JP2003221244A - 光学素子成形型、光学素子成形型の製造方法、光学素子の製造方法及び光学素子成形型ユニット - Google Patents
光学素子成形型、光学素子成形型の製造方法、光学素子の製造方法及び光学素子成形型ユニットInfo
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-
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Abstract
ず、加工が容易でありより低コストな光学素子成形型、
この光学素子成形型の製造方法、光学素子の製造方法及
び光学素子成形型ユニットを提供する。 【解決手段】従来のセラミックス素材は、非導電性であ
るが故、放電加工を行うことができず、長時間機械加工
を施して素材をカットするなどの必要があったが、体積
抵抗値Zが0<Z≦1[Ω・cm]を満たす導電性セラ
ミックス素材であれば、放電加工を容易に短時間で行う
ことができるので、光学素子成形型3’の大量生産が低
コストで可能となる。
Description
用いた光学素子成形型、この光学素子成形型の製造方
法、光学素子の製造方法及び光学素子成形型ユニットに
関する。
素材とする光学素子は、手間と時間のかかる研磨工程を
経て製造されていたために、比較的高価な光学機器に用
いられることが多かった。しかるに今日では、低廉な光
学機器において、光学特性に優れた非球面のガラスレン
ズ等を用いることで、レンズ構成の簡略化、レンズ部分
の軽量化を同時に達成し得ることが行われつつある。こ
の非球面のガラスレンズ等の製造にあたっては、従来の
研磨工程を経ていては迅速な加工および大量生産が困難
であるために、光学ガラス材料をそのまま、あるいはあ
らかじめ加熱した後、一対の光学素子成形型の内端面
(光学面転写面)間で加熱押圧し成形してガラスレンズ
等を製造する、いわゆるガラスモールド法が採用される
ようになった。
ド法を用いられる光学素子成形型の特性として、加熱押
圧時に光学素子成形型の光学面転写面が、ガラスレンズ
等の光学面にそのまま転写されることから、かかる光学
面転写面が、光学用途に耐えうる程度の鏡面に加工可能
なこと、高温でも酸化による光学面転写面のくもり等を
起こさないこと、溶融したガラス素材と接触したときに
融着を起こし難いこと、及び加熱押圧時の圧力や衝撃に
耐える機械的強度を持つことなどが必要とされている。
としては、例えば超硬もしくはセラミックスが考えられ
る。ここで、超硬は、セラミックスに比べ一般的には機
械加工しやすいという利点があるものの、加熱溶融した
高温のガラス素材に触れることで化学反応を生じたり、
成形雰囲気に混入する酸素や水蒸気により主成分である
タングステンカーバイトが酸化する等の問題を生じさせ
ていた。この耐熱性や化学反応性が劣るという性質のた
めに、超硬を、光学素子の光学面を転写形成する型の材
料として用いた場合には、例えば光学面を転写する光学
面転写面のくもりや、光学面転写面の偏心を規制するた
めの精密嵌合部分のカジリなど、極めて重大な問題を引
き起こす恐れがあった。かかる問題に対しては、成形雰
囲気を高気密に維持したり、頻繁に光学面転写面の修復
を行うなどして、ある程度対処できるものの、それによ
り設備が複雑化し又メンテナンスが面倒になるという別
な問題が生じることとなる。これに対し、セラミックス
は高温でも酸化が起きにくいため、超硬を型素材とした
場合に生じうる光学面転写面のくもりや精密嵌合部品の
カジリ等の問題は回避できるが、一般的にはセラミック
スの素材自体が非常に硬いため、加工性が悪く、光学面
転写面の鏡面を得るのに長時間の加工が必要であり、そ
れにより製作コストが大幅に上昇するという問題があ
る。また光学素子成形型の測温を行うための熱電対や加
熱ヒーターを挿入するための深い孔加工などの複雑な形
状加工が非常に困難であるという問題もある。更に、セ
ラミックスは、非導電性であることから、電気メッキ処
理なども行えないという問題もある。
のであり、セラミックス素材を用いているにもかかわら
ず、加工が容易でありより低コストな光学素子成形型、
この光学素子成形型の製造方法、光学素子の製造方法及
び光学素子成形型ユニットを提供することを目的とす
る。
子成形型は、加熱軟化したガラス素材を加圧して光学素
子を成形する光学素子成形型であって、該光学素子成形
型の少なくとも一部が、導電性セラミックスを用いて形
成され、前記導電性セラミックスの体積抵抗値Zが次式
を満たすことを特徴とする。 0<Z≦1 [Ω・cm] (1)
する。炭化ケイ素には、面心立方晶(最密構造)のβ型
炭化ケイ素と、その他の結晶構造のα型炭化ケイ素が存
在する。ここで、α型炭化ケイ素は非導電性であるが、
β型炭化ケイ素は10〜1000Ω・cm程度の導電性
を有していることが知られている。β型炭化ケイ素はC
VD法によって製造されるが、CVD法の種類やそのと
きの製造条件により、炭素を含むβ型炭化ケイ素の粉体
を作ることができる。例えば、プラズマCVDにより四
塩化ケイ素ガスとメタンを反応させると、以下の化学式
(I)によりほぼ純粋なβ型炭化ケイ素ができるが、メ
タンの代わりにエチレンガスを導入すると、化学式(I
I)により遊離炭素が発生して、炭素リッチなβ型炭化
ケイ素ができる。特に析出した炭化ケイ素を付着させる
ための基材をCVD装置内に置かなければ、プラズマに
よる反応でSiCやCが互いに凝集析出して、微小な粉
体として製造装置内に降雪するので、容易に粉体が得ら
れる。 化学式(I) SiCl4+CH4 → SiC+4HCl 化学式(II) SiCl4+C2H4 → SiC+C+4HCl
素粉体を適量混合して焼結し、得られたセラミックス素
材は、β型炭化ケイ素のみからなる素材よりも、遥かに
導電性に優れていることがわかった。例えば、その体積
抵抗値Zが式(1)を満たすものであるならば、従来の
セラミックス素材に対して行えなかった加工処理が可能
となる。すなわち、従来のセラミックス素材は、非導電
性であるが故、放電加工を行うことができず、砥石によ
る研削加工などで長時間の機械加工を施して素材をカッ
トするなどの必要があったが、体積抵抗値Zが式(1)
を満たす導電性セラミックス素材であれば、放電加工を
容易に短時間で行うことができるので、光学素子成形型
の大量生産が低コストで可能となる。尚、導電性セラミ
ックスとしては、上述した炭化ケイ素以外に、炭化チタ
ン又は窒化チタンであっても良く、また、それらに限ら
れない。例えば、炭化チタンの場合も炭化ケイ素と全く
同様に、以下の化学式(III)によって導電性粉体が
得られるので、同様に混合焼結して導電性セラミックス
のバルク材料を得られるが、このような導電性粉体の製
法については、本発明の範囲外である。 化学式(III); TiCl4+C2H4 → TiC+C+4HCl 尚、「光学素子成形用金型の少なくとも一部」とは、例
えば放電加工や電気メッキ処理を必要とする部分に用い
ていれば、全体に用いる必要はないという意味である。
結晶粒の大きさによっても導電性を付与でき、抵抗率Z
(Ω・cm)と結晶粒径φc(nm)との間に、概ね以
下の関係があることがわかった。 Z=10exp((φc−37)/2.5) (1)
は、プラズマCVDにおいて、ガス濃度やプラズマパワ
ーなどを調整して37nm以下の結晶粒を降雪させれ
ば、炭素Cを含有しなくとも放電加工が可能な抵抗率
(0<Z≦1Ω・cm)の粉体を得ることができ、これ
を単独またはα型炭化ケイ素(α−SiC)粉体と混合
して高圧焼結(ホットプレス)すれば、本発明で用いる
導電性セラミックス(SiC)を得ることができる。
結晶粒の大きさによる導電性の効果と、前述した炭素C
の析出による導電性の効果をバランスしながらα型炭化
ケイ素(α−SiC)粉体と混合して原材料処方を最適
化し、高圧焼結して所望の高導電性のSiC焼結体を得
ることができる。
素子を成形する光学素子成形型であって、前記光学素子
成形型を押圧する面にテーパー面を有し、前記テーパー
面を押圧することで、成形時における前記光学素子成形
型の位置決めを行うので、その位置決めの精度を向上さ
せることができ、又、前記光学素子成形型の取り外しが
容易になる等のメンテナンス性も向上させることができ
る。特に、前記テーパー面は、例えばガラスモールド光
学素子成形機において、プレス成形するためにプレス方
向へ移動するプレス部材に前記光学素子成形型を取り付
ける際に、そのプレス部材に、前記光学素子成形型を突
き当てる面であると好ましい。前記テーパー面のテーパ
ー形状により、前記移動部材と前記光学素子成形型の嵌
合が容易に行え、光学面転写面の中心軸に対するシフト
やティルトを厳密に規制することが可能となる。又、か
かる構成により、光学素子成形型とプレス部材との分解
が容易になるという利点もある。このように、光学素子
成形型にテーパー面を設けると、光学素子成形型にカジ
リ等を容易に発生する胴型との精密嵌合部を設けること
なく上下型を高精度に偏心規制することができ、さらに
メンテナンスなどで光学素子成形型を成形機から着脱す
る際にも容易であるなど、多くの構造的な有効性がある
が、量産用途の光学素子成形型に採用されることはなか
った。この理由としては、セラミック材料が非常に硬い
ために、テーパー面の形状創成を、高価なダイアモンド
砥石と剛性の高い加工機を用いて、μmオーダーの小さ
な切り込みを入れながら長時間を要して研削加工しなけ
ればならず、その加工費だけで光学素子成形型の形状加
工コスト全体の20%以上を占めるといった問題があげ
られる。本発明にかかる導電性セラミックスを用いれ
ば、テーパー面の加工の90%以上を無人の放電加工で
行うことができ、最後にテーパー面の精度を決める仕上
げ加工のみ研削加工を行えば良いので、テーパー面の加
工コストと加工時間を、従来の数分の一と著しく低減で
きる。そのため、量産用など多量に必要とされる光学素
子成形型の用途においても、テーパー面を有する外形状
を光学素子成形型に採用することができ、上述したテー
パー面によるメリットを容易に享受することができるの
である。
くとも光学素子の光学面を成形する光学面転写面及び/
又は光学素子の幾何寸法基準面を成形するための幾何寸
法基準面転写面に、CVD法を用いてセラミックス膜を
形成していることを特徴とする。CVD(Chemical Vapo
r Deposition)法とは、薄膜や粒子にしたい材料の構成
元素を含む化合物の一種類以上の原料ガスを反応部に供
給し、気相又は基体表面での化学反応により微粒子や薄
膜を作成する方法である。CVD法には、一般的に、成
膜速度が大きいことや、基体への密着性に優れているな
どの長所がある。
ラミックス膜は、緻密であってかつ光学的鏡面加工がで
き、極表面層は酸化するものの、高温では酸化がほとん
ど進行しないため、前記光学面転写面に用いればくもり
などが発生せず、前記幾何寸法基準面転写面に用いれ
ば、その寸法精度を損なわないという利点があるので、
より高精度な光学素子成形型を提供することができる。
導電性セラミックス及び前記セラミックス膜は、炭化ケ
イ素を成分として含むと、例えば前記光学素子成形型と
前記成膜とのなじみ性が良く、前記光学素子成形型の熱
膨張・収縮時における成膜の割れ・はがれなどの不具合
を抑制することができる。
光学面転写面及び/又は前記幾何寸法基準面転写面に、
ガラスの融着及び/又は前記光学素子成形型の酸化を防
止するための保護膜を、成膜された前記セラミックス上
から被覆しているので、前記保護膜を設けることによっ
て、成形後冷却したガラス素材と、前記光学面転写面及
び/又は前記幾何寸法基準面転写面との離型性を高め、
ガラス素材の融着による成形光学素子の品質劣化を抑制
することができる。また、高温下での成形使用時でも酸
化を防止することができるので、ガラス素材の品質劣化
に起因する表面粗さの劣化現象を防止することができ
る。
の極表面が酸化して酸化ケイ素となる。この酸化ケイ素
の成膜内部への進行は極めて緩やかなので、光学面転写
面等としての鏡面性が損なわれることはないが、酸化ケ
イ素は、珪酸ガラスの主成分であり基本的にガラス材料
とは融着しやすい性質がある。そのため、ガラス材料を
加熱プレス成形する際には、成形雰囲気を窒素ガスなど
の不活性ガスで置換して、大気中の酸素を前記光学素子
成形型に触れさせないようにすることが、従来一般的に
行われてきた。しかし、ガラスモールド成形において
は、大気雰囲気と成形雰囲気との間で、ガラス素材や光
学素子成形型が、成形サイクルに応じて往復移動するた
めに、成形雰囲気から大気(酸素)成分を完全に取り除
くことはできないため、炭化ケイ素材料による光学素子
成形型表面の酸化は避けられない。そのため、炭化ケイ
素を光学面転写面等に用いた場合には、ガラス素材の融
着を防止し離型性を向上させるために保護膜を施すのが
効果的といえる。
保護膜が、炭素、ダイヤモンドライクカーボン、ガラス
状カーボン、白金合金、チタン、炭化チタン、窒化チタ
ン、クロム、炭化クロム、窒化クロム、窒化ホウ素、炭
化ケイ素および窒化ケイ素から選ばれる少なくとも1つ
の材料から形成される単層膜又は多層膜であると好まし
い。前記保護膜は、光学素子成形型への密着力もしくは
使用するガラス素材との融着性を考慮し、上記の材料か
ら最適なものを選択すれば良い。上記の材料のうち、離
型性、硬度の面でダイヤモンドライクカーボンが特に好
ましく、その成膜方法としては、高周波プラズマCVD
法、イオンビーム蒸着法、スパッタリング法等がある。
高周波プラズマCVD法は、加工装置の構造が簡単であ
ることや、成膜領域の大面積化が可能であるという点で
有効である。また、ダイヤモンドライクカーボンに代表
される硬質炭素膜は、酸素プラズマアッシングにより容
易に除膜ができるので、同一の加工装置を用いて除膜化
と被膜化を繰り返すことにより、光学素子成形型を再生
利用できるという利点もある。
の温度に昇温することを特徴とする。すなわち、本発明
の光学素子成形型は、導電性セラミックスを用いている
ので、電流を流すことができる。かかる場合、その電流
に基づくジュール熱で所定の温度に昇温させれば、前記
光学素子成形型を加熱するヒータを省略もしくは小熱容
量のものとできる。又、ヒータなど他部材から伝導する
熱ではなく、光学面転写面や幾何寸法基準面転写面自体
が昇温するので、昇温に必要な電流は低くて足り小電力
が図れ、しかも面の温度上昇はほぼ一様であることか
ら、成形時の局所的な過熱や熱膨張による歪みなどを防
止でき、高精度でオーバーシュートやリンギングの無い
温度制御が可能になる。更に、成形時にガラス素材が光
学素子成形型に貼り付かない条件として、型温度がガラ
ス素材温度よりも低いことが重要であるが、その条件を
高精度に且つ再現性良く実現することができる。
性セラミックスを用いているので、電流を流すことがで
き、それにより電気メッキ処理を施せることから、光学
素子成形型の表面に所望のメッキ被膜を形成することが
できる。従来の非導電性のセラミックスはもとより、導
電性セラミックスの多くは非磁性であるため、このまま
では成形のために加熱・昇温する際に高周波誘導加熱を
用いることができない。従って、ヒーターや赤外線ラン
プなどの加熱方法で間接的に型を加熱・昇温させるしか
方法がなかった。しかし、導電性セラミックスに、電気
メッキ処理により鉄系やコバルト系等の磁性材料の厚い
被膜を施すと、高周波加熱によりこの部分を直接加熱さ
せることができる。特に周波数を高くすると、表皮効果
により誘導電流が対象表面に集中するので、形成される
メッキ被膜により、加熱効率が大幅に向上する。しか
も、高周波加熱されるメッキ被膜と導電性セラミックス
型は完全に密着しているため、非常に効率よく熱がメッ
キ被膜から型へ伝導して、ほぼ直接加熱といって良い加
熱・昇温が実現できる。このように、導電性セラミック
スの光学素子成形型の表面に金属メッキ被膜を厚く設け
ることにより、成形型だけを選択的に非接触で直接加熱
できるので、高速にしかも最少のエネルギーで加熱昇温
ができ、しかも光学面成形部はセラミックの高耐熱性、
高化学安定性を活かして曇り発生が少なく、長寿命に光
学面を維持して成形を行うことができ、型コストを下げ
るだけでなく、型交換頻度の減少により成形機の稼働率
が向上し、また型修理の手間がかからないなど、大きな
メリットを生じる。更に、ヒーターを型内部に内蔵する
必要もなく、孔加工も型温度モニター用の熱電対だけと
なるので型加工がさらに容易になり、型そのものに電流
を流す場合に必要であった加熱電源からの配線接続部も
不要となるので、型に付随する部品が少なくなり型交換
も非常に容易になる。光学素子成形型の表面に所望のメ
ッキ被膜を形成することができる。
法は、加熱軟化したガラス素材を加圧して光学素子を成
形する光学素子成形型の製造方法であって、セラミック
スの粉末を焼結して体積抵抗値Z(0<Z≦1[Ω・c
m])の一次加工品を生成する第1の工程と、前記一次
加工品を加工処理することで前記光学素子成形型を形成
する第2の工程とを有するので、まず、前記第1の工程
で、前記セラミックスの粉末を焼結することにより一次
加工品を生成することによって、焼結しやすい形状であ
り、しかも体積抵抗値Z(0<Z≦1[Ω・cm])の
一次加工品を容易に形成することができ、更に、前記第
2の工程で、生成された一次加工品から、放電加工など
の技術で光学素子成形型をカットするなどの処理を行え
るため、低コストで光学素子成形型の大量生産が可能と
なる。ここでいう、前記セラミックスの粉末の燒結によ
り得られる一次加工品とは、例えば、プラズマCVD法
等により粒径φ30nm程度の炭化ケイ素の超微小粉末
を生成し、これを市販の炭化ケイ素粉末に数%添加し、
燒結を行って製造される導電性炭化ケイ素等であり、燒
結後にバルク状(無垢)のものであっても良いし、多少
形状整形したものであっても良い。前記光学素子成形型
を多数必要とする場合、上記のような方法で大きな燒結
体を製造し、そこから必要な大きさで切り出せば、大幅
に製造工数を削減することができる。
方法は、前記第1の工程において、ホットプレス法を用
いて板状の前記一次加工品が生成される。ホットプレス
法(高圧燒結法)を用いれば、非常に簡易な装置により
燒結助剤を少ない量で、もしくは使用せずに燒結可能で
あるため、それ故前記一次加工品は、純度が高く高い導
電性を有するようになり、高強度で高温における強度の
低下も少ないという利点があるので好ましい。また、非
常に緻密な燒結体としての一次加工品が得られるため、
光学素子成形型の製造方法としては有効な方法である。
ただし、燒結法としてはホットプレス法に限らず、反応
燒結法、常圧燒結法、ガス圧焼縮法、熱間静水圧燒結法
(HIP法)等でも良い。
方法は、前記第2の工程は、放電加工により前記一次加
工品を所定の大きさに細分化して、二次加工品を生成す
る工程を有する。前記一次加工品は導電性セラミックス
から形成されているので、それゆえ放電加工が可能とな
る。一次加工品から二次加工品を切り出す場合、スライ
サーによる切断加工が考えられるが、切断工具である砥
石の状態やチッピング、破損などの監視のために作業者
が常時必要であった。これに対し、本発明においては、
前記一次加工品が導電性セラミック材料で形成されてい
るから、例えばワイヤー放電加工よって切断作業を行う
ことができる。特に、市販のワイヤー放電加工機はワイ
ヤー切れなどの加工中のトラブルにも自動対応できる装
置となっているので、完全に無人の切断加工が可能とな
る。従って、本発明によれば、切断加工のコスト、工数
を大幅に削減することができる。また、本発明のように
一次加工品が円板であれば、そこから高さが一様な部材
を容易に切り出すことができる。尚、放電加工自体は、
粗加工であるため、研削加工などの精密加工を行うこと
で、最終の光学素子成形型により近い形状の二次加工品
を形成できる。
線的に移動させることで、切断面が必然的に平面となる
のに対し、本発明のごとく導電性セラミックの特性を活
かしてワイヤー放電加工などを用いると、円筒面形状や
急角度の面交差形状など、より自由度の高い切断加工を
行えるので、円柱形状或いは多角柱形状等、複雑な形状
でも任意に切り出すことができ、切り出し形状の配置
(例えば六方最密状)も自由となるため、材料を効率良
く利用することができる。尚、光学素子成形型は、幾何
寸法基準面転写面と光学面転写面との同軸度が厳しく規
制されるため、その加工上の心出し等の点で、おおよそ
円柱もしくはそれに近い形状であることが一般的であ
る。それゆえ、二次加工品を円柱形状としておけば、角
を丸めるなどの後加工を不要もしくは簡素化でき、廃材
も少なくすることができる。但し、最終的な光学素子成
形型が多角柱例えば四角柱であるならば、前記一次加工
品から、それに合わせた形状で、例えば碁盤目状に二次
加工品を切り出せば、後加工を削減でき、廃材も少なく
することができる。
方法は、前記第2の工程は、放電加工により前記一次加
工品又は前記二次加工品の一部を除去する工程を有する
と、光学素子成形型もしくはそれに近い形状を創成する
ことができるので好ましい。
方法は、前記第2の工程は、放電加工により前記一次加
工品又は前記二次加工品を穿孔する工程を有すると好ま
しい。一般的に、光学素子成形型においては、加熱用の
ヒータや測温用の熱電対を埋め込むための深い孔が必要
であるが、従来のセラミックス素材では、そのような深
い孔加工が困難であった。これに対し、前記一次加工品
又は前記二次加工品には、上述したように放電加工を適
用することができ、それにより深い孔の加工を迅速且つ
容易に行うことができる。機械加工のみで深い孔加工を
行うのは、大変な長時間を要するので実用的には不可能
であり、例えば、従来の非導電性セラミックスで光学素
子成形型を製作する際は、セラミックス粉体を有機バイ
ンダーで固めた段階で、切削により孔加工を行って、常
圧焼結やHIPなどの焼結処理を行う必要がある。しか
し、焼結に際して焼結体は、体積が10〜20%以上も
収縮を起こして変形するので、焼き上がった光学素子成
形型のブランク材の孔形状も大きく崩れてしまう。これ
を機械加工により真直な孔形状に仕上げることはほとん
ど不可能であるため、かかる場合、できなりの孔形状を
そのまま用いるしかないという問題がある。これに対
し、前記一次加工品又は二次加工品には、上述したよう
に放電加工を適用することができ、それにより深い孔の
加工を高精度にしかも迅速且つ容易に行うことができ
る。そのため、孔に実装する加熱ヒータや熱電対など
を、最小のクリアランスで孔の内壁に密着させることが
できるため、光学素子成形型の加熱も効率良く行え、測
定温度も正確になり、光学素子を成形する温度条件が精
度良く再現できるので、成形光学素子の収率を高め安定
した成形ができるようになる。
方法は、前記第2の工程は、放電加工により前記一次加
工品又は前記二次加工品にくぼみ又はふくらみを形成す
る工程を有すると好ましい。一般的に、光学素子成形型
の光学面転写面は、光学素子の形状に応じて比較的大き
くくぼんでいたり、ふくらんでいたりするが、従来のセ
ラミックス素材では、そのようなくぼみ又はふくらみを
加工する場合、素材の欠けなどを防止するために、少な
い切り込み量でゆっくりと加工する必要があり、加工に
手間と時間がかかっていた。つまり、光学素子の光学面
形状は、例えば光ピックアップ装置に適用するものは、
連続的な曲面であり直径数mm〜l5mm程度と小さい
がために、球状のダイアモンド砥石を、数万回転毎分程
度の高速で回転させて周速を稼ぎ、高価なジグ研削盤な
どを用いてNC制御しながら近似球面形状などの素加工
を行っていた。このように、非常に硬いセラミックスを
剛性の高い加工機により硬い工具で加工するといった、
柔軟な部分が無い従来の工程では、少しの設定誤差や加
工条件の違いで工具の破損や加工形状不良につながるた
め、長時間の加工であっても作業者が、不具合に備えて
待機している必要があった。これに対し、本発明では、
前記一次加工品に放電加工を適用することができるた
め、比較的大きなくぼみやふくらみであっても短時間で
容易に無人加工できるという利点がある。尚、「くぼみ
又はふくらみ」とは、くぼみとふくらみとが混在する形
状を含む。
方法は、前記第2の工程は、少なくとも前記光学素子成
形型の位置決めを行う箇所に研削加工を行う工程を有す
る。放電加工は粗加工であるため、面粗度が悪いという
ことがあるので、少なくとも前記光学素子成形型の位置
決めを行う箇所に研削加工を行うことで、前記箇所の寸
法精度や面粗度を向上させることができる。この際の研
削加工は、せいぜい20μm程度の取り代で良いので、
加工時間としては10〜l5分程度と、非常に短くでき
る。尚、光学素子成形型の位置決めを行う箇所とは、例
えば光学素子成形型を他の部品に取り付ける際に基準と
なる面などをいうが、それに限られない。
方法は、前記第2の工程は、少なくとも前記一次加工品
又は前記二次加工品において、光学素子の光学面を成形
する光学面転写面となる箇所に、CVD法を用いてセラ
ミックス膜を形成する工程を有する。放電加工を用い
て、前記一次加工品又は前記二次加工品に、光学面転写
面を形成しようとする場合、放電加工は粗加工であるた
め、加工後の面粗度が悪いということがある。これに対
し、本発明のように、少なくとも前記一次加工品又は前
記二次加工品の光学面転写面となる箇所に、CVD法を
用いてセラミックス膜を形成すれば、面粗度が顕著に向
上し、若干の仕上げ加工を経ることで、光学素子の光学
面を転写形成可能な程度の鏡面を得ることができる。
方法は、前記CVD法を用いてセラミックス膜を形成す
る工程において、前記一次加工品又は前記二次加工品を
通電もしくは高周波加熱により加熱して、セラミックス
膜を形成することを特徴とする。一般的に、CVD法に
おける化学的反応は高温部分で速い析出が起こることが
知られている。しかるに、外部からの間接的な加熱によ
る場合、CVD法において用いる反応容器の内壁が、反
応系の中で最高温度となってしまう(前記一次加工品又
は前記二次加工品の温度より高くなる)ため、前記一次
加工品又は前記二次加工品の析出層の厚みは、反応容器
の内壁のそれより薄くなり、原料の有効利用が図れず、
又、析出層を除去するための反応容器の清掃頻度が多く
なり、反応容器の早期損傷を招くなどの欠点がある。こ
れに対し、本発明のごとく、前記一次加工品又は前記二
次加工品が導電性であると、通電して加熱したり、表面
にコバルトなどの磁性材料を電気メッキし、高周波加熱
することが可能となるため、前記一次加工品又は前記二
次加工品自体を均一に加熱することができる。こうすれ
ば、反応系内で前記一次加工品又は前記二次加工品が最
高温度となるから、析出は前記一次加工品又は前記二次
加工品で選択的に起こり、原料の有効利用が図れる。
方法は、前記導電性セラミックス及び前記セラミックス
膜は、同一材料としての炭化ケイ素を成分として含む
と、両者の熱膨張係数が同じにできることから、成形時
における成膜の剥がれや割れを抑制できる。本発明の導
電性セラミックスを用いた光学素子成形型は、粉体を焼
結する際に導電性を維持するために結合助剤を入れない
で高圧焼結(ホットプレス法)を行うため、出来上がっ
た成形型材料は、組成が非常に高純度な炭化ケイ素と炭
素のみであるため、CVD法などによる純度の高い炭化
ケイ素被膜との親和性が非常に高い。それ故、被膜の剥
がれや割れの発生をほとんど無くすことができる。
方法は、前記第2の工程は、前記セラミックス膜に、研
削加工及び/又はSPDT(Single Point
Diamond Turning)加工を施すこと
で、光学素子の光学面を成形するための光学面転写面を
形成する工程を有すると、光学素子の光学面を転写形成
可能な程度の鏡面を形成することができる。
おいて、体積抵抗値Z(0<Z≦1[Ω・cm])を有
する導電性セラミックスを用いて形成された光学素子成
形型に電流を流すことによって所定温度に加熱する工程
と、加熱された前記光学素子成形型を用いて、加熱溶融
したガラス素材を加圧し、光学素子を成形する工程と、
を有することを特徴とする。前記光学素子成形型は、導
電性セラミックスを用いているので、電流を流すことが
できる。かかる場合、その電流に基づくジュール熱で所
定の温度に昇温させれば、前記光学素子成形型を加熱す
るヒータを省略もしくは小熱容量のものとできる。又、
ヒータなど他部材から伝導する熱ではなく、光学面転写
面や幾何寸法基準面転写面自体が昇温するので、昇温に
必要な電流は低くて足り小電力が図れ、しかも面の温度
上昇は一様であることから、成形時の局所的な過熱や熱
膨張による歪みなどを防止でき、高精度でオーバーシュ
ートやリンギングの無い温度制御が可能になる。更に、
成形時にガラス素材が光学素子成形型に貼り付かない条
件として、金型温度がガラス素材温度よりも低いことが
重要であるが、その条件を高精度に且つ再現性良く実現
することができる。特に、導電性炭化ケイ素を用いた場
合は、熱伝導度が他のセラミックスよりも大きいので熱
が全体に伝わりやすく均一に加熱しやすいので良い。以
上より、本発明によれば、高精度な光学素子を成形でき
る。
トは、体積抵抗値Z(0<Z≦1[Ω・cm])を有す
る導電性セラミックスを用いて形成され、凹部を有する
光学素子成形型と、前記光学素子成形型の凹部内に設置
された加熱手段及び/又は温度測定手段と、を有するこ
とを特徴とする。
ックスを用いて光学素子成形型を形成すると、前述のよ
うに放電加工により最終仕上り外形状の近く(ニアネッ
トシェイプ)まで容易に形状形成加工ができることに加
え、非貫通の穴などのような凹部を光学素子成形型に穿
設することも容易であることがわかった。例えばヒータ
ーなどのような加熱手段や、熱電対などのような温度測
定手段を、光学素子成形金型に埋設する場合、断面に対
して奥行きの深い凹部例えば非貫通の孔を形成しなけれ
ばならないが、そのような奥行きの深い凹部を、従来の
機械加工のみで形成しようとすると、多大な時間と手間
がかかってしまう。これに対し、本発明のごとく、導電
性セラミックスを用いて光学素子成形型を形成すると、
例えば放電加工を用いて、奥行きの深い孔を、短時間で
容易に穿設することが出来る。通常、この放電加工によ
る穴加工の内径精度は、放電条件を適切に選択すること
で10〜20μm程度に高めることが出来る。従って、
前記加熱手段や前記温度測定手段のごとき部品などを単
に挿入するための穴としては、放電加工だけでも十分な
はめ合い公差を確保できるので、放電加工の後に研削加
工などの仕上げ加工が不要となる。このように、導電性
セラミックスを用いて光学素子成形型を形成すること
で、かかる光学素子成形型に部品を挿入する穴などの凹
部を、容易に且つ迅速に穿設することが出来るので、光
学素子成形型加熱用のヒーターや温度モニター用の熱電
対などの部品を、実際に大量に光学素子を成形する生産
現場の光学素子成形型の内部に組み込んだ光学素子成形
型ユニットを容易に形成できることとなる。
学素子成形型の外部から赤外線ランプや外巻きヒーター
などで加熱することも考えられるが、発熱量の大半が光
学素子成形型まわりの部品や雰囲気に輻射したり伝導し
てしまうので、これを補って加熱するために一般的には
大きな発熱量が必要とされる。これに対し、光学素子成
形型の凹部内にヒーターなどの加熱手段を組み込むこと
ができれば、その発熱量は、ほぼ100%光学素子成形
型に伝導するため、非常に効率の良い加熱が実現でき、
また型そのものだけ加熱すれば足りるので熱容量も小さ
くて済み、制御レスポンスも速く、高精度に型温度を制
御できる。このような光学素子成形型構造を取ることに
より、高精度な光学素子を精密な温度制御のもとに大量
に成形することが可能となるため、本発明は、単に型材
料の改良にとどまらず、高精度な光学素子の高効率な成
形をももたらす画期的な発明といえる。
トは、前記凹部が放電加工により形成されると好ましい
が、それに限られない。
ム、回折格子光学素子(回折レンズ、回折プリズム、回
折板)、光学フィルター(空間ローパスフィルター、波
長バンドパスフィルター、波長ローパスフィルター、波
長ハイパスフィルター等々)、偏光フィルター(検光
子、旋光子、偏光分離プリズム等々)、位相フィルター
(位相板、ホログラム等々)が考えられるが、以上に限
られることはない。
実施の形態について説明する。図1〜6は、一例として
φ25mm×長さ25mmの導電性セラミックス(Si
C)を用いた光学素子成形型の製造工程を示す図であ
る。まず、α型炭化ケイ素を粉砕し、β型炭化ケイ素を
CVD法によって製粉化する。続いて、製粉化したα型
炭化ケイ素とβ型炭化ケイ素とに有機バインダーを加
え、高圧焼結処理(第1の工程)を行うと、有機バイン
ダーが蒸発し、純粋な炭化ケイ素の一次加工品1が得ら
れる(図1)。一次加工品1は、光学素子成形型の径に
比して、大きな径の一様な厚さの円板であるので、その
焼結処理は容易である。
<Z≦1[Ω・cm])を有する導電性セラミックスで
あることから、放電加工が可能である。そこで、図2に
示すように、一次加工品1とワイヤ2とを異なる電極に
接続し、それらの間に大電流を流すことで、ワイヤー放
電加工を行う(第2の工程)。それにより、一次加工品
1から、数多くの円柱状の型素材3を切り出すことがで
き(カットする工程)、一次加工品1を無駄なく使用す
ることができる。
は、一例として体積抵抗値が0.015Ω・cmの導電
性セラミックスであるから、それゆえ放電加工を施すこ
とが可能である。そこで、図2に示すように、一次加工
品1とワイヤー2とを異なる電極に接続し、それらの間
に所定の電流を流すことで、ワイヤー放電加工を行う
(第2の工程)。それにより、一次加工品1から、数多
くの円柱状の型素材3を切り出すことができ(カットす
る工程)、一次加工品1を無駄なく使用することができ
る。尚、一例によれば、このワイヤー放電加工により型
素材3を一つ当たり約30分で切り出すことができ、な
おかつ外径精度を20μm以下に抑えることができた。
かかる例では、表面粗さはRa0.5μm程度であっ
た。後に、外径精度をさらに追い込む際、ダイヤモンド
砥石のような高価な工具を使用し研削加工を行うが、前
記の表面粗さであれば工具の磨耗や劣化を最小限に抑え
られる。
面中央に放電加工を施すことで、孔3aを穿設加工する
(穿孔する工程)。一例によれば、内径φ12mm×深
さ20mmの孔(凹部)3aを銅の円柱電極を用いて放
電加工した場合、加工時間は20分で、孔径の寸法誤差
は15μmであった。それにより、従来の機械加工のみ
で穿孔する場合に比べ、1/10の工数で加工を行うこ
とができた。尚、孔3aの加工は、この時点でなく、図
6に示す加工までのいずれの段階で行っても良い。更
に、図3に示す状態から天地を逆にし、図4で上方とな
る部分を放電加工により縮径カットして、縮径部3bを
形成すると共に、図4で下端周囲を放電加工によりカッ
トして、テーパー面3cを形成する。その後、型素材3
の外周面(縮径部3bの外周面、テーパー面3cも含
む)に研削加工を施す。
面中央に、放電加工によりくぼみ(ふくらみであっても
良い)3dを形成する(くぼみ又はふくらみを形成する
工程)。このとき、形成したくぼみ3d内及びその周囲
面に研削加工を施しても良い。その後、図6に示すよう
に、CVD処理により、縮径部3bの端面に炭化ケイ素
の成膜3gを形成する(成膜を形成する工程)。その厚
みは0.1〜4mmが好ましい。更に、SPDT処理及
びダイアモンド工具Tによる研削処理を用いて、くぼみ
3d上の成膜3gに、成形しようとする光学素子の光学
面に対応する光学面転写面3eを形成し(光学面転写面
を形成する工程)、その周囲に、成形しようとする光学
素子の幾何寸法基準面に対応する幾何寸法基準面転写面
3fを形成する。その後、光学面転写面3e及び幾何寸
法基準面転写面3f上に、ダイヤモンドライクカーボン
の保護膜を被覆する。
尚、仕上げ加工としては、研磨加工の他、電気メッキ処
理も考えられる。以上、図3〜図6に示す工程は、第2
の工程に含まれる。
子成形型を含むダイセットの断面図である。上述のよう
にして形成した光学素子成形型3’と、同様にして形成
した光学素子成形型4とを、光学面転写面3e、4e同
士及び幾何寸法基準面転写面3f、4f同士を対向させ
るようにし、更に、それぞれのテーパー面3c、4c
を、対応した形状の下型ホルダー13のテーパー面13
a、上型ホルダー14のテーパー面14aに当接させつ
つ挿入する。尚、光学素子成形型4は、上型ホルダー1
4に対し、不図示の支持部材により自重で落下しないよ
うに固定されている。
ダー13は、板状の可動プラテン15の上面に取り付け
られ、一体的に移動可能となっている。可動プラテン1
5は、不図示のガイド機構により、光学面転写面3e、
4eの光軸同士を一致させつつ、その光軸方向に移動可
能となっている。
ダー14は、その上端が上型プラテン18に取り付けら
れ、且つその下端が、上型プラテン18から下方に延在
する支柱19に固定された円盤状の保持板20の開口2
0aに嵌合的に取り付けられている。可動プラテン15
の上面外縁近傍と、保持板20の下面であって開口20
aの周囲との間には、気密ベローズ21が配置されてい
る。この気密ベローズは、可動プラテン15の移動と共
に伸び縮みし、光学素子成形型3’,4の周囲を真空雰
囲気や窒素ガス雰囲気等にした際に、かかる雰囲気を大
気から遮蔽する機能を有する。
3’の孔3aの内径が,光学素子成形型4の孔4aの内
径より大きくなっている。かかる孔3aには、温度測定
手段としての熱電対TMの周囲を高被削性断熱セラミッ
クス製の断熱シース17aで包囲し、その先端外周に加
熱手段としてヒータ17bを巻き付けた加熱ヒータユニ
ット17を内挿している。断熱シース17aは、ヒータ
17bからの赤外線等で、熱電対TMが直接加熱される
ことを防止する。加熱ヒータユニット17は、下型ホル
ダー13の中央の開口13bと、可動プラテン15の開
口15aとを貫通して、下方外方に延在している。光学
素子成形型3’と、加熱ヒータユニット17とで、光学
素子成形型ユニットを構成する。
径φ1mmの90Wのヒーター17bをコイル状に2重
に巻いて外径φ10mmとし、断熱シース17aの中心
孔の内径をφ1.2mmとし、その中にシース径φ1m
mのK熱電対TMを挿入した。熱電対TMは、その先端
が、光学素子成形型3’の光学面転写面3eから2mm
の位置で孔3aの底に触れるようにし、この熱電対TM
の測定温度値で、ヒーター17bの電流制御を行って、
光学素子成形型3’の加熱を行ったところ、光学面転写
面3eの温度が室温から500℃になるのに約35秒か
かった。また、500℃定温保持を行ったところ、光学
素子成形型3’内部の熱電対TMの温度揺らぎは±1℃
以下で、光学面転写面3eの温度の揺らぎは±0.2℃
であった。型内部の温度と光学面転写面3eとの温度差
は、設定温度が300℃から600℃の間では、昇温・
降温・定温に関わらず一定で約30℃であった。従っ
て、光学素子成形型3’以外の部品への熱損失は少な
く、またほぼ一定であることがわかり、(温度設定値−
30℃)これによって実際の光学面転写面3eの温度を
正確に把握することができた。加熱にかかった電力は、
室温から500℃までの35秒間の加熱時で90W、5
00℃定温制御時で17Wであった。これは従来の光学
素子成形型外部からの加熱する方法によって同等の加熱
時間を得る場合に必要な電力の1/5〜1/10程度で
ある。
は、熱電対TMのみが挿入されている。その代わり、光
学素子成形型4の外周面には、ニッケルメッキ4hが被
覆されている。又、光学素子成形型4は、高周波誘導コ
イル25により包囲されている。高周波誘導コイル25
に通電すると、ニッケルメッキ4hが加熱され、それに
より光学素子成形型4が加熱されることとなる。光学素
子成形型4と、熱電対TMとで、光学素子成形型ユニッ
トを構成する。ニッケルメッキ4hを、孔4aの内周面
に被覆すれば、光学素子成形型4を内部より加熱でき
る。光学素子成形型3’、4の加熱構成は、以上の態様
にこだわらず、互いに入れ替えても良く、同じものとし
ても良く、或いは以上とは別なものを用いても良い。
に挿通した熱電対TM及び光学素子成形型4の孔4aに
挿通した熱電対TMを用いて温度を測りながら、加熱溶
融したガラス材料GLを光学素子成形型3’、4間に挿
入し、不図示のプレス部材により可動プラテン15を上
方に移動させて加圧した後冷却することで、所望の形状
の光学素子を得ることができる。テーパー面13a、1
4aにより、加圧時に、光学素子成形型3’のセンタリ
ングなどの位置決めを行って型の心ズレやティルトを防
止できる。
い、光学面転写面3e及び幾何寸法基準面転写面3fに
被覆した保護膜が徐々に剥がれた場合、光学素子成形型
3’を取り出して加熱すれば、保護膜が消散するので、
新たに保護膜を被覆することで、同じ光学素子成形型
3’を長期間にわたって使用できる。かかる場合、光学
素子成形型3’は、ボルトなどを用いて下型ホルダー1
3と締結されておらず、テーパー面3c、13aの当接
のみであるため、その分解は容易に行える。
いているにもかかわらず、加工が容易でありより低コス
トな光学素子成形型、この光学素子成形型の製造方法、
光学素子の製造方法及び光学素子成形型ユニットを提供
することができる。
むダイセットの断面図である。
Claims (22)
- 【請求項1】 加熱軟化したガラス素材を加圧して光学
素子を成形する光学素子成形型であって、該光学素子成
形型の少なくとも一部が、導電性セラミックスを用いて
形成され、前記導電性セラミックスの体積抵抗値Zが次
式を満たすことを特徴とする光学素子成形型。 0<Z≦1 [Ω・cm] - 【請求項2】 前記光学素子成形型を押圧する面にテー
パー面を有し、前記テーパー面を押圧することで、成形
時における前記光学素子成形型の位置決めを行うことを
特徴とする請求項1に記載の光学素子成形型。 - 【請求項3】 前記光学素子成形型は、少なくとも光学
素子の光学面を成形する光学面転写面及び/又は光学素
子の幾何寸法基準面を成形するための幾何寸法基準面転
写面に、CVD法を用いてセラミックス膜を形成してい
ることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学素子成
形型。 - 【請求項4】 前記導電性セラミックス及び前記セラミ
ックス膜は、炭化ケイ素を成分として含むことを特徴と
する請求項3に記載の光学素子成形型。 - 【請求項5】 前記光学素子成形型は、前記光学面転写
面及び/又は前記幾何寸法基準面転写面に、ガラスの融
着及び/又は前記光学素子成形型の酸化を防止するため
の保護膜を、成膜された前記セラミックス上から被覆し
ていることを特徴とする請求項3又は4に記載の光学素
子成形型。 - 【請求項6】 前記保護膜が、炭素、ダイヤモンドライ
クカーボン、ガラス状カーボン、白金合金、チタン、炭
化チタン、窒化チタン、クロム、炭化クロム、窒化クロ
ム、窒化ホウ素、炭化ケイ素および窒化ケイ素から選ば
れる少なくとも1つの材料から形成される単層膜又は多
層膜であることを特徴とする請求項5に記載の光学素子
成形型。 - 【請求項7】 前記光学素子成形型に電流を流すこと
で、所定の温度に昇温することを特徴とする請求項1〜
6のいずれかに記載の光学素子成形型。 - 【請求項8】 前記光学素子成形型に、電気メッキ処理
を施したことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記
載の光学素子成形型。 - 【請求項9】 加熱軟化したガラス素材を加圧して光学
素子を成形する光学素子成形型の製造方法であって、 セラミックスの粉末を焼結して体積抵抗値Z(0<Z≦
1[Ω・cm])の一次加工品を生成する第1の工程
と、 前記一次加工品を加工処理することで前記光学素子成形
型を形成する第2の工程とを有することを特徴とする光
学素子成形型の製造方法。 - 【請求項10】 前記第1の工程において、ホットプレ
ス法を用いて板状の前記一次加工品が生成されることを
特徴とする請求項9に記載の光学素子成形型の製造方
法。 - 【請求項11】 前記第2の工程は、放電加工により前
記一次加工品を所定の大きさに細分化して、二次加工品
を生成する工程を有することを特徴とする請求項9又は
10に記載の光学素子成形型の製造方法。 - 【請求項12】 前記第2の工程は、放電加工により前
記一次加工品又は前記二次加工品の一部を除去する工程
を有することを特徴とする請求項9〜11のいずれかに
記載の光学素子成形型の製造方法。 - 【請求項13】 前記第2の工程は、放電加工により前
記一次加工品又は前記二次加工品を穿孔する工程を有す
ることを特徴とする請求項9〜12のいずれかに記載の
光学素子成形型の製造方法。 - 【請求項14】 前記第2の工程は、放電加工により前
記一次加工品又は前記二次加工品にくぼみ又はふくらみ
を形成する工程を有することを特徴とする請求項9〜1
3のいずれかに記載の光学素子成形型の製造方法。 - 【請求項15】 前記第2の工程は、少なくとも前記光
学素子成形型の位置決めを行う箇所に研削加工を行う工
程を有することを特徴とする請求項9〜14のいずれか
に記載の光学素子成形型の製造方法。 - 【請求項16】 前記第2の工程は、少なくとも前記一
次加工品又は前記二次加工品において、光学素子の光学
面を成形する光学面転写面となる箇所に、CVD法を用
いてセラミックス膜を形成する工程を有することを特徴
とする請求項15に記載の光学素子成形型の製造方法。 - 【請求項17】 前記CVD法を用いてセラミックス膜
を形成する工程において、前記一次加工品又は前記二次
加工品を通電もしくは高周波加熱により加熱して、セラ
ミックス膜を形成することを特徴とする請求項16に記
載の光学素子成形型の製造方法。 - 【請求項18】 前記導電性セラミックス及び前記セラ
ミックス膜は、炭化ケイ素を成分として含むことを特徴
とする請求項16又は17に記載の光学素子成形型の製
造方法。 - 【請求項19】 前記第2の工程は、前記セラミックス
膜に、研削加工及び/又はSPDT加工を施すことで、
光学素子の光学面を成形するための光学面転写面を形成
する工程を有することを特徴とする請求項16〜18の
いずれかに記載の光学素子成形型の製造方法。 - 【請求項20】 体積抵抗値Z(0<Z≦1[Ω・c
m])を有する導電性セラミックスを用いて形成された
光学素子成形型に電流を流すことによって所定温度に加
熱する工程と、 加熱された前記光学素子成形型を用いて、加熱溶融した
ガラス素材を加圧し、光学素子を成形する工程と、を有
することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 【請求項21】 体積抵抗値Z(0<Z≦1[Ω・c
m])を有する導電性セラミックスを用いて形成され、
凹部を有する光学素子成形型と、 前記光学素子成形型の凹部内に設置された加熱手段及び
/又は温度測定手段と、を有することを特徴とする光学
素子成形型ユニット。 - 【請求項22】 前記凹部は放電加工により形成される
ことを特徴とする請求項21に記載の光学素子成形型ユ
ニット。
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