JP3808920B2

JP3808920B2 - 光学素子成形型

Info

Publication number: JP3808920B2
Application number: JP25262095A
Authority: JP
Inventors: 征史五十川; 靖弘米田; 広明根岸; 奈津江籾山; 雅道 ▲ひじ▼野
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: JPH0986941A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱・軟化したガラス素材を押圧成形して光学素子を得る際の光学素子成形型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、押圧成形する際に用いる光学素子成形型として、例えば特開平５ー１７０４５９号公報に記載される発明がある。
上記発明は、ＷまたはＭｏ基合金よりなる型母材の成形面にＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣＮからなる上層薄膜をイオンプレーティング法により被覆している。成形面にＴｉＮ，ＴｉＣ，ＴｉＣＮを被覆することにより、成形面を容易に光学鏡面に加工して成形面の粗面化を防いでいる。
【０００３】
また、成形型成形面（以下、型成形面という）にイオン注入によって表面改質を用いた例としては、例えば特開平３ー８８７３１号公報記載の発明がある。
上記発明は、ＳｉＣ等のＳｉ系セラミックスにより形成された型成形面にイオンプレーティング法によりＣｒ膜を生成する。その後、イオン注入によってＮイオンを注入することによりＳｉ酸化層，Ｓｉ窒化層，Ｃｒ酸化物を含むＣｒ窒化層からなる混合層を形成する。さらに、型基材側からＣｒ−Ｎ膜，Ｃｒ−Ｃ膜の順でイオンビームスパッタ法により成膜する。この方法により、型成形面表面をＣｒ−Ｃ膜とし、光学ガラス素材の離型性を得ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記各従来技術においては以下のような欠点があった。
すなわち、特開平５ー１７０４５９号公報記載の発明においては、成形面にイオンプレーティングの前処理として行われる洗浄が不十分であったりすると、その部分の被覆層と基材との接着強度が充分でなく、成形途中において被覆層の部分的脱落が生じることがあり、ガラスの型への張り付きや成形レンズの面精度不良を引き起こすことがある。
【０００５】
また、特開平３ー８８７３１号公報記載の発明においては、イオンビームスパッタ法によりＣｒ−Ｎ膜およびＣｒ−Ｃ膜を生成するための前処理である洗浄が不十分であると、やはりその部分の膜と基材の密着強度が不十分であるため、部分的な膜の脱落が起こることがある。
【０００６】
請求項１〜４の課題は、型成形面の機能性向上処理を容易にし、ガラスとの離型性に優れ且つその機能性を長期間維持できる光学素子成形型を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、まず型成形面上にイオン注入法を用いてＣｒとＣを注入する。注入されたイオンは型基材を構成する元素と衝突し、減速されて成形面表面近傍で停止する。連続的に注入することで型成形面表面はＣｒおよびＣを多く含む層へと変化していく。注入量および注入するイオンのエネルギーを制御することにより、成形面表面はＣｒ：Ｃ＝３：２の組成比になる。
【０００８】
以上のようにＣｒおよびＣのイオンを注入すると、加速されたイオンが型基材の成形面表面に衝突し、基材内部に侵入する。この時、注入するＣｒイオン・Ｃイオンの量およびイオンの持つエネルギーを調整することによって、型基材の成形面表面付近をＣｒ：Ｃ＝３：２の組成にすることが出来る。また、イオンを注入する際に成形面表面へ付着物が残留していた場合、衝突するイオンによってその付着物は弾かれて成形面表面から排除される。
【０００９】
加熱軟化したガラス素材を上記成形型で押圧成形すると、ガラス素材は型の成形面によって成形される。成形完了後、成形されたガラス素材（以下、成形品という）を離型させるが、その際、型成形面表面のＣｒ−Ｃ層がガラスに対して離型性がよいので、成形品を簡単に離型できる。また、型成形面表面のＣｒ−Ｃ層は型基材との境目がないため、離型時の引き剥がし力によって脱落することはない。
【００１０】
請求項２の発明は、型成形面上にＣｒおよびＣのうちのどちらか一方を成膜した後、他方をイオン化して注入する。注入するイオンは先に成膜した層の厚さよりも深く入り込むように加速電圧を調整する。注入したイオンによる衝突エネルギーで、先に成膜された層の原子は弾きとばされ、型基材内部へと移動する。この現象により、型基材と先に成膜された層の境界面が消え、組成が連続的に変化する境界領域となる。注入するイオンの量およびエネルギーを制御することにより、型成形面の組成がＣｒ：Ｃ＝３：２となる。
【００１１】
以上のようにＣｒおよびＣのうちのどちらか一方を型基材の成形面に成膜すると、成膜層と型基材とは性質の異なる素材が面状の界面を境に接合された形となっている。そこへ他方の元素をイオン化してイオン注入法により表面から注入すると、注入されたイオンと型基材および成膜層の原子とがぶつかり合い、その衝撃で原子が移動し、成膜層を形成している原子が型基材との界面を越えて型基材中へ侵入する。
【００１２】
その結果、明確な界面は無くなり、型基材と成膜層とは組成の違いはあるものの、その境目は連続的に組成が変化する一体型の型となる。成膜層を成膜するにあたっての前処理として行う洗浄で、型基材成形面に付着物の残留等が僅かに残っていても、注入されたイオンによる界面のミキシングによって、その不良部分も型基材と一体化となるため、強度上の問題は無くなる。
【００１３】
加熱軟化したガラス素材を上記成形型で押圧成形すると、ガラス素材は型の成形面によって成形される。成形完了後に成形品を離型させるが、その際、型成形面表面のＣｒ−Ｃ層がガラスに対して離型性がよいので、成形品を簡単に離型できる。また、型成形面表面のＣｒ−Ｃ層も完全にＣｒ：Ｃ＝３：２となっているため、請求項１と比べて更に成形品の離型性が良い。さらに、型基材とＣｒ−Ｃ層との境界面がないため、離型時の引き剥がし力によって脱落することはない。
【００１４】
請求項３の発明は、型成形面上にＣｒおよびＣのうちのどちらか一方を成膜しながら他方をイオン化して注入する。型成形面上に付着した成膜層の原子は、付着後、注入原子に衝突されて型基材内部へと移動する。これを継続的に起こすことによって成膜層と型基材との境界面が無くなり、組成が連続的に変化する境界領域となる。注入するイオンの量およびエネルギーを制御することにより、成形面の組成がＣｒ：Ｃ＝３：２となる。
【００１５】
以上のように、ＣｒおよびＣのうちのどちらか一方を型基材の成形面上に成膜しながら他方をイオン化してイオン注入法で成形面に注入する。この時、成膜層の原子は成膜の進行と同時に注入されたイオンの衝突によって型基材中へ侵入するため、成膜層と型基材との界面が無くなる。また、表面処理の前処理として行う洗浄で僅かな付着物の残留が発生しても、注入イオンの衝突エネルギーによる界面のミキシングで成膜層と型基材とが一体化するため、強度上の問題は無くなる。
【００１６】
加熱軟化したガラス素材を上記成形型で押圧成形すると、ガラス素材は型の成形面によって成形される。成形完了後に成形品を離型させるが、その際、型成形面表面のＣｒ−Ｃ層がガラスに対して離型性がよいので、成形品を簡単に離型できる。また、型成形面表面のＣｒ−Ｃ層も完全にＣｒ：Ｃ＝３：２となっており、且つＣｒ−Ｃ層と型基材との境界面はよくミキシングされているので、離型時の引き剥がし力に対して非常に強く、離型力によって脱落することはない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１〜図４は本実施例を示し、図１はイオン注入装置の概略構成図、図２は断面図、図３は部分断面図、図４は成形装置の概略構成図である。
図１に示すように、本実施例で用いたイオン注入装置は、原料ガス１または原料固体２をオーブン３で加熱してガス化する。このガス化したイオン源をフィラメント７でイオン化して陽極４で加速器１０へ導き、加速器１０で電圧をかけて加速する。その後、マグネット８で進行方向を変え、Ｙ−スキャナー１１およびＸ−スキャナー１２で進行方向を微調節してターゲット１３上の型基材１４へ衝突させる構成である。
【００１８】
次に、図２および図３に示すように、予め成形面を所望形状に研削・研磨したＳｉＣ型基材１４の成形面１７にＣＶＤ法により結晶軸を合わせた多結晶ＳｉＣ層１５を約３０μｍの厚さで設け、ＳｉＣ層表面１８を研磨して鏡面とした。この型成形面１７上のＳｉＣ層表面１８に、前記したイオン注入装置を用い、注入イオン１６としてＣｒイオンを加速電圧５０ｋｅＶ，注入量１×１０¹⁸ｉｏｎ／ｃｍ²で、Ｃイオンを加速電圧１５ｋｅＶ，注入量２×１０¹⁷ｉｏｎ／ｃｍ²でオン注入し、Ｃｒ−Ｃ層２７の形成された成形型２２を得る。
【００１９】
成形型２２に形成されたＣｒ−Ｃ層２７は、ＳｉＣ層表面１８から約４０ｎｍの深さがあり、組成はほぼＣｒ：Ｃ＝３：２の単層である。そこから約８０ｎｍの深さまでの範囲でＣｒ−ＣとＳｉＣとの組成が傾斜的に入れ替わっている。また、イオンを注入する際、成形面表面に付着物が残留していた場合でも、衝突するイオンによってその付着物は弾かれて成形面表面から排除される。
【００２０】
次に、図４に示すような成形装置を用いて成形を行った。
この成形装置の成形型には本実施例で得られた一対の成形型２２が使用されている。一対の成形型２２の内、上型２２ａは成形室２５の内部上面に固定され、下型２２ｂは主軸２３上に固定されている。主軸２３は図示省略した動作を制御されている駆動源により上下動自在に支持されている。
図４中の左右方向へ移動自在な搬送アーム２１に載置されたプリフォーム２０は加熱装置２４内に搬送される。プリフォーム２０は加熱装置２４内で図示省略した制御装置にて出力を調整されたヒーター１９により加熱軟化された後、搬送アーム２１により一対の成形型２２ａ，２２ｂ間に搬送される。
【００２１】
加熱軟化されたプリフォーム２０を一対の成形型２２ａ，２２ｂで押圧成形すると、プリフォーム２０は成形型２２のＳｉＣ成形面１６のＣｒ−Ｃ層２７によって成形され、形状が作られる。成形が完了すると、成形品２６を離型させるが、その際、Ｃｒ−Ｃ層２７はガラスに対して離型性が良いので、成形品を簡単に離型できる。さらに、Ｃｒ−Ｃ層２７は、ＳｉＣ層１５との境目が無く、離型時の引き剥がし力によって脱落することがない。
硝材にショットＳＦ１１を用いて成形を行った結果、１００００回成形してもガラスの張り付きが無く、かつ型成形面の粗れも殆ど起こらなかった。
【００２２】
本実施例によれば、ガラスの張り付きが起こらず、かつ型成形面が粗れず、高精度な光学素子を量産することができる。
【００２３】
（実施例２）
図５は本実施例で用いる装置を示す部分断面図である。
本実施例は、前記実施例１における型成形面へのイオン注入層作成法および使用するイオン注入装置の一部が異なるものであり、他の構成は同一な構成部分から成るもので、同一構成部分には同一番号を付してその説明を省略する。
本実施例では図２および図３を併用して説明する。
【００２４】
本実施例で用いる装置は、成形型の表面処理をするためのものであり、図１に示した装置にＩＢＳターゲット２８とイオンガン２９とを設け、イオンビームスパッタ（ＩＢＳ）法で型基材１４の表面をコーティングするものである。
【００２５】
予め成形面を所望形状に研削・研磨したＳｉＣ型基材１４の成形面へＣＶＤ法により、結晶軸を合わせた多結晶ＳｉＣ層１５を約３０μｍの厚さで設け、その表面を研磨して鏡面とした。この型基材１４を図５に示す装置内へ挿入し、型成形面にイオンビームスパッタ法によりアノード電流０．３Ａ，加速電圧７００ｋＶ，Ａｒガスの圧力１×１０^-4Ｔｏｒｒ、基盤温度４００℃でＣｒ層を３μｍの厚さに設ける。そして、装置内を１×１０^-6Ｔｏｒｒ以下まで減圧し、Ｃイオンを加速電圧１５ｋｅＶ，注入量２×１０¹⁷ｉｏｎ／ｃｍ² でイオン注入してＣｒ−Ｃ層２７を形成する。
【００２６】
形成されたＣｒ−Ｃ層２７は約４０ｎｍの深さがあり、組成はほぼＣｒ：Ｃ＝３：２の単層である。そこから約８０ｎｍの深さまでの範囲でＣｒ−ＣとＳｉＣとの組成が傾斜的に入れ替わっている。初めは成膜層と型基材とが、性質の異なる素材が面状の界面を境に接合された形となっているが、そこへ他方の元素をイオン化してイオン注入法により表面から注入すると、注入されたイオンと型基材・成膜層の原子とがぶつかり合い、その衝撃で原子が移動し、成膜層を形成している原子が型基材との界面を越えて型基材中へ侵入する。その結果、明確な界面はなくなり、型基材と成膜層とは組成の違いがあるもののその境目がない複合体となる。
他の作用は前記実施例１と同様であり、その説明を省略する。
【００２７】
本実施例によれば、前記実施例１の効果に加え、型表面のＣｒ−Ｃ層も完全にＣｒ：Ｃ＝３：２の単層となっているため、成形品の離型性が更に良くなる。また、型基材とＣｒ−Ｃ層との境界面がないため、離型時の引き剥がし力によって脱落することがない。
【００２８】
（実施例３）
本実施例は、前記実施例２における型成形面へのイオン注入層作成法が異なるもので、他の構成は同一な構成部分から成るものであり、その説明を省略する。
本実施例では図５を用いて説明する。
【００２９】
予め所望の形状に研削・研磨したＳｉＣ型基材の成形面にＣｒ層を成膜しつつＣイオンを注入する。
Ｃｒ層の成膜は、図５中のイオンガン２９を用いてアノード電流０．４Ａ，加速電圧１ｋＶ，Ａｒの圧力１×１０^-4Ｔｏｒｒ，基盤温度５００℃で行った。
Ｃイオンの注入は、加速電圧１５ｋｅＶ，注入量２×１０¹⁷ｉｏｎ／ｃｍ² で行った。
【００３０】
Ｃｒの成膜層が形成され始まると同時にＣイオンの注入を始めると、型基材の成形面表面に付着したＣｒ原子にＣイオンが衝突し、Ｃｒ原子・Ｃイオンが型基材中へ打ち込まれる。そのため、成膜層と型基材との界面はＣイオンによってミキシングされ、界面のない複合体となる。表面処理を行う前処理の洗浄時に僅かな付着物が残留していたとしても、ミキシングによって原子が混ぜ合わされるので強度的な問題はなくなる。
他の作用は前記実施例２と同様であり、その説明を省略する。
【００３１】
本実施例によれば、前記実施例２の効果に加え、Ｃｒ−Ｃ層とＳｉＣ層との境界領域を深さ方向により大きく形成することができる。因って、強度および耐久性をより高くすることができ、型成形面の面粗れが起こらない。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１の効果は、ガラスの張り付きが起こらず、かつ型成形面があれず、高精度な光学素子を量産することができる。請求項２の効果は、請求項１の効果に加え、成形された光学素子の成形型からの離型性が更に良くなる。請求項３の効果は、請求項２の効果に加え、型成形面の面粗れが起こらない。請求項４の効果は、請求項１〜３のそれぞれの効果に加え、更に成形品の離型性が良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１を示す概略構成図である。
【図２】実施例１を示す断面図である。
【図３】実施例１を示す部分断面図である。
【図４】実施例１を示す概略構成図である。
【図５】実施例２を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１４型基材
１５ＳｉＣ層
１６注入イオン
１７型成形面
１８ＳｉＣ層表面
１９ヒーター
２０プリフォーム
２１搬送アーム
２２成形型
２３主軸
２４加熱装置
２５成形室
２６成形品
２７Ｃｒ−Ｃ層

Claims

ガラスよりなる光学素子を押圧成形する際に用いる光学素子成形型において、イオン注入法により型基材の成形面にＣｒおよびＣを注入し、Ｃｒ−Ｃ層を形成したことを特徴とする光学素子成形型。
ガラスよりなる光学素子を押圧成形する際に用いる光学素子成形型において、型基材の成形面にＣおよびＣｒのうちのどちらか一方を成膜した後、該成膜層に他方をイオン注入法により注入し、Ｃｒ−Ｃ層を形成したことを特徴とする光学素子成形型。
ガラスよりなる光学素子を押圧成形する際に用いる光学素子成形型において、型基材の成形面にＣおよびＣｒのうちのどちらか一方を成膜しつつ、他方をイオン注入法により注入し、Ｃｒ−Ｃ層を形成したことを特徴とする光学素子成形型。
前記Ｃｒ−Ｃ層が、Ｃｒ：Ｃ＝３：２の組成であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学素子成形型。