JP4822833B2 - 光学ガラス素子成形用型 - Google Patents

Description

本発明は表面が高硬度で、耐熱、耐酸化性、及びガラスとの離形性に優れた高寿命の光学ガラス素子成形用型（以下、単に「ガラス成形用型」ともいう）に関する。

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、金型とガラスとの密着性が低く成形型からのガラス離型性が良好であること、耐熱性があり緻密で熱伝導性の高い成形型であること、高寿命であること等が要求される。

このような成形型としては、ＷＣ−Ｃｏ、ＷＣ−Ｎｉなどの超硬合金、サーメット材、炭化クロム（ＣｒＣ）等からなる離型膜をコーティングした金型がガラス成形用型として利用されている。
しかしながら、ＭｏやＣｒからなる保護膜は耐酸化性、耐薬品性、耐熱性に優れ、ガラス離型性にも優れているものの膜硬度が比較的低く、キズ等が発生し易い難点がある。また、ＣｒＮ、ＴｉＮからなる保護膜は硬度が十分ではなく、かつ、ガラスと反応して劣化が起こるため、精密レンズン等の光学製品の成形用としては好ましくない。

また、光学ガラス素子のプレス成形用型として白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属からなる保護膜を、金型基材の成形面にＴｉＮ、炭化珪素（ＳｉＣ）等の中間層を介してコーティングを施した光学ガラス素子のプレス成形用型（特許文献１）や、金型基材のガラス成形面にＭｏ、Ｉｒ、Ｐｔ−ロジウム（Ｒｈ）の３成分からなるコーティング層を施したもの（特許文献２）等が知られている。
さらにまた、ガラス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、ガラス成形面を構成するコーティング層とガラス成形型基材の間に中間層を設ける方法が知られている（特許文献３等参照）。

しかしながら、貴金属系保護膜を用いたものはガラスとの反応性が低く、耐酸化性には優れるものの膜の硬度が低く傷つきやすいため寿命が短い欠点があった。また、特許文献１や特許文献３に記載のガラス成形用型のように中間層を設ける手法は金型の製作が煩雑であり、経済的に不利である。

特公昭６２−２８０９３号公報 特開２００５−４１７３９号公報 特開平１０−２３１１２９号公報

本発明は上記の問題点に鑑み、ガラス素子成形用型からのガラス離型性が良好で、高硬度保護膜であるために取り扱い上等でのキズ欠陥の発生を抑制し、さらに、ＤＬＣの剥離、グラファイト化が生じても離型性が損なわれず、高寿命で成形性に優れたガラス成形用型を提供することを目的とする。

本発明者等は、ガラス成形用型基材のガラス成形面に種々の被覆材をコートした場合の該ガラス成形用型のガラス離型性をはじめとする諸特性に対する影響について鋭意検討を重ねた結果、該ガラス成形用型基材のガラス成形面にクロム（Ｃｒ）またはタングステン（Ｗ）と貴金属とを含む合金を下地層（保護膜）とし、該下地層の上にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の膜をコーティングした光学ガラス素子成形用型とすることによって、最表面に形成されるＤＬＣ被膜が部分的に剥離したり、グラファイト化してもガラスの離型性が損なわれることなく、前記目的が達成されることを見いだし本発明に到った。

すなわち本発明の光学ガラス素子成形用型は、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用型基材の光学ガラス素子成形面に、（ｉ）クロム（Ｃｒ）またはタングステン（Ｗ）と、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）及びロジウム（Ｒｈ）の中の少なくとも１種の貴金属との合金からなる第１のコーティング層、及び（ｉｉ）ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなる第２のコーティング層をこの順に積層してなり、上記第１のコーティング層中における上記貴金属の含有量が２０〜９０重量％であることを特徴とする。

本発明の光学ガラス素子成形用型は、前記第１のコーティング層４を形成する合金が（ｉ）クロム（Ｃｒ）と、（ｉｉ）イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）及び白金（Ｐｔ）の中のいずれかの貴金属とからなる合金を用いるのが好ましい。

本発明の光学ガラス素子成形用型は、前記第１のコーティング層中の前記貴金属の含有量が４０〜８０重量％であることが好ましく、更に４０〜７０重量％であることがより好ましい。

また本発明の光学ガラス素子成形用型は、前記第１のコーティング層の厚みが０．１〜１０μｍの範囲にあることが好ましく、更に０．２〜０．５μｍであることがより好ましい。

さらに本発明の光学ガラス素子成形用型は、前記第２のコーティング層の厚みが０．１〜３μｍの範囲にあることが好ましく、更に０．１〜１μｍであることがより好ましい。

本発明の光学ガラス素子成形用型は、（ａ）表面にＤＬＣ膜を被覆したので光学ガラス素子成形面を高硬度に保つことができる、（ｂ）貴金属元素を含む合金が離型膜と下地の両方の機能を有するため、ＳｉＣ等の炭化物膜の下地を必要とせず、ＤＬＣ薄膜との密着性が良く、良好な面粗度が得られる、（ｃ）表面のＤＬＣ膜は耐熱性が弱いものの下地に離型膜を備えているため、窒素雰囲気下で６００℃程度まで耐熱、耐酸化性があるので、温度環境耐性に優れる、基材表面のＤＬＣ膜が部分的に剥離や焼失しても被成形ガラスの付着や金型劣化が起きない、等の効果を奏する。
そのため、ガラス成形用型使用中にＤＬＣ膜が局所的に剥離したり劣化しても下地層として形成されている保護膜（第１のコーティング層）が離型性に優れているためにガラス素子成形用型のガラス成形面にガラスが付着し難い。

以下、本発明のガラス成形用型について図面を例示して説明する。
図１は本発明のガラス成形用型の一例を模式的に示す断面図である。図１において、２と３はそれぞれ成形用型基材、４は第１のコーティング層、５は第２のコーティング層である。

本発明のガラス成形用型１は、耐熱性があり緻密で熱伝導性の高いガラス成形用型基材２、３のガラス成形面に、クロム（Ｃｒ）またはタングステン（Ｗ）とＩｒ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ及びＲｈから選ばれる少なくとも１種の金属との合金からなる第１のコーティング層４と、ＤＬＣ膜からなる第２のコーティング層５とをこの順に積層してなる。すなわち、ガラス成形用型基材２、３の光学ガラス成形面に第１のコーティング層４をコートし、その上にさらにＤＬＣ膜からなる第２のコーティング層５をコートして、第１のコーティング層４と第２のコーティング層５とがこの順に積層されている。

本発明においてガラス成形用型基材２、３は、耐熱性があり緻密で熱伝導性の高い材料であり、好適な素材として具体的には、例えば、サーメット（ＴｉＣ−Ｎｉ系合金）、シリコンナイトライド（Ｓｉ₃Ｎ₄）、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（ＳｉＣ）と比較して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。ＳｉＣ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。これらガラス成形用型基材の種類は、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。

また、本発明のガラス成形用型のガラス成形面（すなわち、ガラス成形用型基材２、３の表面）に形成される第１のコーティング層４は、ＷまたはＣｒとＩｒ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ及びＲｈの貴金属から選ばれる少なくとも１種の金属との合金層からなり、この第１のコーティング層４が下地層を形成する。

第１のコーティング層４は、ガラス成形用型基材２、３のガラス成形面に、ＷまたはＣｒの金属の粉末と、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ及びＲｈから選ばれる少なくとも１種の貴金属の粉末を焼結して、これをターゲットとしてスパッタリングするか、前記各金属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公知の方法によってもコーティングすることが可能である。

第１のコーティング層４を形成する合金素材としては、前記金属の中でも（ｉ）クロム（Ｃｒ）又はモリブデン（Ｍｏ）のＶＩａ族金属と、（ｉｉ）イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）及び白金（Ｐｔ）の中のいずれかの貴金属との合金を用いるのが特に好ましい。
第１のコーティング層４を構成する合金中のＩｒ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ及びＲｈから選ばれる少なくとも１種の貴金属の割合は、好ましくは第１のコーティング層４全体の４０〜８０重量％、さらに好ましくは４０〜７０重量％である。
なお、第１のコーティング層４の厚みは０.１〜１０μｍが好ましく、より好ましくは０．２〜０．５μｍとするのがよい。第１のコーティング層４の厚みが０.１μｍよりも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、１０μｍよりも厚いと経済的でないためである。

本発明において第１のコーティング層４を形成する前記の各合金の薄膜は、超硬合金、酸化アルミニウム、サーメット、炭化ケイ素の等いずれとも密着強度が高い。このため第１のコーティング層４と成形用型基材２、３との間に、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用型を構成することができる。

本発明のガラス成形用型は、前記のようにしてガラス成形用型基材２、３の表面に第１のコーティング層４を形成した後、さらにその表面にＤＬＣ膜からなる第２のコーティング層５が設けられ、この第２のコーティング層５がガラス成形面となる。

第２のコーティング層５は、例えばプラズマＣＶＤ法により、向かい合う二つの電極間にＣＨ₄、Ｃ₆Ｈ₆等の炭素含有ガスを導入して、この二つの電極間に高周波電力を加えることにより、二つの電極間に生じたグロー放電によって炭素含有ガスを分解させ、カソード電極にセットした第１のコーティング層４が被覆されているガラス成形用型基材２、３の表面にＤＬＣ膜を堆積させることによって、ガラス成形用型基材２、３表面に形成された第１のコーティング層４の上に、さらにＤＬＣ膜からなる第２のコーティング層５が形成される。

このようにＷまたはＣｒとＩｒ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ及びＲｈの貴金属から選ばれる少なくとも１種の金属との合金層からなる第１のコーティング層４とＤＬＣ薄膜からなる第２のコーティング層５とをこの順にガラス成形型基材２、３の表面に積層することにより、第２のコーティング層である表面のＤＬＣ層がたとえ部分的に剥離しても、第１のコーティング層である前記合金層によりガラスの離型性が保たれる特徴を有する。

第２のコーティング層５は、前記のプラズマＣＶＤ法と呼ばれる方法以外にも、アーク式イオンブレーティング法、イオン化蒸着法等の従来から一般に行われているコーティング法により、第１のコーティング層４が形成されたガラス成形用型基材２、３の表面にＤＬＣ膜をコーティングすることによって形成することができる。
第２のコーティング層５であるＤＬＣ膜の膜厚はおよそ０．１〜３μｍ、より好ましくは０．１〜１μｍとする。

前記のＤＬＣ膜のコーティング方法の中、プラズマＣＶＤ法は、成膜出来る面積が広いため、量産性に優れており、電気的に絶縁性であるセラミックスのような基材上にも簡単にコーティングできる点と、より平滑な表面をもったＤＬＣ膜を形成できる点において優れている。また、イオン化蒸着法やアーク式イオンブレーティング法で成膜されたＤＬＣ膜は、含有する水素量が少ないかほとんど含有しないため、硬度の高いＤＬＣ膜を製造することが可能である。

ガラス成形用型基材２、３の表面に第１コーティング層４を形成し、その上にさらにＤＬＣ膜からなる第２コーティング層５を積層してガラス成形面をＤＬＣ膜としておくことによって、ガラス成形用型基材のガラス成形面を、高硬度で、良好な表面粗度に保ち、ガラスとの反応成が低く、また、ガラスの剥離性に優れるためにガラス成形用型として優れる。

しかも、熱によるＤＬＣ膜のグラファイト化により表面のＤＬＣ被膜（第２のコーティング層５）が部分的に焼失しても、その下層に存在する第１のコーティング層４のためにガラスの付着やガラス成形用型基材の劣化は発生し難く、部分的に焼失しても全体を除去することなく長期にわたって繰り返し使用が可能な長寿命のガラス成形用型とすることができる。
本発明のガラス成形用型は、リン酸塩ガラスのほか、ホウ珪酸系ガラス、ホウ酸ランタン系ガラス、ホウ酸亜鉛系ガラス等のガラスの成形にも好適に用いることができる。

次に実施例により本発明を説明する。なお、本発明は下記実施例中に記述した材料、組成、および作製方法に何等限定されるものではない。
〔実施例１３〕
直径１２ｍｍの超硬合金（ＷＣ９９wt％、残りＣｏ及び不可避成分からなるガラス成形用型基材を、それぞれ曲率半径１０ｍｍ（ガラス成形用型基材３）および２０ｍｍ（ガラス成形用型基材２）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研磨し、成形面を鏡面とした。これにより上下一対のガラス成形用型基材２、３を作製した。

上記のようにして作製した上下一対のガラス成形用型基材２、３をスパッタ装置にセットし、ガラス成形用型基材２、３のそれぞれの成形面に下記の表２に示した各構成成分からなる合金薄膜を１μｍの厚みにコーティングして第１のコーティング層４を施した。
次いで、第１のコーティング層４がコーティングされたガラス成形用型基材２、３をそれぞれアーク式イオンプレーティング装置にセットし、第１のコーティング層３のそれぞれにＤＬＣの薄膜を０．５μｍの厚みにコーティングして、図１に例示するような実施例１３のガラス成形用型を作製した。

次に前記のようにして作製した実施例１３のガラス成形用型を用いて図２に例示する成形機を使用し、以下のようにしてガラス素子の反復成形試験を行った。
図２は本発明の実施例及び比較例において使用した成形機の概要を模式的に例示する断面図であり、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。

硼酸系ガラスである、Ｋ−ＣＳＫ１２０（商品名、住田光学製、ｎｄ：１．５８７０、νｄ：５９．６、転移点Ｔｇ：４９８℃、屈伏点Ａｔ：５３６℃）のガラスを直径７ｍｍのボールプリフォームに加工した後、チャンバー１０内に前記のようにして作製したガラス成形用型を装填し、上型ガラス成形用型の基材２と下型ガラス成形用型の基材３の間のガラス成形面に前記ボールプリフォームを配置し、窒素雰囲気中でヒータ１１により軟化温度＋３０℃に加熱し、エアーシリンダー１４により下軸１２及び上軸１３を介して３０００Ｎの荷重でプレス成形し、プレス終了後に２００℃の温度まで冷却して、その後レンズの取り出しを行った。

この操作を１００回行った後の金型のガラス成形面（第２のコーティング層５）への成形用ガラスの付着の有無、及び第２のコーティング層５であるＤＬＣ薄膜の付着の有無を観察した。金型のガラス成形面（第２のコーティング層５）への成形用ガラスの付着の程度は、付着がほとんど認められなかったものを○（特に良）、やや付着が認められたものを△（良）、ガラスの付着が顕著に認められたものを×（不良）とする、目視観察により３段階で評価した。また、第１のコーティング層（合金被覆層）からの２のコーティング層（ＤＬＣ層）の剥離の程度は、ガラスの付着の程度の評価と同様に、ほとんど剥離しなかったものを○（特に良）、やや剥離が認められたものを△（良）、剥離が顕著に認められたものを×（不良）とする、目視観察により３段階で評価した。
得られた結果をガラス成形用型における第１のコーティング層４を構成する合金の組成とともに表２に示す。

〔実施例１４〜２３〕
第１のコーティング層４を構成する合金の組成をそれぞれ表２に示した組成とした以外は実施例１３の光学ガラス素子成形用型と同様にして実施例１４〜２３のガラス成形用型を作製した。
次に、実施例１３のガラス成形用型に代えて、得られた実施例１４〜２３の各ガラス成形用型を用いて実施例１３のガラス成形用型と同様にして、これら各ガラス成形用型について１００回の光学ガラス素子の反復成形試験を行った。
得られた結果を各ガラス成形用型における第１のコーティング層を構成する合金の組成とともに表２に示す。

〔比較例４〕
第１のコーティング層４を構成する合金の組成を表２に示した組成とした以外は実施例１３のガラス成形用型と同様にして比較例４のガラス成形用型を作製した。
次に、実施例１３のガラス成形用型に代えて、得られた比較例４のガラス成形用型を用いて実施例１３のガラス成形用型と同様にして、比較例４のガラス成形用型について１００回のガラス素子の反復成形試験を行った。得られた結果を表２に示す。

〔実施例２５〜３６〕
第１のコーティング層４を構成する合金の組成をそれぞれ表３に示した組成とした以外は実施例１３のガラス成形用型と同様にして実施例２５〜３６のガラス成形用型を作製した。
次に、実施例１３のガラス成形用型に代えて、得られた実施例２５〜３６の各ガラス成形用型を用いて実施例１３のガラス成形用型と同様にして、これら各ガラス成形用型について１００回の光学ガラス素子の反復成形試験を行った。
得られた結果を各ガラス成形用型における第１のコーティング層を構成する合金の組成とともに表３に示す。

〔比較例５〕
第１のコーティング層４を構成する合金の組成を表３に示した組成とした以外は実施例１３のガラス成形用型と同様にして比較例５のガラス成形用型を作製した。
次に、実施例１３のガラス成形用型に代えて、得られた比較例５のガラス成形用型を用いて実施例１３と同様にして、比較例５のガラス成形用型について１００回のガラス素子の反復成形試験を行った。得られた結果を表３に示す

表２〜表３からわかるように、ガラス成形用型基材のガラス成形面に、Ｃｒ又はＷと、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ及びＲｈの中の少なくとも１種の貴金属との合金からなる第１のコーティング層の上にさらにＤＬＣ膜の層からなる第２のコーティング層をこの順に積層してなるガラス成形用型（実施例１３〜２３、２５〜３６）では、ガラス成形用型基材のガラス成形面に前記第１のコーティング層を設けることなく、直にＤＬＣ薄膜からなる第２のコーティング層のみをコーティングしてなるガラス成形用型（比較例４、５）に認められる、ガラス成形を一定の回数反復した場合の成形ガラスの付着、またはガラス成形面の剥離の程度が改善され、もしくはガラスの付着や第２のコーティング層の剥離が認められなくなる。

特に、ＤＬＣ膜の層（第２のコーティング層）の下地層を形成している第１のコーティング層を構成する合金組成がＣｒと、Ｉｒ、Ｒｅ又はＰｔである場合（中でも実施例１８〜２０、３０〜３２）には、ＤＬＣ膜の層（第２のコーティング層）の剥離が若干認められるものの、ガラス成形面へのガラスの付着は認められない。また、貴金属の含有割合が２０〜７０重量％である第１のコーティング層をガラス成形面の上に積層したガラス成形用型では、ガラス成形面へのガラスの付着も、ガラス成形面のＤＬＣ膜の層（第２のコーティング層）の剥離もほとんど認められない。

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 光学ガラス素子成形用型
２、３ ガラス成形用型基材
４ 第１のコーティング層
５ 第１のコーティング層
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 (5)

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用型基材の光学ガラス素子成形面に、（ｉ）クロム（Ｃｒ）またはタングステン（Ｗ）と、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）及びロジウム（Ｒｈ）の中の少なくとも１種の貴金属との合金からなる第１のコーティング層、及び（ｉｉ）ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）からなる第２のコーティング層をこの順に積層してなり、上記第１のコーティング層中における上記貴金属の含有量が２０〜９０重量％であることを特徴とする光学ガラス素子成形用型。
2. 前記合金が（ｉ）クロム（Ｃｒ）と、（ｉｉ）イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）及び白金（Ｐｔ）の中のいずれかの貴金属との合金からなることを特徴とする請求項１に記載の光学ガラス素子成形用型。
3. 前記第１のコーティング層中の前記貴金属の含有量が４０〜８０重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学ガラス素子成形用型。
4. 前記第１のコーティング層の厚みが０．１〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学ガラス素子成形用型。
5. 前記第２のコーティング層の厚みが０．１〜３μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学ガラス素子成形用型。