JP2008150245A - Forming die for optical element and optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ビスマスを含有するガラス素材をプレス成形して光学素子を製造する際に使用される光学素子成形用型、及び、該光学素子成形用型によって製造された光学素子に関する。 The present invention relates to an optical element molding die used for manufacturing an optical element by press-molding a glass material containing bismuth, and an optical element manufactured by the optical element molding mold.
ガラス素材から光学素子を製造する方法の一つとして、光学素子成形用型を用いてプレス成形する方法がある。プレス成形による製造方法の場合、成形後に研磨加工を行う必要がないので、容易かつ低コストで光学素子を製造することができるという利点を有する。このような光学素子成形用型には、硬度、耐熱性、ガラスとの非融着性、鏡面加工性に優れていることが要求される。このため、従来、光学素子成形用型には、型母材として超硬合金、金属、あるいは、セラミックスが用いられるとともに、その成形面に耐熱性やガラスとの非融着性に優れた貴金属系の合金層や化合物層が形成されたものが選択される。 One method of manufacturing an optical element from a glass material is a method of press molding using an optical element molding die. In the case of the manufacturing method by press molding, since it is not necessary to perform polishing after molding, there is an advantage that an optical element can be manufactured easily and at low cost. Such an optical element molding die is required to be excellent in hardness, heat resistance, non-fusibility with glass, and mirror finish. For this reason, conventionally, cemented carbide, metal, or ceramics has been used as a mold base material for optical element molding dies, and the precious metal system that has excellent heat resistance and non-fusibility to glass on the molding surface. Those having an alloy layer or compound layer formed thereon are selected.
具体的には、超硬合金の型母材に、イリジウム、レニウム、及び炭素からなる化合物をコーティングしたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このような光学素子成形用型では、コーティングした化合物がイリジウム、レニウム、及び炭素からなることで、耐酸化性を有するとともに、ガラス素材との離型性が良好であり、ガラスの融着が起こりにくいとされている。 Specifically, a cemented carbide base material coated with a compound composed of iridium, rhenium, and carbon has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In such an optical element molding die, the coated compound is made of iridium, rhenium, and carbon, so that it has oxidation resistance and good releasability from the glass material, resulting in glass fusing. It is said that it is difficult.
また、超硬合金または合金の型母材上に、型母材と密着して非晶質状態である加工層が形成され、さらに加工層上に密着して貴金属、タングステン、または、タンタルなどからなる保護層が形成されたものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。このような光学素子成形用型でも同様に、上記保護層が形成されていることで、ガラスとの離型性が良く、ガラスの融着が起こりにくいとされている。
しかしながら、特許文献1及び特許文献2のような光学素子成形用型を用いても、ビスマスを含有するガラス素材を使用して光学素子を製造する場合、依然として、型表面の組成の変化またはガラスの融着が発生し、成形用型としての耐久性の低下、また、成形された光学素子表面に曇りなどの光学的不具合が生じてしまう問題があった。より詳しくは、ビスマスは、融点が低く、また、合金化し易く、特に高温下では金属へ拡散しやすいという性質を有している。このため、ビスマスを含有しているガラス素材を使用した場合、高温環境下において、ガラス素材に含まれているビスマスが偏析を通じてガラス素材表面に析出する。析出したビスマスは、プレス成形における成形用型との接触によって成形用型表面に拡散しやすく、拡散したビスマスは、一部金属ビスマスに還元され成形用型表面に蓄積する。そして、析出したビスマスがガラス素材表面および成形用型表面に徐々に蓄積していくことで、成形用型表面及びガラス素材表面の組成が変化し、ガラスの融着が発生してしまうこととなる。また、ガラス素材表面にビスマスが析出することで、光学素子に曇りなどの光学的不具合が生じることとなる。
However, even when optical element molding dies such as Patent Document 1 and
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ビスマスを含有するガラス素材のプレス成形であっても成形用型表面及びガラス素材表面の組成の変化並びにガラスの融着の発生を防ぐことが可能であり、耐久性を有し、また、成形された光学素子に光学的不具合を発生させてしまうことが無い光学素子成形用型、及び、該光学素子成形用型で製造した光学素子を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and even in the press molding of a glass material containing bismuth, changes in the composition of the molding die surface and the glass material surface and the occurrence of glass fusing. An optical element molding die that can be prevented, has durability, and does not cause optical defects in the molded optical element, and an optical manufactured by the optical element molding die An element is provided.
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の光学素子成形用型は、ビスマスを含有するガラス素材をプレス成形して光学素子を製造する際に使用される光学素子成形用型であって、型母材と、該型母材の表面の内、少なくとも、前記プレス成形の際に前記ガラス素材が接触する範囲である成形面上に形成された表面層とを備え、該表面層は、第一成分として、ビスマスを1.0重量%以上30.0重量%以下で含むとともに、第二成分として、白金、金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、ロジウム、タングステン、炭化タングステン、または、炭化ケイ素から選択される少なくとも1種類以上の元素または化合物を含むことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
An optical element molding die according to the present invention is an optical element molding die used for producing an optical element by press-molding a glass material containing bismuth. A surface layer formed on a molding surface in a range where the glass material contacts at least during the press molding, and the surface layer has 1.0 weight of bismuth as a first component. At least one selected from platinum, gold, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhenium, rhodium, tungsten, tungsten carbide, or silicon carbide. It is characterized by containing the element or compound of this.
この発明に係る光学素子成形用型によれば、表面層は、第二成分を含むことで、プレス成形に必要な硬度や耐酸化性を確保することができる。また、表面層は、第一成分として、ビスマスを、1.0重量%以上含むことで、ビスマスについて表面層とガラス素材との間で平衡状態が保たれ、プレス成形時に、ガラス素材に含まれるビスマスの表面層への拡散を防ぐことができる。このため、ビスマスの拡散による表面層及びガラス素材表面の組成の変化を防止し、また、ガラス素材との親和性が高まることによるガラスの融着の発生を防ぐことができる。一方、第一成分として含まれるビスマスを30.0重量%以下とすることで、初期状態においてビスマスを含有するガラス素材との親和性が高くなりすぎて、ガラスの融着が発生してしまうことを防ぐことができる。すなわち、表面層におけるビスマスの濃度を上記範囲にすることで、表面層の組成の変化及びガラスの融着に起因する面精度や面粗さの悪化を長期間防止することができる。 According to the optical element molding die according to the present invention, the surface layer can ensure the hardness and oxidation resistance required for press molding by including the second component. Moreover, the surface layer contains bismuth as a first component in an amount of 1.0% by weight or more, so that an equilibrium state is maintained between the surface layer and the glass material with respect to bismuth, and is included in the glass material during press molding. The diffusion of bismuth into the surface layer can be prevented. For this reason, the change of the composition of the surface layer and the glass material surface due to the diffusion of bismuth can be prevented, and the occurrence of glass fusion due to the increased affinity with the glass material can be prevented. On the other hand, by setting the bismuth contained as the first component to 30.0% by weight or less, the affinity with the glass material containing bismuth in the initial state becomes too high, and glass fusion occurs. Can be prevented. That is, by setting the concentration of bismuth in the surface layer within the above range, it is possible to prevent deterioration in surface accuracy and surface roughness due to changes in the composition of the surface layer and glass fusion for a long period of time.
また、上記の光学素子成形用型において、前記型母材と前記表面層との間に1層以上形成され、クロム、チタン、アルミニウム、炭化タングステン、タングステン、炭化ケイ素、または、クロム、チタン若しくはアルミニウムの窒化物の内、少なくとも1種類以上の元素または化合物を含む中間層を備えることがより好ましいとされている。 In the above optical element molding die, one or more layers are formed between the mold base and the surface layer, and chromium, titanium, aluminum, tungsten carbide, tungsten, silicon carbide, or chromium, titanium, or aluminum. Of these nitrides, it is more preferable to provide an intermediate layer containing at least one element or compound.
この発明に係る光学素子成形用型によれば、型母材と表面層との間に上記中間層が形成されていることで、型母材と表面層との密着性を向上させることができる。このため、耐久性の向上をさらに図ることができ、また、成形された光学素子の光学的不具合の発生をより確実に防ぐことができる。 According to the optical element molding die of the present invention, the adhesion between the mold base material and the surface layer can be improved by forming the intermediate layer between the mold base material and the surface layer. . For this reason, the durability can be further improved, and the occurrence of an optical defect of the molded optical element can be more reliably prevented.
また、上記の光学素子成形用型において、前記型母材の少なくとも前記成形面側には、該成形面に接して形成された層に含まれる元素の内、少なくとも1種類以上の元素を前記成形面から注入した注入層が形成されていることがより好ましいとされている。 In the above optical element molding die, at least one of the elements contained in the layer formed in contact with the molding surface is formed on the molding surface side of the mold base material. It is more preferable that an injection layer injected from the surface is formed.
この発明に係る光学素子成形用型によれば、注入層として、型母材の成形面側に成形面に接して形成された層に含まれる元素が存在することで、型母材と、型母材に接して形成された層、すなわち表面層または中間層との親和性が高まり、密着性をさらに向上させることができる。 According to the optical element molding die according to the present invention, as the injection layer, an element contained in a layer formed in contact with the molding surface on the molding surface side of the mold matrix is present, so that the mold matrix and the mold The affinity with the layer formed in contact with the base material, that is, the surface layer or the intermediate layer is increased, and the adhesion can be further improved.
また、本発明の光学素子は、上記の光学素子成形用型を用いて、ビスマスを含有するガラス素材をプレス成形することで製造されたことを特徴としている。
この発明に係る光学素子によれば、プレス成形時に、ガラス素材に含まれるビスマスが析出し、光学素子成形用型の表面層に拡散してしまうことを抑制または防止することができる。このため、ガラス素材表面の組成が変化して光学素子に曇りが発生したり、あるいは、ガラスが成形用型表面に融着したりすることが無く、光学的不具合の発生を防ぐことができる。また、光学素子成形用型を繰り返し使用できることで低コストのものとすることができる。
The optical element of the present invention is manufactured by press-molding a glass material containing bismuth using the above-described optical element molding die.
According to the optical element of the present invention, it is possible to suppress or prevent the bismuth contained in the glass material from being precipitated and diffused to the surface layer of the optical element molding die during press molding. For this reason, the composition of the glass material surface is changed and the optical element is not fogged, or the glass is not fused to the surface of the molding die, so that the occurrence of optical defects can be prevented. Further, since the optical element molding die can be used repeatedly, the cost can be reduced.
本発明の光学素子成形用型によれば、表面層を備えることで、ビスマスを含有するガラス素材のプレス成形でも成形用型表面の組成の変化及びガラスの融着の発生を防ぎ、面精度や面粗さの悪化を長期間防止して耐久性の向上を図るとともに、成形された光学素子に光学的不具合が発生してしまうのを防ぐことができる。
本発明の光学素子によれば、上記光学素子成形用型でプレス成形して製造されることで、低コストで、光学的不具合の無いものとすることができる。
According to the optical element molding die of the present invention, by providing a surface layer, even in press molding of a glass material containing bismuth, the composition of the molding die surface is prevented from changing and the occurrence of glass fusion, and the surface accuracy and It is possible to prevent the deterioration of the surface roughness for a long period of time and improve the durability, and to prevent optical defects from occurring in the molded optical element.
According to the optical element of the present invention, the optical element can be manufactured by press molding with the optical element molding die at a low cost and free from optical defects.
(第1の実施形態)
図1は、この発明に係る第1の実施形態を示している。図1に示すように、本実施形態の光学素子成形用型1は、型表面1aが所定の形状に形成されていて、型表面1aにガラス素材、特にビスマス(Bi)を含有するガラス素材を接触させてプレス成形することで光学素子を製造するものであり、型母材2と、型母材2の表面に形成された表面層3とを備える。型母材2は、炭化タングステンを主成分とする超硬合金などで形成されている。また、表面層3は、型母材2の表面の内、少なくとも、プレス成形の際にガラス素材が接触する範囲である成形面2aに形成されている。表面層3は、ビスマス(Bi)を1.0重量%以上30.0重量%以下で含むとともに、第二成分として、白金(Pt)、金(Au)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、ルテニウム(Rt)、レニウム(Re)、ロジウム(Rh)、タングステン(W)、炭化タングステン(WC)、または、炭化ケイ素(SiC)から選択される少なくとも1種類以上の元素または化合物を含む。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 1, an optical element molding die 1 according to this embodiment has a
このような光学素子成形用型1では、表面層3が第二成分として上記元素または化合物のいずれかを含むことで、プレス成形に必要な硬度や耐酸化性を確保することができる。また、表面層3が第一成分としてビスマス(Bi)を、1.0重量%以上含むことで、ビスマス(Bi)について表面層3とガラス素材との間で平衡状態または準平衡状態が保たれ、プレス成形時に、ガラス素材に含まれるビスマス(Bi)が表面層3へ拡散してしまうのを抑制または防止することができる。このため、ビスマス(Bi)の拡散による表面層3及びガラス素材表面の組成の変化を防止し、また、ガラスとの親和性が高まることによるガラスの融着の発生を防ぐことができる。一方、第一成分として含まれるビスマス(Bi)を30.0重量%以下とすることで、初期状態においてビスマス(Bi)を含有するガラス素材との親和性が高くなりすぎて、ガラスの融着が発生してしまうことを防ぐことができる。すなわち、表面層3におけるビスマス(Bi)の濃度を上記範囲にすることで、表面層3の組成の変化及びガラスの融着に起因する面精度や面粗さの悪化を長期間防止することができ、耐久性の向上を図ることができるとともに、成形された光学素子の光学的不具合の発生を防ぐことができる。また、このような光学素子成形用型1で成形された光学素子は、ガラス素材の表面の組成が変化し、あるいは、ガラスが型表面に融着し、光学的不具合が発生してしまうのを防ぐことができ、また、光学素子成形用型を繰り返し使用できることで低コストのものとすることができる。
In such an optical element molding die 1, the hardness and oxidation resistance necessary for press molding can be ensured because the
(第2の実施形態)
図2は、この発明に係る第2の実施形態を示している。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 2 shows a second embodiment according to the present invention. In this embodiment, members that are the same as those used in the above-described embodiment are assigned the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図2に示すように、この実施形態の光学素子成形用型10は、型母材2と、表面層3と、型母材2と表面層3との間に形成された中間層11とを備える。中間層11は、クロム(Cr)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、炭化タングステン(WC)、タングステン(W)、炭化ケイ素(SiC)、または、クロム(Cr)、チタン(Ti)若しくはアルミニウム(Al)の窒化物の内、少なくとも1種類以上の元素または化合物を含んでいる。
As shown in FIG. 2, the optical element molding die 10 of this embodiment includes a
ここで、クロム(Cr)、チタン(Ti)及びアルミニウム(Al)は、反応性が高いため、これら、または、これらの窒化物を含むことで、型母材2と表面層3との密着強度を高めることができる。また、炭化タングステン(WC)、タングステン(W)及び炭化ケイ素(SiC)は耐熱性が高く、中間層11となる膜として使用する際に結晶方位を揃えることが可能となる。このため、型母材2及び表面層3との密着強度が一様となり部分的な剥離などの不具合を低減させることができる。すなわち、中間層11に含まれる元素または化合物として、上記の内の少なくともいずれか1種類を選択することで、型母材2と表面層3との密着性を向上させることができる。このため、光学素子成形用型10においては、耐久性の向上をさらに図ることができ、また、表面層3の剥離に起因して、成形された光学素子に光学的不具合が発生してしまうことをより確実に防ぐことができる。
Here, since chromium (Cr), titanium (Ti), and aluminum (Al) have high reactivity, the adhesion strength between the
なお、本実施形態では、型母材2と表面層3との間に中間層11を1層設けるものとしたが、これに限るものではなく、複数層設け、さらに、各層毎に組成を異なるものとしても良い。
In the present embodiment, the intermediate layer 11 is provided between the
(第3の実施形態)
図3は、この発明に係る第3の実施形態を示している。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 3 shows a third embodiment according to the present invention. In this embodiment, members that are the same as those used in the above-described embodiment are assigned the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図3に示すように、この実施形態の光学素子成形用型20において、型母材2の成形面2a側には、成形面2aに接して形成された表面層3に含まれる元素を成形面2aから注入した注入層21が形成されている。すなわち、型母材2の注入層21には、第1の実施形態で示した第一成分あるいは第二成分いずれかの元素がイオン注入されている。このように、注入層21として表面層3に含まれる元素が存在することで、型母材2と、表面層3との親和性が高まり、密着性を向上させることができる。このため、光学素子成形用型20においては、耐久性の向上をさらに図ることができ、また、表面層3の剥離に起因して、成形された光学素子に光学的不具合が発生してしまうことをより確実に防ぐことができる。
As shown in FIG. 3, in the optical element molding die 20 of this embodiment, the element contained in the
なお、本実施形態では、型母材2の成形面2a上に直接表面層3を形成し、注入層21を表面層3に含まれる元素を注入したものとしたが、これに限るものでは無い。すなわち、型母材2と表面層3との間に、第2の実施形態で示した中間層11を設け、注入層21として型母材2の成形面2aから中間層11に含まれる元素を注入するものとしても良い。また、中間層11を複数設けるものとしても良く、この場合には、複数の中間層11の内、型母材2の成形面2aと接する中間層に含まれる元素を注入すれば良い。
In the present embodiment, the
以下に、上記の第1の実施形態から第3の実施形態までの光学素子成形用型の実施例について説明する。 Examples of the optical element molding die from the first embodiment to the third embodiment will be described below.
表1は、各実施形態の光学素子成形用型1、10、20と対応させて作製した5種類と、比較例として作製した3種類との計8種類の光学素子成形用型の構成を示している。以下の各詳細を説明する。
Table 1 shows the configuration of a total of eight types of optical element molding molds: five types prepared in correspondence with the optical
第1の実施形態の光学素子成形用型1と対応させて、表1に示すNO.1〜NO.3の光学素子成形用型を作製した。NO.1は、炭化タングステン(WC)を主成分とする超硬合金からなる型母材2に、表面層3として、第一成分であるビスマス(Bi)と、第二成分であるイリジウム(Ir)と白金(Pt)との組成比が、1:49.5:49.5である貴金属層を、1Bi−49.5Ir−49.5Pt合金ターゲットを使用したイオンビームスパッタにより膜厚500nmで形成した。
In correspondence with the optical element molding die 1 of the first embodiment, NO. 1-NO. 3 was prepared. NO. Reference numeral 1 denotes a
NO.2は、同様の型母材2に、表面層3として、ビスマス(Bi)と、イリジウム(Ir)と、白金(Pt)との組成比が、15:42.5:42.5である貴金属層を、15Bi−42.5Ir−42.5Pt合金ターゲットを使用したイオンビームスパッタにより膜厚500nmで形成した。
NO. 2 is a noble metal having a composition ratio of bismuth (Bi), iridium (Ir), and platinum (Pt) of 15: 42.5: 42.5 as a
NO.3は、同様の型母材2に、表面層3として、ビスマス(Bi)と、イリジウム(Ir)と、白金(Pt)との組成比が、30:35:35である貴金属層を、30Bi−35Ir−35Pt合金ターゲットを使用したイオンビームスパッタにより膜厚500nmで形成した。
NO. No. 3 is a noble metal layer having a composition ratio of bismuth (Bi), iridium (Ir), and platinum (Pt) of 30:35:35 on the same
また、第2の実施形態の光学素子成形用型10と対応させて、表1に示すNO.4の光学素子成形用型を作製した。NO.4は、炭化タングステン(WC)を主成分とする超硬合金からなる型母材2に、中間層11としてクロム(Cr)層をイオンビームスパッタで膜厚150nmで成膜した後に、表面層3として、ビスマス(Bi)と、イリジウム(Ir)と、白金(Pt)との組成比が、15:42.5:42.5である貴金属層を、15Bi−42.5Ir−42.5Pt合金ターゲットを使用したイオンビームスパッタにより膜厚500nmで形成した。
Further, in correspondence with the optical element molding die 10 of the second embodiment, the NO. No. 4 optical element molding die was produced. NO. Reference numeral 4 denotes a
また、第3の実施形態の光学素子成形用型20と対応させて、表1に示すNO.5の光学素子成形用型を作製した。NO.5は、炭化タングステン(WC)を主成分とする超硬合金からなる型母材2に、注入層21として、注入量1×1015ions/cm2、加速電圧100keV、イオン電流50mAの条件でイリジウムイオンをイオン注入した層を注入深さ50nmで形成した後に、表面層3として、ビスマス(Bi)と、イリジウム(Ir)と、白金(Pt)との組成比が、15:42.5:42.5である貴金属層を、15Bi−42.5Ir−42.5Pt合金ターゲットを使用したイオンビームスパッタにより膜厚500nmで形成した。
Further, in correspondence with the optical element molding die 20 of the third embodiment, the NO. 5 was prepared. NO. No. 5 is a
また、比較例1は、炭化タングステン(WC)を主成分とする超硬合金からなる型母材に、最表層として、ビスマス(Bi)と、イリジウム(Ir)と、白金(Pt)との組成比が、0.5:50.0:49.5である貴金属層を、0.5Bi−50Ir−49.5Pt合金ターゲットを使用したイオンビームスパッタにより膜厚500nmで形成した。比較例2は、炭化タングステン(WC)を主成分とする超硬合金からなる型母材に、最表層として、ビスマス(Bi)と、イリジウム(Ir)と、白金(Pt)との組成比が、31:34.5:34.5である貴金属層を、31Bi−34.5Ir−34.5Pt合金ターゲットを使用したイオンビームスパッタにより膜厚500nmで形成した。比較例3は、炭化タングステン(WC)を主成分とする超硬合金からなる型母材に、クロム(Cr)層をイオンビームスパッタで成膜した後に、最表層としてイリジウム(Ir)と白金(Pt)との組成比が50:50である貴金属層を、50Ir−50Pt合金ターゲットを使用したイオンビームスパッタにより膜厚500nmで形成した。 In Comparative Example 1, the composition of bismuth (Bi), iridium (Ir), and platinum (Pt) as the outermost layer on the mold base material made of a cemented carbide mainly composed of tungsten carbide (WC). A noble metal layer having a ratio of 0.5: 50.0: 49.5 was formed to a thickness of 500 nm by ion beam sputtering using a 0.5Bi-50Ir-49.5Pt alloy target. In Comparative Example 2, the composition ratio of bismuth (Bi), iridium (Ir), and platinum (Pt) as the outermost layer is formed on a mold base material made of a cemented carbide whose main component is tungsten carbide (WC). , 31: 34.5: 34.5, a noble metal layer having a film thickness of 500 nm was formed by ion beam sputtering using a 31Bi-34.5Ir-34.5Pt alloy target. In Comparative Example 3, a chromium (Cr) layer was formed by ion beam sputtering on a mold base material made of a cemented carbide containing tungsten carbide (WC) as a main component, and then iridium (Ir) and platinum ( A noble metal layer having a composition ratio with Pt) of 50:50 was formed with a film thickness of 500 nm by ion beam sputtering using a 50Ir-50Pt alloy target.
次に、NO.1〜NO.5、及び、比較例1〜比較例3の計8種類の光学素子成形用型を用いて、ビスマス含有ガラス素材から光学素子をプレス成形し、不具合が発生するまでの成形回数を比較した。その結果を表2に示す。なお、プレス成形時における金型温度は、550℃である。 Next, NO. 1-NO. 5 and a total of 8 types of optical element forming molds of Comparative Examples 1 to 3, the optical elements were press-molded from a bismuth-containing glass material, and the number of moldings until a defect occurred was compared. The results are shown in Table 2. The mold temperature during press molding is 550 ° C.
表2に示すように、NO.1〜NO.3に示す光学素子成形用型1は、いずれにおいても繰り返し使用1400回まで不具合無く使用可能であった。一方、NO.1では繰り返し使用1413回で、NO.2では、2361回で、NO.3では、1939回で表面層3の微細な剥離が発生した。その不具合の原因を解析するために、それぞれの光学素子成形用型1を電子顕微鏡で観察したところ、ガラスの融着や、表面層の微細の凹凸などの型表面の荒れは確認されなかった。一方、型母材2と表面層3との密着力が低下し、型母材2から表面層3が剥離している様子が確認された。
As shown in Table 2, NO. 1-NO. The optical element molding die 1 shown in No. 3 could be used without any problems up to 1400 repeated uses. On the other hand, NO. 1 is 1413 repeated use, NO. 2, 2361 times, NO. In No. 3, fine peeling of the
また、剥離発生後のNO.1〜NO.3の各表面層3の組成分析を行ったところ、表面層3のビスマス(Bi)濃度は、順に2.2重量%、16.3重量%、30.0重量%であった。すなわち、NO.1及びNO.2の表面層3に含まれるビスマス(Bi)濃度は、成形開始前に比べると若干増加しているものの、1400回以上の繰り返し使用の後においても大きく変化していない。つまり、表面層3の第1成分としてビスマス(Bi)が一定量含まれていることでガラス素材と表面層3との間で平衡状態が保たれ、これによりビスマス(Bi)の拡散が僅かであったことが確認できた。また、NO.3の表面層3に含まれるビスマス(Bi)濃度に関しては全く変化が見られなかった。これは、表面層3のビスマス濃度が30.0重量%と高いために、平衡状態が保たれ、ガラス素材から表面層3へのビスマス(Bi)の拡散が全く発生しなかったためと考えられる。
In addition, NO. 1-NO. When the composition analysis of each
以上の結果から、NO.1〜NO.3の光学素子成形用型1においては、少なくとも1400回までの繰り返し使用が可能であるとともに、1400回以上の繰り返し使用で不具合が発生しても、型母材2と表面層3との密着力の低下に起因するものであり、ビスマス(Bi)の拡散による表面層3の組成の変化やガラスの融着に起因する不具合ではないことが確認できた。
From the above results, NO. 1-NO. 3 can be used repeatedly up to at least 1400 times, and even if a problem occurs due to repeated use over 1400 times, the adhesion between the
また、表2に示すように、NO.4に示す光学素子成形用型10及びNO.5に示す光学素子成形用型20は、いずれにおいても3000回以上繰り返し使用しても不具合が認められなかった。すなわち、NO.4においては中間層11により、また、NO.5においては注入層21により、型母材2と表面層3との密着力が向上し、これにより、NO.1〜NO.3において繰り返し使用1400回以上で認められた不具合をも防止できることが確認できた。
As shown in Table 2, NO. 4 and the optical element molding die 10 shown in FIG. In any of the optical element molding dies 20 shown in No. 5, no defects were observed even when used repeatedly 3000 times or more. That is, NO. 4 in the middle layer 11 and NO. 5, the
一方、比較例1の光学素子成形用型では、103回の成形で、型表面へのガラスの融着と、光学素子の一部に曇りの発生が認められ、使用不可となった。光学素子の表面形状の計測からは数値上の粗さは確認できなかった。しかしながら、比較例1の光学素子成形用型の型表面を電子顕微鏡で観察したところ、ガラスの融着した部分を起点として最表層の剥離が発生しており、さらなるガラスの融着や光学素子の曇りが、最表層の剥離した部分から発生していることが確認できた。また、X線光電子分光分析(XPS)で、光学素子表面の深さ方向の元素分析や最表層が剥離した部分周辺の成形用型の最表層の元素分析を実施したところ、ともに表面のビスマス(Bi)濃度が高くなっていることが確認できた。すなわち、ガラスが最表層に融着することに起因して最表層の剥離が発生し、最表層の剥離によって露出した型母材が酸化して型表面の表面粗さが増加するとともに、光学素子表面のビスマス(Bi)濃度が高くなることによって光学素子の曇りが発生したものと推測される。すなわち、比較例1では、プレス成形時にガラス素材から拡散したビスマス(Bi)によって最表層のビスマス(Bi)の濃度が高くなり、ガラス素材との親和性が高くなってしまうことで、これを起点に焼き付き、剥離が発生したと考えられる。 On the other hand, the optical element molding die of Comparative Example 1 was unusable after 103 moldings because glass was fused to the mold surface and some of the optical elements were clouded. The numerical roughness could not be confirmed from the measurement of the surface shape of the optical element. However, when the surface of the mold for molding the optical element of Comparative Example 1 was observed with an electron microscope, peeling of the outermost layer occurred starting from the fused part of the glass. It was confirmed that fogging occurred from the peeled portion of the outermost layer. In addition, elemental analysis in the depth direction of the optical element surface and elemental analysis of the outermost layer of the molding die around the part where the outermost layer was peeled off were performed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Bi) It was confirmed that the concentration was high. That is, peeling of the outermost layer occurs due to the glass being fused to the outermost layer, the mold base material exposed by peeling of the outermost layer is oxidized, and the surface roughness of the mold surface is increased. It is presumed that the fogging of the optical element occurred due to the increase in the bismuth (Bi) concentration on the surface. That is, in Comparative Example 1, the concentration of the outermost bismuth (Bi) is increased by the bismuth (Bi) diffused from the glass material at the time of press molding, and the affinity with the glass material is increased. It is thought that seizure occurred and peeling occurred.
また、比較例2の光学素子成形用型では42回の成形で、型表面へのガラスの融着と、光学素子の一部に曇りの発生が認められ、使用不可となった。ガラスの融着に関しては、最表層のビスマス(Bi)濃度が31.0重量%と高く、ガラス素材と最表層との親和性が高くなりすぎたため発生したと考えられる。また、この光学素子成形用型の型表面を詳細に観察したところ、ガラスの融着した部分を起点として最表層の剥離が発生しており、さらなるガラスの融着や光学素子の曇りが、最表層の剥離した部分から発生していることが確認できた。すなわち、ガラスが最表層に融着することに起因して最表層の剥離が発生し、最表層の剥離によって露出した型母材が酸化して型表面の表面粗さが増加し、これにより光学素子の曇りが発生したものと推測される。 Further, in the optical element molding die of Comparative Example 2, the glass was fused to the mold surface and fogging was observed on a part of the optical element after 42 moldings, and the optical element molding die became unusable. Regarding glass fusion, it is considered that the bismuth (Bi) concentration in the outermost layer was as high as 31.0% by weight, and the affinity between the glass material and the outermost layer became too high. Further, when the surface of the mold for molding the optical element was observed in detail, peeling of the outermost layer occurred starting from the fused portion of the glass, and further glass fusion and fogging of the optical element were observed. It was confirmed that it was generated from the peeled portion of the surface layer. That is, peeling of the outermost layer occurs due to the glass being fused to the outermost layer, and the mold base material exposed by peeling of the outermost layer is oxidized to increase the surface roughness of the mold surface. It is presumed that clouding of the element occurred.
また、比較例3の光学素子成形用型では、1回目の成形で最表層へのガラスの融着が発生し、また、2回目の成形でガラスの融着した部分を起点として最表層の剥離が発生しており、さらなるガラスの融着や光学素子の曇りが最表層の剥離した部分から発生していることが確認できた。すなわち、ガラスが最表層に融着することに起因して最表層の剥離が発生し、最表層の剥離による凹凸と、露出した型母材の酸化とによって型表面の粗さが増加し、光学素子の曇りが発生したと推測される。また、型表面の元素分析を行ったところ、最表層のビスマス(Bi)濃度が増加していることが確認された。 Further, in the optical element molding die of Comparative Example 3, the glass was fused to the outermost layer in the first molding, and the outermost layer was peeled off starting from the fused portion of the glass in the second molding. It was confirmed that further glass fusion and fogging of the optical element occurred from the peeled portion of the outermost layer. That is, peeling of the outermost layer occurs due to the glass fusing to the outermost layer, and the roughness of the mold surface increases due to the unevenness due to peeling of the outermost layer and the oxidation of the exposed mold base material. It is presumed that clouding of the element occurred. Further, when elemental analysis of the mold surface was performed, it was confirmed that the bismuth (Bi) concentration in the outermost layer was increased.
以上のように、第1〜第3の各実施形態の光学素子成形用型1、10、20と対応するNO.1〜5の光学素子成形用型では、表面層3を備えることで、少なくとも1400回までの繰り返し成形においてもガラスの融着や、最表層3の組成の変化を防止することができ、これに起因する面精度や表面粗さの悪化を引き起こすことが無い。さらにNO.4、5の光学素子成形用型10、20では、中間層11または注入層21を備えることで、型母材2と表面層3との密着性を向上し、3000回以上の繰り返し成形も可能となる。
As described above, the NO. 1 corresponding to the optical element molding dies 1, 10, 20 of the first to third embodiments. In the optical element molding molds 1 to 5, by providing the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、上記第1から第3の実施形態においては、表面層は、型母材の表面の全範囲に亘って形成されているが、これに限らず、型母材の表面の内、少なくとも、プレス成形の際にガラス素材が接触する範囲に形成されていればよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included. For example, in the first to third embodiments, the surface layer is formed over the entire range of the surface of the mold base material. What is necessary is just to form in the range which a glass raw material contacts in the case of press molding.
1、 10、20 光学素子成形用型
2 型母材
2a 成形面
3 表面層
11 中間層
21 注入層
DESCRIPTION OF
Claims (4)
型母材と、
該型母材の表面の内、少なくとも、前記プレス成形の際に前記ガラス素材が接触する範囲である成形面上に形成された表面層とを備え、
該表面層は、第一成分として、ビスマスを1.0重量%以上30.0重量%以下で含むとともに、第二成分として、白金、金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、ロジウム、タングステン、炭化タングステン、または、炭化ケイ素から選択される少なくとも1種類以上の元素または化合物を含むことを特徴とする光学素子成形用型。 An optical element molding die used for producing an optical element by press molding a glass material containing bismuth,
Mold base material,
Of the surface of the mold base material, at least, a surface layer formed on a molding surface that is a range in which the glass material contacts in the press molding,
The surface layer contains bismuth as a first component in an amount of 1.0 wt% to 30.0 wt%, and as a second component, platinum, gold, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhenium, rhodium, tungsten A mold for forming an optical element, comprising at least one element or compound selected from tungsten carbide or silicon carbide.
前記型母材と前記表面層との間に1層以上形成され、クロム、チタン、アルミニウム、炭化タングステン、タングステン、炭化ケイ素、または、クロム、チタン若しくはアルミニウムの窒化物の内、少なくとも1種類以上の元素または化合物を含む中間層を備えることを特徴とする光学素子成形用型。 The optical element molding die according to claim 1,
One or more layers are formed between the mold base material and the surface layer, and at least one of chromium, titanium, aluminum, tungsten carbide, tungsten, silicon carbide, or nitride of chromium, titanium, or aluminum is used. An optical element molding die comprising an intermediate layer containing an element or a compound.
前記型母材の少なくとも前記成形面側には、該成形面に接して形成された層に含まれる元素の内、少なくとも1種類以上の元素を前記成形面から注入した注入層が形成されていることを特徴とする光学素子成形用型。 In the optical element molding die according to claim 1 or 2,
At least on the molding surface side of the mold base material, an injection layer is formed by injecting at least one element from the molding surface among elements contained in the layer formed in contact with the molding surface. An optical element molding die characterized by the above.
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JP2006340177A JP2008150245A (en) | 2006-12-18 | 2006-12-18 | Forming die for optical element and optical element |
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JP2011201738A (en) * | 2010-03-26 | 2011-10-13 | Fujifilm Corp | Mold for molding optical element, optical element, and method for manufacturing optical element |
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2006
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