JPH09315826A

JPH09315826A - 光学素子用成形型

Info

Publication number: JPH09315826A
Application number: JP8134839A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Iguchi; 裕章井口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 1997-12-09

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度かつ高精度な成形面を得ることができ、
しかも、成形素材であるガラスとの融着反応を起こしに
くい光学素子用成形型を提供する。【解決手段】光学素子のプレス成形に用いる光学素子用
成形型であって、型母材１ａが炭化珪素（ＳｉＣ）の焼
結体であり、型母材表面には、中間層１ｂとして炭化珪
素（ＳｉＣ）が被覆され、中間層１ｂには、最上位層１
ｃとして、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）が被覆されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズやプリズム
等の光学素子のプレス成形に用いる光学素子用成形型に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス素材で形成された光学素
子、特に、非球面レンズやフライアイレンズ等の特殊形
状光学素子は、後工程に研磨を必要としない高精度のプ
レス成形によって製造されるようになってきた。これに
より、従来行われていた複雑な工程が省かれ、同一形状
の光学素子を大量且つ安価に製造できるようになった。

【０００３】このようなプレス成形で使用される成形型
には、高温下での化学的耐久性や成形素材との摩擦に耐
え得る物理的耐久性のほか、成形品と成形型の離れ易
さ、いわゆる離型性が求められる。ガラス素材を加熱軟
化して成形型でプレスする際、ガラス転移点（Ｔｇ点）
以上で圧力をかけている間は、ガラス素材と成形型と
は、互いに形状が等しく、また、これらは、オプティカ
ルコンタクトあるいは化学的作用により、相互に強固に
密着している状態にある。したがって、光学素子として
成形されたガラス素材を成形型から取り外す場合には、
これらの密着を解消し、離型する必要がある。従来で
は、成形型に離型膜をコートする等して離型性を確保し
ていた。例えば、特開昭６１−１８３１３４号公報に記
載の発明では、金型表面（成形面）にダイヤモンド（Ｄ
ＬＣ）を被覆している。ダイヤモンド（ＤＬＣ）の硬度
は非常に高く、これにより成形面に傷が入りにくくな
る。また、特公昭６２−２８０９１号公報に記載の発明
では、超硬合金を母材とし、その上に貴金属膜を被覆し
ており、この貴金属膜が、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒ
ｕからなる群より選ばれた少なくとも１つの元素とＰｔ
（６０〜９９重量％）との貴金属合金となっている。こ
の貴金属合金膜により、成形素材が成形型から離れ易く
なり、離型効果が向上する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た特開昭６１−１８３１３４号公報に記載の成形型は、
酸素が微量でも存在する環境下では、４００℃前後の加
熱で金型表面のダイヤモンド（ＤＬＣ）が分解消失して
しまうという問題がある。なお、酸素を限りなく排除し
た成形雰囲気を作り出すためには、大がかりなプレス装
置が必要となり、その制御も複雑化する。

【０００５】また、上記した特公昭６２−２８０９１号
公報に記載の発明は、貴金属合金膜自体が非常に軟らか
く、成形を繰り返していく中で膜表面が傷付き、成形品
として完成した光学素子の精度が著しく低下する。ま
た、６００℃以上に加熱を行うと、膜表面に粒状化現象
が生じ、表面粗さを劣化させる。

【０００６】このような問題点に鑑み、本発明の目的
は、高強度、かつ、高精度な成形面を得ることができ、
しかも、成形素材であるガラスとの融着反応を起こしに
くい光学素子用成形型を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の光学素子用成形型の一態様によれば、光学素
子のプレス成形に用いる光学素子用成形型において、型
母材が炭化珪素（ＳｉＣ）の焼結体であり、前記型母材
表面には、中間層として炭化珪素（ＳｉＣ）が被覆さ
れ、該中間層には、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）が被覆されて
いることを特徴とする光学素子用成形型が提供される。

【０００８】中間層の表面粗さは、Ｒｍａｘ５ｎｍ以下
であることが好ましい。また、中間層に被覆された炭化
ホウ素（Ｂ₄Ｃ）の厚さは、０．２μｍ以下であること
が好ましい。また、中間層は、ＣＶＤ法によって形成さ
れたものが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光学素子用成
形型の一実施形態について図面を用いて説明する。図１
は、本実施形態の成形型の断面図である。成形型１は、
型母材１ａが炭化珪素（ＳｉＣ）の焼結体であり、型母
材表面には、中間層１ｂとして炭化珪素（ＳｉＣ）が被
覆され、該中間層１ｂには、最上位層１ｃとして炭化ホ
ウ素（Ｂ₄Ｃ）が被覆されている。この成形型１は、成
形時には２つ用意され、これらは、成形素材を挾むよう
に重ね合わされて用いられる。ここでは、成形素材とし
てガラスを用いることとする。

【００１０】成形型１の製造にあたっては、まず、目的
の光学素子の外形に即した凹面が形成されたＳｉＣ焼結
体を型母材１ａとして用意する。このＳｉＣ焼結体の凹
面には、ＣＶＤ（chemical vapour deposition）法によ
ってＳｉＣを被覆する。厚さは、例えば、３００μｍ以
上にする。続いて、このＳｉＣ層を研削、研磨し、表面
粗さＲｍａｘ５ｎｍ以下の鏡面に仕上げる。ＣＶＤ法に
よってＳｉＣを被覆すれば、焼結体特有のポアー発生に
よる表面粗さの悪化を防ぐことができ、鏡面仕上げ時に
容易にＲｍａｘ５ｎｍ以下の表面粗さを得ることができ
るようになる。この表面粗さは、高精度な光学素子でも
十分対応可能である。中間層１ｂであるＳｉＣ層の上に
は、最上位層１ｃとして、Ｂ₄Ｃを被覆する。厚さは、
０．２μｍ以下（好ましくは０．１μｍ以下）にする。
このように形成したＢ₄Ｃ膜は、高温下での化学的耐久
性が高く、また、ダイヤモンドに次ぐ硬度を有している
ため、光学素子の成形を繰返し行った場合でも、その表
面に傷等が入りにくい。また、このＢ₄Ｃ膜は、ガラス
との反応性が低くく、融着を起こしにくいため、表面粗
さを劣化させるようなことがない。なお、プレス成形の
条件にもよるが、このＢ₄Ｃ膜の厚さを０．４μｍ以上
にした場合は、Ｂ₄Ｃ膜の表面に亀裂等が入り、最終的
に膜の剥離に至る可能性がある。

【００１１】

【実施例】つぎに、成形型１の具体的な実施例について
述べる。

【００１２】ここでは、外径２０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、
凹面曲率半径３０ｍｍのＳｉＣ焼結体を型母材１ａとし
て用意し、凹面には、ＣＶＤ法によってＳｉＣを３００
μｍ被覆した。続いて、このＳｉＣ層を研削、研磨し、
表面粗さＲｍａｘ５ｎｍ以下の鏡面に仕上げ、この上に
は、スパッタリング法により、Ｂ₄Ｃを０．０５μｍ被
覆した。そして、この成形型を２つ（上型１１、下型１
２）用意し、以下の成形作業を行った。

【００１３】図２は、本成形作業で用いる成形装置の構
成図である。本成形装置は、本体部２０と排気部３０と
から成る。図３は、本体部２０の成形型周辺部の構成図
である。

【００１４】本実施例の成形装置では、図３に示すよう
に、スリーブ１３内に納められた上下一対の成形型（上
型１１、下型１２）の間に成形素材としてのボールプリ
フォーム１４を配置し、これを加熱軟化してプレスす
る。ボールプリフォーム１４は、光学ガラス材料を球形
に形成したものである。図２では、これら（上型１１、
下型１２、スリーブ１３、ボールプリフォーム１４）を
ワーク１０として表している。ワーク１０は、チャンバ
ー２６内の載せ台２１の上に配置されている。ワーク１
０の周囲には、ボールプリフォーム１４を加熱軟化する
ためのヒータ２３が配置されている。上型１１には、上
型軸２２が設けられている。上型軸２２は、駆動用シリ
ンダ２５が連結している。駆動用シリンダ２５には、制
御回路２７が接続されている。駆動用シリンダ２５は、
制御回路２７の指示にしたがって、上型軸２２を介して
上型１１を上下に移動させる。上型軸２２の途中には、
軸シール部を熱から保護するための遮蔽板２４が設けら
れている。チャンバー２６には、真空計３７と前述した
排気部３０が設けられている。排気部３０は、チャンバ
ー２６に連結した配管と、該配管の途中に設けられたバ
ルブ３１、３２、３３、３４と、チャンバー２６内を低
真空状態にするための油回転ポンプ３６と、チャンバー
２６内を中、高真空状態にするための油拡散ポンプ３５
とを備える。

【００１５】そして、まず、バルブ３１を開き、油回転
ポンプ３６により、チャンバー２６内を粗引きする。粗
引き後、バルブ３１を閉る。その後、バルブ３２、３３
を開き、油拡散ポンプ３５にて本引きする。真空計３７
でチャンバー２６内の真空度が５×１０^-5Ｔｏｒｒ以下
になったことを確認し、図４のスケジュールで作業を行
った。

【００１６】すなわち、ヒータ２３による加熱を行い、
３０分間で型温度を６５０℃まで上げ、１０分間、この
温度を保ち、ボールプリフォーム１４を加熱軟化した。
その後、駆動用シリンダ２５で上型１１を押し下げ、７
０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で１０分間加圧した。加圧開始
後、５分が経過したら、ヒータ２３を切り、温度を降下
させた。なお、加圧終了時点の型温度は、５５０℃であ
る。型温度が５５０℃まで下がった時点で加圧を終了さ
せるのは、成形素材であるガラスのＴｇ点との関係によ
る。本作業で用いたガラスのＴｇ点は、およそ５７０℃
であるが、Ｔｇ点以上では、ボールプリフォーム１４が
塑性変形してしまうため、Ｔｇ点より下の弾性変形域で
加圧を終了させるのである。

【００１７】その後、型温度が室温になったら、バルブ
３３を閉じて、バルブ３４を開き、チャンバー２６内に
大気を導入する。大気導入後、ワーク１０をチャンバー
２６から取り出す。そして、上型１１、下型１２をスリ
ーブ１３から抜き取って、成形された光学レンズ４０
（図５参照）を取り出した。この光学レンズ４０を光学
式表面粗さ計や走査型プローブ顕微鏡で観察した結果、
表面粗さがＲｍａｘ５ｎｍ以下になっており、高精度な
表面形状が保たれていた。また、同様な成形工程を連続
して５００回行い、各光学レンズの表面状態と、成形型
表面（成形面）を観察したが、表面粗さの変化はほとん
ど見られなかった。また、真空度を５×１０^-3Ｔｏｒｒ
に下げて、成形を行った場合でも、成形面の劣化は見ら
れなかった。

【００１８】なお、比較のため、型母材にダイヤモンド
を膜厚０．０５μｍ以下で成膜した成形型と、型母材に
貴金属膜（８０Ｐｔ−２０Ｉｒ）を膜厚０．０５μｍ以
下で成膜した成形型を用意し、同様な成形実験を行った
ところ、前者の場合、真空度を５×１０^-3Ｔｏｒｒの条
件にすると、数十回の成形で膜が完全に消失した。その
後は、成形型とガラスとが融着し、表面粗さを測定する
ことができなかった。また、後者の場合、一回の成形で
成形型の表面粗さが約４０ｎｍと劣化した。また、その
表面を観察すると、成膜した貴金属が粒状化しているこ
とが確認できた。その後、成形を続けていくと、膜表面
に無数の傷が入ってしまった。

【００１９】以上説明したように本実施例の成形型によ
れば、数百回のプレス成形を行った場合でも成形型表面
及び光学素子表面の表面粗さを良好に保つことができ
た。しかしながら、比較例として作製した２つの成形型
においては、成形型表面の粒状化現象によって所望の形
状精度がでなかったり、プレス成形後の光学素子表面に
成形型との反応痕が存在するなどして、目的の光学素子
を製造することができなった。

【００２０】なお、本実施例では、光学素子として図５
に示すような凸レンズを対象としているため、成形面が
凹面に形成された成形型を用いているが、本発明は、こ
れに限定されるわけでなく、例えば、成形面が凸面又は
平面に形成された成形型であっても構わない。また、光
学材料の形状もボールプリフォームのような球形に限る
ものでなく、近似球面形状、平板形状であってもよい。

【００２１】

【発明の効果】本発明の成形型によれば、高強度かつ高
精度な成形面によるプレス成形が可能になる共に、成形
面と、成形素材であるガラスとの融着反応が抑止される
ため、高精度な光学素子を安定的に量産できるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る成形型の一実施形態の断面図。

【図２】本発明に係る成形装置の一実施形態の構成図。

【図３】図１の成形装置の成形型周辺部分の構成図。

【図４】図１の成形装置の成形スケジュールの一例を示
したグラフ。

【図５】図１の成形装置で製造された光学素子の断面
図。

【符号の説明】

１：成形型、１０：ワーク、１１：上型、１２：
下型、１３：スリーブ、１４：ボールプリフォー
ム、２０：本体部、２１：載せ台、２２：上型
軸、２３：ヒータ、２４：遮蔽板、２５：駆動用
シリンダ、２６：チャンバー、２７：制御回路、
３０：排気部、３１、３２、３３、３４：バルブ、
３５：油拡散ポンプ、３６：油回転ポンプ、４０：
光学レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学素子のプレス成形に用いる光学素子用
成形型において、型母材が炭化珪素（ＳｉＣ）の焼結体であり、前記型母材表面には、中間層として炭化珪素（ＳｉＣ）
が被覆され、該中間層には、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）が被
覆されていることを特徴とする光学素子用成形型。
【請求項２】請求項１において、前記中間層の表面粗さは、Ｒｍａｘ５ｎｍ以下であるこ
とを特徴とする光学素子用成形型。
【請求項３】請求項１または２において、前記中間層に被覆された炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）の厚さ
は、０．２μｍ以下であることを特徴とする光学素子用
成形型。
【請求項４】請求項１、２または３において、前記中間層は、ＣＶＤ法によって形成されたものである
ことを特徴とする光学素子用成形型。