JP3851383B2

JP3851383B2 - 光学ガラス素子のプレス成形型およびその製造方法

Info

Publication number: JP3851383B2
Application number: JP23991496A
Authority: JP
Inventors: 博曽根; 孝夫渡辺; 寛大曽根
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1996-08-21
Filing date: 1996-08-21
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2016-08-21
Also published as: JPH1067523A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工性、硬度および耐熱性、さらに離型性を共に満足させる光学ガラス素子のプレス成形型およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光学ガラス素子は、研磨工程により製造されていた。ところが今日では、光学機器のレンズ構成に簡略化、レンズ部分の軽量化を同時に達成し得る非球面の光学ガラスレンズが多用されつつある。
この非球面光学ガラス素子の製造にあっては、従来の研磨法では加工および量産化が困難であるため、光学ガラス材料をそのまま、あるいはあらかじめ加熱した後、一対の成形型の内端面（プレス形成面）間で加熱押圧し成形して光学ガラス素子を製造するダイレクトプレス（ガラスモールド法）が採用されている。
【０００３】
この従来のガラスモールド法のための金型は、超硬合金、サーメット等の材料が使用されているが、これらは非常に硬く、加工性が悪く、光学鏡面を得るための加工に長時間が必要であり、コストアップにつながっている。
また、このような従来の金型を用いて、グレーティング、回折格子等の微細な形状を成形面に作製するのはほとんど不可能である。
【０００４】
そこで、微細加工を行うことのできるガラスモールド用金型が、幾つか提案されている。例えば、特開平７−２７７７４７号公報には、硬質母材と、そこに形成された転写面とを有するプレス成形型において、転写面がＣｕを主成分とする加工層を備えている型が提案されている。
また、特開平７−４１３２６号公報、特開平７−１７２８４９号公報および特開平６−２３９６２９号公報等には、超硬合金、サーメット等の母材上に特定の組成の合金からなる切削加工層が設けられ、さらに切削加工層上に貴金属系合金薄膜が形成されているプレス成形型が提案されている。
これら提案されている従来技術は、硬い母材上に、特定組成の合金、例えばＮｉ等を含む合金の軟らかい加工層を設け、微細加工に適した加工性を高めようとするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術に提案されたプレス成形型は、加工性にある程度の改善は見られるものの、いまだ硬度および耐熱性に不十分であり、したがって耐久性に劣るものとなっている。
したがって本発明の目的は、上記のような従来の課題を解決し、加工性、硬度および耐熱性、さらに離型性を共に満足させる光学ガラス素子のプレス成形型およびその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成することができた。
すなわち本発明は、光学ガラス材料を加熱により軟化させ、一対の成形型の内端面間でこれを押圧成形することにより光学ガラス素子を成形する成形型において、前記内端面がＮｉ−Ｃｏ−Ｍｎ合金からなる薄膜で被覆され、前記薄膜は電気メッキ法により形成され、さらに前記薄膜の上部にはＰｔ、Ｉｒ、ＲｈおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属を含む貴金属合金からなる保護層が設けられている、ことを特徴とする光学ガラス素子のプレス成形型を提供するものである。
また本発明は、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｎ合金の組成が、Ｃｏ５〜３０重量％、Ｍｎ０．１〜５重量％および残部がＮｉである前記の光学ガラス素子のプレス成形型を提供するものである。
また本発明は、前記薄膜の厚さが、５０〜５００μmである前記の光学ガラス素子のプレス成形型を提供するものである。
また本発明は、前記保護層が、Ｐｔ−ＷまたはＰｔ−Ｉｒ−Ｒｈ合金からなることを特徴とする前記の光学ガラス素子のプレス成形型を提供するものである。
【０００７】
さらに本発明は、光学ガラス材料を加熱により軟化させ、一対の成形型の内端面間で押圧成形することにより光学ガラス素子を成形する成形型の製造方法において、上記内端面にＮｉ−Ｃｏ−Ｍｎ合金からなる薄膜を被覆し、前記薄膜は電気メッキ法により形成され、この薄膜を所望の形状に加工し、さらに前記薄膜の上部にＰｔ、Ｉｒ、ＲｈおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属を含む貴金属合金からなる保護層を設けることを特徴とする光学ガラス素子のプレス成形型の製造方法を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその一実施態様により説明するが、本発明は下記説明により限定されるものではない。
図１は、本発明に係る光学ガラス素子のプレス成形型の断面図である。
この成形型は、母材１、母材のフランジ部１ａ、薄膜２１および保護層２２を備えており、その作成方法としては、例えば母材１を超精密旋盤にて所望の非球面に切削した後、ダイヤモンドペースト研磨材等を使用して表面粗さＲｍａｘ＝０．０１μm 以下になるように研磨するのがよい。
ここで母材１に用いられる材料としては超硬合金タングステンカーバイト（ＷＣ）、ステンレス、Ｎｉ基耐熱合金等の合金、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等のセラミックス等を好ましい例として挙げることができる。
【０００９】
次にこの母材１の表面に薄膜２１を形成する。その形成方法としては、公知の電気メッキ法、スパッタリング法等を通常の条件を採用して行うことができる。
このようにして得られた薄膜２１は、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｎ合金からなり、それらの組成はＣｏ５〜３０重量％、Ｍｎ０．１〜５重量％、残部がＮｉからなるものが好ましく、さらに好ましくはＣｏ１０〜２０重量％、Ｍｎ０．１〜２重量％、残部がＮｉからなるものがよい。
【００１０】
この薄膜２１は、従来よりも加工性、硬度および耐熱性に優れている。したがって、目的に応じて自由にその形状を加工することができる。加工は、ダイヤモンドバイト、ポリシング等により簡単に行うことができる。
薄膜２１の厚さは、５０〜５００μm の範囲が実用的であるが、薄膜の加工前には、切削する部分を考慮して厚さを設計するのがよい。
【００１１】
薄膜２１の上部には、保護層２２が設けられる。
この保護層２２は、ガラスとの反応性が低く、そのため離型性に優れるものがよく、Ｐｔ、Ｉｒ、ＲｈおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属を含む貴金属合金からなる層であり、例えばＰｔ−Ｗ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｒｈ合金が好適である。保護層２２は、例えばスパッタリング法を通常の条件でもって行い、形成することができる。
保護層２２の厚さは、０．５〜１．０μm の範囲が実用的である。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明に係る光学ガラス素子のプレス成形型およびその製造方法について実施例に基づき具体的に説明する。
【００１３】
実施例１
図１に示されるようなプレス成形型を作成した。
この成形型は、ＷＣを主成分とする超硬合金を研削加工により所望の形状の成形面に加工、研磨した母材１、この母材１の内端面を被覆するようにして形成されたＮｉ−Ｍｎ−Ｃｏの薄膜２１、および薄膜２１の上部の白金系合金からなる保護層２２を有する。
【００１４】
成形型の母材１の内端面を形成している部分の外径は２０mmであり、母材１の下部には、外径が２６mmで厚さが３mmのフランジ部１ａが設けられている。母材１の高さは１５mmである。
この母材１の内端面を、半径２５mmの球面が形成されるように研削加工した。このときの研削加工は、カーブジェネレータで＃８００のダイヤモンドカップ砥石を用いて行った。
続いて、母材１の成形面上にＮｉ−Ｍｎ−Ｃｏ合金からなる薄膜２１を形成した。
【００１５】
この薄膜２１の形成方法を説明する。
メッキ槽にメッキ液としてスルファミン酸Ｎｉ液、スルファミン酸Ｃｏ液、スルファミン酸Ｍｎ液、臭化Ｎｉ液、レベリング液、ホウ酸を純水に溶かしたものを入れ、メッキ液の温度を６０℃に保った。p Ｈは４であった。
母材１の内端面以外の部分をロウによってマスキングし陰極側に接続した。
メッキ槽に電流を流し母材１の内端面にＮｉ−Ｍｎ−Ｃｏ合金からなる薄膜２１を形成した。
このようにして、形成された薄膜２１の厚みは１５０μm であった。
薄膜２１の成分を蛍光Ｘ線分析装置で組成を分析したところ、Ｃｏ：１５重量％、Ｍｎ：０．５重量％、残部がＮｉであった。
次にこの内端面の薄膜２１を超精密旋盤によって、近軸半径２５．２mm、非球面量５０μm の非球面形状にダイヤモンドバイトで切削加工した。
ダイヤモンドバイトで切削加工された内端面は、ダイヤモンドバイトによる引き目がわずかに残っているので、これを除去するためにダイヤモンドペーストで軽く研磨した。
その後、アルゴンガス圧３×１０^-3Ｔｏｒｒ、スパッタ電力３００Ｗ、６０分間の条件下でスパッタリングを行い、Ｐｔ−Ｗの保護膜２２を１μm 成膜した。
【００１６】
このようにして作成されたプレス成形型（金型）の内端面は、表面粗さＲｍａｘ＝０．０１μm 以下であり、従来の超硬合金で作成された金型と同等以上の面形状をもつものであるばかりでなく、薄膜が非常に加工性のよいものであるので、希望する形状のプレス成形型（金型）を短時間に作成できるという有効性がある。
【００１７】
このようにして作成された成形型、すなわち下型３と上型４を用い、図２および図３に示すように光学ガラス素子を成形した。
図２は、成形装置の押圧成形前の状態を示す概略縦断面図であり、図３は成形装置の押圧成形状態を示す概略縦断面図である。
まず、下型３上に球形に加工された光学ガラス材料５（商品名：ＶＣ７８、住田光学ガラス社製）をのせ、ヒータ７を加熱して摂氏５８０℃まで加熱した。ここで型温度は熱電対１０によって測定している。また加熱中は成形型の酸化による劣化を抑えるために雰囲気ガス供給口９より非酸化性の窒素ガスを導入している。
【００１８】
所定の温度に昇温した後、図３に示すようにシリンダー８を下げ、上型４と下型３と胴型６との間で光学ガラス材料５を約１００kg／cm² の圧力で押圧成形した。
その後冷却し、成形部温度が光学ガラス材料５の転移点温度を下回った時点（約摂氏５００℃）で圧力を抜き、シリンダー８を上昇させて図４に示されるような光学ガラス素子１１を取り出した。
【００１９】
以上の工程を５０００回繰り返して行ったが、光学ガラス素子と成形型との離型性は常に良好であり、また成形型表面に傷が生じることもなく、高精度の光学ガラス素子を再現性よく成形することが分かった。
【００２０】
実施例２（参考例）
図５は、本発明に係るプレス成形型の別の一実施例を示す断面図である。この成形型は、母材１２としてＷ系粉末ハイスを焼結して作成した焼結高速度工具鋼（粉末ハイス）を使用したものである。そして、母材１２の成形面を研削加工により所望の形状に加工した。その後ダイヤモンドペーストにより表面粗さＲｍａｘ＝０．１μm以下に研磨加工した。この成形面の上にＮｉ−Ｍｎ−Ｃｏの薄膜１３を形成し、この薄膜１３を切削加工により所定の形状に加工し、その後、保護層１４として白金系の合金からなる膜をコーティングしたものである。
【００２１】
成形型の母材１２は、内端面を形成している部分の外径が１０mmであり、その下部に外径が１５mmで厚さが２mmのフランジ部１２ａが設けられている。母材１２の高さは１２mmである。
この母材１２の内端面を切削加工により、平面に加工した。その後、ラッピングにより平面を研磨した。
【００２２】
次に、この母材１２の内端面に薄膜１３を形成した。すなわち、スパッタ装置に前記母材１２をセットし、アルゴンガス圧３×１０^-3Ｔｏｒｒ、スパッタ電力３５０Ｗ、金型温度２００℃の条件下で２時間スパッタリングを行い、約６０μm の薄膜１３を成膜した。
ここで使用したスパッタ用のターゲットとしては、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏの組成が８３−２−１５％である３インチのものを用いた。
薄膜１３の成分を蛍光Ｘ線分析装置で組成を分析したところ、Ｃｏ：１５重量％、Ｍｎ：１．５重量％、残部がＮｉであった。
次にこの薄膜１３の形成された母材１２を、超精密旋盤に取り付け、ダイヤモンドバイトにより図５に示すようなフレネルレンズ形状のパターンを形成した。このときのフレネルパターンの高さは約１μm である。
その後、アルゴンガス圧３×１０^-3Ｔｏｒｒ、スパッタ電力３００Ｗの条件下で６０分間スパッタリングを行い、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｒｈの保護層１４を薄膜１３上に１μm 成膜した。
【００２３】
このようにして作成されたプレス成形型（金型）の内端面は、表面粗さＲｍａｘ＝０．０１μm 下であり、従来の超硬合金で作成された金型と同等以上の面形状をもつものであるばかりでなく、薄膜１３が非常に加工性のよいものであるので、希望する形状のプレス成形型（金型）を短時間に作成できるという有効性がある。
【００２４】
このようにして作成された成形型を用い、実施例１で述べたのと同様の成形装置により成形を行った。この場合は上型に前記のフレネル形状をもつ成形型を配置し、下型には平面だけの成形型を配置している。
まず、下型３に外径７mm、厚さ２mmに平面研磨された円板上の光学素子材料ＰＳＫ６０（商品名、住田光学ガラス社製）をのせ、ヒータ７を加熱して摂氏４３０℃まで加熱した。ここで、型温度は熱電対１０によって測定している。
また加熱中は成形型の酸化による劣化を抑えるために雰囲気ガス供給口９より非酸化性の窒素ガスを導入している。
所定の温度に昇温した後、図３に示すようにシリンダー８を下げ、上型４と下型３と胴型６との間で光学ガラス材料を約８０kg／cm² の圧力で押圧成形した。
その後冷却し、成形部温度が光学素子材料の転移点温度を下回った時点（約摂氏３９０℃）で圧力を抜き、シリンダー８を上昇させて図６に示されるような光学ガラス素子１５を取り出した。
【００２５】
以上の工程を３０００回繰り返して行ったが、光学ガラス素子と成形型との離型性は常に良好であり、また成形型表面に傷が生じることもなく、高精度の光学ガラス素子を再現性よく成形することがわかった。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、加工性、硬度および耐熱性、さらに離型性を共に満足させる光学ガラス素子のプレス成形型およびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学素子の成形型の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る光学素子の成形型を用いた成形装置の押圧成形前の状態を示す概略縦断面図である。
【図３】本発明に係る光学素子の成形型を用いた成形装置の押圧成形状態を示す概略縦断面図である。
【図４】本発明に係る光学素子の成形型を用いて成形された光学ガラス素子を示す正面図である。
【図５】本発明に係る光学素子の成形型の別の実施例を示す断面図である。
【図６】本発明に係る光学素子の成形型を用いて成形された別の実施例の光学ガラス素子を示す正面図である。
【符号の説明】
１，１２母材
１ａ，１２ａ母材のフランジ部
３下型
４上型
５光学ガラス材料
６胴型
７ヒータ
８シリンダー
９雰囲気ガス供給口
１０熱電対
１１光学ガラス素子
１３，２１薄膜
１４，２２保護層
１５フレネルレンズ

Claims

光学ガラス材料を加熱により軟化させ、一対の成形型の内端面間でこれを押圧成形することにより光学ガラス素子を成形する成形型において、前記内端面がＮｉ−Ｃｏ−Ｍｎ合金からなる薄膜で被覆され、前記薄膜は電気メッキ法により形成され、さらに前記薄膜の上部にはＰｔ、Ｉｒ、ＲｈおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属を含む貴金属合金からなる保護層が設けられている、ことを特徴とする光学ガラス素子のプレス成形型。
Ｎｉ−Ｃｏ−Ｍｎ合金の組成が、Ｃｏ５〜３０重量％、Ｍｎ０．１〜５重量％および残部がＮｉである請求項１に記載の光学ガラス素子のプレス成形型。
前記薄膜の厚さは、５０〜５００μmである請求項１に記載の光学ガラス素子のプレス成形型。
前記保護層が、Ｐｔ−ＷまたはＰｔ−Ｉｒ−Ｒｈ合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学ガラス素子のプレス成形型。
光学ガラス材料を加熱により軟化させ、一対の成形型の内端面間で押圧成形することにより光学ガラス素子を成形する成形型の製造方法において、前記内端面にＮｉ−Ｃｏ−Ｍｎ合金からなる薄膜を被覆し、前記薄膜は電気メッキ法により形成され、前記薄膜を所望の形状に加工し、さらに前記薄膜の上部にＰｔ、Ｉｒ、ＲｈおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属を含む貴金属合金からなる保護層を設ける、ことを特徴とする光学ガラス素子のプレス成形型の製造方法。