JP2005112672A

JP2005112672A - ガラス成形型

Info

Publication number: JP2005112672A
Application number: JP2003349274A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takahashi; 正行高橋
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】ガラス成形において、ガラスと反応することなく、離型性が良好で、長寿命な成形型を提供する。
【解決手段】ガラスを成形する部材をアモルファスカーボン１にて構成し、このアモルファスカーボン１とＳｉＣなどのセラミックス製の基材２を、ＳｉＣなどの炭化膜３と銀ロウなどの金属結合材４にて接合して成形型５とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学機器に使用するレンズ、ミラー、プリズム等のガラス素子を成形するためのガラス成形型に関するものである。

従来から、ガラスの成形型材として炭素材を使用するアイデアは知られていた（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、工業的に成形型を製作するには、ある程度物理的なサイズが必要であるが、ガラス成形に適したアモルファスカーボンは、一般的に５ｍｍ程度の厚みの板状の素材しか製作できない。その故に、アモルファスカーボンが、耐熱性、ガラス素材との反応性の少なさ、離型性の良さなど、ガラス成形型に使用する上でのメリットを有することが古くから知られていたにも関わらず、工業的には利用されていなかった。

工業的に実用化されたガラス成形型素材としては、耐熱性、強度面から、超硬、セラミックスが主に使用され、ガラスと直接接する成形面には白金系の合金膜やダイヤモンド等の薄膜が施されていた。そのために、素材として耐熱性と強度に優れた材料を用いていても、成形面の薄膜が剥がれたりして成形型の寿命が短いという問題があった。

そこで、元に立ち返ってアモルファスカーボンを成形型として使用する試みがなされている。例えば、アモルファスカーボンを基材としてのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）にニッケルロウで接合した成形型が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、この例では、ニッケルロウとアモルファスカーボンは接合できないので実現性は全くなく、接合できたとしても、アモルファスカーボンとＳＵＳ３０４とでは熱膨張差が大きいので、６００℃付近まで昇温すると、剥離することが充分予想され、実現性はない。

また、アモルファスカーボンをカーボンからなる基材にカーボン系接着剤で接合した成形型が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

しかし、この例では、カーボン系接着剤とアモルファスカーボンの接合強度が不充分で、実用的でない。

さらに型基材のカーボン材の強度が不足し、ガラス成形型として実用しないことは、明白である。

また、アモルファスカーボンと炭化珪素基材との間に、炭化珪素とアモルファスカーボンから成る傾斜層を設けるアイデアも提案されている（例えば、特許文献４参照。）。
特開昭４７−１１２７７号公報特開平６−３４０４３５号公報特許第２６２６８８０号公報特開２００１−３３５３３４号公報

しかしながら、アモルファスカーボンを製作するには、一般に３ｍｍ程度の厚みのもので１ヵ月程度かかることが知られているため、特許文献４に開示されたアイデアを実現するためには、１ヵ月以上の時間と傾斜層を形成する装置を含めて多大な設備コストが必要となり、実験用途では可能であっても工業的には実用的でないという問題がある。

また、成形型の基材に金属やセラミックスを使用した場合、成形面にガラスとの反応や融着を防止する保護膜が必要となり、その保護膜で寿命が決まり、かつその保護膜は薄膜なので複雑な形状に付けることが困難で、基材の形状通り薄膜が付かないこともあり、制約が多いという問題があり、さらに多結晶膜の場合元の基材の表面粗さよりも成膜後の表面粗さの方が悪くなるという問題もある。

また、アモルファスカーボンをガラス成形型に使用する場合は板状の素材なので、そのままでは制約が多く、成形型にできない。そこで、金属やセラミックスと結合して型構造とすることになるが、アモルファスカーボンは基本的に反応性の低い素材なので、容易に接合できないという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、高温下のガラスと反応して融着することなく、離型性の良い、長寿命なガラス成形型を提供することを課題とする。

本発明のガラス成形型は、アモルファスカーボンから成るガラス成形部とセラミックスから成る基材を接合したガラス成形型において、接合部が炭化膜と金属結合材から成るものである。

この構成によると、ガラス成形部をアモルファスカーボンにて構成しているので、高温下のガラスと反応して融着することなく、また離型性の良いガラス成形型を得ることができ、またこのガラス成形部のアモルファスカーボンの表面に炭化膜を接合することで剥離強度の高い接合ができるとともに、この炭化膜とセラミックスから成る基材を金属結合材にて接合することで高い強度の接合ができるので、アモルファスカーボンのガラス成形部とセラミックスの基材を炭化膜と金属結合材を介することで剥離する恐れなく接合できて長寿命のガラス成形型を得ることができる。

前記炭化膜はアモルファスカーボンにＣＶＤ法により成膜した炭化珪素膜から成り、金属結合材は銀を主成分として銅、チタンを加えたロウ材から成るものが好適である。

本発明のガラス成形型によれば、アルモファスカーボンから成るガラス成形部とセラミックスから成る基材との接合部が、炭化膜と金属結合材からなるので、ガラスとの反応もなく、離型性が良く、長寿命なガラス成形型を実用化できる。

以下、本発明のガラス成形型の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。

図１において、１はアモルファスカーボンから成るガラス成形部、２はセラミックスから成る基材である。３はガラス成形部１の基材２との接合面上にＣＶＤ法で成膜したＳｉＣ膜である。４はＳｉＣ膜３と基材２を接合する銀ロウである。このようにアモルファスカーボンから成るガラス成形部１とＳｉＣから成る基材２をＳｉＣ膜３を介して銀ロウ４で接合してガラス成形型としてのガラス成形用パンチ５が構成されている。

アモルファスカーボンから成るガラス成形部１は反応性が低いので、そのままではロウ材や接着剤でも充分な接合強度を得ることはできない。そこで、本実施形態では、アモルファスカーボンから成るガラス成形部１の接合面を改質している。具体的には、ガラス成形部１の表面にＳｉＣ膜３をＣＶＤ法により成膜し、アモルファスカーボンから成るガラス成形部１の表面をＳｉＣ膜３でコートした。成膜したＳｉＣ膜３の厚さは２０μｍである。アモルファスカーボンの主成分は説明するまでもなく、炭素であるため、ＳｉＣ膜３をコートした場合付着強度が高く、界面での剥離等の発生も少ない。

ＣＶＤ法でＳｉＣ膜３をコートする時のアモルファスカーボンから成る基板の温度は、９００℃にも達し、冷却過程でＳｉＣ膜３とアモルファスカーボンの熱膨張率差によるクラックの発生が懸念されたが、問題にならなかった。この事実からもＳｉＣ膜３とアモルファスカーボンの付着強度が高いことが分かる。

基材２のセラミックスとしてはＳｉＣが好適である。その理由は、ＳｉＣが熱伝導率が高く、機械加工時の面粗さに関して高い精度が得易いということにある。採用したＳｉＣの熱伝導率は２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）で、一般的なセラミックス材料のＡｌＮ（窒化アルミ）よりも熱伝導率が優れた高性能な材料である。

アモルファスカーボンから成るガラス成形部１にコートしたＳｉＣ膜３とＳｉＣから成る基材２の結合には、ロウ付け法を適用した。事前実験の結果、銀ロウ、特にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金をロウ材に用いると、十分な接合強度が得られることを確認した。事前実験は、ＳｉＣコート付きアモルファスカーボンとＳｉＣ基材をＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉによるロウ付けをして、接合面を剪断する実験により強度測定した。その結果６０ＭＰａ以上の剪断強度が得られ、かつその剪断面は何れもアモルファスカーボン内で破壊していた。このことより、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉのロウ付け部の強度は、アモルファスカーボンよりも高いことが分かる。

アモルファスカーボンとセラミックス基材を銀ロウで接合した後、必要な精度となるように機械加工して仕上げることで、アモルファスカーボンから成るガラス成形部１とＳｉＣから成る基材２を接合して成る、ガラス成形型としてのガラス成形用パンチ５を作製することができる。また、その作製工程の個々の技術は充分工業的に確立されたものであり、短時間で有効なガラス成形用パンチ５を得ることができる。

以上の説明では、アモルファスカーボン１に接合するために、ＳｉＣ膜３をＣＶＤ法で成膜したが、必ずしも炭化珪素である必要はなく、他の炭化物でも良い。また、それぞれの膜に適したロウ材、すなわち金属結合材を選ぶことで必要な接合強度を得ることができる。

本実施形態において、アモルファスカーボン１上にＳｉＣ膜３を成膜した理由は、多くの実績があって充分な付着強度が得られることが分かっていたことによる。また、基材２のセラミックスとしてＳｉＣを用いたのも、熱伝導率や熱膨張率などの面で使用実績があったことによるが、炭化珪素の代わりに窒化アルミを用いても同様の効果が得られることを確認している。

次に、上記のようにして作製したガラス成形用パンチ５を、図２に示すように、組み合わせて、ガラスレンズを成形する。図２において、一対のガラス成形用パンチ５を上下に対向配置し、その周囲に相対摺動自在にスリーブ６を外嵌させている。また、各ガラス成形用パンチ５の上下端からヒータ７にて加熱し、上下からプレス力を負荷できるように構成されている。そして、図２（ａ）に示すように上下のガラス成形用パンチ５のガラス成形部１の間にガラス素材８を配置した後、ヒータ７で加熱し、プレス力を負荷することでガラス素材８を変形させ、図２（ｂ）に示すように所定の形状のガラスレンズ９を成形する。このとき、ガラス素材８は、アモルファスカーボンから成るガラス成形部１に接するだけなので、ガラス付着も生じることなく、成形後の離型性も良好である。

以上のように本実施形態によれば、アルモファスカーボンから成るガラス成形部とセラミックスから成る基材との接合部が、炭化膜と金属結合材からなるので、ガラスとの反応もなく、離型性が良く、長寿命なガラス成形型を実用化できる。また、何らかの理由により成形型の再加工の必要が生じても、削り込むことで再生できるため低コストとなり、リードタイムも速いという優れたガラス成形型を実現することができる。

本発明のガラス成形型は、ガラスとの反応もなく、離型性が良く、長寿命なガラス成形型を実用化できるので、光学機器に使用するレンズ、ミラー、プリズム等のガラス素子の高温下での成形に有用である。

本発明の一実施形態のガラス成形型の概略構成を示す縦断面図である。同実施形態のガラス成形型を用いたガラス成形工程の模式図である。

符号の説明

１アモルファスカーボンから成るガラス成形部
２セラミックから成る基材
３ＳｉＣ膜（炭化膜）
４銀ロウ（金属結合材）
５ガラス成形用パンチ（ガラス成形型）

Claims

アモルファスカーボンから成るガラス成形部とセラミックスから成る基材を接合したガラス成形型において、接合部が炭化膜と金属結合材から成ることを特徴とするガラス成形型。
炭化膜はアモルファスカーボンにＣＶＤ法により成膜した炭化珪素膜から成り、金属結合材は銀を主成分として銅、チタンを加えたロウ材から成ることを特徴とする請求項１記載のガラス成形型。