JP2006124214A - 光学素子の成形方法及び光学素子成形用型 - Google Patents

Abstract

【課題】光学ガラスの直接プレス法により、光学性能の良い高精度な光学ガラス素子の成形を短いタクトで可能にするためのプレス成型用型を提供すること。
【解決手段】耐熱性があり、加工性に優れた材料をプレス成形用型の母材とし、これを成形すべき光学ガラス素子型形状の押し型に加工し、更にその上に均一な厚みで炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜を形成した一対の型を用い、成形すべきガラスをその軟化温度以上に加熱後、加圧成形して光学ガラス素子を得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学ガラス素子の製造方法に関し、特にプレス成形後、磨き工程等を必要としない光学ガラス素子の直接プレス成形方法及びその成形用型に関するものである。

近年、光学ガラスレンズは、光学機器のレンズ構成の簡略化とレンズ部分の軽量化の両方を同時に達成し得る非球面化の傾向にある。この非球面レンズの製造には、従来の光学レンズ製造方法である光学研磨法では加工性及び量産性に劣り、直接プレス成形法が有望視されている。

この直接プレス成形法というのは、予め所望の面品質及び面精度に仕上げた非球面のモールド型の上で光学ガラスの塊状物を加熱、或いは予め加熱してあるガラスの塊状物をプレス成形して、プレス成形後、それ以上の研磨や磨き工程を必要とせず光学レンズを製造する方法である。

しかしながら、上述の光学ガラスレンズの製造方法は、プレス成形後、得られたレンズの像形成品質が損なわれない程度に優れていなければならない。特に、非球面レンズの場合、高い精度で成形できることが要求される。又、量産性を考慮すると高い温度での型とガラスの離型性が良く、短いタクトで生産できることが要求される。

従って、型材料としては、高い温度でガラスに対して化学作用が最小であること、型のガラスプレス面に擦り傷などの損傷を受けにくいこと、熱衝撃による耐破壊性能が高いこと、型とガラスの密着力低いこと等が必要である。

以上のような光学ガラス素子のプレス成形用型に必要な条件を、ある程度満足する型材料として、特許文献１、２に示されるように、超硬合金或いは耐熱性の材料の上にイリジウム−レニウム又はイリジウム−オスミウム又はイリジウム−レニウム−オスミウム合金を主成分とする薄膜をコーティングした型が提案されている。又、特許文献３には炭素を２０〜５０ｗｔ％含むイリジウムーレニウム化合物を主成分とする薄膜をコーティングした型が提案されている。

特開平４−１６４１５号公報 特開平４−８１５３０号公報 特開平６−８８８０３号公報

しかしながら、上述の従来の型材料（特開平４−１６４１５号公報、特開平４−８１５３０号公報）では、上述の条件を全て満足するものではない。例えば、上述の型材料は、高い温度でガラスに対して化学作用が最小であり、型のガラスプレス面に擦り傷等の損傷を受けにくく、熱衝撃による耐破壊性能が高いが、大きな欠点として、型とガラスの密着力が高いため、生産タクトを短くするために比較的高い温度で型から成形されたガラス素子を取り出そうとしても型にレンズが強固に付着して取り出せず、無理に取り出すと成形品が割れたり、成形品に型の上にコーティングしてある膜が剥がれて張りついてしまうことがある。

又、特開平６−８８８０３号公報中では、Ｉｒ−Ｒｅ−Ｃ（２０〜５０ｗｔ％）は高い耐酸化性、耐熱性、耐アルカリ性を示し、且つ、ガラスとのぬれ性が少ないと述べられているが、このＣの量はａｔｏｍ％にすると７９〜９４ａｔｏｍ％であり、通常Ｒｅ、Ｉｒに対するＣの固溶度はこれほど高くないため（例えば、「改定３版金属便覧
日本金属学会編 丸善(株)Ｐ８５５」参照）、この化合物は侵入型固溶体ではあり得ない。

一方、炭化イリジウムや炭化レニウムが安定に存在するというデータは存在しないので、侵入型化合物とも考えられない。この組成では、炭素の方が金属成分（Ｉｒ、Ｒｅ）よりも大幅（４〜１６倍）に多く、侵入型化合物(金属の格子間に炭素が入る化合物)ではあり得ない。従って、仮にこの組成の物質を型の上にコーティングすることができたとしても、この物質は安定なものではあり得ず、型を加熱するだけで分解するような型材として不適当なものであると思われる。

本発明は、上記問題点に鑑み、光学ガラスの直接プレス法により、光学性能の良い高精度な光学ガラス素子の成形を短いタクトで可能にするためのプレス成形用型を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、耐熱性があり、加工性に優れた材料をプレス成形用型の母材とし、これを成形すべき光学ガラス素子型形状の押し型に加工し、更にその上に均一な厚みで、炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜を形成した一対の型を用い、不活性ガス雰囲気或いは真空下において成形すべきガラスをその軟化温度以上に加熱後加圧成形して光学ガラス素子を得ることを特徴とする光学ガラス素子の成形方法である。

上記構成において、耐熱性があり、加工性に優れた材料をプレス成形用型の母材とするので母材に要求される性能としては十分であり、更に本発明の炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンでは格子間に炭化物を持つアモルファスカーボンであるので、アモルファスカーボンの低摩擦係数でガラスとの密着力が低い性能を維持しつつ、炭化物を含まない場合と比較して硬さが増大するため母材上にコーティングされる薄膜は十分に硬く耐擦り傷性も十分である。ガラスとの密着力を著しく低下し、成形品の型離れ性を著しく向上させるアモルファスカーボンの性質と炭化物の硬さの両方が得られるのである。

又、本発明は、耐熱性があり、加工性に優れた材料をプレス成形用型の母材とし、これを成形すべき光学ガラス素子型形状の押し型に加工し、更にその上に均一な厚みで、炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜を形成した一対の型を用い、不活性ガス雰囲気或いは真空下において、成形すべきガラスをその軟化温度以上に加熱後加圧成形して光学ガラス素子を得ることを特徴とする光学ガラス素子成形用型である。

上記構成において、耐熱性があり、加工性に優れた材料をプレス成形用型の母材とするので母材に要求される性能としては十分であり、更に本発明のコーティング膜は格子間に炭化物を持つアモルファスカーボンであるので、アモルファスカーボンの低摩擦係数でガラスとの密着力が低い性能を維持しつつ、炭化物を含まない場合と比較して硬さが増大するため母材上にコーティングされる薄膜は十分に硬く耐擦り傷性も十分である。ガラスとの密着力を著しく低下し、成形品の型離れ性を著しく向上させるアモルファスカーボンの性質と炭化物の硬さの両方が得られるのである。

更に、本発明は、前記請求項１に記載のコーティング膜は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）から選ばれた１種以上で構成された炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜であることを特徴とする光学ガラス素子の成形方法である。

炭化物の比率は、適宜設定されるが、カーボン量が１ａｔｏｍ％より少ないと、ガラスとの密着力を下げる効果が十分ではなく、９９ａｔｏｍ％よりも多いと炭化物による硬度アップ効果が十分でなくなり、型材としての耐久性を失う。炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）から選ばれた１種以上としたのは、これらの炭化物が比較的高い温度で安定であり、硬度が高いからである。即ち、本発明の炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜が高い硬度を発現し、且つ、ガラスを成形する温度でも安定であるためには上述の炭化物が最適であるということである。

又、本発明は、前記コーティング膜は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）から選ばれた１種以上で構成された炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜であることを特徴とする光学ガラス素子の成形型である。

炭化物の比率は、適宜設定されるが、カーボン量が１ａｔｏｍ％より少ないと、ガラスとの密着力を下げる効果が十分ではなく、９９ａｔｏｍ％よりも多いと炭化物による硬度アップ効果が十分でなくなり、型材としての耐久性を失う。炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）から選ばれた1種以上としたのは、これらの炭化物が比較的高い温度で安定であり、硬度が高いからである。即ち、本発明の炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜が高い硬度を発現し、且つ、ガラスを成形する温度でも安定であるためには上述の炭化物が最適であるということである。

又、本発明は、プレス成形用型母材として、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、又は快削性セラミックスからなる切削加工層を成形面に持つ超硬合金、又は窒化ホウ素含有窒化珪素を用いた事を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光学ガラス素子成形用型である。

上記構成において、超硬合金は放電加工が可能であるばかりでなく、一般的な研削加工を行う場合においても、従来、ガラスレンズ成形用の型として用いられた炭化珪素や窒化珪素よりも、容易に高精度な型形状の加工ができる特徴がある。又、快削性セラミックス、窒化ホウ素含有窒化珪素は十分な強度と硬さを持ちながら、切削加工が可能なため、精密加工が容易にできる。更に、加工に特殊な装置も必要ない。加工時間も短くて済む。従って、金型コストを非常に低くすることができる。更に、切削加工でしか作れない面の作製も可能となった。又、メッキ層を形成して、その層を切削加工する方法と比較すると、この母材は耐熱性に優れるため、高融点ガラスの成形にも使用でき、メッキと違い剥がれることがない。

本発明では、上記の構成によって、従来の型材料では実現できなかった前記の必要条件を全て満足した型を得ることができ、この型を用いることによって、光学ガラス素子を直接プレスして成形することが可能となる。

本発明によれば、耐熱性があり、加工性に優れた材料をプレス成形用型の母材とし、これを成形すべき光学ガラス素子型形状の押し型に加工し、更にその上に均一な厚みで、炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜を形成した一対の型を用い、不活性ガス雰囲気或は真空下において成形すべきガラスをその軟化温度以上に加熱後加圧成形して光学ガラス素子を得るので、ガラス光学素子の成形方法として理想的な方法である。
又、本発明によれば、耐熱性があり、加工性に優れた材料をプレス成形用型の母材とし、これを成形すべき光学ガラス素子型形状の押し型に加工して、その上に均一な厚みで、炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜を形成する事によって、前述した光学ガラス成形用型材料としての必要条件を全て満足した光学ガラスのプレス成形用型を提供したものであり、高精度な光学ガラス素子を極めて短いタクトで大量に製造するために極めて有効である。

更に、本発明によれば、前記請求項１記載のコーティング膜は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）から選ばれた１種以上で構成された炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜であるのでガラス光学素子の成形方法として理想的な方法である。

又、本発明によれば、前記コーティング膜は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）から選ばれた１種以上で構成された炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜であるので、ガラス光学素子の成形用型として理想的である。

又、本発明によれば、プレス成形用型母材としてタングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、又は快削性セラミックスから成る切削加工層を成形面に持つ超硬合金、又は窒化ホウ素含有窒化珪素を用いたので、型の加工に要する時間、コストの大幅な削減が可能となった。

以下、本発明の光学素子の製造方法の１つの実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、直径１６ｍｍの超硬合金を、曲率半径が１０ｍｍの凹形状のプレス面を有する上下の型から成る一対の光学ガラスレンズのプレス成形用型形状に加工した。

これらの型のプレス面を０．１μｍのダイヤモンド砥粒を用いて鏡面に研磨した。次に、この鏡面上に、ＲＦリアクターを用いて、ＰＶＤ法とＣＶＤ法を組み合わせて、図４に示す炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜を形成して、ガラスプレス用の型を作製した。

より詳細には、チャンバーを１０−４Ｐａまで減圧した後、型に０〜１００Ｖのバイアス電圧を掛け、アルゴンプラズマ(３２ｓｃｃｍ)でバイアス電圧が−２ｋＶ掛かった炭化物のターゲットをスパッターしながら、エチレンガス（Ｃ２Ｈ２）を少量（０〜１５％：Ａｒに対する比率、この比率を変えることで炭化物層とカーボン層の比率を変える）真空チャンバー中に導入することで図４に示す炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜を形成した。尚、成膜中型はヤトイに保持され回転運動をしている。

次に上述のようにして得られた図４に示す型により光学素子の成形を行った。

ガラスはホウケイ酸ガラスＳＫ１２（ｎｄ＝１．５８３１３、νｄ＝５９．４、転移点Ｔｇ＝５５０℃、屈伏点Ａｔ＝５８８℃、組成は図５参照）及びランタン系ガラスＬａＫ１２（
ｎｄ＝１．６７７９０、νｄ＝５５．３、転移点Ｔｇ＝５５４℃、屈伏点Ａｔ＝５９６℃、組成は図６参照）を用い、ボールレンズに加工した。

図２は成形テストに用いた装置の概略を示す。

図２において、２４はチャンバー、２５は上軸、２６は下軸、２７はヒーターを内蔵したブロック（ヒーターブロック）、２８はヒーターブロック、２９は上型、３０は下型、３１はガラス、３２は油圧シリンダーである。

チャンバー２４を不図示の真空ポンプによって真空引きした後、Ｎ２ガスを導入し、チャンバー２４内をＮ２雰囲気にした後、ヒーターブロック２７、２８により上型２９、下型３０を加熱し、成形するガラスの粘度で１０-９ｄ・Ｐａ・ｓに対応する温度（ＳＫ１２：６３０℃，ＬａＫ１２：６１５℃）になったら、油圧シリンダー３２により上軸２５を引き上げ、下型３０の上に不図示のオートハンドにより成形素材（ボールレンズ）を置いた。そのままの型温度で１分間保持した後、油圧シリンダー３２により上軸２５を降下させ、上型２９と下型３０でボールレンズを３０００Ｎの力で３分間プレスした。その後、７０℃／分で冷却を行い、上下型温度が５４０℃になった時点で上型２９を上昇させ、不図示のオートハンドで下型３０上の成形品３１を取り出し、続いて不図示の置換装置を通して成形品３１をチャンバー２４より取り出した。再び上下型を加熱し、上記操作を繰り返し、５０００ショット成形を行った。

図４に示す全ての型（実施例１〜３０）で良好な成形性が得られた。

一方、カーボンの比率を１ａｔｏｍ％未満としたもの（比較例１〜８；０％を含む）は、型とガラスの密着力が高く、５４０℃では型からレンズを取り出すことができず、無理に取り出したところ、レンズが割れてしまった。又、割れたレンズに型表面の膜が張りついてきたものもあった。又、カーボンの比率を９９ａｔｏｍ％以上としたもの（比較例９〜１３；１００％を含む）は成形ショット数が約３００ショットに達した時点で膜が摩滅、消耗し、型として耐久性に問題があった。

又、図３に示すような、研削研磨できない形状の階段状の型を超硬工具による切削加工により加工後、プレス面をダイヤモンドバイトによる切削加工により非常に高精度に仕上げた。尚、このときに用いた型母材は超硬合金ではなく、切削加工可能な材料とした（例えば、超硬合金製の母材上に設けられた快削性セラミックス、ＢＮ含有窒化珪素等）。

この型についても、上記と同様の試験を行ったが全く同じ結果が得られた。尚、この成形品は回折格子の一種であり、所謂、微細光学素子の一例である。

尚、ここで言う研削研磨では加工できない形状とは、自由曲面を持つ素子（所謂自由曲面素子）、微細なパターンを持つ素子（所謂微細光学素子）、各種形状（球面や非球面や平面等）が組み合わされて研磨では作製不可能若しくは貼り合わせの複雑な形状の型になってしまうもの、及びこれらの組み合わさった形状のことを示す。

本発明の実施の形態を示す概略断面図である。 光学素子のプレス成形装置の概略断面図である。 光学素子のプレス成形型の概略断面図である。 本発明の実施の形態の膜の物性と測定結果を示す表である。 本発明の実施の形態に使用するガラスの物性を示す表である。 本発明の実施の形態に使用するガラスの物性を示す表である。

符号の説明

１ 型母材
２ コーティング膜（プレス面）
２４ チャンバー
２５ 上軸
２６ 下軸
２７ ヒーターブロック
２８ ヒーターブロック
２９ 上型
３０ 下型
３１ ガラス
３２ 油圧シリンダー

Claims (5)

1. 耐熱性があり、加工性に優れた材料をプレス成形用型の母材とし、これを成形すべき光学ガラス素子型形状の押し型に加工し、更にその上に均一な厚みで、炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜を形成した一対の型を用い、不活性ガス雰囲気或いは真空下において成形すべきガラスをその軟化温度以上に加熱後加圧成形して、光学ガラス素子を得ることを特徴とする光学ガラス素子の成形方法。
2. 前記コーティング膜は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）から選ばれた１種以上で構成された炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜であることを特徴とする請求項1記載の光学ガラス素子の成形方法。
3. 耐熱性があり、加工性に優れた材料をプレス成形用型の母材とし、これを成形すべき光学ガラス素子型形状の押し型に加工して、その上に均一な厚みで、炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜を形成したことを特徴とする光学ガラス素子成形用型。
4. 前記コーティング膜は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）から選ばれた１種以上で構成された炭化物を含有する水素化アモルファスカーボンのコーティング膜であることを特徴とする請求項３記載の光学ガラス素子成形用型。
5. プレス成形用型母材として、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、又は快削性セラミックスから成る切削加工層を成形面に持つ超硬合金、又は窒化ホウ素含有窒化珪素を用いたことを特徴とする請求項３項記載の光学ガラス素子成形用型。

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