JP3625295B2 - 光学素子成形用型およびその製造法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レンズ、プリズムなどのガラスよりなる光学素子をガラス素材のプレス成形によって製造する際に使用される型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
研磨工程を必要としないでガラス素材のプレス成形によってレンズを製造する技術は、従来の製造において必要とされた複雑な工程をなくし、簡単かつ安価にレンズを製造することを可能とし、近年、レンズのみならずプリズムその他のガラスよりなる光学素子の製造に使用されるようになってきた。
【０００３】
このようなガラスの光学素子のプレス成形に使用される型材に要求される性質としては、硬度、耐熱性、離型性、鏡面加工性などに優れていることが挙げられる。従来、この種の型材として金属、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、数多くの提案がされている。いくつかの例を挙げるならば、特開昭４９−５１１１２には１３Ｃｒマルテンサイト鋼が、特開昭５２−４５６１３にはＳｉＣおよびＳｉ３Ｎ４が、特開昭６０−２４６２３０には超硬合金に貴金属をコーティングした材料が、また特開昭６１−１８３１３４、６１−２８１０３０、特開平１−３０１８６４にはダイヤモンド薄膜もしくはダイヤモンド状炭素膜、特開昭６４−８３５２９には硬質炭素膜をコーティングした材料が提案されている。また、特公平２−３１０１２には、レンズもしくは型のどちらか一方に５０〜５０００Åの炭素膜を形成することが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、１３Ｃｒマルテンサイト鋼は酸化しやすく、さらに高温でＦｅがガラス中に拡散してガラスが着色する欠点を持つ。ＳｉＣおよびＳｉ３Ｎ４は一般的に酸化されにくいとされているが、高温ではやはり酸化が起こり、表面にＳｉＯ２の膜が形成されるため、ガラスの融着を生じる。さらに、高硬度のため型自体の加工性が極めて悪いという欠点を持つ。貴金属をコーティングした材料は融着は起こしにくいが、極めて柔らかいため傷がつきやすく変形しやすいという欠点を持つ。
【０００５】
また、ダイヤモンド薄膜は高硬度で熱的安定性にも優れているが、多結晶膜であるため表面粗さが大きく、鏡面加工する必要がある。ＤＬＣ膜、ａ−Ｃ：Ｈ膜、硬質炭素膜を用いた型は、型とガラスの離型性が良く、ガラスの融着を起こさないが、成形操作を数百回以上繰り返して行なうと、前記膜が部分的に剥離し成形品において十分な成形性能が得られないことがある。
【０００６】
この原因として以下のことが考えられる。
（１）前述の膜はいずれも非常に大きな圧縮応力を有しており、成形プロセスにおける急加熱−急冷却に伴う応力解放の結果として剥離、クラックなどが生じる。同様に型母材と膜の熱膨張係数の違いと熱サイクルに起因する熱応力によっても同様な現象が生じる。（２）型母材によっては、表面状態により膜が部分的に形成されなかったり、膜厚が薄いことがある。例えば、ＷＣ−ＣｏやＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４などの焼結体では、粒の欠落や焼結時のポアが避けられず、成形研磨面に数μｍ以上の穴が存在している。こうした面に膜を形成した時、これらの穴には膜が形成されなかったり、極端に膜厚の薄い状態になる。従って、こうした部分の膜の付着強度や、機械的強度は著しく低下するため剥離やクラックの発生起点となりやすい。（３）ＷＣ−ＣｏのＣｏに代表される焼結体中の焼結助材と前述の膜の間で拡散による合金形成が生じる。こうした部分では成形時にガラスの融着が生じ、ガラス中に含有される成分と反応して析出物を生じる結果、耐久性の劣化を招く。以上のように、成形性、耐久性、経済性に優れた光学素子成形用型を実現するに至っていない。
【０００７】
また、特公平２−３１０１２では、膜厚が５０Å未満では膜が不均一になるため炭素膜の形成効果が減少し、５０００Åを越えると加圧成形による面精度が低下するが、５０Å〜５０００Åならば問題は生じないとしている。しかしながら、この発明の実施例における炭素膜は、基板との付着力が弱く、あるいは大きな圧縮応力のために成形過程において膜の剥離を生じる。この結果、剥離部におけるガラスの融着や成形品の外観不良を引き起こし、耐久性の優れた実用的な型を提供するに至っていない。
【０００８】
一方、両凸、両凹、メニスカスレンズなどを成形する際、型とガラスの密着力が一定でないと成形レンズが異常に展延し異形形状となり、レンズの面精度の低下をもたらし、素子としての機能を満たさなくなる場合がある。以下にその例と理由を示す。
【０００９】
図１および図２は光学素子を成形する際の型構造を示すものである。図１は光学素子のプレス成形前の状態を示し、図２は光学素子成形後の状態を示す。図１中１は型母材、２はガラス素材を成形する成形面、３はガラス素材であり、図２中４は成形によって得られた光学素子である。
【００１０】
図１に示すように平板のガラス素材３を成形する際、最初に型の凸部がガラス素材に当たるため、大きな荷重がガラス素材中心部にかかる。この時ガラス素材中心部と型の密着力は高くなり、型とガラスは固着する。そして徐々にプレスが進行していくに従い、ガラスは型にならって変形するが、ガラス素材の周辺部に行くに従い、成形圧力がプレス方向と垂直であるガラス素材の横方向の変形に使われるため、型とガラスの密着力が徐々に低くなっている。つまり成形時には、レンズの周辺方向に行くに従って型とレンズの密着力が下がり、かつ型とガラスがレンズの周辺方向に行くほど滑りやすくなっている。これは、炭素を主成分とした膜の膜厚が一定の場合あるいは炭素を主成分とした膜の膜質が一定である場合に、レンズ形状による変形差が生み出す密着力差により起こるものである。このような状態で成形された成形品は図２の４に示すような形状となり、適正な形状とならない。つまり、図２の４に示すような形状の場合、成形面でのガラスの滑りが生じ、成形品が異常に展延し所定形状とならなかったり、展延により成形品に傷がつき光学素子とならなくなってしまう。
【００１１】
さらに、これまで、成形用型の密着力、スベリ性の制御については改善されていない。
【００１２】
【課題を解決する手段】
本発明は、ガラスのプレス成形による光学素子製造に使用され、両凸又は両凹からなる光学素子成形用型において、
前記ガラスを前記プレス成形する場合に、前記光学素子成形用型間の距離が大きい位置では、
前記光学素子成形用型の表面処理層である炭素を主成分とした膜の厚さを薄くし、
前記距離が小さい位置では前記膜厚を厚くし、
成形時の成形面とガラスとの離型性が該成形面全体で均一であることを特徴とする光学素子成形用型およびその製造方法を提供する。
【００１３】
【作用】
以下、図面に従って本発明を説明する。
【００１４】
図３および４は光学素子成形用型の炭素を主成分とした膜の膜厚に傾斜を持たせたものの１実施態様およびその型を用いた素子の成形を示す図である。図３は光学素子のプレス成形面の状態を示し、図４は光学素子成形後の状態を示す。図３中５は型母材、６はガラス素材を成形する成形面、７はミキシング層、８はガラス素材である。図４中９は光学素子である。図３に示すように型の間に置かれたガラス素材８をプレス成形することによってレンズなどの光学素子９が形成される。
【００１５】
これらの図中のミキシング層は、型の形状が凸形であることから、中央部の膜厚が最大で周辺部に行くほど薄くなって、レンズ成形時のガラスとの密着力が中心部と周辺部でほぼ同等となるようになっている。
【００１６】
このような炭素を主成分とした膜の形成は各種のＰＶＤ法などによって行なうことができる。その中で例えばイオンビーム法によって行なう場合、炭素を主成分とした膜形成時に例えば図６および図１１に示すような回転スリットを通してイオンビーム照射を行なうことによって所望の膜厚分布を型表面に与えることができる。
【００１７】
図５にはイオンビーム法による型への炭素を主成分とした膜形成を模式的に示した。図５はＩＢＤ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置の模式的断面図であり、図中１０は真空槽、１１はイオンビーム装置、１２はイオン化室、１３はガス導入口、１４はイオンビーム引き出しグリッド、１５はイオンビーム、１６は回転スリット、１７は型母材、１８は基板ホルダーおよびヒーター、１９は排気口を表わす。
【００１８】
この装置による炭素を主成分とした膜形成は次のような手順で行なう。図５のようにＩＢＤ装置に型母材１７を設置し、まず、ガス導入口１３よりＡｒガスをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリッドに電圧を印加してイオンビームを引き出し、型母材に照射して成形表面の清浄化を行なう。次に、ＣＨ４およびＨ２をイオン化室に導入し、回転スリット１６を回転させながら、所定の圧力下にイオンビーム引き出しグリッドに電圧を印加してイオンビームを引き出し、成形面に照射してミキシング層を形成する。
【００１９】
図９および１０は、膜厚分布を有する炭素を主成分とした膜をミキシング層とする光学素子成形用型の他の実施態様を示すものであり、図９は光学素子のプレス成形面の状態を示し、図１０は光学素子成形後の状態を示す。図９中７２は型母材（上型）、７３は型母材（下型）、７４はガラス素材を成形する成形面、７５はミキシング層、７６はガラス素材である。図１０中７７は光学素子である。図９に示すように上型７２と下型７３の間に置かれたガラス素材７６をプレス成形することによってレンズなどの光学素子７７が形成される。図９および１０の型は成形面の形状が凹形であるため、図３および４の型の炭素を主成分とした膜とは逆に、炭素を主成分とした膜の膜厚は中心部ほど薄く周辺部ほど厚くなっている。このような膜厚分布は、図５のようなイオンビーム装置において、回転スリットとして図１１に示すようなものを用いて与えることができる。
【００２０】
図１２は組成変化を有する炭素を主成分とした膜をミキシング層とする光学素子成形用型の１実施態様を示すものである。図１２中、７８は型母材（上型）、７９は型母材（下型）、８０はガラス素材を成形する成形面、８１はミキシング層、８２はガラス素材である。この場合は型が凸形であるため、炭素を主成分とした膜の炭素含量を、中心部が最大で周辺部に近くなるほど小さくし、かつ型母材成分とのミキシングによる組成の変化を持たせることにより、成形時の成形面とガラスの密着力が均等となるようにする。
【００２１】
このような膜組成の変化は、例えばイオンビーム法による炭素を主成分とした膜成膜時にイオンビーム電流の電流密度に中心部から周辺部にかけて傾斜を与えることにより持たせることができる。
【００２２】
【実施例】
次に実施例によって本発明を具体的に説明する。
【００２３】
（実施例１）
型母材超硬合金を図３および４のような両凸の形状に加工した後、イオンプレーティングによりＴｉＮ膜を形成し、次に成形面をＲｍａｘ．＝０．０２μｍに鏡面研磨した。この型を良く洗浄した後、図５に示すＩＢＤ装置に設置した。まず、ガス導入口よりＡｒガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリッドに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、型母材に５分間照射して成形表面の清浄化を行なった。
【００２４】
次に、ＣＨ４：１５ｓｃｃｍおよびＨ２：３０ｓｃｃｍをイオン化室に導入してガス圧３．５×１０ー４Ｔｏｒｒとし、型の曲率を考慮に入れて図６の形状を持った回転スリット１６を回転させながら、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し、成形面に照射してミキシング層を形成した。この時、イオンビーム電流は３０ｍＡ、電流密度２ｍＡ／ｃｍ２、基板温度３００℃とした。得られたミキシング層は、中心部の膜厚が最も大きく、周辺部に近づくに連れて徐々に小さくなっており、中心部で５０ｎｍであり周辺部で２０ｎｍであった。
【００２５】
同条件で作成したサンプルのミキシング層をＸＰＳ（Ｘｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって深さ方向分析した結果を図７に示す。この図７より明らかなように、炭素Ｃの濃度は表面側から型母材側に向かって減少している。一方、Ｔｉ、Ｎ原子の濃度は表面側から型母材側に向かって増加している。
【００２６】
次に、本発明の光学素子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。装置は図８に示したものを用い、図中、５１は真空槽本体、５２はその蓋、５３は光学素子を成形するための上型、５４はその下型、５５は上型を押さえるための上型おさえ、５６は胴型、５７は型ホルダー、５８はヒーター、５９は下型を突き上げる突き上げ棒、６０はこの突き上げ棒を作動するエアシリンダ、６１は油回転ポンプ、６２、６３、６４はバルブ、６５は不活性ガス流入パイプ、６６はバルブ、６７はリークパイプ、６８はバルブ、６９は温度センサ、７０は水冷パイプ、７１は真空槽を支持する台を示す。
【００２７】
次に、レンズ製作の工程について述べる。クラウン系光学ガラス（ＳＫ１２）を所定の量に調整し、球状にしたガラス素材を型のキャビティー内に置き、これを成形装置内に設置した。ガラス素材を投入した型を装置内に設置してから真空槽５１の蓋５２を閉じ、水冷パイプ７０に水を流し、ヒーター５８に電流を流した。このとき窒素ガス用バルブ６６および６８は閉じ、排気系バルブ６２、６３、６４も閉じていた。なお、油回転ポンプ６１は常に回転していた。バルブ６２を開け排気を開始してから１０ー２Ｔｏｒｒ以下になったところでバルブ６２を閉じ、バルブ６６を開いて窒素ガスをボンベより真空槽内に導入した。６２０℃となったところでエアシリンダ６０を作動させて３００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１分間加圧した。圧力を解除した後、冷却速度を−５℃／ｍｉｎで転移点以下となるまで冷却し、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６６を閉じて、リークバルブ６３を開いて真空槽５１内に空気を導入した。それから蓋５２を開け、上型おさえを外して成形物を取り出した。このように、クラウン系光学ガラスＳＫ１２（軟化点Ｓｐ＝６７２℃、転移点Ｔｇ＝５５０℃）を使用して図４に示すレンズ９を成形した。
【００２８】
このようなプレス工程で３０００回成形した後、型の成形面および成形された光学素子の表面粗さ、ならびに型と成形された光学素子との離型性は良好であった。特に、型の成形面について光学顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察しても傷やクラックなどの欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラスの融着は見られなかった。
【００２９】
（実施例２）
型母材表面にミキシング層を持った炭素を主成分とする層の形成は実施例１と同様にして、型母材の形状が図９および１０に示したように上下型とも凹形状となった両凸レンズ成形用型を作製した。その際、ＩＢＤ装置に設置する回転スリット（図５の１６）としては、図１１に示す、型の曲線を考慮に入れた回転スリットを使用して成膜を行なった。その結果、成形面の膜厚は中心部が５０ｎｍとなり、周辺部に行くに従って徐々に厚くなり、有効径の最も外側で８５ｎｍとなった。
【００３０】
次に、上記方法で作製した型を用いて実施例１と同様の方法で成形実験を行なった。その結果、３０００回成形した後の型の成形面および成形された光学素子の表面粗さ、ならびに型と成形された光学素子との離型性は良好であった。特に、型の成形面について光学顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察しても傷やクラックなどの欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラスの融着は見られなかった。
【００３１】
（実施例３）
型母材超硬合金を図１２の７８および７９のような両凸の形状に加工した後、イオンプレーティングによりＴｉＮ膜を形成し、次に成形面をＲｍａｘ．＝０．０２μｍに鏡面研磨した。この型を良く洗浄した後、図５に示すＩＢＤ装置に設置した。まず、ガス導入口よりＡｒガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリッドに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、型母材に５分間照射して成形表面の清浄化を行なった。
【００３２】
次に、ＣＨ４：１５ｓｃｃｍ、Ｈ２：３０ｓｃｃｍをイオン化室に導入して、ガス圧３．５×１０ー４Ｔｏｒｒとし、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し、成形面に照射してミキシング層を形成した。この時、イオンビーム電流を３０ｍＡ、電流密度を型中心部付近で２ｍＡ／ｃｍ２とし、型周辺部方向へ行くに従って下げ、型の有効径付近の周辺部では１ｍＡ／ｃｍ２とした。また基板温度は３００℃とした。この結果、電流密度の高い型中心部にはカーボンリッチのミキシング層ができ、一方型周辺部にはカーボンが少ないミキシング層ができた。この型は、型中心部の密着力が低く、型周辺部に向かうに従って徐々に密着力が上昇する特徴を有していた。
【００３３】
次に上記方法で作製した型を用いて実施例１と同様の方法で成形実験を行なった。その結果、３０００回成形した後の型の成形面および成形された光学素子の表面粗さ、ならびに型と成形された光学素子との離型性は良好であった。特に、型の成形面について光学顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察しても傷やクラックなどの欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラスの融着は見られなかった。
【００３４】
また図５に示すＩＢＤ装置のイオンビーム装置１１の部分を蒸発源となる装置に置き換えることで真空蒸着、スパッタリングが可能となる。この２つの手法によっても膜厚分布型、膜質変化型の作製が可能であり、実施例１と同様の方法で成形実験を行ない、良好な結果を得た。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学素子成形用型によれば、成形面に被覆した炭素を主成分とした膜に膜厚および／または膜組成に変化を持たせることによって、成形時のガラスとの密着力が成形面全体で均等化し、ガラス光学素子を成形する際、ガラスと型の離型性が極めて良好となり、成形レンズの異常な伸びも発生せず、表面粗さ、面精度、透過率、形状精度の良好な成形品が得られる。さらにこの型は、プレス成形を長時間繰り返しても、膜剥離やクラック、傷などの欠陥を生じない極めて耐久性の高い光学素子成形用型である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光学素子成形用型の１例の断面図である。
【図２】図１の型によるプレス後の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の光学素子成形用型の１実施態様（膜厚分布型）を示す断面図である。
【図４】図３の型によるプレス後の状態を示す断面図である。
【図５】イオンビームミキシング装置の模式的断面図である。
【図６】回転スリットの１例の平面図である。
【図７】ミキシング層のＸＰＳによるデプスプロファイルを示すグラフである。
【図８】光学素子成形用型を使用する成形装置の断面図である。
【図９】本発明の光学素子成形用型の他の実施態様（膜厚分布型）を示す断面図である。
【図１０】図９の型によるプレス後の状態を示す断面図である。
【図１１】回転スリットの他の１例の平面図である。
【図１２】本発明の光学素子成形用型のもう一つの実施態様（膜組成分布型）を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 型母材
２ 成形面
３ ガラス素材
４ 成形されたレンズ
５ 型母材
６ 成形面
７ ミキシング層
８ ガラス素材
９ 成形されたレンズ
１０ 真空槽
１１ イオンビーム装置
１２ イオン化室
１３ ガス導入口
１４ イオンビーム引き出しグリッド
１５ イオンビーム
１６ 回転スリット
１７ 型母材
１８ 基板ホルダーおよびヒーター
１９ 排気口
５１ 真空槽
５２ 真空槽の蓋
５３ 上型
５４ 下型
５５ 上型押さえ
５６ 胴型
５７ 型ホルダー
５８ ヒーター
５９ 下型を突き上げる突き上げ棒
６０ エアシリンダ
６１ 油回転ポンプ
６２，６３，６４ バルブ
６５ 不活性ガス導入バルブ
６６ バルブ
６７ リークパイプ
６８ バルブ
６９ 温度センサ
７０ 水冷パイプ
７１ 真空槽を支持する台
７２ 上型
７３ 下型
７４ 成形面
７５ ミキシング層
７６ ガラス素材
７７ 成形されたレンズ
７８ 上型
７９ 下型
８０ 成形面
８１ ミキシング層
８２ ガラス素材
【産業上の利用分野】
本発明は、レンズ、プリズムなどのガラスよりなる光学素子をガラス素材のプレス成形によって製造する際に使用される型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
研磨工程を必要としないでガラス素材のプレス成形によってレンズを製造する技術は、従来の製造において必要とされた複雑な工程をなくし、簡単かつ安価にレンズを製造することを可能とし、近年、レンズのみならずプリズムその他のガラスよりなる光学素子の製造に使用されるようになってきた。
【０００３】
このようなガラスの光学素子のプレス成形に使用される型材に要求される性質としては、硬度、耐熱性、離型性、鏡面加工性などに優れていることが挙げられる。従来、この種の型材として金属、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、数多くの提案がされている。いくつかの例を挙げるならば、特開昭４９−５１１１２には１３Ｃｒマルテンサイト鋼が、特開昭５２−４５６１３にはＳｉＣおよびＳｉ３Ｎ４が、特開昭６０−２４６２３０には超硬合金に貴金属をコーティングした材料が、また特開昭６１−１８３１３４、６１−２８１０３０、特開平１−３０１８６４にはダイヤモンド薄膜もしくはダイヤモンド状炭素膜、特開昭６４−８３５２９には硬質炭素膜をコーティングした材料が提案されている。また、特公平２−３１０１２には、レンズもしくは型のどちらか一方に５０〜５０００Åの炭素膜を形成することが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、１３Ｃｒマルテンサイト鋼は酸化しやすく、さらに高温でＦｅがガラス中に拡散してガラスが着色する欠点を持つ。ＳｉＣおよびＳｉ３Ｎ４は一般的に酸化されにくいとされているが、高温ではやはり酸化が起こり、表面にＳｉＯ２の膜が形成されるため、ガラスの融着を生じる。さらに、高硬度のため型自体の加工性が極めて悪いという欠点を持つ。貴金属をコーティングした材料は融着は起こしにくいが、極めて柔らかいため傷がつきやすく変形しやすいという欠点を持つ。
【０００５】
また、ダイヤモンド薄膜は高硬度で熱的安定性にも優れているが、多結晶膜であるため表面粗さが大きく、鏡面加工する必要がある。ＤＬＣ膜、ａ−Ｃ：Ｈ膜、硬質炭素膜を用いた型は、型とガラスの離型性が良く、ガラスの融着を起こさないが、成形操作を数百回以上繰り返して行なうと、前記膜が部分的に剥離し成形品において十分な成形性能が得られないことがある。
【０００６】
この原因として以下のことが考えられる。
（１）前述の膜はいずれも非常に大きな圧縮応力を有しており、成形プロセスにおける急加熱−急冷却に伴う応力解放の結果として剥離、クラックなどが生じる。同様に型母材と膜の熱膨張係数の違いと熱サイクルに起因する熱応力によっても同様な現象が生じる。（２）型母材によっては、表面状態により膜が部分的に形成されなかったり、膜厚が薄いことがある。例えば、ＷＣ−ＣｏやＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４などの焼結体では、粒の欠落や焼結時のポアが避けられず、成形研磨面に数μｍ以上の穴が存在している。こうした面に膜を形成した時、これらの穴には膜が形成されなかったり、極端に膜厚の薄い状態になる。従って、こうした部分の膜の付着強度や、機械的強度は著しく低下するため剥離やクラックの発生起点となりやすい。（３）ＷＣ−ＣｏのＣｏに代表される焼結体中の焼結助材と前述の膜の間で拡散による合金形成が生じる。こうした部分では成形時にガラスの融着が生じ、ガラス中に含有される成分と反応して析出物を生じる結果、耐久性の劣化を招く。以上のように、成形性、耐久性、経済性に優れた光学素子成形用型を実現するに至っていない。
【０００７】
また、特公平２−３１０１２では、膜厚が５０Å未満では膜が不均一になるため炭素膜の形成効果が減少し、５０００Åを越えると加圧成形による面精度が低下するが、５０Å〜５０００Åならば問題は生じないとしている。しかしながら、この発明の実施例における炭素膜は、基板との付着力が弱く、あるいは大きな圧縮応力のために成形過程において膜の剥離を生じる。この結果、剥離部におけるガラスの融着や成形品の外観不良を引き起こし、耐久性の優れた実用的な型を提供するに至っていない。
【０００８】
一方、両凸、両凹、メニスカスレンズなどを成形する際、型とガラスの密着力が一定でないと成形レンズが異常に展延し異形形状となり、レンズの面精度の低下をもたらし、素子としての機能を満たさなくなる場合がある。以下にその例と理由を示す。
【０００９】
図１および図２は光学素子を成形する際の型構造を示すものである。図１は光学素子のプレス成形前の状態を示し、図２は光学素子成形後の状態を示す。図１中１は型母材、２はガラス素材を成形する成形面、３はガラス素材であり、図２中４は成形によって得られた光学素子である。
【００１０】
図１に示すように平板のガラス素材３を成形する際、最初に型の凸部がガラス素材に当たるため、大きな荷重がガラス素材中心部にかかる。この時ガラス素材中心部と型の密着力は高くなり、型とガラスは固着する。そして徐々にプレスが進行していくに従い、ガラスは型にならって変形するが、ガラス素材の周辺部に行くに従い、成形圧力がプレス方向と垂直であるガラス素材の横方向の変形に使われるため、型とガラスの密着力が徐々に低くなっている。つまり成形時には、レンズの周辺方向に行くに従って型とレンズの密着力が下がり、かつ型とガラスがレンズの周辺方向に行くほど滑りやすくなっている。これは、炭素を主成分とした膜の膜厚が一定の場合あるいは炭素を主成分とした膜の膜質が一定である場合に、レンズ形状による変形差が生み出す密着力差により起こるものである。このような状態で成形された成形品は図２の４に示すような形状となり、適正な形状とならない。つまり、図２の４に示すような形状の場合、成形面でのガラスの滑りが生じ、成形品が異常に展延し所定形状とならなかったり、展延により成形品に傷がつき光学素子とならなくなってしまう。
【００１１】
さらに、これまで、成形用型の密着力、スベリ性の制御については改善されていない。
【００１２】
【課題を解決する手段】
本発明は、ガラスのプレス成形による光学素子製造に使用され、両凸又は両凹からなる光学素子成形用型において、
前記ガラスを前記プレス成形する場合に、前記光学素子成形用型間の距離が大きい位置では、
前記光学素子成形用型の表面処理層である炭素を主成分とした膜の厚さを薄くし、
前記距離が小さい位置では前記膜厚を厚くし、
成形時の成形面とガラスとの離型性が該成形面全体で均一であることを特徴とする光学素子成形用型およびその製造方法を提供する。
【００１３】
【作用】
以下、図面に従って本発明を説明する。
【００１４】
図３および４は光学素子成形用型の炭素を主成分とした膜の膜厚に傾斜を持たせたものの１実施態様およびその型を用いた素子の成形を示す図である。図３は光学素子のプレス成形面の状態を示し、図４は光学素子成形後の状態を示す。図３中５は型母材、６はガラス素材を成形する成形面、７はミキシング層、８はガラス素材である。図４中９は光学素子である。図３に示すように型の間に置かれたガラス素材８をプレス成形することによってレンズなどの光学素子９が形成される。
【００１５】
これらの図中のミキシング層は、型の形状が凸形であることから、中央部の膜厚が最大で周辺部に行くほど薄くなって、レンズ成形時のガラスとの密着力が中心部と周辺部でほぼ同等となるようになっている。
【００１６】
このような炭素を主成分とした膜の形成は各種のＰＶＤ法などによって行なうことができる。その中で例えばイオンビーム法によって行なう場合、炭素を主成分とした膜形成時に例えば図６および図１１に示すような回転スリットを通してイオンビーム照射を行なうことによって所望の膜厚分布を型表面に与えることができる。
【００１７】
図５にはイオンビーム法による型への炭素を主成分とした膜形成を模式的に示した。図５はＩＢＤ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置の模式的断面図であり、図中１０は真空槽、１１はイオンビーム装置、１２はイオン化室、１３はガス導入口、１４はイオンビーム引き出しグリッド、１５はイオンビーム、１６は回転スリット、１７は型母材、１８は基板ホルダーおよびヒーター、１９は排気口を表わす。
【００１８】
この装置による炭素を主成分とした膜形成は次のような手順で行なう。図５のようにＩＢＤ装置に型母材１７を設置し、まず、ガス導入口１３よりＡｒガスをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリッドに電圧を印加してイオンビームを引き出し、型母材に照射して成形表面の清浄化を行なう。次に、ＣＨ４およびＨ２をイオン化室に導入し、回転スリット１６を回転させながら、所定の圧力下にイオンビーム引き出しグリッドに電圧を印加してイオンビームを引き出し、成形面に照射してミキシング層を形成する。
【００１９】
図９および１０は、膜厚分布を有する炭素を主成分とした膜をミキシング層とする光学素子成形用型の他の実施態様を示すものであり、図９は光学素子のプレス成形面の状態を示し、図１０は光学素子成形後の状態を示す。図９中７２は型母材（上型）、７３は型母材（下型）、７４はガラス素材を成形する成形面、７５はミキシング層、７６はガラス素材である。図１０中７７は光学素子である。図９に示すように上型７２と下型７３の間に置かれたガラス素材７６をプレス成形することによってレンズなどの光学素子７７が形成される。図９および１０の型は成形面の形状が凹形であるため、図３および４の型の炭素を主成分とした膜とは逆に、炭素を主成分とした膜の膜厚は中心部ほど薄く周辺部ほど厚くなっている。このような膜厚分布は、図５のようなイオンビーム装置において、回転スリットとして図１１に示すようなものを用いて与えることができる。
【００２０】
図１２は組成変化を有する炭素を主成分とした膜をミキシング層とする光学素子成形用型の１実施態様を示すものである。図１２中、７８は型母材（上型）、７９は型母材（下型）、８０はガラス素材を成形する成形面、８１はミキシング層、８２はガラス素材である。この場合は型が凸形であるため、炭素を主成分とした膜の炭素含量を、中心部が最大で周辺部に近くなるほど小さくし、かつ型母材成分とのミキシングによる組成の変化を持たせることにより、成形時の成形面とガラスの密着力が均等となるようにする。
【００２１】
このような膜組成の変化は、例えばイオンビーム法による炭素を主成分とした膜成膜時にイオンビーム電流の電流密度に中心部から周辺部にかけて傾斜を与えることにより持たせることができる。
【００２２】
【実施例】
次に実施例によって本発明を具体的に説明する。
【００２３】
（実施例１）
型母材超硬合金を図３および４のような両凸の形状に加工した後、イオンプレーティングによりＴｉＮ膜を形成し、次に成形面をＲｍａｘ．＝０．０２μｍに鏡面研磨した。この型を良く洗浄した後、図５に示すＩＢＤ装置に設置した。まず、ガス導入口よりＡｒガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリッドに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、型母材に５分間照射して成形表面の清浄化を行なった。
【００２４】
次に、ＣＨ４：１５ｓｃｃｍおよびＨ２：３０ｓｃｃｍをイオン化室に導入してガス圧３．５×１０ー４Ｔｏｒｒとし、型の曲率を考慮に入れて図６の形状を持った回転スリット１６を回転させながら、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し、成形面に照射してミキシング層を形成した。この時、イオンビーム電流は３０ｍＡ、電流密度２ｍＡ／ｃｍ２、基板温度３００℃とした。得られたミキシング層は、中心部の膜厚が最も大きく、周辺部に近づくに連れて徐々に小さくなっており、中心部で５０ｎｍであり周辺部で２０ｎｍであった。
【００２５】
同条件で作成したサンプルのミキシング層をＸＰＳ（Ｘｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって深さ方向分析した結果を図７に示す。この図７より明らかなように、炭素Ｃの濃度は表面側から型母材側に向かって減少している。一方、Ｔｉ、Ｎ原子の濃度は表面側から型母材側に向かって増加している。
【００２６】
次に、本発明の光学素子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。装置は図８に示したものを用い、図中、５１は真空槽本体、５２はその蓋、５３は光学素子を成形するための上型、５４はその下型、５５は上型を押さえるための上型おさえ、５６は胴型、５７は型ホルダー、５８はヒーター、５９は下型を突き上げる突き上げ棒、６０はこの突き上げ棒を作動するエアシリンダ、６１は油回転ポンプ、６２、６３、６４はバルブ、６５は不活性ガス流入パイプ、６６はバルブ、６７はリークパイプ、６８はバルブ、６９は温度センサ、７０は水冷パイプ、７１は真空槽を支持する台を示す。
【００２７】
次に、レンズ製作の工程について述べる。クラウン系光学ガラス（ＳＫ１２）を所定の量に調整し、球状にしたガラス素材を型のキャビティー内に置き、これを成形装置内に設置した。ガラス素材を投入した型を装置内に設置してから真空槽５１の蓋５２を閉じ、水冷パイプ７０に水を流し、ヒーター５８に電流を流した。このとき窒素ガス用バルブ６６および６８は閉じ、排気系バルブ６２、６３、６４も閉じていた。なお、油回転ポンプ６１は常に回転していた。バルブ６２を開け排気を開始してから１０ー２Ｔｏｒｒ以下になったところでバルブ６２を閉じ、バルブ６６を開いて窒素ガスをボンベより真空槽内に導入した。６２０℃となったところでエアシリンダ６０を作動させて３００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１分間加圧した。圧力を解除した後、冷却速度を−５℃／ｍｉｎで転移点以下となるまで冷却し、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６６を閉じて、リークバルブ６３を開いて真空槽５１内に空気を導入した。それから蓋５２を開け、上型おさえを外して成形物を取り出した。このように、クラウン系光学ガラスＳＫ１２（軟化点Ｓｐ＝６７２℃、転移点Ｔｇ＝５５０℃）を使用して図４に示すレンズ９を成形した。
【００２８】
このようなプレス工程で３０００回成形した後、型の成形面および成形された光学素子の表面粗さ、ならびに型と成形された光学素子との離型性は良好であった。特に、型の成形面について光学顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察しても傷やクラックなどの欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラスの融着は見られなかった。
【００２９】
（実施例２）
型母材表面にミキシング層を持った炭素を主成分とする層の形成は実施例１と同様にして、型母材の形状が図９および１０に示したように上下型とも凹形状となった両凸レンズ成形用型を作製した。その際、ＩＢＤ装置に設置する回転スリット（図５の１６）としては、図１１に示す、型の曲線を考慮に入れた回転スリットを使用して成膜を行なった。その結果、成形面の膜厚は中心部が５０ｎｍとなり、周辺部に行くに従って徐々に厚くなり、有効径の最も外側で８５ｎｍとなった。
【００３０】
次に、上記方法で作製した型を用いて実施例１と同様の方法で成形実験を行なった。その結果、３０００回成形した後の型の成形面および成形された光学素子の表面粗さ、ならびに型と成形された光学素子との離型性は良好であった。特に、型の成形面について光学顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察しても傷やクラックなどの欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラスの融着は見られなかった。
【００３１】
（実施例３）
型母材超硬合金を図１２の７８および７９のような両凸の形状に加工した後、イオンプレーティングによりＴｉＮ膜を形成し、次に成形面をＲｍａｘ．＝０．０２μｍに鏡面研磨した。この型を良く洗浄した後、図５に示すＩＢＤ装置に設置した。まず、ガス導入口よりＡｒガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリッドに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、型母材に５分間照射して成形表面の清浄化を行なった。
【００３２】
次に、ＣＨ４：１５ｓｃｃｍ、Ｈ２：３０ｓｃｃｍをイオン化室に導入して、ガス圧３．５×１０ー４Ｔｏｒｒとし、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し、成形面に照射してミキシング層を形成した。この時、イオンビーム電流を３０ｍＡ、電流密度を型中心部付近で２ｍＡ／ｃｍ２とし、型周辺部方向へ行くに従って下げ、型の有効径付近の周辺部では１ｍＡ／ｃｍ２とした。また基板温度は３００℃とした。この結果、電流密度の高い型中心部にはカーボンリッチのミキシング層ができ、一方型周辺部にはカーボンが少ないミキシング層ができた。この型は、型中心部の密着力が低く、型周辺部に向かうに従って徐々に密着力が上昇する特徴を有していた。
【００３３】
次に上記方法で作製した型を用いて実施例１と同様の方法で成形実験を行なった。その結果、３０００回成形した後の型の成形面および成形された光学素子の表面粗さ、ならびに型と成形された光学素子との離型性は良好であった。特に、型の成形面について光学顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察しても傷やクラックなどの欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラスの融着は見られなかった。
【００３４】
また図５に示すＩＢＤ装置のイオンビーム装置１１の部分を蒸発源となる装置に置き換えることで真空蒸着、スパッタリングが可能となる。この２つの手法によっても膜厚分布型、膜質変化型の作製が可能であり、実施例１と同様の方法で成形実験を行ない、良好な結果を得た。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学素子成形用型によれば、成形面に被覆した炭素を主成分とした膜に膜厚および／または膜組成に変化を持たせることによって、成形時のガラスとの密着力が成形面全体で均等化し、ガラス光学素子を成形する際、ガラスと型の離型性が極めて良好となり、成形レンズの異常な伸びも発生せず、表面粗さ、面精度、透過率、形状精度の良好な成形品が得られる。さらにこの型は、プレス成形を長時間繰り返しても、膜剥離やクラック、傷などの欠陥を生じない極めて耐久性の高い光学素子成形用型である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光学素子成形用型の１例の断面図である。
【図２】図１の型によるプレス後の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の光学素子成形用型の１実施態様（膜厚分布型）を示す断面図である。
【図４】図３の型によるプレス後の状態を示す断面図である。
【図５】イオンビームミキシング装置の模式的断面図である。
【図６】回転スリットの１例の平面図である。
【図７】ミキシング層のＸＰＳによるデプスプロファイルを示すグラフである。
【図８】光学素子成形用型を使用する成形装置の断面図である。
【図９】本発明の光学素子成形用型の他の実施態様（膜厚分布型）を示す断面図である。
【図１０】図９の型によるプレス後の状態を示す断面図である。
【図１１】回転スリットの他の１例の平面図である。
【図１２】本発明の光学素子成形用型のもう一つの実施態様（膜組成分布型）を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 型母材
２ 成形面
３ ガラス素材
４ 成形されたレンズ
５ 型母材
６ 成形面
７ ミキシング層
８ ガラス素材
９ 成形されたレンズ
１０ 真空槽
１１ イオンビーム装置
１２ イオン化室
１３ ガス導入口
１４ イオンビーム引き出しグリッド
１５ イオンビーム
１６ 回転スリット
１７ 型母材
１８ 基板ホルダーおよびヒーター
１９ 排気口
５１ 真空槽
５２ 真空槽の蓋
５３ 上型
５４ 下型
５５ 上型押さえ
５６ 胴型
５７ 型ホルダー
５８ ヒーター
５９ 下型を突き上げる突き上げ棒
６０ エアシリンダ
６１ 油回転ポンプ
６２，６３，６４ バルブ
６５ 不活性ガス導入バルブ
６６ バルブ
６７ リークパイプ
６８ バルブ
６９ 温度センサ
７０ 水冷パイプ
７１ 真空槽を支持する台
７２ 上型
７３ 下型
７４ 成形面
７５ ミキシング層
７６ ガラス素材
７７ 成形されたレンズ
７８ 上型
７９ 下型
８０ 成形面
８１ ミキシング層
８２ ガラス素材
Claims (4)
- ガラスのプレス成形による光学素子製造に使用され、両凸又は両凹からなる光学素子成形用型において、
前記ガラスを前記プレス成形する場合に、前記光学素子成形用型間の距離が大きい位置では、
前記光学素子成形用型の表面処理層である炭素を主成分とした膜の厚さを薄くし、
前記距離が小さい位置では前記膜厚を厚くし、
成形時の成形面とガラスとの離型性が該成形面全体で均一であることを特徴とする光学素子成形用型。 - 炭素を主成分とした膜の形成をイオンビーム法、真空蒸着、スパッタのいずれか一つの方法によって行ない、成膜時に回転スリットを回転させて膜厚に分布を持たせる、請求項１記載の光学素子成形用型の製造法。
- ガラスのプレス成形による光学素子製造に使用され、両凸又は両凹からなる光学素子成形用型において、
前記ガラスを前記プレス成形する場合に、前記光学素子成形用型間の距離が大きい位置では、
前記光学素子成形用型の表面処理層である炭素を主成分とした膜の炭素含有量を少なくし、
前記距離が小さい位置では前記炭素含有量を多くし、
成形時の成形面とガラスとの密着力が該成形面全体で均一であることを特徴とする光学素子成形用型。 - 炭素を主成分とした膜の形成をイオンビーム法によって行ない、成膜時の電流密度を中央部から周辺部にかけて徐々に変化させることにより炭素含量に傾斜を与える、請求項３記載の光学素子成形用型の製造法。
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