JP4371048B2 - 光学ガラス成形用金型及び光学ガラス素子 - Google Patents
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Description
本発明は、光学ガラスを成形するための金型、及び、当該金型で成形された光学ガラス素子に関する。
近年、例えば、熔融した光学ガラス塊を金型で受けたあと、直ちにプレス成形することによってレンズ等の光学ガラス素子を作製することが行われている。このようなガラス成形は、通常、高温の大気中で行われるために、金型の酸化が進行する。金型が酸化されると、金型の成形面の表面粗さが粗くなって鏡面性が損なわれたり、光学ガラスが成形面に融着して離型性が悪くなったりすることが起こり、金型寿命が短くなってしまう。
そこで、金型寿命を長くするための様々な取り組みがなされている。
例えば、金型母材の成形面を保護するための金属クロム（Ｃｒ）の膜を成形面にコーティングした成形用金型が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。金属クロム（Ｃｒ）の薄膜でコーティングされた金型は、金属クロム（Ｃｒ）膜の硬度が低いためにガラスとの耐衝撃性や耐摩耗性が劣っている、あるいは、成形すべきガラスの種類によっては離型性が良くないという問題を有している。
また、金型母材の成形面を保護するために窒化クロム（ＣｒＮやＣｒ２Ｎ）の膜を成形面にコーティングしたあと、酸素を含む雰囲気中で熱処理することによって最表面に三酸化二クロム膜を形成することが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。窒化クロム膜は、通常、ＣｒＮやＣｒ２Ｎ等のＣｒ及びＮを含む非化学量論的な化合物から構成されており、ＣｒＮ単独のものを作製することが困難である。また、窒化クロム膜は、スパッタリングやイオンプレーティングやＣＶＤ等の物理的及び／又は化学的な成膜方法で形成される。しかしながら、これらの成膜方法では、窒化クロムの原料物質を一旦バラバラにしたあと窒化クロム化合物として合成することになるので、所望の組成のものが得られない、あるいは、局所的な組成のばらつきが存在するといった組成上の欠陥があるという問題を有している。
特開平４−２６０６１９号公報
特開平２−７４５３１号公報
したがって、本発明の解決すべき技術的課題は、離型性、耐衝撃性、耐摩耗性、耐酸化性及び鏡面性が優れている長寿命の光学ガラス成形用金型及び当該金型を用いて成形した光学ガラス素子を提供することである。
上記技術的課題を解決するために、本発明によれば、ノズルから滴下した熔融光学ガラスを受ける光学ガラス成形用金型であって、金型母材の成形面に形成された金属クロムからなる下地保護膜と、下地保護膜上に形成された酸化クロムからなる表面保護膜とを備えてなり、表面保護膜の膜厚が、０．００３乃至０．０５μｍであることを特徴とする光学ガラス成形用金型が提供される。
金型母材の成形面を覆う金属クロムからなる下地保護膜は、金属クロム単体からなるために、均一な組成のものが得られる。金属クロムからなる下地保護膜は、金型母材との密着性が優れていることや、ち密で酸素を通さない特性を有している。したがって、金型母材の酸化によって成形面が粗面化するということも起こらなくなる。また、金属クロムからなる下地保護膜の上に形成された酸化クロムからなる表面保護膜は、標準生成エネルギーが大きな負の値であるために他の元素との化合物と生成しにくいという特長を有しているので、ガラスとの離型性に優れている。それとともに、酸化クロムからなる表面保護膜は、硬質であるために耐衝撃性や耐摩耗性が優れている。したがって、上記のように構成された金型は、離型性、耐衝撃性、耐摩耗性、耐酸化性及び鏡面性といった光学ガラス成形用金型として要求される諸特性を全て兼ね備えている。
上記保護膜は、下地保護膜を形成したあと、さらにその上に表面保護膜を別途形成するという二層構造の形で作製することも当然可能であるが、表面保護膜と下地保護膜との間で非連続な境界ができてしまうために、保護膜が二層構造の形をしていることは密着性の面であまり好ましくはない。
したがって、表面保護膜は、下地保護膜である金属クロムを酸化処理することによって作製されることが好ましい。すなわち、金属クロムからなる下地保護膜の最表面側の一部分を、酸化クロムからなる表面保護膜に改質することが好ましい。表面保護膜の最表面側の金属クロムが、部分的に、下地保護膜としての酸化クロムに酸化されることにより、表面保護膜と下地保護膜との間が界面を持つことなく連続的に変化しているので、下地保護膜と表面保護膜との間の密着性が優れている。
酸化処理は、酸素を含む雰囲気中で熱処理したり、酸素をイオン注入したりすることによって、金属クロムを酸化クロムにするものである。
上述したように、下地保護膜は、主として、金型母材との密着性や金型母材の酸化防止に寄与するものである。下地保護膜の膜厚が厚すぎると、高精度に加工した成形面の形状が崩れたり膜の内部応力によって保護膜が剥がれたりする。逆に、下地保護膜の膜厚が薄すぎると、金型母材の酸化の進行が早くなって、金型母材ひいては保護膜の成形面の表面粗さが粗くなってしまう。したがって、下地保護膜の膜厚は、０．０５乃至１０μｍであることが好ましい。
上述した光学ガラス成形用金型は、大気雰囲気等の酸素を含む雰囲気下でも使用可能であるので、光学ガラス成形用金型でプレス成形された光学ガラス素子の製造コストを大幅に低減させることができる。
以下に、本発明の実施形態に係る光学ガラス成形用金型及び光学ガラス素子について、図１乃至５を参照しながら詳細に説明する。なお、光学ガラス成形用金型は、予め所定形状に加工したガラス材料を大気中又は非酸化性雰囲気中で再加熱してプレス成形する場合にも適用可能である。
図１は、光学ガラス成形用金型を用いて光学ガラス素子をプレス成形する様子を模式的に説明する図である。図２は、本発明の実施形態に係る光学ガラス成形用金型の作製過程を説明する図である。図３は、本発明の実施形態に係る光学ガラス成形用金型の模式図である。図４は、熱処理時間と酸化クロム膜の厚さとの関係を示す図である。図５は、プレス成形回数と成形された光学ガラス素子の表面粗さとの関係を示す図である。
レンズやプリズム等の各種光学ガラス素子７は、図１に示した方法で製造される。図１の（Ａ）に示すように、熔融ガラス６を蓄えた熔融タンクから延在するノズル４の先端から熔融ガラス６を滴下して成形用下金型１で受ける。次に、図１の（Ｂ）に示すように、熔融ガラス６の載置された成形用下金型１に対して成形用上金型２が垂下して、熔融ガラス６を成形用下金型１及び成形用上金型２で圧縮成形する。その結果、図１の（Ｃ）で示したような光学ガラス素子７を得ることができる。このような一連のプレス成形は、酸素を含む大気中で行われる。
上記プレス成形において使用される光学ガラス成形用金型１，２として、後述するような種々のタイプものを検討した。光学ガラス成形用金型１，２は、大きくは、成形面１２，２２が所定の形状に鏡面加工された金型母材１０，２０と、成形面１２，２２の上に形成された保護膜とから構成される。金型母材１０，２０としては、機械的性質や耐熱性や耐酸化性等が優れていることが要求され、超硬合金、ステンレス、セラミック等が使用される。また、保護膜としては、耐衝撃性・耐摩耗性や離型性や耐酸化性等が優れていることが要求されており、保護膜は、金型母材１０，２０の成形面１２，２２上に、後述するような各種条件に従って、金属クロム膜（下地保護膜）１４，２４を形成し、さらにその上に酸化クロム膜（表面保護膜）１６，２６を形成することによって作製される。
［実施例１］
一対の超硬合金からなる金型母材１０，２０を高精度に鏡面加工して、図２に示したような凹面形状の成形面１２，２２を作製する。当該成形面１２，２２の上に、下地保護膜としての金属クロム膜１４，２４を形成した。金属クロム膜１４，２４は、表１に示した成膜条件Aに従ってスパッタリング法で成膜した。スパッタリング法では、一般的に、薄膜を形成する粒子の持っているエネルギーが数１０ｅＶと非常に大きいために、真空蒸着法等に比べて基板に対する付着力が強い。したがって、スパッタリング法で形成した下地保護膜としての金属クロム膜１４，２４は金型母材１０，２０に対して強固に付着している。
一対の超硬合金からなる金型母材１０，２０を高精度に鏡面加工して、図２に示したような凹面形状の成形面１２，２２を作製する。当該成形面１２，２２の上に、下地保護膜としての金属クロム膜１４，２４を形成した。金属クロム膜１４，２４は、表１に示した成膜条件Aに従ってスパッタリング法で成膜した。スパッタリング法では、一般的に、薄膜を形成する粒子の持っているエネルギーが数１０ｅＶと非常に大きいために、真空蒸着法等に比べて基板に対する付着力が強い。したがって、スパッタリング法で形成した下地保護膜としての金属クロム膜１４，２４は金型母材１０，２０に対して強固に付着している。
金属クロム膜１４，２４が形成された光学ガラス成形用金型１，２に対して、大気雰囲気中での熱処理を行った。熱処理は、様々な条件で行ったが、熱処理温度が高いほど、また熱処理時間が長いほど、酸化クロム膜１６，２６の膜厚が厚く、クロムの酸化度（クロムの価数）も大きくなっていた。様々な熱処理条件を検討した結果、４００℃乃至６００℃、３０分乃至９０分のものが良好であり、それらの一例として実施例Ａ、実施例Ｂ及び実施例Ｃをそれぞれ表２に示した。なお、熱処理温度が低すぎると安定した酸化クロム膜１６，２６が形成されず、熱処理温度が高すぎると酸化クロム膜１６，２６が急激に成長するために面粗れが起こってしまう。また、熱処理時間が短いと十分な厚さの酸化クロム膜１６，２６が得られない。なお、５００℃の大気雰囲気中で金属クロム膜１４，２４を熱処理したときの時間と、酸化クロム膜１６，２６の厚さとの関係を図４に示した。酸化クロム膜１６，２６の厚さは、熱処理時間にほぼ比例して増加して、１時間の熱処理で約１０ｎｍであった。酸化クロム膜１６，２６の厚さは、反射率の変化と薄膜シミュレーション結果とを対比させることによって見積もることができる。酸化クロム膜１６，２６の厚さは、０．００３乃至０．０５μｍであることが好ましく、０．００５乃至０．０３μｍであることがさらに好ましい。
クロムの酸化度（クロムの価数）は、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）で分析したが、３価、４価、５価及び６価のものが含まれていた。
熱処理した光学ガラス成形用金型１，２は、図１に示した成形方法に従って、大気中で熔融ガラス６を順次２００回プレス成形して、離型性や耐衝撃性・耐摩耗性について調べた。プレス成形した結果を表２に示す。
〇印は、離型不良又はキズの発生がそれぞれ0.1％乃至0.5％であることを示す。
△印は、離型不良又はキズの発生がそれぞれ0.5％乃至10％であることを示す。
表２から、金型母材１０，２０上に金属クロム膜１４，２４が形成されたものを熱処理して、その最表面に酸化クロム膜１６，２６を形成したプレス成形用金型１，２は、熔融ガラス６との離型性及び耐摩耗性・耐衝撃性が向上していることが分かる。文献でのデータではあるが、金属クロム膜及び酸化クロム膜のビッカース硬度（Ｈｖ）は、それぞれ、１０００乃至１１００、１２００乃至１３００である。
なお、上記金属クロム膜１４，２４の熱処理は通常の大気雰囲気中で行ったが、大気中の酸素濃度よりも、酸素が高濃度である酸素リッチな雰囲気中で熱処理することも可能である。
また、本実施例では、大気雰囲気中の熱処理によって金属クロム膜１４，２４の最表面に酸化クロム膜１６，２６を形成させたが、金属クロム膜１４，２４の最表面に対して酸素イオンをイオン注入することによって酸化クロム膜１６，２６を形成することもできる。一例として、酸素イオンの加速エネルギーが約５０ｋｅＶ、イオンビーム電流密度が約５０μＡ／ｃｍ２の条件でイオン注入を行った。その結果、成形面１２，２２の最表面には酸化クロム膜１６，２６が形成されていた。イオン注入によって酸化クロム膜１６，２６が形成された光学ガラス成形用金型１，２を用いて、上記と同様の熔融ガラス６のプレス成形試験を行った結果、大気雰囲気中で熱処理した光学ガラス成形用金型１，２と同様の良好な結果が得られた。
さらに、金型母材１０，２０上に形成された金属クロム膜１４，２４の最表面に任意の成膜方法（例えば、スパッタリング法やイオンプレーティング法や熔射やＣＶＤ等の物理的及び／又は化学的な成膜方法）によって直接的に酸化クロム膜１６，２６を形成することもできる。このとき、酸化クロム膜１６，２６の厚さは、０．０１乃至５μｍであることが好ましく、０．０５乃至１μｍであることがさらに好ましい。
次に、下地保護膜としての金属クロム膜１４，２４の最適な厚さについて検討した。金型母材１０，２０は、使用される環境によって異なるが、通常、高温のプレス成形環境下では酸化されてしまう。金型母材１０，２０が酸化されると、高精度に加工した鏡面の成形面に微細な凹凸が次第に発生して、良好な成形面が維持されないという問題が生じる。そこで、金属クロム膜１４，２４の厚さを変えた複数種類のプレス成形用金型１，２を作成して、その効果を検討した。
［実施例２］
一対の超硬合金からなる金型母材１０，２０を高精度に鏡面加工して、図２に示したような凹面形状の成形面１２，２２を作製する。当該成形面１２，２２の上に、下地保護膜としての金属クロム膜１４，２４を形成した。金属クロム膜１４，２４は、表１に示した成膜条件Aに従ってスパッタリング法で成膜されている。そして、金属クロム膜１４，２４の厚さは、０．０５μｍ未満、０．１μｍ、１０μｍの三種類である。
一対の超硬合金からなる金型母材１０，２０を高精度に鏡面加工して、図２に示したような凹面形状の成形面１２，２２を作製する。当該成形面１２，２２の上に、下地保護膜としての金属クロム膜１４，２４を形成した。金属クロム膜１４，２４は、表１に示した成膜条件Aに従ってスパッタリング法で成膜されている。そして、金属クロム膜１４，２４の厚さは、０．０５μｍ未満、０．１μｍ、１０μｍの三種類である。
金属クロム膜１４，２４が形成された光学ガラス成形用金型１，２のそれぞれに対して、熱処理温度５００℃、熱処理時間１時間、大気雰囲気中という条件で熱処理を行い、各光学ガラス成形用金型１，２の最表面に酸化クロム膜１６，２６を形成した。
光学ガラス成形用金型１，２は、それぞれ、図１に示した成形方法に従って、大気中で熔融ガラス６を順次プレス成形して、プレス成形された光学ガラス素子７の表面粗さを測定した。光学ガラス素子７の表面粗さの測定結果を図５に示す。
図５からわかるように、いずれの場合においても、プレス成形回数が増えるにしたがって、光学ガラス素子７の表面粗さが大きくなっており、光学ガラス成形用金型１，２の成形面の表面粗さも大きくなって粗面化が進行している。金属クロム膜１４，２４の厚さが０．０５μｍ未満である光学ガラス成形用金型１，２の場合、成形回数がおおよそ１５００回のところで、光学ガラス素子７の表面粗さが良品限界（ＪＩＳ０１ 算術的平均粗さＲａ≒１０ｎｍ）に達している。これに対して、金属クロム膜１４，２４の厚さが０．１μｍである場合、及び金属クロム膜１４，２４の厚さが１０μｍである場合には、光学ガラス素子７の表面粗さが大きくなるという粗面化のスピードが遅く、光学ガラス成形用金型１，２の金型寿命が向上している。
上記実験結果から、十分なプレス成形回数を確保するためには、金属クロム膜１４，２４の厚さが０．０５μｍ以上であることが望ましい。また、金属クロム膜１４，２４の厚さが１５μｍ以上である場合、高精度な表面形状に加工した成形面１２，２２の形状が崩れたり、金属クロム膜１４，２４の内部応力によって金属クロム膜１４，２４が剥離したりすることが分かっている。このような観点から、金属クロム膜１４，２４の厚さが１０μｍ以下であることが望ましい。以上のことから、金属クロム膜１４，２４の厚さは、０．０５乃至１０μｍであることが好ましく、０．１乃至１μｍであることがさらに好ましい。
次に、下地保護膜としての金属クロム膜１４，２４の硬質化について検討した。金属クロム膜１４，２４は、前述したように、酸化クロム膜１６，２６よりも硬さすなわち機械的性質が劣っている。下地保護膜であっても、機械的性質に優れている方が、成形面１２，２２にキズがつくことを防止するのに有利である。そこで、金属クロム膜１４，２４に不純物を加えた複数のプレス成形用金型１，２を作成して、その効果について検討した。
［実施例３］
一対の超硬合金からなる金型母材１０，２０を高精度に鏡面加工して、図２に示したような凹面形状の成形面１２，２２を作製する。当該成形面１２，２２の上に、下地保護膜としての金属クロム膜１４，２４を形成した。金属クロム膜１４，２４は、表１に示した成膜条件Ｂ及びＣに従ってスパッタリング法で成膜した。すなわち、Ａｒガスに微量の酸素ガス又は窒素ガスを含ませた反応性ガスで金属クロムのターゲットに対してスパッタリングして、金属クロム膜１４，２４の成膜を行った。成膜条件Ｂで作製した金属クロム膜１４，２４では、金属クロムが主成分の形で存在しており、酸素が酸化クロムの形で又は金属クロム結晶格子の中に取り込まれた形で存在している。同様に、成膜条件Ｃで作製した金属クロム膜１４，２４では、金属クロムが主成分の形で存在しており、窒素が窒化クロムの形で又は金属クロム結晶格子の中に取り込まれた形で存在している。
一対の超硬合金からなる金型母材１０，２０を高精度に鏡面加工して、図２に示したような凹面形状の成形面１２，２２を作製する。当該成形面１２，２２の上に、下地保護膜としての金属クロム膜１４，２４を形成した。金属クロム膜１４，２４は、表１に示した成膜条件Ｂ及びＣに従ってスパッタリング法で成膜した。すなわち、Ａｒガスに微量の酸素ガス又は窒素ガスを含ませた反応性ガスで金属クロムのターゲットに対してスパッタリングして、金属クロム膜１４，２４の成膜を行った。成膜条件Ｂで作製した金属クロム膜１４，２４では、金属クロムが主成分の形で存在しており、酸素が酸化クロムの形で又は金属クロム結晶格子の中に取り込まれた形で存在している。同様に、成膜条件Ｃで作製した金属クロム膜１４，２４では、金属クロムが主成分の形で存在しており、窒素が窒化クロムの形で又は金属クロム結晶格子の中に取り込まれた形で存在している。
酸素又は窒素を含む金属クロム膜１４，２４が形成された光学ガラス成形用金型１，２のそれぞれに対して、熱処理温度４００℃、熱処理時間３０分、大気雰囲気中という条件で熱処理を行い、各光学ガラス成形用金型１，２の最表面に酸化クロム膜１６，２６をそれぞれ形成した。
そして、光学ガラス成形用金型１，２は、それぞれ、図１に示した成形方法に従って、大気中で熔融ガラス６を順次２００回プレス成形して、離型性や耐衝撃性・耐摩耗性について調べた。プレス成形した結果をそれぞれ実施例Ｄ及び実施例Ｅとして表２に示す。
表２から、酸素又は窒素を含む金属クロム膜１４，２４が形成された光学ガラス成形用金型１，２（実施例Ｄ及び実施例Ｅ）は、不純物を含まない金属クロム膜１４，２４を備えた光学ガラス成形用金型１，２（実施例Ａ）と比較して、耐衝撃性・耐摩耗性が向上していた。つまり、下地保護膜である金属クロム膜１４，２４の機械的性質を向上させることは、最表面である酸化クロム膜１６，２６におけるキズの発生防止に有効であった。
［比較例］
本願発明の効果を見るために、上記と同様のプロセスで、金属クロム膜１４，２４だけが形成された光学ガラス成形用金型１，２を作製した。当該光学ガラス成形用金型１，２は、図１に示した成形方法に従って、大気中で熔融ガラス６を順次２００回プレス成形して、離型性や耐衝撃性・耐摩耗性について調べた。プレス成形した結果を比較例として表２に示す。表２から明らかなように、比較例の光学ガラス成形用金型は、本願発明に係る光学ガラス成形用金型１，２よりも、離型性や耐衝撃性・耐摩耗性の面で劣っていた。
本願発明の効果を見るために、上記と同様のプロセスで、金属クロム膜１４，２４だけが形成された光学ガラス成形用金型１，２を作製した。当該光学ガラス成形用金型１，２は、図１に示した成形方法に従って、大気中で熔融ガラス６を順次２００回プレス成形して、離型性や耐衝撃性・耐摩耗性について調べた。プレス成形した結果を比較例として表２に示す。表２から明らかなように、比較例の光学ガラス成形用金型は、本願発明に係る光学ガラス成形用金型１，２よりも、離型性や耐衝撃性・耐摩耗性の面で劣っていた。
１ 成形用下金型
２ 成形用上金型
４ ノズル
６ 熔融ガラス
７ 光学ガラス素子
１０，２０ 金型母材
１２，２２ 成形面
１４，２４ 金属クロム膜（下地保護膜）
１６，２６ 酸化クロム膜（表面保護膜）
２ 成形用上金型
４ ノズル
６ 熔融ガラス
７ 光学ガラス素子
１０，２０ 金型母材
１２，２２ 成形面
１４，２４ 金属クロム膜（下地保護膜）
１６，２６ 酸化クロム膜（表面保護膜）
Claims (5)
- ノズルから滴下した熔融光学ガラスを受ける光学ガラス成形用金型であって、
金型母材の成形面に形成された金属クロムからなる下地保護膜と、該下地保護膜上に形成された酸化クロムからなる表面保護膜とを備えてなり、
前記表面保護膜の膜厚が、０．００３乃至０．０５μｍであることを特徴とする光学ガラス成形用金型。 - 前記表面保護膜は、下地保護膜である金属クロムを酸化処理することによって作製されることを特徴とする、請求項１記載の光学ガラス成形用金型。
- 前記酸化処理は、酸素を含む雰囲気中で熱処理するものであることを特徴とする、請求項２記載の光学ガラス成形用金型。
- 前記酸化処理は、酸素をイオン注入するものであることを特徴とする、請求項２記載の光学ガラス成形用金型。
- 前記下地保護膜の膜厚は、０．０５乃至１０μｍであることを特徴とする、請求項１記載の光学ガラス成形用金型。
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