JP5347962B2 - 下型の製造方法、ガラスゴブの製造方法及びガラス成形体の製造方法 - Google Patents

下型の製造方法、ガラスゴブの製造方法及びガラス成形体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、滴下した溶融ガラス滴を受けるための下型の製造方法、該製造方法により製造された下型を用いたガラスゴブの製造方法及びガラス成形体の製造方法に関する。
近年、デジタルカメラ用レンズ、ＤＶＤ等の光ピックアップレンズ、携帯電話用カメラレンズ、光通信用のカップリングレンズ等として、ガラス製の光学素子が広範にわたって利用されている。このようなガラス製の光学素子として、ガラス素材を成形金型で加圧成形して製造したガラス成形体を用いることが多くなってきた。
このようなガラス成形体の製造方法の１つとして、予め所定質量及び形状を有するガラスプリフォームを作製し、該ガラスプリフォームを成形金型とともにガラスが変形可能な温度まで加熱して加圧成形する方法（以下、「リヒートプレス法」ともいう）が知られている。
従来、リヒートプレス法に用いるガラスプリフォームは、研削・研磨等の機械加工によって製造されることが多かったが、機械加工によるガラスプリフォームの作製には多大な労力と時間を要するという問題があった。そのため、下型に溶融ガラス滴を滴下し、滴下した溶融ガラス滴を下型の上で冷却固化することにより、機械加工なしでガラスプリフォームを作製する方法の検討が進められている。
一方、ガラス成形体の別の製造方法として、所定温度に加熱した下型に溶融ガラス滴を滴下し、滴下した溶融ガラス滴を、下型及び下型に対向する上型により加圧成形してガラス成形体を得る方法（以下、「液滴成形法」ともいう）が提案されている。この方法は、成形金型等の加熱と冷却を繰り返す必要がなく溶融ガラス滴から直接ガラス成形体を製造することができるので、１回の成形に要する時間を非常に短くできることから注目されている。
しかし、ガラスプリフォームやガラス成形体の製造のために、下型に溶融ガラス滴を滴下すると、下型との衝突によって溶融ガラス滴の下面（下型との接触面）の中央付近に微細な凹部が形成される。この凹部に入り込んだエアーは逃げ場が無く、溶融ガラス滴が冷却・固化するまで閉じこめられた状態となるため、製造されたガラスプリフォームやガラス成形体の下面に、凹部（エアー溜まり）が残存してしまうという問題があった。
この問題に対応するため、下型の表面を粗面化（Ｒｍａｘが０．０５μｍ〜０．２μｍ）して、凹部に入り込んだ空気の流路を確保することでエアー溜まりが残存することを防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、粗面化した下地面（Ｒａが０．００５μｍ〜０．０５μｍ）の上に、溶解層を含んだ被覆層を形成することで、エアー溜まりを防止すると共に再生を容易とした下型が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平３−１３７０３１号公報 特開２００５−２７２１８７号公報
特許文献１や２に記載された方法によりエアー溜まりの発生を防止するためには、下型の表面が所定の表面粗さとなるよう、エッチング等によって表面の粗面化を行う必要がある。
一般に、ガラスを成形するための成形金型として用いる材料には種々の制約条件があり、高温でガラスと反応しにくいこと、鏡面が得られること、加工性が良いこと、硬いこと、脆くないことなど、多くの条件を満足している必要がある。これらの諸条件を満足する材料は非常に限られており、例えば、炭化タングステンを主成分とする超硬材料、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックス材料、カーボンを含んだ複合材料等が好ましく用いられている。
しかしながら、成形金型として好ましい性質を有するこれらの材料は、表面が所定の表面粗さになるよう均一に粗面化することは困難な場合が多い。また、炭化タングステンを主成分とする超硬材料などのように、エッチングによる粗面化は可能であるが、そのように粗面化された表面は非常に脆くなり、耐久性が著しく悪化してしまう材料もある。
そのため、下型にこれらの材料を用いた場合には、特許文献１や２に記載された方法を実施することができなかったり、あるいは、実施できても下型の耐久性が劣るため安定した製造ができないという問題があった。
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、下型材料の選択肢を狭めることなくエアー溜まりの発生を良好に防止できると共に、耐久性に優れた下型の製造方法を提供することである。また、本発明の別の目的は、エアー溜まりのないガラスゴブを安定的に製造することができるガラスゴブの製造方法を提供すること、及び、エアー溜まりのないガラス成形体を安定的に製造することができるガラス成形体の製造方法を提供することである。
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。
１． 滴下した溶融ガラス滴を受けるための下型の製造方法において、
基材の上にクロム、アルミニウム、及びチタンのうち少なくとも１つの元素を含む被覆層を成膜する成膜工程と、
硝酸第二セリウムアンモニウムを含む酸性溶液を用いたウェットエッチングによって前記被覆層の表面を粗面化する粗面化工程と、を有し、
粗面化された前記被覆層の表面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であり、且つ、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）が０．５μｍ以下である、下型の製造方法。
２． 滴下した溶融ガラス滴を受けるための下型の製造方法において、
基材の上にクロム、アルミニウム、及びチタンのうち少なくとも１つの元素を含む被覆層を成膜する成膜工程と、
フェリシアン化カリウム及び水酸化カリウムを含むアルカリ性溶液を用いたウェットエッチングによって前記被覆層の表面を粗面化する粗面化工程と、を有し、
粗面化された前記被覆層の表面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であり、且つ、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）が０．５μｍ以下である、下型の製造方法。
３． 滴下した溶融ガラス滴を受けるための下型の製造方法において、
基材の上にクロム、アルミニウム、及びチタンのうち少なくとも１つの元素を含む被覆層を成膜する成膜工程と、
プラズマを用いたドライエッチングによって前記被覆層の表面を粗面化する粗面化工程と、を有し、
粗面化された前記被覆層の表面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であり、且つ、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）が０．５μｍ以下である、下型の製造方法。
４． 前記被覆層は、クロム元素を含むことを特徴とする前記１〜３のうちの何れか１項に記載の下型の製造方法。
５． 下型に溶融ガラス滴を滴下する工程と、
滴下した前記溶融ガラス滴を前記下型の上で冷却固化する工程と、を有するガラスゴブの製造方法において、
前記下型は、前記１〜４のうちの何れか１項に記載の下型の製造方法によって製造された下型であることを特徴とするガラスゴブの製造方法。
６． 下型に溶融ガラス滴を滴下する工程と、
滴下した前記溶融ガラス滴を、前記下型及び前記下型に対向する上型により加圧成形する工程と、を有するガラス成形体の製造方法において、
前記下型は、前記１〜４のうちの何れか１項に記載の下型の製造方法によって製造された下型であることを特徴とするガラス成形体の製造方法。
本発明によれば、下型の基材の上に設けた被覆層の表面を粗面化するため、基材の材質に拘わらず表面が所定の表面粗さになるよう均一に粗面化することができ、基材を劣化させることもない。従って、下型材料の選択肢を狭めることなくエアー溜まりの発生を良好に防止できると共に、耐久性に優れた下型を製造することができる。また、本発明の下型の製造方法で製造された下型を用いることで、エアー溜まりのないガラスゴブやガラス成形体を安定的に製造することができる。
各工程における下型の状態を示す断面図である。 エッチングレートの意味を説明するための模式図である。 ウェットエッチングの方法を示す図である。 マスクを用いたエッチングの方法を示す図である。 平行平板型のドライエッチング装置の１例を示す図である。 下型１０に滴下した溶融ガラス滴５０の状態を示す図である。 図６（ｂ）のＣ部の詳細を示した模式図である。 ガラスゴブの製造方法の１例を示すフローチャートである。 下型に溶融ガラス滴を滴下させる工程（Ｓ２２）を示す図である。 滴下した溶融ガラス滴を下型の上で冷却・固化する工程（Ｓ２３）を示す図である。 ガラス成形体の製造方法の１例を示すフローチャートである。 下型に溶融ガラス滴を滴下する工程（Ｓ３３）を示す図である。 滴下した溶融ガラス滴を下型と上型とで加圧する工程（Ｓ３５）を示す図である。
符号の説明
１０ 下型
１１ 基材
１４ 被覆層
１５ 成形面
３０ エッチング液
３１ エッチング液槽
３３ マスク
４０ ドライエッチング装置
４１ 真空チャンバー
４２、４３ 電極
５０ 溶融ガラス滴
５１ 凹部
５２ 下面
５３ 隙間
５４ ガラスゴブ
５５ ガラス成形体
６０ 上型
６３ ノズル
以下、本発明の実施の形態について図１〜図１３を参照しつつ詳細に説明する。
始めに、図１〜図５を用いて、本実施形態における下型の製造方法について説明する。図１は各工程における下型の状態を示す断面図、図２はエッチングレートの意味を説明するための模式図である。また、図３はウェットエッチングの方法を示す図、図４はマスクを用いたエッチングの方法を示す図であり、図５は、平行平板型のドライエッチング装置の１例を示す図である。
（基材）
下型の基材１１には、予め、製造するガラス成形体等に応じた所定の形状の成形面１５を加工しておく（図１（ａ））。本発明においては、基材１１の上に成膜された被覆層１４に対して粗面化処理を行うため、被覆層１４の成膜前に基材１１を粗面化しておく必要はない。そのため、基材１１の材料は、粗面化の容易性や、粗面化した場合の耐久性等を考慮することなく選択することができる。
そのため、基材１１の材料は、溶融ガラス滴を受けるための下型の材料として公知の材料の中から、条件に応じて適宜選択して用いることができる。好ましく用いることができる材料として、例えば、各種耐熱合金（ステンレス等）、炭化タングステンを主成分とする超硬材料、各種セラミックス（炭化珪素、窒化珪素等）、カーボンを含んだ複合材料等が挙げられる。また、これらの材料の表面にＣＶＤ炭化珪素膜などの緻密な加工層を形成したものであってもよい。
（成膜工程）
次に、基材１１の上に被覆層１４を成膜する（成膜工程：図１（ｂ））。被覆層１４の材料に特に制限はなく、例えば、種々の金属（クロム、アルミニウム、チタン等）、窒化物（窒化クロム、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化硼素等）、酸化物（酸化クロム、酸化アルミニウム、酸化チタン等）等を用いることができる。中でも、被覆層１４は、クロム、アルミニウム、及びチタンのうち少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。例えば、金属クロム、金属アルミニウム、金属チタンの他、これらの酸化物や窒化物、あるいはこれらの混合物等が好適である。
これらの膜は、いずれも容易に成膜でき、後述する所定方法のエッチングによって容易に粗面化を行うことができる。また、被覆層１４にクロム、アルミニウム、及びチタンのうち少なくとも１つの元素が含まれていると、大気中での加熱によって表面が酸化し、安定な酸化物の層が形成されるという共通した特徴がある。これらの酸化物は、標準生成自由エネルギー（標準生成ギブスエネルギー）が小さく非常に安定であるため、高温の溶融ガラス滴と接触しても容易に反応することがないという大きな利点を有している。中でも、クロムの酸化物は特に安定であるため、クロム元素を含む被覆層１４を設けることがより好ましい。
被覆層１４の厚みは、エッチング等による粗面化によって微小な凹凸を形成できるだけの厚みを有していればよく、通常は、０．０５μｍ以上が好ましい。逆に、被覆層１４が厚すぎると、膜はがれ等の欠陥が発生しやすくなる場合がある。そのため、被覆層１４の厚みは、０．０５μｍ〜５μｍが好ましく、０．１μｍ〜１μｍが特に好ましい。
被覆層１４は、単一の層であってもよいし、膜質の異なる複数の層を有していてもよい。例えば、被覆層１４をエッチングレートの異なる２つの層（下層及び表面層）に分け、エッチングレートの小さい層を下層として基材１１の上に成膜した後、下層よりもエッチングレートの大きい表面層を成膜することも好ましい。
このような構成にすれば、被覆層１４の最表面にある表面層はエッチングレートが大きいため、エッチングによって容易に微小な凹凸を形成でき、均一な粗面化が可能となる。また、表面層の下にエッチングレートが小さい下層が存在することにより、被覆層１４の密着力が向上するとともに、エッチングの影響が基材にまで及ぶことをより確実に防止することができ、耐久性に優れた下型１０を製造することができる。
ここで、図２を用いて、本明細書におけるエッチングレートの意味を説明する。図２の左側の図は、エッチング前の初期状態を示す図であり、基板２１の上に膜２２が形成されている。右側の図は、これに処理時間ｔだけエッチングを行った後の状態を示している。このとき、エッチング量Ａ（膜２２の厚みの減少量）を処理時間ｔで除したものがエッチングレートである。なお、エッチングによって膜２２の表面は微細な凹凸が形成されるが、エッチングレートの算出にあたっては、凹凸の平均線２３を用いることとする。
被覆層１４の成膜方法に制限はなく、公知の成膜方法の中から適宜選択して用いればよい。例えば、真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等が挙げられる。中でも、スパッタ法は、密着力の大きい膜を容易に成膜することができるため好ましい。
本発明者は、クロム元素を含む被覆層１４をスパッタ法によって成膜する場合、成膜面に到達するスパッタ粒子の有するエネルギーが小さいほどエッチングレートは大きくなり、スパッタ粒子の有するエネルギーが大きいほどエッチングレートは小さくなることを突き止めた。従って、成膜工程において、先ず、成膜面に到達するスパッタ粒子の有するエネルギーが大きい条件で成膜した後、成膜条件を変更して、スパッタ粒子の有するエネルギーが小さい条件で成膜を行うことにより、下層と表面層とを形成することができる。この方法によれば、材料や設備を変更することなく、成膜条件を変更するだけで、エッチングレートの小さい下層とエッチングレートの大きい表面層を連続して成膜することができる。被覆層１４をこのような２層構造にする理由は、表面層に過度なエッチングを行っても、下層によってエッチングをストップすることができ、また、下層の高エネルギー成膜によって基材１１と被覆層１４との接着性を向上させることができるからである。
成膜面に到達するスパッタ粒子の有するエネルギーを小さくするためには、例えば、成膜中のスパッタガスの圧力を高くする、ターゲットと成膜面の間の距離を長くする、スパッタ電極に印加する電力を小さくする等の方法が挙げられる。逆に、成膜面に到達するスパッタ粒子の有するエネルギーを大きくするためには、例えば、成膜中のスパッタガスの圧力を低くする、ターゲットと成膜面の間の距離を短くする、スパッタ電極に印加する電力を大きくする等の方法が挙げられる。
（粗面化工程）
次に、被覆層１４の表面の粗面化を行う（粗面化工程：図１（ｃ））。上述の通り、基材１１の上に設けた被覆層１４の表面をエッチング等によって粗面化するため、基材１１の材質に拘わらず表面が所定の表面粗さになるよう均一に粗面化することができ、基材１１の劣化を防止することができる。粗面化の方法に特に制限はないが、所定の凹凸を均一に形成できるという観点から、ウェットエッチングや、ドライエッチングにより行うことが好ましい。
本発明者は、所定の元素を含む被覆層１４を、下記（１）〜（３）の何れかの方法でエッチングすることにより、特に均一に表面の粗面化を行うことができることを見いだした。
（１）硝酸第二セリウムアンモニウムを含む酸性溶液を用いたウェットエッチング
（２）フェリシアン化カリウム及び水酸化カリウムを含むアルカリ性溶液を用いたウェットエッチング
（３）プラズマを用いたドライエッチング。
上記（１）、（２）のウェットエッチングは、所定のエッチング液３０を被覆層１４に接触させて反応させて粗面化を行う方法である。図３（ａ）のように、エッチング液槽３１に貯留したエッチング液３０に下型１０の全体を浸漬させてもよいし、図３（ｂ）のように被覆層１４をエッチング液３０に浸漬させてもよい。また、図３（ｃ）のように、被覆層１４の上に所定量のエッチング液３０を供給してもよいし、図３（ｄ）のように噴射ノズル３２からエッチング液３０をスプレー状に噴射させ、被覆層１４に吹き付ける方法でもよい。
この際、必ずしも被覆層１４の表面の全面をエッチングによって粗面化する必要はなく、少なくとも溶融ガラス滴と接触する領域が粗面化されていればよい。エッチングによる基材１１などの劣化を防止して所望の領域のみを処理するために、図４（ａ）、（ｂ）に示すようなマスク３３を用いることも好ましい。
上記（１）、（２）の方法によれば、高価で大型の設備を必要とせず、均一性に優れた処理を効率よく、低コストで行うことができる。また、安定した処理を行うために、処理室の雰囲気温度と照度、下型の温度、処理個数、エッチング液の温度、量、濃度などの条件を一定に保っておくことが好ましい。逆に、これらの条件を変更することによって、形成される凹凸の深さや周期を適宜調整することができる。
エッチング液として、硫酸、硝酸、過塩素酸など通常の酸性溶液のみを用いた場合でも、被覆層１４を粗面化することはできる。しかし、上記（１）の硝酸第二セリウムアンモニウム（Ｃｅ（ＮＨ4）2（ＮＯ3）6）を含む酸性溶液を用いることで、クロム元素を含む被覆層１４の表面に、微細な凹凸を均一に、かつ短時間で形成することができる。硝酸第二セリウムアンモニウムを含んでいれば、硝酸、過塩素酸など複数の酸を含んだ溶液であってもよい。硝酸第二セリウムアンモニウムの濃度は、所望の処理速度が得られるように適宜選択すればよく、通常は、５質量％〜５０質量％が好ましい。
また、エッチング液として水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなど通常のアルカリ性溶液のみを用いた場合も、被覆層１４を粗面化することはできる。しかし、上記（２）のフェリシアン化カリウム及び水酸化カリウムを含むアルカリ性溶液を用いることで、クロム元素を含む被覆層１４の表面に、微細な凹凸を均一に、かつ短時間で形成することができる。フェリシアン化カリウム及び水酸化カリウムを含むアルカリ性溶液としては、例えば、フェリシアン化カリウム、水酸化カリウム、及び、純水の混合液を用いることができる。更に、本発明の効果を妨げない範囲で他の成分を含んでいてもよい。フェリシアン化カリウムと水酸化カリウムの比率は、フェリシアン化カリウム１質量部に対して、水酸化カリウムが０．２〜５質量部であることが好ましい。純水の混合量にも特に制限はなく、所望の処理速度となるように適宜調整すればよい。
上記（３）のプラズマを用いたドライエッチングは、真空チャンバー内にエッチングガスを導入して高周波などによりプラズマを発生させ、プラズマにより生成されたイオンやラジカルによって被覆層１４の粗面化を行う方法である。プラズマエッチングや反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などと称されることもある。廃液が発生しないために環境負荷が小さいこと、異物による表面の汚染が少ないこと、処理の再現性に優れることなどから、好ましい方法である。
ドライエッチングの装置は、平行平板型、バレル（円筒）型、マグネトロン型、ＥＣＲ型など、公知の装置の中から適宜選択して用いればよく、特に制限はない。ここでは、平行平板型のドライエッチング装置を例に挙げて説明する。
図５に示した平行平板型のドライエッチング装置４０は、真空チャンバー４１の中に互いに平行に配置された２枚の電極４２、４３を有しており、一方の電極４２は高周波電源４４に接続されている。処理する下型１０を電極４２の上に配置した後、バルブ４５を開けて排気ポンプ４６によって真空チャンバー４１を１０-3Ｐａ台の高真空状態にする。その後、流量調整バルブ４７を介してガスボンベ４８よりエッチングガスを導入し、電極４２に高周波を印加することにより、２枚の電極４２、４３の間にプラズマを発生させる。プラズマによって生成されたイオンやラジカルによって被覆層１４の表面に微小な凹凸が形成され、粗面化される。
なお、ドライエッチングによるエッチング作用には、イオンとの衝突による物理的な作用と、ラジカルとの反応による化学的な作用とがあるが、本発明においては、少なくとも何れか一方の作用によって被覆層１４の粗面化が行われればよく、両方の作用が同時に働いてもよい。
エッチングガスは、Ａｒなどの不活性ガスでもよいし、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒなどのハロゲンを含んだ反応性の高いガスを用いてもよい。中でも、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒなどのハロゲンを含んだガス（例えば、ＣＦ4、ＳＦ6、ＣＨＦ3、Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＨＢｒなど）は、クロム元素を含む被覆層１４との反応性が高く、短時間で処理を行うことができる。また、これらのガスとＯ2、Ｎ2などとの混合ガスを用いてもよい。
上記（１）〜（３）の何れの方法においても、被覆層１４の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上で、且つ、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）が０．５μｍ以下となるようにエッチングを行うことが好ましい。算術平均粗さ（Ｒａ）及び粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）をこのような範囲とすることにより、製造したガラスゴブやガラス成形体にエアー溜まりが発生することをより効果的に防止することができる。
なお、算術平均粗さ（Ｒａ）、及び、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１において定義される粗さパラメータである。これらのパラメータの測定は、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）のように、空間解像度が０．１μ以下の測定機を用いて行う。一般的な触針式の粗さ測定機は、触針先端の曲率半径が数μｍ以上と大きいため好ましくない。
ここで、エッチングによって被覆層１４を粗面化することによって、ガラスゴブやガラス成形体にエアー溜まりが発生することを防止できる理由を、図６、図７を用いて説明する。
図６は下型１０に滴下した溶融ガラス滴５０の状態を示す図である。図６（ａ）は、溶融ガラス滴５０が下型１０に衝突した瞬間の状態を、図６（ｂ）は、その後、溶融ガラス滴５０が表面張力によって丸まった状態を示している。
図６（ａ）に示すように、下型１０に衝突した瞬間の溶融ガラス滴５０は、衝突の衝撃によって平たく伸ばされる。この時、溶融ガラス滴５０には、下面（被覆層１４と接触している面）の中心付近に、直径数十μｍ〜数百μｍ程度の微小な凹部５１が生じる。凹部５１が発生するメカニズムは必ずしも明らかではないが、シミュレーション等を用いた解析によれば、溶融ガラス滴５０が下型１０に衝突する際、最初に下型１０に衝突する部分のガラスが反動で上方に跳ね返ることによって凹部５１が生じるのではないかと考えられる。
溶融ガラス滴５０は、その後、図６（ｂ）に示すように、表面張力の働きによって丸く変形する。この際、被覆層１４に粗面化処理が施されていない場合には、溶融ガラス滴５０の下面と被覆層１４とが密着して、凹部５１の中に溜まったエアーの逃げ道が無くなるため、凹部５１は消滅することなくエアー溜まりとして残存してしまう。
しかし、本実施形態における下型１０の被覆層１４は、被覆層１４が成膜された後に所定のエッチングによって粗面化されている。そのため、溶融ガラス滴５０の下面と被覆層１４との間に隙間が残り、溶融ガラス滴５０が表面張力の働きによって丸く変形する際、その隙間を通って凹部５１の中に溜まったエアーが逃げて凹部５１が消滅するのである。
溶融ガラス滴５０の下面と被覆層１４との間に生じる隙間の状態について、図７を用いて更に詳細に説明する。図７は、図６（ｂ）のＣ部の詳細を示した模式図である。図７（ａ）に示すように、被覆層１４の表面には、エッチングによって凹凸が形成されている。滴下した溶融ガラス滴５０の下面５２は、表面張力の働きによって、被覆層１４の表面の凹凸の谷部に完全に入り込まずに隙間５３が残る。この隙間５３が凹部５１に溜まったエアーの逃げ道になり、凹部５１は消滅する。
図７（ｂ）は、図７（ａ）と比較して、被覆層１４の凹凸の周期は同じであるが、凹凸の高さが高い場合を示している。このように凹凸が高い場合は、十分な大きさの隙間５３が形成され凹部５１は容易に消滅するものの、溶融ガラス滴５０の下面５２にも大きな凹凸が形成され、得られるガラスゴブやガラス成形体の表面粗さが大きくなりすぎてしまう場合がある。逆に被覆層１４の凹凸の高さが低すぎると、凹凸の谷のかなりの部分にまでガラスが入り込んでしまい、十分な大きさの隙間５３が形成されずに、凹部５１が完全に消滅せずに残ってしまう場合がある。そのため、被覆層１４の表面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上であることが好ましく、０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であることがより好ましい。
また、凹凸の周期もエアー溜まりの発生に影響する。図７（ｃ）は、図７（ａ）と比較して、被覆層１４の表面の凹凸の高さは同じであるが、凹凸の周期が長い場合を示している。このように、凹凸の高さが同じであっても、周期が長くなると凹凸の谷の底の方までガラスが入り込み易くなるため、十分な大きさの隙間５３が形成されず、凹部５１が完全に消滅せずに残ってしまう場合がある。そのため、被覆層１４の表面の粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）は０．５μｍ以下であることが好ましい。
なお、被覆層１４が２種以上の層からなる多層構造を有していてもよい。例えば、基材１１と被覆層１４の密着性を高めるための中間層を設けてもよいし、粗面化によって凹凸が形成された被覆層１４の上に、表面を保護するための保護層を更に設けてもよい。このように、被覆層１４が２層以上からなる場合、溶融ガラス滴と接触する最表面の算術平均粗さ（Ｒａ）と、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）が上記所定範囲となっていることが好ましい。
（ガラスゴブの製造方法）
本発明のガラスゴブの製造方法について図８〜図１０を参照しながら説明する。図８は、ガラスゴブの製造方法の１例を示すフローチャートである。また、図９、図１０は本実施形態におけるガラスゴブの製造方法を説明するための模式図である。図９は下型に溶融ガラス滴を滴下させる工程（Ｓ２２）における状態を、図１０は、滴下した溶融ガラス滴を下型の上で冷却・固化する工程（Ｓ２３）における状態を、それぞれ示している。
上述のように、下型１０は、基材１１の上に被覆層１４が設けられており、被覆層１４の表面は所定の方法によるエッチングによって粗面化されている。
また、下型１０は、図示しない加熱手段によって所定温度に加熱できるように構成されている。加熱手段は、公知の加熱手段を適宜選択して用いることができる。例えば、下型１０の内部に埋め込んで使用するカートリッジヒーターや、下型１０の外側に接触させて使用するシート状のヒーター、赤外線加熱装置、高周波誘導加熱装置等を用いることができる。
以下、図８に示すフローチャートに従い、順を追って各工程について説明する。
先ず、下型１０を予め所定温度に加熱しておく（工程Ｓ２１）。下型１０の温度が低すぎると、ガラスゴブの下面（下型１０との接触面）に大きなしわが発生したり、急速に冷却されることによってワレやカンが発生する場合がある。逆に、必要以上に温度を高くしすぎると、ガラスと下型１０との間に融着が発生したり、成形金型の寿命が短くなるおそれがあるばかりか、ガラスと下型１０が密着することでガラスゴブにエアー溜まりが残ってしまう場合もある。実際には、ガラスの種類や、形状、大きさ、成形金型の材質、大きさ、ヒーターや温度センサーの位置等種々の条件によって適正な温度が異なるため、実験的に適正な温度を求めておくことが好ましい。通常は、ガラスのＴｇ（ガラス転移温度）−１００℃からＴｇ＋１００℃程度の温度に設定することが好ましい。
次に、下型１０に溶融ガラス滴５０を滴下させる（工程Ｓ２２）。下型１０の上方に設けられた溶融槽６２は図示しないヒーターによって加熱され、内部に溶融状態のガラス６１が貯留されている。溶融槽６２の下部にはノズル６３が設けられており、溶融状態のガラス６１が自重によってノズル６３の内部に設けられた流路を通過し、表面張力によって先端部に溜まる。ノズル６３の先端部に一定質量の溶融ガラスが溜まると、ノズル６３の先端部から自然に分離し、一定質量の溶融ガラス滴５０が下方に滴下される（図９参照）。
一般的には、滴下する溶融ガラス滴５０の質量はノズル６３の先端部の外径によって調整可能であり、ガラスの種類等によるが、０．１ｇから２ｇ程度の溶融ガラス滴を滴下させることができる。また、ノズル６３の内径、長さ、加熱温度などによってガラス滴の滴下間隔を調整することができる。従って、これらの条件を適切に設定することで、所望の質量の溶融ガラス滴を所望の間隔で滴下させることが可能である。
使用できるガラスの種類に特に制限はなく、公知のガラスを用途に応じて選択して用いることができる。例えば、ホウケイ酸塩ガラス、ケイ酸塩ガラス、リン酸ガラス、ランタン系ガラス等の光学ガラスが挙げられる。
更に、溶融ガラス滴をノズルから下型に直接滴下させるのではなく、ノズルから滴下させた溶融ガラス滴を貫通細孔を設けた部材に衝突させ、衝突した溶融ガラス滴の一部を微小滴として貫通細孔を通過させて下型に滴下させてもよい。それにより、更に微小なガラスゴブの製造が可能となる。この方法は、特開２００２−１５４８３４号公報に詳細に記載されている。
次に、滴下した溶融ガラス滴５０を、下型１０の上で冷却・固化する（工程Ｓ２３）（図１０参照）。下型１０の上で所定時間放置することによって、溶融ガラス滴５０は下型１０や周囲のエアーへの放熱によって冷却され、固化する。下型１０の被覆層１４の表面は、所定の粗面化処理が施されているため、固化したガラスゴブ５４にエアー溜まりは発生しない。
その後、固化したガラスゴブ５４を回収し（工程Ｓ２４）、ガラスゴブ製造が完成する。ガラスゴブ５４の回収は、例えば、真空吸着を利用した公知の回収装置等を用いて行うことができる。更に引き続いてガラスゴブの製造を行う場合は、工程Ｓ２２以降の工程を繰り返せばよい。
なお、本実施形態の製造方法により製造されたガラスゴブは、リヒートプレス法による各種精密光学素子の製造などに用いることができる。
（ガラス成形体の製造方法）
本発明のガラス成形体の製造方法について図１１〜図１３を参照しながら説明する。図１１は、ガラス成形体の製造方法の１例を示すフローチャートである。また、図１２、図１３は本実施形態におけるガラス成形体の製造方法を説明するための模式図である。図１２は下型に溶融ガラス滴を滴下する工程（Ｓ３３）における状態を、図１３は、滴下した溶融ガラス滴を下型と上型とで加圧する工程（Ｓ３５）における状態を、それぞれ示している。
下型１０は、図９〜図１０で説明した物と同じである。上型６０は、下型１０の基材１１と同様の材質からなり、溶融ガラス滴５０を加圧するための成形面６４を有している。但し、下型１０とは異なり、成形面６４に被覆層を設けて粗面化処理を行う必要はない。
下型１０は、図示しない駆動手段により、ノズル６３の下方で溶融ガラス滴５０を受けるための位置（滴下位置Ｐ１）と、上型６０と対向して溶融ガラス滴５０を加圧するための位置（加圧位置Ｐ２）との間で移動可能に構成されている。また上型６０は、図示しない駆動手段により、下型１０との間で溶融ガラス滴を加圧する方向（図の上下方向）に移動可能に構成されている。
以下、図１１に示すフローチャートに従い、順を追って各工程について説明する。
先ず、下型１０及び上型６０を予め所定温度に加熱しておく（工程Ｓ３１）。下型１０及び上型６０は、図示しない加熱手段によって所定温度に加熱できるように構成されている。下型１０と上型６０とをそれぞれ独立して温度制御することができる構成とすることが好ましい。所定温度とは、上述のガラスゴブの製造方法における工程Ｓ２１の場合と同様であり、加圧成形によってガラス成形体に良好な転写面を形成できる温度を適宜選択すればよい。下型１０と上型６０の加熱温度は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
次に、下型１０を滴下位置Ｐ１に移動し（工程Ｓ３２）、ノズル６３から溶融ガラス滴５０を滴下させる（工程Ｓ３３）（図１２参照）。溶融ガラス滴５０を滴下させる際の条件等については、上述のガラスゴブの製造方法における工程Ｓ２２の場合と同様である。
次に、下型１０を加圧位置Ｐ２に移動し（工程Ｓ３４）、上型６０を下方に移動して、下型１０と上型６０とで溶融ガラス滴５０を加圧する（工程Ｓ３５）（図１３参照）。
溶融ガラス滴５０は、加圧されている間に下型１０や上型６０との接触面からの放熱によって冷却し、固化する。加圧を解除してもガラス成形体に形成された転写面の形状が崩れない温度にまで冷却された後、加圧を解除する。ガラスの種類や、ガラス成形体の大きさや形状、必要な精度等によるが、通常はガラスのＴｇ近傍の温度まで冷却されていればよい。
溶融ガラス滴５０を加圧するために負荷する荷重は、常に一定であってもよいし、時間的に変化させてもよい。負荷する荷重の大きさは、製造するガラス成形体のサイズ等に応じて適宜設定すればよい。また、上型６０を上下移動させる駆動手段に特に制限はなく、エアシリンダ、油圧シリンダ、サーボモータを用いた電動シリンダ等の公知の駆動手段を適宜選択して用いることができる。
その後、上型６０を上方に移動して退避させ、固化したガラス成形体５５を回収し（工程Ｓ３６）、ガラス成形体の製造が完成する。下型１０の被覆層１４の表面は、所定の粗面化処理が施されているため、得られたガラス成形体にエアー溜まりは発生しない。その後、引き続いてガラス成形体の製造を行う場合は、下型１０を再度滴下位置Ｐ１に移動し（工程Ｓ３２）、以降の工程を繰り返せばよい。
なお、本発明のガラス成形体の製造方法は、ここで説明した以外の別の工程を含んでいてもよい。例えば、ガラス成形体を回収する前にガラス成形体の形状を検査する工程や、ガラス成形体を回収した後に下型１０や上型６０をクリーニングする工程等を設けてもよい。
本発明の製造方法により製造されたガラス成形体は、デジタルカメラ等の撮像レンズ、ＤＶＤ等の光ピックアップレンズ、光通信用のカップリングレンズ等の各種光学素子として用いることができる。また、ガラス成形体を再度加熱してリヒートプレス法により加圧成形することにより各種光学素子を製造することもできる。
以下、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（下型：実施例１）
図１に示した工程に従って下型１０の作製を行った。基材１１は、直径２０ｍｍ、高さ２０ｍｍの円筒形状とし、材質は炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬材料を用いた。基材１１の表面に、スパッタ法によって、被覆層１４として厚み１μｍのＣｒ膜を成膜した。
次に、下型１０をエッチング液３０に浸漬して、ウェットエッチングにより被覆層１４の表面の粗面化処理を行った。この際、図４（ａ）に示したようにマスク３３を用い、基材１１が直接エッチングの影響を受けないようにして処理を行った。エッチング液３０には、硝酸第二セリウムアンモニウムを含む酸性溶液（ナカライテスク株式会社製 ＥＣＲ−２）を用いた。エッチング液３０の体積は５００ｍｌであり、５個の下型１０を同時にエッチング液３０に浸漬させた。下型１０とエッチング液３０の温度は３０℃、処理時間は５分とした。また、処理室の雰囲気温度は２５℃、照度は１０００ルクスであった。
エッチング後の被覆層１４の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は０．２μｍ、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）は０．０５μｍであった。なお、算術平均粗さ（Ｒａ）と粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）はＡＦＭ（デジタルインスツルメント社製Ｄ３１００）により測定した。
（下型：実施例２）
実施例１と同じ基材１１を用い、同様の条件で成膜工程と粗面化工程とを行って下型１０を作製した。但し、実施例１と異なり、エッチング液には、フェリシアン化カリウム１００ｇ、水酸化カリウム１００ｇ、及び、純水１Ｌを混合した混合液Ａ（アルカリ性溶液）を使用した。また、処理時間は２０分とした。エッチング後の被覆層１４の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は０．０１μｍ、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）は０．０３μｍであった。
（下型：実施例３）
実施例１、２と同じ基材１１を用い、同様の条件で成膜工程を行い、被覆層１４として厚み１μｍのＣｒ膜を成膜した。
粗面化工程は、図５に示した平行平板型のドライエッチング装置４０を用いたドライエッチングにより行った。電極４２に下型１０を配置した後、排気ポンプ４６によって約１時間排気し、真空チャンバー４１内を１０-3Ｐａ台の高真空状態とした。次に、Ｃｌ2とＯ2の混合ガスを真空チャンバー４１に導入し、真空チャンバー４１内の圧力が０．５Ｐａとなるように混合ガスの流量を調整した。Ｃｌ2とＯ2の混合比は、体積比でＣｌ2：Ｏ2＝７：３とした。その後、電極４２に５００Ｗの高周波を印加して電極４２と４３の間にプラズマを発生させ、１０分間エッチングを行った。この際、被覆層１４の最表面では、プラズマと被覆層１４のＣｒが反応してＣｒＯ2Ｃｌ2が生成されながらエッチングが進行していくと考えられる。エッチング後の被覆層１４の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は０．１μｍ、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）は０．２５μｍであった。
実施例１〜３の作製条件と測定結果をまとめて表１に示す。
（ガラス成形体の製造）
上記実施例１〜３の条件で作製した下型１０を用いて、図１１に示すフローチャートに従ってガラス成形体の製造を行った。ガラス材料はＴｇが４８０℃のリン酸系ガラスを用いた。工程Ｓ３１における加熱温度は、下型１０が５００℃、上型６０が４５０℃とした。ノズル６３の先端付近の温度は１０００℃とし、約１９０ｍｇの溶融ガラス滴５０が滴下するように設定した。加圧の際の荷重は１８００Ｎとした。
それぞれの下型で製造したガラス成形体について、エアー溜まりの有無を顕微鏡観察により評価した。評価は、１０００ショット目に製造したサンプルにより行い、エアー溜まりが観察されなかった場合を良好（○）とした。評価結果を表１に併せて示す。
実施例１〜３の何れの場合も、１０００ショット目に製造されたガラス成形体にエアー溜まりの発生はなく、本発明の効果が発揮されていることが確認された。
（実施例４〜７）
図１２に示すフローチャートに従ってガラス成形体の製造を行った。
先ず、下型１０と上型６０を準備した。下型１０及び上型６０の材質には、いずれも炭化タングステンを主成分とする超硬材料を用いた。製造するガラス成形体の外径は直径７ｍｍ、中心部の厚みの狙い値は３．５ｍｍとした。
下型１０の被覆層１４は、クロムの金属膜とした。クロムの金属膜はスパッタ法により成膜し、厚みは０．５μｍとした。成膜後、被覆層１４の表面をエッチング液に浸漬して粗面化処理を行った。エッチング液には硝酸第二セリウムアンモンを含んだ市販のクロムエッチング液（ナカライテスク株式会社製 ＥＣＲ−２）を用いた。
エッチング時間を調整し、エッチング後の被覆層１４の表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ（実施例４）、０．１μｍ（実施例５）、０．２μｍ（実施例６）、０．２５μｍ（実施例７）となる４種類の下型を用意した。このときの粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）は、それぞれ、０．０３μｍ（実施例４）、０．２５μｍ（実施例５）、０．４μｍ（実施例６）、０．５μｍ（実施例７）であった。なお、算術平均粗さ（Ｒａ）と粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）はＡＦＭ（デジタルインスツルメント社製Ｄ３１００）により測定した。
このような４種類の下型１０を用いて、図１２に示すフローチャートに従ってガラス成形体の製造を行った。ガラス材料はＴｇが４８０℃のリン酸系ガラスを用いた。工程Ｓ３１における加熱温度は、下型１０が５００℃、上型６０が４５０℃とした。ノズル６３の先端付近の温度は１０００℃とし、約１９０ｍｇの溶融ガラス滴が落下するように設定した。加圧の際の荷重は１８００Ｎとした。
それぞれの下型１０で製造したガラス成形体について、エアー溜まりの有無を顕微鏡観察により評価した。更に、ガラス成形体の下面（下型１０と接触して形成された面）の算術平均粗さ（Ｒａ）を測定した。ガラス成形体の下面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．１μｍ以下の場合を最も良好（◎）、０．１μｍを超えて０．１５μｍ以下の場合を良好（○）、０．１５μｍを超えて０．２μｍ以下の場合を可（△）とした。
また、エアー溜まりの評価と下面の算術平均粗さ（Ｒａ）の評価より、ガラス成形体の総合評価を行った。総合評価は、エアー溜まりが無く、Ｒａの評価が◎の場合を最も良好（◎）、エアー溜まりが無く、Ｒａの評価が○の場合を良好（○）、エアー溜まりが有る場合を不可（×）とした。評価結果を表２にまとめて示す。
実施例４〜７の何れの場合も、ガラス成形体にエアー溜まりの発生はなく、総合評価は◎又は○であり、本発明の効果が発揮されていることが確認された。更に、被覆層１４の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以下の場合（実施例４〜６）には、ガラス成形体の下面の算術平均粗さ（Ｒａ）は０．１μｍ以下であり総合評価が最も良好（◎）であることが確認された。

Claims (6)

  1. 滴下した溶融ガラス滴を受けるための下型の製造方法において、
    基材の上にクロム、アルミニウム、及びチタンのうち少なくとも１つの元素を含む被覆層を成膜する成膜工程と、
    硝酸第二セリウムアンモニウムを含む酸性溶液を用いたウェットエッチングによって前記被覆層の表面を粗面化する粗面化工程と、を有し、
    粗面化された前記被覆層の表面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であり、且つ、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）が０．５μｍ以下である、下型の製造方法。
  2. 滴下した溶融ガラス滴を受けるための下型の製造方法において、
    基材の上にクロム、アルミニウム、及びチタンのうち少なくとも１つの元素を含む被覆層を成膜する成膜工程と、
    フェリシアン化カリウム及び水酸化カリウムを含むアルカリ性溶液を用いたウェットエッチングによって前記被覆層の表面を粗面化する粗面化工程と、を有し、
    粗面化された前記被覆層の表面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であり、且つ、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）が０．５μｍ以下である、下型の製造方法。
  3. 滴下した溶融ガラス滴を受けるための下型の製造方法において、
    基材の上にクロム、アルミニウム、及びチタンのうち少なくとも１つの元素を含む被覆層を成膜する成膜工程と、
    プラズマを用いたドライエッチングによって前記被覆層の表面を粗面化する粗面化工程と、を有し、
    粗面化された前記被覆層の表面は、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以上０．２μｍ以下であり、且つ、粗さ曲線要素の平均長（ＲＳｍ）が０．５μｍ以下である、下型の製造方法。
  4. 前記被覆層は、クロム元素を含むことを特徴とする、請求項１から３の何れか１項に記載の下型の製造方法。
  5. 下型に溶融ガラス滴を滴下する工程と、
    滴下した前記溶融ガラス滴を前記下型の上で冷却固化する工程と、を有するガラスゴブの製造方法において、
    前記下型は、請求項１から４の何れか１項に記載の下型の製造方法によって製造された下型であることを特徴とするガラスゴブの製造方法。
  6. 下型に溶融ガラス滴を滴下する工程と、
    滴下した前記溶融ガラス滴を、前記下型及び前記下型に対向する上型により加圧成形する工程と、を有するガラス成形体の製造方法において、
    前記下型は、請求項１から４の何れか１項に記載の下型の製造方法によって製造された下型であることを特徴とするガラス成形体の製造方法。
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