WO2020004405A1 - 複合部材および成形用型、複合部材の製造方法およびガラス材料の成形方法ならびに光学素子、光学系、および撮像装置 - Google Patents

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B17/00—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres
    • B32B17/06—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres comprising glass as the main or only constituent of a layer, next to another layer of a specific material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B11/00—Pressing molten glass or performed glass reheated to equivalent low viscosity without blowing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B11/00—Pressing molten glass or performed glass reheated to equivalent low viscosity without blowing
    • C03B11/06—Construction of plunger or mould
    • C03B11/08—Construction of plunger or mould for making solid articles, e.g. lenses

Definitions

  • the present invention relates to a composite member including a glass member and a base material, a molding die using the composite member, a method of manufacturing the composite member, a method of molding a glass material, an optical element, an optical system, and an imaging device.
  • press molding As a molding material for performing glass mold press molding (hereinafter referred to as “press molding”) on glass materials, metal, cemented carbide, ceramic, etc.
  • a material having a high Young's modulus is used. However, in general, the harder the material, the longer it takes to process the mold.
  • Patent Document 1 describes an example in which press molding is performed on a glass material using a molding die made of glass.
  • the Young's modulus of glass is smaller than that of members such as metals, cemented carbides, and ceramics. Therefore, the deformation (deformation from a desired shape) of the glass material during forming is greater than when a forming die made of a member such as metal, cemented carbide, or ceramic is used.
  • Patent Document 2 describes a molding die in which crystallized glass as a glass member is disposed on a high-speed steel base material.
  • Patent Document 3 describes a composite member (a glass material press-molding die) including a glass member and a base material.
  • Non-Patent Document 1 describes a method for evaluating the warpage of the laminate.
  • Non-Patent Document 2 discloses the shape of a molded spherical lens when performing mold press molding of a spherical lens using S-BSL7, which is a compatible material of BK-7 glass, as a glass material and a cemented carbide as a mold. It describes that it is related to the evaluation.
  • the molding die when the glass member and the base material are joined, the molding die may be distorted due to thermal stress generated at the time of joining.
  • press forming of a glass material is performed at a high temperature such as 600 ° C.
  • a high temperature such as 600 ° C.
  • the glass member and the base material are joined at a temperature of 800 to 1000 ° C., which is higher than the molding temperature, a large thermal stress occurs at room temperature. Thermal stress increases the likelihood of breakage of the glass member. Further, the thermal stress increases the possibility that the glass member is deformed.
  • An object of the present invention is to reduce thermal deformation occurring in a composite member including a glass member and a base material.
  • the composite member according to the present invention is a composite member including a glass member that is a forming part and a substrate that supports the glass member, wherein the thickness of the glass member is Hm, the Young's modulus of the glass member is Em, and the glass member is The linear expansion coefficient is ⁇ m, the width of the glass member is W, the thickness of the substrate is Hs, the Young's modulus of the substrate is Es, and the linear expansion coefficient of the substrate is ⁇ s.
  • the warp ⁇ H of the glass member is less than 0.004 mm.
  • the molding die according to the present invention is a molding die including two mold members provided to face each other, wherein at least one of the two mold members is the above-described composite member.
  • the method for producing a composite member according to the present invention is a method for producing a composite member in which a glass member that is a forming part and a base material that supports the glass member are joined to produce a composite member, and the thickness of the glass member is reduced.
  • Hm the Young's modulus of the glass member is Em
  • the linear expansion coefficient of the glass member is ⁇ m
  • the width of the glass member is W
  • the thickness of the substrate is Hs
  • the Young's modulus of the substrate is Es
  • the linear expansion coefficient of the substrate is ⁇ s.
  • the warp ⁇ H of the glass member when the temperature difference ⁇ T between the temperature at which the warp of the glass member is 0 and room temperature is 1000 ° C. is 0.004 mm
  • the glass member and the base material are selected so as to be less than the above, and the glass member and the base material are joined.
  • the method for molding a glass material according to the present invention is characterized in that the glass material is molded using the above-described mold.
  • thermal deformation generated in a composite member including a glass member and a substrate can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a mold member that is an example of a composite member.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating another example of the mold member.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the amount of displacement with respect to the thickness Hm when the Young's modulus of the glass is 70 GPa and a pressure of 1 MPa is applied to the surface of the glass.
  • FIG. 4 is a sectional view schematically showing a molding die including two mold members.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating another molding die.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a glass material is molded using the mold member shown in FIG.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the results of a simulation when the thickness of the formed part is changed.
  • FIG. 1 is a sectional view schematically showing a mold member 10 which is an example of a composite member according to the present invention.
  • the mold member 10 includes a molded part 11 and a base material 12.
  • the forming part 11 is a glass member made of glass.
  • the molding part 11 is joined to the base material 12.
  • the joining is, for example, joining via another member such as soldering or brazing.
  • the molded portion 11 and the base material 12 may be directly joined by using a chemical bond such as an intermolecular force or a covalent bond, for example, by pressing at a high temperature.
  • a material having a high Young's modulus such as a metal, a cemented carbide, or a ceramic can be used.
  • the Young's modulus of the substrate 12 is preferably 150 GPa or more, more preferably 300 GPa or more, and even more preferably 450 GPa or more. Although there is no particular upper limit for the Young's modulus, the range of the Young's modulus of a generally available material is 1100 GPa or less for diamond.
  • a tensile test, a compression test, a torsion test, a resonance method, an ultrasonic pulse method, a pendulum method and the like can be used.
  • JIS R1602 1995 "Test method for elastic modulus of fine ceramics”
  • JIS R1605 1995 "Test method for high temperature elastic modulus of fine ceramics”
  • JIS Z2201 1998
  • Metallic material tensile test piece JIS Z2241: 2011
  • JIS G0567J 2012
  • High-temperature tensile test method for steel materials and heat-resistant alloys JIS Z2280: 1993
  • W represents the width of the molded portion 11.
  • Hs represents the thickness of the substrate.
  • Hm represents the thickness of the molded part 11.
  • the thickness of the molded portion 11 at the bottom of the concave portion can be used when the surface of the molded portion 11 is concave, and the thickness of the molded portion 11 at the end of the convex portion when the surface of the molded portion 11 is convex.
  • the width W a minimum width of an in-plane dimension can be used. In the case where the end of the molded portion 11 is smoothly connected to the base material 12, the average width of the portion of the molded portion 11 whose height is equal to or less than Hm can be used as the width W.
  • W (h) represents the width of the molded portion 11 at the height h.
  • the forming portion 11 has a curved surface for forming, and the depth is S.
  • the surface of the molded portion 11 may be covered with an intermediate film or a protective film. Further, an adhesive layer may be provided between the molded portion 11 and the base material 12. Titanium, zirconium, niobium, hafnium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, ruthenium, rhodium, iron, cobalt, nickel, palladium, rhenium, osmium, iridium, copper, silver, gold, platinum Metals, noble metals, alloys thereof, oxides, nitrides, oxynitrides, and carbides can be used.
  • silicon compounds such as silicon, silicon dioxide, silicon nitride, silicon oxynitride, and silicon carbide, carbon such as amorphous carbon and diamond-like carbon, and boron compounds can be used.
  • the film may be multi-layered by a plurality of materials.
  • the surface shape of the molded portion 11 is not limited to an axisymmetric aspherical shape in a cross-sectional view, and may be a shape such as a free-form surface. Further, the surface of the molded portion 11 is not limited to a concave surface, and may be a convex surface.
  • the shape of the longitudinal section of the base material 12 is a square.
  • the shape of the longitudinal section of the substrate 12 is not limited to a square.
  • the shape of the cross section of the base material 12 is circular as an example.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing another example of the mold member.
  • the base material 12 may have a structure having a flange as shown in FIG. Further, the base material 12 may have a structure having a through hole or a screw hole in a part. Further, as shown in FIG. 2B, the width of the molded portion 11 and the width of the base material 12 may be different. As shown in FIG. 2C, the configuration may be such that the molded portion 11 is arranged in the concave portion of the base material 12 provided with the concave portion.
  • the strain point of the glass used for the forming part 11 is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher, even more preferably 600 ° C. or higher.
  • the reason is that the molding temperature of many optical glasses is in the range of 400 to 600 ° C., and it is necessary that the shape can be sufficiently maintained during molding in this temperature range.
  • the strain point can be measured by a method specified in JIS-R3103-2: 2001 or the like. Although there is no particular upper limit on the strain point of glass, quartz glass is a generally available material, and the strain point is 1200 ° C. or less.
  • the bond in order to form a bond that is durable at the glass forming temperature, it is preferable to form the bond at a temperature of 600 ° C. or higher. More preferably, the junction is formed at a temperature of 800 ° C. or higher. Further, even if bonding can be performed at a temperature close to room temperature without warpage, it is necessary to consider the warpage that occurs when the temperature is raised to the glass forming temperature. Since the upper limit of the temperature for forming the bond is preferably equal to or lower than the strain point of the glass, the upper limit can be set to 1200 ° C. or lower.
  • E k represents the elastic modulus of each layer.
  • ⁇ k represents the coefficient of linear expansion of each layer.
  • Z k represents a position in the thickness direction of the interface of each layer from settable reference coordinates at any position.
  • t represents a temperature difference from the reference temperature.
  • K represents the curvature K of the deformation of the laminate caused by the temperature difference t.
  • ⁇ H is represented by the following equation (2).
  • the two layers correspond to the molded portion 11 and the base material 12.
  • K (A ⁇ FB ⁇ D) / (A ⁇ CB 2 )
  • A Es ⁇ Hs + Em ⁇ Hm
  • B (1 /) ⁇ [Es ⁇ Hs 2 + Em ⁇ ⁇ (Hs + Hm) 2 ⁇ Hs 2 ⁇ ]
  • C (1 /) ⁇ [Es ⁇ Hs 3 + Em ⁇ ⁇ (Hs + Hm) 3 ⁇ Hs 3 ⁇ ]
  • Em indicates the Young's modulus of the glass member that is the forming part 11.
  • ⁇ m indicates a linear expansion coefficient of the glass member that is the forming part 11.
  • Es indicates the Young's modulus of the substrate 12.
  • ⁇ s indicates the coefficient of linear expansion of the substrate 12.
  • ⁇ T is the difference between the temperature at which the mold member 10 is molded (the joining temperature at which the molded portion 11 and the base material 12 are joined: in other words, the temperature at which the warpage of the glass member is 0) and the room temperature.
  • the room temperature is a temperature in the range of 20 to 25 ° C., and unless otherwise noted, 20 ° C.
  • the unit of Es and Em is [MPa].
  • the unit of Hm and Hs is [mm].
  • the unit of the linear expansion coefficient is [1 / ° C.].
  • the unit of ⁇ T is [° C.].
  • the unit of ⁇ H is [mm].
  • the coefficient of linear expansion can be measured using a thermomechanical analyzer (TMA). Further, a method according to the following JIS standard may be used. JIS Z2285: 2003 Method of measuring linear expansion coefficient of metal material JIS R1618: 2002 Method of measuring thermal expansion of fine ceramics by thermomechanical analysis JIS R3251: 1995 Method of measuring linear expansion coefficient of low expansion glass by laser interference method JIS R3102: 1995 Test method for average coefficient of linear expansion of glass
  • the number of layers of the laminate (the molded part 11 and the base material 12) is two. Therefore, the warpage is evaluated by the above equations (2) and (3).
  • the molded part 11 and the base material 12 are joined by soldering, brazing, or the like, an adhesive layer is interposed between the molded part 11 and the base material 12, but the adhesive layer is formed between the molded part 11 and the base material 12.
  • the above equation (3) can be used assuming that the influence of the adhesive layer is small.
  • the above equation (1) is used instead of the above equation (3). May be used to calculate K.
  • Whether or not the influence of the adhesive layer can be ignored is determined by, for example, Expression (2) using the result of calculating K by Expression (1).
  • K may be calculated using the above equation (1). Good.
  • the width W of the molded portion 11 is preferably 20 mm or less, more preferably 10 mm or less, even more preferably 5 mm or less.
  • the width of the molded part 11 may be any value larger than 0.
  • the difference between the linear expansion coefficient ⁇ m of the molded part 11 and the linear expansion coefficient ⁇ s of the base material 12 is preferably 3 ⁇ 10 ⁇ 6 [1 / ° C.] or less, and preferably 2 ⁇ 10 ⁇ 6 [1 / ° C.] or less. Is more preferable. It is preferable to use ceramics such as alumina, silicon nitride, and silicon carbide or a cemented carbide as the material of the base material 12 because the Young's modulus of the base material can be increased.
  • the linear expansion coefficient of the glass of the material of the molded portion 11 is also in such a range. Note that the lower limit of the difference between the linear expansion coefficients is 0.
  • the thickness Hm of the molded portion 11 is preferably thinner from the viewpoint that the displacement during molding is small.
  • FIG. 3 shows the amount of displacement in the thickness direction with respect to the thickness Hm when the Young's modulus of the glass is 70 GPa and a pressure of 1 MPa is applied to the surface of the glass.
  • the thickness Hm of the molded portion 11 is preferably 6 mm or less. More preferably, it is 3 mm or less. More preferably, it is 1 mm or less. More preferably, it is 0.5 mm or less. Note that Hm may be any value greater than 0.
  • the warp ⁇ H of the molded portion 11 is 0.
  • a condition of less than .004 mm is derived.
  • the thickness Hs of the substrate may be any value greater than 0. Further, if the base material is too thick, there is a problem such as an increase in heat capacity during heating. Therefore, Hs is preferably 100 mm or less, more preferably 50 mm or less, and even more preferably 20 mm or less.
  • the depth S of the molded portion 11 is preferably 2 mm or less, more preferably 1 mm or less, and even more preferably 0.75 mm or less. By doing so, non-uniform shape deformation due to a difference in glass thickness can be suppressed.
  • the depth S of the formed portion 11 may be larger than 0.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a molding die including two mold members (a first mold member 10a and a second mold member 10b) provided to face each other.
  • the molding die shown in FIG. 4 is a first mold member 10a having a molding portion 11a made of glass and a base material 12a, and a second die having a molding portion 11b made of glass material and a base material 12b.
  • a member 10b, a guide member 21 provided to surround the first mold member 10a and the second mold member 10b to accommodate the first mold member 10a and the second mold member 10b, and an inner member 22.
  • the glass material 23 is formed by pressing the first mold member 10a or the second mold member 10b.
  • Both the first mold member 10a and the second mold member 10b are members manufactured based on the above-described preferred value parameters.
  • one of the two mold members may be a member manufactured based on the above-described preferable value parameter.
  • one of the two mold members may be a mold member other than the above-described composite member (that is, a composite member including a glass member that is a molded portion and a base material that supports the glass member).
  • one of the two mold members may be constituted by a single member, or may be a composite member including a molded part made of a material other than a glass material with respect to the base material.
  • a metal, a cemented carbide, a ceramic, or the like can be used as a molding member other than a mold member or a glass material using such a single material.
  • the surface shapes of the molding portions of the facing mold members can be freely designed. That is, the surface shape of each molded portion is not limited to an axisymmetric aspherical shape in cross-sectional view, and may be a shape such as a concave, convex, or wavy free-form surface or a flat shape. Further, the facing mold members may not have the same surface shape.
  • the surface shape of one molded portion may be a concave curved surface shape
  • the surface shape of the other molded portion may be a convex shape or a flat shape. .
  • the combination of the surface shapes of the molding portions of the facing mold members is not limited to this.
  • the surface of the molded portion included in the mold member may be coated with the above-described intermediate film or protective film.
  • a release treatment such as applying a release agent may be performed on the surface of the molded portion included in the mold member.
  • the inner member 22 has, for example, a ring-like structure.
  • the inner member 22 is used to determine the outer shape of the glass material 23 at the time of molding. When it is not necessary to determine the outer shape, the inner member 22 may not be provided.
  • members such as glass, metal, ceramics, and cemented carbide can be used. Further, when the respective linear expansion coefficients of the first mold member 10a, the second mold member 10b, the inner member 22, and the guide member 21 are ⁇ 10a, ⁇ 10b, ⁇ 22, and ⁇ 21, respectively, ⁇ 10a ⁇ ⁇ 10b ⁇ ⁇ 21, or ⁇ 22 ⁇ ⁇ 21 may be satisfied. In such a case, the gap between the members during thermal expansion can be reduced, and for example, eccentricity between the first mold member 10a and the second mold member 10b can be suppressed.
  • FIG. 4 illustrates a molding die having a configuration in which a set of a first die member 10a and a second die member 10b are arranged inside a guide member 21, but the molding die is not shown.
  • the present invention is not limited to such a structure.
  • a plurality of through holes may be provided in the guide member 21 and a plurality of sets of the first mold member 10a and the second mold member 10b may be arranged.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing another molding die.
  • the molding die shown in FIG. 5 includes a first mold member 10c (composite member) having a molding portion 11c made of glass and a base material 12c, and a molding portion 11d made of glass and a base material 12d. It includes a second mold member 10d (composite member), a guide member 31, an inner member 32, and a pin member 33.
  • the glass material 23 is formed by pressing the first mold member 10c or the second mold member 10d.
  • the first mold member 10c and the second mold member 10d have a plurality of molding parts 11c and 11d made of glass, respectively.
  • the first mold member 10c and the second mold member 10d are provided with through holes through which the pin members 33 pass.
  • the rotation of the first mold member 10c and the second mold member 10d is suppressed by the pin member 33.
  • a plurality of through holes for passing the pin member 33 may be provided.
  • Both the first mold member 10c and the second mold member 10d are members manufactured based on the above-described preferable value parameters.
  • one of the two mold members may be a member manufactured based on the above-described preferable value parameter.
  • ⁇ T 1000, , ⁇ H ⁇ 0.0005.
  • only the number of molding parts included in one mold member is different from that of the example of FIG.
  • one of the two mold members is a mold member other than the above-described composite member (for example, As in the example shown in FIG. 4, a mold member made of a single material as described above or a composite member including a molded part made of a material other than a glass material with respect to a base material may be used.
  • a mold member made of a single material as described above or a composite member including a molded part made of a material other than a glass material with respect to a base material may be used.
  • the lower limit of ⁇ H is 0 as can be seen from equation (2).
  • the inner member 32 is formed, for example, in a plate shape provided with a plurality of through holes.
  • the inner member 32 can be used to determine the outer shape of the glass material 23 at the time of molding. When it is not necessary to determine the outer shape of the glass material 23, the inner member 32 may be omitted.
  • the inner member 32 and the pin member 33 members such as glass, metal, ceramics, and cemented carbide can be used. Further, when the linear expansion coefficients of the first mold member 10c, the second mold member 10d, the inner member 32, the guide member 31, and the pin member 33 are ⁇ 10c, ⁇ 10d, ⁇ 32, ⁇ 31, and ⁇ 33, ⁇ 10c ⁇ ⁇ 10d ⁇ ⁇ 31. Alternatively, ⁇ 33 ⁇ ⁇ 10c ⁇ ⁇ 10d, or ⁇ 32 ⁇ ⁇ 31, or ⁇ 33 ⁇ ⁇ 32.
  • a mold having a shape corresponding to the outer shape of the molding portion 11 or the molding portion 11c (or the molding portion 11d) is prepared.
  • the molding unit 11 or the molding unit 11c (or the molding unit 11d) is manufactured using such a mold.
  • the base material 12 or the base material 12c (or the base material 12d) is prepared.
  • the material parameters of the base material 12 or the base material 12c (or the base material 12d) are selected such that ⁇ H calculated using the above equation (2) is 0.004 mm or less.
  • ⁇ T is 1000 ° C.
  • a glass member having a strain point of 600 ° C. or more is used as the base material 12 or the base material 12c (or the base material 12d).
  • the molding part 11 or the molding part 11c (or the molding part 11d) and the base material 12 or the base material 12c (or the base material 12d) are joined in a high temperature environment (for example, 800 ° C.).
  • a high temperature environment for example, 800 ° C.
  • the joining method is as described above.
  • the high temperature environment is a temperature environment that is equal to or higher than the temperature at which the glass material 23 is formed.
  • a mold member for molding the glass material 23 is described as an example, but the use of the mold member is not limited to glass molding.
  • the mold member can be used as a mold for molding a resin material such as a thermosetting resin or a UV curing resin. Further, the production of the molded part 11 and the joining of the molded part 11 and the base material 12 may be performed simultaneously in a high-temperature environment.
  • the first mold member 10a Places the glass material 23 on the second mold member 10b. Thereafter, the first mold member 10a is lowered to a predetermined position. Next, the composite member (the first mold member 10a and the second mold member 10b) is heated to the temperature at the time of press molding (for example, 600 ° C.), and the first mold member 10a is pressed. Thereafter, the composite member and the formed glass material 23 are gradually cooled, the first mold member 10a is raised, and the formed glass material 23 is taken out.
  • the time of press molding for example, 600 ° C.
  • the second mold member 10b may be raised.
  • the glass material 23 is molded by the same method when the molding die shown in FIG. 5 is used.
  • the molded portion 11 is a glass member having a Young's modulus of 80 GPa and a linear expansion coefficient of 3.2 ⁇ 10 ⁇ 6 [1 / ° C.].
  • the thickness Hm of the molded portion 11 is 0.13 mm.
  • the width W of the molded portion 11 is 2.3 mm.
  • the surface shape of the molded portion 11 is a spherical surface having a radius of curvature of 1.13 mm.
  • the depth S of the spherical surface is 0.37 mm.
  • the base material 12 is a cemented carbide having a Young's modulus of 600 GPa and a coefficient of linear expansion of 5.5 ⁇ 10 ⁇ 6 [1 / ° C.].
  • the thickness Hs of the substrate 12 is 5 mm.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the glass material 23 is formed using the mold member shown in FIG.
  • FIG. 6A shows, as a mold member, a second mold member 10f having a molded portion 11f made of glass and a base material 12f.
  • a first mold member 10e having a molded portion 11e made of glass and a base material 12e is shown.
  • the surface shape of the molded portion 11e is an aspheric surface having a spherical surface with a radius of curvature of 1.76 mm as an approximate shape, and has a convex shape toward the outside.
  • FIG. 6B a glass molded product 24 is obtained.
  • the displacement in the thickness direction of the molded portion 11f after the molding was calculated.
  • the calculation by the finite element method also confirmed that the average value of the displacement was as small as 8 nm.
  • FIG. 7 shows a simulation result. As shown in FIG. 7, it was confirmed that the displacement amount became smaller as the molded portion 11f became thinner.
  • the molded part 11 is a glass member having a Young's modulus of 70 GPa and a linear expansion coefficient of 4.0 ⁇ 10 ⁇ 6 [1 / ° C.].
  • the base material 12 is a cemented carbide having a Young's modulus of 500 GPa and a coefficient of linear expansion of 5.5 ⁇ 10 ⁇ 6 [1 / ° C.].
  • the thickness Hs of the substrate 12 is 10 mm.
  • the thickness Hm of the molded part 11 is 10 mm.
  • the width W of the molded part 11 is 20 mm. The values of these parameters correspond to the values described in column [4] of Table 1.
  • the optical element formed by the method for forming the glass material 23 of the present embodiment is a glass lens, but is not limited thereto, and may be a lens made of a light-transmitting material, for example, a light-transmitting resin.
  • the shape of the glass lens is not limited, and may be aspherical, spherical, or flat.
  • the optical element can be applied (for example, incorporated) to various optical systems.
  • the optical system for example, there are a lens that cooperates with the above-mentioned optical element, an optical filter such as an antireflection film or a band-pass filter, a cover glass, and an aperture.
  • an optical filter such as an antireflection film or a band-pass filter
  • a cover glass for example, glass, glass, glass, and an aperture.
  • optical element is applied to an imaging device such as a camera.

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Abstract

本発明は、ガラス部材と基材とを含む複合部材に生じる熱変形を緩和することを目的とする。本発明は、成形部であるガラス部材と、前記ガラス部材を支持する基材とを含む複合部材であって、前記ガラス部材の厚さをＨｍ、前記ガラス部材のヤング率をＥｍ、前記ガラス部材の線膨張係数をαｍ、前記基材の厚さをＨｓ、前記基材のヤング率をＥｓ、前記基材の線膨張係数をαｓで表した特定の式を使用したときに、前記ガラス部材の反りが０である温度と室温との温度差ΔＴ＝１０００℃の場合の前記ガラス部材の反りΔＨが０．００４ｍｍ未満である、複合部材に関する。ΔＨは明細書中に定義されている。

Description

複合部材および成形用型、複合部材の製造方法およびガラス材料の成形方法ならびに光学素子、光学系、および撮像装置
　本発明は、ガラス部材と基材とを含む複合部材、複合部材を用いた成形用型、複合部材の製造方法およびガラス材料の成形方法ならびに光学素子、光学系、および撮像装置に関する。
　ガラス材料に対してガラスモールドプレス成形（以下、プレス成形という。）を行うための成形用型の形材として、成形中のガラス材料の変形を抑えるために、金属、超硬合金、セラミックなどのヤング率の高い材料が用いられる。しかし、一般に、硬い材質ほど成形用型の加工に時間がかかる。
　成形用型の形材として、ガラスのような加工性がよい材質を用いると、成形用型の加工の時間を短縮できる。ガラスは、エッチング、切削、研磨、プレス成形など様々な加工方法によって多様な形状のガラス加工品に加工可能である。そのようなガラス加工品でＵＶ硬化樹脂のインプリントの型を形成することができる。また、特許文献１には、ガラスを材料とした成形用型を用いてガラス材料に対してプレス成形を行う例が記載されている。
　しかし、ガラスのヤング率は、金属、超硬合金、セラミックなどの部材のヤング率に比べて小さい。したがって、金属、超硬合金、セラミックなどの部材による成形用型を用いる場合に比べて、成形中のガラス材料の変形（所望の形状からの変形）が大きくなる。
　特許文献２には、高速度鋼の基材の上にガラス部材としての結晶化ガラスを配置した成形用型が記載されている。
　特許文献３には、ガラス部材と基材からなる複合部材（ガラス材料プレス成形用型）が記載されている。
　なお、非特許文献１には、積層体の反りの評価方法が記載されている。非特許文献２には、ＢＫ－７ガラスの互換材であるＳ－ＢＳＬ７をガラス材料とし、超硬合金を金型として球面レンズのモールドプレス成形を行った際の、成形された球面レンズの形状の評価に関することが記載されている。
日本国特公平２－１７８０号公報 日本国特開２００３－２６４２９号公報 日本国特開２００２－３４８１３０号公報
山科 直利、「特５　銅張り積層板のそりのメカニズム」、討論会講演要旨、合成樹脂工業協会、１９８５年、第３５巻、ｐ．１２５－１２８ 伊藤 寛明他３名、「ガラスレンズのモールドプレスにおける最適成形条件の評価」、日本機械学会論文集（Ａ編）、２０１３年１１月、第７９巻、第８０７号、ｐ．１３１－１３５
　ガラス部材と基材を含む成形用型を形成する場合、ガラス部材と基材とを接合するときに、接合の際に発生する熱応力によって成形用型が歪む場合がある。一般に、ガラス材料のプレス成形は、６００℃などの高温で行われる。例えば、成形温度より高温の８００～１０００℃でガラス部材と基材との接合がなされた場合、室温になったときに、大きな熱応力が生じる。熱応力は、ガラス部材の破損の可能性を高める。また、熱応力は、ガラス部材に変形を生じさせる可能性を高める。
　本発明は、ガラス部材と基材とを含む複合部材に生じる熱変形を緩和することを目的とする。
　本発明による複合部材は、成形部であるガラス部材と、ガラス部材を支持する基材とを含む複合部材であって、ガラス部材の厚さをＨｍ、ガラス部材のヤング率をＥｍ、ガラス部材の線膨張係数をαｍ、ガラス部材の幅をＷ、基材の厚さをＨｓ、基材のヤング率をＥｓ、基材の線膨張係数をαｓで表して、ガラス部材の反りΔＨを下記の式によって定義したときに、ガラス部材の反りが０である温度と室温との温度差ΔＴが１０００℃の場合のガラス部材の反りΔＨが０．００４ｍｍ未満であることを特徴とする。
　ΔＨ＝（１／｜Ｋ｜）－√｛（１／Ｋ）２－（Ｗ／２）２｝
　（式において、
　Ｋ＝（Ａ×Ｆ－Ｂ×Ｄ）／（Ａ×Ｃ－Ｂ２）
　Ａ＝Ｅｓ×Ｈｓ＋Ｅｍ×Ｈｍ
　Ｂ＝（１／２）×［Ｅｓ×Ｈｓ２＋Ｅｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）２－Ｈｓ２｝］
　Ｃ＝（１／３）×［Ｅｓ×Ｈｓ３＋Ｅｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）３－Ｈｓ３｝］
　Ｄ＝ΔＴ×｛Ｅｓ×αｓ×Ｈｓ＋Ｅｍ×αｍ×Ｈｍ｝
　Ｆ＝（ΔＴ／２）×［Ｅｓ×αｓ×Ｈｓ２＋Ｅｍ×αｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）２－Ｈｓ２｝］）
　本発明による成形用型は、互いに対向して設けられた２つの型部材を含む成形用型であって、２つの型部材のうちの少なくとも一方が上記の複合部材であることを特徴とする。
　本発明による複合部材の製造方法は、成形部であるガラス部材と、ガラス部材を支持する基材とを接合して複合部材を作製する複合部材の製造方法であって、ガラス部材の厚さをＨｍ、ガラス部材のヤング率をＥｍ、ガラス部材の線膨張係数をαｍ、ガラス部材の幅をＷ、基材の厚さをＨｓ、基材のヤング率をＥｓ、基材の線膨張係数をαｓで表して、ガラス部材の反りΔＨを下記の式によって定義したときに、ガラス部材の反りが０である温度と室温との温度差ΔＴが１０００℃の場合のガラス部材の反りΔＨが０．００４ｍｍ未満であるように、ガラス部材と基材とを選定し、ガラス部材と基材とを接合することを特徴とする。
　ΔＨ＝（１／｜Ｋ｜）－√｛（１／Ｋ）２－（Ｗ／２）２｝
　（式において、
　Ｋ＝（Ａ×Ｆ－Ｂ×Ｄ）／（Ａ×Ｃ－Ｂ２）
　Ａ＝Ｅｓ×Ｈｓ＋Ｅｍ×Ｈｍ
　Ｂ＝（１／２）×［Ｅｓ×Ｈｓ２＋Ｅｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）２－Ｈｓ２｝］
　Ｃ＝（１／３）×［Ｅｓ×Ｈｓ３＋Ｅｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）３－Ｈｓ３｝］
　Ｄ＝ΔＴ×｛Ｅｓ×αｓ×Ｈｓ＋Ｅｍ×αｍ×Ｈｍ｝
　Ｆ＝（ΔＴ／２）×［Ｅｓ×αｓ×Ｈｓ２＋Ｅｍ×αｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）２－Ｈｓ２｝］）
　本発明によるガラス材料の成形方法は、上記の成形用型を用いてガラス材料を成形することを特徴とする。
　本発明によれば、ガラス部材と基材とを含む複合部材に生じる熱変形を緩和することができる。
図１は、複合部材の一例である型部材を模式的に示す断面図である。 図２は、型部材の他の例を模式的に示す断面図である。 図３は、ガラスのヤング率を７０ＧＰａとし、ガラスの表面に対して１ＭＰａの圧力をかけた場合の、厚さＨｍに対する変位量を示す説明図である。 図４は、２つの型部材を含む成形用型を模式的に示す断面図である。 図５は、他の成形用型を模式的に示す断面図である。 図６は、図１に示された型部材を用いてガラス材料が成形される様子を模式的に示す断面図である。 図７は、成形部の厚さを変えた場合のシミュレーションの結果を示す説明図である。
　図１は、本発明による複合部材の一例である型部材１０を模式的に示す断面図である。型部材１０は、成形部１１と基材１２とを含む。成形部１１は、ガラスを材料とするガラス部材である。成形部１１は、基材１２と接合されている。接合は、例えば、はんだ付けやろう付けなどの他の部材を介した接合である。成形部１１と基材１２とを高温中でプレスするなどして、分子間力や共有結合などの化学的な結合を利用して直接接合させてもよい。
　成形部１１と接合される基材１２の材料として、金属、超硬合金、セラミックなどのヤング率の高い材料を用いることができる。基材１２のヤング率が１５０ＧＰａ以上であることが好ましく、３００ＧＰａ以上であることがより好ましく、４５０ＧＰａ以上であることがさらに好ましい。
ヤング率の上限は特にないが、一般的に利用できる材料のヤング率の範囲はダイアモンドの１１００ＧＰａ以下である。
ヤング率の測定は引張試験、圧縮試験、ねじり試験、共振法、超音波パルス法、振子法などを用いることができる。測定方法は例えば下記の規格に記載されている。
ＪＩＳ　Ｒ１６０２：１９９５ 「ファインセラミックスの弾性率試験方法」
ＪＩＳ　Ｒ１６０５：１９９５ 「ファインセラミックスの高温弾性率試験方法」
ＪＩＳ　Ｚ２２０１：１９９８ 「金属材料引張試験片」
ＪＩＳ　Ｚ２２４１：２０１１ 「金属材料引張試験方法」
ＪＩＳ　Ｇ０５６７Ｊ：２０１２　「鉄鋼材料及び耐熱合金の高温引張試験方法」
ＪＩＳ　Ｚ２２８０：１９９３　「金属材料の高温ヤング率試験方法」
　図１において、Ｗは、成形部１１の幅を表す。Ｈｓは、基材の厚さを表す。Ｈｍは、成形部１１の厚さを表す。Ｈｍとしては、成形部１１の表面が凹面の場合は凹部の底における成形部１１の厚さを用いることができ、成形部１１の表面が凸面の場合は凸部の端における成形部１１の厚さを用いることができる。幅Ｗとして、面内の寸法の最小幅を用いることができる。成形部１１の端部がなだらかに基材１２に接続するような場合には、幅Ｗとして、成形部１１における高さがＨｍ以下の部分の平均的な幅を用いることができる。成形部１１における高さがＨｍ以下の部分の平均的な幅Ｗは、高さの値をｈとして、Ｗ＝Σ（Δｈ×Ｗ（ｈ））／Ｈｍで求めることができる。ここで、Ｗ（ｈ）は高さがｈの部分における成形部１１の幅を表す。また、成形部１１は成形のための曲面を有しているが、その深さをＳとする。
　なお、成形部１１の表面に中間膜や保護膜が被覆されてもよい。また、成形部１１と基材１２との間に、接着層があってもよい。中間膜や保護膜の材料として、チタン、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、ルテニウム、ロジウム、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、レニウム、オスミウム、イリジウム、銅、銀、金、白金などの金属、貴金属やこれらの合金、酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物を用いることができる。また、シリコン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、炭化ケイ素などのシリコン化合物、アモルファスカーボンやダイアモンド状カーボンなどのカーボン、ホウ素化合物を用いることができる。膜は、複数の材料によって複層化されていてもよい。
　なお、成形部１１の表面形状は、断面視で、軸対称な非球面形状に限られず、自由曲面などの形状であってもよい。また、成形部１１の表面は、凹面に限られず、凸面であってもよい。
　また、図１に示された例では、基材１２の縦断面の形状は四角である。しかし、基材１２の縦断面の形状は四角に限られない。なお、基材１２の横断面の形状は一例として円形である。
　図２は、型部材の他の例を模式的に示す断面図である。基材１２は、図２の（ａ）に示すように、フランジを有する構造であってもよい。また、基材１２は、一部に貫通穴やねじ穴を有するような構造であってもよい。また、図２の（ｂ）に示すように、成形部１１の幅と基材１２の幅とが異なっていてもよい。図２の（ｃ）に示すように、凹部が設けられた基材１２における凹部の中に成形部１１が配置されたような構成であってもよい。
　成形部１１に使用されるガラスのひずみ点は４００℃以上であることが好ましく、５００℃以上であることがより好ましく、６００℃以上であることがさらに好ましい。その理由は、多くの光学ガラスの成形温度が４００～６００℃の範囲内であり、この温度帯において、成形中に十分形状を保持できることが必要であるからである。ひずみ点は、ＪＩＳ－Ｒ３１０３－２：２００１に規定されている方法などで測定可能である。ガラスのひずみ点の上限は特にないが、一般的に利用できる材料として石英ガラスがあり、ひずみ点は１２００℃以下となる。
　また、上記のガラスの成形温度で耐久する接合を作るために、６００℃以上の温度で接合を形成するのが好ましい。８００℃以上の温度で接合を形成するとより好ましい。また、仮に室温に近い温度で反りがない状態で接合できたとしても、ガラスの成形温度まで昇温した際に生じる反りを考慮する必要がある。接合を形成する温度の上限はガラスのひずみ点以下であることが好ましいため上限は１２００℃以下とすることができる。
　次に、成形部１１の変形を検討する。
　以下、非特許文献１に記載されたｋ層の積層板の反りの一般式を使用して検討を行う。下記の（１）式において、Ｅｋは、各層の弾性率を表す。αｋは、各層の線膨張係数を表す。Ｚｋは、任意の位置に設定可能な基準座標からの各層の界面の厚さ方向の位置を表す。ｔは、基準温度からの温度差を表す。Ｋは、温度差ｔによって生じる積層体の変形の曲率Ｋを表す。
Ｋ＝（Ａ×Ｆ－Ｂ×Ｄ）／（Ａ×Ｃ－Ｂ２）
Ａ＝Σ｛Ｅｋ×（Ｚｋ－Ｚｋ－１）｝
Ｂ＝（１／２）×Σ｛Ｅｋ×｛Ｚｋ ２－Ｚｋ－１ ２｝｝
Ｃ＝（１／３）×Σ｛Ｅｋ×（Ｚｋ ３－Ｚｋ－１ ３）｝
Ｄ＝ｔ×Σ｛Ｅｋ×αｋ×（Ｚｋ－Ｚｋ－１｝
Ｆ＝（ｔ／２）×Σ｛Ｅｋ×αｋ×（Ｚｋ ２－Ｚｋ－１ ２）｝
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
　上記の（１）式を積層体の層数を２とし、曲率Ｋの円弧によって生じる厚さ方向の変位量（反り）をΔＨとすると、ΔＨは、下記の（２）式で表される。本実施形態では、２層は、成形部１１と基材１２とに相当する。
　ΔＨ＝（１／｜Ｋ｜）－√｛（１／Ｋ）２－（Ｗ／２）２｝　・・・（２）
　ここで、
Ｋ＝（Ａ×Ｆ－Ｂ×Ｄ）／（Ａ×Ｃ－Ｂ２）
Ａ＝Ｅｓ×Ｈｓ＋Ｅｍ×Ｈｍ
Ｂ＝（１／２）×［Ｅｓ×Ｈｓ２＋Ｅｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）２－Ｈｓ２｝］
Ｃ＝（１／３）×［Ｅｓ×Ｈｓ３＋Ｅｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）３－Ｈｓ３｝］
Ｄ＝ΔＴ×｛Ｅｓ×αｓ×Ｈｓ＋Ｅｍ×αｍ×Ｈｍ｝
Ｆ＝（ΔＴ／２）×［Ｅｓ×αｓ×Ｈｓ２＋Ｅｍ×αｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）２－Ｈｓ２｝］
                                                        ・・・（３）
　である。
　上記の（３）式において、Ｅｍは、成形部１１であるガラス部材のヤング率を示す。αｍは、成形部１１であるガラス部材の線膨張係数を示す。Ｅｓは、基材１２のヤング率を示す。αｓは、基材１２の線膨張係数を示す。ΔＴは、型部材１０を成形するときの温度（成形部１１と基材１２とを接合するときの接合温度：換言すれば、ガラス部材の反りが０であるときの温度）と室温との差を表す。ここで、室温は２０～２５℃の範囲の温度とし、以下で断りがない場合、２０℃とする。
　なお、Ｅｓ、Ｅｍの単位は［ＭＰａ］である。Ｈｍ、Ｈｓの単位は［ｍｍ］である。線膨張係数の単位は［１／℃］である。ΔＴの単位は［℃］である。ΔＨの単位は［ｍｍ］である。
　線膨張係数は熱機械分析装置（ＴＭＡ：ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎａｌｙｚｅｒ）を用いて計測できる。また、下記のＪＩＳ規格による方法を用いてもよい。
　ＪＩＳ　Ｚ２２８５：２００３　金属材料の線膨張係数の測定方法
　ＪＩＳ　Ｒ１６１８：２００２　ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法
　ＪＩＳ　Ｒ３２５１：１９９５　低膨張ガラスのレーザー干渉法による線膨張率の測定方法
　ＪＩＳ　Ｒ３１０２：１９９５　ガラスの平均線膨張係数の試験方法
　上記の（２）式を用いる場合、ΔＴ＝１０００（［℃］）としたときに、ΔＨ＜０．００４を満たすようにＷ、Ｈｓ、Ｈｍが選定されることが好ましい。また、ΔＴ＝１０００としたときに、ΔＨ＜０．００２を満たすようにＷ、Ｈｓ、Ｈｍが選定されることがより好ましい。ΔＴ＝１０００としたときに、ΔＨ＜０．００１を満たすようにＷ、Ｈｓ、Ｈｍが選定されることがさらに好ましい。ΔＴ＝１０００としたときに、ΔＨ＜０．０００５を満たすようにＷ、Ｈｓ、Ｈｍが選定されることが一層好ましい。なお（２）式からわかるようにΔＨの下限は０である。
　なお、上記のような条件でＷ、Ｈｓ、Ｈｍが選定されることが好ましい理由は、後述される。
　本実施形態では、積層体（成形部１１と基材１２）の層数は２である。したがって、反りは、上記の（２）式および（３）式で評価される。また、はんだ付けやろう付けなどで成形部１１と基材１２とが接合された場合、成形部１１と基材１２との間に接着層が介在するが、接着層が成形部１１および基材１２に比べて十分薄い場合には、接着層の影響は少ないとして上記の（３）式を用いることができる。接着層による影響が無視できないと判断される場合には、すなわち、層数を３とした方がよいと判断される場合には、上記の（３）式ではなく、上記の（１）式を用いてＫを計算してもよい。接着層による影響が無視できるか否かは、例えば、上記の（１）式によってＫを計算した結果を用いて（２）式により判断される。なお、成形部１１の表面に中間膜や保護膜が被覆される場合、中間膜や保護膜による影響が無視できないと判断されるときには、上記の（１）式を用いてＫを計算してもよい。
　表１には、いくつかの積層体を対象にして、上記の（２）式を用いて反りを計算した結果が示されている。表１に示すように、ヤング率Ｅｓが高い基材１２を用い、成形部１１の厚さＨｍを薄くし、成形部１１の幅Ｗの値を小さくする等によって反りΔＨの値を小さくすることができる。なお、ΔＴ＝１０００とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１を参照すると、成形部１１の幅Ｗは、２０ｍｍ以下であることが好ましく１０ｍｍ以下であるとより好ましく５ｍｍ以下であるとさらに好ましい。成形部１１の幅は０より大きい値であればよい。
　成形部１１の線膨張係数αｍと基材１２の線膨張係数αｓとの差を小さくすることも温度変化による膨張差を低減することに寄与する。成形部１１の線膨張係数αｍと基材１２の線膨張係数αｓとの差は、３×１０－６［１／℃］以下であることが好ましく、２×１０－６［１／℃］以下であることがより好ましい。基材１２の材料として、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素などのセラミックスや超硬合金を用いると、基材のヤング率を大きくすることができるので好ましいが、それらの材料の線膨張係数は２．５～８．０×１０－６［１／℃］の範囲にある。したがって、成形部１１の材料のガラスの線膨張係数も、そのような範囲にあることが好ましい。なお、線膨張係数の差の下限は０である。
　成形部１１の厚さＨｍは、成形中の変位量が小さいという点からも、薄い方が好ましい。
　図３には、ガラスのヤング率を７０ＧＰａとし、ガラスの表面に対して１ＭＰａの圧力をかけた場合の、厚さＨｍに対する厚さ方向の変位量が示されている。
　例えば、非球面レンズなどでは１００ｎｍ以下の形状不良が問題になる場合がある。加圧時の成形部１１の厚さ方向の変位量は、１００ｎｍ以下であるなど、極力抑制されることが好ましい。したがって、表１も参照すると、成形部１１の厚さＨｍは、６ｍｍ以下であることが好ましい。３ｍｍ以下であるとより好ましい。１ｍｍ以下であるとさらに好ましい。０．５ｍｍ以下であると一層好ましい。なお、Ｈｍは０より大きい値であればよい。
　以上に説明したパラメータ（Ｗ，Ｈｍ、および、αｍ，αｓ）の好ましい値に基づいて、表１（特に、［４］カラム）および後述する比較例も参照すると、成形部１１の反りΔＨが０．００４ｍｍ未満であるという条件が導かれる。基材の厚さＨｓは０より大きい値であればよい。また、基材が厚すぎると加熱の際に熱容量が大きくなるなどの問題があるため、Ｈｓは１００ｍｍ以下が好ましく、５０ｍｍ以下であるとより好ましく、２０ｍｍ以下であるとより好ましい。
　また、成形部１１の深さＳは、２ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以下がより好ましく、０．７５ｍｍ以下がさらに好ましい。このようにすることで、ガラスの厚さの差による不均一な形状変形を抑制することができる。成形部１１の深さＳは０より大きければよい。
　図４は、互いに対向して設けられる２つの型部材（第１の型部材１０ａ、第２の型部材１０ｂ）を含む成形用型を模式的に示す断面図である。図４に示す成形用型は、ガラスを材料とした成形部１１ａと基材１２ａとを有する第１の型部材１０ａ、ガラスを材料とした成形部１１ｂと基材１２ｂとを有する第２の型部材１０ｂ、第１の型部材１０ａと第２の型部材１０ｂとを収容するために第１の型部材１０ａと第２の型部材１０ｂとを囲むように設けられたガイド材２１、および内部材２２を含む。第１の型部材１０ａまたは第２の型部材１０ｂが加圧されることによって、ガラス材料２３が成形される。
　なお、第１の型部材１０ａも第２の型部材１０ｂも、上述した好ましい値のパラメータに基づいて作製された部材である。しかし、２つの型部材のうちの一方が上述した好ましい値のパラメータに基づいて作製された部材であってもよい。また、２つの型部材のうちの一方が上述した複合部材（すなわち、成形部であるガラス部材と、前記ガラス部材を支持する基材とを含む複合部材）以外の型部材であってもよい。例えば、２つの型部材のうちの一方の型部材は、単一部材によって構成されたものでもよいし、基材に対してガラス材料以外の材料による成形部を含む複合部材でもよい。そのような単一材料による型部材やガラス材料以外の成形部として、金属、超硬合金、セラミックなどを使用することができる。また、対向する型部材における成形部の表面形状は、それぞれ自由に設計できる。すなわち、それぞれの成形部の表面形状は、断面視で、軸対称な非球面形状に限られず、凹状や凸状や波状の自由曲面などの形状や平坦であってもよい。また、対向する型部材同士で同じ表面形状でなくてよく、例えば、一方の成形部の表面形状が凹状の曲面形状で、他方の成形部の表面形状が凸状や平坦状であってもよい。なお、対向する型部材同士の成形部の表面形状の組み合わせは、この限りではない。また、２つの対向する型部材のうちの一方が上述した複合部材でない場合において、該型部材に含まれる成形部の表面に、上述した中間膜や保護膜が被覆されてもよい。または、該型部材に含まれる成形部の表面に、離型剤を塗布するなどの離型処理が施されていてもよい。
　内部材２２は、例えばリング状の構造である。内部材２２は、成形時のガラス材料２３の外形を決めるために用いられる。外形を決める必要がない場合には、内部材２２はなくてもよい。
　ガイド材２１や内部材２２として、ガラス、金属、セラミックス、超硬合金などの部材を使用することができる。また、第１の型部材１０ａ、第２の型部材１０ｂ、内部材２２、ガイド材２１の各線膨張係数を、それぞれ、α１０ａ、α１０ｂ、α２２、α２１とした場合、α１０ａ≧α１０ｂ≧α２１、または、α２２≧α２１であってもよい。そのような場合には、熱膨張時に部材間の隙間を狭くすることができ、例えば、第１の型部材１０ａと第２の型部材１０ｂとの間の偏心を抑制することができる。
　また、図４には、ガイド材２１の内部に１組の第１の型部材１０ａと第２の型部材１０ｂとが配置された構成の成形用型が例示されているが、成形用型は、そのような構造に限られない。例えば、ガイド材２１に複数の貫通穴が設けられ、複数組の第１の型部材１０ａと第２の型部材１０ｂとが配置されるように構成されてもよい。
　図５は、他の成形用型を模式的に示す断面図である。図５に示す成形用型は、ガラスを材料とする成形部１１ｃと基材１２ｃとを有する第１の型部材１０ｃ（複合部材）、ガラスを材料とする成形部１１ｄと基材１２ｄとを有する第２の型部材１０ｄ（複合部材）、ガイド材３１、内部材３２、およびピン部材３３を含む。第１の型部材１０ｃまたは第２の型部材１０ｄが加圧されることによって、ガラス材料２３が成形される。
　図５に示す例では、第１の型部材１０ｃおよび第２の型部材１０ｄは、それぞれ、ガラスを材料とする複数の成形部１１ｃ，１１ｄを有している。また、第１の型部材１０ｃおよび第２の型部材１０ｄには、ピン部材３３を通すための貫通穴が設けられている。ピン部材３３によって、第１の型部材１０ｃおよび第２の型部材１０ｄの回転が抑制される。ピン部材３３を通すための貫通穴は、複数設けられていてもよい。複数の貫通穴が設けられる場合には、複数のピン部材３３を設置できる、２つ以上のピン部材３３によって、第１の型部材１０ｃおよび第２の型部材１０ｄの回転が抑制される。よって、ガイド材３１はなくてもよい。
　第１の型部材１０ｃも第２の型部材１０ｄも、上述した好ましい値のパラメータに基づいて作製された部材である。しかし、２つの型部材のうちの一方が上述した好ましい値のパラメータに基づいて作製された部材であってもよい。例えば、図５に示された構成について、各成形部の幅、厚さを用いて上記の（２）式の計算を行ったときに、ΔＴ＝１０００としたときに、ΔＨ＜０．００４であることが好ましく、ΔＴ＝１０００としたときに、ΔＨ＜０．００２であるとより好ましく、ΔＴ＝１０００としたときに、ΔＨ＜０．００１であるとさらに好ましく、ΔＴ＝１０００としたときに、ΔＨ＜０．０００５であると一層好ましい。なお、図４の例とは１つの型部材に含まれる成形部の数が異なるだけで、本例においても、２つの型部材のうちの一方が上述した複合部材以外の型部材（例えば、上述したような単一材料による型部材や基材に対してガラス材料以外の材料による成形部を含む複合部材）であってもよい点は図４の例と同様である。なお（２）式からわかるようにΔＨの下限は０である。
　内部材３２は、例えば、複数の貫通穴が設けられた板状に形成されている。内部材３２は、成形時のガラス材料２３の外形を決めるために用いることができる。ガラス材料２３の外形を決める必要がない場合、内部材３２はなくてもよい。
　ガイド材３１、内部材３２やピン部材３３として、ガラス、金属、セラミックス、超硬合金などの部材を使用することができる。また、第１の型部材１０ｃ、第２の型部材１０ｄ、内部材３２、ガイド材３１、ピン部材３３の各線膨張係数をα１０ｃ、α１０ｄ、α３２、α３１、α３３とした場合、α１０ｃ≧α１０ｄ≧α３１、または、α３３≧α１０ｃ≧α１０ｄ、または、α３２≧α３１、または、α３３≧α３２であってもよい。
　次に、図１に示された型部材１０または図５に示された成形用型を例にして、型部材１０または第１の型部材１０ｃ（もしくは、第２の型部材１０ｄ）の製造方法を説明する。
　例えば、成形部１１または成形部１１ｃ（もしくは、成形部１１ｄ）の外形に相当する形状の金型を用意する。そのような金型を使用して成形部１１または成形部１１ｃ（もしくは、成形部１１ｄ）を作製する。
　また、基材１２または基材１２ｃ（もしくは、基材１２ｄ）を用意する。成形部１１または成形部１１ｃ（もしくは、成形部１１ｄ）の厚さＨｍおよび幅Ｗと、成形部１１または成形部１１ｃ（もしくは、成形部１１ｄ）の材料のパラメータ（ヤング率および線膨張係数）と、基材１２または基材１２ｃ（もしくは、基材１２ｄ）の材料のパラメータとは、上記の（２）式を用いて算出されるΔＨが０．００４ｍｍ以下になるように選定されている。なお、ΔＴは１０００℃とする。また、基材１２または基材１２ｃ（もしくは、基材１２ｄ）として、例えば、ひずみ点が６００℃以上のガラス部材を使用する。
　次いで、高温環境下（例えば、８００℃）で、成形部１１または成形部１１ｃ（もしくは、成形部１１ｄ）と、基材１２または基材１２ｃ（もしくは、基材１２ｄ）とを接合する。接合方法は、既に述べたとおりである。なお、高温環境は、ガラス材料２３の成形を行うときの温度以上の温度環境である。
　なお、本実施形態では、ガラス材料２３の成形を行う型部材を例にしたが、型部材の用途はガラス成形に限られない。型部材を、熱硬化樹脂、ＵＶ硬化樹脂などの樹脂材料の成形用型として用いることもできる。また、高温環境下で成形部１１の作製および成形部１１と基材１２との接合を同時に行ってもよい。
　次に、本実施形態の成形用型を用いたガラス材料の成形方法の一例を説明する。ここでは、図４に示された成形用型を用いる場合を例にする。
　ガラス材料２３を、第２の型部材１０ｂに載置する。その後、第１の型部材１０ａを所定位置まで下降させる。次いで、複合部材（第１の型部材１０ａ、および第２の型部材１０ｂ）をプレス成形時の温度（例えば、６００℃）にまで加熱し、第１の型部材１０ａを加圧する。その後、複合部材および成形されたガラス材料２３を徐冷して、第１の型部材１０ａを上昇させ、成形されたガラス材料２３を取り出す。
　なお、第１の型部材１０ａを下降させるのではなく、第２の型部材１０ｂを上昇させるようにしてもよい。また、図４に示された成形用型を用いる場合について説明したが、図５に示された成形用型を用いる場合にも、同様の方法でガラス材料２３が成形される。
　（実施例）
　以下、図１に示された型部材１０を用いる実施例を説明する。本実施例では、成形部１１は、ヤング率が８０ＧＰａ、線膨張係数が３．２×１０－６［１／℃］のガラス部材である。成形部１１の厚さＨｍは０．１３ｍｍである。成形部１１の幅Ｗは２．３ｍｍである。成形部１１の表面形状は、曲率半径が１．１３ｍｍの球面である。球面の深さＳは０．３７ｍｍである。
　基材１２は、ヤング率が６００ＧＰａ、線膨張係数が５．５×１０－６［１／℃］の超硬合金である。基材１２の厚さＨｓは、５ｍｍである。
　上記の（２）式を用いて、ΔＴ＝１０００の場合のΔＨを計算すると、ΔＨ＝８ｎｍであった。
　図６は、図１に示された型部材を用いてガラス材料２３が成形される様子を模式的に示す断面図である。図６の（ａ）には、型部材として、ガラスを材料とした成形部１１ｆと基材１２ｆとを有する第２の型部材１０ｆが示されている。対向する型部材として、ガラスを材料とした成形部１１ｅと基材１２ｅとを有する第１の型部材１０ｅが示されている。なお、成形部１１ｅの表面形状は、曲率半径が１．７６ｍｍの球面が近似形状となる非球面であり、外側に向かって凸形状である。図６の（ｂ）に示すように、ガラス成形品２４が得られる。
　ガラス材料２３としてＳ－ＢＳＬ７を用い、図６に示す型部材を用いてガラス材料２３を成形することを模擬する有限要素法による計算を実施した。なお、非特許文献２を参照して、有限要素法の計算に用いる剛性率のＰｒｏｎｙ係数および緩和時間を、表２に示すように設定した。また、ガラスのポアソン比を０．２０５とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　有限要素法による模擬成形の後、成形後の成形部１１ｆの厚さ方向の変位量を計算した。有限要素法による計算でも、変位量の平均値は８ｎｍと十分小さいことが確認された。
　さらに、成形部１１ｆの長さ（厚さ）を変えた場合のシミュレーションを行った。図７に、シミュレーション結果が示されている。図７に示すように、成形部１１ｆが薄くなるにつれて変位量が小さくなることが確認された。
　（比較例）
　図１に示された型部材１０を用いる比較例を説明する。成形部１１は、ヤング率が７０ＧＰａ、線膨張係数が４．０×１０－６［１／℃］のガラス部材である。基材１２は、ヤング率が５００ＧＰａ、線膨張係数が５．５×１０－６［１／℃］の超硬合金である。基材１２の厚さＨｓは１０ｍｍである。成形部１１の厚さＨｍは１０ｍｍである。成形部１１の幅Ｗは２０ｍｍである。なお、それらのパラメータの値は、表１における［４］カラムに記載された値に相当する。
　上記の（２）式を用いてΔＴ＝１０００の場合のΔＨを計算すると、ΔＨ＝０．００４２ｍｍであった。そのような値では、接合による型部材の形状変形が大きくなるので、型部材としての使用に適するとはいえないと考えられる。
　本実施形態のガラス材料２３の成形方法で成形された光学素子はガラスレンズであるが、これに限定されず透光性の材料、例えば透光性の樹脂からなるレンズであってもよい。また、ガラスレンズの形状は限定されず、非球面でも球面でも平坦でもよい。
　光学素子は、種々の光学系に適用（例えば、組込）可能である。
　光学系として、例えば、上記の光学素子と共働するレンズ、反射防止フィルムやバンドパスフィルタなどの光学フィルタ、カバーガラス、絞り等がある。ただし、それらは一例であって、上記の光学素子の適用対象はそれらに限られない。
　また、上記の光学素子は、カメラなどの撮像装置に適用されることが想定される。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１８年６月２９日出願の日本特許出願２０１８－１２５０１９に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　１０　　型部材
　１１　　成形部
　１２　　基材
　１０ａ，１０ｃ，１０ｅ　第１の型部材
　１０ｂ，１０ｄ，１０ｆ　第２の型部材
　１１ａ，１１ｃ，１１ｅ　第１の成形部
　１１ｂ，１１ｄ，１１ｆ　第２の基材
　１２ａ，１２ｃ，１２ｅ　第１の成形部
　１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ　第２の基材
　２１　　ガイド材
　２２　　内部材
　２３　　ガラス材料
　３１　　ガイド材
　３２　　内部材
　３３　　ピン部材

Claims (15)

  1. 　成形部であるガラス部材と、前記ガラス部材を支持する基材とを含む複合部材であって、
    　前記ガラス部材の厚さをＨｍ、前記ガラス部材のヤング率をＥｍ、前記ガラス部材の線膨張係数をαｍ、前記ガラス部材の幅をＷ、前記基材の厚さをＨｓ、前記基材のヤング率をＥｓ、前記基材の線膨張係数をαｓで表して、前記ガラス部材の反りΔＨを下記の式によって定義したときに、
    　前記ガラス部材の反りが０である温度と室温との温度差ΔＴが１０００℃の場合の前記ガラス部材の反りΔＨが０．００４ｍｍ未満である、複合部材。
    　ΔＨ＝（１／｜Ｋ｜）－√｛（１／Ｋ）２－（Ｗ／２）２｝
    　（式において、
    　Ｋ＝（Ａ×Ｆ－Ｂ×Ｄ）／（Ａ×Ｃ－Ｂ２）
    　Ａ＝Ｅｓ×Ｈｓ＋Ｅｍ×Ｈｍ
    　Ｂ＝（１／２）×［Ｅｓ×Ｈｓ２＋Ｅｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）２－Ｈｓ２｝］
    　Ｃ＝（１／３）×［Ｅｓ×Ｈｓ３＋Ｅｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）３－Ｈｓ３｝］
    　Ｄ＝ΔＴ×｛Ｅｓ×αｓ×Ｈｓ＋Ｅｍ×αｍ×Ｈｍ｝
    　Ｆ＝（ΔＴ／２）×［Ｅｓ×αｓ×Ｈｓ２＋Ｅｍ×αｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）２－Ｈｓ２｝］）
  2. 　前記ガラス部材の厚さＨｍが６ｍｍ以下である、
    　請求項１に記載の複合部材。
  3. 　前記ガラス部材の厚さＨｍが１ｍｍ以下である、
    　請求項２に記載の複合部材。
  4. 　前記ガラス部材の厚さＨｍが０．５ｍｍ以下である、
    　請求項３に記載の複合部材。
  5. 　前記基材のヤング率Ｅｓが１５０ＧＰａ以上である、
    　請求項１～４のうちのいずれか一項に記載の複合部材。
  6. 　前記ガラス部材の線膨張係数αｍと前記基材の線膨張係数αｓとの差が３×１０－６（１／℃）以下である、
    　請求項１～５のうちのいずれか一項に記載の複合部材。
  7. 　互いに対向して設けられた２つの型部材を含む成形用型であって、
    　前記２つの型部材のうちの少なくとも一方は、請求項１～６のうちのいずれか一項に記載の複合部材である、
    　成形用型。
  8. 　前記２つの型部材を収容するガイド材を備える、
    　請求項７に記載の成形用型。
  9. 　前記複合部材が、１つの前記基材に接合された複数の前記ガラス部材を含む、
    　請求項７または８に記載の成形用型。
  10. 　成形部であるガラス部材と、前記ガラス部材を支持する基材とを接合して複合部材を作製する複合部材の製造方法であって、
    　前記ガラス部材の厚さをＨｍ、前記ガラス部材のヤング率をＥｍ、前記ガラス部材の線膨張係数をαｍ、前記ガラス部材の幅をＷ、前記基材の厚さをＨｓ、前記基材のヤング率をＥｓ、前記基材の線膨張係数をαｓで表して、前記ガラス部材の反りΔＨを下記の式によって定義したときに、前記ガラス部材の反りが０である温度と室温との温度差ΔＴが１０００℃の場合の前記ガラス部材の反りΔＨが０．００４ｍｍ未満であるように、前記ガラス部材と前記基材とを選定し、
    　前記ガラス部材と前記基材とを接合する、
    　複合部材の製造方法。
    　ΔＨ＝（１／｜Ｋ｜）－√｛（１／Ｋ）２－（Ｗ／２）２｝
    　（式において、
    　Ｋ＝（Ａ×Ｆ－Ｂ×Ｄ）／（Ａ×Ｃ－Ｂ２）
    　Ａ＝Ｅｓ×Ｈｓ＋Ｅｍ×Ｈｍ
    　Ｂ＝（１／２）×［Ｅｓ×Ｈｓ２＋Ｅｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）２－Ｈｓ２｝］
    　Ｃ＝（１／３）×［Ｅｓ×Ｈｓ３＋Ｅｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）３－Ｈｓ３｝］
    　Ｄ＝ΔＴ×｛Ｅｓ×αｓ×Ｈｓ＋Ｅｍ×αｍ×Ｈｍ｝
    　Ｆ＝（ΔＴ／２）×［Ｅｓ×αｓ×Ｈｓ２＋Ｅｍ×αｍ×｛（Ｈｓ＋Ｈｍ）２－Ｈｓ２｝］）
  11. 　前記ガラス部材のひずみ点が６００℃以上である、
    　請求項１０に記載の複合部材の製造方法。
  12. 　請求項７～９のうちのいずれか一項に記載の成形用型を用いてガラス材料を成形する、
    　ガラス材料の成形方法。
  13. 　請求項１２に記載のガラス材料の成形方法で成形された、光学素子。
  14. 　請求項１３に記載の光学素子を有する、光学系。
  15. 　請求項１３に記載の光学素子を有する、撮像装置。
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