JPH07133123A

JPH07133123A - 光学素子成形用金型およびその製造方法

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Publication number: JPH07133123A
Application number: JP27969593A
Authority: JP
Inventors: Hidenao Kataoka; 秀直片岡; Makoto Umetani; 梅谷　　誠; Yoshinari Kashiwagi; 吉成柏木; Shoji Nakamura; 正二中村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-11-09
Filing date: 1993-11-09
Publication date: 1995-05-23
Anticipated expiration: 2017-03-18
Also published as: JP3266386B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光学素子をプレス成形により製造するための
成形用金型を１つの転写型により多数個の機械強度に優
れた金型を提供する。【構成】所望の光学形状に近似した形状に加工された
金型素材１a上に変形層３を形成し、この変形層３上の
変形層プレス面４を所望の光学素子形状に精密に加工さ
れた転写型５aによりプレス成形し、プレス成形後の変
形層３上に貴金属系合金よりなる保護層８を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高精度で光学性能良好
な光学素子をプレス成形により製造するためのプレス金
型の構成およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高精度な光学素子を直接プレス成形する
ためには、型材料として耐酸化性に優れ、プレス成形す
る光学素子材料に対して不活性であり、プレスしたとき
に金型のプレス面の形状が崩れないような高温機械強度
を有するものが必要である。しかし、その反面、加工性
に優れ、精密加工が容易で、かつ安価に製造できなくて
はならない。

【０００３】以上のような光学素子プレス成形用金型に
必要な条件をある程度満足するものとして、最近では、
特公昭62−28091号公報に記載されているＷＣを主成分
とする超硬合金、またはサーメットを金型素材に用い、
前記金型素材上に貴金属系合金薄膜をコーティングして
構成される金型があり、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。

【０００４】また、特開平１−239030号公報に記載され
ているように、軟化したガラス材にマスター型の型面形
状を転写させることにより、ガラス材からなる光学素子
プレス成形用金型を製造する方法や、特開平２−102136
号公報に記載されているように、耐熱性を有する金属ま
たはセラミックスからなる接合体をガラスよりなる成形
用型本体とともに成形用母型でプレス成形する方法等、
ガラス材料を型材料として用い、その型材料をマスター
型によりプレス成形し、金型のプレス面に光学素子形状
を精密転写することにより、１つの母型で複数個の成形
用金型を容易で安価に製造する方法が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
型材料，型構成では、前記の条件をすべて満足するもの
は得られていない。

【０００６】例えば、特公昭62−28091号公報に記載の
ように、ＷＣを主成分とする超硬合金、またはサーメッ
トを金型素材に用い、前記金型素材上に貴金属系合金膜
をコーティングして構成される金型は、金型素材に用い
る超硬合金、またはサーメットの精密加工が困難であ
り、そのために加工には特別な加工装置を必要とし、加
工後も場合によっては面粗さ向上のため研磨加工を必要
とする。また、その加工は、主にダイヤモンド砥石によ
る研削加工によるため、加工可能な金型形状は砥石形状
により大きく制限される。その上、砥石摩耗のため加工
時の切り込み量を大きくできず、加工時間も長く、加工
コストが非常に高いという問題がある。

【０００７】また、このような問題を解決するため検討
されている特開平１−239030号公報に記載の軟化したガ
ラス材にマスター型の型面形状を転写させることにより
得られる金型や、特開平２−102136号公報に記載されて
いる耐熱性を有する金属またはセラミックスからなる接
合体をガラスよりなる成形用型本体とともに成形用母型
でプレス成形することにより得られる金型は、金型素材
であるガラスの高温強度が低いため、金型の変形が大き
な問題となる。また、ガラスは脆性材料であるため、金
型の割れ，欠けも大きな問題となる。

【０００８】本発明は、このような点に鑑み、１つの転
写型により多数個の機械強度に優れた光学素子成形用金
型およびその製造方法の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
し、目的を達成するために、光学素子成形用金型は、高
温機械強度に優れた金型素材を用い、その金型素材上に
高温機械強度と塑性加工性に優れた金属あるいは合金よ
りなる変形層を形成し、その変形層上に耐酸化性，高温
機械強度に優れ、光学素子材料に対して不活性である白
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)，タンタル(Ｔa)のうち、少
なくとも１種類以上の金属を含む合金よりなる保護層を
形成するものである。

【００１０】また、上記光学素子成形用金型の製造方法
は、高温機械強度に優れた金型素材を用い、この金型素
材のプレス面を研削加工，放電加工，研磨加工等によ
り、所望の光学素子形状に近似した形状に荒加工する工
程、その金型素材上に、高温機械強度と塑性加工性に優
れた金属あるいは合金よりなる変形層を形成する工程、
転写面が所望の光学素子形状に精密に加工された機械強
度を有する転写型を用い、この転写型の転写面と変形層
を形成した金型のプレス面とを一致させて配置した後、
転写型に荷重を加え、変形層上のプレス面をプレス加工
することにより、転写面の光学素子形状を前記変形層上
のプレス面に精密に転写させる工程、金型変形層上に耐
酸化性，高温機械強度に優れ、光学素子材料に対して不
活性である白金(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)，タンタル
(Ｔa)のうち、少なくとも１種類以上の金属を含む合金
よりなる保護層を形成する工程からなるものである。

【００１１】

【作用】本発明の光学素子成形用金型では、金型素材や
変形層、および保護層は、従来例のようなガラス材料を
用いたものではなく、高温機械強度に優れた材料である
ため、プレス圧力による金型プレス面の変形、金型の割
れ，欠けなどの問題がない。また、変形層は、塑性加工
性に優れた材料を用いているため、転写型の形状を容易
に、低加重で精密転写可能である。また、この状態で、
プレス成形を行うと、成形時の高温環境下で金型の酸
化，光学素子材料の金型への融着といった問題が発生す
るものの、本発明の金型は、金型全体に耐酸化性に優
れ、光学素子材料に対して不活性な保護層を形成してい
るため、長期間、成形に使用しても上記のような酸化，
融着といった問題は発生せず、成形により光学性能良好
な光学素子が得られる。

【００１２】また、上記光学素子成形用金型の製造方法
として、まず、金型素材のプレス面をあらかじめ所望の
光学素子形状に近似した形状に加工し、その後に、変形
層を形成するという方法をとっているため、転写面が光
学素子形状に精密に加工された転写型により変形層上の
プレス面をプレス加工する際に、変形層の塑性変形量
(塑性歪)を最小にでき、転写型プレス面の光学素子形状
を無理なく精密に変形層上のプレス面に転写できるとと
もに、プレス時の荷重を小さくできる。また、従来例の
ように、ＷＣを主成分とする超硬合金またはサーメット
等の金型素材を、直接、精密加工するには特別な加工装
置を必要とし、かつその加工には長時間を要するもの
の、本発明の製造方法では金型素材のプレス面は荒加工
でよいため、研削加工，放電加工，研磨加工等により容
易に加工することができ、それらの加工方法は、従来の
精密な研削加工のように特別な加工装置を必要としない
ために加工形状の制約も受けず、かつ本発明の方法は１
つの転写型により多数個の金型を製作できるので加工時
間も短い。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の各実施例について図面を参照
しながら説明する。ここで、図１および図２において、
１a，１bは金型素材、２は金型素材プレス面、３は変形
層、４は変形層プレス面、５a，５bは転写型、６は転写
面、７は胴型、８は保護層である。

【００１４】(実施例１)本実施例では、図１(a)に示さ
れるように、まず、金型高さ10.0mm，金型首径Φ6.6m
m，金型つば径10.6mmのＷＣを主成分とする超硬合金製
の金型素材１aのプレス面２を放電加工により曲率半径
3.2mm，加工径5.6mmの球面形状に荒加工し、その後、Φ
6.5mmの鋼球を使用してオスカー方式による研磨加工で
鏡面に加工した。ここで、このときの放電加工後の形状
精度は±5.2μm，表面粗さＲmax1.2μm、研磨加工後の
形状精度は±4.8μm，表面粗さＲmax0.01μmであった。

【００１５】この金型素材１a上にＣrーＭoよりなる変
形層３をスパッタ法により膜厚20μm形成した(図１
(b))。一方、この変形層３上の変形層プレス面４に光学
素子形状を転写するための転写型５aは、外径Φ6.6mmの
ＷＣを主成分とする超硬合金素材を用い、この転写型５
aの転写面６をダイヤモンド砥石による研削加工と、ダ
イヤモンドペーストを用いた研磨加工により、所望の光
学素子形状(非球面，近似半径3.2mm)に精密に加工し
た。このときの転写面の形状精度は±0.1μm，表面粗さ
はＲmax0.01μmであった。

【００１６】そこで、この変形層プレス面４と転写型５
aの転写面６をステンレス製の胴型７(内径Φ6.6mm)内に
対向させて挿入した(図１(c))。そして、この状態で転
写型５aにプレス圧力40kg／mm²を加え、窒素雰囲気中、
プレス温度400℃にてプレス加工し、転写面６の光学素
子形状を変形層プレス面４に転写させた(図１(d))。転
写後の変形層プレス面４の形状精度は±0.12μm，表面
粗さはＲmax0.01μmであった。

【００１７】その後、プレス後の金型素材１aを胴型７
より取り出し、保護層８として金型全体にスパッタ法に
より、Ｐt−Ｉrを膜厚２μmで形成した(図１(e))。

【００１８】この金型を用いて、球形状(Φ5.0mm)の硝
材(ガラス材料：クラウン系ガラス，ガラス転移点510
℃)をプレス温度590℃，プレス圧力５kg／mm²にて成形
したところ、成形された光学素子の光学性能は良好で、
成形回数3500ショット後も金型プレス面の酸化，変形
や、変形層３，保護層８の剥離、金型の割れ，欠け等の
問題もなかった。また、転写型５a１つにより20個の金
型を製作したが、転写面６の形状の変形等の問題もな
く、かつ金型製作時間を大幅に短縮し、加工コストを従
来のＷＣを主成分とする超硬合金製金型を直接、研削加
工により製作する方法に比べ20％以下にすることを可能
とした。

【００１９】(実施例２）本実施例では、図２（ａ）に
示されるように、まず金型高さ8.0mm，金型首径Φ4.5m
m，金型つば径Φ5.5mmのＴiＣを主成分とするサーメッ
ト製金型素材１bのプレス面２を平面研削加工により平
面に荒加工した。加工後の金型表面の加工精度は、平面
度±0.5μm，表面粗さＲmax0.06μmであった。そして、
この金型素材１b上に、Ｃrよりなる変形層３をメッキ法
により膜厚５μm形成した(図２(b))。一方、この変形層
３上の変形層プレス面４に光学素子形状を転写するため
の転写型５bは、ＷＣを主成分とする超硬合金素材を用
い、この転写型５bの転写面６をダイヤモンド砥石によ
る研削加工により、所望の光学素子形状(溝深さ0.3μ
m，溝ピッチ50μmの鋸歯形状)に精密加工した。このと
きの加工精度は、溝深さ±0.02μm，溝ピッチ±0.05μm
であった。

【００２０】そこで、この変形層３を形成した変形層プ
レス面４と転写型５bの転写面６を、ＷＣを主成分とす
る超硬合金製の胴型７(内径Φ4.5mm)内に対向させて挿
入した(図２(c))。そして、この状態で転写型５ｂにプ
レス圧力(48kg／mm²)を加え、窒素雰囲気中、プレス温
度600℃にてプレス加工し、転写面６の光学素子形状を
変形層プレス面４に転写させた(図２(d))。転写後の変
形層プレス面４の形状精度は溝深さ±0.03μm，溝ピッ
チ±0.05μmであった。

【００２１】その後、プレス後の金型素材１bを胴型７
より取り出し、保護層８として金型全体にイオンプレー
ティング法により、Ｒu−Ｗ−Ｒe−Ｔa合金を膜厚２μm
で形成した(図２(e))。

【００２２】この金型を用いて、円柱形状(Φ4.5mm，厚
み３mm)の硝材(ガラス材料：鉛系ガラス，ガラス転移点
425℃)をプレス温度500℃，プレス圧力4.8kg／mm²にて
成形したところ、成形された光学素子の光学性能は良好
で、成形回数2000ショット後も金型プレス面の酸化、変
形や、変形層３，保護層８の剥離、金型の割れ，欠け等
の問題もなかった。また、転写型５b１つにより22個の
金型を製作したが、転写面６の形状の変化等の問題もな
く、金型製作コストを従来のＷＣを主成分とする超硬合
金製金型を直接、研削加工により製作する方法に比べ20
％以下にすることを可能とした。

【００２３】ここで、実施例１，実施例２において、金
型素材１a，１bとして、ＷＣを主成分とする超硬合金お
よびＴiＣを主成分とするサーメット、変形層としてＣr
−Ｍo，Ｃr、保護層としてＰt−Ｉr、Ｒu−Ｗ−Ｒe−Ｔ
aを用いたが、他の望ましい材料として、金型素材とし
ては、高温機械強度を有するアルミナ(Ａl₂Ｏ₃)，チタ
ンナイトライド(ＴiＮ)，クロムカーバイド(Ｃr₃Ｃ₂)を
主成分とするサーメット、またはステンレス，ニッケル
(Ｎi)，ニッケル合金，モリブデン(Ｍo)，モリブデン合
金，コバルト(Ｃo)，コバルト合金，クロム(Ｃr)，クロ
ム合金，チタン(Ｔi)，チタン合金，タングステン
(Ｗ)，タングステン合金などがある。

【００２４】変形層３としては、他の高温機械強度と塑
性加工性に優れたステンレス、あるいはニッケル，ニッ
ケル合金，モリブデン(Ｍo)，モリブデン合金，コバル
ト，コバルト合金，クロム(Ｃr)，クロム合金，チタン
(Ｔi)，チタン合金，タングステン(Ｗ)，タングステン
合金，タンタル(Ｔa)，タンタル合金，ニオブ(Ｎb)，ニ
オブ合金，バナジウム(Ｖ)，バナジウム合金，銅(Ｃ
u)，銅合金，アルミニウム(Ａl)，アルミニウム合金，
白金(Ｐt)，白金合金，金(Ａu)，金合金，パラジウム
(Ｐd)，パラジウム合金，ルテニウム(Ｒu)，ルテニウム
合金，ロジウム(Ｒh)，ロジウム合金などがある。

【００２５】また、保護層８としては、他の耐酸化性と
高温機械強度に優れ、光学素子材料に対して不活性な白
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)、タンタル(Ｔa)のうち、少
なくとも一種類以上の金属を含む合金などがあり、これ
らを用いても同様の効果が得られる。

【００２６】また、変形層，保護層の成膜方法として、
本実施例では、スパッタ法，メッキ法，イオンプレーテ
ィング法を用いているが、その他のＰＶＤ法，ＣＶＤ法
等を用いても同様な効果が得られる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、光学素子
成形用金型の構成において、金型素材や変形層、および
保護層は、従来例のようなガラス材料を用いたものでは
なく、高温機械強度に優れた材料を用いているため、プ
レス圧力による金型プレス面の変形、金型の割れ，欠け
などの問題がない。また、変形層は、塑性加工性に優れ
た材料を用いているため、転写型の形状を容易に精密転
写できる。また、本発明の金型は、金型全体に耐酸化性
に優れ、光学素子材料に対して不活性な保護層を形成し
ているため、長期間、成形に使用しても、酸化，ガラス
の融着といった問題は発生せず、繰り返し成形が可能と
なり、光学性能良好な同一形状の光学素子が大量に、か
つ安価に得られる。

【００２８】また、上記光学素子成形用金型の製造方法
として、まず金型素材のプレス面をあらかじめ所望の光
学素子形状に近似した形状に加工し、その後に、変形層
を形成するという方法をとっているため、転写面が光学
素子形状に精密に加工された転写型により変形層上のプ
レス面をプレス加工する際に、変形層の塑性変形量(塑
性歪)を最小にでき、転写型プレス面の光学素子形状を
無理なく精密に変形層上に転写できる。また、本発明の
製造方法では、金型素材のプレス面は荒加工でよいた
め、研削加工，放電加工，研磨加工等により容易に加工
することができ、それらの加工方法は、従来の精密な研
削加工のように特別な加工装置を必要としないために加
工形状の制約も受けず、かつ１つの転写型により多数個
の金型を製作できるので加工時間も短く、金型加工コス
トを大幅に削減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における光学素子の成形
用金型の構成および製造方法を示す図である。

【図２】本発明の第２の実施例における光学素子の成形
用金型の構成および製造方法を示す図である。

【符号の説明】

１a，１b…金型素材、２…金型素材プレス面、３…
変形層、４…変形層プレス面、５a，５b…転写型、
６…転写面、７…胴型、８…保護層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村正二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プレス面が所望の光学素子形状に近似し
た形状に加工されたプレス成形に耐え得る強度を持った
金型素材と、前記金型素材上にありプレス面が所望の光
学素子形状に精密にプレス加工された金属あるいは合金
よりなる変形層と、前記変形層上にあり耐酸化性、高温
機械強度に優れ、光学素子材料に対して不活性な白金
(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)，タンタル(Ｔa)のうち、少な
くとも１種類以上の金属を含む合金よりなる保護層とか
らなることを特徴とする光学素子成形用金型。
【請求項２】前記金型素材が、高温機械強度に優れた
タングステンカーバイト(ＷＣ)を主成分とする超硬合
金、あるいはチタンナイトライド(ＴiＮ)，チタンカー
バイド(ＴiＣ)，クロムカーバイド(Ｃr₃Ｃ₂)，アルミナ
(Ａl₂Ｏ₃)のいずれかを主成分とするサーメット、また
はステンレス，ニッケル(Ｎi)，ニッケル合金，モリブ
デン(Ｍo)，モリブデン合金，コバルト(Ｃo)，コバルト
合金，クロム(Ｃr)，クロム合金，チタン(Ｔi)，チタン
合金，タングステン(Ｗ)，タングステン合金のいずれか
よりなることを特徴とする請求項１記載の光学素子成形
用金型。
【請求項３】前記変形層が、高温機械強度と塑性加工
性に優れたステンレス、あるいはニッケル(Ｎi)，ニッ
ケル合金，モリブデン(Ｍo)，モリブデン合金，コバル
ト(Ｃo)，コバルト合金，クロム(Ｃr)，クロム合金，チ
タン(Ｔi)，チタン合金，タングステン(Ｗ)，タングス
テン合金，タンタル(Ｔa)，タンタル合金，ニオブ(Ｎ
b)，ニオブ合金，バナジウム(Ｖ)，バナジウム合金，銅
(Ｃu)，銅合金，アルミニウム(Ａl)，アルミニウム合
金，白金(Ｐt)，白金合金，金(Ａu)，金合金，パラジウ
ム(Ｐd)，パラジウム合金，ルテニウム(Ｒu)，ルテニウ
ム合金，ロジウム(Ｒh)，ロジウム合金のいずれかより
なることを特徴とする請求項１記載の光学素子成形用金
型。
【請求項４】金型素材のプレス面を所望の光学素子形
状に近似した形状に加工する工程、前記金型素材上に金
属あるいは合金よりなる変形層を形成する工程、転写面
が所望の光学素子形状に精密に加工された転写型に荷重
を加え、前記転写型で前記変形層をプレス加工し、前記
転写面の光学素子形状を前記変形層に精密に転写させる
工程、および前記金型変形層上に耐酸化性，高温機械強
度に優れ、光学素子材料に対して不活性な白金(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)，タンタル(Ｔa)のうち、少なくとも
一種類以上の金属を含む合金よりなる保護層を形成する
工程からなることを特徴とする光学素子成形用金型の製
造方法。
【請求項５】前記金型素材が、高温機械強度に優れた
タングステンカーバイト(ＷＣ)を主成分とする超硬合
金、あるいはチタンナイトライド(ＴiＮ)，チタンカー
バイド(ＴiＣ)，クロムカーバイド(Ｃr₃Ｃ₂)，アルミナ
(Ａl₂Ｏ₃)のいずれかを主成分とするサーメット、また
はステンレス，ニッケル(Ｎi)，ニッケル合金，モリブ
デン(Ｍo)，モリブデン合金，コバルト(Ｃo)，コバルト
合金，クロム(Ｃr)，クロム合金，チタン(Ｔi)，チタン
合金，タングステン(Ｗ)，タングステン合金のいずれか
よりなることを特徴とする請求項４記載の光学素子成形
用金型の製造方法。
【請求項６】前記変形層が、高温機械強度と塑性加工
性に優れたステンレス、あるいはニッケル(Ｎi)，ニッ
ケル合金，モリブデン(Ｍo)，モリブデン合金，コバル
ト(Ｃo)，コバルト合金，クロム(Ｃr)，クロム合金，チ
タン(Ｔi)，チタン合金，タングステン(Ｗ)，タングス
テン合金，タンタル(Ｔa)，タンタル合金，ニオブ(Ｎ
b)，ニオブ合金，バナジウム(Ｖ)，バナジウム合金，銅
(Ｃu)，銅合金，アルミニウム(Ａl)，アルミニウム合
金，白金(Ｐt)，白金合金，金(Ａu)，金合金，パラジウ
ム(Ｐd)，パラジウム合金，ルテニウム(Ｒu)，ルテニウ
ム合金，ロジウム(Ｒh)，ロジウム合金のいずれかより
なることを特徴とする請求項４記載の光学素子成形用金
型の製造方法。