JP5364433B2

JP5364433B2 - 光学素子用成形型

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Publication number: JP5364433B2
Application number: JP2009111491A
Authority: JP
Inventors: 征史五十川
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: JP2010260748A

Description

本発明は、ガラスからなる光学素子をプレス成形するのに用いられる光学素子用成形型に関する。

光学ガラス材を加熱し、押圧手段により所望形状にプレス成形して、光学素子とする方法は以前より一般的に知られている。特に、近年は、光学系の高性能化に伴い、非球面形状のみならず自由曲面形状等の複雑な形状の光学素子を大量で安く生産することが望まれている。光学素子を安価に生産するためには、成形型の長寿命化が必須の条件であるが、様々な金属酸化物やアルカリ成分などを含む反応性の高いガラスを高温下で使用するため、型の劣化が激しくなっている。

光学ガラス材をプレス成形する温度は、ガラスの転移点にもよるが、一般的に４００℃〜８００℃である。この温度での成形では、元素の拡散が生じ易く、特に光学ガラス材に含まれるアルカリ金属等の成分や雰囲気中の酸素分子は化学反応や粒界拡散し易い。そのため型とガラスが接触する成形面の劣化が成形型の寿命を左右しており、これに対抗するため、成形型の表面には硬質膜等の処理が行われている。
従来、このようなガラス成形に用いられる成形型に対しては、特許文献１に記載されるように、型基材の表面にＴｉＮ層を形成したり、特許文献２に記載されるように、白金系合金膜を被覆することがなされている。

しかしながら、型基材の表面にＴｉＮ層を形成したものは、型温度が高くなると雰囲気中の酸素やガラス中の酸化物からの酸素供給により、ＴｉＮが酸化する。特に高温下（例えば、５００℃以上）での連続成形においては、酸化の影響によりガラスとの離型性が悪くなり、その結果としてガラスとの融着が生じ、離型性が低下している。

一方、白金系合金膜を被覆した型においては、ガラスとの離型性は良好である反面、連続成形においては膜剥離が生じている。白金系合金には酸素やガラス成分元素が粒界拡散により侵入し易く、拡散侵入した成分が中間層や基材の元素と反応して化合物を生成するためである。これにより、白金系合金膜下で反応した化合物成分の反応成長と、ガラス成形時の熱サイクルとにより膜剥離が生じている。

以上のいずれの従来の成形型においても、連続成形の際には酸素やガラス成分との反応により型が劣化するため、成形型の寿命が非常に短い問題を有しており、この問題を解決するために、特許文献３に示す、型母材の成形面がイリジウム酸化物を主成分とする膜層からなる光学素子用成形型が提案されている。

特開昭５９−１２３６２９号公報特開昭６２−３０３１号公報特開２００１−８９１６４号公報

しかしながら、上記特許文献３に示す光学素子用成形型においても、Ｔｇ点（ガラス転移点）が高いために成形温度が高い（例えば、６００℃以上）例えばランタン系のような硝材を用いる場合には、成形面のイリジウム酸化物が昇華して消耗する恐れがあった。

本発明はこのような従来の問題点を考慮してなされたものであり、高温下での成形において離型性が良好であり、且つ長寿命の光学素子用成形型を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の光学素子用成形型は、ガラスからなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子用成形型において、前記光学素子用成形型の少なくとも成形面の最表層が二酸化レニウムよりなる膜層からなり、前記最表層の膜層が５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の厚さであることを特徴としている。
なお、二酸化レニウムからなる膜層は、製造時に酸化の仕方のバラツキが起こりやすいが、レニウム原子の酸化数をｘとして、＋３．８≦ｘ≦＋４．５の範囲内であれば良い。また、不可避の微量の不純物は混入しても性能に問題はない。

ガラス成形においては、主に成形型とガラスが接触する成形面の劣化が寿命を左右する。この発明では、二酸化レニウム（ＲｅＯ₂）の作用に着目し、成形型の少なくとも最表層に二酸化レニウムよりなる膜層を形成することによって成形型の延命化を図っている。成形型の劣化要因としては、雰囲気中の酸素による型表面の酸化があるが、二酸化レニウムは元来安定な酸化物であるため、酸化進行による劣化はない。

従って、この発明の光学素子用成形型によれば、成形型の少なくとも最表層に二酸化レニウムよりなる膜層を形成することにより、ガラスの離型性が良く、酸化やガラスとの化学反応や元素拡散に伴う劣化が改善される。従って、成形型の寿命を延ばすことができるとともに、光学素子を安価に提供することが可能となる。
また、融点が約９００℃である二酸化レニウムで最表層を形成することで、例えば、７００℃程度という高温下で成形を行うことができる。

成形型の成形面の最表層に用いる膜としての二酸化レニウムの膜層は、５０ｎｍ以上の厚さであれば十分にその作用効果を得ることができる。しかし５０ｎｍ未満の厚さでは、膜厚が結晶粒の大きさと非常に近くなるため、粒子脱落などによる部分欠陥の可能性が大きくなり好ましくない。

また、上記の光学素子用成形型において、型母材と前記最表層との間に中間層を備え、前記中間層はタンタル原子を含有し、前記型母材側から前記最表層側に移るに従って、前記中間層中の酸素原子の割合を増加させるように構成されていることがより好ましい。
この発明によれば、中間層により型母材と最表層との密着力を向上させることができる。

本発明の光学素子用成形型によれば、高温下での成形における離型性を良好にするとともに、型の寿命を長くすることができる。

本発明の第１実施形態の光学素子用成形型の断面図である。本発明の第２実施形態の光学素子用成形型の断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る光学素子用成形型の第１実施形態を、図１を参照しながら説明する。
光学素子用成形型１の型母材２は、所望の最終製品に対応した形状と概略近い形状に加工した後、その凹型の成形部表面２ａをダイヤモンド砥石を用いた研削加工により所望の最終形状に対応した形状に加工し、その後、鏡面研磨を施して作製される。

次に、真空チャンバー内に、型母材２を設置し、型母材２を２００℃に加熱して保温する。そして、真空チャンバー内に酸素ガスを導入して、真空チャンバー内の圧力を１０^-2Ｐａとした状態で、ＲＦスパッタ法により金属レニウムターゲットを用いてスパッタを行う。金属レニウムのスパッタ粒子は、雰囲気の酸素ガスにより酸化され、そのほとんどが安定な二酸化レニウム（ＲｅＯ₂）になり、型母材２の成形部表面２ａに二酸化レニウム膜３を成形する。本実施形態では、型母材２の成形部表面２ａに膜層は１つだけ形成されるので、この二酸化レニウム膜３が最表層の膜層となると同時に、二酸化レニウム膜３の形成後は、この膜の表面が光学素子用成形型１の成形面となる。なお、二酸化レニウムの融点は約９００℃であるため、７００℃程度の成形温度までは問題なく使用できる。

表１に示すように、本実施形態の光学素子用成形型１として、型母材２の材質及び最表層の二酸化レニウム膜３の厚さを変えて、試料１〜試料３を製造した。

型母材２の材質として、試料１ではＷＣ（炭化タングステン）、試料２ではランタン系ガラス（Ｔｇ点が７３８℃）、試料３ではＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）を用いた。また、二酸化レニウム膜３の厚さは、試料１では５０ｎｍ、試料２及び試料３では２００ｎｍとなっている。
この二酸化レニウム膜３の厚さは、５０ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下であることが好ましい。二酸化レニウム膜３の厚さが５０ｎｍより薄くなると、膜厚が結晶粒の大きさと非常に近くなるため粒子脱落などによる部分欠陥の可能性が大きくなる。一方、二酸化レニウム膜３の厚さが２０００ｎｍを超えると、厚くなりすぎて二酸化レニウム膜３の強度が低下してしまう。

この光学素子用成形型１を循環式等温成形機に組付け、ランタン系のＬ−ＬＡＨ５３（（株）オハラ社製）を硝材として用いて、成形温度６４０℃で光学素子であるガラスのプレス成形試験を行った。
なお、Ｌ−ＬＡＨ５３は、Ｔｇ点が５７４℃、Ａｔ点（ガラス屈伏点）が６０７℃となっている。

光学素子を窒素雰囲気中で成形した結果を表１の成形性の列に示す。
試料１では、光学素子を５００ショット成形した時点で二酸化レニウム膜３が剥離した。試料２及び試料３では、光学素子を１０００ショット成形した時点でも光学素子用成形型１に不具合は無かった。
なお、上記の試験において雰囲気のみを大気中に変え、上記の試料１〜試料３を用いて光学素子を成形した結果も、表１に示す窒素雰囲気中の試験結果と同様の成形性を示した。

Ｌ−ＬＡＨ５３は、加熱されて軟化すると含有成分の一部が揮発するため、一般的に、光学素子の成形時に微量の揮発成分が光学素子用成形型１に付着する。
光学素子用成形型１による成形時に、Ｌ−ＬＡＨ５３である硝材と二酸化レニウム膜３とが直接接触するが、硝材と二酸化レニウム膜３とがどちらも酸化物であるために互いの間で化学結合を起こしにくく、光学素子の焼き付きや、揮発成分の二酸化レニウム膜３への堆積が起こらず、光学素子を良好に成形することができることが分かった。

こうして、本発明の第１実施形態の光学素子用成形型１によれば、型母材２に二酸化レニウム膜３を形成し、光学素子用成形型１の成形面の最表層を二酸化レニウム膜３にすることにより、ガラスの離型性が良く、酸化やガラスとの化学反応や元素拡散に伴う劣化が改善される。従って、光学素子用成形型１の寿命を延ばすことができるとともに、光学素子を安価に提供することが可能となる。
また、最表層の二酸化レニウム膜３を５０ｎｍ以上の厚さとすることで、十分にその作用効果を得ることができる。しかし５０ｎｍ未満の厚さでは、膜厚が結晶粒の大きさと非常に近くなるため、粒子脱落などによる部分欠陥の可能性が大きくなり好ましくない。
また、融点が約９００℃である二酸化レニウムによる二酸化レニウム膜３を最表層に用いることで、高温下で成形を行うことができる。

（第２実施形態）
以下、本発明に係る光学素子用成形型の第２実施形態を、図２を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態の光学素子用成形型６には、型母材２と二酸化レニウム膜３との間に中間層４が形成されている。そして、表２に示すように、本実施形態の光学素子用成形型６として、中間層４の材質、及び最表層の材質と厚さを変えて、試料４〜試料８、比較例１及び比較例２を製造した。

試料４〜試料７において、中間層４は厚さ１００ｎｍの膜層を４つ重ねた状態に形成され、中間層４全体としての厚さは４００ｎｍとなっている。
中間層４は、その全体にタンタル原子を含有しており、中間層４を構成する４つの膜層の中で、最も型母材２側の膜層は金属タンタルで形成され、最も二酸化レニウム膜３側の膜層は酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）で形成されている。そして、中間層４を構成する４つの膜層は、型母材２側から二酸化レニウム膜３側に移るに従って、膜層の組成中の酸素原子の割合が一定の割合で増加するように構成されている。すなわち、酸化タンタルの組成中の酸素原子の割合が、（５／７）の式により約７１％となるので、型母材２側から２番目の膜層中の酸素原子の割合は約２４％、型母材２側から３番目の膜層中の酸素原子の割合は約４８％となるように構成した。
このように、試料４〜試料７における中間層４は、４つの膜層により、型母材２側から二酸化レニウム膜３側まで組成を４段階に段階的に変化させて形成されている。
また、試料８においては、型母材２側から、二酸化レニウム膜３側に移るにしたがって、中間層４中の酸素原子の割合を連続的に０〜７１パーセントまで変化させ、中間層４全体の厚さを４００ｎｍとした。
このように、試料８における中間層４は、組成を連続的に変化させて形成させられている。
また、比較例１における中間層４は厚さ１００ｎｍの金属クロムで、比較例２における中間層４は厚さ１００ｎｍの金属チタンで、それぞれ形成されている。

これらの中間層４は、二酸化レニウム膜３等の最表層が形成される前に、真空チャンバー内において形成される。例えば、試料４〜試料７における中間層４は、ＲＦスパッタ法により金属タンタルターゲットを用いて各膜層を形成する毎に真空チャンバー内の酸素ガス濃度を高める、という既知の手法で形成される。

上記第１実施形態と同様に、この光学素子用成形型６を循環式等温成形機に組付け、Ｌ−ＬＡＨ５３を硝材として用いて光学素子の成形試験を行った。なお、比較例１の最表層は、互いに等しいモル数のＩｒとＰｔとで構成された膜層である。
光学素子を窒素雰囲気中で成形した結果を表２の成形性の列に示す。
試料４〜試料７は、二酸化レニウム膜３の厚さのみを変えたものである。二酸化レニウム膜３の厚さが３０ｎｍの試料４では、光学素子を３００ショット成形した時点で二酸化レニウム膜３が剥離した。そして、二酸化レニウム膜３の厚さが５０ｎｍ、２００ｎｍ及び５００ｎｍの試料５、試料６及び試料７では、光学素子を１０００ショット成形した時点でも光学素子用成形型１に不具合は無かった。また、試料８は、中間層４の組成変化を連続的にし、最表層の二酸化レニウム膜の厚さを２００ｎｍにしたものであるが、光学素子を１０００ショット成形したときにも不具合はなかった。

一方、中間層４が金属クロムで、最表層が厚さ２００ｎｍのＩｒ−Ｐｔで形成された比較例１では、光学素子を１００ショット成形した時点から光学素子に焼き付きとクモリが発生してしまい良品が得られなかった。そして、中間層４が金属チタンで、最表層が厚さ１００ｎｍのＴｉＮで形成された比較例１では、光学素子を１０ショット成形した時点で光学素子に焼き付きとクモリが発生した。
なお、上記試験において雰囲気のみを大気中に変え、上記の試料４〜試料８、比較例１及び比較例２を用いて光学素子を成形した結果も、表２に示す窒素雰囲気中の試験結果と同様の成形性を示した。

試料５の試験結果、及び前記第１実施形態における試料１の試験結果から、型母材２の材質と最表層である二酸化レニウム膜３の厚さが同じであっても、型母材２と二酸化レニウム膜３との間に、型母材２側の組成が金属タンタルで二酸化レニウム膜３側の組成が酸化タンタルという中間層４を設けることで、二酸化レニウム膜３が型母材２から剥離し難くなることが分かった。

こうして、本発明の第２実施形態の光学素子用成形型６によれば、中間層４の型母材２側をＷＣとの接合が容易な金属タンタルとし、二酸化レニウム膜３側を二酸化レニウムとの接合が容易な酸化タンタルとしている。このため、前記第１実施形態の効果に加えて、型母材２と二酸化レニウム膜３との密着力を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、試料４ないし７の中間層４は４つの膜層からなり、型母材２側から最表層である二酸化レニウム膜３側に移るに従って、中間層４中の酸素原子の割合を４段階に増加させるように形成されている。しかし、中間層４は、２層以上で中間層４中における酸素原子の割合を増加させる段階数が２段階以上であれば数に制限はない。また、試料８では、型母材２側から二酸化レニウム膜３側に移るに従って、中間層４中における酸素原子の割合が、減少することなく単調に増加するように構成されているが、中間層４内における酸素原子の割合は、型母材２側から二酸化レニウム３側に向かい単調な増加である必要はなく、酸素原子の割合が一定になる領域があるなどしても良い。
また、上記実施形態では、中間層４は型母材２側から二酸化レニウム膜３側に移るに従って、中間層４の組成を金属タンタルから酸化タンタルに変化させた。しかし、中間層４の組成はこの限りでなく、例えば、型母材２側から二酸化レニウム膜３側に移るに従って、金属クロムから酸化クロムに、金属チタンから酸化チタンにそれぞれ変化させるように構成しても良い。

以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
例えば、上記第１実施形態及び第２実施形態では、硝材にランタン系のＬ−ＬＡＨ５３を用いた。しかし、これに限ることなく、例えば硝材に酸化チタン系のＬ−ＴＩＭ２８（オハラ社製）を用いることもできる。Ｌ−ＴＩＭ２８を用いて上記第１実施形態及び第２実施形態の光学素子用成形型で光学素子の成形試験を行ったところ、表１及び表２に示す試験結果とほぼ同様の結果となった。

また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、光学素子用成形型の成形面に二酸化レニウム膜を用いたが、これに限らず、光学素子用成形型の全表面に二酸化レニウム膜を形成しても良い。このように構成することで、光学素子用成形型を窒素のような非酸化雰囲気ガスを用いることなく大気中でも使用できるようになるので、光学素子の製造コストを下げることができる。

また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、二酸化レニウム膜３をＲＦスパッタ法により成形した。しかし、二酸化レニウム膜３の成形はＲＦスパッタ法に限ることなく、イオンプレーティング法、アークイオンプレーティング法、反応性プラズマ成膜、酸化レニウムをターゲットにした成膜等、二酸化レニウムの成膜が可能な手段であれば良い。
また、上記第１実施形態及び第２実施形態における型母材２の材質として、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ等を用いても良い。

１、６光学素子用成形型
２型母材
２ａ成形部表面

Claims

ガラスからなる光学素子のプレス成形に用いる光学素子用成形型において、前記光学素子用成形型の少なくとも成形面の最表層が二酸化レニウムよりなる膜層からなり、
前記最表層の膜層が５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の厚さであることを特徴とする光学素子用成形型。
型母材と前記最表層との間に中間層を備え、
前記中間層はタンタル原子を含有し、前記型母材側から前記最表層側に移るに従って、前記中間層中の酸素原子の割合を増加させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の光学素子用成形型。