JP2004083380A

JP2004083380A - 光学素子成形用型の製造方法および光学素子成形用型とその再生方法

Info

Publication number: JP2004083380A
Application number: JP2002250342A
Authority: JP
Inventors: ▲ひじ▼野　雅道; Masamichi Hijino
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】ガラスに対する離型性に優れ、剥離、クラック等の膜に関する不具合がなく、また、型母材の劣化もなく耐久性、経済性に優れた光学素子成形用型の製造方法および光学素子成形用型とその再生方法を提供する。
【解決手段】ガラスよりなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用型の製造方法において、第１の工程で、金属よりなる型母材の少なくとも成形面にケイ素イオンおよび炭素イオンを注入し、炭化シリコン膜あるいは炭素とシリコンの混合膜を形成する。次に、前記膜の上に、第２の工程で炭素を主成分とする膜を形成する。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ、プリズム等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り製造するのに使用される光学素子成形用型とその製造方法および再生方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
研磨工程を必要としないガラス素材のプレス成形によってレンズを製造する技術は、従来の製造方法において必要とされた複雑な工程をなくし、簡単且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。
【０００３】
このようなガラス光学素子のプレス成形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、鏡面加工性等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母材にそれらをコーティングした材料等、数多くの提案がなされている。
【０００４】
特開昭５２−４５６１３号公報には、成形面に炭化ケイ素または窒化ケイ素を形成した型が、特開昭６０−２４６２３０号公報には超硬合金に貴金属をコーティングした型が、また、特開昭６１−１８３１３４号公報、特開昭６１−２８１０３０号公報、特開平１−３０１８６４号公報にはダイヤモンド薄膜、水素化アモルファス硬質炭素膜、硬質炭素膜、ダイヤモンド状炭素膜等の炭素を主成分とする膜を形成した型が提案されている。炭素を主成分とする膜の密着性改善としては、例えば特公平６−６０４０４号公報では、クロムまたはチタンを主体とする下層と、シリコンまたはゲルマニウムを主体とする上層とからなる中間層を金属基材に形成した後、この中間層上に炭素を主成分とする膜を形成し密着性の向上を提案している。また、金型は非常に高価であるため、炭素膜の特徴である酸化反応、エッチングにより容易に膜が除去できる特性を活かし、膜除去の後、再度炭素膜を形成し金型を再利用する提案が、例えば特許第２５０５８９３号に提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来技術には、それぞれ以下のような欠点がある。
特開昭５２−４５６１３号公報記載の方法では、炭化ケイ素および窒化ケイ素は一般に酸化されにくいとされているが、高温では酸化が起こり表面に酸化ケイ素の膜が形成されるためガラスの融着が生じる。また、高硬度であるため加工性に制限を受けるためタングステン合金等の金属型母材が多く用いられている。特開昭６０−２４６２３０号公報の超硬合金として挙げられている炭化タングステン（ＷＣ）に貴金属をコーティングした材料は酸化物を作りにくいため、型加工性に優れ、ガラスの融着を起こしにくいが、型母材との密着において不十分となり、膜の剥離等が発生しやすく密着性において問題を持つ。また、極めて柔らかいため傷がつき易く変形し易いという欠点も持つ。
【０００６】
また、特開昭６１−１８３１３４号公報、特開昭６１−２８１０３０号公報、特開平１−３０１８６４号公報にそれぞれ記載のダイヤモンド薄膜、ダイヤモンド状炭素、水素化アモルファス硬質炭素膜、硬質炭素膜を用いた型は、型とガラスの離型性が良く、ガラスの融着は起こさないが、成形操作を繰り返して行うと、ＷＣ等の金属型母材を用いた場合、膜と型母材との密着性が悪く界面から剥離することにより、部分的な表面の荒れを生じ、成形品においては十分な性能が得られないことがある。
【０００７】
また、特公平６−６０４０４号公報に記載されている中間層による密着性改善はシリコンと炭素膜との親和性の高さを利用し効果をきたしているが、金属基材と中間層の間、上層と下層の間において明瞭な界面が存在するため繰り返しの成形によるヒートショックにより剥離をきたしてしまう。また、特許第２５０５８９３号公報に記載されている炭素膜を酸化反応、プラズマエッチングにより除去し、または光学素子成形後の金型の炭素膜を除去した後再度成膜して、金型の再利用を図る方法は、高価な金型コストの低減において有効であるが、型母材に炭化タングステン等の金属型母材を用いると酸化が進行しやすく、またプラズマに対する耐久性が低いため、アッシングにより粗さの劣化、形状の劣化をきたしてしまう。
【０００８】
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は至っていない。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、ガラスに対する離型性に優れ、剥離、クラック等の膜に関する不具合がなく、また、型母材の劣化もなく耐久性、経済性に優れた光学素子成形用型の製造方法および光学素子成形用型とその再生方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る光学素子成形用型の製造方法は、ガラスよりなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用型の製造方法において、金属よりなる型母材の少なくとも成形面に、ケイ素イオンおよび炭素イオンを注入する第１の工程と、炭素を主成分とする膜を形成する第２の工程と、からなることを特徴とする。
【００１１】
第１の工程では、金属型母材の少なくとも成形面にケイ素イオン（Ｓｉ^＋）と炭素イオン（Ｃ^＋）を注入し、炭化シリコンもしくは炭素とシリコンの混合膜をイオン注入のデポジットにより形成する。注入方法および注入条件については、特に限定されないが、金属型母材の密度を考慮すると、Ｓｉ^＋イオン、Ｃ^＋イオンを用いた場合、加速電圧１０〜１００ｋｅＶ、電流密度５〜５０ｍＡ／ｃｍ^２が望ましく、注入量は特に制限は無いが、各イオンの量は同数注入する。
【００１２】
第２の工程においては、炭素を主成分とする炭素膜を第１の工程で形成した膜上に形成する。炭素を主成分とする膜としては、例えばダイヤモンド薄膜、ダイヤモンド状炭素膜、水素化アモルファス炭素膜（以下，ＤＬＣ膜という）が挙げられ、形成方法として例えば、ダイヤモンド薄膜は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、プラズマジェット法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法等により、ダイヤモンド状炭素膜およびＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤ法、イオンビーム・スパッタ法、イオンビーム蒸着法、プラズマ・スパッタ法等により形成される。また、前記形成方法に不活性ガス、窒素、炭素から選ばれる少なくとも一種のイオンを成膜と同時に注入するＩＢＭ（イオンビームミキシング）あるいは注入する金属型母材にパルスバイアスをかけて行うＰＢＩＩ（プラズマ・ベースド・イオン・インプランテーション）と成膜方法を組み合わせることにより、膜と金属型母材との間に明瞭な界面が無くなり密着性を向上することができ望ましい。
【００１３】
本発明の請求項２に係る光学素子成形用型の製造方法は、請求項１における第１の工程において、ケイ素イオンおよび炭素イオンを同時にまたは交互に注入することを特徴としており、注入イオンによる反応あるいは混合性を考慮すると、Ｓｉ^＋イオン、Ｃ^＋イオンを同時あるいは短時間サイクルでの交互の注入が望ましい。
【００１４】
本発明の請求項３に係る光学素子成形用型は、請求項１または２記載の光学素子成形用型の製造方法より製造されることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項４に係る光学素子成形用型は、請求項３の構成にあって、前記型母材が、炭化タングステン、タングステン合金、ステンレス鋼から選ばれる金属であることを特徴とする。
【００１６】
金属型母材としては特に限定されないが、研削、研磨加工を考慮すると、炭化タングステン、タングステン合金が好ましく、成型時の温度によっては耐熱性の劣るステンレス鋼（ＳＵＳ）を用いることもできる。
【００１７】
本発明の請求項５に係る光学素子成形用型の再生方法は、請求項３または４記載の光学素子成形型の、少なくとも前記炭素を主成分とする膜を酸化反応にて除去した後、再度炭素を主成分とする膜を形成することを特徴としており、この光学素子成形用型を用いてガラスよりなる光学素子のプレス成形を行った後、型成形面に形成されている炭素膜を除去し、その後、再度成膜することにより再利用を行う。
【００１８】
炭素を主成分とする膜を除去する方法としてはドライエッチングがあり、プラズマ・エッチング、スパッタ・エッチング、イオンビーム・エッチング、リアクティブイオン・エッチング等の方法が用いられる。エッチング量としては数Å、数１０Å程度あればよい。エッチングガスとしてはＯ_２、Ｈ_２、Ｎ_２、空気、Ａｒに代表される不活性ガス、ＣＦ_４等と、これらの混合ガスが用いられる。特に、炭素系の膜を酸素プラズマにより酸化する方法は、膜が化学反応によりガス化して除去できるため完全な除去が可能であり望ましい。
【００１９】
以下に、本発明の作用を述べる。
本発明では型母材として金属型母材を用いる。ＳｉＣ、ＳｉＮ等のセラミック型母材に比べタングステン合金、炭化タングステン、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属型母材は硬度が低く、研削、研磨等の型加工性が良好であるため、複雑な形状、高い鏡面性を低コストで確保でき経済性に優れる。これらの材質の金属型母材にて所望形状の成形面を形成する。そして、この成形面に第１の工程としてシリコンおよび炭素を注入する。注入されたシリコン、炭素は反応して、炭化シリコン膜を形成し、あるいは未反応の場合でもミクロレベルまで混合され炭化シリコンに近い特性を示す混合物をデポジット膜として形成する。この膜は、型母材との間に明瞭な界面が無いため高い密着性を示す。
【００２０】
その後、第２の工程として、この膜上に炭素系膜を形成する。シリコン、炭素は同じ第ＩＶ族元素であり、特性も近いため、高い密着性を得ることができ、また不活性ガス、窒素、炭素から選ばれる少なくとも一種のイオンを成膜と同時に注入すると、膜と膜との間に明瞭な界面が無くなり、さらに密着性が高まる。
【００２１】
完成した金型を用いて繰り返しガラス光学素子のプレス成形を行う。数多くの成形を行うと、金型表面にガラスの融着や鉛の析出、傷が付く等の問題が発生するので、これらの金型を継続的に使用するためには、適当な成形回数ごとに成形面をダイヤモンドパウダー等により機械的に研磨（クリーニング）する必要がある。
【００２２】
しかし、このクリーニング回数が多くなるに従い、型形状が変形、劣化する。そこで、適当なクリーニング回数ごとに金型成形面の傷んだ膜を除去する必要がある。炭素系膜の除去は酸素プラズマ等のエッチング、酸化反応を利用して行い酸素を用い炭素系の膜をエッチング（アッシング）すると炭素が酸化されて除去されるが、このとき炭素系の膜だけをエッチング（アッシング）することは難しく、通常、型母材表面もエッチング（アッシング）され、金型母材表面、特に成形面も酸化されてしまう。
【００２３】
特に金属型母材は酸化が顕著であるが、本発明では金属型母材表面に耐熱酸化特性、耐アッシング特性に優れた炭化シリコンあるいは炭化シリコンに近い特性を示す炭素とシリコンの混合物を形成した後、その上に炭素系膜を形成しているため、この炭素系膜をエッチング（アッシング）しても金型成形面を変形、劣化させることがない。また、エッチングという方法を用いずに、酸素雰囲気下において金型母材を７５０℃以上にすることにより熱酸化し膜を除去することもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
ガラスレンズ（曲率半径Ｒ＝１５０ｍｍ、表面粗さＲｍａｘ＝０．０３μｍ、直径φ＝５ｍｍ、肉厚＝２ｍｍ）を得るため、本発明による成形型を作成した。型母材として超硬合金（炭化タングステン、商品名Ｊ０５：富士ダイス（株）製）を所定の形状に加工した後、成形面を鏡面研磨したものを用いた。
【００２５】
これらの型を洗浄した後、高エネルギーのイオン源を２つ持つ装置に設置した。一方の高エネルギーのイオン源を用いてシリコンを質量分離し、シリコンイオン（Ｓｉ^＋）を成形面に注入量５×１０^１７ｉｏｎｓをイオンエネルギー２０ｋｅＶ、電流密度２０μＡ／ｃｍ^２で注入した。同時に、もう一方の高エネルギーのイオン源から炭素イオンを同様に５×１０^１７ｉｏｎｓをイオンエネルギー２０ｋｅＶ、電流密度２０μＡ／ｃｍ^２で成形面に注入した。そして、注入イオンの反応及び堆積により炭化シリコン膜あるいは炭化シリコンに近い特性を示す炭素とシリコンの混合膜を膜厚１０００Å形成した。
【００２６】
次に、イオンビーム蒸着法を用いて、前記膜上にダイヤモンド状炭素膜を形成する。図１に本実施の形態で用いる成膜装置を示す。
【００２７】
図１において、１は真空容器、２はイオンビーム装置、３はイオン化室、４はガス導入口、５はイオンビーム引き出しグリッド、６はイオンビーム、７は前記膜を形成した型母材、８は基板ホルダーおよびヒーター、９は排気孔を示す。ダイヤモンド状炭素膜を形成する際には、有機溶剤により表面を清浄にした型母材７を基板ホルダー８上に設置し、排気孔９より排気して真空容器１の内部を１×１０^−６Ｔｏｒｒとする。
【００２８】
次に、ガス導入口４より原料ガスＣＨ_４＋Ａｒ混合ガスを混合比ＣＨ_４／Ａｒ＝１／１で導入し、真空容器１の内部を１×１０^−４Ｔｏｒｒとする。イオンビーム装置２のイオン化室３で前記原料ガスをイオン化し、イオンビーム引き出しグリッド５に−５００Ｖを印加してイオンビームを引き出し、型母材７に照射して、１．５μｍの厚さにダイヤモンド状炭素膜を成膜した。このときイオンビームの電流値は０．６ｍＡ／ｃｍ^２で、基板加熱は特に行っていない。成膜時間は４５分間である。こうして得られた膜の表面粗さはＲｍａｘ０．０２〜０．０３μｍ、ビッカース硬度は１４００〜１６００ｋｇ／ｍｍ^２である。
【００２９】
その後、この型によりフリント系ガラスＬａＳＦ０３（軟化点Ｓｐ＝６８７℃、ガラス転移点Ｔｇ＝６１０℃）を用いて成形機にてプレス成形を５００ショットの成形を行ったところ、成形面にキズ等が発生したため、成形を中止した。
【００３０】
この成形に用いた型を再生するために、図１に示したイオンビーム蒸着装置に設置しダイヤモンド状炭素膜をエッチングする。まず、排気孔９より排気して真空容器１の内部を１×１０^−６Ｔｏｒｒとする。次に、ガス導入口４よりエッチングガスとしてＯ_２＋Ａｒ混合ガスを混合比Ｏ_２／Ａｒ＝１／１で導入し、真空容器１の内部を１×１０^−４Ｔｏｒｒとする。イオンビーム装置２のイオン化室３で原料ガスをイオン化し、加速電圧２００Ｖでイオンビームを引き出し、エッチングを行う。このとき、基板加熱は特に行わない。このとき、発光スペクトルモニター１０により電子的に励起されたＳｉからの発光をモニターし、エッチングをコントロールする。一定時間後、Ｏ_２ガスの供給を停止し、加速電圧を５０Ｖに下げ、Ａｒイオンビームに変え、表面をクリーニングする。
【００３１】
エッチング終了後の金型を真空容器１より取り出し、その表面粗さを測定したところＲｍａｘ０．０２〜０．０３μｍで、エッチングによる劣化は見られなかった。また、表面の酸化層についてもＥＳＣＡで分析したところ、エッチング終了後の取り出す際に生じたと思われる自然酸化層程度の酸化層しか認められなかった。通常は、エッチング終了後に連続して前記条件でダイヤモンド状炭素膜を形成するので、酸化の恐れはない。このようにして、再度ダイヤモンド状炭素膜を形成した型の表面粗さはＲｍａｘ０．０３μｍ、ビッカース硬度１４００〜１６００ｋｇ／ｍｍ^２で、最初に形成した膜と同等の特性が得られた。
【００３２】
（実施の形態２）
ＷＣ（９０％）＋Ｃｏ（１０％）からなる金型母材を実施の形態１と同形状の金型に加工し、その上に実施の形態１と同条件にて炭化シリコン膜あるいは炭化シリコンに近い特性を示す炭素とシリコンの混合膜を膜厚１０００Å形成した。電子サイクロトロン共鳴プラズマＣＶＤ法（ＥＣＲ−ＰＣＶＤ法）を用いて、前記膜上にダイヤモンド状炭素膜を形成する。
【００３３】
ＥＣＲプラズマ装置は、図２に示す空胴共振器タイプで空胴共振器２１に電磁石２２で磁場をかけ、マイクロ波導入窓２３より導波管２４を通してマイクロ波を導入し、ガス導入口２５よりガスを空胴共振器２１内に導入してガスを励起する。磁場の大きさはマイクロ波導入口で２０００ガウス、型表面で５００ガウスになるように設定した。型ホルダー２６に支持した型２７は、図２に示すように空胴共振器２１の外に設置した。
【００３４】
次に、排気孔２８より所定の圧力に排気し、ガス導入口２５より炭酸ガス（１０ＳＣＣＭ）、水素ガス（２０ＳＣＣＭ）を空胴共振器２１内に導入し、圧力５×１０^−２Ｔｏｒｒとし、マイクロ波電力６００Ｗ、基板温度３００℃でダイヤモンド状炭素膜を１μｍ成膜した。その後、この型を用いて実施の形態１と同様にしてガラス成形を行い、成形に用いた型を再び本装置内に設置してダイヤモンド状炭素膜のエッチングを行った。
【００３５】
エッチングガスにＯ_２を用い、これをガス導入口２５より１００ＳＣＣＭ導入し、空胴共振器２１内でプラズマ化する。このとき、圧力は５×１０^−３Ｔｏｒｒとし、基板の加熱は特に行わない。磁場の大きさはマイクロ波導入口で２５００ガウス、空胴共振器出口で８７５ガウスのＥＣＲ点とし、型をこの点に設置し、マイクロ波パワー９００Ｗでエッチング（アッシング）した。実施の形態１と同様にプラズマ発光によりモニターし、発光強度がある一定値以下になった時点で、酸素からアルゴンに切り替え、残りの膜をエッチングした。このとき、圧力、マイクロ波パワー、磁場の条件は酸素ガスの場合と同様とした。ただし、基板の位置は空胴共振器出口より１５０ｍｍとした。その後、前述の成膜条件に従いダイヤモンド状炭素膜を形成し、得られた型について表面粗さ、硬度について測定したところ、実施の形態１と同様に最初と変わらない性能を有する金型を再生することができた。
【００３６】
なお、上記した具体的実施の形態から次のような構成の技術的思想が導き出される。
（付記）
（１）ガラスよりなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用型の製造方法において、前記光学素子成形用型の母材に金属型母材を用い、少なくとも成形面にケイ素、炭素のイオンを注入する第１の工程と、炭素を主成分とする膜を形成する第２の工程と、からなることを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
【００３７】
（２）前記光学素子成形用型の金属型母材が炭化タングステン、タングステン合金、ＳＵＳから選ばれる母材であることを特徴とする（１）に記載の光学素子成形用型の製造方法。
【００３８】
（３）ガラスよりなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用型の製造方法において、前記（１）、（２）にて作成した成形用型の少なくとも成形面の炭素を主成分とする膜を酸化反応にて除去した後、再度、炭素を主成分とする膜を形成し、再利用することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
【００３９】
（４）前記（１）、（２）、（３）のいずれかに記載の光学素子成形用型の製造方法により製造されることを特徴とする光学素子成形用型。
【００４０】
（５）ガラスよりなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用型の製造方法において、金属よりなる型母材の少なくとも成形面に、ケイ素イオンおよび炭素イオンを注入し炭化シリコン膜あるいは炭素とシリコンの混合膜を形成する第１の工程と、前記膜上に炭素を主成分とする膜を形成する第２の工程と、からなることを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
【００４１】
（６）前記第１の工程において、ケイ素イオンおよび炭素イオンを同時にまたは交互に同数量注入することを特徴とする（５）記載の光学素子成形用型の製造方法。
【００４２】
（７）前記（５）または（６）記載の光学素子成形用型の製造方法より製造されることを特徴とする光学素子成形用型。
【００４３】
（８）前記（７）記載の光学素子成形型の、少なくとも前記炭素を主成分とする膜をエッチング、酸化反応にて除去した後、再度、炭素を主成分とする膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の再生方法。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１，２および請求項３に係る光学素子成形用型の製造方法および光学素子成形用型によれば、型母材との高い密着性を有する膜を有するとともに、成形ガラスとの離型性が良好で容易な離型が安価に連続して可能であり、生産性を大幅に向上可能な光学素子成形用型を得ることができる。また、光学素子成形用型の使用により剥離、クラック等の膜に関する不具合が発生しても、この膜を型母材に対する劣化を生じさせることなく除去し、再度成膜して初期状態と同様に良好な光学素子成形用型を得ることができる。
【００４５】
本発明の請求項４に係る光学素子成形用型によれば、型加工性が高く、複雑な形状や高い鏡面性を有する光学素子成形用型にあっても低コストで得て経済性を図ることができる。
【００４６】
本発明の請求項５に係る光学素子成形用型の再生方法によれば、金属よりなる型母材であっても型母材を劣化させることなく不具合の生じた膜の除去を行い、再度、除去した同じ膜を初期状態と同様に形成し、安価に再利用が図れる光学素子成形用型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１で用いる成膜装置を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態２で用いる成膜装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１　真空容器
２　イオンビーム装置
３　イオン化室
４，２５　ガス導入口
５　イオンビーム引き出しグリッド
６　イオンビーム
７　型母材
８　基板ホルダーおよびヒーター
９，２８　排気孔
２１　空胴共振器
２２　電磁石
２３　マイクロ波導入窓
２４　導波管
２６　型ホルダー
２７　型

Claims

ガラスよりなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子成形用型の製造方法において、金属よりなる型母材の少なくとも成形面に、ケイ素イオンおよび炭素イオンを注入する第１の工程と、炭素を主成分とする膜を形成する第２の工程と、からなることを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
前記第１の工程において、ケイ素イオンおよび炭素イオンを同時にまたは交互に注入することを特徴とする請求項１記載の光学素子成形用型の製造方法。
請求項１または２記載の光学素子成形用型の製造方法より製造されることを特徴とする光学素子成形用型。
前記型母材が、炭化タングステン、タングステン合金、ステンレス鋼から選ばれる金属であることを特徴とする請求項３記載の光学素子成形用型。
請求項３または４記載の光学素子成形型の、少なくとも前記炭素を主成分とする膜を酸化反応にて除去した後、再度、炭素を主成分とする膜を形成することを特徴とする光学素子成形用型の再生方法。