JP2873145B2 - ガラス光学素子成形金型 - Google Patents

ガラス光学素子成形金型

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レンズやプリズムなど
の高精度なガラス光学素子をプレス成形により製造する
ためのガラス光学素子成形金型およびこの金型を用いた
ガラス光学素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年では、レンズやプリズム等のガラス
光学素子を製造するのに、加熱軟化したガラス素材を成
形金型によりプレス成形する方法が急速に発展してい
る。この方法で使用される成形金型の光学機能面には、
高温で軟化したガラスの成形金型への融着を防ぎ、高精
度に加工された成形金型を保護するための離型膜が形成
されている。この離型膜には、成形金型との密着性,ガ
ラスとの離型性,耐酸化性,平滑性,高硬度等の膜特性
が要求される。
【0003】そして、従来、これらの要求に対して金
属,セラミックス等の成形金型に種々の材料をコーティ
ングし、離型膜を形成する多くの提案がなされている。
【0004】例えば、特公平3−61617号公報には
セラミックよりなる基体の表面に炭化ケイ素(SiC)
を被覆し、その上に窒化ホウ素等の窒化物を被覆してな
る光学素子成形金型が提案されている。また、特公平3
−61615号公報にはcBN及びaBNの混在した薄
膜を光学素子成形金型に形成することが提案されてい
る。さらに、特開平1−264937号公報には、成形
金型の光学機能面に、例えば、エチレングリコールなど
の有機物を単分子層から数10分子層をコーティングし
て有機物の薄層を形成し、この有機物の薄層を介して光
学ガラス塊をプレス成形金型によって熱間でプレス成形
する光学素子の製造方法が提案されている。この方法で
は、有機物の薄層が寿命となった場合には、これを除去
し、有機物の薄層を再度成形金型の光学機能面に成膜さ
せ、プレス成形を行っている。
【0005】そして、上記のような成形金型によるガラ
ス光学素子の成形は、金型にガラス塊をセットし、例え
ば、600℃に加熱した後成形し、室温よりも高い、例
えば、200℃まで冷却した後、成形体を取り出すこと
によって行われる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】特公平3−61617
号公報や特公平3−61615号公報に開示されるよう
に、高硬度窒化ホウ素膜を離型膜として使用した場合、
光学機能面を有する成形金型の耐久性を改善することが
できる。しかしながら、ガラスのプレス成形では、高温
高圧下で成形されるため、1000回程度のプレス成形
の繰り返しによって離型膜が消耗し、成形されたガラス
光学素子の表面精度が低下し、これにより、高精度が要
求される非球面レンズ用の成形金型としては使用できな
くなるという問題があった。
【0007】一方、離型膜の消耗を抑制すべく、例え
ば、金型側にミキシング層を有する耐久性がさらに向上
した離型膜を形成すると離型膜と成形金型との密着性や
硬度が強力になり、寿命がきた離型膜を除去することは
非常に困難であり、成形金型を償却処分するしかないと
いう問題があった。即ち、成形金型はやはり高精度に仕
上げられた光学機能面を有しており、非常に高価な製品
であり、1000回程度の使用で成形金型を償却すると
レンズ生産コストが大幅に上昇するという問題があっ
た。
【0008】また、特開平1−264937号公報のよ
うに、1回のプレス成形時の金型の損傷を防止するた
め、エチレングリコールなどの有機物を単分子層から数
10分子層を金型の光学機能面にコーティングする方法
では、有機物の薄層が寿命となった場合には、これを除
去し、有機物の薄層を再度成膜させるために金型を室温
に冷却してから成膜する必要があるため、このような離
型膜の再成膜を成形工程中において行うと成形サイクル
が非常に長くなり、ガラス光学素子の生産性が大幅に低
下するという問題があった。
【0009】本発明は、金型の使用回数を大幅に向上す
ることができるとともに、生産性を大幅に向上すること
ができるガラス光学素子成形金型を提供することを目的
とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明のガラス光学素子
成形金型は、金型本体表面に施した窒化ホウ素からなる
光学機能面に、膜厚10nm以下の炭素膜からなる離型
膜を形成してなるものである。
【0011】
【0012】また、非球面レンズの場合、表面精度が数
nmのオーダーであるため、金型本体の光学機能面は同
じレベルの表面精度を持つことが必要であり、また、こ
の表面精度を離型膜に反映させるため、光学機能面とほ
ぼ同様のレベルの表面精度を有するよう離型膜の膜厚は
10nm以下に制御される。即ち、離型膜は少なくとも
1回のプレス成形に耐えられるだけなので、離型膜の膜
厚が10nmよりも厚い場合には、プレス成形により一
部の離型膜が剥離し、離型膜表面の凹凸の差が大きくな
り、エッチング除去する際に一部の光学機能面を有する
下地を損傷する虞があるからである。また、成形により
一部の離型膜が成形体に付着する虞があるが、この場合
でもガラス光学素子の表面精度に著しい影響を与えぬよ
う、離型膜の膜厚は10nm以下とされている。離型膜
の膜厚は、修復が容易という観点から特に1〜4nmが
好ましい。
【0013】離型膜の除去の方法は、例えば、大気圧下
において温度200℃で水素ガスの高周波プラズマ炎を
離型膜に吹きつけることにより行う。離型膜である炭素
膜の成膜は、例えば、大気圧下において温度200℃で
炭化水素と水素の混合ガスの高周波プラズマ炎を、金型
本体の光学機能面に吹きつけることにより行う。
【0014】金型本体の光学機能面は、金型本体に窒化
ホウ素からなる膜を形成し、その表面を光学機能面とし
ても良いし、また、金型本体やその成形面を窒化ホウ素
から構成し、その表面を光学機能面としても良い。
【0015】
【作用】本発明では、炭素膜である離型膜を介してガラ
ス塊を成形金型によりプレス成形するため、光学機能面
とガラス塊とは直接接触せず、離型膜がガラス塊と光学
機能面との間に入ったクッションの役目をし、これによ
って、高精度に仕上げられた光学機能面は初期状態の表
面精度を保持することが可能となる。
【0016】また、本発明のガラス光学素子は、型内へ
のガラス塊の搬入工程→昇温工程→プレス成形工程→冷
却工程→型からのガラス光学素子の搬出工程→ガラス光
学素子の製品チェック工程→成形されたガラス光学素子
の表面精度が劣化した場合には、光学機能面から離型膜
を除去する工程→再度光学機能面に炭素膜からなる離型
膜を成膜する工程の連続サイクルでプレス成形をする。
そして、離型膜が炭素膜であるため、成膜する際にも室
温よりも高い温度で成膜が可能となり、成形サイクルが
短くなる。
【0017】
【実施例】以下、本発明のガラス光学素子成形金型を図
面を用いて詳細に説明する。図1は、本発明のガラス光
学素子成形金型の一実施例を示す縦断面図である。
【0018】図1において、符号1は上型を示してお
り、この上型1の下方には下型2が配置されている。こ
れらの上型1および下型2は金型本体を構成しており、
例えば、炭化ケイ素(SiC)セラミックからなる。
【0019】上型1および下型2の表面には、図示しな
いが、それぞれ膜厚100μmのSiCからなる下地層
がCVD法により形成されている。これらの下地層の表
面は、表面粗さRa=1nm以下に鏡面仕上げされてい
る。
【0020】そして、下地層の表面には、図2に示すよ
うに、膜厚1μmの高硬度窒化ホウ素膜3が形成され、
その表面が光学機能面4とされている。この光学機能面
4の表面には、膜厚5nmの炭素膜からなる離型膜5が
形成されている。光学機能面4は表面粗さRa=3nm
以下に鏡面仕上げされ、この光学機能面4により、離型
膜5の表面粗さは、光学機能面4とほぼ同様のRa=3
nm以下とされている。
【0021】高硬度窒化ホウ素膜3は、下地層が形成さ
れた型1,2をイオンプレーティング装置にセットし、
真空ポンプにて真空引きし、型1,2に−500eVの
バイアスを印加させながら、N2 +Arガスを高周波コ
イルでプラズマ化し、金属ほう素(B)を電子ビームで
真空蒸着することにより成膜される。
【0022】離型膜5は、図3に示すように、下型1と
上型2をプレス成形機にセットし、型1,2を固定した
土台に通電して約200℃になるように型1,2を昇温
し、高周波プラズマ発生装置6を上下の型1,2の間に
挿入し、メタンガスと水素ガスの混合ガスを導入し、高
周波によりプラズマ炎を発生させることにより形成され
る。
【0023】以上のように構成されたガラス光学素子成
形金型を用いてガラス光学素子を製造する方法として
は、図1に示したように、プレス成形機にセットされた
下型2の中央部にSF6光学ガラス塊9を搬入し、窒素
雰囲気中でプレス成形温度、例えば、520℃まで昇温
し、上型1を下降させ成形した。この後、所定温度、例
えば、300℃まで冷却し、光学素子を型1,2から搬
出する方法が採用される。
【0024】そして、ガラス塊9搬入→成形→ガラス光
学素子搬出のサイクルを約100回繰り返した後、ガラ
ス光学素子の表面精度に規格をはずれるものが発生して
きたので、成形を中断して離型膜5の補修を行った。
【0025】離型膜5の補修は、先ず、炭素膜を成膜し
たときに使用した高周波プラズマ発生装置6を用い、水
素ガスのみを導入して水素プラズマ炎により光学機能面
4に付着している炭素膜からなる離型膜5をエッチング
した。そして、再度前述した方法により炭素膜からなる
離型膜5を成膜することにより行う。離型膜5のエッチ
ングおよび成膜は、約200℃の温度で行った。これ以
降、製品の表面精度の評価結果をフィードバックしなが
らプレス成形を行う。
【0026】従って、本発明のガラス光学素子成形金型
では、ガラス塊9を離型膜5を介して成形金型により成
形するため、光学機能面4とガラス塊9とは直接接触せ
ず、これにより、高精度に仕上げられた光学機能面4は
初期状態の表面精度を保持することができ、一つの成形
金型で10000回以上の成形を行うことができ、成形
金型の大幅な耐久性向上が実現できる。
【0027】また、光学機能面4はレンズと同じレベル
の表面精度を持っているが、離型膜5の膜厚を5nmと
することにより、光学機能面4の表面精度が離型膜5に
反映し、これにより、ガラス光学素子の表面精度の低下
を防止することができる。
【0028】また、ガラス光学素子の表面精度のチェッ
クを行った際、成形されたガラス光学素子の表面精度が
一定基準よりも劣化した場合には、室温よりも高い30
0℃程度の温度で光学機能面4から離型膜5を除去し、
再度光学機能面4に離型膜5を成膜した後、ガラス光学
素子のプレス成形を行ったので、一つの成形金型により
高精度のガラス光学素子の大量生産が可能になり、生産
性を向上することができるとともに、製造コストを大幅
に低減することができる。
【0029】本発明者等は、本発明の効果を確認すべ
く、光学機能面の材質および離型膜の膜厚を種々変化さ
せる実験を行った。この結果を表1に示す。
【0030】
【表1】
【0031】この表1より、光学機能面を窒化ホウ素,
窒化クロム,炭化クロム、酸化クロム,窒化珪素,炭化
珪素,炭素,白金,超硬合金により形成し、離型膜が1
0nm以下である場合には、10000回以上の成形を
行った場合でも金型に異常は見られなかった。特に、光
学機能面を窒化ホウ素により形成した場合には2000
0回以上の成形を行った場合でも金型に異常は見られな
かった。一方、離型膜が14nmである場合(試料No.
14)には、離型膜表面に生じた凹凸をエッチング処理
する際に凹部分の下地が損傷を受け、10000回成形
後の成形体の表面粗さに異常が生じた。また、離型膜と
してエチレングリコールを用いた場合には平均成形サイ
クル時間が長くなった。尚、成形体の表面粗さの異常
は、Ra=3nm以上の場合、あるいは直径10μm以
上の白点が生じた場合を異常有りとした。
【0032】尚、上記実施例では、金型本体の表面に窒
化ホウ素からなる膜を形成し、その表面を光学機能面と
した例について説明したが、本発明は上記実施例に限定
されるものではなく、金型本体やその成形面を窒化ホウ
素から構成し、その表面を光学機能面としても良いこと
は勿論である。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のガラス光
学素子成形金型では、離型膜の炭素膜によってガラス塊
と光学機能面が直接接触しないため、高精度に仕上げら
れた光学機能面は初期状態を保持することができ、成形
金型の耐久性を大幅に向上できる。これにより、金型の
使用回数を大幅に向上することができるとともに、生産
性を大幅に向上することができる。
【0034】また、離型膜の膜厚が10nm以下とされ
ているので、光学機能面は高い面精度を持っており、こ
の表面精度が離型膜に反映し、離型膜が光学機能面とほ
ぼ同様のレベルの表面精度を有することができ、ガラス
光学素子の表面精度の低下を防止することができる。さ
らに、ガラス光学素子の表面精度の評価結果をフィード
バックし、成形されたガラス光学素子の表面精度が一定
基準よりも劣化した場合には、室温よりも高い温度で光
学機能面から離型膜を除去し、再度光学機能面に離型膜
を成膜した後、ガラス光学素子のプレス成形を行うの
で、一つの成形金型により高精度のガラス光学素子の大
量生産が可能になり、成形サイクルを短縮することによ
り生産性を向上することができるとともに、製造コスト
を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガラス光学素子成形金型を示す説明図
である。
【図2】図1の下型の一部を拡大して示す説明図であ
る。1
【図3】離型膜の補修方法を示す説明図である。
【符号の説明】
1 上型 2 下型 4 光学機能面 5 離型膜

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金型本体表面に施した窒化ホウ素からなる
    光学機能面に、膜厚10nm以下の炭素膜からなる離型
    膜を形成してなることを特徴とするガラス光学素子成形
    金型。
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