JP4667254B2 - 光学ガラス素子成形型 - Google Patents

Description

本発明は、反応性が強く軟化温度が高いリン酸塩ガラスだけでなく、ガラス転移点が高く反応性の高いホウ酸ランタン系ガラスの繰り返し成形においても、ガラスとの離型性が良好な光学ガラス素子成形型であって、しかも、種々の光学ガラス成形型基材とコーティング層との密着強度が高いために耐久性に優れ、揮発物によるコーティング層の劣化を抑制し、さらに変色をも効果的に抑制し得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に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あって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に、成形型のコーティング層中に拡散し、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光学ガラス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光学ガラス成形型基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。

そこで、本発明者の一人は、上記の知見に基づき、モリブデンを第一成分とし、イリジウムを第二成分としたコーティング層を有する光学ガラス素子成形型を提案した（特許文献４参照）。また、本発明者は、特許文献４において、前記コーティング層の組成として、モリブデンを２０〜６０質量％、イリジウムを３０〜５０質量％、白金及びレニウムを合計で１０〜４０質量％含有する層を設けることにより、リン酸塩ガラスの付着が発生しにくい光学ガラス素子成形型が得られることを提案した。

特公昭６３−１１２８５号公報 特公平４−１６４１５号公報 特開平１０−２３１１２９号公報 特開２００５−４１７３９号公報

しかしながら、上記特許文献４で提案した光学ガラス素子成形型においては、リン酸塩ガラスにおいては、揮発物によってコーティング層が劣化まではしないものの、変色してしまう場合があり、ガラス転移点が高く反応性の高いホウ酸ランタン系ガラスについては、コーティング層の劣化抑制効果が充分ではないという問題があった。

本発明は、反応性が強く軟化温度が高いリン酸塩ガラスだけでなく、ガラス転移点が高く反応性の高いホウ酸ランタン系ガラスの繰り返し成形においても、ガラスとの離型性が良好な光学ガラス素子成形型であって、しかも、種々の光学ガラス成形型基材とコーティング層との密着強度が高いために耐久性に優れ、揮発物によるコーティング層の劣化を抑制し、変色をも抑制し得る光学ガラス素子成形型を提供することを目的とする。

本発明者は、特許文献４に記載した光学ガラス素子成形型をさらに改良すべく、更なる検討をした結果、光学ガラス素子成形型のコーティング層の組成として、上記特許文献４に記載の組成において、イリジウムに代えてレニウムとパラジウムとを特定量配合したところ、リン酸塩ガラスの付着が発生しにくいだけでなく、ガラス素子の成形時において発生するＨ₂Ｏなどの揮発物によるコーティング層の劣化及び変色を抑制でき、かつ、ホウ酸ランタン系ガラスの付着が発生しにくいとの知見を得た。

本発明者らは、上記知見に基づき、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光学ガラス素子成形型基材の光学ガラス素子成形面にコーティング層を有する光学ガラス素子成形型において、前記コーティング層が、モリブデンを１０〜３５質量％、レニウムを１５〜６０質量％、白金及びイリジウムを合計で１０〜７０質量％、パラジウムを１〜１５質量％含むことを特徴とする光学ガラス素子成形型である。

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、ガラスの成形時における、コーティング層とリンとの反応が起こりにくい。また、ガラス転移点が５２０℃以上と高く反応性の高いホウ酸ランタン系ガラスの繰り返し成形においても、コーティング層との反応が起こりにくい。
このため、軟化点の高いリン酸塩ガラスやガラス転移点が高く反応性の高いホウ酸ランタン系ガラスの繰り返し成形においても、コーティング層が劣化しにくく、ガラスとの離型性が損なわれない。このため、成形型へのガラスの付着が発生せず、高精度の光学ガラス素子成形が可能となる。
また、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、光学ガラス成形型基材とコーティング層とを密着させるための中間層を必要としない。コーティング層の密着性が高く種々の成形型と密着性がよく、生産する光学素子のロット数やガラスの種類によって光学ガラス成形型基材を選択できる。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。
さらに、コーティング層の表面が不動態を形成してコーティング層の酸化を抑制し、光学ガラス素子の型成型時においてガラスから発生するＨ₂Ｏなどの揮発性物質によるコーティング層の劣化及び変色を抑制することができ、光学ガラス素子成形型の寿命を延ばすことができる。

本発明の光学ガラス素子成形型は、光学ガラス成形型基材１，２と、光学ガラス成形型基材１，２の光学ガラス素子成形面に設けられたコーティング層３とからなる。

光学ガラス成形型基材１，２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。超硬合金は炭化ケイ素よりも柔らかく加工性が高いという特徴を有するが、バインダーが存在するために徐々に酸化が進行していきやすいという欠点がある。炭化ケイ素は脆く、加工性が悪いという欠点があるが、ほとんど酸化されないため高寿命であるという特徴がある。酸化アルミニウム、サーメットはその中間にあたる。これら光学ガラス成形型基材１，２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。

本発明におけるモリブデン、レニウム、白金及びイリジウムを含有するコーティング層３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３と光学ガラス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。 コーティング層３中のモリブデンの割合は１０〜３５質量％である必要があるが、中でも１５〜２５質量％が好ましい。コーティング層３中のモリブデンの割合が少なすぎるとコーティング層３の劣化及び変色を抑制する効果が低くなる場合があり、多すぎるとコーティング層３の劣化及び変色を抑制する効果が低くなる場合がある。
コーティング層３中のレニウムの割合は１５〜４０質量％である必要があるが、中でも１５〜２０質量％が好ましい。コーティング層３中のレニウムの割合が少なすぎるとコーティング層３の劣化及び変色を抑制する効果が低くなる場合があり、多すぎるとコーティング層３の劣化及び変色を抑制する効果が低くなる場合がある。

コーティング層３中の白金とイリジウムとの合計の割合は１０〜７０質量％である必要があるが、中でも４５〜６９質量％が好ましい。コーティング層３中の白金とイリジウムとの合計の割合が少なすぎるとコーティング層３の劣化及び変色を抑制する効果が低くなる場合があり、多すぎるとコーティング層３の劣化及び変色を抑制する効果が低くなる場合がある。特に白金が１５〜２９質量％であり、かつイリジウムが３０〜４０質量％であることがより好ましい。
コーティング層３中のパラジウムの割合は１〜１５質量％である必要があるが、中でも１〜１０質量％が好ましい。コーティング層３中のパラジウムの割合が少なすぎるとコーティング層３の劣化及び変色を抑制する効果が低くなる場合があり、多すぎるとコーティング層３の劣化及び変色を抑制する効果が低くなる場合がある。

コーティング層３の形成方法としては、特に制限されず種々の方法が採用できるが、例えば、モリブデン、レニウム、白金、イリジウム、及びパラジウムの各金属粉末を焼結してターゲットを作成し、スパッタリングする方法、１つの構成元素のターゲットの上に他の成分チップを配置し、スパッタリングする方法、イオンプレーティング法などを採用することができる。

コーティング層３の厚さはとしては、０.１〜２０μｍが好ましい。コーティング層３の厚さがあまり薄いと、コーティング層３を設ける技術的効果が得られないばかりか引っかき傷等の取り扱い上のダメージを受け易くなる場合があり、コーティング層３の厚さがあまり厚くても、技術的効果が飽和し無駄となる。

本発明の光学ガラス素子成形型は、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℃、屈伏点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℃、屈伏点At:553℃）、ホウ酸ランタン系ガラスK-VC89（商品名、住田光学ガラス製、nd:1.8100、νd:41.0、転移点Tg:528℃、屈伏点At:559℃）、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℃、屈伏点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、上下一対の型からなるプレス成形型を例にして該成形型を模式的に示した断面図を示す。図中、１と２は光学ガラス成形型基材、３は各光学ガラス成形型基材１，２に設けられた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。
以下のようにして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質量％、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て成形面を鏡面とした。これにより図１に示す態様の上下一対の光学ガラス成形型基材１，２を作成した。

一方、表１に示す組成比で焼結体を成形してターゲットを作成した。
この光学ガラス成形型基材１，２をスパッタ装置にセットし、表１に示す組成比の膜を１μｍの厚みにコーティングして、図１に示すコーティング層３を成形した。
これを用いて、ホウ酸ランタン系ガラスK-VC89（商品名、住田光学ガラス製、nd:1.8100、νd:41.0、転移点Tg:528℃、屈伏点At:559℃）および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℃、屈伏点At:４１５℃）を直径７ｍｍのボールプリフォームに加工した。
このプリフォームを原料とし、図２に示す成形機を用いて光学ガラスレンズを下記の要領で成形した。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１００００ｍｌ／分で注入し、４５５℃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、成形品たるレンズの取り出しを行った。
これを1000回行ったときの上型の光学ガラス成形型基材２及び下型の光学ガラス成形型基材１へのガラスの付着、コーティング層３の劣化及び変色を目視により評価した。この結果を表１に示す。なお、表１の評価において、劣化とは離型性や耐熱性等の本来コーティング層３に必要とされる性能を有しなくなった場合をいう。また、型へのガラスの付着およびコーティング層の劣化の評価において、○は全く付着や劣化が見られないものを示し、△は極希に付着や劣化が見受けられるものを示し、×は付着や劣化が見受けられる場合が多いものを示している。コーティング層の変色の評価においては、○は全く変色が見られないものを示し、△は８００回の成形では変色は見受けられないが、１０００回の成形では変色がわずかに見受けられるものを示し、×は８００回の成形で変色が見受けられるものを示している。

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 光学ガラス成形型基材
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 (1)

1. 耐熱性があり緻密で熱伝導性の高い光学ガラス素子成形型基材の光学ガラス素子成形面にコーティング層を有する光学ガラス素子成形型において、前記コーティング層が、モリブデンを１０〜３５質量％、レニウムを１５〜４０質量％、白金及びイリジウムを合計で１０〜７０質量％、パラジウムを１〜１５質量％含むことを特徴とする光学ガラス素子成形型。
   

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