JPH06305743A - 光学素子成形用型およびその製造法 - Google Patents
光学素子成形用型およびその製造法Info
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Abstract
を製作する装置に用いる成形用型の成形面6を形成する
炭素を主成分とした膜7に、型の曲率に応じて中央部か
ら周辺部にかけて膜厚および/または膜組成の変化を与
えることによって、成形時の成形面とガラスとの密着力
が成形面全体で均等となるようにする。 【効果】 (1)ガラス光学素子成形時のガラスと型の
離型性が極めて良好で、(2)成形レンズの異常な伸び
を起こさない、(3)表面粗さ、面精度、透過率、形状
精度の良好な成形品を与え、(4)長時間の繰り返し使
用でも膜剥離、クラック、傷を生じない極めて耐久性の
高い、光学素子成形用型が得られる。
Description
のガラスよりなる光学素子をガラス素材のプレス成形に
よって製造する際に使用される型に関する。
プレス成形によってレンズを製造する技術は、従来の製
造において必要とされた複雑な工程をなくし、簡単かつ
安価にレンズを製造することを可能とし、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
製造に使用されるようになってきた。
に使用される型材に要求される性質としては、硬度、耐
熱性、離型性、鏡面加工性などに優れていることが挙げ
られる。従来、この種の型材として金属、セラミックス
およびそれらをコーティングした材料など、数多くの提
案がされている。いくつかの例を挙げるならば、特開昭
49−51112には13Crマルテンサイト鋼が、特
開昭52−45613にはSiCおよびSi3N4が、特
開昭60−246230には超硬合金に貴金属をコーテ
ィングした材料が、また特開昭61−183134、6
1−281030、特開平1−301864にはダイヤ
モンド薄膜もしくはダイヤモンド状炭素膜、特開昭64
−83529には硬質炭素膜をコーティングした材料が
提案されている。また、特公平2−31012には、レ
ンズもしくは型のどちらか一方に50〜5000Åの炭
素膜を形成することが提案されている。
テンサイト鋼は酸化しやすく、さらに高温でFeがガラ
ス中に拡散してガラスが着色する欠点を持つ。SiCお
よびSi3N4は一般的に酸化されにくいとされている
が、高温ではやはり酸化が起こり、表面にSiO2の膜
が形成されるため、ガラスの融着を生じる。さらに、高
硬度のため型自体の加工性が極めて悪いという欠点を持
つ。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やすく変形しやすい
という欠点を持つ。
定性にも優れているが、多結晶膜であるため表面粗さが
大きく、鏡面加工する必要がある。DLC膜、a−C:
H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
以上繰り返して行なうと、前記膜が部分的に剥離し成形
品において十分な成形性能が得られないことがある。
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、クラックなどが生じる。同様
に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。(2)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、Si3N4などの焼結体では、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時、これらの穴
には膜が形成されなかったり、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
強度は著しく低下するため剥離やクラックの発生起点と
なりやすい。(3)WC−CoのCoに代表される焼結
体中の焼結助材と前述の膜の間で拡散による合金形成が
生じる。こうした部分では成形時にガラスの融着が生
じ、ガラス中に含有される成分と反応して析出物を生じ
る結果、耐久性の劣化を招く。以上のように、成形性、
耐久性、経済性に優れた光学素子成形用型を実現するに
至っていない。
50Å未満では膜が不均一になるため炭素膜の形成効果
が減少し、5000Åを越えると加圧成形による面精度
が低下するが、50Å〜5000Åならば問題は生じな
いとしている。しかしながら、この発明の実施例におけ
る炭素膜は、基板との付着力が弱く、あるいは大きな圧
縮応力のために成形過程において膜の剥離を生じる。こ
の結果、剥離部におけるガラスの融着や成形品の外観不
良を引き起こし、耐久性の優れた実用的な型を提供する
に至っていない。
を成形する際、型とガラスの密着力が一定でないと成形
レンズが異常に展延し異形形状となり、レンズの面精度
の低下をもたらし、素子としての機能を満たさなくなる
場合がある。以下にその例と理由を示す。
型構造を示すものである。図1は光学素子のプレス成形
前の状態を示し、図2は光学素子成形後の状態を示す。
図1中1は型母材、2はガラス素材を成形する成形面、
3はガラス素材であり、図2中4は成形によって得られ
た光学素子である。
形する際、最初に型の凸部がガラス素材に当たるため、
大きな荷重がガラス素材中心部にかかる。この時ガラス
素材中心部と型の密着力は高くなり、型とガラスは固着
する。そして徐々にプレスが進行していくに従い、ガラ
スは型にならって変形するが、ガラス素材の周辺部に行
くに従い、成形圧力がプレス方向と垂直であるガラス素
材の横方向の変形に使われるため、型とガラスの密着力
が徐々に低くなっている。つまり成形時には、レンズの
周辺方向に行くに従って型とレンズの密着力が下がり、
かつ型とガラスがレンズの周辺方向に行くほど滑りやす
くなっている。これは、炭素を主成分とした膜の膜厚が
一定の場合あるいは炭素を主成分とした膜の膜質が一定
である場合に、レンズ形状による変形差が生み出す密着
力差により起こるものである。このような状態で成形さ
れた成形品は図2の4に示すような形状となり、適正な
形状とならない。つまり、図2の4に示すような形状の
場合、成形面でのガラスの滑りが生じ、成形品が異常に
展延し所定形状とならなかったり、展延により成形品に
傷がつき光学素子とならなくなってしまう。
ベリ性の制御については改善されていない。
ス成形による光学素子製造に使用される光学素子成形用
型において、ミキシング層である炭素を主成分とした膜
が型の曲率に応じて膜厚の分布および/または膜組成の
変化を有し、成形時の成形面とガラスとの密着力および
スベリ性が該成形面全体で均一であることを特徴とする
光学素子成形用型およびその製造法を提供する。
主成分とした膜の膜厚に傾斜を持たせたものの1実施態
様およびその型を用いた素子の成形を示す図である。図
3は光学素子のプレス成形面の状態を示し、図4は光学
素子成形後の状態を示す。図3中5は型母材、6はガラ
ス素材を成形する成形面、7はミキシング層、8はガラ
ス素材である。図4中9は光学素子である。図3に示す
ように型の間に置かれたガラス素材8をプレス成形する
ことによってレンズなどの光学素子9が形成される。
が凸形であることから、中央部の膜厚が最大で周辺部に
行くほど薄くなって、レンズ成形時のガラスとの密着力
が中心部と周辺部でほぼ同等となるようになっている。
各種のPVD法などによって行なうことができる。その
中で例えばイオンビーム法によって行なう場合、炭素を
主成分とした膜形成時に例えば図6および図11に示す
ような回転スリットを通してイオンビーム照射を行なう
ことによって所望の膜厚分布を型表面に与えることがで
きる。
を主成分とした膜形成を模式的に示した。図5はIBD
(Ion Beam Deposition)装置の模
式的断面図であり、図中10は真空槽、11はイオンビ
ーム装置、12はイオン化室、13はガス導入口、14
はイオンビーム引き出しグリッド、15はイオンビー
ム、16は回転スリット、17は型母材、18は基板ホ
ルダーおよびヒーター、19は排気口を表わす。
は次のような手順で行なう。図5のようにIBD装置に
型母材17を設置し、まず、ガス導入口13よりArガ
スをイオン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム
引き出しグリッドに電圧を印加してイオンビームを引き
出し、型母材に照射して成形表面の清浄化を行なう。次
に、CH4およびH2をイオン化室に導入し、回転スリッ
ト16を回転させながら、所定の圧力下にイオンビーム
引き出しグリッドに電圧を印加してイオンビームを引き
出し、成形面に照射してミキシング層を形成する。
を主成分とした膜をミキシング層とする光学素子成形用
型の他の実施態様を示すものであり、図9は光学素子の
プレス成形面の状態を示し、図10は光学素子成形後の
状態を示す。図9中72は型母材(上型)、73は型母
材(下型)、74はガラス素材を成形する成形面、75
はミキシング層、76はガラス素材である。図10中7
7は光学素子である。図9に示すように上型72と下型
73の間に置かれたガラス素材76をプレス成形するこ
とによってレンズなどの光学素子77が形成される。図
9および10の型は成形面の形状が凹形であるため、図
3および4の型の炭素を主成分とした膜とは逆に、炭素
を主成分とした膜の膜厚は中心部ほど薄く周辺部ほど厚
くなっている。このような膜厚分布は、図5のようなイ
オンビーム装置において、回転スリットとして図11に
示すようなものを用いて与えることができる。
した膜をミキシング層とする光学素子成形用型の1実施
態様を示すものである。図12中、78は型母材(上
型)、79は型母材(下型)、80はガラス素材を成形
する成形面、81はミキシング層、82はガラス素材で
ある。この場合は型が凸形であるため、炭素を主成分と
した膜の炭素含量を、中心部が最大で周辺部に近くなる
ほど小さくし、かつ型母材成分とのミキシングによる組
成の変化を持たせることにより、成形時の成形面とガラ
スの密着力が均等となるようにする。
ビーム法による炭素を主成分とした膜成膜時にイオンビ
ーム電流の電流密度に中心部から周辺部にかけて傾斜を
与えることにより持たせることができる。
る。
4のような両凸の形状に加工した後、イオンプレーティ
ングによりTiN膜を形成し、次に成形面をRmax.
=0.02μmに鏡面研磨した。この型を良く洗浄した
後、図5に示すIBD装置に設置した。まず、ガス導入
口よりArガス35sccmをイオン化室に導入しイオ
ン化した後、イオンビーム引き出しグリッドに500V
の電圧を印加してイオンビームを引き出し、型母材に5
分間照射して成形表面の清浄化を行なった。
0sccmをイオン化室に導入してガス圧3.5×10
ー4Torrとし、型の曲率を考慮に入れて図6の形状を
持った回転スリット16を回転させながら、加速電圧1
0kVでイオンビームを引き出し、成形面に照射してミ
キシング層を形成した。この時、イオンビーム電流は3
0mA、電流密度2mA/cm2、基板温度300℃と
した。得られたミキシング層は、中心部の膜厚が最も大
きく、周辺部に近づくに連れて徐々に小さくなってお
り、中心部で50nmであり周辺部で20nmであっ
た。
をXPS(Xray Photoelectron S
pectroscopy)によって深さ方向分析した結
果を図7に示す。この図7より明らかなように、炭素C
の濃度は表面側から型母材側に向かって減少している。
一方、Ti、N原子の濃度は表面側から型母材側に向か
って増加している。
ガラスレンズのプレス成形を行なった。装置は図8に示
したものを用い、図中、51は真空槽本体、52はその
蓋、53は光学素子を成形するための上型、54はその
下型、55は上型を押さえるための上型おさえ、56は
胴型、57は型ホルダー、58はヒーター、59は下型
を突き上げる突き上げ棒、60はこの突き上げ棒を作動
するエアシリンダ、61は油回転ポンプ、62、63、
64はバルブ、65は不活性ガス流入パイプ、66はバ
ルブ、67はリークパイプ、68はバルブ、69は温度
センサ、70は水冷パイプ、71は真空槽を支持する台
を示す。
クラウン系光学ガラス(SK12)を所定の量に調整
し、球状にしたガラス素材を型のキャビティー内に置
き、これを成形装置内に設置した。ガラス素材を投入し
た型を装置内に設置してから真空槽51の蓋52を閉
じ、水冷パイプ70に水を流し、ヒーター58に電流を
流した。このとき窒素ガス用バルブ66および68は閉
じ、排気系バルブ62、63、64も閉じていた。な
お、油回転ポンプ61は常に回転していた。バルブ62
を開け排気を開始してから10ー2Torr以下になった
ところでバルブ62を閉じ、バルブ66を開いて窒素ガ
スをボンベより真空槽内に導入した。620℃となった
ところでエアシリンダ60を作動させて300kg/c
m2の圧力で1分間加圧した。圧力を解除した後、冷却
速度を−5℃/minで転移点以下となるまで冷却し、
その後は−20℃/min以上の速度で冷却を行ない、
200℃以下に下がったらバルブ66を閉じて、リーク
バルブ63を開いて真空槽51内に空気を導入した。そ
れから蓋52を開け、上型おさえを外して成形物を取り
出した。このように、クラウン系光学ガラスSK12
(軟化点Sp=672℃、転移点Tg=550℃)を使
用して図4に示すレンズ9を成形した。
た後、型の成形面および成形された光学素子の表面粗
さ、ならびに型と成形された光学素子との離型性は良好
であった。特に、型の成形面について光学顕微鏡、走査
電子顕微鏡(SEM)で観察しても傷やクラックなどの
欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラスの融着は見られ
なかった。
持った炭素を主成分とする層の形成は実施例1と同様に
して、型母材の形状が図9および10に示したように上
下型とも凹形状となった両凸レンズ成形用型を作製し
た。その際、IBD装置に設置する回転スリット(図5
の16)としては、図11に示す、型の曲線を考慮に入
れた回転スリットを使用して成膜を行なった。その結
果、成形面の膜厚は中心部が50nmとなり、周辺部に
行くに従って徐々に厚くなり、有効径の最も外側で85
nmとなった。
例1と同様の方法で成形実験を行なった。その結果、3
000回成形した後の型の成形面および成形された光学
素子の表面粗さ、ならびに型と成形された光学素子との
離型性は良好であった。特に、型の成形面について光学
顕微鏡、走査電子顕微鏡(SEM)で観察しても傷やク
ラックなどの欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラスの
融着は見られなかった。
8および79のような両凸の形状に加工した後、イオン
プレーティングによりTiN膜を形成し、次に成形面を
Rmax.=0.02μmに鏡面研磨した。この型を良
く洗浄した後、図5に示すIBD装置に設置した。ま
ず、ガス導入口よりArガス35sccmをイオン化室
に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリッ
ドに500Vの電圧を印加してイオンビームを引き出
し、型母材に5分間照射して成形表面の清浄化を行なっ
た。
ccmをイオン化室に導入して、ガス圧3.5×10ー4
Torrとし、加速電圧10kVでイオンビームを引き
出し、成形面に照射してミキシング層を形成した。この
時、イオンビーム電流を30mA、電流密度を型中心部
付近で2mA/cm2とし、型周辺部方向へ行くに従っ
て下げ、型の有効径付近の周辺部では1mA/cm2と
した。また基板温度は300℃とした。この結果、電流
密度の高い型中心部にはカーボンリッチのミキシング層
ができ、一方型周辺部にはカーボンが少ないミキシング
層ができた。この型は、型中心部の密着力が低く、型周
辺部に向かうに従って徐々に密着力が上昇する特徴を有
していた。
1と同様の方法で成形実験を行なった。その結果、30
00回成形した後の型の成形面および成形された光学素
子の表面粗さ、ならびに型と成形された光学素子との離
型性は良好であった。特に、型の成形面について光学顕
微鏡、走査電子顕微鏡(SEM)で観察しても傷やクラ
ックなどの欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラスの融
着は見られなかった。
装置11の部分を蒸発源となる装置に置き換えることで
真空蒸着、スパッタリングが可能となる。この2つの手
法によっても膜厚分布型、膜質変化型の作製が可能であ
り、実施例1と同様の方法で成形実験を行ない、良好な
結果を得た。
成形用型によれば、成形面に被覆した炭素を主成分とし
た膜に膜厚および/または膜組成に変化を持たせること
によって、成形時のガラスとの密着力が成形面全体で均
等化し、ガラス光学素子を成形する際、ガラスと型の離
型性が極めて良好となり、成形レンズの異常な伸びも発
生せず、表面粗さ、面精度、透過率、形状精度の良好な
成形品が得られる。さらにこの型は、プレス成形を長時
間繰り返しても、膜剥離やクラック、傷などの欠陥を生
じない極めて耐久性の高い光学素子成形用型である。
る。
ある。
分布型)を示す断面図である。
ある。
ある。
ルを示すグラフである。
である。
厚分布型)を示す断面図である。
である。
態様(膜組成分布型)を示す断面図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 ガラスのプレス成形による光学素子製造
に使用される光学素子成形用型において、表面処理層で
ある炭素を主成分とした膜が型の曲率に応じて膜厚の分
布を有し、成形時の成形面とガラスとの離型性が該成形
面全体で均一であることを特徴とする光学素子成形用
型。 - 【請求項2】 炭素を主成分とした膜の形成を物理蒸着
(イオンビーム法、真空蒸着、スパッタなど)によって
行ない、成膜時に回転スリットを回転させて膜厚に分布
を持たせる、請求項1記載の光学素子成形用型の製造
法。 - 【請求項3】 ガラスのプレス成形による光学素子製造
に使用される光学素子成形用型において、表面処理層で
ある炭素を主成分とした膜が型の曲率に応じて膜組成の
変化を有し、成形時の成形面とガラスとの密着力が該成
形面全体で均一であることを特徴とする光学素子成形用
型。 - 【請求項4】 炭素を主成分とした膜の形成をイオンビ
ーム法によって行ない、成膜時の電流密度を中央部から
周辺部にかけて徐々に変化させることにより炭素含量に
傾斜を与える、請求項3記載の光学素子成形用型の製造
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP09134593A JP3625295B2 (ja) | 1993-04-19 | 1993-04-19 | 光学素子成形用型およびその製造法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP09134593A JP3625295B2 (ja) | 1993-04-19 | 1993-04-19 | 光学素子成形用型およびその製造法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06305743A true JPH06305743A (ja) | 1994-11-01 |
JP3625295B2 JP3625295B2 (ja) | 2005-03-02 |
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ID=14023836
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP09134593A Expired - Fee Related JP3625295B2 (ja) | 1993-04-19 | 1993-04-19 | 光学素子成形用型およびその製造法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3625295B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010265152A (ja) * | 2009-05-18 | 2010-11-25 | Olympus Corp | 光学素子用成形型、光学素子用成形型の製造方法、並びに光学素子の製造方法 |
-
1993
- 1993-04-19 JP JP09134593A patent/JP3625295B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010265152A (ja) * | 2009-05-18 | 2010-11-25 | Olympus Corp | 光学素子用成形型、光学素子用成形型の製造方法、並びに光学素子の製造方法 |
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JP3625295B2 (ja) | 2005-03-02 |
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