JPS63297230A - ガラス成形体の成形型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はガラスをプレス成形するための成形型に関し、
特に、プレス成形後に研磨を必要としない高精度のガラ
ス成形体を得るための成形型に関する。

［従来の技術］ プレス成形によりガラス成形体を得るための成形型とし
て、シリコーンカーバイドやシリコンナイトライドを用
いた型（特開昭５２−４５６１３号公報参照）等が知ら
れている。また最近タングステンカーバイドを主成分と
する基盤上に表面層として白金と他の貴金属元素からな
る負金属合金のコーテイング膜を形成したもの（特開昭
６０−２４６２３０号公報参照）やシリコンからなる基
盤上に表面層として白金と他の負金属元素からなる貴金
属合金のコーテイング膜を形成したもの（Ｗ間両６１−
２４２９２２号公報参照）が提案されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、特開昭５２−４５６１３号公報において
成形型用材料として開示されたシリコンナイトライドや
シリコンカーバイドは非常に硬い材料であり、非球面状
に仕上げ加工を行なう際に、ダイヤモンドバイトによる
切削加工ができず、このため高精度加工の難易度が極め
て高く、またこれらの材料の極表面層は酸化層となりや
すいため、プレス成形時にガラスと融着しやすいという
欠点があった。

また特開昭６０−２４６２３０号公報に開示された、タ
ングステンカーバイド基盤上に表面層として白金系負金
属合金層を形成した成形型は、タングステンカーバイド
が上述のシリコンナイトライドヤシリコンカーバイドに
比べ高精度加工が多少容易であるという利点を有するが
、それでも十分ではなく、さらに長時間に亘って光学ガ
ラスを高温下で成形することによって基盤材料であるタ
ングステンカーバイドが酸化されて面積度が低下し、負
金属合金層が剥離しやすく、また成形時のガラス成形体
の離型性も良くないという欠点があった。

また特開昭６１−２４２９２２号公報において基盤材料
として開示されたシリコンは切削加工による精密加工が
できるという利点を有するが、本発明者らの実験によれ
ば、シリコン基盤上に表面層として設けられた上記白金
系貴金属合金膜がシリコンに対する付着性に乏しく、両
者間の熱膨張係数が大きく異なることから、数回のプレ
ス成形で簡単に負金属合金膜がシリコン基盤から剥離し
てしまい、かつ、白金とイリジウム、オスミウム、ロジ
ウム、パラジウム、ルテニウムと云った貴金属のみの組
み合せの表面層では、プレス成形時のガラス成形体の離
型性があまりよくないことが判明している。

従って本発明の目的は、上記した従来技術の成形型の欠
点を解消し、切削加工による精密加工性、表面層の基盤
との付着性、ガラス成形体の離型性の全てを同時に満足
するガラス成形体の成形型を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上記の目的を達成するためになされたものであ
り、本発明のガラス成形体の成形型は基盤と、該基盤上
に設けられた中間層と、該中間層上に設けられた表面層
とを備え、前記の中間層が少なくとも１種のガラスで構
成され、そして前記の表面層が５０〜９５ｗｔ％の白金
と５〜４０ｗｔ％のニッケル及び／又はクロムとを含む
少なくとも２種の金属で構成されていることを特徴とす
るものである。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明のガラス成形体の成形型は、基盤と、該基盤上に
設けられた中間層と、該中間層上に設けられた表面層と
を備えたものである。

先ず基盤について説明すると、基盤材料については、基
盤として一般に要求される硬度、強度および耐熱性等を
満足するものであれば特に限定されず、シリコンカーバ
イド、シリコンナイトライド、タングステンカーバイド
、サーメット、ステンレス鋼、シリコンなどが使用可能
である。

上述の基盤材料のうち、シリコンカーバイド、シリコン
ナイトライド及びタングステンカーバイドなどの硬い材
料を用いた場合には、成形型の最終形状に近い形状に加
工した後に、中間層、表面層を順次形成し、しかる後に
ダイヤモンドバイトによる高精度切削加工を行ない最終
非球面形状に仕上げるのが好ましい。

また基盤材料がシリコンの如き柔い材料の場合には、シ
リコン自体をダイヤモンドバイトで高精度に切削加工す
るのが好ましい。

本発明の成形型においては、上記の基盤上に中間層が設
けられ、該中間層は少なくとも１種のガラスで構成され
ている。

中間層は、基盤の酸化を防止し、かつ基盤中の金属成分
の表面層への拡散を防止すること及び基盤と表面層が熱
膨張係数の差によって剥離するのを防止し両者間の接着
性を向上させること等の目的を達成することが要求され
るが、本発明において中間層材料として用いられたガラ
スは、これらの目的を十分に達成することができる。そ
れはガラスが下記の如き性質及び特徴を有するからであ
る。

（ｉｌ　　ガラスは基盤上に均一なコーテイング膜を形
成し得るので、基盤の酸化を防止する。また基盤と表面
層の中間にあって、両者を隔離するバリヤ一層として働
き、基盤中の成分の表面層への拡散を防止する。

（ｉｉｌ　　ガラスは基盤とも白金合金系表面層とも親
和性が良く、またガラス構成成分の種類及び組成比を変
えることによってその熱膨張係数を基盤の熱膨張係数と
表面層の熱膨張係数の間の所望の値に任意に設定できる
ので、基盤材料及び白金合金系表面層材料を広範囲に変
化させても両者間に強固な接着を形成することができる
。

上述の如く中間層材料として用いられるガラスは、その
熱膨張係数が基盤の熱膨張係数と表面層の熱膨張係数の
間の値（３，５Ｘ１０’〜１０．５Ｘ１０’／’Ｃ）で
ある必要があるが、更にプレス温度（被成形ガラスの粘
度がほぼ１０８〜１０１０ポアズになる温度）で軟化し
ないもの、即ら、ガラス層のガラス転移温度（Ｔｑ）が
プレス温度より高いものである必要がある。このような
ガラスの例としては、酸化ケイ素２７〜５５ｗｔ％、酸
化ホウ素１０〜２４ｗｔ％、酸化アルミニウム２〜１２
ｗｔ％、酸化バリウム２０〜５３ｗｔ％とその他の成分
から成るガラス；酸化ケイ素１〜６ｗｔ％、酸化ホウ素
１７〜４Ｑｗｔ％、酸化ランタン２０〜５７ｗｔ％とそ
の他の成分から成るガラス：又は酸化ケイ素５０〜６５
ｗｔ％、酸化アルミニウム８〜２０ｗｔ％、酸化亜鉛１
〜１６ｗ【％、酸化マグネシウム１〜１６ｗｔ％とその
他の成分か、ら成るガラス等が挙げられる。

中間層は単一層であっても良いが、複数層であっても良
く、後者の場合、各層のガラスの熱膨張係数を基盤側か
ら表面層側に向って順次増加させると、中間層が単層か
らなる場合に比べて、基盤と中間層間及び中間層と表面
層間の熱膨張係数の差を低く抑えることができるので、
基盤と表面層間の接着性が更に向上する。なお中間層の
厚さは０．０３〜１０μｍ程度が適当である。０．０３
μ偲未満では均一な層を形成することができず、また１
０μｍを超えても厚くしたことによるメリットがないか
らである。

ガラス中間層の形成はスパッタ法等の手段により行なわ
れる。

本発明の成形型においては、上記の中間層上に表面層が
設けられ、該表面層は５０〜９５ｗｔ％の白金と５〜４
０１１１ｔ％のニッケル及び／又はクロムとを含む少な
くとも２種の金属で構成されている。

本発明者らは、白金とイリジウム等の貴金属合金からな
る従来の表面層では、プレス成形時のガラス成形体の離
型性があまり良くないのに対し、５０〜９５ｗｔ％の白
金と５〜４０ｗｔ％のニッケル及び／又はクロムとを含
む少なくとも２ｆａの金属を表面層として用いると、離
型性が著しく向上することを見い出した。白金含有率を
５０〜９５ｗｔ％に、そしてニッケル及び／又はクロム
含有率を５〜４０ｗｔ％に限定したのは、白金が９５ｗ
ｔ％を超え、その結果ニッケル及び／又はクロムが５ｗ
ｔ％未満になると、硬度が低くなって傷が発生しやすく
、またプレス成形１時のガラスの離型性が良好でなくな
るためであり、一方、白金が５Ｑｗｔ％未満となり、そ
の結果ニッケル及び／又はクロムが４Ｑｗｔ％を超える
と、プレス成形時にニッケル及び／又はクロムがガラス
成形体に拡散しやすくなるためである。

上記の白金とニッケル及び／又はクロムに加えてロジウ
ム、イリジウム、パラジウム、金等を加えると、一層高
温のプレス成形においても使用に耐え得るようになる。

表面層の形成はスパッタ法等により行なわれるのが好ま
しい。

表面層の厚さは、基盤材料としてシリコンナイトライド
、シリコンカーバイド及びタングステンカーバイド等の
ダイヤモンドバイトによる高精度の非球面切削加工が困
難な材料を用いた場合には、表面層形成後にダイヤモン
ドバイトによる高精度の非球面切削加工を行なう必要が
あるため３〜５０μｍの厚さにするのが好ましいが、基
盤材料として、ダイヤモンドバイトによる高時間の非球
面切削加工が比較的に容易なシリコンを用いた場合には
、０．０３〜１０μｍの厚さで良い。

なお、最終形状が球面の場合は、基盤材料を鏡面仕上げ
し、中間層及び表面層を順次コーティングして、これを
最終面として使用してもよい。この場合、中間層及び表
面層のコーティング厚さの合計で１０ｕＩ以下にするこ
とが好ましい。

［実施例］ 以下、実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明
はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例工 成形型を収納したプレス成形機の構造を示す断面図を第
２図に示す。成形型は上型１、下型２及び案内型３で構
成され、上型１及び下型２は案内型３内に滑動するよう
に収納されており、この上型１と下型２との間に被成形
ガラス塊４がセットされる。本実施例では案内型３は材
質をシリコンカーバイドとし、外径２６ｍｒｎ、内径１
４ｍ１高さ４０ｍｍに加工したものを中間層及び表面層
を設けることなくそのまま使用した。また上型１及び下
型２は外径１４＋ｍ、高さ約２０ｓ＋で、材質としてタ
ングステンカーバイドのものとシリコンカーバイドのも
のを多数用意し、一端面を凹形状に精研削し、これを基
盤とした。一方、第１表に示す５種類の組成のガラス■
〜■を用意し、中間層形成用のターゲットとした。第１
表には中間層用ガラスの熱ｌｌ！張係数及び転移温度も
示しである。第２表には本実施例で用いられた基盤の種
類、各中間層のガラスの種類とその膜厚及び表面層の組
成と膜厚が一括して示しである。例えば、第２表に示さ
れた実験例４の成形型の製作例について詳述すると、焼
結時に）−１１Ｐ処理を施して緻密にした、バインダー
としてコバルトを約６％含むタングステンカーバイドく
熱膨張係数５．ＯＸｌ　０”６／’Ｃ＞を第１図に示す
ように最終形状に近い非球面形状にダイヤモンド砥石で
加工したものを基盤５とし、スパッタリング装置を用い
て成膜するに先だって、逆スパツタリングにより表面を
清浄化し、第１表に示すガラス■（熱膨張係数６．５ｘ
１０’／”Ｃ）をターゲットとし、所定の成膜条件（ア
ルゴンガス圧Ｉ　Ｘ　１０　’ｔｏｒｒ、成膜速度０．
０５μｍ／ｍｉｎ　）で第１中間層６を形成しくＩＩＩ
厚０．５μｍ）、その上にガラス■（熱膨張係数７．９
×１０−６／’Ｃ）をターゲットとして同一条件で第２
巾間層７を形成しく膜厚０．５μｌ１ｌ）、最後に白金
（７０ｗｔ％）−ニッケル（３０ｗｔ％）合金（熱膨張
係数１１　Ｘ　１０−６／℃）をターゲットとして、は
ぼ同一条件で膜厚１０μｌの表面層８の成膜を行なった
。次に、！１１結晶のダイヤモンドバイトを用いて、表
面から約５μｍを切削加工し非球面の成形型を完成させ
た。このとき表面粗さは１００００ＡＲであった。なお
、第１図では型の側面にａｘ も成膜されているが、型の成形面だけに成膜してもよい
。

実験例６は基盤を球面に加工しておき、表面層を５０μ
ｍの厚さにスパッタした後、この表面層を非球面加工し
た例である。また、実験例１は基盤を高精度の球面に鏡
面加工し、中間層を２μｍ形成した後、表面層を１μｍ
成膜して、球面型として完成させたものであり、このと
き表面粗さは８０ＡＲであった。同様に実験例２．３及
びａｘ ５において基盤をタングステンカーバイドとする本発明
の成形型が得られた。

実験例７〜９はシリコンカーバイド焼結体にＣＶＤ法で
シリコンカーバイドを被覆したものを基盤とし、これを
球面に鏡面加工した後、中間層及び表面層をスパッタし
て、球面型として完成させたものであり、このときの表
面粗さは３０ＡＲであった。実験例１０〜１５はシリコ
ン力ａＸ −バイト焼結体をあらかじめ最終形状に近い非球面形状
に砥石加工し、中間層及び表面層をスパッタ法により成
膜した後、表面層を最終非球面形状に加工して仕上げた
ものである。

次に、このようにして作製した成形型を用いたプレス成
形例を第２図を参照しながら説明する。

まず、上型１、下型２、案内型３からなる本発明の成形
型内に、ガラス組成がｗｔ％でＳ　ｉ　Ｏ２２７，８、
Ｎａ　　Ｏ１，８、Ｋ、、０１．２’、Ｐｂ０　６５．
２、Ａ夕２０３２．０．Ｔｉ０２２．０である光学ガラ
ス（転移温度４３５℃）の直径１０ｍの球状の被成形ガ
ラス塊４を入れて、支持環の上に支持台１０を介して配
置し、Ｎ２雰囲気にして、石英管１１の外周に巻き付け
たヒーター１２により、成形型と共に被成形ガラス塊４
を加熱し、押し捧１３を下降させて、５００℃で、８０
Ｋｇ／ｃｒＲ２の圧力で３０秒間プレスした。その後圧
力を解き、プレス成形されたガラス成形体を、上型１お
よび下型２と接触させた状態のまま上記転移温度まで徐
冷し、次いで室温付近まで急冷して、ガラス成形体を成
形型から取り出した。

実験例１〜１５の成形型を用いて、それぞれ１０００回
ずつプレス成形を繰り返した結果、いずれの実験例につ
いても、ガラス成形体は離型性が良好で、型との接触面
において化学反応した様子が認められず、面粗度は１０
０ＡＲ以下でａＸ あり、透明度も良好であった。また、いずれの型も表面
層又は中間層の剥離は起こらず、面粗度及び鏡面状態が
維持された。上記効果は、ガラス中間層が複数層からな
る実験例４〜６及び実験例１０〜１５において特に著し
かった。

一方、実験例１と１１及び表面層が同じであるが、中間
層を介在させなかった比較実験例１Ｃの成形型では基盤
のタングステンカーバイドのバンイダーであるコバルト
が拡散して表面に達し、表面が顕著に肌荒れした。

また実験例２及び９とそれぞれ３１３及び表面層が同じ
であるが、中間層を介在させなかった比較実験例２Ｃ及
び９Ｃの成形型では、中間層がないため、いずれも１０
〜２０回のプレス成形で表面層が１１１を起こした。

また、第２表には示していないが、タングステンカーバ
イドにシリコンカーバイドを０．３μｍスパッタした後
、中間層を設けることなく本発明の表面層を２μｍスパ
ッタしたものも１０〜２０回のプレス成形で表面層が剥
離を起した。

さらに、これも第２表には示していないが、本発明の表
面層材料に含まれない白金−ロジウムおよび白金−イリ
ジウムの各合金のコーテイング膜からなる表面層を本発
明の中間層を介してそれぞれ形成した成形型を使用して
、同様にプレス成形を行なったところ、最初のプレス成
形時からガラス成形体の離型性が悪かった。

なお、上述の実験例において成形型の表面層はわずかに
酸化されることがあったが、プレス成形時のガラス成形
体の離型性や表面粗さに対して影響はないことが判明し
た。

実施例■ 実施例■と同様に、案内型３はシリコンカーバイドから
なる同一形状のものを用いたが、実施例■と異なり、上
型１及び下型２の材料としてシリコンを用い、これを加
工して外径１４＃、高さ約２０ｍの上型１及び下型２を
作り、一端面を単結晶のダイヤモンドバイトを用いて凹
形の非球面形状に精密に切削加工した。ここではシリコ
ンとして、軸方向が＜１１１＞のシリコン単結晶を用い
たが、必ずしもその必要はない。一方、第１表に示す３
種類の組成のガラス■、■及び■を用意し、中間層形成
用のターゲラ１〜とした。第１表には中間層用ガラスの
熱膨張係数及び転移温度も示しである。第３表に本実施
例の各中間層に用いられたガラスの種類と膜厚及び表面
層の組成と膜θが一括して示しである。例えば実験例２
８の成形型の製作例について詳述すると、第１図に示す
ように非球面形状に精密に切削ｌｌ１１丁シたシリコン
（熱膨張係数４．２ｘｌＯ−６／℃）の基１５の上に、
スパッタリング装置を用いて成膜するに先だって、逆ス
パツタリングにより表面を清浄化し、第１表に示すガラ
ス■（熱膨張係数６．３Ｘ’１０’／℃）をターゲット
とし、所定の成膜条件（アルゴンガス圧１　ｘ　１０−
３ｔｏｒｒ、成膜速１１０．０５μｍ／ｍｉｎ　＞で第
１中間層６を形成しく膜厚０．３μＩＲ）、その上にガ
ラス■（熱膨張係ｆｉ７．９Ｘ１０’／℃）をターゲッ
トとして同一条件で第２中間層７を形成しく膜厚０．３
μｌｌ１）、＠後に白金（７０ｗｔ％）−ニッケル（１
５ｗｔ％）−クロム（１５ｗｔ％）合金（熱膨張係数９
．６Ｘ１０−６層℃）をターゲットとして、はぼ同一条
件で膜厚０．３μｍの表面層８の成膜を行なった。この
ときの表面粗さは１００ＡＲ４８ｘであった。他の実験
例についてもほぼ同様の方法で成膜を行なった。

このようにして作製した成形型内に、ガラス組成がｗｔ
％ｒｓｉｏ　　２７．８、Ｎａ２Ｏ１，８、Ｋ　　Ｏ１
，２、ＰｂＯ６５，２、Ａｌ２Ｏ３２、Ｏ、Ｔ　ｉ　０
２２　、０　テアル光学カラス（転移温度４３５℃）の
直径１０麿の球状の被成形ガラス塊４を入れて、第２図
に主要部を示す成形様の、支持棒９上に支持台１０を介
して配置し、Ｎ２雰囲気にして、石英管１１の外周に巻
きつけたヒーター１２により、成形型と共に被成形ガラ
ス塊４を加熱し、押し棒１３を下降させて、５００℃で
８０　Ｋｇ　／　ｃｔｎ　２の圧力で３０秒間プレスし
た。その後圧力を解き、プレス成形された成形体を、上
型１及び下型２と接触させた状態のまま上記転移温度ま
で徐冷し、次いで室温付近まで急冷して、ガラス成形体
を成形型から取り出した。

実験例２１〜３４の成形型を用いて、それぞれ１０００
回ずつプレス成形を繰り返した結果、いずれの実験例に
ついても、ガラス成形体は離型性が良好で、型との接触
面において化学反応した様子が認められず、面粗度は１
００ＡＲＩＩｌａｘ以下であり、透明度も良好であった
。また、いずれの型も表面層又は中間層の剥離は起こら
ず、面精度及び鏡面状態が維持された。これらの効果は
、ガラス中間層が２層からなる実験例２７〜３４におい
て特に著しかった。

一方、実験例２８と基盤及び表面層は同じであるが、中
間層を介在させなかった比較実験例２８Ｃの成形型では
数回のプレス成形で表面層が剥離を起こした。また、第
３表には示さなかったが、実験例２８と同一の２層の中
間層を介して、表面層として、本発明の表面層に含まれ
ない白金−ロジウム及び白金−イリジウムの各合金から
なるコーテイング膜を形成した成形体を使用して、同様
にプレス成形を行なったところ、最初のプレス成形時か
らガラス成形体の離型性が悪かった。

なお、本実施例で基盤材料として用いられたシリコンは
比較的酸化されやすい材料であり、スパッタリングを行
なう前に既に若干酸化されていることがあるが、このよ
うな基盤にコーティングしても支障はないし、あらかじ
め若干酸化させてからコーティングしても構わない。

なお、上述の実施例■及び■においては、いずれも被成
形ガラスとしてプレス温度が５４０℃付近のＳ　ｉ　０
２−８２０３−Ｌ、１２０−ＣａＯ−１ａ　　ＯＴ　ｉ
　ＯＺｒ　ＯＮｂ２Ｏ５系ガラスを使用し、中間層のガ
ラスとして、転移温度が６００℃以上のものを使用した
が、被成形ガラス及び中間層のガラスはこれ等に限定さ
れるものではない。被成形ガラスとしては、プレス温度
、即ちガラス粘度がほぼ１０８−１０１０ポアズになる
温度が６５０℃以下が好ましい。又、中間層のガラスと
しては、その転移温度が被成形ガラスのプレス温度より
も高いものを選べばよい。例えば、被成形ガラスが、プ
レス温度４００℃位の低軟化点ガラスである場合は中間
層のガラスの選択範囲は非常に広くなる。

［梵明の効果］ 本発明によれば、白金とニッケル及び／又はクロムを主
成分とする表面層を設けたことにより、プレス成形時に
おけるガラス成形体の離型性が非常に良好となり、又、
基盤と表面層の間に中間層としてガラス賢を設けたこと
により接着性が向上して膜の剥離が発生せず、かつ基盤
の酸化も防止され、寿命の長い成形型が得られる。

また基盤材料としてシリコンを用いた場合には高精度の
非球面切削加工が容易になり、またシリコン以外の、ダ
ンゲステンカーバイドやシリコンカーバイドなどの基盤
材料を用いた場合にも表面層を設けた後に型表面の高精
度加工、特に非球面加工が容易になるという利点を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、基盤、中間層及び表面層の構成を示す本発明
の成形型の部分断面図、第２図は本発明の成形型を収納
したプレス成形機の構造を示す断面図である。 １・・・上型、２・・・下型、３・・・案内型、４・・
・被成形ガラス塊、５・・・基盤、６・・・第１中間層
、７・・・第２中間層、８・・・表面層、９・・・支持
棒、１０・・・支持台、１１・・・石英管、１２・・・
ヒーター、１３・・・押し棒、１４・・・熱雷対。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基盤と、該基盤上に設けられた中間層と、該中間
   層上に設けられた表面層とを備え、前記の中間層が少な
   くとも１種のガラスで構成され、そして前記の表面層が
   ５０〜９５ｗｔ％の白金と５〜４０ｗｔ％のニッケル及
   び／又はクロムとを含む少なくとも２種の金属で構成さ
   れていることを特徴とするガラス成形体の成形型。
2. （２）前記の中間層が複数層からなり、該複数層を構成
   する各層のガラスの熱膨張係数が基盤の熱膨張係数と表
   面層の熱膨張係数との間にあって、かつ基盤側から表面
   層側に向って順次増加する、特許請求の範囲第１項に記
   載の成形型。
3. （３）前記の基盤がタングステンカーバイド、シリコン
   カーバイド、シリコンナイトライド、サーメット、ステ
   ンレス鋼及びシリコンからなる群から選択される、特許
   請求の範囲第１項に記載の成形型。
4. （４）前記の表面層が白金とニッケル及び／又はクロム
   とともにロジウム、イリジウム、パラジウム及び金から
   なる群から選択される少なくとも１種の金属を更に含む
   、特許請求の範囲第１項に記載の成形型。