JP2572438B2 - ガラスプレス成形型の製造方法 - Google Patents

ガラスプレス成形型の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、ガラスプレス成形型の製造方法に係り、詳
しくはガラスレンズ等の製造に用いられるガラスプレス
成形型の製造方法に関する。
[従来の技術及びその問題点] プレス成形によるガラスレンズの製造においては、ガ
ラスレンズ面は高温下において成形型の表面がそのまま
転写されることから、成形型表面でガラスレンズ面の面
精度ならびに面粗度が確保されなければならず、このた
めプレス成形型は高温下においてガラスと科学的な反応
を起こさないこと、耐酸化性及び耐熱性に優れているこ
と、硬度が高くプレス成形時に組織変化又は塑性変形し
ないこと、さらに型形状の加工性が良く型表面の摩擦抵
抗が極力小さいことなど必要とされる。
従来、プレス成形型としてはタングステンカーバイド
(WC)、シリコン(Si)、シリコンナイトライド(Si3N
4)等が用いられているが、これらはいずれも型表面に
ガラスの融着が起こるため、これを防止する手段として
型表面に各種カーボン離型膜を設けることが提案されて
いる。
例えば特開昭61−281030号公報ではマイクロ波プラズ
マCVD法により原料ガスをメタン(CH4)及び水素(H2
の混合ガスとしてダイヤモンド状膜を型表面に高温で成
形してプレス成形型とする方法が開示されている。
この高温成形のマイクロ波プラズマCVD法により得ら
れたダイヤモンド状膜は、耐熱性及び耐酸化性に優れ、
高硬度のため型表面に傷などが生じ難い利点があるが、
この膜はダイヤモンド結晶が集合した多結晶膜であるた
め表面の凹凸が激しく、型表面の良好な面粗度を得るた
めに研磨工程を必要とする。またマイクロ波プラズマCV
D法は再現性が悪く、かつ大面積化が困難であるという
問題を有している。さらにプレス成形型に型表面が汚れ
たり膜の一部が剥離した場合の再生が困難であるという
問題を有している。
また特開昭61−242922号公報ではイオンビームスパッ
タ法によりダイヤモンド状カーボン膜を型表面に低温で
成形する方法が開示されている。
この低温成形のイオンビームスパッタ法により得られ
たダイヤモンド状カーボン膜は、ダイヤモンドに近似し
た性質を示す非晶質膜であり、室温では高硬度で良好な
潤滑性を有するが、プレス成形温度領域に相当する例え
ば500℃以上の高温では構造がグラファイト化し硬度、
耐熱性が劣化するという欠点がある。
この他にもカーボン離型膜としては、、グラッシーカ
ーボン膜グラファイト膜が挙げられるが、これらも耐熱
性又は耐酸化性に劣るという問題を有している。
従って本発明の目的は、マイクロ波プラズマCVD法や
イオンビームスパッタ法などにより設けられたダイヤモ
ンド状カーボン離型膜等のカーボン離型膜を有するガラ
ス成形型の欠点を解消したガラス成形型を提供すること
にある。
[問題点を解決するための手段] 本発明は上述の目的を達成するためになされたもので
あり、本発明のガラスプレス成形型の製造方法は、 製造されるべきガラスプレス成形型の基盤上にイオン
プレーティング法によりi−カーボン膜を被覆する工程
を含み、 アノード電極と、第1のカソード電極と、前記プレス
成形型基盤を保持する基盤ホルダーとを有し、さらに前
記2つの電極を取り囲む形で前記基盤ホルダーの近くま
で伸びているリフレクターを有するイオンプレーティン
グ装置を用い、前記アノード電極と前記第1のカソード
電極との間に低電圧を印加して、炭素原子数と水素原子
数の比率(C/H)が1/3以上である炭化水素のイオンのプ
ラズマを発生させ、更に前記アノード電極に対して前記
基盤ホルダーが第2のカソード電極となるように前記基
盤ホルダーと前記アノード電極との間に0.5〜2.5KVの電
圧を印加するとともに、前記リフレクターを前記第1の
カソード電極と同電位として、炭化水素イオンを、温度
200〜400℃に保持された基盤の方向に集中的に加速する
ことにより、前記イオンプレーティング法を実施する ことを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記イオンプレーテ
ィング法を実施するに先立ち、イオンボンバード処理を
行なうのが好ましい。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のガラスプレス成形型の製造方法は、製造され
るべきガラスプレス成形型の形状とほぼ同一形状に研
削、研磨されたガラスプレス成形型基盤上にイオンプレ
ーティング法によりi−カーボン膜(非晶質の硬質カー
ボン膜)を被覆する工程を含むものである。
基盤材料としては、シリコン(Si)、シリコンナイト
ライド(Si3N4)、タングステンカーバイド(WC)や、
アルミナ(Al2O3)とチタンカーバイト(TiC)のサーメ
ット等も用いられるが、炭化珪素(SiC)焼結体を用い
るのが好ましい。この炭化珪素焼結体は、プレス成形の
際、ガラスと接する面にCV法による炭化珪素膜を有する
ものが特に好ましい。
イオンプレーティング法は、アノード電極と、第1の
カソード電極と、ガラスプレス成形型基盤を保持する基
盤ホルダーとを有し、さらに前記2つの電極を取り囲む
形で前記基盤ホルダーの近くまで伸びているレフレクタ
ーを有するイオンプレーティング装置を用いて実施され
る。このイオンプレーティング装置において、前記アノ
ード電極と前記第1のカソード電極との間に低電圧を印
加して炭化水素のイオンのプラズマを発生させる。両電
極間に印加される低電圧としては50〜150Vが好ましい。
50V未満ではイオン化率が低く非能率であり、150Vを越
えるとプラズマが不安定になるからである。また用いら
れる炭化水素としては、炭素原子数と水素原子数の比率
(C/H)が1/3以上であるものに限定され、その例として
は、ベンゼン(C/H=6/6)、トルエン(C/H=7/8)、キ
シレン(C/H=8/10)等の芳香族炭化水素、アセチレン
(C/H=2/2)、メチルアセチレン(C/H=3/4)、ブチン
類(C/H=4/6)等の三重結合含有不飽和炭化水素、エチ
レン(C/H=2/4)、プロピレン(C/H=3/7)、ブテン
(C/H=4/8)等の二重結合含有不飽和炭化水素、エタン
(C/H=2/6)、プロパン(C/H=3/8)、ブタン(C/H=4
/10)、ペンタン(C/H=5/12)等の飽和炭化水素が挙げ
られる。これらの炭化水素は、単独で用いても良く、2
種以上を混合して用いても良い。
これに対して、C/Hが1/3未満のメタン(C/H=1/4)
や、アセント、酢酸、アルコール類(メタノール、エタ
ノール、プロパノール等)、ジオキサン、アニリン、ピ
リジン等の酸素や窒素を含む炭化水素化合物は、離型膜
の成膜性及びプレス成形時のプレス成形品離型性の少な
くともいずれか一方が不十分であり、使用することが不
適当であることが判明している。
本発明においては、前記アノード電極に対して前記基
盤ホルダーが第2のカソード電極となるように前記基盤
ホルダーと前記アノード電極との間に0.5〜2.5KVの電圧
を印加する。この電圧を0.5〜2.5KVに限定した理由は、
0.5KV未満では、炭化水素イオンの加速が不十分でガラ
スプレス成形型基盤とi−カーボン膜との密着性が弱く
なり、得られた成形型を用いてプレス成形すると、少な
いプレス成形回数でガラスとの融着を生じ、一方2.5KV
を超えると、異常放電が生じやすく、得られた成形型の
型表面が荒れやすくなるからである。
又本発明においイオンプレーティング処理時の基盤の
温度は200〜400℃に限定される。
本発明者らは基盤を200〜400℃に加熱してi−カーボ
ン膜を成形する根拠として、レーザーラマン分光分析よ
り膜形成温度が膜構造と密接に関係していることを明ら
かにした。i−カーボンとはレーザーラマン分光分析で
1550cm-1に幅広いピークを示すものと定義付けられ、非
晶質のカーボンと考えられている。そして1550cm-1のピ
ークが1600cm-1側にシフトすると共に、結晶格子の乱れ
を示す1360cm-1のピークが成長した場合にはグラファイ
ト化したものと考えられる。第3図はディスク状の炭化
珪素膜上に室温、300、400、450、550℃の各温度で膜を
成形した場合のラマン特性図であり、膜成形温度が室温
及び300℃のものに関してはi−カーボン構造と同定で
きるが、400℃及び450℃のものでは1360cm-1のピーク強
度が大きくなると同時に1600cm-1側に波長がシフトする
傾向があり、550℃のものはその傾向が一層顕著となり
フラファイト構造となっていることが認められた。更に
こうして得られたi−カーボン膜とグラファイト膜との
差異を明らかにするため、島津製作所製微小硬度計DUH
−50を用いて各膜の硬度測定を行ない、それをビッカー
ス硬度に換算した結果、膜形成温度が室温から300℃で
は3000〜3400、400℃では2400,500℃以上では1500であ
った。またスクラッチ試験後の痕跡観察において、膜形
成温度が室温から200℃未満では痕跡の両端に貝殻状の
剥離を伴うような脆弱な膜質であるのに対して、200℃
以上ではこのような剥離を伴なわない靭性に富んだ膜質
であることが認められた。また、耐熱性を調べるための
窒素雰囲気中における650℃のアニーリングテストにお
いて、膜形成温度が400℃以上では1時間の保持で炭化
珪素膜表面との剥離を生じ、室温から200℃未満では昇
温直後にカーボン膜がフィルム状に基盤表面から浮き上
り耐熱性に劣ることが認められた。これらに対して膜成
形温度が200℃以上では30時間保持後も何ら劣化を示さ
なかった。
以上が基盤の温度を200〜400℃に限定した理由である
が、後記の実施例及び比較例によってもこのことは十分
に実証される。
以下に本発明の実施例について説明する。
[実施例1] ガラスプレス成形型の基盤材料として炭化珪素(Si
C)焼結体を用い、研削によりプレス成形型形状に加工
後、プレス成形の際、ガラスと接する面はCVD法により
炭化珪素膜を成形し、更に研削及び研磨して鏡面に仕上
げて成形型基盤とする。次に上記成形基盤の炭化珪素膜
上にi−カーボン膜をイオンプレーティング法により被
覆する。第1図に示されたイオンプレーティング装置20
において、真空槽11の上部にヒーター19を内蔵した基盤
ホルダー12が設けられ、これに炭化珪素膜を有する成形
型基盤13が保持されている。基盤ホルダー12と対向した
下部にはタンタル(Ta)フィラメントから成る第1のカ
ソード電極14とタングステン(W)ワイヤーが格子状に
張られたグリッドとしてのアノード電極15が設置され、
この両電極14,15を取り囲む形で基盤ホルダー12の近傍
まで円筒状のリフレクター16が設けてあり、これは第1
のカソード電極14の同電位とし、プラズマが真空槽側壁
に流れず基盤13に集中することを目的としている。また
図中、17はアルゴン及びベンゼンガス導入口、18は真空
排気のための排気口である。
排気口18より真空槽11内の真空度を5.0×10-6Torrに
排気した後、ガス導入口17よりアルゴンガスを導入する
ことによって真空度を0.8×10-4Torrに保持し、第1の
カソード電極14とアノード電極15間に70Vの電圧を印加
し、この間にプラズマを発生させ、第1のカソード電極
14からの熱電子によりアルゴンガスをイオン化する。更
に基盤ホルダー12とアノード電極15間に1.0KVの電圧を
印加してアルゴンイオンの加速を促進し、成形型基盤13
の表面をイオンボンバードすることにより清浄化する。
すなわちイオンの全体的な動きから見ればアノード電極
15に対して基盤ホルダー12をカソード電極と見なすこと
もでき、既に述べたように第2のカソード電極と称す
る。この基盤ホルダー12つまり第2のカソード電極は作
業の安全性を考慮してグラウンド電位としてある。以上
は装置の原理をわかり易く説明するために述べたもので
あり、基盤ホルダーがグラウンド電位であるということ
は実際にはアノード電極15に1.0KVの電位を印加するこ
とになり、この電位は、第1のカソード電極14でもある
フィラメントを加熱してプラズマを発生させる以前に印
加しておく方が好ましい。このイオンボンバード工程に
おいて成形型基盤13の加熱は必ずしも必要ではないが、
型面の清浄効果の促進及び次に続く成膜工程における加
熱のことを考えればここで加熱しておくことが好まし
い。
次に、再び真空槽11の真空排気を行ない、ガス導入口
17よりベンゼンガスを導入することによって真空度を9.
0×10-4Torrに保持し、基本的にはイオンボンバード工
程と同操作によりイオンプレーティング工程を行なう。
すなわち、第1のカーソード電極14とアノード電極15間
に70Vの電圧を印加してベンゼンイオンのプラズマを発
生させ、更に第2のカーソード電極である基盤ホルダー
12とアノード電極15間に1.0KVの電圧を印加するととも
に、リフレクター16を第1のカソード電極14と同電位に
保持することにより、ベンゼンイオンを成形型基盤13の
方向に集中的に加速し、あらかじめ300℃に加熱してお
いた成形型基盤13の表面に膜厚600Åのi−カーボン膜
を成形する。
このようにして、第2図に示すように、所定形状の炭
化珪素焼結体1上のプレス成形面に、CVD法により成形
された炭化珪素膜2を有し、さらにこの炭化珪素膜2上
に、イオンプレーティング法により成形されたi−カー
ボン膜3を有する本実施例のガラスプレス成形型4が得
られた。
次に本実施例で得られたガラスプレス成形型を用いて
行なったプレス成形結果について説明する。第2図の如
く、一対のガラスプレス成形型4,4と案内型5との間に
ガラスA(ランタン系光学ガラス)からなるガラス6を
配置した後、窒素雰囲気中でガラス6を温度560℃(ガ
ラス粘度109ポアズに相当)にて30kgf/cm2のプレス圧で
30秒間のプレス成形を行ない、室温まで急冷する操作を
繰り返した結果、炭化珪素膜上にi−カーボン膜を600
Åの膜厚で成形した本実施例の成形型では1000回のプレ
ス成形でもガラスの融着は認めらせず、i−カーボン膜
3の表面も何ら劣化を示さなかった(表−1の実施例1
における型試料No.4〜7についてのガラスAの離型状態
の記載参照)。これに対して炭化珪素膜を有するが、i
−カーボン膜を有しない参考例の式形型では5〜9回で
ガラスの融着が認められた(表−1の参考例における型
試料No.1〜3についてのガラスAの離型状態の記載参
照)。
また上記ガラスAとは異なるガラスB(バリウム系光
学ガラス)を温度720℃(ガラス粘度109ポアズに相当)
で上記と同条件でプレス成形を行なったところ、本実施
例の成形型では、4種の型試料のうち3種は625〜891回
目にガラスの融着が認められたが、弗化水素アンモニウ
ム液による融着ガラスの除去後再びプレス成形の続行が
可能であった。また残りの1種の型試料については1000
回のプレス成形後も融着は認められなかった(表−1の
実施例1における型試料No.104〜107についてのガラス
Bの離型状態の記載参照)。
また、このプレス成形に関連して、ディスク状に加工
したCVD法による炭化珪素膜又はこの炭化珪素膜上に本
実施例の方法に従ってi−カーボン膜を成形したものに
ついて、球状の被成形ガラスとの間の摩擦係数の測定を
行なった結果、炭化珪素膜では0.40であるのに対して、
炭化珪素膜上にi−カーボン膜を形成したものでは0.10
であり、i−カーボン膜が被成形ガラスに対して良好な
潤滑性を示していることが認められた。
比較例1a 実施例1と同様にベンゼンガスを用い、基盤温度を30
0℃としたが、基盤ホルダーとアノード電極間の電圧を
本発明の範囲(0.5〜2.5KV)に含まれない0.4KVとして
イオンプレーティング法によりi−カーボン膜を成膜し
た。
得られたi−カーボン膜付き成形型を用いて実施例1
と同様にガラスプレス成形を行なったが、ガラスAの場
合、24〜29回で融着が認められ、一方ガラスBの場合も
20〜26回で融着が認められた(表−1の比較例1aにおけ
る型試料No.8〜9及びNo.108〜108の結果参照)。
比較例1b 実施例1と同様にベンゼンガスを用い、基盤ホルダー
とアノード電極間の電圧を1.0KVとしたが、基盤温度を
本発明の範囲(200〜400℃)に含まれない80℃としてイ
オンプレーティング法によりi−カーボン膜を成膜し
た。
得られたi−カーボン膜付き成形型を用いて実施例1
と同様にガラスプレス成形を行なったが、ガラスAの場
合、7〜9回で融着が認められ、一方ガラスBの場合も
2〜4回で融着が認められた(表−1の比較例1bにおけ
る型試料No.10〜11及びNo.110〜111の結果参照)。
比較例1c 実施例1と同様にベンゼンガスを用い、基盤ホルダー
とアノード電極間の電圧を1.0KVとしたが、基盤温度を
本発明の範囲(200〜400℃)に温まれない450℃として
イオンプレーティング法によりi−カーボン膜を成膜し
た。
得られたi−カーボン膜付き成形型を用いて実施例1
と同様にガラスプレス成形を行なったが、ガラスAの場
合、87〜93回で融着が認められ、一方ガラスBの場合も
41〜45回で融着が認められた(表−1の比較例1cにおけ
る型試料No.12〜13及びNo.112〜113の結果を参照)。
実施例2 原料ガスのベンゼンをアセチレンに変えた以外は実施
例1と同様の実験を行なった。すなわち、アセチレンガ
スにより真空度を1.0×10-3Torrとし、基盤温度300℃、
基盤ホルダーとアノード電極間の電圧1.0KV、アノード
電極と第1のカソード電極間の電圧90Vとして成形型基
盤13の表面に600Åのi−カーボン膜を形成した。次に
本実施例で得られたガラスプレス成形型を用いた実施例
1におけると同様にプレス成形を行なった結果、ガラス
Aでは1000回のプレス成形後もガラス融着は認められ
ず、i−カーボン膜表面も何ら劣化を示さなかった(表
−1の実施例2における型試料No.14〜17についてのガ
ラスAの離型状態の記載参照)。またガラスAとは別種
のガラスBでは、4種の型試料について438〜518回目に
ガラスの融着が認められたため弗化水素アンモニウム液
による融着ガラスの除去を行なったところ、融着跡のi
−カーボン膜表面に若干の肌荒れが生じたが、その後の
プレス成形には支障のない程度であった(表−1の実施
例2における型試料No.114〜117についてのガラスBの
離型状態の記載参照)。
比較例2a 実施例2と同様に基盤温度を300℃、基盤ホルダーと
アノード電極間の電圧を1.0KVとしたが、アセチレンの
代りに本発明外のアセトンを用いイオンプレーティング
法によりi−カーボン膜を成膜した。
得られたi−カーボン膜付き成形型を用いて実施例2
と同様にガラスプレス成形を行なったが、ガラスAの場
合、87〜114回で融着が認められ、一方ガラスBの場合
も63〜91回で融着が認められた(表−1の比較例2aにお
ける型試料No.18〜19及びNo.118〜119の結果参照) 比較例2b 実施例2と同様に基盤温度を300℃、基盤ホルダーと
アノード電極間の電圧を1.0KVとしたが、アセチレンガ
スの代りに本発明外のメタンガスを用いイオンプレーテ
ィング法によりi−カーボン膜を成膜した。
得られたi−カーボン膜付き成形型を用いて実施例2
と同様にガラスプレス成形を行なったが、ガラスAの場
合、96〜105回で融着が認められ、一方ガラスBの場合
も53〜72回で融着が認められた(表−1の比較例2bにお
ける型試料No.20〜21及びNo.120〜121の結果参照)。
比較例2c 実施例2と同様に基盤温度を300℃、基盤ホルダーと
アノード電極間の電圧を1.0KVとしたが、アセチレンガ
スの代りに本発明外のピリジンガスを用い、イオンプレ
ーティング法によりi−カーボン膜を成膜した。
得られたi−カーボン膜付き成形型を用いて実施例2
と同様にガラスプレス成形を行なったが、ガラスAの場
合、128〜142回で融着が認められ、一方ガラスBの場合
も105〜110回で融着が認められた(表−1の比較例2cに
おける型試料No.22〜23及びNo.122〜123の結果参照)。
実施例3〜4 原料ガスのベンゼンをトルエン(実施例3)及びキシ
レン(実施例4)に変えた以外は実施例1と同様に実施
し、プレス成形型を得た。
得られたプレス成形型を用いてガラスのプレス成形を
行なったが、実施例1の場合よりもやや劣るが、実施例
3の場合、ガラスAで586回以上まで融着せず、ガラス
Bで403回以上まで融着せず良好な結果が得られた(表
−1の実施例3における型試料No.24〜27及びNo.124〜1
27の離型状態の記載参照)。
また実施例4の場合も、ガラスAで582回以上まで融
着せず、ガラスBで430回以上まで融着せず、良好な効
果が得られた(表−1の実施例4における型試料No.28
〜31及びNo.128〜131の離型状態の記載参照)。
実施例5 原料ガスのベンゼンをペンタンに変えた以外は実施例
1と同様に実施し、プレス成形型を得た。
得られたプレス成形型を用いてガラスのプレス成形を
行なったが、実施例1の場合よりもやや劣るが、ガラス
Aで631回以上まで融着せず、ガラスBで941回以上まで
融着せず良好な結果が得られた(表−1実施例5におけ
る型試料No.32〜35及びNo.132〜135の離型状態の記載参
照)。
[発明の効果] 以上説明した通り本発明のガラスプレス成形型の製造
方法によれば、イオンプレーティング法によるi−カー
ボン膜の形成に際して、所定の炭化水素、所定の電圧条
件、所定の温度条件等を採用することにより、ガラスプ
レス成形型基盤との密着性、硬度、潤滑性等にすぐれた
i−カーボン膜を有するガラスプレス成形型を得ること
ができた。このようにして得られたガラスプレス成形型
は、ガラスプレス成形を多数回繰り返してもi−カーボ
ン膜が剥離しにくく、かつガラス離型性もよいので、長
期間にわたってガラスプレス成形のために使用すること
ができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の方法を実施するのに好適なイオンプレ
ーティング装置の概略図、第2図は本発明の方法で得ら
れたガラスプレス成形型を用いるガラスプレス成形例を
示す概略図、第3図は膜形成温度が膜構造と密接に関係
していることを示すレーザーラマン分光分析図である。 1……炭化珪素焼結体、2……炭化珪素膜、3……i−
カーボン膜、4……ガラス成形型、5……案内型、6…
…被成形ガラス、11……真空槽、12……基盤ホルダー、
13……ガラス成形型基盤、14……カソード電極、15……
アノード電極、16……リフレクター、17……ガス導入
口、18……排気口、19……ヒーター、20……イオンプレ
ーティング装置。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】製造されるべきガラスプレス成形型の基盤
    上にイオンプレーティング法によりi−カーボン膜を被
    覆する工程を含み、 アノード電極と、第1のカソード電極と、前記ガラスプ
    レス成形型基盤を保持する基盤ホルダーとを有し、さら
    に前記2つの電極を取り囲む形で前記基盤ホルダーの近
    くまで伸びているリフレクターを有するイオンプレーテ
    ィング装置を用い、前記アノード電極と前記第1のカソ
    ード電極との間に低電圧を印加して、炭素原子数と水素
    原子数の比率(C/H)が1/3以上である炭化水素のイオン
    のプラズマを発生させ、更に前記アノード電極に対して
    前記基盤ホルダーが第2のカソード電極となるように前
    記基盤ホルダーと前記アノード電極との間に0.5〜2.5KV
    の電圧を印加するとともに、前記リフレクターを前記第
    1のカソード電極と同電位として、炭化水素イオンを、
    温度200〜400℃に保持された基盤の方向に集中的に加速
    することにより、前記イオンプレーティング法を実施す
    ることを特徴とするガラスプレス成形型の製造方法。
  2. 【請求項2】前記イオンプレーティング法を実施するに
    先立ち、イオンボンバード処理を行なう、請求項(1)
    に記載の方法。
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