JP2002326825A - 光学素子成形金型及び光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高被削性、加熱プレス成形性、高硬度、高強度
などの非晶質合金の優れた特徴を活かしながら、表面粗
さの優れた光学成形面を有し、高効率、高精度、かつ安
価に光学素子を成形できる光学素子成形金型及び、それ
に基づき形成された光学素子を提供する。 【解決手段】パラジウムを含有させることで、非晶質合
金の光学素子成形金型材料としての優れた特性を活かし
ながら、利用上不可避である加熱プレス成形工程におい
て、十分な表面粗さを確保できる非晶質合金を得ること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学素子成形金型
及び光学素子に関し、特に、所望の光学面を容易に形成
でき、又長期間使用できるようにした光学素子用成形金
型と、その金型を用いて成形された光学素子に関する。

【０００２】

【従来技術】過冷却液体域を有する非晶質合金（アモル
ファス合金又は金属ガラスともいう）を用いて、加熱プ
レス成形により金属ガラス製の光学素子成形金型を創成
する技術が知られている（例えば、本発明者による本願
の優先権主張の基礎となる特願２００１−０５４１８
２、特願２００１−０５４１８３及びそれらを基礎とし
て優先権主張を伴う特許出願参照）。かかる非晶質合金
は、３００℃〜５００℃程度の温度範囲で軟化する特性
を有するので、比較的容易に押圧して所望の形状に成形
することができ、特にプラスチックレンズなどの光学素
子用の光学素子成形金型材料としては、光学素子成形時
の硬度も十分に高く、また光学面や、高精度にダイセッ
トと嵌合させるべき外周などの寸法基準面を、ダイアモ
ンド切削により極めて良好に創成できるなど、種々の優
れた特徴を有する材料といえる。

【０００３】通常の金属であれば結晶化エネルギーが大
きいため、加熱冷却すれば結晶化し、通常は多結晶状態
で冷却固化する。これに対し、非晶質合金の場合は、溶
融状態から急冷させることにより結晶化の時間を与えず
に、溶融液体状態の原子配列のまま固化させてアモルフ
ァス状態となる。具体的には、組成が何種類もの結晶を
作りやすい多晶系にしてあり、加熱溶融された場合に、
互いに結晶化のために組成原子を奪い合うことで結晶核
の成長を妨げて、結晶を生じる臨界を大きくし、過冷却
液体域を有する状態を維持するものである。この状態で
は、個々の組成原子が強固に結合していないので、ガラ
ス転移点を有し、再度加熱すると低い温度で軟化する。
しかし、前述したように結晶化エネルギーが充分大きく
ないと、加熱軟化させる温度程度でただちに結晶化が始
まり固化してしまい、成形加工などを行うことはできな
い。非晶質合金とは、組成を工夫することで結晶化エネ
ルギーを大きくして加熱軟化したときの結晶化をできる
限り遅らせて、過冷却液体状態を長時間保てるような組
成にしたものということができる。

【０００４】しかしながら、結晶化を抑制した非晶質合
金といえども、加熱軟化の際にはその温度が高ければ高
いほど、また軟化時間が長ければ長いほど結晶化を始め
やすいという特性がある。従って、加熱軟化させてプレ
ス成形などの加工を行う際には、加熱温度によってその
加工時間が限られることとなるので、結晶化が始まる時
間が長ければ長いほど加工しやすい非晶質合金というこ
とが出来る。

【０００５】ところで、前述の特許出願に記載したよう
な光学素子成形金型に用いる際には、どのような特性を
有する非晶質合金がより適しているかについて、以下に
考察する。

【０００６】光学素子成形金型において、最も重要なこ
とは、光学素子の光学面を成形するために用いる光学成
形面をどのように取り扱うかである。この光学成形面
は、プラスチックやガラスなどの光学材料を、射出成形
やプレス成形などにより製品光学素子を創成するもので
ある。従って、光学素子の成形時のヒケや光学材料の内
部応力による複屈折、金型同士の偏心などによる光学性
能の劣化分を考慮すると、光学素子成形金型の光学成形
面は、製品としての光学素子の光学面形状よりも許容公
差が小さくより理想形状に近いことが要求される。光学
素子成形金型の光学成形面の形状誤差は、カメラ用撮像
レンズでは、一般的には１００〜３００ｎｍ程度であれ
ば足りるが、光情報記録再生装置等のピックアップ用対
物レンズでは、５０ｍｎ以下という高精度が要求され
る。

【０００７】また、光学素子成形金型の光学成形面の表
面粗さは、光が散乱しないためには少なくとも波長の１
／１０以下、できれば１／２０以下あることが好まし
い。具体的には、光学成形面の一般的な表面粗さは、可
視光全域を用いるカメラ用撮像レンズの場合でＲｚ３０
ｎｍ以下、使用波長が６５０ｎｍであるＤＶＤ用ピック
アップ対物レンズの場合もＲｚ５０ｎｍ以下が要求され
る。また、次世代の光情報記録再生装置として現在盛ん
に検討されているＨＤ−ＤＶＤを光情報記録媒体とした
光ピックアップ装置では、使用波長λが４０５ｎｍであ
るために、表面粗さＲｚ８ｎｍ以下が好ましい。これ
は、光学面における光の散乱をレーリー散乱Ｒで表す
と、 Ｒ∞１／λ^４ （１） であるために、一般的なＤＶＤを光情報記録媒体とする
場合に比較して、等価的に６〜７倍の表面粗さが必要と
なることによる。光の散乱状態は、光学成形面の形状に
もよるので、これらの表面粗さは目安値ではあるが、光
学素子成形金型の光学成形面の表面粗さがこれらの数値
を上回る際には散乱により迷光が発生し、像のコントラ
ストを下げて不鮮明な画像となったり、信号処理に有効
な光量が低下してＳＮが悪くなるなどの実害が発生す
る。

【０００８】このように光学素子成形金型の光学成形面
は、極めて高い形状精度と極めて高い平滑性が場合によ
って必要となるので、その創成方法が切削加工や成形加
工に関わらず、金型材料には極めて被削性の高い、かつ
微細で緻密な組織構造であることが好ましく、また光学
成形面の状態が長期にわたって維持されるベく、高い耐
酸化性や硬度を有することが好ましい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来、例えばダイアモ
ンド旋削などの切削加工で、光学素子成形金型の光学成
形面を創成する場合、ダイアモンドの拡散摩耗が抑制で
きる金型材料として、アルミニウム合金や銅などの軟質
金属や無電界ニッケルメッキなどが用いられてきた。軟
質金属による光学素子成形金型は、硬度が低いので光学
成形面に傷が付きやすく、また耐酸化性が低いので切削
加工後、数週間で光学成形面の表面が酸化してくもるな
どの欠点を有しているため、光学素子を大量生産する用
途には不向きであるといえるが、極少量の光学素子を短
納期で成形するには十分であるため、かかる用途には用
いられることもある。

【００１０】実際にダイアモンド旋削する際には、軟質
金属材料は多結晶構造で結晶粒界を有しているため、個
々の結晶の向きや組成によって硬度がミクロ的に異なる
ため、切削した表面も粒界の硬度や弾性率などに応じて
微小な凹凸（粒界段差）を生じる。そのため、表面粗さ
としては非常に鋭利な刃先を有する工具を用いても、Ｒ
ｚ１０ｎｍ程度が表面粗さを良くする限界であり、刃先
が少しでも摩耗している場合などでは容易にＲｚ２０ｎ
ｍを超えてしまうという問題がある。又、アルミニウム
合金では、どのように生成しても原料鉱石から溶融工程
によって材料が作られるため、どうしても不純物を取り
除くことが出来ず、特にシリコンなどの不純物による残
留オーステナイトは非常に硬度が高く、この部分にダイ
アモンドの刃先があたるとカケを生じるという問題があ
る。又、銅の場合は、無酸素銅などの特別に純度を向上
したグレードの材料を用いる必要があり、コストが増大
する。

【００１１】これに対し、無電界ニッケルメッキの場合
は、化学メッキによって金型基材表面にニッケルと燐の
非晶質合金を形成し、このメッキ層をダイアモンド切削
して光学成形面を創成するものである。従って、その組
織がアモルファス状であるため結晶粒界が無いので、切
削に際して粒界段差は生じないが、化学反応によるメッ
キ工程で生成されるがために、反応核を基点に微細な球
状にニッケル燐の析出が進行し、ミクロ的にはニッケル
燐のｍｏｌ比率が異なる粒子で構成された構造となって
被削性に僅かな差を生じるので、粒界段差に似た非常に
微小な凹凸を生じる。図１に、無電界ニッケルメッキを
ダイアモンド切削した表面（平面）を原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）で観察した結果を示す。縦方向に工具刃先の
切削痕が見られ比較的良好に切削が進んではいるが、切
削痕同士の接続部に無数の粒状の凹凸部分が見られ、表
面粗さを損ねているのがわかる。この切削面の表面粗さ
は、Ｒｚ４０．２７ｎｍである。

【００１２】以上のように、従来の光学素子成形金型材
料では、ダイアモンド切削加工において、前述した高精
度な光学素子を成形するのに十分な光学成形面粗さを得
られないことがわかった。次に、過冷却液体域を有する
非晶質合金を光学素子成形金型の材料に用いた場合につ
いて説明する。

【００１３】非晶質合金は前述したように、アモルファ
スなので結晶粒界が存在せずダイアモンド切削の被削性
が良いという特徴を有する。地金の溶融時には、水素ガ
スなどが発生してポーラスを形成しやすいため、脱泡剤
などを入れて、真空中で加熱するなどの処理が成されて
いる。しかし、過冷却液体状態である加熱軟化時は、大
気に触れると組成中のアルミニウムなどが空気と酸化反
応して硬い粒を作り、これが組織全体に発生することが
ある。

【００１４】本発明者は、非晶質合金Ｚｒ_６０Ｃｕ_３０
Ｎｉ_５Ａｌ_５で、光学素子成形金型のブランク形状を加
熱プレス成形した後に、光学成形面をダイアモンド切削
で仕上げ、図２に示すように、その被削面を微分干渉顕
微鏡で観察した。観察倍率は２００倍である。高被削性
の材料の中に石ころのように存在する硬い酸化物の粒子
が見られ、ダイアモンドの刃先がそれを引っかけて引き
ずりながら切削する様子がわかる。粒子は陰影の方向か
ら凸となっているのがわかり、その硬度は周囲よりもか
なり高くなっていると思われる。このような状態では、
切削加工面に無数の筋状の溝が出来ているので、表面粗
さは著しく劣化しており、また、酸化物粒子がダイアモ
ンドの刃先に衝突に近い状態で当たるため、刃先がチッ
ピングしやすく工具寿命を著しく縮める。

【００１５】図３では、同じ切削サンプルのＳＥＭ（走
査型電子顕微鏡）写真に、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｉｓ：電子線
を試料に照射して発生する特性Ｘ線のエネルギーや波長
により、組成原子を査定する分析方法）で検出したＡｌ
分布像を重ねたもので、加工面の粒子と非晶質合金組成
のＡｌの分布がおおむね一致（粒子３６９個中、３１２
個がＡｌの濃度の高い位置と一致）し、アルミナの粒子
が出来ていることがわかる。他の構成元素では、このよ
うな偏在はみられなかった。また、Ｘ線回折により粒子
を調ベた結果、結晶化はしていなかった。非晶質合金を
加熱プレス成形して所望の一次形状を得て光学素子の光
学面に対応する面をダイアモンド切削加工する際には、
その加熱プレス成形工程において、金属材料の組成物の
酸化について極めて注意深く行わなければならないこと
がわかる。

【００１６】加熱プレス成形により光学成形面を成形創
成する場合も、酸化物粒子ができると、これを核にして
急速に結晶化が進むため、急速に固化して転写ができな
くなるばかりか、プレス成形により転写された光学素子
の光学面も、光学成形面の多結晶化により平滑性が失わ
れ、くもり面となり光学面として用を成さなくなる。従
って、加熱プレス成形による光学面創成に際しても、非
晶質合金の組成物の酸化に対して極めて注意深く行う必
要がある。

【００１７】本発明は、高被削性、加熱プレス成形性、
高硬度、高強度などの非晶質合金の優れた特徴を活かし
ながら、表面粗さの優れた光学成形面を有し、高効率、
高精度、かつ安価に光学素子を成形できる光学素子成形
金型及び、それに基づき形成された光学素子を提供する
ことを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の光学素
子成形金型は、その過冷却液体域を有する非晶質合金の
組成に、パラジウムを含むことを特徴とする。

【００１９】本発明者は、鋭意研究の結果、非晶質合金
の光学素子成形金型材料としての優れた特性を活かしな
がら、利用上不可避である加熱プレス成形工程におい
て、十分な表面粗さを確保できる非晶質合金を得るため
に、パラジウムを含有させることを思い至ったのであ
る。

【００２０】本発明者は、特に光学成形面では、ほんの
僅かな酸化でも平滑性が失われてくもりを生じさせるこ
とから、このように鏡面性が重要となる光学素子成形金
型においては、その材料にパラジウム系非晶質合金を用
いることが、非常に有効であることを見いだした。パラ
ジウムは貴金属主成分であるため酸化しにくく、光学素
子の加熱プレス成形金型においても極めて扱いやすく、
しかも、パラジウムは非晶質合金の合金溶融中では、結
晶核を生成しにくく、その結果、材料の結晶化が生じに
くいと考えられる。そのため、過冷却液体域で加熱プレ
ス成形したときに、成形温度や保持時間に余裕がとれる
ので、光学素子成形金型においては精密に光学面を成形
転写加工する目的にも好都合の性質を有している。この
ようなパラジウム系の非晶質合金としては、例えばＰｄ
_４０Ｃｕ_３０Ｎｉ_１０Ｐ_２０、Ｐｄ_４０Ｎｉ
_４０Ｐ_２０、Ｚｒ_７０Ｐｄ_３０、Ｐｄ_７６Ｃｕ_１７Ｓｉ
_７などがあげられるが、パラジウムを含有すれば、これ
らに限定されるものではない。

【００２１】請求項２に記載の光学素子成形金型は、前
記非晶質合金の組成に、パラジウムを３０ｍｏｌ％以上
５０ｍｏｌ％以下の割合で含有することを特徴とする。
このように、前記非晶質合金がパラジウムを３０〜５０
ｍｏｌ％含有すると、他の含有量の非晶質合金に比べ、
非晶質合金の酸化性を大きく改善することができる。

【００２２】請求項３に記載の光学素子成形金型は、前
記非晶質合金の組成に、アルミニウムを３ｍｏｌ％以下
の割合で含有することを特徴とする。アルミニウムの含
有量が少なければ、非晶質合金が酸化しても、光学成形
面にアルミナの粒子が析出する割合が低いから、光学成
形面の鏡面状態を維持することができる。前記非晶質合
金の組成に、アルミニウムを全く含有しないことが、よ
り好ましい。

【００２３】請求項４に記載の光学素子は、請求項１乃
至３のいずれかに記載の光学素子成形金型を用いて成形
されることによって、高精度の光学面形状を形成される
ことができる。

【００２４】請求項５に記載の光学素子は、プラスチッ
ク材料を素材とすると、前記光学素子成形金型を用いた
成形に適している。

【００２５】請求項６に記載の光学素子は、ガラス材料
を素材とすると、前記光学素子成形金型を用いた成形に
適している。

【００２６】請求項７に記載の光学素子は、レンズであ
ると好ましい。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。図４は、光学素子である
レンズを成形するための光学素子成形金型を示す断面図
である。例えば非晶質合金ＭＧから形成し光学成形面１
０ａに機械加工を施して形成された光学素子用金型１０
と、同様にして形成した光学素子用金型１１とを、それ
ぞれ光学成形面１０ａ、１１ａ同士を対向させるように
して、ダイセット金型１３，１４に挿入し、溶融したプ
ラスチック材料ＰＬを光学素子用金型１０，１１間に射
出し、更に冷却することで、所望の形状のレンズを得る
ことができる。

【００２８】（実施例）図５に示すのは、非晶質合金Ｐ
ｄ_４０Ｃｕ_３０Ｎｉ_１０Ｐ_２０を加熱軟化させてプレス
成形後に、ダイアモンド切削した表面の微分干渉顕微鏡
による観察結果である。従来の非晶質合金の観察結果で
ある図１及び図２と比較すると、極めて平滑で良好な光
学成形面が創成されているのがわかる。この表面粗さ
は、Ｒｚ２．０６ｎｍであった。ここで、表面粗さＲｚ
とは、ＪＩＳＢ０６０１（１９８２）に準拠して測定し
た十点平均粗さをいう。図５をさらに拡大しＡＦＭでの
観察結果を示したものが図６であり、これから明らかな
ように粒状の構造は全く見られない。従って、パラジウ
ム系の金属材料を加熱プレス成形しても酸化粒子は発生
せず、金型光学面転写面の成形やダイアモンド切削によ
る創成において、極めて良好な表面性が容易に得られる
ことがわかった。光学素子成形金型の材料である非晶質
合金の構成成分（Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐ）の含有量を適
宜変更した場合にも、Ｐｄの含有量３０〜５０ｍｏｌ％
の範囲で著しく酸化性の改善が見られる以外は、同様の
効果が得られた。また、Ｐｄ以外の構成成分を増減した
り、変更したりする場合にも、それらと同様の結果であ
った。また、アルミニウムの含有量を３ｍｏｌ％以下に
抑えた非晶質合金で、光学成形面を形成した場合、粒状
の構造を著しく減少できることが確認された。

【００２９】

【発明の効果】本発明によると、高被削性、加熱プレス
成形性、高硬度、高強度などの非晶質合金の優れた特徴
を活かしながら、表面粗さの優れた光学成形面を有し、
高効率、高精度、かつ安価に光学素子を成形できる光学
素子成形金型及び、それに基づき形成された光学素子を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】無電界ニッケルメッキをダイアモンド切削した
表面（平面）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した結
果を示す顕微鏡写真である。

【図２】非晶質合金Ｚｒ_６０Ｃｕ_３０Ｎｉ_５Ａｌ_５で、
光学素子成形金型のブランク形状を加熱プレス成形した
後に、光学成形面をダイアモンド切削で仕上げ、その被
削面を微分干渉顕微鏡で観察した観察結果を示す顕微鏡
写真である。

【図３】従来技術の同じ切削サンプルのＳＥＭ写真に、
ＥＰＭＡで検出したＡｌ分布像を重ねて示す合成画像で
ある。

【図４】光学素子であるレンズを成形するための光学素
子成形金型を示す断面図である。

【図５】非晶質合金Ｐｄ_４０Ｃｕ_３０Ｎｉ_１０Ｐ_２０を
加熱軟化させてプレス成形後に、ダイアモンド切削した
表面の微分干渉顕微鏡による観察結果を示す顕微鏡写真
である。

【図６】図５をさらに拡大しＡＦＭでの観察結果を示し
た図である。

【符号の説明】

１０、１１ 光学素子成形金型 １３，１４ ダイセット ＭＧ 非晶質合金

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 過冷却液体域を有する非晶質合金を用い
   て形成された光学素子成形金型であって、前記非晶質合
   金の組成に、パラジウムを有することを特徴とする光学
   素子成形金型。
2. 【請求項２】 前記非晶質合金の組成に、前記パラジウ
   ムを３０ｍｏｌ％以上５０ｍｏｌ％以下の割合で含有す
   ることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形金
   型。
3. 【請求項３】 前記非晶質合金の組成に、アルミニウム
   を３ｍｏｌ％以下の割合で含有することを特徴とする請
   求項１又は２に記載の光学素子成形金型。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の光学
   素子成形金型を用いて成形したことを特徴とする光学素
   子。
5. 【請求項５】 プラスチック材料を素材とすることを特
   徴とする請求項４に記載の光学素子。
6. 【請求項６】 ガラス材料を素材とすることを特徴とす
   る請求項４に記載の光学素子。
7. 【請求項７】 レンズであることを特徴とする請求項４
   乃至６のいずれかに記載の光学素子。