JP4830882B2 - 光学素子成形用金型 - Google Patents

Description

本発明は光学機器等に使用される光学素子を成形するための光学素子成形用金型に関する。

光学素子のプレス成形は、所望の精度に仕上げた光学素子成形用金型に被成形ガラスまたは被成形プラスチックを入れ、所定の雰囲気、温度、圧力で加圧して行われる。光学素子は非常に高い面精度が要求される。成形された光学素子には金型表面の形状が転写されるため、光学素子成形用金型は、プレス時の雰囲気、温度、圧力において耐熱性および耐摩耗性に優れていることが要求される。

このような要求に対し、ガラス成形用金型を保護する金型保護膜が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、光学素子のプレス成形用金型にＴｉＡｌＮ膜を形成する離型膜形成方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。これらは、光学素子成形用金型の表面に、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮなどの被膜を被覆して、離型性、耐久性を向上させたものであるが、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮの耐熱性、耐酸化性、耐摩耗性が十分ではなく、大幅な寿命向上には至らなかった。

特開平１１−４３３３３号公報 特開平９−３０１７２２号公報

光学素子の製造工程において、品質の向上とコスト低減のため、精度の高い光学素子の製造と金型の交換回数の低減が要求されている。そのため、従来よりも耐熱性、耐酸化性および耐摩耗性に優れた光学素子成形用金型が求められている。そこで、本発明は耐熱性、耐酸化性および耐摩耗性に優れた光学素子成形用金型の提供を目的とする。

本発明者らは、光学素子成形用金型に関する研究開発を行った結果、基材の少なくとも成形面に硬質で耐熱性に優れるセラミックス被膜を被覆することにより、耐熱性、耐酸化性および耐摩耗性が優れるとともに、被成形ガラスおよび被成形プラスチックとの親和性が低い光学素子成形用金型を得ることができた。

すなわち、本発明は、基材と基材の少なくとも成形面に被覆された被膜とからなる光学素子成形用金型において、被膜は内膜と外膜とからなり、内膜は周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の中の少なくとも１種と、Ａｌと、Ｃ、Ｎ、Ｏの中の少なくとも１種とからなり、外膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の中の少なくとも１種と、Ｓｉと、Ｂと、Ｃ、Ｎ、Ｏの中の少なくとも１種とからなる光学素子成形用金型である。

本発明の光学素子成形用金型は、基材と基材の成形面に被覆された被膜とからなる。本発明の基材は高硬度材料からなり、具体的には、ＷＣ基超硬合金、ＴｉＣＮ基サーメット、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素などのセラミックス、Ｆｅ基ステンレス系耐熱鋼、Ｎｉ基超耐熱合金などの耐熱性合金などを挙げることができる。その中でも圧縮強度に優れるＷＣ基超硬合金がさらに好ましい。

本発明の被膜は、内膜と外膜とからなる。本発明の内膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の中の少なくとも１種と、Ａｌと、Ｃ、Ｎ、Ｏの中の少なくとも１種とからなる。外膜を基材に直接被覆すると外膜の密着性が低いため、基材の表面に内膜を被覆し、内膜の表面に外膜を被覆することで外膜の密着性を高めている。内膜として具体的には、ＴｉＡｌＮ，ＣｒＡｌＮなどを挙げることができる。その中でも、ＴｉＡｌＮは耐酸化性に優れるため、さらに好ましい。内膜は単層構造でも、それぞれ組成が異なる薄い膜からなる多層構造でもよい。内膜の平均膜厚は０．１μｍ未満になると耐摩耗性と耐酸化性が低下し、５．０μｍを超えて厚くなると被膜の密着性が低下することから、０．１〜５．０μｍが好ましい。

本発明の外膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の中の少なくとも１種と、Ｓｉと、Ｂと、Ｃ、Ｎ、Ｏの中の少なくとも１種とからなる。Ｓｉは耐酸化性を向上させる作用があり、Ｂは外膜の結晶を微粒化させて外膜の表面を平滑にする作用がある。本発明の外膜として具体的には、ＣｒＳｉＢＮ、ＴｉＳｉＢＮなどを挙げることができる。その中でもＣｒＳｉＢＮは耐酸化性と平滑性に優れるため、さらに好ましい。外膜は単層構造でも、それぞれ組成が異なる薄い膜からなる多層構造でもよい。外膜の平均膜厚は０．５μｍ未満になると耐摩耗性と耐酸化性が低下し、１０．０μｍを超えて厚くなると被膜の密着性が低下することから、０．５〜１０．０μｍが好ましい。

基材の少なくとも成形面に被膜を被覆する方法としては、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法などの物理蒸着法を挙げることができる。その中でも、スパッタ法とイオンプレーティング法は密着性の優れた被膜を被覆することができるため、さらに好ましい。

スパッタ法に用いる装置としては、高周波スパッタ装置、マグネトロンスパッタ装置、イオンビームスパッタ装置、アンバランスドマグネトロンスパッタ装置などを挙げることができる。イオンプレーティング法としては、ドロップレットの発生がないホロカソード型イオンプレーティング法、または、ドロップレットの発生を抑えた真空アーク型イオンプレーティング法が好ましい。

次に、ホロカソード型イオンプレーティング装置を用いる場合と、真空アーク型イオンプレーティング装置を用いる場合の、本発明の光学素子成形用金型の具体的な製造方法を示す。まず光学素子成形用金型の基材を用意する。ホロカソード型イオンプレーティング装置（以降、ＨＣＤ装置という。）を使用する場合は、真空チャンバ内に用意した基材を設置した後、真空チャンバ内の圧力を真空ポンプにより１×１０^-4Ｔｏｒｒ以下にした後、真空チャンバ内の加熱ヒーターもしくは電子衝撃型加熱法により、基材を２００〜５００℃になるまで１時間加熱する。次にＨＣＤ装置の電子銃よりＡｒプラズマを発生させ、基材の表面をＡｒプラズマにて３０分間イオン洗浄する。このとき、真空チャンバ内の圧力は５×１０^-4〜２×１０^-3Ｔｏｒｒに調整し、基材にバイアス電圧として−１００〜−３００Ｖの直流電圧を印加する。

次に、ＨＣＤ装置の真空チャンバ内に設置してある内膜用の蒸発源に電子銃から電子を照射して蒸発源の金属を蒸発させ、同時に真空チャンバ内に窒素などの反応ガスを導入して基材の成形面に内膜を被覆する。そして、外膜用の蒸発源に電子銃から電子を照射して蒸発源の金属を蒸発させ、窒素などの反応ガスを導入して外膜を被覆する。なお、内膜および外膜の成膜条件としては、いずれも、圧力を１×１０^-3〜３×１０^-3Ｔｏｒｒ、基材に印加するバイアス電圧を−５０〜−２００Ｖの範囲で制御した。なお、外膜のＳｉ、Ｂの添加方法は、蒸発源の金属に含有させるだけではなく、Ｓｉ源のＴＭＳ（テトラメチルシラン）、Ｂ源のテトラアミンボロンを真空チャンバ内に反応ガスとして供給しても好ましい。ＨＣＤ装置を用いて、以上のような方法で本発明の光学素子成形用金型を得ることができる。

また、真空アーク型イオンプレーティング装置（以降、ＡＩＰ装置という。）を用いる場合は、ＨＣＤ装置と同様に真空チャンバ内に基材を設置して、所定の圧力まで真空排気した後、真空チャンバ内に設置した加熱ヒーターにて基材を２００〜５００℃まで１時間加熱する。次にＡｒプラズマを発生させ、基材の表面をＡｒプラズマにて３０分間イオン洗浄し基材の表面を清浄化する。このときの圧力は１×１０^-4〜２×１０^-3Ｔｏｒｒ、基材にバイアス電圧として−１００〜−３００Ｖの直流電圧を印加する。

ＡＩＰ装置に設置してあるカソード蒸発源の内膜用金属ターゲットを蒸発させ、窒素などの反応ガスを真空チャンバ内に導入し、基材の表面に内膜を被覆する。そして、外膜用金属ターゲットを蒸発させて、窒素などの反応ガスを導入し内膜の表面に外膜を被覆する。内膜および外膜の成膜条件としては、いずれも、圧力を２０×１０^-3〜５０×１０^-3Ｔｏｒｒ、基材に印加するバイアス電圧を−２０〜−２００Ｖの範囲で制御した。ＡＩＰ装置を用いて、以上のような方法で本発明の光学素子成形用金型を得ることができる。

本発明の被膜は、基材の少なくとも成形面に被覆されていると、耐熱性、耐酸化性および耐摩耗性を向上させる効果が得られる。なお、成形面に加えて成形面以外の基材の表面に本発明の被膜が被覆されていても同じ効果が得られる。

本発明の光学素子成形用金型は、被成形ガラスおよび被成形プラスチックとの親和性が低く、耐熱性、耐酸化性および耐摩耗性に優れる。そのため、本発明の光学素子成形用金型を使用すると、精度の高い光学素子を多く成形することができるため、従来よりも金型の交換回数を減らすことができる。

９０ｗｔ％ＷＣ−１０ｗｔ％Ｃｏ超硬合金からなる基材の成形面を、所定の非球面形状に研削加工し、次いでダイヤモンド研磨材を用い、最大表面粗さＲｍａｘが０．０２μｍ以下になるように研磨した。

本発明品１は、ＨＣＤ装置の真空チャンバ内に、用意した基材を設置した後、真空チャンバ内を真空ポンプにより、圧力を１×１０^-4Ｔｏｒｒ以下まで排気した後、真空チャンバ内の加熱ヒーターにより、基材を２００〜５００℃になるまで１時間加熱した。次に、ＨＣＤ装置の電子銃よりＡｒプラズマを発生させ、基材の表面をＡｒプラズマにて３０分間イオン洗浄した。この時の真空チャンバ内圧力を５×１０^-4〜２×１０^-3Ｔｏｒｒ、基材に印加するバイアス電圧を−１００〜−３００Ｖの範囲に制御した。次に、ＴｉＡｌの金属ペレットを電子銃から電子を照射して蒸発させ、反応ガスとして導入した窒素と反応させ、基材の成形面に平均膜厚２．５μｍのＴｉＡｌＮ膜を被覆した。さらに、ＣｒＳｉＢの金属ペレットを同様に電子銃を使って蒸発させて、反応ガスとして導入した窒素と反応させて、ＴｉＡｌＮ膜の表面に平均膜厚１．０μｍのＣｒＳｉＢＮ膜を被覆した。ＴｉＡｌＮ膜、ＣｒＳｉＢＮ膜のいずれの成膜においても、圧力を１×１０^-3〜３×１０^-3Ｔｏｒｒ、基材に印加するバイアス電圧を−５０〜−２００Ｖの範囲に制御した。

比較品１、２は、ＨＣＤ装置の真空チャンバ内に、用意した基材を設置し、本発明品１と同様にＡｒプラズマにてイオン洗浄した後、比較品１は、Ｔｉの金属ペレットを使用して基材の成形面に平均膜厚３．５μｍのＴｉＮ膜を被覆し、比較品２はＴｉＡｌの金属ペレットを使用して基材の成形面に平均膜厚３．５μｍのＴｉＡｌＮ膜を被覆した。比較品１，２のいずれの成膜においても、圧力を１×１０^-3〜３×１０^-3Ｔｏｒｒ、基材に印加するバイアス電圧を−５０〜−２００Ｖの範囲に制御した。

本発明品１と比較品１，２の光学素子成型用金型を実際の成形雰囲気より、酸化しやすい条件で酸化試験を行った。酸化試験では、大気炉を用いて試料を大気中に７００℃と８００℃にそれぞれ２時間保持した後、取り出した。酸化試験後の試料について、被膜の破断面をＳＥＭで観察して酸化層の厚さを測定し、その結果を表１に示した。また、被膜の表面を光学顕微鏡およびＳＥＭで観察し、その結果を表２に示した。

被膜の破断面観察と表面観察から、本発明品１は大気中で８００℃に加熱しても酸化されなかった。比較品１は大気中で７００℃、８００℃に加熱すると酸化して表面が粗くなった。比較品２は大気中で８００℃に加熱すると酸化して表面が粗くなった。以上のことから本発明品１は比較品１，２に比べて耐酸化性と耐熱性に優れることが分かる。

被膜を被覆していない光学素子成形用金型の基材を比較品３とした。本発明品１、比較品１〜３を用いて、ガラス成形する場合の寿命試験を行った。具体的には、市販の溶解ガラス材料を光学素子成形用金型に充填し、窒素雰囲気で加熱温度６００〜７００℃にてプレス成形し、２００℃以下に冷却して光学素子成形用金型から成型品を取り外した。光学素子成形用金型の寿命は、成型品の表面粗さが規格を超えるまでのプレス回数で評価した。

本発明品１を用いて１００００個成形した後の成型品の表面粗さは、プレス初期とほとんど変化がなかった。一方、被膜を被覆していない比較品３は、１０００個成形した後の成型品の表面粗さが規格外となり、それ以降、使用不可能であった。また、ＴｉＮ膜を被覆した比較品１は２０００個まで使用可能であり、ＴｉＡｌＮ膜を被覆した比較品２は５０００個まで使用可能であった。以上のように、本発明品１は、比較品１〜３の２倍以上の寿命を示すことが分かった。これは本発明品１の耐熱性、耐酸化性および耐摩耗性が比較品１〜３よりも優れているためと考えられる。

Claims (4)

1. 基材と基材の少なくとも成形面に被覆された被膜とからなる光学素子成形用金型において、被膜は内膜と外膜とからなり、内膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の中の少なくとも１種と、Ａｌと、Ｃ、Ｎ、Ｏの中の少なくとも１種とからなり、外膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の中の少なくとも１種と、Ｓｉと、Ｂと、Ｃ、Ｎ、Ｏの中の少なくとも１種とからなる光学素子成形用金型。
2. 被膜は、ＴｉＡｌＮの内膜と、ＣｒＳｉＢＮの外膜とからなる請求項１に記載の光学素子成形用金型。
3. 内膜の平均膜厚は０．１〜５．０μｍである請求項１または２に記載の光学素子成形用金型。
4. 外膜の平均膜厚は０．５〜１０．０μｍである請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子成形用金型。