JP2830969B2

JP2830969B2 - 光学素子成形用型及びその製造方法

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Publication number: JP2830969B2
Application number: JP5091926A
Authority: JP
Inventors: 靖谷口; 敬二平林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1998-12-02
Anticipated expiration: 2013-12-02
Also published as: JPH0672728A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レンズ、プリズム等の
ガラスよりなる光学素子をガラス素材のプレス成形によ
り製造するのに使用される型及びその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】研磨工程を必要としないでガラス素材の
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なる光学素子の製
造に使用されるようになってきた。

【０００３】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、数多くの提案がさ
れている。いくつかの例を挙げるならば、特開昭４９−
５１１１２には１３Ｃｒマルテンサイト鋼が、特開昭５
２−４５６１３にはＳｉＣ及びＳｉ₃Ｎ₄が、特開昭６
０−２４６２３０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、６１−
２８１０３０、特開平１−３０１８６４にはダイヤモン
ド薄膜もしくはダイヤモンド状炭素膜、特開昭６４−８
３５２９には硬質炭素膜、特公平２−３１０１２には炭
素膜をコーティングした材料が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとしている課題】しかし、１３Ｃｒ
マルテンサイト鋼は酸化し易く、更に高温でＦｅがガラ
ス中に拡散してガラスが着色する欠点を持つ。ＳｉＣ及
びＳｉ₃Ｎ₄は一般的には酸化されにくいとされている
が、高温ではやはり酸化が起こり表面にＳｉＯ₂の膜が
形成されるためガラスの融着を生じる。更に、高硬度の
ため型自体の加工性が極めて悪いという欠点をもつ。貴
金属をコーティングした材料は融着を起こしにくいが、
極めて柔らかいため傷がつき易く変形し易いという欠点
を持つ。

【０００５】また、ダイヤモンド薄膜は高硬度で熱的安
定性にも優れているが、多結晶膜であるため表面粗度が
大きく、鏡面加工する必要がある。ＤＬＣ膜、ａ−Ｃ：
Ｈ膜、硬質炭素膜を用いた型は、型とガラスの離型性が
良く、ガラスの融着を起こさないが、成形操作を数百回
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。

【０００６】この原因として以下のことが考えられる。

【０００７】前述の膜はいずれも非常に大きな圧縮応
力を有しており、成形プロセスにおける急加熱−急冷却
にともなう応力解放の結果として剥離、クラック等が生
じる。同様に型母材と膜の熱膨張係数の違いと熱サイク
ルに起因する熱応力によっても同様な現象が生じる。
型母材によっては、表面状態により膜が部分的に形成さ
れなかったり、膜厚が薄いことがある。例えば、ＷＣ−
ＣｏやＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄等の焼結体では、粒の欠落や
焼結時のボアが避けられず、成形研磨面に数μｍ以上の
穴が存在している。こうした面に膜を形成したとき、こ
れらの穴には膜が形成されなかったり、極端に膜厚の薄
い状態になる。従って、こうした部分の膜の付着強度
や、機械的強度は著しく低下するため剥離やクラックの
発生起点となりやすい。ＷＣ−ＣｏのＣｏに代表され
る焼結体中の焼結助材と前述の膜の間で拡散による合金
形成が生じる。こうした部分は成形時にガラスの融着が
生じガラス中に含有される成分と反応し析出物を生じる
結果、耐久性の劣化を招く。

【０００８】以上のように、成形性、耐久性、経済性に
優れた光学素子成形用型を実現するに至っていない。

【０００９】また、特公平２−３１０１２では、膜厚が
５０Å未満では膜が不均一になるため炭素膜の形成効果
が減少し、５０００Åを超えると加圧成形による面精度
が低下するが、５０〜５０００Åならば問題は生じない
としている。しかしながら、この発明の実施例における
炭素膜は、基板との付着力が小さく、あるいは大きな圧
縮応力のために、成形過程において膜剥離を生じる。こ
の結果、剥離部におけるガラスの融着や成形品の外観不
良を引き起こし、耐久性の優れた実用的な型を提供する
に至っていない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、型母材の少な
くとも成形表面に、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１種類以上の元素か
らなるミキシング層を形成した型により、また上記ミキ
シング層を含炭素ガスを原料とする高イオンエネルギー
の炭素イオンビームを用いて製造することにより、上述
の問題を解決したものである。

【００１１】以下、本発明に関して詳細に説明する。本
発明において型母材として用いられる材料は、ＷＣ，Ｓ
ｉＣ，ＴｉＣ，ＴａＣ，ＢＮ，ＴｉＮ，ＡｌＮ，Ｓｉ₃
Ｎ₄，ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｒＯ₂，Ｗ，Ｔａ，Ｍ
ｏ，サーメット，サイアロン，ムライト，ＷＣ−Ｃｏ合
金等から選ばれる。

【００１２】炭素はガラスに対し密着力が小さいことか
ら、古くよりガラスの成形用型に用いられてきた。ガラ
スモールドでは、この炭素とガラスの性質を利用して型
母材の成形面に前述の硬質で滑らかな炭素膜を形成す
る。炭素膜としては、ダイヤモンド膜、ＤＬＣ膜、ａ−
Ｃ：Ｈ膜、硬質炭素膜が挙げられるが、ダイヤモンド膜
は多結晶で表面が粗いために鏡面加工を要するという問
題がある。一方、アモルファスなＤＬＣ膜、ａ−Ｃ：Ｈ
膜、硬質炭素膜は、内部応力が大きくガラスが成形され
る高温領域では熱安定性に欠け、成形回数が増えるに従
い、型母材と膜の付着強度が低下するという問題が発生
する。すなわち、ガラスモールドに於ける型表面材料と
しての炭素膜の問題は、主に型母材と膜の付着強度に係
わるものである。この点に関して、成形面を炭素と型母
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１種類以上の元素からなるミキシング層とすること
により従来問題とされてきた問題を解決することができ
る。このミキシング層は、炭素が型母材もしくは型母材
上に形成した中間層材料とミキシング（原子混合）され
ていることから密着性が極めて良好である。ミキシング
層の状態は、炭素原子濃度が表面に向かって増大し母材
側に向かって減少しているのに対し、炭素以外の原子濃
度は表面に向かって減少し母材側に向かって増大してい
る。この状態を模式的に表したものが図１である。図
中、横軸は表面から型母材に向かう深さを表しており、
深さ０の位置が表面である。一方、縦軸は原子濃度を表
している。特に、表面における炭素濃度が十分に高けれ
ば、ガラスとの離型性が良好でガラス成分との反応析出
物も生じない。

【００１３】この様なミキシング層は、イオンエネルギ
ー５ｋｅＶ以上の炭素イオンビームを用いることにより
実現することができる。イオンエネルギーが５ｋｅＶ未
満で形成した型では、成形過程において膜剥離やガラス
の融着を生じる。このときのイオン電流密度は、０．８
ｍＡ／ｃｍ²〜２．０ｍＡ／ｃｍ²が好適である。イオ
ン電流密度が、０．８ｍＡ／ｃｍ²未満では成膜時間が
長くなり、２．０ｍＡ／ｃｍ²を超える場合には、付着
強度の問題はないものの成形回数の増加にともない成形
表面の表面粗度の劣化が生じ易い。なお、イオンエネル
ギーは５ｋｅＶ以上であればよいが、実用的には５ｋｅ
Ｖ〜１０ｋｅＶが好適である。

【００１４】ミキシング層の厚さは１ｎｍ以上１００ｎ
ｍ以下であることが必要である。ここで、ミキシング層
の厚さは、型母材もしくは中間層とミキシング層の界面
において炭素濃度の変化量が５０％となる点から表面ま
での深さと定義する。１ｎｍよりも薄い場合には、十分
なミキシング状態とならないため前述の効果が減少し、
１００ｎｍよりも厚くなると表面状態が粗くなり成形性
能が低下するとともに、膜応力が大きくなり、成形時に
微小な剥離を生じ易くなる。理想的な厚さは、２０ｎｍ
から５０ｎｍの範囲である。この様にミキシング層は非
常に薄いため、膜厚が厚い場合に問題となる膜の内部応
力や熱応力による膜剥離という問題がほとんど生じな
い、仮に剥離しても厚さが薄いために成形性能の低下を
引き起こす原因とならない。また、厚さが薄いことから
表面硬度や高温での熱安定性を型母材に依存することが
でき、成形温度域において熱的に安定な状態を保つこと
ができる。従って、型母材としては安定したミキシング
状態が得られ、炭素と結合しやすい（炭化物を形成しや
すい）元素からなる単一組成の材料で、同時に高温での
機械的強度、表面硬度が高く、耐酸化性に優れているこ
とが理想である。型母材の成形面に中間層を設けること
により、こうした条件を満足することができる。中間層
としては、Ｓｉ、Ａｌ、周期律表の４Ａ族、５Ａ族、６
Ａ族の金属及びこれらの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭
酸化物、炭酸窒化物、硼化物、硼窒化物、及び硼素の炭
化物、窒化物、並びにこれらの少なくとも１種類以上か
らなる化合物、混合物であれば良い。中間層材料は、型
母材に対して付着強度の高いものを選択すれば良く、必
要最小限の膜厚であれば良い。なお、ミキシング層中に
は酸素、水素、窒素の他、ミキシング層を形成する際に
原料ガスとして用いられるＡｒやＦ等が数ａｔ％〜十数
ａｔ％程度存在しても良い。

【００１５】成形により型表面が荒れたり欠陥が生じた
場合には、ドライプロセスでミキシング層を除去した後
再びミキシング層を形成すれば良い。これは、型母材の
表面硬度が高いために、成形によって生じる欠陥がミキ
シング層に限定されるからである。ドライプロセスによ
るエッチング方法としては、プラズマ・エッチング、ス
パッタ・エッチング、イオンビーム・エッチング、リア
クティブイオン・エッチング等の方法が用いられる。エ
ッチングガスとしては、Ｏ₂、Ｈ₂、Ｎ₂、Ａｒ、Ａｉ
ｒ、ＣＦ₄等とこれらの混合ガスが用いられる。エッチ
ングにより型の表面形状特に表面粗さを劣化させないよ
うなエッチング条件を選択することが好ましい。なお、
膜の除去はドライプロセスに限定されるものではなく、
ダイヤモンド砥粒を用いた機械的研磨や、化学的にエッ
チングする方法を併用することができる。

【００１６】ミキシング層は、イオンビーム蒸着法、イ
オンプレーティング法、イオン注入法、イオンビームミ
キシング法等により形成される。炭素のミキシングに用
いるガスとしては、含炭素ガスであるメタン、エタン、
プロパン、エチレン、ベンゼン、アセチレン等の炭化水
素；塩化メチレン、四塩化炭素、クロロホルム、トリク
ロルエタン等のハロゲン化炭化水素；メチルアルコー
ル、エチルアルコール等のアルコール類；（ＣＨ₃）₂
ＣＯ、（Ｃ₆Ｈ₅）₂ＣＯ等のケトン類；ＣＯ、ＣＯ₂
等のガス、及びこれらのガスにＮ₂，Ｈ₂，Ｏ₂，Ｈ₂
Ｏ，Ａｒ等のガスを混合したものが挙げられる。

【００１７】ここで、炭素イオンビームを用いてミキシ
ング層を形成する場合について説明する。このときのイ
オンエネルギーは型母材に対して数１００ｅＶから数１
０ＫｅＶの範囲にある。特に、イオンエネルギーが大き
くなるに従い、イオン注入効果が大きくなりミキシング
層が容易に形成される。すなわち、数ＫｅＶ以上のＣ
（炭素）イオンを型母材表面に照射すると、その表面は
スパッタリングされ、照射イオンは注入効果により型母
材表面に侵入する。侵入したイオンは型母材原子と衝突
し、エネルギーを失って静止する。この結果、炭素原子
と型母材原子からなるミキシング層が形成される。炭素
イオンビームは、カウフマン型イオン源により生成す
る。図１３に代表的なカウフマン型イオン源の模式図を
示す。図中２８は磁場発生用円筒コイル、２９はフィラ
メント、３０はガス導入部、３１はアノード、３２は引
き出し電極、３３はイオンビーム、３４は型母材、３５
は基板ホルダーである。ガス導入部より前述の原料ガ
ス、例えばＣＨ₄とＨ₂をイオン化室に導入し、プラズ
マを形成した後、引き出し電極に電圧を印加してイオン
ビームを引き出し型母材に照射する。このとき、引き出
し電圧が基板に対して５ｋＶ以上となるようイオン源、
基板位置等を調節してミキシング層を形成する。ミキシ
ング層における炭素原子と型母材原子のデプス・プロフ
ァイルを制御する方法の１つとして、照射イオンのエネ
ルギーを照射時間とともに変化させる方法がある。例え
ば、照射の初期段階では高イオンエネルギーのＣイオン
を照射し、徐々に引き出し電極の電圧を低下させ照射イ
オンエネルギーを低下させることにより、所望のデプス
・プロファイルを得ることができる。あるいは、型母材
上に中間層を設ける場合、中間層となる材料を蒸着しな
がら高イオンエネルギーのＣイオンを照射し、炭化物の
中間層を形成する。この状態で、蒸着材料の成膜レート
を徐々に低下させ、最終的に蒸着を停止する。一方、Ｃ
イオンの照射は引き続き行なうことにより、中間層と所
望のデプス・プロファイルを有するミキシング層を形成
することができる。

【００１８】ミキシング層における各原子の混合状態
は、図１に示したものに限定されるものではなく、直線
状、ステップ状等であっても良い。すなわち、Ｃ原子濃
度とその他の原子濃度は、ミキシング層において前述し
た勾配であれば良く、そのプロファイルは一つに限定さ
れるものではない。但し、表面においてはＣ原子濃度が
１００％でその他の原子濃度が０％であることが理想的
である。また、型母材もしくは中間層における原子濃度
は、必ずしもストイキオメトリである必要はない。

【００１９】本発明は、型母材の少なくとも成形表面
に、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１種類以上の元素からなるミキシン
グ層を形成した型により、また該型を特定のイオンエネ
ルギーを有する炭素イオンビームにより形成することに
より、耐久性に優れた光学素子成形用型を実現するもの
である。

【００２０】なお、本発明はレンズ、ミラー、グレーテ
ィング、プリズム等の光学素子に限定されるものではな
く、光学素子以外のガラス、プラスチック成形品に対し
ても実用できることは言うまでもない。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の具体的実
施例を説明する。

【００２２】［実施例１（Ｓｉ，Ｃ）ミキシング層］
図２及び図３は本発明に係わる光学素子成形用型の一つ
の実施様態を示すものである。図２は光学素子のプレス
成形面の状態を示し、図３は光学素子成形後の状態を示
す。図２中１は型母材、２はガラス素材を成形する成形
面、３はミキシング層、４はガラス素材であり、図３中
５は光学素子である。図２に示すように型の間に置かれ
たガラス素材４をプレス成形することによってレンズ等
の光学素子５が形成される。

【００２３】次に、本発明の光学素子成形用型について
詳細に説明する。

【００２４】型母材として焼結ＳｉＣを所定の形状に加
工した後、ＣＶＤ法により多結晶のＳｉＣ膜を形成した
後成形面をＲｍａｘ．＝０．０２μｍに鏡面研磨したも
のを用いた。この型を良く洗浄したのち、図４に示すＩ
ＢＤ（ＩｏｎＢｅａｍＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置
に設置した。図中６は真空槽、７はイオンビーム装置、
８はイオン化室、９はガス導入口、１０はイオンビーム
引き出しグリッド、１１はイオンビーム、１２は型母
材、１３は基板ホルダー及びヒーター、１４は排気口を
示す。まず、ガス導入口よりＡｒガス３５ｓｃｃｍをイ
オン化室に導入しイオン化した後、イオンビーム引き出
しグリッドに５００Ｖの電圧を印加してイオンビームを
引き出し、型母材に５分間照射して成形表面の清浄化を
行った。次に、ＣＨ₄ ：１５ｓｃｃｍ，Ｈ₂ ：３０ｓｃ
ｃｍをイオン化室に導入してガス圧３．５×１０^-4Ｔｏ
ｒｒとし、加速電圧１０ｋＶでイオンビームを引き出し
成形面に照射して３５ｎｍのミキシング層を形成した。
このときのイオンビーム電流は３０ｍＡ、電流密度２ｍ
Ａ／ｃｍ² 、基板温度を３００℃とした。同条件で作成
した分析サンプルのミキシング層をＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ
ＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により
深さ方向分析した結果を図５に示す。図５より明らかな
ようにミキシング層の厚さは３５ｎｍで、炭素Ｃの濃度
は表面側の１００％から型母材側に向かって減少してい
る。一方、Ｓｉ原子の濃度は表面側の０％から型母材側
に向かって増加している。すなわち、Ｃ，Ｓｉ濃度の深
さ方向のプロファイルが図５である。型母材側では、Ｃ
とＳｉの濃度がそれぞれ５０％とＳｉＣのストイキオメ
トリになっている。ミキシング層の厚さは、前に定義し
たように、型母材界面の前後においてＣ濃度が極大から
極小となる変化量の５０％の深さから表面までの厚さで
ある。

【００２５】次に、本発明による光学素子成形用型によ
ってガラスレンズのプレス成形を行った例を示す。図６
中、５１は真空槽本体、５２はそのフタ、５３は光学素
子を成形するための上型、５４はその下型、５５は上型
を押さえるための上型おさえ、５６は胴型、５７は型ホ
ルダー、５８はヒーター、５９は下型を突き上げる突き
上げ棒、６０は該突き上げ棒を作動するエアシリンダ、
６１は油回転ポンプ、６２，６３，６４はバルブ、６５
は不活性ガス流入パイプ、６６はバルブ、６７はリーク
バルブ、６８はバルブ、６９は温度センサ、７０は水冷
パイプ、７１は真空槽を支持する台を示す。

【００２６】レンズを製作する工程を次に述べる。

【００２７】フリント系光学ガラス（ＳＦ１４）を所定
の量に調整し、球状にしたガラス素材を型のキャビティ
ー内に置き、これを成形装置内に設置する。ガラス素材
を投入した型を装置内に設置してから真空槽５１の蓋５
２を閉じ、水冷パイプ７０に水を流し、ヒーター５８に
電流を流す。このとき窒素ガス用バルブ６６及び６８は
閉じ、排気系バルブ６２，６３，６４も閉じている。
尚、油回転ポンプ６１は常に回転している。バルブ６２
を開け排気を開始してから１０^-2Ｔｏｒｒ以下になった
らバルブ６２を閉じ、バルブ６６を開いて窒素ガスをボ
ンベより真空槽内に導入する。所定の温度になったらエ
アシリンダ６０を作動させて２００ｋｇ／ｃｍ² の圧力
で１分間加圧する。圧力を解除した後、冷却速度を−５
℃／ｍｉｎで転移点以下になるまで冷却し、その後は−
２０℃／ｍｉｎ以上の速度で冷却を行い２００℃以下に
下がったらバルブ６６を閉じ、リークバルブ６３を開い
て真空槽５１内に空気を導入する。それから蓋５２を開
け上型おさえを外して成形物を取り出す。上記のように
して、フリント系光学ガラスＳＦ１４（軟化点Ｓｐ＝５
８６℃、転移点Ｔｇ＝４８５℃）を使用して図３に示す
レンズ５を成形した。このときの成形条件すなわち時間
−温度関係図を図７に示す。

【００２８】前記型を用いて３００回成形を行った。成
形後の型は、傷や割れといった欠陥やガラス中に含まれ
るＰｂ０の還元析出物であるＰｂやガラスの融着が光学
顕微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察されな
かった。また、成形品についても表面粗さ、面精度、透
過率、形状精度とも良好でＰｂの析出や成形時のガス残
りと言った問題もなかった。

【００２９】次に、この型を用いて図８に示す成形装置
により成形を行った。

【００３０】図８において、１０２は成形装置、１０４
は取入れ用置換室であり、１０６は成形室であり、１０
８は蒸着室であり、１１０は取り出し用置換室である。
１１２，１１４，１１６はゲートバルブであり、１１８
はレールであり、１２０は該レール上を矢印Ａ方向に搬
送せしめられるパレットである。１２４，１３８，１４
０，１５０はシリンダであり、１２６，１５２はバルブ
である。１２８は成形室１０６内においてレール１１８
に沿って配列されているヒーターである。

【００３１】成形室１０６内はパレット搬送方向に沿っ
て順に加熱ゾーン１０６−１、プレスゾーン１０６−２
及び徐冷ゾーン１０６−３とされている。プレスゾーン
１０６−２において、上記シリンダ１３８のロッド１３
４の下端には成形用上型部材１３０が固定されており、
上記シリンダ１４０のロッド１３６の上端には成形用下
型部材１３２が固定されている。これら上型部材１３０
及び下型部材１３２は本発明による型部材である。蒸着
室１０８内においては、蒸着物質１４６を収容した容器
１４２及び該容器を加熱するためのヒーター１４４が配
置されている。

【００３２】クラウン系ガラスＳＫ１２（軟化点Ｓｐ＝
６７２℃、ガラス転移点Ｔｇ＝５５０℃）を所定の形状
及び寸法に粗加工して成形のためのブランクを得た。ガ
ラスブランクをパレット１２０に設置し、取入れ置換室
１０４内の１２０−１の位置へ入れ、該位置のパレット
をシリンダ１２４のロッド１２２によりＡ方向に押して
ゲートバルブ１１２を越えて成形室１０６内の１２０−
２の位置へと搬送し、以下同様に所定のタイミングで順
次新たに取入れ置換室１０４内にパレットを成形室１０
６内で１２０−２→…→１２０−８の位置へと順次搬送
した。この間に、加熱ゾーン１０６−１ではガラスブラ
ンクをヒーター１２８により徐々に加熱し１２０−４の
位置で軟化点以上とした上で、プレスゾーン１０６−２
へと搬送し、ここでシリンダ１３８，１４０を作動させ
て上型部材１３０及び下型部材１３２により２００ｋｇ
／ｃｍ² の圧力でプレス温度６２０℃で１分間プレス
し、その後加圧力を解除しガラス転移点以下まで冷却
し、その後シリンダ１３８，１４０を作動させて上型部
材１３０及び下型部材１３２をガラス成形品から離型し
た。該プレスに際しては上記パレットが成形用胴型部材
として利用された。しかる後に、徐冷ゾーン１０６−３
ではガラス成形品を徐々に冷却した。なお、成形室１０
６内には不活性ガスを充満させた。成形室１０６内にお
いて１２０−８の位置に到達したパレットを、次の搬送
ではゲートバルブ１１４を越えて蒸着室１０８内の１２
０−９の位置へと搬送した。通常、ここで真空蒸着を行
うのであるが本実施例では該蒸着を行わなかった。そし
て、次の搬送ではゲートバルブ１１６を越えて取り出し
置換室１１０内の１２０−１０の位置へと搬送した。そ
して、次の搬送時にはシリンダ１５０を作動させてロッ
ド１４８によりガラス成形品を成形装置１０２外へと取
り出した。以上のようなプレス行程により３０００回成
形した後の型部材の成形面及び成形された光学素子の表
面粗さ、並びに型部材と成形された光学素子との離型性
は良好であった。特に、型部材の成形面について光学顕
微鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察しても傷やクラ
ック等の欠陥やガラス成分の反応析出物、ガラスの融着
は見られなかった。

【００３３】［実施例２（Ｓｉ，Ｃ）ミキシング層］
実施例１と同じ型母材を用い、同一方法、同一条件によ
りミキシング層を形成した。このとき、成膜時間を変え
てミキシング層の厚さを０．９ｎｍ，４０ｎｍ，１０１
ｎｍとした。この３つの型を用いて、実施例１と同様に
図８の成形機によりフリント系光学ガラスＳＦ１４（軟
化点Ｓｐ＝５８６℃、転移点Ｔｇ＝４８５℃）を１００
０回成形した。その結果を表１に示した。

【００３４】

【００３５】成形後の型Ｎｏ．２に関しては、実施例１
と同様に傷や割れといった欠陥やガラス中に含まれるＰ
ｂ０の還元析出物であるＰｂやガラスの融着が光学顕微
鏡、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察されなかっ
た。また、成形品についても表面粗さ、面精度、透過
率、形状精度とも良好でＰｂの析出や成形時のガス残り
と言った問題もなかった。型Ｎｏ．１は、成形回数が５
００回を越えると部分的にガラスの融着が見られ、型Ｎ
ｏ．３は成形回数が３００回を越えると微小な剥離を生
じた。

【００３６】［実施例３（Ｔｉ，Ｎ，Ｃ）ミキシング
層、ＴｉＮ中間層］型母材としてＷＣ（８４％）−Ｔｉ
Ｃ（８％）−ＴａＣ（８％）からなる焼結体を所定の形
状に加工した後、成形面をＲｍａｘ．＝０．０２μｍに
鏡面研磨した。この型母材の成形面にイオンプレーティ
ング法によりＴｉを２００ｎｍ形成した後、ＴｉＮを１
８００ｎｍ形成した。この型母材を用い、実施例１と同
方法、同条件によりミキシング層を５０ｎｍ形成した。
この型を用いて、実施例１と同様に図８の成形機を用い
てクラウン系ガラスＳＫ１２（軟化点Ｓｐ＝６７２℃、
ガラス転移点Ｔｇ＝５５０℃）を１０００回成形した。
その結果、実施例１と同様の結果が得られた。

【００３７】［実施例４（Ｓｉ，Ｎ，Ｃ）ミキシング
層］型母材として焼結Ｓｉ₃ Ｎ₄ を所定の形状に加工し
た後、表面粗さＲｍａｘ．＝０．０３μｍに鏡面研磨し
た。この型の成形面に不図示のイオン注入装置によりエ
ネルギー１０ｋｅＶのＣ⁺¹² を５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃ
ｍ² 注入してミキシング層を２０ｎｍ形成した。この
時、注入イオンエネルギーを１０ｋｅＶから１ｋｅＶに
徐々に変化させて注入を行なった。この型を用いて、実
施例１と同様に図８の成形機を用いてクラウン系ガラス
ＳＫ１２（軟化点Ｓｐ＝６７２℃、ガラス転移点Ｔｇ＝
５５０℃）を１０００回成形した。その結果、実施例１
と同様の結果が得られた。

【００３８】［実施例５（Ｓｉ，Ｃ）ミキシング層、
ＳｉＣ中間層］実施例３と同様の型母材を用いて図９に
示すイオンビーム・ミキシング装置によりミキシング層
を形成した。図中１５は真空槽、１６は排気系、１７は
イオン源、１８はイオン化室、１９はイオンビーム引き
出しグリッド、２０はガス導入系、２１は電子銃、２２
は基板ホルダー及び基板加熱装置、２３は型母材、２４
は水晶式膜厚モニター、２５はイオンビームである。ま
ず、基板ホルダーに型母材を設置した後、装置内を５×
１０^-6Ｔｏｒｒに排気しガス導入系よりＡｒガスをイオ
ン源に導入した。このＡｒイオンビームにより型母材表
面のクリーニングと酸化膜の除去を行なった。この時の
真空度は３×１０^-4Ｔｏｒｒ、イオン電流７ｍＡで行な
った。次に、電子銃を用いて９９．９９９％のＳｉを蒸
着しながらイオン源にＣ₂ Ｈ₆ ：５０ｓｃｃｍ，Ａｒ：
１０ｓｃｃｍをガス供給系より導入し、イオン引き出し
グリッドに７００Ｖを印加してイオンビームを引き出し
型母材に照射した。この時のイオン電流は１０ｍＡ、真
空度は１×１０^-3Ｔｏｒｒ、基板温度は３００℃とし
た。この条件によりＳｉの蒸着とカーボンイオンビーム
の照射を同時に行ない、ＳｉＣを１００ｎｍ形成した
後、電子銃のパワーを徐々に小さくして、最終的にカー
ボンイオンビームのみの照射により１５ｎｍのＳｉとＣ
のミキシング層を形成した。このときのＡＥＳによるデ
プスプロファイルを図１０に示した。次に、これらの型
を用いて実施例１と同様の成形テストを行った結果、実
施例１と同様の結果を得た。なお、中間層としてＳｉＣ
以外にＳｉ，Ａｌ、周期律表の４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族
の金属及びこれらの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化
物、炭酸窒化物、硼化物、硼窒化物、及び硼素の炭化
物、窒化物、並びにこれらの少なくとも１種類以上から
なる化合物、混合物を形成した場合もＳｉＣと同様の結
果が得られた。

【００３９】［実施例６（Ｔｉ，Ｃ）ミキシング層、
ＴｉＣ中間層］実施例５と同じ型母材を用い、Ｓｉの替
わりに９９．９％のＴｉとした以外は同一方法、同一条
件によりＴｉＣの中間層とＴｉとＣのミキシング層を形
成した。このとき、成膜時間を変えてミキシング層の厚
さを０．８ｎｍ，２５ｎｍ，１０５ｎｍとした。図１１
に同一条件で作成した分析サンプルによるＡＥＳのデプ
スプロファイルを示した。この３つの型を用いて、実施
例１と同様に図８の成形機によりクラウン系のガラスＳ
Ｋ１２（軟化点Ｓｐ＝６７２℃、ガラス転移点Ｔｇ＝５
５０℃）を１０００回成形した。その結果を表２に示し
た。

【００４０】

【００４１】成形後の型Ｎｏ．５に関しては、実施例１
と同様の結果を得た。型Ｎｏ．４は、成形回数が４００
回を越えると部分的にガラスの融着が見られ、型Ｎｏ．
６は成形回数が４００回を越えると微小な剥離を生じ
た。

【００４２】［実施例７（Ｓｉ，Ｃ）ミキシング層］
実施例１と同一の型母材を用い、同一方法、同一条件で
作成した型により実施例１と同様に図８の成形装置によ
りクラウン系ガラスＳＫ１２（軟化点Ｓｐ＝６７２℃、
ガラス転移点Ｔｇ＝５５０℃）を２０００回成形した。
次に、この型を成形機より取り出し、図４のＩＢＤ装置
に設置した。実施例１と同様に装置内を排気した後、ガ
ス供給系からＡｒガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入
しイオン化した後、イオンビーム引き出しグリッドに５
００Ｖの電圧を印加してＡｒイオンビームを引き出し、
成形表面のミキシング層に照射してミキシング層の除去
を行なった。引き続いて、実施例１と同条件で再びミキ
シング層を形成した。この再生した型を用いて、再び図
８の成形装置によりクラウン系ガラスＳＫ１２（軟化点
Ｓｐ＝６７２℃、ガラス転移点Ｔｇ＝５５０℃）を２０
００回成形した。その結果、実施例１と同様の結果が再
現して得られた。

【００４３】また、図１２に示すようなグレーティング
の型を実施例１と同一方法、同一条件により作成し、ク
ラウン系ガラスＳＫ１２を成形した場合も離型性が良好
で型の形状を忠実に転写したグレーティングが繰り返し
成形することができた。図１２中２６はグレーティング
の型、２７は成形されたガラス製グレーティングであ
る。

【００４４】［実施例８（Ｓｉ，Ｃ）ミキシング層の
形成］型母材として焼結ＳｉＣを所定の形状に加工した
後、ＣＶＤ法により多結晶のＳｉＣ膜を形成した後成形
面を鏡面研磨したものを用いた。この型を良く洗浄した
のち、図４に示すＩＢＤ装置に設置した。まず、ガス導
入口よりＡｒガス３５ｓｃｃｍをイオン化室に導入しイ
オン化した後、イオンビーム引き出しグリッドに５００
Ｖの電圧を印加してイオンビームを引き出し、型母材に
３分間照射して成形表面の自然酸化膜の除去と清浄化を
行った。

【００４５】引き続き、ＣＨ₄：２０ｓｃｃｍ、Ｈ₂：
４０ｓｃｃｍをイオン化室に導入してガス圧４．０×１
０^-4Ｔｏｒｒとし、加速電圧９ｋＶでイオンビームを引
き出し成形面に照射して４０ｎｍのミキシング層を形成
した。このとき基板前方に配置した移動可能のファラデ
ィカップにより測定したイオンビームの電流密度は、
１．５ｍＡ／ｃｍ²であった。基板とイオン源の引き出
しグリッドまでの距離を１００ｍｍ、基板温度は室温と
した。同条件で作成した分析サンプルのミキシング層を
ＡＥＳにより深さ方向分析した結果を図１４に示す。図
１４より明らかなようにミキシング層の厚さは４０ｎｍ
で、炭素Ｃの濃度は表面側の９５％から型母材側に向か
って減少していた。一方、Ｓｉ原子の濃度は表面側の５
％から型母材側に向かって増加していた。すなわち、
Ｃ、Ｓｉ濃度の深さ方向のプロファイルが図１４であ
る。型母材側では、ＣとＳｉの濃度がそれぞれ５０％と
ＳｉＣのストイキオメトリになっている。

【００４６】この型を用いて、実施例１と同様に図６の
成形機によりフリント系光学ガラスＳＦ１４（軟化点Ｓ
ｐ＝５８６℃、転移点Ｔｇ＝４８５℃）を５００回成形
した。成形後の型は、傷や割れといった欠陥やガラス中
に含まれるＰｂＯの還元析出物であるＰｂやガラスの融
着が光学顕微鏡、ＳＥＭによって観察されなかった。ま
た、成形品についても表面粗さ、面精度、透過率、形状
精度とも良好でＰｂの析出や成形時のガス残りと言った
問題もなかった。

【００４７】次に、この型を用いて、実施例１と同様に
図８の成形機によりクラウン系ガラスＳＫ１２（軟化点
Ｓｐ＝６７２℃、ガラス転移点Ｔｇ＝５５０℃）を１０
００回成形した。成形後の型の成形面及び成形された光
学素子の表面粗さ、並びに型と成形された光学素子との
離型性は良好であった。特に、型の成形面について光学
顕微鏡、ＳＥＭで観察しても傷やクラック等の欠陥やガ
ラス成分の反応析出物、ガラスの融着は見られなかっ
た。

【００４８】［実施例９（Ｓｉ，Ｃ）ミキシング層の
形成］実施例８と同じ型母材を用い、同一方法、同一条
件によりミキシング層を形成した。このとき、イオンビ
ームのエネルギーと電流密度を変え、ミキシング層の厚
さは照射時間を制御して３０ｎｍとした。この型を用い
て、実施例１と同様に図８の成形機によりクラウン系ガ
ラスＳＫ１２（軟化点Ｓｐ＝６７２℃、ガラス転移点Ｔ
ｇ＝５５０℃）を１０００回成形した。その結果を表３
に示した。

【００４９】

【００５０】成形後の型Ｎｏ．８、９関しては、実施例
８と同様に傷や割れといった欠陥やガラス中に含まれる
ＰｂＯの還元析出物であるＰｂやガラスの融着が光学顕
微鏡、ＳＥＭによって観察されなかった。また、成形品
についても表面粗さ、面精度、透過率、形状精度とも良
好でＰｂの析出や成形時のガス残りと言った問題もなか
った。型Ｎｏ．７は、成形回数が３００回で部分的な膜
剥離を生じた。型Ｎｏ．１０は型Ｎｏ．８、９と同様に
良好な結果が得られたが、成形回数とともに型表面の表
面粗さが僅かに劣化した。

【００５１】［実施例１０（Ｔｉ，Ｃ）ミキシング
層、ＴｉＮ中間層の形成］型母材としてＷＣ（８４％）
−ＴｉＣ（８％）−ＴａＣ（８％）からなる焼結体を所
定の形状に加工した後、成形面をＲｍａｘ．＝０．０２
μｍに鏡面研磨した。この型母材の成形面にイオンプレ
ーティング法によりＴｉを２００ｎｍ形成した後、Ｔｉ
Ｎを１８００ｎｍ形成した。この型母材を用い、図１５
に示すＥＣＲイオン源を持つ成膜装置によりミキシング
層を４０ｎｍ形成した。図中３６は真空槽、３７は排気
系、３８はＥＣＲイオン源、３９はマイクロ波の発振
器、４０はマイクロ波の導波管、４１はマイクロ波導入
窓、４２は空洞共振器タイプのプラズマ室、４３は外部
磁場、４４は引き出し電極、４５はシャッター兼ファラ
ディカップ、４６は型母材、４７は基板ホルダー、４８
はガス導入系である。まず、基板ホルダーに型母材を設
置した後、装置内を５×１０^-6Ｔｏｒｒに排気しガス導
入系よりＡｒガスをイオン源に導入した。このＡｒイオ
ンビームにより型母材表面のクリーニングと酸化膜の除
去を行なった。この時の真空度は３×１０^-4Ｔｏｒｒ、
イオン電流７ｍＡで行なった。イオン源にＣ₂Ｈ₆：５
０ｓｃｃｍ、Ｈ₂：１０ｓｃｃｍをガス供給系より導入
し、イオン引き出しグリッドに１０ｋＶを印加してイオ
ンビームを引き出し型母材に照射した。この時のイオン
電流密度はファラディカップで１．６ｍＡ／ｃｍ²、真
空度１×１０^-3Ｔｏｒｒ、基板温度は３００℃とした。

【００５２】次に、この型を用いて、実施例１と同様に
図８の成形機を用いてクラウン系ガラスＳＫ１２（軟化
点Ｓｐ＝６７２℃、ガラス転移点Ｔｇ＝５５０℃）を１
０００回成形した。その結果、実施例８と同様の結果が
得られる。

【００５３】なお、中間層としてＴｉＮ以外にＳｉ、Ａ
ｌ、周期律表の４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族の金属及びこれ
らの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物、炭酸窒化
物、硼化物、硼窒化物、及び硼素の炭化物、窒化物、並
びにこれらの少なくとも１種以上からなる化合物、混合
物を形成した場合もＴｉＮと同様の結果が得られた。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学素子
成形用型によれば型母材の少なくとも成形面の表層を炭
素と型母材もしくは成形面に形成した中間層を構成する
少なくとも１種類以上の元素とからなるミキシング層と
することにより、また本発明の光学素子成形用型の製造
方法によれば５ｋｅＶ以上のイオンエネルギーを有する
炭素イオンビームを用い、型母材の少なくとも成形面の
表層を炭素と型母材もしくは、成形面に形成した中間層
を構成する少なくとも１種類以上の元素からなるミキシ
ング層とすることにより、ガラスの成形に於て膜の剥離
やクラックが発生しない表面欠陥の少ない鏡面を有する
型が得られる。この型を用いガラス光学素子を成形する
とガラスと型の離型性が極めて良好であり、表面粗さ、
面精度、透過率、形状精度の良好な成形品が得られる。
更に、この型を用いてプレス成形を長時間繰返しても膜
剥離やクラック、傷の発生という欠陥を生じない極めて
耐久性の高い光学素子成形用型が得られる。

【００５５】本発明により得られた光学素子成形用型を
用いることにより生産性の向上とコストダウンを実現す
ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる光学素子成形用型の成形表面に
形成したミキシング層の原子混合状態を示す模式図であ
る。

【図２】本発明に係わる光学素子成形用型の一例を示す
断面図で、プレス成形前の状態を示す。

【図３】本発明に係わる光学素子成形用型の一例を示す
断面図で、プレス成形後の状態を示す。

【図４】本発明の実施例で用いるＩＢＤ装置を示す概略
図である。

【図５】本発明の実施例におけるミキシング層のＡＥＳ
によるデプスプロファイルを示す。

【図６】本発明に係わる光学素子成形用型を使用するレ
ンズの成形装置を示す断面図で、非連続成形タイプであ
る。

【図７】レンズ成形の際の時間−温度関係図である。

【図８】本発明に係わる光学素子成形用型を使用するレ
ンズの成形装置を示す断面図で、連続成形タイプであ
る。

【図９】本発明の実施例で用いるイオンビーム・ミキシ
ング装置を示す概略図である。

【図１０】本発明の実施例におけるミキシング層のＡＥ
Ｓによるデプスプロファイルを示す図である。

【図１１】本発明の実施例におけるミキシング層のＡＥ
Ｓによるデプス・プロファイルを示す図である。

【図１２】本発明の実施例に係わるグレーティング用型
を示す断面図である。

【図１３】本発明で用いるカウフマン型イオン源を示す
模式図である。

【図１４】本発明の実施例におけるミキシング層のＡＥ
Ｓによるデプスプロファイルを示す。

【図１５】本発明の実施例で用いるＥＣＲイオン源を有
するイオンビーム成膜装置を示す概略図である。

【符号の説明】

１型母材２成形面３炭素のミキシング層４ガラス素材５成形されたレンズ６真空槽７イオンビーム装置８イオン化室９ガス導入口１０イオンビーム引出しグリッド１１イオンビーム１２型母材１３基板ホルダー及びヒーター１４排気口１５真空槽１６排気系１７イオン源１８イオン化室１９イオンビーム引出しグリッド２０ガス導入系２１電子銃２２基板ホルダー及びヒーター２３型母材２４水晶式膜厚モニター２５イオンビーム２６グレーティング型２７成形されたグレーティング型２８磁場発生用円筒コイル２９フィラメント３０ガス導入部３１アノード３２イオンビーム引き出し電極３３イオンビーム３４型母材３５基板ホルダー３６真空槽３７排気系３８ＥＣＲイオン源３９マイクロ波発振器４０マイクロ波の導波管４１マイクロ波の導入窓４２空洞共振器タイプのプラズマ室４３外部磁場４４引き出し電極４５シャッター兼ファラディ・カップ４６型母材４７基板ホルダー４８ガス導入系５１真空槽５２真空槽の蓋５３上型５４下型５５上型押え５６胴型５７型ホルダー５８ヒーター５９下型を突上げる突上げ棒６０エアシリンダ６１油回転ポンプ６２、６３、６４バルブ６５不活性ガス導入バルブ６６バルブ６７リークパイプ６８バルブ６９温度センサ７０水冷パイプ７１真空槽を支持する台１０２成形装置１０４取入れ用置換室１０６成形室１０８蒸着室１１０取り出し用置換室１１２ゲートバルブ１１４ゲートバルブ１１６ゲートバルブ１１８レール１２０パレット１２２ロッド１２４シリンダ１２６バルブ１２８ヒータ１３０上型１３２下型１３４ロッド１３６ロッド１３８シリンダ１４０シリンダ１４２容器１４４ヒータ１４６蒸着物質１４８ロッド１５０シリンダ１５２バルブ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスよりなる光学素子のプレス成形に
用いる光学素子成形用型において、該型母材の少なくと
も成形表面が、厚さが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下で、か
つ炭素と型を構成する少なくとも１種類以上の元素から
なり、かつ炭素原子濃度が表面に向かって増大し母材側
に向かって減少し、その他の原子濃度が表面に向かって
減少し母材側に向かって増大しているミキシング層であ
ることを特徴とする光学素子成形用型。
【請求項２】前記ミキシング層に酸素、水素、窒素の
少なくとも１種類以上が含まれることを特徴とする請求
項１記載の光学素子成形用型。
【請求項３】ガラスよりなる光学素子のプレス成形に
用いる光学素子成形用型において、該型母材の少なくと
も成形面に中間層が形成されており、該中間層表面が、
厚さが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下で、かつ炭素と中間層
を構成する少なくとも１種類以上の元素からなり、かつ
炭素原子濃度が表面に向かって増大し母材側に向かって
減少し、その他の原子濃度が表面に向かって減少し母材
側に向かって増大しているミキシング層であることを特
徴とする光学素子成形用型。
【請求項４】前記ミキシング層に酸素、水素、窒素の
少なくとも１種類以上が含まれることを特徴とする請求
項３記載の光学素子成形用型。
【請求項５】前記中間層がＳｉ、Ａｌ、周期律表の４
Ａ族、５Ａ族、６Ａ族の金属及びこれらの炭化物、窒化
物、炭窒化物、炭酸化物、炭酸窒化物、硼化物、硼窒化
物、及び硼素の炭化物、窒化物、並びにこれらの少なく
とも１種類以上の化合物、混合物からなることを特徴と
する請求項３記載の光学素子成形用型。
【請求項６】請求項１記載のミキシング層をエッチン
グにより除去した後、少なくとも成形表面に再びミキシ
ング層を形成することを特徴とする光学素子成形用型の
製造方法。
【請求項７】請求項３記載のミキシング層をエッチン
グにより除去した後、中間層表面に再びミキシング層を
形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方
法。
【請求項８】ガラスよりなる光学素子のプレス成形に
用いる光学素子成形用型の製造方法において、該型母材
の少なくとも成形表面に、イオンエネルギー５ｋｅＶ以
上の炭素イオンビームにより、厚さが１ｎｍ以上１００
ｎｍ以下で、かつ炭素と型を構成する少なくとも１種類
以上の元素からなり、かつ炭素原子濃度が表面に向かっ
て増大し母材側に向かって減少し、その他の原子濃度が
表面に向かって減少し母材側に向かって増大しているミ
キシング層を形成することを特徴とする光学素子成形用
型の製造方法。
【請求項９】ガラスよりなる光学素子のプレス成形に
用いる光学素子成形用型の製造方法において、該型母材
の少なくとも成形面に中間層を形成し、次いで該中間層
の表面に、イオンエネルギー５ｋｅＶ以上の炭素イオン
ビームにより、厚さが１ｎｍ以上１００ｎｍ以下で、か
つ炭素と中間層を構成する少なくとも１種類以上の元素
からなり、かつ炭素原子濃度が表面に向かって増大し母
材側に向かって減少し、その他の原子濃度が表面に向か
って減少し母材側に向かって増大しているミキシング層
を形成することを特徴とする光学素子成形用型の製造方
法。
【請求項１０】前記中間層がＳｉ、Ａｌ、周期律表の
４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族の金属及びこれらの炭化物、窒
化物、炭窒化物、炭酸化物、炭酸窒化物、硼化物、硼窒
化物、及び硼素の炭化物、窒化物、並びにこれらの少な
くとも１種類以上の化合物、混合物からなることを特徴
とする請求項９記載の光学素子成形用型の製造方法。