JP3011574B2 - 光学素子の成形用型 - Google Patents

光学素子の成形用型

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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、主として、レンズ、プ
リズムなどのガラス光学素子を、プレス成形により、ガ
ラス素材から製造する場合に、使用する光学素子の成形
用型に関するものである。
【0002】
【従来の技術】研摩工程を必要としないで、プレス成形
によってガラス素材からレンズを製造する技術は、従来
のレンズの製造において必要とされた複雑な工程を省
き、簡単で、かつ、安価にレンズを製造することができ
る点で有利であり、近時は、レンズのみならず、プリズ
ム、その他のガラス光学素子の製造にも、広く採用され
るようになった。このようなガラス光学素子のプレス成
形に際して使用される成形用型の材料に要求されること
は、硬さ、耐熱性、離型性、鏡面加工性、適当な熱的物
性などの性質に優れていることである。
【0003】この種の型材としては、従来から金属、セ
ラミックス、および、それらをコーティングした材料な
どが、数多く、提案されている。幾つかの例を挙げれ
ば、特開昭49−51112号公報に所載の型材には、
13Crマルテンサイト鋼が、特開昭52−45613
号公報所載の型材には、SiCおよびSi34 が、更
に、特開昭60−246230号公報所載の型材には、
超硬合金表面に貴金属を形成した材料が、それぞれ、提
案されている。また、特開昭61−136928号公報
所載の型材には、金属とセラミックスとからなる複合母
材に対して、窒化物、炭化物、酸化物および金属中間層
を介して、その表面に貴金属を形成した材料が提案され
ている。
【0004】しかし、13Crマルテンサイト鋼は、そ
の酸化によって、成形面の表面粗さを劣化させること、
その硬度が低いために、成形時に面精度が低下して行く
ことなどの欠点がある。また、SiCやSi34 は、
耐熱性、耐酸化性に優れているが、加工性が悪いこと、
耐衝撃性が低いこと、離型性が悪いことなどの欠点があ
る。更に、超硬合金母材に貴金属をコーティングした材
料は、成形時に母材中の金属結合材が貴金属中に拡散す
るという欠点がある。そして、その欠点を補うために提
案された、窒化物、炭化物、酸化物および金属中間層を
介して、母材の表面に貴金属をコーティングした材料
は、母材に対する中間層の密着性に問題がある。
【0005】
【発明が解決しようとしている課題】上記従来例は、成
形型材としての必要条件である離型性、耐熱性、耐酸化
性、高硬度、最適な熱的物性、優れた鏡面などの全てを
満足することができず、これを、成形プロセス、型メン
テナンスで、カバーしているのが現状である。
【0006】
【発明の目的】本発明は、上記事情に基いてなされたも
ので、型母材に不足している型の必要条件を、母材の表
面処理により補うことにより、全体として良好な性能を
備えた光学素子の成形用型を得ることを目的としてい
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】このため、本発明では、
型母材としてステンレス鋼あるいはCr助剤超合金ある
いは炭化タングステンとチタンとタングステンの固溶体
複炭化物相の2相混合組織を持つ超合金を、所定形状に
加工した後、少なくとも、その成形面をイオン窒化ある
いはプラズマ浸炭処理し、上記成形面を所定形状に鏡面
加工したことを特徴としている。
【0008】
【実施例】
1)型母材表面のプラズマ浸炭処理:本発明の光学素子
の成形用型の製造には、以下のような加工処理がなされ
る。即ち、型母材として、ステンレス鋼(HPM38:
日立金属製)を採用し、成形用型の所定形状1に機械加
工する。次いで、その成形面を所定の曲率に研削加工
し、表面粗さを0.1μm程度にする。その後、表面清
浄化工程を経て、プラズマ浸炭処理層2を形成する。
【0009】このときの処理条件は、炉温を1,100
℃に保持し、この時、約2Torrの真空度の下で、処
理ガスとして、H2 を3リットル/minの流量で、ま
た、C38 を0.6リットル/minの流量で与え、
グロー放電し、プラズマ浸炭処理を2時間行うことであ
る。そして、このようなプラズマ浸炭処理によって表面
粗さが劣化した鏡面を研摩することにより、表面粗さを
0.03μm以下にして、所要の成形用型3を得るので
ある。
【0010】次に、本発明による光学素子の成形用型に
よって、ガラスレンズのプレス成形を行なった実施例に
ついて詳述する。なお、この時、使用したレンズの成形
装置を図7に示す。図中、符号21は真空槽本体、22
はそのフタ、23は光学素子を成形するための上型、2
4はその下型、25は上型を押えるための上型押え、2
6は胴型、27は型ホルダー、28はヒータ、29は下
型24を突き上げる突き上げ棒、30は上記突き上げ棒
29を作動するエアシリンダ、31は回転ポンプ、3
2、33、34、38はバルブ、35は不活性ガス流入
パイプ、36はバルブ、37はリークパイプ、39は温
度センサ、40は水冷パイプ、41は真空槽を支持する
台である。
【0011】次に、上記プレス成形装置を用いてレンズ
を製作する工程を述べる。フリント系光学ガラスSF1
4(転移点Tg=485℃、軟化点Sp=586℃)を
球状にし、所定の量に調整したガラス素材(ガラスゴ
ブ)を成形用型のキャビティー内に入れる。そして、ガ
ラス素材を投入した上記成形用型を装置内に設置してか
ら、真空槽21のフタ22を閉じ、水冷パイプ40に水
を流し、ヒータ28に電流を通す。この時、窒素ガス用
バルブ36および38は閉じておき、排気系バルブ3
2,33,34も閉じておく。なお、回転ポンプ31
は、常時、回転して置く。次に、バルブ32を開け、排
気をはじめ、10-2Torr以下の真空度になったら、
バルブ32を閉じ、バルブ36を開いて、ボンベより真
空槽内に窒素ガスを導入する。成形用型が所定温度にな
ったら、エアシリンダ30を作動させて10kg/cm
2 のプレス成形圧力で5分間、加圧する。その後、圧力
を除去して、冷却速度を−5℃/minで、成形用型、
換言すれば、ガラス成形品を転移点以下になるまで冷却
し、その後は、−20℃/min以上の速度で、冷却を
行ない、200℃以下に下がったら、バルブ36を閉
じ、リークバルブ33を開いて真空槽21内に空気を導
入する。それから、フタ22を開け、上型押え25を外
してガラス成形品を成形用型から取り出す。上記のよう
にして、フリント系光学カラスSF14を使用して、所
要のレンズを成形した。 2)型母材表面のイオン窒化処理:本発明の光学素子の
成形用型の製造には、以下のような加工処理がなされ
る。即ち、型母材として、炭化タングステンとチタンと
タングステンの固溶体複炭化物相の2相混合組織をもつ
超硬合金(TJO5:冨士ダイス製)を採用し、この型
母材を所定の成形型形状1に機械加工する。そして、そ
の成形面を所定の曲率に研削加工し、表面粗さを0.1
μm程度にする。その後、表面清浄化工程を経て、成形
面にイオン窒化処理層2を形成する。上記イオン窒化処
理によって、表面粗さが低下するが、鏡面を研摩するこ
とにより、表面粗さを0.03μm以下にして、成形用
型3を完成する。
【0012】このように、ステンレス鋼(HPM38)
をイオン窒化あるいはプラズマ浸炭した場合、成形用型
の表面硬度は、図3に示すように、このような処理を施
さない母材による成形用型の表面硬度に比べて、より高
い値を示し、ガラス成形用型として、その性能が著しく
向上される。また、これにより、成形時の成形面に対す
るキズの発生あるいはその他の欠陥が除かれる。
【0013】なお、比較例として、成形用型の母材に非
磁性金型材(YHD50FM)を用いた場合を示すと
(図4参照)、その母材に対するイオン窒化処理、プラ
ズマ浸炭処理では、成形用型の表面硬度を高めることが
殆どなく、成形時における上述の欠陥の発生について、
改善が認められない。
【0014】また、超硬合金(TJ05)をイオン窒化
した場合、成形用型の成形面は、図5に示すように、表
面硬度が高まり、成形時(研摩後)処理表面の劣化が抑
制される。これに対し、比較例としてのCo助剤超硬合
金の場合(図6参照)は、イオン窒化処理によっては、
表面硬度を高めることがなく、成形時における上述の欠
陥の発生について、改善が認められない。
【0015】このように、ステンレス鋼(HPM38)
は、その膨張係数が大きく、凹レンズの成形用型に採用
した場合、成形面を精度良く成形するのに良好な熱膨張
係数を備えているが、表面硬度およびガラスに対する耐
腐食性の点で問題が残されていたが、本発明のように、
プラズマ浸炭あるいはイオン窒化処理を行なうことによ
り、成形による表面劣化を防止でき、良好な成形品を得
ることができる。
【0016】また、超硬合金(TJ05)、更には、C
r助剤超硬合金は、本発明のイオン窒化あるいはプラズ
マ浸炭処理により、その金属成分を窒化あるいは炭化す
るために、表面硬度が高まり、耐酸化性が向上でき、ガ
ラスに対する耐腐食性が向上するため、凸レンズの成形
において、良好な面精度と良好な外観、性能のレンズを
得ることができる。
【0017】特に、本発明のプラズマ浸炭あるいはイオ
ン窒化処理は、母材の表面を改質するため、他の膜被覆
と異なり、剥離という問題が発生しない。なお、以上の
ような方法で得た成形用型は、光学素子をプレス成形す
るための成形用型に限定されるものでなく、プレス成形
のための予備成形としての、精密ゴブ成形用の型につい
ても利用できる。
【0018】また、成形するガラス素材およびプレス条
件により、成形用型とガラスとの密着力が大きい場合、
耐反応性あるいは耐擦傷性について多少は劣るという欠
点のある炭素系膜あるいは白金系膜5を、本発明のイオ
ン窒化あるいはプラズマ浸炭処理したステンレス鋼(凹
レンズ成形の場合)あるいは超硬合金(凸レンズ成形の
場合)の型母材の表面に使用することにより、ガラス成
形後の安定した離型が達成でき、レンズの割れなどの問
題を回避できる(図2には、このような処理をした成形
用型6が示されている)。
【0019】
【発明の効果】本発明は、以上詳述したように、型母材
を所定形状に加工した後、少なくとも、その成形面をイ
オン窒化あるいはプラズマ浸炭処理し、上記成形面を所
定形状に鏡面加工したので、型母材に不足している型の
必要条件を、母材の表面処理により補うことができ、全
体として良好な性能を備えた光学素子の成形用型を得る
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施した成形型の断面図である。
【図2】本発明を実施した他の成形型の断面図である。
【図3】ステンレス鋼(HPM38)の表面処理と硬度
の関係を示すグラフである。
【図4】非磁性材料(YHD50FM)の表面処理と硬
度の関係を示すグラフである。
【図5】超硬合金(TJO5)の表面処理と硬度の関係
を示すグラフである。
【図6】Co助剤入り超硬合金の表面処理と硬度の関係
を示すグラフである。
【図7】本発明の光学素子の成形用型を使用する、レン
ズの成形装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1 型母材 2 イオン窒化あるいはプラズマ浸炭処理層 3 イオン窒化あるいはプラズマ浸炭処理層のある成
形用型 5 炭素系膜あるいは白金系膜 6 イオン窒化あるいはプラズマ浸炭処理層上に炭素
系膜あるいは白金系膜のある成形用型 21 真空槽本体 22 フタ 23 上型 24 下型 25 上型押え 26 胴型 27 型ホルダー 28 ヒーター 29 突き上げ棒 30 エアシリンダ 31 回転ポンプ 32,33,34 バルブ 35 流入パイプ 36 バルブ 37 流出パイプ 38 バルブ 39 温度センサ 40 水冷パイプ 41 台
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 直 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−105460(JP,A) 特開 平2−283627(JP,A) 特開 昭60−246230(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C03B 11/00 C03B 40/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 型母材としてステンレス鋼あるいはCr
    助剤超合金あるいは炭化タングステンとチタンとタング
    ステンの固溶体複炭化物相の2相混合組織を持つ超合金
    を、所定形状に加工した後、少なくとも、その成形面を
    イオン窒化あるいはプラズマ浸炭処理し、上記成形面を
    所定形状に鏡面加工したことを特徴とする光学素子の成
    形用型。
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