JPH04338121A - 光学素子成形用金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学素子成形用金型の寿
命の向上及び高精度化の技術手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】高精度な光学ガラス素子を直接プレスし
て成形するためには、型材料として高温でも安定で、耐
酸化性に優れ、ガラスに対して不活性であり、プレスし
たときに離形性に優れ、また、形状が崩れないように機
械的強度の優れたものが必要であるが、その反面、加工
性に優れ、精密加工が容易にできるものでなくてはなら
ない。

【０００３】このような光学ガラス素子のプレス成形用
に必要な条件をある程度満足する型材料として、特開昭
５２−４５６１３号公報に記載のシリコンカーバイド（
ＳｉＣ）またはシリコンナイトライト（Ｓｉ３Ｎ４）が
用いられ、さらには特開昭５９−１２１１２６号公報に
記載のチタンカーバイド（ＴｉＣ）および金属の混合材
料なども検討されている。 又、上記離形性の向上を図る手段として、金型の材料と
してガラス状炭素（無定形カーボン）を用いたり成形表
面にダイヤモンド状薄膜（ダイヤモンドライクカーボン
）を形成（特開昭６１−２８１０３０）したもの、ガラ
スと金型の少くとも一方の面に炭素コートを施したもの
（特開昭６２−２０７７２６）がある。

【０００４】また、保護膜の剥離、クラック発生を防止
する為にシリコンカーバイド又は窒化アルミを基材とし
シリコンカーバイドの膜と窒化物からなる膜を順次積層
した金型（特開昭６２−１３２７３４）、また、窒化物
、炭化物等の中間層を設けた後白金等貴金属層を設けた
もの（特開昭６１−１３６９２８）がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
型材料では前述の条件をすべて満足するものは得られな
い。

【０００６】例えば、型材料としてＳｉＣ及びＳｉ３Ｎ
４を用いた場合では、非常に硬く機械的強度が優れてい
るが、加工性に劣り、さらには光学ガラス素子の構成成
分である鉛（Ｐｂ）がアルカリ元素と反応し易いという
欠点を有している。またＴｉＣおよび金属の混合材料を
用いた場合も光学ガラス素子と反応し易く、型材料とし
ては不適当である。

【０００７】また、ダイヤモンド状薄膜又は炭素コート
又は硬質炭素膜を形成した金型は、長時間使用した時、
成形室内の残留酸素により、加熱酸化し、膜厚の低下が
生じ、成形表面の荒れと形状の変化が生じる問題がある
。

【０００８】また、従来の保護層の下地層と表面層の組
合せにおいては、膜剥離クラックの発生が（１０００〜
５０００回）長時間の成形において生じる問題が有る。

【０００９】このような実情に鑑み、本発明は光学ガラ
ス素子の構成成分である鉛との反応が少なくまた、成形
型表面への付着が少ないこと、ガラス材と成形型との成
形時の離形性が良いこと、長時間の成形において、膜の
加熱酸化劣化を防止し、膜剥離、クラック発生、形状変
形を少くすることをねらい、直接プレス成形法による光
学性能の良い高精度なガラス素子の成形を可能にするた
めのプレス成形用金型を提供することを目的としている
。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的は、下記技術手
段ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆのいずれか１つによって達成
される。

【００１１】（ａ）ガラス成形用金型において、ガラス
と接触する表面層を、炭素と少くともシリコンの混合層
で形成したことを特徴とする光学素子成形用金型。

【００１２】（ｂ）前記表面層における炭素中のシリコ
ンの含有量を１０〜７０ａｔ％とすることを特徴とする
ａ項記載の光学素子成形用金型。

【００１３】（ｃ）ガラス成形用金型において、ガラス
と接触する表面層を、炭素と少くともホウ素の混合層で
形成したことを特徴とする光学素子成形用金型。

【００１４】（ｄ）請求項３の表面層における炭素中の
ホウ素の含有量を２〜５０ａｔ％とすることを特徴とす
るｃ項記載の光学素子成形用金型。

【００１５】（ｅ）前記表面層の厚さを０．１〜２．０
μｍとしたことを特徴とするａ項乃至ｄ項のいずれか１
項に記載の光学素子成形用金型。

【００１６】（ｆ）前記表面層と金型基材との間の該基
材に接する下地層としてシリコン、タングステン、タン
タル、ニオビゥムの少くとも１つを含む層を形成したこ
とを特徴とするａ項乃至ｅ項のいずれか１項に記載の光
学素子成形用金型。

【００１７】

【実施例】本発明の実施例を図１，図２の下型の断面図
及び図３の下型及び上型をセットしたプレス機の断面図
を用いて説明する。下型も上型も層構成は同じにしてあ
るので図面としては上型の図面は省略する。

【００１８】下型４は図１に示すように基材４１の上に
表面層４２が形成されたものと図２に示すように基材４
１と表面層４２の間に下地層４３を形成させたものがあ
る。

【００１９】上型３も同様であるので上型３についての
説明は省く。基材４１はタングステンカーバイト合金、
ステンレス鋼、シリコンカーバイド、シリコンナイトラ
イド、サーメット材が使用されこれ等の材料は必要な耐
熱性、硬度、加工性が具備されている。例えばタングス
テンカーバイト合金としては、ＷＣ−ＣＯ系、ＷＣ−Ｔ
ａＣ−ＴｉＣ系（日本タングステン　ＲＣＣ型）Ｗｃ−
Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ系（日本タングステン　ＢＷ−４２型
）がある。

【００２０】表面層４２は炭素と金属元素の混合物で構
成され、一部又は、全体が化合物化してある場合もある
。

【００２１】金属としてはシリコン又はホウ素が使用さ
れる。

【００２２】炭素と少くともシリコン元素の混合物の場
合は、シリコン含有量が１０〜７０ａｔ％である。

【００２３】炭素と少くともホウ素元素の混合物の場合
は、ホウ素含有量が２〜５０ａｔ％である。

【００２４】これ等の表面層を形成させるには通常の蒸
着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等がある。中でもマグネト
ロン・スパッタ蒸着法を用いる場合、その際炭素ターゲ
ット材としては例えば東洋炭素株式会社製のＩＧ５１０
が用いられ、混合金属としてはシリコン元素の場合はシ
リコンウェハを炭素ターゲット表面に配置する。そして
面積比が所定の含有量比になるように設定する。即ち、
面積比＝シリコン／炭素＝０．１〜０．５としてある。

【００２５】また、混合金属としてホウ素元素を用いる
ときは、ホットプレス加工したホウ素元素の厚さ約２ｍ
ｍの板状材料を使用し、面積比が所定含有量比になるよ
うに設定する。即ち、面積比＝ホウ素／炭素＝０．０２
〜０．４で配置する。

【００２６】また、スパッター条件としては、直流スパ
ッタ法を用いて、放電電力が１〜１．５ＫＷ、導入ガス
はアルゴンガスであり圧力は約９×１０−４〜２×１０
−３Ｔｏｒｒ．基板温度は２５０〜５００℃膜厚を０．
１〜２μｍに形成する。

【００２７】シリコン又はホウ素含有量はＸ線マイクロ
アナライザーで定量する。

【００２８】混合元素としてはシリコン元素、ホウ素元
素以外の窒素又はアルゴンをはじめとした他の元素が含
有される場合もある。

【００２９】また、図２に示すような下地層４３を有す
る場合には該下地層４３は、シリコン元素、タングステ
ン、タンタル、モリブデン、ニオビウムの少くとも１種
からなる層をもって構成される。

【００３０】この下地層を形成させるにはマグネトロン
スパッタ法を用いる。そして、そのターゲット材として
はシリコン、タングステン、タンタル、モリブデン、ニ
オビウムが用いられ、そのスパッター条件としては、シ
リコンの高周波マグネトロンスパッター法の場合は、放
電電力は１〜２ＫＷ、導入ガスは圧力８〜１０−４〜３
×１０−３Ｔｏｒｒのアルゴンガス単独を用い、基板温
度を約３００〜５００℃，膜厚は０．２〜１．０μｍに
してある。

【００３１】また、上記元素は単独の状態のみならず窒
素，炭素の元素をはじめとした他元素を含有した状態で
も同等の効果が得られる。

【００３２】以下、本発明の光学ガラス素子成形用金型
により光学素子を製造した例を各実施例により説明する
。

【００３３】直径２０ｍｍ、厚さ６ｍｍのタングステン
カーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金を曲率半径
がそれぞれ４６ｍｍおよび２００ｍｍの凹面状のプレス
面を有する上下の型からなる一対の光学ガラス素子のプ
レス成型用型に加工した。

【００３４】これらの型のプレス面を超微細なダイヤモ
ンド砥粒を用いて鏡面に研磨した。次に、この鏡面上に
表１及び表２の実施例に示す組成の表面層及び下地層の
それぞれの薄膜をスパッタ法又はイオンプレーティング
法により各々０．１〜２．０μｍ，０．２μｍ〜１．０
μｍの厚みで形成してプレス成形用金型を作成した。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】

【表３】

【００３８】この型を図３で示したプレス成形機にセッ
トする。図３において３は上型、４は下型、５は上型用
加熱ヒーター、６は下型用加熱ヒーター、７は上型用ピ
ストンシリンダー、８は下型用ピストンシリンダー、９
は供給ガラス素子塊状物、１０はガラス素子供給用治具
、１１はプレス成型した光学ガラス素子の取り出し口、
１２は供給ガラス素子塊状物の予備加熱炉、１３は覆い
である。 次に、酸化鉛（ＰｂＯ）７０重量％、シリカ（ＳｉＯ２
）２７重量％および残りが微量成分からなる酸化鉛系光
学ガラス（重フリント系ガラス）であって、半径１０ｍ
ｍの球状に加工した塊状物９を予備加熱炉１２で加熱し
た後、５２０゜Ｃに保持されている上下の型３および４
の下型４の上に置き、窒素雰囲気中で約４０Ｋｇ／ｃｍ
２のプレス圧によりプレスして２分間保持し、その後、
そのままの状態で上下の型を３００゜Ｃまで冷却して、
プレス成型された光学ガラス素子を取り出し口１１より
取り出して、光学ガラス素子のプレス成形の工程を完了
する。

【００３９】以上の工程を繰り返して３０００回目のプ
レス成形終了後に、上下の型３および４をプレス成形機
より取り外して、プレス面の状態を光学顕微鏡で観察し
、その時のプレス面の表面粗さ（平均二乗粗さＲＭＳ値
、Å）を測定して、それぞれの型精度を評価した。

【００４０】又別途に比較例として、従来使用されてい
たタングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬
合金のプレス成形用の型に表１，表２に示す比較例のそ
れぞれの薄膜をスパッタ法で形成し、同様に図３に示し
たプレス成形機にセットしプレス成形工程を３０００回
繰り返し行い、同様のプレス面の精度を評価した。

【００４１】尚、評価は表３に示す基準で行った。

【００４２】実施例１ 基材としてタングステンカーバイト（ＷＣ）超硬（日本
タングステン製　ＦＣＣ型超硬材）からなる、金型の成
形面に、スパッタ法によって炭素とシリコンの混合物か
らなる表面層を形成した。

【００４３】コート条件 ◎ターゲット　　炭素ターゲットを用いターゲット表面
にシリコンウエハを配置した。

【００４４】面積比を、シリコン／炭素＝０．１〜０．
５の中から設定した。

【００４５】面積比設定 Ｎｏ３　　シリコン／炭素＝０．０７ Ｎｏ４　　　　　　　　〃　　　　　　＝０．１８Ｎｏ
５　　　　　　　　〃　　　　　　＝０．３５Ｎｏ６　
　　　　　　　〃　　　　　　＝０．５０◎スパッタ条
件 直流マグネトロンスパッタ　　電力１．０ＫＷ導入ガス
　　アルゴンガス　　真溶度約９×１０−４Ｔｏｒｒ設
定スパッタコート時基板温度（金型）　　３００°Ｃ表
面層膜厚は１μｍを形成した。

【００４６】前述した３０００回のプレス成形後の表面
粗さは２００Å以下であり成形前の表面粗さ５０Åと比
較し約１５０Åの変化が見られたが、性能上問題はなか
った。

【００４７】比較例１ 実施例１と同様の条件において、ターゲット表面のシリ
コン面積比をＮｏ１（０），Ｎｏ２（０．０４），Ｎｏ
７（０．６４）とし、表面層を形成し、同様の評価をし
た。

【００４８】表面粗さは、３０００回の成形により１０
００Å以上の劣化が見られ、約１５００Åになり、性能
的に問題となった。又Ｎｏ７では、表面の白濁劣化が生
じた。

【００４９】（酸化シリコンの形成の為、ガラスに含有
される鉛の付着と思われる。） 実施例２ 実施例１と同様のターゲット表面に、ホウ素ペレットを
（厚さ２ｍｍでホットプレスした物）を配置した。

【００５０】面積比をホウ素／炭素＝０．０２〜０．４
の中から設定した。

【００５１】面積比 Ｎｏ９　　ホウ素／炭素＝０．０２ 〃１０　　　　　　　　〃　　　　　　０．０５〃１１
　　　　　　　　〃　　　　　　０．０７〃１２　　　
　　　　　〃　　　　　　０．２３〃１３　　　　　　
　　〃　　　　　　０．４０スパッタ条件　　実施例と
同様。

【００５２】成形テスト後　　表面粗さは、２５０Å以
下であり成形前と比較し約２００Åの劣化が生じたが性
能上問題はなかった。

【００５３】比較例２ 実施例２において、ホウ素の面積比率をＮｏ８（０．０
１）Ｎｏ１４（０．４５），Ｎｏ１５（０．５５）とし
た。成形後表面粗さは、Ｎｏ８ではＮｏ１と同様３００
０回成形で約１５００Åの表面粗さとなり、Ｎｏ１４，
Ｎｏ１５は、同じ成形条件で表面粗さは１１００Åとな
り又一部白濁化が生じた。膜硬度の低下及び酸化ホウ素
の形成によると思われ、いずれも実用上問題となった。

【００５４】実施例３ 実施例２のスパッタ条件において、ホウ素と炭素のター
ゲット表面積比をホウ素／炭素＝０．０４とし、各表面
層の厚さを０．１μｍから２μｍに形成した（Ｎｏ１７
，１８，１９，２０）。 そして実施例２と同じ成形条件で成形評価した。いずれ
も実施例２と略々同様の表面粗さの変化を示し、実用上
の問題は生じなかった。

【００５５】比較例３ 実施例３において、膜厚を０．０５μｍ（Ｎｏ１６），
２．３μｍ（Ｎｏ２１），３．０μｍ（Ｎｏ２２）に設
定した。同一の成形テストを行った時、Ｎｏ１６では、
金型の外周付近で一部表面層のハガレが生じた。又Ｎｏ
２１，Ｎｏ２２は成形前から、表面粗さが５００Å〜８
００Åと局部的に大きい場所が発生し、形状精度上も問
題となった。

【００５６】実施例４ 実施例１のＮｏ４のスパッタ条件において、表面層膜厚
を０．１〜２．０μｍで変化させた。Ｎｏ２４，２５，
２６成形テスト評価で、Ｎｏ４といずれも同様の結果が
得られ実用可能となった。

【００５７】比較例４ 実施例４において、表面層膜厚を０．０７μｍ（Ｎｏ２
３）２．５μｍ（Ｎｏ２７）とした。膜厚を０．１μｍ
未満としたＮｏ２３では、成形後コア周辺部で一部膜ハ
ガレが生じた。Ｎｏ２７は、コート時間が長く必要な割
には、実施例４と比較し大きな改善は見られず、逆に表
面粗さが、成形前から、４００〜９００Åのムラが有り
、実用上いずれも不適当であった。

【００５８】実施例５ 表面層を実施例２のＮｏ１１とし、基材と表面層の間に
下地層を設けた。（Ｎｏ２９，３０，３３，３４，３７
，３８，３９，４０，４１）。材料として、シリコン、
タングステン、タンタル、モリブデン、ニオビウムのい
ずれかを用い、直流マグネトロンスパッタ法で、膜０．
２〜１．０μｍ形成した。

【００５９】 スパッタ条件：　　スパッタ電力　　１ＫＷ導入ガス　
　アルゴンガス　　（１×１０−３Ｔａｎ）基板温度　
　３００゜Ｃ さらにその上に同一のスパッタ装置でつづけて表面層を
Ｎｏ１１の条件で形成し、成形テスト評価した。

【００６０】Ｎｏ１１と比較し、表面粗さは成形前の段
階で５０Å以下が得られ又、成形後においても１００〜
１５０Åの表面粗さが維持され、耐久性の向上が見られ
、実用上十分に適していた。

【００６１】比較例５ 実施例５において、下地層の厚さを０．２μｍ未満（Ｎ
ｏ２８，３２）１．０μｍを越える厚さ（Ｎｏ３１，３
５）を形成し、さらにＮｏ１１の条件で表面層を形成し
た。

【００６２】下地層の厚さが０．２μｍ未満では、実施
例５に示す表面層の表面粗さは低下し、さらに成形後、
一部膜ハガレの発生する事も有った。１．０μｍを越え
る時は、顕著な表面性向上は、もはや見られず、厚くす
る効果はなかった。下地層の厚さは実用的には０．１〜
１．０μｍが適していた。

【００６３】実施例６ 下地層としてシリコン、タングステンの単独材料のみな
らず炭素を含有した層を用いた。（Ｎｏ４２，４３）ス
パッタターゲットとして、各々シリコンターゲット、タ
ングステンターゲットを用いた。ターゲット表面に炭素
板（東洋炭素（株）ＩＧ−５１０）厚さ２ｍｍを面積比
　　炭素／シリコン＝０．０５〜０．５　炭素／タング
ステン＝０．０４〜０．３の中から設定し用いた。他の
スパッタ条件は実施例５と同様とした。

【００６４】成形テストの結果、実施例５と同レベルの
実用上問題のない結果を得た。

【００６５】

【発明の効果】以上の如く本発明の光学ガラス素子成形
用型は、高温でも安定で耐酸性、加工性に優れ、精密加
工が容易である。

【００６６】そして、そのプレス面はガラス材料に対し
て不活性であり、プレス成形時に形状精度が崩れず、か
つ充分な耐久性を有する。このため３０００回プレス成
形した後においても高精度のガラス素子成形物が得られ
る。 又成形物としては、ガラス以外の無機物及び高分子構造
物材料にも適用可能である。

【００６７】なお、光学ガラス成形用型の母材として、
タングステンカーバイト（ＷＣ）合金系の代わりにチタ
ンナイトライト（ＴｉＮ）、チタンカーバイド（ＴｉＣ
）、クロムカーバイト（Ｃｒ３Ｃ２）およびアルミナ（
Ａｌ２Ｏ３）の各々を主成分とする合金又は焼結体又は
サーメットやシリコンカーバイト（ＳｉＣ）、酸化クロ
ム（Ｃｒｏ２）等を用いて前記と同様の試験をした結果
、前記と同様に型寿命を向上させることができた。

【図面の簡単な説明】

図１、図２は成形金型の下型の断面図。図３は、成形金
型をセットしたプレス機の断面図。

【符号の説明】

３・・・上型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　４・・・下型５・・・上型加熱ヒー
ター　　　　　　　　　　　　　　　　６・・・下型加
熱ヒーター ７・・・上型ピストンシリンダー　　　　　　　　　　
８・・・下型ピストンシリンダー ９・・・供給ガラス素子塊状物　　　　　　　　　　　
　１０・・・ガラス素子供給用治具 １１・・・取り出し口　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　１２・・・予備加熱炉 ４１・・・基材　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　４２・・・表面層４３・・・下地
層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ガラス成形用金型において、ガラスと
   接触する表面層を、炭素と少くともシリコンの混合層で
   形成したことを特徴とする光学素子成形用金型。
2. 【請求項２】　　前記表面層における炭素中のシリコン
   の含有量を１０〜７０ａｔ％とすることを特徴とする請
   求項１記載の光学素子成形用金型。
3. 【請求項３】　　ガラス成形用金型において、ガラスと
   接触する表面層を、炭素と少くともホウ素の混合層で形
   成したことを特徴とする光学素子成形用金型。
4. 【請求項４】　　請求項３の表面層における炭素中のホ
   ウ素の含有量を２〜５０ａｔ％とすることを特徴とする
   請求項３記載の光学素子成形用金型。
5. 【請求項５】　　前記表面層の厚さを０．１〜２．０μ
   ｍとした事を特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれ
   か１項に記載の光学素子成形用金型。
6. 【請求項６】　　前記表面層と金型基材との間の該基材
   に接する下地層としてシリコン、タングステン、タンタ
   ル、ニオビゥムの少くとも１つを含む層を形成したこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記
   載の光学素子成形用金型。