JP2009161402A - 光学素子成形用金型および光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金型の母材に含まれる軽元素の成形面への拡散を抑制し、長期にわたり使用可能な光学素子成形用金型等を提供する。
【解決手段】母材１１と、母材１１の成形面に形成され下記（ａ）式により表される組成のアモルファス構造を含む被覆膜１２と、被覆膜１２の上にＤＬＣ等からなる離型膜１３を有することを特徴とする光学素子成形用金型１０。
Ｔａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙ …（ａ）
（但し、ｘ、ｙは、０．０５≦ｘ≦０．４、０．３≦ｙ≦１である。）
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子成形用金型等に係り、特に、長期にわたり使用可能な光学素子成形用金型等に関する。

光通信等に用いられるレンズや、ＤＶＤのピックアップヘッドに搭載されるレンズおよびデジタルカメラに用いられるレンズなどの光学素子は、高屈折率、低複屈折、低色収差及び耐高温性の観点からガラスレンズが用いられる。また、このガラスレンズの表面を非球面とすることで、単一レンズで収差を無くすこともでき、デバイスの軽量化が可能である。この非球面ガラスレンズの製造方法には、従来の研磨方法では加工精度および量産性に劣ることから、モールド成形法が用いられる。このモールド成形法は、プリフォームと呼ばれる加熱軟化させたガラスを、所望の精度に仕上げられた非球面成形表面を有する金型でプレスすることで、金型の形状を転写する成形法である。

従って、金型表面は、耐熱性に優れ、ガラスとの反応性が低く、膜硬度が大きいことが要求される。このため、貴金属合金膜（ＰｔＩｒ、ＰｔＲｈ等）やカーボン膜のような離型膜を金型の母材に成膜し、これらの条件を満たす光学素子製造用の金型を実現しようとする試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２２６２２１号公報

しかしながら、これらの貴金属合金膜（ＰｔＩｒ、ＰｔＲｈ等）やカーボン膜のような離型膜を単に成膜するだけでは、金型の母材に含まれる軽元素の成形表面への拡散を防止することができない。その結果、金型の成形面におけるガラスとの反応性が不均一となり、製造した光学素子に亀裂が発生するといった問題が生じる。また、カーボン膜の場合、金型の母材に含まれる軽元素が表面に拡散することにより、成形表面に凹凸が生じるため、製造された光学素子表面に凹凸が転写し、曇りが発生するといった問題があった。
これらの問題を解決するために、離型膜と母材との間に無機物のバリア層を設ける手法もあるが、従来用いられてきたバリア層は光学素子の成形による長時間の熱サイクルを経ると粒成長し、バリア性を失う。また、この粒成長は、金型の成形面を荒らすため、金型の寿命を縮め、その結果、光学素子の生産性を悪くする原因にもなる。

上記課題に鑑み、本発明の目的は、金型の母材に含まれる軽元素の成形面への拡散を抑制し、長期にわたり使用可能な光学素子成形用金型を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、生産性よく光学素子を製造する方法を提供することにある。

本発明者らは、鋭意検討した結果、バリア層としてアモルファス構造を含む膜を使用することで軽元素の金型成形面への拡散を抑制できることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成した。即ち、本発明は以下を要旨とするものである。

かかる目的のもと、本発明の光学素子成形用金型は、母材と、母材の成形面に形成され、Ｔａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙ（但し、ｘ、ｙは、０．０５≦ｘ≦０．４、０．３≦ｙ≦１である。）により表される組成の被覆膜とを有することを特徴とする。

ここで、被覆膜は、アモルファス構造を含むことが好ましく、被覆膜は、ガラスまたは結晶化ガラスからなることが好ましく、被覆膜は、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折測定で、θ−２θ法により２θを５５°〜６５°の範囲で測定することによって得られるＸ線回折スペクトルのＴａＮのピークの半値幅が８°以上、またはピークが検出できないことが更に好ましい。

また、被覆膜は、ＢＮを更に含むことが好ましく、被覆膜の上に離型膜を更に有することが更に好ましい。

また、本発明の光学素子の製造方法は、母材の成形面に、Ｔａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙ（但し、ｘ、ｙは、０．０５≦ｘ≦０．４、０．３≦ｙ≦１である。）により表される組成の被覆膜が形成された金型を用いて、モールド成形により製造されることを特徴とする。

ここで、モールド成形を行う際の成形温度は、５００℃以上であることが好ましい。

本発明によれば、金型の母材に含まれる軽元素の成形面への拡散を抑制し、長期にわたり使用可能な光学素子成形用金型等を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態にかかる光学素子成形用金型の概略構成を示す図である。
図１に示した光学素子成形用金型１０は、母材１１と、母材１１に含まれる軽元素の拡散防止のための被覆膜１２と、成形されて固化した光学素子と光学素子成形用金型１０との離型を容易にするための離型膜１３とを有して構成される。

母材１１は、例えば、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とし他の軽金属元素をバインダ成分として含んだ超硬合金により形成される。母材１１は、他の軽金属元素として、例えば、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）を含む。母材１１は、ガラスレンズの成形に足るだけの強度を有し、モールド成形を行う面側は、成形する光学素子の形状に応じた球面、非球面、もしくは自由曲面形状に加工されている。また、母材１１は、平均表面粗さＲａが例えば２ｎｍ以下に研削され研磨されている。なお、母材１１は、タンタルカーバイト（ＴａＣ）、チタンカーバイト（ＴｉＣ）、タンタルナイトライド（ＴａＮ）、及びチタンナイトライド（ＴｉＮ）のうちいずれかひとつを主成分とするサーメットで構成されてもよい。
また、離型膜１３は、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属またはその合金や、ＤＬＣ（Diamond like Carbon）などによる膜である。この膜厚は、例えば０．０５μｍ〜３μｍであり、平均表面粗さＲａは、例えば４ｎｍ以下である。

被覆膜１２は、タンタル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）からなる膜であり、その組成をＴａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙで表したとき、０．０５≦ｘ≦０．４、０．３≦ｙ≦１としたものである。
このとき、Ｂは少量であれば、ＴａＮの硬度を低下させることなく、ＴａＮの格子間に侵入し、ＴａＮをアモルファス化させる。格子間に侵入したＢは加熱後も格子間に留まり、アモルファス化により被覆膜１２を構成する成分が粒成長するのを抑制することができる。
ここで、Ｂの組成はｘ≦０．４であればＴａＮの格子間に侵入でき、Ｔａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙの組成を有する化合物となるが、それ以上ではＴａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙとはならず過剰なＢが生じる。しかし、過剰なＢを窒化物とすると、ＢＮからなる組成物が生じ、被腹膜１２自身にこのＢＮによる潤滑性を持たすことが可能である。そのため、ＢＮが生じる範囲である限り不都合は生じない。なおＢの含有量の下限としては、ＴａＮをアモルファス化する効果が生じる範囲として、ｘ≧０．０５であることが好ましい。
ＮはＴａおよびＢと結合して硬質な窒化物を形成する。また、上記で述べたように、過剰なＢをドープすると遊離のＢができ、熱的に不安定になるので、窒化度は高いほうが良い。この観点からＮは、０．３≦ｙ≦１の範囲が好ましく、０．５≦ｙ≦１の範囲がより好ましい。
被覆膜１２の粒成長抑制にかかわる因子となるアモルファス化の度合いについては、θ−２θ法によるＸＲＤ（X-Ray Diffraction：Ｘ線回折）測定で特定することができる。すなわちＣｕ−Ｋα線を用いたとき、Ｂを添加しない場合にはＸ線回折スペクトルにＴａＮによる回折ピークが現れるが、Ｂを添加することにより、この回折ピークがブロード化し、さらに添加するとピークが検出されなくなる。ＴａＮの回折ピークは２θ＝５５°〜６５°の範囲にあり、Ｂ添加により半値幅が８°以上になるか、またはピークが検出できなければアモルファス化を確認できる。
また、被覆膜１２は、その全てがアモルファス化している必要はなく、アモルファス構造を一部に含む形態であればよい。また、結晶化ガラスとなっていてもよい。

被覆膜１２の膜厚は、バリア性、耐久性の確保の点から５０ｎｍ以上とすることが好ましい。しかし、膜厚が過度に厚い場合、応力により剥離しやすくなる。このため、膜厚の上限は２０００ｎｍ以下、より好ましくは１０００ｎｍ以下とすることが好ましい。
本実施の形態による被覆膜１２を形成することにより、長期にわたる高温状態においても粒成長を抑制し、光学素子成形用金型１０の成形面における平滑性を維持することができる。また、粒成長を抑制することにより、長期にわたり高温状態でモールド成形を行っても、母材１１中に含有する軽元素成分の染み出しを抑制することを可能とする。モールド成形を行う際の成形温度は、５００℃以上である場合に軽元素の染み出しを抑制する効果が得られやすい。

次に、以上説明した光学素子成形用金型１０を製造する装置と方法について説明する。
図２は、本実施の形態にかかる光学素子成形用金型１０を製造する際に使用される成膜装置３０の構成を示した図である。
図２に示されているように、成膜装置３０は、母材１１が搭載される金型保持台３２と、前述した被覆膜１２や離型膜１３の素材となるターゲット３４と、母材１１の成膜環境を制御するガス流量調整器３６とを備えている。

また、成膜装置３０は、母材１１とターゲット３４の周囲を真空環境にする真空排気装置３８と、ターゲット３４上の磁場を水平にするマグネット４０と、母材１１とターゲット３４の周囲環境の真空度を測定する真空度測定装置４２とを備えている。更に、成膜装置３０は、ターゲット３４を真空槽４８と絶縁する絶縁体４４と、ターゲット３４に高周波電圧を印加する高周波電源４６とを備えている。更にまた、成膜装置３０は、母材１１とターゲット３４とを収容し真空環境を維持する真空槽４８と、ターゲット３４が載置されるカソード５０とを有して構成される。

図２に示した成膜装置３０を用いて、金型形状に加工された母材１１に対して、最初に被覆膜１２をスパッタ法により成膜する。
まず、成膜対象である母材１１とターゲット３４とを対向して配置し、真空排気装置３８により周囲環境を真空状態にする。ここで用いられるターゲット３４は、Ｔａ、Ｂを含む混合物である。
次に、ガス流量調整器３６により真空槽４８内に、ＡｒとＮ_２からなる混合ガスを導入する。

混合ガスが所定の圧力に達した後、高周波電源４６を用いて母材１１とターゲット３４との間に高周波電圧を印加する。高周波電圧を印加するとターゲット３４からは電子が飛び出す。飛び出した電子は、真空環境を高速移動し、真空環境中にわずかにある気体分子に衝突し、気体分子の電子をはじき飛ばし、イオンを生成する。この際、高速移動する電子やイオンは、マグネット４０により作られた磁場の影響を受けて、ターゲット３４に衝突する。そして、ターゲット３４に衝突したイオンは、ターゲット３４の粒子をはじき飛ばす（スパッタリング現象）。はじき飛ばされたターゲット３４の粒子が母材１１に衝突、付着することで、Ｔａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙの組成からなる被覆膜１２が成膜される。

被覆膜１２が形成された後、カソード５０に載置された被覆膜１２作成用のターゲット３４は離型膜１３用のターゲットである白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属やその合金等からなるターゲット３４に置き換えられた後、同じくスパッタ法により、被覆膜１２上に離型膜１３用が成膜され、本実施の形態の光学素子成形用金型１０が製造される。

なお、母材１１上に被覆膜１２や離型膜１３を成膜する方法は、以上のようなスパッタ方に限られるわけではない。例えば、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法などの各種の物理的蒸着、化学的蒸着を適用することができる。

以上で説明した製造方法により製造された光学素子成形用金型１０を用いて、光学素子をモールド成形する装置および方法を以下に説明する。
図３は、本実施の形態により製造された光学素子成形用金型１０を用いた、モールド成形装置１００を示す構成図である。
モールド成形装置１００は、光学素子をモールド成形する下金型１０ａ及び上金型１０ｂと、下金型１０ａ及び上金型１０ｂを所定の温度に維持する下均熱プレート１１４及び上均熱プレート１１６と、下金型１０ａ及び上金型１０ｂを昇温する下加熱ヒーター１１８及び上加熱ヒーター１２０とを有して構成される。また、モールド成形装置１００は、上金型１０ｂを可動させる加圧シリンダー１２４と、光学素子の成形環境を制御する窒素導入口１２６及び窒素排気口１２８と、下金型１０ａ及び上金型１０ｂ等を収容するガラスレンズ成形器１３０と、上金型１０ｂの動作を規制するスリーブ１３２とを有して構成される。

下金型１０ａと上金型１０ｂとは共に、上述した光学素子成形用金型１０である。下金型１０ａと上金型１０ｂとが、載置されて軟化された光学素子母材１２２をモールド成形法により成形してガラスレンズを製作する。
下均熱プレート１１４と上均熱プレート１１６は、それぞれ下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０に搭載される。下均熱プレート１１４と上均熱プレート１１６は、サーマルバッファ（熱的緩衝体）の役割を果たし、下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０から受ける熱を、光学素子の製作に支障がない程度に均一な状態にして下金型１０ａと上金型１０ｂとに伝える。ここで、下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０とは、図示しない制御手段を用いて、下金型１０ａと上金型１０ｂの表面がモールド成形に適した温度になるように制御されている。

光学素子母材１２２は、例えば、シリカを主成分とし、アルミナ、ナトリウム、フッ化ランタン等が添加された低融点ガラスにより構成される。光学素子母材１２２は、例えば、軟化温度が約６００℃以下の低融点ガラスであっても、軟化温度が約４００℃以下の超低融点ガラスであってもよい。
加圧シリンダー１２４は、上加熱ヒーター１２０及び上均熱プレート１１６に固定された上金型１０ｂを上下動させる駆動系である。図示しない制御手段により動作が制御される。
窒素導入口１２６及び窒素排気口１２８は、成形時の金型の雰囲気を窒素として、高温下での酸化を防止している。

以上の構成を有するモールド成形装置１００が光学素子母材１２２をモールド成形して光学素子を製造する製造工程を以下に説明する。
まず、光学素子母材１２２を、下金型１０ａと上金型１０ｂとの間に光学素子母材１２２を投入し、光学素子母材１２２をモールド成形装置１００に配置する。

次に、図示しない排気ポンプ及び処理ガス導入ポンプを使って、窒素導入口１２６から窒素を導入し、モールド成形装置１００内部の空気を窒素ガスに置換する。そして、下加熱ヒーター１１８及び上加熱ヒーター１２０を昇温し、窒素雰囲気下で光学素子母材１２２の転移点（転移温度）Ｔｇまで光学素子母材１２２を充分に加熱し、更に、屈伏点（屈伏温度）Ａｔまで昇温して光学素子母材１２２を軟化させる。
そして、屈伏温度Ａｔ付近になったとき、加圧シリンダー１２４により上金型１０ｂを可動させ、下金型１０ａと上金型１０ｂとにより光学素子母材１２２をプレスする。

光学素子母材１２２は、プレスの際に下金型１０ａ及び上金型１０ｂにより加えられる圧力により外側に広がり、下金型１０ａと上金型１０ｂとの間にできる空隙に収容され、モールド成形される。
その後、圧力を加えたままモールド成形装置１００を転移温度Ｔｇまで冷却し、更に上金型１０ｂの圧力を開放し、例えば常温まで冷却して、光学素子を取り出す。

〔光学素子成形用金型の作成装置、作成条件〕
（実施例１〜５）
光学素子成形用金型１０の作成装置として、図２に示した成膜装置３０を使用した。
実施例１〜５では、母材１１上に被覆膜１２を構成するＴａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙの１−ｘ、ｘ、ｙとして下記の表１で示す組成のものを成膜した。処理ガスとしてＡｒ、Ｎ_２の混合ガスを使用し、圧力は０．５４Ｐａとした。このとき、Ｎ_２の分圧を調整することでＴａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙ中のＮの量を調整した。その結果、２００ｎｍの膜厚を有する被覆膜１２が成膜された。
被覆膜１２の上に、ＤＬＣからなる離型膜１３の成膜を行った。膜厚は、５０ｎｍとした。
（実施例６〜１０）
実施例６〜１０では、被覆膜１２を構成するＴａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙの１−ｘ、ｘ、ｙとして下記の表１で示す組成のものを成膜した。それぞれの組成は、実施例１〜５と同様であるが、被覆膜１２上に成膜する離型膜１３として、実施例１〜５で使用したＤＬＣではなく、Ｐｔ_０．４Ｉｒ_０．６の組成からなる膜を成膜した。
その他の条件は、実施例１〜５と同様の条件で光学素子成形用金型１０を作成した。

（比較例１〜３）
被覆膜１２を構成するＴａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙの１−ｘ、ｘ、ｙとして下記の表１で示す組成のものを使用した以外は、実施例１〜５と同様の条件で、光学素子成形用金型１０を作成した。
（比較例４〜６）
被覆膜１２を構成するＴａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙの１−ｘ、ｘ、ｙとして下記の表１で示す組成のものを使用した以外は、実施例６〜１０と同様の条件で、光学素子成形用金型１０を作成した。
（比較例７〜８）
比較例７〜８では、被覆膜１２の成膜を行わず、母材１１上に直接離型膜１３を成膜した。このとき離型膜１３として、比較例７では、ＤＬＣを、また比較例８では、Ｐｔ_０．４Ｉｒ_０．６の組成からなる膜を使用した。

〔評価方法〕
以上のようにして得られた実施例１〜１０および比較例１〜８の光学素子成形用金型１０を用い、図３で示したモールド成形装置１００を用いて両凸レンズの連続成形を実施した。
下金型１０ａ上に、球状加工した硼珪酸光学ガラスＶＣ８０（住田光学ガラス社製）を光学素子母材１２２として設置し、下金型１０ａおよび上金型１０ｂを窒素雰囲気中で６００℃に加熱した。光学素子母材１２２を加熱、軟化させるため均熱時間６０秒を設け、その後、上金型１０ｂを駆動して、３０kgf/cm^２のプレス圧で６０秒間保持した。そして、１０kgf/cm^２で保圧したまま５４０℃まで冷却し、それ以後の冷却では上金型１０ｂを離型させて２００℃において成形された光学素子を取り出した。
以上の成形工程を合計２００回繰り返し、連続成形試験とした。連続成形試験前後の光学素子成形用金型１０の平均表面粗さＲａをＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）で測定し、また、試験終了後の光学素子成形用金型１０表面への軽元素の表面拡散状態をＡＥＳ（Auger Electron Spectroscopy：オージェ電子分光分析法）を用いてＮｉ量を測定することで行った。
この際に、連続成形試験後の光学素子成形用金型１０の平均表面粗さＲａは、３．０ｎｍ未満であれば良好と判断した。また、光学素子成形用金型１０表面のＮｉ量は検出限界以下であれば良好と判断した。

〔評価結果〕
評価結果を、表１に示す。
表１では、実施例１〜１０および比較例１〜８で使用した離型膜１３の種類、被覆膜１２の組成、連続成形試験の前後における平均表面粗さＲａ、および連続成形試験後の光学素子成形用金型１０表面のＮｉ量（ａｔ％）をそれぞれ示した。
表１で示した結果によれば、実施例１〜１０において離型膜１３の組成にかかわらず、
被覆膜１２を構成するＴａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙが、０．０５≦ｘ≦０．４、０．３≦ｙ≦１の範囲内のものは、平均表面粗さＲａ、光学素子成形用金型１０表面のＮｉ量共に良好な結果を得た。
一方、比較例１〜６で示したように、被覆膜１２を成膜してもその組成が、０．０５≦ｘ≦０．４、０．３≦ｙ≦１の範囲外であると、平均表面粗さＲａについては良好なものもあったが、光学素子成形用金型１０表面のＮｉ量については、全て不合格であった。
また比較例７〜８で示したように、被覆膜１２を成膜せず、離型膜１３のみを成膜したものについては、平均表面粗さＲａ、光学素子成形用金型１０表面のＮｉ量共に不合格となった。

本実施の形態にかかる光学素子成形用金型の概略構成を示す図である。 本実施の形態にかかる光学素子成形用金型を製造する際に使用される成膜装置の構成を示した図である。 本実施の形態により製造された光学素子成形用金型を用いた、モールド成形装置を示す構成図である。

符号の説明

１０…光学素子成形用金型、１０ａ…下金型、１０ｂ…上金型、１１…母材、１２…被覆膜、１３…離型膜、３０…成膜装置、１００…モールド成形装置

Claims (8)

1. 母材と、
   前記母材の成形面に形成され、下記（ａ）式により表される組成の被覆膜と、
   を有することを特徴とする光学素子成形用金型。
   Ｔａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙ …（ａ）
   （但し、ｘ、ｙは、０．０５≦ｘ≦０．４、０．３≦ｙ≦１である。）
2. 前記被覆膜は、アモルファス構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。
3. 前記被覆膜は、ガラスまたは結晶化ガラスからなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。
4. 前記被覆膜は、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折測定で、θ−２θ法により２θを５５°〜６５°の範囲で測定することによって得られるＸ線回折スペクトルのＴａＮのピークの半値幅が８°以上、または当該ピークが検出できないことを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。
5. 前記被覆膜は、ＢＮを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。
6. 前記被覆膜の上に離型膜を更に有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用金型。
7. 母材の成形面に下記（ａ）式により表される組成の被覆膜が形成された金型を用いて、モールド成形により製造されることを特徴とする光学素子の製造方法。
   Ｔａ_１−ｘＢ_ｘＮ_ｙ …（ａ）
   （但し、ｘ、ｙは、０．０５≦ｘ≦０．４、０．３≦ｙ≦１である。）
8. 前記モールド成形を行う際の成形温度は、５００℃以上であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子の製造方法。

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