JPH11246229A - 光学素子成形用成形型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】成形面の面精度、形状維持に優れた光学素子成
形用成形型を提供する。 【解決手段】本発明の光学素子成形用成形型１は、光学
素子をプレス成形するための成形面３１を有するブロッ
ク体３と、ブロック体３を支持する母材２とを備えてお
り、ブロック体３はＰｔ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒ
ｈ、Ｐｄのうち少なくとも１種を主とする金属材料から
構成される。ブロック体３は固定手段４により母材２に
固定されていることが好ましく、成形面３１はブロック
体３の表面に直接設けられていることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は光学素子成形用成形
型、特にプレス成形により光学素子を成形する際に用い
られる光学素子成形用成形型に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レンズ等の光学素子のプレス成形に使用
される成形型は、常に高温環境下において使用されるた
め、硬度、耐脆性、耐熱性、離型性等に優れた材料を母
材（型材）とする。しかし、かかる高硬度材料からなる
母材に回折格子等の微細形状を設けた成形面を加工する
ことは困難である。

【０００３】光学素子成形用成形型として、例えば母材
を光学ガラス素子の反転形状に近似する形状に加工し、
その上に加工性のよいＰｔまたはＰｔ合金薄膜を設け、
該薄膜に成形面が形成されたものがある。

【０００４】しかし、高硬度材料の母材に合金層を積層
した成形型が、例えばガラスモールド法等のプレス成形
に使用される場合、成形型は加熱と冷却とが繰り返し行
われるため、母材と合金層の熱膨張係数の差異により両
者間に引っ張り（圧縮）応力が働き、合金層が剥がれ易
くなるという問題があった。

【０００５】または、例えばＳＵＳ材からなる母材、ま
たはかかる母材上に形成されたＮｉメッキ層に回折格子
を形成し、その上に耐熱性、耐酸化性の向上等を図るた
め、保護層としてＰｔ系合金薄膜を積層したもの等があ
る。

【０００６】しかし、回折格子が形成された母材または
Ｎｉメッキ層に保護層が積層された成形型は、保護膜の
膜厚が不均一となって形成される場合があり、そのよう
な場合には膜厚の不均一性を考慮して母材またはＮｉメ
ッキ層を切削する必要があるため、工程が煩雑となり成
形型の作製に長い時間を要する等の問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、母材
との熱膨張係数の相違等に起因する金属薄膜にクラック
の発生および剥離等がなく、成形面の面精度、形状維持
に優れた光学素子成形用成形型を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（13）の本発明により達成される。

【０００９】（１） 光学素子をプレス成形するための
成形面を有するブロック体と、前記ブロック体を支持す
る母材とを備える光学素子成形用成形型であって、前記
ブロック体はＰｔ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐ
ｄのうち少なくとも１種を主とする金属材料から構成さ
れることを特徴とする光学素子成形用成形型。

【００１０】（２） 前記金属材料はＨｆ、Ｔａ、Ｗの
うち少なくとも１種を３５wt％以下含有する上記（１）
に記載の光学素子成形用成形型。

【００１１】（３） 前記成形面は前記ブロック体の表
面に設けられている上記（１）または（２）に記載の光
学素子成形用成形型。

【００１２】（４） 前記ブロック体は前記母材に固定
されている上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の
光学素子成形用成形型。

【００１３】（５） 前記母材と前記ブロック体との固
定は固定手段によるものである上記（４）に記載の光学
素子成形用成形型。

【００１４】（６） 前記固定手段はボルトと係止具と
を備える上記（５）に記載の光学素子成形用成形型。

【００１５】（７） 前記固定手段のうち少なくとも１
つは前記母材と同じ構成材料からなる上記（５）または
（６）に記載の光学素子成形用成形型。

【００１６】（８） 前記母材と前記ブロック体との固
定は締まり嵌めによるものである上記（４）に記載の光
学素子成形用成形型。

【００１７】（９） 前記母材と前記ブロック体との固
定は冷やし嵌めによるものである上記（８）に記載の光
学素子成形用成形型。

【００１８】（10） 前記母材と前記ブロック体との固
定はろう接によるものである上記（４）ないし（９）の
いずれかに記載の光学素子成形用成形型。

【００１９】（11） 前記ブロック体は前記母材よりも
熱膨張係数が大きい構成材料から構成される上記（１）
ないし（10）のいずれかに記載の光学素子成形用成形
型。

【００２０】（12） 前記成形面には回折格子が形成さ
れている上記（１）ないし（11）のいずれかに記載の光
学素子成形用成形型。

【００２１】（13） 前記母材はロックウェル硬度が３
０以上の構成材料から構成される上記（１）ないし（1
2）のいずれかに記載の光学素子成形用成形型。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光学素子成形用成
形型を添付図面に示す好適実施例に基づいて詳細に説明
する。

【００２３】図１は、本発明の光学素子成形用成形型
（成形型）の第１実施例を示す断面図である。

【００２４】この図に示すように、本発明の光学素子成
形用成形型１は、光学素子をプレス成形するための成形
面３１を有するブロック体３と、ブロック体３を支持す
る母材２とを備えることを特徴とする。

【００２５】これにより、回折格子等を形成するため
に、一般に高硬度材料からなる母材２を切削・研磨等の
困難な作業を必要としない。また、母材２を光学素子の
反転形状に近似する形状にするべく研削加工を施す必要
がない。さらに母材２に成形面を設けるため切削加工の
し易い金属薄膜を形成する等の必要もないため、簡易に
かつ短時間に成形型を製造することができる。

【００２６】また、成形面３１をブロック体３に設ける
ことにより、熱応力等による金属薄膜の剥離やクラック
が発生し成形面の精度が低下する等の問題がない。

【００２７】本発明の成形型１に使用される母材２とし
ては、高硬度材料からなるものが好ましく、例えば炭化
珪素、窒化珪素、炭化チタン、窒化チタン、炭化タング
ステン等の炭化物、タングステンカーバイド系の超硬合
金、モリブデン、タングステン、タンタル等の金属等や
アルミナ、ジルコニア等の酸化物系セラミックス、窒化
物セラミックス等を用いることができる。

【００２８】これらの高硬度材料からなる母材２の構成
材料は、ロックウェル硬度が３０以上のものが好まし
い。これにより、成形型１の耐久性、耐熱性、耐食性等
を大幅に向上させることができる。また、光学素子の成
形時に母材２の摺動部において生じる、かじり、片当
り、噛みつき等を防止することができる。

【００２９】ここで、ロックウェル硬度（ＨＲＣ）と
は、ロックウェル硬さ試験において前後２回の基準荷重
における圧子の侵入深さ（ｈ）から、下記式（Ｉ）によ
り算出される値をいう。

【００３０】ＨＲＣ＝ａ−ｂｈ…（Ｉ） （ａ、ｂはロックウェル硬さのスケール毎に定められた
固有の値である。なお、上記基準荷重はＪＩＳでは１０
kgfを意味する。）

【００３１】ブロック体３の材質としては、特に限定さ
れないが母材２の材質と異なるものが好ましい。上述の
ように母材２は通常高硬度材料から構成されるため、成
形面を形成することが困難である。したがって、ブロッ
ク体３は母材２よりも加工性に優れる材質から構成され
ることが好ましい。

【００３２】さらに、ブロック体３は母材２よりも熱膨
張係数が大きい構成材料からなることがより好ましい。
これにより後述するように、ブロック体３と母材２との
固定をより容易かつ確実に行うことができる。

【００３３】このようなブロック体３は、Ｐｔ、Ｒｕ、
Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｄのうち少なくとも１種を
主とする金属材料から構成される。このような金属材料
は、柔軟で加工性に優れているため、例えばダイヤモン
ドバイト等を用いて回折格子等の微細パターンの加工を
容易に施すことができる。また、ガラス材料等の光学素
子材料（プリフォーム）との離型性に優れており、ガラ
ス材料等が付着することがない。さらに高融点で耐熱性
にも優れた安定した金属材料であって耐酸化性、耐久性
に優れている。

【００３４】また、ブロック体３は上記の金属材料にＨ
ｆ、Ｔａ、Ｗのうち少なくとも１種を３５wt％以下含有
することがより好ましい。これにより加工性および耐熱
性等をさらに向上させることができる。これらの元素の
含有量は、上記Ｐｔ等を主とする金属材料の３５wt％以
下であることが好ましい。Ｈｆ等の含有量が多すぎる
と、ブロック体３の硬度が大きくなり過ぎて加工性が低
下するおそれがあり、一方含有量が少なすぎると上記の
効果の向上が図れない場合がある。

【００３５】このようなブロック体３は、光学素子をプ
レス成形するための成形面３１を有している。かかる成
形面３１はブロック体３の表面に設けられていることが
好ましい。すなわち、成形面がメッキ層等に設けられて
いる場合、メッキ層と、メッキ層が設けられている被積
層体（母材、ブロック体等）との熱膨張係数の相違等に
よりメッキ層の剥れ、浮き等を生じ成形面形状の精度を
維持できないおそれがあるが、本発明のように成形面３
１がブロック体３の表面に直接設けられている場合、か
かる問題を生じるおそれがない。

【００３６】成形面３１の形状としては特に限定され
ず、成形する光学素子の形状により任意に決定すること
ができる。例えばレンズを成形する場合、成形面をレン
ズ径に合わせて曲面形状とし、その曲面上に例えば回折
格子を形成することができる。

【００３７】上記母材２には上記ブロック体３が固定さ
れている。これにより、母材２とブロック体３とは一体
となって成形型１を構成し、熱応力等による剥がれ、ず
れ等を生じることがない。以下、母材２とブロック体３
との固定方法について説明する。

【００３８】図１に示す第１実施例の成形型１におい
て、ブロック体３は母材２に設けられた凹部２１に嵌合
挿入されている。これによりブロック体３が位置決めさ
れる。

【００３９】この状態で母材２とブロック体３とは固定
手段４により固定されている。本実施例の固定手段４は
係止具５とボルト６とを備えており、かかる固定手段４
は少なくとも２つ以上用いられることが好ましい。

【００４０】図に示すように、平板状の係止具５を母材
２とフランジ３３とを押さえるように配置する。ボルト
６で係止具５を介してボルト締めすることにより、ブロ
ック体３はフランジ３３部分で母材２に押し付け固定さ
れる。

【００４１】ブロック体３が凹部２１に嵌合されたと
き、フランジ３３は凹部２１の外周面とほぼ同一の高さ
であるかまたは若干突出していることが好ましい。これ
によりボルト６を締めたとき、係止具５からの押圧力が
フランジ３３に付与され、ブロック体３を強固に固定す
ることができる。

【００４２】このようなボルト６と係止具５を備える固
定手段４によれば、容易にブロック体３を母材２に取付
け・固定することができる。また、温度上昇により熱膨
張が生じても両者の結合力が弱まることがない。さら
に、成形する光学素子の用途等に応じて所望の成形面が
形成されたブロック体を選択し交換することも可能とな
る。

【００４３】固定部材４の構成材料としては特に限定さ
れないが、固定部材４のうち少なくとも１つは母材２と
同じ材料で構成されていることが好ましい。これによ
り、固定部材の耐熱性、耐久性がより向上する。

【００４４】また、加熱と冷却が繰り返される環境下に
晒されてもブロック体３の固定状態を維持することがで
きる。すなわち、母材２と固定手段４との熱膨張係数は
同じであるため、例えばボルト６と母材２に設けられた
ネジ孔との寸法のずれによる緩み等が生じることがな
い。

【００４５】図２は、本発明の成形型の第２実施例を示
す断面図である。ブロック体３は母材２に締まり嵌めに
より固定されている。これにより特に固定手段を用いる
ことなくブロック体３を母材２に固定することができ
る。

【００４６】本実施例の場合、ブロック体３は、母材２
に設けられた凹部２１に冷やし嵌めにより固定されてい
る。固定される前のブロック体３の寸法は、母材２の凹
部２１の寸法に対し、しめしろ分大きく形成されてい
る。

【００４７】このようなブロック体３および母材２の少
なくとも凹部２１を例えば−５０℃以下に冷却し、ブロ
ック体３を凹部２１に嵌入可能に収縮させる。収縮した
ブロック体３を凹部２１に嵌入した後、温度を上昇させ
れば、ブロック体３は熱膨張により元の大きさに戻り、
凹部２１との嵌め合いにより固定される。

【００４８】このとき、ブロック体３は母材２よりも熱
膨張係数が大きい構成材料から構成されることが好まし
い。これにより、例えば固定するために両部材を冷却し
た場合、ブロック体３は凹部２１よりも大きく収縮する
ため、容易に凹部２１に嵌入可能にすることができる。
一方、両部材が固定された状態で加熱された場合、ブロ
ック体３は凹部２１よりも大きく熱膨張するため、凹部
２１から脱落することはなく、容易かつ確実に固定状態
の維持が可能となる。

【００４９】図３は本発明の成形型の第３実施例を示す
断面図である。本実施例では、ブロック体３はろう材８
により母材２にろう接されている。これにより、ブロッ
ク体３を母材２へ簡単に固定することができる。

【００５０】また、第２実施例のごとく母材２に凹部２
１を形成する必要がなく、成形型の製造工程を簡略化す
ることができる。さらにブロック体３は凹部に嵌入する
部分が必要ないため小型化することができ、製造コスト
の低減を図ることができる。

【００５１】なお、ろう接による固定は、上記の固定手
段による固定や締まり嵌めと併用してもよい。

【００５２】

【実施例】次に、本発明の具体的実施例について説明す
る。

【００５３】１.成形型の作製 （実施例１）

【００５４】図１に示すように、Ｗ−Ｍｏ合金製（ロッ
クウェル硬度：ＨＲＣ３４）の母材２を製造した。この
母材２は、ブロック体３を挿入するための凹部２１およ
び凹部２１の周辺に形成された３つのネジ孔とを有して
いる。

【００５５】次に、図に示すようなフランジ３３を有す
るＰｔ９０wt％−Ｗ１０wt％合金からなるブロック体３
を製造した。このブロック体３を母材２の凹部２１に挿
入した後、係止具５を凹部２１の外周面とフランジ３３
とを押さえるように設置し、３本のボルト６で締め付け
ブロック体３を母材２に固定した。

【００５６】係止具５およびボルト６は母材２と同じＷ
−Ｍｏ合金製のものを使用した。母材２およびブロック
体３の各熱膨張係数は表１に示す通りである。

【００５７】

【表１】

【００５８】次に、母材２に固定されたブロック体３の
表面に０．５mmＲのダイヤモンドバイトを使用して切削
加工し、仕上げ成形面形状に近似する非球面の近似形状
とした。

【００５９】その後、５μｍＲのダイヤモンドバイトを
使用して切削加工を行い回折形状を形成し成形面３１を
設け、光学素子成形用成形型１を作製した。

【００６０】（実施例２）実施例１と同様の材料を用い
て母材２を製造した。この母材２はブロック体３を嵌め
入れるための凹部２１を有している。

【００６１】次に、Ｉｒ８０wt％−Ｒｕ１０wt％−Ｔａ
１０wt％合金を用いてブロック体３を製造した。ブロッ
ク体３には凹部２１の寸法に対するしめしろを設けた。

【００６２】母材２およびブロック体３を約−５０℃に
冷却しブロック体３を凹部２１に嵌め入れた後、常温に
戻して固定した。母材２およびブロック体３の各熱膨張
係数は表１に示す通りである。

【００６３】最後に、母材２に固定されたブロック体３
に実施例１と同様にして回折格子を形成した成形面３１
を設け、図２に示すような光学素子成形用成形型１を作
製した。

【００６４】（実施例３）超硬合金タングステンカーバ
イド（ＷＣ）製（ロックウェル硬度：ＨＲＣ７０）の母
材２と、Ｐｔ９０wt％−Ｗ１０wt％合金からなるブロッ
ク体３を製造した。

【００６５】これらを組合わせ、ＰｄおよびＡｇを主材
料とするろう材８によりろう接した。

【００６６】次に、母材２に固定されたブロック体３に
実施例１と同様にして成形面３１を設け、図３に示すよ
うな光学素子成形用成形型１を作製した。母材２および
ブロック体３の各熱膨張係数は表１に示す通りである。

【００６７】（比較例１）実施例３と同様の材料を用い
て母材２を製造した。この母材２にはブロック体３を嵌
め入れるための凹部２１が設けられている。

【００６８】次に、ＳＵＳ４２０を構成材料とするブロ
ック体３を製造した。ブロック体３には上記凹部２１の
寸法に対するしめしろを設け、成形面３１が設けられる
面には機械加工により予め近似非球面を形成した。この
母材２およびブロック体３を約−５０℃に冷却し凹部２
１に嵌め入れた後、常温に戻して固定した。母材２およ
びブロック体３の各熱膨張係数は表１に示す通りであ
る。

【００６９】ブロック体３を固定した後、ブロック体３
の近似非球面に膜厚１００μｍの無電解Ｎｉメッキ層１
０を形成した。次にこの無電解Ｎｉメッキ層１０を切削
加工して回折格子を形成し成形面３１を設けた。

【００７０】最後に、保護被膜として膜厚約１μｍのＰ
ｔ薄膜１６をスパッタリングにより形成し図４に示す光
学素子成形用成形型を作製した。

【００７１】（比較例２）実施例３と同じ材料からなる
母材２に研削加工を施し、光学素子の反転形状に近似す
る形状とした。

【００７２】次に母材の研削加工を施した面に、スパッ
タリングによりＰｔ合金薄膜１４（膜厚：２０μｍ）を
形成した。このＰｔ合金薄膜１４に切削加工により回折
格子を形成し、図５に示すような光学素子成形用成形型
を作製した。

【００７３】２．２０００回プレス成形後のブロック体
の状態 実施例１〜３および比較例１、２の各成形型を用いて光
学素子を作製した。

【００７４】光学素子の成形は、ＶＣ７８ガラス（住田
光学ガラス社製）のプリフォームを用い、これを各実施
例および比較例で作製した各成形型（上下）で挟み、こ
の状態で５８０℃に昇温し、窒素雰囲気下で１００kg／
cm² のプレス圧で加圧することにより行った。その後、
２００℃に冷却して取り出し、光学素子を作製した。

【００７５】これを各成形型について２０００回繰り返
し、各成形型の成形面の状態を目視で観察した。これら
の結果を表２に示す。

【００７６】

【表２】

【００７７】実施例１〜３の成形型は、２０００回のプ
レス成形を繰り返した後でも、酸化作用および熱等の影
響による成形面の変化は全く認められなかった。表面状
態は全く変化せず、ガラス材料の離型性も良好であっ
た。また、ブロック体と母材との固定状態も良好に維持
されていた。さらに、成形された光学素子には成形面に
形成された回折形状が完全に転写されていた。

【００７８】一方、比較例１の成形型は、５〜１０回プ
レス成形を繰り返した時点で無電解Ｎｉメッキ層１０の
結晶化によりその表面が荒れて白っぽく変色した。

【００７９】比較例２の成形型は、プレス成形を２〜３
回程度繰り返した時点で熱応力によりＰｔ合金薄膜１４
の膜剥れがみられた。

【００８０】以上、本発明の光学素子成形用成形型を図
示の各実施例について説明したが、本発明はこれらに限
定されるものではなく、例えば、ブロック体と母材との
固定方法は焼きばめであってもよく、さらにろう接等と
併用して固定するものであってもよい。

【００８１】また、本発明の光学素子成形用成形型は凸
面レンズ用成形型に限定されず、凹面レンズ用成形型、
非球面レンズ用成形型、シリンドリカルレンズ用成形型
等種々の光学素子の成形に用いることができる。

【００８２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の光学素子成
形用成形型は、プレス成形を繰り返し行っても成形面の
荒れ、薄膜の剥れ、クラックの発生等がなく耐久性に優
れている。さらに、成形面の形状維持性および面精度に
優れている。

【００８３】これにより、製造される光学素子の品質の
向上、生産性の向上および製造コストの低下を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子成形用成形型の第１実施例を
示す断面図である。

【図２】本発明の光学素子成形用成形型の第２実施例を
示す断面図である。

【図３】本発明の光学素子成形用成形型の第３実施例を
示す断面図である。

【図４】光学素子成形用成形型の比較例を示す断面図で
ある。

【図５】光学素子成形用成形型の比較例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 光学素子成形用成形型 ２ 母材 ２１ 凹部 ３ ブロック体 ３１ 成形面 ３３ フランジ ４ 固定手段 ５ 係止具 ６ ボルト ８ ろう材 １０ 無電解Ｎｉメッキ層 １２ 保護層 １４ Ｐｔ合金薄膜 １６ Ｐｔ薄膜

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学素子をプレス成形するための成形面
   を有するブロック体と、前記ブロック体を支持する母材
   とを備える光学素子成形用成形型であって、 前記ブロック体はＰｔ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒ
   ｈ、Ｐｄのうち少なくとも１種を主とする金属材料から
   構成されることを特徴とする光学素子成形用成形型。
2. 【請求項２】 前記金属材料はＨｆ、Ｔａ、Ｗのうち少
   なくとも１種を３５wt％以下含有する請求項１に記載の
   光学素子成形用成形型。
3. 【請求項３】 前記成形面は前記ブロック体の表面に設
   けられている請求項１または２に記載の光学素子成形用
   成形型。
4. 【請求項４】 前記ブロック体は前記母材に固定されて
   いる請求項１ないし３のいずれかに記載の光学素子成形
   用成形型。
5. 【請求項５】 前記母材と前記ブロック体との固定は固
   定手段によるものである請求項４に記載の光学素子成形
   用成形型。
6. 【請求項６】 前記固定手段はボルトと係止具とを備え
   る請求項５に記載の光学素子成形用成形型。
7. 【請求項７】 前記固定手段のうち少なくとも１つは前
   記母材と同じ構成材料からなる請求項５または６に記載
   の光学素子成形用成形型。
8. 【請求項８】 前記母材と前記ブロック体との固定は締
   まり嵌めによるものである請求項４に記載の光学素子成
   形用成形型。
9. 【請求項９】 前記母材と前記ブロック体との固定は冷
   やし嵌めによるものである請求項８に記載の光学素子成
   形用成形型。
10. 【請求項１０】 前記母材と前記ブロック体との固定は
    ろう接によるものである請求項４ないし９のいずれかに
    記載の光学素子成形用成形型。
11. 【請求項１１】 前記ブロック体は前記母材よりも熱膨
    張係数が大きい構成材料から構成される請求項１ないし
    １０のいずれかに記載の光学素子成形用成形型。
12. 【請求項１２】 前記成形面には回折格子が形成されて
    いる請求項１ないし１１のいずれかに記載の光学素子成
    形用成形型。
13. 【請求項１３】 前記母材はロックウェル硬度が３０以
    上の構成材料から構成される請求項１ないし１２のいず
    れかに記載の光学素子成形用成形型。