JPH09194216A - 光学素子成形用型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 型とガラスとの密着力が低く、しかも、型と
ガラスとの摩擦係数も低くて、長期の連続成形に耐え、
成形品の性能も十分確保できる光学素子成形用型を提供
する。 【解決手段】 軟化したガラス素材からプレス成形によ
り光学素子を製造するために用いられる光学素子成形用
型において、プレス成形のための型母材の、少なくとも
成形面に、アモルファス水素含有Ｓｉ−Ｃ（ａ−Ｃ：
Ｈ：Ｓｉ）膜が被覆されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軟化したガラス素
材からプレス成形により、レンズ、プリズムなどの光学
素子を製造するために用いられる光学素子成形用型に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】軟化したガラス素材からプレス成形によ
ってレンズなどの光学素子を製造する技術は、従来のレ
ンズの製造において必要とされた、研磨工程などの面倒
な工程をなくし、簡単かつ安価に、光学素子を製造する
ことを可能にした。特に、最近は、非球面レンズなどの
光学素子のみならず、プリズム、その他の、種々な光学
素子の製造にも、プレス成形法が採用されるようになっ
てきた。

【０００３】このようなガラスの光学素子のプレス成形
において使用される型材には、硬さ、耐熱性、離型性、
鏡面加工性などに優れた性質の材料が用いられる必要が
ある。そこで、従来、この種の型材として、金属、セラ
ミックスを採用するか、あるいは、それらを型材の成形
表面にコーティングしたものが、数多くの提案がされて
いる。

【０００４】その幾つかの例を挙げるならば、型材料と
して、特開昭４９−５１１１２号公報には、１３Ｃｒマ
ルテンサイト鋼が提示され、特開昭５２−４５６１３号
公報には、ＳｉＣ及びＳｉ₃ Ｎ₄ が提示され、特開昭６
０−２４６２３０号公報には、超硬合金の型材料に、貴
金属をコーティングしたものが提示され、また、特開昭
６１−１８３１３４号公報、特開昭６１−２８１０３０
号公報、特開平１−３０１８６４号公報には、それぞ
れ、型材料にダイヤモンド薄膜あるいはダイヤモンド状
炭素膜をコーティングしたものが、更には、特開昭６４
−８３５２９号公報には、硬質炭素膜をコーティングし
たものが提示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、１３Ｃｒマル
テンサイト鋼は、酸化しやすく、さらに、高温域でＦｅ
がガラス中に拡散して、ガラスを着色する欠点を持って
いる。また、ＳｉＣあるいはＳｉ₃ Ｎ₄ は、一般的に酸
化されにくいとされているが、高温域では、やはり酸化
が起こり、成形表面にＳｉＯ₂ の膜が形成されるため、
ガラスとの融着を起こし、さらに、材質の上で、高硬度
であるため、型自体（特に、成形表面）の加工性が、極
めて悪いという欠点を持つ。また、貴金属をコーティン
グした材料は、融着を起こしにくいが、極めて軟かいた
め、傷がつきやすく、また、変形しやすい欠点をもつ。

【０００６】また、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンド状
炭素膜（以下、ＤＬＣ鋼という）、水素化アモルファス
炭素膜（以下ａ−Ｃ：Ｈ膜という）、硬質炭素膜を型材
料の成形表面に用いた型は、型とガラスとの離型性が良
く、ガラスとの融着を起こさないが、プレス成形を、連
続的に数百回以上、繰り返し行なうに従って、前記膜が
部分的に剥離し、成形品において、予期したような、有
効な成形性能が得られないことがある。

【０００７】これは、型とガラスとの密着力が確かに低
いけれども、型とガラスとの摩擦係数が高いため、ガラ
ス成形時の型に対する加熱、冷却の繰り返しで、膜にス
トレスが掛かるためと考えられる。

【０００８】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
ので、型とガラスとの密着力が低く、しかも、型とガラ
スとの摩擦係数も低くて、長期の連続成形に耐え、成形
品の性能も十分確保できる光学素子成形用型を提供する
ことを目的とする。

【０００９】特に、水素化アモルファス炭素膜に比較し
て、本発明では、膜の強度を高めると共に、膜と型部材
との密着力も高めることを、その目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、軟化したガラス素材からプレス成形に
より光学素子を製造するために用いられる光学素子成形
用型において、プレス成形のための型母材の、少なくと
も成形面に、アモルファス水素含有Ｓｉ−Ｃ（ａ−Ｃ：
Ｈ：Ｓｉ）膜が被覆されていることを特徴とする。

【００１１】このアモルファス水素含有Ｓｉ−Ｃは、水
素化アモルファス炭素膜（ａ−Ｃ：Ｈ膜）と同様の構造
をもつ物質であるが、ａ−Ｃ：Ｈ膜と比較して、高温に
おけるガラスとの密着力が低く、高温におけるガラスと
の摩擦力が低い上、高硬度、耐摩耗性があり、型と膜と
の密着力が高いという特長がある。

【００１２】上記の前２点の特長から、プレス成形に際
して、型の加熱、冷却に伴うガラスの変形によっても、
型に掛かるストレスが小さく、型の耐久性が延びる効果
が得られる。また、上記の後３点の特長から、連続でプ
レス成形を行なっても、型の劣化が殆どないという効果
がある。

【００１３】なお、この場合に、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜に
おけるＳｉの含有量は、１０〜２３ａｔｏｍ％が望まし
い。すなわち、Ｓｉの含有量が１０ａｔｏｍ％未満で
は、膜の硬度が低くなり（５ａｔｏｍ％では、１０ａｔ
ｏｍ％の半分以下）、また、型と膜の密着力も低くな
る。また、Ｓｉの含有量が１０ａｔｏｍ％未満、また
は、２４ａｔｏｍ％以上では、ガラスとの摩擦係数が大
きくなるため、本発明の目的を達成できなくなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）図１は、本発明の成形用型の構成
を示す模式的な図である。１は上型、２は下型、３は上
型に被覆されたａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜、４は下型に被覆さ
れたａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜、５は成形された光学素子であ
る。レンズ成形用ガラス素材として、例えば、ＳＫ１２
（ｎｄ＝１．５８３１３、νｄ＝５９．４、Ｔｇ＝５０
６℃、Ａｔ＝５３８℃）が用いられ、これにより、直径
１０ｍｍ、中心厚６ｍｍのガラスゴブが予め作成され
る。そして、上記ガラス素材から、曲率半径Ｒ１（凹）
＝２２．８ｍｍ、同じく、Ｒ２（凸）＝１４．３ｍｍ、
中心厚＝２ｍｍ、光線有効径（φ）＝１２．３ｍｍ、外
径（φ）＝１３．５ｍｍの凸メニスカスレンズを成形す
るのである。

【００１５】このような、図１に示す成形型を製造する
には、先ず、超硬合金よりなる型母材（上型１、下型
２）を切削、研削、研摩などの加工により、所望の外形
とし、特に、成形表面を、所望の表面精度に仕上げてお
く。そして、型母材の成形表面には、２極形のＲＦスパ
ッタ装置を用いて、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜３、４を形成す
る。

【００１６】なお、型母材１、２の表面に、ａ−Ｃ：
Ｈ：Ｓｉ膜を形成するには、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ
法が採用される。ここでの、ＳｉとＣの比率は、原料と
なるシラン（ＳｉＨ₄ ）とエチレン（Ｃ₂ Ｈ₄ ）ガスの
流量によって、コントロールされる。

【００１７】ここで、得られた膜は、表１に示されてい
る。なお、膜厚は８０ｎｍとした。また、表１に示す各
種膜のついた型を使用して成形テストを行った。

【００１８】

【表１】 このような構成の上型１、下型２を用いて、ガラス素材
から光学素子を成形する事例と、その成果とを、以下の
実施例をもとに説明する。 （実施例１）Ｎ₂ 雰囲気下の成形チャンバーの中で、上
述の成形用型を用いて、光学素子を成形した。まず、上
下型間に上述のガラス素材から予め成形されたガラスゴ
ブを投入し、型およびガラスゴブを同時に加熱して、５
８０℃まで昇温した。次に、上型１を下降させて、プレ
ス成形を行い、所定の肉厚にした。

【００１９】このプレス圧力をかけた状態で型およびガ
ラスを冷却し、５００℃まで降温されたところで、上型
１を上昇させ、成形された光学素子５を取り出した。こ
の光学素子５は、外径が１５ｍｍで、光線有効径の内部
の形状精度がクセ０．５本の良好なものであった。な
お、これは最終的に芯取りされ、外径（φ）＝１３．５
ｍｍの、所望の光学素子成形品となる。

【００２０】さらに、同様のプレス成形を連続して５０
０回、行った。その間に、成形上のトラブルもなく、５
００回終了後の型部材にも、何らの劣化も見られなかっ
た。その結果を表２に示す。

【００２１】

【表２】 実例１〜４に示しているＳｉの、ｍｏｌ％の範囲（１０
〜２３ｍｏｌ％）では、５００ｓｈｏｔがＯＫであった
が、比較例１〜６に示したように、上記範囲からはずれ
たものは、膜剥れまたは融着が発生し、ＮＧであった。
これにより、好適なＳｉの、ｍｏｌ％の範囲は１０〜２
３ｍｏｌ％であることがわかる。 （第２の実施の形態）図２は本発明の第２の実施例にお
ける成形用型の構成を模式的に示す図である。ここで
は、両面凸の光学素子１０が成形される。このため、上
下型の成形面は、いずれも、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜の凹曲
面である。なお、レンズ成形用ガラス素材として、例え
ば、ＬａＫ１２（ｎｄ＝１．６７７９０、νｄ＝５４．
９、Ｔｇ＝５６２℃、Ａｔ＝５９３℃）が用いられ、こ
れにより、直径＝１２ｍｍ、中心厚＝７ｍｍのガラスゴ
ブが、予め成形される。

【００２２】上記ガラスゴブからは、例えば、プレス成
形で、Ｒ１（凸）＝１６．４５ｍｍ、Ｒ２（凸）＝１
６．８６ｍｍ、中心厚＝４．５ｍｍ、光線有効径（φ）
＝１２．５ｍｍ、外径（φ）＝１４ｍｍの凸レンズを成
形する。

【００２３】図２に示す成形型は、次のようにして成形
される。先ず、超硬合金よりなる型母材（上型６、下型
８）を切削、研削、研摩などの加工により、所望の外形
とし、特に、その成形面を所望の表面精度に仕上げてお
く。次に、成形面にイオンプレーティングにより、窒化
チタン（ＴｉＮ）膜を１μｍ形成する。これは、ａ−
Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜と型との密着力を強くするためと、型母
材成分が、拡散し、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜の劣化をひきお
こすのを防止するためである。次に、第１の実施の形態
と同様に、ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜７、９を、厚さ：１μｍ
〜８０ｎｍで、成形面上に形成する。

【００２４】このような構成の上型６、下型８を用い
て、ガラス素材から光学素子を成形する事例と、その成
果とを、以下の実施例をもとに説明する。なお、表３は
作成した膜の一覧、表４は成形テスト結果を示す。 （実施例２）Ｎ₂ 雰囲気下の成形チャンバーの中で、上
述の成形用型を用いて、光学素子を成形した。まず、上
下型間に上述のガラス素材から予め成形されたガラスゴ
ブを投入し、型およびガラスゴブを同時に加熱して、６
４０℃まで昇温した。次に、上型６を下降させて、プレ
ス成形を行い、所定の肉厚にした。

【００２５】このプレス圧力をかけた状態で型およびガ
ラスを冷却し、５７０℃まで降温されたところで、上型
６を上昇させ、成形された光学素子１０を取り出した。
この光学素子１０は、外径が１７ｍｍで、光線有効径の
内部の形状精度がクセ０．５本の良好なものであった。
なお、これは最終的に芯取りされ、外径（φ）＝１４ｍ
ｍの、所望の光学素子成形品となる。実施例１と同様
に、好適な膜の、Ｓｉのｍｏｌ％は、１０〜２３ｍｏｌ
％であった。

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】（比較例）図３は従来の成形用型の構成を
示す図である。ここで、符号１１は上型、１２は下型、
１３は成形された光学素子である。ここでは、本発明の
第１の実施の形態と同様に、レンズ成形用ガラス素材と
してＳＫ１２が用いられ、凸メニスカスレンズを成形す
る。成形用型の上型１６、下型１７は、超硬合金よりな
り、また、その表面には水素化アモルファス炭素膜がコ
ーティングしてあり、この成形用型がプレス成形に供さ
れた。

【００２９】光学素子の成形過程は、本発明の実施例１
と同様であるが、その成果は、連続的なプレス成形の２
０回目にして、直径（φ）＝１４ｍｍ程度から、外側の
炭素膜が剥離してしまい、その結果、周辺部の離型性が
悪化し、２１回目からは成形品の割れが続出し、連続成
形が不可能になる事態であった。

【００３０】なお、実例１、実例２は、ともに、ａ−
Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜の厚みを８０ｎｍとしたが、膜厚を５０
〜１５０ｎｍの範囲で変更しても、同じ結果が得られ
た。膜厚が５０ｎｍより小さい場合には、膜をつけてい
る効果がほとんど無く、数ｓｈｏｔで、型とガラスが融
着した。また、膜厚が１５０ｎｍよりも厚い場合には、
数ｓｈｏｔで膜が剥離した。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
軟化したガラス素材からプレス成形により光学素子を製
造するために用いられる光学素子成形用型において、プ
レス成形のための型母材の、少なくとも成形面に、アモ
ルファス水素含有Ｓｉ−Ｃ（ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ）膜が被
覆されていることにより、離型膜の剥離が発生せず、型
の耐久性の向上が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る型構成を説明する
模式図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る型構成を説明する
模式図である。

【図３】従来例を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 上型 ２ 下型 ３ ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜 ４ ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜 ５ 光学素子 ６ 上型 ７ ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜 ８ 下型 ９ ａ−Ｃ：Ｈ：Ｓｉ膜 １０ 光学素子 １１ 上型 １２ 下型 １３ 光学素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軟化したガラス素材からプレス成形によ
   り光学素子を製造するために用いられる光学素子成形用
   型において、プレス成形のための型母材の、少なくとも
   成形面に、アモルファス水素含有Ｓｉ−Ｃ（ａ−Ｃ：
   Ｈ：Ｓｉ）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。