される。又、振動を付加した球面状凹部用圧子１２での加工により、加工抵抗の低減効果が得られ、加工効率が向上するし、球面状凹部用圧子１２の寿命が延びる。又、更に高い硬度の素材に対しても加工可能となり、無電解ニッケルリンメッキ層のない焼入れ鋼製の金型本体に直接加工を施すことが可能である。

即ち、第４形態では、球面状凹部用圧子１２は、超音波振動装置２１により超音波振動される。
よって、加工精度の確保により正確なテクスチャ用形状Ｔ１を有し、加工効率向上により製作コストの低減された金型が提供される。又、無振動の場合に比べ、より硬い中間金型に対して、球面状凹部用圧子１２による加工が可能となり、金型本体の硬度の向上による取扱容易性の向上及び更なる長寿命化が図られる。

本発明の第４形態は、第１～第３形態と同様の変更例を適宜有する。

［第５形態］
本発明の第５形態では、上記第１～第４形態に係る中間金型の加工で用いた単結晶ダイヤモンド製の球面状凹部用圧子１２，三角錐状凹部用圧子１１２に代えて、バインダレスナノ多結晶ダイヤモンド製の球面状凹部用圧子１２，三角錐状凹部用圧子１１２が用いられる。
バインダレスナノ多結晶ダイヤモンドは、ナノメーターオーダーのダイヤモンド粒子が直接強固に結合した、バインダーを全く含まないダイヤモンド多結晶体であり、単結晶ダイヤモンドより高硬度で、劈開性を有しないものである。
よって、第５形態では、球面状凹部用圧子１２，三角錐状凹部用圧子１１２の寿命が延び、中間金型の加工の精度及び省コスト性が、より一層優れたものとなる。

本発明の第５形態は、第１～第４形態と同様の変更例を適宜有する。
又、第５形態において、バインダレスナノ多結晶ダイヤモンド製の球面状凹部用圧子１２，三角錐状凹部用圧子１１２に代えて、バインダレスナノ多結晶ｃＢＮ製の球面状凹部用圧子１２，三角錐状凹部用圧子１１２が用いられても良い。
バインダレスナノ多結晶ｃＢＮは、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ；Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）をナノ粒子化したもので、バインダレスナノ多結晶ダイヤモンドと同様の優れた特徴を有している。又、一般に、ダイヤモンド製の工具の場合、炭化化合物を生成し易い材質（例えば鉄，チタン，タングステン等）を加工すると、工具とワークとの化学反応が促進され、工具の摩耗が促進される現象が見受けられるところ、バインダレスナノ多結晶ｃＢＮ製の球面状凹部用圧子１２，三角錐状凹部用圧子１１２では、極めて優れた化学的安定性により、上記材質であっても摩耗が促進されることなく加工可能である。更に、バインダレスナノ多結晶ｃＢＮの耐熱温度は、ダイヤモンドの耐熱温度より高く、バインダレスナノ多結晶ｃＢＮ製の球面状凹部用圧子１２，三角錐状凹部用圧子１１２の適用範囲は、より一層広くなっている。
尚、バインダレスナノ多結晶ダイヤモンド製の球面状凹部用圧子１２，三角錐状凹部用圧子１１２は、超音波振動されれば、加工抵抗の低減作用により、摩耗の度合が軽減される。又、炭化化合物を生成し易い材質の中間金型に対し、反応性の少ない材質の被膜（例えばニッケル被膜，窒化被膜等）が形成された場合、反応性の低減作用により、摩耗の度合が軽減される。

［第６形態］
本発明の第６形態では、上記第４形態に係る超音波振動を用いた中間金型の加工が、耐熱性を向上した中間金型に対して行われる。
第６形態では、中間金型は、耐熱鋼製で、より詳しくはステンレス耐熱合金鋼であるＳＵＳ３１６製であり、更に第３形態の窒化処理が施されている。かような中間金型に対し、超音波振動加工が施される。超音波振動加工により、耐熱性及び耐食性並びに靱性（機械的強度）に優れながらも加工が困難（難削材）である第６形態の中間金型にも、テクスチャ用形状Ｔ１，Ｔ２等の微細形状は形成可能である。例えば、超音波振動装置２１により球面状凹部用圧子１２に周波数３９ｋＨｚ，振幅６μｍ程度の振動を与えれば、第６形態の中間金型は加工可能である。更に、振動子２２の調整等により、振幅が２０μｍ程度とされれば、球面状凹部用圧子１２の運動エネルギーが振幅の二乗に比例するため、より円滑に中間金型の加工がなされる。
第６形態に係る球面状凹部用圧子１２の素材は、単結晶ダイヤモンドに代えて、バインダレスナノ多結晶ダイヤモンド、超硬材、立方晶ホウ素（ｃＢＮ）材の何れかとされても良い。

窒化処理されたＳＵＳ３１６製の中間金型に振動加工が施されて形成された金型は、第１，第２形態の無電解ニッケルリンメッキ層付きの銅製の金型、及び第３形態の窒化処理されたチタン製の金型より耐熱性及び耐食性に優れ、より取り扱い易く、長寿命である。特に、耐熱温度が８００℃以上と高く（耐熱合金）、ボロシリケートクラウンガラス等の高融点ガラスの成型（６００～７００℃程度以上）にも利用可能である。ボロシリケートクラウンガラス等の高融点ガラスは、光学特性に優れており、例えばボロシリケートクラウンガラスでは、３５０ｎｍ（ナノメートル）以上２０００ｎｍ以下の波長域に係る光の透過率が良好である。更に、現状用いられている高融点ガラス成型の多くは、耐熱温度を確保する観点から超硬材製であるところ、超硬材の加工効率は超硬材の硬度の高さ故に非常に悪い。これに対し、第６形態の金型は、高融点ガラスの成型が可能でありながら、中間金型の加工効率が良好であり、金型の製作がより容易で、製作コストが低廉である。
尚、中間金型の素材は、ステンレス耐熱合金鋼であるＳＵＳ３０９Ｓ，ＳＵＳ３１０Ｓであっても良いし、耐熱合金鋼である各種のＳＵＨ鋼（例えばＳＵＨ３０９，ＳＵＨ３１０，ＳＵＨ３３０）であっても良いし、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ系の耐熱耐食高硬度ニッケル合金であっても良いし、炭素鋼（例えばＳ４５Ｃ）であっても良い。窒化処理は、省略されても良い。

即ち、第６形態では、耐熱合金製の中間金型に対し、超音波振動装置２１により超音波振動される球面状凹部用圧子１２を押し付けて、テクスチャ用形状Ｔ１，Ｔ２等を形成することで、テクスチャ用形状Ｔ１，Ｔ２等を有する金型を製作する。
よって、難削材である耐熱合金製の中間金型においても、振動する球面状凹部用圧子１２により、正確なテクスチャ用形状Ｔ１，Ｔ２等が形成される。しかも、切削の場合に比べ、製作コストが抑制される。更に、窒化被膜を有する耐熱合金製となることで、金型の取扱容易性が向上し、寿命が延びるし、高融点ガラス成型にも用いることが可能となる。

第６形態においては、第１～第５形態と同様の変更例が適宜存在する。

［第７形態］
本発明の第７形態では、上記第４形態に係る超音波振動を用いた中間金型の加工が、焼入れ鋼に係る中間金型に対して行われる。
第７形態では、中間金型は、焼入れ鋼製で、より詳しくは焼入れしたステンレスであるＳＵＳ４２０製であり、更に第３形態の窒化処理が施されている。かような中間金型に対し、超音波振動加工が施される。超音波振動加工により、加工が困難である第７形態の中間金型にも、テクスチャ用形状Ｔ１，Ｔ２等の微細形状は、第６形態と同様に形成可能である。

窒化処理されたＳＵＳ４２０製の中間金型に振動加工が施されて形成された金型は、第１，第２形態の無電解ニッケルリンメッキ層付きの銅製の金型、及び第３形態の窒化処理されたチタン製の金型、並びに第６形態の耐熱鋼より硬度に優れ、長寿命である。更に、第７形態の中間金型は、焼入れ鋼製あっても、超音波振動を用いることにより、テクスチャ用形状Ｔ１，Ｔ２等の微細形状を形成可能である。又、第７形態の金型は、例えば低融点ガラス（融点６００℃程度以下のガラス）製の製品の成形に用いることができる。低融点ガラスの製品としては、例えば各種のライト用、センサ用、太陽光発電パネル用の偏光板、レンズが挙げられる。
尚、中間金型の素材は、焼入れしたステンレスであるＳＵＳ４４０等であっても良いし、焼入れした合金鋼であるＳＫＤ６１，ＳＫＨ５１等であっても良い。

即ち、第７形態では、焼入れ鋼製の中間金型に対し、超音波振動装置２１により超音波振動される球面状凹部用圧子１２を押し付けて、テクスチャ用形状Ｔ１，Ｔ２等を形成することで、テクスチャ用形状Ｔ１，Ｔ２等を有する金型を製作する。
よって、高硬度で加工が困難な高硬度合金製の中間金型においても、振動する球面状凹部用圧子１２により、正確なテクスチャ用形状Ｔ１，Ｔ２等が形成される。しかも、切削の場合に比べ、製作コストが抑制される。更に、窒化被膜を有する焼入れ鋼製となることで、金型の取扱容易性が向上し、寿命が延びるし、低融点ガラス成型にも用いることが可能となる。

第７形態においては、第１～第６形態と同様の変更例が適宜存在する。

１・・金型、１ａ・・中間金型、２，２ａ・・金型本体、４，４ａ・・被膜、１２・・球面状凹部用圧子（圧子）、２１・・超音波振動装置、１１２・・三角錐状凹部用圧子（圧子）、Ｔ１，Ｔ２・・テクスチャ用形状。

Claims (11)

1. 圧子の押し付けにより塑性変形する程度の硬度を有する金型本体と、
   前記金型本体の表面に配置された、前記金型本体の硬度より大きい硬度を有する被膜と、
   を備えており、
   前記被膜及び前記金型本体の表面部分は、テクスチャ用形状を有している
   ことを特徴とする金型。
2. 前記金型本体は、銅製、銅合金製、アルミニウム製、アルミニウム合金製、チタン製、、チタン合金製、マグネシウム製、マグネシウム合金製、ニッケル合金製、あるいはタンタル製である
   ことを特徴とする請求項１に記載の金型。
3. 前記被膜は、前記金型本体の素材の窒化物である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金型。
4. 圧子の押し付けにより塑性変形する程度の硬度を有する金型本体と、
   前記金型本体の表面に配置された、前記金型本体の硬度より大きい硬度を有する被膜と、
   を備えている
   ことを特徴とする中間金型。
5. 前記金型本体は、銅製、銅合金製、アルミニウム製、アルミニウム合金製、チタン製、、チタン合金製、マグネシウム製、マグネシウム合金製、ニッケル合金製、あるいはタンタル製である
   ことを特徴とする請求項４に記載の中間金型。
6. 前記被膜は、前記金型本体の素材の窒化物である
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の中間金型。
7. 請求項４ないし請求項６の何れかに記載の中間金型に、圧子を押し付けて、塑性変形によりテクスチャ用形状を形成することで、テクスチャ用形状を有する金型を製作する
   ことを特徴とする金型の製作方法。
8. 前記圧子は、超音波振動装置により超音波振動される
   ことを特徴とする請求項７に記載の金型の製作方法。
9. 耐熱合金製の中間金型に対し、超音波振動装置により超音波振動される圧子を押し付けて、テクスチャ用形状を形成することで、テクスチャ用形状を有する金型を製作する
   ことを特徴とする金型の製作方法。
10. 前記中間金型は、耐熱鋼製、合金鋼製、炭素鋼製、あるいはニッケル合金製である
    ことを特徴とする請求項９に記載の金型の製作方法。
11. 前記圧子は、バインダレスナノ多結晶ダイヤモンド製、又はバインダレスナノ多結晶ｃＢＮ製である
    ことを特徴とする請求項７ないし請求項１０の何れかに記載の金型の製作方法。

Images