JP4917844B2 - 成形型、および成形型の製造方法、並びにガラス光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光学レンズ等のガラス光学素子の精密モールドプレスに用いる成形型に関し、より詳しくは、焼結体からなる基材部と化学気相蒸着法によって形成された成形面部とを接合してなるガラス光学素子成形用の成形型に関する。更に、本発明は、当該成形型の製造方法および成形型を用いるガラス光学素子の製造方法に関する。
ガラスレンズ等の光学素子は、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話等の光学機器に広く用いられている。中でも、光学機器のレンズ構成の小型化と軽量化を同時に達成するためには、非球面の光学素子が有用である。非球面光学素子を製造するには、従来の光学素子の製造方法である光学研磨法では加工性や量産性に劣るため、被成形面に対する研磨等を必要としない直接プレス成形法が主に適用されている。ガラス光学素子のプレス成形は、一般に、所望の精度に形状加工された成形型を用い、成形素材（例えばガラスを所定形状に予備成形したガラスプリフォーム）に、所定の温度において圧力を加えることにより行われる。これによって成形体の表面には成形型の表面形状が転写される。
光学素子には非常に高い面精度が要求されるため、成形型の材料としては、高温下で光学ガラスに対して化学作用が少ないこと、成形面に擦り傷などの損傷を受けにくい強度があること、熱衝撃による耐破壊性能が高いこと、ガラスとの融着が生じにくいことが求められる。
このような成形型の耐化学反応性および耐損傷性を向上させるため、種々の構成を有する成形型が開発されている。
例えば、特開昭64−83529号公報（特許文献１）や特開平6−191864号公報（特許文献２）には、成形型の基盤材料として炭化ケイ素の焼結体を用い、これを製造されるべきガラス光学素子の形状に対応する形状に初期加工した後、この基盤材料表面にＣＶＤ法（化学気相蒸着法）により炭化ケイ素膜を成膜し、この炭化ケイ素膜を得るべきガラス光学素子の形状に仕上げ加工して、その上にガラス素材との融着を防止するための炭素膜をスパッタ法もしくはイオンプレーティング法により形成した成形型が開示されている。
また、特開平9−227140号公報（特許文献３）には、β型の焼結炭化珪素の基材表面に化学蒸着により形成したβ型炭化珪素膜を有する光学素子成形型において、化学蒸着されたβ型炭化珪素膜を構成する結晶粒子が、法線方向に対して不特定の結晶方位を有し、針状に伸びた針状粒子と、この針状粒子を囲んだ微細な結晶粒子からなる複合組織のミクロ組織からなる成形型が開示されている。
特開2005−112672号公報（特許文献４）には、アモルファスから成るガラス成形部とＳｉＣなどのセラミックス製基材とを、炭化膜と金属接合材から成る接合材料で接合したガラス成形用の成形型が開示されている。
特開昭64−83529号公報
特開平6−191864号公報
特開平9−227140号公報
特開2005−112672号公報
しかしながら、特許文献１〜３に記載された成形型を製造する場合、基盤材料となる炭化ケイ素の焼結体を円柱状に加工すると共に、一方の端面をガラス光学素子の光学機能面に近似した面形状に加工した後、その加工面にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜を成膜するが、この炭化ケイ素膜は基盤側から表面側に向かって結晶が成長して形成されるため、結晶質状態の平均結晶粒が表面側ほど大きくなる。炭化ケイ素膜の膜厚が数mm程度（例えば、５mm以下）であれば、成形後の面精度に大きな影響を与えない程度の平均結晶粒径に留まるが、炭化ケイ素膜の膜厚を５mm以上に厚くすると、平均結晶粒径が大きくなり、あるいは結晶粒径のばらつきや密度の低下を生じてしまう。その結果、かかる炭化ケイ素膜を所望のガラス光学素子を得るための面形状に仕上げ加工（研削・研磨）を施すと、仕上げ加工面に引っかき傷や微小凹凸が発生し、たとえその表面に離型機能を有する炭素膜を成膜したとしても、高精度の成形面を形成することができない。
また、ＣＶＤ法による炭化ケイ素膜の膜厚を高い面精度を確保しうる膜厚（例えば、５mm以下）にした場合、度重なるプレス成形の結果損傷した成形面を再度仕上げ加工して利用する際、炭化ケイ素膜の膜厚が限られているために再利用の回数に限度が生ずるといった問題点がある。
しかも、このような成形型は、基盤材料の端面をガラス光学素子の光学機能面に近似した面形状に加工した後、その加工面にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜を成膜し、さらに、炭化ケイ素膜が成膜された面を所定の光学機能面形状に精密加工するため、特許文献１〜３に記載された成形型の製造方法によれば、加工工程にかなりの時間を要するといった問題もある。
また、特許文献４に記載の成形型は、アモルファスカーボンから成るガラス成形部とＳｉＣなどのセラミックス製基材とを接合材料で接合することで形成されるが、アモルファスカーボンは反応性が低いため、成形用のガラス素材との融着を防止する目的で、アモルファスカーボンの成形面に離型機能を有する炭素膜を成膜しても、アモルファスカーボンと炭素膜との密着性が不十分となり、離型膜の剥離が生じるなどして、成形型の耐久性に劣る。
さらに、基材となるＳｉＣなどのセラミックスの熱伝導率とアモルファスカーボンの熱伝導率とが相違するため、例えば600℃以上に成形型を加熱してプレス成形する場合、成形温度や冷却温度を緻密に制御することが困難である。
さらにまた、中心部の高さと外周部の高さの差（球欠）が例えば３mm以上あるようなプレス成形品（凹メニスカスレンズなど）を成形する場合、成形型の成形面についても最も高い箇所と最も低い箇所との差を３mm以上確保する必要があるが、加工代も考慮して５mm以上のアモルファスカーボンを作製するのにかなり長い期間を要し、実用性に劣るといった問題もある。特に、プレス成形品の外径が例えば２０mm以上あるような中大口径のプレス成形品を成形する場合、曲率が緩くても外径が大きい分、中心部の高さと外周部の高さの差も大きくなってしまい、中大口径を高い生産効率でプレス成形するのに適した成形型がなかった。
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、優れた光学性能を有する高精度なガラス光学素子を、精密モールドプレスによって、高い生産効率で製造することを可能にするための手段を提供することを目的としてなされたものである。特に、得るべきガラス光学素子の中心肉厚と外周部の肉厚との差が比較的大きい光学素子であっても精密モールドプレスを可能とし、しかも耐久性に優れた成形型及びかかる成形型の製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明に係る成形型は、焼結体からなる基材部と、化学気相蒸着法によって形成され、ガラス光学素子を成形するための成形面を有する成形面部と、を備えたガラス光学素子成形用の成形型において、前記成形面部は、前記成形面部の最大肉厚が５ｍｍ以上となるように形成され、前記基材部と前記成形面部とが接合材を介して一体に接合されていて、前記成形面部の前記成形面は、所定の光学機能面形状となるよう加工されており、前記成形面が形成されている側の部分の平均結晶粒径が、前記基材部に接合されている接合面の側の部分の平均結晶粒径よりも小さいことを特徴としている。
本発明では、基材部と成形面部とを接合材により接合して成形型が構成されているとともに、成形面部における成形面の側の部分の平均結晶粒径が基材部に接合されている接合面の側の部分の平均結晶粒径よりも小さく、かつ、成形面部の最大肉厚を５ｍｍとしている。そして、この成型面を所定の光学機能面形状となるよう加工している。このため、緻密で高精度な、光学機能面形状の成形面を得ることができるとともに、基材部と成形面部との接合強度を高めることができる。
すなわち、本発明では、上記の構成により、相対的に接合面の側の部分の平均結晶粒径が比較的大きい。一方、焼結体からなる基材部は微細なポーラス（空孔）を有している。そこで、両者の界面に施される接合材が成形面部の結晶粒の隙間や基材部の微細なポーラスにネットワーク状に存在し、成形面部と基材部との結合状態を強固に保持することができる。
加えて、本発明では、上記の構成により、成形面側の緻密性が高く、しかも、中心部の高さと外周部の高さの差が３ｍｍ以上あるような成形体を成形するための成形型、特に、外径が３０ｍｍ以上の光学素子を成形するための成形型であっても、成形面部の加工代を十分確保できる。このため、成形面の再生加工による再利用頻度が増加し、当該成形型を繰り返し再利用することができる。従って、高精度の成形面を備えた成形型を低コストで作製することができる。また、かかる成形型を用いてガラス素材をプレス成形することにより、面精度の高い光学素子を成形することができる。
また、本発明は、前記基材部と前記成形面部が共に同一の素材で形成されたものであることを特徴としている。特に、前記基材部は炭化ケイ素の焼結体からなり、前記成形面部は化学気相蒸着法によって形成された炭化ケイ素とすることが好ましい。
本発明では、基材部と成形面部が共に同一の素材で形成されているため、両者の熱伝導率や熱膨張係数が同等になり、プレス成形時の高温環境下においても成形型の温度を緻密に制御することができる。また、基材部と成形面部の形状変化や、接合部への応力集中も抑止できる。特に、基材部と成形面部を共に炭化ケイ素を素材として形成した場合、炭化ケイ素の熱伝導率が極めて高く、機械加工時の面粗さが優れているため、効率良く精度の高いプレス成形を行なうことができる。
本発明において、前記成形面部の成形面には、離型膜が形成されていることが好ましい。成形面部に離型膜を形成することにより、ガラス素材と成形面部との潤滑性を高めると共に、プレス成形時の融着を抑制できる。
また、本発明にかかる成形型の製造方法は、第１の素材を焼成して焼結体からなる基材部を形成する工程と、化学気相蒸着法によって第２の素材からなる成形面部を最大肉厚が５ｍｍ以上となるように形成する工程と、前記成形面部における平均結晶粒径が相対的に大きい側の面を前記基材部に接合材により接合する工程と、前記成形面部における平均結晶粒径が相対的に小さい側の面を加工してガラス光学素子を成形するための成形面を形成する工程とを備えることを特徴とする。
ここで、前記成形面を形成する工程を、前記基材部に前記成形面を接合する工程の後に行うことが好ましい。
このようにすることで、接合工程における両部材の位置合わせに高い精度を必要としない。また、複数の成形型を得ることが可能なブロック状の基材部及び成形面部を接合した後、その接合体から複数の成形型形状を取り出し、個々の成形面を形成することで、成形型の生産効率が高まる。
本発明によれば、緻密で高精度の成形面を得ることができ、よって、かかる成形型を用いてガラス素材をプレス成形することにより、面精度の高い光学素子を成形することができる。
また、従来のように、基材部の端面をガラス光学素子の光学機能面に近似した面形状に加工した後、その加工面にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜を成膜し、さらに、炭化ケイ素膜が成膜された面を所定の光学機能面形状に精密加工する必要はない。すなわち、成形面部と基材部を接合した後、もしくは両者を接合する前に、成形面部を所定の光学機能面形状に加工するだけで所望の成形面を形成することができるため、成形型の加工プロセスを簡素化することができる。
そして、本発明は、前記成形面部と前記基材部を接合材により接合することにより、成形面部と基材部の接合強度を高めることができる。
また、本発明にかかる成形型の製造方法において、前記第１の素材と前記第２の素材は共に同一の素材とすることを特徴とする。特に、これらの素材は炭化ケイ素であることが好ましい。
基材部と成形面部が共に同一の素材で形成されているため、両者の熱伝導率や熱膨張係数が同等になり、プレス成形時の高温環境下においても成形型の温度を緻密に制御することができる。特に、基材部と成形面部を共に熱伝導率の優れた炭化ケイ素を素材として形成すれば、効率良くプレス成形を行なうことができる。
また、本発明にかかるガラス光学素子の製造方法は、前記成形型および該成形型をガイドする胴型を用いて、加熱軟化したガラス成形素材をプレス成形することを特徴とする。これにより、面精度や偏心精度の高い光学素子を成形することができる。
本発明は、上記の成形型および該成形型をガイドする胴型を用いて、加熱軟化したガラス成形素材をプレス成形するガラス光学素子の製造方法であって、前記プレス成形により成形されるガラス光学素子の外径が３０ｍｍ以上であることを特徴とする。
また、本発明は、上記の成形型および該成形型をガイドする胴型を用いて、加熱軟化したガラス成形素材をプレス成形するガラス光学素子の製造方法であって、前記プレス成形により成形されるガラス光学素子の中心部と外周部の高さの差が３ｍｍ以上であることを特徴とする。
本発明のガラス光学素子成形用の成形型は、焼結体からなる基材部と化学気相蒸着法によって形成された成形面部とを接合材を介して一体に接合して成形型が構成され、かつ、成形面部における成形面側の平均結晶粒径が他面側の平均結晶粒径よりも小さく、成形面部の最大肉厚を５ｍｍとしている。そして、この成型面を所定の光学機能面形状となるよう加工している。このようにすると、成形面側の緻密性が高く、かつ、成形面部の加工代を十分確保できるため、成形面の再生加工による再利用頻度が増加し、高精度の成形面を備えた成形型を低コストで作製することができる。従って、かかる成形型を用いてガラス素材をプレス成形することにより、面精度の高い光学素子を成形することができる。
また、本発明のガラス光学素子成形用の成形型は、上記のような構成により、緻密で高精度の成形面を得ることができるとともに、基材部と成形面部との接合強度を高めることができる。従って、かかる成形型を用いてガラス素材をプレス成形することにより、面精度の高い光学素子を成形することが可能となる。
以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。
［ガラス光学素子用の成形型］
図１は本発明を適用したガラス光学素子用の成形型の一実施形態を示す断面図である。成形型１０は、焼結体からなる基材部１と、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）によって形成された成形面部２と、基材部１と成形面部２とを接合する接合材３を有している。
図１は本発明を適用したガラス光学素子用の成形型の一実施形態を示す断面図である。成形型１０は、焼結体からなる基材部１と、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）によって形成された成形面部２と、基材部１と成形面部２とを接合する接合材３を有している。
本発明の基材部１は、耐熱性があり、高硬度の素材であることが好ましい。たとえば、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＯ2、ＡｌＯ3、ＴｉＮ、ＴｉＯ2、ＴｉＣ、Ｂ4Ｃ、ＷＣ、Ｗ、ＷＣ−Ｃｏなどのセラミック、金属セラミックあるいは超硬合金材料を焼結して形成されたものが好ましい。特に、緻密で熱伝導性の高い材料である炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、または炭化ケイ素（ＳｉＣ）が好ましい。超硬合金のＷＣは、耐酸化性はＳｉＣに劣るものの、加工性に優れるという特徴を有する。ＳｉＣは硬度が非常に高く加工性は劣るものの、耐酸化性に優れ長寿命であるという特徴がある。しかも、ＳｉＣの熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度と高いため、この成形型１０を用いてガラス素材をプレス成形した場合、加熱時や冷却時の熱反応性に優れ、効率良くプレス成形を行なうことができる。
基材部１の形状は、全体的に円柱形状をなし、一端側には本体部１ａよりも大径のフランジ部１ｂが形成されている。
成形面部２は、後述するようにＣＶＤ法によって形成されたものであり、基材部１と同様の素材を用いることができ、好ましくは、基材部１と成形面部２の素材は同一の成分であることが望ましい。特に、基材部１をＳｉＣの焼結体により形成し、成形面部２をＣＶＤ−ＳｉＣにより形成して、両者を図１に示すように接合材で接合した成形型が好適である。
成形面部２は、得るべき光学素子に対応する面形状に加工された成形面２ａを有している。また、反対側の面が基材部２への接合面２ｂとなっている。プレス成形によってガラス光学素子を製造する場合、この成形面２ａの形状がそのまま成形素材に転写されるため、この成形面を非球面形状に予め加工しておけば、非球面光学素子を容易に成形することができる。
ＣＶＤ法によって任意の基盤上に所定の厚さの部材を形成すると、結晶成長が徐々に進行して、下層部（基盤側）よりも上層部の平均結晶粒径が大きくなる傾向にある。例えば、５mmのＣＶＤ−ＳｉＣを基盤上に形成した場合、下層部の平均結晶粒径は２μｍ以下であるのに対して、上層部の平均結晶粒径が数十μｍ以上になるものもある。そこで、本発明では、平均結晶粒径が小さい下層部側を成形面２ａに供するとともに、平均結晶粒径が大きい上層部側を基材部１と接合する面としている。したがって、成形面２ａとなる下層部側を、ガラス光学素子を得るための面形状に仕上げ加工（研削・研磨）しても、引っかき傷や微小凹凸が発生することがなく、平滑性に優れた成形面を形成することができる。
得ようとする光学素子形状を基に精密加工を施した成形面２ａには離型膜４を設けることが好ましい。離型膜４は、炭素を含有するもの、貴金属を含有するものなどを選択できる。炭素を含有するものとしては、非晶質及び／又は結晶質の、グラファイト及び／又はダイヤモンドの単一成分もしくは混合層からなるものが好ましい。この離型膜４は、スパッタリング法、イオンプレーティング法、プラズマＣＶＤ法、ＣＶＤ法等の公知の方法で成膜することができる。例えば、スパッタリング法による場合は、基盤温度が200〜600℃、ＲＦパワー密度が５〜１５Ｗ／cm2、スパッタリング時の真空度が５×１０-4〜５×１０-1Torrの範囲で、スパッタガスとしてＡｒ等の不活性ガスを、スパッタターゲットとしてグラファイトを用いてスパッタリングすることができる。また、イオンプレーティング法により離型膜４を形成する場合は、基盤温度を200〜450℃とし、ベンゼンガスをイオン化することが好ましい。このようにして形成された離型膜４（炭素膜）はＣ−Ｈ結合を有するものを含む。
ここで、成形面２ａにおける平均結晶粒径は２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下とすることができる。一方、接合面２ｂにおける平均結晶粒径は２μｍ以上、好ましくは５μｍ以上とすることができる。
本発明にかかる成形型１０に適用する離型膜４としては、特に炭素を主成分とするものが好ましい。炭素は、ガラスに対する離型性、耐熱性に加えて、優れた滑り性をもつため、成形面との摩擦によるガラスのカン・ワレや偏肉を抑止することができる。
なお、貴金属系の離型膜は、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法などを用いて成膜することができる。
以上のように構成された基材部１と成形面部２は、本実施形態において、接合材３によって接合されている。すなわち、成形面部２の接合面２ｂが接合材３を介して基材部１に接合されている。接合材３としては、耐熱性の高いロウ材、接着剤、金属結合材などを用いることができる。例えば、銀を主成分として銅とチタンを加えたロウ材や、Ａｕ、Ａｕ／Ｓｎ合金等の各種卑金属及び貴金属からなる接合材、あるいはチタニウム、ジルコニウム、シリコン、カーボンを主成分とした金属有機化合物からなる接着剤や、コバルト、ニッケル、鉄及びその合金から成る群から選択される金属結合材などを用いることができる。
本発明では、ＣＶＤ法によって形成した成形面部２における基材部１への接合面２ｂの側の部分の平均結晶粒径が、成形面２ａの側の部分の平均結晶粒径よりも大きく、また、焼結体からなる基材部１は微細なポーラスを有している。そこで、両者の接合面に介在する接合材３が成形面部２の結晶粒の隙間や基材部１の微細なポーラスにネットワーク状に存在し、成形面部２と基材部１との結合力を強固に保持する。特に、成形面部２をＣＶＤ−ＳｉＣで形成した場合、その接合面２ｂは比較的反応性が低いため、基材部１との結合力を高めるために接合材３とによって両者を接合することが好ましい。
本発明において、成形面部２の最大厚み、すなわち、成形面２ａから接合面２ｂまでの最大厚みの最小値を５mmとすることができる。例えば、図１に示した成形型１０は成形面２ａが凸形状の成形型であるが、その半径方向中心部における最大厚みを８mmとしてある。このように比較的、厚い成形面部２であっても、成形面２ａ側の平均結晶粒径が接合面側の平均結晶粒径よりも小さいため、成形面２ａ側の緻密性が高く、精密な仕上げ加工を行っても引っ掛けキズ等が生じることなく、面精度の高い成形面２ａを形成することができる。
また、成形面部２の最大厚みを大きくすることで、中心部の高さと外周部の高さの差が比較的大きな成形体（光学素子）であっても、成形面部２の加工代を十分確保できるため、度重なるプレス成形によって成形面２ａの再加工が必要になった場合、長期にわたり当該成形型１０を繰り返し再利用することができる。したがって、光学素子の量産過程において成形型の材料費を低減できる。特に、外径が３０mm以上の光学素子を成形するための成形型１０として本発明は好適である。
さらに、プレス成形によって成形面部２が大きく破損したり、複数回の再加工の繰り返しによって肉厚が薄くなり再加工不能になったりした場合、接合部３から先の部分を切除して、同一の基材部１に新たな成形面部２を接合することもできる。このように、基材部１を再利用することで、成形型にかかる材料費を一層低減することができる。
図２は本発明を適用したガラス光学素子用の成形型の別の実施形態を示す断面図であり、図１と同等の部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。成形型２０は、焼結体からなる基材部１と、ＣＶＤ法によって形成された成形面部２とを直接接合して一体化した成形型である。すなわち、成形面部２における成形面２ａとは反対側の面が基材部１への接合面２ｂとされ、この接合面２ｂが直接に基材部１に接合されている。
本実施形態に示す成形型２０は、基材部１と成形面部２の接合しようとする面を精度よく平滑に仕上げ、それらの接合面１ｃ、２ｂに大きく変形しない程度の圧力と熱を加え、接合面１ｃ、２ｂで生ずる原子の拡散を利用して、固相状態で部材を接合する固相拡散接合法により接合されている。このように基材部１と成形面部２を直接接合して構成された成形型２０は、図１に示したように、接合材３を用いて両者を接合して構成された成形型１０よりも接合強度が弱くなる傾向にある。しかしながら、プレス成形工程において一般に、成形型には軸線方向に数百ｋｇｆの荷重がかかるものの、半径方向には大きな荷重がかからないため、成形型２０のように基材部１と成形面部２を直接接合したものであっても、プレス成形に供することができる。加えて、接合材を用いて両者を接合した成形型１０よりも比較的容易に両者を切り離すことができるため、成形面部２を交換する際、成形型２０の構造の方が好適な場合もある。
なお、図２に示した成形型２０の成形面２ａは凹形状をなしているが、成形面部２の肉厚は複数回の再加工を許容する厚み、例えば最大肉厚が５mm以上にすることが望ましい。また、成形面２ａの面形状は、凸面形状や平面形状であっても良い。
図３は、本発明にかかる成形型を備え、内部にガラス素材を配置した組立成形型の一実施形態を示す断面図である。組立成形型は、上型１１、下型２１、及び胴型５を備えて構成されている。そして、上型１１は、上述したような基材部１と成形面部２とを接合材３を介して一体に接合した成形型が用いられる。なお、下型２１も上型１１と同様に基材部１と成形面部２とを接合した構造としても良い。
本実施形態において、上型１１は、炭化ケイ素の焼結体からなる基材部１と、ＣＶＤ−ＳｉＣで形成された成形面部２と、両者を一体的に接合する金属結合材３から構成されている。
組立成形型を構成する上型１１と下型２１には、成形しようとするガラス光学素子の形状に基づいて精密な形状加工を施すことによって、互いに対向する成形面１２、２２が形成されている。
また、胴型５は、上型１１と下型２１の間に形成される成形空間を包囲する機能をもつと共に、上下型１１、２１を収容し、上下型１１、２１の半径方向の相互位置を規制しており、これによって、上下型１１、２１の同軸性が確保されている。
このため、上下型１１、２１の外周面と胴型５の内周面とのクリアランスは、要求される光学素子の偏心精度を考慮すると、１０μｍ以下、特に、５μｍ以下とすることが好ましく、成形しようとする光学素子に要求される光学性能に応じて、さらに小さくすることもできる。
本実施形態にあっては、このような一対の上下型１１、２１と胴型５を備えた成形型１０により、この成形型１０内に配された加熱軟化状態のガラス素材６を、上型成形面１２および下型成形面２２で所定の荷重で押圧し、各成形面１２、２２の形状を転写することにより、ガラス光学素子を成形する。
このとき、上型成形面１２および下型成形面２２には、ガラス素材６との融着を防止すると共に、プレス成形時の滑り性や離型時の離型性を向上させるために、例えば、炭素膜、貴金属膜、水素化炭素膜などの離型膜を形成することができる。
また、本実施形態では、上型１１は基材部１と成形面部２とを接合材３を介して一体に接合することにより構成されていて、基材部１は、焼結材で形成されているため、その軸方向寸法を所望の長さに容易に形成することができる。このように、上型１１及び／又は下型２１の軸方向寸法を長く確保すればするほど、胴型５の内周面とのクリアランスにおいて上型１１及び／又は下型２１の傾き角が低減され、もって成形面の面倒れが少なくなり、成形されるガラス光学素子の偏心精度を向上させることができる。
［成形型の製造方法］
つぎに、本発明にかかる成形型の製造方法について、図４に基づいて説明する。
つぎに、本発明にかかる成形型の製造方法について、図４に基づいて説明する。
図４（Ａ）において、符号７は炭化ケイ素を主成分とした焼結用粉体を加圧焼成することによって形成された炭化ケイ素の焼結ブロックである。焼結ブロック７から複数個の成形型の基材部１を得る為にその幅や高さは数十mm乃至数百mmに形成することが好ましい。
符号８は、ＣＶＤ法で形成したＣＶＤ−ＳｉＣブロックである。このＣＶＤ−ＳｉＣは、密度が３．２ｇ/cm3以上を有し、ビッカース硬度等の物性が優れたβ型炭化ケイ素であることが好ましい。
ＣＶＤ法による炭化ケイ素の形成は公知の方法を採用することができ、たとえば、反応炉内にカーボン製の基盤を配置し、ＳｉＣｌ4＋Ｈ2、Ｃ３Ｈ8、およびＨ2を反応炉内に所定量ずつ供給し、基盤温度を1300〜1650℃、内圧を５〜300Torrに所定時間保持することで基盤上に炭化ケイ素が徐々に析出しながら形成される。このＣＶＤ−ＳｉＣブロック８の厚さは、成形型の再生機会を多くして使用寿命を長くするために、５mm以上あることが好ましい。
このように形成された炭化ケイ素の焼結ブロック７とＣＶＤ法で形成したＣＶＤ−ＳｉＣブロック８とを接合するにあたり、カーボン製基盤は予め切除し、切除した側のＣＶＤ−ＳｉＣの端面を平面加工する。そして、炭化ケイ素ブロック８を焼結ブロック７に接合する側の接合面側は、その反対側の面よりも平均結晶粒が大きくなるように、即ち基盤を切除した側の面が非接合面となるように接合する。図４（Ｂ）は、炭化ケイ素の焼結ブロック７とＣＶＤ−ＳｉＣブロック８を接合した状態を示す型素材ブロック９の斜視図である。
なお、炭化ケイ素の焼結ブロック７とＣＶＤ−ＳｉＣブロック８は、ロウ材、接着剤、金属結合材などの接合材（図示せず）を介して接合することにより両者の接合強度を高めることができる。
つぎに、図４（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、型素材ブロック９から円柱状の型素材９ａを切削加工などにより複数個切り出す。型素材９ａは、それぞれ基材部１となる焼結体と成形面部２となるＣＶＤ−ＳｉＣを有して構成されている。
その後、型素材９ａを図１または図２に示した形状のように研削及び／又は研磨加工するとともに、成形面部を所定の光学機能面形状に加工することにより、本発明にかかる成形型が形成される。また、成形面には、スパッタリング法、イオンプレーティング法、蒸着法、プラズマ法などにより離型膜を成膜することが好ましい。
[ガラス光学素子の製造方法]
本発明の成形型を用いて、プレス成形を行う場合、公知のプレス成形方法を適用することができる。例えば、不活性ガス雰囲気または真空下において、ガラス成形素材をその軟化温度以上に加熱し、軟化した状態で所定の荷重をかけることにより加圧成形する。ガラス成形素材は、１０6〜１０9ｄＰａ・ｓ程度の粘度となるよう加熱してから、それより低温（例えばガラス素材粘度で、１０8〜１０11ｄＰａ・ｓ相当）の成形型に供給してもよく、または、ガラス素材を成形型に供給した後に、１０7〜１０10ｄＰａ・ｓ程度に加熱してもよい。プレスによって、ガラス成形素材に成形面形状を転写した後は、ガラスと型の成形面の密着を維持したまま、ガラス転移温度（Ｔｇ）付近まで冷却し、その後離型し、成形体を取り出すことができる。
本発明の成形型を用いて、プレス成形を行う場合、公知のプレス成形方法を適用することができる。例えば、不活性ガス雰囲気または真空下において、ガラス成形素材をその軟化温度以上に加熱し、軟化した状態で所定の荷重をかけることにより加圧成形する。ガラス成形素材は、１０6〜１０9ｄＰａ・ｓ程度の粘度となるよう加熱してから、それより低温（例えばガラス素材粘度で、１０8〜１０11ｄＰａ・ｓ相当）の成形型に供給してもよく、または、ガラス素材を成形型に供給した後に、１０7〜１０10ｄＰａ・ｓ程度に加熱してもよい。プレスによって、ガラス成形素材に成形面形状を転写した後は、ガラスと型の成形面の密着を維持したまま、ガラス転移温度（Ｔｇ）付近まで冷却し、その後離型し、成形体を取り出すことができる。
[その他の実施形態]
上記実施形態では、成形型（上型）を炭化ケイ素の焼結体からなる基材部とＣＶＤ−ＳｉＣからなる成形面部とを接合した例を示したが、炭化ケイ素以外のセラミック素材や金属材料を用いることができる。また、基材部と成形面部とを異なる素材で形成することもできる。
上記実施形態では、成形型（上型）を炭化ケイ素の焼結体からなる基材部とＣＶＤ−ＳｉＣからなる成形面部とを接合した例を示したが、炭化ケイ素以外のセラミック素材や金属材料を用いることができる。また、基材部と成形面部とを異なる素材で形成することもできる。
本発明のガラス光学素子用の成形型およびガラス光学素子の製造方法は、高精度のガラス光学素子のプレス成形に好適である。
１ 基材部
１ａ 本体部
１ｂ 接合面
２ 成形面部
２ａ 成形面
２ｂ 接合面
３ 接合材
４ 離型膜
５ 胴型
６ ガラス素材
７ 焼結ブロック
８ ＣＶＤ−ＳｉＣブロック
９ 型素材ブロック
９ａ 型素材
１０ 成形型
１１ 上型
１２ 成形面
２０ 成形型
２１ 下型
２２ 成形面
１ａ 本体部
１ｂ 接合面
２ 成形面部
２ａ 成形面
２ｂ 接合面
３ 接合材
４ 離型膜
５ 胴型
６ ガラス素材
７ 焼結ブロック
８ ＣＶＤ−ＳｉＣブロック
９ 型素材ブロック
９ａ 型素材
１０ 成形型
１１ 上型
１２ 成形面
２０ 成形型
２１ 下型
２２ 成形面
Claims (11)
- 焼結体からなる基材部と、化学気相蒸着法によって形成され、ガラス光学素子を成形するための成形面を有する成形面部と、を備えたガラス光学素子成形用の成形型において、
前記成形面部は、前記成形面部の最大肉厚が５ｍｍ以上となるように形成され、前記基材部と前記成形面部とが接合材を介して一体に接合されていて、前記成形面部の前記成形面は、所定の光学機能面形状となるよう加工されており、前記成形面が形成されている側の部分の平均結晶粒径が、前記基材部に接合されている接合面の側の部分の平均結晶粒径よりも小さいことを特徴とする成形型。 - 前記基材部と前記成形面部は、共に同一の素材で形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
- 前記基材部は炭化ケイ素の焼結体からなり、前記成形面部は化学気相蒸着法によって形成された炭化ケイ素であることを特徴とする請求項２に記載の成形型。
- 前記成形面部の前記成形面には離型膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の成形型。
- 第１の素材を焼成して焼結体からなる基材部を形成する工程と、
化学気相蒸着法によって第２の素材からなる成形面部を最大肉厚が５ｍｍ以上となるように形成する工程と、
前記成形面部における平均結晶粒径が相対的に大きい側の面を前記基材部に接合材により接合する工程と、
前記成形面部における平均結晶粒径が相対的に小さい側の面を加工してガラス光学素子を成形するための成形面を形成する工程と、を備えることを特徴とする成形型の製造方法。 - 前記成形面を形成する工程を、前記基材部に前記成形面部を接合する工程の後に行うことを特徴とする請求項５に記載の成形型の製造方法。
- 前記第１の素材と前記第２の素材は、共に同一の素材であることを特徴とする請求項５または６に記載の成形型の製造方法。
- 前記第１の素材と前記第２の素材は、共に炭化ケイ素であることを特徴とする請求項７に記載の成形型の製造方法。
- 請求項１乃至４の何れかの項に記載の成形型および該成形型をガイドする胴型を用いて、加熱軟化したガラス成形素材をプレス成形することを特徴とするガラス光学素子の製造方法。
- 請求項１乃至４の何れかの項に記載の成形型および該成形型をガイドする胴型を用いて、加熱軟化したガラス成形素材をプレス成形するガラス光学素子の製造方法であって、前記プレス成形により成形されるガラス光学素子の外径が３０ｍｍ以上であることを特徴とするガラス光学素子の製造方法。
- 請求項１乃至４の何れかの項に記載の成形型および該成形型をガイドする胴型を用いて、加熱軟化したガラス成形素材をプレス成形するガラス光学素子の製造方法であって、前記プレス成形により成形されるガラス光学素子の中心部と外周部の高さの差が３ｍｍ以上であることを特徴とするガラス光学素子の製造方法。
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