JP4472568B2

JP4472568B2 - 成形用型、成形用型製造方法及び光学素子の成形方法

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Publication number: JP4472568B2
Application number: JP2005089149A
Authority: JP
Inventors: 広喜岩沢
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP2006265072A

Description

本発明は、光学素子等を成形する際に用いる頑強なハイブリッド構造の成形用型、成形用型製造方法及び光学素子の成形方法に関する。

従来、金属又はセラミックスからなる型基材と、成形面を有し、ガラスからなる型成形部とを一体的に構成した光学素子の成形用型のうち、剥離を生じやすい外周部の型成形部の厚さを徐々に薄くすることにより、ガラス内部応力を緩和し、型基材と型成形部とを剥離しにくくすることにより、成形用型の耐久性を向上させる手法がある。また、型成形部を型基材の周辺部に延長し、型基材を包み込むような形状にすることによって型基材と型成形部の結合力を強固にすることにより、型の耐久性を向上させている。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００５−１５２６６号公報

しかし、成形用型の剥離の原因となっている型基材と型成形部との接触部に型基材と型成形部の線膨張率の差によって発生するせん断応力は、径が大きくなれば大きくなり、ガラスの厚みで応力緩和できる大きさには限界があるため、製造可能な型形状及び大きさが、型基材及び型成形部の材料により限定される。また、型成形部に対する型基材の接触部が凸型形状であるのに、型基材は型成形部よりも線膨張率が大きいために、ガラス転移点温度付近からガラスを冷却する際に接触部には型成形部と型基材を離す方向に引っ張り応力が働き、割れやはがれが発生する。なお、型成形部の外周部で折れ曲がりを有する部分を設けると、型成形部と型基材との収縮差により型成形部の内部に引っ張り応力が発生し、割れが発生する。

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、型基材と型成形部の線膨張率によるはがれや割れのない頑強な成形用型、成形用型製造方法及び光学素子の成形方法を提供することである。

本発明の第１の成形用型は、成形面を有する型成形部と基部である型基材とを互いに異なる材料として一体的に構成した成形用型において、上記型成形部の材料の線膨張率αｇと上記型基材の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＜αｋであり、上記型成形部に対する上記型基材の接触部が凹形状であることを特徴とする。

本発明の第２の成形用型は、上記第１の成形用型であって、上記型基材の凹形状は、その中心部に向かって低くなる１つ以上の凹状段差を有することを特徴とする。
本発明の第３の成形用型は、上記第１又は第２の成形用型であって、上記型基材の凹形状は、その外周部に平面部を有することを特徴とする。

本発明の第４の成形用型は、成形面を有する型成形部と基部である型基材とを互いに異なる材料として一体的に構成した成形用型において、上記型成形部の材料の線膨張率αｇと上記型基材の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＞αｋであり、上記型成形部に対する上記型基材の接触部が凸形状であることを特徴とする。

本発明の第５の成形用型は、上記第４の成形用型であって、上記型基材の凸形状は、その中心部に向かって高くなる１つ以上の凸状段差を有することを特徴とする。
本発明の第６の成形用型は、上記第４又は第５の成形用型であって、上記型基材は、その外周部に平面部を有することを特徴とする。

本発明の成形用型製造方法は、成形面を有する型成形部と型基材とを一体的に構成した成形用型を製造する成形用型製造方法において、上記型成形部の材料の線膨張率αｇと上記型基材の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＜αｋの場合、上記型成形部に対する上記型基材の接触部を凹形状とし、αｇ＞αｋの場合、上記型基材の接触部を凸形状とすることを特徴とする。

本発明の光学素子の成形方法は、上記第１から第６のいずれかの成形用型を一対にして光学素子を成形することを特徴とする。

本発明によれば、例えば型成形部の材料の線膨張率αｇと型基材の材料の線膨張率αｋとの関係で、上記型成形部と上記型基材との接触部の形状を、線膨張率が大きい材料側を凹形状とすることで、ガラス転移点温度付近から型成形部を冷却する際に型成形部と型基材の線膨張率差によって発生する上記接触部における応力（上記接触部の外側から内側）を凹面接線方向に働くせん断応力と垂直方向に働く圧縮応力に分解して緩和させるため、上記接触部に発生する割れや剥離を防止し、耐久性が向上する。

また、上記凹形状に中心部に向かって低くなる１つ以上の凹状段差を設けることで、接触部中心から外周方向への距離に比例して大きくなる型成形部と型基材の線膨張率差によるせん断応力を段差部で圧縮応力として受けて、外周部のせん断応力の増加を緩和する。

なお、上記凹形状の曲率が大きくなった場合、外周部に平面部を設けることで、凹形状の外周に向かって増加する圧縮応力を緩和し、より効率良く上記接触部に発生する割れや剥離を防止できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態における成形用型製造装置を示す断面図である。成形用型製造装置１１の下ベース１２と上ベース１３とはスライドシャフト１４で連結されている。２つのスライドシャフト１４は、上部に設けられたプレス軸ベース１５及び下部に設けられた加熱炉ベース１６によって、それぞれスライドブシュ１５ａ、１６ａを介して連結されている。

下ベース１３の上面中心部には、型基材３を載置するための台座１７が設けられており、載置される型基材３は、スリーブ１８に下面から挿入可能となっている。また、型成形部の材料となる成形硝材１９、及び型成形部に成形面を転写するマスタ型２０もスリーブに挿入可能となっている。

プレス軸ベース１５は、その上面中心部で、フローティングジョイント２１を介して、上ベース１３に取付けられたプレスシリンダ２２に連結されている。プレス軸ベース１５下面中心部にはプレス軸２３が取付けられ、このプレス軸２３がマスタ型２０を押圧可能となっている。

一方、加熱炉ベース１６にはガラス管２４及びランプヒータ２６が取付けられたリフレクタ２５が上部に設置されており、さらにその上部には、中心部にプレス軸２３が摺動自在な孔が穿設された加熱炉蓋２７が取付けられていて、加熱炉１６の熱を逃がさない構造となっている。

成形用型製造装置１１により型基材３と成形硝材１９とを一体化する際には、加熱炉１６内部を窒素雰囲気で成形硝材１９のガラス転移点温度以上の例えば６００℃以上にして、プレスシリンダ２２によりマスタ型２０を押圧し、加熱炉１６内部温度を例えば５４５℃程度で一定時間経過させ、その後、冷却することで所望の成形用型が得られる。この際、成形硝材１９のガラス転移点温度は、例えば光学素子等の被成形物（低転移点温度の光学素子材料を使用）を成形する際にも溶解しないように５００度以上（例えば、Ｓ−ＴＩＨ５３：株式会社オハラ製は６１２℃）であることが望ましい。なお、本発明は成形用型の構成に特徴があるため、成形用型の製造装置は以上のものに限定されない。

図２は、実施の形態１における成形用型を示す概略正面図である。成形用型１は、成形面（光学成形面）２ａを有する型成形部２と型基材３とが一体的に構成されている。型成形部２の材料の線膨張率αｇと型基材３の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＜αｋであり、型成形部２に接触する型基材３の接触面が凹形状となっている。なお、型成形部２にはガラス又は金属ガラスを用い、型基材３には金属、セラミックス又はサーメットを用いるものとする。

図３は、実施の形態における成形用型の材料の一例を示す図である。実施の形態１の成形用型はαｇ＜αｋであり、ガラスを成形する際には、型成形部２にガラス（例えば、パイレックス：旭テクノグラス株式会社製）、型基材３に金属（例えば、超硬ＷＣＪ０５：冨士ダイス株式会社製）を用いるのが望ましい。なお、型基材３にセラミックス（例えば、ＳｉＣＳＣ−２１１：京セラ株式会社製）を用いてもよい。また、プラスチックを成形する際には、型成形部２にガラス（例えば、Ｓ−ＢＡＬ４１：株式会社オハラ製）、型基材３に金属（例えば、ＳＵＳ４２０Ｊ２ＳＴＡＶＡＸ：ウッデホルム株式会社製）を用いるのが望ましい。なお、図３に示す材料はあくまで一例にすぎず、本実施の形態では、型成形部２の材料の線膨張率αｇと型基材３の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＜αｋであれば問題ない。また、同図中の各材料の線膨張率は３００℃での値である。

実施の形態１における作用を説明する。
図２に示すように、型成形部２に対する前記型基材３の接触部を凹形状とすることで、凹形状の型基材３よりも型成形部２の線膨張率の方が小さいため、ガラス転移点温度付近から型成形部２を冷却する際に、型成形部２と型基材３の接触部に発生する線膨張率差によって生じる応力は、接触面の接線方向に発生するせん断応力と、この接線と直交する方向（法線方向）に発生する圧縮応力とに分解されることにより、上記接触部におけるせん断応力を緩和する。

以上のように、実施の形態１によれば、型成形部２の材料の線膨張率αｇと型基材３の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＜αｋであり、型成形部２に対する型基材３の接触部を凹形状とすることで、接線方向に発生するせん断力と接線と直交する方向に発生する圧縮応力が、せん断力の増加を低減させることにより、上記接触部におけるせん断応力を緩和するため、上記接触部に発生する割れや剥離を防止し、成形用型１の耐久性が向上する。

図４は、実施の形態２における成形用型を示す概略正面図である。本実施の形態の特徴は、型成形部２の材料の線膨張率αｇと型基材３の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＜αｋであり、型成形部２に対する型基材３の接触部を中心部に向かって低くなる１つ以上の凹状段差を有する凹形状とすることであり、その他の部分は上記実施の形態１と同様であるため同一の符号を用いて説明を省略する。

実施の形態２によれば、型基材３の凹形状に中心部に向かって低くなる１つ以上の凹状段差を設けることで、ガラス転移点温度付近から型成形部２を冷却する際に、接触面中心部から外周方向への距離に比例して大きくなる型成形部２と型基材３の線膨張率差によって発生するせん断応力を、段差部で圧縮応力として受けて、外周部のせん断応力の増加を防ぐことで、よりせん断応力を緩和しやすくなる。

図５は、実施の形態３における成形用型を示す概略正面図である。本実施の形態の特徴は、型成形部２の材料の線膨張率αｇと型基材３の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＜αｋであり、型成形部２に対する型基材３の接触部を外周部に平面部を有する凹形状とすることであり、その他の部分は実施の形態１又は２と同様であるため同一の符号を用いて説明を省略する。

実施の形態３によれば、型基材３を外周部が平面部となる凹形状とすることで、外周部に向かうにつれて増加する圧縮応力を緩和できるため、より効率良く成形用型の割れや剥離を防止できる。

図６は、実施の形態４における成形用型を示す概略正面図である。本実施の形態の特徴は、型成形部２の材料の線膨張率αｇと型基材３の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＞αｋであり、型成形部２に接触する型基材３の接触部を凸形状とすることであり、その他の部分は実施の形態１乃至３と同様であるため同一の符号を用いて説明を省略する。なお、図３に示すように、ガラスを成形する際には、型成形部２にガラス（例えば、Ｓ−ＴＩＨ５３：株式会社オハラ製）、型基材３に金属（例えば、超硬ＷＣＪ０５：冨士ダイス株式会社製）を用いるのが望ましい。なお、型成形部２にガラス（例えば、Ｓ−ＬＡＨ５８：株式会社オハラ製）、型基材３にセラミックス（例えば、ＳｉＣＳＣ−２１１：京セラ株式会社製）を用いてもよい。また、プラスチックを成形する際には、型成形部２にガラス（例えば、Ｌ−ＴＩＭ２８：株式会社オハラ製）、型基材３に金属（例えば、ＳＵＳ４２０Ｊ２ＳＴＡＶＡＸ：ウッデホルム株式会社製）を用いるのが望ましい。なお、図３に示す材料はあくまで一例にすぎず、本実施の形態では、型成形部２の材料の線膨張率αｇと型基材３の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＞αｋであれば問題ない。

実施の形態４によれば、型成形部２の材料の線膨張率αｇと型基材３の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＞αｋであり、型成形部２に接触する型基材３の接触面を凸形状とすることで、ガラス転移点温度付近から型成形部２を冷却する際に、型成形部２と型基材３の接触部に発生する線膨張率差によって生じる応力は、接触面の接線方向に発生するせん断応力と、この接線と直交する方向（法線方向）に発生する圧縮応力とに分解されることにより、上記接触部におけるせん断応力を緩和するため、上記接触部に発生する割れや剥離を防止し、成形用型１の耐久性が向上する。

図７は、実施の形態５における成形用型を示す概略正面図である。本実施の形態の特徴は、型成形部２の材料の線膨張率αｇと型基材３の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＞αｋであり、型成形部２に対する型基材３の接触部を、中心部に向かって高くなる１つ以上の凸状段差を有する凸形状とすることであり、その他の部分は上記実施の形態１乃至４と同様であるため同一の符号を用いて説明を省略する。

実施の形態５によれば、型基材３の凸形状を中心部に向かって高くなる１つ以上の凸状段差とすることで、ガラス転移点温度付近から型成形部２を冷却する際に、接触面中心部から外周方向への距離に比例して大きくなる型成形部２と型基材３の線膨張率差によって発生するせん断応力を、型基材３の凸形状段差で圧縮応力として受けて、外周部のせん断応力の増加を防ぐことで、よりせん断応力を緩和しやすくなる。

図８は、実施の形態６における成形用型を示す概略正面図である。本実施の形態の特徴は、本実施の形態の特徴は、型成形部２の材料の線膨張率αｇと型基材３の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＞αｋであり、型成形部２に対する型基材３の接触部を外周部に平面部を有する凸形状とすることであり、その他の部分は実施の形態１乃至５と同様であるため同一の符号を用いて説明を省略する。

実施の形態６によれば、型基材３を外周部が平面部となる凸形状とすることで、外周部に向かうにつれて増加する圧縮応力を緩和できるため、より効率良く成形用型の割れや剥離を防止できる。

なお、実施の形態を通して型成形部２の成形面２ａは凸型として図示したが、凹型であっても問題なく、例えば凸型レンズを成形する際には一対の成形型２の成形面２ａのうち少なくとも一方は凹型となる。

実施の形態における成形用型製造装置を示す断面図である。実施の形態１における成形用型を示す概略正面図である。実施の形態における成形用型の材料の一例を示す図である。実施の形態２における成形用型を示す概略正面図である。実施の形態３における成形用型を示す概略正面図である。実施の形態４における成形用型を示す概略正面図である。実施の形態５における成形用型を示す概略正面図である。実施の形態６における成形用型を示す概略正面図である。

符号の説明

１成形用型
２型成形部
２ａ成形面（光学成形面）
３型基材
１１成形用型製造装置
１２下ベース
１３上ベース
１４スライドシャフト
１５プレス軸ベース
１５ａスライドブシュ
１６加熱炉ベース
１６ａスライドブシュ
１７台座
１８スリーブ
１９成形硝材
２０マスタ型
２１フローティングジョイント
２２プレスシリンダ
２３プレス軸
２４ガラス管
２５リフレクタ
２６ランプヒータ
２７加熱炉蓋

Claims

成形面を有する型成形部と基部である型基材とを互いに異なる材料として同時に加熱し、加熱温度下で押圧し接合することによって一体的に構成した成形用型を製造する成形用型製造方法において、
前記型成形部の材料の線膨張率αｇと前記型基材の材料の線膨張率αｋとの関係がαｇ＜αｋの場合には、前記型成形部に対する前記型基材の接触部が凹形状であり、αｇとαｋとの関係がαｇ＞αｋの場合には、前記型成形部に対する前記型基材の接触部が凸形状である、成形用型製造方法。
請求項１記載の成形用型製造方法により製造される成形用型において、
αｇとαｋとの関係がαｇ＜αｋであり、前記型成形部に対する前記型基材の接触部が凹形状である、成形用型。
請求項２記載の成形用型において、
前記型基材の凹形状は、その中心部に向かって低くなる１つ以上の凹状段差を有する、成形用型。
請求項２又は３記載の成形用型において、
前記型基材の凹形状は、その外周部に平面部を有する、成形用型。
請求項１記載の成形用型製造方法により製造される成形用型において、
αｇとαｋとの関係がαｇ＞αｋであり、前記型成形部に対する前記型基材の接触部が凸形状である、成形用型。
請求項５記載の成形用型において、
前記型基材の凸形状は、その中心部に向かって高くなる１つ以上の凸状段差を有する、成形用型。
請求項５又は６記載の成形用型において、
前記型基材は、その外周部に平面部を有する、成形用型。