JP4209875B2 - プレス成形用ガラスプリフォーム - Google Patents

Description

本発明は、ガラス素材例えばガラス光学素子にプレス成形するためのガラスプリフォームに関する。

ガラス素材を研磨工程を経ずに、所定の表面精度を有する成形用型内に込めてプレス成形することによって、光学機器等に利用されるガラス光学レンズを生産性よく製造する方法が知られている。代表的な加圧成形法としては、予め溶融固化した光学素子成形用素材としての例えばガラス素材の必要量を所定の温度に加熱して軟化させ予備成形し、同ガラスプリフォームを成形用の型内に込めて加圧してガラス光学素子を成形するリヒートプレス法が挙げられる。この方法によって、従来の研磨工程を主とした成形法と比べて短時間に容易に高精度の光学ガラス素子が製造されるが、成形されたガラス光学素子の機能面の鏡面が早くから損われて曇りや融着が生じ易く、光学的機能については必ずしも満足するものが得られるとは言えない。

このような問題を解決するための多くの方法が開示されている。例えば、特許文献１には、ガラス素材の表面（機能面が形成される面）に炭素薄膜を被覆することにより、その表面を保護すると共に、成形用型と高温で比較的長時間密着した状態で接触しても、融着を起さず型からの離型性を付与することができる方法が開示されている。また、特許文献２には、型の成形面に炭素薄膜が、ガラス素材の表面にカーボン膜がそれぞれ形成されることにより、界面にかかる例えば密着力、摩擦力が緩和され、成形面の膜が剥離しにくく、成形型が長持ちし、微小凹部や曇りがない光学ガラス素子が得られる方法が開示されている。
特開昭６３−２２２０２３号公報 特開２００３−３１３０４６号公報

特許文献１に記載されているとおり、ガラス素材の表面に、スパッタ法、蒸着法、ゾルゲル法などでコーティングされ、均一で、保護膜として充分な強度を有し、化学的にも安定であり、さらに、成形用型との融着を起さない連続被膜を形成することができる炭素材料からなる炭素薄膜が形成されるが、後続工程で形成される光学干渉被膜の光学特性に影響を及ぼさないようにするため、炭素薄膜が設けられているレンズ素材に対してアニール処理を行い残留した炭素薄膜を残さずに除去しなければならず、手間がかかる。特許文献２の方法によれば、成形型の離型膜とした炭素薄膜は、多数回のプレス成形を行うと、部分的に剥離するなど消耗し十分機能しなくなる。その劣化状態を修復するため、所定回のプレス毎に洗浄、アッシングなどの除去処理をし、改めて成膜するという再生作業を行わなければならない。このような成形型の再生を繰り返すと、成形面が粗くなり、それがプレスの際に転写され、成形される光学レンズ素子の表面に表面粗さの低下に起因する光散乱によるくもりや白濁といった外観欠陥が発生する欠点がある。

本発明者は、ガラスプリフォームにおける保護膜のガラス素材への付着力を適正に制御すれば、ガラス素材と成形型の融着を抑制することができ、所定の光学特性を満たすことができ、且つ後工程による光学干渉膜の光学特性に影響を及ぼさないことができると考えた。

そこで、本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、ガラス素材と成形型の間で融着が生じることを防止し、成形型をさらに長持ちさせ、後工程の光学干渉被膜の形成を妨げない光学素子成形用ガラスプリフォームを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明のプレス成形用のガラスプリフォームは、プレス成形により後で成品のガラス光学素子を成形するためのガラス素材の機能面が形成される表面に、マトリックス層及び該マトリックス層にナノ粒子が複数分散してなる分散体からなる保護膜が形成されてなり、前記マトリックス層は、アモルファス状炭素、ダイヤモンド状炭素又はそれらの組み合せから構成され、前記分散体は、けい素と炭素（Ｓｉ−Ｃ）を含むナノ粒子、けい素と酸素（Ｓｉ−Ｏ）を含むナノ粒子、及びけい素と炭素と酸素（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ）を含むナノ粒子から構成されるようにした。

以上の構成によれば、高温プレス成形中の成形型との融着を抑制し、成形面の転写密度が高く、成形型の使用回数も増やし、後工程で形成される光学干渉被膜の光学特性に影響がないプレス成形用プリフォームが得られる。

そこで、本発明のガラスプリフォームは、ガラス素材の機能面が形成される連続表面に、０．２ｎｍ〜２０ｎｍの厚さでナノ粒子が複数導入され、炭素含有の保護膜が形成されていることで上記目的を達成できると知見した。保護膜としては、例えば所定炭素数のマトリックス層及び炭素化合物含有のナノ粒子により構成される。

複数のナノ粒子含有の保護膜を形成するとき、膜のコーティング処理の雰囲気温度をガラス素材のガラス遷移温度（Ｔｇ）以下にして、保護膜全体がアモルファス状に形成されることにより、保護膜の本来の熱伝導性及び摩擦性が保たれる。該保護膜が形成されたガラスプリフォームは、成形型による高温プレス成形の中でも、均一に熱が伝わり、型内の成形面との滑り性がよい。さらに、ガラス素材の同質性に近い炭素含有化合物のナノ粒子によって、保護膜に対してほどよい密着性を付与することができ、保護膜が形成されているガラス素材に対し、高温成形の後でも、アニール処理により所定炭素数を有するマトリックス層及びガラス素材上に残されている微量のナノ粒子を残らず除去することができるが、ガラス素材の表面上に微量ナノ粒子が残留しても、後続工程に形成される光学干渉被膜の光学特性に影響を及ぼすことはない。

図１、２を参照すると、本発明のプレス成形用のガラスプリフォームは、連続表面２１を有するガラス素材２の表面２１に保護膜３が形成されてなる。ガラス素材としては、プレス成形によりガラス光学素子を成形するための所定の形状に予備成形されたガラス素材である。

本発明にかかるガラスプリフォームにおいては、ガラス素材２の機能面が形成される連続表面２１に形成された保護膜３は、マトリックス層３１、及び該マトリックス層３１にナノ粒子３２１、３２１、・・・が複数分散してなる分散体３２から構成される。

マトリックス層３１として、好ましくは例えばアモルファス状炭素、ダイヤモンド状炭素又はそれらの組み合せから構成される。

分散体３２としては、好ましくはＭ_１と炭素を含有する組成、Ａ、Ｂ、又はそれらの組み合せから構成される。Ａとしては、Ｍ_１と炭素を含有する組成、Ｍ_１と酸素を含有する組成、またはＭ_１と炭素と酸素を含有する組成である。Ｂとしては、Ｍ_１と炭素を含有する組成、Ｍ_１と窒素を含有する組成、またはＭ_１と炭素と窒素を含有する組成を含む構成である。ここで、Ｍ_１としては、好ましくはけい素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ホウ素（Ｂ）及びこれらの組み合せなどの内から選ばれた少なくとも１つを用いることができる。具体的には、好ましい実施例では、マトリックス層３１は、Ａを、Ｍ_１はけい素を用い、即ち、分散体３２は、けい素と炭素を含有する組成、けい素と酸素を含有する組成、及びけい素と炭素と酸素を含有する組成によって構成される。したがって、ナノ粒子３２１としては、けい素と炭素（Ｓｉ−Ｃ）を含有するナノ粒子、酸素とけい素（Ｓｉ−Ｏ）を含有するナノ粒子及びけい素と炭素と酸素（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ）を含有するナノ粒子の３種類のナノ粒子を含む構成である。

保護膜３としては、出発原料の分解反応生成物である。該出発原料としては、Ｍ_１源、炭素源、水素源、及び、酸素源、窒素源又はそれらの組み合せから選ばれた１つを含む構成を用いる。ここで、Ｍ_１源としては、けい素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ホウ素（Ｂ）及びこれらの組み合せなどの内から選ばれた少なくとも１つを用いることができ、好ましくはけい素源を用いる。Ｍ_１源はけい素源である場合、出発原料は、けい素源、炭素源、水素源及び酸素源を含む組成源を用い、また、けい素、炭素、水素及び酸素の気体分子を含むことがより好ましい。なお、実施例においては、出発原料としてはヘキサメチルジシロキサン（C₆H₁₈OSi₂）を用いる。

また、本発明においては、前記保護膜３の膜厚は、０．２ｎｍ以上であればよく、好ましくは、０．２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内である。
＜実施例＞
次に本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。

本発明の加圧成形用のガラスプリフォームにおいては、保護膜３のマトリックス層３１はアモルファス炭素、分散体３２はけい素と炭素を含む組成、けい素と酸素を含む組成、及びけい素と炭素と酸素を含む組成から構成される。この例においては、ナノ粒子は、けい素と炭素（Ｓｉ−Ｃ）を含むナノ粒子、けい素と酸素（Ｓｉ−Ｏ）を含むナノ粒子、及びけい素と炭素と酸素（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ）を含むナノ粒子から構成される。

ガラス素材２としては、この例においては、ＯＨＡＲＡ（社）製、型番がＬ−ＬＢＡＬ３５で、転移点Ｔｇ＝５２７℃であるガラス素材が用いられる。

以下、この実施例のガラスプリフォームの製造方法について詳細に説明する。

連続表面を有するように予備成形されたガラス素材２が用意され、イソプロピルアルコールでよく清浄される。

よく洗浄したガラス素材２を反応容器内に配置した。反応容器内を真空ポンプにより４×１０^−３Ｐａまで排気をした後、加熱し４８０℃に６０分維持した。次いで、出発原料としてのヘキサメチルジシロキサンガスを導入しながら真空ポンプにより排気を行うことにより、０．５Ｐａに維持した。なお、陽極電流値：０．７５Ａ、バイアス圧：１２０Ｖ、成膜レート：１ｎｍ／ｍｉｎなどのプロセスパラメータを用いる。

このようにして、ガラス素材２の表面２１全体にほぼ１０ｎｍの保護膜が被覆されているガラスプリフォームが得られる（図１、２）。この次は、この保護膜が被覆されたガラスプリフォームについては、洗浄、プレス成形、４３０℃のアニール処理、光学干渉被膜のコーティングなどのプロセスを行う。

本実施例にかかるガラスプリフォームによれば、後工程のイソプロピルアルコール洗浄によく耐えることが分かる。また、高温プレス成形工程においては、高い熱伝導性を有する保護膜３によって、ガラス素材２に速やかに熱を伝わり、成形型の間に滑り易くなり、成形型の成形面が精密よく転写される成形品表面性が優れるガラス光学素子が製造できる。

そして、ガラス素材２上に形成される保護膜３は、炭素系ナノ粒子により構成されるので、成形工程を通じてガラス光学素子の機能面が成形される面を保護すると共に、後のアニール処理を行ってもガラス素材２の表面２１上に残留したナノ粒子３２１を残らず除去できるため、後工程に形成される光学干渉被膜の光学特性に影響を及ぼさない。

また、成形型の使用回数は、５０００回〜６０００回増加できることが分かる。
＜比較例＞
比較のために、保護膜３を形成しない以外は、ガラス素材２（Ｌ−ＬＢＡＬ３５）を用いて実施例と同様に、成形型で高温プレスした。

保護膜３を形成しないガラス素材をプレス成形する成形型では、その使用回数がわずか５００回〜１０００回となり、前記実施例と比べてかなり少ないことが分かる。

以上により、本発明のプレス成形用プリフォームによれば、高温プレス成形中の成形型との融着を抑制し、成形面の転写密度が高く、成形型の使用回数も増やし、後工程で形成される光学干渉被膜の光学特性に影響がないプレス成形用プリフォームが得られる。

本発明にかかるプレス成形用ガラスプリフォームの構成を概略示す断面図。 図１のガラスプリフォームの部分拡大断面図。 図１のガラス素材を概略示す断面図。

符号の説明

２．．．ガラス素材
２１．．．表面
３．．．保護膜
３１．．．マトリックス層
３２．．．分散体
３２１．．．ナノ粒子

Claims (5)

1. プレス成形により後で成品のガラス光学素子を成形するためのガラス素材の機能面が形成される表面に、マトリックス層及び該マトリックス層にナノ粒子が複数分散してなる分散体からなる保護膜が形成されてなり、
   前記マトリックス層は、アモルファス状炭素、ダイヤモンド状炭素又はそれらの組み合せから構成され、
   前記分散体は、けい素と炭素（Ｓｉ−Ｃ）を含むナノ粒子、けい素と酸素（Ｓｉ−Ｏ）を含むナノ粒子、及びけい素と炭素と酸素（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ）を含むナノ粒子から構成されることを特徴とするプレス成形用のガラスプリフォーム。
2. 前記保護膜は、出発原料の分解反応生成物であり、
   前記出発原料は、けい素源、炭素源、水素源及び酸素源を含むことを特徴とする請求項１に記載のプレス成形用のガラスプリフォーム。
3. 前記出発原料は、けい素、炭素、水素及び酸素の気体分子を含むことを特徴とする請求項２に記載のプレス成形用のガラスプリフォーム。
4. 前記けい素、炭素、水素及び酸素の気体分子を含む出発原料は、ヘキサメチルジシロキサンガスを用いることを特徴とする請求項３に記載のプレス成形用のガラスプリフォーム。
5. 前記保護膜の膜厚は、０．２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載のプレス成形用のガラスプリフォーム。
   

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