JP2006265045A - 光学素子成形用型材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス材料より成る型母材上に、離型層として形成される窒化硼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る光学素子成形用型材を大幅なコストダウンをして提供すること。
【解決手段】母材の一部に光学素子を成形するためのガラスより成る転写面を有する成形用型において、ガラスより成る転写面に窒化硼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、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_２とＳｉの混合層、Ｓｉ、窒化硼素膜を順次積層するように構成し、更に、ＳｉＯ_２とＳｉの混合層が、表面側方向に、ＳｉＯ_２の比率が小さく、Ｓｉの比率が大きくなる傾斜膜であるように構成する。
【選択図】図１

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、プリズム等のガラスより成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材の製造方法に関するものである。

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無くし、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成る光学素子の製造に使用されるようになった。

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、セラミックス及び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。

幾つかの例を挙げるならば、特許文献１には、１３Ｃｒマルテンサイト鋼が、特許文献２には、ＳｉＣ及びＳｉ₃ Ｎ₄ が、特許文献３には、超硬合金に貴金属をコーティングした材料が、又、特許文献４、特許文献５、特許文献６には、それぞれ、ダイヤモンド薄膜若しくはダイヤモンド状炭素膜が、特許文献７には、硬質炭素膜をコーティングした材料が、又、特許文献８には、窒化硼素膜を形成することが提案されている。

次に、特許文献９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、ガラスより成る成形用型素材を、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。又、その改良として、特許文献１０には、熱間にて押圧成形したガラスより成る成形用型本体と、耐熱性を有する金属又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。

特開昭４９−０５１１１２号公報 特開昭５２−０４５６１３号公報 特開昭６０−２４６２３０号公報 特開昭６１−１８３１３４号公報 特開昭６１−２８１０３０号公報 特開平０１−３０１８６４号公報 特開昭６４−０８３５２９号公報 特公平０３−０６１６１５号公報 特願昭６２−１８６８１６号公報 特開平２−１０２１３６号公報

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、更に、成形温度が高い場合、Ｔｉを含むガラスの場合、耐久性に問題があった。窒化硼素膜は、ダイヤモンド状炭素膜に比べて、耐熱性、ガラスとの反応性に優れているが、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等、耐久性に問題があった。

上記の膜の密着性の問題は、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、窒化硼素膜の形成に硼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。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、ガラス材料より成る型母材上に、離型層として形成される窒化硼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る光学素子成形用型材を大幅なコストダウンをして提供することである。

上記課題を達成するため、請求項１記載の発明は、母材の一部に光学素子を成形するためのガラスより成る転写面を有する成形用型において、ガラスより成る転写面に窒化硼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、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_２とＳｉの混合層、Ｓｉ、窒化硼素膜を順次積層するように構成する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学素子成形用型材の製造方法において、ＳｉＯ_２とＳｉの混合層が、表面側方向に、ＳｉＯ_２の比率が小さく、Ｓｉの比率が大きくなる傾斜膜であるように構成する。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の光学素子成形用型材の製造方法において、スパッタ法によりＳｉＯ_２、ＳｉＯ_２とＳｉの混合層、Ｓｉを形成するように構成する。

請求項４記載の発明は、母材の一部に光学素子を成形するためのガラスより成る転写面を有する成形用型において、ガラスより成る転写面に窒化硼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、ＳｉＯ_２、ＳｉとＯ（酸素）とＮ（窒素）の混合層、Ｓｉ_３Ｎ_４、窒化硼素膜を順次積層するように構成する。

請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の光学素子成形用型材の製造方法において、ＳｉとＯとＮの混合層の混合層が、表面側方向に、Ｏの比率が小さく、Ｎの比率が大きくなる傾斜膜であるように構成する。

請求項６記載の発明は、請求項１記載の光学素子成形用型材の製造方法において、スパッタ法によりＳｉＯ_２、ＳｉとＯとＮの混合層、Ｓｉ_３Ｎ_４を形成するように構成する。
請求項７記載の発明は、請求項１及び４記載の光学素子成形用型材の製造方法において、スパッタ法により窒化硼素膜を形成するように構成する。

本発明によれば、ガラス材料より成る型母材上に、離型層として形成される窒化硼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をして提供することができる。

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１において、１１はＷＣを主成分とする超硬合金であり、１２は熱間にて押圧成形したＳｉＯ_２を含むガラスより成る転写面形状を有する成形用型であり、１１より成る超硬合金と接合され、一体的に構成されている。

尚、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はなく、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等にも使用可能である。

本発明で用いられる転写面がＳｉＯ_２を含むガラスより成る型母材とは、超硬材料等で作製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。

又、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。

１３はＳｉＯ_２層、１４はＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層、１５はＳｉ層、１６は窒化硼素膜をスパッタ、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。

図２はＳｉＯ_２層１３、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４、Ｓｉ層１５、窒化硼素膜１６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以下で排気する。
２）アルゴンガスと酸素ガスを導入し、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、ＳｉＯ_２層１３を０．０１〜１μｍ形成する。
３）アルゴンガスを一定若しくは（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に高周波をマッチングボックスを介して印加して、原料をプラズマ化し、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層（傾斜層）１４を０．０１〜１μｍ形成する。
４）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、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、Ｓｉ層１５を０．０１〜１μｍ形成する。
５）アルゴンガスと窒素ガスを導入し、型母材２２は図示しない高周波電源により高周波バイアスをマッチングボックスを介して印加しながら回転させ、窒化硼素ターゲット２４に高周波をマッチングボックスを介して印加し、原料をプラズマ化し、窒化硼素膜１６を０．０１〜０．５μｍ形成する。

このようにして得られた、ＳｉＯ_２層、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層（傾斜層）、Ｓｉ層、窒化硼素膜の積層物は、ＳｉＯ_２を含むガラス上に、ＳｉＯ_２層１３が積層されるため、ガラス１２と１３の界面での密着性が上がり、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層（傾斜層）１４はＳｉＯ_２層１３とＳｉ層１５の密着性を上げる。更に、Ｓｉ層１５は窒化硼素膜１６を成膜する際、Ｓｉ層１５の表面にＳｉＮ（不飽和）層が形成されるため、密着性が上がる。

１６の窒化硼素膜は、立方晶系（ｃ−ＢＮ）を有し、高硬度、化学的安定性にも優れ、光学素子成形用離型膜として適している。

又、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層の代わりに、ＳｉとＯとＮの混合層を形成しても同様の効果が得られる。

又、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あり、成膜装置も上記成膜装置に限定されるものではない。

次に、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

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。

最初に、ＷＣを主成分とする超硬合金１１に、ＳｉＯ_２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より成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。

工程１）：ＷＣを主成分とする超硬合金１１と、ＳｉＯ_２を含むガラス１２を熱源により加熱する。

工程２）：母型で１２のＳｉＯ_２を含むガラスを１１のＷＣを主成分とする超硬合金に押し付けＳｉＯ_２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。

工程３）：ＳｉＯ_２を含むガラス１２に母型の光学機能面を転写させる。

工程４）：冷却し母型とＳｉＯ_２を含むガラス１２とを分離させる。

次に、この型母材２２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、ＳｉＯ_２層１３を３０ｎｍ、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を３０ｎｍ、Ｓｉ層１５を３０ｎｍ、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３に示した流量の模式図のよう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。又、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。

次に、前記スパッタリング装置を用いて、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、窒素ガス導入口から導入して、窒化硼素ターゲット２７及び型母材２２に図示していない高周波電源からマッチングボックスを介して高周波を印加することにより、窒化硼素膜を１００ｎｍの形成した。この硬質炭素膜の平均表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ、１．６ｎｍであった。

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。成形ガラスは、ＴｉＯ_２を含むリン酸系ガラス（Ｔｇ：３８０℃）で、成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度４３０℃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。又、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、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。又、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。

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、ＳｉＯ_２層１３を３０ｎｍ、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を３０ｎｍ、Ｓｉ層１５を３０ｎｍ成膜する工程で、図４に示した流量の模式図のように制御することで、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を表面側方向に、Ｘの値が徐々に２から０に減少してい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。

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１５００ショット行った。成形ガラスは、ＴｉＯ_２を含むリン酸系ガラス（Ｔｇ：３８０℃）で、成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度４３０℃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。又、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、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。又、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。

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、ＳｉＯ_２層１３を３０ｎｍ、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を３０ｎｍ、Ｓｉ層１５を３０ｎｍ成膜する工程で、図５に示した流量の模式図のように制御することで、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を表面側方向に、Ｘの値が徐々に２から０に減少してい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。

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２０００ショット行った。成形ガラスは、ＴｉＯ_２を含むリン酸系ガラス（Ｔｇ：３８０℃）で、成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度４３０℃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。又、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、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。又、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。

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、ＳｉＯ_２層１３を３０ｎｍ、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を３０ｎｍ、Ｓｉ層１５を３０ｎｍ成膜する工程で、図６に示した流量の模式図のように制御することで、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を表面側方向に、Ｘの値が徐々に２から０に減少してい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。

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２０００ショット行った。成形ガラスは、ＴｉＯ_２を含むリン酸系ガラス（Ｔｇ：３８０℃）で、成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度４３０℃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。又、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、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。又、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。

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、ＳｉＯ_２層１３を３０ｎｍ、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を３０ｎｍ、Ｓｉ層１５を３０ｎｍ成膜する工程で、図７に示した流量の模式図のように制御することで、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を表面側方向に、Ｘの値が徐々に２から０に減少してい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。

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２０００ショット行った。成形ガラスは、ＴｉＯ_２を含むリン酸系ガラス（Ｔｇ：３８０℃）で、成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度４３０℃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。又、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、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。又、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。

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、ＳｉＯ_２層１３を３０ｎｍ、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を３０ｎｍ、Ｓｉ層１５を３０ｎｍ成膜する工程で、図８に示した流量の模式図のように制御することで、ＳｉＮ_ｙ（０＜Ｙ＜４／３）Ｏ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４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３／４に増加している傾斜層上に、Ｓｉ_３Ｎ_４層１５を３０ｎｍ成膜するする以外は同様に光学素子成形用型材を製造した。

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２０００ショット行った。
成形ガラスは、ＴｉＯ_２を含むリン酸系ガラス（Ｔｇ：３８０℃）で、成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度４３０℃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。又、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、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。又、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。
＜比較例１＞
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、ＳｉＯ_２層１３を３０ｎｍ、ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層１４を３０ｎｍを成膜せず、Ｓｉ層１５のみを３０ｎｍ成膜する以外は同様に光学素子成形用型材を製造した。

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なったが、５０ショットで微小な窒化硼素膜１６の剥離が多数発生した。

光学素子成形用型の模式図である。 スパッタ装置の模式図である。 スパッタ成膜時のアルゴンガス流量と酸素ガス流量の模式図である。 スパッタ成膜時のアルゴンガス流量と酸素ガス流量の模式図である。 スパッタ成膜時のアルゴンガス流量と酸素ガス流量の模式図である。 スパッタ成膜時のアルゴンガス流量と酸素ガス流量の模式図である。 スパッタ成膜時のアルゴンガス流量と酸素ガス流量の模式図である。 スパッタ成膜時のアルゴンガス流量と酸素ガス流量と窒素ガス流量の模式図である。

符号の説明

１１ ＷＣを主成分とする超硬合金
１２ 熱間にて押圧成形したＳｉＯ_２を含むガラスより成る転写面形状を有する成形用型
１３ ＳｉＯ_２層
１４ ＳｉＯ_Ｘ（０＜Ｘ＜２）層
１５ Ｓｉ層
１６ 硬質炭素膜
２１ 真空チャンバー
２２ 型母材
２３ 回転軸
２４ Ｓｉ金属ターゲット
２５ 熱伝対
２６ ヒーター
２７ 窒化硼素ターゲット

Claims (7)

1. 母材の一部に光学素子を成形するためのガラスより成る転写面を有する成形用型において、ガラスより成る転写面に窒化硼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、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_２とＳｉの混合層、Ｓｉ、窒化硼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。
2. ＳｉＯ_２とＳｉの混合層が、表面側方向に、ＳｉＯ_２の比率が小さく、Ｓｉの比率が大きくなる傾斜膜であることを特徴とする請求項１記載の光学素子成形用型材の製造方法。
3. スパッタ法によりＳｉＯ_２、ＳｉＯ_２とＳｉの混合層、Ｓｉを形成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材の製造方法。
4. 母材の一部に光学素子を成形するためのガラスより成る転写面を有する成形用型において、ガラスより成る転写面に窒化硼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、ＳｉＯ_２、ＳｉとＯ（酸素）とＮ（窒素）の混合層、Ｓｉ_３Ｎ_４、窒化硼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。
5. ＳｉとＯとＮの混合層の混合層が、表面側方向に、Ｏの比率が小さく、Ｎの比率が大きくなる傾斜膜であることを特徴とする請求項４記載の光学素子成形用型材の製造方法。
6. スパッタ法によりＳｉＯ_２、ＳｉとＯとＮの混合層、Ｓｉ_３Ｎ_４を形成することを特徴とする請求項４記載の光学素子成形用型材の製造方法。
7. スパッタ法により窒化硼素膜を形成することを特徴とする請求項４記載の光学素子成形用型材の製造方法。

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