JP2010069685A - 金型製造方法及び金型 - Google Patents

Abstract

【課題】大面積、且つ、所望の肉厚を有する金属ガラス層で形状転写面を形成し、さらに、金属ガラス層を金型母材に対して良好に固定された金型を製造する金型製造方法、及び、金型を提供する。
【解決手段】金型母材１１の多数の微細凹凸形状からなる被嵌合部１１ａを設けた支持面１１ｆ上に金属ガラス層１２の材料を設置し、金属ガラス層１２の材料の温度が金属ガラス層１２のガラス遷移温度以上、且つ、結晶化温度以下、となるように加熱して、金属ガラス層の材料を支持面１１ｆの被嵌合部１１ａを構成する多数の微細凹凸形状の凹部に金属ガラス層１２の材料を充填させ、その後、金属ガラス層１２の材料の温度を室温に冷却することで、金属ガラス層１２が金型母材１１と嵌合した状態を形成して金属ガラス層１２を金型母材１１に対して一体化するように結合させて金型１を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂射出成形やガラスプレス等の成形に用いられる金型の製造方法、及び、金型に関するものである。

従来、この種の金型として、球面レンズや非球面レンズなどの光学素子成形用金型は、成形するレンズが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ブランクを用いたものが有る。このような金型では、まず、金型母材となる金属合金のブランク材を機械加工で所望な形状寸法を作り出した後、加工面に厚みおよそ２００［μｍ］前後のＮｉＰ膜を無電解めっきで成膜する。そして、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、金型転写面の形状を最終的に形成する。このような金型を加工する工程は通常広く行われている工程である。
一方、成形するレンズがガラスプレスレンズの場合、その金型もプラスチックレンズの場合と略同じ工程で製造されているが、樹脂に比べ高温成形のため金型はより高強度なものが要求される。このため、ガラスプレスレンズを成形する金型にはブランク材には超硬合金やサーメットなどのさらに高強度、高硬度の材料を用いる。また、ガラスプレスレンズを成形する金型としては、上述したＮｉＰ膜の変わりに、ＳｉＣ膜や窒化膜などがブランク材の上に成膜されている。
そして、これらのような金型を用いて、何万ショット、何十万ショットの成形サイクルが経つと、成形対象であるプラスチックやガラスと対向する形状転写面の形状の崩れや形状転写面の酸化、欠け、割れといった磨耗が生じる。このように形状転写面に磨耗が生じた金型の転写面に対して、再度切削、研磨などの工程で形状転写面の形状を修正するといったメンテナンスを行うことで金型の使用寿命を伸ばしていくことが一般的に行われている。

近年，上述したのＮｉＰ膜、ＳｉＣ、窒化膜の代替材料として、切削性、耐腐食性、耐熱性の優れる金属ガラス（非晶質金属合金）を利用した研究開発が活発に行われている。
金型母材の上に金属ガラス層を形成し、形状転写面を金属ガラス層で構成するものとしては、金型母材の上に、スパッタリング、イオンプレーティング処理、蒸着やＣＶＤ処理などの成膜方法を用いて、金属ガラスの膜を金型の転写面に作製するという発明がなされている（例えば、特許文献１）。しかし、これらの成膜方法で得られる非晶質構造を持つ金属ガラス層は極めて薄い層であり、例えば，通常のスパッタリング法ではせいぜい１０［μｍ］が限界と言われている。また、他の成膜方法を用いても通常の場合、数十［nm］、数百［nm］程度の膜厚であり、できる限り膜厚を厚くしようとしても数［μｍ］が限界である。従って、このように成膜された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できる切削しろは極めて少なくなる。言い換えれば、上述した成膜方法のよって金型母材の上に形成された金属ガラス層に直接１０［μｍ］を超える段差形状を形成することは困難である。
また、上述した成膜方法では、金属ガラス層を形成する合金をイオン化または蒸発させて金型母材に吹き付けて付着させて成膜するため、吹き付ける際の各々の粒子の軌跡や堆積する場所をコントロールすることは困難であり、金属ガラス層を構成する膜の膜厚のばらつきが生じ易い。そして、膜厚にばらつきが生じると膜厚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。これは以下の理由によるものと考えられる。
すなわち、非晶質構造は結晶構造に比べて不安定な状態であるため、成膜方法によって得られた非晶質構造の金属ガラスは薄膜という状態であることによって、非晶質構造が維持される。このため、膜厚が大きくなって薄膜状態でなくなると、非晶質という非平衡な状態が崩れ、よりエネルギーの低い状態である結晶という状態に進むためである。

このような問題に対して、上述した成膜方法によって得られる薄膜状の金属ガラスとは異なり、金属合金を液体の状態から急冷して結晶化を経ずにそのまま固体にすることによって得られるバルク状の金属ガラスを金型として利用する研究開発も行われている。バルク状の金属ガラスは、液状の金属合金を急冷して固体を得るため、熱を如何に早く奪って冷却するかといことが重要である。そして、物質には熱容量や熱伝導率という特性があり、急冷によって一定時間内で奪える熱量は限界があるため、バルク状の金属ガラスの形状としては急冷が可能な板状か棒状かに限られている。また、板状の金属ガラスの場合は、厚み１〜２［ｍｍ］程度が現状の限界であり、棒状の金属ガラスの場合は、直径約１０［ｍｍ］程度が現状の限界である。
しかし、このようなバルク状の金属ガラスを金型母材に固定すれば、上述した成膜方法によって得られる薄膜状の金属ガラス層の厚みと比較すると十分な厚みを備えた金属ガラス層を得ることができる。なお、このようなバルク状の金属ガラスを金属ガラス層に用いる場合には、金型母材と金属ガラス層とを固定する固定手段が必要である。
このようなバルク状の金属ガラスを用いた金型としては、例えば、特許文献２に記載の金型を挙げることができる。特許文献２では、棒状の金属ガラスを形成する際に、ネジ穴を有するインサート部材を、過冷却液体領域の非晶質合金の棒状の長手方向の一端に押込み、冷却することでネジ穴を備えた棒状の金属ガラスを形成する。これにより、ネジでバルク状の金属ガラスを他の部材と一体化することができる。また、棒状の金属ガラスの長手方向の他端の先端面を形状転写面として成形し、ネジ止めで金型母材に固定することによって、形状転写面を金属ガラス層で構成する金型を得ることができる。この金型の金属ガラス層は棒状の長手方向が厚みとなるため、上述した薄膜状の金属ガラスでは不可能であった金属ガラス層に直接１０［μｍ］を超える段差形状を形成することができる。
特開２００２−３２６２３０号公報 特開２００３−１０４７３５号公報

しかしながら、特許文献２の金型は棒状の金属ガラスの端面を形状転写面としているため、形状転写面は直径１０［ｍｍ］程度の広さが限界であり、形状転写面上の凹部によって凸レンズを成形する場合であれば、凹部の開口径は５［ｍｍ］程度の大きさが限界である。このため、凹部の開口径が例えば２０［ｍｍ］以上の大面積な金型の製造は不可能に近く、非常に困難である。さらに、棒状の金属ガラスは細いのため、インサート部材のネジの径と数とは限られる。このため、樹脂やガラスを成形するときの応力の負荷がインサート部材を押込んだ箇所に集中し、インサート部材を押し込んだ箇所の周辺から金属ガラスが破壊されるおそれがあり、金属ガラス層を金型母材に良好に固定することができない。
また、特許文献２のように金属ガラスにインサート部材を押込む構成を板状の金属ガラスに用いた場合であっても、形状転写面を金属ガラス層で構成する金型で大面積な金型の製造は困難である。これは以下の理由による。
板状の金属ガラスであれば、厚みとしては冷却のために１〜２［ｍｍ］が現状の限界であるが、板状の面としては３００［ｍｍ］×３００［ｍｍ］程度の大きさは現状でも可能であるため、板状の金属ガラスの広い面の部分に形状転写面を形成すれば大面積な金型の製造が可能になる。さらに、板状の金属ガラスの厚みの限界である１〜２［ｍｍ］の肉厚は、上述した薄膜状の金属ガラスに比べて数桁違うほど十分厚く、レンズ成形のために１０［μｍ］以上の段差形状を形成するには十分な肉厚である。しかし、板状の金属ガラスの厚みとしては１〜２［ｍｍ］が現状の限界であるため、形状転写面となる部分に特許文献２に記載の金型のようにネジ穴を有するインサート部材を押込むことは非常に困難である。一方、形状転写面以外の箇所（形状転写面の周辺部）であればインサート部材を押込むことは可能である。しかし、形状転写面となる部分が金型母材に固定されていないため大面積になれば樹脂やガラスを成形するときに様々な応力が発生し、インサート部材を押込んだ箇所に応力の負荷が集中する。このため、周辺部のインサート部材を押し込んだ場合は、周辺部から金属ガラスが破壊されるおそれがあり、金属ガラス層を金型母材に良好に固定することができない。よって、金属ガラスにインサート部材を押込む構成を板状の金属ガラスに用いた場合であっても、大面積な金型の製造は困難である。

本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、大面積、且つ、所望の肉厚を有する金属ガラス層で形状転写面を形成し、さらに、金属ガラス層を金型母材に対して良好に固定された金型を製造する金型製造方法、及び、金型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の発明は、成形対象と対向する形状転写面が過冷却液体領域を有する金属ガラス層で構成され、該金属ガラス層を支持し、該金属ガラス層の該過冷却液体領域では過冷却液体とはならない金属からなる金型母材を有する金型を製造する金型製造方法において、上記金型母材の多数の微細凹凸形状を設けた表面上に上記金属ガラス層の材料を設置し、真空または不活性ガス雰囲気の中で、該金属ガラス層の材料の温度が該金属ガラス層のガラス遷移温度以上、且つ、該金属ガラス層の結晶化温度以下、となるように加熱して、該金属ガラス層の材料を上記金型母材に対して押圧する加工を行うことにより該金型母材の表面にある多数の微細凹凸形状の凹部に該金属ガラス層の材料を充填させ、その後、該金属ガラス層の材料の温度を室温に冷却することで、該金属ガラス層が該金型母材と嵌合した状態を形成して該金属ガラス層を該金型母材に対して一体化するように結合させることによって上記金型を製造することを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の金型製造方法において、上記該金属ガラス層を上記金型母材に対して一体化するように結合させる一体化工程と、該一体化工程で作成された上記金型を空気中で上記金属ガラス層の温度が結晶化温度以上となるように加熱し、該金属ガラス層を結晶化させることによって、該金属ガラス層を該金型母材から取り外す分離工程とを有することを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１または２の金型製造方法において、上記金属ガラス層と上記金型母材とを多数の微小凹凸形状同士の噛合いによるアンカー効果によって嵌合させ、一体化するように結合させることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項１、２または３の金型製造方法において、上記金型母材の上記多数の微小凹凸形状は、上記形状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ものである。
また、請求項５の発明は、請求項１、２、３または４の金型製造方法において、上記金属ガラス層の熱線膨張係数は、上記金型母材の熱線膨張係数と同程度であることを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、成形対象と対向する形状転写面が過冷却液体領域を有する金属ガラス層で構成され、該金属ガラス層を支持し、該金属ガラス層の該過冷却液体領域では過冷却液体とはならない金属からなる金型母材を有する金型において、上記金型母材の上記金属ガラス層を支持する支持面に多数の微細凹凸形状を備え、上記金属ガラス層は、上記支持面上で該金属ガラス層の材料の温度を上記過冷却液体領域として該金属ガラス層の材料を流動化した後、冷却することによって上記支持面にある多数の微細凹凸形状の凹部に該金属ガラス層の材料を充填させ、その後、冷却されることで上記該金型母材と嵌合した状態を形成し、上記金属ガラス層が上記金型母材と嵌合した状態となることによって該金属ガラス層が該金型母材に対して固定されるものであることを特徴とするものである。
また、請求項７の発明は、請求項６の金型において、上記金型を用いた樹脂射出成形やガラスプレス等の成形工程で上記形状転写面を構成する上記金属ガラス層が磨耗した場合、磨耗した金属ガラス層を上記金型母材から取り外し、新たに別の金属ガラス層を該金型母材に嵌合させることにより、上記形状転写面を構成する上記金属ガラス層を置き換え、金型母材を繰り返し使用できることを特徴とするものである。
また、請求項８の発明は、請求項６または７の金型において、上記金属ガラス層と上記金型母材とを多数の微小凹凸形状同士の噛合いによるアンカー効果によって嵌合し、上記金属ガラス層と上記金型母材とが一体化するように結合していることを特徴とするものである。
また、請求項９の発明は、請求項６、７または８の金型において、上記金型母材の上記多数の微小凹凸形状は、上記形状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ものである。
また、請求項１０の発明は、請求項６、７、８または９の金型において、上記金属ガラス層の熱線膨張係数は、上記金型母材の熱線膨張係数と同程度であることを特徴とするものである。
また、請求項１１の発明は、請求項６、７、８、９または１０の金型において、上記金属ガラス層を結晶化温度以上に加熱し、該金属ガラス層を結晶化させることによって、該金属ガラスを上記金型母材から取り外すことを特徴とするものである。

上記請求項１の金型製造方法で製造された金型であれば、金属ガラス層は、金型母材の支持面上で金属ガラス層の材料の温度を過冷却液体領域として金属ガラス層の材料を流動化した後、冷却することによって支持面に沿った形状に形成されたものであるため、金型母材の支持面上に板状の金属ガラスと同様の面積と厚みとを持った金属ガラス層を形成することができる。また、過冷却液体領域で流動化した状態の金属ガラスの超塑性によって、金属ガラス層は金型母材の多数の微小凹凸形状を設けた表面に沿った形状に形成されるため、金属ガラス層に金型母材の微小凹凸形状に沿うように凹凸形状が形成され、金型母材の微小凹凸形状と金属ガラス層の凹凸形状との嵌合により金属ガラス層を金型母材に良好に固定することができる。
また、上記請求項６の構成を備えた金型であれば、金属ガラス層は、金型母材の支持面上で金属ガラス層の材料の温度を過冷却液体領域として金属ガラス層の材料を流動化した後、冷却することによって支持面に沿った形状に形成されたものであるため、金型母材の支持面上に板状の金属ガラスと同様の面積と厚みとを持った金属ガラス層を形成することができる。また、過冷却液体領域で流動化した状態の金属ガラスの超塑性によって、金属ガラス層は多数の微小凹凸形状を設けた金型母材の支持面に沿った形状に形成されるため、金属ガラス層に金型母材の微小凹凸形状に沿うように凹凸形状が形成され、金型母材の微小凹凸形状と金属ガラス層の凹凸形状との嵌合により金属ガラス層を金型母材に良好に固定することができる。

本発明によれば、板状の金属ガラスと同様の面積と厚みとを持った金属ガラス層を金型母材に嵌合によって良好に固定することができるため、大面積、且つ、所望の肉厚を有する金属ガラス層で形状転写面を形成し、さらに、金属ガラス層が金型母材に対して良好に固定された金型を得ることができるという優れた効果がある。

以下、本発明を適用した金型の実施形態の一例として、凸面レンズ成形用の金型（以下、金型１とよぶ）について説明する。なお、レンズ面の形状としては、凹面、非球面、自由曲面、平面等あるが、同様の構成を適用可能である。
図１は、本実施形態に係る金型１の概略断面図である。
図１に示すように金型１は、形状転写面１２ｆを構成する金属ガラス層１２と、金属ガラス層１２を支持する金型母材１１とを備える。また、金属ガラス層１２が嵌合部１２ａを備え、金型母材１１が被嵌合部１１ａを備えることにより、嵌合部１２ａと被嵌合部１１ａとの嵌合によって金属ガラス層１２が金型母材１１に対して固定されている。

ここで、金属ガラス層１２を構成する過冷却液体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、結晶粒や粒界などの結晶構造が持たず、非晶質（アモルファス）である。また、近年、広い温度範囲における過冷却液体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（Ｚｒ_６５Ａｌ_１０Ｎｉ_１０Ｃｕ_１５）、Ｐｄ基合金（Ｐｄ_７６Ｃｕ_７Ｓｉ_１７）、Ｃｕ基合金（Ｃｕ_６０Ｚｒ_３０Ｔｉ_１０）、Ｎｉ基合金（Ｎｉ_６０Ｎｂ_２５Ｔｉ_１５）などがある。これらの合金は常温では、非常に高い強度と硬さが有するが、ガラス転移点以上に、結晶化温度以下の範囲で加熱保温すると、通常の金属に見られない流動粘性が現れ、超塑性の性質が現れる。従って、この領域の特性を利用すれば、従来の金属材料では難しいとされる微細形状の転写が押圧加工方法のみで実現可能となった。
また、上述のように、金属ガラスの過冷却液体域はガラス転移点（遷移点）であるＴｇと結晶化温度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以上でも良好な耐酸化性を備えているが、それもあくまでも程度の問題であり、通常、押圧加工プロセスは、真空中あるいは不活性ガス雰囲気中で行われる方が望ましい。
本実施形態の金型１は、このような金属ガラスの特性に着目したものであり、厚肉の金属ガラス層１２を金型母材１１と一体化に結合できる金型である。また、金型１は、金属ガラス層１２の形状転写面１２ｆが、成形対象を成形する工程を繰り返すことによって磨耗したあと、金属ガラス層１２を容易に取り替えることができるものである。
なお、現在、金属ガラスの組成元素の組み合わせを変え、Ｚｒ基やＮｉ基やＣｕ基やＦｅ基などたくさんの合金系が発見されているが、形状としては急冷が可能な板状か棒状と限られている。そして、板状の場合、面積は３００［ｍｍ］×３００［ｍｍ］、厚みは厚くても１〜２［ｍｍ］が限界である。一方、板状の場合、直径およそ１０［ｍｍ］のものが最大とされている。

〔実施例１〕
次に、本実施形態の金型１の一つ目の実施例（以下、実施例１と呼ぶ）について説明する。
図２は、実施例１の金型１の製造工程の説明図である。
まず、図２（ａ）に示すように、一般的な金型材である(株)日立金属製のＨＰＭ３８金属ブロックを機械加工によって、金型母材１１の支持面１１ｆを曲率半径Ｒ＝５０［ｍｍ］を有する球面（凹面）を切削加工で削りだす。
図３は、実施例１で使用する切削バイト３の模式図である。図２に示すように、球面（凹面）を切削加工で削り出した後は、図３に示すような先端角度４５［°］を有する切削バイト３を用いて、金型母材１１の支持面１１ｆに形成された凹面に多数の微小凹凸形状としてＶ溝加工を行う。Ｖ溝２の加工はいくつかの方法があるが、実施例１の金型は軸対称の球面金型であるため旋削加工で行う。

図４は、実施例１の旋削加工の説明図である。
図４に示すように、切削バイト３の角度θ１（切削バイト３の中心通す線Ｃ１と金型球面中心を通す法線Ｎとがなす角度）を４５［°］に調整し、深さ１０［μｍ］（金型母材１１の支持面１１ｆの表面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４に示すように、金型球面中心から見てＶ溝２の外側の側面と金型球面中心を通る法線Ｎとがなす角度θ２は２２．５［°］となる。このＶ溝２の外側の側面は、アンカー効果をもたらす面である。そして、この加工を繰り返し、３［ｍｍ］ピッチ間隔で複数の輪帯状のＶ溝２を加工して、輪帯状Ｖ溝パターンを形成した。図２（ｂ）は輪帯状Ｖ溝パターンを形成された金型母材１１の断面図、図２（ｃ）は輪帯状Ｖ溝パターンを形成された金型母材１１の上面図を模式的に示している。

一方、金属ガラス層１２に用いる金属ガラスとしては、予め作製した厚み８００［μｍ］のＺｒ_５５Ｃｕ_３０Ａｌ_１０Ｎｉ_５金属ガラスからなる板状の金属ガラスを円板状に加工する。これと同じロットで生産されるものを、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）を測定した結果、ガラス転移点はおよそ３９８［℃］で，結晶化温度は４８７［℃］である。従って、過冷却液体域となる温度範囲はおよそ９０［℃］であった。
また、ＴＭＡ測定により、熱線膨張係数を測定したところ、１１×１０^−６［／℃］であった。一方、金型母材であるＨＰＭ３８の熱線膨張係数は４００［℃］においては、１２×１０^−６［／℃］であった。

図３は、実施例１で用いる加工機４の模式図である。
上述した輪帯状Ｖ溝パターンを形成された金型母材１１を加工機４の加圧部４１内にセットする。そして、上述した板状の金属ガラスを円板状に開口した板状金属ガラス２２を上部金型１４と下部金型である金型母材１１との間に挿入する。
なお、加工機４は図５で示す全てが不図示のチャンバー内に収めている。不図示のチャンバーの扉を閉め、真空引きを行った後、加熱部４０より、昇温加熱し、およそ４２０［℃］になるように加温して、そのまま保温する。この加熱保温プロセスは、真空ではなく、不活性ガス、たとえばＡｒを充填してもよい。なお、不活性ガスを用いる構成では不図示のチャンバーにはガスの出入り口を設け得る。

加熱して、保温した状態で、図５中の矢印で示すように上部金型１４を降下させ、下部金型である金型母材１１に板状金属ガラス２２を押圧した（押圧圧力は１０［ＭＰａ］）。そのままで１分ほど押圧状態を保った後、上部金型１４を上昇させて上部金型１４と金型母材１１とを開き、空冷で室温まで冷やした後、金型母材１１を取り出す。これにより、図１及び図２（ｄ）で示しているように、金属ガラス層１２はＨＰＭ３８からなる金型母材１１の表面（支持面１１ｆ）にあるＶ溝２の谷までに充填され、嵌合部１２ａを形成する。これにより、金型母材１１上のＶ溝２を形成する被嵌合部１１ａと嵌合部１２ａとが嵌合した状態となり、金属ガラス層１２と金型母材１１とが完全に一体化になった金型１を作製することができる。
なお、金型母材１１は、図２（ｄ）に示している形状転写面ではない段差Ａ及びＡ’のところにも不図示ではあるが形状転写面を形成する凹面と同じくＶ溝加工が実施されている。なお、この段差Ａ及びＡ’の部分にはＶ溝を設けず、対称分布になるようにタップ穴を開け、ねじ締めによって、段差Ａ及びＡ’の部分での金属ガラス層１２と金型母材１１との固定を行う場合もある。

最後に金属ガラス層１２を金型母材１１と一体化結合した後、不図示の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の形状転写面１２ｆを仕上げることにより、金属ガラス層１２と金型母材１１とを一体化した金型１の作製ができる。
このように作製した金型１であれば、形状転写面１２ｆの凹部の開口径が２０［ｍｍ］〜３０［ｍｍ］にもなる大面積の金型とすることができる。
また、このように作製した金型１は、形状転写面１２ｆが金属ガラス層１２で構成されているため、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より高精度な転写面形状と表面粗さを得ることができる。
さらに、このようにして作製した金型１を不図示の射出成形機にセットし、成形工程に用いた結果、およそ５万ショットを実施したところ、金属ガラス層１２が金型母材１１から剥離していないことを確認した。

一方、金属ガラス層１２を金型母材１１と一体化結合し、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の形状転写面１２ｆの曲率半径を金型母材１１の支持面１１ｆと同じR＝５０［ｍｍ］を有する球面（凹面）に形状修正後、さらにフネンレルような微細な段差形状を創製した金型１の場合（図６）、樹脂の成形工程で、微細段差の角部の磨耗が激しかったことが確認された（図６中のＣの部分の角は丸まった。これを、ダレともいう）。
このような磨耗は、通常の研磨、切削、研削などの再加工によるメンテナンス作業はほぼ不可能である。
そこで、図６に示す金型１を空気中で結晶化温度４８７［℃］を超える５００［℃］前後で３０分間加熱させて、金属ガラス層１２を完全に結晶化させたところ、金属ガラス層１２は非常に脆くボロボロの状態となり、ＨＰＭ３８からなる金型母材１１から簡単に取り外すことができる。その後、金型母材１１をさらに洗浄処理を行った後、上述したプロセスと同様なプロセスで新たな金属ガラス層１２を金型母材１１に嵌合するように形成することによって、形状転写面１２ｆの再生を行うことができる。

〔実施例２〕
次に、本実施形態の金型１の二つ目の実施例（以下、実施例２と呼ぶ）について説明する。
必要とする形状転写面１２ｆの曲率半径が小さい場合、例えば、平面に近い形状ではなく、弾丸状に近い形状の場合、一度の押圧加工によって金属ガラスを所望の形状に加工することは困難である。特に、金型母材１１の支持面１１ｆのＶ溝２に金属ガラスを完全に充填させることは困難である。そこで、実施例２の金型１は、一度目の押圧加工で板状金属ガラス２２の形状を所望の金属ガラス層１２の形状に近い形状に加工し、二度目の押圧加工で金型母材１１上で所望の形状に加工する。
実施例２の金型１は、実施例１と略同様の構成であるが、図７（ａ）に示すように板状金属ガラス２２を下部金型として金型母材１１ではなく、表面に微細パターンを設けていない一次成形下部金型１５を用いた加工機４にセットして、上述した過冷却液体領域で図７（ａ）中の矢印で示すように押圧して一度目の押圧加工を行う。その後、室温に冷却して形状転写面１２ｆが球面形状の金属ガラスのバルクを作製する。そして、次に図７（ｂ）に示すように、この金属ガラスのバルクを下部金型として表面に微細Ｖ溝輪帯パターンを有する金型母材１１を用いた加工機４にセットして、再び過冷却液体領域に昇温させて図７（ｂ）中の矢印で示すように加工機４の上部金型１４を降下させ、再度押圧して二度目の押圧加工を行う。このように、金属ガラス層１２の押圧加工を二度に分けて行うことによって、形状転写面１２ｆの曲率半径が小さい金型１であっても金属ガラス層１２を金型母材１１の支持面１１ｆの形状に沿わせるように形成することができる。これにより、Ｖ溝２に沿った嵌合部１２ａを形成することができ、金属ガラス層１２を金型母材１１に対して一体的に支持することができる。
また、図７（ｂ）に示しているように、上部金型１４の表面に予め微細段差パターンを設けることによって、加工機４の下部金型を構成する金型母材１１の形状と金属ガラス層１２とをより確実にフィットさせ、隙間をなくし、そしてＶ溝パターンの谷部に金属ガラス層１２を構成する合金を充填させ、より確実に一体化させることができると同時に、金属ガラス層１２の形状転写面１２ｆに微細パターンの創製も行うことができた。この方法により、金型１の製作時間を大幅に短縮することができる。
なお、金属ガラス層１２の形状転写面１２ｆが磨耗した後、上述した実施例１と同じ方法で金属ガラス層１２の取替えを行う。

〔実施例３〕
次に、本実施形態の金型１の三つ目の実施例（以下、実施例３と呼ぶ）について説明する。
実施例３の金型１は、実施例１とほぼ同様の構成である。図８に示すように、樹脂成形品を金型から取り出すために、形状転写面１２ｆではない段差Ａ及びＡ’部のイッジェックターピン５により、突き出されるのは通常である。成形品を金型から取り出すときに、この段差Ａ及びＡ’部の近辺は、もっとも応力集中しているのは広く知られている。上述した実施例１のように、段差Ａ及びＡ’部の部分にもＶ溝を設けたり、ネジ止めしたりした場合、金属ガラス層１２のひび割れ、あるいは、金型母材１１に対する剥離は殆どこの段差Ａ及びＡ’部の部分から始まることが分かった。
また、積重ねた実験結果から、加工機４の上部金型と下部金型との押圧で金属ガラス層１２の変形は図８中の矢印で示しているように、金型１の中心から外周部に逃げていく傾向がわかった。すなわち、Ｖ溝２の開口方向は金属ガラス層１２の変形方向と逆になっている。よって、この結果より、金属ガラス層１２と金型母材１１との結合をより強固なものにするために、最も望ましい構成は金型１の中心から外周方向に向かって、Ｖ溝の深さを徐々変化させた構造であることが判明した。本実施例３の場合、一番中心側のＶ溝２の深さが５［μｍ］に対し、一番外側のＶ溝２は６０［μｍ］にした。作製した金型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確認された。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がより強くなるようにした結果、金属ガラス層１２と金型母材１１との結合はより強固することができた。実施例３の金型１を不図示の用いた射出成形機にセットし、成形工程の実験を行った結果、およそ７万ショットを経ても、金属ガラス層１２が金型母材１１からの剥離が認められなかった。

さらに、鋭意研究を重ねたところ、このような機械的な結合を特徴とする構成の場合、図９で示すように、金型球面中心から見た場合にＶ溝２の外側の側面ＢＢ’と金型球面中心を通す法線Ｎとをなす角度θ_２はもっとも重要なファクターである。それが小さい程、上記側面によるアンカー効果が少なくなる。一方、その角度が大きすぎると、今度逆に、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θ_２は１０［°］から４５［°］範囲では最もアンカー効果が安定し、確実にアンカー降下が得られる範囲であることが判明した。

なお、金型母材１１に形成する微小凹凸形状としては、実施例１で説明したの輪帯状Ｖ溝パターンに限るものではない。図１０は、他の例のＶ溝パターンが支持面１１ｆに形成された金型母材１１の上面図を模式的に示したものである。実施例１で説明したの輪帯状Ｖ溝パターン以外にも、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）で示すような、対称的な不連続パターンも本実施例と同じ効果を得ることができる。また、図示していないが、Ｖ溝の代わりに、金型母材１１の表面に円柱や円錐や角錐などの形状の孔部を支持面１１ｆに形成した場合であってもＶ溝と同様のアンカー効果を有することも確認できた。
また、金属ガラス層１２の材料となる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ている。

〔比較例〕
図１１は、比較例の説明図であり、上記実施例１と略同じ構成であるが、金型母材１１のＶ溝２の向きを図１１（ａ）に示すように実施例１とは逆向きとした構成である。このようにＶ溝２の向きを逆にした場合、アンカー効果をもたらすＶ溝２の側面は金型母材１１の中心から見てＶ溝２の内側となる。比較例の構成の場合、およそ二万ショット未満の成形でも金属ガラスが剥離してしまうケースがあった。比較例の金型の断面を観察したところ、図１１（ｂ）の模式図のように、金属ガラス層１２を構成する金属ガラスはＶ溝２の谷部に殆ど充填されていなく、谷部に空隙が残ったままの状態であることがわかった。Ｖ溝２の開口部の向きが金属ガラスの変形の方向と同じなった場合、いくら金属ガラス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の量が少なくなりアンカー効果が激減する状態となった。

なお、本実施形態では、形状転写面１２ｆの凹部の開口径が２０［ｍｍ］以上となるような大面積の金型１について説明した。しかし、本発明の特徴部である、金型母材１１の支持面１１ｆ上で金属ガラスの温度を過冷却液体領域として金属ガラスを流動化した後、冷却することによって支持面１１ｆに沿った形状に金属ガラス層１２を形成し、支持面１１ｆに形成された被嵌合部１１ａと、この被嵌合部１１ａに沿って形成された嵌合部１２ａとの嵌合によって金属ガラス層１２が金型母材１１に対して固定される構成は、従来の金型と同程度の面積の金型であっても適用可能である。このような金型であれば、大面積でなくても従来の金型に比べて金型母材に対して金属ガラス層をより良好に固定することができるという効果を奏する。

以上、本実施形態の金型１は、樹脂やガラス等のレンズに成形する対象と対向する形状転写面１２ｆが過冷却液体領域を有する金属ガラス層１２で構成され、金属ガラス層１２を支持し、金属ガラス層１２の過冷却液体領域では過冷却液体とはならない金属であるＨＰＭ３８金属ブロックからなる金型母材１１を有する金型である。形状転写面１２ｆが非晶質合金である金属ガラス層１２から構成されるため、金型１の形状転写面１２ｆとしての強度が維持される。さらに、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より高精度な転写面形状と表面粗さを得ることができる。
また、金型母材１１の金属ガラス層１２を支持する支持面１１ｆには金属ガラス層１２側の微小凹凸形状である嵌合部１２ａと嵌合する微小凹凸形状である被嵌合部１１ａを備え、嵌合部１２ａと被嵌合部１１ａとの嵌合によって金属ガラス層１２が金型母材１１に対して固定されるものである。そして、金属ガラス層１２は、支持面１１ｆ上で金属ガラス層１２の材料である板状金属ガラス２２の温度を過冷却液体領域として板状金属ガラス２２を流動化した後、冷却することによって支持面１１ｆに沿った形状に形成されたものである。よって、本実施形態の金型１であれば、金型母材１１の支持面１１ｆ上で板状金属ガラス２２の温度を過冷却液体領域として板状金属ガラス２２を流動化した後、冷却することによって支持面１１ｆに沿った形状に形成されたものであるため、金型母材１１の支持面１１ｆ上に板状の金属ガラスと同様の面積と厚みとを持った金属ガラス層１２を形成することができる。また、過冷却液体領域で流動化した状態の金属ガラスの超塑性によって、金属ガラス層１２は被嵌合部１１ａを備えた支持面１１ｆに沿った形状に形成されるため、被嵌合部１１ａに沿うように嵌合部１２ａが形成され、この嵌合部１２ａと被嵌合部１１ａとの嵌合により金属ガラス層１２が金型母材１１に対して良好に固定される。このように、板状の金属ガラスと同様の面積と厚みとを持った金属ガラス層１２を金型母材１１に嵌合によって良好に固定することができるため、大面積、且つ、所望の肉厚を有する金属ガラス層１２で形状転写面１２ｆを形成し、さらに、金属ガラス層１２が金型母材１１に対して良好に固定された金型１を得ることができる。このように、本実施形態の金型１であれば、成膜方法では得られにくい厚肉の金属ガラス層１２を形成することが可能となるとともに、バルク状の金属ガラスでは困難であった大面積の形状転写面を備えた金属ガラス層１２を形成することが可能となる。

また、金型１は、樹脂射出成形やガラスプレス等の成形工程で形状転写面１２ｆを構成する金属ガラス層１２が磨耗した場合、磨耗した金属ガラス層１２を金型母材１１から取り外し、新たに別の金属ガラス層１２を金型母材１１に嵌合させることにより、形状転写面１２ｆを構成する金属ガラス層１２を置き換え、金型母材１１を繰り返し使用できる。このため、金属ガラス層１２の結晶化温度を超える温度で加熱することにより、金属ガラス層１２は結晶化して脆い状態となるため、金属ガラス層１２を容易に金型母材１１から取り除くことができる。形状転写面１２ｆが磨耗した後、この形状転写面１２ｆを簡単に取り替えることことができる。形状転写面１２ｆを構成する金属ガラス層１２を簡単に取り替えることができることによって、金型母材１１はそのまま再利用できるため、金型１の製造コストを削減することができる。

また、金型１の嵌合部１２ａと被嵌合部１１ａとは、多数の微小凹凸形状同士の噛合いによるアンカー効果によって嵌合し、金属ガラス層１２と金型母材１１とが一体化するように結合している。金属ガラスをガラス転移点以上に加熱した後、過冷却液体領域で、被嵌合部１１ａとして支持面１１ｆに多数の凹凸形状を有する金型母材１１に押圧することで、金属ガラスの超塑性（流動性）により、金属ガラスは金型母材１１の凹凸形状の凹部に入り込み、一体化された状態で嵌合する。この構成によって、より確実に金属ガラス層１２を金型母材１１と一体化結合させることができる。

また、金型１は、金属ガラス層１２及び金型母材１１の嵌合部１２ａ及び被嵌合部１１ａを構成する微小凹凸形状は、形状転写面１２ｆの幾何中心を基準に対称的に分布しているため、金属ガラス層１２と金型母材１１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、形状転写面１２ｆを担う大面積な金属ガラス層１２を確実にかつ強固に金型母材１１と一体化させることができる。

また、レンズ成形時の熱サイクルによる熱応力の影響が大きい。金属ガラス層１２の熱線膨張係数が、金型母材１１の熱線膨張係数と同程度であることにより、金属ガラス層１２と金型母材１１との嵌め合いを構成する微細凹凸部分における熱応力の影響を抑制することができる。

また、金属ガラス層１２を結晶化温度Ｔｘ以上に加熱し、該金属ガラス層を結晶化させることによって、金属ガラス層１２を金型母材１１から取り外す工程によって、結晶化した金属ガラスは脆くなるため、金属ガラス層１２と金型母材１１との嵌め合いが解消され、金属ガラス層１２を除去することが容易となる。従って、金属ガラス層１２の取替えが可能となる。

また、本実施形態の金型１は、金型母材１１の多数の微細凹凸形状を設けた支持面１１ｆ上に金属ガラス層１２の材料である板状金属ガラス２２を設置し、真空または不活性ガス雰囲気の中で板状ガラス２２の温度が板状金属ガラス２２のガラス遷移温度Ｔｇ以上、且つ、金属ガラス層の結晶化温度Ｔｘ以下、となるように加熱する。その後、板状金属ガラス２２を金型母材１１に対して押圧する加工を行うことにより金型母材１１の支持面１１ｆにある多数の微細凹凸形状の凹部に過冷却液体となった板状金属ガラス２２を充填させ、その後、過冷却液体状態の板状金属ガラス２２の温度を室温に冷却することで、金属ガラス層１２が金型母材１１と嵌合した状態を形成する。このように、金属ガラス層１２を金型母材１１に対して一体化するように結合させることによって金型１を製造する。このように製造された金型１では、金属ガラス層１２は、金型母材１１の支持面１１ｆ上で板状金属ガラス２２の温度を過冷却液体領域として板状金属ガラス２２を流動化した後、冷却することによって支持面１１ｆに沿った形状に形成されたものであるため、金型母材１１の支持面１１ｆ上に板状の金属ガラスと同様の面積と厚みとを持った金属ガラス層１２を形成することができる。また、過冷却液体領域で流動化した状態の金属ガラスの超塑性によって、金属ガラス層１２は微小凹凸形状を設けた支持面１１ｆに沿った形状に形成されるため、微小凹凸形状に沿うように凹凸形状が形成され、金型母材１１の微小凹凸形状と金属ガラス層１２の凹凸形状との嵌合により金属ガラス層１２が金型母材１１に固定されるため、別途固定手段を設ける必要がない。このように、別途固定手段を設けることなく、板状の金属ガラスと同様の面積と厚みとを持った金属ガラス層１２を金型母材１１に固定することができるため、形状転写面１２ｆを金属ガラス層１２で構成する金型１で、大面積、且つ、厚肉な金属ガラス層１２を有する金型１を得ることができる。

また、金型１の製造工程としては、金属ガラス層１２を金型母材１１に対して一体化するように結合させる一体化工程と、この一体化工程で作成された金型１を空気中で金属ガラス層の温度が結晶化温度以上となるように加熱し、金属ガラス層１２を結晶化させることによって、金属ガラス層１２を金型母材１１から取り外す分離工程とを有する。これにより、形状転写面１２ｆを構成する金属ガラス層１２を置き換え、金型母材１１を繰り返し使用できる。このため、金属ガラス層１２の結晶化温度を超える温度で加熱することにより、金属ガラス層１２は結晶化して脆い状態となるため、金属ガラス層１２を容易に金型母材１１から取り除くことができる。形状転写面１２ｆが磨耗した後、この形状転写面１２ｆを簡単に取り替えることことができる。
また、空気中に金属ガラス層１２に対し加熱することにより、金属ガラスの酸化が容易に生じるため、結晶化した後の材料はより一層脆くなるため、金型母材１１からの取り外しをより確実に施すことができる。

本実施形態に係る金型の概略断面図。 実施例１の金型の製造工程の説明図。 実施例１で使用する切削バイトの模式図。 実施例１の旋削加工の説明図。 実施例１の加工機の説明図。 形状転写面に微細な段差形状を備える金型の概略断面図。 実施例２の加工機の説明図。 実施例３の金型の概略断面図。 V溝の説明図。 輪帯状以外の例のＶ溝パターンが支持面に形成された金型母材の上面模式図。 比較例の説明図。

符号の説明

１ 金型
２ Ｖ溝
３ 切削バイト
４ 加工機
５ イッジェックターピン
１１ 金型母材
１１ａ 被嵌合部
１１ｆ 支持面
１２ 金属ガラス層
１２ａ 嵌合部
１２ｆ 形状転写面
１４ 上部金型
１５ 一次成形下部金型
４０ 加熱部
４１ 加圧部

Claims (11)

1. 成形対象と対向する形状転写面が過冷却液体領域を有する金属ガラス層で構成され、該金属ガラス層を支持し、該金属ガラス層の該過冷却液体領域では過冷却液体とはならない金属からなる金型母材を有する金型を製造する金型製造方法において、
   上記金型母材の多数の微細凹凸形状を設けた表面上に上記金属ガラス層の材料を設置し、
   真空または不活性ガス雰囲気の中で、該金属ガラス層の材料の温度が該金属ガラス層のガラス遷移温度以上、且つ、該金属ガラス層の結晶化温度以下、となるように加熱して、該金属ガラス層の材料を上記金型母材に対して押圧する加工を行うことにより該金型母材の表面にある多数の微細凹凸形状の凹部に該金属ガラス層の材料を充填させ、その後、該金属ガラス層の材料の温度を室温に冷却することで、該金属ガラス層が該金型母材と嵌合した状態を形成して該金属ガラス層を該金型母材に対して一体化するように結合させることによって上記金型を製造することを特徴とする金型製造方法。
2. 請求項１の金型製造方法において、
   上記該金属ガラス層を上記金型母材に対して一体化するように結合させる一体化工程と、
   該一体化工程で作成された上記金型を空気中で上記金属ガラス層の温度が結晶化温度以上となるように加熱し、該金属ガラス層を結晶化させることによって、該金属ガラス層を該金型母材から取り外す分離工程とを有することを特徴とする金型製造方法。
3. 請求項１または２の金型製造方法において、
   上記金属ガラス層と上記金型母材とを多数の微小凹凸形状同士の噛合いによるアンカー効果によって嵌合させ、一体化するように結合させることを特徴とする金型製造方法。
4. 請求項１、２または３の金型製造方法において、
   上記金型母材の上記多数の微小凹凸形状は、上記形状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製造方法。
5. 請求項１、２、３または４の金型製造方法において、
   上記金属ガラス層の熱線膨張係数は、上記金型母材の熱線膨張係数と同程度であることを特徴とする金型製造方法。
6. 成形対象と対向する形状転写面が過冷却液体領域を有する金属ガラス層で構成され、
   該金属ガラス層を支持し、該金属ガラス層の該過冷却液体領域では過冷却液体とはならない金属からなる金型母材を有する金型において、
   上記金型母材の上記金属ガラス層を支持する支持面に多数の微細凹凸形状を備え、
   上記金属ガラス層は、上記支持面上で該金属ガラス層の材料の温度を上記過冷却液体領域として該金属ガラス層の材料を流動化した後、冷却することによって上記支持面にある多数の微細凹凸形状の凹部に該金属ガラス層の材料を充填させ、その後、冷却されることで上記該金型母材と嵌合した状態を形成し、
   上記金属ガラス層が上記金型母材と嵌合した状態となることによって該金属ガラス層が該金型母材に対して固定されるものであることを特徴とする金型。
7. 請求項６の金型において、
   上記金型を用いた樹脂射出成形やガラスプレス等の成形工程で上記形状転写面を構成する上記金属ガラス層が磨耗した場合、磨耗した金属ガラス層を上記金型母材から取り外し、新たに別の金属ガラス層を該金型母材に嵌合させることにより、上記形状転写面を構成する上記金属ガラス層を置き換え、金型母材を繰り返し使用できることを特徴とする金型。
8. 請求項６または７の金型において、
   上記金属ガラス層と上記金型母材とを多数の微小凹凸形状同士の噛合いによるアンカー効果によって嵌合し、上記金属ガラス層と上記金型母材とが一体化するように結合していることを特徴とする金型。
9. 請求項６、７または８の金型において、
   上記金型母材の上記多数の微小凹凸形状は、上記形状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。
10. 請求項６、７、８または９の金型において、
    上記金属ガラス層の熱線膨張係数は、上記金型母材の熱線膨張係数と同程度であることを特徴とする金型。
11. 請求項６、７、８、９または１０の金型において、
    上記金属ガラス層を結晶化温度以上に加熱し、該金属ガラス層を結晶化させることによって、該金属ガラスを上記金型母材から取り外すことを特徴とする金型。

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