JP2006117455A - Optical element forming die and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主として、ガラス素材のプレス成形により、レンズ、プリズムなどのガラスよりなる光学素子を製造する際に使用される光学素子成形用型の製造方法に関するものである。 The present invention mainly relates to a method of manufacturing an optical element molding die used when manufacturing an optical element made of glass such as a lens or a prism by press molding a glass material.
ガラス研磨工程を必要とせず、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た。 The technology for manufacturing lenses by press molding of glass materials without the need for a glass polishing process eliminates the complicated processes required in conventional manufacturing, making it possible to manufacture lenses easily and inexpensively. In addition, prisms and other optical elements made of glass have come to be used.
このような、ガラスの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、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、数多くの提案がなされている。 Properties required for such a mold material used for press molding of a glass optical element include excellent hardness, heat resistance, releasability, and mirror finish. Conventionally, many proposals have been made for this type of mold material, such as metals, ceramics, and materials coated with them.
幾つかの例を挙げるならば、特開昭49−51112号公報には、13Crマルテンサイト鋼が、特開昭52−45613号公報には、SiC及びSi3N4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材料が、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、それぞれ、ダイヤモンド薄膜もしくはダイヤモンド状炭素膜が、特開昭64−83529号公報には、硬質炭素膜をコーティングした材料が提案されている。 If some examples, the JP-A-49-51112, 13Cr martensite steel, the JP-A-52-45613, the SiC and Si 3 N 4, JP 60- No. 246230 discloses a material obtained by coating a cemented carbide with a noble metal, and Japanese Patent Laid-Open Nos. 61-183134, 61-281030, and 1-301864 disclose diamonds, respectively. JP-A-64-83529 proposes a material in which a thin film or a diamond-like carbon film is coated with a hard carbon film.
また、特公平2−31012号公報には、レンズまたは型のどちらか一方に5〜500nmの炭素膜を形成することが提案されている。更に、本発明者らによる出願の、特開平6−72728号公報によれば、高イオンエネルギーの炭素イオンビームを用いて、炭素と型母材もしくは母材表面に形成した中間層を構成する、少なくとも一種類以上の元素よりなるミキシング層を形成することにより、膜の剥離およびクラックの発生を生じない型を製造する方法が記載されている。 Japanese Patent Publication No. 2-31012 proposes forming a carbon film of 5 to 500 nm on either the lens or the mold. Furthermore, according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-72728 filed by the present inventors, an intermediate layer formed on carbon and the mold base material or the base material surface is configured using a carbon ion beam with high ion energy. A method is described in which a mold that does not cause peeling of a film and generation of cracks by forming a mixing layer made of at least one kind of element is described.
次に、特開平1−33022号公報には、型母材の材料としても、従来のWCを主成分とする超硬を研削研磨で加工するだけでなく、ガラスよりなる成形用型素材を、熱間にて成形母型で押圧成形することにより、成形母型を転写させて光学素子成形用型を得る製造方法が記載されている。また、その改良として、特開平2−102136には、熱間にて押圧成形したガラスよりなる成形用型本体と、耐熱性を有する金属またはセラミックスから成る接合体を、一体的に構成した光学素子成形用型が記載されている。
しかしながら、一般的にダイヤモンド状炭素膜、a−C:H膜、硬質炭素膜を用いた型は、型とガラスとの離型性が良く、ガラスとの融着を起こしにくいが、型と膜の密着性が一般に低く、特に、型母材がガラスの場合は、成形操作を、数十回以上繰り返して行うと、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など、耐久性に問題があった。 However, in general, a mold using a diamond-like carbon film, an aC: H film, or a hard carbon film has good mold releasability between the mold and glass and hardly causes fusion with the glass. In general, when the mold base material is glass, when the molding operation is repeated several tens of times or more, the film is partially peeled off and sufficient molding performance is obtained in the molded product. There was a problem in durability, such as being unable to.
また、特開平6−72728号公報に記載の方法は、他の光学素子成型用型の製造方法に比べて好適な方法であるが、高いイオンエネルギーの炭素イオンを用いるため、型材表面の荒れが生じる場合がある。これは、一般的用途の光学素子の場合大きな問題とならないが、高性能レンズの場合や、これらの光学素子を多数枚用いる場合に、レンズの透過率が低下したり、ハローなどが生じる場合がある。 In addition, the method described in JP-A-6-72728 is a preferable method compared to other methods for manufacturing a mold for optical element molding. However, since carbon ions having high ion energy are used, the surface of the mold material is roughened. May occur. This is not a big problem for general-purpose optical elements, but in the case of high-performance lenses or when a large number of these optical elements are used, the transmittance of the lens may decrease or halo may occur. is there.
上記の、膜の密着性の問題及び型材表面の荒れは、特に型母材がガラス材料のような場合に顕著である。型母材としてガラス材料を用いることは、材料費が安価であること、更に加工が容易であること等、コストダウンに非常に有用である。しかし、炭素膜の形成に炭素含有イオンが関与するためで、ガラス材のような絶縁性材料の場合は、イオンの衝撃の効果が得られないため膜と型母材の密着性が低下したり、型母材がチャージアップして異常放電が発生して表面の荒れが発生する問題点があった。 The above-mentioned problem of film adhesion and roughness of the mold material surface are particularly noticeable when the mold base material is a glass material. The use of a glass material as the mold base material is very useful for reducing costs, such as low material costs and easy processing. However, since carbon-containing ions are involved in the formation of the carbon film, in the case of an insulating material such as a glass material, the effect of ion bombardment cannot be obtained, so the adhesion between the film and the mold base material is reduced. However, there is a problem in that the mold base material is charged up, abnormal discharge occurs, and the surface becomes rough.
これらの問題点を解決するために本発明では、母材の一部に光学素子を成形するためのガラスよりなる転写面を有する成形用型で、SiO2を含むガラスよりなる転写面に硬質炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法において、ガラス面より、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、SiC層、硬質炭素膜を順次積層したことを特徴とする。 In order to solve these problems, in the present invention, a molding die having a transfer surface made of glass for forming an optical element on a part of a base material, and a hard carbon on a transfer surface made of glass containing SiO 2. In the method for producing an optical element molding die for forming a film, a SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer, a SiC layer, and a hard carbon film are sequentially laminated from the glass surface. And
更にSiOXCY層を表面側方向に、Xの値が徐々に2から0に減少し、Yの値が徐々に0から1へ増加している傾斜層とすることが、型と硬質炭素膜の密着性の点で望ましい。 Furthermore, it is possible to make the SiO X C Y layer a gradient layer in which the value of X gradually decreases from 2 to 0 and the value of Y gradually increases from 0 to 1 in the surface side direction. It is desirable in terms of film adhesion.
また、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、SiC層はスパッタ法、イオンプレーティング法で形成することが膜厚及びX、Yの制御性の面で望ましい。 In addition, it is desirable that the SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer and the SiC layer are formed by sputtering or ion plating in terms of film thickness and X and Y controllability.
硬質炭素膜はイオンビーム蒸着法またはイオンプレーティング法によりを形成することが望ましい。 The hard carbon film is preferably formed by ion beam deposition or ion plating.
本発明によれば、ガラス材料よりなる型母材上に、離型層として形成される硬質炭素膜を型材に密着力良く、更に良好な表面粗さで形成することが可能となり、光学素子成形用型材を大幅なコストダウンして提供することができる。 According to the present invention, it becomes possible to form a hard carbon film formed as a release layer on a mold base material made of a glass material with good adhesion to the mold material and with a better surface roughness, thereby forming an optical element. Mold materials can be provided at a significant cost reduction.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら、具体的に説明する。ここで、本発明の光学素子成形用型の模式的断面を図1に示す。図において、11はWCを主成分とする超硬合金で、12は熱間にて押圧成形したSiO2を含むガラスよりなる転写面形状を有する成形用型で、11よりなる超硬合金と接合され、一体的に構成されている。なお、図1では、凹面が3面ある自由曲面形状のレンズ成形用型を示したが、本発明では、形状に限定されるものでなく、凹凸面レンズ成形用型、非球面レンズ成形用型、シリンドリカルレンズ成形用型などにも使用可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. Here, the typical cross section of the optical element molding die of the present invention is shown in FIG. In the figure, 11 is a cemented carbide containing WC as a main component, 12 is a molding die having a transfer surface shape made of glass containing SiO 2 that has been hot-pressed, and is bonded to the cemented carbide comprising 11. And are integrally configured. FIG. 1 shows a free-form lens molding die having three concave surfaces. However, the present invention is not limited to the shape, and the concave-convex lens molding die and the aspherical lens molding die. It can also be used for cylindrical lens molding dies.
本発明で用いられる転写面がSiO2を含むガラスよりなる型母材とは、超硬材料などで作成されたマスター型でプレス成形を行い、多数の型母材を高サイクルタイムで形成することが可能なガラス材料で形成された型母材で、研削研磨による型加工に比較して、加工時間が大幅に短縮できるため、加工費のコストダウンと型加工のリードタイムの短縮が達成される。 A mold base material made of glass containing SiO 2 as a transfer surface used in the present invention is to perform press molding with a master mold made of a super hard material and form a large number of mold base materials with a high cycle time. This is a mold base material made of a glass material that can be processed, and the machining time can be significantly shortened compared to mold machining by grinding and polishing, thus reducing the cost of machining and shortening the lead time of mold machining. .
また、型母材は、全てがガラスで作成してあるものでも構わない。しかし、機械的強度、ネジ等の機械加工の面で、ガラスと超硬合金の一体型が望ましい。 The mold base material may be made entirely of glass. However, an integrated type of glass and cemented carbide is desirable in terms of mechanical strength and machining such as screws.
13はSiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、14はSiC層をスパッタ、CVD、イオンプレーティング法等で順次積層したものである。
Reference numeral 13 denotes a SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer, and
図2はSiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層13、SiC層14を形成するスパッタ成膜装置の模式断面図である。これらの形成方法は、
(1)真空チャンバー21に型母材22を設置し、型母材22は回転軸23でターゲット24上を回転する。熱伝対25で温度検出を行い、ハロゲンランプ等のヒーター26で300℃まで加熱し、チャンバー内の到達真空度を、1×10-5Pa以下排気する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a sputter deposition apparatus for forming the SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer 13 and the
(1) The
(2)アルゴンガスを一定もしくは(徐々に)増加させ、酸素ガスを(徐々に)減少させて、型母材22を回転させ、Si金属ターゲット24に高周波を印加して、原料をプラズマ化し、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層(傾斜層)13を0.01〜1μm形成する。
(2) Argon gas is increased constant or (gradually), oxygen gas is decreased (gradually), the
(3)酸素ガスを止め、アルゴンガスのみ導入し、型母材22を回転させ、SiCターゲット24に高周波を印加して、原料をプラズマ化し、SiC層14を0.01〜1μm形成する。
(3) Oxygen gas is stopped, only argon gas is introduced, the
このようにして得られた、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、SiC層の積層物は、SiO2を含むガラス上に、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層13が積層されるためガラスとSiC層14の密着性をあげる。更にSiC層14は硬質炭素膜15と密着性が良好であるため、型と硬質炭素膜の密着性が向上する。SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、SiC層は、非晶質であるほうが平滑性に優れているため、膜の表面粗さの点から望ましいが、表面粗さが所望の範囲内であれば、結晶成分を部分的に含んでいても構わない。
The laminate of the SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer and the SiC layer obtained in this way is formed on a glass containing SiO 2 with SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) Since the layer 13 is laminated, the adhesion between the glass and the
また、これらの成膜法として、スパッタ法で説明したが、公知のCVD、イオンプレーティング法でも可能で、成膜装置も上記成膜装置に限定されるものではない。 In addition, although the sputtering method has been described as the film forming method, known CVD and ion plating methods are also possible, and the film forming apparatus is not limited to the above film forming apparatus.
15は硬質炭素膜である。硬質炭素膜とは、基本的には非晶質であり、硬度が高く、赤外領域で透明性が高いことから、ダイヤモンド状炭素膜とも呼ばれているものである。この硬質炭素膜は、非晶質であるため、非常に平滑な表面を有しており、型母材表面に形成することにより、型母材の表面の平滑性と同様、あるいは、それ以上の平滑性を得ることができる。
また、硬質炭素膜は、通常、いかなる結晶性も有していないが、電子顕微鏡などで、微小領域(nmオーダー)を詳細に観察すると、数nm程度の大きさの、微結晶のダイヤモンドまたはグラファイトが観察されることがある。これらの微結晶の量も、見積もるのは非常に困難であるが、全体積のせいぜい数%以下であろうと思われる。 In addition, a hard carbon film usually does not have any crystallinity. However, when a minute region (on the order of nm) is observed in detail with an electron microscope or the like, a microcrystalline diamond or graphite having a size of several nanometers is obtained. May be observed. The amount of these microcrystals is also very difficult to estimate, but seems to be no more than a few percent of the total volume.
なお、本発明で言うところの「硬質炭素膜」とは、ほとんど無視できる量以下の炭素結晶相(ダイヤモンド、グラファイト)のみを含有する炭素膜である。この硬質炭素膜の形成には、イオンビーム蒸着法及びイオンプレーティング法などと呼ばれる方法を用いる。上記成膜方法は、炭素源ガス、および、水素、酸素、塩素、フッ素、希ガスなどの希釈ガスを、熱フィラメントまたは高周波、更には、磁場などを印加することで、プラズマ化し、このプラズマから、電界を用いてイオンを加速して引出し、このイオンを型母材上に照射して、その成形面に硬質炭素膜を形成する方法である。 Note that the “hard carbon film” in the present invention is a carbon film containing only a carbon crystal phase (diamond, graphite) in an amount that is almost negligible. For forming the hard carbon film, a method called an ion beam vapor deposition method or an ion plating method is used. The above film forming method converts a carbon source gas and a diluting gas such as hydrogen, oxygen, chlorine, fluorine, or a rare gas into a plasma by applying a hot filament or a high frequency, and further a magnetic field. This is a method of accelerating and extracting ions using an electric field and irradiating the ions on a mold base material to form a hard carbon film on the molding surface.
本発明の硬質炭素膜の形成方法では、炭素源として、種々の炭素含有ガスや液体有機化合物を気化して用いることができる。液体有機化合物としては、メタノール、エタノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類、ベンゼンなどの芳香族炭化水素、ジメチルエーテルなどのエーテル類、ギ酸、酢酸などの有機酸を用いることができる。炭素含有ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、アセチレンなどの炭化水素ガス、一酸化炭素、または、ハロゲン化炭素などを用いることができる。 In the method for forming a hard carbon film of the present invention, various carbon-containing gases and liquid organic compounds can be vaporized and used as the carbon source. As the liquid organic compound, alcohols such as methanol and ethanol, ketones such as acetone, aromatic hydrocarbons such as benzene, ethers such as dimethyl ether, and organic acids such as formic acid and acetic acid can be used. As the carbon-containing gas, hydrocarbon gas such as methane, ethane, ethylene, acetylene, carbon monoxide, or carbon halide can be used.
図3は、本発明で用いることができる硬質炭素膜を形成する成膜装置を示す模式図である。31は真空チャンバー、32はイオン源で、不図示のバルブ、ガス流量調整器、圧力調整器、ガスボンベが接続されており、加熱されたフィラメントと電場を用いて炭素含有ガスをイオン化することができる。33は基材ホルダーにバイアスを印加するための電源である。34はイオンビームを模式的に示したもの、更に、35は型材である。また、36はガス排気口で、バルブ、ターボ分子ポンプ、ロータリーポンプ(何れも図示せず)が接続されている。また37は基材ホルダーで型材を固定することができる。なお、本発明で用いられる成膜装置は、上記装置に何ら限定されるものではない。
FIG. 3 is a schematic view showing a film forming apparatus for forming a hard carbon film that can be used in the present invention. A
例えば、本発明の硬質炭素膜の好適な成膜方法は、型材に負の直流パルスバイアスを印加することによって行われる。パルス的にバイアスを印加すると型材表面でのプラズマの密度が上昇し、硬質炭素膜とSiC層との界面でミキシング層が形成されて硬質炭素膜とSiC膜との密着力が大幅に向上する。負の直流パルスバイアスの電圧は、型材材料や形状により変化するが、0.5〜20kV程度印加する。印加する負の直流パルスバイアスは、成膜時に一定の値としても良いが、成膜開始直後に高く、成膜終了時に低くしても良い。これは、成膜開始直後に高い負の直流パルスバイアスを印加することで型母材と硬質炭素膜の密着力を高めるためで、例えば、8kV以上20kV以下の負のパルスバイアスを印加することにより炭素含有イオンが型母材に注入され硬質炭素膜と型母材の密着性が向上する。また、更に成膜終了時に低い負の直流パルスバイアスを印加するのは硬質炭素膜の平滑性を上げるためであり、例えば、1kV以上4kV以下の負のパルスバイアスを印加することにより平滑性の高い硬質炭素膜を得ることができる。具体的な例を示すと、成膜開始直後に、バイアス電圧を10kVとし、その後徐々に電圧を、7.5kV、5kV、2.5kVと下げていき、成膜を終了させる、と言うプロセスで成膜を行うことができる。 For example, a suitable film forming method of the hard carbon film of the present invention is performed by applying a negative DC pulse bias to the mold material. When a bias is applied in a pulsed manner, the density of plasma on the surface of the mold material increases, a mixing layer is formed at the interface between the hard carbon film and the SiC layer, and the adhesion between the hard carbon film and the SiC film is greatly improved. The negative DC pulse bias voltage varies depending on the mold material and shape, but is applied at about 0.5 to 20 kV. The negative DC pulse bias to be applied may be a constant value at the time of film formation, but may be high immediately after the start of film formation and may be low at the end of film formation. This is to increase the adhesion between the mold base material and the hard carbon film by applying a high negative DC pulse bias immediately after the start of film formation. For example, by applying a negative pulse bias of 8 kV or more and 20 kV or less. Carbon-containing ions are implanted into the mold base material to improve the adhesion between the hard carbon film and the mold base material. Moreover, the reason for applying a low negative DC pulse bias at the end of film formation is to increase the smoothness of the hard carbon film. For example, by applying a negative pulse bias of 1 kV or more and 4 kV or less, high smoothness is achieved. A hard carbon film can be obtained. As a specific example, immediately after the start of film formation, the bias voltage is set to 10 kV, and then the voltage is gradually decreased to 7.5 kV, 5 kV, and 2.5 kV to complete the film formation. It can be performed.
また、上記本発明の実施の形態では、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層及びSiC層と硬質炭素膜は、別々の装置を用いて成膜したが、これは説明をわかりやすくするためで、通常は、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、SiC層、硬質炭素膜は同一の成膜装置で成膜途中に大気に晒すことなく連続して成膜するのが、密着性、コンタミの面で望ましい。この場合、スパッタ源とイオン源を同一チャンバーに具備する成膜装置を用いる、または、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、SiC層を硬質炭素膜形成と同様なイオンプレーティング法で形成する、などの方法がある。SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層をイオンプレーティング法で形成する場合、原料として有機けい素化合物や炭素化合物とけい素化合物に酸素や酸素化合物を混合したものなどを用いることができる。SiC層をイオンプレーティング法で形成する場合、原料として有機けい素化合物や炭素化合物とけい素化合物を混合したものなどを用いることができる。有機けい素化合物としては、メチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシラン、テトラエトキシシラン、ヘキサメチルジシロキサンなどを用いることができる。炭素化合物としては、種々の炭素含有ガスや液体有機化合物を気化して用いることができる。液体有機化合物としては、メタノール、エタノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類、ベンゼンなどの芳香族炭化水素、ジメチルエーテルなどのエーテル類、ギ酸、酢酸などの有機酸を用いることができる。炭素含有ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、アセチレンなどの炭化水素ガス、一酸化炭素、または、ハロゲン化炭素などを用いることができる。けい素化合物としては、シラン、ジシラン、4フッ化珪素などを用いることができる。酸素化合物としては、酸素ガス、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物、などを用いることができる。成膜方法としては、これらの原料ガスを、熱フィラメントまたは高周波、更には、電場、磁場などを印加しすることで、プラズマ化し、このプラズマから、電界を用いてイオンを加速して引出し、このイオンを型母材上に照射して、その成形面にSiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、SiC層を形成する。 In the embodiment of the present invention, the SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer, the SiC layer, and the hard carbon film are formed using different apparatuses. This is for the sake of easy understanding. Usually, the SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer, the SiC layer, and the hard carbon film are put into the atmosphere during the film formation by the same film forming apparatus. It is desirable in terms of adhesion and contamination that the film is continuously formed without being exposed. In this case, a film forming apparatus having a sputtering source and an ion source in the same chamber is used, or the SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer and the SiC layer are formed in the same manner as the hard carbon film formation. There is a method such as forming by an appropriate ion plating method. When forming an SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer by an ion plating method, an organic silicon compound or a mixture of carbon compound and silicon compound as a raw material with oxygen or an oxygen compound, etc. Can be used. When the SiC layer is formed by an ion plating method, an organic silicon compound or a mixture of a carbon compound and a silicon compound can be used as a raw material. As the organosilicon compound, methylsilane, dimethylsilane, trimethylsilane, tetramethylsilane, tetraethoxysilane, hexamethyldisiloxane, or the like can be used. As the carbon compound, various carbon-containing gases and liquid organic compounds can be vaporized and used. As the liquid organic compound, alcohols such as methanol and ethanol, ketones such as acetone, aromatic hydrocarbons such as benzene, ethers such as dimethyl ether, and organic acids such as formic acid and acetic acid can be used. As the carbon-containing gas, hydrocarbon gas such as methane, ethane, ethylene, acetylene, carbon monoxide, or carbon halide can be used. As the silicon compound, silane, disilane, silicon tetrafluoride, or the like can be used. As the oxygen compound, oxygen gas, carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen oxide, or the like can be used. As a film forming method, these source gases are converted into plasma by applying a hot filament or a high frequency, and further an electric field, a magnetic field, etc., and ions are accelerated and extracted from the plasma using an electric field. Ions are irradiated onto the mold base material to form a SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer and a SiC layer on the molding surface.
次に、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。 Next, the present invention will be described in detail based on examples.
(実施例1)
図1は、本発明に係る光学素子成形用型の模式断面図を示すものである。
Example 1
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an optical element molding die according to the present invention.
最初に、WCを主成分とする超硬合金11に、SiO2を含むガラスとしてホウケイ酸ガラス(ガラス転移点=540℃、軟化点=730℃)12よりなる転写面形状を有する熱間で押圧成形する。一般的な押圧成形プロセスは、下記の1〜4の工程である。
First, the cemented
工程1:WCを主成分とする超硬合金11と、SiO2を含むガラス12を熱源により加熱する。
Step 1: WC cemented
工程2:母型で12のSiO2を含むガラスを11のWCを主成分とする超硬合金に押しつけSiO2を含むガラス12をWCを主成分とする超硬合金11へ融着させる。
Step 2: The glass containing 12 SiO 2 as a matrix is pressed against a cemented carbide containing 11 WC as a main component, and the glass 12 containing SiO 2 is fused to the cemented
工程3: SiO2を含むガラス12に母型の光学機能面を転写させる。 Step 3: The optical function surface of the master mold is transferred to the glass 12 containing SiO 2 .
工程4: 冷却し母型とSiO2を含むガラス12とを分離させる。 Step 4: Cool and separate the matrix and the glass 12 containing SiO 2 .
次に、この型母材を良く洗浄した後、図2に示すスパッタリング装置を用いて光学素子成形面側に、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層を50nm、SiC層を50nmずつ、図中に記載していないマスフローを介したアルゴンガス、酸素ガス導入口から図4に示した流量の模式図の様に制御することにより形成した。流量はチャンバーの大きさ、排気系の能力によって異なる。また、各層の膜厚は、光学素子形状、ガラス材質、成形条件によって異なる。 Next, after thoroughly cleaning this mold base material, a SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer of 50 nm is formed on the optical element molding surface side using the sputtering apparatus shown in FIG. The SiC layer was formed in 50 nm increments by controlling from the argon gas and oxygen gas inlets through the mass flow not shown in the figure as shown in the schematic diagram of the flow rate shown in FIG. The flow rate depends on the size of the chamber and the capacity of the exhaust system. Moreover, the film thickness of each layer changes with optical element shapes, glass materials, and molding conditions.
次に型母材を図3に示すイオンプレーティング成膜装置に設置し、イオン源を用いて硬質炭素膜15を形成する。成膜条件は、ガス流量をアセチレン:20ml/min、水素:10ml/minとし、基板温度は加熱無しで、圧力:4×10-1Paとした。また、型母材へは33のバイアス電源を用いて直流バイアスを印加して、電圧は−2.5kVとした。この成膜により約100nmの硬質炭素膜が形成された。この硬質炭素膜の平均表面粗さ(Ra)を測定した所、1.6nmであった。
Next, the mold base material is set in the ion plating film forming apparatus shown in FIG. 3, and the
次に、この光学素子成形用型材を用いて光学レンズの成形を1000ショット行った。 Next, 1000 shots of the optical lens were molded using the mold for molding an optical element.
成形ガラスは、リン酸系ガラス(Tg:370℃)で、成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度420℃で行った。成形中、型と成形された光学素子との離型性は良好であった。また、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察した所、膜剥離、クラックの発生、更には、ガラスの融着が認められず、良好な型表面性を有していた。また、成形ガラスレンズも、ガラスの割れが見られず、良好な表面粗さであった。 The molding glass was phosphoric acid glass (Tg: 370 ° C.), and the molding conditions were a nitrogen atmosphere and a press temperature of 420 ° C. During molding, the mold release property between the mold and the molded optical element was good. Further, when the mold surface after molding was observed with a scanning electron microscope, film peeling, generation of cracks, and glass fusion were not observed, and the mold surface property was good. The molded glass lens also had good surface roughness with no glass breakage.
(実施例2〜4)
実施例1において、スパッタリング装置を用いて光学素子成形面側に、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層を40nm、SiC層を50nmずつ成膜する工程で、図5〜7に示した流量の模式図の様に制御することでSiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層を表面側方向に、Xの値が徐々に2から0に減少し、Yの値が徐々に増加する傾斜層にする以外は同様に光学素子成形用型材を製造した。
(Examples 2 to 4)
In Example 1, a step of forming a SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer by 40 nm and a SiC layer by 50 nm on the optical element molding surface side using a sputtering apparatus, By controlling the flow rate as shown in the schematic diagrams of FIGS. 5 to 7, the SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer is directed to the surface side, and the value of X gradually increases from 2 to 0. The mold for optical element molding was produced in the same manner except that the gradient layer was gradually reduced and the Y value gradually increased.
次に、これら光学素子成形用型材を用いて光学レンズの成形を1500ショット行った。 Next, 1500 shots of the optical lens were molded using these optical element molding molds.
成形ガラスは、リン酸系ガラス(Tg:370℃)で、成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度420℃で行った。成形中、いずれの型も、型と成形された光学素子との離型性は良好であった。また、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察した所、いずれの型も、膜剥離、クラックの発生、更には、ガラスの融着が認められず、良好な型表面性を有していた。また、成形ガラスレンズも、ガラスの割れが見られず、良好な表面粗さであった。 The molding glass was phosphoric acid glass (Tg: 370 ° C.), and the molding conditions were a nitrogen atmosphere and a press temperature of 420 ° C. During molding, all of the molds had good releasability between the mold and the molded optical element. In addition, when the mold surface after molding was observed with a scanning electron microscope, none of the molds had film peeling, generation of cracks, or glass fusion, and good mold surface properties. It was. The molded glass lens also had good surface roughness with no glass breakage.
(比較例)
実施例1において、スパッタリング装置を用いて光学素子成形面側に、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、SiC層を成膜せず、Si層を50nm成膜する以外は同様に光学素子成形用型材を製造した。
(Comparative example)
In Example 1, a SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer and a SiC layer were not formed on the optical element molding surface side by using a sputtering apparatus, and a Si layer was formed to a thickness of 50 nm. An optical element molding die was produced in the same manner except that.
次に、この光学素子成形用型材を用いて実施例1と同様に光学レンズの成形を行ったが、100ショットで微小な硬質炭素膜16の剥離が多数発生した。 Next, an optical lens was molded in the same manner as in Example 1 using this mold for molding an optical element, but a lot of fine hard carbon film 16 was peeled off in 100 shots.
(実施例5)
実施例1と同様な方法で作成した型母材を、図3に示す成膜装置に設置した。
(Example 5)
A mold base material produced by the same method as in Example 1 was placed in the film forming apparatus shown in FIG.
まず、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層及びSiC層を形成する。基体ホルダーの基体加熱機構を用いて型材を300℃まで加熱し、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層を30nm、SiC層を60nmずつ形成するため、原料ガスとしてテトラエトキシシランおよび酸素ガスを図8に示した流量の模式図の様に制御することにより形成した。イオン源で、加熱したフィラメントと電場及び磁場の印加により原料ガスを分解、イオン化し、また、型母材へ直流パルスバイアス電源を用いて基板バイアスを印加して、型材表面にSiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層及びSiC層形成した。なお、直流パルスバイアスは、−2.5kVとして、繰り返し周波数:2kHz、デューティー比:10%とした。 First, a SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer and a SiC layer are formed. The mold material is heated to 300 ° C. using the substrate heating mechanism of the substrate holder, and the SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer is formed to 30 nm and the SiC layer to 60 nm each. Tetraethoxysilane and oxygen gas were controlled by controlling the flow rate as shown in the schematic diagram of FIG. The source gas is decomposed and ionized by applying a heated filament, an electric field and a magnetic field with an ion source, and a substrate bias is applied to the mold base material using a DC pulse bias power source, so that SiO X C Y ( A 0 <X <2, 0 <Y <1) layer and a SiC layer were formed. The DC pulse bias was -2.5 kV, the repetition frequency was 2 kHz, and the duty ratio was 10%.
続いて、硬質炭素膜を形成する。ガス流量はトルエン:20ml/min、水素:10ml/minとし、型材の温度は300℃で、圧力:3×10-1Paとした。イオン源で原料ガスを分解、イオン化し、型母材へ直流パルスバイアスを印加して、硬質炭素膜を形成した。直流パルスバイアスは、−4kVとして、繰り返し周波数:2kHz、デューティー比:10%とした。30分間の成膜で約300nmの硬質炭素膜が形成された。 Subsequently, a hard carbon film is formed. The gas flow rates were toluene: 20 ml / min, hydrogen: 10 ml / min, the mold material temperature was 300 ° C., and the pressure was 3 × 10 −1 Pa. The source gas was decomposed and ionized with an ion source, and a direct current pulse bias was applied to the mold base material to form a hard carbon film. The DC pulse bias was -4 kV, the repetition frequency was 2 kHz, and the duty ratio was 10%. A hard carbon film having a thickness of about 300 nm was formed in 30 minutes.
次に、この光学素子成形用型材を用いて光学レンズの成形を行った。 Next, an optical lens was molded using this mold for molding an optical element.
成形ガラスは、クラウン系光学ガラスSK12(軟化点Sp=672℃、転移点Tg=550℃)で、直径半径:φ30mmで、中心部:2.2mmの厚さ、最外周:1.5mmの厚さの、極薄の凸メニスレンズを成形する。成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度620℃で行った。成形中、型と成形された光学素子との離型性は良好であった。また、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察した所、膜剥離、クラックの発生、更には、ガラスの融着が認められず、良好な型表面性を有していた。また、成形ガラスレンズも、ガラスの割れが見られず、良好な表面粗さであった。 The molded glass is crown optical glass SK12 (softening point Sp = 672 ° C., transition point Tg = 550 ° C.), diameter radius: φ30 mm, central part: 2.2 mm thickness, outermost circumference: 1.5 mm thickness The ultra-thin convex meniscus lens is molded. The molding conditions were a nitrogen temperature and a press temperature of 620 ° C. During molding, the mold release property between the mold and the molded optical element was good. Further, when the mold surface after molding was observed with a scanning electron microscope, film peeling, generation of cracks, and glass fusion were not observed, and the mold surface property was good. The molded glass lens also had good surface roughness with no glass breakage.
11 WCを主成分とする超硬合金
12 熱間にて押圧成形したSiO2を含むガラスよりなる転写面形状を有する成形用型
13 SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層
14 SiC層
15 硬質炭素膜
21 真空チャンバー
22 型母材
23 回転軸
24 ターゲット
25 熱電対
26 ヒーター
31 真空チャンバー
32 イオン源
33 バイアス電源
34 イオンビームを模式的に示したもの
35 型材
36 ガス排気口
37 基体ホルダー
11 Cemented carbide containing WC as main component 12 Mold for molding having a transfer surface shape made of glass containing SiO 2 pressed by hot molding 13 SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1 )
Claims (6)
SiO2を含むガラスよりなる転写面に硬質炭素膜を形成する光学素子成形用型の製造方法において、ガラス面より、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、SiC層、硬質炭素膜を順次積層したことを特徴とする光学素子成形用型材の製造方法。 A molding die having a transfer surface made of glass for molding an optical element on a part of a base material,
In the method of manufacturing an optical element molding die for forming a hard carbon film on a transfer surface made of glass containing SiO 2 , a SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer, SiC, A method for producing an optical element molding die, comprising sequentially laminating a layer and a hard carbon film.
SiO2を含むガラスよりなる転写面に硬質炭素膜を形成する光学素子成形用型において、ガラス面より、SiOXCY(0<X<2、0<Y<1)層、SiC層、硬質炭素膜が順次積層されていることを特徴とする光学素子成形用型材。 A molding die having a transfer surface made of glass for molding an optical element on a part of a base material,
In an optical element molding die for forming a hard carbon film on a transfer surface made of glass containing SiO 2 , the SiO X C Y (0 <X <2, 0 <Y <1) layer, SiC layer, hard A mold for optical element molding, wherein carbon films are sequentially laminated.
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