JP3799676B2 - プレス成形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱間でプレスにより精密素子を成形するプレス成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、レンズやプリズム等の光学素子を光学ガラスまたは光学プラスチックを熱間でプレスして作製することが広範に行われている。また、回折格子や光導波路等の微小光学素子、または光学素子や光ファイバ等を精密に位置決め、固定しうる基板や素子をプレスで高精度に成形することも検討されている。
【０００３】
より信頼性の高い成形品は通常、ガラスを材料とし、耐熱金属やセラミックス等の耐熱材料を高精度に加工した型とガラスとを、これらを収納するモールド内に入れて加熱し、ガラス転移点（Ｔ_ｇ）以上で一定時間プレスし、再びＴ_ｇ近傍まで冷却してプレス圧を取り除き、冷却後取り出すことにより作製される。
【０００４】
詳細なプレススケジュールは、温度はＴ_ｇ以上であって、軟化点（Ｔ_ｇ）近傍までの範囲であり、そのプレス圧力は数十〜千ｋｇ／ｃｍ_２程度の範囲で、成形品の材質、形状、仕様等に応じて種々設計されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図２は、ガラスの温度と熱膨張量との関係を示すグラフである。横軸は温度、縦軸は熱膨張量を示す。このグラフからも明らかなように、ガラスはＴ_ｇ以上の温度域で熱膨張量が急激に大きくなり、また高温になるほど粘度が低下し、軟化変形しやすくなると同時に型材との反応性が高くなる。
【０００６】
そのため、高精度に加工できる耐熱材料をガラスの材料に応じて選定し、必要に応じて耐蝕性を上げるための保護膜をコーティングしなければならない。さらに、高温時のガラスの回り込み、逃げ、昇降温による膨張と収縮等を考慮して型およびモールドの細部設計およびプレススケジュールの設計を各々の成形品に対して行わなければならない（例えば、特開昭６３−１８２２２３、特開平４−１６４８２９）。
【０００７】
それでも、材料サイズやプレス時のわずかな芯ズレ等による素子毎のばらつきが生じ、このばらつきを吸収するための成形体領域（機能に寄与しない非有効領域）を設ける等の必要があり、成形体全体にわたって高精度なプレスを行うことは困難であった（例えば、特公平４−２１６１０）。
【０００８】
したがって、事前に高精度に加工された素子や部品に、その精度を維持したままプレスにより新たに形状を追加する等の、工程途中にプレス成形工程を組み入れることは困難であった。このため、近年特に顕著である種々の素子の集積化に対してプレス成形の適用可能範囲も制約されていた。
【０００９】
本発明は、これらの問題点を解決し、高精度な素子を再現性良くプレス成形で作製すること、特に被成形体全体の精度を維持したまま被成形体をプレス成形することによりその一部の形状を変えて機能を付与することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、あらかじめ成形された被成形体を成形用型とともに被成形体の歪点以上であってガラス転移点以下の温度に加熱し、ガラス転移点以下の温度でプレスして成形することを特徴とするガラスのプレス成形方法を提供する。
【００１１】
また、そのプレス時に被成形体が粘弾性変形するように昇圧速度を調整してプレスするガラスのプレス成形方法、および、それらのプレスによる被成形量が、被成形体の体積の５体積％以下となるように、あらかじめ被成形体が成形されているガラスのプレス成形方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のプレス成形では、あらかじめ成形された被成形体を成形用型とともに被成形体の歪点以上であってガラス転移点以下の温度に加熱して行われる。このような温度範囲で成形するので、プレスにより変形を加えられる量は少ない必要があり、被成形体の形状を最終成形体の形状にほぼ近づけておく。
【００１３】
この最初の成形はより高温での成形でもよく、機械切削、研磨、エッチング等の公知の加工方法で行われればよい。これにより、最終成形体の形状にほぼ近づけておく。
【００１４】
本発明で使用する被成形体はガラスである。光学部品としてガラスは膨張が少なく安定で傷がつきにくく耐久性が高いという利点を有する。ガラスは高温でないと成形できず精密性を保ったままプレス成形しにくいという問題があるが、本発明によれば精密性を維持したままプレス成形ができ、精密な成形体が得られる。
【００１５】
プレスに用いる型は、金属製の型、セラミック製の型等が使用でき、耐熱性、耐久性があって、被成形体の熱膨張とほぼ等しい熱膨張をする材料を選択することが最も好ましいが、プレス温度近傍までの熱膨張率変化が小さく、かつ、この間の熱膨張量が再現性良く算出できればよい。
【００１６】
ガラスの熱膨張量は、図２に示すように、室温付近からガラス転移点近傍までほぼ一定の傾きの直線で近似できる。また、代表的な耐熱金属の中・高温領域の熱膨張率も図３のように、急激に変動を示すことはない。図３の「ＳＵＨ３１０」はＣｒ−Ｎｉ系の代表的な耐酸化性の耐熱綱、「Ｉｎｃｏｎｅｌ１６００」と「Ｉｎｃｏｎｅｌ１７５０」とはＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系の代表的な耐蝕・耐熱合金の熱膨張率を示す。
【００１７】
したがって、ガラスをＴ_ｇ以下の温度でプレス成形を行うと、昇温からプレス、冷却までのガラス、型等の寸法変化を見積ることができ、被成形体の精度を維持したままプレス成形を行いうる。実際のプレススケジュールは被成形体に付与する形状、被成形体の材質等により種々の設計ができる。
【００１８】
ガラスのような粘弾性体は、プレス圧を上げ、長時間プレスすれば、歪点以下であっても局部的に変形させうる。しかし、歪点以下での変形は成形品に歪みが残存するので、成形品の機能にこのような局部的変形による歪が影響しない用途にしか使用できない。例えば、工程途中で一時的な位置決め等にしかその成形部を使用しない（長期の信頼性不要）場合、または後工程で歪点以上に加熱される場合等がある。これらの場合には、歪点以下のプレス成形でも実用上問題ないが、成形品の信頼性を維持するには歪点以上でプレスする必要がある。
【００１９】
図４は代表的な光学ガラス（歪点３８０℃、ガラス転移点４６０℃）で測定した高温硬度と加圧の時間との関係を示す。温度はＴ_ｇ以下（４５０℃）である。硬度は変形量から一意的に算出され、硬度の低下は変形量の増加を示しており、粘弾性体であるガラスのクリープ挙動に対応する。すなわち、Ｔ_ｇ以下でも粘弾性挙動に対応した昇圧速度を設定することにより、ガラスに過剰な歪を与えることなく成形できる。
【００２０】
前述したように、成形自体はプレス圧を上げればできるが、このような粘弾性挙動を無視した急激な加圧を行うと、変形量のばらつきが大きくなるのみでなく、マイクロクラックが発生し、成形がコントロールできなくなることがあり、歩留りが低下しやすい。
【００２１】
このため本発明では、プレス時に被成形体が粘弾性変形する速度に、プレスの昇圧速度を合わせてプレスすることが精密性と歩留りからみて好ましい。これはある程度超えても弾性で直には破損に結びつかないが、これを大きく逸脱すると被成形体が破損しやすくなり、歩留りが低下しやすい。
【００２２】
また、本発明では、ガラス転移点以下の温度でプレス成形するので、被成形量が大きくなると、本発明の成形温度域では成形に時間がかかったり、加圧圧力が著しく大きくなる等の問題を生じる。ここでいう被成形量とは、成形前と成形後とで異なっている部分の量を成形後の全体量で割ったものを意味する。このため、プレス時の変形量は、被成形体の体積に比し、できるだけ小さい方が望ましく、大きくても５体積％以下、できれば３体積％以下程度にすることが好ましい。
【００２３】
特に、変形量を３体積％以下程度にすることにより、全体の形状精度を±１％以下の変動に維持した成形ができる。被成形量が大きい場合は、事前に熱間または冷間で近似形状まで成形するか、あらかじめ別個にプレスした後に本発明のプレス成形をすることにより、プレス時の成形量を小さく設定する。型の形状を被成形体に対して凸にすることも同様の理由で好ましい。
【００２４】
本発明のプレス成形でプレスされる成形品としては、マイクロプリズム、回折格子、光ファイバガイド等の光学部品が代表的なものとして挙げられる。特に微小成形に適しており、成形前後で精度を維持できるため、事前に高精度の加工が施された成形体へのプレス成形による形状付与ができ、工程途中でプレス加工を組み入れうるようになる。
【００２６】
【実施例】
「例１（実施例）」
屈折率（ｎ_ｄ）１．５１６８、歪点５１０℃、転移点５６５℃、降伏点６２０℃、軟化点７２０℃の特性を有する光学ガラス板を用いてブレーズド格子をプレス成形した。
【００２７】
ガラス基板は両面をＲ_a ０．０１μｍの荒さまで研磨した１．０ｍｍ厚の材料を１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断して用いた。この基板をＮｉを主材料とする金型内に載置し、真空下で５５０℃まで昇温し、５分間保持した後、２０ｋｇ／ｃｍ^２・ｍｉｎで１００ｋｇ／ｃｍ^２まで５分かけて昇圧した。
【００２８】
そのまま５分間加圧したまま温度を維持し、その後約１０分で５００℃まで降温し、プレス圧を取り除いてから放冷、室温まで冷却後取り出してブレーズド格子を作成した。このプレスのスケジュールを図１に示す。
【００２９】
図５にこのプレス成形に用いた金型の断面図を示す。図５において、上金型１は格子部分が下に凸の形状をし、上金型１および下金型６ともに、金型母材２、５の表面に貴金属系合金薄膜を保護膜３、４としてコーティングした。図５のＷは４０μｍ、ｄは１μｍである。このような型を用いて平板状のガラスをプレスしてプレス成形された成形品を得た。プレスによる被成形体の変形量は、ガラスの厚さが１ｍｍであるのに対しｄが１μｍなので、０．１体積％以下であった。
【００３０】
このブレーズド格子の成形品と金型の格子部との形状誤差はほぼ±２％以内（測定誤差内）で、表面精度はＲ_ａ０．０１μｍであり、被成形体のプレス前の精度を維持しており、精密度の高いものであった。また、その回折効率は設計値の９７％となり、ほぼ目標どおりの性能が得られた。成形品の各外形寸法はプレス前後でほとんど変形が認められなかった（±１％以内）。
【００３１】
「例２（比較例）」
同じ被成形体を型とともに６３０℃まで昇温後、２０ｋｇ／ｃｍ^２で加圧し、１０分間保持した後、５６０℃まで降温し、プレス圧を取り除き、放冷してブレーズド格子を作製した。
【００３２】
このブレーズド格子は、回折効率はほぼ目標どおりの性能が得られていたが、外形寸法がばらつき、特に厚さ方向で最大２０％程度の偏差が生じて基板底面に対しての回折光の角度が変化するために、素子組み込み時に角度補正を行う必要があった。
【００３３】
「例３（実施例）」
図６のようにあらかじめ成形されているガラス部品の一部に、光ファイバガイドをプレス成形し、図７の素子を作製した。なお、ガラスの特性は、歪点３７０℃、ガラス転移点４３０℃、降伏点４７０℃、軟化点５８０℃であり、Ａは２ｍｍ、Ｂは４ｍｍ、Ｃは１０ｍｍ、Ｄは２０ｍｍである。また、プレス成形する光ファイバガイドはピッチ１２６μｍ、深さ３０μｍである。図７の７はミラー面、８は光ファイバのガイド溝である。
【００３４】
型は電鋳Ｎｉ材による金型母材の表面に貴金属系薄膜を保護膜としてコートした金型内に図６の形状の被成形体を入れ、窒素雰囲気下で４００℃まで昇温し、５分後１０ｋｇ／ｃｍ^２・ｍｉｎで５０ｋｇ／ｃｍ^２まで５分かけて昇圧した。そのまま１０分間加圧したまま温度を維持し、その後約１０分で３６０℃まで降温し、プレス圧を取り除いてから放冷、室温まで冷却後取り出して光ファイバ用光学部品を作成した。
【００３５】
この光ファイバ用光学部品は、ミラー面は鏡面が維持され、部品全体にわたってその底面から高さの偏差は±１％以内であった。
【００３６】
「例４（比較例）」
同じ被成形体を型とともに４８０℃まで昇温後、２０ｋｇ／ｃｍ^２で加圧し、１０分間保持した後、３６０℃まで降温し、プレス圧を取り除き、放冷して光ファイバ用光学部品を作製した。
【００３７】
この光ファイバ用光学部品は、光ファイバガイド部の高さの偏差は±１０％程度あり、ガイド部の前面の斜面部に形成されるミラーに対しての光ファイバからの出射光の角度が光ファイバ毎に変わり、目標（±２％以内）の仕様のものが再現性よく得られなかった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、歪点以上であってガラス転移点以下の温度でプレス成形するので、被成形体の成形前後で精度を維持できるため、事前に高精度の加工が施された成形体へのプレス成形による形状付与が可能となり、工程途中でプレス加工を組み入れうるようになる。したがって、光学素子の集積化のための部品、基板、さらに光学素子自体を成形するのに有効である。
【００３９】
また、本発明によれば、従来よりも低温でプレス成形できるため、使用できる型やモールド材、保護膜の選択幅が広がり、電鋳金属のような比較的低コストの材料の適用可能範囲が広がって、プレス成形の低コスト化を図れる。そのため、光記録（ＣＤ等）や光通信用の光学素子、精密部品の大量生産に有用である。本発明は、本発明の効果を損しない範囲内で、種々の応用ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】例１のプレススケジュールを示すチャート。
【図２】ガラスの温度と熱膨張量との関係を示すグラフ。
【図３】代表的な耐熱金属の中・高温領域の熱膨張率を示すグラフ。
【図４】代表的な光学ガラス（歪点３８０℃、ガラス転移点４６０℃）で測定した高温硬度と加圧の時間との関係を示すグラフ。
【図５】例１のプレス成形に用いた金型の断面図。
【図６】例３のプレス前の被成形体の斜視図。
【図７】例３のプレス後の成形体の斜視図。
【符号の説明】
上金型 ：１
金型母材：２、５
保護膜 ：３、４
下金型 ：６

Claims (3)

1. あらかじめ成形された被成形体を成形用型とともに被成形体の歪点以上であってガラス転移点以下の温度に加熱し、ガラス転移点以下の温度でプレスして成形することを特徴とするガラスのプレス成形法。
2. プレス時に被成形体が粘弾性変形するように昇圧速度を調整してプレスする請求項１記載のガラスのプレス成形法。
3. プレスによる被成形量が、被成形体の体積の５体積％以下となるように、あらかじめ被成形体が成形されている請求項１または２記載のガラスのプレス成形法。

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