JPH09188535A

JPH09188535A - 光学素子の成形用型

Info

Publication number: JPH09188535A
Application number: JP59096A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Yamamoto; 潔山本; Nobuyuki Nakagawa; 伸行中川; Sunao Miyazaki; 直宮崎; Masaki Omori; 正樹大森
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-01-08
Filing date: 1996-01-08
Publication date: 1997-07-22

Abstract

(57)【要約】【課題】離型性や鏡面性などの、光学素子の成形上の
特徴を持ち、その上で、膜の剥離が発生せず、耐久性の
良い成形用型を提供する。【解決手段】軟化状態にあるガラス素材をプレス成形
して光学素子を得るための成形用型であって、光学素子
の１つの連続面において、少なくとも、光学機能面（光
線有効径）内を形成するための成形面を有する第１の型
部材と、光学素子の上記光学機能面以外の部分を形成す
るための成形面を有する第２の型部材とを組み合わせて
構成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱軟化した光学
用の成形ガラス素材をプレス成形して、光学素子を得る
ための成形用型に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、成形面を所定の表面精度にした成
形用型内に光学用のガラス素材を収容して、加熱下でプ
レス成形することにより、研削や研磨などの後加工を必
要としない、高精度の光学機能面を有する光学素子を製
造する方法が開発されている。

【０００３】このようなプレス成形方法では、一般に、
成形用上型部材と成形用下型部材とを、それぞれ、成形
用胴型部材内に上下から摺動可能に対向配置し、これら
上型部材、下型部材および胴型部材により囲まれたキャ
ビティ内に、成形用ガラス素材を導入する。この場合、
型部材の酸化防止のために、雰囲気には、非酸化性雰囲
気、例えば、窒素雰囲気を使用し、また、成形可能な温
度、即ち、成形用ガラス素材が、そのガラスの粘度：１
０⁸ 〜１０¹²ｄＰａＳになる相当温度まで、型部材を加
熱する。

【０００４】そして、型内へのガラス素材の導入後、型
を閉じ、適宜な時間を掛けて、プレスして、型部材の成
形面の表面形状を成形用ガラス素材の表面に転写し、更
に、型部材を、成形用ガラス転移温度より十分に低い所
要の温度まで冷却し、その後、プレス圧力を除去し、型
を開いて、成形済みの光学素子を取り出すのである。

【０００５】上述の光学素子の成形法において使用され
る成形用型は、その用途上の理由から硬度、強度、耐熱
性、離型性、鏡面性などが要求される。従来、この種の
型材として、金属、セラミックス、および、それらをコ
ーティングした材料など、数多くの提案がされている
が、その幾つかを挙げるならば、特開昭４９−５１１１
２号の公報に所載の型材料には、１３Ｃｒマルテンサイ
ト鋼が、特開昭５２−４５６１３号の公報に所載の型材
料には、ＳｉＣおよびＳｉ₃ Ｎ₄ が、更に、特開昭６０
−２４６２３０号の公報に所載の型材料には、超硬合金
に貴金属をコーティングした材料が提案されている。

【０００６】しかし、上述の１３Ｃｒマルテンサイト鋼
は、酸化し易く、更に、これで作った型部材を高温で使
用すると、Ｆｅがガラス中に拡散して、ガラスが着色す
る欠点を持つ。また、ＳｉＣやＳｉ₃ Ｎ₄ は、酸化され
難いが、極めて、ガラスとの親和性が強いので、これで
作った型部材を使用すると、ガラスとの融着が発生し易
い。また、貴金属をコーティングした材料は、融着を起
こし難いが、極めて軟らかいため、成形面に傷が付き易
い欠点をもつ。

【０００７】最近では、離型性に特に優れていると考え
られている炭素系材料を型部材の表面コーティングとし
て使用するものが、例えば、特開昭６１−１８３１３４
号の公報に所載の型部材の表面コーティングには、ダイ
ヤモンド薄膜が、特開平２−８０３３０号の公報に所載
の型部材の表面コーティングには、水素化アモルファス
炭素膜が、それぞれ、提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ダイヤモンド
薄膜は、その材質的な理由から光学的な鏡面性を得るこ
とが困難である。また、水素化アモルファス炭素膜は、
型部材のコーティング材として必要な条件を、或る程度
は満足するが、その唯一の問題点は、薄膜であるため
に、強大な力がかかった場合に、型部材表面から剥離す
る虞があることである。この膜の剥離は、型とガラスの
熱膨張率の違いに起因する熱応力歪みによって、ガラス
素材をプレス成形した後の冷却中に、膜に対して剪断力
が発生するためによって惹起されるものと考えられる。

【０００９】即ち、型とガラスとは、プレス直後から冷
却過程の間、強力に密着しているため、この間に発生す
る熱応力歪みによって、膜が剥離するのである。また、
この熱応力歪みは、成形品としての光学素子の周辺部ほ
ど、大きくなるため、膜の剥離は、型部材の成形面の周
辺部から発生する。そして、少しでも、膜が剥離する
と、その部分で、型とガラスとが融着したり、成形品が
割れたりするために、成形用型としての使用に耐えなく
なる。このように、膜の剥離によって、成形用型の耐久
性が低下することが、従来の成形用型の問題点であっ
た。

【００１０】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
で、その目的とするところは、離型性や鏡面性などの、
光学素子の成形上の特徴を持ち、その上で、膜の剥離が
発生せず、耐久性の良い成形用型を提供することであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明において
は、光学素子の周辺部に対応する型部材の箇所から膜剥
離が発生する点に着目して、成形面の周辺部における型
とガラスとの密着力を低減させて、膜にかかる剪断力を
低下させたのである。即ち、具体的には、軟化状態にあ
るガラス素材をプレス成形して光学素子を得るための成
形用型であって、光学素子の１つの連続面において、少
なくとも、光学機能面（光線有効径）内を形成するため
の成形面を有する第１の型部材と、光学素子の上記光学
機能面以外の部分を形成するための成形面を有する第２
の型部材とを組み合わせて構成したことを本発明の特徴
とする。

【００１２】即ち、それぞれの型部材の特徴は、第１の
型部材が、従来の型部材と同じ目的で使用されて光学素
子の光学機能面を得る点に向けられ、第２の型部材が、
離型性が良く、耐久性にも優れた型構造を得る点に向け
られている。従って、第２の型部材は、その鏡面性が多
少劣っていても、光学機能面以外の箇所を成形するため
に使用されるので、問題にならない。

【００１３】なお、本発明の実施の形態として、第１の
型部材の成形面と第２の型部材の成形面とによって形成
される光学素子の上記連続面において光学機能面がそれ
以外の部分と完全な連続性を保持するか、または、段差
のある形状にする場合には、上下型間において第２の型
部材の成形面によって形成される隙間が、第１の型部材
の成形面によって形成される隙間よりも小さくなるよう
な段差を、両型部材の成形面に備えている。

【００１４】これは、プレス成形後における冷却時のガ
ラスの割れを防止することを可能とする。即ち、第１の
型部材と第２の型部材を組み合わせて、連続する１つの
成形面を持つ型部材を構成する場合に、その合わせ目の
部分で、全く段差が無い状態が望ましいが、現実には、
型部材の加工誤差が不可避的に存在するために、合わせ
目の部分で不連続面になる場合が有る。この場合、第２
の型部材の成形面間に形成される隙間が、第１の型部材
の成形面間に形成される隙間より大きいと、ガラスの方
が型部材よりも、冷却にともなう収縮量が大きいため
に、段差の部分で、ガラスに割れが発生し易いからであ
る。

【００１５】このような配慮から、第２の型部材は、ガ
ラス状炭素または高密度等方性炭素であることが、ま
た、六方晶窒化ボロンであることが、望ましい。

【００１６】即ち、一般に、炭素系材料は離型性に優れ
ているが、全てが本発明の目的に叶うことはない。炭素
原子は、所謂、無定型炭素、規則的な結晶構造をもつ黒
鉛、ダイヤモンドなどと、各種の構造をとる。無定型炭
素を高温に加熱すると、その構造が変化して、黒鉛構造
に近づくが、中には、高温まで熱処理しても、結晶成長
し難い一群のものがあり、難黒鉛化性炭素と呼ばれてい
る。難黒鉛化性炭素の代表的なものが、ガラス状炭素お
よび高密度等方性炭素である。ガラス成形用の型部材と
して必要な離型性は、黒鉛が最も優れ、次いで、高密度
等方性炭素、ガラス状炭素の順である。ダイヤモンド
は、これらに比較して離型性が劣る。ただし、黒鉛は、
その機械的強度が弱いために、ガラス成形用の材料とし
ては不適当である。

【００１７】また、窒化ボロンには、六方晶と立方晶が
存在するが、後者は硬くてガラスとの離型性が悪く、ま
た、加工性も悪い。一方、六方晶窒化ボロンは、加工す
ることが容易で、ガラスとの離型性も優れている。確か
に、六方晶窒化ボロンは、これを型部材に採用した場
合、確かに、成形された光学素子の鏡面性がやや劣る
が、光学機能面以外の部分を形成するために採用するの
であれば、何等、問題はない。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の成形用型の構成
を示す図である。符号１は上型部材の中央部を構成する
第１型部材、２は上型部材の周辺部を構成する第２型部
材、３は下型部材の中央部を構成する第１型部材、４は
下型部材の周辺部を構成する第２型部材、そして、５は
成形された光学素子である。これら上型部材、下型部材
は、胴型部材（図示せず）に対して摺動可能に嵌合し
て、これらで囲まれた内部に成形用のキャビティを構成
する。

【００１９】特に、本発明では、第１の型部材１、３
は、光学素子の１つの連続面において、少なくとも、光
学機能面（光線有効径）内を形成するための成形面を有
し、また、第２の型部材２、４は、光学素子の上記光学
機能面以外の部分を形成するための成形面を有する。

【００２０】なお、実施の形態として、第１の型部材
１、３の成形面と第２の型部材２、４の成形面とによっ
て形成される光学素子の上記連続面において、光学機能
面がそれ以外の部分と完全な連続性を保持するか、また
は、段差のある形状にする場合には、上下型間において
第２の型部材２、４の成形面によって形成される隙間
が、第１の型部材１、２の成形面によって形成される隙
間よりも小さくなるような段差を、第１および第２の型
部材の成形面に備えていることが望ましい。

【００２１】また、第２の型部材２、４は、ガラス状炭
素または高密度等方性炭素であり、あるいは、六方晶窒
化ボロンであるとよい。

【００２２】

【実施例】次に、本発明の成形用型の有用性を具体的な
事例を挙げて説明する。（実施例１）図１に示す成形用型として、第１の型部材
１、３には超硬合金を採用し、第２の型部材２、４には
ガラス状炭素を採用した。成形される光学素子の光学機
能面（光線有効径内）に対応する型部材１、３の成形面
は粗加工状態とし、光学機能面以外の箇所に対応する型
部材２、４の成形面は必要な精度で加工し、その後、両
者を焼き嵌めにより一体化した。

【００２３】次いで、一体化した型部材１、２および
３、４の成形面を高精度に加工し、その表面に水素化ア
モルファス炭素膜をコーティングして、上型部材および
下型部材の各成形面とした。この場合の型部材１、３の
成形面の直径は、光学素子の有効径と同一の、１２．３
ｍｍにした。また、上型部材の周辺部を構成する型部材
２の成形面は、型部材１の成形面と連続すると曲面とし
たが、下型部材の周辺部を構成する型部材４は、φ１６
ｍｍの内部を型部材１の成形面と連続すると曲面とし、
その外側の成形面を平面にした。

【００２４】この成形用型によって成形する際の、レン
ズ成形用素材としては、ＳＫ１２（ｎｄ＝１．５８３１
３、νｄ＝５９．４、Ｔｇ＝５０６℃、Ａｔ＝５３８
℃）が用いられ、これにより、予め、直径１０ｍｍ、中
心厚６ｍｍのゴブ（ガラス塊）を作成しておいた。

【００２５】そして、上型部材、下型部材を用いて、Ｎ
₂ 雰囲気下の成形チャンバーの中で光学素子のプレス成
形を実施した。即ち、上下型部材間に、上述のガラスゴ
ブを投入し、ガラス素材も同時に加熱して、５８０℃ま
で昇温した。

【００２６】次に、上型部材を下降させて、プレス成形
を行い、ガラス素材を所定の肉厚にした。また、圧力を
かけた状態で冷却を開始し、５００℃まで冷却されたと
ころで、上型部材を上昇させ、成形された光学素子（成
形品）を取り出した。

【００２７】この成形品の外径＝１５ｍｍで、光学機能
面（光線有効径）内の形状精度がクセ０．５本の良好な
ものであった。そして、成形品を芯取り加工して、外径
φ＝１３．５ｍｍの光学素子とした。この実施例におけ
る光学素子は、Ｒ１（凹）＝２２．８ｍｍ、Ｒ２（凸）
＝１４．３ｍｍ、中心厚＝２ｍｍ、また、光線有効径φ
＝１２．３ｍｍの凸メニスカスレンズである。

【００２８】同様にして、プレス成形を、連続５００
回、行ったが、その間、成形上のトラブルもなく、５０
０回終了後の型部材の成形面に、何らの劣化も認められ
なかった。状況として、連続成形中に、成形用型の周辺
部の炭素膜が剥離する虞があるが、仮に剥離したとして
も、ガラス状炭素が十分な離型性を持つため、プレス成
形には悪影響はないと結論する。（実施例２）図２には、本発明の第２の実施例における
成形用型の構成が示されており、図中、符号６は上型部
材の中央部を構成する第１の型部材、７は上型部材の周
辺部を構成する第２の型部材、８は下型部材の中央部を
構成する第１の型部材、９は下型部材の周辺部を構成す
る第２の型部材、また、符号１０は、成形された状態を
示す光学素子の成形品であり、この実施例では、Ｒ１
（凸）＝１６．４５ｍｍ、Ｒ２（凸）＝１６．８６ｍ
ｍ、中心厚＝４．５ｍｍ、光線有効径φ１２．５ｍｍ、
外径φ１４ｍｍの凸レンズである。

【００２９】また、この実施例で使用されるレンズ成形
用のガラス素材としてはＬａＫ１２（ｎｄ＝１．６７７
９０、νｄ＝５４．９、Ｔｇ＝５６２℃、Ａｔ＝５９３
℃）が用いられ、これにより、直径＝１２ｍｍ、中心厚
＝７ｍｍのゴブを、予め作成した。

【００３０】図２に示す成形用型は、以下のようにして
製造される。即ち、超硬合金よりなる型部材６、８およ
び高密度等方性炭素よりなる型部材７、９を、それぞ
れ、成形されるべき光学素子の光学機能面に対応した成
形面も含めて加工した。型部材６、８の成形面の内、光
学機能面に対応する面の直径は１４ｍｍで、光学素子の
外径と同一にした。ここで使用される型部材７、９は、
その断面が長方形のリングである。また、型部材６、８
には、成形面の加工が完成した後、水素化アモルファス
炭素膜をコーティングした。そして、両者を完成させた
後に、焼き嵌めにより両者を結合した。

【００３１】図３には、下型部材の嵌合部分が拡大して
示されている。嵌合部分では、下型部材の場合、型部材
９の成形面の方が、型部材８の成形面よりも、ガラス側
に対して０．０２ｍｍ程、突出させてある。同様にし
て、上型部材でも、型部材７の成形面の方が、型部材６
のそれよりも突出させてある。

【００３２】このような構成の上型部材、下型部材を用
いて、Ｎ₂ 雰囲気下の成形チャンバーの中で、ガラス素
材をプレス成形して、光学素子を得るのであるが、それ
には先ず、上下型部材間にガラスゴブを投入し、ガラス
ゴブを加熱して、６２５℃まで昇温し、次に、上型部材
を下降させて、所定の肉厚までプレスを行う。

【００３３】次いで、プレス圧力をかけた状態で、型部
材を冷却し、ガラスが５６０℃まで冷却されたところ
で、上型部材を上昇させ、成形された光学素子成形品を
取り出す。成形品は、外径が１６ｍｍで、光学機能面
（光線有効径）内の形状精度は、クセ０．２本の良好な
ものであった。その後、成形品を芯取りして、外径がφ
＝１４ｍｍの所望の光学素子を得た。このような成形過
程を、連続して５００回、行ったが、その間、成形上の
トラブルもなく、５００回終了後の型部材に、何らの劣
化も見られなかった。（実施例３）図４には、本発明の第３の実施例における
成形用型の構成が示されている。ここで、符号１１は、
上型部材の中央部を構成する第１の型部材、１２は上型
部材の周辺部を構成する第２の型部材、１３は下型部材
の中央部を構成する第１の型部材、１４は下型部材の周
辺部を構成する第２の型部材、また、１５は成形された
光学素子の成形品、この実施例では、Ｒ１（凹）＝１
７．５８ｍｍ、Ｒ２（凹）＝３７．３７７ｍｍ、中心厚
＝１．３ｍｍ、光線有効径φ＝１２．５ｍｍ、外径φ＝
１４ｍｍの凸レンズである。また、このレンズ成形用の
ガラス素材としては、ＬａＦ０１０（ｎｄ＝１．７３３
１０、νｄ＝４９．４、Ｔｇ＝５７１℃、Ａｔ＝６００
℃）が用いられ、これにより、直径＝１２．７ｍｍ、中
心厚＝６ｍｍの片面が凹面のゴブを予め作成した。

【００３４】図１に示す成形用型は、次のようにして製
造される。即ち、超硬合金よりなる型部材１１、１３お
よび六方晶窒化ボロンよりなる型部材１２、１４を光学
機能面に対応する成形面以外の部分を加工し、上記成形
面は、粗加工状態とし、両者を焼き嵌めにより組み合わ
せた。その後、一体化した型部材１１、１２、および、
１３、１４の成形面を、それぞれ、高精度に加工した
後、水素化アモルファス炭素膜をコーティングして、上
下型部材の成形面とした。なお、型部材１１、１３の成
形面の直径を１３ｍｍにした。

【００３５】しかして、上述の上型部材、下型部材を用
いて、Ｎ₂ 雰囲気下の成形チャンバーの中で光学素子を
プレス成形するのである。即ち、上下型部材間にガラス
ゴブを投入し、ガラスを加熱して、６４０℃まで昇温す
る。次に、上型部材を下降させて、所定の肉厚までプレ
ス成形を行う。また、プレス圧力をかけた状態で、型部
材を冷却し、ガラスが５７０℃まで冷却されたところ
で、上型部材を上昇させ、成形された光学素子の成形品
を取り出した。成形品は、外径が１７ｍｍであり、光学
機能面（光線有効径）内の形状精度はクセ０．５本の良
好なものであった。なお、最終的に、成形品を芯取りし
て、外径がφ＝１４ｍｍの所望の光学素子を得た。

【００３６】このような成形過程を連続して５００回、
行ったが、その間に成形上のトラブルもなく、５００回
終了後の型部材には、何らの劣化も見られなかった。な
お、連続成形中に、型周辺部の炭素膜が剥離したが、六
方晶窒化ボロンが十分な離型性を持つため、成形には問
題になるような悪影響がなかった。（比較例１）図５は、従来の成形用型の構成を概念的に
示す図である。符号１６は上型部材、１７は下型部材、
また、１８は成形された光学素子である。ここでは、図
１の場合と同様に、レンズ成形用のガラス素材としてＳ
Ｋ１２を用い、凸メニスカスレンズを成形する。成形用
型１６、１７は、超硬合金よりなり、その表面には水素
化アモルファス炭素膜をコーティングして、プレス成形
に供した。

【００３７】連続成形中、２０回目に、成形面の中心か
ら直径φ＝１４ｍｍ程度より外側の炭素膜が剥離した。
その結果、周辺部の離型性が悪化し、２１回目からは成
形品に割れが続出し、連続成形が不可能になった。この
ように、従来例には、本発明の効果がない。

【００３８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、軟化状
態にあるガラス素材をプレス成形して光学素子を得るた
めの成形用型であって、光学素子の１つの連続面におい
て、少なくとも、光学機能面（光線有効径）内を形成す
るための成形面を有する第１の型部材と、光学素子の上
記光学機能面以外の部分を形成するための成形面を有す
る第２の型部材とを組み合わせて構成したので、離型の
際、型部材の成形面において、膜の剥離が発生せず、型
の耐久性を向上できる。

【００３９】また、膜をコーティングしないで、成形に
供する成形用型の場合でも、周辺部は、融着やガラスの
割れなどのトラブルが発生し易いが、本発明の構成によ
れば、そのようなトラブルを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の１つを示す成形用型の概
略的な構成図である。

【図２】本発明の実施例２に適用する、他の実施の形態
における成形用型の構成図である。

【図３】図２の構成の一部を拡大して示す図である。

【図４】本発明の実施例３に適用する、他の実施の形態
における成形用型の構成図である。

【図５】従来の成形用型の構成図である。

【符号の説明】

１、６、１１第１の型部材（上型部材の中央部を構
成）２、７、１２第２の型部材（上型部材の周辺部を構
成）３、８、１３第１の型部材（下型部材の中央部を構
成）４、９、１４第２の型部材（下型部材の周辺部を構
成）５、１０、１５、１８成形された光学素子１６従来の上型部材１７従来の下型部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大森正樹東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軟化状態にあるガラス素材をプレス成形
して光学素子を得るための成形用型であって、光学素子
の１つの連続面において、少なくとも、光学機能面（光
線有効径）内を形成するための成形面を有する第１の型
部材と、光学素子の上記光学機能面以外の部分を形成す
るための成形面を有する第２の型部材とを組み合わせて
構成したことを特徴とする光学素子の成形用型。
【請求項２】第１の型部材の成形面と第２の型部材の
成形面とによって形成される光学素子の上記連続面にお
いて光学機能面がそれ以外の部分と完全な連続性を保持
するか、または、段差のある形状にする場合には、上下
型間において第２の型部材の成形面によって形成される
隙間が、第１の型部材の成形面によって形成される隙間
よりも小さくなるような段差を、両型部材の成形面に備
えていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の
成形用型。
【請求項３】第２の型部材が、ガラス状炭素または高
密度等方性炭素であることを特徴とする請求項１あるい
は２に記載の光学素子の成形用型。
【請求項４】第２の型部材が、六方晶窒化ボロンであ
ることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の光学素
子の成形用型。