JPH04367528A - 光学素子成形用金型 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，レンズ，プリズム，フ
ィルタ等の光学素子をプレス成形手段によって製造する
場合に使用する光学素子成形用金型に関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】従来，光学ガラスレンズは球面レンズが
主流であったが，近年になって特にＶＴＲ用撮像器等の
分野において，レンズ構成の簡略化とレンズ部分の軽量
化との両者を同時に満足させるために，レンズの非球面
化若しくは非対称化の傾向にある。このような非球面レ
ンズの製造に際しては，従来の球面レンズの製造におい
て採用されていた光学研磨法によると高度の研磨技術を
必要とするのみならず，加工時間および加工工数が多大
となる結果，加工性および量産性が著しく低下するとい
う問題点がある。このため直接プレス成形手段が有望視
されている。

【０００３】この直接プレス成形手段においては，予め
所定の面粗さおよび寸法精度に仕上げた非球面状の成形
面を有する成形用金型により，加熱状態のガラス原材料
塊状体をプレス成形によって直接的に成形するものであ
り，以後の研磨工程を必要とせず，非球面レンズであっ
ても短時間に，かつ高精度で製造できるという長所があ
る。

【０００４】しかしながら，このような直接プレス成形
手段においては，プレス成形後において得られたレンズ
の特性が所望の水準を維持することが必要であり，特に
非球面レンズの場合においては高精度で成形されること
が要求されている。このため成形用金型としては，高温
度においてガラスに対する化学反応が小さいこと，金型
の成形面に非所望の損傷が発生しないこと，耐熱衝撃性
が高いこと等が必要である。

【０００５】上記のような光学素子成形用金型としては
，これまでに炭化ケイ素，窒化ケイ素等の硬質材料を使
用したもの，あるいは高密度カーボンのような構造材料
による金型の成形面に，上記硬質材料による被膜を形成
したもの等がある。しかしながら上記硬質材料によって
成形用金型を形成するものにおいては，加工によって球
面若しくは非球面を形成することが非常に困難であると
いう欠点がある。一方高密度カーボンによる金型の成形
面に硬質材料の被膜を形成したものにおいては，被膜の
厚さによって，薄い場合には亀裂が発生することがあり
，一方厚すぎると熱膨張率の相違による剥離事故を惹起
するおそれがあるという問題点がある。

【０００６】上記問題点を解決するために，炭化タング
ステンおよびコバルトを主成分とする材料によって形成
した成形用金型が提案されている（例えば特開昭５９−
１２３６３１号公報参照）。また成形面に被膜を形成し
たものとして，超硬合金を母材とし，これを成形すべき
レンズ形状の押し型に加工し，更にその上に均一な厚さ
で炭化ケイ素のコーティング膜を形成した成形用金型も
提案されている（例えば特開昭６０−１２７２４６号公
報参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記前者
の提案になるものにおいては，硬質のＷＣは格別として
，このＷＣを結合するために金属Ｃｏを使用しているた
め，光学素子成形用金型として使用した場合には，使用
中に成形面が荒れ，寿命が短いという問題点がある。 すなわち金属Ｃｏは硬度が低いことと，成形時における
ガラスとの反応を起すことにより，金属Ｃｏの部位が選
択的に凹み易く，これが成形面の荒れとなるものと認め
られる。一方上記成形面の荒れを防止するために金属Ｃ
ｏの量を減少させると，成形用金型を構成するＷＣ−Ｃ
ｏ焼結体の密度が上りにくく，強度および靱性が低下す
る結果を招来するため不都合である。従ってＷＣ−Ｃｏ
焼結体のままで成形用金型を構成したものには，成形面
の荒れによる寿命低下という欠点が存在する。

【０００８】次に前記後者の提案になるものは，超硬合
金による成形用金型において，成形面に硬質のＳｉＣ膜
をコーティングしたものであるため，例えば前者のよう
なＷＣ−Ｃｏによるものにおける成形面の荒れの問題を
解消できるという利点はある。しかしながら，ＷＣ−Ｃ
ｏからなる超硬合金を構成材料とする成形用金型の場合
には，ＳｉＣ膜が剥離し易いという問題点がある。

【０００９】すなわちＷＣ−Ｃｏ超硬合金中においては
，結合相としての金属Ｃｏは１０体積％程度を占めてお
り，ＳｉＣ膜の成膜中において境界面にまずＣｏ−Ｓｉ
化合物層を形成する。このＣｏ−Ｓｉ化合物は脆くその
上に形成されるＳｉＣ膜の密着強度も低く，従って膜厚
を充分に確保することができないこととなる。一方Ｓｉ
Ｃ膜は成膜時においては表面が荒れているため，成形面
とするためにはラップによる鏡面加工を必要とする。 この場合ラップ代としては通常２０μｍ程度を必要とす
るため，成膜時においては少なくとも４０μｍ以上の厚
さが必要である。しかしながら従来のものにおいてはＳ
ｉＣ膜の厚さを厚くできないため，成形面の鏡面加工が
極めて煩雑であり，場合によっては不充分なまま成形に
供することとなり，光学素子の成形表面の面精度にも影
響するという問題点も併存するのである。

【００１０】本発明は上記従来技術に存在する問題点を
解決し，成形面の荒れが極めて少なく，寿命が長いと共
に，硬質被膜の密着強度が大であり，かつ充分な膜厚の
被膜を形成し得る光学素子成形用金型を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に，まず第１の発明においては，ＷＣ相および少なくと
も１種以上のＷ−Ｃｏ−Ｂ化合物相を含む硬質相とＣｏ
を主体とする結合相からなる焼結体によって形成する，
という技術的手段を採用した。

【００１２】上記の発明において，焼結体中の結合相を
構成する金属Ｃｏを３．０重量％以下にすることが好ま
しい。また第２の発明においては，上記第１の発明にお
ける技術的手段に，成形面にＳｉＣ膜を形成する，とい
う技術的手段を付加した。

【００１３】上記の発明において，結合相を構成する金
属Ｃｏが３．０重量％を超えると，靱性がやや増加する
反面において，焼結体の硬度の大幅な低下を招来すると
共に，成形面の面荒れを惹起するため好ましくない。ま
たＳｉＣ膜の成膜時においてＣｏとＳｉが反応し，脆弱
なＣｏ−Ｓｉ化合物層を形成する。このためＳｉＣ膜の
密着強度の低下，剥離を招来し，更に鏡面仕上に必要な
充分な膜厚寸法を確保できないため好ましくない。

【００１４】また成形面に密着させるＳｉＣ膜は，従来
公知の膜形成手段の何れによっても形成することができ
るが，ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｖａｐｏｒｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ　）法よりもＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　
ｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法を採用すること
が望ましい。すなわちＣＶＤ法の方が高温において膜形
成が行なわれて膜密着性が高いためである。

【００１５】上記焼結体を製造する場合には，粉末原料
であるＷＢ１０〜４０体積％，Ｃｏ５〜２０体積％，残
ＷＣとをＣｏ／ＷＢが０．３〜０．８となるように配合
し，成形後，非酸化性雰囲気で焼結し，ＷＣ相及び少な
くとも１種以上のＷ−Ｃｏ−Ｂ化合物相を含む硬質相を
生成させると共に，結合相として含有される金属Ｃｏを
３．０重量％以下とすればよい。

【００１６】この場合において，ＷＢが１０体積％未満
であると，Ｗ−Ｃｏ−Ｂ化合物の生成が不充分であり，
硬度が低下するため好ましくない。一方ＷＢが４０体積
％を超えると，均一な焼結が困難となる傾向が認められ
るため不都合である。またＣｏの配合量が５体積％未満
であると，密度が上りにくく強度および靱性が低下する
ため好ましくない。この理由については，液相焼結に寄
与し得るＣｏが少なくなるためであると推定される。一
方Ｃｏの配合量が２０体積％を超えると，焼結体中に残
留する結合相の金属Ｃｏを増加し，硬度を低下させるた
め不都合である。なおＣｏとＷＢとの配合時の体積比（
Ｃｏ／ＷＢ）は０．３〜０．８とするのがよい。

【００１７】また粉末原料であるＷＣの粒度は０．５〜
１０μｍ，好ましくは０．８〜５μｍがよい。ＷＢの粒
度は０．８〜１０μｍ，好ましくは１．０〜５μｍがよ
い。Ｃｏは１０μｍ以下の粒度であればよい。

【００１８】上記粉末原料からなる成形体は，非加圧焼
結法によって焼結することができ，雰囲気はＮ２　，ア
ルゴン，真空等の非酸化性雰囲気が好適である。なおホ
ットプレスやＨＩＰによっても当然に焼結することがで
きるが，これらの加圧焼結手段に依存しなくても，高密
度の焼結体を得ることができる。次に非加圧焼結法によ
る場合，焼結温度は１３００〜１６００℃，好ましくは
，１４５０〜１５５０℃とするのがよく，焼結時間は１
０〜１２０分，好ましくは３０〜９０分とするのがよい
。

【００１９】

【作用】上記の構成により，光学素子成形用金型を形成
する焼結体は，その焼結過程においてＣｏが溶解し，Ｗ
Ｃ粒子およびＷ−Ｃｏ−Ｂ化合物粒子がＣｏをマトリッ
クスとして強固に結合されるようになる。しかも，本発
明者等の研究の結果，上記Ｃｏは単にＷＣ粒子およびＷ
Ｂ粒子との間隙を埋めるのみでなく，Ｃｏの一部は焼結
過程においてＷＢと反応してＷ−Ｃｏ−Ｂ化合物を形成
する。このＷ−Ｃｏ−Ｂ化合物は焼結体中においてＣｏ
ＷＢまたはＣｏＷＢとＣｏＷ２Ｂ２　とが共存する化合
物を形成することが認められる。このようなＷ−Ｃｏ−
Ｂ系複合相は，ＷＢ単相と比較してＣｏマトリックス相
との親和性が高いので，Ｃｏマトリックス相との結合強
度が大である。

【００２０】上記のように硬質粒子同士若しくは硬質粒
子とＣｏマトリックス相との結合力が極めて高いので，
本発明のＷ−Ｃｏ−Ｂ化合物を含有する焼結体によって
形成した光学素子成形用金型は靱性に優れたものとなる
。またＷＢはＣｏとの反応により高硬度のＷ−Ｃｏ−Ｂ
化合物を形成し，焼結体中に残留するＣｏを低下させる
ことができるため，焼結体自体の硬度も高めることがで
き，ビッカース硬度において１７００以上の値が得られ
ることが認められた。

【００２１】

【実施例】粒度が０．５〜１０μｍのＷＣ，同１．０〜
５．０μｍのＷＢおよび同５〜１０μｍのＣｏを表１に
示す配合（体積％）で混合した。これらの混合物を１５
００　ｋｇｆ／ｃｍ２　（約１４７×１０６　Ｐａ）の
圧力にてプレス成形し，直径１０ｍｍ×高さ５ｍｍの成
形体を得た。この成形体を１ａｔｍ　のＮ２　雰囲気中
にて夫々１４５０℃，１５００℃および１５５０℃にて
１時間焼結して焼結体とした。

【００２２】

【表１】

【００２３】表２に上記焼結温度に対応するビッカース
硬度Ｈｖ（１４５０），Ｈｖ（１５００）およびＨｖ（
１５５０）ならびにクラック抵抗ＣＲ（１４５０），Ｃ
Ｒ（１５００）およびＣＲ（１５５０）の値を併記する
。なおＩＣＰ−Ｃｏはプラズマ発光分析による結合相の
Ｃｏの値である。すなわち焼結体を３２５メッシュ以下
に粉砕して分析用試料とし，酸液中で金属相のみを選択
的に溶解させ，溶解液から非溶解粉末をフィルタによっ
てろ過除去し，溶解液中のＣｏを分析したものである。 これにより，焼結体の結合相中に残留する金属Ｃｏ量を
分析することができる。なお表１および表２におけるＮ
ｏ．は各々対応しており，Ｎｏ．に（　　）を付したも
のは比較例である。

【００２４】

【表２】

【００２５】表１および表２から明らかなようにＣｏに
対してＷＢ量の多い（Ｃｏ／ＷＢ≦０．３）Ｎｏ．３，
５，７，８，１３では１４５０〜１５５０℃の焼結では
硬さ測定が可能なまでのち密化が得られない。またＣｏ
に対してＷＢの少ない（Ｃｏ／ＷＢ≧０．８）Ｎｏ．２
およびＮｏ．１６では焼結体中のＣｏがそれぞれ３．４
２ｗｔ％，８．３８ｗｔ％と多く，硬さが低く，またＣ
ｏが多いためＳｉＣ膜形成用の母材として使用できない
。

【００２６】本発明の光学素子成形用金型を形成する焼
結体はＮｏ．１，４，６，９，１０，１１，１２，１４
，１５に示されるようにいずれもビッカース硬さＨｖ（
１５００）が１７００をこえ，クラック抵抗ＣＲの値も
良好であることが認められる。さらに焼結体中のＣｏ量
も３ｗｔ％以下であり，ＳｉＣ膜を被着させる場合に有
害であるＣｏを減少させ，かつ光学素子成形用金型とし
て使用するのに十分な高密度な焼結体となっている。な
おＮｏ．１７は従来からダイアモンド膜形成用基板とし
て使用されている超硬合金の比較例を示す。

【００２７】図１は本発明の実施例における焼結体のＸ
線回折結果を示す図であり，ＷＣ−３０ｖｏｌ　％ＷＢ
−１０ｖｏｌ　％Ｃｏのものを１５００℃で焼結したと
きの例である。図１から明らかなように焼結によりＣｏ
の多くはＷＢと反応し，Ｗ−Ｃｏ−Ｂ化合物であるＣｏ
Ｗ２　Ｂ２　及びＣｏＷＢを形成していることが分かる
。

【００２８】図２は本発明の実施例における焼結体の粒
子構造を示す写真であり，前記図１に示す焼結体のミク
ロ組織をＳＥＭで観察した結果（倍率２４００倍）を示
す。図２において白色粒子がＷＣ，灰色の粒子がＣｏＷ
２　Ｂ２　，黒色粒子がＣｏＷＢである。結合相である
Ｃｏは１ｗｔ％以下と量が少なく，この視野の中には認
められない。

【００２９】次に上記焼結体を母材として，その表面を
研磨仕上した後プラズマＣＶＤ法によりＳｉＣ膜を形成
した。ＣＶＤによる成膜条件は温度９００℃，ガス比は
ＳｉＣｌ４　／ＣＨ４　が１：１，導入ガス圧力２〜４
Ｔｏｒｒ，成膜速度１００μｍ／ｈで，６０μｍのＳｉ
Ｃ膜を形成した。このＳｉＣ膜を鏡面加工して，表面の
平均面粗さ（Ｒａ）０．００５μｍに形成した。

【００３０】図３は上記ＳｉＣ膜および母材との境界部
の破断面における粒子構造を示す写真であり，１６００
倍の倍率で示してある。図３から明からなように，Ｓｉ
Ｃ膜および母材の内部には有害なポアの存在は認められ
ず，また両者の境界面における組織にも異常は認められ
ず，両者は完全に固着状態にあることがわかる。またＳ
ｉＣ膜の表面状態は完全に鏡面状態に形成され，鏡面加
工後のＳｉＣ膜の膜厚寸法は均一に略２０μｍが確保さ
れている。従って光学素子成形用金型として使用した場
合においても，成形面に硬質のＳｉＣ膜を充分な厚さで
保持し得ることが認められる。

【００３１】図４は図３における夫々の部位のＥＰＭＡ
（電子線マイクロプローブＸ線分析装置）による元素量
を示す図である。図４から明らかなように，ＳｉＣ膜と
母材との境界部におけるＣｏ量は，母材中におけるもの
と略同様であり，Ｃｏ量の変動が略どないことがわかる
。これは焼結体である母材中のＣｏ量が，通常のＷＣ−
Ｃｏ系超硬合金のそれと比較して少量であり，かつ前述
のようにＣｏＷＢまたはＣｏＷＢとＣｏＷ２　Ｂ２　と
が共存する化合物として固定されているためと認められ
る。このため前記図３に示すような，比較的膜厚寸法の
大きいＳｉＣ膜を形成することができ，ＳｉＣ膜を母材
に強固に被着できるものと考えられる。なお境界部の近
傍においてＷの量が若干多く現われているのが認められ
るが，これはＷＣおよび／またはＷＳｉ２　が生成され
ることによると推定される。但しこれらの化合物の生成
は，ＳｉＣ膜の非所望な剥離を招来する要因とはならな
い。

【００３２】次に比較例としてＷＣ−Ｃｏ超硬合金（表
１におけるＮｏ．１７）に，上記と同様にＳｉＣ膜を形
成し，膜および母材との境界部の破断面を走査型分析電
子顕微鏡およびＥＰＭＡにより観察した。図５は上記比
較例におけるＳｉＣ膜と母材との境界部の破断面の粒子
構造を示す写真，図６は図５における夫々の部位のＥＰ
ＭＡによる元素量を示す図である。

【００３３】図５による観察結果および図６に示す分析
結果から，母材の表面にはＳｉＣ膜ではなく，Ｃｏ−Ｓ
ｉ化合物（ＣｏＳｉ２　と考えられる）が形成されてい
ることが判明した。またＣｏ−Ｓｉ化合物層の上には，
多孔質のＣ層，ＳｉＣ層が形成されている。なおＥＰＭ
Ａ分析に供する分析試料を研磨処理時において，表面層
がＣ層で剥離したため，図６においてはＳｉＣ層は分析
されていない。

【００３４】上記のように従来使用されているＷＣ−Ｃ
ｏ超硬合金においては，ＣＶＤ法により密着強度の大き
いＳｉＣ膜を表面に形成するのが困難であることがわか
る。これはＷＣ−Ｃｏ超硬合金においては，結合相を形
成する金属Ｃｏ量が多く含有され，この金属ＣｏとＳｉ
Ｃｌ４　のＳｉが優先的に反応してＣｏ−Ｓｉ層が形成
され，次いでＣ層，ＳｉＣ層が形成されるという膜形成
過程をたどり，このＣ層が極めて多孔質な層であるため
である。これに対し，本発明のものは結合相の金属Ｃｏ
量が少ないため，上記従来のものにおけるような不具合
は生じないのである。

【００３５】図７は本発明の実施例を示す要部縦断面拡
大図であり，図中の数字は寸法（ｍｍ単位）を示す。す
なわち直径１２ｍｍ，高さ１６ｍｍの円柱の一方の端面
に曲率半径８ｍｍの成形面を形成したものを上下１対と
して使用した。なおこの成形用金型は，前記表１のＮｏ
．１に相当する配合の原材料を使用し，前記同様の成形
条件によって成形体を得た後，１５００℃にて１時間焼
結して成形用金型の母材とした。次にこの母材の成形面
を微細なダイヤモンド砥粒によって鏡面研磨した後，前
記同様の条件によりＳｉＣ膜を被着させ，再度鏡面研磨
により表面の平均面粗さ（Ｒａ）０．００５μｍの成形
面を形成した。

【００３６】上記のようにして作製した成形用金型を，
例えば特開昭６０−１２７２４６号公報記載のような公
知のプレス装置にセットして，バリウムホウ素系光学ガ
ラスにより，両凸レンズ形状にプレス成形した。なお上
記光学ガラスの転位点は４６０℃，成形温度は５３０℃
である。このようなプレス成形を２０，０００回連続し
て行なった後に成形用金型の成形面を評価した結果，成
形面を形成するＳｉＣ膜に疵若しくは剥離は全く認めら
れず，平均面粗さ（Ｒａ）は０．００７μｍであった。

【００３７】

【発明の効果】本発明は以上記述のような構成および作
用であるから，下記の効果を奏し得る。 （１）成形用金型の母材を形成する焼結体中に含有され
る金属Ｃｏが少ないため，ＳｉＣ膜が母材上に直接形成
され，かつＳｉＣ膜の密着強度が大きいため，ＳｉＣ膜
の剥離が発生しないから，成形面の荒れが極めて少なく
，寿命が長い。 （２）ＳｉＣ膜の密着強度が大であり，かつ充分な膜厚
を形成し得るため，成形面の研磨，整形が極めて容易で
あり，特に非球面状の光学素子に対する成形面の形成に
有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における焼結体のＸ線回折結果
を模式的に示す図である。

【図２】本発明の実施例における焼結体の粒子構造を示
す写真である。

【図３】本発明の実施例におけるＳｉＣ膜と母材との境
界部の破断面の粒子構造を示す写真である。

【図４】図３における夫々の部位のＥＰＭＡによる元素
量を示す図である。

【図５】比較例におけるＳｉＣ膜と母材との境界部の破
断面の粒子構造を示す写真である。

【図６】図５における夫々の部位のＥＰＭＡによる元素
量を示す図である。

【図７】本発明の実施例を示す要部縦断面拡大図である
。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ＷＣ相および少なくとも１種以上のＷ
   −Ｃｏ−Ｂ化合物相を含む硬質相とＣｏを主体とする結
   合相からなる焼結体によって形成したことを特徴とする
   光学素子成形用金型。
2. 【請求項２】　　焼結体中の結合相を構成する金属Ｃｏ
   を３．０重量％以下としたことを特徴とする請求項１記
   載の光学素子成形用金型。
3. 【請求項３】　　成形面にＳｉＣ膜を形成したことを特
   徴とする請求項１若しくは請求項２記載の光学素子成形
   用金型。
4. 【請求項４】　　ＳｉＣ膜をＣＶＤ法によって形成した
   ことを特徴とする請求項３記載の光学素子成形用金型。