JP4409876B2

JP4409876B2 - 光学ガラス素子成形型

Info

Publication number: JP4409876B2
Application number: JP2003278347A
Authority: JP
Inventors: 清春梅津
Original assignee: Sumita Optical Glass Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sumita Optical Glass Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: JP2005041739A

Description

本発明は、反応性の高いリン酸系ガラスなどのプレスにも使用することのできる光学ガラス素子成形型に関する。

コンパクトカメラやデジタルカメラなどの光学系ではそのコンパクト化のために、高屈折率材料の使用が望まれている。また光通信分野で使用されるレンズはその小型化のためとその使用環境から、高屈折率で耐久性の高い光学材料の使用が望まれている。
高屈折率材料としては鉛を多く含む光学ガラスが使用されてきたが、環境問題から鉛を含まない光学材料の出現が望まれていた。
このような背景のもとでK-PSFn1（商品名、住田光学ガラス社製、nd;1.9068）をはじめとするリン酸塩ガラスが開発された。K-PSFn1はリン酸を主成分とし、また軟化温度が高いため、直接プレス法で成形する場合、成形型（金型）との反応が非常に強い。

近年、光学ガラス素子の製造は、その量産性などから、ガラスのプレス成形後それ以上研磨などを必要としない直接プレス成形法が多用されている。精密な光学ガラス素子を直接プレス成形で得るためには、その成形型のガラスプレス面が高温のガラスと不活性で型とガラスの密着性が低いこと、耐熱性があり緻密で熱伝導性の高い成形型であることが要求される。
このような成形型としては、基材（母材）の成形面に白金やイリジウムを主成分とする合金薄膜をコーティングしたものが提案されている（特許文献1、２参照）。しかしながらこの成形型ではリン酸塩ガラスを繰り返し成形すると、ガラス中のリンが成形時、成形型のコーティング中に拡散し、成形型とガラスの離型性が損なわれる欠点があり、特に前記K-PSFn1のように軟化温度の高いリン酸塩ガラスの成形ではこの現象は顕著である。
成形面を構成するコーティング層と成形型基材の密着強度を上げる方法としては、成形面を構成するコーティング層と成形型母材の間に中間層を設ける方法がある（特許文献３参照）。しかし中間層を設ける手法はその製作が煩雑であり、経済的に不利である。

特公昭６３−１１２８５号公報特公平４−１６４１５号公報特開平１０−２３１１２９号公報

本発明は、上記の問題点に鑑み、反応性が強い、あるいは軟化温度が高い、リン酸塩ガラスの繰り返し成形において、ガラスと成形型の離型性が良好で、種々の成形型基材とコーティング層との密着強度が高く、耐久性に優れた光学ガラス素子成形型を提供することを目的とする。

クロム・モリブデン・ニッケルは表面に被膜を形成し不働態となる材料として知られるが、本発明者は、モリブデンとイリジウムとの合金は、酸などに溶解せず、安定した合金になることを発見した。
さらにモリブデンとイリジウムを主成分とする合金に、白金とレニウム又はロジウムを添加することで、さらに安定することを見出した。白金を添加すると機械的強度の低下が起こるが、同時にレニウム又はロジウムを添加すればこの欠点が防止できることを発見した。
本発明者はこれらの知見に基づき本発明をなすに到った。

即ち本発明者は、下記の構成を採用することにより、前記の課題の解決を可能にした。（１）耐熱性があり緻密で熱伝導性の高い成形型基材の光学ガラス成形面にコーティングを施した光学ガラス素子成形型において、そのコーティング層がモリブデンを第一成分として含有し、イリジウムを第二成分として含有し、第一成分及び第二成分の単一膜からなることを特徴とする光学ガラス素子成形型。
（２）耐熱性があり緻密で熱伝導性の高い成形型基材の光学ガラス成形面にコーティングを施した光学ガラス素子成形型において、そのコーティング層がモリブデンを第一成分として含有し、イリジウムを第二成分として含有し、白金及びレニウム、又は白金及びロジウムの合金を第三成分として含有し、第一成分、第二成分及び第三成分からなることを特徴とする光学ガラス素子成形型。

本発明の成形型は、リン酸塩ガラスの繰り返し成形において、特に軟化温度の高いリン酸塩ガラスの繰り返し成形においても、ガラス中のリンが成形時、成形型のコーティング層中に拡散する事によって成形型とガラスの離型性が損なわれることがない。このため、ガラスの付着が発生せず、高精度の光学素子成形が可能となる。
また本発明においては、コーティング層である合金薄膜が超硬合金、酸化アルミニウム、サーメット、炭化ケイ素のいずれとも密着強度が高いため、中間層を必要とせず、生産する光学素子のロット数やガラスの種類によって成形型母材が選択できる。このため廉価に成形型を構成することができ、経済的にも優れている。

本発明において成形型基材は、耐熱性があり緻密で熱伝導性の高い材料であり、好適なものとして具体的には例えば、超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ、Ｗ−Ｎｉ等）、酸化アルミニウム、サーメット、炭化ケイ素などが挙げられる。超硬合金は加工性が高い特徴を有するが、多少酸化に弱い欠点がある。炭化ケイ素は硬度が非常に高く、加工性が悪い欠点があるが、酸化に強く高寿命である特徴がある。酸化アルミニウム、サーメットはその中間にあたる。これら成形型基材の種類は、生産するロット数やガラスの種類によって適宜選択されることが望ましい。

本発明において第一成分であるモリブデンと、第二成分であるイリジウムの合金からなる合金薄膜は超硬合金、酸化アルミニウム、サーメット、炭化ケイ素のいずれとも密着強度が高い。このため成形面を構成するコーティング層と成形型基材の間に接合強度を上げるための中間層を必要とせず、耐久性に優れた成形金型を構成することができる。第三成分として白金及びレニウム、又は白金及びロジウムの合金を含有する場合も、上記いずれの基材とも密着強度が高い。
第一成分のコーティング層中の割合は好ましくは２０〜６０重量％、さらに好ましくは３０〜５０重量％である。第二成分のコーティング層中の割合は好ましくは２０〜６０重量％、さらに好ましくは３０〜５０重量％である。
第三成分を含有させる場合、コーティング層中の割合は好ましくは１０〜４０重量％、さらに好ましくは２０〜３０重量％である。なお、コーティング層中、白金が１０〜２０重量％であることが好ましく、白金とレニウムもしくはロジウムが同等量であることが特に好ましい。
上記組成の合金薄膜は、各金属粉末を焼結してターゲットとし、スパッタリングするか、第一成分もしくは第二成分のターゲット上に他の成分チップを配置し、スパッタリングでコーティングする。なお、コーティング成分の割合はターゲットを構成する金属粉の割合やチップの大きさ、数量により調整され、スパッタリング以外に蒸着法、イオンプレーティング法などの方法によってもコーティングすることが可能である。

なお、コーティング層の厚みは０.１μｍ〜２０μｍが好ましい。あまり薄いと引っかき傷等の取り扱い上のダメージを受け易く、あまり厚いと経済的でないためである。
このような合金薄膜をコーティングすることにより、反応性の強いリン酸塩ガラスの繰り返し成形においてもガラスと成形型の離型性が高い成形型を構成することができ、さらに、第三成分の使用などによっては、軟化温度の高いリン酸塩ガラスの繰り返し成形においても、ガラスと成形型の離型性が高い成形型を構成することができる。本発明の成形型はリン酸塩ガラスのほか、シリカ−ホウ酸系ガラスK-PBK40（商品名、住田光学ガラス社製、nd：1.5176、νd:63.5、転移点Tg:501℃、軟化点At:549℃）、ホウ酸ランタン系ガラスK-VC79（商品名、住田光学ガラス社製、nd:1.6097、νd:57.8、転移点Tg:516℃、軟化点At:553℃）、ホウ酸亜鉛系ガラスK-ZnSF8（商品名、住田光学ガラス社製、nd:1.7143、νd:38.9、転移点Tg:518℃、軟化点At:546℃）の成形にも好適に用いることができる。

図１に本発明の光学ガラス素子成形型を模式的に示した断面図を示す。図中、１と２は成形型基材、３がコーティング層である。

次に本発明の実施例により更に具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例中に記述した材料、組成、および作成方法に何等限定されるものではない。

以下の方法で本発明の光学ガラス素子成形型を作成した。
直径１２ｍｍの超硬合金（WC９９重量％、残Coなど）を曲率半径が１０ｍｍと２０ｍｍの凹面に加工し、０．５μｍ粒度のダイヤモンドペーストによりポリッシュし成形面を鏡面とした。これにより上下一対の金型基材を作成した。
これをスパッタ装置にセットし、表1に示す合金薄膜を１μｍの厚みにコーティングして、図１に示すような光学ガラス素子成形型を作成した。
これを用いて、リン酸系低融点ガラスK-PSK100（商品名、住田光学製、nd:1.5917、νd:60.7、転移点Tg:390℃、軟化点At:415℃）、リン酸系高融点ガラスK-PSFn1（商品名、住田光学製、nd:1.9068、νd;21.2、転移点Tg:498℃、軟化点At:543℃）の２種類のガラスを直径７ｍｍのボールプリフォームに加工した。図２に成形試験に使用した成形機の概要を示す。図２において１０はチャンバー、１１はヒータ、１２は下軸、１３は上軸、１４はエアーシリンダーである。
上型と下型の間にボールプリフォームを配置し、窒素をチャンバー１０内に１０L／分で注入し、軟化温度At＋40℃に加熱し、３０００Nの荷重でプレス成形し、プレス終了後250℃の温度まで冷却し、その後、レンズの取り出しを行った。
これを1000回行ったときの型へのガラス付着とコーティング膜の劣化の結果を表１に示す。
第三成分を白金のみとした比較例の結果を併せて示した。また、第一成分を含まないコーティング膜を形成した比較例の結果を同様に表１に示した。

本発明例の成形型ではいずれも、リン酸塩低融点ガラスK-PSK100のプレスは良好に行えた。第三成分として白金及びレニウム、または、白金及びロジウムを含有させたものではさらに、K-PSFn1のプレスでの結果が向上している。比較例として示した第一成分を含まないコーティング膜を形成した成形型では、K-PSK100、K-PSFn1の成形いずれにおいてもガラス付着及び膜劣化が見られた。また、第三成分を白金のみとした比較例では、K-PSK100、K-PSFn1の成形いずれにおいても膜劣化が見られ、K-PSFn1の成形ではガラス付着も見られた。

超硬合金、酸化アルミニウム、サーメット、炭化ケイ素を実施例１で示した形状に加工し成形型基材とし、表２に示す組成のコーティング層を１μｍの厚みにコーティングした。この型を用いて実施例１と同様の成形機及び条件でK-PSFn1を1000回成形した。結果を表2に示す。
超硬合金、酸化アルミニウム、サーメット、炭化ケイ素の何れかを成形型基材としてもコーティング層の劣化やガラス付着の発生はなく、良好な結果が得られた。

本発明の成形型を模式的に示す断面図である。実施例で用いた光学素子のプレス成形装置を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１、２成形型基材
３コーティング膜
１０チャンバー
１１ヒータ
１２下軸
１３上軸
１４エアーシリンダー

Claims

耐熱性があり緻密で熱伝導性の高い成形型基材の光学ガラス成形面にコーティングを施した光学ガラス素子成形型において、そのコーティング層がモリブデンを第一成分として含有し、イリジウムを第二成分として含有し、第一成分及び第二成分の単一膜からなることを特徴とする光学ガラス素子成形型。
耐熱性があり緻密で熱伝導性の高い成形型基材の光学ガラス成形面にコーティングを施した光学ガラス素子成形型において、そのコーティング層がモリブデンを第一成分として含有し、イリジウムを第二成分として含有し、白金及びレニウム、又は白金及びロジウムの合金を第三成分として含有し、第一成分、第二成分及び第三成分からなることを特徴とする光学ガラス素子成形型。