JPH03153535A - 光学素子成形用型 - 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］ 本発明はガラスよりなる光学素子のプレス成形に用いる
光学素子成形用型に関し、特に、容易に高精度を実現で
き且つ耐久性良好な光学素子成形用型に関する。この様
な光学素子成形用型は例えば直接光学面を形成する高精
度成形のための型として好適に利用される。

［従来の技術］ 一般に、レンズ、プリズム、ミラー及びフィルタ等の光
学素子は、ガラス等の素材を研削して外形を所望の形状
とした後に、機能面即ち光が透過及びまたは反射する面
を研磨して光学面とすることにより製造されている。

以上の様な光学素子の製造においては、研削及び研磨に
より所望の表面精度を得るためには、熟練した作業者が
相当の時間加工を行なうことが必要であった。また、機
能面が非球面である光学素子を製造する場合には、−層
高度な研削及び研磨の技術が要求され且つ加工時間も長
くならざるを得なかった。

そこで最近では、上記の様な伝統的な光学素子製造方法
に代って所定の表面精度を有する成形用金型内に光学素
子材料を収容して加熱しながら加圧することによりプレ
ス成形にて直ちに機能面を含む全体的形状を形成する方
法が行なわれる様になってきている。これによれば、機
能面が非球面である場合でさえも比較的簡単かつ短時間
で光学素子の連続製造に適する。

以上の様なプレス成形において使用される型に要求され
る性質としては、十分な硬度、良好な耐熱性、耐酸化性
、良好な鏡面加工性及び成形時において光学素子材料と
融着を起さず、反応析出物を生じにくいこと等があげら
れる。

そこで、従来、この様なプレス成形用型としては金属、
セラミックス、及びこれらに適宜の材料をコーティング
した材料等数多くの種類が提案されている。

たとえば、特開昭４９−５１１１２号公報には１３Ｃｒ
マルテンサイト鋼を用いた型が開示されており、特開昭
５２−４５６１３号公報には炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用
いた型及び窒化ケイ素（ｓｉｍＮ４）を用いた型が開示
されており、特開昭６０−２４６２３０号公報には超硬
合金に貴金属をコーティングした型が開示されている。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、上記１３Ｃ「マルテンサイト鋼は酸化し
やすく更に高温のプレス成形時においてＦｅがガラス材
料中に拡散してガラスが着色する難点がある。また、上
記ＳｉＣや５ｉｓＮ４は一般的には酸化されに（いので
あるが、高温ではある程度の酸化が生じ型表面にＳｉＯ
□の膜が形成されるためガラスとの融着を生じやすく更
に硬度が高すぎるため加工性が極めて悪いという難点が
ある。

更に、表面に貴金属をコーティングした材料は硬度が低
いために傷付きやす（且つ変形しやすいという難点があ
る。

そこで、本発明は、上記従来技術に鑑み、容易に高精度
で製造でき且つプレス成形に際し精度劣化の少ない長寿
命の光学素子成形用型を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に従って、ガラスよりなる光学素子のプレス成形
に用いる光学素子成形用型において、型母材の少なくと
も成形面に、複炭化膜が被覆されていることを特徴とす
る光学素子成形用型が提供される。

本発明において「複炭化膜」とは、複数の金属が結晶質
および／または非晶質の炭化物の状態で混在した膜であ
り、これには、例えばＴａＣとＴｉＣからなる膜の他に
ＴａＴｉＣ，（ＴａＴｉ）ｓＣ等所謂侵入型炭化物の構
造が混在している膜や、金属元素あるいは炭素が他の元
素と結合しない状態で混在している膜なども含まれる。

以下、ＴａＣ−ＴｉＣ等はこれらの膜を総称する意味の
複炭化膜の金属組成を主に表わすものとする。

複炭化膜を構成する金属としては、例えばチタン（Ｔｉ
）、タンタル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、ハフニウム（Ｈ
ｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、アル
ミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ
）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）が挙げられる
。従って、複炭化膜に含有される炭化物の形態としては
、通常のＴｉＣ，ＴａＣ，Ｂ４Ｃ，ＨｆＣ，ＺｒＣ，Ｖ
Ｃ。

Ａ１４ＣＩ、　ＷＣ，ＮｂＣ，ＭｏｔＣ，Ｃｒ１Ｃｔ等
や、これらの所謂侵入型炭化物（ＴａＴｉＣ，（ＴａＴ
ｉ）　ＩＣ等）などが挙げられる。

複炭化膜は、その組成において金属と炭素との原子比率
をかなりの範囲で変化させることができるが、実用的範
囲としては、金属含有率が３０〜５０ａｔｏａ＋％程度
のものが好のましい。

複炭化膜の膜厚は製造条件により適宜設定されるが、使
用時に所望の特性が発揮できる様な膜厚（好ましくは０
．１〜１０μｍ１より好ましくは１μｍ程度）とすれば
よい。

型母材の材料としては、例えば超硬合金や焼結ＳｉＣを
用いることができる。これらの材料を切削、研削、研摩
等の加工により所望の外形とし、特に成形面は所望の表
面精度に仕上げて型母材に用いる。

型母材の表面に複炭化膜を被覆するには、例えばスパッ
タリング法、イオンブレーティング法等の物理蒸着法（
ＰＶＤ法）やプラズマＣｖＤ法等の化学蒸着法（ＣＶＯ
法）を用いる。

複炭化膜は、を母材との密着性を向上させる上で、中間
層を介して被覆されることが好ましく、またこの中間層
が複炭化膜を構成する金属と同一の金属からなることが
より好ましい。

このようにして被覆された複炭化膜は、特に高温での耐
酸化性も高くガラスとの融着性が著しく低（離型性が良
好であるので、これまで型との融着のために高精度成形
を工業的に実施することが困難であるとされている高融
点のガラスを用いる成形にも良好に適用でき、更には一
次成形されたガラスまたは溶融ガラスを型装置内に収容
してプレス成形する光学素子製造に適用して繰返し使用
しても良好な精度の光学素子を得ることができるという
利点がある。

〔実施例１ 本発明を図面を参照しながら実施例により説明する。

実施例１ 第１図及び第２図は本発明に係る光学素子成形用型の１
つの実施態様を示すものである。

第１図は光学素子のプレス成形前の状態を示し、第２図
は光学素子成形後の状態を示す、第１図中１．２は型母
材、１−ａ、２−ａは該型母材のガラス素材の接触する
成形面に形成された複炭化膜、３はガラス素材であり、
第２図中４は光学素子である。第１図に示すように型の
間に置かれたガラス素材３をプレス成形することによっ
て、第２図に示すようにレンズ等の光学素子４が成形さ
れる。

が　　された　の　　： 型母材は、超硬合金［ＷＣ（９０％）　＋　Ｃｏ（１０
％）ｌ、焼結ＳｉＣからなり、所定の形状に加工され、
レンズ成形面が鏡面加工されている。該型母材の成形面
に複炭化膜を被覆して、以下の通り本発明による型を製
造した。また、比較のために上記型母材の成形面に被覆
を行なわない型及び該成形面にＳｉＣ層を形成した型を
製造した。製造した型の一覧表を第１表に示す、尚、表
１において、Ｎｏ、　　１〜Ｎｏ、３０は本発明実施例
である。

次に、上記Ｎｏ、　　１及びＮ００２については、第３
図に示される装置を用いて反応性スパッタリング法によ
り型母材の成形面上に炭化チタンタンタル層（ＴａＣ−
Ｔｉｃ）膜を形成した。

第３図において、２０はスパッタリング装置の気密室で
ある。気密室２０には排気口２１が接続されており、排
気口２１は不図示の減圧源に接続されている。気密室２
０内の上部には加熱ヒータ２２が配置されており、該ヒ
ータにはヒータ電源２３が接続されている。ヒータ２２
の下方に型母材支持体２４が配置されており、該支持体
には型母材バイアス電源２５が接続されている。支持体
２４には型母材２６が成形面を下向きにして支持される
。支持体２４の下方にメタン及びアセチレンガス導入用
バイブ２７、グロー放電発生用コイル２８が配置されて
おり、該コイルには整合回路２９を介して高周波電源３
０が接続されている。

気密室２０の下部にはカソード電極３１が配置されてい
る。電極３１の上部には面積比的１：１の割合に混合し
たチタンとタンタルの混合ターゲット３２が設けられて
おり、下部には冷却水用バイブ３３が接続されている。

電極３１の上方にアルゴンガス導入用バイブ３４が配置
されており、ターゲット３２の上方の近傍にはシャター
３５が配置されている。

炭化チタンタンタル（ＴａＣ−ＴｉＣ）膜の形成時には
、上前の様にして得られた型母材２６をアセトンで洗浄
し、支持体２４により支持した後、気密室２０内をＩ　
Ｘ　１０”’Ｔｏｒｒまで減圧した。次に、バイブ３４
からアルゴンガス（３Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ）を導入し
、コイル２８に高周波電界（１３，５６ＭＨｚ、０．２
ｋＷ−ｈｒ）を印加しアルゴンのグロー放電を発生させ
、バイアス電源２５により型母材２６に負バイアス（−
５０Ｖ　）を印加してアルゴンイオンによるスパッタク
リーニングを行う。その後、バイブ３４からアルゴンガ
スな導入しながらカソード電極３１に高周波電界（１３
，５６ＭＨｚ　、０．５ｋＷ−ｈｒ）を印加しチタン・
タンタル混合物、ターゲット３２の近傍にアルゴンのグ
ロー放電を発生させ、チタン・タンタル混合物ターゲッ
トにアルゴンイオンの衝撃を与えてスパッタリングを行
う。シャッター３５を開いて、同時にバイブ２７により
炭化水素ガス（メタン及びアセチレン）を１　ｘ　１０
−”Ｔｏｒｒ導入し型母材２６の近傍に吹き付け、コイ
ル２８に高周波電界（１３，５６ＭＨｚ、０．５ｋＷ−
ｈｒ）を印加して炭素プラズマを形成させ、バイアス電
極２５により型母材２６に負バイアス（−５０Ｖ　）を
印加して炭素イオンを型母材２６に引込みながらチタン
・タンタル混合物の反応性スパッタリングを行って型母
材２６の表面に炭化チタンタンタル層を形成した。この
とき型母材の温度は３００℃であった。得られた炭化チ
タンタンタル層の厚さは１μｍであった。前記実施例に
おいて、カソード電極に高周波電界の代りにＤＣ電圧を
印加しても同様な炭化チタンタンタル層が得られた。

以下同様にしてＮｏ、　３〜Ｎｏ、３０の複炭化膜を形
成した。

また比較例については、第３図に示される装置を用いて
同様にして型母材の成形面上に炭化ケイ素層を形成した
。この際に、チタン・アルミ混合物ターゲットの代りに
ケイ素ターゲットを用いた。炭化ケイ素層の厚さはＩＩ
Ｌｍであった。

によるレンズのブレス　　： このよにして得られた型を用いて第４図に示す成形装置
によりレンズの成形試験を行なった。

第４図中、５１は真空槽本体、５２はそのフタ、５３は
光学素子を成形する為の上型、５４はその下型、５５は
上型をおさ＾るための上型おさえ、５６は調型、５７は
型ホルダ−，５８はヒーター、５９は下型なつき上げる
つき上げ棒、６０は該つき上げ棒を作動するエアシリン
ダ、６１は油回転ポンプ、６２，６３．６４はバルブ、
６５は不活性ガス流入バイブ、６６はバルブ、６７はリ
ークバイブ、６８はバルブ、６９は温度センサー、７０
は水冷バイブ、７１は真空槽を支持する台を示す。

レンズを製作する工程を次に述べる。

まず、フリント系光学硝子（ＳＦ１４）を所定の量に調
整し、球状にした硝子素材を型のキャビティー内に置き
、これを装置内に設置する。

ガラス素材を投入した型を装置内に設置してから真空槽
５１のフタ５２を閉じ、水冷バイブ７０に水を流し、ヒ
ーター５８に電流を通す。この時窒素ガス用バルブ６６
及び６８は閉じ、排気系バルブ６２，６３．６４も閉じ
ている。尚油回転ポンプ６１は常に回転している。

バルブ６２を開は排気をはじめ１０−”Ｔｏｒｒ以下に
なったらバルブ６２を閉じ、バルブ６６を開いて窒素ガ
スをボンベより真空槽内に導入する。所定温度になった
らエアシリンダ６０を作動させて８０ｋｇ／ｃｍ”の圧
力で５分間加圧する。圧力を除去した後、冷却速度を一
り℃／ｗｉｎで転移点以下になるまで冷却し、その後は
一り０℃／ｗｉｎ以上の速度で冷却を行い、２００℃以
下に下がったらバルブ６６を閉じ、リークバルブ６３を
開いて真空槽５１内に空気を導入する。それからフタ５
２を開は上型おさえをはずして成形物を取り出す。

上記のようにして、フリント系光学硝子５Ｆ１４（軟化
点Ｓｐ＝　５８６℃、転位点Ｔｇ＝　４８５℃）を使用
して、第２図に示すレンズ４を成形した。この時の成形
条件すなわち時間−温度関係図を第５図に示す。

以上の様なプレス成形（ｎ　＝　５０００）の前後にお
ける型部材５３（上型）、５４（下型）の成形面の表面
粗さ及び成型された光学素子の光学面の表面粗さ、なら
びに成形光学素子と型部材５３゜５４との離型性につい
て表１に示す。

表１ ＊被覆の数値は、成分のモル％を示す。

以上の様に、本発明実施例においては、繰返しプレス成
形に使用しても良好な表面精度を十分に維持でき、良好
な表面精度の光学素子が成形できた。

上記実施例では成形される光学ガラスとしてフリント系
のものが用いられているが、その他のクラウン系等のガ
ラスについても同様に良好な精度での成形が可能である
。

上記実施例では型母材として超硬及び焼結ＳｉＣを用い
ているが、型母材はこの２つに限定されることな（高温
高強度な材料であればよい。

上記実施例では、ＰＶＤ法やＣＶＤ法で型母材上に形成
された複炭化膜をそのまま用いているが、該方法により
複炭化膜を比較的厚く形成しておき、その後表面を鏡面
研摩して用いることもできる。

また、多数回のプレスにより表面に欠陥が生じた場合に
も、この様な研摩により良好な表面を再生することがで
きる。

また複炭化膜を構成する金属のａｔｏｍ比率は、この実
施例の比率に限定されることなくターゲットの金属の混
合比率を変えることによって適宜比率を変えることがで
きる。

実施例２ な　して　　　　か　　された　の　　二上記Ｎｏ、２
７及びＮｏ、２８について、第３図に示した装置を用い
て反応性スパッタリング法によりを母材の成形面上に、
中間層（ＴａＴｉＨｆＪを介して、炭化タンクルトチク
ンハフニウム（２５丁ａ（ニー２５ＴｉＣ−５０ＨｆＣ
）層を被覆した。

但し、第３図において、ターゲット３２として面積比タ
ンクル：チタン：ハフニウム＝１：２：２の割合に混合
したタンタルチタンハフニウムターゲットを用いた。

上記の様にして得られた型母材２６をアセトンで洗浄し
、支持体２４により支持した後気密室２０内をＩ　Ｘ　
１０−’Ｔｏｒｒまで減圧した０次に、バイブ３４から
アルゴンガス（３Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ）を導入し、コ
イル２８に高周波電界（１３，５６ＭＨｚ、０．２ｋＷ
・ｈｒ）を印加しアルゴンのグロー放電を発生させ、バ
イアス電源２５により型母材２６に負バイアス（−５０
Ｖ）を印加してアルゴンイオンによるスパッタクリーニ
ングを行う。その後、バイブ３４からアルゴンガスを導
入しながらカソード電極３１に高周波電界（１３，５６
ＭＨｚ　、　０．５ｋＷ−ｈｒ）を印加しタンタルチタ
ンハフニウムターゲット３２の近傍にアルゴンのグロー
放電を発生させ、ターゲット３２にアルゴンイオンの衝
撃を与えてスパッタリングを行う、まず、シャッター３
５を開けて中間層を０．２μｍの厚さで形成した０次に
、バイブ２７により炭化水素ガス（メタン及びアセチレ
ン）をｌ　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ導入し型母材２６の近
傍に吹き付け、コイル２８に高周波電界（１３，５６Ｍ
Ｈｚ、０．５に訃ｈｒ）を印加して炭素プラズマを形成
させ、バイアス電極２５により型母材２６に負バイアス
（−５０Ｖ）を印加して炭素イオンを型母材２６に引込
みながらタンタルチタンハフニウムの反応性スパッタリ
ングを行って型母材２６の表面に炭化タンタルチタンハ
フニウム層を形成した。このとき型母材の温度は３００
℃であった。得られた炭化タンクルチタンハフニウム層
中の金属含有率は５０ａｔｏｍ％であった。また、該複
炭化膜の膜厚は１μｍであった。前記実施例において、
カソード電極に高周波電界の代りにＤＣ電圧を印加して
も同様な炭化タンタルチタンハフニウム層が得られた。

これらの型を実施例１と同様にして繰返しプレス成形に
使用すると、実施例１と同様に良好な表面精度を十分に
維持でき、良好な表面精度の光学素子が成形できた。

［発明の効果］ 以上の様な本発明によれば、単一の金属の炭化膜に比較
して耐酸化性が良好な複炭化膜で成形面が被覆されてい
るので、繰返しプレス成形に際し精度劣化が少なく、更
に特に高温での使用においてもガラスとの融着な生ずる
ことのない長寿命の光学素子成形用型が提供される。

更に、複炭化膜はヌープ硬さＨｋが２４００〜３０００
ｋｇ７ｍｍ”程度であり、単一の金属の炭化膜と比較し
て高硬度であるため傷が付きにくく、このため使用時に
おいてクリーニングを繰返しても傷付きにくく、それ故
に良好な表面精度の光学素子を長期にわたって製造する
ことができる。

また、本発明の型は型母材として加工性の良好なものを
幅広く選択することができるので、製造が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明に係る光学素子成形用型の
一実施態様を示す断面図で、第１図はプレス成形前の状
態、第２図はプレス成形後の状態を示す。第３図は本発
明の型を製造するため使用したスパッタリング装置の模
式図である。第４図は本発明に係る光学素子成形用型を
使用するレンズの成形装置を示す断面図である。第５図
はレンズ成形の際の時間温度関係図である。 １．２・・・型母材、 １−ａ、２−ａ・・・複炭化膜、 ３・・・ガラス素材、　　　４・・・成形されたレンズ
、２０・・・気密室、　　　２１・・・排気口、２２・
・・加熱ヒータ、　　２３・・・ヒータ電源、２４・・
・型母材支持体、２５・・・バイアス電源、２６・・・
型母材、 ２７・・・炭化水素ガス導入用バイブ、２８・・・グロ
ー放電発生用コイル、 ２９・・・整合回路、　　３０・・・高周波電源、３１
・・・カソード電極、 ３２・・・ターゲット、 ３３・・・冷却水用バイブ、 ３４・・・アルゴンガス導入用バイブ、３５・・・シャ
ッター ５１・・・真空槽本体、　５２・・・フタ、５３・・・
上型、　　　　５４・・・下型、５５・・・上型おさえ
、　５６・・・用型、５７・・・型ホルダ−、５８・・
・ヒーター５９・・・つき上げ棒、　　６０・・・エア
シリンダ、６１・・・油回転ポンプ、６２．６３．６４
・・・バルブ、６５・・・流入バイブ、　６６・・・バ
ルブ、６７・・・流出バイブ、　６８・・・バルブ、６
９・・・温度センサー、７０・・・水冷バイブ、７１・
・・台。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガラスよりなる光学素子のプレス成形に用いる光学
   素子成形用型において、型母材の少なくとも成形面に、
   複炭化膜が被覆されていることを特徴とする光学素子成
   形用型。 ２、複炭化膜を構成する金属が、チタン（Ｔｉ）、タン
   タル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジ
   ルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、アルミニウム
   （Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリ
   ブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）からなる群より選ばれ
   た少なくとも２種である請求項１記載の光学素子成形用
   型。 ３、複炭化膜が、中間層を介して被覆されている請求項
   １記載の光学素子成形用型。 ４、中間層が、複炭化膜を構成する金属と同一の金属か
   らなるものである請求項３記載の光学素子成形用型。