JP2012051790A - 光学素子成形用金型の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラスの溶着が発生せず、成形を安定的に繰り返すことができる光学素子成形用金型の加工方法を提供する。
【解決手段】ガラス素材Ｍをプレス成形して光学素子を成形するための光学素子成形用金型１の加工方法であって、超硬合金もしくは炭化ケイ素からなる型母材２の表面上に形成された表面層３の表面部に加熱酸化層５が設けられている光学素子成形用金型１の表面部の少なくとも一部を除去する工程と、上記表面部の少なくとも一部を除去した表面層３を加熱してその表面部を酸化する再加熱工程と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子成形用金型の加工方法に関する。

研磨工程を必要とすることなく、ガラス素材をプレス成形して直接レンズやプリズム等の光学素子を製造する技術が提供されている。この技術は、従来の方法において必要とされていた複雑な工程をなくし、簡単かつ安価に光学素子を製造することができるとして、近年では光学素子の製造に多く適用されるようになってきている。

ところで、このような成形に用いられる光学素子成形用金型としては、ガラスとの溶着が起こらず離型性に優れた層として、クロムと酸素との混合層を、基材（型母材）の表面に形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、超硬合金もしくは炭化ケイ素からなる型母材の表面に白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウムからなる表面層を形成し、この表面層と基材との間に中間層を備えることにより、ガラス素材に接触する表面層の粗さが増加することを防止したもの（例えば、特許文献２参照）も知られている。

特開平９−４８６２２号公報 特開２００４−２４４３０６号公報

しかしながら、特許文献１のクロムと酸素との混合層を形成した成形用金型は、成形素材として成形温度が高い高融点ガラス等が用いられた場合、特に高温による加熱条件では基材の酸化劣化が促進されてしまう。すると、ヒートサイクルの中で繰り返し使用されることによって基材に歪が蓄積されてしまい、金型の耐久性等が低下し、成形性も低下するおそれがある。
また、特許文献２の成形用金型では、成形中にガラス素材からこの素材中の酸素が成形用金型の表面層に移行（拡散）し、表面層が酸化反応を起こすため、成形中にガラス素材と表面層との間の反応性が高くなってしまう。すると、このような反応によって成形中にガラス素材が表面層に溶着してしまい、成形後、成形品の離型性が悪くなって金型から成形品を取り出しにくくなり、極端な場合には成形不良が発生してしまうおそれもある。

本発明はこのような従来の課題を解決し、ガラスの溶着が発生せず、成形を安定的に繰り返すことができる光学素子成形用金型の加工方法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の光学素子成形用金型の加工方法は、ガラス素材をプレス成形して光学素子を成形するための光学素子成形用金型の加工方法であって、超硬合金もしくは炭化ケイ素からなる型母材の表面上に形成された表面層の表面部に加熱酸化層が設けられている光学素子成形用金型の表面部の少なくとも一部を除去する工程と、上記表面部の少なくとも一部を除去した表面層を加熱してその表面部を酸化する再加熱工程と、を有することを特徴としている。
なお、本発明において「表面部の少なくとも一部を除去する」とは、基本的には「表面部の全面に亙り、最表面を含んだ一定の厚さの層を除去する」ことを指しており、除去工程の後に加熱酸化層が残存しているか否かは問わない。

表面層を形成した成形用金型の表面部は、成形を行わない状態でも型母材表面より粗さが大きい場合があり、さらに最表面に近いほど粗さが大きくなる傾向にある。また、成形用金型で光学素子の成形を何回も繰り返すと、加熱酸化層を形成した表面層が酸化劣化や成形摩耗を起こすことで成形品の離型性が低下する。
この光学素子成形用金型の加工方法によれば、このような成形用金型の表面部の少なくとも一部を除去した後、表面層を再加熱してその表面部に加熱酸化層を新たに形成するので、型母材の表面粗さに近い粗さを有するとともに、成形を繰り返した後でも成形品の離型性の良好な表面層を備えた光学素子成形用金型を提供することができる。

また、上記光学素子成形用金型の加工方法においては、上記表面層を、白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、ハフニウム、タンタルから選択される少なくとも一種類の元素、もしくはこれら元素を含む合金で形成するのが好ましい。
このようにすれば、得られる成形用金型は成形時に酸化されにくくなり、したがって、成形後成形品の離型性が悪くなって金型から成形品が取り出しにくくなる、といった不都合が防止される。

本発明の光学素子成形用金型の加工方法にあっては、製造された成形用金型の表面部の少なくとも一部を除去する工程と、表面部の少なくとも一部を除去した表面層の表面部を酸化させる工程を有し、得られる成形用金型の表面層の表面部に再度、加熱酸化層を形成するようにしているので、成形後、成形品の離型性が悪くなって金型から成形品が取り出しにくくなるといった不都合を防止し、さらに成形不良の発生も防止することができることから、光学素子の生産性向上を図ることができる。また、成形後、成形品の離型性が悪くなった場合にも、表面層に新たな加熱酸化層を形成することにより、成形品の離型性を回復させ、成形不良の発生を防止した状態で、新たに成形を行うことができる。

本発明に係る光学素子成形用金型の加工方法の加工対象である光学素子成形用金型の一実施形態を示す側断面図である。 図１に示した光学素子成形用金型の要部拡大断面図である。 本発明に係る光学素子成形用金型の加工方法による加工を行った光学素子成形用金型の状態と、その表面層の表面の酸素濃度との関係を示すグラフである。

以下、本発明を詳しく説明する。
まず、本発明の光学素子成形用金型の加工方法の加工対象である光学素子成形用金型について説明する。図１、図２は本発明の光学素子成形用金型の加工方法の加工対象である光学素子成形用金型の一実施形態を示す図であり、これらの図において符号１は光学素子成形用金型（以下、成形用金型と記す）である。この成形用金型１は、プレス成形によって凸レンズ（光学素子）を製造するためのもので、本実施形態では、図１に示すように一対の成形用金型１、１間にガラス素材Ｍを挟持し、その状態でプレス成形するようにしたものである。

この成形用金型１は、図２に示すように型母材２と、型母材２の表面２ａ上に形成されて、プレス成形の際にガラス素材Ｍに接触する成形面３ａを有する表面層３と、これら型母材２と表面層３との間に形成された中間層４とを備え、表面層３の表面部、すなわち上記の成形面３ａに、加熱酸化層５を形成したものである。

型母材２は、図１に示したようにその表面２ａが、凸レンズの曲率半径に合わせた凹面状に形成されたもので、焼結された超硬合金または炭化ケイ素などからなるものである。
なお、この型母材２の材質としては、特に、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金が、耐久性に優れているなどの点で好適とされ、したがって本実施形態では、このタングステンカーバイドを主成分とする超硬合金によって形成されているものとする。

中間層４は、図２に示すように、型母材２の表面２ａに接触して形成された金属層６と、金属層６の表面６ａに接して形成された窒化物層７とからなっている。金属層６は、クロム、チタン、アルミニウム、モリブデンのうちの少なくとも１種類の金属材料からなっている。このような金属層６を型母材２と表面層３との間に形成しておくことにより、これら型母材２と表面層３との間で十分な密着力が得られ、また、プレス成形時の熱サイクルによって発生する応力を緩和することができる。したがって、プレス成形を繰り返し行っても、表面層３の剥離を確実に防止できるようになっている。なお、このような金属層６としては、特にクロムが好適とされ、したがって本実施形態では、クロムによって金属層６が形成されているものとする。

窒化物層７は、上記金属層６と上記表面層３との間に形成されたもので、クロム、チタン、アルミニウム、モリブデンのうちの少なくとも１種類の元素を含む窒化物、例えば、窒化クロム、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムチタン、窒化モリブデンなどからなっている。このような窒化物から形成される窒化物層７は、耐熱性、耐酸化性に優れているため、繰り返しプレス成形を行っても、酸素が表面層３の成形面３ａ（加熱酸化層５）から中間層４内部にまで拡散することを抑制することができる。このため、酸素がクロムやチタン等から形成される金属層６に到達することが抑えられ、金属層６の酸化による密着力の低下が防止される。したがって、表面層６の剥離を長期間に亘って防止することができる。なお、このような窒化物層７としては、特に金属層６がクロムによって形成されていることから、本実施形態では、クロム（金属層６）との間で密着性等が良好な窒化クロムによって、窒化物層７が形成されているものとする。

表面層３は、窒化物層７の表面７ａに接して形成されたもので、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）から選択された少なくとも一種類の元素、もしくはこれら元素を含む合金などで形成されている。このような元素やこれを含む合金からなっていることにより、表面層３は成形時に酸化されにくく、したがって、成形後成形品の離型性が悪くなって金型から成形品が取り出しにくくなる、といった不都合が防止される。なお、このような表面層３としては、特に白金またはこれを含む合金が好適とされ、したがって本実施形態では、白金とイリジウムとの合金（Ｐｔ−Ｉｒ）によって表面層３が形成されているものとする。

加熱酸化層５は、表面層３の成形面３ａ、すなわち最表面となる表面部に形成されたもので、後述するように型母材２の表面２ａ上に中間層４を介して表面層３が形成された後、この表面層３に対して加熱処理が施されたことにより、形成されたものである。この加熱酸化層５は、表面層３を構成する金属元素と酸素とが化学的に結合してなる金属酸化物からなっていてもよく、また、金属元素と酸素とが混在してなる混在層であってもよく、さらには、これら金属酸化物と混在層とを両方含む層であってもよい。このような加熱酸化層５は、表面層３に比べて内部に酸素を多く含むため、後述するようにガラス素材を成形する際、ガラス素材から酸素が移行（拡散）してくるのを抑制するように機能する。なお、このような加熱酸化層５は、表面層３の最表面側において、例えば数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚さ（深さ）に形成されている。

次に、このような構成の成形用金型の製造方法の一実施形態について説明する。
まず、タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金を所望形状に加工して型母材２とし、さらに成形面３ａ側となる表面を図１に示した凹面状に仕上げ表面２ａとする。
次に、クロムをターゲットとするイオンビームスパッタ法によって上記型母材２の表面２ａにクロムを成膜し、厚さ２００ｎｍ（２０００Å）のクロム膜からなる金属層６を形成する。

次いで、窒化クロムをターゲットとするイオンビームスパッタ法によって上記金属層６上に窒化クロムを成膜し、厚さ１００ｎｍ（１０００Å）の窒化クロム膜からなる窒化物層７を形成する。
次いで、白金とイリジウムとの合金をターゲットとするイオンビームスパッタ法により、上記窒化物層７上に白金とイリジウムとの合金（Ｐｔ−Ｉｒ）を成膜し、厚さ３００ｎｍ（３０００Å）の表面層３を形成する。
その後、表面層３を均一に研磨し、光学素子に望ましいとされる表面粗さＲａ（０．５μｍ以下）に仕上げる。
なお、上記の金属層６、窒化物層７、表面層３の形成については、イオンビームスパッタ法以外にも、例えばＲＦスパッタ法や蒸着等のＰＶＤ（物理的気相成長法）法、ＣＶＤ（化学的気相成長法）等を用いることもできる。

その後、表面層３まで形成した型母材２に対し、その表面層３を加熱することにより、その表面部を酸化させて加熱酸化層５を形成する。これにより、図１、図２に示した成形用金型１が得られる。
この加熱工程では、大気加熱炉を用いて大気雰囲気中で型母材２を加熱し、その表面部（表面層３の成形面３ａ側）を加熱酸化するが、その際の加熱温度としては、型母材２が実質的に酸化しない温度とするのが好ましい。ここで、「実質的に酸化しない」とは、前述したように、この加熱処理による型母材２の酸化が、単に大気中に放置した場合の酸化と同程度にしか進まないことを意味している。
このようにすれば、この加熱工程において型母材２が酸化劣化しないため、得られる成形用金型１は、特に型母材２について耐久性に優れたものとなり、したがって、型母材２の酸化劣化に起因する成形性の低下なども抑制された、良好なものとなる。

本実施形態では、型母材２を構成するタングステンカーバイド（ＷＣ）が酸化する温度より低い温度である２００℃で、１０時間加熱を行った。ここで、この加熱温度としては、タングステンカーバイドが実質的に酸化しない温度範囲である１５０℃以上３００℃以下とするのが最も有効である。１５０℃未満では表面層３に対する酸化が不十分なため、成形時にガラス素材の溶着が発生し易くなるからである。また、３００℃を越えると、型母材２の酸化劣化が促進されて、型母材２の耐久性が低下し、結果的に得られる成形用金型１の耐久性が低下してしまうからである。

なお、このような加熱工程で形成する加熱酸化層５については、前述したように、表面層３を構成する金属元素と酸素とが化学的に結合してなる金属酸化物からなっていてもよく、また、金属元素と酸素とが混在してなる混在層であってもよく、さらには、これら金属酸化物と混在層とを両方含む層であってもよい。

次に、このような成形用金型１を用いた光学素子の製造工程について説明する。
まず、図１に示したように、上記製造方法で得られた成形用金型１を一対用意し、これらの成形面３ａ（加熱酸化層５）を互いに対向させる。そして、これら成形面３ａ、３ａ間にガラス素材Ｍを配し、成形用金型１、１によって所定の加圧力でプレス成形することにより、光学素子（凸レンズ）を得る。このとき、ガラス素材Ｍを軟化させるべく、ヒータ等の加熱手段（図示せず）によって成形用金型１を加熱する。

このようにしてガラス素材をプレス成形し、光学素子を製造すると、ガラス素材Ｍが成形面３ａ（加熱酸化層５）に溶着することがなく、したがって、成形後成形品の離型性が悪くなって金型から成形品が取り出しにくくなるといったことがなく、成形品を容易に成形用金型１から取り出すことができる。すなわち、成形用金型１にはその最表面に加熱酸化層５があるため、ガラス素材Ｍから成形用金型１に酸素が移行（拡散）することが抑えられ、これによって表面層３での酸化反応が起こらず、成形中にガラス素材Ｍと表面層３との間で反応が生じにくくなり、溶着が起こらないようになっているのである。また、成形不良の発生もなくなり、光学素子を良好に製造することができる。
したがって、加熱酸化層５を形成しない従来の成形用金型を用いた場合では、ガラス素材Ｍの成形面３ａ（表面層３）への溶着が多く確認されていたのに対し、本実施形態の方法で作製された成形用金型１を用いた場合では、ガラス素材Ｍの溶着がないため、光学素子を効率良く安定的に成形することができ、これによって生産性の向上を図ることができる。

しかしながら、このようにして成形を何回も繰り返すと、加熱酸化層５を形成した表面層３が酸化劣化や成形摩耗を起こし、成形品の離型性が低下してガラスの溶着が発生し易くなる。そこで、本発明の光学素子成形用金型の加工方法では、成形を所定回数行った後に、成形用金型１の表面部（加熱酸化層５）の表面側を除去する。例えば、酸化劣化した表面部（加熱酸化層５）の表面側を研磨加工し、該表面部を１０ｎｍ以上除去する。そして、このようにして表面部の表面側を除去した表面層３を、再度加熱処理してその表面部を酸化させ、新たに加熱酸化層５を形成する。

このようにして再度加熱処理し、新たに加熱酸化層５を形成した成形用金型１を用いて再度光学素子の製造を行ったところ、製造直後の成形用金型１を用いて成形を行ったときと同様に、ガラス素材の溶着がなく、光学素子を効率良く安定的に成形することができた。
したがって、この光学素子成形用金型の加工方法によれば、成形を所定回数行った後に、成形用金型１の表面部の表面側を除去し、さらにこの表面層３を再度加熱するので、所定回数の成形を行うたびに表面層３に新たな加熱酸化層５を形成することができ、これにより、常に成形品の離型性が良好であり、成形不良の発生が防止された状態で、成形を行うことができる。

本発明に係る光学素子成形用金型の加工方法による加工を行った成形用金型１の表面層３の表面部（成形面３ａ）について、その表面の酸素濃度を、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）を用いて調べた。得られた結果を図３に示す。
図３のグラフに示すように、表面層３の形成直後（成膜直後）では酸素濃度が３０数％であったのに対し、加熱を行って加熱酸化層５を形成した後（加熱後）では、５０数％と、２０％程度上昇した。
その後、成形を繰り返した後（成形後）には６０％近くにまでなり、酸化劣化が起こり易くなる。そこで、表面研磨を行うことで、一旦２０数％程度にまで酸素濃度を落とし、その後再度加熱（再加熱）を行うことにより、５０％近くまで酸素濃度を上げることができる。
また、成形を繰り返し続けると、酸素濃度が７０％を越え、酸化劣化に起因するガラスの溶着が起こり易くなることが分かる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では凸レンズを成形する成形用金型に本発明を適用しているが、他のレンズやプリズムなど、光学素子であれば他のものにも本発明を適用できるのはもちろんである。
また、型母材２や表面層３を構成する材料についても、上記の材料以外にも種々のものが使用可能である。

１…光学素子成形用金型、２…型母材、３…表面層、３ａ…成形面、４…中間層、５…加熱酸化層、６…金属層、７…窒化物層、Ｍ…ガラス素材

Claims (2)

1. ガラス素材をプレス成形して光学素子を成形するための光学素子成形用金型の加工方法であって、
   超硬合金もしくは炭化ケイ素からなる型母材の表面上に形成された表面層の表面部に加熱酸化層が設けられている光学素子成形用金型の表面部の少なくとも一部を除去する工程と、
   上記表面部の少なくとも一部を除去した表面層を加熱してその表面部を酸化する再加熱工程と、を有することを特徴とする光学素子成形用金型の加工方法。
2. 上記表面層を、
   白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、ハフニウム、タンタルから選択される少なくとも一種類の元素、
   もしくはこれら元素を含む合金で形成することを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型の加工方法。

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