金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法、及び、一体成形品用成形装置
【課題】金属ガラスからなる部分と高分子材料からなる部分とで構成される一体成形品を精度良く製造することが可能な金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法、及び、一体成形品用成形装置を提供する。
【解決手段】金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法は、少なくとも一部が交換可能に構成され第一の部分と対応する形状に形成された金型のキャビティ内に、金属ガラスを融点以上に加熱した状態で射出する金属ガラス射出工程と、金型のキャビティ内に射出された金属ガラスを、臨界冷却速度以上の冷却速度で、高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却する金属ガラス冷却工程と、金型の少なくとも一部を交換して、キャビティを第二の部分と対応する形状に形成する金型交換工程と、第二の部分と対応する形状に形成された金型の前記キャビティ内に、高分子材料を射出する高分子材料射出工程とを備える。
【解決手段】金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法は、少なくとも一部が交換可能に構成され第一の部分と対応する形状に形成された金型のキャビティ内に、金属ガラスを融点以上に加熱した状態で射出する金属ガラス射出工程と、金型のキャビティ内に射出された金属ガラスを、臨界冷却速度以上の冷却速度で、高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却する金属ガラス冷却工程と、金型の少なくとも一部を交換して、キャビティを第二の部分と対応する形状に形成する金型交換工程と、第二の部分と対応する形状に形成された金型の前記キャビティ内に、高分子材料を射出する高分子材料射出工程とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ガラスからなる部分と高分子材料からなる部分とで構成される一体成形品の成形方法及びその成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズなどの光学素子と、該光学素子を保持する枠体とからなる光学素子デバイスは、従来、予め光学素子と枠体とを別々に製造した後に、枠体に光学素子を嵌合固定または接着固定させることにより製造されていた。しかし、近年、光学素子デバイスの小型化により、上記のような製造方法では、必要な組み立て精度を確保することができない問題があった。このため、プラスチックを加熱軟化させた状態で金型によって押圧することで光学素子を成形した後に、金型を型開きせずに、成形された光学素子となる部分を基準として枠体となる部分を射出成形する製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この製造方法によれば、光学素子を成形した後にそのままの状態で光学素子の金型の位置を基準に枠体が光学素子に結合された状態で成形されるための、光学素子と枠体との結合精度を高めることができるとされている。
【０００３】
一方、近年、光学素子デバイスの枠体に使用される材料としては、金属ガラスが注目されている。金属ガラスは、結晶化した金属材料と比較して、強度、耐久性、耐食性に優れているとともに高い寸法精度をもって射出成形を行うことが可能であり、光学素子デバイスの製造においても、さらなる小型化、形状の複雑化、高精度化などの点で採用が試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の製造方法において、枠体を金属ガラスで形成しようとすれば、高分子材料を射出する温度と比較して金属ガラスを射出する温度の方が高いことから、光学素子を形成する高分子材料が金属ガラスを射出する際の熱により変形してしまう問題があった。このため、光学素子デバイスにおいて、枠体を金属ガラスで形成する場合には、嵌合固定あるいは接着固定によらなければならず、結果必要な精度を確保することができない問題があった。
【０００６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、金属ガラスからなる部分と高分子材料からなる部分とで構成される一体成形品を精度良く製造することが可能な金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法、及び、一体成形品用成形装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、金属ガラスで形成された第一の部分と、高分子材料で形成された第二の部分とで構成される金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法であって、少なくとも一部が交換可能に構成され前記第一の部分と対応する形状に形成された金型のキャビティ内に、前記金属ガラスを融点以上に加熱した状態で射出する金属ガラス射出工程と、前記金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスを、臨界冷却速度以上の冷却速度で、前記高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却する金属ガラス冷却工程と、前記金型の少なくとも一部を交換して、キャビティを前記第二の部分と対応する形状に形成する金型交換工程と、前記第二の部分と対応する形状に形成された前記金型の前記キャビティ内に、前記高分子材料を射出する高分子材料射出工程とを備えることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明は、金属ガラスで形成された第一の部分と、高分子材料で形成された第二の部分とで構成される金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置であって、少なくとも一部を交換することで、キャビティを前記第一の部分と前記第二の部分とのそれぞれに対応した形状に切換可能な金型が設置される金型設置部と、該金型設置部に設置された前記金型の少なくとも一部を交換可能な金型交換手段と、前記金型設置部に設置された前記金型の前記キャビティ内に前記金属ガラスと高分子材料とのそれぞれを射出する射出手段と、前記金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で所定温度まで冷却可能な冷却手段とを備えることを特徴としている。
【０００９】
この発明に係る金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法及び一体成形品用成形装置によれば、金属ガラス射出工程として、キャビティを第一の部分と対応する形状として金型を金型設置部に設置し、射出手段によって該金型のキャビティ内に融点以上に加熱した金属ガラスを射出する。そして、金属ガラス冷却工程として、冷却手段によって金型のキャビティ内に射出した金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却する。このため、金型のキャビティ内において、一体成形品の第一の部分を金属ガラスによって結晶化してしまうことなく精度良く形成することができる。次に、金型交換工程として、金型交換手段によって金型の少なくとも一部を交換することで、第二の部分と対応する形状のキャビティを形成することができる。そして、高分子材料射出工程として、射出手段によって金型のキャビティ内に第二の部分となる高分子材料を射出することで、第一の部分となる金属ガラスと第二の部分となる高分子材料が一体となる一体成形品が成形されることとなる。ここで、金属ガラス冷却工程では、高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却していることで、第二の部分となる高分子材料を熱の影響を受けることなく射出成形することができる。また、予め第一の部分を金属ガラスで形成しておくことで、第一の部分と対応させて第二の部分を精度良く成形することができる。
【００１０】
また、上記の金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法において、前記金属ガラス射出工程の前に、前記金型を所定温度まで冷却する金型冷却工程を備え、前記金属ガラス冷却工程は、前記金型冷却工程で冷却された前記金型と、該金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスとの温度差によって行われることがより好ましいとされている。
【００１１】
また、上記の金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置において、前記冷却手段は、前記金属ガラスを射出する前の前記金型を冷却し、該金型の前記キャビティ内に前記射出手段によって前記金属ガラスを射出することで、該金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却させることがより好ましいとされている。
【００１２】
この発明に係る金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法及び一体成形品用成形装置によれば、金型冷却工程として、冷却手段により、金型を予め冷却した後に、金属ガラス射出工程を行うことで、金属ガラスは金型のキャビティ内に射出されるのと同時に金属ガラス冷却工程として金型との温度差によって臨界冷却速度以上の冷却速度で高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却されることとなる。上記のように予め金型を冷却することにより金属ガラスを冷却することで、射出するのと同時に正確な温度制御のもと金属ガラスを冷却することができる。
【００１３】
また、上記の金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法において、前記金属ガラス射出工程で射出される金属ガラスの質量、温度及び比熱に基づいて、前記金属ガラス冷却工程で前記金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却するのに必要な前記金型の熱容量を算出し、該熱容量に応じた材質及び質量に前記金型を設定する金型設定工程を備えることがより好ましいとされている。
【００１４】
この発明に係る金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法によれば、金型設定工程として、金属ガラス射出工程で射出される金属ガラスの質量、温度及び比熱に基づいて、金属ガラス冷却工程で金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却するのに必要な金型の熱容量を算出し、該熱容量となるように金型の材質及び質量を設定した後に、金属ガラス射出工程及び金属ガラス冷却工程を実施する。このため、射出された金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で、かつ、高分子材料の熱分解温度以下まで、正確に温度制御して冷却することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法及び一体成形品用成形装置によれば、金属ガラスからなる部分と高分子材料からなる部分とで構成される一体成形品を精度良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態の成形装置の概略を示す全体図である。
【図２】本発明の実施形態の成形方法で成形される光学素子デバイスの断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の成形方法において、金属ガラス射出工程及び金属ガラス冷却工程の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の成形方法において、金型交換工程の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の成形方法において、金型交換工程の説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の成形方法において、高分子材料射出工程及び高分子材料冷却工程の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態について、図１から図６を参照して説明する。図１に示す本実施形態の成形装置１は、金属ガラスからなる第一の部分と、高分子材料からなる第二の部分とで構成される一体成形品を製造するためのものである。また、図２は、該一体成形品の一例を示すものであり、光学素子デバイス１００を示している。光学素子デバイス１００は、金属ガラスからなる第一の部分である略筒状のレンズ枠１０１と、該レンズ枠１０１の内部に、同軸として嵌合された高分子材料からなる第二の部分であるレンズ１０２とで構成されている。レンズ１０２を形成する高分子材料としては、射出成形可能な熱可塑性樹脂であり、より具体的には、ポリカーボネート、メタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、シクロオレフィン樹脂などが挙げられる。
【００１８】
また、レンズ枠１０１を形成する金属ガラスとは、結晶化温度からガラス遷移温度までのガラス遷移領域が２０℃以上ある非晶質金属のことである。非晶質金属とは、複数の金属元素が結晶構造を形成せずに凝固（アモルファス化）したものであり、複数の金属元素からなる溶湯をガラス遷移温度以下になるまで、臨界冷却速度以上で急速冷却することにより形成される。そして、このような非晶質金属では、通常の結晶金属が有しているような結晶粒界を有しておらず、該結晶粒界に起因した粒界腐食を生じないことから耐食性に優れている。また、金属ガラスを形成する複数の金属元素としては、３種類以上からなり、それぞれの原子径が互いに１２％以上の違いを有し、かつ、互いに引き合う性質を有して化合物化しやすいことがより好ましい。このような金属ガラスとしては、具体的には、例えばＺｒ−Ａｌ−Ｃｕや、Ｌｎ−Ａｌ−Ｎｉ（Ｌｎはランタノイド元素のいずれか）の３元系金属ガラスや、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉや、Ｐｄ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐの４元系金属ガラスなどが挙げられる。
【００１９】
次に、成形装置１の詳細について説明する。
図１に示すように、本実施形態の成形装置１は、固定型１１１及び可動型１１２、１１３で構成される金型１１０を設置する金型設置部２と、金型１１０の内、可動型１１２、１１３を移動させる移動手段３と、金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に材料を射出するための射出手段４と、キャビティ１１１ｂ内の材料を冷却するための冷却手段５とを備える。金型設置部２は、固定型１１１に取り付けられた型板１１１ａが固定される固定部２ａと、固定部２ａと対向して配置されて可動型１１２、１１３に取り付けられた型板１１２ａ、１１３ａが固定され、移動手段３によって固定部２ａに向かって進退可能な可動部２ｂとで構成されている。
【００２０】
ここで、金型１１０の内、固定型１１１には光学素子デバイス１００を成形するためのキャビティ１１１ｂが形成されている。また、可動型は、本実施形態では、第一の可動型１１２と、第二の可動型１１３と、二つ有していて、第一の可動型１１２及び第二の可動型１１３は、金型設置部２の可動部２ｂにおいて、固定型１１１に対する進退方向Ｘに対して略直交する配列方向Ｙに配列されている。第一の可動型１１２は、光学素子デバイス１００の内、レンズ枠１０１を形成するためのコア１１２ｂを有しており、該第一の可動型１１２が固定型１１１に組み付けられてコア１１２ｂがキャビティ１１１ｂに挿入されることで、該キャビティ１１１ｂをレンズ枠１０１と対応する形状にすることが可能となっている。なお、コア１１２ｂの側面は、レンズ枠１０１の内面において、レンズ１０２の側面が接合される部分を転写することとなる。このため、コア１１２ｂの側面は、レンズ枠１０１とレンズ１０２との接合強度を向上させるために、他の部分よりも粗面に形成されていることが望ましく、具体的には、例えば面粗さにおいて最大高さＲｍａｘが２５μｍ程度であることが望ましい。
【００２１】
また、第二の可動型１１３は、レンズ１０２を形成するためのコア１１３ｂを有しており、レンズ枠１０１が成形された後に該第二の可動型１１３が固定型１１１に組み付けられてコア１１２ｂがキャビティ１１１ｂに挿入されることで、該キャビティ１１１ｂをレンズ１０２と対応する形状にすることが可能となっている。また、第一の可動型１１２及び第二の可動型１１３のそれぞれには、ランナ１１２ｃ、１１３ｃが形成されていて、固定型１１１と組み付けられる一面側で固定型１１１のキャビティ１１１ｂ内と連通可能に開口しているとともに、反対側の他面側で射出手段４によって材料を射出することが可能に開口している。
【００２２】
また、射出手段４は、射出する材料をレンズ枠１０１を形成する金属ガラスとレンズ１０２を形成する高分子材料に切り替える図示しない切替部と、対象となる材料を加熱、溶融する図示しない加熱部と、溶融した材料を第一の可動型１１２または第二の可動型１１３のランナ１１２ｃ、１１３ｃに射出するノズル４ａとを有している。ここで、図示しない加熱部には温度センサが設けられていて、該温度センサの検出結果に基づいて対象となる材料の温度制御を行うことが可能であり、高分子材料においては溶融温度以上熱分解温度以下、金属ガラスにおいてはガラス遷移温度以上結晶化温度以下となる温度に設定することが可能となっている。
【００２３】
また、冷却手段５は、冷却水を供給する図示しない供給部と、金型１１０において、キャビティ１１１ｂ及びランナ１１２ｃ、１１３ｃの周囲に形成され図示しない供給部と接続された冷却配管５ａとを有する。金型１１０には、金型１１０の温度を測定するための図示しない温度センサが設けられており、冷却手段５は、該温度センサの検出結果に基づいて金型１１０及び金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に射出された材料を冷却し、温度制御を行うことが可能となっている。
【００２４】
また、移動手段３は、金型設置部２の可動部２ｂを、第一の可動型１１２と第二の可動型１１３との配列方向Ｙに進退させることが可能なスライダ３ａと、スライダ３ａを固定型１１１に対する第一の可動型１１２及び第二の可動型１１３の進退方向Ｘに進退可能としているガイド３ｂとを有している。このため、第一の可動型１１２及び第二の可動型１１３は、スライダ３ａによって可動部２ｂを配列方向Ｙに進退させてそれぞれ固定型１１１と対向する位置に配置することが可能であるとともに、対向する位置に配置された状態でガイド３ｂに沿ってスライダ３ａが移動することで固定型１１１と組付け、または、離脱することが可能である。
【００２５】
また、固定型１１１には、第一の可動型１１２及び第二の可動型１１３のそれぞれと組み付けられる一面側から、反対側の他面側まで連通する貫通孔１１１ｃが形成されている。一面側において貫通孔１１１ｃは、第一の可動型１１２のコア１１２ｂが当接される面に開口している。そして、固定型１１１の他面側には、貫通孔１１１ｃに挿入可能なピン６ａを有し、固定型１１１に向かって進退可能な押圧部材６が設けられおり、固定型１１１に向かって進出し、貫通孔１１１ｃにピン６ａを挿入させることで、第一の可動型１１２のコア１１２ｂを押圧することが可能となっている。そして、押圧部材６によりコア１１２ｂを押圧することで、後述するように固定型１１１と第一の可動型１１２が組み付けられてレンズ枠１０１が射出成形された状態で、移動手段３によって固定型１１１に対して第一の可動型１１２を離脱させ、さらに第二の可動型１１３を組み付けることが可能となり、すなわち押圧部材６と移動手段３とによって金型１１０の一部を交換する金型交換手段７を構成している。
【００２６】
次に、図１から図６に基づいて、本実施形態の一体成形品の成形方法の詳細を説明する。
まず、金型設定工程として、使用する金型１１０の設定を行う。具体的には、射出する金属ガラスの質量、温度及び比熱に基づいて、後工程の金属ガラス冷却工程で金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却するのに必要な金型１１０の熱容量を算出する。そして、算出した熱容量に応じて、金型１１０の材質及び質量を決定し、これにより、金型１１０においてキャビティ１１１ｂの外郭をなす本体部分の形状を決定する。
【００２７】
次に、図１に示すように、金属ガラス射出工程として、第一の部分となるレンズ枠１０１を形成する金属ガラスの射出を行う。すなわち、移動手段３を駆動して第一の可動型１１２が固定型１１１と対向する位置となるようにした後に、固定型１１１に対して第一の可動型１１２を進出させることで両者を組付け、キャビティ１１１ｂの形状をレンズ枠１０１と対応する形状となるようにする。次に、射出手段４において、上記金属ガラスを選択し、該金属ガラスの温度をガラス遷移温度以上結晶化温度以下であるガラス遷移領域となるように設定する。これにより、金属ガラスは、粘性流体となり、射出可能な状態となる。そして、射出手段４は、ノズル４ａから第一の可動型１１２に形成されたランナ１１２ｃに金属ガラスを射出する。なお、金属ガラスの射出する量は、金属ガラスの比重と、第一の可動型１１２のランナ１１２ｃ及びコア１１２ｂ、並びに、固定型１１１のキャビティ１１１ｂの体積とから算出される。
【００２８】
次に、金属ガラス冷却工程として、射出された金属ガラスの冷却を行う。金属ガラスの冷却は、冷却手段５によって冷却配管５ａに通水された冷却水によって金型１１０を冷却することにより行われるが、この際、射出した金属ガラスの有する臨界冷却速度以上の冷却速度で、かつ、この後射出される高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却する。これにより、金型１１０のキャビティ１１１ｂ内において、レンズ枠１０１となる部分を金属ガラスによって成形することができた。ここで、金属ガラスは上記工程によりアモルファス状態で成形されていることから、通常の結晶金属で生じるような溶融状態から結晶化への相転移に伴う大きな収縮が発生しないため、金型転写性が高く、精度良くレンズ枠１０１を形成することができる。
【００２９】
次に、金型交換工程として、金型１１０において、第一の可動型１１２を第二の可動型１１３に交換した。すなわち、図３に示すように、まず金型交換手段７を構成する押圧部材６のピン６ａを固定型１１１の貫通孔１１１ｃに挿入して第一の可動型１１２のコア１１２ｂを押圧する。そして、図４に示すように、押圧部材６によってコア１１２ｂが押圧された状態で移動手段３によって固定型１１１に対して第一の可動型１１２を後退させることで、コア１１２ｂと成形されたレンズ枠１０１とは離間して、固定型１１１に対して第一の可動型１１２が離脱した状態となる。次に、移動手段３によって配列方向Ｙに可動部２ｂを移動させて、第二の可動型１１３が固定型１１１と対向するように配置させる。そして、可動部２ｂを固定部２ａに向かって進出させることで、図５に示すように、コア１１３ｂが金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に挿入され、固定型１１１と第二の可動型１１３とが組み付けられた状態となり、コア１１３ｂ及び先に成形されたレンズ枠１０１によりキャビティ１１１ｂの形状がレンズ１０２と対応する形状となる。
【００３０】
次に、高分子材料射出工程として、第二の部分となるレンズ１０２を形成する高分子材料の射出を行う。射出手段４において、上記高分子材料を選択し、該高分子材料の溶融温度以上熱分解温度以下となるように設定する。そして、図６に示すように、射出手段４は、ノズル４ａから第二の可動型１１３に形成されたランナ１１３ｃに高分子材料を射出する。そして、金属ガラス冷却工程において、金属ガラスの温度を高分子材料の熱分解温度以下となるように冷却しているので、射出された高分子材料は、熱分解してしまうことなくキャビティ１１１ｂ内に射出されることとなる。なお、高分子材料の射出する量は、該高分子材料の比重と、第二の可動型１１３のランナ１１３ｃ及びコア１１３ｂ、並びに、固定型１１１のキャビティ１１１ｂの各体積とから算出される。
【００３１】
次に、高分子材料冷却工程として、射出された高分子材料の冷却を行う。なお、高分子材料の冷却としては、冷却手段５によって行うものとしても良いし、自然法冷によって行うものとしても良い。最後に、金型取外し工程として、移動手段３によって固定型１１１に対して第二の可動型１１３を離脱させることで、金属ガラスで形成されたレンズ枠１０１と、高分子材料で形成されたレンズ１０２とで構成された一体成形品である図２に示す光学素子デバイス１００が製造されることとなる。
【実施例１】
【００３２】
以下に、上記成形方法によって具体的に光学素子デバイス１００を製造した実施例について示す。本実施例では、レンズ枠１０１の材質をＺｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラス、レンズ１０２を形成する材質をポリカーボネートとして、上記成形方法により図２に示す光学素子デバイス１００の製造を行った。なお、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスは、融点が７５０℃、ガラス遷移温度が４５０℃、結晶化温度が４９０℃、臨界冷却速度は１℃／ｓである。また、ポリカーボネートの熱分解温度は大気雰囲気下において３４０℃である。
【００３３】
まず、金型設定工程として、金型１１０の材質及び重量を決定し、金型１１０本体部分の形状を決定した。金型１１０としては、炭素鋼を使用した。そして、該炭素鋼の比熱４６１Ｊ／ｋｇ・℃、及び、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスの比熱２６５．８Ｊ／ｋｇ・℃、並びに、成形する光学素子デバイス１００の形状、及び、以下に示す金属ガラス射出工程及び金属ガラス冷却工程の諸条件から、金型１１０の本体部分の形状を決定した。
【００３４】
次に、金属ガラス射出工程を行った。Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスの温度を融点以上の９５０℃に設定し、該金属ガラスを注入圧力１０ＭＰａで金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に射出した。射出された直後のキャビティ１１１ｂ内の金属ガラスの温度は、７５８℃と融点以上であった。そして、金属ガラス冷却工程として、冷却手段５によりキャビティ１１１ｂ内の７５８℃の金属ガラスを、冷却速度を臨界冷却速度の１℃／Ｓとして冷却することで、ポリカーボネートの熱分解温度となる３４０℃まで冷却することができ、レンズ枠１０１を成形することができた。
【００３５】
次に、金型交換工程として、第一の可動型１１２と第二の可動型１１３とを交換した後に、高分子材料射出工程として、ポリカーボネートを３００℃まで加熱溶融して射出した。その後、高分子材料冷却工程として、ポリカーボネートが６０℃となるまで保圧をかけながら更に金型を冷却させることで、レンズ１０２を成形することができた。そして、最後に金型取外し工程として固定型１１１から第二の可動型１１３を離脱することで、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスからなるレンズ枠１０１と、ポリカーボネートからなるレンズ１０２とで構成された光学素子デバイス１００を製造することができた。
【００３６】
なお、本実施例の比較例として、金属ガラス冷却工程における冷却速度を臨界冷却速度未満の０．０５℃／ｓとして、光学素子デバイス１００の製造を行った。この場合、レンズ枠１０１には金属ガラスが形成されず、高精度に金型を転写することができなかった。また、これにより後工程の高分子材料射出工程及び高分子冷却工程においてもレンズ１０２を高精度に成形することができなかった。また、キャビティ１１１ｂ内の金属ガラスの温度が４５０℃の時点でポリカーボネートを射出して成形したところ、本来透明であるべきポリカーボネートが熱分解によって茶褐色に濁った状態で成形されており、本来の高分子が持つ特性を発揮することが出来ないことが分かった。
【００３７】
以上のように、本実施形態の成形装置１及び成形方法によれば、金属ガラス冷却工程で冷却手段５によって金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却していることで、第二の部分となるレンズ１０２を形成する高分子材料を熱の影響を受けることなく射出成形することができる。そして、予め第一の部分となるレンズ枠１０１を金属ガラスで形成しておくことで、レンズ枠１０１と対応させてレンズ１０２を精度良く成形することができる。
【００３８】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態は、成形する工程の一部が異なるものであり、成形装置としては基本的に同様のものであるので図１に基づいて説明を行う。
【００３９】
本実施形態の成形方法では、第１の実施形態と比較して、金属ガラス射出工程を行う前に金型冷却工程として、冷却手段５により金型１１０を予め冷却しておく点で大きく異なっている。そして、金属ガラス射出工程では、予め冷却された金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に金属ガラスを射出することで、金属ガラスは金型１１０との温度差により冷却されることとなり、すなわち、金属ガラス射出工程と同時に金属ガラス冷却工程が行われることとなる。ここで、金属ガラス冷却工程における金属ガラスの冷却速度は、金型１１０の熱容量及び金属ガラス射出工程開始時の金型１１０の温度に依存している。このため、金型設定工程においては、冷却速度が金属ガラスの臨界冷却速度以上となるように、金型１１０の熱容量及び金型１１０の金属ガラス射出工程開始時の温度を決定し、これに基づいて、金型１１０の材質及び重量を決定し、また、金型冷却工程における金型の目標冷却温度を決定する。
【実施例２】
【００４０】
以下に、上記成形方法によって具体的に光学素子デバイス１００を製造した実施例について示す。本実施例でも同様に、レンズ枠１０１の材質をＺｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラス、レンズ１０２を形成する材質をポリカーボネートとして、上記成形方法により図２に示す光学素子デバイス１００の製造を行った。
【００４１】
まず、金型設定工程として、金型１１０の材質及び重量を決定し、金型１１０本体部分の形状を決定した。金型１１０としては、同様に炭素鋼を使用した。そして、該炭素鋼の比熱４６１Ｊ／ｋｇ・℃、比重７．８ｇ／ｃｍ３及び、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスの比熱２６５．８Ｊ／ｋｇ・℃、比重６．７ｇ／ｃｍ３、並びに、成形する光学素子デバイス１００の形状、及び、以下に示す金型冷却工程及び金属ガラス射出工程の諸条件から、金型１１０の本体部分の形状を決定した。また、次の金型冷却工程における目標冷却温度を２５℃に決定した。そして、金型冷却工程では、冷却手段５において図示しない供給部から冷却配管５ａに供給される冷却水により金型の温度を目標冷却温度の２５℃となるように冷却した。
【００４２】
次に、金属ガラス射出工程及び金属ガラス冷却工程を行った。Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスの温度を融点以上の９５０℃に設定し、該金属ガラスを注入圧力１０ＭＰａで金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に射出した。この際、本実施例においては、冷却手段５による冷却を継続して行うものとし、冷却水を流量３Ｌ／ｍｉｎで循環させた。この結果、射出後の金属ガラスは、ポリカーボネートの熱分解温度３４０℃までの温度差１３０℃を２６秒、冷却速度を５℃／ｓ（臨界冷却速度１℃／ｓ）として冷却することができた。以下、実施例１と同様に、金型交換工程、高分子材料射出工程、高分子材料冷却工程、並びに、金型取外し工程を実施することで、光学素子デバイス１００を得ることができた。
【００４３】
以上のように、本実施形態の成形方法によれば、第１の実施形態同様に、金属ガラス冷却工程で金属ガラスを高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却していることで、第二の部分となるレンズ１０２を形成する高分子材料を熱の影響を受けることなく射出成形することができる。そして、予め第一の部分となるレンズ枠１０１を金属ガラスで形成しておくことで、レンズ枠１０１と対応させてレンズ１０２を精度良く成形することができる。さらに、本実施形態では、金型冷却工程として、予め金型を冷却することにより金属ガラスを冷却することで、射出するのと同時に正確な温度制御のもと金属ガラスを冷却することができる。なお、上記実施例２では、金属ガラスを射出しながらも冷却手段５による冷却水の供給を行っているが、冷却水の供給を行わず、予め冷却された金型と金属ガラスとの温度差のみをもって金属ガラスを冷却するものとしても良い。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態では、溶融状態の金属ガラスを、金属ガラス合金を加熱溶融することによって得ているが、金属ガラスを構成する各元素を溶融状態にした後、金属ガラスとなる組成で混合することによって作製しても良い。
【００４５】
なお、上記各実施形態においては、金属ガラスと高分子材料との一体成形品として光学素子デバイスを例に挙げたがこれに限るものでは無く、様々な成形品に上記成形装置及び成形方法を適用可能である。また、金属ガラスとしては、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉの４元系金属ガラスを例に挙げたがこれに限るものでは無く、様々な金属ガラス材料を使用可能であり、例えば、Ｐｄ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐの４元系金属ガラス（臨界冷却速度０．１℃／ｓ）やＺｒ５０−Ｃｕ４０−Ａｌ１０の３元系金属ガラス（ガラス遷移温度：４３３℃、結晶化温度：５１９℃、融点：８１９℃）などがある。同様に、高分子材料としてはポリカーボネートを例に挙げたがこれに限るものでは無く、様々な高分子材料を使用可能であり、例えば、メタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：熱分解温度（大気雰囲気下）３３０℃）やポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：熱分解温度（窒素雰囲気下）２８６℃）、シクロオレフィン樹脂（熱分解温度（大気雰囲気下）４００℃）などがある。
【符号の説明】
【００４６】
１ 成形装置
２ 金型設置部
４ 射出手段
５ 冷却手段
７ 金型交換手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ガラスからなる部分と高分子材料からなる部分とで構成される一体成形品の成形方法及びその成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズなどの光学素子と、該光学素子を保持する枠体とからなる光学素子デバイスは、従来、予め光学素子と枠体とを別々に製造した後に、枠体に光学素子を嵌合固定または接着固定させることにより製造されていた。しかし、近年、光学素子デバイスの小型化により、上記のような製造方法では、必要な組み立て精度を確保することができない問題があった。このため、プラスチックを加熱軟化させた状態で金型によって押圧することで光学素子を成形した後に、金型を型開きせずに、成形された光学素子となる部分を基準として枠体となる部分を射出成形する製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この製造方法によれば、光学素子を成形した後にそのままの状態で光学素子の金型の位置を基準に枠体が光学素子に結合された状態で成形されるための、光学素子と枠体との結合精度を高めることができるとされている。
【０００３】
一方、近年、光学素子デバイスの枠体に使用される材料としては、金属ガラスが注目されている。金属ガラスは、結晶化した金属材料と比較して、強度、耐久性、耐食性に優れているとともに高い寸法精度をもって射出成形を行うことが可能であり、光学素子デバイスの製造においても、さらなる小型化、形状の複雑化、高精度化などの点で採用が試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の製造方法において、枠体を金属ガラスで形成しようとすれば、高分子材料を射出する温度と比較して金属ガラスを射出する温度の方が高いことから、光学素子を形成する高分子材料が金属ガラスを射出する際の熱により変形してしまう問題があった。このため、光学素子デバイスにおいて、枠体を金属ガラスで形成する場合には、嵌合固定あるいは接着固定によらなければならず、結果必要な精度を確保することができない問題があった。
【０００６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、金属ガラスからなる部分と高分子材料からなる部分とで構成される一体成形品を精度良く製造することが可能な金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法、及び、一体成形品用成形装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、金属ガラスで形成された第一の部分と、高分子材料で形成された第二の部分とで構成される金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法であって、少なくとも一部が交換可能に構成され前記第一の部分と対応する形状に形成された金型のキャビティ内に、前記金属ガラスを融点以上に加熱した状態で射出する金属ガラス射出工程と、前記金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスを、臨界冷却速度以上の冷却速度で、前記高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却する金属ガラス冷却工程と、前記金型の少なくとも一部を交換して、キャビティを前記第二の部分と対応する形状に形成する金型交換工程と、前記第二の部分と対応する形状に形成された前記金型の前記キャビティ内に、前記高分子材料を射出する高分子材料射出工程とを備えることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明は、金属ガラスで形成された第一の部分と、高分子材料で形成された第二の部分とで構成される金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置であって、少なくとも一部を交換することで、キャビティを前記第一の部分と前記第二の部分とのそれぞれに対応した形状に切換可能な金型が設置される金型設置部と、該金型設置部に設置された前記金型の少なくとも一部を交換可能な金型交換手段と、前記金型設置部に設置された前記金型の前記キャビティ内に前記金属ガラスと高分子材料とのそれぞれを射出する射出手段と、前記金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で所定温度まで冷却可能な冷却手段とを備えることを特徴としている。
【０００９】
この発明に係る金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法及び一体成形品用成形装置によれば、金属ガラス射出工程として、キャビティを第一の部分と対応する形状として金型を金型設置部に設置し、射出手段によって該金型のキャビティ内に融点以上に加熱した金属ガラスを射出する。そして、金属ガラス冷却工程として、冷却手段によって金型のキャビティ内に射出した金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却する。このため、金型のキャビティ内において、一体成形品の第一の部分を金属ガラスによって結晶化してしまうことなく精度良く形成することができる。次に、金型交換工程として、金型交換手段によって金型の少なくとも一部を交換することで、第二の部分と対応する形状のキャビティを形成することができる。そして、高分子材料射出工程として、射出手段によって金型のキャビティ内に第二の部分となる高分子材料を射出することで、第一の部分となる金属ガラスと第二の部分となる高分子材料が一体となる一体成形品が成形されることとなる。ここで、金属ガラス冷却工程では、高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却していることで、第二の部分となる高分子材料を熱の影響を受けることなく射出成形することができる。また、予め第一の部分を金属ガラスで形成しておくことで、第一の部分と対応させて第二の部分を精度良く成形することができる。
【００１０】
また、上記の金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法において、前記金属ガラス射出工程の前に、前記金型を所定温度まで冷却する金型冷却工程を備え、前記金属ガラス冷却工程は、前記金型冷却工程で冷却された前記金型と、該金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスとの温度差によって行われることがより好ましいとされている。
【００１１】
また、上記の金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置において、前記冷却手段は、前記金属ガラスを射出する前の前記金型を冷却し、該金型の前記キャビティ内に前記射出手段によって前記金属ガラスを射出することで、該金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却させることがより好ましいとされている。
【００１２】
この発明に係る金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法及び一体成形品用成形装置によれば、金型冷却工程として、冷却手段により、金型を予め冷却した後に、金属ガラス射出工程を行うことで、金属ガラスは金型のキャビティ内に射出されるのと同時に金属ガラス冷却工程として金型との温度差によって臨界冷却速度以上の冷却速度で高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却されることとなる。上記のように予め金型を冷却することにより金属ガラスを冷却することで、射出するのと同時に正確な温度制御のもと金属ガラスを冷却することができる。
【００１３】
また、上記の金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法において、前記金属ガラス射出工程で射出される金属ガラスの質量、温度及び比熱に基づいて、前記金属ガラス冷却工程で前記金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却するのに必要な前記金型の熱容量を算出し、該熱容量に応じた材質及び質量に前記金型を設定する金型設定工程を備えることがより好ましいとされている。
【００１４】
この発明に係る金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法によれば、金型設定工程として、金属ガラス射出工程で射出される金属ガラスの質量、温度及び比熱に基づいて、金属ガラス冷却工程で金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却するのに必要な金型の熱容量を算出し、該熱容量となるように金型の材質及び質量を設定した後に、金属ガラス射出工程及び金属ガラス冷却工程を実施する。このため、射出された金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で、かつ、高分子材料の熱分解温度以下まで、正確に温度制御して冷却することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法及び一体成形品用成形装置によれば、金属ガラスからなる部分と高分子材料からなる部分とで構成される一体成形品を精度良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態の成形装置の概略を示す全体図である。
【図２】本発明の実施形態の成形方法で成形される光学素子デバイスの断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の成形方法において、金属ガラス射出工程及び金属ガラス冷却工程の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の成形方法において、金型交換工程の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の成形方法において、金型交換工程の説明図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の成形方法において、高分子材料射出工程及び高分子材料冷却工程の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態について、図１から図６を参照して説明する。図１に示す本実施形態の成形装置１は、金属ガラスからなる第一の部分と、高分子材料からなる第二の部分とで構成される一体成形品を製造するためのものである。また、図２は、該一体成形品の一例を示すものであり、光学素子デバイス１００を示している。光学素子デバイス１００は、金属ガラスからなる第一の部分である略筒状のレンズ枠１０１と、該レンズ枠１０１の内部に、同軸として嵌合された高分子材料からなる第二の部分であるレンズ１０２とで構成されている。レンズ１０２を形成する高分子材料としては、射出成形可能な熱可塑性樹脂であり、より具体的には、ポリカーボネート、メタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、シクロオレフィン樹脂などが挙げられる。
【００１８】
また、レンズ枠１０１を形成する金属ガラスとは、結晶化温度からガラス遷移温度までのガラス遷移領域が２０℃以上ある非晶質金属のことである。非晶質金属とは、複数の金属元素が結晶構造を形成せずに凝固（アモルファス化）したものであり、複数の金属元素からなる溶湯をガラス遷移温度以下になるまで、臨界冷却速度以上で急速冷却することにより形成される。そして、このような非晶質金属では、通常の結晶金属が有しているような結晶粒界を有しておらず、該結晶粒界に起因した粒界腐食を生じないことから耐食性に優れている。また、金属ガラスを形成する複数の金属元素としては、３種類以上からなり、それぞれの原子径が互いに１２％以上の違いを有し、かつ、互いに引き合う性質を有して化合物化しやすいことがより好ましい。このような金属ガラスとしては、具体的には、例えばＺｒ−Ａｌ−Ｃｕや、Ｌｎ−Ａｌ−Ｎｉ（Ｌｎはランタノイド元素のいずれか）の３元系金属ガラスや、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉや、Ｐｄ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐの４元系金属ガラスなどが挙げられる。
【００１９】
次に、成形装置１の詳細について説明する。
図１に示すように、本実施形態の成形装置１は、固定型１１１及び可動型１１２、１１３で構成される金型１１０を設置する金型設置部２と、金型１１０の内、可動型１１２、１１３を移動させる移動手段３と、金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に材料を射出するための射出手段４と、キャビティ１１１ｂ内の材料を冷却するための冷却手段５とを備える。金型設置部２は、固定型１１１に取り付けられた型板１１１ａが固定される固定部２ａと、固定部２ａと対向して配置されて可動型１１２、１１３に取り付けられた型板１１２ａ、１１３ａが固定され、移動手段３によって固定部２ａに向かって進退可能な可動部２ｂとで構成されている。
【００２０】
ここで、金型１１０の内、固定型１１１には光学素子デバイス１００を成形するためのキャビティ１１１ｂが形成されている。また、可動型は、本実施形態では、第一の可動型１１２と、第二の可動型１１３と、二つ有していて、第一の可動型１１２及び第二の可動型１１３は、金型設置部２の可動部２ｂにおいて、固定型１１１に対する進退方向Ｘに対して略直交する配列方向Ｙに配列されている。第一の可動型１１２は、光学素子デバイス１００の内、レンズ枠１０１を形成するためのコア１１２ｂを有しており、該第一の可動型１１２が固定型１１１に組み付けられてコア１１２ｂがキャビティ１１１ｂに挿入されることで、該キャビティ１１１ｂをレンズ枠１０１と対応する形状にすることが可能となっている。なお、コア１１２ｂの側面は、レンズ枠１０１の内面において、レンズ１０２の側面が接合される部分を転写することとなる。このため、コア１１２ｂの側面は、レンズ枠１０１とレンズ１０２との接合強度を向上させるために、他の部分よりも粗面に形成されていることが望ましく、具体的には、例えば面粗さにおいて最大高さＲｍａｘが２５μｍ程度であることが望ましい。
【００２１】
また、第二の可動型１１３は、レンズ１０２を形成するためのコア１１３ｂを有しており、レンズ枠１０１が成形された後に該第二の可動型１１３が固定型１１１に組み付けられてコア１１２ｂがキャビティ１１１ｂに挿入されることで、該キャビティ１１１ｂをレンズ１０２と対応する形状にすることが可能となっている。また、第一の可動型１１２及び第二の可動型１１３のそれぞれには、ランナ１１２ｃ、１１３ｃが形成されていて、固定型１１１と組み付けられる一面側で固定型１１１のキャビティ１１１ｂ内と連通可能に開口しているとともに、反対側の他面側で射出手段４によって材料を射出することが可能に開口している。
【００２２】
また、射出手段４は、射出する材料をレンズ枠１０１を形成する金属ガラスとレンズ１０２を形成する高分子材料に切り替える図示しない切替部と、対象となる材料を加熱、溶融する図示しない加熱部と、溶融した材料を第一の可動型１１２または第二の可動型１１３のランナ１１２ｃ、１１３ｃに射出するノズル４ａとを有している。ここで、図示しない加熱部には温度センサが設けられていて、該温度センサの検出結果に基づいて対象となる材料の温度制御を行うことが可能であり、高分子材料においては溶融温度以上熱分解温度以下、金属ガラスにおいてはガラス遷移温度以上結晶化温度以下となる温度に設定することが可能となっている。
【００２３】
また、冷却手段５は、冷却水を供給する図示しない供給部と、金型１１０において、キャビティ１１１ｂ及びランナ１１２ｃ、１１３ｃの周囲に形成され図示しない供給部と接続された冷却配管５ａとを有する。金型１１０には、金型１１０の温度を測定するための図示しない温度センサが設けられており、冷却手段５は、該温度センサの検出結果に基づいて金型１１０及び金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に射出された材料を冷却し、温度制御を行うことが可能となっている。
【００２４】
また、移動手段３は、金型設置部２の可動部２ｂを、第一の可動型１１２と第二の可動型１１３との配列方向Ｙに進退させることが可能なスライダ３ａと、スライダ３ａを固定型１１１に対する第一の可動型１１２及び第二の可動型１１３の進退方向Ｘに進退可能としているガイド３ｂとを有している。このため、第一の可動型１１２及び第二の可動型１１３は、スライダ３ａによって可動部２ｂを配列方向Ｙに進退させてそれぞれ固定型１１１と対向する位置に配置することが可能であるとともに、対向する位置に配置された状態でガイド３ｂに沿ってスライダ３ａが移動することで固定型１１１と組付け、または、離脱することが可能である。
【００２５】
また、固定型１１１には、第一の可動型１１２及び第二の可動型１１３のそれぞれと組み付けられる一面側から、反対側の他面側まで連通する貫通孔１１１ｃが形成されている。一面側において貫通孔１１１ｃは、第一の可動型１１２のコア１１２ｂが当接される面に開口している。そして、固定型１１１の他面側には、貫通孔１１１ｃに挿入可能なピン６ａを有し、固定型１１１に向かって進退可能な押圧部材６が設けられおり、固定型１１１に向かって進出し、貫通孔１１１ｃにピン６ａを挿入させることで、第一の可動型１１２のコア１１２ｂを押圧することが可能となっている。そして、押圧部材６によりコア１１２ｂを押圧することで、後述するように固定型１１１と第一の可動型１１２が組み付けられてレンズ枠１０１が射出成形された状態で、移動手段３によって固定型１１１に対して第一の可動型１１２を離脱させ、さらに第二の可動型１１３を組み付けることが可能となり、すなわち押圧部材６と移動手段３とによって金型１１０の一部を交換する金型交換手段７を構成している。
【００２６】
次に、図１から図６に基づいて、本実施形態の一体成形品の成形方法の詳細を説明する。
まず、金型設定工程として、使用する金型１１０の設定を行う。具体的には、射出する金属ガラスの質量、温度及び比熱に基づいて、後工程の金属ガラス冷却工程で金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却するのに必要な金型１１０の熱容量を算出する。そして、算出した熱容量に応じて、金型１１０の材質及び質量を決定し、これにより、金型１１０においてキャビティ１１１ｂの外郭をなす本体部分の形状を決定する。
【００２７】
次に、図１に示すように、金属ガラス射出工程として、第一の部分となるレンズ枠１０１を形成する金属ガラスの射出を行う。すなわち、移動手段３を駆動して第一の可動型１１２が固定型１１１と対向する位置となるようにした後に、固定型１１１に対して第一の可動型１１２を進出させることで両者を組付け、キャビティ１１１ｂの形状をレンズ枠１０１と対応する形状となるようにする。次に、射出手段４において、上記金属ガラスを選択し、該金属ガラスの温度をガラス遷移温度以上結晶化温度以下であるガラス遷移領域となるように設定する。これにより、金属ガラスは、粘性流体となり、射出可能な状態となる。そして、射出手段４は、ノズル４ａから第一の可動型１１２に形成されたランナ１１２ｃに金属ガラスを射出する。なお、金属ガラスの射出する量は、金属ガラスの比重と、第一の可動型１１２のランナ１１２ｃ及びコア１１２ｂ、並びに、固定型１１１のキャビティ１１１ｂの体積とから算出される。
【００２８】
次に、金属ガラス冷却工程として、射出された金属ガラスの冷却を行う。金属ガラスの冷却は、冷却手段５によって冷却配管５ａに通水された冷却水によって金型１１０を冷却することにより行われるが、この際、射出した金属ガラスの有する臨界冷却速度以上の冷却速度で、かつ、この後射出される高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却する。これにより、金型１１０のキャビティ１１１ｂ内において、レンズ枠１０１となる部分を金属ガラスによって成形することができた。ここで、金属ガラスは上記工程によりアモルファス状態で成形されていることから、通常の結晶金属で生じるような溶融状態から結晶化への相転移に伴う大きな収縮が発生しないため、金型転写性が高く、精度良くレンズ枠１０１を形成することができる。
【００２９】
次に、金型交換工程として、金型１１０において、第一の可動型１１２を第二の可動型１１３に交換した。すなわち、図３に示すように、まず金型交換手段７を構成する押圧部材６のピン６ａを固定型１１１の貫通孔１１１ｃに挿入して第一の可動型１１２のコア１１２ｂを押圧する。そして、図４に示すように、押圧部材６によってコア１１２ｂが押圧された状態で移動手段３によって固定型１１１に対して第一の可動型１１２を後退させることで、コア１１２ｂと成形されたレンズ枠１０１とは離間して、固定型１１１に対して第一の可動型１１２が離脱した状態となる。次に、移動手段３によって配列方向Ｙに可動部２ｂを移動させて、第二の可動型１１３が固定型１１１と対向するように配置させる。そして、可動部２ｂを固定部２ａに向かって進出させることで、図５に示すように、コア１１３ｂが金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に挿入され、固定型１１１と第二の可動型１１３とが組み付けられた状態となり、コア１１３ｂ及び先に成形されたレンズ枠１０１によりキャビティ１１１ｂの形状がレンズ１０２と対応する形状となる。
【００３０】
次に、高分子材料射出工程として、第二の部分となるレンズ１０２を形成する高分子材料の射出を行う。射出手段４において、上記高分子材料を選択し、該高分子材料の溶融温度以上熱分解温度以下となるように設定する。そして、図６に示すように、射出手段４は、ノズル４ａから第二の可動型１１３に形成されたランナ１１３ｃに高分子材料を射出する。そして、金属ガラス冷却工程において、金属ガラスの温度を高分子材料の熱分解温度以下となるように冷却しているので、射出された高分子材料は、熱分解してしまうことなくキャビティ１１１ｂ内に射出されることとなる。なお、高分子材料の射出する量は、該高分子材料の比重と、第二の可動型１１３のランナ１１３ｃ及びコア１１３ｂ、並びに、固定型１１１のキャビティ１１１ｂの各体積とから算出される。
【００３１】
次に、高分子材料冷却工程として、射出された高分子材料の冷却を行う。なお、高分子材料の冷却としては、冷却手段５によって行うものとしても良いし、自然法冷によって行うものとしても良い。最後に、金型取外し工程として、移動手段３によって固定型１１１に対して第二の可動型１１３を離脱させることで、金属ガラスで形成されたレンズ枠１０１と、高分子材料で形成されたレンズ１０２とで構成された一体成形品である図２に示す光学素子デバイス１００が製造されることとなる。
【実施例１】
【００３２】
以下に、上記成形方法によって具体的に光学素子デバイス１００を製造した実施例について示す。本実施例では、レンズ枠１０１の材質をＺｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラス、レンズ１０２を形成する材質をポリカーボネートとして、上記成形方法により図２に示す光学素子デバイス１００の製造を行った。なお、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスは、融点が７５０℃、ガラス遷移温度が４５０℃、結晶化温度が４９０℃、臨界冷却速度は１℃／ｓである。また、ポリカーボネートの熱分解温度は大気雰囲気下において３４０℃である。
【００３３】
まず、金型設定工程として、金型１１０の材質及び重量を決定し、金型１１０本体部分の形状を決定した。金型１１０としては、炭素鋼を使用した。そして、該炭素鋼の比熱４６１Ｊ／ｋｇ・℃、及び、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスの比熱２６５．８Ｊ／ｋｇ・℃、並びに、成形する光学素子デバイス１００の形状、及び、以下に示す金属ガラス射出工程及び金属ガラス冷却工程の諸条件から、金型１１０の本体部分の形状を決定した。
【００３４】
次に、金属ガラス射出工程を行った。Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスの温度を融点以上の９５０℃に設定し、該金属ガラスを注入圧力１０ＭＰａで金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に射出した。射出された直後のキャビティ１１１ｂ内の金属ガラスの温度は、７５８℃と融点以上であった。そして、金属ガラス冷却工程として、冷却手段５によりキャビティ１１１ｂ内の７５８℃の金属ガラスを、冷却速度を臨界冷却速度の１℃／Ｓとして冷却することで、ポリカーボネートの熱分解温度となる３４０℃まで冷却することができ、レンズ枠１０１を成形することができた。
【００３５】
次に、金型交換工程として、第一の可動型１１２と第二の可動型１１３とを交換した後に、高分子材料射出工程として、ポリカーボネートを３００℃まで加熱溶融して射出した。その後、高分子材料冷却工程として、ポリカーボネートが６０℃となるまで保圧をかけながら更に金型を冷却させることで、レンズ１０２を成形することができた。そして、最後に金型取外し工程として固定型１１１から第二の可動型１１３を離脱することで、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスからなるレンズ枠１０１と、ポリカーボネートからなるレンズ１０２とで構成された光学素子デバイス１００を製造することができた。
【００３６】
なお、本実施例の比較例として、金属ガラス冷却工程における冷却速度を臨界冷却速度未満の０．０５℃／ｓとして、光学素子デバイス１００の製造を行った。この場合、レンズ枠１０１には金属ガラスが形成されず、高精度に金型を転写することができなかった。また、これにより後工程の高分子材料射出工程及び高分子冷却工程においてもレンズ１０２を高精度に成形することができなかった。また、キャビティ１１１ｂ内の金属ガラスの温度が４５０℃の時点でポリカーボネートを射出して成形したところ、本来透明であるべきポリカーボネートが熱分解によって茶褐色に濁った状態で成形されており、本来の高分子が持つ特性を発揮することが出来ないことが分かった。
【００３７】
以上のように、本実施形態の成形装置１及び成形方法によれば、金属ガラス冷却工程で冷却手段５によって金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却していることで、第二の部分となるレンズ１０２を形成する高分子材料を熱の影響を受けることなく射出成形することができる。そして、予め第一の部分となるレンズ枠１０１を金属ガラスで形成しておくことで、レンズ枠１０１と対応させてレンズ１０２を精度良く成形することができる。
【００３８】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態は、成形する工程の一部が異なるものであり、成形装置としては基本的に同様のものであるので図１に基づいて説明を行う。
【００３９】
本実施形態の成形方法では、第１の実施形態と比較して、金属ガラス射出工程を行う前に金型冷却工程として、冷却手段５により金型１１０を予め冷却しておく点で大きく異なっている。そして、金属ガラス射出工程では、予め冷却された金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に金属ガラスを射出することで、金属ガラスは金型１１０との温度差により冷却されることとなり、すなわち、金属ガラス射出工程と同時に金属ガラス冷却工程が行われることとなる。ここで、金属ガラス冷却工程における金属ガラスの冷却速度は、金型１１０の熱容量及び金属ガラス射出工程開始時の金型１１０の温度に依存している。このため、金型設定工程においては、冷却速度が金属ガラスの臨界冷却速度以上となるように、金型１１０の熱容量及び金型１１０の金属ガラス射出工程開始時の温度を決定し、これに基づいて、金型１１０の材質及び重量を決定し、また、金型冷却工程における金型の目標冷却温度を決定する。
【実施例２】
【００４０】
以下に、上記成形方法によって具体的に光学素子デバイス１００を製造した実施例について示す。本実施例でも同様に、レンズ枠１０１の材質をＺｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラス、レンズ１０２を形成する材質をポリカーボネートとして、上記成形方法により図２に示す光学素子デバイス１００の製造を行った。
【００４１】
まず、金型設定工程として、金型１１０の材質及び重量を決定し、金型１１０本体部分の形状を決定した。金型１１０としては、同様に炭素鋼を使用した。そして、該炭素鋼の比熱４６１Ｊ／ｋｇ・℃、比重７．８ｇ／ｃｍ３及び、Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスの比熱２６５．８Ｊ／ｋｇ・℃、比重６．７ｇ／ｃｍ３、並びに、成形する光学素子デバイス１００の形状、及び、以下に示す金型冷却工程及び金属ガラス射出工程の諸条件から、金型１１０の本体部分の形状を決定した。また、次の金型冷却工程における目標冷却温度を２５℃に決定した。そして、金型冷却工程では、冷却手段５において図示しない供給部から冷却配管５ａに供給される冷却水により金型の温度を目標冷却温度の２５℃となるように冷却した。
【００４２】
次に、金属ガラス射出工程及び金属ガラス冷却工程を行った。Ｚｒ５５Ｃｕ３０Ａｌ１０Ｎｉ５の４元系金属ガラスの温度を融点以上の９５０℃に設定し、該金属ガラスを注入圧力１０ＭＰａで金型１１０のキャビティ１１１ｂ内に射出した。この際、本実施例においては、冷却手段５による冷却を継続して行うものとし、冷却水を流量３Ｌ／ｍｉｎで循環させた。この結果、射出後の金属ガラスは、ポリカーボネートの熱分解温度３４０℃までの温度差１３０℃を２６秒、冷却速度を５℃／ｓ（臨界冷却速度１℃／ｓ）として冷却することができた。以下、実施例１と同様に、金型交換工程、高分子材料射出工程、高分子材料冷却工程、並びに、金型取外し工程を実施することで、光学素子デバイス１００を得ることができた。
【００４３】
以上のように、本実施形態の成形方法によれば、第１の実施形態同様に、金属ガラス冷却工程で金属ガラスを高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却していることで、第二の部分となるレンズ１０２を形成する高分子材料を熱の影響を受けることなく射出成形することができる。そして、予め第一の部分となるレンズ枠１０１を金属ガラスで形成しておくことで、レンズ枠１０１と対応させてレンズ１０２を精度良く成形することができる。さらに、本実施形態では、金型冷却工程として、予め金型を冷却することにより金属ガラスを冷却することで、射出するのと同時に正確な温度制御のもと金属ガラスを冷却することができる。なお、上記実施例２では、金属ガラスを射出しながらも冷却手段５による冷却水の供給を行っているが、冷却水の供給を行わず、予め冷却された金型と金属ガラスとの温度差のみをもって金属ガラスを冷却するものとしても良い。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態では、溶融状態の金属ガラスを、金属ガラス合金を加熱溶融することによって得ているが、金属ガラスを構成する各元素を溶融状態にした後、金属ガラスとなる組成で混合することによって作製しても良い。
【００４５】
なお、上記各実施形態においては、金属ガラスと高分子材料との一体成形品として光学素子デバイスを例に挙げたがこれに限るものでは無く、様々な成形品に上記成形装置及び成形方法を適用可能である。また、金属ガラスとしては、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉの４元系金属ガラスを例に挙げたがこれに限るものでは無く、様々な金属ガラス材料を使用可能であり、例えば、Ｐｄ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐの４元系金属ガラス（臨界冷却速度０．１℃／ｓ）やＺｒ５０−Ｃｕ４０−Ａｌ１０の３元系金属ガラス（ガラス遷移温度：４３３℃、結晶化温度：５１９℃、融点：８１９℃）などがある。同様に、高分子材料としてはポリカーボネートを例に挙げたがこれに限るものでは無く、様々な高分子材料を使用可能であり、例えば、メタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：熱分解温度（大気雰囲気下）３３０℃）やポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：熱分解温度（窒素雰囲気下）２８６℃）、シクロオレフィン樹脂（熱分解温度（大気雰囲気下）４００℃）などがある。
【符号の説明】
【００４６】
１ 成形装置
２ 金型設置部
４ 射出手段
５ 冷却手段
７ 金型交換手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ガラスで形成された第一の部分と、高分子材料で形成された第二の部分とで構成される金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法であって、
少なくとも一部が交換可能に構成され前記第一の部分と対応する形状に形成された金型のキャビティ内に、前記金属ガラスを融点以上に加熱した状態で射出する金属ガラス射出工程と、
前記金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスを、臨界冷却速度以上の冷却速度で、前記高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却する金属ガラス冷却工程と、
前記金型の少なくとも一部を交換して、キャビティを前記第二の部分と対応する形状に形成する金型交換工程と、
前記第二の部分と対応する形状に形成された前記金型の前記キャビティ内に、前記高分子材料を射出する高分子材料射出工程とを備えることを特徴とする金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法。
【請求項２】
請求項１に記載の金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法において、
前記金属ガラス射出工程の前に、前記金型を所定温度まで冷却する金型冷却工程を備え、
前記金属ガラス冷却工程は、前記金型冷却工程で冷却された前記金型と、該金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスとの温度差によって行われることを特徴とする金属ガラスと高分子材料の一体成形品の成形方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法において、
前記金属ガラス射出工程で射出される金属ガラスの質量、温度及び比熱に基づいて、前記金属ガラス冷却工程で前記金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却するのに必要な前記金型の熱容量を算出し、該熱容量に応じた材質及び質量に前記金型を設定する金型設定工程を備えることを特徴とする金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法。
【請求項４】
金属ガラスで形成された第一の部分と、高分子材料で形成された第二の部分とで構成される金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置であって、
少なくとも一部を交換することで、キャビティを前記第一の部分と前記第二の部分とのそれぞれに対応した形状に切換可能な金型が設置される金型設置部と、
該金型設置部に設置された前記金型の少なくとも一部を交換可能な金型交換手段と、
前記金型設置部に設置された前記金型の前記キャビティ内に前記金属ガラスと高分子材料とのそれぞれを射出する射出手段と、
前記金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で所定温度まで冷却可能な冷却手段とを備えることを特徴とする金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置。
【請求項５】
請求項４に記載の金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置であって、
前記冷却手段は、前記金属ガラスを射出する前の前記金型を冷却し、該金型の前記キャビティ内に前記射出手段によって前記金属ガラスを射出することで、該金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却させることを特徴とする金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置。
【請求項１】
金属ガラスで形成された第一の部分と、高分子材料で形成された第二の部分とで構成される金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法であって、
少なくとも一部が交換可能に構成され前記第一の部分と対応する形状に形成された金型のキャビティ内に、前記金属ガラスを融点以上に加熱した状態で射出する金属ガラス射出工程と、
前記金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスを、臨界冷却速度以上の冷却速度で、前記高分子材料の熱分解温度以下となるまで冷却する金属ガラス冷却工程と、
前記金型の少なくとも一部を交換して、キャビティを前記第二の部分と対応する形状に形成する金型交換工程と、
前記第二の部分と対応する形状に形成された前記金型の前記キャビティ内に、前記高分子材料を射出する高分子材料射出工程とを備えることを特徴とする金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法。
【請求項２】
請求項１に記載の金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法において、
前記金属ガラス射出工程の前に、前記金型を所定温度まで冷却する金型冷却工程を備え、
前記金属ガラス冷却工程は、前記金型冷却工程で冷却された前記金型と、該金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスとの温度差によって行われることを特徴とする金属ガラスと高分子材料の一体成形品の成形方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法において、
前記金属ガラス射出工程で射出される金属ガラスの質量、温度及び比熱に基づいて、前記金属ガラス冷却工程で前記金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却するのに必要な前記金型の熱容量を算出し、該熱容量に応じた材質及び質量に前記金型を設定する金型設定工程を備えることを特徴とする金属ガラスと高分子材料との一体成形品の成形方法。
【請求項４】
金属ガラスで形成された第一の部分と、高分子材料で形成された第二の部分とで構成される金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置であって、
少なくとも一部を交換することで、キャビティを前記第一の部分と前記第二の部分とのそれぞれに対応した形状に切換可能な金型が設置される金型設置部と、
該金型設置部に設置された前記金型の少なくとも一部を交換可能な金型交換手段と、
前記金型設置部に設置された前記金型の前記キャビティ内に前記金属ガラスと高分子材料とのそれぞれを射出する射出手段と、
前記金型の前記キャビティ内に射出された前記金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で所定温度まで冷却可能な冷却手段とを備えることを特徴とする金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置。
【請求項５】
請求項４に記載の金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置であって、
前記冷却手段は、前記金属ガラスを射出する前の前記金型を冷却し、該金型の前記キャビティ内に前記射出手段によって前記金属ガラスを射出することで、該金属ガラスを臨界冷却速度以上の冷却速度で冷却させることを特徴とする金属ガラスと高分子材料との一体成形品用成形装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２０８２２３（Ｐ２０１０−２０８２２３Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５８４６７（Ｐ２００９−５８４６７）
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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