JP2009073689A

JP2009073689A - 光学素子成形用金型及びその製造方法

Info

Publication number: JP2009073689A
Application number: JP2007243739A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Konno; 成夫今野
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-04-09

Abstract

【課題】昇温冷却下で使用してもクラックを生じさせないようにする。
【解決手段】超硬合金やサーメットからなる母材１５の上に、切削加工層として白金金属系の金属メッキ層１６を設ける。金属メッキ層１６を超精密切削により光学面形状として所望の精度に仕上げる。タングステンカーバイトを主成分とする超硬合金からなる母材１５の線膨張係数が９×１０^−６になっているのに対し、白金属系の金属メッキ層１６の線膨張係数は６〜１０×１０^−６になっているので、昇温冷却下で使用してもクラックを防止することができ、さらに、クラックが生じ難いためメッキ層１６を厚く形成することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス光学素子をプレス成形してレンズ成形品を作る光学素子成形用金型、及び、その製造方法に関する。

従来、ガラスレンズをプレス成形するための金型は、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、又は、チタンカーバイド（ＴｉＣ）又はチタンナイトライド（ＴｉＮ）を主成分とするサーメットを母材として、これに砥石を用いて研削加工を行って製造されている。しかし、超硬合金やサーメットは極めて硬度が高いため、研削加工に長時間を要し、金型のコストが高くなってしまっていた。また、研削加工では光学面の面形状によっては所望の精度に加工することが困難な場合があった。

そこで、超硬合金からなる母材上に、切削加工層としてＮｉとＰからなる無電解ニッケルメッキ層を設け、その切削加工層を、ダイヤモンドバイトを用いた超精密切削により光学面形状となるように所望の精度に加工している（特許文献１）。

また、母材の表面に、非晶質の金属または合金からなる切削層を放電プラズマ焼結法により形成した後、前記切削層に切削加工を施して所望の光学面とすることも知られている（特許文献２）。
特開平１１−１５７８５２号公報特開２００３−２４６６２９号公報

ところで、ガラスレンズのプレス成形では、金型を約４００℃付近又はそれ以上に熱してガラス成形素材を加熱する作業と、プレス成形後に金型を冷却する作業がある。このように１ショットごとに昇温後冷却する作業が繰り返し行われると、超硬合金からなる母材の線膨張係数が４×１０^−６、又はサーメットからなる母材の線膨張係数が７〜９×１０^−６であるのに対し、無電解ニッケルメッキ層は線膨張係数が１３×１０^−６となっているため、熱収縮量の違いから体積差が大きくなり無電解ニッケルメッキ層にクラックが発生するおそれがある。

また、特許文献２に記載の金型では、放電プラズマ焼結法により切削層を焼結しているため、金型の製造コストが非常に高くなるという問題点がある。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、昇温冷却下で使用してもクラックを生じさせないようにすることができる光学素子成形用金型、及び、その製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、超硬合金、サーメット、シリコンカーバイド、及び、シリコンナイトライドのいずれかからなる母材の上に、切削加工層として前記母材に近い線膨張係数となっている白金属系の金属メッキ層を設け、超精密切削により前記金属メッキ層を光学面形状として所望の精度に仕上げるようにしたものである。

白金属系の金属メッキ層は、白金、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムのうちのいずれか１種、又はこれらの混合物を主成分とするメッキ層にするのが望ましい。母材としては、線膨張係数が３〜９×１０^−６となっているものを用いるのが好適であり、これに対して白金属系の金属メッキ層としては、線膨張係数が６〜１０×１０^−６になっているものを用いるのが望ましい。また、白金属系の金属としては、白金、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムのうちのいずれか１種、又はこれらの混合物を主体とし他の物質と混合した混合物を用いてもよい。この混合物としては、前記いずれか１種、又はこれらの混合物を５０重量％以上含む混合物であればよい。そして、混合物を用いる場合も、線膨張係数が６〜１０×１０^−６の範囲のものを用いればよい。

本発明によれば、切削加工層として母材に近い線膨張係数となっている白金属系の金属メッキ層を設けたから、昇温・冷却を繰り返し使用してもクラックを確実に防止することができる。しかも、クラックが生じないため、白金属系の金属メッキ層のメッキ厚みを厚くすることができ、精密切削加工が容易に行える。

ガラス光学素子成形用金型１０は、図１に示すように、上型１１及び下型１２で構成されている。下型１２には、所望の体積に調整してある球形状のガラス素材１３が成形面１２ａの中心に移載される。上型１１は、加圧機構１４に昇降自在になっている。上型１１を加圧位置に下降することで、下型１２との間でガラス素材１３に約２００Ｋｇｆの荷重をかけてプレス成形を行ってレンズ成形品を作る。なお、下型が昇降自在な構造であってもよい。

なお、図示していないが、加熱機構、冷却機構、及び、ハンドリング用のロボットを備えており、下型１２の成形面上にロボットによりガラス素材１３を供給した後に、加熱機構により上型１１及び下型１２を加熱して、ガラス素材１３が屈伏温度（Ａｔ）を越える所定の温度に達した後に約５分間プレス成形を行い、その後に、冷却機構によりガラス転移温度（Ｔｇ）以下まで冷やしてから上型１１を離型してロボットにより成形品を下型１２から排出する。

下型１２は、図１に示すように、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金の母材１５の仮成形面（光学面の概略形状となる面）１５ａ上に、切削加工層として白金属系の金属メッキ層１６が形成されている。

下型１２は、図２に示すように、母材１５を予め荒研磨することによって仮成形面１５ａを作製する工程、その後、この仮成形面１５ａ上に白金属系の金属メッキ層１６を形成する工程、その後に、白金属系の金属メッキ層１６を、ダイヤモンドバイトを用いた精密切削加工によって球面又は非球面形状に加工して成形面１２ａを作る工程を経て製造される。

なお、白金属系の金属メッキ層１６としては、電気メッキ、無電解メッキ、真空メッキ(PVD,CVD)、溶融メッキなどの方法から選ばれる少なくとも一つの方法により形成すればよい。

白金属系の金属メッキ層１６は、耐熱性が高い点、線膨張係数が母材１５に近い点、切削が容易である点、メッキ層１６を厚くできる点、母材１５との密着性がよい点、メッキの緻密性が良好である点、メッキ層１６の硬度がビッカース硬度（Ｈｖ）で３００〜１０００である点などの特性を有しているので、切削加工層としては好適である。

母材１５としては、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金からなるものを用いたが、超硬合金の代わりに、サーメット、シリコンカーバイド、及び、シリコンナイトライドのいずれを用いてもよい。タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金は、線膨張係数が４×１０^−６になっている。サーメットとしては、チタンカーバイト（ＴｉＣ）又はチタンナイトライド（ＴｉＮ）を主成分とするものが好適であり、線膨張係数が７〜９×１０^−６になっている。シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、線膨張係数が４×１０^−６になっている。シリコンナイトライド（ＳｉＮ）は、線膨張係数が３．５×１０^−６になっている。そこで、母材の線膨張係数としては、３〜９×１０^−６が好適である。

白金属系の金属メッキ層１６としては、白金、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムのうちの１種、又はこれらの混合物を主成分とするメッキ層にするのが好適である。白金は、線膨張係数が９×１０^−６になっている。ロジウムは線膨張係数が８×１０^−６に、また、ルテニウムは線膨張係数が９×１０^−６に、さらに、イリジウムは線膨張係数が７×１０^−６になっている。そこで、白金属系の金属メッキ層としては、線膨張係数が６〜１０×１０^−６になっているものが好適である。このように、母材１５に近い線膨張係数になっている白金属系の金属メッキ層を切削加工層として用いるため、クラックが生じ難い。

混合物としては、前記いずれか１種、又はこれらの混合物を主体とし他の物質と混合した混合物、すなわち、前記１種を混合率５０重量％以上含む混合物であればよい。そして、混合物を用いる場合も、線膨張係数が６〜１０×１０^−６の範囲のものを用いればよい。例えば白金と混合する物質としては、パラジウム（線膨張係数１１．８×１０^−６）や、コバルト（線膨張係数１２．３×１０^−６）などが好適である。なお、線膨張係数の数値には、測定時に変化させる温度範囲などの要因によりバラツキがある。そこで、本発明では、白金属系の線膨張係数の数値範囲を、バラツキ範囲を含めて記載している。

また、白金属系の金属メッキを施すと、メッキ層１６を厚くすることができるので、所望の光学面の形状に応じた形状に加工するのに十分な切削加工層の厚さが得られる。さらに、白金属系の金属メッキ層は切削性が良いので切削加工により曲率半径の小さい湾曲面や非球面形状など研削加工では加工が難しい形状の精密加工も行うことができる。

なお、白金属系の金属メッキ層１６としては、例えば８０〜２００μｍの厚さであれば切削加工層として好適な厚さである。

また、以上の説明及び図２では、下型１２のみについて説明したが、上型１１も本発明を用いて作ってもよい。

成型用金型を示す断面図である。図１で説明した下型を示す断面図である。下型を製造する手順を示すフローチャート図である。

符号の説明

１０金型
１１上型
１２下型
１３ガラス素材
１５母材
１６白金属系の金属メッキ層

Claims

超硬合金、サーメット、シリコンカーバイド、及び、シリコンナイトライドのいずれかからなる母材の上に、切削加工層として前記母材に近い線膨張係数となっている白金属系の金属メッキ層を設け、超精密切削により前記金属メッキ層を光学面形状として所望の精度に仕上げることを特徴とするガラス光学素子成形用金型。
前記白金属系の金属メッキ層は、白金、ロジウム、ルテニウム、及び、イリジウムのうちの少なくとも１種、又はこれらの混合物を主成分とするメッキ層になっていることを特徴とする請求項１記載のガラス光学素子成形用金型。
前記母材の線膨張係数が３〜９×１０^−６であり、また、前記白金属系の金属メッキ層の線膨張係数が６〜１０×１０^−６であることを特徴とする請求項１又は２記載のガラス光学素子成形用金型。
超硬合金、サーメット、シリコンカーバイド、及び、シリコンナイトライドのいずれかからなる母材の上に、切削加工層として前記母材に近い線膨張係数になっている白金属系の金属メッキ層を形成した後に、前記金属メッキ層を超精密切削により光学面形状として所望の精度に仕上げて所望する成形面を作ることを特徴とするガラス光学素子成形用金型の製造方法。