JP2007055870A - 光学素子成形型 - Google Patents

Abstract

【課題】割れやカン等の不良が発生しにくく、高い良品率で光学素子を製造することができる光学素子成形型を提供する。
【解決手段】光学素子成形型１は成形面１３を有する。成形面１３は第１成形面１４と第２成形面１５とを含む。第１成形面１４は成形面の中央部分に位置する。第１成形面１４は光学素子の光学機能面を形成するための面であり、凹状又は凸状である。第２成形面１５は第１成形面１４の外周に連なるように設けられている。第１成形面１４の表層と第２成形面１５の表層とは相互に異なる材料からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は光学素子成形型及びそれを用いた光学素子の製造方法に関する。

近年、ガラス光学素子の製造方法として、精密プレス成形法が注目されている。精密成型法とは、セラミックスや金属材料で形成された成形型を用いて加熱・軟化されたガラス母材をプレス成形することにより光学素子を得る方法である。

ガラス母材のプレス成形工程では、ガラス母材及び成形型がガラスの軟化点近傍といった高い温度にまで加熱される。そのため、成型された光学素子と成形型とが融着するおそれがある。このような問題に鑑み、例えば特許文献１には、成型面の全面がイリジウム等によりコーティングされた超硬合金製の金型が開示されている。
特開平５−１７８６２７号公報

しかしながら、成型面の全面がイリジウム等によりコーティングされた成形型を用いて光学素子を形成する場合、割れやカン（ヒビ）等の不良が発生しやすく、十分に高い良品率が得られないという問題がある。この問題は、硬度・剛性が低いリン酸塩系ガラス、弗リン酸塩系のガラス製の光学素子を形成する場合に特に顕著に表れる。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、割れやカン等の不良が発生しにくく、高い良品率で光学素子を製造することができる光学素子成形型を提供することにある。

本発明に係る光学素子成形型は、ガラス母材をプレスして光学機能面を有する光学素子を成形するためのものである。本発明に係る光学素子成形型は、成形面を有し、その成形面は第１成形面と第２成形面とを有する。第１成形面は成形面の中央部分に位置する。第１成形面は光学素子の光学機能面を形成するための面であり、凹状又は凸状である。一方、第２成形面は第１成形面の外周に連なるように設けられている。本発明に係る光学素子成形型では、第１成形面の表層と第２成形面の表層とは相互に異なる材料からなる。

第２成形面は第１成形面よりもガラス母材に対する離型性が高い性質を有することが好ましい。例えば、第１成形面の表層が実質的に貴金属合金からなる一方、第２成形面の表層が実質的にイリジウム又は炭素からなるものであってもよい。尚、貴金属合金とは、イリジウム（Ｉｒ）中にレニウム（Ｒｅ）及びオスミウム（Ｏｓ）のうち少なくとも一方を含む合金を主成分とする合金をいう。

本発明に係る光学素子成形型では、第２成形面が第１成形面との接触端から半径方向外方に向かって上方又は下方に傾斜するテーパー面に形成されていることが好ましい。具体的には、第２成形面は第１成形面の周縁接続端とのなす角度が３度以上６度以下であることが好ましい。

本発明に係る光学素子の製造方法は、本発明に係る光学素子成形型を用いてガラス母材をプレスすることにより光学素子を得ることを特徴とする。

本発明によれば、割れやカン等の不良が発生することを抑制することができるので、高い良品率で光学素子を製造することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）図１は本実施形態１に係る下型１の概略断面図である。

図２は本実施形態１に係る上型２の概略断面図である。

図３は下型１及び上型２がセットされた光学素子の製造装置３０の要部を表す概略断面図である。

尚、図１及び図２では、説明の便宜上、薄膜１１、１２、２１、２２が実際よりも厚く描画されている。

図１に示すように、光学素子成形型としての下型１は柱状（詳細には角柱状又は円柱状）である。下型１の頂面（図１において上側の面）は成形面１３に構成されている。成形面１３は、その中央部に設けられた第１成形面１４と、第１成形面１４の外周に、第１成形面１４を囲うように連接された第２成形面１５を有する。第１成形面１４は光学素子の光学機能面を形成するための面である。成形される光学素子の光学機能面が凸状である場合は第１成形面１４は凹状に形成され、一方、光学機能面が凹状である場合は第１成形面１４は凸状に形成される。第１成形面１４は球面状であっても非球面状であってもよい。

本実施形態１では、第１成形面１４の表層と第２成形面１５の表層とは相互に異なる材料で形成されている。具体的には、図１に示すように、第１成形面１４及び第２成形面１５を含む成形面１３の全体に第１薄膜１１を形成すると共に、第１成形面１４を除いて第２成形面１５のみに、第１薄膜１１とは異なる第２薄膜１２を形成してもよい。さらに具体的には、第１薄膜１１は実質的に貴金属合金からなるものであってもよい。また、第２薄膜１２は実質的にイリジウム又は炭素からなるものであってもよい。一般的に、イリジウム薄膜及び炭素薄膜はそれぞれ貴金属合金薄膜よりもガラスに対する離型性が高い性質を有する。尚、本明細書において、貴金属合金とは、イリジウム（Ｉｒ）中にレニウム（Ｒｅ）及びオスミウム（Ｏｓ）のうち少なくとも一方を含む合金を主成分とする合金をいう。具体的には、レニウム（Ｒｅ）を２重量％以上３０重量％以下含むイリジウム（Ｉｒ）合金、オスミウム（Ｏｓ）を２重量％以上４０重量％以下含むイリジウム（Ｉｒ）合金、レニウム（Ｒｅ）を２重量％以上３０重量％以下含み、且つオスミウム（Ｏｓ）を２重量％以上４０重量％以下含むイリジウム（Ｉｒ）合金、若しくは、レニウム（Ｒｅ）を２重量％以上３０重量％以下、及び／又はオスミウム（Ｏｓ）を２重量％以上４０重量％以下含み、且つロジウム（Ｒｈ）を１重量％以上１０重量％以下含むイリジウム（Ｉｒ）合金等であってもよい。

第１薄膜１１は例えばスパッタ法等により形成することができる。第２薄膜１２は例えばスパッタ法により成形面１３の全体に薄膜を形成した後、第１成形面１４部分のみをポリッシュ（研磨）することにより形成することができる。

図２に示す光学素子成形型としての上型２は図１に示す下型１と同様に、柱状（詳細には角柱状又は円柱状）である。下型２の頂面（図２において上側の面）は成形面２３に構成されている。成形面２３は、その中央部に設けられた第１成形面２４と、第１成形面２４の外周に、第１成形面２４を囲うように連接された第２成形面２５を有する。第１成形面２４は光学素子の光学機能面を形成するための面である。成形される光学素子の光学機能面が凸状である場合は第１成形面２４は凹状に形成され、一方、光学機能面が凹状である場合は第１成形面２４は凸状に形成される。第１成形面２４は球面状であっても非球面状であってもよい。

本実施形態１では、第１成形面２４の表層と第２成形面２５の表層とは相互に異なる材料で形成されている。具体的には、図２に示すように、第１成形面２４及び第２成形面２５を含む成形面２３の全体に第１薄膜２１を形成すると共に、第１成形面２４を除いて第２成形面２５のみに、第１薄膜２１とは異なる第２薄膜２２を形成してもよい。さらに具体的には、第１薄膜２１は実質的に貴金属合金からなるものであってもよい。また、第２薄膜２２は実質的にイリジウム又は炭素からなるものであってもよい。

下型１及び上型２は、図３に示すように、成形面１３と成形面２３とが対向すると共に、成形面１３の中心軸と成形面２３の中心軸とが一致するように配置される。図３に示すように、製造装置３０は平坦な基台上に設けられた板状の第１加熱部材４を有する。第１加熱部材４の上には下型１が設置される。第１加熱部材４の内部には複数のヒーター４ａ、温度検知用の電熱対（図示せず）及び温度制御用の電熱対（図示せず）が設けられており、ヒーター４ａから供給される熱によって下型１を加熱・温度調節可能に構成されている。

第２加熱部材５は第１加熱部材４に対向するように設けられている。板状の第２加熱部材５には上型２が、成形面１３と成形面２３とが対向するように設置される。第２加熱部材５の内部には複数のヒーター５ａ、温度検知用の電熱対（図示せず）及び温度制御用の電熱対（図示せず）が設けられており、ヒーター５ａから供給される熱によって上型２を加熱・温度調節可能に構成されている。上型２が設置される面と反対側の第２加熱部材５の面は駆動軸７の一端に接続されたフランジ６に固定されている。駆動軸７の他端は例えばオイルシリンダ、エアーシリンダ、サーボモーター等の押圧手段（図示せず）に接続されており、上型２は下型１に対して（図３において上下方向に）変位可能とされている。

下型１及び上型２の周囲には、第１加熱部材４に固定された筒状の胴型３が設けられている。下型１の外径と上型２の外径とは同一とされており、胴型３の内径は下型１及び上型２の外径より若干大きくされている。すなわち、胴型３は下型１及び上型２に精密なクリアランスで嵌合しており、上型２は胴型３内部を摺動可能である。この胴型３を設けることによって下型１と上型２との心ずれ（偏心ずれ、詳細には平行偏心ずれ、傾き偏心ずれ）を抑制することができる。尚、下型１、上型２、及び胴型３は例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）等により形成することができる。

図３に示す製造装置３０の主要部分は不活性ガス雰囲気に維持されるチャンバー（図示せず）内に設けられている。

次に、この製造装置３０を用いて光学素子を成型する工程を説明する。まず、図３に示すように、下型１、上型２、及び胴型３により囲まれた空間内にガラス製の母材８を挿入する。母材８の挿入後、ヒーター４ａ、５ａを用いて下型１、上型２、胴型３、及び母材８を加熱する。加熱は母材８が軟化点近傍の温度又はそれ以上の温度になるまで行う。母材８が所定の温度まで加熱された後、押圧手段（図示せず）により上型２を（図３において下方向に）駆動し、母材８をプレス成形することにより光学素子を得る。プレス後、得られた光学素子は、上型２を介して、押圧手段（図示せず）によって所定の圧力で押圧された状態で常温近辺まで冷却され、製造装置３０から取り出される。

図４はプレス後の冷却工程を表す部分断面図である。

プレス後の冷却工程において、光学素子は温度の低下と共に収縮する。光学素子の収縮量は光学素子（レンズ）の中心から離れた箇所ほど大きくなる。具体的には、図４中に矢印で示すように、レンズの中央部分よりも第２成形面１５と接する周辺部分の方が収縮量が大きくなる。この中央部分と周辺部分との収縮量の差に起因して、冷却工程において第１成形面１４と第２成形面１５との境界部分から割れやカンが発生するおそれがある。

例えば、従来技術のように、下型の成形面全体（第１成形面及び第２成形面）にイリジウム等の薄膜を形成した場合、第１成形面の光学素子に対する離型性と第２成形面の離型性とは同一である。また、プレス工程及び冷却工程において、光学素子は下型１と上型２とによって押圧された状態にある。このため、第２成形面と光学素子との間で融着が発生しやすい。第２成形面と光学素子との間で融着が発生すると、光学素子の収縮が阻害されるため、冷却工程において第１成形面１４と第２成形面１５との境界部分から割れやカンが発生しやすくなる。

一方、本実施形態１では、第１成形面１４の表層と第２成形面１５の表層とが相互に異なる材料で形成されている。具体的には、第１成形面１４の表層は第１薄膜１１により構成されており、第２成形面１５の表層は第２薄膜１２により構成されている。上型２についても下型１と同様に、第１成形面２４の表層と第２成形面２５の表層とが相互に異なる材料で形成されている。具体的には、第１成形面２４の表層は第１薄膜２１により構成されており、第２成形面２５の表層は第２薄膜２２により構成されている。このため、第１成形面１４（２４）と第２成形面１５（２５）との成形される光学素子に対する離型性を異ならしめることができる。例えば、成形される光学素子に対する第１成形面１４（２４）の離型性よりも第２成形面１５（２５）の離型性を高くすることができる。

第１成形面１４（２４）の離型性よりも第２成形面１５（２５）の離型性を高くすることによって、第２成形面１５（２５）と光学素子との間で融着が起こることを効果的に抑制することができる。このため、冷却工程における光学素子の収縮が阻害されることを抑制することができる。従って、第１成形面１４と第２成形面１５との境界部分８ａにおける割れやカンの発生を効果的に抑制することができる。その結果、高い良品率で光学素子を製造することができる。

第１成形面１４（２４）よりも第２成形面１５（２５）の離型性を高くするために、例えば、第１薄膜１１（２１）を貴金属合金薄膜とし、且つ第２薄膜１２（２２）をイリジウム薄膜又は炭素薄膜により構成しても構わない。

尚、本明細書において、離型性が高いとは、離型温度差が小さいことをいう。以下、離型温度差の測定方法について、図５を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の方法は、複数の硝種について離型温度差を測定比較することにより、複数の硝種の離型性を相対的に評価する方法である。

図５は離型温度差を測定する工程を表す断面図である。

図５（Ａ）に要部を示す離型温度差測定装置４０は離型温度差を測定するための装置である。まず、測定装置４０の構成について説明する。測定装置４０は基台の上に設置された第１加熱部材４１と、第１加熱部材４１の上に配置された下型４２と、第１加熱部材４１に対向するように設置された第２加熱部材４６と、第２加熱部材４６の一方面側に、下型４２と対向するように設置された上型４５とを有する。第２加熱部材４６の他方面はフランジ４７に固定されている。フランジ４７は押圧手段（図示せず）に接続されており、押圧手段（図示せず）によって上型４５は下型４２に対して変位可能とされている。

下型４２は第１加熱部材４１に固定されておらず、下型４２は第１加熱部材４１に対して変位可能である。下型４２の上型４５と対向する側の表面には、評価測定する膜が成膜されている。一方、上型４５の下型４２と対向する側の面には突出部４５ａが設けられている。

第１加熱部材４１には複数のヒーター４１ａが埋設されている。同様に、第２加熱部材４６にも複数のヒーター４６ａが埋設されており、これらヒーター４１ａ及び４６ａによって下型４２及び上型４５を加熱することができる。

図５（Ａ）に示す測定装置４０の要部は不活性ガス雰囲気のチャンバー（図示せず）中に設けられている。

この装置を用いて、複数の硝種の離型温度差を測定比較することができる。尚、上型４５、下型４２の材質、上型４５の成型面の材質、上型４５の突出部４５ａの形状、下型４２の重量等は、測定比較しようとする硝種で同様でさえあればあれば、何ら限定されるものではない。下型４２及び上型４５の材質は例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）であってもよい。上型４５の表面は例えば貴金属合金でコートされていてもよい。

次に、測定装置４０を用いた離型温度差の測定工程について詳細に説明する。まず、ヒーター４１ａ、４６ａから供給される熱により、下型４２、上型４５、及び下型４２上に設置された所定体積のガラスプリフォーム４４を加熱する。加熱はガラスプリフォーム４４が成形温度に達するまで行う。ここで「成形温度」とはガラスプリフォーム４４の粘性が１０^7.65Ｐ（ポワズ）になる温度をいう。ガラスプリフォーム４４が成形温度に達した段階で、押圧手段（図示せず）を駆動させて、下型４２及び上型４５でガラスプリフォーム４４をプレスする（図５（Ａ））。プレスは上型４５の突出部４５ａがガラスプリフォーム４４に十分に食い込むまで行う。プレス完了後、押圧手段（図示せず）により、上型４５を上昇させる（図５（Ｂ））。この際、第１加熱部材４１に固定されていない下型４２は、図５（Ｂ）に示すように、ガラスプリフォーム４４及び上型４５と共に図５（Ａ）において持ち上げられる。下型４２が持ち上げられた状態でヒーター４１ａ及び４６ａの電源を切り、チャンバー（図示せず）内で冷却する。そして、下型４２が上型４５から離れ、下方に落下する際の温度を測定する（図５（Ｃ））。その結果得られた温度を成形温度から差し引いた値が離型温度差となる。尚、下型４２が持ち上がらなかった場合は離型温度差は０℃となる。

同様の実験を同様の測定装置４０を用いて、複数の硝種のガラスプリフォーム４４について繰り返し行うことにより、その複数の硝種の離型温度差を測定比較することができる。測定された離型温度差が小さいほど離型性が優れていると評価することができる。

例として、下型４２、上型４５をタングステンカーバイド（ＷＣ）とし、上型４５の表面を貴金属合金でコートした測定装置４０を用いて、硼珪酸系ガラス、硼珪酸バリウム系ガラスに対する各種薄膜の離型温度差を測定した。下記表１にその結果を示す。

表１に示す結果の通り、貴金属合金薄膜、イリジウム薄膜、炭素薄膜について離型温度差を測定比較したところ、貴金属合金薄膜が最も離型温度差が大きくなり、炭素薄膜が最も小さくなった。すなわち、炭素薄膜が最も離型性が高く（離型しやすく）、貴金属合金薄膜が最も離型性が低くかった（離型しにくかった）。

（実施形態２）図６は本実施形態２に係る下型１の概略断面図である。

図７は本実施形態２におけるプレス後の冷却工程を表す部分断面図である。

尚、本実施形態２の説明において、図２及び図３は共通に参照する。また、実質的に同じ機能を有する構成要素を共通に参照符号で説明し、説明を省略する。

本実施形態２に係る下型１は、成形面１３の形状を除いては、実施形態１に係る下型と同一の形態を有する。以下、成形面１３の形状について詳細に説明する。

本実施形態２に係る下型１では、第１成形面１４が凹面であり、第２成形面１５は第１成形面１４との接触端から半径方向外方に向かって上方（第１成形面１４の凹方向と反対方向）に傾斜するテーパー面に形成されている。言い換えれば、第１成形面１４と第２成形面１５とのなす角度（図６においてＬ１とＬ２のなす角度θ₁）が、レンズ中心面と第１成形面１４とのなす角度（図６においてＬ１とＬ３のなす角度θ₂）よりも小さい。尚、本明細書において「レンズ中心面」とは成形されるレンズ（光学素子）の光軸を法線とする面をいう。

このため、冷却工程において第２成形面１５と光学素子とが融着することがさらに効果的に抑制される。また、光学素子の収縮により、光学素子の周縁部分（第２成形面１５と接触する部分）は大きく素子中心方向に移動するが、第２成形面１５がテーパー面に形成されているため、第２成形面１５と光学素子の周縁部分との間の摩擦が抑制され、光学素子の周縁部分はスムーズに移動する。このため、図７に示すように、冷却工程において、第１成形面１４と第２成形面１５との境界部分８ａに大きな歪みが発生することを抑制することができる。従って、光学素子の割れやカンの発生が効果的に抑制される。その結果、高い良品率で光学素子を製造することができる。

本実施形態２では第１成形面１４が凹状である場合について説明したが、第１成形面１４は凸面であってもよい。第１成形面１４が凸面である場合、第２成形面１５は第１成形面１４との接触端から半径方向外方に向かって下方（第１成形面１４の凸方向と反対方向）に傾斜するテーパー面に形成されていることが好ましい。そうすることによって、光学素子と第２成形面１５との融着を効果的に抑制することができる。

また、上型２も下型１と同様に、第２成形面２５は第１成形面２４との接触端から半径方向外方に向かって上方又は下方に傾斜するテーパー面に形成されていることが好ましい。

本実施形態２のように第２成形面１５をテーパー面とすることによる効果は、第１成形面１４とレンズ中心面とのなす角θ₂が大きくなるにつれて大きくなる。言い換えれば、第１成形面１４の曲率が高くなるほど得られる効果も高くなる。このため、例えば、下型１の第１成形面１４の曲率と上型２の第１成形面２４の曲率とに差がある場合、少なくとも第１成形面の曲率の大きい方の金型の第２成形面をテーパー面とすることが好ましい。例えば、第１成形面１４の曲率の方が第２成形面２４の曲率よりも大きい場合は、第２成形面２４を少なくともテーパー面とすることが好ましい。

以上、実施形態１、２を例に挙げて説明した本発明に係る光学素子成形型はガラス製の光学素子全般の製造に有用なものである。具体的には、本発明に係る光学素子成形型は珪酸塩系ガラス、硼酸塩系ガラス、硼珪酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、硼リン酸塩系ガラス、弗リン酸塩系ガラス等からなる光学素子の製造に有用である。その中でも、割れやカンが発生しやすいリン酸塩系ガラス、弗リン酸塩系ガラス等からなる光学素子の製造に特に有用である。

以上説明したように、本発明に係る光学素子成形型を用いることにより、高い良品率で光学素子を製造することができるため、光学レンズ、光学プリズム等の光学素子の製造等に有用である。

下型１の概略断面図である。 上型２の概略断面図である。 下型１及び上型２がセットされた光学素子の製造装置３０の要部を表す概略断面図である。 実施形態１におけるプレス後の冷却工程を表す部分断面図である。 離型温度差を測定する工程を表す断面図である。 実施形態２に係る下型１の概略断面図である。 実施形態２におけるプレス後の冷却工程を表す部分断面図である。

符号の説明

１、４５ 下型
２、４２ 上型
３ 胴型
４、４１ 第１加熱部材
４ａ、５ａ、４１ａ、４６ａ ヒーター
５、４６ 第２加熱部材
６、４７ フランジ
７ 駆動軸
８ 母材
１１、２１ 第１薄膜
１２、２２ 第２薄膜
１３、２３ 成形面
１４、２４ 第１成形面
１５、２５ 第２成形面
３０ 製造装置
４０ 測定装置

Claims (6)

1. ガラス母材をプレスして光学機能面を有する光学素子を成形するための、成形面を有する光学素子成形型であって、
   上記成形面は、その中央部分に位置する、上記光学素子の光学機能面を形成するための凹状又は凸状の第１成形面と、該第１成形面の外周に連なる第２成形面とを有し、
   上記第１成形面の表層と上記第２成形面の表層とは相互に異なる材料からなる光学素子成形型。
2. 請求項１に記載された光学素子成形型において、
   上記第２成形面は上記第１成形面よりも上記ガラス母材に対する離型性が高い性質を有する光学素子成形型。
3. 請求項１に記載された光学素子成形型において、
   上記第１成形面の表層は実質的に貴金属合金からなる一方、上記第２成形面の表層は実質的にイリジウム又は炭素からなる光学素子成形型。
4. 請求項１に記載された光学素子成形型において、
   上記第２成形面は上記第１成形面との接触端から半径方向外方に向かって上方又は下方に傾斜するテーパー面に形成されている光学素子成形型。
5. 請求項４に記載された光学素子成形型において、
   上記第２成形面は上記第１成形面の周縁接続端とのなす角度が３度以上６度以下である光学素子成形型。
6. 請求項１に記載された光学素子成形型を用いてガラス母材をプレスすることにより光学素子を得ることを特徴とする光学素子の製造方法。

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