JP4307983B2 - 光学素子成形用型及び光学素子成形方法 - Google Patents
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Description
この発明は、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ための光学素子成形用型及びこれを用いた光学素子成形方法に関する。
近年、このようなガラス素材から光学素子を製造する方法として、成形型を用いたプレス成形がある。この製造方法では、研磨加工を必要としないため、簡単且つ安価に光学素子を製造できる利点を有する。従来、このプレス成形に使用される光学素子成形用型としては、成形の際にガラス素材に接触する成形面の表面粗さを保持し、長時間にわたる光学素子の成形を可能とするものが種々検討されている。
すなわち、このような光学素子成形用型は、クロム、チタン等の金属材料を結合材として焼結した超硬合金やサーメットから形成される型母材と、光学素子を製造する際にガラス素材に直接接触する貴金属層と、これら型母材および貴金属層の間に形成される中間層とを備えている（例えば、特許文献１参照。）。
貴金属層は、白金、イリジウム等の貴金属材料から形成されており、ガラス素材の融着を防ぐようになっている。また、中間層は、窒化チタン、炭化クロム、炭化チタン、炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、チタン、クロムから選ばれる１種類以上の材料から形成されている。
上記のように、チタン、クロム等の金属材料を含む中間層の形成は、型母材に含まれる金属成分の成形面への析出防止を目的としている。また、この中間層の形成は、型母材と貴金属層との密着力向上による貴金属層の剥離防止、およびプレス成形における熱サイクルの応力緩和による成形面の粗さ増大の抑制を目的としている。
特公昭６２−２８０９３号公報
貴金属層は、白金、イリジウム等の貴金属材料から形成されており、ガラス素材の融着を防ぐようになっている。また、中間層は、窒化チタン、炭化クロム、炭化チタン、炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、チタン、クロムから選ばれる１種類以上の材料から形成されている。
上記のように、チタン、クロム等の金属材料を含む中間層の形成は、型母材に含まれる金属成分の成形面への析出防止を目的としている。また、この中間層の形成は、型母材と貴金属層との密着力向上による貴金属層の剥離防止、およびプレス成形における熱サイクルの応力緩和による成形面の粗さ増大の抑制を目的としている。
しかしながら、上記従来の光学素子成形用型においては、中間層が、チタン、クロム等の金属材料を含む化合物により形成されていた。このため、プレス成形を繰り返した際には、金属材料が成形面である貴金属層の表面に析出してガラス素材の融着を引き起こすという問題があった。また、貴金属層から中間層内部に微量の酸素が侵入し、この微量酸素が中間層を酸化させて密着力が低下するという問題があった。
さらに、プレス成形時の熱により成形面に析出した金属材料が酸化したり、貴金属層の成形面に不均一な結晶成長が発生したりするため、成形面の表面粗さが次第に増大するという問題があった。以上のことから、繰り返しプレス成形を行うことにより、成形される光学素子の面精度低下や、ガラス素材の食いつきによる離型不能といった不具合が発生するという問題があった。
さらに、プレス成形時の熱により成形面に析出した金属材料が酸化したり、貴金属層の成形面に不均一な結晶成長が発生したりするため、成形面の表面粗さが次第に増大するという問題があった。以上のことから、繰り返しプレス成形を行うことにより、成形される光学素子の面精度低下や、ガラス素材の食いつきによる離型不能といった不具合が発生するという問題があった。
なお、プレス成形時の熱によって貴金属層の成形面に不均一な結晶成長が発生する要因は、本発明者の鋭意研究により明らかにされた。
すなわち、本発明者は、中間層や貴金属層の成膜の結晶状態に応じて、光学素子の成形の際に発生する成形面粗さの増加に関係があることを見出した。また、表面層を形成する白金、イリジウム等の貴金属材料は、その直下に形成される中間層や型母材の結晶粒毎の結晶方位の影響を受けることを見出した。さらに、中間層にチタン、クロム等の金属材料を用いた場合、中間層の結晶粒毎の結晶方位が、その直下にある型母材の結晶粒毎の結晶方位の影響を受けることを見出した。
すなわち、本発明者は、中間層や貴金属層の成膜の結晶状態に応じて、光学素子の成形の際に発生する成形面粗さの増加に関係があることを見出した。また、表面層を形成する白金、イリジウム等の貴金属材料は、その直下に形成される中間層や型母材の結晶粒毎の結晶方位の影響を受けることを見出した。さらに、中間層にチタン、クロム等の金属材料を用いた場合、中間層の結晶粒毎の結晶方位が、その直下にある型母材の結晶粒毎の結晶方位の影響を受けることを見出した。
そして、上述した内容から、型母材を構成する材料の結晶粒径よりも大きい結晶粒で中間層を形成し、さらに表面層を貴金属材料により形成した場合には、貴金属層の結晶毎の結晶方位が、中間層自体の各結晶粒の結晶方位や、中間層を介して型母材の各結晶粒の結晶方位に影響を受けることを見出した。また、プレス成形の際には、熱による型母材の結晶成長や酸化の速度、進行度合いが、型母材の結晶粒毎に異なることを見出した。
以上の２点から、本発明者は、母材の結晶成長や酸化の速度、進行度合いが、母材の結晶粒毎に貴金属層の各結晶にそれぞれ異なる影響を与えて、貴金属層の各結晶の結晶成長や酸化の速度、進行度合いが異なるため、不均一な結晶成長等が発生し、成形面の粗さ増大を招くことを見出した。
以上の２点から、本発明者は、母材の結晶成長や酸化の速度、進行度合いが、母材の結晶粒毎に貴金属層の各結晶にそれぞれ異なる影響を与えて、貴金属層の各結晶の結晶成長や酸化の速度、進行度合いが異なるため、不均一な結晶成長等が発生し、成形面の粗さ増大を招くことを見出した。
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、プレス成形により光学素子を繰り返し成形しても、成形面の表面粗さの増大を防止して、面精度の高い光学素子を成形できる光学素子成形用型及びこれを用いた光学素子成形方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、ガラス素材をプレス成形して光学素子を成形するための光学素子成形用型であって、焼結した超硬合金もしくは炭化ケイ素からなる型母材と、該型母材の表面上に形成され、プレス成形の際に前記ガラス素材に接触する表面層と、これら型母材と表面層との間に形成された中間層とを備え、前記表面層が、白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウムから選択される少なくとも１種類の元素、またはこれら元素を含む合金、化合物から形成され、該中間層が、母材表面層と金属層と窒化物層を備え、該母材表面層が、前記型母材の表面に接触するように、タングステン、炭素、炭化タングステン、炭化ケイ素のうち少なくとも１種類の材料から非晶質状態に形成され、前記金属層が、前記母材表面層と前記表面層との間に、クロム、チタン、アルミ、モリブデンのうち少なくとも１種類の金属材料から形成され、前記窒化物層が、前記金属層と前記表面層との間にクロム、チタン、アルミ、モリブデンのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物から形成されることを特徴とする光学素子成形用型を提案している。
請求項１に係る発明は、ガラス素材をプレス成形して光学素子を成形するための光学素子成形用型であって、焼結した超硬合金もしくは炭化ケイ素からなる型母材と、該型母材の表面上に形成され、プレス成形の際に前記ガラス素材に接触する表面層と、これら型母材と表面層との間に形成された中間層とを備え、前記表面層が、白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウムから選択される少なくとも１種類の元素、またはこれら元素を含む合金、化合物から形成され、該中間層が、母材表面層と金属層と窒化物層を備え、該母材表面層が、前記型母材の表面に接触するように、タングステン、炭素、炭化タングステン、炭化ケイ素のうち少なくとも１種類の材料から非晶質状態に形成され、前記金属層が、前記母材表面層と前記表面層との間に、クロム、チタン、アルミ、モリブデンのうち少なくとも１種類の金属材料から形成され、前記窒化物層が、前記金属層と前記表面層との間にクロム、チタン、アルミ、モリブデンのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物から形成されることを特徴とする光学素子成形用型を提案している。
この発明に係る光学素子成形用型によれば、母材表面層を非晶質状態に形成することにより、プレス成形の際に、型母材の結晶粒毎に異なる結晶方位の影響を表面層に与えないようにされている。
したがって、この発明に係る光学素子成形用型によれば、光学素子成形用型を加熱することにより型母材において結晶成長や酸化が発生しても、型母材の結晶粒や結晶粒界の影響を表面層に与えることが無くなり、ガラス素材に接触する成形面の粗さの増加を防止できる。
したがって、この発明に係る光学素子成形用型によれば、光学素子成形用型を加熱することにより型母材において結晶成長や酸化が発生しても、型母材の結晶粒や結晶粒界の影響を表面層に与えることが無くなり、ガラス素材に接触する成形面の粗さの増加を防止できる。
また、この発明に係る光学素子成形用型によれば、クロム、チタン、アルミ、モリブデンからなる金属層を母材表面層と表面層との間に形成しておくことにより、十分な密着力を得ることができると共に、プレス成形時の熱サイクルによって発生する応力を緩和できる。
したがって、プレス成形を繰り返し行っても、表面層の剥離を確実に防止できる。
したがって、プレス成形を繰り返し行っても、表面層の剥離を確実に防止できる。
また更に、この発明に係る光学素子成形用型によれば、窒化クロム、窒化チタン、窒化アルミ、窒化アルミチタン、窒化モリブデンのような窒化物から形成される窒化物層は、耐熱性、耐酸化性に優れた性質を有しているため、繰り返しプレス成形を行っても、酸素が表面層の成形面から中間層内部に侵入することを防止できる。このため、酸素がクロムやチタン等から形成される金属層に到達することがなく、金属層の酸化による密着力の低下を防ぐことができる。したがって、表面層の剥離を長期間にわたって防止できる。
また、この窒化物層は、化合物としても安定しているため、金属層のチタン、クロム等の金属材料が表面層の成形面にまで析出しない。したがって、析出した金属材料の酸化による成形面の粗さ増加を防止できると共に、プレス成形の際にガラス素材が成形面に融着することを防止できる。
また、この窒化物層は、化合物としても安定しているため、金属層のチタン、クロム等の金属材料が表面層の成形面にまで析出しない。したがって、析出した金属材料の酸化による成形面の粗さ増加を防止できると共に、プレス成形の際にガラス素材が成形面に融着することを防止できる。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光学素子成形用型において、前記窒化物層が、前記金属層に向けて窒素濃度が漸次減少する窒素濃度傾斜層を備えることを特徴とする光学素子成形用型を提案している。
この発明に係る光学素子成形用型によれば、窒素化合物からなる窒化物層と、窒素を含まない金属材料からなる金属層との境界が不明確となるため、プレス成形の温度を上昇させても窒化物層が金属層から剥離することがない。したがって、表面層が浮き上がることなく、表面層の成形面の粗さ増大を確実に防止できる。
この発明に係る光学素子成形用型によれば、窒素化合物からなる窒化物層と、窒素を含まない金属材料からなる金属層との境界が不明確となるため、プレス成形の温度を上昇させても窒化物層が金属層から剥離することがない。したがって、表面層が浮き上がることなく、表面層の成形面の粗さ増大を確実に防止できる。
請求項３にかかる発明は、請求項１に記載の光学素子成形用型を用いてガラス素材を成形することを特徴とする光学素子成形方法を提案している。
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、非晶質に形成されたタングステン、炭素、炭化タングステン、炭化ケイ素のうち少なくとも１種類からなる母材表面層を型母材に接触して形成しておくことにより、ガラス素材に接触する表面層の成形面の粗さが増加することを防止できるため、面精度の高い光学素子を成形することができる。
また、層と表面層との間にクロム、チタン、アルミ、モリブデンの少なくとも１種類の金属材料からなる金属層を備えることにより、繰り返しプレス成形を行う際に、表面層の剥離に基づくガラス素材の融着を確実に防いで、面精度の高い光学素子を成形することが可能となる。
また、金属層と表面層の間にチタンやクロムからなる窒化物層を形成しておくことにより、プレス成形の際に、ガラス素材が成形面に融着することを防止すると共に、金属層を形成する金属材料の酸化による密着力の低下も防ぐことができるため、長期間にわたって面精度の高い光学素子を成形することができる。
また、層と表面層との間にクロム、チタン、アルミ、モリブデンの少なくとも１種類の金属材料からなる金属層を備えることにより、繰り返しプレス成形を行う際に、表面層の剥離に基づくガラス素材の融着を確実に防いで、面精度の高い光学素子を成形することが可能となる。
また、金属層と表面層の間にチタンやクロムからなる窒化物層を形成しておくことにより、プレス成形の際に、ガラス素材が成形面に融着することを防止すると共に、金属層を形成する金属材料の酸化による密着力の低下も防ぐことができるため、長期間にわたって面精度の高い光学素子を成形することができる。
また、請求項２に係る発明によれば、窒化物層と金属層との境界を不明確とすることにより、表面層の成形面の粗さ増大を確実に防止できるため、面精度の高い光学素子をさらに長期にわたって成形することができる。
さらに、請求項３に係る発明によれば、光学素子の面精度が高いため、光学的精度の高い光学素子を得ることができる。
図１，２はこの発明に係る第１の実施形態を示す。この実施の形態に係る光学素子成形用型は、凸レンズ（光学素子）をプレス成形により製造するためのものである。この光学素子成形用型１は、図１に示すように、一対の型母材２，２と、各型母材２の表面２ａ上に形成され、プレス成形の際にガラス素材Ｍに接触する成形面３ａを有する表面層３と、これら型母材２と表面層３との間に形成された中間層４とを備えている。
型母材２は、焼結した超硬合金または炭化ケイ素から形成されており、その表面２ａは、凸レンズの曲率半径に合わせて凹面状に形成されている。
型母材２は、焼結した超硬合金または炭化ケイ素から形成されており、その表面２ａは、凸レンズの曲率半径に合わせて凹面状に形成されている。
中間層４は、図２に示すように、型母材２の表面２ａに接触して非晶質状態もしくは１〜２μｍの結晶粒からなる結晶状態に形成されたタングステン、炭化タングステン等の材料からなる母材表面層５と、母材表面層５の表面５ａに接触して形成され、クロム、チタン等の金属材料からなる金属層６と、金属層６の表面６ａに接触して形成され、クロム、チタン等の元素を含む窒化物からなる窒化物層７とから構成されている。
表面層３は、白金、イリジウム等の金属材料からなり、窒化物７の表面７ａに接触して形成されている。この表面層３は、ＲＦスパッタ、イオンビームスパッタ、蒸着等のＰＶＤ（物理的気相成長法）やＣＶＤ（化学的気相成長法）により形成される。
表面層３は、白金、イリジウム等の金属材料からなり、窒化物７の表面７ａに接触して形成されている。この表面層３は、ＲＦスパッタ、イオンビームスパッタ、蒸着等のＰＶＤ（物理的気相成長法）やＣＶＤ（化学的気相成長法）により形成される。
なお、母材表面層５は、ＲＦスパッタ、イオンビームスパッタ、蒸着等のＰＶＤ、ＣＶＤ、母材表面層５を形成する材料をイオン注入する方法、母材表面層５を形成する材料にアルゴンガス等のイオンを電気的に加速して型母材に照射しながら成膜するイオンアシスト成膜法や、イオン注入しながら成膜するイオンビームミキシング法により形成される。また、結晶成長を効率よく抑制するために、母材表面層５の材料および型母材２の温度を母材表面層５の材料の結晶成長温度未満に制御しながら、母材表面層５を形成することが好ましい。これらの方法により非晶質状態もしくは１〜２μｍの結晶粒からなる結晶状態に制御して母材表面層５を形成することが可能となる。
これら型母材２、母材表面層５、金属層６、窒化物層７および表面層３の材質および形成方法を変えて９種類の光学素子成形用型を作製した。具体的な構成を表１に示す。
表１中の成形型１〜成形型３の形成方法は、以下の通りである。
はじめに、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金からなる型母材２を焼結により形成し、この型母材２の表面２ａに炭化タングステン（ＷＣ）からなる母材表面層５をイオンビームスパッタにより形成する。次いで、クロム（Ｃｒ）からなる金属層６をイオンビームスパッタにより成膜し、窒化クロム（ＣｒＮ）からなる窒化物層７を、窒素ガスを流しながらクロムをスパッタする反応スパッタにより形成する。最後に、白金−イリジウム合金（Ｐｔ−Ｉｒ）、又はイリジウム−レニウム合金（Ｉｒ−Ｒｅ）、又は白金（Ｐｔ）からなる表面層３をスパッタにより形成する。
はじめに、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金からなる型母材２を焼結により形成し、この型母材２の表面２ａに炭化タングステン（ＷＣ）からなる母材表面層５をイオンビームスパッタにより形成する。次いで、クロム（Ｃｒ）からなる金属層６をイオンビームスパッタにより成膜し、窒化クロム（ＣｒＮ）からなる窒化物層７を、窒素ガスを流しながらクロムをスパッタする反応スパッタにより形成する。最後に、白金−イリジウム合金（Ｐｔ−Ｉｒ）、又はイリジウム−レニウム合金（Ｉｒ−Ｒｅ）、又は白金（Ｐｔ）からなる表面層３をスパッタにより形成する。
また、表１中の成形型４〜成形型６の形成方法は、以下の通りである。
はじめに、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金からなる型母材２を焼結により形成し、この型母材２の表面２ａに炭化タングステン（ＷＣ）からなる母材表面層５をイオンビームスパッタにより形成する。次いで、チタン（Ｔｉ）からなる金属層６をＲＦスパッタにより成膜し、窒化チタン（ＴｉＮ）からなる窒化物層７を、窒素ガスを流しながらチタンをスパッタする反応スパッタにより形成する。最後に、白金−イリジウム合金（Ｐｔ−Ｉｒ）、又はイリジウム−レニウム合金（Ｉｒ−Ｒｅ）、又は白金（Ｐｔ）からなる表面層３をスパッタにより形成する。
はじめに、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金からなる型母材２を焼結により形成し、この型母材２の表面２ａに炭化タングステン（ＷＣ）からなる母材表面層５をイオンビームスパッタにより形成する。次いで、チタン（Ｔｉ）からなる金属層６をＲＦスパッタにより成膜し、窒化チタン（ＴｉＮ）からなる窒化物層７を、窒素ガスを流しながらチタンをスパッタする反応スパッタにより形成する。最後に、白金−イリジウム合金（Ｐｔ−Ｉｒ）、又はイリジウム−レニウム合金（Ｉｒ−Ｒｅ）、又は白金（Ｐｔ）からなる表面層３をスパッタにより形成する。
また、表１中の成形型７〜成形型９の形成方法は、以下の通りである。
はじめに、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を主成分とする型母材２を焼結により形成し、この型母材２の表面２ａに炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる母材表面層５をＣＶＤにより成膜する。その後、母材表面層５の表面５ａを鏡面研磨して形成する。次いで、クロム（Ｃｒ）からなる金属層６をＲＦスパッタにより成膜し、窒化クロム（ＣｒＮ）からなる窒化物層７を、窒素ガスを流しながらクロムをスパッタする反応スパッタにより形成する。最後に、白金−イリジウム合金（Ｐｔ−Ｉｒ）、又はイリジウム−レニウム合金（Ｉｒ−Ｒｅ）、又は白金（Ｐｔ）からなる表面層３をＲＦスパッタにより形成する。
はじめに、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を主成分とする型母材２を焼結により形成し、この型母材２の表面２ａに炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる母材表面層５をＣＶＤにより成膜する。その後、母材表面層５の表面５ａを鏡面研磨して形成する。次いで、クロム（Ｃｒ）からなる金属層６をＲＦスパッタにより成膜し、窒化クロム（ＣｒＮ）からなる窒化物層７を、窒素ガスを流しながらクロムをスパッタする反応スパッタにより形成する。最後に、白金−イリジウム合金（Ｐｔ−Ｉｒ）、又はイリジウム−レニウム合金（Ｉｒ−Ｒｅ）、又は白金（Ｐｔ）からなる表面層３をＲＦスパッタにより形成する。
表１に示すように、上述した成形型１〜成形型９に対する３つの比較例の光学素子成形用型１として、母材表面層５を省略した比較例１と、母材表面層５および窒化物層７を省略した比較例２と、成形型４から母材表面層５、金属層６、窒化物層７を省略した比較例３とを作製した。これら比較例１〜比較例３の製造は、成形型１や成形型４と同様にして行われている。
なお、成形型１〜成形型３、成形型７〜成形型９における窒化物層７の組成は、表１においてＣｒＮと表記されているが、実際には、ＣｒＮにＣｒあるいはＣｒ２Ｎが混合したものでも良い。また、成形型４〜成形型６及び比較例１における窒化物層７の組成は、表１においてＴｉＮと表記されているが、実際には、ＴｉＮにＴｉあるいはＴｉ２Ｎが混合したものでも良い。さらに、成形型４〜成形型６及び比較例１における窒化物層７の組成は、ＴｉＮに限ることはなく、例えば、窒化アルミチタン（ＴｉＡｌＮ）であってもよい。
なお、成形型１〜成形型３、成形型７〜成形型９における窒化物層７の組成は、表１においてＣｒＮと表記されているが、実際には、ＣｒＮにＣｒあるいはＣｒ２Ｎが混合したものでも良い。また、成形型４〜成形型６及び比較例１における窒化物層７の組成は、表１においてＴｉＮと表記されているが、実際には、ＴｉＮにＴｉあるいはＴｉ２Ｎが混合したものでも良い。さらに、成形型４〜成形型６及び比較例１における窒化物層７の組成は、ＴｉＮに限ることはなく、例えば、窒化アルミチタン（ＴｉＡｌＮ）であってもよい。
以上の１２種類の光学素子成形用型１について、光学素子成形用型１の温度を５８０℃に固定して、実際にガラス素材Ｍを用いて繰り返しプレス成形を行い、表面層３の成形面３ａおよび凸レンズとなる成形品に不具合が発生するまでの成形回数に関してそれぞれ実験を行った。これらの実験結果を表２に示す。
表２の結果によれば、本発明の実施形態である成形型１〜成形型９については、３０００回以上のプレス成形を行っても、表面層３の成形面３ａ、および成形品に不具合が認められなかった。これに対して比較例１については、プレス成形を約１４０回繰り返した時点で成形品の表面が曇るという不具合が発生した。
比較例１について、この時点における表面層３の成形面３ａの表面粗さを測定したところ、数値上の粗さ増加は確認されなかった。しかしながら、この成形面３ａを形成する結晶粒を電子顕微鏡にて観察したところ、型母材２の結晶粒、結晶粒界と同様の模様が認められ、それぞれの結晶粒の表面の一部に微細な凹凸が存在し、さらに結晶粒界が顕著に目立っていた。これは、型母材２の表面２ａに露出した結晶粒各々の結晶方位が異なり、その上に形成される金属層６や表面層３の結晶方位が型母材２の結晶方位の影響を受けて結晶粒単位で異なった膜形成をしているためである。つまり、金属層６や表面層３において、成形時の熱に応じて結晶成長や酸化の度合いが型母材２の結晶粒と同様の単位で異なるため、成形面３ａの粗さが増大するものと考えられる。
また、成形品の表面を詳細に観察したところ、表面層３の成形面３ａと同様の模様が認められた。以上のことから、成形面３ａの微細な表面形状の変化が成形品の表面に転写され、曇りが発生したものと考えられる。
また、成形品の表面を詳細に観察したところ、表面層３の成形面３ａと同様の模様が認められた。以上のことから、成形面３ａの微細な表面形状の変化が成形品の表面に転写され、曇りが発生したものと考えられる。
一方、成形型１〜成形型９について、表面層３の成形面３ａを詳細に観察すると、型母材２の結晶粒、結晶粒界とは異なる模様となっており、金属層６、窒化物層７および表面層３が型母材２の結晶粒や結晶粒界の影響を受けていないことが分かる。これは、母材表面層５の結晶粒径を、型母材２の結晶粒径よりも小さい２μｍ以下としたためであると考えられる。
したがって、成形型１〜成形型９の場合には、光学素子成形用型１を加熱することにより型母材２において結晶成長や酸化が発生しても、型母材２の結晶粒や結晶粒界の影響が表面層３に伝達されないため、ガラス素材Ｍに接触する成形面３ａの粗さの増大を防止できる。
したがって、成形型１〜成形型９の場合には、光学素子成形用型１を加熱することにより型母材２において結晶成長や酸化が発生しても、型母材２の結晶粒や結晶粒界の影響が表面層３に伝達されないため、ガラス素材Ｍに接触する成形面３ａの粗さの増大を防止できる。
また、比較例２については、プレス成形を約７０回繰り返した時点でガラス素材Ｍが表面層３の成形面３ａに融着する不具合が発生し、さらにプレス成形を繰り返したところ、成形品が割れてプレス成形の継続が不可能となった。この成形面３ａを詳細に観察したところ、成形面３ａの一部に変色が認められた。この変色部分は、元素分析によりクロムや酸化クロムであることが判明し、金属層６のクロムが成形面３ａに析出して、その一部が酸化したものであることが分かった。したがって、プレス成形の際には、ガラス素材Ｍがこれらクロムおよび酸化クロムに融着したと考えられる。
一方、成形型１〜成形型９および比較例１について、表面層３の成形面３ａを詳細に観察しても、前述の変色部分が見られなかった。これは、窒化クロム、窒化チタン、窒化アルミチタン等の窒化物が化合物として安定した性質を有し、金属層６を形成する金属材料が表面層３の成形面３ａに析出することを阻止しているためである。したがって、プレス成形の際に、ガラス素材Ｍが成形面３ａに融着することを防止できる。
また、これら窒化物は、耐熱性、耐酸化性に優れた性質を有しているため、繰り返しプレス成形を行っても、酸素が表面層３の成形面３ａから金属層６まで侵入することを阻止する。したがって、繰り返しプレス成形を行っても、金属層６を形成する金属材料の酸化による密着力の低下も防ぐことができる。
また、これら窒化物は、耐熱性、耐酸化性に優れた性質を有しているため、繰り返しプレス成形を行っても、酸素が表面層３の成形面３ａから金属層６まで侵入することを阻止する。したがって、繰り返しプレス成形を行っても、金属層６を形成する金属材料の酸化による密着力の低下も防ぐことができる。
また、比較例３では、プレス成形を約５０回繰り返した時点でガラス素材Ｍが表面層３の成形面３ａに融着し、成形品の一部が曇るという不具合が発生した。この成形面３ａを詳細に観察したところ、密着力が低下して表面層３が型母材２から剥離していることが確認された。また、ガラス素材Ｍの融着および成形品の曇りが表面層３の剥離部分において発生していることが判明した。このことから、型母材２の露出によるガラス素材Ｍの融着や、露出した型母材２の酸化により表面粗さの増加に起因する成形品の曇りが発生すると考えられる。
一方、成形型１〜成形型９、比較例１について、表面層３の成形面３ａを詳細に観察しても、表面層３の剥離が確認されなかった。これは、金属層６を形成するクロムやチタンが高い密着力を有していることを示しており、金属層６が表面層３の剥離を防止していることが分かる。
上記のように、この光学素子成形用型１によれば、非晶質もしくは粒径１〜２μｍの結晶粒からなる結晶質に形成されたタングステン、炭素、炭化タングステン、炭化ケイ素のいずれか１つからなる母材表面層５を型母材２に接触して形成しておくことにより、プレス成形の際にガラス素材Ｍに接触する表面層３の成形面３ａの粗さが増加することを確実に防止できるため、面精度の高い凸レンズを成形することができる。
また、母材表面層５と窒化物層７、表面層３との間にチタンやクロムからなる金属層６を形成しておくことにより、繰り返しプレス成形を行う際に、表面層３の剥離に基づくガラス素材Ｍの融着を確実に防いで、高い面精度の凸レンズを成形することが可能となる。
さらに、金属層６と表面層３の間にチタンやクロムからなる窒化物層７を形成しておくことにより、プレス成形の際に、ガラス素材Ｍが成形面３ａに融着することを防止すると共に、金属層６を形成する金属材料の酸化による密着力の低下も防ぐことができるため、長期間にわたって面精度の高い凸レンズを成形することができる。
また、この光学素子成形用型１を用いて成形される凸レンズの面精度は高いため、光学的精度の高い凸レンズを得ることができる。
さらに、金属層６と表面層３の間にチタンやクロムからなる窒化物層７を形成しておくことにより、プレス成形の際に、ガラス素材Ｍが成形面３ａに融着することを防止すると共に、金属層６を形成する金属材料の酸化による密着力の低下も防ぐことができるため、長期間にわたって面精度の高い凸レンズを成形することができる。
また、この光学素子成形用型１を用いて成形される凸レンズの面精度は高いため、光学的精度の高い凸レンズを得ることができる。
次に、図３は、この発明に係る第２の実施形態を示しており、この実施形態は、図１，２に示す光学素子成形用型１と基本的構成が同一であるが、窒化物層７の構成について異なっている。ここでは、図３において、窒化物層７について説明し、図１，２の構成要素と同一の部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
すなわち、窒化物層７は、金属層６に向けて窒素濃度が漸次減少する窒素濃度傾斜層８を備えている。この窒素濃度傾斜層８を有する３種類の光学素子成形用型１を作製した。具体的な構成を表３に示す。
表３中の成形型１０〜成形型１２の形成方法は、以下の通りである。
はじめに、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金からなる型母材２を焼結により形成し、この型母材２の表面２ａに炭化タングステン（ＷＣ）からなる母材表面層５をイオンビームスパッタにより形成する。次いで、クロム（Ｃｒ）からなる金属層６をイオンビームスパッタにより成膜し、その後、このクロム成膜を行いながら窒素ガスの導入量を０ｓｃｃｍから８ｓｃｃｍまで徐々に増加させることにより、窒素濃度が徐々に増加する窒素濃度傾斜層８を形成する。そして、窒素ガスの導入量を８ｓｃｃｍに保持した状態で、クロムをスパッタする反応スパッタにより窒化クロム（ＣｒＮ）からなる残りの窒化物層７を形成する。最後に、白金−イリジウム合金（Ｐｔ−Ｉｒ）、又はイリジウム−レニウム合金（Ｉｒ−Ｒｅ）、又は白金（Ｐｔ）からなる表面層３をイオンビームスパッタにより形成する。
また、これら成形型１０〜成形型１２に対する比較例として、第１の実施形態において記述した成形型１と同様の構成である比較例４を作製した。これら成形型１０〜成形型１２および比較例４は、窒素濃度傾斜層８の有無を除いて、型母材２、母材表面層５、金属層６、窒化物層７および表面層３の材質が同一となっている。
はじめに、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金からなる型母材２を焼結により形成し、この型母材２の表面２ａに炭化タングステン（ＷＣ）からなる母材表面層５をイオンビームスパッタにより形成する。次いで、クロム（Ｃｒ）からなる金属層６をイオンビームスパッタにより成膜し、その後、このクロム成膜を行いながら窒素ガスの導入量を０ｓｃｃｍから８ｓｃｃｍまで徐々に増加させることにより、窒素濃度が徐々に増加する窒素濃度傾斜層８を形成する。そして、窒素ガスの導入量を８ｓｃｃｍに保持した状態で、クロムをスパッタする反応スパッタにより窒化クロム（ＣｒＮ）からなる残りの窒化物層７を形成する。最後に、白金−イリジウム合金（Ｐｔ−Ｉｒ）、又はイリジウム−レニウム合金（Ｉｒ−Ｒｅ）、又は白金（Ｐｔ）からなる表面層３をイオンビームスパッタにより形成する。
また、これら成形型１０〜成形型１２に対する比較例として、第１の実施形態において記述した成形型１と同様の構成である比較例４を作製した。これら成形型１０〜成形型１２および比較例４は、窒素濃度傾斜層８の有無を除いて、型母材２、母材表面層５、金属層６、窒化物層７および表面層３の材質が同一となっている。
これら４種類の光学素子成形用型１について、実際にガラス素材Ｍを用いて繰り返しプレス成形を行い、表面層３の成形面３ａおよび凸レンズとなる成形品に不具合が発生するまでの成形回数に関してそれぞれ実験を行った。成型時における光学素子成形用型１の温度は、３０００回までのプレス成形において５８０℃とし、その後のプレス成形において６００℃とした。これらの実験結果を表４に示す。
表４の結果によれば、５８０℃で３０００回のプレス成形を行っても、成形型１０〜成形型１２および比較例４に不具合は発生しなかった。しかしながら、６００℃に変更してさらにプレス成形を行った結果、成形型１０〜成形型１２では、２０００回以上のプレス成形を行っても不具合が発生しなかったのに対し、比較例４においては、約１５００回のプレス成形を行ったあたりでガラス素材Ｍの融着が認められた。
この比較例４の表面層３の成形面３ａを詳細に観察したところ、表面層３および窒化物層７の一部が金属層６から剥離し、剥離した部分には金属層６のクロムが露出していた。ガラス素材Ｍは、この金属層６のクロムに融着したものと考えられる。
この比較例４の表面層３の成形面３ａを詳細に観察したところ、表面層３および窒化物層７の一部が金属層６から剥離し、剥離した部分には金属層６のクロムが露出していた。ガラス素材Ｍは、この金属層６のクロムに融着したものと考えられる。
上記のように、この光学素子成形用型１によれば、窒素濃度傾斜層８を形成して金属層６と窒化物層７との間に明瞭な境界をなくすことにより、プレス成形の温度を上昇させても、窒化物層７が金属層６から剥離することがないため、表面層３の成形面３ａの粗さ増大を確実に防止できる。したがって、面精度の高い凸レンズをさらに長期にわたって成形することが可能となる。
また、この光学素子成形用型１を用いて成形される凸レンズの面精度は高いため、光学的精度の高い凸レンズを得ることができる。
また、この光学素子成形用型１を用いて成形される凸レンズの面精度は高いため、光学的精度の高い凸レンズを得ることができる。
なお、上記の実施の形態においては、母材表面層５の結晶粒径を１〜２μｍとしたが、これに限ることはなく、少なくとも型母材２の結晶粒径よりも小さければよい。ただし、母材表面層５の結晶粒径は、小さい方が好ましく、１μｍ以下とすることが特に好ましい。
また、型母材２の表面２ａに母材表面層５を形成するとしたが、これに限ることはなく、少なくとも金属層６を形成する下地が、非晶質状態もしくは型母材２の結晶粒径よりも小さい径の結晶粒からなる結晶質状態に形成されていればよい。したがって、例えば、型母材２を形成した後に、アルゴン等のイオンを型母材２の表面２ａから注入して、型母材２の表面２ａ近傍を非晶質状態もしくは粒径１〜２μｍの結晶粒からなる結晶質状態に形成し、この型母材２の表面２ａに金属層６を形成するとしてもよい。
また、光学素子成形用型１の型母材２や各層を構成する材料の組み合わせは、成形型１〜成形型１２に限ることはない。すなわち、型母材２は、炭化タングステン等の超硬合金や炭化ケイ素を主成分とした材料から選択すればよく、母材表面層５は、タングステン、炭素、炭化タングステン、炭化ケイ素のうち１種類以上の材料から選択すればよい。すなわち、例えば、成形型１〜成形型６における母材表面層５の組成を炭化タングステン（ＷＣ）からタングステン（Ｗ）に代えるとしても構わない。また、例えば、成形型７〜成形型９における母材表面層５の組成を炭化ケイ素（ＳｉＣ）から炭素（Ｃ）に代えるとしても構わない。上記組成の場合には、母材表面層５をＰＶＤ、ＣＶＤの他に、イオン注入法により形成しても良い。
また、金属層６は、クロム、チタン、アルミ、モリブデンの少なくとも１種類の金属材料から選択すればよく、窒化物層７は、クロム、チタン、アルミ、モリブデンの少なくとも１種類の元素を含む窒化物から選択すればよい。ただし、金属層６の金属材料と、窒化物層７の窒化物に含まれる金属材料は同一であることが好ましい。
さらに、表面層３は、白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウムの少なくとも１種類の金属材料、もしくはこれらの元素を含む合金、化合物から選択すればよい。すなわち、表面層３は、例えば、白金−パラジウム合金（Ｐｔ−Ｐｄ）、白金−レニウム合金（Ｐｔ−Ｒｅ）、イリジウム−ルテニウム合金（Ｉｒ−Ｒｕ）等の合金や、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）のみの金属材料から形成されるとしてもよい。
さらに、表面層３は、白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウムの少なくとも１種類の金属材料、もしくはこれらの元素を含む合金、化合物から選択すればよい。すなわち、表面層３は、例えば、白金−パラジウム合金（Ｐｔ−Ｐｄ）、白金−レニウム合金（Ｐｔ−Ｒｅ）、イリジウム−ルテニウム合金（Ｉｒ−Ｒｕ）等の合金や、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）のみの金属材料から形成されるとしてもよい。
また、光学素子成形用型１の中間層４は、母材表面層５、金属層６及び窒化物層７から構成されるとしたが、これに限ることはなく、母材表面層５及び金属層６のみから構成されるとしても構わない。この構成においても、プレス成形の際に表面層３の剥離に基づくガラス素材Ｍの融着を確実に防止できる、という効果を奏する。
さらに、この中間層４は、上記構成からさらに金属層６を除く構成としてもよい、すなわち、母材表面層５のみから構成されるとしてもよい。この構成においても、プレス成形の際にガラス素材Ｍに接触する表面層３の成形面３ａの粗さが増加することを確実に防止できる、という効果を奏する。
さらに、この中間層４は、上記構成からさらに金属層６を除く構成としてもよい、すなわち、母材表面層５のみから構成されるとしてもよい。この構成においても、プレス成形の際にガラス素材Ｍに接触する表面層３の成形面３ａの粗さが増加することを確実に防止できる、という効果を奏する。
また、光学素子成形用型１は、凸レンズを成形するものとしたが、これに限ることはなく、平面レンズ、凹レンズ、プリズム、あるいは光学面を有するセル等の光学素子を成形するものであればよい。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
１ 光学素子成形用型
２ 型母材
２ａ 表面
３ 表面層
４ 中間層
５ 母材表面層
６ 金属層
７ 窒化物層
８ 窒素濃度傾斜層
Ｍ ガラス素材
２ 型母材
２ａ 表面
３ 表面層
４ 中間層
５ 母材表面層
６ 金属層
７ 窒化物層
８ 窒素濃度傾斜層
Ｍ ガラス素材
Claims (3)
- ガラス素材をプレス成形して光学素子を成形するための光学素子成形用型であって、
焼結した超硬合金もしくは炭化ケイ素からなる型母材と、該型母材の表面上に形成され、プレス成形の際に前記ガラス素材に接触する表面層と、これら型母材と表面層との間に形成された中間層とを備え、
前記表面層が、白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウムから選択される少なくとも１種類の元素、またはこれら元素を含む合金、化合物から形成され、
該中間層が、母材表面層と金属層と窒化物層を備え、
該母材表面層が、前記型母材の表面に接触するように、タングステン、炭素、炭化タングステン、炭化ケイ素のうち少なくとも１種類の材料から非晶質状態に形成され、
前記金属層が、前記母材表面層と前記表面層との間に、クロム、チタン、アルミ、モリブデンのうち少なくとも１種類の金属材料から形成され、
前記窒化物層が、前記金属層と前記表面層との間にクロム、チタン、アルミ、モリブデンのうち少なくとも１種類の元素を含む窒化物から形成されることを特徴とする光学素子成形用型。 - 前記窒化物層が、前記金属層に向けて窒素濃度が漸次減少する窒素濃度傾斜層を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用型。
- 請求項１に記載の光学素子成形用型を用いてガラス素材を成形することを特徴とする光学素子成形方法。
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