JP4567893B2 - 光学素子の製造方法および光学素子成形用成形型の製造方法 - Google Patents
光学素子の製造方法および光学素子成形用成形型の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子の製造方法、および光学素子成形用成形型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度な光学素子を安価に製造する有効な方法としてプレス成形法が提案されている。
【０００３】
加熱軟化したガラスからなる成形用素材を光学素子の反転形状を有する金型を用いてプレス成形すると、成形用素材が金型と離型しにくいという問題がある。
このため、金型表面に特殊な離型膜を形成したり、成形ショットごとに離型剤を塗布して、離型を容易にする工夫がなされている。特に、成形用素材がガラスである場合には、かなり特殊なコーティングを金型表面に施さなければならない。
【０００４】
たとえば、プレス面上に貴金属系保護膜を形成した超硬合金またはサーメットからなる金型が報告されている（特公昭６２−２８０９１号公報参照）。この金型を用いることによって、光学素子のプレス成形による量産が可能となっている。また、窒化ホウ素、窒化クロム、炭化クロム、酸化クロム、炭化珪素、炭素、白金、または超硬合金からなる金型本体のプレス面に、膜厚が１０ｎｍ以下の炭素膜を形成して、ガラスとの離型性を良くした金型も報告されている（特開平０６−３０５７４２号公報参照）。また、プレス面形状が光学素子と同一形状に精密加工されたマスター型を用いてガラス材料をプレス成形することによって形成されるガラスからなる金型も報告されている（特開昭６４−３３０２２号公報、特開平１−２３９０３０号公報参照）。これらの金型で光学素子をプレス成形することによって、より安価に光学素子を製造することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プレス面に離型膜を形成する上記従来の方法では、成形を繰り返し行うと離型性が悪くなり、最終的にはプレス面にガラスが付着して金型が使用不能となる。従って、金型が使用不能となる前に、離型膜を再度形成する必要があり、金型の管理が非常に難しいという課題があった。
【０００６】
また、貴金属系保護膜でプレス面をコーティングする上記従来の方法では、金型本体の耐久性はあるが、成形を繰り返し行うと金型の表面にガラスが付着するため、金型表面のメンテナンスが必要となるという課題があった。
【０００７】
また、プレス面に炭素膜を形成する上記従来の方法では、成形用素材から発生する酸素や成形雰囲気中の酸素によって炭素膜が酸化され、最終的には炭素膜が消失してプレス面にガラスが付着するという課題があった。
【０００８】
また、ガラス材料をプレス成形してガラスからなる光学素子成形用金型を製造する上記従来の方法では、マスター金型を繰り返し使用すると、マスター金型にガラスが付着してプレス成形ができなくなるという課題があった。
【０００９】
上記問題を解決するため、本発明は、繰り返しプレス成形することが従来の方法に比べて容易な光学素子の製造方法、および光学素子成形用成形型の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光学素子の製造方法は、加熱した光学素子用素材を成形型（プレス成形を行うための型）によってプレス成形する工程を含む光学素子の製造方法であって、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとを含む雰囲気中で前記プレス成形を行うことを特徴とする。上記光学素子の製造方法によれば、光学素子用素材が成形型に付着することを防止できるため、従来の方法に比べて容易に、プレス成形を繰り返し行うことができる。
【００１１】
上記光学素子の製造方法では、前記光学素子用素材がガラスからなるものでもよい。
【００１２】
上記光学素子の製造方法では、前記雰囲気は、前記少なくとも１つの分子を気体または霧状の液体の形態で含んでもよい。上記構成によれば、上記少なくとも１つの分子を均一に光学素子用素材および成形型に吸着させることができる。
【００１３】
上記光学素子の製造方法では、前記雰囲気が、ＣＯ2、ＣＦ4、およびエチレングリコールから選ばれる少なくとも１つを含んでもよい。上記構成によれば、光学素子用素材が成形型に付着することを特に防止できる。
【００１４】
上記光学素子の製造方法では、前記不活性ガスが窒素ガスおよびアルゴンから選ばれる少なくとも１つであってもよい。上記構成によれば、光学素子用素材が成形型に付着することを特に防止できる。
【００１５】
また、本発明の光学素子成形用成形型の製造方法は、光学素子用素材をプレス成形して光学素子を形成するための光学素子成形用成形型の製造方法であって、加熱したガラスを金型（広義の意味での金型であり、金属製に限らない）を用いてプレス成形することによって、プレス面を備える成形型の成形を行う成形工程を含み、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとを含む雰囲気中で前記成形工程を行うことを特徴とする。上記製造方法では、ガラスが金型に付着することを防止できるため、従来の方法に比べて容易に、プレス成形を繰り返し行うことができる。
【００１６】
上記光学素子成形用成形型の製造方法では、前記雰囲気は、前記少なくとも１つの分子を気体または霧状の液体の形態で含んでもよい。
【００１７】
上記光学素子成形用成形型の製造方法では、前記雰囲気が、ＣＯ2、ＣＦ4、およびエチレングリコールから選ばれる少なくとも１つを含んでもよい。
【００１８】
上記光学素子成形用成形型の製造方法では、前記不活性ガスが窒素ガスおよびアルゴンから選ばれる少なくとも１つであってもよい。
【００１９】
上記光学素子成形用成形型の製造方法では、前記成形工程ののち、前記プレス面上に、前記光学素子用素材に対して不活性な保護膜を形成する工程をさらに含んでもよい。上記構成によれば、耐久性が高い光学素子成形用成形型を製造できる。
【００２０】
上記光学素子成形用成形型の製造方法では、前記成形工程は、プレス成形した前記ガラスをさらに結晶化させる工程を含んでもよい。上記構成によれば、耐熱性および強度の高い光学素子成形用成形型を製造できる。さらに、結晶化後、前記プレス面に前記光学素子用素材に対して不活性な保護膜を形成する工程を含んでもよい。上記構成によれば、耐熱性、強度および耐久性の高い光学素子成形用成形型を製造できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
（実施形態１）
実施形態１では、本発明の光学素子の製造方法について説明する。
【００２３】
実施形態１の製造方法は、加熱した光学素子用素材を成形型によってプレス成形する工程を含む光学素子の製造方法であって、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとを含む雰囲気中でプレス成形を行うことを特徴とする。プレス成形は、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとからなる雰囲気中で行うことが好ましい。
【００２４】
上記光学素子用素材としては、ケイ酸塩系ガラス、リン酸系ガラス、フッ化物系ガラスなどを用いることができる。
【００２５】
上記成形型には、光学素子の成形に一般的に用いられる成形型を用いることができ、たとえば、機械加工で形成した金型や、実施形態２の製造方法で製造される成形型を用いることができる。
【００２６】
炭素原子を含む上記分子としては、たとえば、ＣＯ2、ＣＦ4（テトラフルオロメタン）、エチレングリコール、Ｃ2Ｈ5ＯＨ（エタノール）などを用いることができる。
【００２７】
フッ素原子を含む上記分子としては、たとえば、ＣＦ4やＣＨＦ3などを用いることができる。
【００２８】
上記不活性ガスとしては、たとえば、Ｎ2（窒素ガス）およびアルゴン（Ａｒ）から選ばれる少なくとも１つを用いることができる。
【００２９】
プレス成形の雰囲気は、上記少なくとも１つの分子を、気体または霧状の液体の形態で含む。また、プレス成形の雰囲気は、ＣＯ2、ＣＦ4、およびエチレングリコールから選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００３０】
実施形態１の製造方法では、成形型にガラスが付着することを防止できるため、従来の方法に比べて、プレス成形を繰り返し行うことが容易である。実施形態１の製造方法で金型にガラスが付着することを防止できる理由は明確ではないが、雰囲気中に存在する炭素原子またはフッ素原子が金型および光学素子用素材の表面に吸着して両者の濡れ性を悪くしているためであると考えられる。
【００３１】
（実施形態２）
実施形態２では、本発明の光学素子成形用成形型の製造方法について説明する。
【００３２】
実施形態２の製造方法は、光学素子用素材をプレス成形して光学素子を形成するための光学素子成形用成形型の製造方法であって、加熱したガラスを金型を用いてプレス成形することによって、プレス面を備える成形型の成形を行う成形工程を含み、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとを含む雰囲気中で成形工程を行うことを特徴とする。成形工程は、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとからなる雰囲気中で行うことが好ましい。
【００３３】
炭素原子を含む上記分子、フッ素原子を含む上記分子、および上記不活性ガスには、実施形態１で説明したものを用いることができる。また、プレス成形の雰囲気は、上記少なくとも１つの分子を、気体または霧状の液体の形態で含む。また、プレス成形の雰囲気は、ＣＯ2、ＣＦ4、およびエチレングリコールから選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００３４】
また、上記金型には、ガラスのプレス成形に一般的に用いられている金型を使用できる。
【００３５】
また、成形型本体の材料となるガラスには、成形型の材料として一般的に用いられているガラスを用いることができる。たとえば、高ケイ酸ガラスやホウケイ酸ガラスを用いることができる。このガラスは、そのガラス転移点（Ｔｇ）が、光学素子をプレス成形する際の成形温度よりも高いことが好ましい。
【００３６】
実施形態２の製造方法は、上記成形工程ののち、プレス成形したガラス（成形型本体）のプレス面上に、光学素子用素材に対して不活性な保護膜を形成する工程をさらに含んでもよい。保護膜は、耐酸化性および高温強度に優れた材料からなることが好ましい。光学素子用素材がガラスからなる場合には、保護膜は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、タングステン（Ｗ）、およびタンタル（Ｔａ）から選ばれる少なくとも１つを含む金属（単体金属または合金）からなることが好ましい。
【００３７】
また、実施形態２の製造方法では、結晶核形成剤を含むガラスを用いた上記成形工程が、プレス成形したガラスをさらに結晶化させる工程を含んでもよい。具体的には、結晶化前のガラス（以下、マザーガラスという場合がある）をプレス成形したのち、マザーガラスが結晶化する条件で熱処理を行えばよい。たとえば、マザーガラスを所定の温度でプレス成形し、そのままの状態で温度を上昇させて一定時間保持することによって結晶化を行ってもよい。
【００３８】
実施形態２の製造方法によれば、実施形態１の製造方法と同様に、従来の方法に比べて、プレス成形を繰り返し行うことが容易である。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００４０】
（実施例１）
実施例１では、実施形態１で説明した光学素子の製造方法について説明する。
【００４１】
まず、光学素子をプレス成形するための光学素子成形用成形型を作製した。具体的には、図１（ａ）〜（ｃ）に示す光学素子成形用成形型１０ａ、１０ｂおよび１０ｃ（以下、それぞれ成形型１０ａ、１０ｂおよび１０ｃという場合がある）を作製した。
【００４２】
成形型１０ａは、超硬合金からなるパンチ部１１（直径６ｍｍ、高さ７ｍｍ）および基底部１２（直径１６ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を備え、パンチ部１１には光学素子用素材をプレス成形するためのプレス面１３を形成した。プレス面１３は、超硬合金からなる母材を高精密研削加工法によって研削して形成した。実施例１では、プレス面の形状が異なる成形型１０ａ（図１（ａ）参照）を２個（１組）作製した。具体的には、プレス面１３が曲率半径３．５ｍｍの凹面形状である成形型１０ａと、プレス面１３が曲率半径５．０ｍｍの凹面形状である成形型１０ａとを形成した。光学素子の反転形状のプレス面を備えるこれら１組の成形型を用いることによって、両凸非球面レンズ（第１面の曲率半径３．５ｍｍ、第２面の曲率半径５．０ｍｍ）の光学素子を成形できる。
【００４３】
次いで、成形型１０ａと全く同じ方法で同じ形状の金型をもう１組作製し、完成後、スパッタリング法によって、それぞれのプレス面１３上にＰｔ−Ｐｄ−Ｒｈ合金からなる保護膜１４（厚さ２μｍ）を形成した。このようにして、プレス面の形状が異なる成形型１０ｂ（図１（ｂ）参照）を２個（１組）作製した。
【００４４】
次いで、成形型１０ａと全く同じ方法で同じ形状の金型をもう１組作製し、完成後、スパッタリング法によって、それぞれのプレス面１３上にＰｔ−Ｐｄ−Ｒｈ合金からなる保護膜１４（厚さ２μｍ）を形成し、さらにその上に、表面の離型性を良くするために、スパッタリング法によって炭素膜１５（厚さ１μｍ）を形成した。このようにして、プレス面の形状が異なる成形型１０ｃ（図１（ｃ）参照）を２個（１組）作製した。
【００４５】
このようにして作製した３組の光学素子成形用成形型を用いて両凸非球面レンズ（第１面の曲率半径３．５ｍｍ、第２面の曲率半径５．０ｍｍ）を作製できる。成形プロセスを図２示す。光学素子成形用成形型２０（以下、単に成形型２０という場合がある）は、下型２１と上型２２と胴型２３とからなる。下型２１および上型２２には、上記３組の成形型１０ａ〜１０ｃのいずれか１組を用いる。
胴型２３は、下型２１と上型２２との中心軸を合わせるためのものである。
【００４６】
まず、下型２１のプレス面上に光学素子用素材２４を載せ、胴型２３を介して、上型２２をかぶせる。次に、成形型２０全体を加熱して、光学素子用素材２４が変形可能な温度となったところで圧力を加えて変形させ、下型２１および上型２２のプレス面の形状を光学素子用素材２４に転写する（加熱加圧成形）。最後に、成形型２０を冷却して成形された両凸非球面レンズ２５を成形型２０から取り出す。
【００４７】
以下、上記プロセスによる非球面レンズの製造方法について、具体例を説明する。成形に用いた成形機の概略を図３に模式的に示す。
【００４８】
まず、光学素子用素材をセットした成形型２０を成形型投入口３１より投入し、５９０℃に加熱した予熱ステージ３３で加熱し、さらに同じく５９０℃に加熱したプレスステージ３４に成形型２０を搬送した。光学素子用素材には、クラウン系の硼珪酸ガラス（ガラス転位点：５０１℃、Ａｔ点（屈伏点）：５４９℃）を直径４ｍｍの球状に加工したものを使用した。
【００４９】
そして、シリンダー３７に接続され上下に可動な上ヘッド３６で成形型２０を１００Ｎの加圧力でプレスし、光学素子用素材のプレス成形を行った（成形工程）。このとき、上ヘッド３６も５９０℃に加熱した。次に、３００℃に設定した冷却ステージ３５に成形型２０を搬送して冷却したのち、取り出し口３９から成形型２０を外部に取り出した。そして、成形されたレンズを成形型２０から取り出した。
【００５０】
成形機は、チャンバ３２を備える。成形工程中のチャンバ３２内の雰囲気は、ガス導入口３８から導入されるガスによって制御した。実施例１では、ガス導入口３８から、Ｎ2、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）、または、Ｎ2をエチレングリコール溶液の中に通過させて得られたガス（霧状のエチレングリコールを含むＮ2ガス）をそれぞれチャンバ３２内に導入し、これら４種類のガス雰囲気下で成形工程を行った。そして、レンズを繰り返し成形したのち、成形型２０（すなわち、成形型１０ａ〜１０ｃ）の表面を観察した。
【００５１】
各種ガスを導入し成形型１０ａ〜１０ｃを用いてレンズを成形したときの、２０００ショットごとの成形型の観察結果を表１に示す。なお、表１中、Ｎ2をガス（１）、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）をガス（２）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）をガス（３）、Ｎ2をエチレングリコール溶液の中に通して得られた気体をガス（４）と表示する。
【００５２】
【表１】
【００５３】
表１に示したように、ガス（１）を導入して成形を行った場合、成形型１０ａ、すなわちプレス面が超硬合金の金型では、２０００ショットで成形型の表面にガラスが大量に付着し、メンテナンスを行っても成形型を再生することができず、それ以上の成形ができなくなってしまった。成形型１０ｂでは、プレス面にＰｔ−Ｐｄ−Ｒｈ合金からなる保護膜を形成しているので２０００ショットまではガラス付着がなかったが、４０００ショットを越えると少量のガラス付着が発生するようになった。このガラス付着は成形型のメンテナンスによって除去できたため、メンテナンスを繰り返して成形型の再生を行いながら、１００００ショットまで成形できた。成形型１０ｃでは、プレス面にＰｔ−Ｐｄ−Ｒｈ合金からなる保護膜を形成し、さらにその上に炭素膜を形成しているので、４０００ショットまではガラス付着が全く発生しなかった。しかしながら、６０００ショットまで成形を繰り返すと、成形型１０ｂと同様に少量のガラス付着が発生し、成形型のメンテナンスを繰り返して、１００００ショットまで成形できた。６０００ショットを越えるとガラス付着が発生するのは、プレス面に形成した炭素膜がガラスから発生する酸化性ガスによって酸化され、気化して消失してしまったためである。いずれにしても、ガス（１）を導入した場合は、特殊なコーティングを施した成形型１０ｂおよび１０ｃでも、初期的にはガラス付着は発生しないが、プレス成形を繰り返すとガラス付着が発生するようになり、成形型のメンテナンスをしなければ繰り返し成形することができなかった。
【００５４】
これに対して、本発明の実施例である実施例１−１、１−２、および１−３では、いずれの成形型を用いた場合でも、１００００ショット成形後もガラス付着は全く発生せず、成形型のメンテナンスは不要であった。これは、プレス成形の雰囲気中に含まれる炭素原子（Ｃ）またはフッ素原子（Ｆ）が成形型の表面およびレンズの素材であるガラス表面に吸着し、成形型とガラスとの塗れ性を悪くしているためであると考えられる。
【００５５】
（実施例２）
実施例２では、実施形態２で説明した光学素子成形用成形型の製造方法について一例を説明する。
【００５６】
光学素子成形用成形型を成形するために実施例２で用いたマスター金型４０について、断面図を図４に示す。マスター金型４０は、超硬合金からなるパンチ部４１（直径６ｍｍ、高さ７ｍｍ）および基底部４２（直径１６ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を備え、パンチ部４１には光学素子成形用成形型をプレス成形するためのプレス面４３を形成した。プレス面４３上には、Ｉｒ−Ｗ合金からなる保護膜４４（厚さ２μｍ）をスパッタリング法によって形成した。プレス面４３は、超硬合金からなる母材を高精密研削加工法によって研削して形成した。実施例２では、プレス面の形状が異なるマスター金型４０を２個（１組）作製した。具体的には、プレス面４３が曲率半径３．５ｍｍの凸面形状であるマスター金型４０と、プレス面４３が曲率半径５．０ｍｍの凸面形状であるマスター金型４０とを形成した。すなわち、光学素子の両凸非球面レンズ（第１面の曲率半径３．５ｍｍ、第２面の曲率半径５．０ｍｍ）の２つの光学面と同じ形状のプレス面を備えるマスター金型４０を作製した。
【００５７】
マスター金型４０を用いた光学素子成形用成形型の成形プロセスを図５に示す。まず、図５（ａ）に示すように、鋼材からなる基台５１上に、光学素子成形用成形型の材料である高融点ガラスからなる成形用素材５４を載せ、胴型５３を介して上型５２をかぶせる。上型５２には、上述した２つのマスター金型４０を用いる。
【００５８】
次に、成形型全体を加熱して、成形用素材５４が変形可能な温度となったところで圧力を加えて変形させ、マスター金型５２のプレス面の形状を成形用素材５４に転写する（加熱加圧成形）。その後、成形型を冷却すると、図５（ｂ）に示すように、成形された成形用素材５４と基台５１とが融着し、基台５１と基台５１上に固定されたパンチ部５５とを備える金型本体が得られる。パンチ部５５は、非球面レンズの反転形状のプレス面５５ａを備える。最後に、スパッタリング法によってプレス面５５ａにＩｒ−Ｗ合金からなる保護膜５６（厚さ２μｍ）を形成し、非球面レンズの成形用成形型が完成する。
【００５９】
以下、上記プロセスによる非球面レンズの成形用成形型の製造方法について、具体例を説明する。図６は用いた成形機の概略図である。成形用素材には、クラウンガラス（ガラス転移点：６５０℃、Ａｔ点：６９０℃）を直径４ｍｍの円柱状に加工したものを使用した。
【００６０】
具体的には、まず、成形用素材をセットした金型６０を金型投入口６１から投入し、７４０℃に加熱した予熱ステージ６３で加熱し、同じく７４０℃に加熱したプレスステージ６４に搬送した。次に、シリンダー６７に接続され上下に可動な上ヘッド６６で金型６０を１０００Ｎの加圧力でプレスし、成形用素材をプレス成形した。このとき、上ヘッド６６も７４０℃に加熱した。
【００６１】
プレス成形後、３００℃に設定した冷却ステージ６５に金型６０を搬送して冷却した。そして、金型取出し口６９から金型６０を外部に取り出し、プレス成形された成形型本体を金型６０から取り出した。その後、成形された成形型本体のプレス面に、Ｉｒ−Ｗ合金からなる保護膜を成膜し光学素子成形用成形型を得た。
【００６２】
成形機はチャンバ６２を備える。成形工程におけるチャンバ６２内の雰囲気は、ガス導入口６８から導入されるガスによって制御した。実施例２では、ガス導入口６８から、Ｎ2、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）、またはＮ2をエチレングリコール溶液の中に通過させて得られたガス（霧状のエチレングリコールを含むＮ2ガス）をそれぞれチャンバ６２内に導入し、これら４種類のガス雰囲気下で成形工程を行った。そして、光学素子成形用成形型の成形後、マスター金型の表面を観察した。
【００６３】
各種ガスを導入し、マスター金型を用いて光学素子成形用成形型を成形したときの、１００ショットごとのマスター金型の観察結果を表２に示す。なお、表２中、Ｎ2をガス（１）、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）をガス（２）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）をガス（３）、Ｎ2をエチレングリコール溶液の中に通して得られた気体をガス（４）と表示する。
【００６４】
【表２】
【００６５】
表２に示したように、ガス（１）を導入して成形を行った場合、初期の１００ショットまでは全くガラス付着はなかった。しかし、成形温度が７４０℃と非常に高温であるため、２００ショット後にマスター金型表面に少量のガラス付着が発生した。そのため、マスター金型のメンテナンスを行って３００ショットまで成形を繰り返したが、最終的に大量のガラスが付着してプレス成形ができなくなった。
【００６６】
これに対して、本発明の実施例である、実施例２−１、２−２、２−３では、成形温度が７４０℃と非常に高温であるにもかかわらず、５００ショットを経過してもガラス付着が全く発生せず、マスター金型のメンテナンスは不要であった。これは、プレス成形の雰囲気中に含まれる炭素原子（Ｃ）またはフッ素原子（Ｆ）がマスター金型表面および成形用素材であるガラス表面に吸着し、マスター金型とガラスとの塗れ性を悪くしているためと考えられる。このようにして製造した光学素子成形用成形型は、機械加工で母材を非球面形状に加工して製造された成形型に比べて、約１／１０のコストで製造できた。
【００６７】
以上のようにして製造した光学素子の成形用成形型を用いて両凸非球面レンズを、図３の成形機によって成形した。成形用素材には、クラウンガラス（ガラス転移点：５０１℃、Ａｔ点：５４９℃）を用い、ガス（２）、ガス（３）、またはガス（４）を成形機に導入しながら成形を繰り返したところ、いずれのガスを使用した場合とも、１００００ショット成形後もガラス付着の発生はなく、良好な両凸非球面レンズの成形ができた。
【００６８】
（実施例３）
実施例３では、実施形態２で説明した光学素子成形用成形型の製造方法について、他の一例について説明する。
【００６９】
光学素子成形用成形型を成形するために実施例３で使用したマスター金型７０について、断面図を図７に示す。図７のマスター金型７０は、実施例２で説明したマスター金型４０と比較して、Ｉｒ−Ｗ合金からなる保護膜４４の代わりにＰｔ−Ｉｒ−Ｒｕ合金からなる膜７４を形成した点のみが異なるため、重複する説明は省略する。実施例３では、実施例２と同様にプレス面の形状が異なる２つのマスター金型７０を作製した。
【００７０】
マスター金型７０を用いた光学素子成形用成形型の成形プロセスを図８に示す。まず、図８（ａ）に示すように、鋼材からなる基台８１上に、光学素子成形用成形型の材料であるマザーガラス（結晶化前のガラス）からなる成形用素材８４を載せ、胴型８３を介して上型８２をかぶせる。上型８２には、上述した２つのマスター金型７０を用いる。
【００７１】
次に、成形型全体を加熱して、成形用素材８４が変形可能な温度となったところで圧力を加えて変形させ、上型８２のプレス面の形状を成形用素材８４に転写する（加熱加圧成形）。この状態のまま、さらに温度を上昇させて、プレス成形された成形用素材８４（マザーガラス）を結晶化させる。その後、成形型を冷却すると、図８（ｂ）に示すように、成形された成形用素材８４と基台８１とが融着し、基台８１と基台８１上に固定された結晶化ガラスからなるパンチ部８５とを備える金型本体が得られる。パンチ部８５は、非球面レンズの反転形状のプレス面８５ａを備える。最後に、スパッタリング法によって、プレス面８５ａにＰｔ−Ｉｒ−Ｒｕ合金からなる保護膜８６（厚さ２μｍ）を形成し、非球面レンズの成形用成形型が完成する。
【００７２】
以下、上記プロセスによる光学素子成形用成形型の製造方法について、具体例を説明する。図９は用いた成形機の概略図である。成形用素材には、結晶化前のマザーガラス（ガラス転移点：４７２℃、Ａｔ点：５１８℃）を直径４ｍｍの円柱状に加工したものを使用した。
【００７３】
まず、成形用素材をセットした金型９０を金型投入口９１より投入し、５６０℃に加熱した予熱ステージ９３で加熱し、同じく５６０℃に加熱したプレスステージ９４に搬送した。そして、シリンダー９７に接続され上下に可動な上ヘッド９６を５６０℃に加熱し、この上ヘッド９６で金型９０を１０００Ｎの加圧力でプレスした。そして、プレス圧力を印加したまま、プレスステージ９４および上ヘッド９６を８００℃まで昇温させ、そのままの状態で１時間保持してマザーガラスを完全に結晶化させた。
【００７４】
その後、３００℃に設定した冷却ステージ９５に金型９０を搬送し冷却したのち、取り出し口９９より金型９０を外部に取り出した。そして、プレス成形された成形型本体を金型９０から取り出した。その後、成形型本体のプレス面上に、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｒｕ合金からなる保護膜を成膜して光学素子成形用成形型を得た。
【００７５】
成形機はチャンバ９２を備える。成形工程におけるチャンバ９２内の雰囲気は、ガス導入口９８から導入されるガスによって制御した。実施例３では、ガス導入口９８から、Ｎ2、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）、またはＮ2をエチレングリコール溶液の中に通過させて得られたガス（霧状のエチレングリコールを含むＮ2ガス）をそれぞれチャンバ９２内に導入し、これら４種類のガス雰囲気下で成形工程を行った。そして、光学素子成形用成形型の成形後、マスター金型の表面を観察した。
【００７６】
各種ガスを導入し、マスター金型を用いて光学素子成形用成形型を成形したときの、１００ショットごとのマスター金型の観察結果を表３に示す。なお、表３中、Ｎ2をガス（１）、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）をガス（２）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）をガス（３）、Ｎ2をエチレングリコール溶液の中に通して得られた気体をガス（４）と表示する。
【００７７】
【表３】
【００７８】
表３に示したように、ガス（１）を導入して成形を行った場合、１００ショットまでは全くガラスが付着しなかったが、結晶化温度が８００℃と非常に高温であるため、２００ショット後でマスター金型の表面に少量のガラスが付着した。
そのため、マスター金型のメンテナンスを行って３００ショットまで成形を繰り返したが、最終的には大量のガラス付着が発生してプレス成形ができなくなった。
【００７９】
これに対して、本発明の実施例である実施例３−１、３−２、および３−３では、成形温度が８００℃と非常に高温であるにもかかわらず、５００ショットを経過してもガラス付着は全く発生せず、マスター金型のメンテナンスが不要であった。これは、プレス成形の雰囲気中に含まれる炭素原子（Ｃ）またはフッ素原子（Ｆ）がマスター金型表面および成形用素材であるガラス表面に吸着し、マスター金型とガラスとの塗れ性を悪くしているためと考えられる。このようにして製造した光学素子成形用成形型は、機械加工で母材を非球面形状に加工して製造された成形型に比べて、約１／１０のコストで製造できた。
【００８０】
以上のようにして製造した光学素子の成形用成形型を用いて両凸非球面レンズを、図３の成形機によって成形した。成形用素材には、クラウンガラス（ガラス転移点：５０１℃、Ａｔ点：５４９℃）を用い、ガス（２）、ガス（３）、またはガス（４）を成形機に導入しながら成形を繰り返したところ、いずれのガスを使用した場合とも、１００００ショット成形後もガラス付着の発生はなく、良好な両凸非球面レンズの成形ができた。
【００８１】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の光学素子の製造方法では、プレス成形を繰り返しても金型に光学素子用素材が付着せず、金型のメンテナンスが不要である。したがって、本発明の光学素子の製造方法は、繰り返しプレス成形することが従来の方法に比べて容易であり、光学素子を低コストで製造できる。
【００８３】
同様に、本発明の光学素子成形用成形型の製造方法は、繰り返しプレス成形することが従来の方法に比べて容易である。光学素子成形用成形型を低コストで製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光学素子の製造方法で使用する金型の例を示す断面図である。
【図２】 本発明の光学素子の製造方法について一例を模式的に示す工程図である。
【図３】 本発明の光学素子の製造方法について成形機の一例を模式的に示す図である。
【図４】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法で使用するマスター金型の一例を示す断面図である。
【図５】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法について一例を模式的に示す工程図である。
【図６】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法について成形機の一例を模式的に示す図である。
【図７】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法で使用するマスター金型の他の一例を示す断面図である。
【図８】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法について他の一例を模式的に示す工程図である。
【図９】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法について成形機の他の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 光学素子成形用成形型
１１、４１、５５、８５ パンチ部
１２、４２ 基底部
１３、４３、５５ａ、８５ａ プレス面
１４、４４、５６、７４、８６ 保護膜
１５ 炭素膜
２０ 光学素子成形用成形型
２１ 下型
２２、５２、８２ 上型
２３、５３、８３ 胴型
２４ 光学素子用素材
２５ 両凸非球面レンズ
４０、７０ マスター金型
５１、８１ 基台
５４、８４ 成形用素材
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子の製造方法、および光学素子成形用成形型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度な光学素子を安価に製造する有効な方法としてプレス成形法が提案されている。
【０００３】
加熱軟化したガラスからなる成形用素材を光学素子の反転形状を有する金型を用いてプレス成形すると、成形用素材が金型と離型しにくいという問題がある。
このため、金型表面に特殊な離型膜を形成したり、成形ショットごとに離型剤を塗布して、離型を容易にする工夫がなされている。特に、成形用素材がガラスである場合には、かなり特殊なコーティングを金型表面に施さなければならない。
【０００４】
たとえば、プレス面上に貴金属系保護膜を形成した超硬合金またはサーメットからなる金型が報告されている（特公昭６２−２８０９１号公報参照）。この金型を用いることによって、光学素子のプレス成形による量産が可能となっている。また、窒化ホウ素、窒化クロム、炭化クロム、酸化クロム、炭化珪素、炭素、白金、または超硬合金からなる金型本体のプレス面に、膜厚が１０ｎｍ以下の炭素膜を形成して、ガラスとの離型性を良くした金型も報告されている（特開平０６−３０５７４２号公報参照）。また、プレス面形状が光学素子と同一形状に精密加工されたマスター型を用いてガラス材料をプレス成形することによって形成されるガラスからなる金型も報告されている（特開昭６４−３３０２２号公報、特開平１−２３９０３０号公報参照）。これらの金型で光学素子をプレス成形することによって、より安価に光学素子を製造することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プレス面に離型膜を形成する上記従来の方法では、成形を繰り返し行うと離型性が悪くなり、最終的にはプレス面にガラスが付着して金型が使用不能となる。従って、金型が使用不能となる前に、離型膜を再度形成する必要があり、金型の管理が非常に難しいという課題があった。
【０００６】
また、貴金属系保護膜でプレス面をコーティングする上記従来の方法では、金型本体の耐久性はあるが、成形を繰り返し行うと金型の表面にガラスが付着するため、金型表面のメンテナンスが必要となるという課題があった。
【０００７】
また、プレス面に炭素膜を形成する上記従来の方法では、成形用素材から発生する酸素や成形雰囲気中の酸素によって炭素膜が酸化され、最終的には炭素膜が消失してプレス面にガラスが付着するという課題があった。
【０００８】
また、ガラス材料をプレス成形してガラスからなる光学素子成形用金型を製造する上記従来の方法では、マスター金型を繰り返し使用すると、マスター金型にガラスが付着してプレス成形ができなくなるという課題があった。
【０００９】
上記問題を解決するため、本発明は、繰り返しプレス成形することが従来の方法に比べて容易な光学素子の製造方法、および光学素子成形用成形型の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光学素子の製造方法は、加熱した光学素子用素材を成形型（プレス成形を行うための型）によってプレス成形する工程を含む光学素子の製造方法であって、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとを含む雰囲気中で前記プレス成形を行うことを特徴とする。上記光学素子の製造方法によれば、光学素子用素材が成形型に付着することを防止できるため、従来の方法に比べて容易に、プレス成形を繰り返し行うことができる。
【００１１】
上記光学素子の製造方法では、前記光学素子用素材がガラスからなるものでもよい。
【００１２】
上記光学素子の製造方法では、前記雰囲気は、前記少なくとも１つの分子を気体または霧状の液体の形態で含んでもよい。上記構成によれば、上記少なくとも１つの分子を均一に光学素子用素材および成形型に吸着させることができる。
【００１３】
上記光学素子の製造方法では、前記雰囲気が、ＣＯ2、ＣＦ4、およびエチレングリコールから選ばれる少なくとも１つを含んでもよい。上記構成によれば、光学素子用素材が成形型に付着することを特に防止できる。
【００１４】
上記光学素子の製造方法では、前記不活性ガスが窒素ガスおよびアルゴンから選ばれる少なくとも１つであってもよい。上記構成によれば、光学素子用素材が成形型に付着することを特に防止できる。
【００１５】
また、本発明の光学素子成形用成形型の製造方法は、光学素子用素材をプレス成形して光学素子を形成するための光学素子成形用成形型の製造方法であって、加熱したガラスを金型（広義の意味での金型であり、金属製に限らない）を用いてプレス成形することによって、プレス面を備える成形型の成形を行う成形工程を含み、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとを含む雰囲気中で前記成形工程を行うことを特徴とする。上記製造方法では、ガラスが金型に付着することを防止できるため、従来の方法に比べて容易に、プレス成形を繰り返し行うことができる。
【００１６】
上記光学素子成形用成形型の製造方法では、前記雰囲気は、前記少なくとも１つの分子を気体または霧状の液体の形態で含んでもよい。
【００１７】
上記光学素子成形用成形型の製造方法では、前記雰囲気が、ＣＯ2、ＣＦ4、およびエチレングリコールから選ばれる少なくとも１つを含んでもよい。
【００１８】
上記光学素子成形用成形型の製造方法では、前記不活性ガスが窒素ガスおよびアルゴンから選ばれる少なくとも１つであってもよい。
【００１９】
上記光学素子成形用成形型の製造方法では、前記成形工程ののち、前記プレス面上に、前記光学素子用素材に対して不活性な保護膜を形成する工程をさらに含んでもよい。上記構成によれば、耐久性が高い光学素子成形用成形型を製造できる。
【００２０】
上記光学素子成形用成形型の製造方法では、前記成形工程は、プレス成形した前記ガラスをさらに結晶化させる工程を含んでもよい。上記構成によれば、耐熱性および強度の高い光学素子成形用成形型を製造できる。さらに、結晶化後、前記プレス面に前記光学素子用素材に対して不活性な保護膜を形成する工程を含んでもよい。上記構成によれば、耐熱性、強度および耐久性の高い光学素子成形用成形型を製造できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
（実施形態１）
実施形態１では、本発明の光学素子の製造方法について説明する。
【００２３】
実施形態１の製造方法は、加熱した光学素子用素材を成形型によってプレス成形する工程を含む光学素子の製造方法であって、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとを含む雰囲気中でプレス成形を行うことを特徴とする。プレス成形は、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとからなる雰囲気中で行うことが好ましい。
【００２４】
上記光学素子用素材としては、ケイ酸塩系ガラス、リン酸系ガラス、フッ化物系ガラスなどを用いることができる。
【００２５】
上記成形型には、光学素子の成形に一般的に用いられる成形型を用いることができ、たとえば、機械加工で形成した金型や、実施形態２の製造方法で製造される成形型を用いることができる。
【００２６】
炭素原子を含む上記分子としては、たとえば、ＣＯ2、ＣＦ4（テトラフルオロメタン）、エチレングリコール、Ｃ2Ｈ5ＯＨ（エタノール）などを用いることができる。
【００２７】
フッ素原子を含む上記分子としては、たとえば、ＣＦ4やＣＨＦ3などを用いることができる。
【００２８】
上記不活性ガスとしては、たとえば、Ｎ2（窒素ガス）およびアルゴン（Ａｒ）から選ばれる少なくとも１つを用いることができる。
【００２９】
プレス成形の雰囲気は、上記少なくとも１つの分子を、気体または霧状の液体の形態で含む。また、プレス成形の雰囲気は、ＣＯ2、ＣＦ4、およびエチレングリコールから選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００３０】
実施形態１の製造方法では、成形型にガラスが付着することを防止できるため、従来の方法に比べて、プレス成形を繰り返し行うことが容易である。実施形態１の製造方法で金型にガラスが付着することを防止できる理由は明確ではないが、雰囲気中に存在する炭素原子またはフッ素原子が金型および光学素子用素材の表面に吸着して両者の濡れ性を悪くしているためであると考えられる。
【００３１】
（実施形態２）
実施形態２では、本発明の光学素子成形用成形型の製造方法について説明する。
【００３２】
実施形態２の製造方法は、光学素子用素材をプレス成形して光学素子を形成するための光学素子成形用成形型の製造方法であって、加熱したガラスを金型を用いてプレス成形することによって、プレス面を備える成形型の成形を行う成形工程を含み、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとを含む雰囲気中で成形工程を行うことを特徴とする。成形工程は、炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとからなる雰囲気中で行うことが好ましい。
【００３３】
炭素原子を含む上記分子、フッ素原子を含む上記分子、および上記不活性ガスには、実施形態１で説明したものを用いることができる。また、プレス成形の雰囲気は、上記少なくとも１つの分子を、気体または霧状の液体の形態で含む。また、プレス成形の雰囲気は、ＣＯ2、ＣＦ4、およびエチレングリコールから選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００３４】
また、上記金型には、ガラスのプレス成形に一般的に用いられている金型を使用できる。
【００３５】
また、成形型本体の材料となるガラスには、成形型の材料として一般的に用いられているガラスを用いることができる。たとえば、高ケイ酸ガラスやホウケイ酸ガラスを用いることができる。このガラスは、そのガラス転移点（Ｔｇ）が、光学素子をプレス成形する際の成形温度よりも高いことが好ましい。
【００３６】
実施形態２の製造方法は、上記成形工程ののち、プレス成形したガラス（成形型本体）のプレス面上に、光学素子用素材に対して不活性な保護膜を形成する工程をさらに含んでもよい。保護膜は、耐酸化性および高温強度に優れた材料からなることが好ましい。光学素子用素材がガラスからなる場合には、保護膜は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、タングステン（Ｗ）、およびタンタル（Ｔａ）から選ばれる少なくとも１つを含む金属（単体金属または合金）からなることが好ましい。
【００３７】
また、実施形態２の製造方法では、結晶核形成剤を含むガラスを用いた上記成形工程が、プレス成形したガラスをさらに結晶化させる工程を含んでもよい。具体的には、結晶化前のガラス（以下、マザーガラスという場合がある）をプレス成形したのち、マザーガラスが結晶化する条件で熱処理を行えばよい。たとえば、マザーガラスを所定の温度でプレス成形し、そのままの状態で温度を上昇させて一定時間保持することによって結晶化を行ってもよい。
【００３８】
実施形態２の製造方法によれば、実施形態１の製造方法と同様に、従来の方法に比べて、プレス成形を繰り返し行うことが容易である。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００４０】
（実施例１）
実施例１では、実施形態１で説明した光学素子の製造方法について説明する。
【００４１】
まず、光学素子をプレス成形するための光学素子成形用成形型を作製した。具体的には、図１（ａ）〜（ｃ）に示す光学素子成形用成形型１０ａ、１０ｂおよび１０ｃ（以下、それぞれ成形型１０ａ、１０ｂおよび１０ｃという場合がある）を作製した。
【００４２】
成形型１０ａは、超硬合金からなるパンチ部１１（直径６ｍｍ、高さ７ｍｍ）および基底部１２（直径１６ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を備え、パンチ部１１には光学素子用素材をプレス成形するためのプレス面１３を形成した。プレス面１３は、超硬合金からなる母材を高精密研削加工法によって研削して形成した。実施例１では、プレス面の形状が異なる成形型１０ａ（図１（ａ）参照）を２個（１組）作製した。具体的には、プレス面１３が曲率半径３．５ｍｍの凹面形状である成形型１０ａと、プレス面１３が曲率半径５．０ｍｍの凹面形状である成形型１０ａとを形成した。光学素子の反転形状のプレス面を備えるこれら１組の成形型を用いることによって、両凸非球面レンズ（第１面の曲率半径３．５ｍｍ、第２面の曲率半径５．０ｍｍ）の光学素子を成形できる。
【００４３】
次いで、成形型１０ａと全く同じ方法で同じ形状の金型をもう１組作製し、完成後、スパッタリング法によって、それぞれのプレス面１３上にＰｔ−Ｐｄ−Ｒｈ合金からなる保護膜１４（厚さ２μｍ）を形成した。このようにして、プレス面の形状が異なる成形型１０ｂ（図１（ｂ）参照）を２個（１組）作製した。
【００４４】
次いで、成形型１０ａと全く同じ方法で同じ形状の金型をもう１組作製し、完成後、スパッタリング法によって、それぞれのプレス面１３上にＰｔ−Ｐｄ−Ｒｈ合金からなる保護膜１４（厚さ２μｍ）を形成し、さらにその上に、表面の離型性を良くするために、スパッタリング法によって炭素膜１５（厚さ１μｍ）を形成した。このようにして、プレス面の形状が異なる成形型１０ｃ（図１（ｃ）参照）を２個（１組）作製した。
【００４５】
このようにして作製した３組の光学素子成形用成形型を用いて両凸非球面レンズ（第１面の曲率半径３．５ｍｍ、第２面の曲率半径５．０ｍｍ）を作製できる。成形プロセスを図２示す。光学素子成形用成形型２０（以下、単に成形型２０という場合がある）は、下型２１と上型２２と胴型２３とからなる。下型２１および上型２２には、上記３組の成形型１０ａ〜１０ｃのいずれか１組を用いる。
胴型２３は、下型２１と上型２２との中心軸を合わせるためのものである。
【００４６】
まず、下型２１のプレス面上に光学素子用素材２４を載せ、胴型２３を介して、上型２２をかぶせる。次に、成形型２０全体を加熱して、光学素子用素材２４が変形可能な温度となったところで圧力を加えて変形させ、下型２１および上型２２のプレス面の形状を光学素子用素材２４に転写する（加熱加圧成形）。最後に、成形型２０を冷却して成形された両凸非球面レンズ２５を成形型２０から取り出す。
【００４７】
以下、上記プロセスによる非球面レンズの製造方法について、具体例を説明する。成形に用いた成形機の概略を図３に模式的に示す。
【００４８】
まず、光学素子用素材をセットした成形型２０を成形型投入口３１より投入し、５９０℃に加熱した予熱ステージ３３で加熱し、さらに同じく５９０℃に加熱したプレスステージ３４に成形型２０を搬送した。光学素子用素材には、クラウン系の硼珪酸ガラス（ガラス転位点：５０１℃、Ａｔ点（屈伏点）：５４９℃）を直径４ｍｍの球状に加工したものを使用した。
【００４９】
そして、シリンダー３７に接続され上下に可動な上ヘッド３６で成形型２０を１００Ｎの加圧力でプレスし、光学素子用素材のプレス成形を行った（成形工程）。このとき、上ヘッド３６も５９０℃に加熱した。次に、３００℃に設定した冷却ステージ３５に成形型２０を搬送して冷却したのち、取り出し口３９から成形型２０を外部に取り出した。そして、成形されたレンズを成形型２０から取り出した。
【００５０】
成形機は、チャンバ３２を備える。成形工程中のチャンバ３２内の雰囲気は、ガス導入口３８から導入されるガスによって制御した。実施例１では、ガス導入口３８から、Ｎ2、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）、または、Ｎ2をエチレングリコール溶液の中に通過させて得られたガス（霧状のエチレングリコールを含むＮ2ガス）をそれぞれチャンバ３２内に導入し、これら４種類のガス雰囲気下で成形工程を行った。そして、レンズを繰り返し成形したのち、成形型２０（すなわち、成形型１０ａ〜１０ｃ）の表面を観察した。
【００５１】
各種ガスを導入し成形型１０ａ〜１０ｃを用いてレンズを成形したときの、２０００ショットごとの成形型の観察結果を表１に示す。なお、表１中、Ｎ2をガス（１）、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）をガス（２）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）をガス（３）、Ｎ2をエチレングリコール溶液の中に通して得られた気体をガス（４）と表示する。
【００５２】
【表１】
表１に示したように、ガス（１）を導入して成形を行った場合、成形型１０ａ、すなわちプレス面が超硬合金の金型では、２０００ショットで成形型の表面にガラスが大量に付着し、メンテナンスを行っても成形型を再生することができず、それ以上の成形ができなくなってしまった。成形型１０ｂでは、プレス面にＰｔ−Ｐｄ−Ｒｈ合金からなる保護膜を形成しているので２０００ショットまではガラス付着がなかったが、４０００ショットを越えると少量のガラス付着が発生するようになった。このガラス付着は成形型のメンテナンスによって除去できたため、メンテナンスを繰り返して成形型の再生を行いながら、１００００ショットまで成形できた。成形型１０ｃでは、プレス面にＰｔ−Ｐｄ−Ｒｈ合金からなる保護膜を形成し、さらにその上に炭素膜を形成しているので、４０００ショットまではガラス付着が全く発生しなかった。しかしながら、６０００ショットまで成形を繰り返すと、成形型１０ｂと同様に少量のガラス付着が発生し、成形型のメンテナンスを繰り返して、１００００ショットまで成形できた。６０００ショットを越えるとガラス付着が発生するのは、プレス面に形成した炭素膜がガラスから発生する酸化性ガスによって酸化され、気化して消失してしまったためである。いずれにしても、ガス（１）を導入した場合は、特殊なコーティングを施した成形型１０ｂおよび１０ｃでも、初期的にはガラス付着は発生しないが、プレス成形を繰り返すとガラス付着が発生するようになり、成形型のメンテナンスをしなければ繰り返し成形することができなかった。
【００５４】
これに対して、本発明の実施例である実施例１−１、１−２、および１−３では、いずれの成形型を用いた場合でも、１００００ショット成形後もガラス付着は全く発生せず、成形型のメンテナンスは不要であった。これは、プレス成形の雰囲気中に含まれる炭素原子（Ｃ）またはフッ素原子（Ｆ）が成形型の表面およびレンズの素材であるガラス表面に吸着し、成形型とガラスとの塗れ性を悪くしているためであると考えられる。
【００５５】
（実施例２）
実施例２では、実施形態２で説明した光学素子成形用成形型の製造方法について一例を説明する。
【００５６】
光学素子成形用成形型を成形するために実施例２で用いたマスター金型４０について、断面図を図４に示す。マスター金型４０は、超硬合金からなるパンチ部４１（直径６ｍｍ、高さ７ｍｍ）および基底部４２（直径１６ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を備え、パンチ部４１には光学素子成形用成形型をプレス成形するためのプレス面４３を形成した。プレス面４３上には、Ｉｒ−Ｗ合金からなる保護膜４４（厚さ２μｍ）をスパッタリング法によって形成した。プレス面４３は、超硬合金からなる母材を高精密研削加工法によって研削して形成した。実施例２では、プレス面の形状が異なるマスター金型４０を２個（１組）作製した。具体的には、プレス面４３が曲率半径３．５ｍｍの凸面形状であるマスター金型４０と、プレス面４３が曲率半径５．０ｍｍの凸面形状であるマスター金型４０とを形成した。すなわち、光学素子の両凸非球面レンズ（第１面の曲率半径３．５ｍｍ、第２面の曲率半径５．０ｍｍ）の２つの光学面と同じ形状のプレス面を備えるマスター金型４０を作製した。
【００５７】
マスター金型４０を用いた光学素子成形用成形型の成形プロセスを図５に示す。まず、図５（ａ）に示すように、鋼材からなる基台５１上に、光学素子成形用成形型の材料である高融点ガラスからなる成形用素材５４を載せ、胴型５３を介して上型５２をかぶせる。上型５２には、上述した２つのマスター金型４０を用いる。
【００５８】
次に、成形型全体を加熱して、成形用素材５４が変形可能な温度となったところで圧力を加えて変形させ、マスター金型５２のプレス面の形状を成形用素材５４に転写する（加熱加圧成形）。その後、成形型を冷却すると、図５（ｂ）に示すように、成形された成形用素材５４と基台５１とが融着し、基台５１と基台５１上に固定されたパンチ部５５とを備える金型本体が得られる。パンチ部５５は、非球面レンズの反転形状のプレス面５５ａを備える。最後に、スパッタリング法によってプレス面５５ａにＩｒ−Ｗ合金からなる保護膜５６（厚さ２μｍ）を形成し、非球面レンズの成形用成形型が完成する。
【００５９】
以下、上記プロセスによる非球面レンズの成形用成形型の製造方法について、具体例を説明する。図６は用いた成形機の概略図である。成形用素材には、クラウンガラス（ガラス転移点：６５０℃、Ａｔ点：６９０℃）を直径４ｍｍの円柱状に加工したものを使用した。
【００６０】
具体的には、まず、成形用素材をセットした金型６０を金型投入口６１から投入し、７４０℃に加熱した予熱ステージ６３で加熱し、同じく７４０℃に加熱したプレスステージ６４に搬送した。次に、シリンダー６７に接続され上下に可動な上ヘッド６６で金型６０を１０００Ｎの加圧力でプレスし、成形用素材をプレス成形した。このとき、上ヘッド６６も７４０℃に加熱した。
【００６１】
プレス成形後、３００℃に設定した冷却ステージ６５に金型６０を搬送して冷却した。そして、金型取出し口６９から金型６０を外部に取り出し、プレス成形された成形型本体を金型６０から取り出した。その後、成形された成形型本体のプレス面に、Ｉｒ−Ｗ合金からなる保護膜を成膜し光学素子成形用成形型を得た。
【００６２】
成形機はチャンバ６２を備える。成形工程におけるチャンバ６２内の雰囲気は、ガス導入口６８から導入されるガスによって制御した。実施例２では、ガス導入口６８から、Ｎ2、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）、またはＮ2をエチレングリコール溶液の中に通過させて得られたガス（霧状のエチレングリコールを含むＮ2ガス）をそれぞれチャンバ６２内に導入し、これら４種類のガス雰囲気下で成形工程を行った。そして、光学素子成形用成形型の成形後、マスター金型の表面を観察した。
【００６３】
各種ガスを導入し、マスター金型を用いて光学素子成形用成形型を成形したときの、１００ショットごとのマスター金型の観察結果を表２に示す。なお、表２中、Ｎ2をガス（１）、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）をガス（２）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）をガス（３）、Ｎ2をエチレングリコール溶液の中に通して得られた気体をガス（４）と表示する。
【００６４】
【表２】
表２に示したように、ガス（１）を導入して成形を行った場合、初期の１００ショットまでは全くガラス付着はなかった。しかし、成形温度が７４０℃と非常に高温であるため、２００ショット後にマスター金型表面に少量のガラス付着が発生した。そのため、マスター金型のメンテナンスを行って３００ショットまで成形を繰り返したが、最終的に大量のガラスが付着してプレス成形ができなくなった。
【００６６】
これに対して、本発明の実施例である、実施例２−１、２−２、２−３では、成形温度が７４０℃と非常に高温であるにもかかわらず、５００ショットを経過してもガラス付着が全く発生せず、マスター金型のメンテナンスは不要であった。これは、プレス成形の雰囲気中に含まれる炭素原子（Ｃ）またはフッ素原子（Ｆ）がマスター金型表面および成形用素材であるガラス表面に吸着し、マスター金型とガラスとの塗れ性を悪くしているためと考えられる。このようにして製造した光学素子成形用成形型は、機械加工で母材を非球面形状に加工して製造された成形型に比べて、約１／１０のコストで製造できた。
【００６７】
以上のようにして製造した光学素子の成形用成形型を用いて両凸非球面レンズを、図３の成形機によって成形した。成形用素材には、クラウンガラス（ガラス転移点：５０１℃、Ａｔ点：５４９℃）を用い、ガス（２）、ガス（３）、またはガス（４）を成形機に導入しながら成形を繰り返したところ、いずれのガスを使用した場合とも、１００００ショット成形後もガラス付着の発生はなく、良好な両凸非球面レンズの成形ができた。
【００６８】
（実施例３）
実施例３では、実施形態２で説明した光学素子成形用成形型の製造方法について、他の一例について説明する。
【００６９】
光学素子成形用成形型を成形するために実施例３で使用したマスター金型７０について、断面図を図７に示す。図７のマスター金型７０は、実施例２で説明したマスター金型４０と比較して、Ｉｒ−Ｗ合金からなる保護膜４４の代わりにＰｔ−Ｉｒ−Ｒｕ合金からなる膜７４を形成した点のみが異なるため、重複する説明は省略する。実施例３では、実施例２と同様にプレス面の形状が異なる２つのマスター金型７０を作製した。
【００７０】
マスター金型７０を用いた光学素子成形用成形型の成形プロセスを図８に示す。まず、図８（ａ）に示すように、鋼材からなる基台８１上に、光学素子成形用成形型の材料であるマザーガラス（結晶化前のガラス）からなる成形用素材８４を載せ、胴型８３を介して上型８２をかぶせる。上型８２には、上述した２つのマスター金型７０を用いる。
【００７１】
次に、成形型全体を加熱して、成形用素材８４が変形可能な温度となったところで圧力を加えて変形させ、上型８２のプレス面の形状を成形用素材８４に転写する（加熱加圧成形）。この状態のまま、さらに温度を上昇させて、プレス成形された成形用素材８４（マザーガラス）を結晶化させる。その後、成形型を冷却すると、図８（ｂ）に示すように、成形された成形用素材８４と基台８１とが融着し、基台８１と基台８１上に固定された結晶化ガラスからなるパンチ部８５とを備える金型本体が得られる。パンチ部８５は、非球面レンズの反転形状のプレス面８５ａを備える。最後に、スパッタリング法によって、プレス面８５ａにＰｔ−Ｉｒ−Ｒｕ合金からなる保護膜８６（厚さ２μｍ）を形成し、非球面レンズの成形用成形型が完成する。
【００７２】
以下、上記プロセスによる光学素子成形用成形型の製造方法について、具体例を説明する。図９は用いた成形機の概略図である。成形用素材には、結晶化前のマザーガラス（ガラス転移点：４７２℃、Ａｔ点：５１８℃）を直径４ｍｍの円柱状に加工したものを使用した。
【００７３】
まず、成形用素材をセットした金型９０を金型投入口９１より投入し、５６０℃に加熱した予熱ステージ９３で加熱し、同じく５６０℃に加熱したプレスステージ９４に搬送した。そして、シリンダー９７に接続され上下に可動な上ヘッド９６を５６０℃に加熱し、この上ヘッド９６で金型９０を１０００Ｎの加圧力でプレスした。そして、プレス圧力を印加したまま、プレスステージ９４および上ヘッド９６を８００℃まで昇温させ、そのままの状態で１時間保持してマザーガラスを完全に結晶化させた。
【００７４】
その後、３００℃に設定した冷却ステージ９５に金型９０を搬送し冷却したのち、取り出し口９９より金型９０を外部に取り出した。そして、プレス成形された成形型本体を金型９０から取り出した。その後、成形型本体のプレス面上に、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｒｕ合金からなる保護膜を成膜して光学素子成形用成形型を得た。
【００７５】
成形機はチャンバ９２を備える。成形工程におけるチャンバ９２内の雰囲気は、ガス導入口９８から導入されるガスによって制御した。実施例３では、ガス導入口９８から、Ｎ2、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）、またはＮ2をエチレングリコール溶液の中に通過させて得られたガス（霧状のエチレングリコールを含むＮ2ガス）をそれぞれチャンバ９２内に導入し、これら４種類のガス雰囲気下で成形工程を行った。そして、光学素子成形用成形型の成形後、マスター金型の表面を観察した。
【００７６】
各種ガスを導入し、マスター金型を用いて光学素子成形用成形型を成形したときの、１００ショットごとのマスター金型の観察結果を表３に示す。なお、表３中、Ｎ2をガス（１）、Ｎ2とＣＯ2との混合ガス（ＣＯ2：１０ｖｏｌ．％）をガス（２）、Ｎ2とＣＦ4との混合ガス（ＣＦ4：１０ｖｏｌ．％）をガス（３）、Ｎ2をエチレングリコール溶液の中に通して得られた気体をガス（４）と表示する。
【００７７】
【表３】
表３に示したように、ガス（１）を導入して成形を行った場合、１００ショットまでは全くガラスが付着しなかったが、結晶化温度が８００℃と非常に高温であるため、２００ショット後でマスター金型の表面に少量のガラスが付着した。
そのため、マスター金型のメンテナンスを行って３００ショットまで成形を繰り返したが、最終的には大量のガラス付着が発生してプレス成形ができなくなった。
【００７９】
これに対して、本発明の実施例である実施例３−１、３−２、および３−３では、成形温度が８００℃と非常に高温であるにもかかわらず、５００ショットを経過してもガラス付着は全く発生せず、マスター金型のメンテナンスが不要であった。これは、プレス成形の雰囲気中に含まれる炭素原子（Ｃ）またはフッ素原子（Ｆ）がマスター金型表面および成形用素材であるガラス表面に吸着し、マスター金型とガラスとの塗れ性を悪くしているためと考えられる。このようにして製造した光学素子成形用成形型は、機械加工で母材を非球面形状に加工して製造された成形型に比べて、約１／１０のコストで製造できた。
【００８０】
以上のようにして製造した光学素子の成形用成形型を用いて両凸非球面レンズを、図３の成形機によって成形した。成形用素材には、クラウンガラス（ガラス転移点：５０１℃、Ａｔ点：５４９℃）を用い、ガス（２）、ガス（３）、またはガス（４）を成形機に導入しながら成形を繰り返したところ、いずれのガスを使用した場合とも、１００００ショット成形後もガラス付着の発生はなく、良好な両凸非球面レンズの成形ができた。
【００８１】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の光学素子の製造方法では、プレス成形を繰り返しても金型に光学素子用素材が付着せず、金型のメンテナンスが不要である。したがって、本発明の光学素子の製造方法は、繰り返しプレス成形することが従来の方法に比べて容易であり、光学素子を低コストで製造できる。
【００８３】
同様に、本発明の光学素子成形用成形型の製造方法は、繰り返しプレス成形することが従来の方法に比べて容易である。光学素子成形用成形型を低コストで製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の光学素子の製造方法で使用する金型の例を示す断面図である。
【図２】 本発明の光学素子の製造方法について一例を模式的に示す工程図である。
【図３】 本発明の光学素子の製造方法について成形機の一例を模式的に示す図である。
【図４】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法で使用するマスター金型の一例を示す断面図である。
【図５】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法について一例を模式的に示す工程図である。
【図６】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法について成形機の一例を模式的に示す図である。
【図７】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法で使用するマスター金型の他の一例を示す断面図である。
【図８】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法について他の一例を模式的に示す工程図である。
【図９】 本発明の光学素子成形用成形型の製造方法について成形機の他の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 光学素子成形用成形型
１１、４１、５５、８５ パンチ部
１２、４２ 基底部
１３、４３、５５ａ、８５ａ プレス面
１４、４４、５６、７４、８６ 保護膜
１５ 炭素膜
２０ 光学素子成形用成形型
２１ 下型
２２、５２、８２ 上型
２３、５３、８３ 胴型
２４ 光学素子用素材
２５ 両凸非球面レンズ
４０、７０ マスター金型
５１、８１ 基台
５４、８４ 成形用素材
Claims (12)
- 光学素子用素材をプレス成形して光学素子を形成するための光学素子成形用成形型の製造方法であって、
加熱したガラスを金型を用いてプレス成形することによって、プレス面を備える成形型の成形を行う成形工程を含み、
炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとを含む雰囲気中で前記成形工程を行うことを特徴とする光学素子成形用成形型の製造方法。 - 前記雰囲気は、前記少なくとも１つの分子を気体または霧状の液体の形態で含む請求項１に記載の光学素子成形用成形型の製造方法。
- 前記雰囲気が、ＣＯ2、ＣＦ4、およびエチレングリコールから選ばれる少なくとも１つを含む請求項１または２に記載の光学素子成形用成形型の製造方法。
- 前記不活性ガスが窒素ガスおよびアルゴンから選ばれる少なくとも１つである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子成形用成形型の製造方法。
- 前記成形工程ののち、前記プレス面上に、前記光学素子用素材に対して不活性な保護膜を形成する工程をさらに含む請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学素子成形用成形型の製造方法。
- 前記成形工程は、プレス成形した前記ガラスをさらに結晶化させる工程を含む請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子成形用成形型
の製造方法。 - 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光学素子成形用成形型の製造方法で得られた成形型を準備する工程と、
加熱した光学素子用素材を前記成形型によってプレス成形する工程と、
を備える光学素子の製造方法。 - 炭素原子を含む分子およびフッ素原子を含む分子から選ばれる少なくとも１つの分子と不活性ガスとを含む雰囲気中で前記プレス成形を行うことを特徴とする、請求項７に記載の光学素子の製造方法。
- 前記光学素子用素材がガラスからなる請求項７または８に記載の光学素子の製造方法。
- 前記雰囲気は、前記少なくとも１つの分子を気体または霧状の液体の形態で含む請求項７ないし９のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
- 前記雰囲気が、ＣＯ 2 、ＣＦ 4 、およびエチレングリコールから選ばれる少なくとも１つを含む請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
- 前記不活性ガスが窒素ガスおよびアルゴンから選ばれる少なくとも１つである請求項７ないし１１のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
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