JP4230481B2 - 光学素子成形用型 - Google Patents

Description

本発明は、例えばガラス光学素子をガラス素材からプレス成形により製造するための光学素子成形用型に関する。

ガラス素材を研磨工程を経ずに、所定の表面精度を有する成形面を有する成形型内に込めてプレス成形することによって、光学機器等に利用される光学ガラスレンズを生産性よく製造するプレス成形法が知られている。このようなプレス成形法としては、従来の研磨工程を主とした成形法と比べて短時間に容易に高精度の光学ガラス素子が製造されるが、ガラス素材と成形型がプレス成形時に融着するのを防止するために、成形型の表面に予めセラミック系薄膜や貴金属系薄膜、炭素系薄膜などの保護膜を形成する方法が提案されている。このような型は、成形作業を繰り返して行われているうちに、表面粗さが増大し表面粗さの要求精度の低下やガラスの融着、膜剥離などによる型の耐久限界を迎えたとき、これをエッチング、研磨などにより劣化した保護膜を除去し表面粗さ、形状を研磨などで整えた後、新たな膜をコーティングするという再生法を行い、成形型の使用ライフを延ばそうとしている。

特許文献１には、図５に示すように、超硬合金などの材料で構成された基材１１１の成形面に、例えばＴｉＮ、ＴａＮによりセラミック膜１１２が保護膜として形成された成形型、また、図６に示すように、セラミック膜１１２の下地として中間層１１３にＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ或いはＢｅＯが用いられ二重保護膜が形成された成形型によって再生工程を経てもその成形面の精度を保ち、成形型の使用ライフを長くする方法が開示されている。また、特許文献２には、図７に示すように、基材１２１と表面膜１２２の間に１以上の中間層１２３、１２４を形成して型に対してイオンビームエッチング＋ウェットエッチングによる除去処理、再成膜処理などの再生工程を施し、成形型の使用ライフを長く保つ方法が開示されている。また、特許文献３には、図８に示すように、基材１３１上に炭化物膜及び／又は窒化物膜を有する中間層１３３とダイヤモンド状カーボンからなる表面保護膜１３２とが形成される成形型により、プラズマによるドライエッチング＋ウェットエッチングによる再生工程を行うことにより成形型の耐用性を保つ方法が開示されている。
特開２０００−３１９０２８号公報 特開２００１−１３０９１８号公報 特開２００４−０３５３５９号公報

前記の成形型の再生方法によると、成形型の使用ライフを長くすることができるが、残留した膜の除去や成形面を所望の形状に整えるため、酸或いはアルカリ溶液などのウェットエッチング＋研磨処理、イオンビーム、プラズマなどのドライエッチング＋酸、アルカリ溶液によるエッチングの多重処理をしなければならず、また、再生工程を繰り返すうちに成形型の劣化も避けられなくなり、研削研磨処理なども行わなければならず、砥石摩耗も大きく、再生にも時間がかかる。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、再生工程を簡易化させることができ、繰り返しの再生によっても耐久性に優れたプレス成形用成形型を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明のプレス成形用成形型は、基材と、前記基材の表面に形成され、成形面とする保護膜と、前記基材と前記保護膜との間に形成されるエッチング停止膜とから構成され、前記保護膜は、Ｍ_１を含有する組成、Ｍ_１と炭素を含有する組成、Ｍ_１と窒素を含有する組成、またはＭ_１と炭素と窒素を含有する組成であって、Ｍ_１としては、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ホウ素（Ｂ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）及びこれらの組み合せなどの内から選ばれた少なくとも１つを用いるものとする。

以上の構成によれば、再生を繰り返してもプレス成形用成形型の劣化を遅らせ、成形型の耐久性を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を詳細に説明するが、本発明は、これらの例によって何ら限定されるものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかるプレス成形用成形型の概略構成を示す部分省略断面図である。

図１中、本発明のプレス成形用の成形型は、基材２と、該基材上に形成されプレス成形用成形面とする保護膜３と、基材２と保護膜３との間のエッチング停止膜４から構成される。

保護膜３としては、Ｍ_１を含有する組成、Ｍ_１と炭素を含有する組成、Ｍ_１と窒素を含有する組成、またはＭ_１と炭素と窒素を含有する組成により形成される。Ｍ_１としては、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ホウ素（Ｂ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）及びこれらの組み合せなどの内から選ばれた少なくとも１つを用いる。

エッチング停止膜４としては、好ましくはアモルファス状炭素、ダイヤモンド状炭素又はそれらの組み合せから構成される。具体的には、本発明の一実施例では、ダイヤモンド状炭素を用いる。

また、本実施例においては、エッチング停止膜４の膜厚は、５０ｎｍ以上であればよく、好ましくは、５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内である。

このほど、ＰＶＤ（物理的蒸着）法によるさまざまな組成の薄膜の内、アモルファス炭素膜またはダイヤモンド状炭素膜は、化学ウェット式エッチング剤に対する耐食性が、金属膜、金属酸化物膜、金属炭化物膜又は金属窒化物膜よりも高く、そして、ウェット式エッチング処理によって再生を行う時間は、研磨などの機械加工法よりも少ないことから、基材上に金属含有の保護膜を形成し、該保護膜及び基材の間にＰＶＤ法でアモルファス炭素膜或いはダイヤモンド状炭素膜を形成してエッチング停止膜とする成形型であれば、繰り返し再生処理をへても成形型の劣化を遅らせることができることを知見した。

炭素膜は、一般的にはアモルファス炭素膜とダイヤモンド状炭素膜があり、主としてｓｐ^２結合とｓｐ^３結合との混合結合の構成を有するもので、化学ウェットエッチング剤に対する耐食性は、炭素膜におけるｓｐ^３結合の占有率に依存し、その占有率が高ければ耐食性がよい。なお、ｓｐ^３結合の占有率はコーティング法によって向上することができるとされる。エッチング停止膜４の形成は、ＰＶＤ法に限らず、ＣＶＤ法などの成膜法を用いてもよい。

保護膜３としては、Ｍ_１と窒素を含有する組成から構成される。Ｍ_１としては、具体的には、本実施例では、チタン及びアルミニウムを含有する組成を用いる。即ち、保護膜３としては、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎから構成される。

また、保護膜３としては、Ｍ_１を含有する組成でもよく、実施例においては、Ｍ_１としては白金とイリジウムの組み合わせ、保護膜３をＰｔ−Ｉｒから構成する。また、本発明においては、保護膜３の膜厚は、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であると好ましい。

図２は、本発明の第２の実施形態にかかるプレス成形用成形型の構成を概略示す部分省略断面図である。

第２の実施形態の成形型においては、前記実施形態の成形型と違って保護膜３とエッチング停止膜４との間にさらに第１の中間膜５が形成される。この第１の中間膜５は、エッチング停止膜４と保護膜３の間の薄膜整合性を向上させ、保護膜３へのエッチング停止膜４の薄膜密着性を高める役目を有するものである。第１の中間膜５としては、Ｍ_２と炭素を含有する組成、Ｍ_２と窒素を含有する組成、Ｍ_２と炭素と窒素を含有する組成のいずれかの組成により構成される。ここで、Ｍ_２としては、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、クロム、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、ホウ素、白金、イリジウム、レニウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム及びこれらの組み合せなどの内から選ばれた少なくとも１つが用いられる。

第１の中間膜５としては、好ましくはＭ_２と炭素を含有する組成で、具体的には、Ｍ_２としては、チタンとアルミニウムから構成され、即ち第１の中間膜５は、Ｔｉ−Ａｌ−Ｃである。また、Ｍ_２としては、イリジウムとレニウムから構成されてもよく、即ち第１の中間膜５は、Ｒｅ−Ｉｒ−Ｃとすることもできる。第１の中間膜５の膜厚は、２０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内であればよい。

図３は、本発明の第３の実施形態にかかる成形型の構成を概略示す断面図である。

本実施形態の成形型においては、前記各実施形態と違って、エッチング停止膜４と基材２の間には、第２の中間膜６が形成される。この第２の中間膜６は、エッチング停止膜４と基材２間の薄膜整合性を向上させ、基材２へのエッチング停止膜４の薄膜密着性を高める役目を有するものである。第２の中間膜６としては、Ｍ_３を含有する組成、Ｍ_３と窒素を含有する組成、Ｍ_３と炭素を含有する組成、Ｍ_３と炭素と窒素を含有する組成のいずれかの組成により構成されるものとする。ここで、Ｍ_３としては、けい素、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、クロム、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、ホウ素及びこれらの組み合せなどの内から選ばれた少なくとも１つが用いられる。

第２の中間膜６としては、好ましくはＭ_３を含有する組成で、具体的には、Ｍ_３としては、チタンとアルミニウムから構成され、即ち第２の中間膜６は、Ｔｉ−Ａｌである。また、Ｍ_３としては、けい素から構成されてもよい。第２の中間膜６の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内であると好ましい。

図４は、本発明の第４の実施形態にかかる成形型の構成を概略示す断面図である。

本実施形態の成形型においては、保護膜３とエッチング停止膜４の間に第１の中間膜５が形成され、エッチング停止膜４と基材２の間には、第２の中間膜６が形成されるほか、前記実施例形態と同様である。

本発明においては、基材２としては、ＷＣ、ＳｉＣまたはＳｉ_３Ｎ_４により構成される。

次に、前記第４の実施形態の成形型を例として、さらに成形型の成膜を詳細に説明する。

本実施例の成形型は、図４に示されているように、基材２としてはＷＣにより構成され、保護膜３として、膜厚が約３５０ｎｍのＴｉ−Ａｌ−Ｎ膜、エッチング停止膜４として、膜厚が約２００ｎｍのダイヤモンド状炭素膜、第１の中間膜５として、膜厚が約３０ｎｍのＴｉ−Ａｌ−Ｃ膜、第２の中間膜６は、膜厚が約１０ｎｍのＴｉ−Ａｌ膜を用いる。

以下、この実施例の成形型上の各膜の成膜工程について詳細に説明する。

真空チャンバー内に、２×１０^−１Ｐａになるようアルゴンガスを供給した後加熱し３５０℃に維持する。チャンバー内に設置されたＴｉ−Ａｌ合金ターゲットに対して５００Ｗの電力を供給し、ＷＣ基材２上に膜厚が約１０ｎｍのＴｉ−Ａｌ膜を形成して第２の中間膜６とする。

次いで、チャンバー内のコーティング温度を３００℃に維持させ、ベンゼンを供給し、チャンバー内の圧力は１×１０^−１Ｐａに維持し、２５００Ｖのバイアス圧でイオンプレーティングをすることにより、２００ｎｍのダイヤモンド状炭素膜を形成し、エッチング停止膜４とする。

次いで、チャンバー内のコーティング温度を３００℃に維持させ、２×１０^−１Ｐａとなるまでアルゴンガスを供給し、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットに５００Ｗの電力を供給した後、３×１０^−１Ｐａになるまでエチンガスを導入させ、反応性イオンスパッタ法により、ダイヤモンド状炭素膜上に膜厚が３０ｎｍのＴｉ−Ａｌ−Ｃ膜を形成し、第１の中間膜５とする。

そして、同チャンバー内に３００℃のコーティング温度を維持し、２×１０^−１Ｐａになるまでアルゴンガスを供給し、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲットに５５０Ｗの電力を与えた後、３×１０^−１Ｐａになるように窒素ガスを供給し、反応性イオンスパッタ法により、Ｔｉ−Ａｌ−Ｃ膜上に、膜厚が約３５０ｎｍのＴｉ−Ａｌ−Ｎ膜を形成して保護膜３とする。以上により図４に示すような成形型が得られる。

得られた成形型は、ガラス素材を例えば光学レンズにプレス成形する成形工程に用いられる。高温成形を繰り返すうちに保護膜３に劣化が認められたときは、成形型の再生工程を行う。

成形面が劣化した成形型を、容積比が７：３〜６：４のアンモニア水と過酸化水素の混合溶液に浸漬して、保護膜３と第１の中間膜５を剥離した。そこで、エッチングによる剥離は、エッチング停止膜４の表面までで止め、表面の粗さの劣化が認められないため、次いで、成形型を洗浄するだけで、その上に新たな第１の中間膜５と保護膜３を成膜することにより、成形用の成形面を再生する。

本実施例の成形型は、図４に示されているように、基材２としてはＷＣにより構成され、保護膜３として、膜厚が約８００ｎｍのＰｔ−Ｉｒ膜、エッチング停止膜４として、膜厚が約２００ｎｍのダイヤモンド状炭素膜、第１の中間膜５として、膜厚が約５０ｎｍのＲｅ−Ｉｒ−Ｃ膜、第２の中間膜６は、膜厚が約２０ｎｍのＳｉ膜を用いる。

以下、この実施例の成形型上の各膜の成膜工程について詳細に説明する。

真空チャンバー内に、２×１０^−１Ｐａになるようアルゴンガスを供給した後加熱し３５０℃に維持する。チャンバー内に設置されたＳｉターゲットに対して５００Ｗの電力を供給し、ＷＣ基材２上に膜厚が約２０ｎｍのＳｉ膜を形成して第２の中間膜６とする。

次いで、前記実施例の処理条件と同様な条件で、Ｓｉ膜上に、２００ｎｍのダイヤモンド状炭素膜を、エッチング停止膜４として形成する。

次いで、チャンバー内のコーティング温度を３５０℃に維持させ、２×１０^−１Ｐａとなるまでアルゴンガスを供給し、Ｉｒターゲット、Ｒｅターゲット、Ｃターゲットにそれぞれ８００Ｗ、６００Ｗ、９００Ｗの電力を供給し、ダイヤモンド状炭素膜上に膜厚が５０ｎｍのＩｒ−Ｒｅ−Ｃ膜を形成し、第１の中間膜５とする。

そして、同チャンバー内に３５０℃のコーティング温度を維持し、２×１０^−１Ｐａになるまでアルゴンガスを供給し、Ｐｔターゲット、Ｉｒターゲットにそれぞれ６００Ｗ、８００Ｗの電力を与えて、Ｉｒ−Ｒｅ−Ｃ膜上に膜厚が約８００ｎｍのＰｔ−Ｉｒ膜を形成して保護膜３とする。以上により図４に示すような成形型が得られる。

得られた成形型は、ガラス素材を例えば光学レンズにプレス成形するレンズの成形工程に用いられる。高温成形を繰り返すうちに成形面とする保護膜３に劣化が認められたときは、成形型の再生工程を行う。

成形面が劣化した成形型を、容積比が１：３の硝酸及び塩酸の混合溶液に浸漬して、保護膜３と第１の中間膜５を剥離した。エッチングによる剥離は、エッチング停止膜４の表面までで止め、表面の粗さの劣化が認められないため、次いで、成形型を洗浄するだけで、その上に新たな第１の中間膜５と保護膜３を成膜することにより、成形用の成形面を再生する。

以上により、保護膜３と第１の中間膜５はきれいに除去され、その下のエッチング停止膜４は、エッチング溶液と反応しない膜であることから、基材２まで損うことがないので、型の再生に際して、研削研磨加工が不要となり、砥石を使うこともなく、低コストで短時間に成形型を再生できる。

以上により、本発明のプレス成形用成形型によれば、成形型の再生を簡易化し、研削工程なしに実現できる成形型が得られる。

本発明にかかるプレス成形用成形型の一形態を概略示す部分省略縦断面図。 本発明にかかるプレス成形用成形型の他の形態を概略示す部分省略縦断面図。 本発明に係るプレス成形用成形型の他の形態を概略示す部分省略縦断面図。 本発明に係るプレス成形用成形型の他の形態を概略示す部分省略縦断面図。 従来のプレス成形用成形型の一形態を概略示す部分省略縦断面図。 同プレス成形用成形型の他の形態を概略示す部分省略縦断面図。 従来の他のプレス成形用成形型の形態を概略示す部分省略縦断面図。 従来の他のプレス成形用成形型の形態を概略示す部分省略縦断面図。

符号の説明

２．．．基材
３．．．保護膜
３１．．．成形面
４．．．エッチング停止膜
５．．．第１の中間膜
６．．．第２の中間膜

Claims (13)

1. 基材と、
   前記基材の表面に形成され、成形面とする保護膜と、
   前記基材と前記保護膜との間に形成されるエッチングを止めるエッチング停止膜とを含み、
   前記保護膜は、Ｍ_１を含有する組成、Ｍ_１と炭素を含有する組成、Ｍ_１と窒素を含有する組成、またはＭ_１と炭素と窒素を含有する組成の中のいずれかにより構成されるものであって、Ｍ_１としては、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、クロム、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、ホウ素、白金、イリジウム、レニウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム及びこれらの組み合せの内から選ばれた少なくとも１つを用い、
   前記エッチング停止膜としては、アモルファス状炭素、ダイヤモンド状炭素又はそれらの組み合せから構成され、
   前記保護膜と前記エッチング停止膜との間にはさらに、第１の中間膜が形成され、
   前記第１の中間膜は、Ｍ _２ と炭素を含有する組成、Ｍ _２ と窒素を含有する組成、Ｍ _２ と炭素と窒素を含有する組成のいずれかの組成により構成されるものであって、前記Ｍ _２ としては、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、クロム、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、ホウ素、白金、イリジウム、レニウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム及びこれらの組み合せの内から選ばれた少なくとも１つを用い、
   前記エッチング停止膜と前記基材の間には、第２の中間膜が形成され、前記第２の中間膜は、Ｍ _３ を含有する組成、Ｍ _３ と窒素を含有する組成、Ｍ _３ と炭素を含有する組成、Ｍ _３ と炭素と窒素を含有する組成のいずれかの組成により構成され、Ｍ _３ としては、けい素、チタン、アルミニウム、タングステン、タンタル、クロム、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ、ハフニウム、ホウ素及びこれらの組み合せの内から選ばれた少なくとも１つを用いることを特徴とする成形型。
2. 前記エッチング停止膜の膜厚は、５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
3. 前記エッチング停止膜の膜厚は、５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
4. 前記保護膜としては、Ｍ_１と窒素を含有する組成から構成されるものであって、前記Ｍ_１は、チタンとアルミニウムの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
5. 前記保護膜としては、Ｍ_１を含有する組成から構成されるものであって、前記Ｍ_１は、白金とイリジウムの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
6. 前記保護膜の膜厚は、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
7. 前記第１の中間膜は、前記Ｍ_２と炭素を含有する組成で構成され、前記Ｍ_２としては、チタンとアルミニウムの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
8. 前記第１の中間膜は、前記Ｍ_２と炭素を含有する組成で構成され、前記Ｍ_２としては、イリジウムとレニウムの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
9. 前記第１の中間膜の膜厚は、２０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
10. 前記第２の中間膜は、Ｍ_３を含有する組成で構成され、Ｍ_３としては、チタンとアルミニウムの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
11. 前記第２の中間膜は、Ｍ_３を含有する組成で構成され、Ｍ_３としては、けい素であることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
12. 前記第２の中間膜の膜厚は、１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の成形型。
13. 前記基材としては、ＷＣ、ＳｉＣまたはＳｉ_３Ｎ_４により構成されることを特徴とする請求項１に記載の成形型。

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