JP6406939B2 - Amorphous alloy, mold for molding, and method of manufacturing optical element - Google Patents
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Description
本発明は、アモルファス合金、それを用いたカメラ用レンズの如き成形体の製造方法に用いられる成形用型およびその成形用型を用いた光学素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a molding die used in a method for producing a molded body such as an amorphous alloy and a camera lens using the amorphous alloy, and a method for producing an optical element using the molding die.
研削工程や研磨工程を必要としない硝子素材のプレス成形技術は、製造工程が簡素であり、光学素子を製造することが可能である。このため、近年、光学素子としてレンズのみならずプリズムやその他の光学素子全般の製造に使用されるようになってきている。 A glass material press molding technique that does not require a grinding process or a polishing process has a simple manufacturing process and can manufacture an optical element. For this reason, in recent years, not only lenses but also prisms and other optical elements are generally used as optical elements.
硝子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、耐熱性、化学的安定性、硬度、離型性、加工性に優れていることが挙げられる。 Properties required for a mold material used for press molding of a glass optical element include excellent heat resistance, chemical stability, hardness, releasability, and workability.
成形用型に関し、特許文献1には、耐熱性、耐酸化性、硬度に優れた超硬合金を所望の形状に加工し、その表面に化学的に安定で硝子素材との離型性を有する貴金属を離型膜としてコーティングしている成形型が提案されている。 Regarding the mold for molding, Patent Document 1 discloses that a cemented carbide excellent in heat resistance, oxidation resistance, and hardness is processed into a desired shape, and its surface is chemically stable and has releasability from a glass material. There has been proposed a mold in which a noble metal is coated as a release film.
しかし、近年、多様な光学設計を実現するため、様々な硝材が光学素子に使用されるようになってきている。その硝材の中には、例えばリンや弗素の如き反応性の高い成分を含んだものがあり、このような硝子を成形するには、硝材から発せられる腐食性成分による反応が起きない成形型用の離型膜が必要となっている。そのような成形型として、特許文献2には、耐腐食性の高いアモルファス合金を用いた硝子成形用型が提案されている。 However, in recent years, various glass materials have been used for optical elements in order to realize various optical designs. Some of these glass materials contain highly reactive components such as phosphorus and fluorine. For molding such glasses, there is no reaction due to corrosive components emitted from the glass materials. A mold release film is required. As such a mold, Patent Document 2 proposes a glass molding mold using an amorphous alloy having high corrosion resistance.
しかしながら、特許文献2に記載されている耐腐食性の高いアモルファス合金は、化学的に安定であるものの、切削加工層に用いるものであり、硬度は高くない。特許文献2に記載されているアモルファス合金の中で、硬度の高そうなものを選んでいくつか測定した。その中で最も硬度が高かったアモルファス合金の組成はPtが58at%、Hfが21at%、Zrが12at%、Niが10at%であり、硬度を測定したところ9GPaであった。 However, although the amorphous alloy with high corrosion resistance described in Patent Document 2 is chemically stable, it is used for a cutting layer and does not have high hardness. Among the amorphous alloys described in Patent Document 2, some of the alloys with high hardness were selected and measured. Among them, the composition of the amorphous alloy with the highest hardness was Pt of 58 at%, Hf of 21 at%, Zr of 12 at%, Ni of 10 at%, and the hardness was measured to be 9 GPa.
硝子成形時には、成形用型や装置の摺動部で超硬同士がこすれ合うことから超硬の粉が発生する。型材として用いられる超硬の硬度は13から18GPa程度ある。摺動部に発生する超硬の粉が型に載った状態でガラスの成形が行われると、ガラスにより超硬の粉は型に強く押し付けられる。このとき、成形用型に用いられるコーティングが特許文献2に記載された離型膜のように9GPa程度であると、超硬クズを成形時に型が噛むことで、コーティングに傷が発生することがある。このような傷が発生した成形用型で硝子光学素子を成形した場合、硝子光学素子にもその成形用型の傷が転写されて、硝子光学素子に外観不良が発生する。 At the time of glass molding, cemented carbides are rubbed against each other at the molding die and the sliding portion of the apparatus, and cemented carbide powder is generated. The hardness of the carbide used as the mold material is about 13 to 18 GPa. When glass molding is performed in a state where the cemented carbide powder generated in the sliding portion is placed on the mold, the cemented carbide powder is strongly pressed against the mold by the glass. At this time, if the coating used for the mold is about 9 GPa as in the release film described in Patent Document 2, the mold may bite the carbide scrap when molding, and the coating may be damaged. is there. When a glass optical element is molded with a molding die having such scratches, the scratches on the molding die are also transferred to the glass optical element, resulting in poor appearance of the glass optical element.
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、化学的に安定で耐腐食性が高く、且つ、高い硬度を有するアモルファス合金、成形時に傷が入りにくい前記アモルファス合金を用いる成形用型を提供するものである。また、本発明は、前記成形用型を用いる光学素子の製造方法を提供するものである。 The present invention has been made in view of such background art, and is formed using an amorphous alloy that is chemically stable, has high corrosion resistance, and has high hardness, and that uses the amorphous alloy that is difficult to be damaged during molding. A mold is provided. Moreover, this invention provides the manufacturing method of the optical element using the said shaping | molding die.
本発明は、Nb、W及びNiを含有するアモルファス合金であり、該アモルファス合金は、Nbの含有量が7.5at%以上52.9at%以下であり、Wの含有量が16.4at%以上47.0at%以下であり、Niの含有量が22.0at%以上29.0at%以下であり、前記アモルファス合金は、Nb、W及びNiの含有量の合計が97.0at%以上であることを特徴とするアモルファス合金に関する。 The present invention is an amorphous alloy containing Nb, W and Ni, and the amorphous alloy has a Nb content of 7.5 at% or more and 52.9 at% or less, and a W content of 16.4 at% or more. 47.0At% Ri der less, the content of Ni is less 22.0At% or more 29.0 at%, the amorphous alloy, Nb, the total content of W and Ni at least 97.0At% The present invention relates to an amorphous alloy characterized by being.
更に、本発明は、アモルファス合金で形成された離型層を型基材の上に有し、前記アモルファス合金は、Nbの含有量が35.0at%以上41.7at%以下であり、Wの含有量が35.4at%以上40.4at%以下であり、Niの含有量が22.0at%以上25.0at%以下であり、前記アモルファス合金は、Nb、W及びNiの含有量の合計が97.0at%以上であることを特徴とする成形用型に関する。 Furthermore, the present invention may have a release layer formed by A Amorphous alloy on the mold bases, the amorphous alloy, the content of Nb is less 35.0At% or more 41.7at%, W The content of Ni is 35.4 at% or more and 40.4 at% or less, the Ni content is 22.0 at% or more and 25.0 at% or less, and the amorphous alloy has a total content of Nb, W and Ni. The present invention relates to a mold for molding characterized in that is 97.0 at% or more .
更に、本発明は、該成形用型を用いて、硝子プリフォームをプレスして成形する工程を有することを特徴とする光学素子の製造方法に関する。 Furthermore, this invention relates to the manufacturing method of the optical element characterized by having the process of pressing and shape | molding a glass preform using this shaping | molding die.
本発明によれば、化学的に安定で、且つ、高い硬度を有するアモルファス合金を提供することが可能であり、成形時に傷が入りにくい成形用型を提供することが可能である。また、本発明によれば、成形時に傷が入りにくい前記成形用型を用いる光学素子の製造方法を提供することが可能である。 According to the present invention, it is possible to provide an amorphous alloy that is chemically stable and has high hardness, and it is possible to provide a molding die that is difficult to be damaged during molding. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing an optical element using the molding die that is difficult to be damaged during molding.
本発明は、アモルファス合金、レンズ、プリズムの如き光学素子を、硝子素材のプレス成形によって製造する際に使用される成形用型及び光学素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a molding die used for manufacturing an optical element such as an amorphous alloy, a lens, and a prism by press molding a glass material, and a method for manufacturing the optical element.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
(アモルファス合金)
本発明のNb−W−Niアモルファス合金は、化学的に安定で、高い硬度を有する。
(Amorphous alloy)
The Nb—W—Ni amorphous alloy of the present invention is chemically stable and has a high hardness.
本発明のアモルファス合金は、Nb、W及びNiを含有するアモルファス合金である。本発明のアモルファス合金は、Nbの含有量が35.0at%以上41.7at%以下であり、Wの含有量が35.4at%以上40.4at%以下である、Niの含有量が22.0at%以上25.0at%以下である。本発明のアモルファス合金は、Nbの含有量が7.5at%以上52.9at%以下であり、Wの含有量が16.4at%以上47.0at%以下であり、Niの含有量が22.0at%以上29.0at%以下であることが好ましい。 The amorphous alloy of the present invention is an amorphous alloy containing Nb, W and Ni. The amorphous alloy of the present invention has an Nb content of 35.0 at% or more and 41.7 at% or less, a W content of 35.4 at% or more and 40.4 at% or less, and a Ni content of 22. It is 0 at% or more and 25.0 at% or less. The amorphous alloy of the present invention has a Nb content of 7.5 at% or more and 52.9 at% or less, a W content of 16.4 at% or more and 47.0 at% or less, and a Ni content of 22. It is preferably 0 at% or more and 29.0 at% or less.
また、本発明のアモルファス合金は、Nbの含有量が35.0at%以上41.7at%以下であり、該Wの含有量が35.4at%以上40.4at%以下である、該Niの含有量が22.0at%以上25.0at%以下であることが好ましい。この組成を満たすアモルファス合金は、硬度が高く、耐食性が高いだけでなく、耐熱性にも優れている。本明細書では、『at%』は原子組成百分率を示す。 Further, the amorphous alloy of the present invention has an Nb content of 35.0 at% to 41.7 at% and a W content of 35.4 at% to 40.4 at%. The amount is preferably 22.0 at% or more and 25.0 at% or less. An amorphous alloy satisfying this composition has not only high hardness and high corrosion resistance, but also excellent heat resistance. In the present specification, “at%” indicates the atomic composition percentage.
本発明のアモルファス合金は、Nb−Ni系の合金でWを含有しているので、硬度が高く、化学的に安定であり、耐熱性が高い。 Since the amorphous alloy of the present invention is an Nb—Ni alloy and contains W, it has high hardness, is chemically stable, and has high heat resistance.
本発明のアモルファス合金は、Nb、W及びNiの合計の含有量が97.0at%以上100at%以下、より好ましくは99.0at%以上100at%以下、さらに好ましくは99.8at%以上100at%以下であることが好ましい。本発明のアモルファス合金に含まれる不可避不純物としては、Feなどである。本発明のアモルファス合金に含有される酸素以外の不回避成分の含有量は、アモルファス合金の全体に対して0.2at%以下が好ましく、0.03at%以下がより好ましい。 In the amorphous alloy of the present invention, the total content of Nb, W and Ni is 97.0 at% or more and 100 at% or less, more preferably 99.0 at% or more and 100 at% or less, further preferably 99.8 at% or more and 100 at% or less. It is preferable that Inevitable impurities contained in the amorphous alloy of the present invention include Fe. The content of unavoidable components other than oxygen contained in the amorphous alloy of the present invention is preferably 0.2 at% or less, more preferably 0.03 at% or less with respect to the entire amorphous alloy.
(成形用型)
本発明の成形用型は、上記のNb−W−Niアモルファス合金で形成されている離型膜を表面に1層以上の有することを特徴とする。
(Molding mold)
The molding die of the present invention is characterized in that it has one or more release films formed of the Nb—W—Ni amorphous alloy on the surface.
また、本発明の成形用型で用いる離型膜は、上記の組成のアモルファス合金で出来ているので、耐腐食性および耐熱性に優れ、超硬合金と同等以上の硬度を有する。 Further, since the release film used in the molding die of the present invention is made of an amorphous alloy having the above composition, it has excellent corrosion resistance and heat resistance and has a hardness equal to or higher than that of cemented carbide.
本発明の成形用型は、化学的に安定なアモルファス合金であることにより化学的に安定で高い離型性を有し、又、高い硬度を有することで成形時に傷が入りにくい。 The molding die of the present invention is chemically stable and has a high mold releasability because it is a chemically stable amorphous alloy, and has a high hardness so that it is difficult to be damaged during molding.
又、本発明の成形用型で用いる離型膜では、Nb−Ni合金にWを含有させたことから、他の高硬度で化学的に安定な貴金属を用いる場合より、比較的安価に所望の特性を有する合金膜を得ることが可能である。 Further, in the release film used in the molding die of the present invention, since W is contained in the Nb—Ni alloy, the desired film can be obtained at a relatively low cost compared to the case of using other highly hard and chemically stable noble metals. It is possible to obtain an alloy film having characteristics.
本発明の成形用型で用いる離型膜では、Nb、W、Ni以外の元素は、ターゲット材料に含まれる微量な不純物や、成膜真空チャンバー内のパーティクルや残留ガスによる不回避成分の元素である。又、アモルファス合金の形成が真空成膜である場合、成膜時に成膜真空チャンバー内の水分の如き残留ガスにより、膜中に酸素が取り込まれてしまう場合がある。膜中の酸素は無いことが理想であるが、チャンバーの長期真空引きやベーキングによるチャンバー内壁の吸着ガスを軽減しても、アモルファス合金の全体に対して0.1から数at%は取り込まれてしまう場合がある。本発明のアモルファス合金の離形膜は、膜中にこのような成膜時の不回避酸素を含有していても、所望のアモルファス性(非結晶性)、すなわちアモルファス構造(非晶質構造)と硬度を有している。 In the release film used in the molding die of the present invention, elements other than Nb, W, and Ni are elements of unavoidable components due to trace impurities contained in the target material, particles in the film forming vacuum chamber, and residual gas. is there. Further, when the amorphous alloy is formed by vacuum film formation, oxygen may be taken into the film by a residual gas such as moisture in the film formation vacuum chamber during film formation. Ideally, there should be no oxygen in the film, but even if the adsorbed gas on the inner wall of the chamber is reduced by long-term evacuation or baking of the chamber, 0.1 to several at% of the entire amorphous alloy is taken in. May end up. The release film of the amorphous alloy of the present invention has a desired amorphous property (non-crystalline property), that is, an amorphous structure (amorphous structure) even if the film contains such inevitable oxygen during film formation. And has hardness.
以下、本発明の実施形態を図面参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の成形用型の一実施態様を示す概略図である。図1において、本発明の成形用型10は、型基材11と、型基材11に積層された密着層12と、その上に積層された保護層13と、その上に積層された離型層14とを有している。型基材11としては、タングステンカーバイトの焼結体である超硬合金を用いるほか、SiCなどのセラミックスを用いることができる。密着層12としては、Ti、Crなどの金属層を用いることが出来る。また、保護層13には、TiN、CrNやTiAlNなどの金属窒化物を用いることができる。離型層14は、本発明のNb−W−Ni組成のアモルファス合金から形成されている。
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of the molding die of the present invention. In FIG. 1, a
Ti層12、TiN層13、離型層14は、スパッタリング法などの物理蒸着法で超硬基材11上に順次積層される。また、所望の合金組成比の離型層14は、所望の組成比であるターゲットを用いたスパッタリング法や、図2に示すような複数のターゲット25,26を有したスパッタリング装置20を用いる多元スパッタリングによって形成することが可能である。物理蒸着法としては、スパッタリング法以外にもイオンプレーティングやアークプラズマ蒸着法やイオンビームスパッタリング法等を用いても良い。
The
また、成膜に限らず、金属材料を溶融混合し、その後急冷することでも同様な特性の合金をバルク状として得ることが可能である。 In addition to film formation, it is possible to obtain an alloy having similar characteristics as a bulk by melting and mixing metal materials and then rapidly cooling them.
図2、図3および図4は、アモルファス合金の離型層14や密着層12や保護層13の成膜を行うスパッタリング装置の一例を示す説明図である。図2、図3および図4を用いて、密着層12としてTi層、保護層13としてTiN層、離型層14としてのアモルファス合金を成膜するときの成膜プロセスについて以下に説明する。
2, 3, and 4 are explanatory diagrams illustrating an example of a sputtering apparatus that forms the
図2に示すように、スパッタリング装置20は、真空チャンバー21、真空チャンバー21内の基板ホルダー22、ハロゲンランプヒーター23、熱電対温度計24を備えている。また、スパッタリング装置20は、Nbスパッタリングターゲット25、を備えており、Wスパッタリングターゲット26を備えている。スパッタリングターゲットを3つ以上用いる場合には、図3に示すように、Nbスパッタリングターゲット25、Wスパッタリングターゲット26、Niスパッタリングターゲット30が円状に設けられているターゲットを用いる。スパッタリング装置20は、Nbスパッタリングターゲット用RF電源27、Wスパッタリングターゲット用RF電源28、Niスパッタリングターゲット用RF電源(不図示)を備えている。さらに、Nbスパッタリングターゲット用のマグネット29、Wスパッタリングターゲット用マグネット210、Niスパッタリングターゲット用マグネット(不図示)を備えている。スパッタリング装置20は、Nbスパッタリングターゲット用Arガス供給ライン211、Wスパッタリングターゲット用Arガス供給ライン212、Niスパッタリングターゲット用Arガス供給ライン(不図示)を備えている。さらに、Nbスパッタリングターゲット用マスフローコントローラー213、Wスパッタリングターゲット用マスフローコントローラー214、Niスパッタリングターゲットマスフローコントローラー(不図示)を備えている。そして、基板ホルダー22用のDCバイアス電源215を備えている。
As shown in FIG. 2, the
図4に示すように、真空チャンバー21は、真空引きするために二段階の排気系を備えている。真空チャンバー21は、バルブ217を介してドライポンプ219に繋がっている。このバルブ217からドライポンプ219を繋ぐ系の間に、真空計221を備えている。また、真空チャンバー21は、バルブ216を介してターボ分子ポンプ220に繋がっており、このターボ分子ポンプ220は更にバルブ218を介してドライポンプ219に繋がっている。
As shown in FIG. 4, the
本発明の成形用型の製造は、基板ホルダー22に所望の形状に加工された型基材11を載せる。このとき、まず、スパッタリングターゲットには、Tiスパッタリングターゲット(不図示)を設置し、ドライポンプ219を起動させ、バルブ217を開けて、真空チャンバー21内を排気する。ドライプポンプ219により所定の数Paの真空度まで粗引き排気されたことをTC真空計221で確認した後、バルブ217を閉じ、バルブ218、バルブ216を開け、ターボ分子ポンプ220を起動させて真空チャンバー21を本排気する。この真空チャンバー21にはロードロック室(不図示)を設けて、型を真空チャンバー21に設置する際に、真空チャンバー21が大気に開放されないような機構としても良い。
In the production of the molding die of the present invention, the
次にハロゲンランプヒーター23を点灯させて赤外線を発生させ、その赤外線により型基材11、および基板ホルダー22を温める。型基材11、および基板ホルダー22の温度は、ハロゲンランプヒーター23付近に設置された熱電対24によって制御される。所望の温度に安定するように、熱電対24で読み取った温度変動をハロゲンランプヒーター23への入力パワーに随時反映させる。
Next, the
次に膜中への真空チャンバーの残留ガスの取り込みをできるだけ少なくするため、10−5Pa台前半の高真空度に到達した後に、真空チャンバー21にArガスをマスフローコントローラー213から導入する。真空チャンバー21内を0.2から1Pa程度の圧力に保つ。そして、RF電源27からパワーをターゲット25に印加する。そして、プラズマ放電を立てるためにマスフローコントローラー213を用いて真空チャンバー21内が数Paになるようなガストリガーを数百ミリ数秒間かける。そしてそのプラズマ放電によってTiターゲット(不図示)から膜材料が放出されて型基材11表面に積層される。この際、事前にTiターゲット表面のTi酸化層を除去するためのプレスパッタリングをすることが好ましい。このプレスパッタリングは、例えばターゲット上にシャッター(不図示)を設置し、このシャッターを閉じて型基材11に膜が堆積しないようにした状態でプラズマ放電を立てることで、ターゲット表面のTi酸化層を除去するものである。また、成膜の際に基板ホルダー22、型基材11に電源215を用いてバイアス電位を印加することで、プラズマ放電で生じたArイオンを印加電位のエネルギーで膜に衝突させて、膜の緻密性や膜の型への密着性を向上させる。Ti膜12の膜厚は成膜の時間によって制御することができる。
Next, Ar gas is introduced into the
また、Ti成膜後、マスフローコントローラー213からArとN2の混合ガスを導入し、真空チャンバー21内を0.2から1Pa程度の圧力に保つ。そして、RF電源27からパワーをTiターゲット25に印加する。そして、プラズマ放電を立てるためにマスフローコントローラー213を用いて真空チャンバー21内が数Paになるようなガストリガーを数百ミリ秒間かける。そしてそのプラズマ放電によってTiターゲット25から膜材料が放出されて型基材11表面に積層される。そしてこのTi膜が真空チャンバー21に導入されたN2ガスによって窒化されTiN層13が形成される。この際、事前にTiターゲット表面のTi酸化層を除去するためのプレスパッタリングを行うと更に良い。これはたとえばターゲット上にシャッター(不図示)を設置し、このシャッターを閉じて型基材11に膜が堆積しないようにした状態でプラズマ放電を立てることで、ターゲット表面のTi酸化層を除去するものである。さらに、成膜の際に基板ホルダー22、型基材11に電源215を用いてバイアス電位を印加することで、プラズマ放電で生じたArやN2のイオンを印加電位のエネルギーで膜に衝突させて、膜の緻密性や膜の型への密着性を向上させることができる。TiN層13の膜厚は成膜の時間によって制御することができる。
Further, after the Ti film is formed, a mixed gas of Ar and N 2 is introduced from the
そして、Tiスパッタリングターゲット(不図示)を、Nbスパッタリングターゲット25に変更し、同装置を用いる。RF電源とターゲット裏面にあるマグネットによりターゲット上でプラズマを形成し、TiN層13を施した型基材11上に、Nb、W、Niの3元スパッタリング成膜を行い、離型層14を形成する。それぞれのRF電源のパワーの比を調整することで、離型層14である合金膜の組成を調整することが可能である。
And Ti sputtering target (not shown) is changed into the
(光学素子の製造方法)
本発明の光学素子の製造方法は、上記の成形用型を用いて、硝子プリフォームをプレスして成形する工程を有することを特徴とする。
(Optical element manufacturing method)
The method for producing an optical element of the present invention is characterized by including a step of pressing and molding a glass preform using the above-described molding die.
図5は本発明の光学素子の製造方法に用いる成形機の概略図である。図5を用いて光学素子の製造方法について説明する。成形機50は、チャンバー51、本発明のアモルファス合金で形成された離型膜を有する成形用型10を有している。更に、成形される硝子プリフォーム52が成形用型10に投入される。成形機50は、ヒーター53、上型をプレスするための軸54、上型をプレスする際に軸位置を決定する胴型55、下型を支え圧力を加える支持台56を有している。
FIG. 5 is a schematic view of a molding machine used in the method for producing an optical element of the present invention. An optical element manufacturing method will be described with reference to FIG. The molding
チャンバー51の内部は窒素置換され、その後、ヒーター53により所望の温度まで硝子プリフォーム52、成形用型10、胴型55が加熱される。その後、軸54と支持台56用いて上下の成形用型10で硝子プリフォーム52をプレス成形する。
The inside of the
成形を繰り返すと、胴型に対して上型が摺動するため、摺動部から超硬粉の塵が発生する。この超硬粉を巻き込んで硝子をプレスすることがあるが、成形用型10の離型膜の硬度が超硬粉よりも硬いため、離型膜へ傷が生じにくい。このため、成形用型の傷によって生じる硝子成形品の外観不良を防ぐことが可能である。 When molding is repeated, the upper mold slides with respect to the body mold, so that dust of super hard powder is generated from the sliding portion. The glass may be pressed while the super hard powder is involved, but the mold release film of the molding die 10 is harder than the super hard powder, so that the release film is hardly damaged. For this reason, it is possible to prevent the appearance defect of the glass molded product caused by the scratch on the molding die.
又、本発明の成形用型は、硝子との接触面が、結晶粒界がなく表面に安定な不動態膜を形成することで化学的に安定なアモルファス合金の離型膜であるため、硝子の型への融着が生じにくい。離型膜の膜厚は、20nm以上1000nm以下が好ましい。膜厚が過度に薄いと成膜時膜材料が十分な層状にならず島状となり、微視的には本発明のアモルファス合金が積層されていない部分が生じる可能性があるからである。20nm以上の膜厚であればスパッタリングによる成膜では膜が層状になる。 In addition, since the molding die of the present invention is a release film of an amorphous alloy that is chemically stable by forming a stable passive film on the surface with no crystal grain boundary at the contact surface with the glass, Fusing to the mold is difficult to occur. The thickness of the release film is preferably 20 nm or more and 1000 nm or less. This is because if the film thickness is excessively thin, the film material does not have a sufficient layer shape at the time of film formation and becomes an island shape, and microscopically, there may be a portion where the amorphous alloy of the present invention is not laminated. If the film thickness is 20 nm or more, the film is formed into a layer by sputtering.
また、離型膜の膜厚が1000nm超のμmオーダーとなると、膜応力が大きくなり膜剥離が起きる可能性が生じてくる。成膜条件の調整による応力制御や密着層の挿入による剥離対策を講じることで1000nm超の厚膜でも成膜は可能であるが、成型する上でこのような厚膜である必要がない。このため、1000nm以下の膜厚で実施すると成膜条件の調整による応力制御や密着層の挿入による剥離対策の手間が省くことが可能である。 Further, when the film thickness of the release film is on the order of μm exceeding 1000 nm, the film stress increases and the possibility of film peeling occurs. Although it is possible to form a film having a thickness of more than 1000 nm by controlling stress by adjusting the film forming conditions and taking a countermeasure against peeling by inserting an adhesion layer, such a film does not need to be formed. For this reason, when the film thickness is 1000 nm or less, it is possible to save the labor of stress control by adjusting the film forming conditions and peeling countermeasures by inserting the adhesion layer.
更に、硝子プリフォームにDLC(ダイヤモンドライクカーボン)によるコーティングをおこなうことで、離型性を上げることが可能である。この場合、成形後に高い温度で離型させることが可能なため、タクト短縮を図ることが可能であり、生産性の向上が可能である。このような場合、硝子プリフォーム上にコーティングするDLC膜の硬さは13GPa以下であるため、型表面に本発明によるアモルファス合金を離型膜として用いても、硝子プリフォーム上のDLCとの成形時の接触による傷の発生を抑制することが可能である。 Furthermore, it is possible to improve the releasability by coating the glass preform with DLC (diamond-like carbon). In this case, since the mold can be released at a high temperature after molding, the tact time can be shortened and the productivity can be improved. In such a case, since the hardness of the DLC film coated on the glass preform is 13 GPa or less, even if the amorphous alloy according to the present invention is used as a release film on the mold surface, the DLC film on the glass preform is molded. It is possible to suppress the occurrence of scratches due to contact with time.
本発明の製造方法により得られる光学素子としては、例えばレンズ、プリズム、回折格子等が挙げられる。 Examples of the optical element obtained by the production method of the present invention include a lens, a prism, and a diffraction grating.
以下に実施形態で述べたスパッタリング装置を用いた成膜プロセスによって作成した合金を実施例として示す。本発明はこの成膜プロセスに限られるものでは無い。実施例では、以下の方法により評価を行った。 An alloy prepared by a film forming process using the sputtering apparatus described in the embodiment is shown as an example. The present invention is not limited to this film forming process. In the examples, evaluation was performed by the following method.
(組成)
組成は、ULVAC−PHI社製XPS装置:PHI Quantera SXMで測定した。予めサーベイスキャンを実施し、認められた元素に対して、ナロースキャンをおこなった。また、測定ごとに4kVのスパッタを1分ずつ、3回行ってデプスプロファイルをとった。最終的に、組成の変動しなくなった値をその合金の組成と決定した。
(composition)
The composition was measured with an XPS apparatus manufactured by ULVAC-PHI: PHI Quantera SXM. A survey scan was performed in advance, and a narrow scan was performed on the recognized elements. Further, for each measurement, 4 kV sputtering was performed three times for 1 minute to obtain a depth profile. Finally, the value at which the composition did not fluctuate was determined as the composition of the alloy.
(硬度)
硬度はAgilent Technologies,Incのナノインデンターにより、測定をおこなった。試料を50μmずつ横にずらしながら10ポイント測定し、ゴミなどの影響で異常な値を示したデータを取り除いたうえで、各測定値を平均して値を決定した。
(hardness)
Hardness was measured with a nanoindenter of Agilent Technologies, Inc. The sample was measured 10 points while shifting the sample side by side by 50 μm, and after removing data showing an abnormal value due to the influence of dust or the like, each measurement value was averaged to determine the value.
(結晶性)
結晶性は、フィリップス社X’pertのθ−2θ法を用いて測定し、結晶性のピークの有無を確認して決定した。
(crystalline)
The crystallinity was determined by measuring using the Philips X'pert θ-2θ method and confirming the presence or absence of a crystalline peak.
加熱後の結晶性は、1.5×10−5Paに真空排気したチャンバー内で、温度500℃で100時間加熱した後に、結晶性を測定した。 The crystallinity after heating was measured after heating at a temperature of 500 ° C. for 100 hours in a chamber evacuated to 1.5 × 10 −5 Pa.
(ガラスの組成)
Fを除く元素についてはプラズマ発光分析にて分析した。Fは蒸気蒸留後、イオンメータで測定した。
(Glass composition)
Elements other than F were analyzed by plasma emission analysis. F was measured with an ion meter after steam distillation.
(実施例1)
以下に本発明に関わるNb−W−Niアモルファス合金膜とそれを用いた成形型の実施例を示す。
Example 1
Examples of the Nb—W—Ni amorphous alloy film according to the present invention and a mold using the same will be described below.
実施例1では、アモルファス合金の原料として、Nbには直径76.2mm(3インチ)、純度99.9%の焼結Nbターゲット材を用いた。Wには直径76.2mm(3インチ)、純度99.9%の溶融Wターゲット材を用いた。Niには直径76.2mm(3インチ)、純度99.9%の焼結Niターゲット材を用いた。これらターゲット材と実施形態で示したスパッタリング装置及び述べた成膜プロセスを用いて合金膜を成膜した。成膜前の到達圧力は5×10−5Paであり、成膜時のチャンバー内圧力は0.5Paであり、基板ホルダーへのDCバイアスは−100Vであり、成膜レートは0.2nm/Sであった。 In Example 1, a sintered Nb target material having a diameter of 76.2 mm (3 inches) and a purity of 99.9% was used as a raw material for the amorphous alloy. For W, a molten W target material having a diameter of 76.2 mm (3 inches) and a purity of 99.9% was used. As the Ni, a sintered Ni target material having a diameter of 76.2 mm (3 inches) and a purity of 99.9% was used. An alloy film was formed using these target materials, the sputtering apparatus shown in the embodiment, and the film formation process described above. The ultimate pressure before film formation is 5 × 10 −5 Pa, the pressure in the chamber during film formation is 0.5 Pa, the DC bias to the substrate holder is −100 V, and the film formation rate is 0.2 nm / S.
実施例1における成形用型は、上型は研削・研磨で外形が18mmであり、曲率半径が22mmである凸形状に加工された超硬J05型(冨士ダイス製)の表面にTi層とTiN層を合わせて1.2μmの厚さで積層した。その上に離型膜として、Nbの含有量が39.3at%であり、Wの含有量が37.9at%であり、Niの含有量が22.9at%であるアモルファス合金を170nmの厚さで積層した。 As for the molding die in Example 1, the upper die is ground and polished, the outer shape is 18 mm, and the surface of a carbide J05 die (manufactured by Fuji Dice) processed into a convex shape with a curvature radius of 22 mm is formed with a Ti layer and TiN. The layers were combined and laminated to a thickness of 1.2 μm. Further, as a release film, an amorphous alloy having a Nb content of 39.3 at%, a W content of 37.9 at%, and a Ni content of 22.9 at% is formed to a thickness of 170 nm. Laminated.
下型は研削・研磨で外形18mm、曲率半径22mmの凹形状に加工された超硬J05型の表面にTi層とTiN層を合わせて1.2μmの厚さで積層した。その上に離型膜として、Nbの含有量が39.3at%であり、Wの含有量が37.9at%であり、Niの含有量が22.9at%であるアモルファス合金を170nmの厚さで積層した。 The lower die was laminated with a thickness of 1.2 μm on the surface of a cemented carbide J05 die that had been machined into a concave shape with an outer diameter of 18 mm and a radius of curvature of 22 mm by grinding and polishing. Further, as a release film, an amorphous alloy having a Nb content of 39.3 at%, a W content of 37.9 at%, and a Ni content of 22.9 at% is formed to a thickness of 170 nm. Laminated.
上記アモルファス合金の硬度は14.9GPaであった。また、X線回折の結果、アモルファスであった。更に、この合金膜を1.5×10−5Paに真空排気したチャンバー内で、SiCヒーターを用い、温度500℃で110時間加熱した後、前記測定法により測定した結果、アモルファス構造を維持していた。 The amorphous alloy had a hardness of 14.9 GPa. Moreover, it was amorphous as a result of X-ray diffraction. Further, after heating the alloy film at a temperature of 500 ° C. for 110 hours in a chamber evacuated to 1.5 × 10 −5 Pa, the amorphous structure was maintained as a result of measurement by the measurement method. It was.
この成形用型を用いて、オハラ社製の光学ガラスL−BAL42の硝子プリフォームを成形した。硝子プリフォームを温度620℃で1分間プレスした。成形終了後に型を観察したところ、表面に問題となる傷や硝子の融着は見られなかった。又、成形された硝子にも傷などの外観不良はなかった。 Using this molding die, a glass preform of optical glass L-BAL42 manufactured by OHARA Inc. was molded. The glass preform was pressed at a temperature of 620 ° C. for 1 minute. When the mold was observed after the completion of molding, no problematic scratches or glass fusion were observed on the surface. Also, the molded glass had no appearance defects such as scratches.
このように本発明の成形用型を用いれば、摺動部からの発塵のある環境下であっても、型や成形品に傷を発生させず、外観不良のない成形が可能となる。 As described above, when the molding die according to the present invention is used, even in an environment in which dust is generated from the sliding portion, the mold or the molded product is not damaged, and molding with no appearance defect becomes possible.
(実施例2)
実施例2では、実施例1と同様のターゲット材を用いた。これらのターゲット材と実施形態で述べた成膜プロセスを用いて合金膜を成膜した。これらのターゲット材を、実施例1と同様にして合金膜を成膜した。成膜前の到達圧力は5×10−5Paであり、成膜時のチャンバー内圧力は0.5Paであり、基板ホルダーへのDCバイアスは−100Vであり、成膜レートは0.2nm/Sであった。
(Example 2)
In Example 2, the same target material as in Example 1 was used. An alloy film was formed using these target materials and the film formation process described in the embodiment. An alloy film was formed on these target materials in the same manner as in Example 1. The ultimate pressure before film formation is 5 × 10 −5 Pa, the pressure in the chamber during film formation is 0.5 Pa, the DC bias to the substrate holder is −100 V, and the film formation rate is 0.2 nm / S.
実施例2の成形用型は、上型は研削・研磨で外形が18mmであり、曲率半径が22mmである凸形状に加工された超硬J05型(冨士ダイス製)の表面にTi層とTiN層を合わせて1μmの厚さで積層した。その上に離型膜として、Nbの含有量が37.9at%であり、Wの含有量が37.0at%であり、Niの含有量が25.0at%であるアモルファス合金を150nmの厚さで積層した。 In the molding die of Example 2, the upper die is ground and polished, the outer shape is 18 mm, and the surface of a carbide J05 die (manufactured by Fuji Dice) processed into a convex shape with a curvature radius of 22 mm is formed with a Ti layer and TiN. The layers were combined and laminated to a thickness of 1 μm. Further, as a release film, an amorphous alloy having a Nb content of 37.9 at%, a W content of 37.0 at%, and a Ni content of 25.0 at% has a thickness of 150 nm. Laminated.
下型は研削・研磨で外形が18mmであり、曲率半径が22mmである凹形状に加工された超硬J05型(冨士ダイス製)の表面にTi層とTiN層を合わせて1μmの厚さで積層した。その上に離型膜として、Nbの含有量が37.9at%であり、Wの含有量が37.0at%であり、Niの含有量が25.0at%であるアモルファス合金を150nmの厚さで積層した。 The lower die has a thickness of 1 μm with a Ti layer and a TiN layer on the surface of a cemented carbide J05 type (manufactured by Fuji Dice) that is ground and polished and has an outer shape of 18 mm and a radius of curvature of 22 mm. Laminated. Further, as a release film, an amorphous alloy having a Nb content of 37.9 at%, a W content of 37.0 at%, and a Ni content of 25.0 at% has a thickness of 150 nm. Laminated.
上記アモルファス合金は、X線回折を行った結果、アモルファスであった。又、このアモルファス合金の硬度は14.7GPaであった。この合金膜を1.5×10−5Paに真空排気したチャンバー内で、SiCヒーターを用い、温度500℃で110時間加熱したが、前記測定法によりアモルファス構造を維持していた。 The amorphous alloy was amorphous as a result of X-ray diffraction. The hardness of this amorphous alloy was 14.7 GPa. This alloy film was heated in a chamber evacuated to 1.5 × 10 −5 Pa using a SiC heater at a temperature of 500 ° C. for 110 hours, but the amorphous structure was maintained by the measurement method.
この型を用いてSiO2−57.0mol%、B2O3−16.2mol%、Al2O3−0.2mol%、K2O−12.3mol%、F2−14.3mol%である硝子プリフォームを成形した。硝子プリフォームは成形前に、表面に20nm厚さのダイヤモンドライクカーボン膜をコーティングし、温度600℃で1分間プレスして成形した。 SiO 2 -57.0mol% using this type, B 2 O 3 -16.2mol%, Al2O3-0.2mol%, K 2 O-12.3mol%, glass-flop is F 2 -14.3mol% A reform was formed. Before forming the glass preform, a diamond-like carbon film having a thickness of 20 nm was coated on the surface, and the glass preform was pressed at a temperature of 600 ° C. for 1 minute.
成形後に型表面上に問題となる傷や硝子の融着は見られなかった。成形された硝子にも外観不良となる傷は発生していなかった。実施例2では、フッ素イオンを多く含有するガラスプリフォームを成形できたので、実施例2の組成を有する離型膜は耐食性に優れていた。 No flaws or glass fusion that would cause problems on the mold surface after molding. The molded glass was not scratched to cause an appearance defect. In Example 2, since a glass preform containing a large amount of fluorine ions could be formed, the release film having the composition of Example 2 was excellent in corrosion resistance.
(実施例3)
実施例3では、実施例1と同様ターゲット材を用いた。これらターゲット材と実施形態で述べた成膜プロセスを用いて合金膜を成膜した。これらターゲット材を、実施例1と同様にして、合金膜を成膜した。成膜前の到達圧力は5×10−5Paであり、成膜時のチャンバー内圧力は0.5Paであり、基板ホルダーへのDCバイアスは−100Vであり、成膜レートは0.2nm/Sであった。
(Example 3)
In Example 3, the target material was used as in Example 1. An alloy film was formed using these target materials and the film formation process described in the embodiment. An alloy film was formed on these target materials in the same manner as in Example 1. The ultimate pressure before film formation is 5 × 10 −5 Pa, the pressure in the chamber during film formation is 0.5 Pa, the DC bias to the substrate holder is −100 V, and the film formation rate is 0.2 nm / S.
実施例3における成形用型は、上型は研削・研磨で外形が18mmであり、曲率半径が22mmである凸形状に加工された超硬J05型(冨士ダイス製)の表面にTi層とTiN層を合わせて1.2μmの厚さで積層した。その上に離型膜として、Nbの含有量が35.0at%であり、Wの含有量が40.4at%であり、Niの含有量が24.6at%であるアモルファス合金を200nmの厚さで積層した。 In the molding die in Example 3, the upper die is ground and polished, the outer shape is 18 mm, and the surface of a cemented carbide J05 type (manufactured by Fuji Dice) processed into a convex shape with a curvature radius of 22 mm is formed with a Ti layer and TiN. The layers were combined and laminated to a thickness of 1.2 μm. On top of that, an amorphous alloy having a Nb content of 35.0 at%, a W content of 40.4 at%, and a Ni content of 24.6 at% is formed to a thickness of 200 nm as a release film. Laminated.
下型は研削・研磨で外形が18mmであり、曲率半径が22mmである凹形状に加工された超硬J05型(冨士ダイス製)の表面にTi層とTiN層が合わせて1.2μmの厚さで積層した。その上に離型膜として、Nbの含有量が35.0at%であり、Wの含有量が40.4at%であり、Niの含有量が24.6at%であるアモルファス合金を200nmの厚さで積層した。 The lower die has a thickness of 1.2 μm with a Ti layer and a TiN layer on the surface of a cemented carbide J05 type (made by Fuji Dice) that has been ground and polished and has an outer shape of 18 mm and a radius of curvature of 22 mm. Laminated. On top of that, an amorphous alloy having a Nb content of 35.0 at%, a W content of 40.4 at%, and a Ni content of 24.6 at% is formed to a thickness of 200 nm as a release film. Laminated.
上記アモルファス合金の硬度は15.9GPaであった。またX線回折の結果、アモルファスであった。更に、この合金膜を1.5×10−5Paに真空排気したチャンバー内で、SiCヒーターを用い、温度500℃で100時間加熱した後もアモルファス構造を維持していた。 The hardness of the amorphous alloy was 15.9 GPa. As a result of X-ray diffraction, it was amorphous. Further, the amorphous structure was maintained after heating the alloy film at a temperature of 500 ° C. for 100 hours in a chamber evacuated to 1.5 × 10 −5 Pa using a SiC heater.
この型を用いてCaO−9.7mol%、SrO−9.4mol%、P2O5−6.3mol%、Al2O3−5.5mol%、BaO−4.2mol%、MgO−3.9mol%、F−61.0mol%である硝子プリフォームを成形した。成形は硝子プリフォームを510℃で1分間プレスして成形した。 CaO-9.7 mol% with this type, SrO-9.4mol%, P 2 O 5 -6.3mol%, Al 2 O 3 -5.5mol%, BaO-4.2mol%, MgO-3. A glass preform of 9 mol% and F-61.0 mol% was molded. Molding was performed by pressing a glass preform at 510 ° C. for 1 minute.
成形後に型表面上に問題となる傷や硝子の融着は見られなかった。成形された硝子にも外観不良となる傷は発生していなかった。実施例3では、フッ素を多く含有するガラスプリフォームを成形できたので、実施例3の組成を有する離型膜は耐食性に優れていた。 No flaws or glass fusion that would cause problems on the mold surface after molding. The molded glass was not scratched to cause an appearance defect. In Example 3, since a glass preform containing a large amount of fluorine could be formed, the release film having the composition of Example 3 was excellent in corrosion resistance.
(実施例4乃至8、参考例1乃至15)
実施例4〜8、参考例1乃至15は、アモルファス合金の組成を表1の組成とすること以外は、実施例1と同様にして、アモルファス合金膜および成形用型を作製した。評価結果を表1に示す。
(Examples 4 to 8, Reference Examples 1 to 15 )
In Examples 4 to 8 and Reference Examples 1 to 15 , amorphous alloy films and molds were produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the amorphous alloy was changed to the composition shown in Table 1. The evaluation results are shown in Table 1.
(比較例1乃至6)
比較例1〜6は、Nb−W−Niの組成が、表3で示すこと以外は実施例1と同様にして、アモルファス合金膜及び成形用型を作製した。評価結果を表1に示す。
(Comparative Examples 1 to 6)
In Comparative Examples 1 to 6, an amorphous alloy film and a molding die were produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of Nb—W—Ni was shown in Table 3. The evaluation results are shown in Table 1.
(評価)
実施例1〜8、参考例1〜15では、表1に示すように、Nbの含有量が7.5at%以上52.9at%以下であり、Wの含有量が16.4at%以上47.0at%以下である、Niの含有量が22.0at%以上53.3at%以下であるアモルファス合金を作製した。実施例1乃至23では、成膜後にアモルファス状態であり、硬度が高いアモルファス合金が得られた。また、このアモルファス合金を離型層に用いた成形用型は、フッ素イオンを多く含有するガラスを成型することができ、耐食性に優れていた。
(Evaluation)
In Examples 1-8 and Reference Examples 1-15 , as shown in Table 1, the Nb content is 7.5 at% or more and 52.9 at% or less, and the W content is 16.4 at% or more and 47. An amorphous alloy having a Ni content of 22.0 at% or more and 53.3 at% or less was produced. In Examples 1 to 23, an amorphous alloy having an amorphous state and high hardness after film formation was obtained. In addition, a molding die using this amorphous alloy as a release layer can mold glass containing a large amount of fluorine ions, and has excellent corrosion resistance.
実施例1〜5では、表1に示すように、Nbの含有量が35.0at%以上41.7at%以下であり、Wの含有量が35.4at%以上40.4at%以下である、Niの含有量が22.0at%以上25.0at%以下であるアモルファス合金を作製した。実施例1〜5では、550℃に加熱後でもアモルファス状態である耐熱性が高く、硬度が高く、耐食性が高いアモルファス合金が得られた。 In Examples 1 to 5, as shown in Table 1, the Nb content is 35.0 at% or more and 41.7 at% or less, and the W content is 35.4 at% or more and 40.4 at% or less. An amorphous alloy having a Ni content of 22.0 at% or more and 25.0 at% or less was produced. In Examples 1 to 5, amorphous alloys having high heat resistance, high hardness and high corrosion resistance even after heating to 550 ° C. were obtained.
比較例1乃至6では、表1に示すように、結晶になってしまいアモルファス状態にならない又は硬度が低いアモルファス合金しか得られなかった。 In Comparative Examples 1 to 6, as shown in Table 1, only amorphous alloys that became crystals and did not become amorphous or had low hardness were obtained.
実施例1乃至8、参考例1乃至15のアモルファス合金を用いると、離型層の強度が13.3GPa以上19.8GPa以下の成形用型が得られることが解った。 It was found that when the amorphous alloys of Examples 1 to 8 and Reference Examples 1 to 15 were used, a mold having a release layer strength of 13.3 GPa or more and 19.8 GPa or less was obtained.
本発明のNb−W−Niアモルファス合金および本発明のアモルファス合金を用いた成形用型は、化学的に安定で、離型性が良好で、高い硬度を有し、成形時に傷が入りにくいので、レンズ、プリズム等の光学素子の成形に利用することが可能である。 Molds using the Nb-W-Ni amorphous alloy of the present invention and the amorphous alloy of the present invention are chemically stable, have good releasability, have high hardness, and are not easily damaged during molding. It can be used for molding optical elements such as lenses and prisms.
10 成形用型
11 型基材
12 密着層
13 保護層
14 離型層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
該アモルファス合金は、Nbの含有量が7.5at%以上52.9at%以下であり、Wの含有量が16.4at%以上47.0at%以下であり、Niの含有量が22.0at%以上29.0at%以下であり、
前記アモルファス合金は、Nb、W及びNiの含有量の合計が97.0at%以上であることを特徴とするアモルファス合金。 An amorphous alloy containing Nb, W and Ni;
The amorphous alloy is the content of Nb is less 7.5 at% or more 52.9At%, Ri 47.0At% der less content than 16.4At% of W, the content of Ni 22.0At % To 29.0 at% ,
The amorphous alloy is characterized in that the total content of Nb, W and Ni is 97.0 at% or more .
前記アモルファス合金は、Nbの含有量が35.0at%以上41.7at%以下であり、Wの含有量が35.4at%以上40.4at%以下であり、Niの含有量が22.0at%以上25.0at%以下であり、
前記アモルファス合金は、Nb、W及びNiの含有量の合計が97.0at%以上であることを特徴とする成形用型。 A release layer formed of A Amorphous alloys possess on the mold bases,
The amorphous alloy has a Nb content of 35.0 at% to 41.7 at%, a W content of 35.4 at% to 40.4 at%, and a Ni content of 22.0 at%. And not more than 25.0 at%,
The molding die , wherein the amorphous alloy has a total content of Nb, W and Ni of 97.0 at% or more .
前記離型層の強度は、前記型基材の硬度よりも大きいことを特徴とする請求項3に記載の成形用型。 The strength of the release layer is 13.3 GPa or more and 19.8 GPa or less,
The mold according to claim 3 , wherein the strength of the release layer is greater than the hardness of the mold base.
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