JPH09188537A - 光学素子成形用型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 膜剥離、クラックの発生がなく、耐久性に優
れた成形用型を作製する。 【解決手段】 ガラスをプレスする成形面にアルミン酸
マグネシウム層あるいはアルミニウム、マグネシウム及
び酸素が混在する層のいずれかが設けることで膜剥離、
クラックを防止し、耐久性を付与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズ、プリズム
等の光学素子をガラス素材のプレス成形により製造する
際に使用される成形用型及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】研磨工程を必要としないでガラス素材の
プレス成形によってレンズを製造する技術は、製造にお
ける複雑な工程をなくし、簡単且つ安価に製造できるこ
とから、近年、レンズのみならずプリズムその他のガラ
スよりなる光学素子の製造に使用されている。

【０００３】このようなガラスのプレス成形に使用され
る成形用型としては、硬度、耐熱性、鏡面加工性等に優
れていることが要求されており、このような要求を満足
する材質として、金属、セラミックス及びこれらをコー
ティングした材料が選択されている。例えば、特開昭４
９−５１１１２号公報には１３Ｃｒマルテンサイト鋼
が、特開昭５２−４５６１３号公報にはＳｉＣ及びＳｉ
₃ Ｎ₄ が、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材料が、特開昭６１−１
８３１３４号公報、特開昭６１−２８１０３０号公報お
よび特開平１−３０１８６４号公報にはダイヤモンド薄
膜もしくはダイヤモンド状炭素膜をコーティングした材
料が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
４９−５１１１２号公報記載の材質である１３Ｃｒマル
テンサイト鋼は酸化し易いと共に、成分のＦｅが高温で
ガラス中に拡散してガラスが着色する問題点を有する。
特開昭５２−４５６１３号公報においては、ＳｉＣおよ
びＳｉ₃ Ｎ₄ が酸化されにくいと記載しているが、高温
では酸化が起こり、表面にＳｉＯ₂ の膜が形成されるた
めガラスの融着を生じる。特開昭６０−２４６２３０号
公報における貴金属をコーティングした材料は融着は起
こしにくいが、極めて柔らかいため、傷がつき易く、し
かも変形し易いという問題点を有している。

【０００５】特開昭６１−１８３１３４号、特開昭６１
−２８１０３０号、特開平１−３０１８６４号公報に記
載されているダイヤモンド薄膜、ダイヤモンド状炭素、
水素化アモルファス硬質炭素膜、硬質炭素膜を用いた型
は、型とガラスの離型性が良く、ガラスの融着を起こさ
ないが、成形操作を数百回以上繰り返して行うと、膜が
部分的に剥離して十分な成形性能が得られないこと問題
をゆうしている。この原因として以下のことが考えられ
る。

【０００６】上述した膜は、いずれも非常に大きな圧
縮応力を有しており、成形プロセスにおける急加熱−急
冷却に伴う応力解放の結果として剥離、クラック等が生
じる。又、型母材と膜の熱膨張係数の違いと熱サイクル
に起因する熱応力によっても同様な現象が生じる。 型母材によっては、表面状態により膜が部分的に形成
されなかったり、膜厚が薄いことがある。例えば、ＷＣ
−ＣｏやＳｉＣ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等の焼結体では、粒の欠落
や焼結時のポアが避けられず、成形研磨面に数μｍ以上
の穴が存在している。こうした面に膜を形成したとき、
これらの穴には膜が形成されていなかったり、極端に膜
厚の薄い状態になる。従って、こうした部分の膜の付着
強度や、機械的強度が著し低下するため、剥離やクラッ
クの発生起点となり易い。 ＷＣ−ＣｏのＣｏに代表される焼結体中の焼結助材と
上述した膜の間で拡散による合金が形成され、この合金
がガラス中に含有される成分と反応して析出物を生じ
る。この結果、耐久性が劣化する。

【０００７】本発明はこのような従来技術の問題点を考
慮してなされたものであり、表面における膜剥離、クラ
ック等の発生がなく、耐久性に優れ、且つ、ガラスとの
融着が起こらず離型性が優れた光学素子成形用型及びそ
の製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光学素子成形用
型は、ガラスをプレスする成形面にアルミン酸マグネシ
ウム（Ｍｇ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ）層あるいはアルミニウム（Ａ
ｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）が混在する
層のいずれかが設けられていることを特徴とする。

【０００９】アルミン酸マグネシウムの層あるいはＡ
ｌ，Ｍｇ，Ｏが混在する層の形成方法としては焼結体を
用いたり、真空蒸着、ＰＶＤ、ＣＶＤ等の薄膜を形成す
る方法やＡｌ，Ｍｇ，Ｏのイオンを注入する方法あるい
はこれらを組み合わせた方法等がある。しかし、焼結体
では、結晶粒の欠落や焼結時のポアが避けられず、成形
研磨面に数μｍ以上の穴が存在するため、緻密な薄膜を
形成する方法あるいはイオン注入による形成方法が望ま
しい。結晶粒の欠落等を考慮すると単結晶が望ましい。
更に、上述した方法で作製した後、必要に応じて型母材
を熱処理等行うことができる。

【００１０】本発明に型母材としては用いられる材質と
しては、ＷＣ，ＳｉＣ，ＴｉＣ，ＴａＣ，ＢＮ，Ｔｉ
Ｎ，ＡｌＮ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｚｒ
Ｏ₂ ，Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ，サーメット，サイアロン，ムラ
イト，ＷＣ−Ｃｏ合金等を選択できるが、耐熱性、鏡面
加工性、熱電導率等を考慮した場合、ＳｉＣが良好であ
る。

【００１１】型母材における少なくとも成形面に形成し
たアルミン酸マグネシウムはスピネルと呼ばれる化合物
であり、スピネル型結晶構造を有している。アルミン酸
マグネシウムは融点が２１３５℃と耐熱性を有し、イオ
ン結合の強い塩基性化合物であるため、アルカリ性融液
やガラスに対して不活性である。また、溶融ガラス、シ
リカに濡れない特性を有している。

【００１２】Ａｌ，Ｍｇ，Ｏが混在する層も物性上、ア
ルミン酸マグネシウムと類似したものとなる。このため
成形面にアルミン酸マグネシウムあるいはＡｌ，Ｍｇ，
Ｏが混在する層を形成することにより、成形時における
溶融ガラスの焼き付けという離型不良が発生しにくい。
機械的な特性もアルミナ等のセラミックスと比べ優れて
おり、また、単結晶物を用いた場合、粒界が存在しない
ため非常に強固なものとなる。このため、膜の破壊、ク
ラック等の発生を抑制できる。このように、成形面にア
ルミン酸マグネシウムあるいはＡｌ，Ｍｇ，Ｏが混在す
る層を形成することにより、離型性のみならず耐久性を
も兼ね備えた成形用型とすることができる。

【００１３】本発明の製造方法は、成形面に少なくとも
アルミン酸マグネシウム（Ｍｇ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ）の層ある
いはＡｌ、Ｍｇ、Ｏが混在する層のいずれかを少なくと
もイオン注入により形成したことを特徴とする。

【００１４】アルミン酸マグネシウムの層あるいはＡ
ｌ，Ｍｇ，Ｏが混在する層の形成方法としては、Ａｌイ
オン、Ｍｇイオン、Ｏイオンを成形面に注入する方法、
Ａｌ、Ｍｇの混合膜を形成した後あるいは同時にＯイオ
ンを注入する方法等、イオン注入単独あるいは膜形成と
イオン注入とを組み合わせる方法等がある。更に、この
ような方法で作製した後、必要に応じて型母材を熱処理
等行うことができる。

【００１５】本発明で用いるイオン注入とは、添加を目
的といる粒子をイオン化し、超高真空中で数ｋｅＶから
数１００ｋｅＶに加速して型母材に添加することによ
り、バルクと異なった特定の性質を有する表面層を形成
する方法である。この方法では、型母材へ照射されたイ
オンが母材に侵入することにより、型母材との衝突を繰
り返してエネルギーを損失する。この結果、注入したイ
オンは型母材内に停止するが、このときの侵入深さは、
通常のイオン注入の場合、０．０１〜１μｍ程度であ
る。この侵入深さに関する最大濃度の深さやその広がり
は、型母材の密度、注入イオンとその加速エネルギーに
よって決定される。なお、型母材の材質は上述したと同
様なものを選択することができる。

【００１６】型母材にＡｌイオン、Ｍｇイオン、Ｏイオ
ンを注入あるいは、Ａｌ，Ｍｇの混合膜を形成した後あ
るいは同時にＯイオンを注入する等、膜の形成後あるい
は同時にイオン注入を行うことにより、各イオンは型母
材で相互に結合する（特にＭｇとＯ，ＡｌとＯとの結
合）か、あるいは混在した形態で層を形成する。更に、
熱処理を加えることにり、結合が促進され、スピネル構
造の結晶の形成あるいは緻密な混合層の形成を促進する
ことができる。この結果、型母材の少なくとも成形面
に、アルミン酸マグネシウムあるいはアルミン酸マグネ
シウムと物性上類似した混合層を形成できる。

【００１７】このアルミン酸マグネシウムあるいはＡ
ｌ，Ｍｇ，Ｏが混在する層はイオン注入より形成するた
め、母材表面から深さ方向に注入元素が傾斜的に分布し
ており、これにより、母材との界面が存在せず、融着性
が良好となる。このため、成形時における溶融ガラスの
焼き付けである離型不良が発生しにくい。また、薄膜に
比べ、更に、剥離および破壊の発生が抑制でき、離型性
のみならず高い耐久性も兼ね備えた成形用型とすること
ができる。

【００１８】本発明の別の製造方法は、型母材の少なく
とも成形面にアルミン酸マグネシウム（Ｍｇ・Ａｌ₂ Ｏ
₃ ）の層あるいはＡｌ、Ｍｇ、Ｏが混在する層の少なく
ともいずれかを形成と同時あるいは後にイオン注入を行
うことを特徴とする。

【００１９】型母材の表面にアルミン酸マグネシウムあ
るいはＡｌ，Ｍｇ，Ｏが混在する層を形成した後あるい
は同時に膜界面よりも大きい飛程を有する高エネルギー
のイオンを注入することにより、界面において型母材と
膜とをミキシング（ビーム・ミキシング）させる。この
ビーム・ミキシングに使用する注入イオン種としては膜
界面よりも大きい飛程を有した高エネルギーのイオンで
あれば良いが、不活性元素であるＨｅ，Ａｒ等が特に望
ましい。この方法においては、ミキシング後に母材を熱
処理することができる。なお型母材としては、上述した
と同様のものを選択することができる。

【００２０】アルミン酸マグネシウムあるいはＡｌ，Ｍ
ｇ，Ｏが混在する層を薄膜として成形面に形成すると、
ガラスの離型性が向上するが、膜と型母材との熱膨張係
数の違いにより、成形回数が増加するに従って膜の剥離
およびクラックが発生する場合がある。これに対して、
ビーム・ミキシングを施すことにより、形成した薄膜の
剥離が起こりにくくなる。このことは物理的には界面が
存在しなくなることから予測できるものである。

【００２１】ビーム・ミキシングはビームが有するエネ
ルギーにより膜と型母材の界面で原子あるいは化合物を
混合し、鋭い界面の消失や原子混合による化合物形成を
目的としている。このようなイオンビーム照射によって
引き起こされるミキシングは照射損傷を伴い、欠落を多
量に作ると考えられる。しかし、イオンと型母材との衝
突は、核的衝突のみならず電子的衝突も同時に起こって
いる。ここで衝突によるエネルギー損失の割合がＬＳＳ
理論に従うとすれば、あるエネルギーよりは高い側で電
子的衝突によるエネルギー損失の方が大きくなる。すな
わち、高エネルギー側で電子的、低エネルギー側で核的
衝突が大きくなり、したがって膜表面側は核的衝突によ
る型母材原子の散乱は小さく、電気的衝突による型母材
原子のイオン化の方が大きくなる。このような効果から
薄膜は非晶質化したり、結晶成長を生起する。従って非
晶質と結晶が混在する場合もある。

【００２２】このように、型母材の成形面の表面にアル
ミン酸マグネシウムあるいはＡｌ，Ｍｇ，Ｏが混在する
膜を形成した後あるいは同時にイオンを注入することに
より型母材との膜の付着強度を改善するため、耐久性が
向上できると共に、イオン注入と膜とを併用することに
より、イオン注入の注入時間が短くなり、あるいは条件
等が容易になるため、製造を簡単に行うことができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】

［実施の形態１］曲率半径Ｒ＝１５０ｍｍ、表面粗さＲ
ｍａｘ＝０．０３μｍ、直径φ＝５ｍｍ、肉厚＝２ｍｍ
のガラスレンズを成形するため、成形型を３個作成し
た。型母材としてＳｉＣ焼結体を所定の形状に加工した
後、ＣＶＤ法によりＳｉＣ膜を２μｍ形成し、その後、
更にＣＶＤ法によって単結晶のアルミン酸マグネシウム
膜を形成した。

【００２４】図１はこのアルミン酸マグネシウムを形成
する方法を示し、チャンバー１内を排気した後、ＳｉＣ
焼結体２をヒータ３によって９００℃に加熱し、チャン
バー１内をＨＣｌ／Ｈ₂ 雰囲気とする。次に、ＭｇＣｌ
₂ をＨ₂ 雰囲気内で８００℃に加熱し、同時にＡｌをＨ
Ｃｌ／Ｈ₂ 雰囲気内で６００℃に加熱し、それぞれから
の反応ガスをＳｉＣ焼結体２に導き、厚さ５μｍの単結
晶アルミン酸マグネシウム膜を得た。その後、成形面を
鏡面研磨し、成形型を作成した。

【００２５】鏡面研磨後の成形表面の表面粗さを評価し
たところ、Ｒｍａｘ＝０．０２μｍであり、Ｘ線回折に
よって結晶状態を分析したところ、スピネル型の結晶構
造となっていることが確認された。比較例として、実施
の形態１と同一の形状、同様の型母材を用い、同様のＳ
ｉＣ膜を施し、アルミン酸マグネシウム膜を施さない成
形型を２個作成し、比較評価した。

【００２６】アルミン酸マグネシウム膜を形成した成形
型２個及びアルミン酸マグネシウム膜を施さない比較用
成形型２個で、フリント系ガラスＬａＳＦ０３（軟化点
Ｓｐ＝６８７℃、ガラス転移点Ｔｇ＝６１０℃）を成形
機でプレス成形し、離型不良発生までの成形回数を２種
類の成形型で比較して評価した。結果を表１に示す。ア
ルミン酸マグネシウム膜を施していない成形型は、ガラ
スレンズの離型不良である焼き付けを生じ、成形できな
かった。

【００２７】これに対し、アルミン酸マグネシウム膜を
施した成形型では１００００回以上の成形が可能であっ
た。また、１００００回成形した後の成形型は、光学顕
微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によっても、傷や割れ
等の欠陥やガラス中に含まれるＰｂＯの還元析出物であ
るＰｂやガラスの融着が観察されなかった。また、成形
品についても表面粗さ、面精度、透過率、形状精度とも
良好でＰｂの析出や成形時のガス残りという問題もなか
った。但し、その後、累計５００００回の成形を試みた
ところ、成形型２個中１つの成形型において、３０００
０回時点で微細な膜剥離が発生した。しかし、１０００
０回以上の耐久性が得られているため、実用上の問題は
生じていなかった。この実施の形態では、ＬａＳＦ０３
のような高温での成形においても、離型が容易に、且つ
繰り返して行うことができる、生産性が大幅に向上す
る。

【００２８】［実施の形態２］実施の形態１と同様のＳ
ｉＣ焼結体にＳｉＣ膜を施した成形型を３個作成した。
これらの型を良く洗浄した後、スパッタリングによって
ＡｌおよびＭｇの混合膜を形成した。混合膜の形成は、
チャンバー内に成形型を設置した後、チャンバー内を排
気し、０．１ＰａのＡｒガスを導入する。そしてＭｇを
５００Ｗの出力で高周波マグネトロンスパッタリングを
行い、同時にＡｌを５００Ｗの出力で直流マグネトロン
スパッタリングを行い、これによりＳｉＣ膜上に５μｍ
の混合膜を形成した。その後、成形面を鏡面研磨した。

【００２９】次に、イオン注入装置を用いて質量分離を
行い、Ｏイオン（¹⁶Ｏ⁺ ）によりイオン注入を行った。
注入方法としては、チャンバー内に成形型を設置した
後、排気を行い高真空状態にして質量分離を行ったＯイ
オンを注入量５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、イオンエネ
ルギー５０ｋｅＶで成形面に注入した。

【００３０】注入後の成形面の表面粗さを評価したとこ
ろ、Ｒｍａｘ＝０．０２μｍであった。次にＸＰＳによ
って、Ａｌ，Ｍｇ，Ｏの結合状態を確認した。その結
果、ＡｌとＯとの結合、ＭｇとＯとの結合が確認され、
深部においてはＳｉとＯとの結合も確認され、界面が消
失していることが確認された。また、同時にＯと結合さ
れていないＡｌ，Ｍｇも確認された。さらに、Ｘ線回折
によって結晶状態を確認したところ、スピネル型の結晶
耕造が確認された。このことから混合膜へＯイオン注入
によりアルミン酸マグネシウムおよびＡｌ，Ｍｇ，Ｏの
混合層が形成されたものと考えられる。

【００３１】評価方法は実施の形態１と同様である。結
果を表１に示す。全ての型について良好な離型性が確認
できた。成形後の型を光学顕微鏡およびＳＥＭによって
観察したところ、界面が消失し、傾斜層が形成されてい
るため、剥離等の発生がなく、１００００ショット成形
後でも、傷や割れ等の欠陥や、ガラス中に含まれるＰｂ
Ｏの還元析出物であるＰｂやガラスの融着が光学顕微
鏡、ＳＥＭによって観察されなかった。また、成形品に
ついても表面粗さ、面精度、透過率、形状精度とも良好
で、Ｐｂの析出や成形時のガス残りという問題もなかっ
た。さらに、その後、累計５００００回の成形を試みた
ところ、成形型２個共に異常は認められなかった。

【００３２】このような実施の形態では、成形型の成形
面にＡｌ，Ｍｇの混合膜を形成した後に、Ｏイオン注入
を施してアルミン酸マグネシウムおよびＡｌ，Ｍｇ，Ｏ
の混合層を膜と型母材との鋭い界面をなくした状態で形
成できることにより、膜と型母材との密着性が向上し、
離型性のみならず耐久性を更に向上させることができ
る。このためメンテナンスの必要がなく生産効率が向上
する。また、膜形成とイオン注入とを併用させているた
め、成形型を比較的安価に製造できる。

【００３３】［実施の形態３］実施の形態１と同様にＳ
ｉＣ焼結体に対してＳｉＣ膜を施した成形型を３個作成
した。これらの型を良く洗浄した後、真空蒸着によっ
て、アルミン酸マグネシウム膜を形成し、成形面を鏡面
研磨した。アルミン酸マグネシウム膜の形成はチャンバ
ー内に成形型を設置した後、チャンバー内を１×の１０
^-3Ｐａまで排気し、その後、純度９９．９％のアルミン
酸マグネシウムタブレットを電子ビームによって加熱
し、これによりＳｉＣ膜上に５μｍの膜厚として形成し
た。そして、この膜の形成後に、成形面を鏡面研磨し
た。

【００３４】次にイオン注入装置を用い、質量分離を行
い、Ａｒイオン（⁴⁰Ａｒ⁺ ）をイオン注入した。注入方
法は、チャンバー内に成形型を設置した後、排気を行っ
て高真空状態にし、質量分離を行ったＡｒイオンを注入
量５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ ² 、イオンエネルギー２０
０ｋｅＶで成形面に注入した。注入後の成形面の表面粗
さを評価したところ、Ｒｍａｘ＝０．０２μｍであっ
た。次にＸＰＳによってＡｌ，Ｍｇ，Ｏの深さ方向の分
布状態を確認した。その結果、深さ０．５μｍに形成さ
れている界面が消失していることが確認され、Ａｌ，Ｍ
ｇ，Ｏが深さ方向に対し傾斜的に分布していることが確
認された。

【００３５】この実施の形態における評価方法は、実施
の形態１と同様である。結果を表１に示す。全ての型に
ついて良好な離型性が確認された。成形後の型を光学顕
微鏡およびＳＥＭによって観察したところ、界面が消失
し、傾斜層が形成されているため、剥離等の発生がな
く、１００００ショット成形後の型でも、傷や割れとい
う欠陥や、ガラス中に含まれるＰｂＯの還元析出物であ
るＰｂやガラスの融着が光学顕微鏡、ＳＥＭによっても
観察されなかった。また、成形品についても表面粗さ、
面精度、透過率、形状精度とも良好で、Ｐｂの析出や成
形時のガス残りという問題もなかった。その後、累計５
００００回の成形を試みたところ、成形型２個ともに異
常は認められなかった。

【００３６】この実施の形態では、成形型の成形面にア
ルミン酸マグネシウム膜を形成した後、Ａｒイオン注入
を施してアルミン酸マグネシウム層を膜と型母材との鋭
い界面をなくした状態で形成したことにより、膜と型母
材との密着性が向上し、離型性のみならず耐久性を更に
向上できる。このため、メンテナンスの必要がなく生産
効率が向上する。また、膜形成とイオン注入とを併用さ
せるため、比較的安価に成形型を製造することができ
る。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【発明の効果】本発明では、離型が連続して可能であ
り、メンテナンスの必要がなく、生産性が大幅に向上す
る。また、低コストにもかかわらず、離型性および耐久
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】イオン注入方法を示す正面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米田 靖弘 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 五十川 征史 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラスをプレスする成形面にアルミン酸
   マグネシウム層あるいはアルミニウム、マグネシウム及
   び酸素が混在する層のいずれかが設けられていることを
   特徴とする光学素子成形用型。
2. 【請求項２】 ガラスをプレスする成形面に対して、ア
   ルミン酸マグネシウムの層あるいはアルミニウム、マグ
   ネシウム及び酸素が混在する層のいずれかを少なくとも
   イオン注入により形成することを特徴とする光学素子成
   形用型の製造方法。
3. 【請求項３】 ガラスをプレスする成形面に対して、ア
   ルミン酸マグネシウムの層あるいはアルミニウム、マグ
   ネシウム及び酸素が混在する層の少なくともいずれかを
   形成と同時あるいは後にイオン注入を行うことを特徴と
   する光学素子成形用型の製造方法。