JP5762101B2 - 光学素子成形用型の製造方法および光学素子成形用型 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ、プリズムなどの光学素子をガラス素材のプレス成形により製造する際に使用される光学素子成形用型の製造方法に関するものである。

ガラス研磨工程を必要とせず、ガラス素材のプレス成形によってレンズを製造する技術は、従来の光学素子成形用型の製造方法において必要とされた複雑な工程を省き、簡単かつ安価にレンズを製造することを可能とした。このような、ガラスの光学素子のプレス成形に使用される型材に要求される性質としては、硬度、耐熱性、離型性、鏡面加工性などに優れていることが挙げられる。

従来、この種の型材として、金属、セラミックスや、それらをコーティングした材料など、数多くの提案がなされている。そのなかでも、ダイヤモンド状炭素膜、水素化アモルファスカーボン膜（ａ−Ｃ：Ｈ膜）、硬質炭素膜、テトラヘドラルアモルファスカーボン膜（ｔａＣ膜）などの炭素膜を用いた型は、型とガラスとの離型性が良く、ガラスとの融着を起こしにくい利点を持っている。

そこで、耐熱性の良い炭素膜としては、特許文献１に開示されたようにフィルタードカソーディックバキュームアーク法（ＦＣＶＡ法）で得られたｔａＣ膜が知られている。従来のメタン系ガスを用いるダイヤモンド状炭素膜（硬質炭素膜）は、水素を含み、高温成形時に炭素と水素の結合が切れて、炭素同士がグラファイト結合（ｓｐ２結合）して硬度低下し易い。これに対してｔａＣ膜は、その製法であるＦＣＶＡ法がグラファイトを原料とするため、水素レスのダイヤモンド状炭素膜（高強度なｓｐ３結合）を得ることが可能である。

特開２００４−０７５５２９号公報

一般的にダイヤモンド状炭素膜、ａ−Ｃ：Ｈ膜、硬質炭素膜、ｔａＣ膜を用いた型は、型とガラスとの離型性が良く、ガラスとの融着を起こしにくい利点がある。しかしながら、型と膜の密着性が一般に低く、成形操作を数百回以上繰り返して行うと、膜が剥離し、十分な成形性能が得られないことがある。

しかしながら、前述のＦＣＶＡ法によるｔａＣ膜の成膜方法は、陰極点からのイオン放出と同時に発生する陰極材料の微粒子を、プラズマ磁気輸送中のトラップ除去しながら、炭素イオンだけを型母材（成形型基板）へ到達させて成膜している。このようなＦＣＶＡ法の場合、型の周辺の傾斜部の耐熱性が低いという問題点があった。特に、開角（型の光学軸中心と光学有効径位置における法線方向とが為す角度）の大きな形状の型の周辺部は、頂点部に比べて耐熱性が劣る傾向があった。そのため、型の周辺部において、成形回数の増加とともにｔａＣ膜が剥離し、耐久劣化を引き起こしていた。

本発明は、型の頂点部から周辺の傾斜部まで均一な膜質のｔａＣ膜を有する光学素子成形用型を製造することのできる光学素子成形用型の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、光学素子成形用型の製造方法において、型母材を真空チャンバー内に配置した後、前記型母材の外側に配置したリング状磁石により、前記型母材の被成膜面に対して法線方向の磁場を形成し、前記型母材に電圧を印加しながら、フィルタードカソ−ディックバキュームアーク法によって、前記型母材の被成膜面にテトラヘドラルアモルファスカーボン膜を成膜するものである。

ＦＣＶＡ法によってｔａＣ膜を成膜する工程において、型母材の法線方向に磁場を形成し、型母材保持部材に電圧を印加することで、型の周辺の傾斜部において膜質が劣るのを防ぐ。均一な膜質のｔａＣ膜を設けることで、光学素子成形用型のプレス成形耐久回数を増し、光学素子の生産コストを大幅に低減することができる。

本発明の実施形態における成膜装置の模式図と、成膜後の光学素子成形用型の断面図である。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、一実施形態に係る光学素子成形用型の製造方法におけるフィルタードカソ−ディックバキュームアーク法（ＦＣＶＡ法）による成膜を行う成膜装置（ＦＣＶＡ装置）を示す。この装置は、真空チャンバー１内に型母材保持部材２を有し、型母材保持部材２は型母材１０を保持する。型母材保持部材２の外側には、後述するような磁場を形成する磁気手段であるリング状磁石３が設置されている。型母材１０には直流電源５により電圧が印加されている。真空チャンバー１には、ＦＣＶＡ法によってテトラヘドラルアモルファスカーボン膜（ｔａＣ膜）を成膜するための成膜源を構成するバキュームアーク電源２０、アークプラズマ生成室２１及びフィルターコイル２２が接続されている。

フィルターコイル２２の作る磁場の磁力線の向き（矢印Ｂ）は、型母材１０からフィルターコイル２２の向き（矢印Ａ）になるように形成する。磁力線の向きを逆方向とした場合は、フィルターコイル２２の作る磁場と、リング状磁石３によって形成される磁場の変極点で、炭素イオンの進行方向以外の磁場の影響で炭素イオンが発散して、膜の均質化が阻害される。

また、リング状磁石３による磁場の磁束密度は、型母材１０の成形面（被成膜面）の法線方向に向けて０．０２テスラ以上０．４テスラ未満である。磁束密度が０．０２テスラ以下であれば、磁力による電子のサイクトロン運動の半径が大きくなるため、炭素イオンを引き込むことができず、周辺部の成形面に対して法線方向に入射する炭素イオンが少なくなり、膜質改善に効果が無くなる。一方、ＦＣＶＡ装置では、フィルターコイル以外に、炭素イオンビームをスキャンするためのスキャニングコイルがある。磁束密度が０．４テスラ以上では、スキャニングコイルの作る磁界に干渉するため、膜厚分布が不均一となる。

成膜工程では、型母材を真空チャンバー内に配置した後、真空チャンバー１内の到達真空度を１×１０^−５Ｐａ以下に排気する。バキュームアーク電源２０によりアークプラズマ生成室２１で炭素プラズマを生成し、フィルターコイル２２により炭素イオンを抽出して、炭素イオンを型母材１０に照射する。このようにして、ｔａＣ膜を５０〜１０００ｎｍ形成する。

図１（ｂ）は、ｔａＣ膜を成膜後の光学素子成形用型の断面図である。型母材１０から順に、Ｔｉ膜１１、ＴｉＡｌＮ膜１２、ＳｉＣ膜１３、ｔａＣ膜１４が成膜されている。

型母材１０は、ＷＣを主成分とする超硬合金が好ましいが、ＳｉＣの焼結体にＣＶＤ法で形成されたＳｉＣ膜を用いた型母材でも適用される。ただしその場合は、型母材に直接、ＦＣＶＡ法によりｔａＣ膜が形成される。

（実施例１）
図１（ａ）の装置により、図１（ｂ）に示すような光学素子成形用型を形成した。まず凸形状で開角が５５度である型母材１０を準備し、ＷＣを主成分とする超硬合金の型母材１０に、スパッタリング装置を用いてＴｉ膜１１を３００ｎｍ成膜した。次に、ＴｉＡｌＮ膜１２を７００ｎｍ成膜し、さらにＳｉＣ膜を６０ｎｍ成膜した。ＳｉＣ膜の形成方法としては、プラズマソースイオンインプラテーション法（ＰＳＩＩ法）や、スパッタ法が適用される。最後に、図１（ａ）に示す成膜装置の真空チャンバー１内に型母材１０を設置した。リング状磁石３により、型母材１０から型母材１０の成形面の法線方向に向けて±０、＋０．０１、＋０．０２、＋０．１、＋０．２、＋０．４、＋０．５テスラの各磁束密度を有する磁場を形成し、ｔａＣ膜１３を２００ｎｍ成膜した。

また、この時のｔａＣ膜が成膜された光学素子成形用型に対して、抵抗率計を用いて頂点部と周辺の傾斜部の電気抵抗率の測定を行った。その結果を表１に示す。測定においては、定電圧印加法を用い、印加電圧は１０Ｖ、測定時間は１０秒で行った。なお、光軸からの角度が０度を頂点部、７０度を周辺部とした。

また、プレス成形後の光学素子成形用型を想定して、ｔａＣ膜が形成された光学素子成形用型をプレス温度である６８０度で５分間熱処理を行い、熱処理前と同様に熱処理後の頂点部と周辺部の電気抵抗率の測定を行った。測定はいずれも室温（２５度）で行った。その結果を表１に示す。なお、磁束密度が＋０．５テスラの場合は、頂点部と周辺部に電気抵抗率の測定に必要な膜質のＴａＣ膜が形成されなかった。

なお、ｔａＣ膜１１より下膜のＳｉＣ膜１０、ＴｉＡｌＮ膜９、Ｔｉ膜８及び母材は導電体であるため、その抵抗率は無視する。

次に、このように製造された光学素子成形用型を用いて光学素子である光学レンズのプレス成形を最大２０００ショット行った。成形ガラスは、希土類を含む棚珪酸系ガラス（Ｔｇ：６１０℃、屈折率：１．８６）で、成形条件は、窒素雰囲気下、プレス温度６８０℃で行った。

その結果、磁束密度が±０テスラの場合は、３００ショットでｔａＣ膜の周辺の傾斜部に剥離が発生した。また磁束密度が＋０．０１テスラの場合は、５５０ショットでｔａＣ膜の周辺部に剥離が発生した。これに対して、磁束密度が＋０．０２、＋０．１、＋０．２、＋０．４テスラの場合は、２０００ショット行っても、ｔａＣ膜の剥離は全く発生せず、成形品はすべて良好であった。

磁束密度が＋０．０２、＋０．１、＋０．２、＋０．４テスラの場合の電気抵抗値は、表１から分かるように、１×１０^６Ω・ｃｍ以上で９×１０^６Ω・ｃｍ以下である。従ってｔａＣ膜の電気抵抗値がこの範囲にあれば、良好な成形品を成形できることが分かる。

また、リング状磁石３により、＋０．０１、＋０．４テスラの各磁束密度を有する磁場により成膜したｔａＣ膜に対して、頂点部および周辺の傾斜部のラマン・スペクトルの１３６０ｃｍ^−１の強度Ｉｄと１５８０ｃｍ^−１の強度Ｉｇの比を測定した。また、Ｉｄ／Ｉｇにおいて周辺部／中心部の比をＩｄ／Ｉｇ比として記載した。その結果を表２に示す。

表２から分かるように、Ｉｄ／Ｉｇの値が０．８４以下であり、Ｉｄ／Ｉｇ比が１．１以上で１．８以下であれば良好な成形品を成形できることが分かる。

（第２の実施の形態）
フィルターコイルの作る磁場と、リング状磁石によって形成される磁場を、各々逆向きにする以外は実施例１と同様に光学素子成形用型を製造した。この光学素子成形用型を用いて実施例１と同様に光学レンズの成形を行った。実施例１と同様、成形中、型と成形された光学素子との離型性は良好であった。

１ 真空チャンバー
２ 型母材保持部材
３ リング状磁石
１０ 型母材
１１ Ｔｉ膜
１２ ＴｉＡｌＮ膜
１３ ＳｉＣ膜
１４ ｔａＣ膜
２０ バキュームアーク電源
２１ アークプラズマ生成室
２２ フィルターコイル

Claims (3)

1. 光学素子成形用型の製造方法において、型母材を真空チャンバー内に配置した後、前記型母材の外側に配置したリング状磁石により、前記型母材の被成膜面に対して法線方向の磁場を形成し、前記型母材に電圧を印加しながら、フィルタードカソ−ディックバキュームアーク法によって、前記型母材の被成膜面にテトラヘドラルアモルファスカーボン膜を成膜することを特徴とする光学素子成形用型の製造方法。
2. 前記磁場において、前記型母材の被成膜面に対して法線方向の磁束密度は、０．０２テスラ以上０．４テスラ未満であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用型の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の光学素子成形用型の製造方法によって製造されたことを特徴とする光学素子成形用型。