JP4763064B2 - 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
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。
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。
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。
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。
請求項1に係る発明は、ガラス素材をプレス成形してレンズ、プリズム等の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、前記型母材を構成する材料の結晶粒径より小さい径の結晶粒からなる結晶質状態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種類の材料からなる母材表面層を備え、該母材表面層が、前記型母材の表面に接触することを特徴とする光学素子成形用型を提案している。
このことは、前述したように本発明者の研究により、型母材を構成する材料の結晶粒径よりも大きい結晶粒からなる結晶質状態に中間層を形成した場合には、表面層や中間層の結晶方位が型母材表面における結晶粒毎の結晶方位に影響され、プレス成形の際に光学素子成形用型を加熱した際には、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見出したことに起因する。
したがって、本発明の構成の場合には、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。
この発明に係る光学素子成形用型によれば、母材表面層の結晶粒径を2μm以下としたのは、焼結した超硬合金または炭化ケイ素からなる型母材の結晶粒径が、少なくとも2μmよりも大きいためである。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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、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、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。
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。
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 (6)
- 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、前記型母材を構成する材料の結晶粒径より小さい径の結晶粒からなる結晶質状態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種類の材料からなる母材表面層を備え、
該母材表面層が、前記型母材の表面に接触することを特徴とする光学素子成形用型。 - 前記結晶質状態の結晶粒の粒径が2μm以下であ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。
- 前記中間層が、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を特徴とする請求項1または請求項2に記載の光学素子成形用型。
- 前記中間層が、前記金属層と前記表面層との間にクロム、チタン、アルミ、モリブデンの少なくとも1種類の元素を含む窒化物からなる窒化物層を備えることを特徴とする請求項3に記載の光学素子成形用型。
- 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4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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