JP4373257B2

JP4373257B2 - 光学素子成形用金型及びその製造方法並びに光学素子

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Publication number: JP4373257B2
Application number: JP2004090810A
Authority: JP
Inventors: 浩池田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005272254A

Description

本発明は、光学機器に使用されるレンズ等の高精度ガラス光学素子を成形するための光学素子成形用金型及びその製造方法、並びに、この光学素子成形用金型で成形された光学素子に関する。

近年、光学性能の向上を目的として、光学機器に使用される光学部品、例えば、光学用非球面レンズなどは高精度化が進み、非常に高い表面形状精度、仕上げ精度が要求される。
そのため、温湿度変化により形状が変化する、耐薬品性が低い、屈折率等の特性が限定される等の理由より、従来のプラスチック製光学部品からガラス素材の光学部品が選択されるようになってきている。
ここで、光学素子を製造する方法としては、成形用金型によって成形による方法と、研削研磨による方法とに大きく分かれるが、非球面レンズ等の製造には成形用金型によって成形による方法が適している。

このような方法として、タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金や、シリコンカーバイド等、機械的強度や耐熱性に優れた焼結体からなる母材表面に、ダイヤモンド砥粒を用いた研磨加工によって所望の光学面を形成した後、イリジウム、レニウム、炭素から構成されたコーティング膜を設け成形面とする方法や（例えば、特許文献１参照。）、結晶化開始温度がガラス転移温度よりも高く、数ＭＰａ程度の低圧力にて塑性変形可能となる過冷却液体領域温度を有する金属ガラスからなるブロックを上記領域温度まで加熱した状態で、所望の形状を有するマスター型に押圧することにより、マスター型の形状を金属ガラスブロックに高精度に転写して成形面とする方法（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。ここで、金属ガラスとは、結晶化開始温度がガラス転移温度よりも高く、比較的遅い冷却速度でもガラス転移して過冷却液体状態を示す金属材料をいう。
特公平６−８８８０３号公報特開平１０−２１７２５７号公報

しかしながら、例えば，特許文献１に記載の技術では、母材に用いられるこれらの焼結体は、機械加工により成形面形状を創成する必要があるが、加工性が非常に悪いため切削加工を行うことができず、砥石による研削により概略の形状を得た後、研磨加工により高精度な成形面を得るという複雑な工程を経ていた。このため、高価な研削研磨加工機を必要とするだけでなく、加工時間が非常に長くかかり、生産性と生産コストに劣るという問題がある。

また、特許文献２に記載の技術では、上述のような複雑な工程を経る必要がないものの、金属ガラスは一般にガラス転移温度が約３８０℃と低いため、ガラス転移温度より低い温度（例えば、２００℃前後）で成形可能なプラスチック成形には適用できても、ガラス転移温度よりも高い温度（例えば、６００℃前後）で成形する必要のあるガラス光学素子の成形には適用できない。ガラス光学素子の成形に耐え得る程度に高いガラス転移温度を有する金属ガラス素材も入手可能ではあるが、小型のバルク体又は粉末しか得られず、成形用金型に用いることができるのに十分な大型のバルク材を得ることが困難であり、ガラス光学素子成形用金型には適用できないという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、生産性に優れ、低コストで高精度な成形面形状を得ることができる光学素子成形用金型及びその製造方法並びに光学素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る光学素子成形用金型の製造方法は、ガラスよりなる光学素子を成形するための光学素子成形用金型の製造方法であって、金属ガラスの粉末をその結晶化開始温度よりも低い温度にて放電プラズマ焼結法により焼結して、少なくとも成形面を形成する工程を備えていることを特徴とする。
この光学素子成形用金型の製造方法は、高いガラス転移温度を有する金属ガラスであっても、大型のバルクを形成することができる。

また、本発明に係る光学素子成形用金型の製造方法は、ガラスよりなる光学素子を成形するための光学素子成形用金型の製造方法であって、金属ガラスの粉末をその結晶化開始温度よりも低い温度にて放電プラズマ焼結法により焼結して焼結体を得る工程と、前記金属ガラスが過冷却となる温度領域で前記焼結体をプレス成形して成形面を形成する工程とを備えていることを特徴とする。
この光学素子成形用金型の製造方法は、研削工程及び研磨工程を省略しても高精度な成形面を得ることができる。

また、本発明に係る光学素子成形用金型の製造方法は、前記光学素子成形用金型の製造方法であって、前記成形面をダイヤモンドバイトを用いて切削加工する工程を備えていることを特徴とする。
この光学素子成形用金型の製造方法は、高精度な成形面を得ることができるとともに、成形面を切削することにより、切削工程を従来よりも簡略化することができる。

また、本発明に係る光学素子成形用金型の製造方法は、前記光学素子成形用金型の製造方法であって、少なくとも前記成形面に、ガラス焼き付き防止用コートを施す工程を備えていることを特徴とする。
この光学素子成形用金型の製造方法は、高融点ガラスの成形時にも焼き付きを抑えることができ、高精度な成形面を長期間に亘って維持することができる。

また、本発明に係る光学素子成形用金型の製造方法は、前記光学素子成形用金型の製造方法であって、前記金属ガラスの圧縮強度が、６００℃以上の温度領域で５００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
この光学素子成形用金型の製造方法は、ガラス光学素子の成形に用いられる高温領域においても、成形面である金属ガラスの変形を抑える金型を得ることができる。

本発明に係る光学素子成形用金型は、本発明に係る光学素子成形用金型の製造方法により製造されていることを特徴とする。
この光学素子成形用金型は、高精度な成形面を備えることができる。

本発明によれば、高価な加工機や複雑な工程を用いることなく高精度な成形面を得ることができ、金型の生産性の向上や生産コストの低減を図ることができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
本実施形態に係る光学素子成形用金型１の製造方法は、高圧水アトマイズ法によって平均粒径２μｍの粉体とした鉄を主成分とする金属ガラス（ガラス転移温度（以下、Ｔｇとする。）：５４０℃、結晶化開始温度（以下、Ｔｘとする。）：５９０℃）の粉末２を被焼結体３として、Ｔｘより低い温度で後述する放電プラズマ焼結法により焼結して成形面５を得る工程を備えている。

放電プラズマ焼結法は、図１に示す放電プラズマ焼結装置６によって行う。
この放電プラズマ焼結装置６は、焼結ユニット７を内部に配設している真空チャンバ８と、この真空チャンバ８の上下に設けられ焼結ユニット７を間に挟んで配設された上部パンチ電極１０及び下部パンチ電極１１と、これら電極を介して焼結ユニット７にパルス電力を印加する電源部１２とを備えている。

焼結ユニット７は、被焼結体３の側面を支持する筒状の成形外枠１３と、被焼結体３の上面（成形面）を加圧する加圧機構１５（例えば、油圧プレス機構）に接続されて上部方向からこの面を加圧する上パンチ１６と、被焼結体３の下面を加圧機構１５に接続されて下部方向から加圧する下パンチ１７とを備えている。
また、上パンチ１６は、上部パンチ電極１０と上部で接触して電気的に接続されているとともに、下パンチ１７は、下部パンチ電極１１と接触して電気的に接続されている。

次に、本実施形態に係る光学素子成形用金型の製造方法について説明する。
まず、上パンチ１６と下パンチ１７との間の成形外枠１３内に被焼結体３の原材料である金属ガラスの粉末２を配設して焼結ユニット７とし、この焼結ユニット７を真空チャンバ８内に配設する。このとき、上パンチ１６を上部パンチ電極１０と接続し、下パンチ１７を下部パンチ電極１１と接続させて焼結ユニット７を真空チャンバ８内に配設する。

続いて、図示しない真空ポンプによって真空チャンバ８内を一旦真空引きした後、図示しない不活性ガス供給装置から不活性ガスを真空チャンバ８内に供給して所定の圧力とする。同時に加圧機構１５を駆動して被焼結体３を上パンチ１６と下パンチ１７とによって上下方向から所定の圧力で加圧する。
そして、電源部１２からパルス電圧を印加して放電プラズマを発生させて、被焼結体３を自己加熱させることによって焼結を行い、図２に示すような光学素子成形用金型１を得る。

この光学素子成形用金型１の製造方法によれば、高いガラス転移温度を有する金属ガラスであっても、大型のバルクを形成することができる。また、成形面での結晶化を抑え、金属ガラスの状態を良好に保つことができる。さらに、このようにして得られた光学素子成形用金型１を用い、公知の方法によって光学素子であるガラス製両面凸レンズの成形を行うことにより、良好な面精度を有する光学素子を作製することができる。

次に、第２の実施形態について図３及び図４を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学素子成形用金型２０の製造方法が、第１の実施形態における放電プラズマ焼結法により焼結体２１、２２を得た後に、金属ガラスが過冷却となる温度領域で焼結体２１、２２をプレス成形して成形面２３を形成する工程を備えているとした点である。

プレス成形は、プレス成形装置２５によって行う。
このプレス成形装置２５は、光学素子の所望の光学面と同じ型面を有して予め高精度に作製されたマスター型２６と、焼結体２１、２２がそれぞれ挿入されてマスター型２６を挟んで互いに対向して配された上枠２７と下枠２８と、図示しない真空チャンバと図示しない放射加熱源とを備えている。
上枠２７と下枠２８との対向面には、位置決め用凹部３０と凸部３１とが形成されている。

この光学素子成形用金型２０の製造方法について説明する。
まず、上記第１の実施形態と同様の方法によって、上枠２７及び下枠２８に装着可能な形状の一対の焼結体２１、２２を得る。ただし、焼結体２１、２２の端面３２は、図３に示すように、平面状態とされている。
次に、焼結体２１を下枠２８内に挿入し、マスター型２６を焼結体２１の上に載置した状態で真空チャンバ内に装着し、真空又は所定の不活性ガス雰囲気とした状態で放射加熱源によって焼結体２１を５５０℃まで加熱し、図４（ａ）に示すように、マスター型２６を押圧して焼結体２１内に埋没させる。

押圧終了後、ガラス転移温度以下の４００℃に冷却する。
そして、焼結体２２が挿入された上枠２７をマスター型２６の上方から当接させて、図４（ｂ）に示すように、再び５５０℃に加熱させた状態でマスター型２６を押圧する。このとき、凹部３０と凸部３１とが係合された状態を維持することによって、マスター型２６と焼結体２１、２２との密着性が良好に保たれる。
こうして、マスター型２６の型面形状が焼結体２１、２２に転写され、図４（ｃ）に示すように、所望の成形面２３を有する光学素子成形用金型２０を得る。
この光学素子成形用金型２０の製造方法によれば、研削工程及び研磨工程を省略しても高精度な成形面を得ることができる。

次に、第３の実施形態について説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素の説明は省略する。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学素子成形用金型の製造方法が、放電プラズマ焼結法によって得られた焼結体の表面をさらにダイヤモンドバイトを用いて切削加工して成形面とする工程を備えているとした点である。

通常、一般の多結晶金属では、結晶方位によりわずかながら切削性が異なるため、超精密切削加工を行った場合でも良好な成形面が得られない。一方、非結晶材料として通常プラスチックレンズ成形用金型に使用されるニッケル−リンメッキの場合、結晶化温度が４００℃以下であるため、ガラス成形可能な温度まで加熱すると結晶粒成長によって成形面の面精度が悪化し、良好な成形面が保てない。
しかし、金属ガラスは結晶構造を持たないことから結晶方位により切削性の差が現れず、また結晶化開始温度もガラス成形可能な温度よりも高いため、ダイヤモンドバイト等を用いた超精密切削加工によってガラス光学素子の成形用金型として用いることができる。
したがって、非常に面精度のよい良好な成形面が得られる。

次に、第４の実施形態について説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素の説明は省略する。
第４の実施形態と上記他の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学素子成形用金型の製造方法が、上記第２の実施形態によって得られた面をさらにダイヤモンドバイトを用いて切削加工して成形面とする工程を備えているとした点である。

この光学素子成形用金型の製造方法によれば、より所望の面精度の良好な成形面を得ることができる。また、切削量をさらに少なくすることができ、切削工程を短縮することができる。

次に、第５の実施形態について説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素の説明は省略する。
第５の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学素子成形用金型の製造方法における金属ガラスが、コバルトを主成分（Ｔｇ：６３７℃、Ｔｘ：７１０℃）とするもので、６００℃以上の温度領域における圧縮強度が５００ＭＰａ以上とされ、マスター型によるプレス成形時の加熱温度を６５０℃とした点である。
この光学素子成形用金型の製造方法によれば、特殊な低融点ガラス以外のガラスの成形用金型としても使用することができ、適用硝材の範囲を拡大することができる。

次に、第６の実施形態について図５及び図６を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第６の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る光学素子成形用金型３５の製造方法は、上記第５の実施形態で用いた金属ガラスの粉末３６と、タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金焼結体３７とを被焼結体３８として、図５に示す放電プラズマ焼結装置６により焼結するとした点である。

この光学素子成形用金型３５の製造方法は、まず、超硬合金焼結体３７と粉末３６とを順に下パンチ１７上に載置した焼結ユニット７を真空チャンバ８内に配設して、上記第１の実施形態と同様の方法で被焼結体３８を放電プラズマ焼結法によって焼結を行い、図６に示すような光学素子成形用金型３５を得る。

この光学素子成形用金型３５の製造方法によれば、金属ガラスの粉末３６を放電プラズマ焼結法によってＴｘよりも低い温度で焼結することによって成形面４０を形成するので、結晶化を抑えて金属ガラスの状態を維持させることができる。また、超硬合金焼結体３７と粉末３６との間でも放電による接合が生じるので、強固に一体とされた焼結体を得ることができる。さらに、金属ガラスは成形面４０近傍のみを構成させるだけで足りるため、高価な金属ガラスの使用を最小限に留めることができ、金型コストを低減させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記第６の実施形態では、金属ガラスと超硬合金とを一体焼結しているが、ガラス成形に耐え得る耐熱性を有するものであれば、超硬合金に限らずシリコンカーバイドや他の焼結体、耐熱合金であっても構わない。

また、得られた成形面に所定の貴金属をスパッタリングすることによって、ガラス焼き付き防止用コートを形成させても、良好な面精度を有する光学素子を長期に亘って作製することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光学素子成形用金型の製造方法における放電プラズマ焼結装置を示す概要図である。本発明の第１の実施形態に係る光学素子成形用金型の製造方法によって製作された光学素子成形用金型を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る光学素子成形用金型の製造方法における焼結体を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る光学素子成形用金型の製造方法におけるプレス成形装置を示す概要図及び製造方法を示す説明図である。本発明の第６の実施形態に係る光学素子成形用金型の製造方法における放電プラズマ焼結装置を示す概要図である。本発明の第６の実施形態に係る光学素子成形用金型の製造方法によって製作された光学素子成形用金型を示す断面図である。

符号の説明

１、２０、３５光学素子用成形金型
２、３６粉末
５、２３、４０成形面
２１、２２焼結体

Claims

ガラスよりなる光学素子を成形するための光学素子成形用金型の製造方法であって、
金属ガラスの粉末をその結晶化開始温度よりも低い温度にて放電プラズマ焼結法により焼結して、少なくとも成形面を形成する工程を備えていることを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。
ガラスよりなる光学素子を成形するための光学素子成形用金型の製造方法であって、
金属ガラスの粉末をその結晶化開始温度よりも低い温度にて放電プラズマ焼結法により焼結して焼結体を得る工程と、
前記金属ガラスが過冷却となる温度領域で前記焼結体をプレス成形して成形面を形成する工程とを備えていることを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。
前記成形面をダイヤモンドバイトを用いて切削加工する工程を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子成形用金型の製造方法。
少なくとも前記成形面に、ガラス焼き付き防止用コートを施す工程を備えていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の光学素子成形用金型の製造方法。
前記金属ガラスの圧縮強度が、６００℃以上の温度領域で５００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載の光学素子成形用金型の製造方法。
請求項１から５の何れか一つに記載の光学素子成形用金型の製造方法により製造されていることを特徴とする光学素子成形用金型。