(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱軟化状態のガラス光学素子材料を押圧成形するガラス光学素子成形型において、
該成形型を、装着孔を有する、超硬合金またはセラミックであってロックウェルＡ硬度が８０以上の材料からなる母材と；この母材よりも低硬度でかつＮｉメッキに対する密着力が高い各種炭素鋼、ステンレス合金または銅のいずれかからなり、該母材の上記装着孔に挿入されて常温で結合状態とされた金属外層材料と；から構成し、
上記金属外層材料に形成した成形面上に、Ｎｉ層と、貴金属からなる保護皮膜とを順次形成したことを特徴とするガラス光学素子の成形型。
【請求項２】
請求項１記載のガラス光学素子成形型において、上記母材と金属外層材料の熱膨張係数をそれぞれα１、α２としたとき、α１＜α２であり、上記母材と金属外層材料をともに冷却した状態で該母材の上記装着孔に金属外層材料を挿入し常温に戻すことで、該母材と金属外層材料が冷やし嵌め法によって結合されているガラス光学素子の成形型。
【請求項３】
請求項１または２記載のガラス光学素子成形型において、母材の上記装着孔に挿入された金属外層材料がロー付けにより結合されているガラス光学素子の成形型。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載のガラス光学素子の成形型において、保護皮膜は、Ｐｔ膜であるガラス光学素子の成形型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、加熱軟化状態のガラス光学素子材料（プリフォーム）を加熱下で成形するガラスモールド法の成形型に関する。
【０００２】
【従来の技術及び問題点】
ガラスモールド法に用いられる成形型は、長時間高温に曝される。このため従来、高温下でも必要な強度と形状を維持できる高硬度材料、例えば、超硬合金、セラミックス、各種耐熱金属材料等を母材とし、この母材上に、直接成形面を形成してきた。
【０００３】
成形面の加工法としては、例えば、母材の成形面を研削加工で加工した後、研磨加工にて面粗さを修復し、その上に、Ｐｔ等の保護皮膜をコートする方法がある。しかし、研削加工及び研磨加工では微細な凹凸の成形面の加工が困難であり、非球面や回折パターンのような精密な成形面形状を高精度に得ることは困難である。
【０００４】
高精度な成形面を得るため従来、必要に応じて、母材の成形面を研磨及び研削によって仕上げた後、Ｎｉメッキを施し、このＮｉメッキ層に切削加工を施して高精度な成形面を得る方法が提案されている。しかし、従来母材として用いられてきた高硬度材料は、Ｎｉメッキとの密着性が悪く、使用中に比較的短期間でＮｉメッキ層が剥離してしまうという問題がある。
【０００５】
Ｎｉメッキは、例えばステンレス鋼との密着性には優れているが、ステンレス鋼は硬度が低いため、繰り返し成形中に摺動部でかじりが生じ、その結果、成形品の精度が劣化するという問題がある。ステンレス鋼に仮に焼き入れして硬度を上げても、高温成形中に硬度が低下してしまうから事情は同じである。高硬度材料でＮｉメッキとの密着性に優れた材料は、存在しない。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、以上の従来の成形型についての問題意識に基づき、非球面や回折パターンなどの微細で高精度な成形面を得ることができ、しかも高温環境下での使用耐久性に優れたガラス光学素子の成形型を得ることを目的とする。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、加熱軟化状態のガラス光学素子材料を押圧成形するガラス光学素子の成形型において、該成形型を、装着孔を有する、超硬合金またはセラミックであってロックウェルＡ硬度が８０以上の材料からなる母材と；この母材よりも低硬度でかつＮｉメッキに対する密着力が高い各種炭素鋼、ステンレス合金または銅のいずれかからなり、該母材の上記装着孔に挿入されて常温で結合状態とされた金属外層材料と；から構成し、上記金属外層材料に形成した成形面上に、Ｎｉ層と、貴金属からなる保護皮膜とを順次形成したことを特徴としている。
【０００８】
母材と外層材料の熱膨張係数をそれぞれα１、α２としたとき、α１＜α２の関係を満たす材料から構成し、母材と金属外層材料をともに冷却した状態で該母材の装着孔に金属外層材料を挿入し常温に戻すことで、該母材と金属外層材料が冷やし嵌め法によって結合することができる。あるいは、母材と金属外層材料は、ロー付けによって結合することもできる。
【０００９】
【発明の実施形態】
図１は、本発明によるガラス光学素子の成形型１０の一実施形態を示している。この成形型１０は、母材１１と外層材料１２との２部材からなっており、外層材料１２の成形面１２ｃ上に、Ｎｉメッキ層１３と保護皮膜１４とが順次形成されている。
【００１０】
母材１１は、超硬合金、セラミックス等のロックウェルＡ硬度が８０以上の材料からなっていて、例えば、軸線に関して回転対称な形状をしており、その一端部周囲に型土台に対する取り付け用のフランジ１１ａを有し、他端面の軸心部に、外層材料１２の装着孔１１ｂとを備えている。
【００１１】
一方、外層材料１２は、各種炭素鋼、ステンレス合金または銅等の金属材料からなっている。この外層材料１２は、装着孔１１ｂに挿入される接合用軸部１２ａと、この接合用軸部１２ａから徐々に拡径するテーパ部１２ｂと、このテーパ部１２ｂの端面に形成した成形面１２ｃとを有している。
【００１２】
この母材１１と外層材料１２は、冷やし嵌めによって結合するには、母材１１の熱膨張係数をα１、外層材料１２の熱膨張係数をα２としたとき、α１＜α２の関係を満たす材料から構成する。常温下で、装着孔１１ｂの内径の方が接合用軸部１２ａの外径より僅かに小さくなる（装着孔１１ｂの内径＜接合用軸部１２ａの外径）ように加工し、装着孔１１ｂの内径＞接合用軸部１２ａの外径となる迄冷却した状態で、両者を嵌合させ、その後常温に戻せば、母材１１は外層材料１２に強固に結合される。この冷やし嵌めには、ロー付けを併用することができ、あるいはロー付けだけで、母材１１と外層材料１２を結合することも可能である。
【００１３】
本実施形態において、この外層材料１２は、母材１１に比較して低硬度であり、かつ金属であるため、成形面１２ｃを容易に加工することができる。Ｎｉメッキ層１３は、この加工された成形面１２ｃ上に付着形成されるもので、その厚さは、１０〜３００μｍ程度とするのが好ましい。Ｎｉメッキ層１３は、外層材料１２から容易に剥離しないように、成形面１２ｃ上のみならず、テーパ部１２ｂの側面にも同時に形成されている。この他、図３に示すように、外層材料１２の成形面１２ｃ側の端部外周面に複数の溝１２ｄを設け、この溝１２ｄ内にＮｉメッキ層１３が同時に進入するようにしても、Ｎｉメッキ層１３の剥離抵抗を増すことができる。
【００１４】
Ｎｉメッキ層１３の表面は、例えばダイヤモンドバイトにより超精密に切削加工される。Ｎｉメッキ層１３は加工性に優れており、例えば回折パターンや非球面の切削加工が可能である。
【００１５】
このＮｉメッキ層１３の表面には、耐熱性、耐酸化性、耐濡れ性等を向上させるため、貴金属からなる保護皮膜１４が形成される。具体的には、例えばＰｔをスパッタリングにより、０．１〜５μｍ程度形成することができる。
【００１６】
図２は、以上の構成になる本発明の成形型１０を非球面用の上型とし、母材２１上に直接成形面２２を形成し、この成形面２２上に保護皮膜（例えばＰｔ）２３を形成した下型２０とをペアとして、成形装置（プレス装置）にセットした状態を示す。成形型１０は、母材１１のフランジ１１ａが上型押え胴１６によって上部昇降土台１７に挟着固定されており、下型２０は、母材２１の下端部のフランジ２１ａが、スぺーサ２４とともに、下型押え胴２５によって下型土台２６に挟着固定されている。スぺーサ２４は、成形品の肉厚を調整するものである。２７は、上部昇降土台１７（成形型１０）と下型土台２６（下型２０）の周囲に位置させる石英管、２８は加熱用ヒータ、２９は成形時の温度検出用の熱電対である。
【００１７】
次に具体的な本発明のガラス光学素子の成形型１０の実施例を説明する。
［実施例１］
超硬合金タングステンカーバイドＷＣ（熱膨張係数α１；４５×１０-7deg.）から母材１１を作成し、常温（２０℃）下で、８．０００ｍｍφの装着孔１１ｂを形成した。一方、ＳＵＳ４２０（熱膨張係数α２；１３０×１０-7deg.）から外層材料１２を作成し、常温（２０℃）下で、８．００３ｍｍφの接合用軸部１２ａを形成した。
【００１８】
この母材１１と外層材料１２を液体窒素にて約−１００℃迄冷却し、装着孔１１ｂに接合用軸部１２ａを嵌めた。−１００℃では、
装着孔１１ｂの内径
＝８．０００−８．０００×４５×１０-7×１２０＝７．９９６、
接合用軸部１２ａの外径
＝８．００３−８．００３×１３０×１０-7×１２０＝７．９９１、
であり、５μｍのクリアランスが生じるため、嵌合させることができる。常温に戻すと、３μｍの締め代で装着孔１１ｂと接合用軸部１２ａが結合されることとなる。
【００１９】
外層材料１２の成形面１２ｃは、予め近似非球面に機械加工してあり、無電解メッキによって、厚さ約１００μｍのＮｉメッキ層１３を形成した。このＮｉメッキ層１３は、成形面１２ｃの表面からテーパ部１２ｂの外面一部に迄及ぼした。このＮｉメッキ層１３の表面を切削加工により、所要の非球面に加工し、その上に、スパッタリングにて、厚さ約１μｍの保護皮膜（Ｐｔ膜）１４を形成した。
【００２０】
以上の非球面の成形型１０を、球面型の下型２０とともに、図２のようにセットした。下型２０は、球面型であるため、ＷＣからなる母材２１の成形面２２を直接球面成形面に加工し、その成形面上に、Ｎｉ膜を介在させることなく、Ｐｔからなる保護皮膜２３をスパッタリングで形成したものを使用した。成形型１０と下型２０の間に、加熱軟化させたプリフォーム３０（ＶＣ７８ガラス；住田光学ガラス製）をセットした後、その周囲を石英管２７で覆い、内部に非酸化性ガスである窒素ガスを導入しつつ、ヒーター２８にて加熱した。成形温度が５８０℃に達した時点で上部昇降土台１７を下降させてプリフォーム３０を押し潰し成形した。
【００２１】
以上の成形を１０，０００回繰り返したが、外層材料１２からＮｉメッキ層１３（保護皮膜１４）が剥離することも、成形型１０（母材１１）と上型押え胴１６にかじりが発生することもなく、所要形状の成形品を得ることができた。
【００２２】
［実施例２］
冷やし嵌めによることなく、母材１１の装着孔１１ｂと外層材料１２の接合用軸部１２ａとを常温下で嵌合する径に加工した。両者を常温下で嵌合させた後、約８００℃にて溶融する銀ローを用いてロー付けし、成形型１０とした、他の条件は、実施例１と同じである。
【００２３】
この実施例２においても、実施例１と同じ成形を１０，０００回繰り返したが、外層材料１２からＮｉメッキ層１３（保護皮膜１４）が剥離することも、成形型１０（母材１１）と上型押え胴１６にかじりが発生することもなく、所要形状の成形品を得ることができた。
【００２４】
［比較例］
ＷＣに直接非球面の予備形状を形成して成形面とし、その上に、無電解Ｎｉメッキを厚さ約１００μｍ施した。この無電解メッキＮｉ層の表面を切削加工により、所要の非球面に加工し、その上に、スパッタリングにて、厚さ約１μｍのＰｔ膜を形成した。
この成形型を用いて実施例１、２と同様の成形加工を行なったところ、１回の成形で無電解Ｎｉメッキ層が剥離してしまった。
【００２５】
なお、以上の実施形態では本発明の成形型を上型に用いた例で説明したが、本発明は上型、下型共に適用可能であることは言うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、ガラスモールド法に用いられる光学素子成形型を、装着孔を有する、超硬合金またはセラミックであってロックウェルＡ硬度が８０以上の材料からなる母材と；この母材よりも低硬度でかつＮｉメッキに対する密着力が高い各種炭素鋼、ステンレス合金または銅のいずれかからなり、該母材の上記装着孔に挿入されて常温で結合状態とされた金属外層材料と；から構成し、金属外層材料に形成した成形面上に、Ｎｉ層と、貴金属からなる保護皮膜とを順次形成したから、非球面や回折パターンなどの微細で高精度な成形面を得ることができ、しかも高温環境下でＮｉ膜層と保護皮膜が外層材料から剥離しない、使用耐久性に優れた成形型を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による成形型の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１の成形型を上型に用いた成形装置の縦断面図である。
【図３】本発明による成形型の別の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０  ガラス光学素子の成形型（上型）
１１  母材
１１ａ  フランジ
１１ｂ  装着孔
１２  外層材料
１２ａ  接合用軸部
１２ｃ  成形面
１３  Ｎｉメッキ層
１４  保護皮膜
２０  下型
３０  プリフォーム（ガラス光学素子材料）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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