JP2007254216A - 光学素子成型用被覆金型及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械加工し易く、表面が均一で、しかも、高温での特性が極めて安定している金型成型面を有する、優れたガラス成型能力を有する長寿命の光学素子成型用金型を提供する。
【解決手段】金型基体の表面に皮膜が被覆された光学素子成型用被覆金型において、該皮膜は、硼素を含有し且つ硬度ＨｋがＧＰａで、０．５≦Ｈｋ≦１．５、であるアモルファス状皮膜を有することを特徴とする光学素子成型用被覆金型及び前記アモルファス状の硼炭窒化膜を被覆する際に、原料ガスとして少なくともアセトニトリルガスと硼素含有ガスを用い、成膜温度を７５０〜１０１０℃の範囲内に制御することを特徴とする光学素子成型用被覆金型の製造方法。
【選択図】なし

Description

本願発明は、ガラス素材をプレス成型することにより、ガラスよりなるレンズ、プリズム等の光学素子を高精度に製造するのに使用される光学素子成型用金型に関する。

ガラス光学素子プレス成型金型には、硬度、耐酸化性、耐熱性、離型性、鏡面加工性等に優れていることが要求されている。そこで以下の特許文献１から特許文献７には、光学素子成型用金型の表面に硼素を含有した皮膜を被覆することが記載されている。

特開２００２−２０１０３３号公報 特開平７−１３３１２２号公報 特開昭６２−１６７２２９号公報 特開平５−１４７９５４号公報 特開平５−１６３０２７号公報 特開平７−１０５６３号公報 特開２００５−２９８３２５号公報

特許文献１は、膜の硬度と強度を高めるため、硼化物等の硬度、強度の高い物質を分散共析させた膜により、切削加工層を構成した光学素子成形用型が提案されている。しかし、この構成では、数１０℃と言う低温でめっき膜を形成しているため、耐熱性が悪く、ガラス成型のように５００℃以上で用いると、皮膜の熱処理が進み、皮膜表面の粗度が悪くなるとともに、皮膜が剥がれやすくなる欠点がある。特許文献２では、耐熱性を高めるため、上記切削加工層として硼素を含む３元合金薄膜をスパッタ法で形成した光学ガラス素子プレス成形用型が提案されている。しかし、この構成では、切削加工層のポア、結晶粒界等の存在や膜硬度を検討していないため、切削加工層とはいえ、充分な加工後の面粗さや加工精度、及び、加工容易性が得られない欠点がある。特許文献３から７は、ｃ−ＢＮ、ｗ−ＢＮ、ｈ−ＢＮ、立方格子窒化硼素粒子等の結晶質ＢＮとアモルファス状のＢＮ（ａ−ＢＮ）とを含有したＢＮ混合膜を光学素子成型用金型の表面に被覆することが記載されているが、いずれも、結晶質のＢＮを必ず含有した膜を用いる。このため、該膜中に結晶粒界が存在するため、高精度加工後においても、ＢＮ含有膜の表面粗さと精度が悪くなる欠点がある。また、結晶質のＢＮを必ず含有しているため、特許文献３の膜の硬度がＨｋ２０００ｋｇ／ｍｍ２以上、特許文献４がＨｋ４０００〜５０００、特許文献６がＨｋ３０００〜５０００ｋｇ／ｍｍ２、と高く、切削加工層として用いるには高硬度過ぎ、非球面加工し難い欠点がある。特許文献１は切削加工層を無電解めっき法で形成し、特許文献２ではスパッタ法、特許文献４では電子ビーム蒸着法、特許文献６ではイオンプレーティング法、特許文献７ではプラズマＣＶＤ或いはスパッタ法で成膜している。これらで用いられている成膜方法では、成膜温度が、無電解めっき法では１００℃以下、スパッタ法、電子ビーム蒸着法、イオンプレーティング法、プラズマＣＶＤでは、成膜装置内の雰囲気を高真空に保つため、装置内部をステンレス材で形成するため、通常は３５０℃以下、最高でも６００℃以下である。特許文献３ではＣＶＤ法を用いているにもかかわらず５００〜７００℃と低温でしか成膜していない。このため、これらの方法で被覆した金型を５５０℃近傍で繰り返し用いると、皮膜が変質し、膜剥がれ、クラック、変形等が発生し、金型寿命が短くなる欠点がある。特許文献５では光ＭＯＣＶＤ法を用い４００〜８００℃で成膜しているが、ＣＶＤ反応を効率よく起こさせるために紫外線レーザーを照射する事が必要であり、成膜領域が狭く、膜厚が均一でない欠点がある。ＭＯＣＶＤ法では、原料ガスが高価であり、しかも、装置内の高真空維持が難しく、生産が極端に悪い欠点がある。
そこで本発明が解決しようとする課題は、機械加工し易く、表面が均一で、しかも、高温での特性が極めて安定している金型成型面を有する、優れたガラス成型能力を有する長寿命の光学素子成型用金型を提供することである。

本願発明における第１の発明は、金型基体の表面に皮膜が被覆された光学素子成型用被覆金型において、該皮膜は、硼素を含有し且つ硬度ＨｋがＧＰａで、０．５≦Ｈｋ≦１．５、であるアモルファス状皮膜を有することを特徴とする光学素子成型用被覆金型である。本構成を採用することによって、機械加工し易く、表面が均一で、しかも、高温での特性が極めて安定している金型成型面を有する、優れたガラス成型能力を有する長寿命の光学素子成型用金型を実現できる。本願発明における第２の発明である製造方法は、化学蒸着（以下、ＣＶＤと記す。）法によりアモルファス状の硼炭窒化膜を被覆する際に、原料ガスとして少なくともアセトニトリル（以下、ＣＨ３ＣＮと記す。）ガスと硼素含有ガスを用い、成膜温度を７５０〜１０１０℃の範囲内に制御して、硼炭窒化膜をアモルファス状に調整、成膜することを特徴とする光学素子成型用被覆金型の製造方法である。この製造方法を用いることにより、光学素子成型金型用の皮膜として適度の硬度を有し、優れた耐熱性を有するアモルファス状の硼炭窒化膜が成膜出来る。５５０℃以上で繰り返し用いても、皮膜の変質や、膜剥がれ、クラック、変形等が発生し難く、膜厚が均一な長寿命の金型を廉価で製造する事が出来る。

本願発明の光学素子成型用金型は、金型基体とアモルファス状皮膜の間に、該アモルファス状皮膜とは別の膜として酸化アルミニウム膜が被覆されていることが好ましい。本願発明の光学素子成型用金型は、酸化アルミニウム膜と、硼素を含有するアモルファス状皮膜との間に、該アモルファス状皮膜と該酸化アルミニウム膜とは別の膜としてチタンの炭化物、窒化物、又は、炭窒化物から選択される１種以上のチタン化合物膜を有していることが好ましい。硼素を含有するアモルファス状皮膜の表面に貴金属系皮膜又は炭素系皮膜の少なくともいずれかが被覆されていることが好ましい。また、金型の基体がＷＣ基超硬合金又はＷＣ焼結体であることが、好ましく、結合相としてＣｏを含有したＷＣ基超硬合金であることが最も好ましい。

本願発明により、機械加工し易く、表面が均一で、しかも、高温での特性が極めて安定している金型成型面を有する、優れたガラス成型能力を有する長寿命の光学素子成型用金型を実現できる。

本願発明の光学素子成型用金型は、金型基体の表面に皮膜が被覆された光学素子成型用被覆金型において、該皮膜は、硼素を含有し且つ硬度ＨｋがＧＰａで、０．５≦Ｈｋ≦１．５、であるアモルファス状皮膜を有することを特徴とする光学素子成型用被覆金型である。こうすることにより、機械加工し易く、表面が均一で、しかも、高温での特性が極めて安定している金型成型面を有する、優れたガラス成型能力を有する長寿命の光学素子成型用金型を実現できる。金型基体の少なくとも成型面の表面に、少なくとも硼素を含有するアモルファス状皮膜が被覆されていることにより、５５０℃以上での耐熱性が優れ、しかも、皮膜内にポアや結晶粒界が実質的に無く、表面が均一で、優れた平滑性を有する皮膜が実現出来る。また、該アモルファス状皮膜の硬度Ｈｋが０．５〜１．５ＧＰａの範囲内であることにより、成型面の非球面加工が行い易く、しかも、ガラス成型に用いた時に、変形することのない優れた機械特性を有する皮膜が得られる。その結果、５５０℃以上での耐熱性が優れ、繰り返し、ガラス成型可能な、優れた機械特性を有する光学素子成型用金型を実現できる。ここで、アモルファス状皮膜とは、例えば、皮膜断面の組織形態がガラス状であり、明瞭な結晶粒界が実質的に観察されない皮膜のことである。このようなアモルファス状の皮膜はＸ線回折時に明確なピークが検出されない、或は、アモルファス部分の透過電子回折像を撮影した場合、結晶性を現す明瞭なスポットが検出されないことからもわかる。透過電子回折像を撮影した場合は、基本的にハローのみが現れるが、これにクラスターを現す微小なスポットが検出されてもよい。また、少なくとも硼素を含有するアモルファス状皮膜が被覆されておらず、アモルファス状ではあるものの、硼素を含有しない皮膜が被覆されていると耐熱性が劣る或はガラスとの離型性が劣る欠点が現れる。また、硼素を含有しているものの、アモルファス状ではなく、結晶質の硼素化合物が多く含まれていると、膜中に、粒界や硬度等の不均一部が存在するため、高精度加工後においても、ＢＮ含有膜の表面粗さと精度が悪くなる欠点が現れる。また、皮膜の硬度Ｈｋが０．５ＧＰａ未満と小さく軟らかいとガラス成型時に皮膜が変形し易くなり、高精度のガラス成型面が得られなく欠点が現れる。一方、１．５ＧＰａを超えて大きいと、該皮膜の硬度が高くなりすぎ、非球面加工が行い難くなる欠点が現れる。
本願発明の製造方法は、ＣＶＤ法によりアモルファス状の硼炭窒化膜を被覆する際に、原料ガスとして少なくともＣＨ３ＣＮガスと硼素含有ガスを用い、成膜温度を７５０〜１０１０℃の範囲内に制御して、硼炭窒化膜をアモルファス状に調整、成膜することを特徴とする光学素子成型用被覆金型の製造方法である。本願発明の製造方法を用いることにより、優れた耐熱性を有するアモルファス状の硼炭窒化膜が成膜出来、５５０℃以上で繰り返し用いても、皮膜の変質や、膜剥がれ、クラック、変形等が発生し難く、膜厚が均一な長寿命の金型を廉価で製造する事が出来る。ＣＨ３ＣＮガスと硼素含有ガスの両者を用いて成膜しないとアモルファス状の硼炭窒化膜を、成膜温度７５０℃〜１０１０℃というガラス製光学素子成型用金型として最適な成膜温度で、金型成型面全体に均一な膜厚で、安定して成膜することが難しくなる。また、ＣＨ３ＣＮガスと硼素含有ガスの両者を用いた場合も、成膜温度が７５０℃未満と低いと、反応速度が遅く、極端に長い成膜時間が必要になり実用的でなくなる。一方、１０１０℃を超える様な高温で成膜すると、硼炭窒化膜が結晶質になり始め、皮膜中に結晶粒界が現れ始めるため、皮膜表面の均一性が格段に悪くなる欠点が現れる。

本願発明の光学素子成型用金型は、金型基体とアモルファス状皮膜の間に、少なくとも酸化アルミニウム膜が被覆されていることにより、金型基体を構成する元素、特に、Ｃｏ、Ｗ等の膜中への拡散が酸化アルミニウム膜により阻止され、酸化アルミニウム膜以降には拡散し難くなるため、硼素含有アモルファス状皮膜の表面に、金型基体構成元素が現れず、ガラスと反応しなくなるため、ガラス成型面の面粗さが更に良くなるとともに、金型寿命も格段に長くなり、好ましい。酸化アルミニウム膜がκ型酸化アルミニウム膜であることにより、９８０〜１０１０℃と酸化アルミニウム膜としては比較的低温で成膜出来、基体構成元素が皮膜中に拡散する量が更に少なくなるとともに、酸化アルミニウム膜の表面がより微結晶粒になり、表面が滑らかになり、好ましい。本願発明の光学素子成型用金型は、酸化アルミニウム膜と、硼素含有アモルファス状皮膜の間に、少なくともチタンの炭化物、窒化物、又は、炭窒化物の一種以上が被覆されていることにより、酸化アルミニウム膜と硼素含有アモルファス状皮膜間の膜間密着性が高まり、長寿命の金型が実現出来、好ましい。本願発明の光学素子成型用金型は、硼素含有アモルファス状皮膜の表面に貴金属系皮膜又は炭素系皮膜の少なくともいずれかが被覆されていることにより、ガラスとの離型性が良くなり、長寿命の金型が実現出来、好ましい。金型の基体がＷＣ基超硬合金又はＷＣ焼結体であることにより、高強度の金型が実現でき、好ましい。基体がＷＣ基超硬合金又はＷＣ焼結体のいずれでもなく、ＳｉＣ等のセラミックスであると耐衝撃性が低く、ガラス成型時に、基体にクラックが入りやすくなる傾向が現れる。基体は、結合相としてＣｏを含有したＷＣ基超硬合金であることが、高強度の基体が得られ、最も好ましい。

本願発明の光学素子成型用金型は、アモルファス状の硼素含有皮膜とともに、別の層として結晶質のＢＮを含有する皮膜を形成しても良い。その時は、皮膜全体のＸ線回折を測定すると結晶質のＢＮピークが検出されることになるが、結晶質アモルファス状の硼素含有皮膜が存在するか否かは、皮膜の破断面を観察したときに、結晶粒界が実質的に観察されず、ガラス状である皮膜層が観察されることにより確認できる。結晶質ＢＮを含有する皮膜を除去した後にＸ線回折を行うこと、或は、アモルファス状硼素含有皮膜の電子回折像を撮影した時、ハローが存在する等でも確認出来る。硼素を含有するアモルファス状皮膜は、硼素以外に、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｔｉ等の元素が含有されていても良い。Ｚｒ、Ｈｆを含有していることにより耐熱性が更に高まり、Ａｌ含有により耐酸化性、Ｔｉ含有により硬度が更に高まる。

光学素子成型用金型の基体は、組成がＷＣ：９７質量％、ＴａＣ：０．５質量％、Ｃｒ３Ｃ２：０．５質量％、Ｃｏ：２質量％よりなる直径６ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、曲率半径１ｍｍの凹形状の成型面を有する、一対の上下の型形状からなる超硬合金材を、真空焼結とＨＩＰ処理により作製した。そして、上記基体の成型面を光学素子成型用金型の近似形状に放電加工した後、放電加工変質層を３μｍ除去した。次に、これらの超硬合金材を、ＣＶＤ装置内に設置し、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガスと窒素ガスとを原料ガスに用いて０．５μｍ厚さの窒化チタン膜（以下、ＴｉＮと記す。）を９２０℃で形成し、第１層とした。次に、四塩化チタンガスを１．５ｖｏｌ％、窒素ガスを３５ｖｏｌ％、ＣＨ３ＣＮガスを１．５ｖｏｌ％、残水素ガス、を原料ガスに用いて３μｍ厚さの炭窒化チタン膜（以下、ＭＴ−Ｔｉ（ＣＮ）と記す。）を７５０℃で形成し、第２層とした。第１層と第２層は、全実施例において共通の皮膜構成とした。次に、成膜温度７５０℃、成膜圧力２０ｋＰａで、水素キャリヤーガスと窒素ガス、三塩化ボロンガス、及び、ＣＨ３ＣＮガスとを原料ガスに用いて、硼素炭窒化（以下、ＢＣＮと記す）膜を２０μｍ厚さ成膜した後、室温まで冷却し、試料を取り出した。該ＢＣＮ膜の表面をダイヤモンドバイトにより切削加工し、所望の光学素子形状に高精度加工した後、均等研磨により仕上げ加工を行い、本発明例１の光学素子形成用金型を作製した。同様にして、基体と皮膜構成は本発明例１と略同じであるものの、ＢＣＮの成膜温度と成膜圧力の組み合わせを（８００℃、１６ｋＰａ）、（８５０℃、１０ｋＰａ）、（９００℃、５ｋＰａ）、（９５０℃、７ｋＰａ）、（１０００℃、１０ｋＰａ）と異なった成膜条件で本発明例２、３、４、５、６を作製した。本発明例４と略同じ基体の表面に、略同じＴｉＮ、ＭＴ−Ｔｉ（ＣＮ）膜を被覆した後、そのまま更に、９８０℃で水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、メタンガス、及び窒素ガスとを原料ガスに用いて炭窒化チタン膜（以下、ＨＴ−Ｔｉ（ＣＮ）と記す。）を５分間成膜した後、１０００℃で水素キャリヤーガスと三塩化アルミニウムガス、二酸化炭素ガスとを原料ガスに用いて１μｍ厚さのκ型酸化アルミニウム膜（以下、κ−Ａｌ２Ｏ３と記す。）を形成した。その後、１０００℃で、水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、メタンガス、及び窒素ガスとを原料ガスに用いてＨＴ−Ｔｉ（ＣＮ）膜を５分間成膜した後、成膜温度１０００℃、成膜圧力１０ｋＰａで、水素キャリヤーガスと窒素ガス、三塩化ボロンガス、及び、ＣＨ３ＣＮガスとを原料ガスに用いて、ＢＣＮ膜を２０μｍ厚さ成膜した後、室温まで冷却し、試料を取り出した。そして、本発明例１〜６と同様の加工を行い、本発明例７の光学素子形成用金型を作製した。同様にして、本発明例７と略同じ基体、膜構成、成膜条件であるものの、κ−Ａｌ２Ｏ３のみを形成していない本発明例８の光学素子形成用金型を作製した。本発明例７と同様に、ＭＴ−Ｔｉ（ＣＮ）まで成膜した後、９８０℃で水素キャリヤーガスと四塩化チタンガス、メタンガス、窒素ガス、及び、二酸化炭素ガスとを原料ガスに用いて炭窒酸化チタン膜（以下、ＨＴ−Ｔｉ（ＣＮＯ）と記す。）を５分間成膜した後、１０００℃で水素キャリヤーガスと三塩化アルミニウムガス、二酸化炭素ガスとを原料ガスに用いて１μｍ厚さのα型酸化アルミニウム膜（以下、α−Ａｌ２Ｏ３と記す。）を形成した。その後、本発明例７と同様の成膜条件で、ＨＴ−Ｔｉ（ＣＮ）膜とＢＣＮ膜を形成した後、同様の加工を行い、本発明例９の光学素子形成用金型を作製した。本発明例７と略同じ基体、皮膜構成、成膜条件であるものの、κ−Ａｌ２Ｏ３膜とＢＣＮ膜の間に、ＨＴ−Ｔｉ（ＣＮ）に代えて、ＴｉＣ、ＴｉＮを被覆することにより本発明例１０、１１の光学素子形成用金型を作製した。また、ＨＴ−Ｔｉ（ＣＮ）、ＴｉＣ、ＴｉＮのいずれも被覆することなく、κ−Ａｌ２Ｏ３膜の直上に直接ＢＣＮ膜を被覆する被覆することにより本発明例１２の光学素子形成用金型を作製した。本発明例７と略同じ基体、皮膜構成、成膜条件であるものの、ＢＣＮ膜迄を被覆した後、本発明例７と同様に加工を行った後、ＤＬＣ膜をスパッタ法により３００℃で０．５μｍ厚被覆する、又は、白金イリジウム合金（以下、Ｐｔ−Ｉｒと記す）をスパッタ法により３００℃で０．５μｍ厚被覆することにより、本発明例１３、１４の光学素子形成用金型を作製した。基体にそれぞれＷＣ焼結体又はＳｉＣセラミックスを用いる以外は、皮膜構成、成膜条件のいずれもが本発明例７と略同じである本発明例１５、１６を作製した。そして、硼素を含有するアモルファス状皮膜を被覆する効果を比較するため、本発明例４と同じ基体の表面に、同じＴｉＮ、ＭＴ−Ｔｉ（ＣＮ）を被覆した後、硼素を含有するアモルファス状皮膜にかえて、Ｎｉ−Ｃｏ合金を０．５μｍ厚スパッタした後、無電解めっき法によりＮｉ−Ｐ合金を２０μｍ厚成膜し、本発明例４と同様に加工を行うことにより、比較例１７を作製した。硼素を含有するアモルファス状皮膜の硬度Ｈｋが０．５〜１．５ＧＰａの範囲内である効果、或は、成膜温度を７５０〜１０１０℃の範囲内に制御して、ＢＣＮ膜をアモルファス状に調整し、成膜する効果を比較するため、本発明例１〜４と略同じ基体と皮膜構成で、ＢＣＮの成膜に用いる反応ガスも同じであるものの、成膜温度と成膜圧力のみが、（７２０℃、２４ｋＰａ）、（８００℃、３ｋＰａ）、（１０２０℃、３ｋＰａ）、と本発明例１〜４と異なった成膜条件でＢＣＮを成膜し、その後、本発明例１〜４と略同じ加工を行うことにより、比較例１８、１９、２０を作製した。原料ガスとして少なくともＣＨ３ＣＮガスと硼素含有ガスを用いて、ＢＣＮ膜をアモルファス状に調整し、成膜する効果を比較するため、本発明例４と略同じ基体と皮膜構成であるものの、ＢＣＮの成膜に、ＣＨ３ＣＮガスを用いずに、水素、窒素、メタン、及び、三塩化ボロンガスを原料ガスに用いて、成膜温度９００℃、成膜圧力５ｋＰａで、ＢＣＮ膜を２０μｍ厚さ成膜した後、本発明例４と略同じ加工を行うことにより比較例２１を作製した。作製した各試料の積層構成を表１に示した。

表２は、第６層であるＢＣＮ膜の形成条件として、成膜温度と成膜圧力を示した。表２に示す通り、ＢＣＮ膜の成膜温度と成膜圧力は各試料によって変化させた。しかし、原料ガスは、比較例１７と２１を除いて同一とし、水素キャリヤーガス、窒素ガス、三塩化ボロンガスとＣＨ３ＣＮガスとを用いた。比較例１７は無電解めっき法を用いたため、ガスは使用しなかった。比較例２１は、ＢＣＮの成膜にＣＨ３ＣＮガスを用いず、水素、窒素、メタンと三塩化ボロンガスを原料ガスに用いた。
表３に第６層であるＢＣＮ膜の評価結果等を示した。

作製した本発明例と比較例に被覆されているＢＣＮ膜の結晶性を次の方法で評価した。即ち、作製した金型の成型面近傍の平坦部を、理学電気（株）製のＲＵ−２００ＢＨ型Ｘ線回折装置を用いて２θ−θ走査法により２θ＝１０〜１４５度の範囲で、Ｘ線回折パターンを測定した。Ｘ線源にはＣｕＫα１線（λ＝０．１５４０５ｎｍ）を用い、バックグランドのノイズは装置に内蔵されたソフトにより除去した。測定したＸ線回折強度において、Ｂ（ＪＣＰＤＳファイルＮｏ．１１０６１８）、ＢＮ（同、３５−１３６５、２５−１０３３、２５−００９８、２６−７７３、３４−０４２１、４５−１１７１）、Ｂ２５Ｎ（同、２５−００９８）、（ＢＮ）０．２６Ｃ０．７４（同、３５−１２９３）、Ｂ４Ｃ（同、３５−０７９８）、Ｂ２５Ｃ（同、２５−００９６）、Ｂ８Ｃ（同、２６−０２３２）、Ｂ１３Ｃ２（同、２６−０２３３）等の硼素と炭素、窒素とからなる化合物のＸ線回折ピーク強度を調べた。これらのＸ線回折ピークが存在するか否かは、それらのＸ線回折ピーク強度が、評価する硼素含有皮膜よりも下層に存在する皮膜の中で最強であるＸ線回折ピーク強度の４０分の１以下である場合、上記の硼素含有化合物のＸ線回折ピークがなく、硼素含有膜はアモルファスであると判定した。表１における第６層が硼素、炭素、窒素からなる皮膜であることは、試料を１７度斜めに傾けて研摩した斜め研磨面を、走査電子顕微鏡（日立製作所製Ｓ−４２００型、以下、ＳＥＭと記す。）付属のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（堀場製作所製Ｓ−７９２Ｘ１型、以下、ＥＤＸと記す。）によりＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐ量等を分析した後、電子プローブマイクロアナライザー（日本電子（株）製ＪＸＡ−８９００Ｒ型、以下ＥＰＭＡと記す。）により加速電圧１５ｋＶ、試料電流０．２μＡで硼素、炭素、窒素量を分析することにより確認した。これらの分析により得た「第６層」の組成を、表１にあわせて示す。表１における「第６層」の硬度を、マイクロヌープ硬度計により測定した。硬度測定結果を表１にあわせて示す。

上記で作製した光学素子成型用金型の成型面の面粗さを光学式表面粗さ計と走査型プローブ電子顕微鏡で測定し、表面粗さＲｍａｘが５ｎｍ以下を良品とし、５ｎｍ以下を超えて大きいときを不良と判定した。上記で作製した一対の光学素子成型用金型の寿命を、次の方法で評価した。即ち、不活性ガス雰囲気中において、作製した一対の光学素子成型用金型とガラス材料を１０分間で４８０℃まで加熱し、十分に熱均衡がとれる時間である成形開始後２０分間保持した後、加圧加重９．８ＭＰａで５分間、ガラスを加圧成型した後、４３０℃まで温度を下げた点で除圧、離型した後、室温まで冷却することによりガラスレンズを成型した。このガラス成型を繰り返し、各回ごとで成形したガラスレンズの表面を、光学式表面粗さ計と走査型プローブ電子顕微鏡で表面粗さを測定し、表面粗さＲｍａｘが５ｎｍを超えて大きくなったとき、或は、目視で、ガラスレンズのいずれかの箇所に傷、チッピング、微小突起等の不良が発生した時を金型の寿命と判定した。これらの評価結果を表１にまとめて示す。表１、表２より、本発明例１〜６と略同じ基体を用いているものの、成型面に、硼素を含有するアモルファス状皮膜が被覆されておらず、代わりにＮｉ−Ｃｏ合金をスパッタした後、その上に、Ｎｉ−Ｐめっき層が形成されている比較例１７の金型寿命が１９６回であるのに対して、硼素を含有するアモルファス状皮膜が被覆されている本発明例１〜６の金型寿命は８７８回以上と、比較例１７の４倍以上長く、格段に優れていた。本発明例１〜６と略同じ基体、皮膜構成からなるものの、硼素を含有するアモルファス状皮膜の硬度Ｈｋが０．３ＧＰａと低い比較例１８の金型寿命が３２６回であるのに対して、０．５ＧＰａ以上である本発明例１〜６の金型寿命は８７８回以上と、比較例１８の２倍以上長く、格段に優れていた。本発明例１〜６と略同じ基体、皮膜構成からなるものの、硼素を含有するアモルファス状皮膜の硬度Ｈｋが１．７ＧＰａと高い比較例１９は、金型の成型面表面に局所的なチッピングが発生しており、面粗さＲｍａｘが７ｎｍと５ｎｍを超えて大きく、光学素子成型用金型として用いることが出来なかったのに対して、１．５Ｇｐａ以下である本発明例１〜６は、加工面粗さが５ｎｍ以下と良好であり、金型寿命も８７８回以上と長く、格段に優れていた。本発明例１〜６と略同じ基体、皮膜構成からなるものの、原料ガスとしてＣＨ３ＣＮガスを用いずに、代わりに、メタンと窒素ガスとを用いて硼素を含有する皮膜を成膜した硼素含有皮膜中に結晶粒が見られ、アモルファス状ではない比較例２１の成型面表面の面粗さ面粗さＲｍａｘが１０ｎｍと、５ｎｍを超えて大きく、光学素子成型用金型として用いることが出来なかったのに対して、１．５Ｇｐａ以下である本発明例１〜６は、加工面粗さが５ｎｍ以下と良好であり、金型寿命も８７８回以上と長く、格段に優れていた。そこで、本願発明の光学素子成型用被覆金型を、金型基体の表面に皮膜が被覆された光学素子成型用被覆金型において、該皮膜は、硼素を含有し且つ硬度ＨｋがＧＰａで、０．５≦Ｈｋ≦１．５、であるアモルファス状皮膜を有することを特徴とする光学素子成型用被覆金型とした。その理由は、硬度Ｈｋが０．５〜１．５ＧＰａの範囲内である硼素を含有するアモルファス状皮膜を被覆することにより、金型成型面を精密に機械加工し易く、表面を均一にかつ良好な面粗さで加工出来、しかも、金型として使用時に、耐摩耗性と高温安定性とが極めて優れている、優れたガラス成型能力を有する長寿命の光学素子成型用金型を実現できたためである。原料ガスとしてＣＨ３ＣＮガスと硼素含有ガスを用いずに、代わりに、メタンと窒素ガス、及び、硼素含有ガスとを用いて硼素を含有する皮膜を成膜した比較例２１は、硼素含有皮膜中に結晶粒が見られアモルファス状でなく、成型面表面の面粗さ面粗さＲｍａｘが１０ｎｍと、５ｎｍを超えて大きく、光学素子成型用金型として用いることが出来なかったのに対して、ＣＨ３ＣＮガスと硼素含有ガスとを用いて硼素含有皮膜を成膜した本発明例１〜６は、加工面粗さが５ｎｍ以下と良好であり、金型寿命も８７８回以上と長く、格段に優れていた。原料ガスとしてＣＨ３ＣＮガスと硼素含有ガスとを用いるものの、成膜温度７２０℃と本願発明の範囲外で成膜した比較例１８の金型寿命が３２６回、同、１０２０℃で成膜した比較例２０の金型寿命が４２１回であるのに対して、成膜温度７５０〜１０１０℃の範囲内で成膜した本発明例１〜６の金型寿命は８７８回以上であり、比較例１８、２０の２倍以上長く、格段に優れていた。原料ガスとしてＣＨ３ＣＮガスを用いずに、代わりに、メタンと窒素ガスとを用いてＢＣＮを成膜した比較例２１の金型寿命が３２６回、原料ガスとしてＣＨ３ＣＮガスを用いずに成膜温度９５０℃で成膜した比較例１９の金型寿命が２８１回であるのに対して、ＣＨ３ＣＮガスと硼素含有ガスの両者を用いて、成膜温度７５０〜１０１０℃の範囲内で成膜した本発明例１〜７の金型寿命は１１６２回以上であり、比較例１８、１９のそれぞれ３、４倍以上長く、格段に優れていた。そこで、本願発明の製造方法を、ＣＶＤ法によりアモルファス状の硼炭窒化膜を被覆する際に、原料ガスとして少なくともＣＨ３ＣＮガスと硼素含有ガスを用い、成膜温度を７５０〜１０１０℃の範囲内に制御して、硼炭窒化膜をアモルファス状に調整、成膜することを特徴とする光学素子成型用被覆金型の製造方法とした。その理由は、原料ガスとして少なくともＣＨ３ＣＮガスと硼素含有ガスの両者を用いて、成膜温度７５０〜１０１０℃の範囲内で、ＣＶＤ法により成膜することにより、優れた耐熱性を有するアモルファス状のＢＣＮ膜が成膜出来、５５０℃以上で繰り返し使用しても、皮膜の変質や、膜剥がれ、クラック、変形等が発生し難く、膜厚が均一な長寿命の金型を実現出来たためである。

次に、本発明例どうしを比較する。金型基体とアモルファス状の硼素含有膜の間に酸化アルミニウム膜を被覆した本発明例８の金型寿命が８３４回であるのに対して、α−Ａｌ２Ｏ３を被覆した本発明例９の金型寿命は１３６２回と１．６倍長く、優れていた。κ−Ａｌ２Ｏ３を被覆した本発明例７の金型寿命は２１６９回と、α−Ａｌ２Ｏ３を被覆した本発明例７の更に１．５倍以上長く、優れていた。従って、本願発明は、金型基体とアモルファス状の硼素含有膜との間に、酸化アルミニウム膜が被覆されていることが好ましく、κ−Ａｌ２Ｏ３が被覆されていることが好ましい。これは、金型基体とアモルファス状の硼素含有膜との間に、酸化アルミニウム膜が被覆されていることにより、金型基体を構成する元素、特に、ＣｏやＷ等の膜中への拡散が酸化アルミニウム膜により阻止され、酸化アルミニウム膜以降には拡散し難くなるため、硼素含有アモルファス状皮膜の表面に、金型基体構成元素が現れず、ガラスと反応しなくなるため、ガラス成型面の面粗さが更に良くなるとともに、金型寿命も格段に長くなるためである。酸化アルミニウム膜がκ−Ａｌ２Ｏ３膜であることにより、酸化アルミニウム膜の表面がより微結晶粒になるとともに、膜表面がより均一かつ平滑になり、高精細な成型面が得られたためである。基体と皮膜構成が略同じであるものの、酸化アルミニウム膜と、硼素を含有するアモルファス状皮膜との間に、ＨＴ−Ｔｉ（ＣＮ）、ＴｉＣ、ＴｉＮのいずれもが被覆されていない本発明例１２の金型寿命が１３２１回であるのに対して、ＨＴ−Ｔｉ（ＣＮ）、ＴｉＣ、ＴｉＮのいずれかが被覆されている本発明例７、１０、１１の金型寿命は夫々２１６４、２０３４、２１２１回と１．５倍以上長く、優れていた。従って、本願発明は、酸化アルミニウム膜と、硼素を含有するアモルファス状皮膜との間に、少なくともチタンの炭化物、窒化物、又は、炭窒化物の一種以上が被覆されていることが好ましい。これは、酸化アルミニウム膜と、硼素を含有するアモルファス状皮膜との間に、少なくともチタンの炭化物、窒化物、又は、炭窒化物の一種以上が被覆されていることにより、酸化アルミニウム膜と硼素含有アモルファス状皮膜間の密着性が高まり、長寿命の金型が実現出来たためである。基体と皮膜構成が略同じであるものの、硼素含有アモルファス状皮膜の表面に貴金属系皮膜や炭素系皮膜のいずれもが被覆されていない本発明例７の金型寿命が２１６４回であるのに対して、ＤＬＣ又はＰｔ−Ｉｒが被覆されている本発明例１３、１４の金型寿命はそれぞれ３２５９、３３１７回と１．５倍以上長く、優れていた。従って、本願発明は、硼素含有アモルファス状皮膜の表面に貴金属系皮膜又は炭素系皮膜の少なくともいずれかが被覆されていることが好ましい。これは、硼素含有アモルファス状皮膜の表面に貴金属系皮膜又は炭素系皮膜の少なくとも何れかが被覆されていることにより、成形面のガラスとの離型性が良くなり、長寿命の金型が実現出来たためである。皮膜構成が略同じであるものの、金型の基体がＳｉＣである本発明例１６の金型寿命が９６７回であるのに対して、基体がＷＣ焼結体又はＷＣ基超硬合金である、本発明例１５と７の金型寿命は１４４６、２１６４回と、何れも１．５倍以上長く、優れていた。従って、本願発明は、金型の基体がＷＣ焼結体又は超硬合金であることが好ましい。金型の基体がＷＣ基超硬合金である本発明例７の金型寿命は２１６４回と、本発明例１５の１．５倍以上長く、最も優れていた。従って、本願発明は、金型の基体がＷＣ基超硬合金であることが最も好ましい。これは、金型の基体がＷＣ焼結体であることにより、より高強度の金型が実現でき、より長寿命の金型が実現できたためである。金型の基体がＣｏをバインダーとして含有しているＷＣ基超硬合金であることにより、最も高強度で、ガラス成型時に、基体にクラックが入り難い、より長寿命の光学素子成型用金型が実現できたためである。

Claims (6)

1. 金型基体の表面に皮膜が被覆された光学素子成型用被覆金型において、該皮膜は、硼素を含有し且つ硬度ＨｋがＧＰａで、０．５≦Ｈｋ≦１．５、であるアモルファス状皮膜を有することを特徴とする光学素子成型用被覆金型。
2. 請求項１に記載の該光学素子成型用被覆金型は、該アモルファス状皮膜とは別の膜として酸化アルミニウム膜を有し、該酸化アルミニウム膜は該金型基体と該アモルファス状皮膜との間に被覆されていることを特徴とする光学素子成型用被覆金型。
3. 請求項２に記載の該光学素子成型用被覆金型は、該アモルファス状皮膜と該酸化アルミニウム膜とは別の膜としてチタンの炭化物、窒化物、又は、炭窒化物から選択される１種以上のチタン化合物膜を有し、該チタン化合物膜が該酸化アルミニウム膜と該アモルファス状皮膜との間にあることを特徴とする光学素子成型用被覆金型。
4. 請求項１から３の何れかに記載の該光学素子成型用被覆金型は、該アモルファス状皮膜、該酸化アルミニウム膜と該チタン化合物膜とは別の膜として貴金属系皮膜、炭素系皮膜から選択される１種以上の皮膜を有し、該貴金属系皮膜又は該炭素系皮膜は該アモルファス状皮膜の表面に被覆されていることを特徴とする光学素子成型用被覆金型。
5. 請求項１から４の何れかに記載の光学素子成型用金型において、該金型基体がＷＣ基超硬合金又はＷＣ焼結体であることを特徴とする光学素子成型用被覆金型。
6. 化学蒸着法によりアモルファス状の硼炭窒化膜を被覆する際に、原料ガスとして少なくともアセトニトリルガスと硼素含有ガスを用い、成膜温度を７５０〜１０１０℃の範囲内に制御して、硼炭窒化膜をアモルファス状に調整、成膜することを特徴とする光学素子成型用被覆金型の製造方法。