説明

光学素子用成形型及びその製造方法

【課題】セラミック材料を研削、研磨することなく製造可能で、かつ前記成形面に離型剤による膜あるいはクロム含有化合物の焼結体を形成することなく、良好な形成を備えた光学素子用成形型及びその製造方法を提供する。
【解決手段】光学素子を成形するための成形面を備えた光学素子用成形型において、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を含み、焼結温度以下の温度で焼成して構成される光学素子用成形型。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は光学素子用成形型及びその製造方法、さらに詳細には離型性が良好で、容易に製造可能な光学素子用成形型及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ガラス素材を使用する光学素子を製造する場合、ガラス素材を研磨して所定形状の光学素子を得る研磨法およびガラス素材を加熱軟化させ、所望形状の成形面を備えた成形型に装入し、押圧成形して製造する押圧方法が知られている。特に非球面あるいは自由曲面を有する光学素子を製造する場合には、研磨法では多大な時間と高度な加工技術が要求されることから、押圧成形法を使用して製造される場合が多い。
【0003】
このような光学素子用成形型をセラミックス系材料で製作する場合は、図3に示すように、焼結されたセラミック材料Cを砥石Gによる研削、研磨などによって所定形状の成形面(たとえば非球面)Sとする方法が知られている。
このようなセラミック材料としては、光学素子用成形型に対し成形された光学素子の離型性を考慮し、ジルコニアおよびフッ素金雲母を焼成したもの(特開平10−1361号)、また離型性を考慮し、セラミック材料を研削、研磨した成形面Sに酸化クロム、酸窒化クロム、酸炭窒化クロム等のクロム含有物質の焼結体を形成する方法、前記成形面Sにガラスとの濡れ性の良くない離型剤を塗布し、離型膜を形成する方法も知られている(特開2005−225726号)。
【特許文献1】特開平10−1361号公報
【特許文献2】特開2005−225726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、上述のような研磨によって成形型を製造する方法においては、セラミック材料は難加工材料であるため加工精度や表面粗さを向上させることが難しく、加工に時間が掛かりコスト高になるという欠点があり、また離型効果を示す材料として酸化クロムを使用する場合には環境や人体への悪影響を及ぼす恐れもあった。
さらに成形面に離型剤の膜を形成する場合にあっては、膜形成による形状精度や表面粗さの悪化を招来し、また膜が剥離して耐久性を損なうという欠点があった。
【0005】
本発明は上述の問題を解決するため、すなわちセラミック材料を研削、研磨することなく製造可能で、かつ前記成形面に離型剤による膜あるいはクロム含有化合物の焼結体を形成することなく、良好な成形面を備えた光学素子用成形型及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するため、本発明による光学素子用成形型は、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を焼結温度以下の温度で焼成したことを特徴とする。
【0007】
本発明による好ましい実施態様においては、前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上を80〜20重量%、アルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を、固形物換算で20〜80重量%含むことを特徴とする。
【0008】
本発明による他の好ましい態様においては、前記成形面と反対側に強度向上用部材を一体化したことを特徴とする。
【0009】
本発明による光学素子用成形型の製造方法は、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を混合し、混合材料を形成する工程、前記混合材料を所定の成形温度及び圧力下に成形型形状に成形する工程、前記成形された混合材料を結合剤の焼結温度以下で焼成する工程を含むことを特徴とする。
【0010】
本発明の光学素子用成形型の製造方法の好ましい実施態様では、前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上を80〜20重量%、アルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を、固形物換算で20〜80重量%混合することを特徴とする。
【0011】
さらに、他の好ましい態様では、前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上は粉体状であり、平均粒径は0.1〜10μmであることを特徴とする。
【0012】
また、本発明による好ましい他の態様では、前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤との混合は溶媒を添加して行うことを特徴とする。
【0013】
本発明による製造方法において、成形工程における好ましい実施態様では、前記成形温度は室温から300℃、成形圧力は10〜1000MPaであることを特徴とし、さらに好ましくは、前記成形は成形温度に達するまで、低い圧力で圧縮し、成形温度に達した後前記成形圧力に保持することを特徴とする。
【0014】
上述の前記焼成工程における好ましい実施態様では、焼成温度は、500〜1000℃であることを特徴とする。
【0015】
本発明による製造方法において、成形工程における好ましい実施態様では、前記成形は、非球面を有する成形面を備えた非球面型と光学素子用成形型の側面を形成するための胴型と前記非球面型及び胴型で形成される成形部中に装入される混合材料を加熱下に押圧するための圧縮型を備えた成形型で行われ、前記成形部の寸法は、製造される光学素子用成形型より大きな寸法であることを特徴とし、この実施態様において、前記成形部の寸法を製造される光学素子用成形型の寸法の10%以下周囲を大きくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0016】
本発明による光学素子用成形型及びその製造方法によれば、離型性の良好で、かつ無害な光学素子用成形型を提供でき、かつ前記光学素子用成形型を容易に、かつ効率的に製造可能であるという利点がある。すなわち、低コストで、精度が良好な前記光学素子用成形型を効率良く製造可能であるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
本発明をさらに詳しく説明すると、本発明による光学素子用成形型によれば、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上とアルミナゾルおよびシリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を焼結温度以下の温度で焼成したものである。
【0018】
本発明によれば、成形型の基材となる材料としては、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上が用いられる。
【0019】
前述のような窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムは、ガラスに対する濡れ性が悪く、離型性が良好なことより選択される。
【0020】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上の粉体の平均粒径は、好ましくは0.1〜10μmであるのがよい。0.1μm未満であると、離型性が悪化する恐れがあり、一方10μmを越えると、成形された光学素子に付着しやすくなると言う欠点を生じる。上述の平均粒径は、レーザー回折・散乱法で測定されたものを使用している。
【0021】
前記材料を結合するための結合剤としては、アルミナゾルおよびシリカゾルより成る群から選択された1種以上を使用することができる。窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上を保持可能であるからである。
【0022】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上は、好ましくは80〜20重量%含まれ、したがってアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤は、好ましくは固形物換算で20〜80重量%含まれる。前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上が80重量%を越えると、結合剤の量が少なすぎて、製造された成形型の強度が不足する恐れがあり、一方20重量%未満であると、離型効果が不足する恐れがある。
【0023】
本発明においては、前記材料に結合剤を添加し焼成することによって成形型とする。この焼成は結合剤の焼結温度以下で行われ、結合剤は完全に焼結されていないことを特徴としている。
【0024】
本発明による光学素子用成形型の製造方法によれば、まず、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上の材料とアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を混合し、混合材料を形成する。混合割合は上述の光学素子用成形型で説明した通りである。
【0025】
窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上の粉体とアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を直接混合し、製粉しても良く、また水、有機溶媒などの溶媒を添加して両者を混合することが可能である。好ましくは、溶媒を添加して混合するのがよい。両者を容易に均一に混合可能であるからである。このような溶媒を添加する場合、乾燥して溶媒を飛散させ、粉砕して粉体としてもよく、液体状態のまま次工程の成形型に投入することも可能である。
【0026】
上述の成形型材料には、必要に応じて種々の添加剤を添加することが可能である。たとえば、強度向上のためにPVA、PVP等を添加することが可能である。
【0027】
前記混合材料を所定の成形温度及び圧力下で成形するために成形型に投入する。
この成形型は、たとえば図1に示すように、非球面を有する成形面10を備えた非球面型1と光学素子用成形型の側面を形成するための胴型2と前記非球面型1及び胴型で形成される成形部M中に装入される混合材料を加熱下に押圧するための圧縮型3を備えた構造になっている。この成形部Mは、製造される光学素子用成形型の寸法より若干大きく設計するのが好ましい。すなわち、後の工程の焼成工程で、成形型形状に成形された混合材料を焼成する際、若干収縮することを見込んで、その分を大きな寸法にするのがよい。好ましくは、成形部Mの寸法は製造される光学素子用成形型の寸法の10%以下周囲を大きくするのが好ましい。
【0028】
このような成形型を構成する材料は、本発明において基本的に限定されるものではなく、光学素子用成形型形状に成形するための温度及び圧力に耐えうるものであればいかなるものであってもよい。たとえばステンレスなどの金属材料、ステンレスなどの金属材料表面にめっきを施したもの、超硬合金などで製造することができる。また、前記混合材料を液体状態で装入する場合には、溶媒を飛散させるために、少なくとも一部に多孔質材料を使用することが好ましい。
【0029】
本発明において、図1(a)に示すように、この成形部Mに混合材料を装入する。前記混合材料は、前述のように液体状態であっても良く、また粉体であってもよい。
【0030】
次いで、図1(b)に示すように、成形部M中の混合材料を圧縮型3によって、加熱下に圧力を負荷し成形する。成形温度は、好ましくは室温から300℃、さらに好ましくは200〜250℃である。成形時に形状精度を保つ事が可能で、かつ成形型を繰り返し使用する事ができる耐熱使用温度以下で、できるだけ高温に設定する。成形型の耐熱使用温度以下である事が必要だが、後工程である焼成時の収縮を低減するために、できるだけ高温にする。
【0031】
一方、成形圧力は、好ましくは10〜1000MPaである。さらに好ましくは100〜200MPaである。10MPa未満であると、所定形状に成形できない恐れがあり、一方1000MPaを越えると、離型時に割れる恐れがある。
【0032】
このとき、成形温度に到達するまで、負荷する圧力は小さくしておき、成形温度に達した場合、所定の成形圧力にして所定時間成形するのが好ましい。たとえば、所定の成形温度に達するまで、前記所定の成形圧力の5〜10分の1の圧力で圧縮しておき、成形温度に達した場合に、所定の成形圧力にして成形を行うのが好ましい。本発明による材料粉体は温度も圧力も伝達しにくいが、所定の焼成温度まで低い圧力で圧縮し、焼成温度に到達した後、成形圧力に上昇させて成形を行うと、効率的に成形が行われる。
【0033】
上述のような成形によって成形型形状に成形された混合材料を冷却した後、前記成形型より離型する(図1(c))。
【0034】
次いで、前記成形型形状に成形された混合材料を焼成する(図1(d))。
【0035】
本発明において、前記成形型形状に成形された混合材料を焼成する温度は、前記結合剤の焼結温度以下である。焼結温度以上で前記結合剤を焼結すると、収縮が大きくなり、所定寸法の光学素子用成形型を製造するのが困難になるからである。このような焼成温度は、好ましくは500〜1000℃であるのがよい。500℃未満であると、焼成が不完全で、強度が著しく低下する恐れがあり、一方 1000℃を越えると、たとえば結合剤がアルミナゾルの場合、α化による収縮が速く進むため、光学面の形状精度を保つ事ができる焼成時間の調整幅が狭くなる。また、焼成時間は、好ましくは30分〜1時間であるのがよい。30分未満であると焼成が不完全である恐れがあり、一方1時間を越えると、収縮が大きくなる恐れがあり、所定寸法の光学素子用成形型を製造するのが困難になるからである。
【0036】
上述のように、本発明においては、結合剤の焼結温度以下の温度で焼成し、光学素子用成形型を製造する。したがって、強度的に不十分となる恐れがあり、耐久性が劣る可能性もある。
【0037】
本発明による好ましい形態では、図2に示すように、圧縮型3に凹部を形成し、前記混合材料を前記凹部に入り込ませ(図2(a))、離型し(図2(b))焼成することによって前記圧縮型3と一体化することができる(図2(c))。すなわち圧縮型3は機械的強度を向上せしめるため一体化してもよい。この場合、圧縮型3は強度向上用の部材となる。
【0038】
上述の実施形態のほか、混合材料に接触する面を凹凸にし、あるいは粗面としたり、あるいは多孔質とすることによって、前記混合材料の焼成体と強度向上用部材との剥離強度を向上させることができる。
前記強度向上用部材は、成形温度、圧力に耐えうる材料、たとえばセラミック材料などが使用できる。
【実施例】
【0039】
窒化硅素粉末(SN−9S;商標名;電気化学工業株式会社製;平均粒径1.1μm)15重量%、アルミナゾル水溶液(アルミナゾル520;商標名;日産化学工業株式会社製)45重量%(固形物換算)、純水40重量%を均一に混合し、スプレードライヤーで噴霧、乾燥し、粉体とした。次いで、粉体状の混合材料を成形型の成形部M(図1参照)に装入し、20MPaで加圧しながら、250℃まで加熱した。250℃に達した後、100MPaに圧力を上昇させ、10分間保持した。その後、加圧したまま、100℃以下に冷却し、前記成形型から光学素子用成形型形状に成形された混合材料を取りだした。
次いで前記光学素子用成形型形状に成形された混合材料を電気炉でアルミナゾルの焼結温度以下である700℃まで加熱して1時間焼成した後、冷却して光学素子用成形型を製造した。
製造された光学素子用成形型は、光学面の形状精度が保持され、あるいは容易に補正可能で、かつ離型性が良好で、無害であった。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】本発明の光学用成形型の製造方法の一例を示す説明図。
【図2】本発明の光学用成形型の他の構造を示す説明図。
【図3】従来の光学用成形型の製造方法の一例を示す説明図。
【符号の説明】
【0041】
1 非球面型
2 胴型
3 圧縮型
C セラミック材料
G 砥石
S 非球面
M 成形部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
光学素子を成形するための成形面を備えた光学素子用成形型において、窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を含み、焼結温度以下の温度で焼成して構成されることを特徴とする光学素子用成形型。
【請求項2】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上を80〜20重量%、アルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を、固形物換算で20〜80重量%含むことを特徴とする請求項1記載の光学素子用成形型。
【請求項3】
前記成形面と反対側に強度向上部材を一体化したことを特徴とする請求項1または2記載の光学素子用成形型。
【請求項4】
窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を混合し、混合材料を形成する工程、前記混合材料を所定の成形温度及び圧力下に成形型形状に成形する工程、前記成形された混合材料を前記結合剤の焼結温度以下で焼成する工程を含むことを特徴とする光学素子用成形型の製造方法。
【請求項5】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上を80〜20重量%、アルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤を、固形物換算で20〜80重量%混合することを特徴とする請求項4記載の光学素子用成形型の製造方法。
【請求項6】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上は粉体状であり、平均粒径は0.1〜10μmであることを特徴とする請求項4または5記載の光学素子用成形型の製造方法。
【請求項7】
前記窒化ホウ素、窒化硅素及び窒化アルミニウムより成る群から選択された1種以上およびアルミナゾル、シリカゾルより成る群から選択された1種以上の結合剤との混合は溶媒を添加して行うことを特徴とする請求項4〜6記載のいずれかの光学素子用成形型の製造方法。
【請求項8】
前記成形温度は室温から300℃、成形圧力は10〜1000Mpaであることを特徴とする請求項4〜7記載のいずれかの光学素子用成形型の製造方法。
【請求項9】
前記成形は成形温度に達するまで、低い圧力で圧縮し、成形温度に達した後前記成形圧力に保持することを特徴とする請求項4〜8記載のいずれかの光学素子用成形型の製造方法。
【請求項10】
前記焼成温度は、500〜1000℃であることを特徴とする請求項4〜9記載のいずれかの光学素子用成形型の製造方法。
【請求項11】
前記成形は、非球面を有する成形面を備えた非球面型と光学素子用成形型の側面を形成するための胴型と前記非球面型及び胴型で形成される成形部中に装入される混合材料を加熱下に押圧するための圧縮型を備えた成形型で行われ、前記成形部の寸法は、製造される光学素子用成形型より大きな寸法であることを特徴とする請求項4〜10記載のいずれかの光学素子用成形型の製造方法。
【請求項12】
前記成形部は製造される光学素子用成形型の寸法の10%以下周囲を大きくしたことを特徴とする請求項11記載の光学素子用成形型の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2008−88011(P2008−88011A)
【公開日】平成20年4月17日(2008.4.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−270283(P2006−270283)
【出願日】平成18年10月2日(2006.10.2)
【出願人】(000000527)ペンタックス株式会社 (1,878)
【Fターム(参考)】