JP5627214B2

JP5627214B2 - 成形金型、及びその製造方法

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Publication number: JP5627214B2
Application number: JP2009253078A
Authority: JP
Inventors: 橋本　茂; 茂橋本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2029-11-04
Also published as: JP2011098845A

Description

本発明は、主として、ガラス素材のプレス成形により、レンズ、プリズムなどのガラスよりなる光学素子を製造する際に使用される成形金型、及びそ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、従来の製造において必要とされた複雑な工程をなくし、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、および、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。

幾つかの例を挙げるならば、超硬合金を母材とした成形金型において、最初に、金属窒化物（ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＮ、ＴａＮ、あるいはＺｒＮ）、金属炭化物（ＴｉＣ、ＺｒＣ、あるいはＣｒ２Ｃ３）、あるいは金属硼化物（ＺｒＢ２、ＮｂＢ２、あるいはＴａＢ２）を被覆する。

次に、成形面（転写面）となる部分に白金族金属、タングステン、レニウム、およびタンタルの群からなる金属膜または前記金属を主成分とする合金膜を被覆した成形金型が特許文献１に提案されている。

特許文献２には、被膜として、ＴｉＡｌＮ膜をスパッタ法により形成し、炭素イオンの打ち込みを行なった成形金型が提案されている。

特許文献３には、被膜として、テトラヘドラルアモルファス炭素膜（ｔａＣ膜）、水素化テトラヘドラルアモルファス炭素膜（ａ−Ｃ：Ｈ膜）が記述されている。

特開平０３−２４２３３４号公報特開平０６−２６３４５９号公報特開２００４−０７５５２９号公報

一般的に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、前記膜が部分的に剥離し、成形品において、十分な成形性能が得られないことがあるなど、耐久性に問題があった。

さらに、デジタルカメラ等の小型化に伴い、高屈折率ガラスのプレス成形が望まれるようになった。一般に、高屈折率ガラスは成形温度が６５０℃以上と高いため、一般的にａ−Ｃ：Ｈ膜、硬質炭素膜を用いた成形金型は、耐久性に問題があった。

また、成形金型の表面が炭素系の膜の場合、炭素膜を酸素プラズマ等で除去して、繰り返し炭素系膜を成膜する必要があった。

本出願に係る発明の第１の目的は、６５０℃以上の高温で繰り返してガラス素材をプレス成形しても、離型層の剥離を防止することにある。

本出願に係る発明の第２の目的は、離型層を繰り返し再生して、成形に用いることにある。

これらの問題点を解決するために本発明では、母材の一部に成型面を有する成形金型において、前記成型面に、金属チタンからなる層、窒化チタンアルミニウムからなる層、炭化珪素からなる層、テトラヘドラルアモルファスカーボンからなる層が順次積層されていることを特徴とする成形金型を提供する。

本発明によれば、高温で離型層の密着性、耐久性がよく、さらには離型層を再生して繰り返し使用できる成形金型を、良好な表面粗さで形成することが可能となり、高屈折率ガラスからなる光学素子を大幅なコストダウンして提供することができる。

本発明の実施の形態を示す、成形金型の模式図である。本発明の実施の形態を示す、スパッタ装置の模式図である。本発明の実施の形態を示す、ＰＳＩＩ成膜法装置の模式図である。本発明の実施の形態を示す、ＦＣＶＡ成膜法装置の模式図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら、具体的に説明する。
ここで、本発明の成形金型の模式的断面を図１に示す。成型面（以下、転写面と呼称する）上に設けた被膜は、説明のため厚みを増して描いている。

図１において、１１は炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金で、光学素子を成形するための転写面を有する。

なお、図１では、凸形状のレンズ成形金型を示したが、本発明では、形状に限定されるものでなく、凹面レンズ成形金型、非球面レンズ成形金型、シリンドリカルレンズ成形金型など形状に限定されるものではない。

１２は金属チタン（Ｔｉ）で形成された下地層である。型とガラスとの離型性が良い材料は一般に型との密着性が低いので、他の膜を介して金型に設けられる。この下地層は以下説明する中間層とともに、超硬合金で製造された成形金型の表面をならし、さらに重ねて他の膜を形成する下地を作るために設けられている。

１３は窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）で形成された中間層である。
１４はプラズマソースイオンインプラテーション法（Ｐｌａｓｍａ−Ｓｏｕｃｅ−Ｉｏｎ−Ｉｍｐｌａｔａｔｉｏｎ、以下ＰＳＩＩ法）より成膜された、炭化珪素（ＳｉＣ）で形成された密着層ある。この密着層は、下地層と中間層を介して成形金型の転写面と密着し、さらに密着層に重ねて設けられる離型層とも密着して、離型層が成形金型から剥離するのを防止するために設けられている。

１５はフィルタードアークカソーディックバキュームアーク法（ＦＣＶＡ法）により成膜されたテトラヘドラルアモルファスカーボン（ｔａＣ）による離型層である。この離型層は、ガラスの光学素子のプレス成形するにあたりプレス後に成形金型と光学素子とを、ガラスと型とが融着せずに離すために設けられている。

以上の層を型母材に対して順次積層する。
図２は下地層、及び中間層を形成するスパッタ成膜装置の模式断面図である。真空チャンバー２１に型母材２２を設置し、型母材２２は回転軸２３でターゲット上を回転する。熱伝対２６で温度検出を行い、ハロゲンランプ等のヒーター２７で３００℃まで加熱し、チャンバー内の到達真空度を、１×１０^−３Ｐａ以下排気する。

次に、アルゴンガスを導入し、型母材２２を回転させ、金属チタンターゲット（Ｔｉ）２４に図示していないＲＦ高周波電源よりマッチングボックスを介して高周波を印加して、ターゲットをスパッタすることにより、金属チタン（Ｔｉ）層を０．１〜０．５μｍ形成する。

アルゴンガスと窒素ガスを導入し、型母材２２を回転させ、金属チタン（Ｔｉ）ターゲット２４と金属アルミニウム（Ａｌ）ターゲット２５に図示していないＲＦ高周波電源よりマッチングボックスを介して高周波を印加して、ターゲットをスパッタする。

その際、型母材２３にＲＦ高周波電源２８より、図示していないマッチングボックスを介して回転軸２３を通して高周波を印加して、ＴｉＡｌＮ層１３を０．２〜５μｍ形成する。

ＴｉとＡｌの組成比は、ターゲットに印加するそれぞれの高周波のパワーを変えることで達成される。
ＴｉとＡｌの組成比は、０．３から０．７が望ましい。

また、下地層と中間層の成膜法として、スパッタ法で説明したが、公知のＣＶＤ、イオンプレーティング法でも可能で、成膜装置も上記成膜装置に限定されるものではない。

図３は、プラズマソースイオンインプラテーション法（ＰＳＩＩ法）の成膜装置を示す模式図である。３１は真空チャンバー、３２はイオン源で、不図示のバルブ、ガス流量調整器、圧力調整器、ガスボンベが接続されており、加熱されたフィラメントと電場を用いて炭素含有ガスをイオン化することができる。

３３は基材ホルダーにバイアスを印加するための電源である。
３４はイオンビームを模式的に示したものであり、３５は下地層と中間層とを表面に形成された型母材である。図３では説明のため凹状の転写面を有する型母材が描かれている。

また、３６はガス排気口で、バルブ、ターボ分子ポンプ、ロータリーポンプ（何れも図示せず）が接続されている。また３７は基材ホルダーで型材を固定することができる。
なお、本発明で用いられる成膜装置は、上記装置に何ら限定されるものではない。

次に、ＰＳＩＩ装置を用いて、ＳｉＣの成膜方法について説明する。
真空チャンバー３１に型母材３５を設置し、不図示のハロゲンランプ等のヒーターで３００℃まで加熱し、チャンバー内の到達真空度を、１×１０^−５Ｐａ以下に排気する。

ＨＤＭＳ（ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）、ＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅＴｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ）等の珪素と炭素を含むガスを導入し、３２のイオン源でイオン化する。

型母材３５を回転させ、３３の基材ホルダーに、バイアスを印加するための電源によりパルス状の直流を１〜８ｋＶを印加して、ＳｉＣ層を１０〜１００ｎｍ形成する。

また、これらの成膜法として、ＣＶＤ法で説明したが、公知のスパッタ、イオンプレーティング法でも可能で、成膜装置も上記成膜装置に限定されるものではない。
図４はｔａＣ膜を形成するＦＣＶＡ法の成膜装置の模式断面図である。

次に、ｔａＣの成膜方法について以下に説明する。
真空チャンバー４１に型母材４２を設置し、チャンバー内の到達真空度を、１×１０^−５Ｐａ以下排気する。

バキュームアーク電源４６により、アークプラズマ生成室４５で炭素プラズマを生成し、フィルター４４により、炭素イオンを抽出して、炭素イオンを型母材４２に照射する。

炭素イオンを型母材４２に照射する際、パルス状直流電源４３を用いて、型母材に−５００〜５ＫＶ印加して、ｔａＣ層を５０〜１０００ｎｍ形成する。

また、本発明の実施の形態では、ＰＳＩＩ法の成膜装置とＦＣＶＡ法の成膜装置は、別々の装置を用いて成膜したが、これは説明をわかりやすくするためである。

通常は、ＰＳＩＩ法の成膜装置とＦＣＶＡ法の成膜装置を同一チャンバーに具備する成膜装置で成膜するのが、密着性、コンタミ低減の観点から望ましい。
しかし、別々の成膜装置で成膜しても、本発明の効果を損なうものではない。

図１は、本発明に係る成形金型の模式断面図を示すものである。
最初に、ＷＣを主成分とする超硬合金１１に、図２に示すスパッタリング装置を用いて成形面側に、Ｔｉ層１２を３００ｎｍ、ＴｉＡｌＮ層１３を７００ｎｍ成膜した。

次に型母材を図３に示すプラズマソースイオンインプラテーション法（ＰＳＩＩ法）の成膜装置に設置し、ＳｉＣ層１４を６０ｎｍ成膜した。

最後に型母材を図４に示すＦＣＶＡ法の成膜装置に設置し、ｔａＣ層１４を２００ｎｍ成膜した。ＦＣＶＡ法によりｔａＣ層を成膜したため膜全体にわたって均質で、かつＳｉＣ層との密着性が良好な高品位な膜を形成できた。

次に、この成形金型を用いて光学レンズの成形を８００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。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。

また、成形後の型表面を走査型電子顕微鏡で観察した所、膜剥離、クラックの発生、更には、ガラスの融着が認められず、良好な型表面性を有していた。

したがって６５０℃以上の高温で繰り返してガラス素材をプレス成形しても、離型層の剥離を防止することができた。

また、成形ガラスレンズも、ガラスの割れが見られず、良好な表面粗さであった。

更に、成形に用いた成形型を、酸素アッシング装置を用いて、ＳｉＣ、ｔａＣ層を除去し、ＴｉＡｌＮ面上をダイヤモンドペーストで洗浄を行った。ＴｉＡｌＮ面には特に大きな欠損は見らなかった。

そして、この型に、再度、ＳｉＣ、ｔａＣ層を形成して、同条件で成形を行ったが、１回目と同様な結果を得た。型母材上に成膜した各層ごとの組成と膜厚を以下の表１に示す。

（比較例１）
実施例１において、中間層であるＴｉＡｌＮに代えて、ＴｉＮを形成する以外は同様に成形金型を製造した。

この成形金型を用いて実施例１と同様に光学レンズの成形を行なったが、５５０ショットで、ｔａＣ層の剥離が一部発生した。

更に、成形に用いた成形型を、酸素アッシング装置を用いて、ＳｉＣ、ダイヤモンド状炭素層を除去し、ＴｉＮ面上をダイヤモンドペーストで洗浄を行ったが、ＴｉＮ面にキズが発生していたため、中間層に重ねて再度、ＳｉＣ、ｔａＣ層を形成して型を再生することはできなかった。したがって下地層としてのＴｉ層に続いてはＴｉＡｌＮを中間層として形成することが望ましい事が分かった。

（比較例２）
実施例１において、ＦＣＶＡ法によるｔａＣ層の代えて、密着層であるＳｉＣ層を形成した後、引き続き、ＰＳＩＩ法の成膜装置に、トルエンなどの芳香族炭化水素ガスを導入し、離型層として優れた特性を有するとされるダイヤモンド状炭素層を２００ｎｍ形成する以外は同様に成形金型を製造した。

次に、この成形金型を用いて実施例１と同様に光学レンズの成形を行なったが、３００ショットで微小なダイヤモンド状炭素層の剥離が多数発生した。

更に、成形に用いた成形型を、酸素アッシング装置を用いて、ＳｉＣ、ダイヤモンド状炭素層を除去し、ＴｉＡｌＮ面上をダイヤモンドペーストで洗浄を行ったが、ＴｉＡｌＮ面にキズが発生しているため、中間層であるＴｉＡｌＮ層に重ねて再度、ＳｉＣ、ｔａＣ層を形成して型を再生することはできなかった。したがって密着層であるＳｉＣ層に重ねて形成する離型層には、ＦＣＶＡ法によるｔａＣ層が良いことがわかった。

（比較例３）
型母材に重ねて下地層にＴｉ、中間層にＴｉＡｌＮ、密着層にＳｉＣ、離型層にダイヤモンド状炭素層を順次備えた比較例２における光学素子成形金型の、中間層であるＴｉＡｌＮ層に代えて、剥離を抑えるためにＴｉＮ層にする以外は同様に成形金型を製造した。

この成形金型を用いて実施例１と同様に光学レンズの成形を行なったが、２００ショットで微小なダイヤモンド状炭素層の剥離が多数発生した。

更に、成形に用いた成形型を、酸素アッシング装置を用いて、ＳｉＣ、ダイヤモンド状炭素層を除去し、ＴｉＮ面上をダイヤモンドペーストで洗浄を行ったが、ＴｉＮ面にキズが発生しているため、中間層に重ねて再度、ＳｉＣ、ｔａＣ層を形成して型を再生することはできなかった。

ガラス素材のプレス成形により、レンズ、プリズムなどのガラスよりなる光学素子を製造する際に使用される成形金型に好適に用いられる。

３４イオンビームを模式的に示したもの
３５型母材
３６ガス排気口
３７基材ホルダー

Claims

母材の一部に成型面を有する成形金型において、前記成型面に、金属チタンからなる層、窒化チタンアルミニウムからなる層、炭化珪素からなる層、テトラヘドラルアモルファスカーボンからなる層が順次積層されていることを特徴とする成形金型。
前記金属チタンからなる層の厚さは０．１〜５μｍであり、前記窒化チタンアルミニウムからなる層の厚さは０．２〜５μｍであり、前記炭化珪素からなる層の厚さは１０〜１００ｎｍであり、前記テトラヘドラルアモルファスカーボンからなる層の厚さは５０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の成形金型。
前記窒化チタンアルミニウムからなる層における、アルミニウムに対するチタンの割合は０．３〜０．７であることを特徴とする請求項１に記載の成形金型。
母材の一部に成型面を有する成形金型の製造方法において、前記成型面に、金属チタンからなる層、窒化チタンアルミニウムからなる層、炭化珪素からなる層、テトラヘドラルアモルファスカーボンからなる層を順次成膜することを特徴とする成形金型の製造方法。
前記金属チタンからなる層の厚さは０．１〜５μｍであり、前記窒化チタンアルミニウムからなる層の厚さは０．２〜５μｍであり、前記炭化珪素からなる層の厚さは１０〜１００ｎｍであり、前記テトラヘドラルアモルファスカーボンからなる層の厚さは５０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項４に記載の成形金型の製造方法。
前記テトラヘドラルアモルファスカーボン膜が、フィルタードアークカソーディックバキュームアーク法により成膜されることを特徴とする請求項４または５に記載の成型金型の製造方法。
前記炭化珪素膜が、プラズマソースイオンインプラテーション法、もしくはスパッタ法により成膜されることを特徴とする請求項６に記載の成形金型の製造方法。