JP4777301B2 - 光学素子成形用金型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリングによって被膜を形成した光学素子成形用金型の製造方法に関する。

従来、光学素子の成形に用いられる金型の製造方法において、ヒータ等で母材を加熱し、母材の成形面上に密着性に優れた中間層を形成し、その上にさらに耐熱性に優れた離型膜を形成することで、長寿命で離型膜の剥離しにくい金型を得る方法（例えば、特許文献１参照。）が知られている。また、母材の成形面上に離型膜を形成した後、ポリッシャで離型膜に研磨加工を施し、離型膜の表面における粒界の段差をなくすことによって、表面粗さを低減した金型を得る方法（例えば、特許文献２参照。）も知られている。
特開平８−１３３７６２号公報 特開２００３−２７７０７７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法においては、ヒータ等で母材を加熱するため、ヒータとその周辺の部材の温度変化が著しく、ヒータ及びその周辺の部材に付着した薄膜が熱膨張、収縮により容易に剥離してしまう。このため、これらの薄膜が飛散物として成形面に混入してしまうという問題がある。

また、特許文献２に開示された方法においては、成膜後に研磨加工を施すことによって被膜表面の粗さ（凸部）は除去される。しかし、上述した飛散物や不純物が混入したために生じた凸部が存在する状態で研磨加工を行うと、これらの凸部は密着力が弱いために研磨加工後に剥離し、その跡が微小な凹みとなる。この凹みは、研磨加工で除去することができない。

飛散物や不純物が原因となって形成されるこれらの微小凹凸は、成形の際に光学素子の表面に転写されるため、高い外観精度が要求される光学素子の作製においては、不良品の発生原因となっている。特に、光学機能面の光学有効径φが１０ミリメートル以下であるような小径の光学素子の作製においては、１つの微小凹凸であっても光学機能面の中で占有する面積比率が大きいため不良品となりやすい。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、成形面上に形成される被膜の表面に微小凹凸が発生しにくい光学素子成形用金型の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、成形面を有する母材を加熱機構によって加熱し、スパッタリングによって前記成形面にターゲットの材質からなる被膜を形成する光学素子成形用金型の製造方法であって、前記母材を加工して前記成形面を形成する工程と、前記加熱機構と前記ターゲットとの間を遮断部材によって遮断する工程と、前記加熱機構によって前記母材を加熱してスパッタリングを行い、前記成形面の全面に前記被膜を形成するスパッタリング工程と、前記スパッタリング工程の後に、前記遮断部材を洗浄または交換する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の光学素子成形用金型の製造方法によれば、ターゲットの材質からなる被膜が成形面及び遮断部材の表面に形成され、加熱機構の表面には被膜が形成されない。従って加熱機構の表面からの飛散物の発生が抑えられる。

また、飛散物が遮断部材に付着してもその蓄積が抑えられるため、スパッタリング工程を何回繰り返しても成形面に飛散物が付着することが抑制される。
前記スパッタリング工程において、前記母材は、回転機構によって回転されてもよい。この場合、成形面に形成される被膜の厚さの偏りが緩和され、膜厚が均一になる。

前記光学素子成形用金型は、その光学有効径φが１０ミリメートル以下である光学素子を製造するためのものでもよい。この場合、小径の光学素子の成形に適した金型を製造することができる。

前記母材は、タングステンカーバイド（ＷＣ）又はＷＣを含む合金からなるものでも良い。この場合、光学素子の材料としてのガラス素材の成形面からの離形性を向上させることができる。

本発明の光学素子成形用金型の製造方法によれば、成形面に形成された被膜の表面に微小凹凸の生じにくい光学素子成形用金型を製造することができる。特に、小径の光学素子や高精度を要求される光学素子の成形に適した光学素子成形用金型を製造することができる。

また、上記光学素子成形用金型によれば、光学素子を成形する際に、その表面に微小凹凸が転写されることが抑制される。従って、小径の光学素子や、高い外観精度が要求される光学素子であっても、精度よく成形することができる。

本発明の第１実施形態について図１から図３を参照して説明する。本実施形態の光学素子成形用金型（以下、「金型」と称する。）１は、図１に示すように、ＷＣ又はＷＣを含む合金からなる母材２の成形面２ａ上に、クロム（Ｃｒ）からなる被膜３が形成されて構成されている。
金型１は、高精度が要求される、例えば光学有効径φが１０ミリメートルないし５ミリメートル程度の小径の光学素子を成形するために用いられるものである。

図２は、本実施形態の金型製造方法に使用するスパッタリング装置を示す図である。母材２は、治具１０１に成形面２ａを下方に向けて固定されている。治具１０１にはモータ等の公知の機構からなる図示しない回転機構が設けられており、固定された母材２を回転することができるように構成されている。母材２を加熱するコイルヒータ（加熱機構）１０２は、母材２の上方及び側方を取り囲むように配置されている。

クロムからなるターゲット１０３は、母材２の下方に設けられた設置台１０４に固定され、成形面２ａに対向して配置されている。ターゲット１０３とコイルヒータ１０２との間には、ステンレスからなるプレート（遮断部材）１０５が配置され、ターゲット１０３とコイルヒータ１０２との間が遮断されている。

プレート１０５は、常時ターゲット１０３とコイルヒータ１０２との間に配置されてもよいし、スパッタリング工程以外の時は退避可能な状態に配置されてもよい。また、プレート１０５は、後述する洗浄作業のために、スパッタリング装置に対して着脱自在に配置されるのが好ましい。

図３は金型１の製造方法を示すフローチャートである。金型１の製造方法は、母材２を加工する工程と、コイルヒータ１０２とターゲット１０３の間を遮断する工程と、スパッタリングにより成形面２ａ上に被膜３を形成するスパッタリング工程とを備えている。以下、各工程について説明する。

まず、ステップＳ１において、母材２が所望の形状に加工され、表面の一部が所定の直径、曲率等を有する成形面２ａとして形成される。
次に、ステップＳ２において、コイルヒータ１０２とターゲット１０３との間にプレート１０５が配置されて、コイルヒータ１０２とターゲット１０３との間が遮断される。

ステップＳ３において、回転機構によって治具１０１及び母材２を回転させながら、コイルヒータ１０２からの輻射熱によって母材２が加熱され、ＤＣスパッタ法によって成形面２ａにクロムからなる被膜が成膜される（スパッタリング工程）。このとき、被膜は成形面２ａとプレート１０５の表面にのみ形成され、コイルヒータ１０２の表面には形成されない。
以上の工程を経て本実施形態の金型１が得られる。

作製された金型１について、成形面２ａ上の被膜３の表面外観を観察したところ、従来の方法で作成された金型（以下、従来金型と称する）においては微小凹凸が多数確認されたが、本実施形態の金型１においては微小凹凸のない被膜３を得ることができた。

プレート１０５をスパッタリング装置から取り外し、プレート１０５に形成された被膜を洗浄除去し、スパッタリングによる成膜を繰り返したところ、コイルヒータ１０２及びその周辺には被膜が形成されず、成膜作業を反復した場合においても微小凹凸の無い成形面２ａが確保された。

また、従来金型を用いて光学素子の成形を行ったところ、従来金型の被膜表面の微小凹凸が成形された光学素子の表面に転写され、外観不良の光学素子が発生したが、本実施形態の方法によって製造された金型１を用いて成形した光学素子の表面には微小凹凸は観察されず、良品レベルが確保されていた。

本実施形態の金型製造方法によれば、コイルヒータ１０２及びその周辺に被膜が形成されないので、成形面２ａに混入する飛散物の発生を抑えることができる。従って、被膜の表面に微小凹凸が生じにくい金型を製造することができる。

また、母材２がＷＣ又はＷＣを含む合金から形成されているため、ガラスに対する離型性が良好である。従って、高精度を要求される光学素子の成形に適した金型を製造することができる。

さらに、母材２が回転機構によって回転されながら成形面に被膜が形成されるので、被膜の厚さの偏りが緩和されて均一な膜厚の被膜を形成することができる。

また、本実施形態の金型は、成形面に微小凹凸がないので、転写によって、表面に微小凹凸のない光学素子を形成することができる。

次に、本発明の第２実施形態について図３から図５を参照して説明する。本実施形態と上述の第１実施形態との異なる点は、被膜の材質、加熱機構、遮断部の態様、及びスパッタリング工程の内容である。なお、上述の第１実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
図４は本実施形態の金型製造方法によって作製された金型１１を示す図である。図４に示すように、本実施形態の金型１１は、母材２の成形面２ａ上に、プラチナーイリジウム（Ｐｔ−Ｉｒ）合金からなる被膜１３が形成されて構成されている。

図５は、本実施形態の金型製造方法に使用するスパッタリング装置の構成を示す図である。本装置には、２個の母材２が、それぞれ成形面２ａを下方に向けて治具１０１に固定されている。母材２の側方には、第１実施形態のスパッタリング装置のコイルヒータ１０２に代えて、シースヒータ（加熱機構）１０６が配置されている。シースヒータ１０６の母材２に対向する面には、石英ガラスからなるプレート（遮断部材）１０７が配置され、シースヒータ１０６とＰｔ−Ｉｒ合金からなるターゲット１０８との間が遮断されている。

上記のように構成されたスパッタリング装置を用いた本実施形態の金型製造方法は、基本的には上述した第１実施形態の製造方法と同様である。まず、図３に示すステップＳ１において、母材２が所望の形状に加工され、成形面２ａを形成するための加工が行われる。
ステップＳ２において、シースヒータ１０６とターゲット１０８との間が遮断されるが、本実施形態の装置においてはプレート１０７によって遮断されている。

ステップＳ３において、シースヒータ１０６によってプレート１０７が加熱され、プレート１０７から透過される輻射熱によって母材２が加熱される。そして、ＤＣスパッタ法によって成形面２ａにＰｔ−Ｉｒ合金からなる被膜が成膜される。このとき、被膜は成形面２ａとプレート１０７にのみ形成され、シースヒータ１０６の表面には形成されない。こうして本発明の金型１１が得られる。

作製された金型１１について、成形面２ａ上の被膜１３の表面外観を観察したところ、従来金型においては微小凹凸が多数確認されたが、本実施形態の金型１１においては微小凹凸のない被膜１３を得ることができた。

プレート１０７を取り外し、プレート１０７に形成された被膜を洗浄除去し、スパッタリングによる成膜を繰り返したところ、シースヒータ１０６及びその周辺には被膜が形成されず、成膜作業を反復した場合においても微小凹凸の無い成形面２ａが確保された。

また、従来金型を用いて光学素子の成形を行ったところ、被膜表面の微小凹凸が成形された光学素子の表面に転写され、外観不良の光学素子が発生したが、本実施形態の方法によって製造された金型１１を用いて成形した光学素子の表面には微小凹凸は観察されず、良品レベルが確保されていた。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上述した各実施形態においては、スパッタ法としてＤＣスパッタを用いたが、ターゲットを使用するものであればよく、ＲＦスパッタ、マグネトロンスパッタ、イオンビームスパッタ等の他のスパッタ法を用いることも可能である。

また、上述した各実施形態においては、成膜作業ごとに遮断部材の洗浄を行っているが、遮断部材の洗浄は必須ではなく、例えば、遮断部材を新規のものに交換してもよい。さらに、遮断部材の洗浄も交換も行わない場合でも、遮断部材の表面に付着した飛散物はスパッタリング工程においてほとんど飛散しないため、数十回程度の成膜作業を繰り返しても微小凹凸の無い成形面が確保される。

本発明の第１実施形態の光学素子成形用金型を示す図である。 同実施形態の光学素子成形用金型の製造方法に供するスパッタリング装置の構成を示す図である。 同製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の光学素子成形用金型を示す図である。 同実施形態の光学素子成形用金型の製造方法に供するスパッタリング装置の構成を示す図である。

符号の説明

１、１１ 光学素子成形用金型
２ 母材
２ａ 成形面
３、１３ 被膜
１０２ コイルヒータ（加熱機構）
１０３、１０８ ターゲット
１０５、１０７ プレート（遮断部材）
１０６ シースヒータ（加熱機構）

Claims (5)

1. 成形面を有する母材を加熱機構によって加熱し、スパッタリングによって前記成形面にターゲットの材質からなる被膜を形成する光学素子成形用金型の製造方法であって、
   前記母材を加工して前記成形面を形成する工程と、
   前記加熱機構と前記ターゲットとの間を遮断部材によって遮断する工程と、
   前記加熱機構によって前記母材を加熱してスパッタリングを行い、前記成形面の全面に前記被膜を形成するスパッタリング工程と、
   前記スパッタリング工程の後に、前記遮断部材を洗浄または交換する工程と、を備えることを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。
2. 前記遮断部材の洗浄または交換は、前記被膜を形成するごとに行われ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の製造方法。
3. 前記スパッタリング工程において、前記母材は、回転機構によって回転されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子成形用金型の製造方法。
4. 前記光学素子成形用金型は、その光学有効径φが１０ミリメートル以下である光学素子を製造するためのものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子成形用金型の製造方法。
5. 前記母材は、タングステンカーバイド又はタングステンカーバイドを含む合金からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子成形用金型の製造方法。

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