JP2007269511A

JP2007269511A - 光学ガラス用成形型およびそれを用いた光学ガラスのプレス成形法

Info

Publication number: JP2007269511A
Application number: JP2006094271A
Authority: JP
Inventors: Sunao Miyazaki; 直宮崎
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】本発明は、離型性と耐久性に優れた、精密プレス成形法に好適な光学ガラス用成形型の提供を目的とする。
【解決手段】型母材と、該型母材上に、１または２以上の層からなる保護膜とを有する、光学ガラスを成形するための金型であって、前記保護膜の最表面層が、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕからなる元素群から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことを特徴とする光学ガラス用成形型。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学ガラスの成形型、特に、プレス成形後、磨き工程等を必要としない高精度のプレス成形に使用される光学ガラス用成形型に関する。

近年、ガラスレンズなどの光学ガラス素子をプレス成形し、成形面を研磨等せずにそのまま使用する精密プレス成形法が注目されている。精密プレス成形法に使用される金型は、形状精度、表面の平滑性において高レベルものが要求されるほか、約４００〜８００℃の高温において光学ガラスと反応、密着せずに離型性に優れていること、耐擦傷性、耐熱性、耐熱衝撃性があること、などの量産時の耐久性に優れていることも要求される。

このような光学ガラス用金型として特許文献１または特許文献２には、型母材上に白金などの貴金属合金からなる表面層を形成したものが提案されているが、光学ガラスと密着しやすく離型性が充分でないため、レンズなどの光学ガラス素子が金型に強固に付着して製品を取り出せない、製品取出し時にクラックができる等の問題点がある。

また、特許文献３には、耐擦傷性や耐摩耗性の良好な型として貴金属合金中に０．０１〜１０質量％のＺｒ、ＴｉまたはＨｆ元素を添加した薄膜をコーティングした型が提案されている。しかし、提案された型でもＴｉなどは光学ガラスとの反応性が高く離型性の点では、依然として問題がある。

特開平１０−３６１２８号公報特開２００１−３２２８２７号公報特公平１−４０７８０号公報

本発明は、離型性と耐久性に優れた、精密プレス成形法に好適な光学ガラス用成形型の提供を目的とする。

本発明は、型母材と、該型母材上に、１または２以上の層からなる保護膜とを有する、光学ガラスを成形するための金型であって、前記保護膜の最表面層が、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕからなる元素群から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことを特徴とする光学ガラス用成形型を提供する。

本発明の光学ガラス用成形型（以下、本型という）は、型母材と、該型母材上に、１または２以上の層からなる保護膜とを有し、前記保護膜の最表面層が、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕからなる元素群から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含み、光学ガラスとの反応性が低いため、光学ガラスとの離型性が著しく改善される。また、前記元素を含むことにより、成形型としての耐擦傷性、耐磨耗性等の特性が向上し、耐久時間が長期化できる。

さらに、型母材として超硬合金質または炭化ケイ素質を採用することによりさらに、機械的特性、形状等の精度にも優れた成形用型となり、精密プレス成形法の好適な成形用型を提供できる。

本型は、型母材と、該型母材上に、１または２以上の層からなる保護膜とを有する、レンズなどの光学ガラス素子を成形するための型である。本型は、前記保護膜の最表面層が、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕからなる元素群（以下、Ｃｅ等元素群と略す）から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことを特徴とする。

ここで、保護膜の最表面層とは、成形時に光学ガラスと接する面を含む層をいい、型母材上の保護膜が１層からなる場合は、該１層が最表面層となり、型母材上の保護膜が２層からなる場合は、型母材から数えて２層目が最表面層となる。同様にして、保護膜がｎ層からなる場合は、型母材から数えてｎ層目が最表面層となる。保護膜が２層以上からなる場合には、型母材と接する層、すなわち、型母材から数えて１層目を型母材と保護層との密着性を上げるための層としてもよい。このような層としては、Ｔｉを含む層が好ましいものとして挙げられる。

本型の一例を図１に示す。図１は、プレス成形型の下型の縦断面図である。図１中、（１）は型母材上の保護膜が１層からなる場合であり、（２）は型母材上の保護膜が２層からなる場合である。図中、１は型母材を、２は保護膜を、３は保護膜の最表面層を、それぞれ示す。図１の（１）の場合、保護膜２は、保護膜の最表面層３でもある。

Ｃｅ等元素群は、光学ガラスとの反応性が低いため、最表面層に含まれていることで、型に光学ガラス素子が付着せずに離型しやすくなる。前記Ｃｅ等元素群の中でもＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ元素を添加すると、金型からの製品の離型性が良いので好ましく、特には、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｇｄ元素が好ましい。

また、Ｃｅ等元素群が最表面層に含まれていることで、最表面層の硬度が高くなり、成形用型の耐擦傷性や耐磨耗性が著しく向上する。Ｃｅ等元素群の中でもＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍなどは、硬度などの機械的特性の点で好ましい。最表面層が、Ｃｅ等元素群以外に第５族〜１１族の金属元素を含むものであると、機械的特性が向上して好ましい。最表面層が実質的に、第５族〜１１族の金属元素とＣｅ等元素群とからなる場合には、同様の理由でさらに好ましい。この場合には、Ｃｅ等元素群の元素の存在により最表面層の第５族〜１１族の金属元素粒子が微細化し、その結果、保護膜の最表面の組織が微細化することにより機械的特性が向上するものと思われる。

前記最表面層が、実質的に、第５族〜１１族の金属元素と前記Ｃｅ元素群から選ばれる少なくとも１種以上の元素とからなる場合は、最表面層中、Ｃｅ等元素群の元素を１〜４５ａｔｏｍ％とし、第５族〜１１族の金属元素を５５〜９９ａｔｏｍ％とするのが好ましい。Ｃｅ等元素群の元素の含有量が、１ａｔｏｍ％未満であると、光学ガラスとの密着力を下げる効果や保護膜の硬度を上げる効果が充分に得られないおそれがある。Ｃｅ等元素群の元素の含有量の下限としては、５ａｔｏｍ％が好ましく、より好ましくは１０ａｔｏｍ％である。

一方、Ｃｅ等元素群の元素の含有量が、４５ａｔｏｍ％を超えると、保護膜の最表面層の組織が粗大化して、プレス成形面の鏡面性が確保できないほか、膜が剥離し易くなる。Ｃｅ等元素群の元素の含有量の上限としては、４０ａｔｏｍ％が好ましく、３０ａｔｏｍ％とするとさらに好ましい。

同様に、第５族〜１１族の金属元素の含有量が９９ａｔｏｍ％を超えると、光学ガラスとの密着力を下げる効果や保護膜の硬度を上げる効果が充分に得られないおそれがある。第５族〜１１族の金属元素の含有量の上限としては、９５ａｔｏｍ％が好ましく、より好ましくは９０ａｔｏｍ％である。一方、第５族〜１１族の金属元素の含有量が５５ａｔｏｍ％未満であると、保護膜の最表面層の組織が粗大化して、プレス成形面の鏡面性が確保できないほか、膜が剥離し易くなる。第５族〜１１族の金属元素の含有量の下限としては、６５ａｔｏｍ％が好ましく、７５ａｔｏｍ％とするとさらに好ましい。なお、最表面層がＣｅ等元素群を含む層で、その下層が第５族〜１１族の金属元素からなる層でも、最表面層が実質的に、第５族〜１１族の金属元素とＣｅ等元素群の元素とからなる場合と同様の効果が得られる。

本型において、第５族〜１１族の金属元素としては、周期律表の第５族〜第１１族に属する金属元素であれば、特に、制限されないが、貴金属元素やＲｅ、Ｔａ、Ｗなどが好ましい元素として挙げられる。第５族〜１１族の金属元素として、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＴａおよびＷからなる金属元素群（以下、Ｉｒ等金属元素群と略す）から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素であれば、所望の特性がバランスしてより好ましい。Ｉｒ等金属元素群の中でもＩｒ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕのいずれか１種以上を含むようにすると、成形用型の耐擦傷性や耐摩耗性、耐久性の点でさらに好ましい。特に好ましくは、Ｉｒを含むようにするとよい。

本型において、前記保護膜の形成法としては、特に、制限されないが、スパッタターゲットを使用するスパッタリング法、真空蒸着法、イオン注入法などが好適な方法として挙げられる。

また、型母材に第５族〜１１族の金属元素の保護膜を付けた型で、Ｃｅ等元素群の中の元素、例えば、Ｇｄ、Ｃｅなどを含むガラスをプレス成形して、当該第５族〜１１族の金属元素層の上に、該Ｇｄ、Ｃｅが析出した層または該Ｇｄ、Ｃｅを含む層を形成して、結果として、保護膜の最表面層として、Ｃｅ等元素群の中の元素が析出した層またはＣｅ等元素群の中の元素を含む層を第５族〜１１族の金属元素層等の上に形成してもよい。

本型において、母材としては、ＷＣをメインとする超硬合金質材またはＳｉＣをメインとする炭化ケイ素質材を選択すると、機械的特性、耐熱性、鏡面性、製作性などの点で好ましい。

以下に本発明の実施例を説明する。
テストに使用した光学ガラスは、ホウケイ酸ガラスＳＫ５（屈折率ｎ_ｄ＝１．５８９、アッベ数ν_ｄ＝６１．２、転移点Ｔｇ＝５２７℃、屈伏点＝５６７℃、組成は質量％（以下、単に％と略す）で、ＳｉＯ_２：４４％、Ｂ_２Ｏ_３：１１％、Ａｌ_２Ｏ_３：４％、Ｌｉ_２Ｏ：７％、ＳｒＯ：１６％、ＣａＯ：７％、ＢａＯ：１％、ＺｎＯ：４％、ＺｒＯ_２：４％）およびランタン系ガラスＬａＳＦ０３（屈折率ｎ_ｄ＝１．８０６、アッベ数ν_ｄ＝４０．９、転移点Ｔｇ＝６１０℃、屈伏点＝６３７℃、組成は、ＳｉＯ_２：６％、Ｂ_２Ｏ_３：２１％、ＷＯ_３：４％、ＢａＯ：３％、Ａｌ_２Ｏ_３：１％、ＺｎＯ：１２％、ＺｒＯ_２：４％、Ｌａ_２Ｏ_３：３９％、Ｎｂ_２Ｏ_５：１０％）の２種類である。

［実験Ａ］
評価した金型の作成法を述べる。直径１８ｍｍ×高さ５０ｍｍの超硬合金製円柱を加工して曲率半径が１６ｍｍの凹形状のプレス面を有する上下の型からなる一対の光学ガラスレンズのプレス成形用型とした。前記上型、前記下型のプレス面を０．１μｍのダイヤモンド砥粒を用いて鏡面に研磨後、この鏡面に、スパッタリング法により、保護膜の第１層として５０ｎｍの厚さのＴｉ層を形成後、膜厚が２５０ｎｍで表１に示す組成（元素の横の数字はａｔｏｍ％）の最表面層を形成して、評価用の型とした。膜組成のバリエーションはＩｒターゲットの上に所望の組成になるように各金属のチップを所望の枚数置くことで得られた。

次に、これらの型を使用してガラス光学素子（レンズ）の成形を行って離型性、コーティング膜の剥離等を評価した。テストに用いたプレス成形装置の断面概略図を図２に示す。図中、２４はチャンバー、２５は上軸、２６は下軸、２７、２８はヒーターを内蔵したブロック（ヒーターブロック）、２９は上型、３０は下型、３１は被成形物である光学ガラス、３２は油圧シリンダーである。図２では被成形物３１は、成形後のレンズ形状として示してあるが、成形前の材料としては、直径８ｍｍの研磨ボールプリフォーム（ボールレンズ）を使用した。

プレス成形の手順は以下のとおりである。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、Ｎ_２ガスを導入し、チャンバー２４内をＮ_２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（ＳＫ５：５９６℃、ＬａＳＦＯ３：６６０℃）になったら、油圧シリンダー３２により、下軸２６を引き下げ、下型３０の上に不図示のオートハンドにより被成形物（ボールレンズ）をセットした。

そのままの型温度で３分間保持後、油圧シリンダー３２により下軸２６を上昇させ、上型２９と下型３０とでボールレンズを３０００Ｎの力で１分間プレスした。その後、１００℃／分で冷却し、上型、下型の温度が所望の温度（ＳＫ５：５１５℃、ＬａＳＦＯ３：６００℃）になった時点で下型３０を下降させ、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。以上を１サイクルとして、１０００ショットのプレス成形を行った。

例１〜例２６では成形品３１にはクラック等の成形不良は観察されず、また、金型にも変化は観察されなかった。例２７と例２８では上型２９と下型３０のコーティング膜中のＣｅ等元素群の添加がない場合でありクラックのあるものが、多数観察された。例２９は、Ｃｅ等元素群の添加量が１ａｔｏｍ％未満とした場合であり、離型性の低下が観察され、クラックの発生が散発したが例２７と例２８と比較すると発生率が低く、程度も軽度のためやや良好と判定した。

また、例３０と例３１は上型２９と下型３０のコーティング膜中のＣｅ等元素群の添加量を４５ａｔｏｍ％超とした場合であり、離型性の低下は観察されなかったものの、型表面の鏡面性がやや低下した。しかし、鏡面性の低下はあるものの光学素子として使用できないレベルではないので、やや良好と判定した。なお、硝材による差は認められなかった。

［実験Ｂ］
実験Ａと同様にして、型母材に保護膜の第１層として５０ｎｍの厚さのＴｉ層を形成後、第２層として第２表に示す第５族〜１１族の金属元素合金膜をスパッタリング法で２５０ｎｍの厚さで形成し、第３層、すなわち、最表面層として、５０ｎｍの厚さでＢｉおよび／またはＴｅと第５族〜１１族の金属元素との合金（複合）膜をスパッタリングで成膜した型を使用するほかは、実験Ａと同様にして成形試験を実施した。成形試験結果を膜組成と共に表２に例３２〜例４４として示す。

［実験Ｃ］
実験Ｂと同様にして、第２層として第５族〜１１族の金属元素合金膜をスパッタリング法で２５０ｎｍの厚さで形成した。最表面層は、成分としてＣｅ、Ｇｄ、Ｐｒ元素を含む光学ガラスを予備的に成形することによって形成した。具体的には、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｐｒ元素を表３に示す量だけ含む光学ガラスを直径８ｍｍの研磨ボールプリフォームとし、これを実験Ａと同様のプレス条件で、予備的に５ショット成形した。この後、型の最表面部分をＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分光法）により分析したところ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｐｒ元素が、測定場所によりばらつきがあるものの、合量で５〜６０ａｔｏｍ％であることが確認された。予備的に５ショット成形した型をそのまま使用して、実験Ａと同様の成形実験を行った結果を表３に例４５〜例５０として示す。いずれも良好な成形試験結果が得られた。

［実験Ｄ］
実験Ｃにおいて、直径８ｍｍの研磨ボールプリフォームの代わりに直径１８ｍｍ、厚さ２ｍｍの２面研磨した円柱を使用し、実験Ａのプレス条件で予備的に５ショット成形する代わりに上下型の間に挟んで実質的に加圧しないで実験Ａの温度サイクルのみ予備的に３回行った以外は実験Ｃと同様に成形試験を行った。成形試験結果は、いずれも良好であった。なお、実験Ｃと同様に、型の最表面をＥＳＣＡにより分析したところ、型の平面部分では、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｐｒ元素が合量で５〜６０ａｔｏｍ％、型の曲率のついた部分では、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｐｒ元素が合量で０〜３ａｔｏｍ％であった。曲率の付いた部分でＣｅ、Ｇｄ、Ｐｒ元素が少なかったのは、熱サイクル時にガラスが接触しておらず、わずかな揮発分のみが堆積したことによるものと思われる。なお、この結果から、外周部に平面部を有するレンズの場合は、平面部が型で拘束されてクラックが発生するので、少なくとも型の平面部を本型の膜とすればよいことが分かる。

本発明により、耐久性や光学ガラスとの離型性に優れた精密プレス成形法に好適な光学ガラス用成形型を提供できる。また、本型を使用して光学ガラスをプレス成形することにより各種光学素子を成形後に研磨等することなく製造できるため、量産性があり、かつ、原価面でも有利な光学素子製造法を提供できる。

本型の下型の断面概略図実施例で用いたプレス成形装置の断面概略図

符号の説明

１：型母材、２：保護膜、３：最表面層、１０：下型、２４：チャンバー、２５：プレス上軸、２６：プレス下軸、２７、２８：ヒーターブロック、２９：上型、３０：下型、３１：被成形物である光学ガラス、３２：油圧シリンダー。

Claims

型母材と、該型母材上に、１または２以上の層からなる保護膜とを有する、光学ガラスを成形するための金型であって、前記保護膜の最表面層が、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕからなる元素群から選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むことを特徴とする光学ガラス用成形型。
前記最表面層が、第５族〜１１族の金属元素を含む請求項１記載の光学ガラス用成形型。
前記最表面層が、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕからなる元素群から選ばれる少なくとも１種以上の元素を１〜４５ａｔｏｍ％と、第５族〜１１族の金属元素を５５〜９９ａｔｏｍ％と、を含む請求項２記載の光学ガラス用成形型。
前記第５族〜１１族の金属元素がＩｒ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＴａおよびＷからなる金属元素群から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素である請求項２または３記載の光学ガラス用成形型。
前記型母材が超硬合金質または炭化ケイ素質である請求項１〜４のいずれかに記載の光学ガラス用成形型。
上型と下型とを有するプレス成形型を用いて光学ガラスをプレス成形する方法であって、前記上型または前記下型の少なくともいずれか片方を請求項１〜５のいずれかに記載の光学ガラス用成形型とすることを特徴とする光学ガラスのプレス成形法。